Brevet FR2721759A1 — publié le 19951229

La présente invention concerne de façon générale les connecteurs électriques et, plus spécialement, les connecteurs électriques hermétiques. Les connecteurs électriques hermétiques jouent un rôle important, pour beaucoup d'industries, dans un certain nombre d'applications. Un exemple est donné par leur utilisation dans l'industrie des dispositifs électroniques assurant la mise en position de sécurité et en position d'armement, où on emploie des détonateurs du type percussion (slapper), de la technique de l'initiateur en feuillet explosant, pour initialiser des ogives ou distribuer les charges utiles dans des missiles, des projectiles guidés et des munitions légères. D'autres exemples de cette utilisation sont donnés par des dispositifs intervenant dans l'extraction du pétrole, I'exploitation minière et la démolition. Des connections hermétiques sont rendues nécessaires par les effets de l'humidité et de la condensation de l'eau sur les boîtiers électroniques. Les sels et les agents ioniques contaminants qui sont dissous dans l'eau agissent en dégradant la fiabilité des composants électriques, amenant à la fois des changements ohmiques dans les connections électriques et des modifications chimiques dans les matériaux semiconducteurs. Pour empècher la dégradation non souhaitable des performances qui en résulte souvent, on a besoin de connections hermétiques à faibles fuites pour empêcher ou minimiser l'entrée d'humidité et l'activité chimique qui lui est associée. Des connecteurs hermétiques typiques actuellement utilisés comportent des scellements, ou joints hermétiques, verre sur métal ou des traversées céramique/métal. Ces connecteurs présentent un certain nombre d'inconvénients. Ils sont coûteux à fabriquer en raison des traitements thermiques nécessaires pour cuire et traiter le verre et la céramique. De plus, ils sont sensibles aux chocs mécaniques en raison de la nature cassante du verre et de la céramique. Puisque des matériaux cassants sont, en raison de leur nature, peu résistants à la flexion, on les réalise typiquement sous une forme permettant de tirer avantage des propriétés de cisaillement plus fortes du verre. Les configurations obtenues sont donc épaisses, ce qui peut amener d'importantes pertes inductives dans les applications à fort courants. Des faisceaux faisant intervenir des conducteurs multiples et des traversées pour câbles plats présentent également des fuites au niveau des bords, où une fusion imparfaite de la structure stratifiée des câbles se produit dans les zones d'épaisseur non uniforme. Des trajets de fuites non voulus sont induits à l'intérieur du câble, constituant ce que l'on appelle "des fuites par effet de paille" (il s'agit d'une paille pour absorption de boissons), ce qui rend la connexion susceptible d'être envahie par l'humidité lorsqu'elle passe à travers une séparation formée entre l'extérieur d'un boîtier électronique et l'intérieur de celui-ci. I1 serait donc souhaitable de pouvoir disposer d'une connexion électrique hermétique souple, peu coûteuse, à bas profil, permettant de former un moyen de maintenir un faible degré d'humidité à l'intérieur d'un boîtier électrique et, ainsi, assurer l'excellence de la fiabilité et un temps de vie prolongé. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels la figure 1 est une vue latérale d'un connecteur électrique hermétique selon un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 2 est une vue de dessus du connecteur électrique hermétique de la figure 1; la figure 3 représente le circuit électrique équivalent du connecteur électrique hermétique des figures 1 et 2, pour une application à un dispositif électronique de mise en position de sécurité et en position d'armement la figure 4 est une vue latérale du connecteur électrique hermétique de la figure 1, pour une application à un dispositif électronique de mise en position de sécurité et en position d'armement ; et la figure 5 est une vue latérale d'un connecteur électrique hermétique solidaire d'un câble électrique. De façon générale, linvention propose un connecteur électrique hermétique et un procédé associé permettant de faire efficacement passer des connections électriques dans une cloison de séparation. Alors que le connecteur électrique décrit est tout spécialement adapté aux applications particulières cidessus indiquées, d'autres applications du connecteur hermétique apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art. Les particularités cruciales de ce connecteur sont: un trajet sinueux pour le passage de la vapeur à travers le connecteur; un profil bas donnant au connecteur une faible impédance électrique; une surface d'adhésion continue permettant d'éliminer l'effet de "paille" présenté par les connecteurs à fentes ; et l'aptitude à l'intégration dans un câble. Le trajet sinueux prévu pour le passage de la vapeur est le résultat de la présence, dans le connecteur, de couches métalliques se chevauchant. Les couches métalliques empêchent le passage de la vapeur et obligent celle-ci à passer par les couches adhésives suivant un trajet sinueux. Ceci conduit à abaisser le débit de vapeur dans le connecteur. Le profil bas du connecteur est obtenu par l'utilisation de couches d'isolant, d'adhésif et de métal minces. Ce sont les couches métalliques minces qui donnent au connecteur une faible impédance électrique. Une unique couche continue d'adhésif empêche ce connecteur de présenter l"'effet de paille", qui est courant pour les connecteurs à fentes. La possibilité que le connecteur soit mis en oeuvre en liaison avec un câble au lieu de couches métalliques donne un profil encore plus bas au connecteur.Comme cela sera montré et expliqué ciaprès, le fait d'incorporer la partie inférieure du connecteur dans un câble, au titre d'un deuxième mode de réalisation, a pour effet supplémentaire de supprimer plusieurs opérations d'assemblage qui existaient dans un premier mode de réalisation. La figure 1 est une vue en section droite d'un connecteur hermétique 1 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Des contacts 10 réalisent la connexion électrique entre l'intérieur d'un conteneur isolé 12 et l'extérieur 14 du conteneur, l'intérieur et l'extérieur étant séparés par une barrière du conteneur, à savoir une cloison de séparation 16. Alors que la figure 1 montre deux contacts, on pourra facilement en employer toute une pluralité, en fonction du nombre de connexions électriques que l'on doit faire passer à travers la cloison de séparation 16 du conteneur. Les contacts 10 peuvent être d'une structure unitaire distincte, par exemple des oeillets, ou bien être formés par des techniques de placage et de gravures bien connues de l'homme de l'art.Les contacts 10 sont fixés à un diélectrique 18 par une couche d'adhésif 20. Les couches d'adhésif 20 et 27 sont facultatives. Représentés sous la forme unitaire sur la figure 1, les contacts 10 sont électriquement connectés par une région interconnectrice de contact étroite, dont l'aire en section droite est inférieure à l'aire des contacts 10. Dans le mode de réalisation préféré, la région interconnectrice de contact est sensiblement perpendiculaire aux couches stratifiées ci-après présentées. Le diélectrique 18 de la figure 1 constitue une couche d'isolation électrique et peut être fait de polyimide ou d'un isolant quelconque présentant une résistance mécanique suffisante pour empêcher l'apparition d'un cintrage entre les contacts 10 et les couches métalliques ou conductrices 22. Une couche d'adhésif 24 fixe le diélectrique 18, par sa deuxième surface, à la couche conductrice 22 et aide plus encore à empêcher que les contacts 10 ne viennent en court-circuit électrique l'un avec l'autre. La couche conductrice 22 est soudée par un moyen quelconque ou collée à la cloison de séparation 16. La deuxième surface de la couche conductrice 22 est liée à une couche diélectrique 26 par une couche d'adhésif 25. La couche diélectrique 26 fait fonction de couche d'isolation électrique. Les couches d'adhésif 24 et 25 maintiennent l'isolation électrique entre les contacts 10 et la couche conductrice 22. La couche d'adhésif 27 sert à lier les faces internes des contacts métalliques 10 à la couche diélectrique 26. Alors qu'elles sont représentées sur la figure 1 sous forme de couches sensiblement planes, les couches d'adhésif 20, 2A, 25 et 27 sont d'une nature telle que, lorsqu'on leur applique de la chaleur et de la pression pendant la fabrication, les couches d'adhésif 20, 24, 25 et 27 s'écoulent de façon suffisante pour occuper tout l'espace compris entre couches adjacentes. La disposition plane, ou stratifiée, des contacts 10, des couches d'adhésif20 et 24, des couches diélectriques 18 et 26 et de la couche conductrice 22 produit une barrière contre l'humidité ou d'autres agents de contamination externes, ce qui n'offre qu'un long trajet sinueux, comme indiqué par les lignes 2, par lequel l'humidité puisse s'introduire dans l'assemblage, (il est impossible à l'humidité d'entrer directement à travers les contacts métalliques 10 et la couche conductrice 22, ce qui ne laisse, comme trajet pour l'humidité, que les trajets associés aux couches diélectriques et adhésives). Le taux de fuite d'humidité à travers la connexion peut être décrit à partir de la formule suivante (Vitesse de transmission de vapeur d'eau).