WO2025093594A1 - Electronic device that is highly reliable for a long time - Google Patents
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Definitions
- TITLE Highly reliable electronic device over a long period of time.
- the present invention relates to a highly reliable electronic device over a long period of time.
- the unmet need can be characterized by certain characteristics of the mission profile of such a device, i.e. by the sequential description, during the lifetime of the product, of the external constraints that it may undergo.
- These external constraints are globally represented by an external action, i.e. the product of a duration and an exchange energy between the device and its environment.
- the exchange energy is characterized by the evolution of its intensity over time and by its nature, which can be mechanical, thermal, electromagnetic, chemical or mixed (simultaneous combination of several constraints of different natures, for example mechanical and thermal at the same time).
- silicone or parylene coatings are traditionally used.
- the advantage of silicone coating is its low cost of purchase and removal (cold casting). Its disadvantage is its "lack of adhesion" to the printed circuit board or on electrically conductive components or elements.
- the silicone will become charged with solvent (water) and over the long term a film of solvent (water) will eventually form on the surface of the printed circuit board, which is called an electrical creepage line.
- the product's lifespan is greatly improved because the silicone has transformed electrical conduction in the volume into surface conduction. But over the long term, this does not sufficiently solve the problem.
- electrochemical phenomena still appear, the action of which reduces reliability over a long period.
- the main electrochemical phenomena causing defects are the corrosion of electrically conductive elements (tracks/electrodes), the appearance of short circuits by dendritic growth between electrically conductive elements (tracks/electrodes), the appearance of functionally unacceptable parasitic signals (leakage currents), etc.
- the present invention aims to increase the intrinsic reliability of electronic devices, including active implantable medical devices or biomedical diagnostic systems or electric current or magnetic field sensors, or other applications, over a long period.
- Another aim of the invention is to increase the safety of people and property over a long period, in particular by guaranteeing electrical and/or chemical insulation through the absence of release of toxic substances.
- the invention also aims to reduce the cost and mass of highly reliable electronic devices, which is important to promote the development of such solutions in all areas ranging from transport (automobile, aeronautics, rail, etc.) to medicine.
- At least one of the goals is achieved with an electronic device comprising at least one printed circuit board (or PCB), electronic components, electrically conductive elements and an electrically insulating housing made of polymer material.
- PCB printed circuit board
- all the electronic components and at least some of the electrically conductive elements are partially or totally buried in said at least one printed circuit, and the electrically insulating housing made of polymer material completely encapsulates and without electrical creepage lines said at least one printed circuit and all the electrically conductive elements which are not already partially or totally buried in said at least one printed circuit.
- first envelope of the printed circuit around the electronics With the electronic device according to the invention, two envelopes are put in place, a first envelope of the printed circuit around the electronics and a second envelope which is the electrically insulating housing made of polymer material.
- the first envelope is the fact of burying the electronics in the printed circuit board in such a way as to eliminate any electrical leakage line ("creepage” in English) and any clearance line ("clearance” in English).
- burying we mean the fact that the same material used as a support for the printed circuit board is also used as an insulation layer for the surface of the printed circuit board, leaving the components inside and in direct contact between the support and the insulation layer.
- the support for the printed circuit board is, for example, a fiberglass-reinforced epoxy type FR.4.
- two electrically conductive elements of a component (track or electrode) or between components cannot be connected by a direct electrically conductive line whether in air or along a surface.
- a clearance line nor an electrical creepage line.
- the first envelope makes the electronics robust against surface defects but does not necessarily provide the function of mechanical protection or high-voltage double electrical insulation (or even simple insulation when one wishes to access a potential of one of the electronic components or one of the electrically conductive elements using metallized vias), nor of a biocompatible barrier in the case of medical devices.
- the invention provides a second envelope making it possible to provide electrical insulation and/or a biocompatible barrier and/or mechanical protection and/or a chemical barrier making the assembly compatible with a harsh environment. But advantageously according to the invention, instead of using a titanium envelope, an electrically insulating housing made of polymer material is used.
- Titanium has the advantage of being perfectly hermetic but the disadvantage of being electrically conductive (blocking of electromagnetic signals transmitted between the inside and the outside).
- Many electrically insulating polymer materials are known. They have the advantage of allowing the passage of electromagnetic signals but the disadvantage of being less hermetic than titanium. But this disadvantage is largely offset by the fact that the printed circuit board has become a volumetric object capable of protecting buried components from any substances that might pass through the polymer insulating material.
- the electronic device according to the invention allows for a sealed but non-hermetic case according to current standards. The migration of a gaseous substance by a diffusion process according to Fick's law is accepted. Thus, current helium tests become obsolete for this type of "non-hermetic" sealed case.
- Another advantage of replacing the titanium case with an electrically insulating case is also to allow for a more isotropic radiation pattern of the antennas contained in the electronic device since the case does not act as an electromagnetic "screen".
- a threshold of 1.5V corresponding in particular to the electrochemical potential of gold, can be set as a decision criterion for an acceptable DC component level.
- all electronic components and at least some of the electrically conductive elements may be buried in the printed circuit board, regardless of their constituent material.
- electrically conductive elements whose potentials must be accessible outside the electronic device are not completely buried.
- the printed circuit may be a rigid-flexible printed circuit comprising a rigid part and a flexible part.
- the partially or totally buried electrically conductive element may be arranged inside the rigid part or inside the flexible part or between the two parts.
- totally encapsulate it is meant that all the electrically conductive elements, said at least one printed circuit and the electronic components are located inside the housing without any electrical creepage distance.
- one (or more) electrical connections can be provided to electrically connect to the outside via a sealed feedthrough.
- the electronic device according to the invention may comprise at least one sealed feedthrough through a wall of the electrically insulating housing, this sealed feedthrough comprising:
- At least one electrically conductive connection having at least one part buried in the flexible part of the rigid-flexible printed circuit, this flexible part being covered with at least one electrically insulating protective finishing layer made of polymer material,
- this extension serving as an electrically insulating flange and without electrical creepage line at the interface between this flange and the electrically conductive connection.
- a part of the flexible PCB is used as a constituent element of the sealed feedthrough.
- the flexible PCB allows for a sealed feedthrough as the insulating protective layer can serve as a flange that can be assembled to the insulating polymer case, for example by laser welding.
- This assembly can be done for example by a technique called clustering, which consists of simultaneously heating a part of the electrically insulating case and a part of the flexible PCB in order to weld them.
- the heating will be carried out by a laser, which requires that the two parts to be welded (the electrically insulating case and the flexible flange of the flexible PCB) are capable of absorbing the energy of said laser.
- the sealed feedthrough with the housing while ensuring perfect continuity of material.
- the advantage of using identical polymer materials makes it possible to ensure good welding between the housing and the flange, for example by ultrasound, or friction, or electromagnetic heating, or even in a preferred solution by laser welding.
- the electronic device may comprise at least one other printed circuit, the two printed circuits being electrically connected to the by means of an electrically conductive element buried inside a portion of the flexible part.
- a flexible printed circuit is used to extract a potential from the buried PCB, in particular by connecting it for example to a metallized via.
- the electrically conductive element is partially buried since the metallized via is buried, protected by the insulators of the flexible printed circuit but remains accessible for a connection outside the PCB.
- This allows access to the partially buried electrically conductive element to connect two separate PCBs located inside the electronic device.
- either the partially buried connection is kept, or preferably additional protection is added at the connection level, so that the assembly constitutes a new fully buried flexible-rigid PCB.
- the only case where we would want to keep a partially buried electrically conductive element is when the potential must be accessible outside the electrically insulating case. We will then use a sealed feedthrough to ensure the absence of electrical creepage.
- the electronic device may comprise at least one sealed feedthrough through a wall of the electrically insulating housing, this sealed feedthrough comprising:
- This first solution is used with "conventional" high-reliability sealed bushings whose insulator is either glass or ceramic.
- the second solution consists of using a material with a certain flexibility, capable of absorbing the mechanical action without prohibiting mechanical deformation.
- This second solution is frequently used for relatively short-term reliability applications. They are sealed but not hermetic.
- the problem is also the appearance of electrical creepage lines resulting from the mechanical action.
- we can use a thermoplastic material which can both absorb mechanical actions and guarantee deformation without the appearance of electrical leakage lines.
- the flange of the at least one watertight feedthrough is made of the same material as the housing to facilitate its assembly, for example by laser welding.
- the watertight feedthrough is part of the watertight housing.
- a sealed feedthrough can be connected to an electrode, either directly or via an insulated cable.
- the sealed feedthroughs are produced separately.
- a sealed feedthrough may be composed of at least one electrically conductive connection and an insulating polymer flange.
- the production of the sealed feedthrough may be carried out using a method that guarantees the absence of electrical creepage with a very high reliability rate. In a preferred embodiment, this production is carried out by overmolding or thermoforming around the conductor with the insulating material. The overmolding conditions are defined such that long-term reliability is guaranteed for a given mission profile (temperature, pressure, mechanical stresses, etc.).
- the material used for the flange is the same material as that used for the housing.
- the connection Electrically conductive can be flexible, either made of an extremely thin track, or made of a multi-stranded conductor.
- the flange here is both the object ensuring sealing, electrical insulation and material continuity.
- An additional function of absorbing external mechanical action is provided by the sealed feedthrough.
- the ceramic part has been eliminated, which reduces manufacturing costs and improves the long-term robustness of the device.
- At least one second conductive element may be provided in the same sealed feedthrough or in another sealed feedthrough.
- the two conductors may constitute a dipole capable of supporting a DC electrical voltage and conducting a DC electrical current.
- At least one of the electrically conductive elements is contained in a multi-strand conductor covered with at least one electrically insulating protective sheath made of polymer material.
- This solution can be used either at the sealed feedthrough, in which case the protective sheath is also the flange and a part of the electrically insulating housing, or extend a sealed feedthrough to the outside of the electronic device. It will then be ensured that the electrically insulating protective sheath made of polymer material of the cable is assembled with the electrically insulating flange made of polymer material of the sealed feedthrough without introducing an electrical creepage distance, according to a method which is described later.
- At least one of the electronic components of the device is a self-inductive coil intended to receive or emit information and/or energy by magnetic coupling with a device located outside the electrically insulating housing made of polymer material; the self-inductive coil being buried in said at least one printed circuit.
- the electrically insulating housing made of polymer material contains at least one hole passing through the electrically insulating housing made of polymer material from one side to the other; the hole being made in such a way that it does not introduce any electrical creepage line.
- This hole is made possible by the housing assembly techniques described below.
- the addition of a hole The ability to seal the device completely in a sealed enclosure is an attractive feature for many applications. This feature is more difficult to achieve with a titanium enclosure, so it is not found in currently available products. For example, an active implantable medical device can be easily fixed in a human body using sutures on the patient's tissue through these holes. This has a considerable advantage in holding the device in position.
- Such a hole can also be used in the electrically insulating enclosure to pass a high-voltage electrical conductor into the device, while ensuring its insulation. This allows, for example, the creation of a galvanically isolated current sensor. Such a hole can also be used to pass chemical or biological substances through the electronic device, for example, to perform in vivo or in vitro biomedical diagnostics.
- a hole is made without introducing any electrical creepage path between the inside and the outside of the case at the level of this hole. To do this, we ensure continuity of material or a weld without discontinuity of material. We can also carry out a bonding with chemical adhesion without creepage path.
- the electrical creepage path can be characterized by the possibility for an ionic (charged) substance to follow the line under the action of a continuous electric field. Avoiding any electrical creepage path amounts to ensuring electrical insulation even in the presence of pollutants and/or solvents.
- said at least one printed circuit comprises at least two substantially identical self-inductive coils buried in said at least one printed circuit. They can also be buried respectively in two rigid printed circuits, connected to each other by flexible PCBs as described above.
- the interest of these two substantially identical self-inductive coils is understood in the production of certain energy transfer systems or magnetic sensors.
- substantially identical we mean a difference in inductance between these at least two self-inductive coils of less than 5%, 2% or even 1%.
- Electrical current measurements can be made by passing the object to be measured through the hole or by placing it near one of the two coils. In this way, an alternating or transient component of an electrical current can be measured using conventional Rogowski-type technology (air transformer). However, it is also possible to measure the direct current (DC) component of said electrical current.
- DC direct current
- said at least one printed circuit comprises a superparamagnetic composite material; the superparamagnetic composite material being completely buried in said at least one printed circuit.
- This type of material is particularly useful for producing DC magnetic field sensors or DC electric current sensors, according to the technology called Néel Effect® and described in US-20180080961-A1 or US-20200011900-A1.
- the invention makes it possible to produce this type of sensor with great advantages in terms of compactness and high reliability.
- At least one of the electronic components is a planar self-inductive coil completely buried in the printed circuit and produced by an arrangement of the tracks of the printed circuit.
- the advantage of producing planar self-inductive coils in PCB is well known to those skilled in the art: this allows for excellent reproducibility and repeatability as well as extreme compactness. Such advantages are particularly useful for controlling, for example, resonance frequencies specific to multiple applications when the self-inductive coil is coupled with a resonance capacitor, or for producing a pair of substantially identical self-inductive coils.
- said at least one printed circuit can itself be made of a material identical to the material of the electrically insulating housing.
- it is considered to reuse conventional PCB technologies (for example in epoxy matrix) and to add encapsulation in an epoxy housing.
- the present invention aims to use the best possible material to perform all the functions and this advantage can be achieved by preferentially using a PEK housing as described below.
- the insulating part of the printed circuit can then be made entirely or partly of PEK, which in fact makes it possible to have an electronic device in which the printed circuit and the electrically insulating housing are one.
- the solution according to the invention makes it possible to make any purely mechanical implantable device "intelligent" since it is now possible to integrate remote communication means and radiofrequency power supply means.
- Any implantable device is, for example, a knee, femur, vertebrae or any other type of prosthesis. There is no electrical contact between the buried electronics and the external environment of the housing.
- This solution also makes it possible to make a purely mechanical structure (for example, an airplane wing or a car bumper) "intelligent" by integrating remotely powered sensors and electronics directly into said structure.
- the polymer material may consist in whole or in part of a polymer from the family of polyetherketones (PEK), polyaryletherketones (PAEK) or polyetheretherketones (PEEK).
- PEK polyetherketones
- PAEK polyaryletherketones
- PEEK polyetheretherketones
- PEK polymer allows for all functions such as electrical insulation, mechanical retention and absorption of mechanical actions, sealing, shaping with or without holes and biocompatibility.
- a PEK polymer also has a proven level of reliability superior to other solutions in terms of high melting temperature, thermoplastic behavior, ductility, hardness, elasticity over a certain deformation range, etc.
- PEK allows for a minimum material thickness, which improves the level of integration, without degrading the other characteristics necessary for insulation.
- the polymer can be a polyetherketone, a polyaryletherketone (PAEK) or a polyetheretherketone (PEEK).
- an electrically insulating protective topcoat made of polymer as described above, it is also possible to ensure a perfect connection between the flexible printed circuit and the electrically insulating housing, for example by laser welding between the electrically insulating protective topcoat and the insulating housing. It is understood that it is then possible to use such a flexible printed circuit as a sealed feedthrough. Again, the process can be based either on the clustering technique or on the transparency welding technique depending on the mechanical configuration of the device.
- an electrically insulating polymer sheath as described above, it is possible to ensure a perfect connection between the electrically insulating protective sheath and the electrically insulating housing or the flange of a sealed feedthrough, for example by laser welding.
- the process can be based either on the cluster technique or on the transparency welding technique depending on the mechanical configuration of the device.
- the printed circuit itself is able to produce the electrically insulating housing made of polymer material.
- This technology is ultra-compact since there is only one single object, PCB and housing.
- the layer The finishing of such a case can be carried out by laser welding of polymer sheets from the polyetherketone (PEK) family, a polyaryletherketone (PAEK) or a polyetheretherketone (PEEK), using the so-called clustering technique.
- PEK polyetherketone
- PAEK polyaryletherketone
- PEEK polyetheretherketone
- the assemblies described above can be combined in a single device and made sequentially, for example starting with the rigid printed circuit, then the flexible one, then the sealed feedthrough, then the electrically insulating housing, then the cable sheath. This provides an extremely versatile technology capable of producing very diverse forms of electronic devices with high long-term reliability.
- the electrically insulating housing made of polymer material may comprise at least one part made of epoxy resin.
