FR2590421A1

FR2590421A1 - Device for protection from lightning by fusible and screen-printed resistor, method of manufacture and application to computers on board aircraft

Info

Publication number: FR2590421A1
Application number: FR8516937A
Authority: FR
Inventors: Pierre Arnault
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1985-11-15
Filing date: 1985-11-15
Publication date: 1987-05-22

Abstract

This device for electrical protection of a specified number N of paths by fusible screen-printed resistor makes it possible to protect apparatuses from voltages of the order of 115V through the melting of the resistor, but withstands much higher voltages 600V to 2000V for short periods, without notable variations in the ohmic value of the resistor. It includes a substrate 4 supporting, for each electrical path, two conductive elements 2, 3 to be interconnected and deposited by silk screen printing onto the said substrate and a fusible resistor 1 deposited by silk screen printing and connecting the two conductors together. The device is characterised in that each resistor includes two distinct and separately silk-screen printed layers 11, 12 for resisting high voltage spikes for a specified short period duration. The conductors 2, 3 consist of a silk-screen printed conductive paste layer, the resistor 1 being connected to the conductors by contacting the former over virtually the entire width of the conductors. Application for the protection of computers aboard aircraft.

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LA FOUDRE PAR RESISTANCE
FUSIBLE ET SERIGRAPHIEE, PROCEDE DE FABRICATION,
ET APPLICATION AUX CALCULATEURS EMBARQUES
A BORD D'AERONEFS
L'invention concerne la protection de matériel tels que des
calculateurs de bord embarqués à bord des aéronefs qui doivent etre
protégés contre des pics de tension parasites dus à la foudre. Elle
concerne également le procédé de fabrication d'un tel dispositif de
protection.DEVICE FOR PROTECTION AGAINST LIGHTNING BY RESISTANCE
FUSE AND SERIGRAPHY, METHOD OF MANUFACTURE,
AND APPLICATION TO ONBOARD CALCULATORS
ON AIRCRAFT
The invention relates to the protection of equipment such as
on-board computers on board aircraft that must be
protected against parasitic voltage spikes due to lightning. She
also relates to the method of manufacturing such a device for
protection.

li est connu de protéger les calculateurs de bords en utilisant
des résistances en carbone aggloméré dont l'intérêt est l'aptitude à
supporter les pics de tension de grande amplitude mais de brève
durée, plus exactement, des pics de 600 Volts pendant 100 micro
secondes, ou encore des pics de 2000 Volts pendant 5 microsecondes,
et ceci sans variation notable de leur valeur ohmique. Par ailleurs,
ces résistances fondent dès l'instant qu'une tension de l'ordre de
115V leur est appliquée pendant plus de 100 millisecondes, ceci afin
de protéger le calculateur au cas où il aurait été connecté inopiné
ment sur le réseau de l'aéronef. Toutefois, pour résister aux pics
élevés de tension, les résistances sont associées à des diodes
écréteuses à temps de réponse très court.It is known to protect edge calculators by using
resistances in agglomerated carbon whose interest is the ability to
withstand high voltage spikes but brief
duration, more exactly, peaks of 600 volts for 100 micro
seconds, or even peaks of 2000 volts for 5 microseconds,
and this without appreciable variation of their ohmic value. Otherwise,
these resistors melt as soon as a voltage of the order of
115V is applied to them for more than 100 milliseconds, so
to protect the computer in case it was connected unexpectedly
on the aircraft network. However, to resist the peaks
high voltage, the resistors are associated with diodes
clippers with very short response time.

Ces dispositifs s'avèrent trop encombrant et, selon l'invention,
on se propose de réduire leurs dimensions.These devices are too bulky and, according to the invention,
we propose to reduce their dimensions.

