Brevet FR2733657A1 — publié le 19961031

BRIDE DE SERRAGE DE PRÉCISION. ET PROCÉDÉ DE SERRAGE. DE THYRISTORS ET COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES DE PUISSANCE ANALOGUES La présente invention se rapporte au secteur technique du serrage de composants électroniques notamment conçus en boîtiers, et plus particulièrement au serrage de semi-conducteurs utilisés en électronique de forte tension et forte intensité, en particulier diodes, thyristors, IGBT ( Insulated Gate Based Thyristors ou thyristors à commande à effet de champ), et analogues. On sait que, pour fonctionner correctement, les composants de ce type et notamment les thyristors doivent être soumis à une force de serrage dite nominale , de l'ordre de 500 - 9000 kgf. On sait également que l'on utilise pour ce faire deux pièces ou barreaux métalliques qui assurent, outre la transmission de la force de serrage, le contact électrique et une fonction de refroidissement. De manière connue, la force de serrage est appliquée par des moyens de serrage latéraux classiques, notamment des tirants , reliant les deux pièces métalliques entre elles en formant un dispositif de serrage en U fermé par une bride supérieure, L'ensemble étant dénommé (( clamp . Lorsque les moyens de serrage sont mis en oeuvre, la force de serrage est transmise par la bride métallique et par une tête comportant une rotule de pression, une vis de pression et, généralement, des moyens élastiques de type rondelles dites Belleville bien connues. Un écrou-frein peut, dans un premier type d'art antérieur, coopérer avec une rondelle qui, par le moment de son dégagement, est censée indiquer que la force de serrage nominale est atteinte. Dans un second type général d'art antérieur, on applique une précontrainte ou une déformation permanente connue (dite gabarit ) à la bride métallique elle-même. Sous l'effort de serrage, la bride se déforme en sens inverse, on suit cette déformation et des systèmes de contrôle visuels (au (( réglet ) indiquent le point où la force de serrage nominale est atteinte. Selon une variante également connue, on peut utiliser une bride non déformée, donc rectiligne, et on suit sa déformation selon le même principe à l'aide d'un gabarit très particulier. L'art antérieur le plus proche consiste en le système à vis de pression/écrou - frein/rondelle témoin et sera pour cette raison représenté sur la Figure 1 annexée. Un inconvénient extrêmement grave de l'art antérieur réside dans son manque total de précision dans l'appréciation de la force de serrage réellement appliquée et en outre dans le risque de dépasser largement la force nominale. Des précisions de l'ordre de + 10, 15 ou même 20 % sont courantes. Compte-tenu de la sensibilité des composants électroniques au serrage, de telles valeurs traduisent en fait une absence totale de garantie de serrage approprié et donc de fonctionnement correct du thyristor. Le risque est d'affecter les propriétés électroniques et la durée de vie du composant. Avec les techniques à déformation de bride, on ne peut pas parvenir à une meilleure précision et de plus ceci requiert un appareillage optique complexe, coûteux et de manipulation et réglage/calibration très contraignants. Bien que ce problème soit évidemment à la fois très sérieux et bien connu, il n'existe aucun système apportant une solution efficace ni même s'en approchant, malgré le besoin fortement ressenti dans l'industrie considérée. On sait en effet qu'un serrage imprécis peut conduire à des défauts de fonctionnement, des incidents graves sur de grosses unités, des arrêts-machine extrêmement onéreux etc.. L'industrie applique notamment le critère dit de MTBF Mean Time Between Failure ) ou intervalle de temps avant défectuosité, qui traduit bien cette préoccupation. Selon la présente invention, le problème est abordé de façon radicalement différente. II en résulte un système d'une très grande simplicité et qui résout radicalement le problème en autorisant l'emploi de technologies modernes de mesure, qui étaient connues en elles-mêmes depuis très longtemps, mais que les anciens systèmes de serrage ne permettaient pas d'employer. En effet, dans l'art antérieur, le système de serrage incorpore intimement le système de mesure de force, les deux systèmes étant donc à la fois indissociables et interdépendants, et les graves inconvénients dus à la structure mécanique se répercutant inévitablement sur la précision du système de mesure. En fait, les mesures sont indirectes Au contraire, I'invention simplifie radicalement le concept de serrage et supprime toute interférence mécanique , donc brutale et grossière, sur la mesure. II en résulte une précision qui, à ce jour, est de 1 à 2 % et, facteur aussi important, une capacité reproductible de serrage tandis que l'art antérieur conduit à une dispersion de i 20 % pour les brides déformables et i 10 % pour les systèmes à rondelles (plus, surcharge de serrage). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, et du dessin annexé, sur lequel - la Fig. 1 représente l'art antérieur le plus proche, à rondelle témoin et écrou-frein. - la Fig. 2 représente un système complet de l'art antérieur permettant de bien comprendre la technologie concernée. - la Fig. 3 représente le système de serrage selon l'invention selon un mode non limitatif de réalisation, avec capteur monté sur la tête . - la Fig. 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention avec capteur monté sur la lame ressort, également non limitatif. - les Fig. 5 à 8 représentent plusieurs variantes de l'invention. Comme on le voit sur les Fig. 1 et 2 (art antérieur) le système de serrage et le système de mesure sont étroitement intégrés, et la mesure est indirecte Le système de serrage (1) comporte des écrous (A, B) serrant les brides (3) par le moyen des tirants (2), et l'application de la force sur le composant (13) (ici en boîtier) se fait par un ensemble qui intègre à la fois la tête (4)/rotule d'application (8) avec leur goupille centrale (7) et le dispositif de mesure constitué d'un écrou-frein (9) sous lequel est disposée une rondelle (10). L'ensemble est rendu solidaire par la tige 5' qui traverse la bride. La pièce (5) ou vis de pression de la tête (4) permet de loger des rondelles Belleville (6) qui doivent être préserrées en atelier à une force nominale dite valeur de tarage . On comprend aisément que, au serrage, lorsque la force nominale est atteinte, I'écrou-frein (9) libère la rondelle (10). Cette libération en rotation est la seule indication pour l'opérateur. On mesure d'une part la totale imprécision de ce genre du indication et d'autre part le fait que ce système ne permet de n'appliquer qu'une mémoire de force minimale ou bien, ce qui est grave, une force supérieure si l'opérateur ne décèle pas correctement l'indication de la libération de la rondelle et poursuit son serrage. (12) représente une forme en enrobé de résine époxy pour l'isolation électrique et (11) désigne des dissipateurs d'énergie thermique ou plages de raccordement, ceci uniquement pour la compréhension du dessin. Selon l'invention, dont deux modes de réalisation seront décrits en référence à la Fig. 3 et à la Fig. 4, les moyens de serrage latéraux (A, B, 2) ne sont pas modifiés. Par contre, on utilise une lame-ressort (20) relativement flexible qui ne comporte plus les éléments (9, 10, 5 et 5'). Par lame-ressort on entend selon l'invention, et dans la description et les revendications, une lame à base d'un matériau qui présente des possibilités élastiques en flexion, extension et compression, qui correspondent soit à ses limites élastiques initiales, soit à celles obtenues par traitements thermiques bien connus et qui permettent d'élever très fortement, par exemple de 300 à 1400-1600 MPa, les limites élastiques. La nouvelle tête selon l'invention ne comporte plus d'élément de mesure interférant mécaniquement et activement avec le serrage. La nouvelle tête ne comporte plus qu'un capteur de précision passif disposé entre deux pièces adaptées (14) et (15), (14) étant positionnée par une pièce de centrage (18). Les rondelles Belleville (6) sont non essentielles car en effet leur fonction de tarage a disparu selon l'invention. Elles ne sont utilisées ici que pour leur rôle d'amortissement élastique et d'absorption des dilatations des pièces serrées, d'origine thermique, et de réduction des forces de serrage induites. On notera que dans l'exemple de la Fig. 3 ou 4 la lame (20) ne participe pas à la mesure et que ses fonctions sont de transmettre la force et de réaliser un amortissement élastique. L'opération est totalement différente par rapport à l'art antérieur. Au serrage, la force est progressivement transmise par des coupelles mécaniques d'appui et d'adaptation de la force (rotule), et est enregistrée par le capteur (16) de pression. De tels capteurs sont extrêmement bien connus, et nous citerons notamment les capteurs mesurant une grandeur électrique, par