(Aire) Taux de fulte = (Longueur) Ainsi, les fuites sont faibles, puisque les couches d'adhésif 20 et 24 peuvent être formées minces (de l'ordre de 0,0501 mm, soit environ 2 millièmes de pouce) et longues (de l'ordre de 0,3175 cm, soit environ un huitième de pouce). Le connecteur électrique hermétique de la figure 1 présente, dans l'équation, un petit terme d'aire du fait de l'épaisseur de la couche d'adhésif 20 et de la couche diélectrique 18. Le terme de longueur est rendu maximal par la configuration plane, qui donne le trajet sinueux 2. Le connecteur 1 ainsi obtenu possède également une faible inductance, ce qui minimise les pertes électriques dans les applications telles que les dispositifs électroniques de mise en position de sécurité et en position d'armement, où des courants dépassant plusieurs milliers d'ampères sont typiquement induits via les contacts 10. La figure 2 est une vue en plan d'un mode de réalisation préféré de l'invention représenté sur la figure 1, qui montre comment la couche conductrice 22 possède une partie exposée à sa périphérie. Le connecteur électrique hermétique s'ajuste contre la cloison 16 au niveau des points de contacts entre la couche conductrice 22 exposée et la cloison de séparation 16 (ces points de contact sont rendus étanches par exemple par soudage ou collage). La section encastrée de la couche conductrice 22 se trouve au-dessous de la couche adhésive 20, entre les couches diélectriques 18 et 26 et les couches d'adhésif 24 et 25 (voir la figure 1). La vue de dessus de la figure 2 montre aussi l'aire faciale projetée qui est présentée à l'humidité existant dans le milieu extérieur 14. Puisque l'humidité ne peut passer directement à travers le métal plein des contacts 10 ou la couche conductrice encastrée 22, son intrusion ne peut avoir lieu que sous les contacts et autour d'eux, c'est-à-dire que le trajet est long et possède une aire faciale de pénétration réduite. La figure 3 montre le circuit électrique équivalent du connecteur 1 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 3 comporte la connexion série formée par un condensateur haute tension polarisé S, un commutateur haute tension 4, le connecteur hermétique 3 présenté sous sa forme d'équivalence électrique, une charge électrique 7 et la masse électrique. Le connecteur hermétique 3 électriquement équivalent comprend une résistance équivalente 8 de connecteur et une inductance équivalente 6 de connecteur. Dans cette application, la charge électrique peut être un initiateur en feuillet explosant destiné à un dispositif électrique de mise en position de sécurité et en position d'armement. A titre d'exemple de l'amélioration apportée par le connecteur hermétique 1, on va considérer le fonctionnement électrique du connecteur hermétique 1 où des courants forts passent momentanément dans les contacts 10. Puisque les pertes inductives sont données par: Pertes de tensions = Inductance.dUdt, on peut voir que l'effet d'un terme dudit extrêmement élevé peut être minimisé par la très faible inductance que le connecteur hermétique 1 présente. La figure 4 illustre une application du connecteur hermétique 1 de la figure 1, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 4 montre des terminaisons de câble 30 et 32, qui s'ajustent avec le connecteur hermétique 1 de chaque côté de celui-ci. Le connecteur hermétique 1 sépare l'intérieur d'un boîtier de mise à feu 34, dans lequel des terminaisons de câble 32 et une carte de câblage imprimée (PWB) de mise à feu 33 se trouvent, vis-à-vis de l'extérieur du boîtier de mise à feu, qui comporte la terminaison de câble 30 (par exemple le câble allant à l'initiateur en feuillet d'explosion). Les terminaisons de câble 32 sont placées à l'intérieur d'une unité électronique mise sous boîtier, tandis que les terminaisons 30 se connectent à des explosifs placés à distance exposés à l'environnement de stockage. Le connecteur hermétique 1 de la figure 4 est couplé, via des contacts 38, aux terminaisons de