FR3101751A1

FR3101751A1 - Procédé d’isolation électrique d’un dispositif électronique et dispositif ainsi obtenu

Info

Publication number: FR3101751A1
Application number: FR1910928A
Authority: FR
Inventors: François Guillot
Original assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2039-10-02
Also published as: CN114503374B; WO2021063985A1; US11818858B2; US20220346260A1; FR3101751B1; CN114503374A

Abstract

Procédé d’isolation électrique d’un dispositif électronique comprenant un boîtier (1) ayant une première face (3.1) pourvue d’une première ouverture (4.1) fermée par une plaque de circuit imprimé (10) et une deuxième face (3.2) pourvue d’une deuxième ouverture (4.2) s’étendant en regard d’au moins une partie d’au moins une interface de connexion (13) à laquelle est connecté au moins un premier connecteur (100), caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de : -former un moule autour de l’interface de connexion (13), -verser dans le moule une résine liquide pour former une couche de matériau électriquement isolant (300) entre le connecteur (100) et l’interface de connexion (13) en mettant le dispositif dans une enceinte sous vide. Dispositif obtenu par la mise en œuvre de ce procédé FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 2

Description

Procédé d’isolation électrique d’un dispositif électronique et dispositif ainsi obtenu

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

La présente invention concerne le domaine de la connexion électrique plus particulièrement dans le domaine aéronautique.

Il est connu des dispositifs de connexion comprenant un boîtier ayant un cadre périphérique ayant un bord délimitant une première ouverture fermée par une plaque de circuit imprimé (communément appelé PCB) et un bord opposé sur lequel est rapportée une platine pourvue d’une deuxième ouverture en regard d’au moins une interface de connexion électrique de la plaque de circuit imprimé. Un puits est fixé sur ladite platine pour s’étendre depuis un bord de la deuxième ouverture jusqu’à la plaque de circuit imprimé pour recevoir un ou des premiers connecteurs reliés à l’interface de connexion. L’interface de connexion est généralement constituée de trous métallisés ménagés dans la plaque de circuit imprimé et raccordés à des pistes conductrices de ladite plaque. Le premier connecteur comprend un corps rigide ayant une extrémité pourvue de broches de type « PRESS-FIT » destinées à être engagées dans les trous métallisés et une extrémité opposée agencée pour coopérer avec un deuxième connecteur homologue. Le premier connecteur est relié au deuxième connecteur par des broches reçues à force dans des trous métallisés.

De tels dispositifs de connexion sont par exemple utilisés dans les avions pour raccorder les calculateurs de l’avion au faisceau avionique conformément à la norme ARINC 600. Ces calculateurs sont regroupés dans un châssis (ou baie ou boîtier « rackable ») ayant une ouverture pour la mise en place des calculateurs et à l’opposé un fond qui porte le dispositif de connexion de telle manière que le raccordement du calculateur au dispositif de connexion soit effectué automatiquement à la mise en place du calculateur dans la baie, les contacts du calculateur étant enchâssés dans le dispositif de connexion une fois le calculateur en position dans le châssis. Ces dispositifs de connexion sont couramment appelés blocs de fond ou blocs arrières de boîtier « rackable ».

Les besoins en transfert de données ont beaucoup augmenté dans les avions de sorte qu’il est nécessaire d’augmenter la densité de contacts électriques. Ceci augmente cependant les problèmes d’interférence et de parasite entre les contacts.

OBJET DE L’INVENTION

L’invention a notamment pour but de fournir des moyens de connexion obviant au moins en partie aux inconvénients précités.

A cet effet, on prévoit, selon l’invention un dispositif électronique comprenant un boîtier ayant une première face pourvue d’une première ouverture fermée par une plaque de circuit imprimé et une deuxième face pourvue d’une deuxième ouverture en regard d’au moins une partie d’au moins une interface de connexion s’étendant sur une première surface de la plaque de circuit imprimé, au moins un puits s’étendant depuis un bord de la deuxième ouverture jusqu’à la plaque de circuit imprimé pour recevoir un premier connecteur ayant une première surface en saillie de laquelle s’étendent des conducteurs raccordés à l’interface de connexion, caractérisé en ce que le boîtier comprend une paroi ayant un bord libre de contour fermé qui est en appui contre la plaque de circuit imprimé et qui s’étend autour de l’interface de connexion, et en ce qu’une couche de matériau électriquement isolant s’étend entre la première surface du premier connecteur et l’interface de connexion jusqu’au bord libre de ladite paroi, les conducteurs du premier connecteur traversant la couche du matériau électriquement isolant.