- epoxy resin can be used either to bond two parts of the electrically insulating housing made of polymer material, or to coat an electrically conductive element in order to constitute an electrochemical barrier. In this case, it is preferable not to place electrically conductive elements on the same surface, for example a PCB, which would generate electrical leakage lines.
- This solution has the advantage of its simplicity of implementation but is not the best because epoxy is a thermoset polymer material which is not capable of absorbing mechanical actions in the very long term.
- the polymer material may comprise silicone or ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE).
- UHMWPE ultra-high-molecular-weight polyethylene
- the latter has a lower melting temperature than PEK ( ⁇ 136°C) and may be lower than the maximum temperature acceptable for embedded electronics. Note that, on the other hand, UHMWPE is less reliable than PEK over the very long term.
- the mass loading rate of the absorbent substance may be less than or equal to 1%, or even less than 0.1%, or even less than 100 ppm.
- a polymer material from the polyetherketone (PEK) family, or more precisely polyaryletherketone (PAEK) with a low carbon content, is intended to:
- the absorbing substance is pure, amorphous carbon, in the form known as "carbon black.”
- Colored pigments may also be used, as is known to those skilled in the art.
- carbon black allows the absorption rate of a laser to be increased with a minimal mass loading rate, thereby reducing the exceptional intrinsic performance of PEK.
- the other laser welding technique involves using two substantially identical and absorbent parts and heating them simultaneously in their volume under the action of a laser.
- This technique called clustering, allows for excellent welding in the volume but close to the external surface of the assembled parts.
- all or part of the polymer material elements are assembled by laser welding.
- the device may be biocompatible for application as an active implantable medical device.
- an electrically insulating housing made of polymer material and the electrically conductive elements of any sealed feedthroughs are biocompatible.
- an application of this device is thus provided for transcutaneous energy transfer, the active implantable medical device being capable of capturing electromagnetic energy supplied by an extracorporeal source without any percutaneous connection.
- An application of the device according to the invention is also provided for contactless measurement of a mass of superparamagnetic material in the context of rapid in vivo or in vitro biomedical diagnosis.
- An application of the device according to the invention is also provided for measuring a DC magnetic field or DC electric current, in which a contactless measurement of at least the static component of a magnetic field is carried out.
- Figure 1 is a schematic sectional view of an electronic device comprising electronic components and electrically conductive elements completely buried in a printed circuit and an electrically insulating housing composed of two assembled parts, one natural which is transparent to the laser and the other charged which absorbs the energy of the laser according to the invention
- Figure 2 is a schematic perspective view of electrical creepage lines and clearance lines on a typical printed circuit board
- Figure 3 is a schematic sectional view illustrating an electrically conductive element and a sealed feedthrough both partially buried in the printed circuit according to the invention, the insulating flange of the sealed feedthrough being welded from the outside onto the electrically insulating housing without electrical leakage lines,
- Figure 4 is a schematic sectional view of a Flex PCB used as a sealed feedthrough according to the invention.
- Figure 5 is a schematic sectional view of a device provided with holes according to the invention.
- the printed circuit 2 is not only a substrate on which electronic components are installed, but a volume material in which electronic components 3 and electrically conductive elements 4 are buried.
- Printed circuit board 2 is for example based on FR4 type glass fiber reinforced epoxy, but it could be made of PAEK. This same material is used both as a mechanical support for the printed circuit board and also as an insulation layer for the surface of the printed circuit board, leaving the electronic components and conductive elements inside and in direct contact between the support and the insulation layer. Using the same material for the insulation and the support ensures during the lamination operation a bond between the layers free of surface defects, and therefore free of electrical leakage lines. Lamination is used for assembly in the volume. It can be completed on the surface by a laser welding clustering technique.
- FIG 1 there is also a housing 5 which completely encloses, without discontinuity of material, the printed circuit 2.
- a space 52 for example with air, may exist between the housing 5 and the printed circuit 2, in particular when the printed circuit is held by pads. This space may not exist totally or partially when the housing is for example obtained by overmolding.
- the housing 5 is made of a biocompatible insulating material such as polyetherketone (PEK) or more precisely a polyaryletherketone (PAEK) which is a thermoplastic polymer that a person skilled in the art knows how to machine, extrude or inject.
- PEK polyetherketone
- PAEK polyaryletherketone
- the assembly comprising the printed circuit, the electronic components and the electrically conductive elements can be covered by overmolding with PEK at a temperature above the glass transition temperature and for a duration allowing the integrity of the electronics of the printed circuit to be preserved.
- the function of the housing 5 is to provide a second insulation and/or a biocompatible or chemically resistant character that the printed circuit 2 does not necessarily possess, to serve as a barrier against any pollutant, to guarantee electrical insulation between the printed circuit and a user or equipment, and to allow any transmission of electromagnetic energy (radiofrequency communication and/or energy transfer) between the inside and the outside of the housing.
- the electrically insulating housing comprises at least two distinct parts 5A and 5B, the polymer materials of which are of substantially the same chemical composition, but one of which is charged with a substance enabling it to have a laser energy absorption rate at least 10 times greater than the other, or even 100 times greater than the other, or even 1000 times greater than the other part.
- the absorbent substance is carbon black which has a very high absorption power. It also has the advantage of being the simplest absorbent element already present in the composition of most polymers, particularly PAEK. Carbon-filled PAEKs are renowned for their biocompatibility. However, care must be taken not to overfill the composite at the risk of degrading these electrical, mechanical, or chemical properties. Carbon black allows this objective to be achieved with a minimal loading rate.
- FIG 2 is illustrated a conventional printed circuit which is a flat insulating substrate 6 on which electrically conductive elements 7 are mounted. Pollutants and/or condensed water vapor can settle on the surface of the flat insulating substrate 6 and create by their presence unwanted conduction lines between electrically conductive elements 7, called electrical creepage lines. To reduce this phenomenon, barriers 8 and spacings 9 can be made on a substrate to extend the length of the electrical creepage lines 10 and clearance lines 11. A clearance line represents the shortest distance path in the air between two conductors. An electrical creepage line represents the shortest distance path along a surface between two conductors.
- Barriers 8 and spacings 9 are not sufficient to prevent the long-term occurrence of defects in the presence of pollutants and/or solvents such as water and a polarization voltage.
- the solution of the present The invention is to bury all the components, active and passive, and electrically conductive elements inside the printed circuit. The same material is used all around the components and electrically conductive elements. Thus, electrical creepage lines and clearance lines are eliminated. For each pair of conductors in an electrical circuit, there is neither clearance line nor electrical creepage line.
- the addition of a simple conformal coating on the surface makes it possible to eliminate clearance lines but not electrical creepage lines due to poor long-term adhesion phenomena at the interface with the insulating flat substrate 6.
- Continuity of material is also required at the level of the housing 5 of Figure 1, but with a different material, for example PAEK, an electrical insulator, not very sensitive to chemical attacks and biocompatible. Then, the continuity of material of the housing 5 protects users from all electrical risks and/or particulate releases.
- a solvent for example water
- Fick diffusion a process called Fick diffusion.
- the material is waterproof but not airtight. However, the absence of electrical leakage lines ensures that the insulation performance of water-charged PEK is maintained and thus the absence of electrochemical phenomena.
- the sealed feedthrough 12 of Figure 3 is made during the manufacture of the printed circuit 2 (it could also be assembled a posteriori on a flexible part of the printed circuit). In this process, the sealed feedthrough becomes a component that is partially buried in the printed circuit 2 since its electrically conductive element remains accessible to the outside. In this case, the sealed feedthrough 12 generally has a shape allowing it to be soldered at the electrical potential to which access is desired, for example by the CMS (surface mounted component) soldering process.
- the electrically conductive connection 13 extends from the track 4 to one end outside the housing 51 via the printed circuit 2 and the flange 14. All the electrically conductive elements remain completely inside, encapsulated in, the housing. Only the electrically conductive connection passes through the housing.
- the flange 14 is partially contained in the printed circuit 2 and does not need to contain both an insulating area and a fixing area since the PEK polymer material is used for both purposes. For example, through laser welding between the insulating flange and the sealed housing. The flange then becomes part of the insulating housing. It is understood that the choice of materials and manufacturing processes is one of the keys to the success of the operation in order to guarantee the elimination of electrical creepage lines. This is why the choice of material 14 among PEK and more particularly PAEK is important and forms part of the invention.
- the housing 51 is made of two substantially identical materials but one (51B) being charged to absorb the laser energy and the other (51A) being transparent as in Figure 1. It can be assembled by laser welding by transparency by applying a laser beam from the outside to the inside, from right to left in Figure 3.
- the electrically conductive connection 13 is surrounded by the flange 14 whose material is identical to that of the housing 51B (charged).
- a PEK and more precisely a PAEK for example a PEK and more precisely a PAEK.
- the biocompatible sealed feedthrough 12 can be assembled to the housing 51A according to a method known to those skilled in the art so that the latter has continuity of material.
- the assembly is preferably carried out by laser welding between the flange 14 and the housing 51A using the transparency welding technique.
- the welding would be carried out by the technique of laser welding by transparency on the entire periphery of the flange of shape for example circular and at the interface with the housing 51A so that there cannot be an electrical creepage line.
- the laser can be applied from the right (outside) to the left (towards the inside of the housing) by targeting a lateral flank 14A of the flange 14, this flank being obtained by making a step of the flange in the thickness of the side wall of the housing.
- a part of the flange extends at least to the external end of the housing.
- this second conductor is placed in the same flange 14 as the first conductor 13, or a second sealed feedthrough is preferably placed near the sealed feedthrough 12 in order to facilitate assembly of the cable.
- a conductive element may be necessary to extract a conductive element from the PCB without necessarily removing it from the waterproof enclosure.
- a metallized via is used to bring out the potential on at least one of the two sides of the PCB. It is then interesting to be able to both "close" the metallized hole which risks being subject to electrochemical phenomena and to deport the electrically conductive element without introducing creepage lines.
- a flexible PCB is preferably used which is placed on at least one of the two sides of the PCB.
- the via located on the other side of the PCB will then be made blind thanks to the addition of a protective finishing layer over its entire surface. This layer can be assembled by conventional lamination or by laser clustering.
- a flexible PCB is generally covered with an electrically insulating protective finishing layer.
- This Flexible PCB can then be used to interconnect another PCB which is also inside the enclosure.
- At the location of the solder there is then an electrical creepage line.
- this solder can be overmolded with an insulator, for example a heat-cured epoxy resin.
- the solder can preferably be encapsulated inside a small PEK box which is welded onto the flexible PCB by laser clustering, for example.
- Figure 4 shows an exemplary embodiment in which the printed circuit or PCB is a rigid-flexible printed circuit. It consists of a rigid printed circuit 2A associated with a flexible printed circuit 2B. The electronic components and the electrically conductive elements can be arranged in the rigid printed circuit, in the flexible printed circuit or between the two.
- the flexible printed circuit 2B is covered on each side with an electrically insulating protective finishing layer 15.
- an electrically insulating protective finishing layer 15 Preferably, this is made of PEK or PAEK loaded to be able to absorb the energy of a laser.
- the sealed feedthrough is constituted by an electrically conductive connection 16 and an extension of the flexible printed circuit 2B, this extension being the part of the flexible printed circuit 2B (and its finishing layer) not directly attached to the rigid printed circuit 2A and passing through the housing 51.
- the housing 51 also comprises an extension 51C towards the outside which frames the extension of the flexible printed circuit 2B.
- the electrically insulating protective finishing layer 15 is made of the same material as the extension 51C placed on either side, for example a loaded PAEK, in order to be able to weld it onto the housing using the laser clustering technique. For this purpose, provision is made to load the areas 17 and 18 of the extension 51C which are directly in contact with the protective finishing layer 15 of the flexible printed circuit 2B with carbon black.
- a device according to the invention is provided containing holes in the housing.
- the housing is of the same nature as the housing 5, in two materials 22B, 22A, charged and uncharged, but with holes 19 and 20. These holes can allow fixing or the passage of an external element, of an electrical, mechanical, chemical or biological nature.
- At least two substantially identical self-inductive coils are embedded in the printed circuit 23, which may be a rigid printed circuit or a rigid-flexible printed circuit.
- the coils are used as magnetic sensors. They can then be used to measure an amount of superparamagnetic material for a biomedical diagnostic application by passing a sample whose amount of magnetic material is representative of the amount of an analyte to be measured through a hole.
- a hole passes through at least one of the two coils to place the sample therein.
- the differential measurement relies on the fact that the other coil does not contain superparamagnetic material, which improves the signal-to-noise ratio of the measurement.
- the device of Figure 5 may include all the features as described in the other figures.
- a hole is for example 1 mm in diameter and passes through the entire height of the housing.
- the holes 19 and 20 pass through the housing 22A, 22B and the printed circuit 23 (of the same nature as the printed circuit 2, or 2A-2B, but with through holes) without damaging the electronic components 24.
- Studs 25, 26 are part of the housing and are made inside the housing, between two facing walls. These studs are drilled in the middle so that a hole exists through the entire housing.
- the housing is then made by assembling two PAEK half-shells 22A, 22B. In order to ensure the absence of a creepage line, continuity of material is guaranteed by welding the two PAEK half-shells, for example with a laser using the transparency welding technique applied from the outside to the inside (on the top in the case of this figure 5). It is then preferable for the lower part of the housing to be made of loaded PAEK while the upper part is natural (unloaded). Thus the welding is carried out at the interface between the two parts of the housing.
- the present invention aims to eliminate this problem and thus develop electronic devices with high long-term reliability requiring the use of a through hole.
- Other applications that may benefit from the present invention include the ability to change the nature of a medical device casing to enable it to transmit energy and/or information (implantable pacemakers and defibrillators, mechanical cardiac assistance devices such as LVAD (Left Ventricle Assist Devices), total heart, implantable cardiac monitor (Implantable Loop Recorder), intramedullary limb lengthening system, implantable pumps, artificial kidney, cochlear implant, neurostimulator, implantable human-machine interface, etc.) but also the ability to make a purely mechanical prosthesis intelligent by adding medical device functionalities to it.
- LVAD Left Ventricle Assist Devices
- total heart total heart
- implantable cardiac monitor Implantable Loop Recorder
- intramedullary limb lengthening system implantable pumps, artificial kidney, cochlear implant, neurostimulator, implantable human-machine interface, etc.
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Abstract
Description
DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : Dispositif électronique hautement fiable sur une longue durée. TITLE: Highly reliable electronic device over a long period of time.
La présente invention concerne un dispositif électronique hautement fiable sur une longue durée. The present invention relates to a highly reliable electronic device over a long period of time.
Elle trouve des applications particulièrement intéressantes dans les domaines dits « à environnements sévères » comme l'aérospatial, l'automobile, le ferroviaire, les dispositifs médicaux (implantables ou non implantables) et tous autres domaines pour lesquels la garantie d'une fonction critique réalisée par un dispositif électronique doit être assurée sur une longue durée. It finds particularly interesting applications in so-called "harsh environment" fields such as aerospace, automotive, railways, medical devices (implantable or non-implantable) and all other fields for which the guarantee of a critical function performed by an electronic device must be ensured over a long period.
On peut caractériser le besoin non satisfait par certaines caractéristiques du profil de mission d'un tel dispositif, i.e. par la description séquentielle, pendant la durée de vie du produit, des contraintes externes qu'il peut subir. Ces contraintes externes sont globalement représentées par une action externe, i.e. le produit d'une durée et d'une énergie d'échange entre le dispositif et son environnement. L'énergie d'échange est caractérisée par l'évolution de son intensité au cours du temps et par sa nature, qui peut être mécanique, thermique, électromagnétique, chimique ou mixte (combinaison simultanée de plusieurs contraintes de natures différentes, par exemple mécanique et thermique à la fois). The unmet need can be characterized by certain characteristics of the mission profile of such a device, i.e. by the sequential description, during the lifetime of the product, of the external constraints that it may undergo. These external constraints are globally represented by an external action, i.e. the product of a duration and an exchange energy between the device and its environment. The exchange energy is characterized by the evolution of its intensity over time and by its nature, which can be mechanical, thermal, electromagnetic, chemical or mixed (simultaneous combination of several constraints of different natures, for example mechanical and thermal at the same time).
