Brevet FR3034219A1 — publié le 20160930

DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui des calculateurs électroniques et en particulier les calculateurs des systèmes embarqués en avionique. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans les avions modernes, il est connu de relier entre eux les modules de pilotage et/ou de contrôle d'organes fonctionnels de l'avion au travers d'un ou plusieurs bus principaux de l'avion. Ces bus sont couramment des bus spécifiques au domaine de l'aviation, et notamment des bus utilisant les protocoles de bus série distribués de types ARINC 429 ou autres. Ainsi, à titre d'exemple, pour la gestion des éléments mobiles des trains d'atterrissage d'un avion, plusieurs modules de pilotage et/ou de contrôle sont mis en oeuvre, ces derniers étant chacun reliés aux bus principaux de l'avion. Chaque module de pilotage comporte un calculateur 1 mettant en oeuvre un programme adapté afin d'assurer la fonction de pilotage auquel il est dédié, ainsi qu'une interface de communication adaptée au protocole du bus principal permettant l'échange de données entre le calculateur et les bus principaux de l'avion. La figure 1 montre le schéma simplifié d'un calculateur électronique 1. Celui-ci comprend un bâti mécanique 11, une ou plusieurs cartes électroniques 12 et une carte 20 dite carte de 'fond de panier' ou 'backplane' en anglais. Chaque carte électronique 12 est maintenue mécaniquement dans le bâti 11 par des glissières et connectée à la carte de 'fond de panier' 20. La carte de 'fond de panier' 20 comporte des connecteurs de carte 13 adaptés pour être connectés à un connecteur complémentaire 74 porté par la carte électronique 12. La carte de fond de panier 20 comporte pour chaque module de pilotage, un connecteur externe 15 adapté pour coopérer avec un connecteur complémentaire porté par le module associé. Comme illustré sur la figure 1, il est connu de connecter le connecteur externe 15 à la carte de fond de panier 20 par des fils 71 enroulés sur des broches carrés 72 des composants, selon la méthode dite de 'Mapping' selon la terminologie anglo-saxonne. 3034219 2 La technique de wrapping présente de nombreux inconvénients et notamment un prix de revient excessif, l'obsolescence des composants et des compétences et de médiocres performances de compatibilité électromagnétique. Un autre inconvénient du wrapping est que l'absence d'adaptation d'impédance et le 5 bruit peuvent générer des phénomènes de réflexion aux fréquences élevées et des défaillances électroniques sur les signaux critiques. Un autre inconvénient du wrapping est qu'il nécessite une zone de câblage de largeur e conséquente qui pénalise la compacité du calculateur 1. Comme illustré sur la figure 2, il a été proposé d'utiliser une nappe 16 qui est une 10 bande électrique plate (circuit imprimé flexible en nappe), constituée de fils de cuivre collés les uns aux autres, munie d'un connecteur à chacune de ses extrémités pour relier le connecteur externe 15 et la carte de fond de panier 20. Comme illustré sur la figure 3, il a également été proposé de connecter le connecteur externe 15 à un circuit imprimé de raccordement 19 connecté à la carte de fond de panier 20 15 par l'intermédiaire d'un circuit imprimé flexible 18 et de connecteurs d'interconnexions complémentaires 17. Toutes ces solutions sont complexes, coûteuses et encombrantes. EXPOSE DE L'INVENTION 20 L'invention permet de pallier au moins un des inconvénients précités en proposant une carte électronique de fond de panier présentant une face interne adaptée pour être connectée à des connecteurs de cartes électroniques et une face externe adaptée pour être connectée à un connecteur externe, la carte de fond de panier étant caractérisée en ce 25 qu'elle présente une série de premiers trous borgnes débouchant sur sa face interne, et une série de seconds trous débouchant sur sa face externe, les premiers et les seconds trous étant adaptés pour recevoir des éléments de connexion à insertion par force et former avec eux un point de connexion électrique. 30 L'invention permet de supprimer l'intégralité des câblages filaires et des nappes dans le bloc arrière. L'invention permet en outre de supprimer tous les composants montés directement sur le bâti mécanique ainsi que toutes cartes additionnelles (autres que les cartes électroniques). 3034219 3 L'invention permet de réduire l'espace de connexion entre le connecteur externe et les cartes électroniques. La profondeur des calculateurs étant fixée dans l'avionique, cela permet concrètement d'augmenter la longueur des cartes électroniques. L'invention permet également l'allocation de fonctions de filtrage sur le circuit imprimé 5 principal du bloc fond notamment ce qui permet la suppression des cartes et des filtres additionnels. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en l'une quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles. 10 Les trous borgnes sont ménagés dans la carte électronique de fond de panier de manière à ménager entre eux une zone de blindage. La carte de fond de panier possède en outre des trous traversants qui traversent la carte de fond de panier de part et d'autre. La carte de fond de panier comporte un circuit imprimé principal comportant deux 15 circuits imprimés multicouches, deux couches isolantes, et un circuit imprimé double faces disposé au milieu des deux couches isolantes, elles-mêmes disposées au milieu des deux circuits imprimés multicouches, le circuit imprimé double faces constituant la zone de blindage. La carte de fond de panier comporte une couche de polymère isolant entre le circuit 20 imprimé multicouche et la couche isolante. La carte de fond de panier possède un unique circuit imprimé principal ayant une épaisseur d'au moins 5mm. La carte de fond de panier comporte un circuit imprimé principal et une plaquette d'interface fixée sur le circuit imprimé principal, la plaquette d'interface présentant des trous 25 adaptés pour recevoir des éléments de connexion à insertion par force et former avec eux un point de connexion électrique. La plaquette d'interface comporte une matrice de billes adaptée pour être soudée sur le circuit imprimé principal. Les premiers trous borgnes sont avantageusement recouverts d'une couche externe de 30 polymère isolant destinée à être percée par des éléments de connexion à insertion par force. L'invention propose également un calculateur électronique comportant un bâti mécanique, une carte de fond de panier présentant une face interne et une face externe, un 3034219 4 ou plusieurs connecteurs de cartes électroniques connectés à la carte de fond de sur sa face interne, et au moins un connecteur externe connecté à la carte de fond de panier sur sa face externe, le calculateur électronique étant caractérisé en ce que les connecteurs de cartes électroniques et le connecteur externe présentent des éléments de connexion à insertion par 5 force, et en ce que la carte électronique de fond de panier présente une série de premiers trous borgnes débouchant sur sa face interne adaptés pour recevoir les éléments de connexion à insertion par force des connecteurs de cartes électroniques de manière à former avec eux une jonction électrique ; et une série de seconds trous débouchant sur sa face externe adaptés pour recevoir les éléments de connexion à insertion par force du connecteur 10 externe de manière à former avec eux une jonction électrique. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres objectifs, caractéristiques et avantages sortiront de la description détaillée qui 15 suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels : - les figures 1 à 3 représentent des calculateurs électroniques de l'art antérieur ; - la figure 4 est un schéma simplifié d'un calculateur électronique selon l'invention ; - la figure 5a représente un calculateur électronique selon l'invention ; - la figure 5b est une vue agrandie d'une carte de 'fond de panier' de la figure 5 ; 20 - les figures 6 et 7 sont des schémas simplifiés d'exemples de cartes de fond de panier selon l'invention ; - la figure 8 est un schéma détaillé de la carte de fond de panier de la figure 7 ; - la figure 9 représente un calculateur dans la plan de la carte de fond de panier ; - la figure 10 représente un calculateur dans le plan transversal au plan de la carte de 25 fond de panier. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 4, un calculateur électronique 1 comporte un bâti mécanique 30 11, une ou plusieurs cartes électroniques 12 maintenues mécaniquement dans le bâti 11 et une carte électronique dite carte de 'fond de panier' 20 ou tackplane' en anglais qui constitue le fond du bâti mécanique 11. 