La couche de matériau électriquement isolant apporte un surcroît d’isolation. En outre, la paroi à contour fermé constitue ainsi un moule perdu permettant de contenir la couche de matériau électriquement isolant lors de sa mise en place.

L’invention a également pour objet un procédé d’isolation d’un dispositif électronique comprenant un boîtier ayant une première face pourvue d’une première ouverture fermée par une plaque de circuit imprimé et une deuxième face pourvue d’une deuxième ouverture s’étendant en regard d’au moins une partie d’au moins une interface de connexion à laquelle est connecté au moins un premier connecteur, le procédé comprenant les étapes de :

former un moule autour de l’interface de connexion,
verser dans le moule une résine liquide pour former une couche de matériau électriquement isolant entre le connecteur et l’interface de connexion en mettant le dispositif dans une enceinte sous vide.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

la figure 1 est une vue en perspective d’un dispositif de connexion selon l’invention ;

la figure 2 est une vue schématique du dispositif de connexion en coupe transversale selon le plan II de la figure 1 ;

la figure 3 est une vue schématique partielle, en coupe transversale selon un plan perpendiculaire aux plaques, de deux connecteurs connectés l’un à l’autre ;

la figure 4 est une vue frontale du premier connecteur ;

la figure 5 est une vue schématique, en coupe selon la ligne V-V de la figure 4, du premier connecteur ;

la figure 6 est une vue schématique partielle, en coupe selon la ligne VI-VI de la figure 3, de deux connecteurs connectés l’un à l’autre.

En référence aux figures, le dispositif de connexion selon l’invention comprend un boîtier généralement désigné en 1 et une plaque de circuit imprimé 10.

Le boîtier 1, de forme parallélépipédique, est délimité par une paroi latérale 2, de contour fermé, dont un bord libre forme une première face 3.1 du boitier 1 et un bord opposé est solidaire d’une paroi de fond formant une deuxième face 3.2 du boîtier 1. La paroi latérale 2 forme un cadre et s’étend perpendiculairement à la plaque de circuit imprimé 10. La première face 3.1 est pourvue d’une première ouverture 4.1 (délimitée par le bord libre de la paroi latérale 2) et la deuxième face 3.2 est pourvue de deuxièmes ouvertures 4.2.

Le boîtier 1 comprend des puits 5 s’étendant chacun depuis un bord d’une des deuxièmes ouvertures 4.2 et ayant un bord libre s’étendant légèrement en retrait du plan de la première face 3.1.

La deuxième face 3.2 est pourvue de manière connue en elle-même d’un organe de détrompage 6 afin de prévenir des erreurs de montage et de connexion.

Le boîtier 1 a une structure monolithique : la paroi latérale 2, les faces 3.1, 3.2 et les puits 5 sont une seule pièce unitaire. Le boîtier résulte d’un usinage d’un bloc de matériau, ici un métal tel que l’aluminium. D’autres modes de fabrication sont possibles. Ainsi, en variante, le boîtier peut résulter d’une fabrication additive ou d’un moulage. Pour les tolérances de fabrication les plus serrées, il est possible d’effectuer une reprise d’usinage, en particulier pour la première face 3.1 qui constitue une référence de positionnement du boîtier 1 par rapport à la plaque de circuit imprimé 10.

Le bord libre de la cloison latérale 2 est appliqué sur une face 11 de la plaque de circuit imprimé 10 qui obture la première ouverture 3.1 et qui possède une face opposée 12. Ladite face 11 est pourvue d’une interface de connexion 13 qui est reliée à des pistes conductrices de la plaque de circuit imprimé 10 et à une interface de connexion portée par la face opposée 12 et non représentée ici.

L’interface de connexion 13 s’étend en regard de la deuxième ouverture 4.2 et est entouré par le bord libre du puits 5. L’interface de connexion 13 comprend ici des trous métallisés 14.

Deux des puits 5 reçoivent chacun un premier connecteur 100 comprenant un support diélectrique ayant une première extrémité pourvue de conducteurs 101, 102 en forme de broche qui s’étendent en saillie du support diélectrique et sont reçus à force dans les trous métallisés 14. Les puits 5 sont agencés pour guider et positionner le premier connecteur 100 par rapport à la première interface de connexion 13. Les conducteurs 101 du premier connecteur 100 ont une section transversale en forme de S aplati. Le support diélectrique du premier connecteur 100 comprend, à l’opposé des conducteurs 101, des premières plaques 110 électriquement isolantes, parallèles les unes aux autres, ayant chacune une face portant des premiers contacts 111 de transport de signal reliés aux conducteurs 101 et une face opposée portant une première lame de blindage 112 reliés aux conducteurs 102.

