DISPOSITIF DE CONNEXION ELECTRIQUE POUR UN SUBSTRAT METALLIQUE ISOLE

Abstract

 L'invention a pour objet un dispositif de connexion électrique pour un substrat métallique isolé (1), dispositif comprenant un substrat, une cosse de contact (3), et au moins une tige (2) fixée à une plaque métallique (1a) du substrat et sur laquelle vient se fixer au moins une cosse de contact (3) qui est en contact électrique avec une piste conductrice (1c) portée par le substrat (1). Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de serrage (6) et un joint annulaire (10) en matériau isolant, la cosse (3) comportant un trou (3a) permettant le passage de la tige (2) et le dispositif comportant un canon isolant (5) qui présente une partie tubulaire (5a) se positionnant dans le trou (3a) et une collerette (5b) qui est maintenue appliquée contre la cosse (3) par le moyen de serrage (6) solidaire de la tige (2). Le canon assure ainsi l'isolation électrique de la cosse (3) et de la tige (2) et le trou de la cosse (3) comporte par ailleurs un évasement (3b) recevant le joint annulaire (10) qui s'interpose entre la tige (2) et la cosse (3).

Description

[0001] Le domaine technique de l'invention est celui des dispositifs de connexion électrique pour un circuit imprimé et en particulier pour un circuit de type substrat métallique isolé.
Les substrats métalliques isolés (ou SMI) sont de plus en plus utilisés aujourd'hui, en particulier pour les circuits électroniques de puissance et pour les circuits utilisés dans les éclairages à base de diodes émettrices de lumière (LED).
Les substrats métalliques isolés comprennent une plaque métallique (ou semelle), le plus souvent en aluminium, sur laquelle est déposée une couche isolante qui porte un circuit imprimé.
La plaque métallique permet d'évacuer les calories engendrées par le circuit imprimé.
Il est nécessaire de réaliser des connexions électriques fiables sur le substrat métallique isolé, c'est-à-dire sur le circuit imprimé porté par le substrat métallique isolé.
Ces connexions électriques doivent tout à la fois être peu coûteuses à réaliser et à assembler, et également assurer un contact électrique de faible impédance (quelques dizaines de micro ohms), contact qui doit rester constant dans le temps. Le courant passant par la connexion peut par ailleurs atteindre des valeurs importantes (quelques centaines d'ampères, voire jusqu'à 1000 ampères).
Il est connu du brevet US6830459 un dispositif de connexion comprenant une tige, telle qu'un goujon fileté, sur laquelle se positionne un écrou conducteur qui vient pincer une douille conductrice entre une piste conductrice du substrat métallique isolé et une piste conductrice d'un autre circuit imprimé.
Cette connexion est spécifique à la réalisation d'une liaison entre deux circuits imprimés fixés à distance l'un de l'autre. Elle ne permet pas de réaliser une liaison électrique avec une cosse de contact reliant le substrat métallique isolé à l'extérieur. En particulier, si aucun contact électrique ne doit se faire simultanément entre la cosse et les deux circuits, le niveau d'isolation électrique entre la cosse et les circuits isolés devient insuffisant.
La connexion décrite par le brevet US6830459 ne permet pas par ailleurs de garantir une faible résistance de contact dans le temps et sur une plage de température étendue.
C'est le but de l'invention que de proposer un dispositif de connexion permettant de relier facilement à un conducteur de puissance un circuit d'un substrat métallique isolé, tout en assurant un niveau d'isolation important entre la cosse et la tige qui permet la fixation mécanique de la cosse sur le circuit.
Ainsi l'invention a pour objet un dispositif de connexion électrique pour substrat métallique isolé, dispositif comprenant un substrat, une cosse de contact, et au moins une tige fixée à une plaque métallique du substrat et sur laquelle vient se fixer la cosse de contact qui est en contact électrique avec une piste conductrice portée par le substrat, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de serrage et un joint annulaire en matériau isolant, la cosse comportant un trou permettant le passage de la tige et le dispositif comportant un canon isolant qui présente une partie tubulaire se positionnant dans le trou et une collerette qui est maintenue appliquée contre la cosse par le moyen de serrage solidaire de la tige, le canon assurant ainsi l'isolation électrique de la cosse et de la tige, le trou de la cosse comportant un évasement recevant le joint annulaire qui s'interpose entre la tige et la cosse.
Selon un mode particulier de réalisation, le joint annulaire pourra être un joint torique.
L'évasement de la cosse pourra avoir un profil conique.
Selon un mode particulier de réalisation, la tige pourra être un goujon fileté ayant une tête sertie dans la masse métallique du substrat.
Avantageusement, le moyen de serrage pourra comprendre au moins une rondelle frein élastique.
Avantageusement la rondelle frein élastique ne sera pas serrée à son écrasement maximal pour permettre de compenser les dilatations thermiques.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation, description faite en référence aux dessins annexés et dans lesquels :