D'autre part, en microélectronique hybride, on sait obtenir des
dispositifs intégrant des barrettes de résistance avec des diodes
écréteuses. Ces dispositifs sont relativement compacts, mais sont
moins performants que ceux précédemment décrits et ils se présen
tent sous la forme d'un substrat supportant, pour chaque voie à
protéger, des moyens d'écrétage telle qu'une ou deux diodes, selon si
le dispositif est bidirectionnel ou non. Cette ou ces diodes sont
connectées, d'une part à un potentiel de masse, et d'autre part à la tension d'alimentation. Sur cette dernière, un conducteur d'entrée et un conducteur de sortie sont sérigraphiés sur le substrat et reliés à une résistance elle-même sérigraphiée. Le tout est généralement recouvert dun verre de protection.Les épaisseurs déposées dépendent principalement de l'épaisseur de résine déposée avant insolation sur l'écran métallique qui sert à la sérigraphie. On utilise habituellement des écrans en inox ayant de l'ordre de 200 mailles par pouce et une épaisseur d'émulsion de 15 microns. Le substrat utilisé est à base d'alumine. Les différentes phases de fabrication sont les suivantes: - sérigraphie des conducteurs; - séchage à 1500 C et cuisson à 8509C ; - sérigraphie des résistances; - séchage à 1500C, et cuisson à 8500C ; - sérigraphie du verre de protection; - séchage a' l500C et cuisson à 5500C.On the other hand, in hybrid microelectronics, it is known to obtain
devices incorporating resistance bars with diodes
écréteuses. These devices are relatively compact, but are
less efficient than those previously described and they are
in the form of a supporting substrate, for each channel to
protect, clipping means such as one or two diodes, depending on whether
the device is bidirectional or not. This or these diodes are
connected, on the one hand to a ground potential, and on the other hand to the supply voltage. On the latter, an input conductor and an output conductor are screen printed on the substrate and connected to a resistor itself screen printed. The whole is generally covered with a protective glass. The deposited thicknesses depend mainly on the thickness of resin deposited before exposure on the metal screen which is used for screen printing. Stainless steel screens are usually used having of the order of 200 mesh per inch and an emulsion thickness of 15 microns. The substrate used is based on alumina. The various phases of manufacture are as follows: - screen printing of the conductors; drying at 1500 ° C. and baking at 850 ° C. - silkscreening of resistances; - drying at 1500C, and cooking at 8500C; - screen printing of protective glass; - drying at 1500C and cooking at 5500C.

Le principal objet de l'invention est un dispositif de protection d'une pluralité de voies électriques contre la foudre par des résistances fusibles sérigraphiées comportant un substrat supportant pour chaque voie deux éléments conducteurs à connecter entre eux et déposés par sérigraphie sur le substrat, et une résistance déposée par sérigraphie connectant entre eux les deux conducteurs, caractérisé en ce que la résistance comporte deux couches distinctes superposées et sérigraphiées séparément. En concéquence, un deuxième objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un tel dispositif pendant lequel les deux couches sont déposées l'une après l'autre par deux sérigraphies distinctes successives. The main object of the invention is a device for protecting a plurality of lightning-resistant electrical paths by screen-printed fusible resistors comprising a substrate supporting for each channel two conductive elements to be connected together and deposited by screen printing on the substrate, and a resistor deposited by screen printing connecting the two conductors, characterized in that the resistor comprises two distinct layers superimposed and silkscreened separately. In consequence, a second object of the invention is a method of manufacturing such a device during which the two layers are deposited one after the other by two successive distinct screenprints.

Un dernier objet de l'invention est l'application d'un tel dispositif pour la protection des calculateurs de bord embarqués sur les aéronefs. A final object of the invention is the application of such a device for the protection of on-board computers on aircraft.

L'invention et ces caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit accompagnée des figures qui représentent respectivement:
- Figure 1A, 1B, et 1C, des vues représentatives de la structure du dispositif selon l'invention
- Figure 2, un schéma électrique possible d'un dispositif selon l'invention ;
- Figure 3, une Vu relative à la structure du dispositif décrit a' la figure 2;
- Figure 4, une vue déployée d'une réalIsation possible d'un dispositif selon linventuçn. The invention and these characteristics will be better understood on reading the description which follows accompanied by the figures which respectively represent:
1A, 1B, and 1C, representative views of the structure of the device according to the invention
- Figure 2, a possible electrical diagram of a device according to the invention;
3, a view relating to the structure of the device described in FIG. 2;
- Figure 4, an expanded view of a possible realIsation of a device according linventuçn.

La figure 1A represente une résistance 1 connectant entre eux deux conducteurs 2 et 3 qui ont été représentés parallèles. FIG. 1A shows a resistor 1 connecting two conductors 2 and 3 which have been shown in parallel.