exemple le déséquilibrage d'un pont de jauges sous la contrainte mécanique, piézo, etc... Ces capteurs, pour la technologie considérée ici, sont considérés comme onéreux. Ils étaient donc considérés comme impossibles à utiliser commercialement, d'où l'absence totale d'intérêt manifesté à leur égard dans l'art antérieur. Ce n'est que parce que l'invention réalise conjointement une grande simplification du système mécanique que l'ensemble reste commercialement viable. Si l'on revient au serrage, on voit que le capteur est associé à un adaptateur (17) lui-même relié à (ou comportant) un système d'affichage de la valeur de force instantanée par exemple. II est important de noter qu'une telle possibilité d'affichage en clair et en temps réel de la valeur de la force serrée, notamment directement unités S.l. (N, kgf, decaN, t), représente un avantage pratique déterminant dans l'industrie considérée, et une sécurisation également déterminante de l'opération de serrage. La Fig. 4 représente un mode de réalisation préféré, encore plus simple, où on utilise très directement la fonction élastique de la bride (20) pour activer le capteur (16). La tête est simplifiée d'autant ce qui représente une évolution considérable de la technologie et une réduction encore plus importante des coûts. Bien évidemment, I'opérateur cessera le serrage à la valeur nominale. On peut d'ailleurs prévoir des signaux lumineux ou sonores qui le préviendront de l'approche puis de l'atteinte de la valeur nominale préalablement enregistrée dans un circuit intégré classique. Bien évidemment, on peut également opérer à volonté dans toute la plage utile du capteur. Ainsi, d'une série à une autre, il n'est plus nécessaire d'effectuer les opérations de tarage. Ceci participe également à l'économie générale du système. On a représenté sur la Figure 5 une variante de l'invention selon laquelle la bride (20) se compose d'au moins deux brides ou lames d'épaisseur plus faibles, ici les brides élémentaires a, b, c, d. De telles brides à lames multiples présentent des avantages au niveau des caractéristiques d'élasticité et permettent de s'affranchir de certaines contraintes et de moduler les plages d'utilisation d'un même dispositif. On a représenté sur la Figure 6 la même variante, avec ici seulement deux lames élastiques, à titre non limitatif, avec application au mode préféré de l'invention représenté sur la Figure 4. La Fig. 7 représente deux autres variantes de l'invention. Sur la partie gauche (G) de la Figure 7, on a représenté l'insertion sous l'écrou (A) d'un système élastique complémentaire (30) (ici, et à titre non limitatif, des rondelles Belleville en nombre approprié) dont le but, qui sera compris de l'homme de métier, est de créer une flèche fictive au niveau de la bride. Cette variante est particulièrement utile pour le serrage d'unités de grande épaisseur, par exemple le serrage de plusieurs composants en série. Dans un tel cas, il est évidemment nécessaire d'augmenter la flèche de la bride pour obtenir le serrage souhaité. On a donc le choix entre, soit augmenter l'épaisseur de la bride, soit en risquer la rupture. La variante à moyen(s) élastique(s) complémentaire(s) permet de s'affranchir de ce choix et d'obtenir un serrage correct sans surdimensionnement de la bride. La Figure 8 représente encore une variante de l'invention selon laquelle on monte le capteur (16) sur une lame ressort relativement mince (40) ce qui forme un élément capteur de base . Cet élément de base peut ensuite être associé à toutes les brides nécessaires selon les cas. On va donc combiner cet élément standard de base avec la bride d'épaisseur appropriée (partie droite D de la Figure 8) ou bien la combinaison de brides (a) et (b) représentée sur la partie gauche G de la Figure 8 qui correspond à la variante selon la Figure 5. On a enfin représenté schématiquement sur la partie droite (D) de la Figure 7 un autre avantage de l'invention, qui découle de l'emploi d'une (ou plusieurs) lame ressort selon l'invention. Cette variante consiste à utiliser comme bride (20) une lame ressort préformée, c'est-àdire présentant une flèche (f). Cette flèche n'est pas utilisée en fonctionnement normal selon l'invention. Par contre, dans le cas où il peut être nécessaire de procéder à un serrage dans l'unité où est placé le clamp et où, éventuellement, le dispositif d'interprétation et d'affichage ne peut pas être connecté au capteur (16), ou bien n'est pas disponible, il