• La figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'un substrat métallique isolé comportant un dispositif de connexion selon l'invention;
• La figure 2 est une vue partielle, en perspective et en coupe de ce substrat métallique isolé portant le dispositif de connexion selon l'invention.

[0002] En se reportant aux figures, un substrat métallique isolé 1 (ou SMI) est constitué de façon classique par une plaque métallique la sur laquelle est déposée une couche isolante 1b qui porte elle-même une couche conductrice 1c (en cuivre par exemple) qui est formée de pistes conductrices.

[0003] La couche isolante 1b et la couche ou les pistes conductrices 1c forment un circuit imprimé qui est solidaire de la plaque métallique la. Cette dernière permet l'évacuation des calories générées par le circuit imprimé. La couche isolante 1b sera réalisée en un matériau favorisant le transfert thermique.
La plaque métallique la peut être réalisée en aluminium ou en cuivre.
Comme on le voit sur les figures, le substrat métallique isolé comprend au moins une tige 2 qui est fixée à la plaque métallique la du substrat métallique isolé 1.
Il y a ici trois tiges 2 parallèles (visibles à la figure 2) qui sont des goujons filetés. Chaque goujon 2 comporte une tête 2a qui est sertie dans la plaque métallique la. Le nombre de tiges sera choisi en fonction de la densité de courant circulant dans ces dernières. Le diamètre des tiges dépendra également de la tenue mécanique souhaitée pour la connexion.
Sur la ou les tiges 2 vient se fixer au moins une cosse de contact 3 qui est destinée à amener un courant d'alimentation au circuit porté par le substrat métallique isolé 1.
La cosse 3 est en contact électrique avec la piste conductrice 1c portée par le substrat 1. Comme on le voit sur la figure 1, la piste conductrice 1c n'est pas en contact avec la tige 2 car une zone d'épargne isolante 4 annulaire a été aménagée à ce niveau. Cette zone aura une largeur suffisante pour éviter tout claquage diélectrique entre la cosse 3 et la tige 2. Une largeur de l'ordre de 1 à 2 mm est généralement suffisante pour des tensions d'alimentation de l'ordre de 500 volts.
Par ailleurs le dispositif de connexion comporte un canon isolant 5, présentant une partie tubulaire 5a qui se positionne dans un trou 3a de la cosse 3, et une collerette 5b qui est maintenue appliquée contre la cosse 3 par un moyen de serrage 6, solidaire de la tige 2.
Le moyen de serrage 6 comprend ici un écrou 7, qui se visse sur la tige 2, et qui pousse un jeu de rondelles 8a, 8b et 8c contre le canon isolant 5. La rondelle inférieure 8c est en appui sur la collerette 5b du canon isolant 5. Un circuit imprimé 9 est interposé entre la rondelle médiane 8b et la rondelle inférieure 8c. Ainsi la tige 2 du dispositif de connexion assure également un maintien mécanique de ce circuit 9 à distance du substrat métallique isolé 1 et parallèlement à ce dernier.
La rondelle supérieure Sa est une rondelle frein élastique qui empêche le desserrage de l'écrou 7 et compense les dilatations thermiques. La rondelle frein élastique n'est écrasée qu'à 50% environ de son écrasement maximal pour que les dilatations thermiques puissent être compensées.
Le canon 5 assure l'isolation électrique de la cosse 3 et de la tige 2. En effet la partie tubulaire 5a du canon s'interpose radialement entre la cosse 3 et la tige 2 et la collerette 5b s'interpose entre la rondelle 8c et la cosse 3.
Les épaisseurs du canon 5, tant au niveau de la partie tubulaire 5a que de la collerette 5b, sont choisies de façon à assurer une bonne isolation.
Comme on le voit sur les figures, le trou 3a de la cosse 3 comporte un évasement 3b qui reçoit un joint annulaire 10. L'évasement 3b est ici conique et le joint annulaire 10 est un joint torique. Ce joint 10 est réalisé en un matériau isolant par exemple de type silicone.
Le joint 10 s'interpose donc entre la tige 2 et la cosse 3, en dessous de la partie tubulaire 5a du canon isolant 5.