La figure 1 B est une coup selon l'axe BB de la figure la, et sur laquelle on a représenté un substrat 4 supportant les deux éléments et la résistance Nsibler
Une caractéristique principale de l'invention est de réaliser la résistance 1 en deux couches 11 et 12. La résistance recouvre pratiquement complètement les deux éléments conducteurs et est plaquée au support entre les deux éléments conducteurs après son dépôt par sérigraphie. De manière générale il est préférable de protéger l'ensemble par un recouvrement par sérigraphie d'un verre ou d'une résine de protection 5.FIG. 1B is a cut along the axis BB of FIG. 1a, and on which there is shown a substrate 4 supporting the two elements and the resistance Nsibler
A main feature of the invention is to provide the resistor 1 in two layers 11 and 12. The resistor substantially completely covers the two conductive elements and is pressed to the support between the two conductive elements after its deposition by screen printing. In general, it is preferable to protect the assembly by a screen-printing covering of a glass or a protective resin 5.

On retrouve cette même structure superposée sur la figure lc qui est une coupe de la figure la selon l'axe CC. We find this same structure superimposed on Figure lc which is a section of Figure la along the axis CC.

Les performances de cette structure sont améliorées par le fait que les contacts de la résistance 1 sur les éléments conducteurs 2 et 3 sont optimalisés. Ceci se traduit sur les figures par le fait que les résistances recouvrent les éléments conducteurs sur presque toute leur largeur. En effet, dans l'art antérieur les conducteurs étaLent plus étroits et la résistance ne recouvrait ces conducteurs que sur la moitié de toute leur largeur. Les surfaces de contact étant alors insuffisante pour obtenir les résultats que l'invention vise a obtenir. The performance of this structure is improved by the fact that the contacts of the resistor 1 on the conductive elements 2 and 3 are optimized. This is reflected in the figures by the fact that the resistors cover the conductive elements over almost their entire width. Indeed, in the prior art the conductors are narrower and the resistance covered these conductors only half of their entire width. The contact surfaces are then insufficient to obtain the results that the invention aims to obtain.

Dans l'art antérieur, les résistances sont monocouche et donc de faible épaisseur. L'augmentation de cette dernière dimension permet le passage d'un courant électrique plus important Toutefois, c'est avec une structure à deux couches que la résistance trouve un rendement optimal. In the prior art, the resistors are monolayer and therefore thin. The increase of this last dimension allows the passage of a greater electric current However, it is with a two-layer structure that the resistance finds optimal performance.

Pour donner une idée un peu plus précise de la structure du dispositif selon l'invention, les dimelsicas qui suivent sont celles d'une réalisation du dispositif selon linvention Les éléments con. To give a slightly more precise idea of the structure of the device according to the invention, the following dimelsicas are those of an embodiment of the device according to the invention.

ducteurs ont une largeur de 0,8 millimètres au lieu de 0,5 millimètres dans l'art antérieur, niaisant ainsi douter la largeur de contact entre les conåucteurs et la résistance. L'épaisseur des résistances a doublé et passe de l'ordre de 17 à 35 micrnns. Ces résistances peuvent supporter des pointes de tension atteignant 600V pendant 100 microsecondes ou même 2000V pendant 5 microsecondes, et ceci sans va,-iation notable de leur valeur ohmique.The conductors have a width of 0.8 millimeters instead of 0.5 millimeters in the prior art, thus not doubting the width of contact between the carriers and the resistance. The thickness of the resistors has doubled and goes from around 17 to 35 micrnns. These resistors can withstand voltage peaks up to 600V for 100 microseconds or even 2000V for 5 microseconds, and this without any appreciable value of their resistance value.

Le procédé de fabrication d'une telle structure est le suivant. The method of manufacturing such a structure is as follows.

La première opération consiste à sérigraphier les deux éléments conducteurs sur un substrat en alumine à 9696. Le matériau constituant les éléments conducteurs est de préférence une pâte conductrice à base d'or et de platine. Cette première sérigraphie est suivie d'un séchage à 1500C, puis d'une cuisson à 850 C. The first step consists in silk-screening the two conductive elements on a 9696 alumina substrate. The material constituting the conductive elements is preferably a conductive paste based on gold and platinum. This first screen is followed by drying at 1500C, then cooking at 850 C.