Le dispositif électronique est également caractérisé par des contraintes internes caractérisées également par une action qui dépend du design et de son utilisation (donc du profil de mission). L'action interne peut être modulée par les choix de design et les procédés de fabrication. The electronic device is also characterized by internal constraints also characterized by an action that depends on the design and its use (therefore on the mission profile). The internal action can be modulated by design choices and manufacturing processes.
C'est l'accumulation des actions internes et externes, éventuellement couplées, ainsi que les choix de design et les procédés de fabrication, qui impactent la fiabilité d'un dispositif électronique. It is the accumulation of internal and external actions, possibly coupled, as well as design choices and manufacturing processes, which impact the reliability of an electronic device.
Il est bien connu de l'homme de l'art que le choix et le dimensionnement des composants électroniques répondent à la même problématique intrinsèque et nous ne traiterons pas de cela dans la présente invention. Nous rappellerons simplement que les composants les plus fiables sont choisis en fonction des profils de mission évoqués ci-dessus, et que leurs durées de vie /fiabilités intrinsèques sont d'autant plus élevées que l'on augmente les marges entre certains seuils critiques technologiques et les intensités maximales des contraintes envisagées. Par ailleurs, les procédés de fabrication de ces composants sont également des clés de leurs fiabilités intrinsèques et de tels procédés nécessitent une qualification et une validation garantie par des essais. En électronique, la plupart des composants répondant à de telles exigences ont été en général développés pour des applications automobiles, mais ce ne sont pas les seuls. Cela provient du fait que les composants automobiles répondent à la fois à une exigence de fonctionnement à température maximale élevée (supérieure ou égale à 125°C) et à une exigence de qualification garantie de leurs fiabilités intrinsèques. It is well known to those skilled in the art that the choice and sizing of electronic components respond to the same intrinsic problem and we will not deal with this in the present invention. We will simply recall that the most reliable components are chosen according to the mission profiles mentioned above, and that their intrinsic lifetimes/reliabilities are all the higher as the margins between certain critical technological thresholds and the maximum intensities of the constraints envisaged are increased. Furthermore, the manufacturing processes of these components are also keys to their intrinsic reliability and such processes require qualification and validation guaranteed by tests. In electronics, most components meeting such requirements have generally been developed for automotive applications, but they are not the only ones. This comes from the fact that automotive components meet both a requirement for operation at a high maximum temperature (greater than or equal to 125°C) and a requirement for guaranteed qualification of their intrinsic reliability.
Dans le cadre de cette invention, nous nous intéressons particulièrement à un dispositif électronique dont les composants sont assemblés et interconnectés entre eux par et sur un circuit imprimé (ou PCB pour « printed circuit board » en anglais) et encapsulés dans un boitier. Le circuit imprimé permet à la fois de connecter entre eux les composants électroniques via un réseau d'éléments électriquement conducteurs et de les assembler mécaniquement et/ou thermiquement. Il existe différentes technologies et procédés de PCB en fonction des environnements et des applications visés. On peut citer par exemple (1) les PCB les plus courants, à base de conducteurs cuivre et de support isolant électrique et thermique en époxy renforcé par fibre de verre (FR.4) ou (2) les PCB d'électronique de puissance très haute tension à base de conducteurs cuivre et de support isolant électrique en alumine, par ailleurs relativement bon conducteur thermique ou (3) les PCB d'électronique de puissance basse tension, à base de cuivre isolé sur un substrat aluminium permettant une excellente conduction thermique ou (4) les PCB flexibles à base de cuivre isolés sur un substrat polyimide et recouverts de couche de protection isolante ou (5) bien d'autres technologies de PCB. Les PCB contribuent à la maîtrise de la fiabilité du dispositif électronique à l'égard des actions internes ou externes de natures mécanique et/ou thermique et/ou électrique et/ou chimique. In the context of this invention, we are particularly interested in an electronic device whose components are assembled and interconnected with each other by and on a printed circuit board (or PCB for "printed circuit board" in English) and encapsulated in a case. The printed circuit allows both to connect the electronic components with each other via a network of electrically conductive elements and to assemble them mechanically and/or thermally. There are different PCB technologies and processes depending on the environments and applications targeted. Examples include (1) the most common PCBs, based on copper conductors and an electrical and thermal insulating support made of glass fiber reinforced epoxy (FR.4) or (2) very high voltage power electronics PCBs based on copper conductors and an electrical insulating support made of alumina, which is also a relatively good thermal conductor or (3) low voltage power electronics PCBs, based on copper insulated on an aluminum substrate allowing excellent thermal conduction or (4) flexible copper-based PCBs insulated on a polyimide substrate and covered with an insulating protective layer or (5) many other PCB technologies. PCBs contribute to controlling the reliability of the electronic device with regard to internal or external actions of a mechanical and/or thermal and/or electrical and/or chemical nature.
Pour renforcer la maîtrise vis-à-vis des actions internes ou externes de nature électromagnétique ou chimique, on utilise parfois, en plus, un boitier d'encapsulation des PCB. Il est connu en particulier de l'homme de l'art que, lorsque l'on développe un dispositif électronique hautement fiable sur une longue durée, on doit placer celui-ci dans un boitier hermétique afin de le protéger des actions internes ou externes de nature chimique et électrochimiques. To enhance control over internal or external electromagnetic or chemical actions, a PCB encapsulation box is sometimes also used. It is known in particular to those skilled in the art that, when developing a highly reliable electronic device over a long period, it must be placed in a hermetic box in order to protect it from internal or external chemical and electrochemical actions.
Ce boîtier hermétique empêche essentiellement la migration de polluants ou de solvants vers les composants électroniques sur le PCB à l'intérieur du boîtier. Les boîtiers hermétiques de l'état de l'art sont réalisés soit en verre, soit en céramique, soit en métal, soit en combinaison de ces trois familles de matériaux. L'herméticité de ces boîtiers est testée avec un gaz, typiquement de l'hélium, soit pour qualifier le process selon un essai dit de « type » soit pour contrôler chaque produit selon un essai dit de « série ». Il existe un essai normalisé qui repose sur l'injection d'hélium dans le boîtier lors de sa fabrication et la détection de fuite. Lorsque les fuites sont inférieures à un certain seuil, on garantit une herméticité suffisante apte à protéger le dispositif électronique sur une longue durée. This hermetic enclosure essentially prevents the migration of pollutants or solvents to the electronic components on the PCB inside the enclosure. State-of-the-art hermetic enclosures are made of glass, ceramic, metal, or a combination of these three families of materials. The hermeticity of these enclosures is tested with a gas, typically helium, either to qualify the process according to a so-called "type" test or to control each product according to a so-called "series" test. There is a standardized test that is based on injecting helium into the enclosure during its manufacture and detecting leaks. When leaks are below a certain threshold, sufficient hermeticity is guaranteed to protect the electronic device over a long period of time.
L'objectif de l'herméticité est multiple. Il s'agit d'éviter la pénétration de substances polluantes ou de solvants dans le boîtier car, à terme, ces polluants et/ou ces solvants peuvent condenser et devenir liquide. La présence de substances en phase liquide, en particulier celles contenant de l'oxygène, accélère les phénomènes d'oxydo- réduction qui peuvent devenir fatals pour le dispositif électronique. Remarquons que ces substances polluantes ou ces solvants peuvent également être déjà présents dans le boîtier lorsqu'elles sont incluses par exemple dans le substrat du PCB ou à la surface de celui-ci. Aussi, faut-il combiner l'utilisation d'un boîtier hermétique avec des précautions de nettoyage, de séchage et d'absorption des substances polluantes ou de ces solvants afin d'éliminer les problèmes électrochimiques quelle que soit la source de contamination. The purpose of hermeticity is multiple. It is to prevent the penetration of pollutants or solvents into the enclosure because, over time, these pollutants and/or solvents can condense and become liquid. The presence of substances in the liquid phase, particularly those containing oxygen, accelerates oxidation-reduction phenomena that can become fatal for the electronic device. Note that these pollutants or solvents may also already be present in the enclosure when they are included, for example, in the PCB substrate or on its surface. Therefore, the use of a hermetic enclosure must be combined with precautions for cleaning, drying, and absorption of pollutants or these solvents in order to eliminate electrochemical problems regardless of the source of contamination.
On connaît des boîtiers hermétiques en céramique, par exemple en oxyde d'aluminium, ou d'autres cristaux, qui présentent comme avantage d'être électriquement isolant et parfaitement hermétiques aux liquides et au gaz. Les inconvénients qui expliquent leur quasi-absence en dehors d'applications de niche et en particulier dans les secteurs des dispositifs médicaux implantables actifs, ou de l'aéronautique (au-delà des isolants de traversées étanches), sont: Hermetic ceramic packages are known, for example aluminum oxide, or other crystals, which have the advantage of being electrically insulating and perfectly hermetic to liquids and gases. The disadvantages that explain their near absence outside of niche applications and in particular in the sectors of active implantable medical devices, or aeronautics (beyond sealed feedthrough insulators), are:
- une fragilité mécanique extrême, - extreme mechanical fragility,
- une difficulté de mise en forme, - difficulty in shaping,
- un coût élevé. - a high cost.
L'inconvénient majeur des verres et céramiques, qui sont des matériaux isolants électriques, est leur extrême fragilité et leur masse. De ce fait, la quasitotalité des boîtiers hermétiques de dispositifs électroniques sont en métal, quasi exclusivement en titane, qui présente un optimum en termes de coût/robustesse/maniabilité. Comme le titane est également biocompatible, on le retrouve également comme boitier de tous les dispositifs médicaux implantables actifs hautement fiables sur une longue durée (comme les pacemakers ou neurostimulateurs). The major drawback of glasses and ceramics, which are electrical insulating materials, is their extreme fragility and mass. As a result, almost all hermetic electronic device enclosures are made of metal, almost exclusively titanium, which offers an optimum in terms of cost/robustness/handling. Since titanium is also biocompatible, it is also found as a case for all highly reliable long-term active implantable medical devices (such as pacemakers or neurostimulators).
On connaît des boîtiers hermétiques en titane munis de traversées étanches telles que par exemple des conducteurs en alliage platine/iridium recouverts d'un isolant en céramique type alumine et associés à une bride en titane. Cela représente la quasi-totalité des dispositifs électroniques à haute fiabilité et, en tout état de cause, la totalité des dispositifs médicaux implantables actifs de longue durée (>24 mois) implantés ces dernières années. Le titane présente l'avantage de garantir une herméticité complète au gaz et au liquide sur le long terme. Le seul inconvénient du titane pour certaines applications, en particulier pour la transmission d'énergie et/ou de signal, est qu'il est électriquement conducteur et fait office d'écran électromagnétique. De ce fait, lorsque l'on souhaite transmettre de l'énergie et/ou un signal électromagnétique, on doit nécessairement prévoir un dispositif placé à l'extérieur du boîtier titane. Typiquement, une antenne est placée dans un « header » en époxy (par exemple) et reliée à l'électronique via une traversée étanche. Hermetic titanium packages are known with sealed feedthroughs such as platinum/iridium alloy conductors coated with an alumina-type ceramic insulator and associated with a titanium flange. This represents almost all high-reliability electronic devices and, in any case, all long-term active implantable medical devices (>24 months) implanted in recent years. Titanium has the advantage of guaranteeing complete hermeticity to gas and liquid over the long term. The only disadvantage of titanium for certain applications, in particular for the transmission of energy and/or signals, is that it is electrically conductive and acts as an electromagnetic shield. Therefore, when one wishes to transmit energy and/or an electromagnetic signal, one must necessarily provide a device placed outside the titanium package. Typically, an antenna is placed in an epoxy header (for example) and connected to the electronics via a sealed feedthrough.
Dans toutes les applications, l'utilisation d'un boitier hermétique électriquement conducteur pose deux problèmes distincts. Le premier est que sa masse est significative par rapport à celle du PCB nu et qu'il impose un volume mort afin de ne pas court-circuiter les composants placés à l'intérieur. Le second est que le boitier ne peut pas assurer une fonction de protection électrique de l'environnement par isolation électrique directe (utilisateurs ou autres objets en contact). Or, la tendance dans un système critique qui nécessite de maximiser la disponibilité du service rendu, et d'utiliser des dispositifs électroniques hautement fiables sur une longue durée avec une double isolation électrique. On parle d'une architecture de mise à la terre de type « isolée » ou « IT ». Ainsi, quel que soit le premier défaut d'origine électrique, celui-ci reste confiné à l'intérieur du dispositif sans impact sur l'environnement (en particulier zone ATEX-atmosphère explosive) ni les utilisateurs (en particulier pour le médical implantable ou les capteurs de courant isolés). In all applications, the use of an electrically conductive hermetic enclosure poses two distinct problems. The first is that its mass is significant compared to that of the bare PCB and that it imposes a dead volume in order not to short-circuit the components placed inside. The second is that the enclosure cannot provide an electrical protection function from the environment by direct electrical isolation (users or other objects in contact). However, the trend in a critical system that requires maximizing the availability of the service provided, and using highly reliable electronic devices over a long period with double electrical insulation. We speak of an "isolated" or "IT" type grounding architecture. Thus, whatever the first fault of electrical origin, it remains confined inside the device without impacting the environment (in particular ATEX-explosive atmosphere zone) or users (in particular for implantable medical or isolated current sensors).
Lorsque l'on utilise un boitier isolant pour maîtriser les actions internes et externes d'origine chimiques et électrochimiques, alors celui-ci ne peut pas être utilisé pour maîtriser les actions internes ou externes d'origine électromagnétiques. Il est alors possible d'utiliser des écrans électrostatiques ou blindages électromagnétiques à même le PCB, ce qui permet de séparer les fonctionnalités en maximisant la fiabilité. When an insulating box is used to control internal and external actions of chemical and electrochemical origin, then it cannot be used to control internal or external actions of chemical origin. electromagnetic. It is then possible to use electrostatic screens or electromagnetic shields on the PCB itself, which makes it possible to separate the functionalities while maximizing reliability.
Pour assurer une fonction d'isolation électrique, il est alors connu de l'homme de l'art d'utiliser un boitier en polymère isolant. Ce boitier peut réaliser une double fonction d'isolation électrique, de protection mécanique et de protection chimique. Lorsque l'on vise une application implantable ou en contact avec la peau, il doit également être biocompatible. To ensure an electrical insulation function, it is known to those skilled in the art to use an insulating polymer casing. This casing can perform a dual function of electrical insulation, mechanical protection, and chemical protection. When targeting an implantable application or one in contact with the skin, it must also be biocompatible.
On connaît des matériaux polymères communément utilisés pour réaliser des encapsulations de PCB, du fait de leur simplicité de mise en œuvre, en particulier par usinage et moulage. Ces matériaux sont majoritairement des élastomères, par exemple les silicones, des thermodurcissables, par exemple des résines époxy ou des thermoplastiques, par exemple les polyéthercétones (PEK). Des tentatives ont été menées de longue date pour utiliser de tels polymères afin d'encapsuler un dispositif électronique hautement fiable. Systématiquement les dispositifs électroniques réalisés ont présenté une fiabilité sur le long terme dégradée du fait de défauts d'origine électrochimique. Ils peuvent être utilisés pour des dispositifs électroniques sans nécessité de garantie de fiabilité long terme en environnement chimique sévère. Les inconvénients long terme sont les suivants : Polymer materials are commonly used to produce PCB encapsulations, due to their ease of implementation, particularly by machining and molding. These materials are mainly elastomers, for example silicones, thermosets, for example epoxy resins or thermoplastics, for example polyetherketones (PEK). Attempts have been made for a long time to use such polymers to encapsulate a highly reliable electronic device. Systematically, the electronic devices produced have shown degraded long-term reliability due to defects of electrochemical origin. They can be used for electronic devices without the need for a guarantee of long-term reliability in a harsh chemical environment. The long-term disadvantages are as follows:
- non herméticité long terme due à des phénomènes d'absorption chimique par diffusion, en particulier de l'eau, ce qui finit par provoquer des défauts par corrosion ou excroissance d'origine électrochimique, - long-term non-hermeticity due to chemical absorption phenomena by diffusion, in particular of water, which ends up causing defects by corrosion or growth of electrochemical origin,
- dégradations d'origine thermique, UV, oxydation, humidité, conduisant à la perte des propriétés mécaniques d'origine, et/ou de l'isolation électrique et/ou au relargage de particules encapsulées etc. - degradation of thermal, UV, oxidation, humidity origin, leading to the loss of original mechanical properties, and/or electrical insulation and/or the release of encapsulated particles etc.
