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CA 02870866 2014-11-12
Circuit électronique à plat et circuit électronique tridimensionnel
correspondant
L'invention concerne, de manière générale, la réalisation de
circuits électroniques à partir de cartes électroniques et, plus
particulièrement, la réalisation de circuits
électroniques
tridimensionnels en vue notamment de leur intégration dans un écran
tactile.
Dans le cadre de la présente description, on entend par circuit
électronique tridimensionnel un circuit comprenant des portions
s'étendant dans un plan différent du plan général du circuit de manière
à orienter localement les composants portés par le circuit.
Il peut s'agir, dans un mode de mise en uvre, de mettre en
regard des portions du circuit de manière à mettre en regard des
composants qui fonctionnent conjointement, par exemple des diodes
électroluminescentes et des récepteurs correspondants.
Une carte électronique, ou PCB, de l'anglais Printed Circuit
Board , est un support, en général une plaque, permettant de
maintenir et de relier électriquement un ensemble de composants
électroniques, dans le but de réaliser un circuit électronique complexe.
Les cartes électroniques peuvent être réalisées sur plusieurs
types de supports, parmi lesquels on trouve :
- les supports rigides, par exemple, les supports époxy , et
- les supports flexibles, permettant la réalisation de circuits
imprimés flexibles.
Dans tous les cas, ces supports sont généralement réalisés en
un matériau multicouche et permettent la soudure de composants et de
connecteurs.
Le document US 2013/258 575 décrit à cet égard un appareil
électronique comprenant un circuit électronique réalisé en joignant
deux cartes électroniques planes au moyen d'un circuit connecteur
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flexible. Le circuit flexible est destiné à être cintré pour donner au
circuit électronique une forme tridimensionnelle.
On pourra également se référer au document US 5 529 502 qui
décrit un élément d'assemblage et de connexion entre une carte
électronique rigide et un circuit imprimé flexible. Un tel élément
permet de réaliser des circuits électroniques tridimensionnels.
Ainsi, en assemblant bout à bout des cartes électroniques
rigides au moyen de circuits imprimés flexibles, il est possible de
réaliser un circuit électronique tridimensionnel comprenant des cartes
électroniques rigides présentant des faces en regard.
Il a toutefois été constaté que les méthodes de fabrication
actuelles de circuits tridimensionnels imposent un certain nombre de
contraintes.
En premier lieu, les cartes électroniques ne peuvent être
fabriquées qu'à plat.
En second lieu, le positionnement et la soudure des composants
électroniques et d'éléments d'assemblage sur une carte ne peuvent être
réalisés qu'à plat.
En conséquence, la fabrication des cartes électroniques
nécessite de placer les composants électroniques et les éléments
d'assemblage et de connexion à plat sur une ébauche de circuit.
Comme cela sera détaillé par la suite en référence aux figures
la et lb, une technique connue consiste ainsi à fabriquer une carte de
circuit PCB dotée de zones de pliage, telle que représentée sur la
figure la, et de raccorder un connecteur d'extrémité pour obtenir le
circuit tridimensionnel illustré à la figure lb. Comme on le conçoit,
l'utilisation d'un tel connecteur et son raccordement au circuit PCB
complique la réalisation du circuit.
Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de proposer
un circuit électronique entièrement réalisable à plat et pouvant être
mis en volume sans utiliser de connecteur pour assurer la fermeture du
circuit mis en volume.
L'invention a donc pour objet un circuit électronique plat
comprenant un ensemble de cartes électroniques destinées à supporter
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des composants et reliées entre elles par des éléments de raccordement,
dans lequel les éléments de raccordement comportent des circuits
imprimés flexibles recourbés reliant deux extrémités en regard de deux
cartes électroniques dudit ensemble de cartes électroniques s'étendant
côte à côte, le circuit électronique plat comprenenant deux branches
rectilignes parallèles reliées entre elles par leurs extrémités par deux
desdits circuits imprimés flexibles recourbés de façon à former un
circuit électronique plat fermé et chaque branche rectiligne parallèle
comprenant chacune des cartes électroniques dudit ensemble de cartes
électroniques reliées par un circuit imprimé flexible droit, lesdits
circuits imprimés flexibles recourbés étant pliables et lesdits circuits
imprimés flexibles droits étant courbables pour la mise-en-volume du
circuit électronique plat en un circuit électronique tridimensionnel
comprenant les cartes électroniques placées en regard.