La deuxième opération consiste à sérigraphier la première couche résistive de la résistance. Le matériau utilisé est de préférence une pâse résistive à base d'oxyde de ruthénium. Cette deuxième sérigraphie est également suivie d'un séchage à 1500C, et d'une cuisson à 8500C. The second operation is to screen the first resistive layer of the resistor. The material used is preferably a resistive slurry based on ruthenium oxide. This second screen is also followed by drying at 1500C, and cooking at 8500C.

La troisième opération consiste à sérigraphier la seconde couche résistive de la résistance de même dimension que la première couche et de meme composition. Là aussi, cette opération est suivie d'un meme séchage à 150 C et d'une cuisson à 850 C. The third operation is to screen the second resistive layer of the same dimension of resistance as the first layer and the same composition. Here too, this operation is followed by the same drying at 150 ° C. and cooking at 850 ° C.

Pour terminer on procède à la sérigraphie du verre de protec- tien sur l'ensemble, cette opération étant suivie d'un séchage à 1500C et d'une cuisson à 5500C. To complete, screen protector glass is applied to the assembly, followed by drying at 1500 ° C. and baking at 55 ° C.

L'ensemble constitué d'une résistance 1 et des deux conducteurs 2 et 3 constituent, lorsqu'il est fixé sur un substrat, un dispositif de protection électrique grâce à la résistance fusible. The assembly consisting of a resistor 1 and two conductors 2 and 3 constitute, when attached to a substrate, an electrical protection device by means of the fuse resistor.

L'utilssation selon l'.nvention est destinée à protéger les calculateurs de bord des aéronefs. Dans ce but, il est utilisé pour réaliser un circuit électrique schématisé à la figure 2. The use according to the invention is intended to protect the on-board computers of aircraft. For this purpose, it is used to produce an electric circuit schematized in FIG.

Sur cette dernière ce circuit consiste à protéger trois voies d'alimentation. Sur chaque voie on a placé une résistance, respectivement RI, R2 et R3. Chaque tension d'entrée VE est appliquée à la résistance par l'intermédiaire d'un des deux éléments conducteurs. On the latter this circuit is to protect three power channels. On each channel a resistor was placed respectively, R1, R2 and R3. Each input voltage VE is applied to the resistor via one of the two conductive elements.

La tension de sortie Vs est recueillie à la sortie de la résistance sur le deuxième conducteur.The output voltage Vs is collected at the output of the resistor on the second conductor.

Comme dit précédemment, ces résistances supportent des pics de tension de l'ordre de 600V pendant 10Q microsecondes. As said above, these resistors withstand voltage peaks of the order of 600V for 10Q microseconds.

Mais ces pics de tension ne doivent pas être appliqués aux calculateurs. Dans ce but, on utilise pour chaque voie une ou deux diodes écréteuses connectées d'une part à la sortie de la résistance, et d'autre part à un potentiel de masse de référence V0. Sur la figure 2 on a envisagé le cas d'un circuit bidirectionnel, c'est-àdire que deux diodes écréteuses D11 et D12 sont montées tête bêche pour écréter les tensions positives aussi bien que les tensions négatives, et ceci pour chacune des voies.But these voltage peaks should not be applied to computers. For this purpose, one or two clamping diodes connected on the one hand to the output of the resistor and on the other hand to a reference ground potential V0 are used for each channel. FIG. 2 envisages the case of a bidirectional circuit, that is to say that two cleaving diodes D11 and D12 are mounted head to tail to write off the positive voltages as well as the negative voltages, and this for each of the channels.

La figure 3 représente en coupe, de manière analogue à la figure 1C, la structure d'une réalisation selon l'invention. On y retrouve le substrat 4, la résistance en deux couches 1, un des deux conducteurs, par exemple 3. Ce conducteur contourne le substrat pour connecter une diode D placée de l'autre côté du substrat et qui peut être soit une des deux diodes représentées sur la figure 2 dans le cas d'un circuit bidirectionnel, soit la diode unique nécessaire pour une voie, dans le cas d'un circuit unidirection- nel. Le tout est recouvert d'une résine de protection 5. 3 shows in section, in a similar manner to Figure 1C, the structure of an embodiment according to the invention. It contains the substrate 4, the two-layer resistor 1, one of the two conductors, for example 3. This conductor bypasses the substrate to connect a diode D placed on the other side of the substrate and which can be either one of the two diodes shown in FIG. 2 in the case of a bidirectional circuit, ie the single diode necessary for a channel, in the case of a unidirectional circuit. The whole is covered with a protective resin 5.

