Brevet FR2702921A1 — publié le 19940923

BOITIER ELECTRONIQUE RENFORCE La présente invention concerne un boîtier électronique comprenant une cuvette de réception de composants électroniques, un capot d'étanchéité pour confiner les composants dans la cuvette, et des traversées électriques étanches pour relier les composants à l'extérieur du boîtier. Plus particulièrement, la présente invention concerne un boîtier électronique renforcé pouvant résister à des environnements extrêmes, notamment à des surpressions de plusieurs bars et à des vibrations de grande intensité. On a représenté schématiquement par la vue en coupe de la figure 1, un boîtier électronique classique 1. Le boîtier 1 comporte une cuvette 2 de réception de composants électroniques 10, délimitée par un fond 4 et des parois latérales 5. La cuvette 2 peut être obtenue par emboutissage, par usinage, ou par brasure d'un cadre sur une plaque de fond. Les composants électroniques 10 sont généralement montés sur un substrat d'interconnexion 11 collé sur le fond 4 de la cuvette. Le substrat 11 est connecté par fils 12 à des broches métalliques 15 traversant la cuvette 2, l'étanchéité des broches étant assurée par des passages 16 de type "perle de verre". Le boîtier 1 comprend en outre un capot d'étanchéité 20, généralement une plaque métallique plane réalisée dans le même matériau que la cuvette 2, la périphérie 21 du capot étant soudée sur les parois 5 de la cuvette. Le capot 20 et la cuvette 2 peuvent être assemblés par soudure laser, par brasure avec interposition d'un joint d'alliage fusible, ou par soudure électrique. En général, l'assemblage du capot et de la cuvette se fait sous atmosphère neutre, par exemple sous azote, à la pression atmosphérique. Dans le domaine des équipements électroniques embarqués, on tend de plus en plus à réaliser l'intégration des fonctions électroniques dans des boîtiers du type décrit ci-dessus. L'avantage réside en une protection accrue des composants électroniques et en une meilleure intégration grâce à la possibilité de monter dans les boîtiers des composants nus, par exemple des circuits intégrés présentés en microplaquettes de silicium. En général, les différents boîtiers constituant un équipement sont assemblés sur un support de type circuit imprimé, assurant l'interconnexion électrique des boîtiers. Parallèlement à l'augmentation de la complexité des fonctions électroniques et l'accroissement de la taille des boîtiers, on voit les contraintes appliquées aux boîtiers devenir rédhibitoires, notamment en vibrations et en pression. Ainsi, par exemple, dans le domaine de la prospection sous-marine, il est demandé des boîtiers pouvant résister à des vibrations dépassant les 100 g en termes d'accélération sinusoidale (g représentant l'accélération de la pesanteur) et, en cas de dépressurisation temporaire de l'équipement, à des pressions pouvant atteindre plusieurs bars. De façon simplifiée, le cahier des charges d'un boîtier électronique prévu pour des applications en environnement sévère est présenté de la façon suivante Fréquences de vibrations Vibrations exprimées en accélération sinus Bande 1, de No Hz à N1 Hz Al = alg Bande 2, de N1 Hz à N2 Hz A2 = a2g Bande 3, de N2 Hz à N3 Hz A3 = a3g Bande n, de Nn-l Hz à Nn Hz An = ang Pression = x bars pendant t heures. Le spectre des fréquences de vibrations (de N1 Hz à Nn Hz) est découpé en bandes de fréquences (bande 1, bande 2,..., bande n) dans lesquelles l'énergie de vibration est représentée par une accélération sinusoidale (Al, A2,... An) ayant pour valeur maximale l'accélération g de la pesanteur multipliée par un coefficient d'intensité (al,a2,...an) dépendant de la bande considérée. Typiquement, le spectre des fréquences de vibrations s'étend de quelques hertz à quelques milliers de hertz, les énergies vibratoires au delà de cette bande étant négligeables. Dans les cas les plus critiques, l'intensité vibratoire peut atteindre 150 g dans une bande de fréquence donnée, et la surpression externe 10 bars pendant une douzaine d'heures. Lorsque l'on applique de telles contraintes au boîtier classique 1, on constate dans certaines bandes de fréquences que les vibrations entraînent une rupture de la soudure du capot ou du capot lui-même. Ceci s'explique par le fait que le capot présente typiquement une fréquence de résonance