est alors possible d'effectuer une évaluation de secours de la force de serrage, en suivant la déformation de la bride comme dans l'art antérieur.Bien entendu, on retrouvera la très mauvaise précision de cet art antérieur mais une telle mesure de secours peut être très précieuse dans certaines situations. Bien entendu, toutes les variantes des Figures 5 à 8 sont cumulatives en combinaisons diverses, c'est-à-dire que l'on peut utiliser une, deux ou plusieurs de ces variantes, selon les exigences de chaque cas d'espèce. D'autres variantes seront également apparentes à l'homme du métier, par exemple dans le choix du capteur (piezo, etc...) le mieux adapté, ou encore le fait d'intégrer le capteur dans la masse de la pièce considérée, au lieu de le positionner en surface, ou encore d'utiliser comme capteur l'une des pièces mécaniques du dispositif, notamment la lame-ressort, à condition que cette pièce soit constituée d'un matériau dont certaines caractéristiques mesurables, notamment électriques, vont varier avec la déformation. Le passage d'un courant adapté, ainsi que certaines modifications simples du dispositif, autorisent alors le suivi de la déformation et l'affichage de la force serrée, selon le principe général de l'invention. Naturellement, I'homme de métier saura appliquer l'invention telle que décrite à toutes les applications industrielles où se pose le même problème d'impossibilité de réaliser un serrage de précision et reproductible. REVENDICATIONS 1. - Dispositif de serrage pour composants électroniques de puissance, nécessitant un serrage sous effort défini, du type en U, comportant une bride de serrage, deux tirants et une base ou forme en enrobé de résine époxy ou analogue, ainsi qu'une tête d'application de la force de serrage, dénommé clamp , caractérisé en ce que la bride (20) consiste en au moins une lame-ressort, en ce que la mesure de la force de serrage est effectuée par un capteur de précision réagissant à la déformation d'au moins un élément de la bride et/ou de la tête, et en ce que ledit dispositif ne comporte pas de système mécanique de mesure de la force de serrage. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur est un capteur générant un signal en réaction à une mesure de caractéristique électrique modifiée par ladite déformation, par exemple un capteur à pont de jauges, et est de préférence associé à un système d'affichage de la force en clair. 3. - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur est monté sur une surface de la bride, ou intégré à la bride. 4. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur est monté sur une surface de la tête ou est intégré à, ou forme une partie de, ladite tête. 5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bride (20) consiste en au moins deux lamesressort (a, b) superposées. 6. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, entre les écrous (A, B) des fixations des tirants (2) et la bride (20) est intercalé un système élastique complémentaire ou additionnel (30). 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit système élastique complémentaire ou additionnel consiste en rondelles dites Belleville 8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le capteur (16) est monté sur, ou intégré à, une lame-ressort standard (40) et en ce que la lame-ressort (20) est associée à ladite lame standard portant le capteur. 9. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la lame-ressort (20), et éventuellement (40), ne comporte pas de flèche. 10. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la lame ressort (20), et éventuellement (40), est préformée avec une flèche (f). 11. - Bride (20) pour dispositif de serrage pour composants électroniques de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle consiste en au moins une lameressort, ou en lames-ressort superposées. 12. - Procédé de serrage de composants électroniques de puissance, caractérisé en ce que le ou lesdits composant(s) est/sont serré(s) dans un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, ou comportant une bride selon la revendication 11. 13. - Composants électroniques de puissance caractérisés en ce qu'ils sont serrés par un procédé selon la revendication 12. 14. - Application de l'une quelconque des revendications 1 à 12 aux composants électroniques, en boîtier ou non, utilisés en électronique de forte tension et de forte intensité, en particulier diodes, thyristors, thyristors "IGBT" ou à commande à effet de champ.