La figure 4 représente, de manière très agrandie, un circuit à trois voies dans lequel on utilise trois fois le montage décrit aux figures IA, 1B, 1C, On y retrouve trois conducteurs d'entrée 21, 22 et 23, et trois conducteurs de sortie 31, 32, 33. Tous sont déposés sur le substrat 4 représenté en deux parties, la vue étant déployée. FIG. 4 represents, in a very enlarged manner, a three-way circuit in which the assembly described in FIGS. 1A, 1B, 1C is used three times. There are three input conductors 21, 22 and 23, and three drivers of FIG. output 31, 32, 33. All are deposited on the substrate 4 shown in two parts, the view being deployed.

Chaque paire de conducteurs est reliée à une résistance 1 par un montage analogue à celui décrit précédemment. Le deuxième conducteur de chaque montage contourne le substrat, de la même manière que celle représentée à la figure 3, pour se connecter à une diode. Sur cette figure une seule diode a été représentée par voie, ce pourrait être le cas pour un montage unidirectionnel, étant bien entendu que le circuit décrit à la figure 2 peut être réalisé de manière analogue, avec pour chaque voie un montage de deux diodes montées en tête bêche. Chaque diode est connectée d'autre part à un conducteur 6 relié à un potentiel de référence. Un tel circuit a une longueur d'environ 2cm. Le tout est enrobé d'une résine protectrice sérigraphiée. Each pair of conductors is connected to a resistor 1 by a mounting similar to that described above. The second conductor of each arrangement bypasses the substrate, in the same manner as that shown in Figure 3, to connect to a diode. In this figure a single diode has been represented per channel, this could be the case for a unidirectional mounting, it being understood that the circuit described in FIG. 2 can be made analogously, with for each channel a mounting of two mounted diodes. in the head spade. Each diode is connected on the other hand to a conductor 6 connected to a reference potential. Such a circuit has a length of about 2cm. The whole is coated with a screen-printed protective resin.

Claims

1. Device for protecting a plurality of fusible-printed fuse resistor electrical paths, comprising a substrate (4) supporting for each electrical pathway - two conductive elements (2, 3) to be interconnected and serigraphically deposited on said substrate - a fuse resistor (1) deposited by screen printing and connecting the two conductors together; the device being characterized in that each fuse resistor comprises two distinct superimposed layers (11, 12) and will be folded separately to withstand high voltage spikes for a determined short time period.

I electrical protection device according to claim 1 characterized in that the conductive elements (2, 33 being constituted by a screen printed conductive paste layer, the connection of the resistor (1) on the conductive elements is effected by a contact of this over almost the entire width of the conductors.

3. Electrical protection device according to claim 1 or 2, characterized in that for each channel, the resistance (RI,

R2, R3) receives an input voltage (VE1, VE2, VE3) and outputs an output voltage (VS1, VS2, and VS3), which output voltage is applied to one of the two electrodes of a diode ( D> whose second electrode is connected to a reference potential (V0> so that any high voltage peaks transmitted by the resistor are canceled from a determined value.

4. Electrical protection device according to claim 1 or 2, characterized in that for each channel the resistor tR1, R2, R3) receives an input voltage (VE1, VE2, VE3) and delivers an output voltage (VS1, VS2, VS3) this output voltage being applied to a mounting of two diodes (D11 and D12, D21 and D22) (D31 D323 mounted head-to-tail so as to write off the high voltage peaks transmitted by the resistor, and to constitute a circuit bidirectional protection.

5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that for each channel, the connection of two conductive elements (2, 3) to the resistor (1) being on a first side of the substrate (4), ie second conductor (3) bypasses the substrate to connect the diode arrangement (D1, D2> D3) located on the second side of the substrate.

6. Electrical protection device according to any one of the preceding claims, characterized in that a protective resin (2 surrounds the entire circuit.

7. A method of manufacturing a circuit according to any one of the preceding claims, characterized in that the resistance (1, Ri, R2, R3> is obtained by the screen printing of a first layer (il) followed by a drying at 1500C and baking at 8500C, then screen printing a second layer (12) itself followed by drying at 150 C and 8500C cooking.

8. Use of a circuit according to any one of Claims 1 to 6 for the protection of on-board computers on board aircraft.