De fait, aucun de ces matériaux n'est capable de passer avec succès le test de l'herméticité à l'hélium. Le transport du gaz dans le volume d'un matériau polymère se fait par diffusion chimique selon une loi appelée loi de Fick. C'est un phénomène de diffusion, i.e. que la vitesse de migration varie selon le gradient du taux de concentration de la substance. Lorsque le polymère est placé dans un solvant (par exemple de l'eau), on finit par retrouver des molécules d'eau dans tout le volume, ce qui se caractérise par un taux de prise de masse de l'ordre de quelques % à plusieurs dizaines de %. Il faut noter que le matériau n'est pas nécessairement poreux au sens « mécanique » du terme, puisque la pénétration ne se fait que par diffusion chimique sous forme gazeuse et non sous forme liquide. Ainsi, seuls les composés gazeux sont potentiellement internalisés et/ou relargués. Quoi qu'il en soit, le solvant peut finir par se retrouver sous forme liquide dans le boîtier après une seconde étape de condensation. Ce phénomène est accéléré par le passage de la température ambiante en dessous du point de rosée (qui dépend du taux d'humidité, par exemple pour l'eau environ 5000ppm pour une température de 0°C et 50 OOOppm pour une température de 37°C). Il suffit ensuite de quelques couches moléculaires « liquides » (à partir de trois, soit environ lnm) pour créer un environnement propice aux phénomènes d'électrochimie. Ces phénomènes se produisent essentiellement aux interfaces entre deux matériaux, zones sujettes à des lignes de fuite électriques. In fact, none of these materials are able to successfully pass the helium hermeticity test. The transport of gas in the volume of a polymer material is done by chemical diffusion according to a law called Fick's law. This is a diffusion phenomenon, i.e. the migration speed varies according to the gradient of the concentration rate of the substance. When the polymer is placed in a solvent (for example water), we end up finding water molecules throughout the volume, which is characterized by a mass gain rate of the order of a few % to several tens of %. It should be noted that the material is not necessarily porous in the "mechanical" sense of the term, since penetration only occurs by chemical diffusion in gaseous form and not in liquid form. Thus, only gaseous compounds are potentially internalized and/or released. In any case, the solvent may end up in liquid form in the housing after a second condensation step. This phenomenon is accelerated by the passage of the ambient temperature below the dew point (which depends on the humidity level, for example for water approximately 5000 ppm for a temperature of 0°C and 50 OOOppm for a temperature of 37°C). Then, a few "liquid" molecular layers (from three, or approximately 1 nm) are sufficient to create an environment conducive to electrochemical phenomena. These phenomena occur mainly at the interfaces between two materials, areas subject to electrical leakage lines.
On connaît le document de Nathaniel Dahan, « The application of PEEK to the packaging of implantable electronic device » department of medical physics and bioengineering university college of London, 2013, relatif à des études pour éliminer ou ralentir la diffusion à travers un polymère, soit en jouant sur sa composition, soit en ajoutant un revêtement conforme sur (ou à l'intérieur) des boîtiers. Ces essais ont permis de ralentir le phénomène de diffusion de quelques mois, mais pas suffisamment pour envisager une application long terme de plus de deux ans. We know the document by Nathaniel Dahan, "The application of PEEK to the packaging of implantable electronic devices" Department of Medical Physics and Bioengineering University College of London, 2013, relating to studies to eliminate or slow diffusion through a polymer, either by altering its composition or by adding a conformal coating on (or inside) the housings. These tests made it possible to slow the diffusion phenomenon by a few months, but not enough to envisage a long-term application of more than two years.
D'autres études ont consisté à tenter de vivre avec la pénétration d'une solution, en ajoutant un dessiccant et/ou un revêtement conforme sur le circuit imprimé (par exemple un parylène), en maîtrisant le nettoyage des ions contaminants en surface qui sont nécessaires au démarrage des phénomènes d'oxydo- réduction (chloride ou bromide), en utilisant des électrodes en or ou autre métal noble (e.g. « electroless nickel immersion gold » en anglais, ENIG), en réduisant les gradients de tension par éloignement des pistes etc. A nouveau, les phénomènes électrochimiques sont ralentis mais pas suffisamment pour une application de longue durée. Other studies have involved trying to live with the penetration of a solution, by adding a desiccant and/or a conformal coating on the printed circuit (for example a parylene), by controlling the cleaning of contaminating ions on the surface which are necessary to start the oxidation-reduction phenomena (chloride or bromide), by using electrodes made of gold or other noble metal (e.g. "electroless nickel immersion gold" in English, ENIG), by reducing the voltage gradients by moving the tracks away etc. Again, the electrochemical phenomena are slowed down but not sufficiently for a long-term application.
Ainsi, dans cet objectif de réduire les phénomènes électrochimiques des dispositifs électroniques utilisés en environnement sévère (humidité, température, etc), on utilise traditionnellement des revêtements silicone ou bien parylène. L'intérêt du revêtement silicone est son faible coût à l'achat et à la dépose (coulée à froid). Son inconvénient est son « manque d'adhérence » sur le circuit imprimé ou sur les composants ou éléments électriquement conducteurs. Le silicone va se charger en solvant (eau) et il finira par se former sur le long terme un film de solvant (eau) à la surface du circuit imprimé, ce que l'on appelle une ligne de fuite électrique. La durée de vie du produit est largement améliorée car le silicone a transformé une conduction électrique dans le volume par une conduction surfacique. Mais sur une longue durée, cela ne règle pas suffisamment le problème. Thus, with the aim of reducing the electrochemical phenomena of electronic devices used in harsh environments (humidity, temperature, etc.), silicone or parylene coatings are traditionally used. The advantage of silicone coating is its low cost of purchase and removal (cold casting). Its disadvantage is its "lack of adhesion" to the printed circuit board or on electrically conductive components or elements. The silicone will become charged with solvent (water) and over the long term a film of solvent (water) will eventually form on the surface of the printed circuit board, which is called an electrical creepage line. The product's lifespan is greatly improved because the silicone has transformed electrical conduction in the volume into surface conduction. But over the long term, this does not sufficiently solve the problem.
Pour le parylène, le constat est le même. Le procédé de dépôt est différent puisque le parylène est sublimé puis déposé par adsorption à la surface du PCB. Il est ensuite condensé puis polymérisé pour constituer une couche très fine et très uniforme, qui pénètre dans tous les recoins du PCB électronique et de ses composants. Outre le fait que le procédé est très cher (car le dépôt est très long lorsque l'épaisseur est conséquente), le constat est le même que pour le silicone... En plus du problème d'adhérence à la surface (difficulté d'adhérer sur les métaux, décollage par délamination), le parylène présente une fragilité lorsqu'il est trop épais : il craquèle. Sur le long terme le taux de défaillance par phénomènes électrochimiques est toujours trop élevé pour des applications critiques dont les applications médicales implantables ou dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ferroviaire etc). For parylene, the observation is the same. The deposition process is different since parylene is sublimated then deposited by adsorption on the surface of the PCB. It is then condensed then polymerized to form a very thin and very uniform layer, which penetrates into all the corners of the electronic PCB and its components. Apart from the fact that the process is very expensive (because the deposition is very long when the thickness is significant), the observation is the same as for silicone... In addition to the problem of adhesion to the surface (difficulty adhering to metals, delamination by delamination), parylene presents a fragility when it is too thick: it cracks. In the long term, the failure rate by electrochemical phenomena is always too high for critical applications including implantable medical applications or in the transport sector (aeronautics, automotive, railway, etc.).
Malgré toutes ces tentatives, on voit toujours apparaître des phénomènes électrochimiques dont l'action réduit la fiabilité sur une longue durée. Les principaux phénomènes électrochimiques à l'origine de défauts sont la corrosion des éléments électriquement conducteurs (pistes/électrodes), l'apparition de courts-circuits par croissance dendritique entre éléments électriquement conducteurs (pistes/électrodes), l'apparition de signaux parasites (courants de fuite) fonctionnellement inacceptables etc. Despite all these attempts, electrochemical phenomena still appear, the action of which reduces reliability over a long period. The main electrochemical phenomena causing defects are the corrosion of electrically conductive elements (tracks/electrodes), the appearance of short circuits by dendritic growth between electrically conductive elements (tracks/electrodes), the appearance of functionally unacceptable parasitic signals (leakage currents), etc.
La présente invention a pour but d'augmenter la fiabilité intrinsèque des dispositifs électroniques, dont les dispositifs médicaux implantables actifs ou bien des systèmes de diagnostics biomédical ou bien des capteurs de courant électrique ou de champ magnétique, ou bien d'autres applications, sur une longue durée. The present invention aims to increase the intrinsic reliability of electronic devices, including active implantable medical devices or biomedical diagnostic systems or electric current or magnetic field sensors, or other applications, over a long period.
Un autre but de l'invention est d'augmenter la sécurité des personnes et des biens sur une longue durée en particulier en garantissant une isolation électrique et/ou chimique par absence de relargage de substances toxiques. L'invention a aussi pour but de réduire le coût et la masse des dispositifs électroniques hautement fiable, ce qui est important pour favoriser le développement de telles solutions dans tous les domaines allant du transport (automobile, aéronautique, ferroviaire, etc) au médical. Another aim of the invention is to increase the safety of people and property over a long period, in particular by guaranteeing electrical and/or chemical insulation through the absence of release of toxic substances. The invention also aims to reduce the cost and mass of highly reliable electronic devices, which is important to promote the development of such solutions in all areas ranging from transport (automobile, aeronautics, rail, etc.) to medicine.
On atteint au moins l'un des buts avec un dispositif électronique comprenant au moins un circuit imprimé (ou PCB pour « printed circuit board » en anglais), des composants électroniques, des éléments électriquement conducteurs et un boitier électriquement isolant en matériau polymère. At least one of the goals is achieved with an electronic device comprising at least one printed circuit board (or PCB), electronic components, electrically conductive elements and an electrically insulating housing made of polymer material.
Selon l'invention, tous les composants électroniques et au moins une partie des éléments électriquement conducteurs sont enfouis partiellement ou totalement dans ledit au moins un circuit imprimé, et le boîtier électriquement isolant en matériau polymère encapsule totalement et sans lignes de fuite électrique ledit au moins un circuit imprimé et tous les éléments électriquement conducteurs qui ne sont pas déjà partiellement ou totalement enfouis dans ledit au moins un circuit imprimé. According to the invention, all the electronic components and at least some of the electrically conductive elements are partially or totally buried in said at least one printed circuit, and the electrically insulating housing made of polymer material completely encapsulates and without electrical creepage lines said at least one printed circuit and all the electrically conductive elements which are not already partially or totally buried in said at least one printed circuit.
Avec le dispositif électronique selon l'invention, on met en place deux enveloppes, une première enveloppe du circuit imprimé autour de l'électronique et une deuxième enveloppe qui est le boîtier électriquement isolant en matériau polymère. With the electronic device according to the invention, two envelopes are put in place, a first envelope of the printed circuit around the electronics and a second envelope which is the electrically insulating housing made of polymer material.
La première enveloppe est le fait d'enfouir l'électronique dans le circuit imprimé de façon à éliminer toute ligne de fuite électrique (« creepage » en anglais) et toute ligne de dégagement (« clearance » en anglais). Par enfouir, on entend le fait qu'un même matériau utilisé comme support du circuit imprimé est également utilisé comme couche d'isolation de la surface du circuit imprimé en laissant les composants à l'intérieur et en contact direct entre le support et la couche d'isolation. Le fait d'utiliser le même matériau que le support revient à utiliser une couche dont l'accrochage est exempt de défaut de surface (non adhérence, délamination, etc). Le support du circuit imprimé est par exemple un époxyde renforcé en fibre de verre type FR.4. The first envelope is the fact of burying the electronics in the printed circuit board in such a way as to eliminate any electrical leakage line ("creepage" in English) and any clearance line ("clearance" in English). By burying, we mean the fact that the same material used as a support for the printed circuit board is also used as an insulation layer for the surface of the printed circuit board, leaving the components inside and in direct contact between the support and the insulation layer. Using the same material as the support means using a layer whose adhesion is free from surface defects (non-adhesion, delamination, etc.). The support for the printed circuit board is, for example, a fiberglass-reinforced epoxy type FR.4.
Avec l'enfouissement selon l'invention, deux éléments électriquement conducteurs d'un composant (piste ou électrode) ou entre composants ne peuvent pas être reliés par une ligne directe conductrice électriquement que ce soit dans l'air ou le long d'une surface. Autrement dit, pour chaque paire de conducteur d'un circuit électrique, il n'existe ni ligne de dégagement ni ligne de fuite électrique. With the burial according to the invention, two electrically conductive elements of a component (track or electrode) or between components cannot be connected by a direct electrically conductive line whether in air or along a surface. In other words, for each pair of conductors in an electrical circuit, there is neither a clearance line nor an electrical creepage line.
Ces lignes de fuite électrique et de dégagement, lorsqu'elles sont en surface d'un circuit imprimé, se transforment en des lignes de conduction électrique en présence de polluants et/ou de solvants comme de la vapeur d'eau condensée. Elles peuvent ainsi engendrer des défauts dans le circuit imprimé. Les phénomènes électrochimiques à l'origine des défauts apparaissent à long terme avec une probabilité plus élevée en présence d'une tension de polarisation (composante continue DC, pour « Direct Current » en anglais). Ces phénomènes prennent naissance à la surface des circuits imprimés et peuvent devenir négligeables en l'absence de composante DC. La composante DC peut être fonctionnelle (aux bornes d'un condensateur, d'une alimentation DC, etc) ou parasite (autogénérée par effet pile en présence de jonction métal/métal). These electrical creepage and clearance lines, when they are on the surface of a printed circuit, transform into electrical conduction lines in the presence of pollutants and/or solvents such as condensed water vapor. They can thus cause defects in the printed circuit. The electrochemical phenomena causing the defects appear in the long term with a higher probability in the presence of a polarization voltage (DC component, for "Direct Current" in English). These phenomena originate on the surface of the printed circuits and can become negligible in the absence of a DC component. The DC component can be functional (at the terminals of a capacitor, a DC power supply, etc.) or parasitic (self-generated by battery effect in the presence of a metal/metal junction).
La première enveloppe permet de rendre l'électronique robuste vis-à-vis des défauts de surface mais n'assure pas nécessairement la fonction de protection mécanique ni de double isolation électrique haute tension (voire de simple isolation lorsque l'on souhaite accéder à un potentiel d'un des composants électroniques ou d'un des éléments électriquement conducteurs à l'aide de via métallisés), ni de barrière biocompatible dans le cas des dispositifs médicaux. Dans la mesure où la première enveloppe réduit considérablement les risques d'un dysfonctionnement électrique du circuit imprimé dû aux polluants et/ou solvants, l'invention prévoit une deuxième enveloppe permettant d'assurer une isolation électrique et/ou une barrière biocompatible et/ou une protection mécanique et/ou une barrière chimique rendant l'ensemble compatible avec un environnement sévère. Mais avantageusement selon l'invention, au lieu d'utiliser une enveloppe en titane, on utilise un boîtier électriquement isolant en matériau polymère. Le titane a l'avantage d'être parfaitement hermétique mais l'inconvénient d'être électriquement conducteur (blocage de signaux électromagnétiques de transmission entre l'intérieur et l'extérieur). De nombreux matériaux électriquement isolants polymères (éventuellement biocompatibles) sont connus. Ils ont l'avantage de permettre le passage de signaux électromagnétiques mais l'inconvénient d'être moins hermétiques que le titane. Mais cet inconvénient est largement compensé par le fait que le circuit imprimé est devenu un objet volumique apte à protéger les composants enfouis des éventuelles substances qui passeraient à travers le matériau isolant polymère. Le dispositif électronique selon l'invention permet de se satisfaire d'un boîtier étanche mais non-hermétique selon les normes actuelles. On accepte la migration d'une substance gazeuse par un procédé de diffusion selon la loi de Fick. Ainsi, les essais actuels à l'hélium deviennent obsolètes pour ce genre de boîtier étanche « non-hermétique ». The first envelope makes the electronics robust against surface defects but does not necessarily provide the function of mechanical protection or high-voltage double electrical insulation (or even simple insulation when one wishes to access a potential of one of the electronic components or one of the electrically conductive elements using metallized vias), nor of a biocompatible barrier in the case of medical devices. To the extent that the first envelope considerably reduces the risks of an electrical malfunction of the printed circuit due to pollutants and/or solvents, the invention provides a second envelope making it possible to provide electrical insulation and/or a biocompatible barrier and/or mechanical protection and/or a chemical barrier making the assembly compatible with a harsh environment. But advantageously according to the invention, instead of using a titanium envelope, an electrically insulating housing made of polymer material is used. Titanium has the advantage of being perfectly hermetic but the disadvantage of being electrically conductive (blocking of electromagnetic signals transmitted between the inside and the outside). Many electrically insulating polymer materials (possibly biocompatible) are known. They have the advantage of allowing the passage of electromagnetic signals but the disadvantage of being less hermetic than titanium. But this disadvantage is largely offset by the fact that the printed circuit board has become a volumetric object capable of protecting buried components from any substances that might pass through the polymer insulating material. The electronic device according to the invention allows for a sealed but non-hermetic case according to current standards. The migration of a gaseous substance by a diffusion process according to Fick's law is accepted. Thus, current helium tests become obsolete for this type of "non-hermetic" sealed case.