3034219 5 Bâti mécanique 11 En référence à la figure 4, le bâti mécanique 11 est typiquement un parallélépipède rectangle comportant deux faces parallèles ouvertes : une première face ouverte adaptée pour l'introduction des cartes électroniques 12 et une deuxième face ouverte adaptée pour 5 être fermée par la carte de 'fond de panier' 20. Les cartes électroniques 12 sont maintenues mécaniquement dans le bâti 11 par exemple par des glissières. En référence aux figures 6 et 7, la carte de fond de panier 20 (figure 4) est constituée d'un circuit principal 28 dont les dimensions correspondent à la face ouverte du bloc fond. La carte de fond de panier 20 est fixée par sa périphérie sur les flancs du bâti mécanique 11. En 10 référence à la figure 10, le calculateur peut également comporter un support 40 de carte de fond de panier fixé au bâti mécanique 11 sur lequel est fixée la carte de fond de panier 20. Carte de fond de panier 20 La carte de fond de panier 20 est adaptée pour être fixée sur le bâti mécanique 11 de 15 manière à fermer la deuxième face ouverte du bâti. En référence à la figure 7, la carte de fond de panier 20 comporte au moins un circuit imprimé principal 28 sur lequel des pistes forment un ensemble d'interconnexions. En référence à la figure 5b, la carte de fond de panier 20 présente une face interne 142 adaptée pour recevoir les connecteurs de carte 13 et une face externe 143 adaptée pour 20 recevoir le connecteur externe 15. Carte électronique 12 Chaque carte électronique 12 comprend un circuit imprimé et des composants électroniques. Chaque carte électronique 12 est connectée au moyen d'un ou de plusieurs 25 connecteurs de carte 13 sur la face interne 142 de la carte électronique de fond de panier 20. Les connecteurs de carte 13 présentent des éléments de connexion à insertion par force 131 qui sont typiquement des éléments de connexion en forme de broche. Ces éléments de connexion en forme de broche ont typiquement une longueur 12 comprise entre 1 et 2,5 mm. 30 Connecteur externe de type ARINC 600 15 3034219 6 Un ou plusieurs modules de pilotage sont connectés à la carte de fond de panier 20 de manière à communiquer avec le bus de celle-ci selon un protocole de bus série distribués par exemple de types ARINC 429. Chaque module de pilotage est constitué d'une ou plusieurs cartes adaptées pour être 5 connectée sur la face externe 143 de la carte de fond de panier 20 par un connecteur externe 15 par exemple un connecteur de type ARINC 600. Le connecteur externe 15 comporte une emprise 152 (figure 9) comportant des empreintes de connecteur 153 présentant des éléments de connexion à insertion par force 151 qui sont typiquement des éléments de connexion en forme de broche. Ces éléments de 10 connexion en forme de broche 151 (figure 5b) ont typiquement une longueur 11 comprise entre 1 et 2,5 mm. Trous borgnes En référence aux figures 5b et 8, la carte de fond de panier 20 possède des premiers 15 trous borgnes 146 débouchant sur sa face interne 142 et adaptés pour recevoir des éléments de connexion à insertion par force portés par les connecteurs de carte 13, et des seconds trous 148 débouchant sur sa face externe 143 et adaptés pour recevoir des éléments de connexion à insertion par force portés par les connecteurs externe 15. Les seconds trous 148 sont initialement traversant, mais après assemblage, ils sont 20 borgnes. Les trous 146 et 148 ne traversent pas la carte de fond de panier de part et d'autre. Les trous 146 et 148 sont coaxiaux et perpendiculaires au plan de la carte de fond de panier 20. Les trous 146 et 148 sont métallisés et permettent d'établir une liaison électrique entre 25 les différents couches conductrice d'un même circuit imprimé multicouche 22. La métallisation des trous consiste, une fois le trou percé, à déposer une fine couche de cuivre à l'intérieur du trou, par un procédé de dépôt de cuivre par électrolyse. Une fois métallisé, le trou fait la connexion électrique entre les couches qu'il traverse. Les premiers trous borgnes 146 sont avantageusement recouverts d'une couche 30 externe 9 de polymère isolant tel que du polyimide type Kapton® (polyimide de Dupont de Nemours). Cette couche est destinée à être percée par les connecteurs en forme de broches 131 lors du montage des connecteurs de carte 13 (figure 5b). Elle permet de protéger les 3034219 7 trous borgnes 146 de toute pollution avant le montage des connecteurs de cartes 13 et notamment des agents polluants qui viennent de la métallisation des trous traversant 147. Trous métallisés traversants 5 La carte de fond de panier 20 possède des trous traversants 147 qui traversent la carte de fond de panier 20 de part et d'autre. Les trous traversants 147 sont métallisés et permettent d'établir une connexion électrique entre l'ensemble des couches conductrices. Les trous traversants 147 sont coaxiaux et perpendiculaires au plan de la carte de fond de panier 20. 