Selon encore une autre caractéristique, lesdits circuits imprimés
flexibles recourbés sont pliables selon des lignes de pliage s'étendant à
45 par rapport aux branches rectilignes.
Dans un mode de réalisation, les circuits imprimés flexibles
recourbés comprennent une première partie raccordée à l'une des deux
cartes électroniques liées au circuit flexible, une deuxième partie
raccordée à l'autre carte électronique et une partie médiane située entre
la première partie et la deuxième partie et destinée à définir avec la
première partie une première ligne de pliage et avec la deuxième partie
une seconde ligne de pliage.
Grâce au découpage du circuit imprimé recourbé en trois zones
délimitées par des lignes de pliage, il est possible de réaliser
entièrement un circuit tridimensionnel, dans un premier temps à plat,
puis de le plier, sans effectuer de soudure supplémentaire ou ajouter un
élément d'assemblage et de connexion.
On peut prévoir que la première partie et la seconde partie de
chaque circuit imprimé flexible recourbé ont la même forme et les
mêmes dimensions, les lignes de pliage délimitant une zone
rectangulaire destinée à être raccordée par l'un de ses côtés à une carte
électronique, et une zone pentagonale comprenant un premier côté
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commun au grand côté de la partie rectangulaire, un deuxième côté
orthogonal au premier, un troisième côté, un quatrième côté raccordé à
la partie médiane et orthogonal au troisième, et un cinquième côté
parallèle au troisième.
Par exemple, la partie médiane est un hexagone comprenant un
premier côté commun au quatrième côté de la partie en forme de
pentagone de la première partie, un deuxième côté, un troisième côté
commun au quatrième côté de la partie en forme de pentagone de la
seconde partie, un quatrième côté, un cinquième côté parallèle au
deuxième côté et un sixième côté.
Par ailleurs des composants électroniques sont soudés sur l'une
des faces du circuit électronique.
L'invention a également pour objet un circuit électronique
tridimensionnel obtenu sur la base d'un circuit électronique plat
comprenant un ensemble de cartes électroniques destinées à supporter
des composants et reliées entre elles par des éléments de
raccordement, où les éléments de raccordement comportent des circuits
imprimés flexibles recourbés pliés reliant deux extrémités de deux
cartes électroniques dudit ensemble de cartes électroniques côte à côte,
de sorte que les cartes électroniques du circuit électronique soient
placées en regard, le circuit électronique plat comprenant deux
branches rectilignes parallèles reliées entre elles par leurs extrémités
par les deux circuits imprimés flexibles recourbés de façon à former un
circuit électronique plat fermé et chaque branche rectiligne parallèle
comprenant chacune des cartes électroniques dudit ensemble de cartes
électroniques reliées par un circuit imprimé flexible droit, et dans
lequel ledit circuit électronique tridimensionnel est formé en pliant les
circuits imprimés flexibles recourbés et en courbant les circuits
imprimés flexibles droits, de manière à ce que les cartes électroniques
du circuit électronique tridimensionnel soient disposés dans quatre
plans différents.
Dans un mode de mise en oeuvre, les composants supportés par
les cartes électroniques comportent des diodes électroluminescentes et
des capteurs infrarouges.
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4a
Un tel circuit peut être destiné à être intégré dans un cadre
rectangulaire destiné à être incorporé dans un écran tactile.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement
à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins
annexés sur lesquels :
- la figure la, dont il a déjà été fait mention, représente une
ébauche de circuit électronique selon l'état de la technique pour la
réalisation d'un circuit tridimensionnel,
- la figure lb représente un circuit électronique
tridimensionnel obtenu au moyen de l'ébauche de la figure la,
- la figure 2 représente un circuit électronique destiné à la
réalisation d'un circuit électronique à plat, selon l'invention,
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la figure 3 est une vue de détail du circuit de la figure 2,
les figures 4 et 5 représentent schématiquement des vues de
détail des circuits imprimés flexibles recourbés pliables du circuit de
la figure 2,
5 les figures 6a
et 6b sont des vues de face et de dessus des
éléments de raccordement, à l'état plié,
la figure 7 représente un élément de raccordement plié et
cintré, et
la figure 8 représente un circuit
électronique
tridimensionnel obtenu au moyen du circuit de la figure 2, mis en
volume.