Un autre intérêt de remplacer le boîtier titane par un boîtier électriquement isolant est également de permettre d'avoir un diagramme de rayonnement des antennes contenues dans le dispositif électronique plus isotrope puisque le boîtier ne fait pas « écran » électromagnétique. Another advantage of replacing the titanium case with an electrically insulating case is also to allow for a more isotropic radiation pattern of the antennas contained in the electronic device since the case does not act as an electromagnetic "screen".
Avec l'absence de ligne de fuite électrique, synonyme de continuité de matière tout autour de l'électronique enfouie, cette dernière est complètement isolée de son environnement chimique, garantissant ainsi une absence de relargage particulaire et une éventuelle première isolation électrique. With the absence of an electrical creepage line, synonymous with continuity of material all around the buried electronics, the latter is completely isolated from its chemical environment, thus guaranteeing an absence of particulate release and possible initial electrical insulation.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, seuls les composants et les pistes susceptibles de développer en cours d'utilisation une tension avec une composante continue au-delà de leur potentiel électrochimique sont enfouis dans le circuit imprimé. On peut fixer comme critère de décision d'un niveau de composante continue acceptable par un seuil de 1,5V, correspondant notamment au potentiel électrochimique de l'or. According to an advantageous characteristic of the invention, only the components and tracks likely to develop a voltage with a DC component beyond their electrochemical potential during use are buried in the printed circuit. A threshold of 1.5V, corresponding in particular to the electrochemical potential of gold, can be set as a decision criterion for an acceptable DC component level.
Autrement, tous les composants électroniques et au moins une partie des éléments électriquement conducteurs peuvent être enfouis dans le circuit imprimé, quel que soit leur matériau constitutif. De préférence, on n'enfuit pas totalement les éléments électriquement conducteurs dont les potentiels doivent être accessibles en dehors du dispositif électronique. Alternatively, all electronic components and at least some of the electrically conductive elements may be buried in the printed circuit board, regardless of their constituent material. Preferably, electrically conductive elements whose potentials must be accessible outside the electronic device are not completely buried.
Avec l'enfouissement, on s'assure qu'aucune paire d'éléments électriquement conducteurs ne soit mise à nue, i.e. sans dégagement. Cela signifie par exemple que tous les condensateurs, les diodes, les transistors, les régulateurs de tension, les alimentations DC etc sont enfouis. Un composant sans composante DC, par exemple une bobine d'inductance parcourue par un courant alternatif, pourrait ne pas être totalement enfouie. Pour une question d'intégration et de réduction de l'encombrement, mais également à cause des potentiels électrochimiques intrinsèques aux différents métaux, il est cependant préférable de l'enfouir également. With burial, we ensure that no pairs of electrically conductive elements are exposed, i.e. without clearance. This means, for example, that all capacitors, diodes, transistors, voltage regulators, DC power supplies, etc. are buried. A component without a DC component, for example an inductor coil carrying an alternating current, may not be completely buried. This is for reasons of integration and space reduction, but also because of the potentials electrochemical properties intrinsic to different metals, it is however preferable to bury it as well.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le circuit imprimé peut être un circuit imprimé rigide-flexible comprenant une partie rigide et une partie flexible. L'élément électriquement conducteur partiellement ou totalement enfoui peut être disposé à l'intérieur de la partie rigide ou à l'intérieur de la partie flexible ou entre les deux parties. According to an advantageous characteristic of the invention, the printed circuit may be a rigid-flexible printed circuit comprising a rigid part and a flexible part. The partially or totally buried electrically conductive element may be arranged inside the rigid part or inside the flexible part or between the two parts.
Par « encapsuler totalement » selon l'invention, on entend que tous les éléments électriquement conducteurs, ledit au moins un circuit imprimé et les composants électroniques se trouvent à l'intérieur du boitier sans ligne de fuite électrique. Lorsqu'un accès électrique depuis l'extérieur du boitier est nécessaire, on peut prévoir une (ou plusieurs) liaison électrique pour se connecter électriquement à l'extérieur via une traversée étanche. Dans tous les cas, on est capable d'identifier la présence d'une ligne de fuite électrique entre l'intérieur et l'extérieur du boitier électriquement isolant en plaçant un tel dispositif dans un bain de solvant (de l'eau par exemple), pendant un temps suffisant pour que se produisent les phénomènes de diffusion, puis en mesurant la résistance d'isolement entre tous les éléments électriquement conducteurs et une électrode plongée dans le bain de solvant. La présence d'une ligne de fuite électrique entre l'intérieur et l'extérieur est alors synonyme d'une conduction électrique de type ionique. L'ordre de grandeur d'une « bonne résistance d'isolement », synonyme d'absence de ligne de fuite électrique, pour un dispositif de l'ordre de quelques cm2 de superficie est de plusieurs mégaOhms, voire des gigaOhms. Une telle opération de mesure de résistance d'isolement peut être réalisée de la même façon mais entre deux éléments électriquement conducteurs ressortis du boitier via des traversées étanches. On mesure alors l'absence de ligne de fuite entre chacun des deux éléments conducteurs. Finalement, la maîtrise du procédé présenté dans l'invention vise à s'assurer, par conception, de l'absence de lignes de fuites électriques entre chaque paire d'éléments conducteurs censés être isolés les uns des autres. Tous les tests ne sont pas réalisables, ni en essais de série ni même en essais de type, aussi est-il important de maîtriser le procédé de fabrication. Selon un mode de réalisation, le dispositif électronique selon l'invention peut comprendre au moins une traversée étanche à travers une paroi du boîtier électriquement isolant, cette traversée étanche comprenant : By "totally encapsulate" according to the invention, it is meant that all the electrically conductive elements, said at least one printed circuit and the electronic components are located inside the housing without any electrical creepage distance. When electrical access from the outside of the housing is necessary, one (or more) electrical connections can be provided to electrically connect to the outside via a sealed feedthrough. In all cases, it is possible to identify the presence of an electrical creepage distance between the inside and the outside of the electrically insulating housing by placing such a device in a solvent bath (water for example), for a time sufficient for diffusion phenomena to occur, then by measuring the insulation resistance between all the electrically conductive elements and an electrode immersed in the solvent bath. The presence of an electrical creepage distance between the inside and the outside is then synonymous with ionic type electrical conduction. The order of magnitude of a "good insulation resistance", synonymous with the absence of electrical creepage, for a device of the order of a few cm2 in surface area is several megaOhms, or even gigaOhms. Such an insulation resistance measurement operation can be carried out in the same way but between two electrically conductive elements emerging from the housing via sealed feedthroughs. The absence of creepage between each of the two conductive elements is then measured. Finally, mastery of the process presented in the invention aims to ensure, by design, the absence of electrical creepage between each pair of conductive elements supposed to be insulated from each other. Not all tests are feasible, neither in series tests nor even in type tests, so it is important to master the manufacturing process. According to one embodiment, the electronic device according to the invention may comprise at least one sealed feedthrough through a wall of the electrically insulating housing, this sealed feedthrough comprising:
- au moins une liaison électriquement conductrice ayant au moins une partie enfouie dans la partie flexible du circuit imprimé rigide-flexible, cette partie flexible étant recouverte de au moins une couche de finition protectrice électriquement isolante en matériau polymère, - at least one electrically conductive connection having at least one part buried in the flexible part of the rigid-flexible printed circuit, this flexible part being covered with at least one electrically insulating protective finishing layer made of polymer material,
- une extension de la partie flexible qui entoure la liaison électriquement conductrice au moins à travers la paroi du boîtier électriquement isolant, cette extension servant de bride électriquement isolante et sans ligne de fuite électrique à l'interface entre cette bride et la liaison électriquement conductrice. - an extension of the flexible part which surrounds the electrically conductive connection at least through the wall of the electrically insulating housing, this extension serving as an electrically insulating flange and without electrical creepage line at the interface between this flange and the electrically conductive connection.
Avec l'invention, on utilise une partie du PCB flexible comme élément constitutif de la traversée étanche. With the invention, a part of the flexible PCB is used as a constituent element of the sealed feedthrough.
Le PCB flexible permet de réaliser une traversée étanche dans la mesure où la couche de protection isolante peut servir de bride que l'on peut assembler au boitier isolant polymère, par exemple par soudure laser. Cet assemblage peut se faire par exemple par une technique dite de grappage, qui consiste à échauffer simultanément une partie du boitier électriquement isolant et une partie du PCB flexible afin de les souder. De façon préférentielle le chauffage sera réalisé par un laser, ce qui nécessite que les deux parties à souder (le boitier électriquement isolant et la bride flexible du PCB flexible) soient en capacité d'absorber l'énergie dudit laser. The flexible PCB allows for a sealed feedthrough as the insulating protective layer can serve as a flange that can be assembled to the insulating polymer case, for example by laser welding. This assembly can be done for example by a technique called clustering, which consists of simultaneously heating a part of the electrically insulating case and a part of the flexible PCB in order to weld them. Preferably, the heating will be carried out by a laser, which requires that the two parts to be welded (the electrically insulating case and the flexible flange of the flexible PCB) are capable of absorbing the energy of said laser.
L'intérêt de cette technique est d'assurer une traversée étanche à relativement faible coût et très compacte. On notera que, après cette opération de grappage, les couches de protection isolantes du PCB flexible deviennent une partie intégrante du boitier électriquement isolant. The advantage of this technique is that it provides a relatively low-cost, highly compact sealed feedthrough. It should be noted that, after this bonding process, the insulating protective layers of the flexible PCB become an integral part of the electrically insulating enclosure.
Ainsi, dans une réalisation préférée, il est possible d'assembler la traversée étanche avec le boîtier tout en assurant une parfaite continuité de matière. L'intérêt d'utiliser des matériaux polymères identiques permet d'assurer une bonne soudure entre le boîtier et la bride par exemple par ultrason, ou bien friction, ou bien chauffage électromagnétique, ou bien encore dans une solution préférée par soudage laser. Thus, in a preferred embodiment, it is possible to assemble the sealed feedthrough with the housing while ensuring perfect continuity of material. The advantage of using identical polymer materials makes it possible to ensure good welding between the housing and the flange, for example by ultrasound, or friction, or electromagnetic heating, or even in a preferred solution by laser welding.
Le dispositif électronique selon l'invention peut comprendre au moins un autre circuit imprimé, les deux circuits imprimés étant électriquement reliés au moyen d'un élément électriquement conducteur enfoui à l'intérieur d'une partie de la partie flexible. The electronic device according to the invention may comprise at least one other printed circuit, the two printed circuits being electrically connected to the by means of an electrically conductive element buried inside a portion of the flexible part.
En d'autres termes, on utilise un circuit imprimé flexible pour extraire un potentiel du PCB enfoui, en particulier en le reliant par exemple à un via métallisé. On peut dire que l'élément électriquement conducteur est partiellement enfoui puisque le via métallisé se retrouve enfoui, protégé par les isolants du circuit imprimé flexible mais reste accessible pour une connexion à l'extérieur du PCB. Cela permet d'accéder à l'élément électriquement conducteur partiellement enfoui pour notamment relier deux PCB distincts se trouvant à l'intérieur du dispositif électronique. Après avoir relié les deux PCB entre eux via ces PCB flexibles, soit on conserve la connexion partiellement enfouie, soit de façon préférentielle on ajoute une protection supplémentaire au niveau de la connexion, de telle sorte que l'ensemble constitue un nouveau PCB flexible-rigide totalement enfoui. Le seul cas où on souhaitera conserver un élément électriquement conducteur partiellement enfoui se présente lorsque le potentiel doit être accessible à l'extérieur du boitier électriquement isolant. On utilisera alors une traversée étanche afin d'assurer l'absence de ligne de fuite électrique. In other words, a flexible printed circuit is used to extract a potential from the buried PCB, in particular by connecting it for example to a metallized via. We can say that the electrically conductive element is partially buried since the metallized via is buried, protected by the insulators of the flexible printed circuit but remains accessible for a connection outside the PCB. This allows access to the partially buried electrically conductive element to connect two separate PCBs located inside the electronic device. After connecting the two PCBs together via these flexible PCBs, either the partially buried connection is kept, or preferably additional protection is added at the connection level, so that the assembly constitutes a new fully buried flexible-rigid PCB. The only case where we would want to keep a partially buried electrically conductive element is when the potential must be accessible outside the electrically insulating case. We will then use a sealed feedthrough to ensure the absence of electrical creepage.
Selon un mode de réalisation, le dispositif électronique peut comprendre au moins une traversée étanche à travers une paroi du boîtier électriquement isolant, cette traversée étanche comprenant : According to one embodiment, the electronic device may comprise at least one sealed feedthrough through a wall of the electrically insulating housing, this sealed feedthrough comprising:
- au moins une liaison électriquement conductrice ayant au moins une partie enfouie dans ledit au moins un circuit imprimé, - at least one electrically conductive connection having at least one part buried in said at least one printed circuit,
- une bride électriquement isolante en matériau polymère réalisée autour de la liaison électriquement conductrice et sans ligne de fuite électrique à l'interface entre cette bride et la liaison électriquement conductrice ; la bride électriquement isolante en matériau polymère étant une partie du boitier électriquement isolant en matériau polymère. - an electrically insulating flange made of polymer material made around the electrically conductive connection and without electrical creepage at the interface between this flange and the electrically conductive connection; the electrically insulating flange made of polymer material being a part of the electrically insulating housing made of polymer material.
L'assemblage de la bride électriquement isolante en matériau polymère de la traversée étanche et du reste du boitier électriquement isolant en matériau polymère est décrit plus loin. Il est préférable que le matériau polymère de la bride électriquement isolante soit de même nature chimique que le matériau polymère du reste du boitier électriquement isolant. Pour s'assurer de l'absence de ligne de fuite électrique entre une liaison électriquement conductrice de la traversée étanche et de la bride électriquement isolante en matériau polymère, on utilise des techniques classiques d'injection ou de compression du polymère sous haute pression, ou bien d'adhérence chimique entre des matériaux compatibles. Lorsque le dispositif est soumis à une action mécanique importante, il y a deux stratégies concernant le matériau de la bride. La première qui consiste à utiliser un matériau rigide, celui-ci interdisant toute déformation en dessous d'un certain effort. C'est cette première solution qui est utilisée avec les traversées étanches « classiques » de haute fiabilité dont l'isolant est soit un verre soit une céramique. La seconde solution consiste à utiliser un matériau avec une certaine flexibilité, apte à absorber l'action mécanique sans interdire la déformation mécanique. C'est cette seconde solution qui est utilisée fréquemment pour des applications de fiabilité de relativement courte durée. Elles sont étanches mais non hermétiques. A long terme, le problème est également l'apparition de lignes de fuites électriques consécutives de l'action mécanique. De façon préférentielle, nous verrons que l'on peut utiliser un matériau thermoplastique permettant à la fois d'absorber les actions mécaniques et de garantir une déformation sans apparition de lignes de fuites électriques. The assembly of the electrically insulating polymeric flange of the sealed bushing and the remainder of the electrically insulating polymeric housing is described later. It is preferable that the polymeric material of the electrically insulating flange be of the same chemical nature as the polymeric material of the remainder of the electrically insulating housing. To ensure the absence of electrical creepage between an electrically conductive connection of the sealed bushing and the electrically insulating flange made of polymer material, conventional techniques of injection or compression of the polymer under high pressure, or chemical adhesion between compatible materials, are used. When the device is subjected to significant mechanical action, there are two strategies concerning the flange material. The first consists of using a rigid material, which prohibits any deformation below a certain force. This first solution is used with "conventional" high-reliability sealed bushings whose insulator is either glass or ceramic. The second solution consists of using a material with a certain flexibility, capable of absorbing the mechanical action without prohibiting mechanical deformation. This second solution is frequently used for relatively short-term reliability applications. They are sealed but not hermetic. In the long term, the problem is also the appearance of electrical creepage lines resulting from the mechanical action. Preferably, we will see that we can use a thermoplastic material which can both absorb mechanical actions and guarantee deformation without the appearance of electrical leakage lines.