câble 32. Les terminaisons de câble 32 peuvent être connectées aux contacts 38 à l'aide de soudure 37. La deuxième extrémité des terminaisons de câble 32 est connectée à la PWB de mise à feu. Du côté opposé du connecteur hermétique 1 de la figure 4 (c'est-à-dire à l'extérieur du boîtier de mise à feu 34), les terminaisons de câble 30 comportent des plots d'adhésif isolant 35. destinés à être couplés avec la couche d'adhésif 20 du connecteur hermétique 1 (voir la figure 1). Des contacts élastiques 36 adjacents aux plots d'adhésif 35 et placés sur l'envers des terminaisons de câble 30 sont maintenus contre les contacts métalliques 10 du connecteur hermétique 1 lorsque les terminaisons de câble 30 sont couplées au connecteur hermétique 1. Dans l'application de la figure 4, le connecteur hermétique 1 sert à minimiser l'entrée d'humidité dans le boîtier électronique tout en assurant le maintien d'une connexion électrique à faibles pertes, puisque le connecteurl présente un profil bas et, par conséquent, une inductance faible. Les valeurs d'inductance typiques mesurées pour des structures planes aplaties sont typiquement de 20 à 30 nanohenr,v. La figure 5 illustre une deuxième application du connecteur hermétique 1 de la figure 1, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Sur la figure 5, une extrémité de câble est configurée de façon à contenir solidairement le connecteur hermétique 1 au titre d'une de ses particularités conceptuelles. La couche conductrice 22 est soudée à la partie envers de la cloison de séparation 42 par des soudures 49. La couche conductrice 22 peut également être fixée à la cloison de séparation 42 par d'autres moyens de soudage ou par application d'un adhésif. Des conducteurs métalliques 44 et des couches diélectriques 48 sont disposés en couches à l'intérieur des couches d'adhésif 46 de façon que les contacts 10 soient couplés aux conducteurs 44.Puisque l'humidité ne peut pas traverser la couche conductrice 22, le seul chemin permettant l'entrée de l'humidité est celui passant dans l'épaisseur de la couche diélectrique 48 et des couches d'adhésif 46. La configuration de la figure 5 intègre les particularités du connecteur 1 de la figure 1 à une terminaison de câble 32 d'une façon qui permet d'éliminer la connexion de soudage 37 indiquée ci-dessus sur la figure 4. La série de stratifications obtenues peut former le câble allant à la connexion du PWB de mise à feu. Par comparaison avec la mise en oeuvre de la figure 1, deux couches d'isolation électrique supplémentaires à savoir les couches diélectriques 48, sont nécessaires pour isoler le deuxième conducteur de la figure 5. Dans le mode de réalisation préféré, les couches d'adhésif 46, les couches diélectriques 48 et la couche conductrice 22 sont chacune sensiblement planes et d'épaisseurs uniformes. La première partie interconnectrice et la deuxième partie interconnectrice qui couplent respectivement le premier et le deuxième contact au premier et au deuxième conducteur sont sensiblement perpendiculaires aux couches stratifiées ci-dessus indiquées dans le mode de réalisation préféré. L'aire maximale en section droite de la première partie interconnectrice et l'aire maximale en section droite de la deuxième partie interconnectrice sont chacune plus petites que les aires respectives des premier et deuxième contacts. Ainsi, un connecteur électrique hermétique et un procédé associé ont été décrits qui surmontent les problèmes spécifique et amènent certains avantages par rapport aux mécanismes et procédés de la technique antérieure. Les améliorations apportées par rapport aux techniques existantes sont importantes. L'approche ci-dessus décrite qui s'appuie sur le connecteur hermétique plan offre un moyen moins coûteux de réaliser une connexion électrique à travers une cloison de séparation destinée à séparer un milieu porteur d'humidité vis-à-vis du milieu interne d'un boîtier électronique qui doit être sec et dépourvu d'humidité. le connecteur électrique hermétique peut être fait à l'aide de matériaux courants classiquement utilisés dans la technique de fabrication des câbles et n'emploie pas de verre ou d'autres matériaux cassants qui sont couramment utilisés pour empêcher l'entrée de l'humidité. Ceci donne une connexion souple, résistant aux chocs et peu coûteuse, qui est en mesure de supporter les rigueurs des transports, des manipulations et des chutes. De plus, il est possible d'augmenter le nombre des stratifications pour réduire la pénétration de l'humidité, si cela est souhaitable. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des dispositifs et des procédés dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Connecteur électrique hermétique, caractérisé en ce qu'il comprend: une couche conductrice (22) ayant des première et deuxième surfaces de couche conductrice; une couche d'isolation électrique inteme(26) couplée à la première surface de couche conductrice; une couche d'isolation électrique exteme (18) couplée à la deuxième surface de couche conductrice: un premier contact (10) couplé à la couche d'isolation électrique interne un deuxième contact (10) couplé à la couche d'isolation électrique externe ; et une partie interconnectricc de contact (10) couplant électriquement le premier contact et le deuxième contact à travers la couche d'isolation électrique interne, la couche conductrice, et la couche d'isolation électrique externe, sans être en contact électrique avec la couche conductrice. 2. Connecteur électrique hermétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'isolation électrique interne est couplée à la première surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une première couche d'adhésif interne, et la couche d'isolation électrique exteme est couplée à la deuxième surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une première couche d'adhésif externe. 3. Connecteur électrique hermétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche d'isolation électrique interne comprend une couche diélectrique inteme, la couche d'isolation électrique externe comprend une couche diélectrique externe, le premier contact est couplé à la couche d'isolation électrique interne par l'intermédiaire d'une deuxième couche d'adhésif interne, et le deuxième contact est couplé à la couche d'isolation électrique externe par l'intermédiaire d'une deuxième couche d'adhésif exteme. 4. Connecteur électrique hermétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième couche d'adhésif inteme, la couche d'isolation électrique interne, la première couche d'adhésif interne, la couche conductrice, la première couche d'adhésif externe, la couche d'isolation électrique externe et la deuxième couche d'adhésif externe sont chacune sensiblement planes et d'épaisseur uniforme. 5. Connecteur électrique hermétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie interconnectrice de contact est sensiblement perpendiculaire à la deuxième couche d'adhésif interne, la couche d'isolation électrique interne, la première couche d'adhésif interne, la couche conductrice, la première couche d'adhésif externe, la couche d'isolation électrique exteme et la deuxième couche d'adhésif externe, 6.Connecteur électrique hermétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier contact couvre une première zone de contact sur la couche d'isolation électrique interne, le deuxième contact couvre une deuxième zone de contact sur la couche d'isolation électrique externe, et la partie interconnectrice de contact possède une aire maximale en section droite de partie interconnectrice, de sorte que la première aire de contact et la deuxième aire de contact soient chacune beaucoup plus grandes que l'aire maximale en section droite de partie interconnectrice. 7. Connecteur d'extrémité de câble électrique hermétique, caractérisé en ce qu'il comprend: une couche conductrice (30) ayant des première et deuxième surfaces opposées de couche conductrice; une première couche d'isolation électrique couplée à la première surface de couche conductrice une deuxième couche d'isolation électrique couplée à la deuxième surface de couche conductrice un premier conducteur couplé à la deuxième couche d'isolation électrique à l'opposé de la couche conductrice un premier contact électriquement couplé au premier conducteur par l'intermédiaire d'une première partie interconnectrice une troisième couche d'isolation électrique couplée au premier conducteur à l'opposé de la deuxième couche d'isolation électrique;; un deuxième conducteur (32) couplé à la troisième couche d'isolation électrique un deuxième contact (38) électriquement couplé au deuxième conducteur par l'intermédiaire d'une deuxième partie interconnectrice; et une quatrième couche d'isolation électrique couplée au deuxième conducteur à l'opposé de la troisième couche d'isolation électrique. 