10 Elements de connexion à insertion par force 131 et 151 Les éléments de connexion à insertion par force 131 portés par les connecteurs de carte 13 et les éléments de connexion à insertion par force 151 portés par le connecteur externe 15 sont adaptés pour être insérés à force dans un des trous borgnes 146 de la carte 15 de fond de panier 20 de manière à former une jonction électrique à insertion par force dite 'press-fit' avec le trou borgne, assurant l'interconnexion mécanique et électrique. Une fois l'élément de connexion à insertion par force 131 ou 151 inséré dans un trou 146 ou 148, ils constituent ensemble un point de connexion. Lorsqu'un élément de contact en forme de broches 131 et 151 est enfoncé dans un trou 20 146 ou 148, l'élément de contact en forme de broche 131 et 151 et/ou les trous 146 et 148 se déforment de manière élastique lors de l'insertion, de manière à créer une force de friction entre les deux. A cet effet, les éléments de contact en forme de broche 131 et 151 présentent des propriétés d'élasticité en compression. Les broches 131 et 151 comprennent une partie 25 d'ajustement par pression adaptée pour être mis en contact avec une surface interne des trous 146 et 148 du circuit imprimé. La partie d'ajustement par pression comprend un mécanisme à ajustement serré adapté pour être déformé élastiquement lors de l'insertion dans les trous 146 et 148. Ce mécanisme à ajustement serré comprend typiquement une saillie et un évidement complémentaire comme par exemple un bossage ou une fente en 30 forme de 'chat d'aiguille' au centre de l'axe longitudinal de la broche. Alternativement ou en complément les trous 146 et 148 présentent des propriétés d'élasticité. 3034219 8 Le diamètre des trous 146 et 148 est légèrement plus petit que la largeur de la broche, de manière à ce que l'insertion crée une force de frottement. Les trous 146 et 148 ont typiquement une forme cylindrique. Pour améliorer l'insertion et le maintien des broches dans les trous 146 et 148, les trous 5 146 et 148 présentent avantageusement un diamètre diminuant dans une direction orientée de l'intérieur de la carte électronique à la surface de la carte électronique. Les trous 146 et 148 ont par exemple une forme tronconique. Afin de limiter le risque de pollution des trous borgnes lors de la fabrication, la carte de fond de panier 20 comporte avantageusement une couche 10 de polymère isolant tel que du 10 polyimide type Kapton® (polyimide de Dupont de Nemours) entre le circuit imprimé multicouche 22 et la couche isolante 23. Le circuit imprimé principal 28 comporte un circuit imprimé double faces 21 disposé au milieu de deux couches isolantes 23 elles-mêmes disposées au milieu de deux circuits 15 imprimés multicouches 22. Les circuits imprimés multicouches 22 comportent des pistes pour le routage de signaux entre les différents points de connexion et définissent une zone de routage pour le routage des signaux. On appelle classiquement la zone interne au calculateur la zone propre et la zone externe au calculateur la zone sale car celle-ci est polluée par toute sorte d'émissions 20 électromagnétiques externes. La présence d'un circuit imprimé double faces 21 et des deux couches isolantes 23 permet d'améliorer l'isolation entre la zone sale et la zone propre. Le circuit imprimé double faces 21 comporte deux couches conductrices 211 reliées à deux équipotentiels disposées de part et d'autre d'une couche isolante 212 en prépreg. Les deux couches conductrices 211 reliées à deux équipotentiels disposées de part et d'autre 25 d'une couche isolante 212, typiquement en prépreg constitué par exemple d'un tissu préimprégné de résine, constituent une zone de blindage 121 efficace pour ségréger la zone propre de la zone sale. Les circuits imprimés multicouches 22 comportant plusieurs couches conductrices 221, 30 séparées chacune par des couches isolantes 222 typiquement en résine epoxy. Les trous métallisés borgnes 146 traversent l'un des circuits imprimé multicouche 22 mais pas le circuit imprimé double face 21. Les trous métallisés borgnes 146 permettent 3034219 9 d'établir une liaison électrique entre les différents couches conductrice d'un même circuit imprimé multicouche 22. Les trous métallisés traversants 147 traversent les deux circuits imprimés multicouches 22 et le circuit imprimé double faces 21. Les trous métallisés traversants permettent d'établir 5 une connexion électrique entre l'ensemble des couches conductrices. Plaquettes d'interface 30 Dans un mode de réalisation particulier, pour résoudre le problème de son épaisseur insuffisante pour l'accueil simultané dans le même circuit imprimé des broches 131 et 135 de 10 part et d'autre, la carte de fond de panier 20 est épaissie artificiellement en fixant des plaquettes d'interface 30 sur le circuit imprimé principal 28 sous les connecteurs à rehausser. Une plaquette d'interface 30 peut être fixée sur la face externe 143 de la carte de fond de panier sous un connecteur externe 15, comme illustré en figure 7, ou sur la face interne 142 de la carte de fond de panier sous un connecteur de carte 13, comme illustré en figure 6. 