Idéalement, la bride de la au moins une traversée étanche est constituée du même matériau que le boitier afin de faciliter son assemblage, par exemple par soudure laser. Ainsi, la traversée étanche fait partie du boitier étanche. Ideally, the flange of the at least one watertight feedthrough is made of the same material as the housing to facilitate its assembly, for example by laser welding. Thus, the watertight feedthrough is part of the watertight housing.
On peut prévoir une ou plusieurs traversées étanches. Une traversée étanche peut être reliée à une électrode, soit directement, soit via un câble isolé. One or more sealed feedthroughs can be provided. A sealed feedthrough can be connected to an electrode, either directly or via an insulated cable.
De préférence, on réalise séparément les traversées étanches. Une traversée étanche peut être composée d'au moins une liaison électriquement conductrice et d'une bride en polymère isolant. La fabrication de la traversée étanche peut être réalisée avec un procédé permettant de garantir l'absence de ligne de fuite électrique avec un taux de fiabilité très élevé. Dans une réalisation préférée, cette fabrication est réalisée par surmoulage ou thermoformage autour du conducteur avec le matériau isolant. Les conditions de surmoulage sont définies de telle sorte que la fiabilité long terme est garantie pour un profil de mission donné (température, pression, contraintes mécaniques, etc). Dans une réalisation préférée, le matériau utilisé pour la bride est le même matériau que celui que l'on utilise pour le boîtier. Dans une autre réalisation préférée, la liaison électriquement conductrice peut être flexible, soit constituée d'une piste extrêmement fine, soit constituée d'un conducteur multibrin. Preferably, the sealed feedthroughs are produced separately. A sealed feedthrough may be composed of at least one electrically conductive connection and an insulating polymer flange. The production of the sealed feedthrough may be carried out using a method that guarantees the absence of electrical creepage with a very high reliability rate. In a preferred embodiment, this production is carried out by overmolding or thermoforming around the conductor with the insulating material. The overmolding conditions are defined such that long-term reliability is guaranteed for a given mission profile (temperature, pressure, mechanical stresses, etc.). In a preferred embodiment, the material used for the flange is the same material as that used for the housing. In another preferred embodiment, the connection Electrically conductive can be flexible, either made of an extremely thin track, or made of a multi-stranded conductor.
On observe que par rapport à une traversée étanche conventionnelle à base de céramique comme isolant et une bride métallique par exemple, la bride ici est à la fois l'objet assurant l'étanchéité, l'isolation électrique et la continuité de matière. Une fonction supplémentaire d'absorption de l'action mécanique externe est assurée par la traversée étanche. La partie céramique a été éliminée, ce qui réduit les coûts de fabrication et améliore la robustesse à long terme du dispositif. It is observed that compared to a conventional sealed feedthrough based on ceramic as an insulator and a metal flange for example, the flange here is both the object ensuring sealing, electrical insulation and material continuity. An additional function of absorbing external mechanical action is provided by the sealed feedthrough. The ceramic part has been eliminated, which reduces manufacturing costs and improves the long-term robustness of the device.
Avantageusement et en complément de tout ce qui précède, on peut prévoir au moins un deuxième élément conducteur dans une même traversée étanche ou bien dans une autre traversée étanche. Les deux conducteurs peuvent constituer un dipôle apte à supporter une tension électrique DC et à conduire un courant électrique DC. Advantageously and in addition to all of the above, at least one second conductive element may be provided in the same sealed feedthrough or in another sealed feedthrough. The two conductors may constitute a dipole capable of supporting a DC electrical voltage and conducting a DC electrical current.
Selon l'invention, l'un au moins des éléments électriquement conducteurs est contenu dans un conducteur multibrin recouvert de au moins une gaine de protection électriquement isolante en matériau polymère. Cette solution peut être utilisée soit au niveau de la traversée étanche, auquel cas la gaine de protection est également la bride et une partie du boitier électriquement isolant, soit prolonger une traversée étanche à l'extérieur du dispositif électronique. On s'assurera alors d'assembler la gaine de protection électriquement isolante en matériau polymère du câble avec la bride électriquement isolante en matériau polymère de la traversée étanche sans introduire de ligne de fuite électrique, selon un procédé qui est décrit plus loin. According to the invention, at least one of the electrically conductive elements is contained in a multi-strand conductor covered with at least one electrically insulating protective sheath made of polymer material. This solution can be used either at the sealed feedthrough, in which case the protective sheath is also the flange and a part of the electrically insulating housing, or extend a sealed feedthrough to the outside of the electronic device. It will then be ensured that the electrically insulating protective sheath made of polymer material of the cable is assembled with the electrically insulating flange made of polymer material of the sealed feedthrough without introducing an electrical creepage distance, according to a method which is described later.
Selon l'invention, au moins un des composants électroniques du dispositif est une bobine auto-inductive destinée à recevoir ou à émettre de l'information et/ou de l'énergie par couplage magnétique avec un dispositif situé à l'extérieur du boitier électriquement isolant en matériau polymère ; la bobine auto-inductive étant enfouie dans ledit au moins un circuit imprimé. According to the invention, at least one of the electronic components of the device is a self-inductive coil intended to receive or emit information and/or energy by magnetic coupling with a device located outside the electrically insulating housing made of polymer material; the self-inductive coil being buried in said at least one printed circuit.
Selon l'invention, le boitier électriquement isolant en matériau polymère contient au moins un trou traversant le boitier électriquement isolant en matériau polymère de part en part ; le trou étant réalisé de telle sorte qu'il n'introduit aucune ligne de fuite électrique. La réalisation de ce trou est permise par les techniques d'assemblages du boitier décrite plus loin. L'ajout d'un trou de part en part dans un boitier étanche est une fonctionnalité intéressante pour de nombreuses applications. Cette fonctionnalité est plus difficile à réaliser avec un boitier en titane, ce qui fait que l'on ne la rencontre pas dans les produits actuellement disponibles. On peut par exemple facilement fixer un dispositif médical implantable actif dans un corps humain à l'aide de sutures sur les tissus du patient à travers ces trous. Cela présente un avantage considérable pour maintenir en position le dispositif. On peut également utiliser un tel trou dans le boitier électriquement isolant afin d'y faire passer un conducteur électrique de haute tension dans le dispositif, tout en assurant son isolation. Cela permet par exemple de réaliser un capteur de courant isolé galvaniquement. On peut également utiliser un tel trou pour faire transiter des substances chimiques ou biologiques à travers le dispositif électronique, par exemple pour réaliser un diagnostic biomédical in vivo ou in vitro. According to the invention, the electrically insulating housing made of polymer material contains at least one hole passing through the electrically insulating housing made of polymer material from one side to the other; the hole being made in such a way that it does not introduce any electrical creepage line. The production of this hole is made possible by the housing assembly techniques described below. The addition of a hole The ability to seal the device completely in a sealed enclosure is an attractive feature for many applications. This feature is more difficult to achieve with a titanium enclosure, so it is not found in currently available products. For example, an active implantable medical device can be easily fixed in a human body using sutures on the patient's tissue through these holes. This has a considerable advantage in holding the device in position. Such a hole can also be used in the electrically insulating enclosure to pass a high-voltage electrical conductor into the device, while ensuring its insulation. This allows, for example, the creation of a galvanically isolated current sensor. Such a hole can also be used to pass chemical or biological substances through the electronic device, for example, to perform in vivo or in vitro biomedical diagnostics.
On réalise un trou sans introduire aucune ligne de fuite électrique entre l'intérieur et l'extérieur du boitier au niveau de ce trou. Pour ce faire, on assure une continuité de matière ou bien une soudure sans discontinuité de matière. On peut également réaliser un collage avec adhérence chimique sans ligne de fuite. La ligne de fuite électrique peut être caractérisée par la possibilité pour une substance ionique (chargée) de suivre la ligne sous l'action d'un champ électrique continu. Éviter toute ligne de fuite électrique revient à assurer une isolation électrique même en présence de polluants et/ou de solvants. A hole is made without introducing any electrical creepage path between the inside and the outside of the case at the level of this hole. To do this, we ensure continuity of material or a weld without discontinuity of material. We can also carry out a bonding with chemical adhesion without creepage path. The electrical creepage path can be characterized by the possibility for an ionic (charged) substance to follow the line under the action of a continuous electric field. Avoiding any electrical creepage path amounts to ensuring electrical insulation even in the presence of pollutants and/or solvents.
Selon l'invention, ledit au moins un circuit imprimé comprend au moins deux bobines auto-inductives sensiblement identiques et enfouies dans ledit au moins un circuit imprimé. Elles peuvent également être enfouies respectivement dans deux circuits imprimés rigides, reliés entre eux par des PCB flexibles tels que décrit plus haut. L'intérêt de ces deux bobines auto-inductives sensiblement identiques se comprend dans la réalisation de certains systèmes de transfert d'énergie ou bien de capteurs magnétiques. En combinaison avec la présence d'un trou de part en part, qui peut traverser au moins une des deux bobines autoinductives, on peut par exemple réaliser un système de diagnostic biomédical à Effet Néel® tel que décrit par exemple dans US-20180188206-A1 ou bien US- 20240036125-A1. According to the invention, said at least one printed circuit comprises at least two substantially identical self-inductive coils buried in said at least one printed circuit. They can also be buried respectively in two rigid printed circuits, connected to each other by flexible PCBs as described above. The interest of these two substantially identical self-inductive coils is understood in the production of certain energy transfer systems or magnetic sensors. In combination with the presence of a hole from one side to the other, which can pass through at least one of the two self-inductive coils, it is possible for example to produce a biomedical diagnostic system with the Néel Effect® as described for example in US-20180188206-A1 or US- 20240036125-A1.
Par « sensiblement identique » on entend une différence d'inductance entre ces au moins deux bobines auto-inductive inférieure à 5%, 2%, voire 1%. Des mesures de courant électrique, notamment différentielles, peuvent être réalisées en passant l'objet à mesurer à travers le trou ou en le posant à proximité d'une des deux bobines. On peut ainsi mesurer une composante alternative ou transitoire d'un courant électrique, avec une technologie classique de type Rogowski (transformateur à air). Mais on peut également chercher à mesurer la composante continue (DC) dudit courant électrique. By "substantially identical" we mean a difference in inductance between these at least two self-inductive coils of less than 5%, 2% or even 1%. Electrical current measurements, particularly differential measurements, can be made by passing the object to be measured through the hole or by placing it near one of the two coils. In this way, an alternating or transient component of an electrical current can be measured using conventional Rogowski-type technology (air transformer). However, it is also possible to measure the direct current (DC) component of said electrical current.
Selon l'invention, ledit au moins un circuit imprimé comprend un matériau composite superparamagnétique ; le matériau composite superparamagnétique étant enfoui totalement dans ledit au moins un circuit imprimé. Ce type de matériau est particulièrement utile pour la réalisation de capteurs de champ magnétique DC ou bien de courants électriques DC, selon la technologie baptisée Effet Néel® et décrite dans US-20180080961-A1 ou US-20200011900-A1. L'invention permet en effet de réaliser ce type de capteurs avec de grands avantages en termes de compacité et de haute fiabilité. According to the invention, said at least one printed circuit comprises a superparamagnetic composite material; the superparamagnetic composite material being completely buried in said at least one printed circuit. This type of material is particularly useful for producing DC magnetic field sensors or DC electric current sensors, according to the technology called Néel Effect® and described in US-20180080961-A1 or US-20200011900-A1. The invention makes it possible to produce this type of sensor with great advantages in terms of compactness and high reliability.
Selon l'invention, au moins un des composants électroniques est une bobine auto-inductive planar totalement enfouie dans le circuit imprimé et réalisée par un arrangement des pistes du circuit imprimé. L'intérêt de réaliser des bobines auto-inductive planar en PCB est bien connu de l'homme de l'art : cela permet d'avoir une excellente reproductibilité et répétabilité ainsi qu'une extrême compacité. De telles avantages sont particulièrement utiles pour maîtriser par exemple des fréquences de résonances propres à de multiples applications lorsque la bobine auto-inductive est couplée avec un condensateur de résonance, ou bien pour réaliser une paire de bobines auto-inductives sensiblement identiques. According to the invention, at least one of the electronic components is a planar self-inductive coil completely buried in the printed circuit and produced by an arrangement of the tracks of the printed circuit. The advantage of producing planar self-inductive coils in PCB is well known to those skilled in the art: this allows for excellent reproducibility and repeatability as well as extreme compactness. Such advantages are particularly useful for controlling, for example, resonance frequencies specific to multiple applications when the self-inductive coil is coupled with a resonance capacitor, or for producing a pair of substantially identical self-inductive coils.
Selon l'invention, ledit au moins un circuit imprimé peut lui-même être en un matériau identique au matériau du boitier électriquement isolant. On pense dans un premier temps à réutiliser des technologies classiques de PCB (par exemple en matrice époxyde) et à ajouter une encapsulation dans un boitier en époxy. Mais la présente invention vise à utiliser le meilleur matériau possible pour réaliser toutes les fonctions et cet avantage peut être atteint en utilisant préférentiellement un boitier en PEK comme cela est décrit ci-après. La partie isolante du circuit imprimé peut alors être réalisée tout ou en partie en PEK, ce qui permet en fait d'avoir un dispositif électronique dans lequel le circuit imprimé et le boitier électriquement isolant ne font qu'un. La solution selon l'invention permet de rendre « intelligent » un quelconque dispositif implantable purement mécanique dans la mesure où il est désormais possible d'y intégrer des moyens de communications à distance et des moyens d'alimentation par radiofréquence. Un quelconque dispositif implantable est par exemple une prothèse de genou, de fémur, de vertèbres ou de tout autre type de prothèse. Il n'y a aucun contact électrique entre l'électronique enfouie et le milieu extérieur du boîtier. Cette solution permet également de rendre « intelligente » une structure purement mécanique (par exemple une aile d'avion ou un parechoc de voiture) en intégrant des capteurs télé-alimentés et une électronique directement dans ladite structure. According to the invention, said at least one printed circuit can itself be made of a material identical to the material of the electrically insulating housing. Initially, it is considered to reuse conventional PCB technologies (for example in epoxy matrix) and to add encapsulation in an epoxy housing. But the present invention aims to use the best possible material to perform all the functions and this advantage can be achieved by preferentially using a PEK housing as described below. The insulating part of the printed circuit can then be made entirely or partly of PEK, which in fact makes it possible to have an electronic device in which the printed circuit and the electrically insulating housing are one. The solution according to the invention makes it possible to make any purely mechanical implantable device "intelligent" since it is now possible to integrate remote communication means and radiofrequency power supply means. Any implantable device is, for example, a knee, femur, vertebrae or any other type of prosthesis. There is no electrical contact between the buried electronics and the external environment of the housing. This solution also makes it possible to make a purely mechanical structure (for example, an airplane wing or a car bumper) "intelligent" by integrating remotely powered sensors and electronics directly into said structure.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le matériau polymère peut être constitué en tout ou partie d'un polymère de la famille des polyéthercétones (PEK), des polyaryléthercétones (PAEK) ou des polyétheréthercétones (PEEK). According to an advantageous characteristic of the invention, the polymer material may consist in whole or in part of a polymer from the family of polyetherketones (PEK), polyaryletherketones (PAEK) or polyetheretherketones (PEEK).