située dans le spectre de vibrations, et un facteur de qualité Q à la résonance très élevé (le facteur de qualité Q indique l'énergie maximum stockée dans une structure vibrante relativement à l'énergie apportée entraînant la vibration de la structure). A titre d'exemple un capot en Kovar (alliage Fe/Ni/Co) présentant une épaisseur de l'ordre du millimètre et une surface d'environ 60 x 60mm, a une fréquence de résonance de l'ordre de 800 hertz et un facteur de qualité Q trés élevé égal à 75. Par ailleurs, les contraintes de surpression appliquées sur le capot sont telles que les parois 5 de la cuvette 2 se déforment, ce phénomène pouvant entraîner des fissures dans les perles de verre 16 assurant l'étanchéité du passage des broches. Pour assurer la tenue en surpression et en vibration d'un boîtier électronique, on est donc amené à modifier la structure du capot, sachant qu'il n'est pas avantageux d'envisager uniquement une augmentation de l'épaisseur du capot, cette méthode étant pénalisante en masse et d'autre part entraînant des problèmes de montage. Une solution connue de l'homme du métier consiste à prévoir une rigidification du boîtier par nervurage, permettant d'augmenter la résistance du capot par rapport aux contraintes de surpression et d'autre part de rigidifier le capot face aux sollicitations en vibration, par élévation et décalage de la fréquence de résonance en dehors du spectre critique de vibrations. Le nervurage d'un capot peut être réalisé par emboutissage, par gravure chimique ou usinage dans la masse, ou par brasure de raidisseurs. Pour être efficaces, les nervures ou les raidisseurs doivent être en appui sur les parois 5 de la cuvette 2 et se prolonger jusqu'en limite du capot. Cette solution de renforcement par nervurage ou brasure de raidisseur présente cependant l'inconvénient de ne pas permettre l'assemblage du capot sur la cuvette par soudure électrique, cette technique peu coûteuse étant généralement utilisée pour les capots standards. Comme on l'a illustré sur la figure 2, la soudure électrique d'un capot 20, est réalisée au moyen d'un courant I délivré par un générateur de courant 31 de grande puissance, amené sur le capot au moyen d'une molette conductrice 30 venant rouler sur la périphérie 21 du capot en appui sur les parois 5 de la cuvette 2, de sorte que la face supérieure du capot doit être parfaitement plate et par conséquent exempte de raidisseurs ou de nervures. En outre, le renforcement par nervurage ne permet pas de couvrir une gamme très large de supressions, sauf à prévoir des nervures ou des raidisseurs surdimensionnés, au détriment de la masse du capot. En définitive, pour des contraintes très sévères, on doit avoir recours à d'autres solutions. Un objet de la présente invention est de prévoir un procédé pour le renforcement mécanique d'un capot de boîtier électronique, permettant - d'augmenter la résistance du capot face à des contraintes de surpressions, - d'augmenter la résistance du capot face à des contraintes de vibrations, - d'assembler éventuellement le capot sur la cuvette du boîtier par soudure électrique. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure de capot renforcé pour boîtier électronique, qui soit légère et simple à réaliser. Pour atteindre ces objets, la présente invention propose de dissocier les problèmes d'étanchéification de l'enceinte contenant les composants des problèmes de résistance du capot. Une première plaque mince est assemblée sur la cuvette et assure l'étanchéité, une deuxième plaque est rapportée sur la première et concourt avec celle-ci à la résistance aux surpressions et aux vibrations Plus particulièrement l'invention prévoit un boîtier électronique comprenant une cuvette de réception de composants électroniques, un capot d'étanchéité pour confiner lesdits composants dans la cuvette, et des traversées électriques étanches pour relier les composants électroniques à l'extérieur du boîtier. Le capot comprend une première plaque soudée à sa périphérie aux parois de la cuvette, et une deuxième plaque collée sur la face supérieure de la première plaque au moyen d'une couche adhésive sensiblement uniforme. De préférence, ladite deuxième plaque s'étend sur la face supérieure de la première plaque au moins jusqu'à la partie périphérique de la première plaque en appui sur les parois de