On se réfèrera tout d'abord aux figures la et lb qui illustrent
respectivement une ébauche de circuit électronique et un circuit
électronique tridimensionnel selon l'état de la technique.
Comme indiqué précédemment, l'ébauche de circuit
électronique visible sur la figure la est réalisée à partir d'une carte de
circuit PC13 dotée de zones de pliage sur laquelle sont montés à plat un
ensemble de composant électroniques.
La carte de circuit PCI3 est en réalité formée par l'assemblage
de quatre cartes électroniques rigides 2, 3, 4 et 5 liées entre elles par
trois zones flexibles 6, 7 et 8 réalisées à partir d'un circuit imprimé
flexible.
L'ébauche de circuit 1 est réalisée totalement à plat. Il est donc
possible de souder les composants électroniques, d'un côté comme de
l'autre des cartes électroniques.
Dans cet exemple, les cartes électroniques 2 et 4 mesurent une
même première longueur tandis que les cartes 3 et 5 mesurent une
même seconde longueur. Au moyen des zones flexibles, il est possible
de rabattre les cartes flexibles de sorte que le circuit électronique 1
adopte une forme de rectangle, comme on le voit dans la figure lb.
Dans cette position, une extrémité de la carte 2 se retrouve en
regard d'une extrémité de la carte 5, un connecteur 9 comprenant un
circuit imprimé flexible permettant de fermer le circuit pour obtenir le
circuit tridimensionnel de la figure lb.
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Comme indiqué précédemment, la réalisation d'un tel circuit
électronique tridimensionnel nécessite d'utiliser un connecteur pour
assurer le raccordement électrique et la fixation mécanique des
extrémités libres des deux cartes électroniques d'extrémités 2 et 5.
On a représenté sur la figure 2 un circuit électronique à plat
conforme à l'invention permettant de pallier cet inconvénient.
Comme on le voit, le circuit électronique à plat, désigné par la
référence numérique générale 11, comprend une première carte
électronique 12, une seconde carte 13, une troisième carte 14 et une
quatrième carte 15. Les cartes 13 et 15 mesurent une même première
longueur, tandis que les cartes 12 et 14 mesurent une même seconde
longueur. Comme cela sera décrit en détail par la suite, de telles
dimensions sont destinées à obtenir un circuit électronique
tridimensionnel généralement rectangulaire. Bien entendu, on ne sort
pas du cadre de l'invention lorsque les cartes électroniques ont toutes
la même longueur afin d'obtenir un circuit électronique
tridimensionnel de forme carrée.
Dans cet exemple, la largeur des quatre cartes électroniques est
constante et égale à 7.5mm. Cette largeur correspond à l'épaisseur du
circuit mis en volume.
Les première et seconde cartes électroniques 12 et 13 sont
raccordées par un premier circuit imprimé flexible droit 16. De même,
les troisième et quatrième cartes 14 et 15 sont reliées par un deuxième
circuit imprimé flexible droit 17. Les deux circuits flexibles droits
sont de même longueur. Ces circuits flexibles 16 et 17 peuvent être
courbés selon une courbure continue autour d'un axe de courbure
s'étendant dans le plan de la figure 2, c'est-à-dire dans le plan du
circuit à plat. Le circuit comprend donc une première branche linéaire
18, comprenant les première et deuxième cartes 12, 13 et le circuit
flexible droit 16, et une seconde branche linéaire 19 comprenant les
cartes 14 et 15 et le circuit flexible droit 17. Les parties linéaires 18 et
19 sont de même longueur.
Le circuit 11 comprend également deux circuits imprimés
flexibles recourbés 20 et 21 assurant le raccordement entre elles des
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branches linéaires 18 et 19. Ces circuits, à la différence des circuits
flexibles droits, sont destinés à être pliés autour de lignes de pliage.
Un premier circuit flexible recourbé 20 est disposé de sorte que ses
extrémités soient liées respectivement aux première et quatrième
cartes 12 et 15. Un second circuit flexible recourbé 21 est disposé de
sorte que ses extrémités soient liées respectivement aux deuxième et
troisième cartes 13 et 14.
Les circuits flexibles recourbés ont en vue de dessus une forme
en U et comprennent deux pattes d'extrémité dirigées dans la même
direction, ce qui permet d'effectuer toutes les soudures nécessaires à
leur raccordement aux cartes même lorsque le circuit est à plat, de
sorte que les branches linéaires 18 et 19 s'étendent parallèlement.