L'utilisation d'un polymère PEK permet de réaliser toutes les fonctions telles que l'isolation électrique, le maintien mécanique et l'absorption des actions mécaniques, l'étanchéité, la mise en forme avec ou sans trous et la biocompatibilité. Un polymère PEK présente également un niveau de fiabilité éprouvé supérieur à d'autres solutions en termes de température de fusion élevée, comportement thermoplastique, ductilité, dureté, élasticité sur une certaine plage de déformation, etc. En particulier, le PEK permet d'atteindre une épaisseur de matière minimale, ce qui permet d'améliorer le niveau d'intégration, sans dégrader les autres caractéristiques nécessaires à l'isolation. Le polymère peut être un polyéthercétone, un polyaryléthercétone (PAEK) ou un polyétheréthercétone (PEEK). The use of a PEK polymer allows for all functions such as electrical insulation, mechanical retention and absorption of mechanical actions, sealing, shaping with or without holes and biocompatibility. A PEK polymer also has a proven level of reliability superior to other solutions in terms of high melting temperature, thermoplastic behavior, ductility, hardness, elasticity over a certain deformation range, etc. In particular, PEK allows for a minimum material thickness, which improves the level of integration, without degrading the other characteristics necessary for insulation. The polymer can be a polyetherketone, a polyaryletherketone (PAEK) or a polyetheretherketone (PEEK).
Selon l'état de l'art, pour une géométrie et un design donnés et répétables, la constante de temps caractéristique de la probabilité d'apparition d'un défaut (« time to failure » en anglais), suit la loi d'Arrhenius. Cette loi empirique contient des paramètres (facteur proportionnel ou facteur exponentiel d'une énergie d'activation) qui dépendent des choix de design. La vitesse d'apparition des défauts varie exponentiellement avec la température. Ainsi, il est possible lors d'une étape de qualification d'accélérer le processus de vieillissement en augmentant la température. On comprend alors le double intérêt d'utiliser des matériaux haute température comme les polymères PEK. Ils permettent à la fois d'améliorer la fiabilité car eux-mêmes sont moins sujets aux effets de vieillissement et ils permettent de réaliser des essais de vieillissement accéléré lors du développement et de la qualification du design si celui-ci est répétable. According to the state of the art, for a given and repeatable geometry and design, the characteristic time constant of the probability of a defect appearing ("time to failure" in English), follows the Arrhenius law. This empirical law contains parameters (proportional factor or exponential factor of an activation energy) which depend on the design choices. The speed of appearance of defects varies exponentially with the temperature. Thus, it is possible during a qualification step to accelerate the aging process by increasing the temperature. We then understand the double interest of using high-temperature materials such as PEK polymers. They both improve reliability because they are less subject to aging effects and allow accelerated aging tests to be carried out during design development and qualification if the design is repeatable.
Avec une bride de la traversée étanche en polymère tel que décrit ci-dessus, il est ainsi possible d'assembler la bride de chacune des traversée étanches sur le boitier électriquement isolant, par exemple par soudage laser, en éliminant toute ligne de fuite électrique. Pour cela on peut soit utiliser des matériau polymères capables d'absorber l'énergie du laser (naturellement ou grâce à l'ajout de charges spécifiques), soit utiliser une combinaison de deux matériaux polymères sensiblement identiques dont un seul est apte à absorber l'énergie du laser, comme cela est décrit ci-après. On peut alors souder la bride de la traversée étanche sur le boitier électriquement isolant soit par grappage (échauffement simultané des deux pièces dans un volume donné), soit par transparence (échauffement sur une surface, à l'interface entre les deux pièces). With a polymer flange of the sealed feedthrough as described above, it is thus possible to assemble the flange of each of the sealed feedthroughs on the electrically insulating housing, for example by laser welding, eliminating any electrical creepage path. For this, one can either use polymer materials capable of absorbing the laser energy (naturally or through the addition of specific fillers), or use a combination of two substantially identical polymer materials, only one of which is capable of absorbing the laser energy, as described below. The flange of the sealed feedthrough can then be welded to the electrically insulating housing either by clustering (simultaneous heating of the two parts in a given volume), or by transparency (heating on a surface, at the interface between the two parts).
Avec une couche de finition protectrice électriquement isolante en polymère tel que décrit ci-dessus, il est également possible d'assurer une parfaite liaison entre le circuit imprimé flexible et le boitier électriquement isolant, par exemple par soudage laser entre la couche de finition protectrice électriquement isolante et le boitier isolant. On comprend qu'il est alors possible d'utiliser un tel circuit imprimé flexible en tant que traversée étanche. A nouveau, le procédé peut reposer soit sur la technique du grappage, soit sur la technique de la soudure par transparence en fonction de la configuration mécanique du dispositif. With an electrically insulating protective topcoat made of polymer as described above, it is also possible to ensure a perfect connection between the flexible printed circuit and the electrically insulating housing, for example by laser welding between the electrically insulating protective topcoat and the insulating housing. It is understood that it is then possible to use such a flexible printed circuit as a sealed feedthrough. Again, the process can be based either on the clustering technique or on the transparency welding technique depending on the mechanical configuration of the device.
Avec une gaine de protection électriquement isolante en polymère tel que décrit ci-dessus, il est possible d'assurer une parfaite liaison entre la gaine de protection électriquement isolante et le boitier électriquement isolant ou bien la bride d'une traversée étanche, par exemple par soudage laser. A nouveau, le procédé peut reposer soit sur la technique du grappage, soit sur la technique de la soudure par transparence en fonction de la configuration mécanique du dispositif. With an electrically insulating polymer sheath as described above, it is possible to ensure a perfect connection between the electrically insulating protective sheath and the electrically insulating housing or the flange of a sealed feedthrough, for example by laser welding. Again, the process can be based either on the cluster technique or on the transparency welding technique depending on the mechanical configuration of the device.
Avec un isolant d'une partie au moins du circuit imprimé en polymère tel que décrit ci-dessus, le circuit imprimé lui-même est apte à réaliser le boîtier électriquement isolant en matériau polymère. Cette technologie est ultra compacte puisqu'il n'y a plus qu'un seul objet unique, PCB et boitier. La couche de finition d'un tel boitier peut être réalisée par soudage laser de feuilles de polymère de la famille des polyéthercétones (PEK), un polyaryléthercétones (PAEK) ou un polyétheréthercétone (PEEK), par la technique dite de grappage. With an insulator of at least part of the polymer printed circuit as described above, the printed circuit itself is able to produce the electrically insulating housing made of polymer material. This technology is ultra-compact since there is only one single object, PCB and housing. The layer The finishing of such a case can be carried out by laser welding of polymer sheets from the polyetherketone (PEK) family, a polyaryletherketone (PAEK) or a polyetheretherketone (PEEK), using the so-called clustering technique.
Les assemblages décrits ci-dessus peuvent être combinés dans un même dispositif et réalisés séquentiellement, par exemple en commençant au niveau du circuit imprimé rigide, puis flexible, puis de la traversée étanche, puis du boitier électriquement isolant, puis de la gaine du câble. On dispose alors d'une technologie extrêmement versatile capable de réaliser des formes de dispositifs électroniques à haute fiabilité long terme très divers. The assemblies described above can be combined in a single device and made sequentially, for example starting with the rigid printed circuit, then the flexible one, then the sealed feedthrough, then the electrically insulating housing, then the cable sheath. This provides an extremely versatile technology capable of producing very diverse forms of electronic devices with high long-term reliability.
Selon l'invention, le boitier électriquement isolant en matériau polymère peut comprendre au moins une partie en résine époxy. Un tel matériau a l'avantage d'être simple à mettre en œuvre. La résine peut être utilisée soit pour coller deux pièces du boitier électriquement isolant en matériau polymère, soit pour enrober un élément électriquement conducteur afin de constituer une barrière électrochimique. Il est préférable dans ce cas de ne pas placer d'éléments électriquement conducteur sur une même surface, par exemple d'un PCB, ce qui générerait des lignes de fuites électriques. Cette solution présente l'avantage de sa simplicité de mise en œuvre mais n'est pas la meilleur car l'époxy est un matériau polymère thermodure qui n'est pas apte à absorber les actions mécaniques à très long terme. According to the invention, the electrically insulating housing made of polymer material may comprise at least one part made of epoxy resin. Such a material has the advantage of being simple to implement. The resin can be used either to bond two parts of the electrically insulating housing made of polymer material, or to coat an electrically conductive element in order to constitute an electrochemical barrier. In this case, it is preferable not to place electrically conductive elements on the same surface, for example a PCB, which would generate electrical leakage lines. This solution has the advantage of its simplicity of implementation but is not the best because epoxy is a thermoset polymer material which is not capable of absorbing mechanical actions in the very long term.
Selon l'invention, le matériau polymère peut comprendre du silicone ou du polyéthylène à ultra haut poids moléculaire (UHMWPE pour « ultra-high- molecular-weight polyethylene » en anglais). Ce dernier présente une température de fusion plus faible que celle des PEK (<136°C) et peut être inférieure à la température maximale acceptable par l'électronique enfouie. Remarquons que, en contrepartie, le UHMWPE est moins fiable que le PEK sur le très long terme. According to the invention, the polymer material may comprise silicone or ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHMWPE). The latter has a lower melting temperature than PEK (<136°C) and may be lower than the maximum temperature acceptable for embedded electronics. Note that, on the other hand, UHMWPE is less reliable than PEK over the very long term.
Selon l'invention, le boitier électriquement isolant peut comprendre au moins deux parties distinctes dont les matériaux polymères sont de sensiblement même composition chimique mais dont l'une est chargée d'une substance lui permettant de présenter un taux d'absorption de l'énergie d'un laser au moins 10 fois supérieur à l'autre, voire 100 fois supérieur à l'autre, voire 1000 fois supérieur à l'autre partie. Par « sensiblement même composition » on peut entendre ici une même composition chimique, sauf que l'on rajoute une charge dans une des deux parties. According to the invention, the electrically insulating housing may comprise at least two distinct parts whose polymer materials are of substantially the same chemical composition but one of which is charged with a substance enabling it to have a laser energy absorption rate of at least 10 times greater than the other, or even 100 times greater than the other, or even 1000 times greater than the other part. By "substantially the same composition" we can mean here the same chemical composition, except that a charge is added to one of the two parts.
Le taux de charge en masse de la substance absorbante peut être inférieur ou égal à 1%, voire inférieur à 0,1%, voire inférieur à 100 ppm. The mass loading rate of the absorbent substance may be less than or equal to 1%, or even less than 0.1%, or even less than 100 ppm.
Ce taux de charge du matériau doit être inférieur au taux au-delà duquel il y a percolation électrique, car le matériau deviendrait alors électriquement résistant, voire électriquement conducteur et non plus électriquement isolant. Les propriétés mécaniques plastiques seraient également altérées. This charge rate of the material must be lower than the rate beyond which there is electrical percolation, because the material would then become electrically resistant, or even electrically conductive and no longer electrically insulating. The plastic mechanical properties would also be altered.
Un matériau polymère de la famille des polyéthercétones (PEK), ou plus précisément des polyaryléthercétones (PAEK) faiblement chargé de carbone a pour objet : A polymer material from the polyetherketone (PEK) family, or more precisely polyaryletherketone (PAEK) with a low carbon content, is intended to:
- la conservation des propriétés chimiques, mécaniques et thermiques exceptionnelles, - the preservation of exceptional chemical, mechanical and thermal properties,
- la conservation des propriétés électriques de type « isolant », et - the conservation of “insulating” type electrical properties, and
- l'augmentation significative de l'absorption d'une onde électromagnétique dans la bande infra rouge ou proche infrarouge ce qui facilite les opérations de soudage. - the significant increase in the absorption of an electromagnetic wave in the infrared or near infrared band which facilitates welding operations.
De préférence, la substance absorbante est du carbone pur et amorphe, sous la forme dite de « noir de carbone ». Des pigments colorés peuvent également être utilisés, comme cela est connu de l'homme de l'art. Cependant, le noir de carbone permet d'augmenter le taux d'absorption d'un laser avec un taux de charge massique minimal, ce qui permet de moins dégrader les performances intrinsèques exceptionnelles du PEK. Preferably, the absorbing substance is pure, amorphous carbon, in the form known as "carbon black." Colored pigments may also be used, as is known to those skilled in the art. However, carbon black allows the absorption rate of a laser to be increased with a minimal mass loading rate, thereby reducing the exceptional intrinsic performance of PEK.
Le boîtier électriquement isolant en matériau polymère peut être réalisé par surmoulage. En effet, afin d'assurer la continuité de matière du boîtier électriquement isolant en matériau polymère nécessaire à l'absence de ligne de fuite électrique, on peut procéder par surmoulage en prenant soin de ne pas dépasser la température maximale que peut supporter l'électronique enfouie, de l'ordre de 175°C pendant quelques minutes. Le boîtier électriquement isolant en matériau polymère peut également être réalisé par impression 3D. Mais de façon préférentielle, le boitier électriquement isolant est réalisé par soudage de plusieurs ensembles, par exemple deux parties ou deux demi-coques. Chacune des parties peut être réalisée sans discontinuité de matière par injection sous pression à l'aide de moules ou par compression à basse température. L'une des deux parties peut être transparente au laser, i.e. qu'elle n'absorbe pas l'énergie d'un faisceau laser. C'est par exemple le cas d'un polymère de la famille des polyéthercétones (PEK), des polyaryléthercétones (PAEK) ou des polyétheréthercétones (PEEK) dit « naturel », pour des longueurs d'onde de l'ordre de lpm et en tout état de cause inférieures à 2pm. Ainsi, le faisceau laser peut traverser cette partie du boitier sans l'échauffer. Évidemment, de façon préférentielle l'autre partie du boitier est apte à absorber la puissance du faisceau laser. C'est le cas par exemple d'un polymère de la famille des polyéthercétones (PEK), des polyaryléthercétones (PAEK) ou des polyétheréthercétones (PEEK) dit « chargée », pour des longueurs d'onde de l'ordre de lpm. Ainsi, est-il possible de réaliser une parfaite soudure laser à l'interface entre les deux parties, l'une dite « naturelle » et l'autre dite « chargée ». The electrically insulating polymer housing can be made by overmolding. Indeed, in order to ensure the material continuity of the electrically insulating polymer housing necessary for the absence of electrical creepage, it is possible to proceed by overmolding, taking care not to exceed the maximum temperature that the buried electronics can withstand, of the order of 175°C for a few minutes. The electrically insulating polymer housing can also be made by 3D printing. But preferably, the electrically insulating housing is made by welding several assemblies, for example two parts or two half-shells. Each of the parts can be made without discontinuity of material by injection under pressure using molds or by compression at low temperature. One of the two parts can be transparent to the laser, i.e. it does not absorb the energy of a laser beam. This is for example the case of a polymer from the family of polyetherketones (PEK), polyaryletherketones (PAEK) or polyetheretherketones (PEEK) called "natural", for wavelengths of the order of lpm and in any case less than 2pm. Thus, the laser beam can pass through this part of the housing without heating it. Obviously, preferably the other part of the housing is able to absorb the power of the laser beam. This is the case, for example, of a polymer from the family of polyetherketones (PEK), polyaryletherketones (PAEK) or polyetheretherketones (PEEK) called "charged", for wavelengths of the order of lpm. Thus, it is possible to achieve a perfect laser weld at the interface between the two parts, one called "natural" and the other called "charged".
L'intérêt considérable de cette technique est de permettre la soudure laser dans des endroits inaccessibles, par exemple à l'interface entre les deux parties superposées en bordure de dispositif pour une traversée étanche, ou bien en bordure d'un trou à l'intérieur du boitier. The considerable interest of this technique is to allow laser welding in inaccessible places, for example at the interface between the two superimposed parts at the edge of the device for a sealed crossing, or at the edge of a hole inside the case.
L'autre technique de soudage laser, consiste à utiliser deux parties sensiblement identiques et absorbantes et de les chauffer simultanément dans leur volume sous l'action d'un laser. Cette technique dite de grappage permet de réaliser d'excellente soudure dans le volume mais proche de la surface externe des parties assemblées. The other laser welding technique involves using two substantially identical and absorbent parts and heating them simultaneously in their volume under the action of a laser. This technique, called clustering, allows for excellent welding in the volume but close to the external surface of the assembled parts.