15 En référence à la figure 5b, lorsque les éléments en forme de broches 131 (respectivement 151) ont une longueur 11 (respectivement 12) de l'ordre de 1.5mm, la carte de fond de panier 20 a typiquement une épaisseur el de 3mm, et la plaquette d'interface 30 une épaisseur e2 de 2mm, l'épaisseur totale e3 de la carte de fond de panier 20 étant donc de 20 5mm, ce qui correspond à la limite haute de faisabilité en mode standard. En référence à la figure 5b, lorsque les éléments en forme de broches 131 (respectivement 151) ont une longueur 11 (respectivement 12) de l'ordre de 3.7mm, la carte de fond de panier 20 a typiquement une épaisseur el de 5mm, et la plaquette d'interface 30 une épaisseur e2 de 4mm, l'épaisseur totale e3 de la carte de fond de panier 20 étant donc de 25 lOmm. En référence à la figure 8, les plaquettes d'interface 30 comportent un circuit imprimé typiquement double face dans lequel sont ménagées des trous 148 identiques aux trous borgnes 146 adaptés pour recevoir des éléments de connexion à insertion par force. Ces trous 148 peuvent aussi être des trous traversants bouchés par un film isolant. 30 En référence à la figure 8, les plaquettes d'interface 30 comportent en outre, sur la face opposée à celle sur laquelle débouchent les trous 148, des moyens de fixation 33 au circuit imprimé principal 28. Ces moyens de fixation 33 sont par exemple une matrice de billes 33 (en anglais Bali Grid Array ou BGA) destinée à être soudée sur le circuit imprimé principal 28 3034219 10 qui présente alors des plages d'accueil d'un diamètre adéquat. La cohésion mécanique entre les plaquettes d'interface 30 et le circuit imprimé principal 28 peut en outre être assurée par collage à l'aide d'une couche adhésif isolant 34 tel qu'une colle époxy fluant par capillarité (appelé runderfill' selon la terminologie anglo-saxonne). 5 En référence à la figure 8, une couche de fermeture 32 typiquement en résine epoxy peut être avantageusement ajoutée entre la couche adhésif isolant 34 et le circuit imprimé principal 28 pour empêcher la remontée de la couche adhésif isolant 34 dans les trous traversants 147. 10 L'épaisseur de la carte de fond de panier 20 est déterminée par quatre contraintes majeures : - la longueur des broches de contact 131 et 135 ; - l'épaisseur de la zone de blindage 121 ; - le besoin de symétrie par rapport à la zone de blindage 121. 15 L'épaisseur de la carte de fond de panier 20 doit être suffisante pour permettre l'accueil des broches de connecteurs 131 et 135 de part et d'autre de la carte de fond de panier. En outre, la zone de blindage 121 doit être positionnée au milieu de la carte de fond de panier 20 pour assurer sa fonction de blindage électromagnétique. Ainsi, les broches de 20 contact 131 des cartes doivent avoir la même longueur que celles du connecteur externe 135. L'épaisseur du circuit imprimé principal 28 est typiquement choisie de manière à ce que l'espace entre les broches de connecteurs 131 et 135 ait une épaisseur e4 d'au moins lmm. Dans le cas où la carte de fond de panier 20 comporte un unique circuit imprimé 25 principal 28, celui-ci présentant une épaisseur el d'au moins 5mm pour permettre l'accueil en opposition des connecteurs cartes 13 et du connecteur externe 15. Le circuit imprimé principal 28 peut en outre comporter des fonctions de filtrage du bruit électromagnétique. 30 Des composants électroniques 50 contribuant à la tenue en environnement électromagnétique du calculateur complet peuvent également être placés dans les espaces laissés libres entre les connecteurs externes et le bâti mécanique 10. 3034219 11 Procédé de fabrication Le calculateur électronique 1 peut notamment être fabriqué par le procédé de fabrication suivant. Dans une première étape, les plaquettes d'interface 30 sont soudées à la carte de 5 fond de panier 20. Les plaquettes d'interface 30 présentant des trous 148 traversants. Après fixation des plaquettes d'interface 30 sur la carte de fond de panier 20, les trous 148 sont borgnes. Dans une seconde étape, la couche d'adhésif isolant 34 est ajoutée sous les cartes d'interface du connecteur externe 15. 10 Dans une troisième étape, les connecteurs de cartes 13 sont montés par insertion à force sur la face interne de la carte de fond de panier 20. Dans une quatrième étape, le connecteur externe 15 est monté par insertion à force sur la face externe de la carte de fond de panier 20. Dans une cinquième étape, la carte de fond de panier 20 est fixée mécanique sur le 15 bâti mécanique 11 du bloc fond.