Les circuits flexibles recourbés comprennent deux lignes de
pliage Li et L2 obliques (figure 3). Ces lignes de pliage forment entre
elles un angle de 90 et s'étendent chacune selon un angle de 45 par
rapport à l'axe des branches linéaires. Bien entendu, de telles lignes
de pliage peuvent être fictives et être uniquement formées lors du
pliage des zones flexibles pliables.
On notera toutefois que le pliage s'effectue en déplaçant les
branches 18 et 19 autour des lignes de pliage LI et L2 selon des sens
de rotation différents. En d'autres termes, alors que lors du pliage
l'une des branches rectilignes vient s'appliquer contre l'une des faces
des circuits flexibles recourbés, l'autre branche vient s'appliquer
contre la face opposée de ces circuits flexibles recourbés. Comme cela
sera décrit en détail par la suite, après pliage, les circuits flexibles
recourbés sont en outre destinés à être cintrés pour former le circuit
électronique tridimensionnel.
Dans cet exemple, une fois le circuit mis en volume, la
longueur de tous les circuits flexibles est de lOmm, qu'il s'agisse des
circuits flexibles droits ou des circuits flexibles recourbés pliés.
Comme le montre la figure 3, chaque circuit imprimé flexible
recourbé 20 et 21 comporte une première partie 23 raccordée à la carte
d'extrémité de l'une des branches, une deuxième partie 24 raccordée à
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la carte d'extrémité de l'autre branches, et une partie médiane 25
disposée entre les première et deuxième portions de raccordement.
Les première et deuxième parties 23 et 24 s'étendent donc dans
le prolongement de la carte d'extrémité à laquelle elles sont
raccordées. Elles comportent une zone rectangulaire 26 prolongée par
une zone pentagonale 27.
On notera que la forme visible sur les figures 3, 4 et 5 est la
forme de base du circuit flexible recourbé. En particulier, celui-ci peut
comporter des congés au niveau des angles sur sa partie intérieure ou
des arrondis au niveau des angles sur sa partie extérieure.
Par ailleurs, les dimensions évoquées dans l'examen des
figures 3, 4 et 5 sont données à titre d'exemple non limitatif. Ces
dimensions sont compatibles avec une largeur des cartes électroniques
de 7.5mm et une longueur de circuit flexible reliant deux cartes
électroniques de lOmm. I3ien entendu, en multipliant toutes les
dimensions par un même coefficient de proportionnalité, on peut
conserver cette complémentarité pour des dimensions différentes.
Comme visible sur la figure 4, qui montre la deuxième partie
24, la zone rectangulaire 26 désignée par le rectangle ABCD est liée
par un premier grand côté AH à la carte électronique 15. Cette liaison
peut être mise en oeuvre par soudure. Dans cet exemple, le petit côté
BC mesure par exemple 5,80inm et le grand côté AB mesure 6,50mm.
La zone pentagonale 27, désignée par le pentagone CDEFG,
comprend un premier côté CD commun avec le grand côté de la zone
rectangulaire 26, un deuxième côté DE orthogonal au premier côté, un
troisième côté EF, un quatrième côté FG raccordé à la partie médiane
et orthogonal au troisième côté EF, et un cinquième côté GC parallèle
au troisième côté FF. Dans cet exemple, la distance entre la droite
(DE) et le sommet F égale 3,45mm. La distance entre la droite (DE) et
le sommet G égale 7mm. La longueur du premier côté CD reste égale à
la longueur du grand côté de la partie rectangulaire 26. La longueur du
quatrième côté FG égale 4,97mm.
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On notera que la figure admet un axe de symétrie, de sorte que
la première partie 23 a exactement la même forme et les mêmes
dimensions que la deuxième partie 24, à une symétrie axiale près.
Comme visible sur la figure 5, la zone médiane 25 joint les
première et deuxième parties 23 et 24 des circuits flexibles. Vue de
dessus, elle a la forme d'un hexagone HIJKLM. Le côté HI est
raccordé à la deuxième partie 24. Plus précisément, les points H et I
sont respectivement confondus avec les points F de la
deuxième
partie 24. Le côté JK est raccordé de la même façon à la première
ID partie 23. Les
côtés HI et JK sont en conséquence de même longueur
que le côté auquel ils sont reliés, à savoir 4,97mm. Le côté LM est
parallèle au côté LI. La longueur du côté LM égale 2,66mm. La
distance entre les côtés parallèles IJ et LM est de 7mm. La distance
IIK est enfin de 9,65mm.