Chaque premier connecteur 100 fait partie d’un ensemble de raccordement électrique comprenant également un deuxième connecteur 200 homologue. Le deuxième connecteur comprend un support diélectrique comportant, comme le premier connecteur 100, des deuxièmes plaques 210 électriquement isolantes, parallèles les unes aux autres, ayant chacune une face portant des deuxièmes contacts 211 de transport de signal et une face opposée portant une deuxième lame de blindage 212.

Les contacts 111, 211 sont agencés dans des pistes conductrices s’étendant parallèlement à une direction d’engagement mutuel des connecteurs 100, 200 entre eux. Les contacts 111, 211 ont la forme de lamelles matricées qui sont élastiquement déformables entre une position de repos dans laquelle la lamelle est en saillie de la piste conductrice et une position déformée dans laquelle la lamelle est dans le prolongement de la piste conductrice.

Les lames de blindage 112, 212 comportent également des contacts formés par des lamelles découpées dans les lames de blindage 112, 212 et sont élastiquement déformables entre une position de repos dans laquelle la lamelle est en saillie de la lame de blindage 112, 212 et une position déformée dans laquelle la lamelle est dans le prolongement de la lame de blindage 112, 212.

Les contacts 111 et les lames de blindage 112 ont des positions inversées par rapport aux contacts 211 et les lames de blindage 212 de telle manière que, lorsque le premier connecteur 100 est raccordé au deuxième connecteur 200, les plaques 110 sont intercalées entre les plaques 210 et inversement, les premiers contacts 111 sont appliqués contre les deuxièmes contacts 211, et les premières lames de blindage 112 sont appliquées contre les deuxièmes lames de blindage 212. Les contacts 111, 211 sont des contacts plats étroits pour le transport des signaux et les lames de blindage 112, 212 sont des contacts plats larges pour la réalisation des plans de masse interzones de contacts. Les contacts 111, 211 et les lames de blindage 112, 212 sont tous ici réalisés par matriçage du même type de tôle métallique, ce qui autorise une standardisation des contacts pout tous types de signaux. La largeur des contacts 111, 211 est ici déterminée de manière à doubler la densité de contacts par rapport à un connecteur ARINC 600 classique équipé de contacts jauge 22 standard.

Les plaques 210 du deuxième connecteur 200 comprennent des nervures 220 s’étendant chacune entre deux contacts 211 parallèlement aux pistes conductrices et les plaques 110 du premier connecteur 100 comprennent des rainures 120 s’étendant chacune entre deux contacts 111 parallèlement aux pistes conductrices pour recevoir chacune un bord libre de chaque nervure 220.

Une couche 300 de matériau électriquement isolant s’étend entre la première surface du premier connecteur 100 et l’interface de connexion jusqu’au bord libre de la paroi latérale 2, les conducteurs 101 du premier connecteur 100 traversant la couche 300. La couche 300 a une épaisseur de 0,6 mm environ. Le matériau électriquement isolant est un silicone RTV.

Lorsque le deuxième connecteur 200 est raccordé au premier connecteur 100, les plaques 210 s’étendent alors comme les plaques 110 dans le puits 5 qui les protège et protège la connexion ; les contacts de chaque paire de contacts 111 et 211 en regard sont appliqués l’un contre l’autre ; les lames de blindage de chaque paire de lames de blindage 112, 212 en regard sont appliquées l’une contre l’autre ; le bord libre de chaque nervure 120 est reçu dans la rainure 220 en regard.

Les intervalles de tolérance du boîtier 1 obtenus du fait de sa construction monolithique sont relativement serrés (quelques dixièmes de millimètres) et permettent ainsi de gagner en précision de positionnement des conducteurs des premiers connecteurs 100 dans la plaque de circuit imprimé. Cet agencement permet de supprimer le corps du premier connecteur 100 puisque la paroi du puits 5 est positionnée et dimensionnée de manière suffisamment précise pour que le boîtier 1 puisse assurer les fonctions de résistance mécanique normalement assurées par le corps de connecteur. On a ainsi une mutualisation des fonctions mécaniques du boîtier et du connecteur.

Les contacts du premier connecteur 100 et du deuxième connecteur 200 qui sont en vis-à-vis réalise un couplage électrique et un couplage capacitif, sans rupture notable de l’impédance itérative de la ligne différentielle de transmission et autorise une grande bande passante pour les bus numériques (jusqu’à quelques Gbits/s).