la cuvette. Un avantage de la présente invention est de pouvoir souder la première plaque par soudure électrique, la deuxième plaque étant reportée après fermeture du boîtier. Un autre avantage est de pouvoir superposer à la première plaque un matériau différent ayant des caractéristiques intéressantes. Ainsi, ladite deuxième plaque peut être en Kovar (alliage Fe/Ni/Co), mais également en Alumine (A1203) ou en un Matériau Composite à Matrice Métallique, du type Carbure de Silicium à Matrice Aluminium. Selon un mode de réalisation, ladite couche adhésive est constituée d'un colle rigide. Dans ce cas, on privilégie la tenue en surpression du boîtier selon la présente invention. Selon un mode de réalisation, ladite couche adhésive est constituée d'un colle viscoélastique. Dans ce cas, on privilégie l'amortissement du capot et la résistance aux vibrations. Selon un mode de réalisation, la cuvette et ladite première plaque sont en Kovar (Fe/Ni/Co). La présente invention concerne également un boîtier du type décrit ci-dessus, comprenant en outre une troisième plaque collée sur la face supérieure de ladite deuxième plaque au moyen d'une deuxième couche adhésive sensiblement uniforme. Selon un mode de réalisation, ladite couche adhésive est constituée d'une colle rigide et ladite deuxième couche adhésive d'une colle viscoélastique. On obtient ainsi une combinaison avantageuse d'une structure fortement amortissante et d'une structure très résistante aux surpressions. De préférence, ladite troisième plaque est constituée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le Kovar (Fe/Ni/Co), l'Alumine (AL203), les Matériaux Composites à Matrice Métallique. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un boîtier électronique classique - la figure 2 illustre un procédé classique de fermeture d'un boîtier électronique - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation d'un boîtier électronique selon la présente invention ; et - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation d'un boîtier électronique selon la présente invention. La figure 3 représente un boîtier 50 selon la présente invention. Le boîtier 50 comprend une cuvette métallique classique 2 déjà décrite en relation avec la figure 1, et un capot d'étanchéité 51. Le capot 51 comprend une première plaque 52 soudée à sa périphérie aux parois 5 de la cuvette 2, et une deuxième plaque, ou contre-plaque 53, sensiblement aux dimensions de la cuvette, fixée sur la face supérieure de la première plaque 52 au moyen d'une colle 54 formant une couche adhésive sensiblement uniforme. Ici, et dans les exemples décrits par la suite, la première plaque 52 est en Kovar (alliage Fe/Ni/Co) et présente une épaisseur d'environ 0,40 mm, très inférieure à celle d'un capot Kovar standard d'épaisseur 0,76 mm. Un premier avantage de l'invention est que l'assemblage de la première plaque 52 et de la cuvette 2 peut être réalisé par soudage électrique, la contre-plaque 53 étant reportée après fermeture du boîtier. L'épaisseur et le matériau de la première plaque 52 étant choisis, les propriétés mécaniques de tenue en vibration et en surpression du capot 51 selon l'invention dépendent essentiellement du matériau constituant la deuxième plaque 53 et de son épaisseur, ainsi que des propriétés de la colle 54. On donnera maintenant un aperçu non limitatif et non exhaustif des technologies utilisables pour la réalisation du capot 51 selon l'invention, et on décrira également des exemples particuliers de réalisation et les résultats obtenus. Choix du matériau constituant la contre-plaque Un deuxième avantage de la structure du capot selon la présente invention, est de pouvoir superposer des matériaux différents ayant des caractéristiques mécaniques intéressantes. Pour réaliser la contreplaque 53, on choisira de préférence un matériau présentant de bonnes propriétés mécaniques, en termes de rigidité et limite élastique. Plus précisément, on choisira un matériau ayant un ratio module d'Young/densité le plus élevé possible (le module d'Young est représentatif de la rigidité d'un matériau), c'est à dire ayant une grande rigidité pour une faible densité. Egalement, on préférera les matériaux ayant un coefficient de dilatation thermique se rapprochant de celui de la première plaque 52, bien que cette dernière condition ne soit pas