[0004] Le joint complète l'isolement électrique entre la tige 2 et la cosse 3. En effet, il permet de combler en partie la cavité séparant la tige 2 et la cosse 3, ce qui réduit les risques de décharge électrique dans l'air.
On a pu mesurer que la tension d'isolement se trouvait fortement augmentée grâce à la seule présence du joint 10. On passe ainsi, avec la configuration représentée sur les figures, d'une tension d'isolement de 500 volts sans joint à une tension d'isolement supérieure à 1500 volts continus avec le joint.
La résistance de contact entre la cosse 3 et la piste conductrice 1c reste réduite de l'ordre de 20 micro ohms pour toute la gamme de températures (de -50°C à +100°C). Cette résistance de contact est assurée sur toute la plage de températures grâce à la présence de la rondelle élastique 8a qui permet de compenser les dilatations.
Ainsi le dispositif selon l'invention permet de réaliser facilement une connexion à faible résistance de contact, grâce au serrage positif assuré par l'écrou 7 et les rondelles 8a,8b,8c.
Le serrage se combine à l'isolation électrique, grâce au canon 5 d'une part, et au joint torique 10 d'autre part.
Il est nécessaire de laisser un jeu axial entre le canon 5 et le substrat métallique isolé 1 pour permettre le serrage, donc le bon contact électrique. Ce jeu serait source de risque de claquage diélectrique. La présence du joint torique 10 permet de faire disparaître ce risque. Par ailleurs la déformabilité du joint 10 permet sa compression par le canon 5 lors du serrage, ce qui augmente l'isolation en réduisant la présence d'air entre la cosse 3 et la tige 2.

[0005] On a décrit un mode de réalisation dans lequel le joint était torique (section circulaire) et logé dans un évasement à profil conique.
Il serait possible de mettre en oeuvre un joint annulaire à section différente (carrée ou prismatique) qui se logerait dans un évasement de forme différente, par exemple un lamage cylindrique.
Dans tous les cas, le joint permettra de réduire la présence d'air dans l'évasement, donc améliorera l'isolation. La compression du joint par le canon pourra également intervenir et déformer le joint.
On a également décrit une ou plusieurs tiges 2 réalisées sous la forme de goujons filetés sertis dans le substrat métallique isolé 1.
Les tiges pourraient alternativement être des tiges filetées fixées par un écrou de chaque côté du substrat métallique isolé. On pourra aussi utiliser des tiges lisses, mais portant à leur extrémité un dispositif de serrage, par exemple une grenouillère.

Revendications

1. Dispositif de connexion électrique pour substrat métallique isolé, dispositif comprenant un substrat, une cosse de contact, et au moins une tige fixée à une plaque métallique du substrat et sur laquelle vient se fixer la cosse de contact qui est en contact électrique avec une piste conductrice portée par le substrat, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de serrage et un joint annulaire en matériau isolant, la cosse comportant un trou permettant le passage de la tige et le dispositif comportant un canon isolant qui présente une partie tubulaire se positionnant dans le trou et une collerette qui est maintenue appliquée contre la cosse par le moyen de serrage solidaire de la tige, le canon assurant ainsi l'isolation électrique de la cosse et de la tige, le trou de la cosse comportant un évasement recevant le joint annulaire qui s'interpose entre la tige et la cosse.

2. Dispositif de connexion électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint annulaire est un joint torique.

3. Dispositif de connexion électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'évasement de la cosse a un profil conique.

4. Dispositif de connexion électrique selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tige est un goujon fileté ayant une tête sertie dans la masse métallique du substrat.

5. Dispositif de connexion électrique selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de serrage comprend au moins une rondelle frein élastique.

6. Dispositif de connexion électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la rondelle frein élastique n'est pas serrée à son écrasement maximal.

Dessins