L’agencement de contacts du premier connecteur 100 et du deuxième connecteur 200 permet ainsi de remplacer notamment les connecteurs de types « QUADRAX » en fournissant une densité de contacts plus importante et donc une meilleure capacité de transfert de signaux.

Les lames de blindage 112, 212 empêchent les couplages capacitifs entre les équipotentiels d’une plaque 110, 210 à l’autre.

Les nervures 120 et les rainures 220 coopèrent à la manière de peignes mutuellement imbriqués (formant donc des passages en chicane) et le matériau électriquement isolant des plaques 110, 210 est choisi de telle manière que les distances diélectriques entre contacts adjacents soient artificiellement augmentées et la rigidité diélectrique des plaques 110, 210 soit très supérieure à celle de l’air (particulièrement en basse pression). Les peignes sont dimensionnés et le matériau est choisi pour par exemple autoriser une différence de potentiel maximale de 2100 Vdc entre deux contacts adjacents à altitude 0. Pour une nervure 120 de 0,5 mm engagée de 0,2 mm dans la rainure 220, la distance d’isolement dans l’air qui en résulte devient 0,2 + 0,5 + 0,2 = 0,9mm. En tenant compte que la rigidité diélectrique classiquement retenue pour l’air ambiant sec est de 3600V/mm, la structure en peigne autorisera une différence de potentiels de 0,9 x 3600V = 3240V. Pour de l’air saturé en humidité, ce qui n’est pas le cas des baies ventilées avion, la rigidité diélectrique classiquement retenue est de 1000V/mm et la structure en peigne autorisera une différence de potentiels de 0,9 x 1000 = 900V.

Comme la distance diélectrique dans l’air entre les conducteurs 110 est très faible, voire trop faible pour supporter les contraintes diélectriques aéronautiques, il est prévu d’ajouter la couche 300 qui est électriquement isolante. La couche 300 est écrasée entre le premier connecteur 100 et la plaque de circuit imprimé. La couche 300 est réalisée en un matériau qui est élastiquement déformable et qui a des performances d’isolation électrique supérieures à celle de l’air.

La couche 300 est formée à base d’une résine RTV très liquide et est formée comme suit :

à pression et température ambiantes, la résine est introduite sur le dessus de la plaque de circuit imprimé 10 en passant par une ouverture de la paroi latérale écartée de la plaque de circuit imprimé d’une hauteur supérieure à l’épaisseur souhaitée de la couche 300. La quantité de résine est définie pour que le bas du support diélectrique du premier connecteur 100 soit immergé dans la résine afin de garantir la continuité de l’isolation électrique. La hauteur de résine sera d’environ 0,6mm car l’espace entre le bas du support diélectrique et le dessus de la plaque de circuit imprimé est d’environ 0,5mm ;
le dispositif est placé dans une enceinte de dépressurisation (objectif 10 mBar) afin de garantir la pénétration de la résine dans tous les interstices ou trous de la plaque de circuit imprimé et d’éliminer toutes les bulles qui pourraient être présente dans la résine. On assure ainsi une homogénéité de la résine autour des conducteurs 101 à isoler de l’air ambiant.

On notera que le boîtier 1 et la plaque de circuit imprimé forment un moule d’accueil pour la résine liquide. La résine RTV utilisée est par exemple une résine silicone et notamment celle commercialisée sous la référence « Snapsil TN3305 » par la société Momentive. Cette résine à base de silicone a une viscosité de 47 et est utilisable entre -55°C et +125°C.

De préférence, pour la réalisation du premier connecteur 100, les contacts 111 et les lames de blindage 112 sont matricés (découpés et formés) en une seule opération de découpage et formage, permettant de former aussi les conducteurs 101 (broches « Press-fit ») et les reliefs d’ancrage de cet ensemble dans le support diélectrique du connecteur 100. Ledit support diélectrique est réalisé en deux sous parties dans lesquelles sont montées les lamelles et lames métalliques. Au point de jonction des deux sous-parties, les reliefs d’ancrage des lamelles viennent en butée. Ensuite les deux sous-parties isolantes sont de préférence soudées entre-elles par une technique de soudage par ultrasons, ce qui permet l’échauffement local et la soudure thermoplastique tout en évitant d’utiliser une colle ou un chauffage général qui pourrait être un facteur limitant pour la précision mécanique du connecteur. Les reliefs d’ancrage sont dimensionnés pour former une liaison mécanique résistante à tout déplacement longitudinal des conducteurs 101 particulièrement lors des opérations de pressage (montage Press-fit).