Bien entendu, les dimensions indiquées dans le cadre de la
présente description sont purement indicatives et l'on ne sort pas du
cadre de l'invention lorsque les circuits flexibles adoptent d'autres
dimensions.
Les côtes III et JK constituent les lignes de pliage du circuit
flexible recourbé 20. A l'état plié, les première et deuxième parties 23
et 24 sont tournés à 180', autour des lignes de pliage HI et JK, chacun
dans un sens de rotation différent. Après pliage, les parties 23 et 24
s'étendent selon le même axe, dans des directions opposées, comme on
le voit sur la figure 6a.
Les figures 6a et 6b représentent respectivement des vues de
face et de dessus des cartes électroniques 12 et 15 reliées par le circuit
flexible recourbé 20. On a par ailleurs appliqué les efforts nécessaires
pour avoir un circuit à l'état plié, mais non cintré. Les cartes 12 et 15
s'étendent par conséquent selon le même axe et dans des directions
opposées. On voit sur les figures 6a et 6b les deux parties 23 et 24 du
circuit 20. La partie médiane 25 est visible uniquement sur la figure
6b.
Comme indiqué précédemment, la partie médiane 25 du circuit
flexible recourbé 20 est dotée d'une pointe d'extrémité tronquée.
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Ainsi, après pliage, aucune portion du circuit flexible recourbé 20 ne
s'étend en saillie. On voit en particulier sur la figure 6a que le côté
d'extrémité du circuit flexible recourbé 20 affleure en réalité l'un des
côtés du circuit flexible recourbé plié.
5 Une fois le
circuit 20 plié, on peut le cintrer de manière à
rendre perpendiculaires les plans des cartes électroniques 12 et 15.
Une vue de dessus d'une telle disposition est visible sur la figure 7.
La figure 8 représente une vue en perspective du circuit
électronique tridimensionnel obtenu à partir du circuit à plat 11 de la
10 figure 2,
comprenant les deux branches 18 et 19 constituées des cartes
électroniques 12, 13, 14 et 15 et des circuits électroniques flexibles
droits 16 et 17, et liées entre elles par les deux circuits électroniques
flexibles recourbés 20 et 21. La figure 8 représente le circuit à l'état
plié et cintré, de sorte que les cartes électroniques sont orientées selon
quatre plans différents. Les cartes électroniques sont par ailleurs en
regard les unes par rapport aux autres.
Au vu de ce qui précède. la réalisation d'un circuit
électronique tridimensionnel selon l'invention peut être mise en oeuvre
de la façon suivante :
On réalise tout d'abord les cartes électroniques et l'on
assemble les cartes électroniques et les circuits flexibles. On monte
ensuite les composants électroniques sur des emplacements de
connexion prévus sur les cartes électroniques, puis on plie les circuits
flexibles recourbés selon les lignes de pliage et l'on cintre les circuits
75 flexibles.
On obtient alors le circuit tridimensionnel visible sur la figure
8.
Comme on le conçoit, grâce à l'utilisation des circuits flexibles
recourbés placés entre les cartes électroniques, il est possible de
réaliser un circuit électronique tridimensionnel en utilisant des
techniques de fabrication conventionnelles, dans lesquelles les
composants sont montés sur un circuit à plat et ce, sans devoir
déconnecter l'une des liaisons entre les cartes électroniques et les
circuits flexibles.
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On notera enfin que l'invention trouve une application
particulièrement intéressante pour la réalisation de circuits
électroniques tridimensionnels destinés à être incorporés dans une
tablette tactile de type infrarouges et, plus particulièrement, pour
rendre tactile un écran de visualisation.
Dans ce cas, en se référant aux figures 2 et 8, les cartes
électroniques 12, 13, 14 et 15 reçoivent un réseau de composants
électroniques 22 comprenant des diodes infrarouges et des détecteurs
correspondants.
ID Plus particulièrement, les cartes électroniques destinées à être
positionnées en regard, telles que les cartes référencées 13 et 15,
d'une part et 12 et 14, d'autre part, comportent l'une un réseau de
diodes infrarouges et l'autre un réseau de détecteurs correspondants.
Un tel circuit électronique
tridimensionnel peut
15 avantageusement être disposé dans un cadre qui vient se monter
autour
de l'écran.