nécessaire avec certains types de colles, comme expliqué plus loin. Divers matériaux connus sont donc susceptibles d'être choisis, en fonction des paramètres suivants - la densité, - le module d'Young, - la limite élastique, qui exprime la résistance du matériau à la rupture, - éventuellement, selon le type de colle, le coefficient de dilatation thermique, relativement a celui de la première plaque 52. Ainsi - le Molybdène (Mo) et le Tantale (Ta) peuvent être utilisés en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, mais sont pénalisant en masse, - l'Aluminium est intéressant de par sa densité relativement faible, mais présente des caractéristiques mécaniques moyennes, - L'Alumine A1203 est également intéressant et offre l'avantage de la légèreté et de sa rigidité, mais ce matériau est fragile, - le Kovar, globalement, présente des caractéristiques acceptables et peut être utilisé, - les matériaux Composites à Matrice Métallique, ou M.M.C., par exemple les SiC/Al (Carbures de silicium à Matrice Aluminium), représentent le meilleur compromis en termes de rigidité, masse et coefficient de dilatation. Pour le présent mode de réalisation, dans lequel la première plaque est en Kovar, on choisira de préférence le Kovar, ou l'Alumine, ayant un coefficient de dilatation proche du Kovar, mais surtout les matériaux M.M.C. qui représentent le meilleur compromis. Choix du collage Un troisième avantage de la structure du capot selon l'invention est de pouvoir réaliser, grâce au choix de la colle, un compromis entre - l'augmentation de la rigidité, qui suppose un collage rigide, - la baisse du niveau de résonance, qui impose une augmentation de l'amortissement du capot et donc l'emploi de colles viscoélastiques. Un compromis est à réaliser par l'homme du métier, en fonction du cahier des charges du boîtier, compte tenu des remarques suivantes - l'emploi d'une colle rigide, par exemple une colle de type époxy, est la solution la plus performante pour les fortes surpressions. Elle permet d'améliorer la rigidité du capot 51 face aux sollicitations en vibrations (décalage de la fréquence de résonance au delà des spécifications d'environnement), et d'améliorer la résistance du capot face aux contraintes de surpression. - l'emploi d'une colle viscoélastique, par exemple un ruban adhésif double face de type mousse acrylique, représente la solution la plus performante en termes d'amortissement des vibrations, et permet au capot selon l'invention d'absorber les énergies de vibrations. Cependant cette solution ne convient pas pour des surpressions trop importantes ( > 3bars), car le collage souple découple les effets de rigidification de chaque sous-ensemble (première et deuxième plaque). Avec un collage viscoélastique, on peut en outre assembler des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique très différents, les écarts de dilatation entre la plaque 52 et la contre-plaque 53 étant dans ce cas absorbés par la colle. A titre d'exemple, on comparera les résultats suivants, obtenus par la demanderesse sur un boîtier de 60 x 60 mm - Avec un capot classique en Kovar, d'épaisseur 0,76 mm la fréquence de résonance est de 780 Hz et le facteur de qualité Q égal à 75. - Avec un capot 51 selon la présente invention, comprenant une première plaque 52 en Kovar, d'épaisseur 0,4 mm, une contre-plaque 53 également en Kovar, d'épaisseur 1 mm, et un collage rigide époxy, la fréquence de résonance s'établit aux alentours de 2 000 Hz, et le facteur de qualité Q est proche de 40. - Avec un capot 51 identique au précédent, mais monté avec une colle souple viscoélastique, la fréquence de résonance s'établit à environ 1 000 Hz et le facteur de qualité Q est proche de 10, mais la tenue en surpression est sensiblememnt moins bonne qu'avec un collage rigide. En définitive, le choix des matériaux, des épaisseurs des plaque 52 et contre-plaque 53, ainsi que de la colle 54, dépend essentiellement du cahier des charges définissant les contraintes que doit supporter le boîtier à renforcer. Ce choix est à la portée de l'homme de métier, qui utilisera à cet effet les moyens classiques utilisés pour la mise au point des structures mécaniques, à savoir les outils informatiques de simulation et d'analyse comportementale des matériaux, suivis par des essais pratiques. Des expériences menées par la demanderesse