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.

En particulier, Le dispositif peut ainsi avoir une structure différente de celle décrite.

En variante, il est possible de réaliser des puits pour former des alvéoles destinées à accueillir chacune une douille de connecteur de type QUADRAX, ce qui permettra d’améliorer encore la précision de positionnement des douilles de connecteur de type QUADRAX et de réduire le nombre de pièces mécaniques à réaliser.

Bien que les moyens permettant d’augmenter le chemin électrique d’un contact à l’autre soit ici une structure en peigne, d’autres moyens sont envisageables.

Il est possible d’utiliser des contacts à hautes vitesses pour transporter des forts courants : leur mise en parallèle, permettant les plus fortes intensités, sera réalisée au niveau de la plaque de circuit imprimé.

Il est possible d’utiliser des premiers connecteurs de taille modulaire en créant des groupes de contacts petits signaux associés entre eux par leur support diélectrique et associés avec la lame de blindage (ou plan de masse) montée à l’opposé des contacts petits signaux. Chaque module de contacts (qui ressemblerait alors à une plaque 110, 210 portant les contacts 111, 211 et la lame de blindage 112, 212) est associable avec un autre, et ainsi de suite, pour créer un premier connecteur ayant la taille voulue. La largeur des premiers connecteurs serait constante (la largeur de la plaque 110, 210) et seule varierait la hauteur.

Le support diélectrique peut être réalisé par injection d’une résine thermoplastique ou thermodurcissable.

L’invention est applicable à l’ensemble des calculateurs ARINC 600 et peut être étendue à tout autre type de connecteurs de calculateurs ayant les mêmes besoins, par exemple sur des connecteurs EN4165.

L’utilisation du boîtier comme moule perdu est facultative. Une autre solution est d’injecter localement cette même résine RTV en la maintenant dans la zone du connecteur par des barrières étanches locales (réalisées avec une deuxième résine RTV plus pâteuse).

Le boîtier peut avoir une structure différente de celle décrite et être assemblé.

Les connecteurs peuvent avoir une structure différente de celle décrite et par exemple une structure classique.

Claims

Dispositif électronique comprenant un boîtier (1) ayant une première face (3.1) pourvue d’une première ouverture (4.1) fermée par une plaque de circuit imprimé (10) et une deuxième face (3.2) pourvue d’une deuxième ouverture (4.2) en regard d’au moins une partie d’au moins une interface de connexion (13) s’étendant sur une première surface de la plaque de circuit imprimé (10), au moins un puits (5) s’étendant depuis un bord de la deuxième ouverture (4.2) jusqu’à la plaque de circuit imprimé (10) pour recevoir un premier connecteur (100) ayant une première surface en saillie de laquelle s’étendent des conducteurs (101) raccordés à l’interface de connexion (13), caractérisé en ce que le boîtier (1) comprend une paroi (2) ayant un bord libre de contour fermé qui est en appui contre la plaque de circuit imprimé (10) et qui s’étend autour de l’interface de connexion (13), et en ce qu’une couche de matériau électriquement isolant (300) s’étend entre la première surface du premier connecteur (100) et l’interface de connexion jusqu’au bord libre de ladite paroi, les conducteurs (101) du premier connecteur (100) traversant la couche du matériau électriquement isolant (300).
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le matériau électriquement isolant est un silicone RTV.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche de matériau électriquement isolant (300) a une épaisseur de 0,6 mm environ.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque de circuit imprimé (10) comprend des trous métallisés et le premier connecteur (100) comprend des broches (101) agencées pour être reçues serrées dans les trous métallisés.
Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les broches ont une section transversale en forme de S.
Procédé d’isolation électrique d’un dispositif électronique comprenant un boîtier (1) ayant une première face (3.1) pourvue d’une première ouverture (4.1) fermée par une plaque de circuit imprimé (10) et une deuxième face (3.2) pourvue d’une deuxième ouverture (4.2) s’étendant en regard d’au moins une partie d’au moins une interface de connexion (13) à laquelle est connecté au moins un premier connecteur (100), caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes de :
- former un moule autour de l’interface de connexion (13),
- verser dans le moule une résine liquide pour former une couche de matériau électriquement isolant (300) entre le connecteur (100) et l’interface de connexion (13) en mettant le dispositif dans une enceinte sous vide.
Procédé selon la revendication 6, dans lequel le moule est formé par une paroi (2) du boîtier (1) ayant un bord de contour fermé appliqué contre la plaque de circuit imprimé (10) autour de l’interface de connexion (13).