8. Connecteur d'extrémité de câble électrique hermétique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première couche d'isolation électrique est couplée à la première surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une première couche d'adhésif, et en ce que chacune des couches formées par la première couche d'isolation électrique, la deuxième couche d'isolation électrique, la troisième couche d'isolation électrique et la quatrième couche d'isolation électrique comprend une couche diélectrique. 9. Connecteur électrique hermétique à faible impédance et à profil mince présentant un faible débit de passage de vapeur, le connecteur électrique hermétique étant caractérisé en ce qu'il comprend: une couche conductrice ayant des première et deuxième surfaces opposées de couche conductrice une couche d'isolation électrique interne couplée à la première surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une première couche d'adhésif interne; une couche d'isolation électrique externe couplée à la deuxième surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une première couche d'adhésif externe;; un premier contact couplé à la couche d'isolation électrique inteme par l'intermédiaire d'une deuxième couche d'adhésif interne un deuxième contact couplé à la couche d'isolation électrique externe par l'intermédiaire d'une deuxième couche d'adhésif exteme ; et une parte interconnectrice de contact couplant électriquement le premier contact et le deuxième contact à travers la couche d'isolation électrique interne, la couche conductrice et la couche d'isolation électrique exteme sans avoir de contact électrique avec la couche conductrice, où le premier contact couvre une première aire de contact sur la couche d'isolation électrique interne, le deuxième contact couvre une deuxième aire de contact sur la couche d'isolation électrique externe, et la partie interconnectrice de contact possède une aire maximale en section droite de partie interconnectrice, de sorte que la première aire de contact et la deuxième aire de contact soient chacune plus grandes que l'aire maximale en section droite de partie interconnectrice, ce qui crée un trajet sinueux pour le passage de la vapeur via la première couche d'adhésif inteme, la deuxième couche d'adhésif interne, la première couche d'adhésif externe et la deuxième couche d'adhésif externe. 10. Connecteur d'extrémité de câble électrique hermétique à faible impédance et à profil mince, caractérisé en ce qu'il comprend une couche conductrice ayant des première et deuxième surfaces de couche conductrice; une première couche d'isolation électrique couplée à la première surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une première couche d'adhésif; une deuxième couche d'isolation électrique couplée à la deuxième surface de couche conductrice par l'intermédiaire d'une deuxième couche d'adhésif; un premier conducteur couplé à la deuxième couche d'isolation électrique à l'opposé de la couche conductrice par l'intermédiaire d'une troisième couche d'adhésif;; un premier contact électriquement couplé au premier conducteur par l'intermédiaire d'une première partie interconnectrice une troisième couche d'isolation électrique couplée au premier conducteur à l'opposé de la deuxième couche d'isolation électrique par l'intermédiaire d'une quatrième couche d'adhésif; un deuxième conducteur couplé à la troisième couche d'isolation électrique par l'intermédiaire d'une cinquième couche d'adhésif; un deuxième contact électriquement couplé au deuxième conducteur par l'intermédiaire d'une deuxième partie interconnectrice ; et une quatrième couche d'isolation électrique couplée au deuxième conducteur à l'opposé de la troisième couche d'isolation électrique par l'intermédiaire d'une sixième couche d'adhésif, où le premier contact couvre une première aire de contact et le deuxième contact couvre une deuxième aire de contact sur la première couche d'adhésif, la première partie interconnectrice possède une aire maximale en section droite de première partie interconnectrice et la deuxième partie interconnectrice possède une aire maximale en section droite de deuxième partie interconnectrice, et la première aire de contact et la deuxième aire de contact sont chacune plus grandes que l'aire maximale en section droite de première partie interconnectrice ou l'aire maximale en section droite de deuxième partie interconnectrice, ce qui crée un trajet sinueux pour le passage de la vapeur dans le connecteur d'extrémité de câble électrique hermétique.