ont montré qu'une contre-plaque 53 en M.M.C. SiC/Al comprise dans une gamme d'épaiseur de 0,8 mm à 1,6 mm permet, avec une première plaque 52 en Kovar d'épaisseur 0,40 mm et une colle rigide de type époxy, de couvrir les contraintes de surpression et de vibrations les plus sévères connues à l'heure actuelle, c'est-à-dire jusqu'à 150 g en vibrations sinus et pendant quelques heures 10 bars en surpression, pour toute la gamme de boîtiers au format standard, les plus grandes tailles étant 60 x 60 mm ou 93 x 44 mm. Dans le cas d'un capot de 93 x 44 mm, muni d'une plaque en Kovar de 0,40 mm et d'une contre-plaque en SiC/Al de 1,6 mm, la masse totale du capot 51 s'élève à environ 27,50 g.En comparant cette masse avec celle d'un capot standard en Kovar d'épaisseur 0,8 mm et de mêmes dimensions, qui s'élève à 27 g, on voit que grâce à l'invention le renforcement d'un capot ne s'effectue pas au détriment de la masse. On a représenté sur la figure 4 une variante de réalisation d'un boîtier renforcé 60 selon la présente invention. Le boîtier 60 se distingue du boîtier de la figure 3 en ce que l'on a monté sur la contre-plaque 53 une deuxième contre-plaque 55 fixée au moyen d'une colle 56. L'avantage d'une telle structure, est de pouvoir choisir par exemple une colle 54 rigide pour assembler la contre-plaque 53 sur la plaque 52 et une colle 56 viscoélastique pour assembler la deuxième contre-plaque 55 sur la plaque 53. On obtient ainsi une combinaison avantageuse d'une structure fortement amortissante et d'une structure très résistante aux surpressions. Il apparaîtra clairement à l'homme du métier que la présente invention n'est pas limitée aux seules réalisations décrites ci-dessus, qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. On peut appliquer l'invention à tout type de boîtier électronique devant être renforcé, notamment à des boîtiers céramiques comportant un capot céramique. Dans ce cas, la première plaque 52 de la structure de capot selon l'invention est choisie en céramique, et l'on peut réaliser la contre-plaque 53 avec l'un des matériaux décrits précédemment. REVENDICATIONS: 1 - Boîtier électronique (50,60) comprenant une cuvette (2) de réception de composants électroniques, un capot d'étanchéité (51,61) pour confiner lesdits composants dans la cuvette, et des traversées électriques étanches (15,16) pour relier les composants électroniques à l'extérieur du boîtier, caractérisé en ce que le capot comprend une première plaque (52) soudée à sa périphérie aux parois (5) de la cuvette, et une deuxième plaque (53) collée sur la face supérieure de la première plaque au moyen d'une couche adhésive (54) sensiblement uniforme. 2 - Boîtier électronique (50,60) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième plaque (53) s'étend sur la face supérieure de la première plaque au moins jusqu'à la périphérie de la première plaque en appui sur les parois (5) de la cuvette. 3 - Boîtier électronique (50,60) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite deuxième plaque (53) est constituée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le Kovar (Fe/Ni/Co), l'Alumine (A1203), les Matériaux Composites à Matrice Métallique. 4 - Boîtier électronique (50,60) selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite couche adhésive (54) est constituée d'une colle rigide. 5 - Boîtier électronique (50,60) selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite couche adhésive (54) est constituée d'une colle viscoélastique. 6 - Boîtier électronique (50,60) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cuvette (2) et ladite première plaque (52) sont en Kovar (Fe/Ni/Co). 7 - Boîtier électronique (60) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième plaque (55) collée sur la face supérieure de ladite deuxième plaque (53) au moyen d'une deuxième couche adhésive (56) sensiblement uniforme. 8 - Boîtier électronique selon la revendications 7, caractérisé en ce ladite troisième plaque (55) est constituée d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le Kovar (Fe/Ni/Co), l'Alumine (AL203), les Matériaux Composites à Matrice Métallique. 9 - Boîtier électronique selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce ladite couche adhésive (54) est constituée d'une colle rigide et ladite deuxième couche adhésive (56) d'une colle viscoélastique.