De façon préférentielle, dans tous les cas, la partie inférieure sera donc la partie chargée et on pourra concevoir préférentiellement des brides de la traversée étanche en polymère, et/ou la couche de finition protectrice électriquement isolante et/ou la gaine isolante du conducteur multibrin en polymère chargé en vue de les assembler par soudage laser. Preferably, in all cases, the lower part will therefore be the loaded part and it will be possible to preferentially design the flanges of the sealed polymer crossing, and/or the electrically insulating protective finishing layer and/or the insulating sheath of the multi-strand conductor in loaded polymer with a view to assembling them by laser welding.
De façon préférentielle, le boitier isolant peut être réalisé par injection ou compression simultanée des deux matériaux, l'un « naturel » transparent au laser et l'autre « chargé », absorbant au laser afin de constituer des zones de soudure localisée avec l'une des deux techniques. Par exemple, il peut être intéressant de placer une zone transparente à l'extérieur d'une bride de traversée étanche, ou bien d'une protection de PCB flexible, ou bien d'une gaine de protection de câble (étant elles-mêmes absorbantes). Preferably, the insulating housing can be made by simultaneous injection or compression of the two materials, one "natural" transparent to the laser and the other "charged", absorbing to the laser in order to constitute localized welding zones with one of the two techniques. For example, it may be interesting to place a transparent zone outside a sealed crossing flange, or either flexible PCB protection, or a cable protection sheath (themselves being absorbent).
De manière générale, tout ou partie des éléments en matériau polymère est assemblé par soudage laser. Generally, all or part of the polymer material elements are assembled by laser welding.
A titre d'exemple, le dispositif peut être biocompatible pour une application en tant que dispositif médical implantable actif. Cela signifie que par exemple un boîtier électriquement isolant en matériau polymère ainsi que les éléments électriquement conducteurs des éventuelles traversées étanches sont biocompatibles. For example, the device may be biocompatible for application as an active implantable medical device. This means that, for example, an electrically insulating housing made of polymer material and the electrically conductive elements of any sealed feedthroughs are biocompatible.
Il est ainsi prévu une application de ce dispositif pour un transfert d'énergie transcutané, le dispositif médical implantable actif étant apte à capter une énergie électromagnétique fournie par une source extracorporelle sans aucune liaison percutanée. An application of this device is thus provided for transcutaneous energy transfer, the active implantable medical device being capable of capturing electromagnetic energy supplied by an extracorporeal source without any percutaneous connection.
Il est également prévu une application du dispositif selon l'invention pour une mesure sans contact d'une masse de matériau superparamagnétique dans le cadre d'un diagnostic biomédical rapide in vivo ou in vitro. An application of the device according to the invention is also provided for contactless measurement of a mass of superparamagnetic material in the context of rapid in vivo or in vitro biomedical diagnosis.
Il est également prévu une application du dispositif selon l'invention pour une mesure de champ magnétique DC ou de courant électrique DC, dans laquelle on réalise une mesure sans contact de au moins la composante statique d'un champ magnétique. An application of the device according to the invention is also provided for measuring a DC magnetic field or DC electric current, in which a contactless measurement of at least the static component of a magnetic field is carried out.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : Other advantages and characteristics of the invention will appear on examining the detailed description of a non-limiting embodiment, and the appended drawings, in which:
[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif électronique comprenant des composants électroniques et des éléments électriquement conducteurs totalement enfouis dans un circuit imprimé et un boîtier électriquement isolant composé de deux parties assemblées, l'une naturelle qui est transparente au laser et l'autre chargée qui absorbe l'énergie du laser selon l'invention, [Fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective schématique de lignes de fuite électriques et de lignes de dégagement sur un circuit imprimé classique,[Fig. 1] Figure 1 is a schematic sectional view of an electronic device comprising electronic components and electrically conductive elements completely buried in a printed circuit and an electrically insulating housing composed of two assembled parts, one natural which is transparent to the laser and the other charged which absorbs the energy of the laser according to the invention, [Fig. 2] Figure 2 is a schematic perspective view of electrical creepage lines and clearance lines on a typical printed circuit board,
[Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique en coupe illustrant un élément électriquement conducteur et une traversée étanche tous deux partiellement enfouis dans le circuit imprimé selon l'invention, la bride isolante de la traversée étanche étant soudée par l'extérieur sur le boitier électriquement isolant sans lignes de fuites électrique, [Fig. 3] Figure 3 is a schematic sectional view illustrating an electrically conductive element and a sealed feedthrough both partially buried in the printed circuit according to the invention, the insulating flange of the sealed feedthrough being welded from the outside onto the electrically insulating housing without electrical leakage lines,
[Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en coupe d'un PCB Flex utilisé comme traversée étanche selon l'invention, et [Fig. 4] Figure 4 is a schematic sectional view of a Flex PCB used as a sealed feedthrough according to the invention, and
[Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique en coupe d'un dispositif doté de trous selon l'invention. [Fig. 5] Figure 5 is a schematic sectional view of a device provided with holes according to the invention.
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. The embodiments which will be described below are in no way limiting; it will be possible in particular to implement variants of the invention comprising only a selection of characteristics described below isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art. This selection comprises at least one preferably functional characteristic without structural details, or with only a part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention compared to the state of the prior art.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont prévus pour être combinés entre eux dans toutes les combinaisons où rien ne s'y oppose sur le plan technique. In particular, all the variants and embodiments described are intended to be combined with each other in all combinations where there is no technical obstacle to this.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. In the figures, elements common to several figures retain the same reference.
Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va maintenant décrire un dispositif électronique doté d'un boîter à base de matériau isolant de la famille du polyéthercétone (PEK) ou plus précisément des polyaryléthercétones (PAEK). Although the invention is not limited thereto, we will now describe an electronic device equipped with a casing based on insulating material from the polyetherketone (PEK) family or more precisely polyaryletherketones (PAEK).
Sur la figure 1, on distingue globalement le dispositif électronique 1 selon l'invention. Le circuit imprimé 2 n'est pas uniquement un substrat sur lequel des composants électroniques sont installés, mais un matériau en volume dans lequel sont enfouis des composants électroniques 3 et des éléments électriquement conducteurs 4. In Figure 1, the electronic device 1 according to the invention can be seen overall. The printed circuit 2 is not only a substrate on which electronic components are installed, but a volume material in which electronic components 3 and electrically conductive elements 4 are buried.
Le circuit imprimé 2 est par exemple à base d'époxyde renforcée en fibre de verre type FR4, mais il pourrait être constitué de PAEK. Ce même matériau est utilisé à la fois comme support mécanique du circuit imprimé et également comme couche d'isolation de la surface du circuit imprimé en laissant les composants électroniques et les éléments conducteurs à l'intérieur et en contact direct entre le support et la couche d'isolation. Le fait d'utiliser le même matériau pour l'isolation et le support permet d'assurer lors de l'opération de laminage un accrochage entre les couches exempt de défaut de surface, et donc exempt de lignes de fuites électriques. Le laminage est utilisé pour un assemblage dans le volume. Il peut être complété à la surface par une technique de grappage par soudage laser. Printed circuit board 2 is for example based on FR4 type glass fiber reinforced epoxy, but it could be made of PAEK. This same material is used both as a mechanical support for the printed circuit board and also as an insulation layer for the surface of the printed circuit board, leaving the electronic components and conductive elements inside and in direct contact between the support and the insulation layer. Using the same material for the insulation and the support ensures during the lamination operation a bond between the layers free of surface defects, and therefore free of electrical leakage lines. Lamination is used for assembly in the volume. It can be completed on the surface by a laser welding clustering technique.
Dans l'exemple de la figure 1, tous les composants électroniques et tous les éléments conducteurs sont enfouis dans le volume du circuit imprimé 2. Mais on peut envisager de n'enfouir qu'une partie de ces éléments conducteurs. In the example of Figure 1, all the electronic components and all the conductive elements are buried in the volume of the printed circuit 2. But we can consider burying only part of these conductive elements.
La technologie pour enfouir des éléments dans un circuit imprimé est connue de l'homme du métier et a été initialement développée pour augmenter le degré d'intégration d'une électronique, mais sa fonction a été détournée ici puisqu'elle permet d'éliminer toute ligne de fuite électrique (« creepage » en anglais) et toute ligne de dégagement (« clearance » en anglais) telles que définies sur la figure 2. L'absence de lignes de fuites électrique est obtenue lorsque l'on a une continuité de matière tout autour d'un conducteur électrique. Lorsqu'il y a une interface entre deux matériaux différents, il faut s'assurer d'une adhérence chimique pour éviter cette ligne de fuite électrique, y compris après absorption d'un solvant. Cette adhérence est d'autant meilleure que les deux matériaux sont de natures chimiques sensiblement identiques. Le comportement mécanique du matériau doit également être pris en compte pour éviter les phénomènes de délamination lorsque le dispositif électronique est soumis à des contraintes mécaniques, en particulier de flexion. Il y a alors deux solutions complémentaires, l'une qui consiste à renforcer mécaniquement le substrat et l'autre qui consiste à rendre le substrat flexible. On utilise la première dans les PCB rigides dont le substrat est thermodure, la seconde dans les PCB flexibles dont le substrat est thermoplastique et les deux dans les circuits imprimés rigides flexibles ou PCB flex-rigid. On peut conserver un minimum de rigidité mécanique au niveau des composants électriques afin d'éviter de briser les soudures électriques de composants sur les éléments électriquement conducteurs. The technology for burying elements in a printed circuit board is known to those skilled in the art and was initially developed to increase the degree of integration of electronics, but its function has been diverted here since it makes it possible to eliminate any electrical creepage and any clearance lines as defined in Figure 2. The absence of electrical creepage lines is obtained when there is continuity of material all around an electrical conductor. When there is an interface between two different materials, chemical adhesion must be ensured to avoid this electrical creepage line, including after absorption of a solvent. This adhesion is all the better when the two materials are of substantially identical chemical natures. The mechanical behavior of the material must also be taken into account to avoid delamination phenomena when the electronic device is subjected to mechanical stresses, in particular bending. There are then two complementary solutions, one which consists of mechanically reinforcing the substrate and the other which consists of making the substrate flexible. The first is used in rigid PCBs with a thermoset substrate, the second in flexible PCBs with a thermoplastic substrate, and both in rigid-flexible printed circuits or flex-rigid PCBs. A minimum of mechanical rigidity can be maintained at the level of the electrical components to avoid breaking the electrical welds of components on electrically conductive elements.
Sur la figure 1, on distingue également un boîtier 5 qui enferme totalement, sans discontinuité de matière, le circuit imprimé 2. Un espace 52, par exemple avec de l'air, peut exister entre le boitier 5 et le circuit imprimé 2, notamment lorsque le circuit imprimé est maintenu par des plots. Cet espace peut ne pas exister totalement ou partiellement lorsque le boitier est par exemple obtenu par surmoulage. Le boîtier 5 est constitué d'un matériau isolant biocompatible tel que le polyéthercétone (PEK) ou plus précisément un polyaryléthercétone (PAEK) qui est un polymère thermoplastique que l'homme de l'art sait usiner, extruder ou injecter. On peut recouvrir l'ensemble comprenant le circuit imprimé, les composants électroniques et les éléments électriquement conducteurs par surmoulage du PEK à une température supérieure à la température de transition vitreuse et pendant une durée permettant de conserver l'intégrité de l'électronique du circuit imprimé. In Figure 1, there is also a housing 5 which completely encloses, without discontinuity of material, the printed circuit 2. A space 52, for example with air, may exist between the housing 5 and the printed circuit 2, in particular when the printed circuit is held by pads. This space may not exist totally or partially when the housing is for example obtained by overmolding. The housing 5 is made of a biocompatible insulating material such as polyetherketone (PEK) or more precisely a polyaryletherketone (PAEK) which is a thermoplastic polymer that a person skilled in the art knows how to machine, extrude or inject. The assembly comprising the printed circuit, the electronic components and the electrically conductive elements can be covered by overmolding with PEK at a temperature above the glass transition temperature and for a duration allowing the integrity of the electronics of the printed circuit to be preserved.
Le boîtier 5 a pour fonction d'apporter une seconde isolation et/ou un caractère biocompatible ou résistant chimiquement que le circuit imprimé 2 ne possède pas forcément, de servir de barrière contre tout polluant, de garantir l'isolation électrique entre le circuit imprimé et un utilisateur ou un équipement, et de permettre toute transmission d'énergie électromagnétique (communication radiofréquence et/ou transfert d'énergie) entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier. The function of the housing 5 is to provide a second insulation and/or a biocompatible or chemically resistant character that the printed circuit 2 does not necessarily possess, to serve as a barrier against any pollutant, to guarantee electrical insulation between the printed circuit and a user or equipment, and to allow any transmission of electromagnetic energy (radiofrequency communication and/or energy transfer) between the inside and the outside of the housing.
Selon l'invention, le boitier électriquement isolant comprend au moins deux parties 5A et 5B distinctes dont les matériaux polymères sont de sensiblement même composition chimique mais dont l'une est chargée d'une substance lui permettant de présenter un taux d'absorption de l'énergie d'un laser au moins 10 fois supérieur à l'autre, voire 100 fois supérieur à l'autre, voire 1000 fois supérieur à l'autre partie. According to the invention, the electrically insulating housing comprises at least two distinct parts 5A and 5B, the polymer materials of which are of substantially the same chemical composition, but one of which is charged with a substance enabling it to have a laser energy absorption rate at least 10 times greater than the other, or even 100 times greater than the other, or even 1000 times greater than the other part.
Selon l'invention, on peut atteindre ce résultat sans modifier les autres propriétés intrinsèques du matériau polymère lorsque le taux de charge en masse de la substance absorbante est inférieur ou égal à 1%, voire inférieur à 0,1%, voire inférieur à 100 ppm. According to the invention, this result can be achieved without modifying the other intrinsic properties of the polymer material when the mass loading rate of the absorbent substance is less than or equal to 1%, or even less than 0.1%, or even less than 100 ppm.
Selon l'invention, la substance absorbante est du noir de carbone qui présente un très fort pouvoir d'absorption. Il présente également l'avantage d'être le plus simple élément absorbant déjà présent dans la composition de la plupart des polymères, en particulier des PAEK. Les PAEK chargés en carbones sont réputés pour leur biocompatibilité. Il faut cependant prendre soin de ne pas trop charger le composite au risque de dégrader ces propriétés électriques, mécaniques ou chimiques. Le noir de carbone permet précisément d'atteindre cet objectif avec un taux de charge minimal. According to the invention, the absorbent substance is carbon black which has a very high absorption power. It also has the advantage of being the simplest absorbent element already present in the composition of most polymers, particularly PAEK. Carbon-filled PAEKs are renowned for their biocompatibility. However, care must be taken not to overfill the composite at the risk of degrading these electrical, mechanical, or chemical properties. Carbon black allows this objective to be achieved with a minimal loading rate.
La conception d'un boitier électriquement isolant à partir de deux parties 5A et 5B, par exemple une blanche (dite naturelle et transparente au laser) et une noire (chargée, absorbant le laser), dont les propriétés chimiques, électriques et mécaniques sont sensiblement identiques mais dont le taux d'absorption de l'énergie d'un laser est sensiblement différent, permet de façon avantageuse de réaliser un boitier robuste exempt de lignes de fuites électriques. Cette technique est connue de l'homme de l'art, elle consiste à plaquer la partie absorbante 5B à l'intérieur de la partie transparente 5A, puis d'illuminer l'interface à l'aide d'un faisceau laser. Le faisceau laser traverse la partie transparente sans échauffement et est absorbé à l'interface 5C entre les deux parties 5A et 5B. Le faisceau est en général de faible puissance (<lkW) et continu afin que l'énergie diffuse suffisamment au niveau de l'interface, réalisant alors un cordon de soudure parfaitement exempt de lignes de fuite électrique. The design of an electrically insulating housing from two parts 5A and 5B, for example a white one (called natural and transparent to the laser) and a black one (charged, absorbing the laser), whose chemical, electrical and mechanical properties are substantially identical but whose rate of absorption of the energy of a laser is substantially different, advantageously makes it possible to produce a robust housing free from electrical creepage lines. This technique is known to those skilled in the art, it consists of plating the absorbing part 5B inside the transparent part 5A, then illuminating the interface using a laser beam. The laser beam passes through the transparent part without heating and is absorbed at the interface 5C between the two parts 5A and 5B. The beam is generally of low power (<lkW) and continuous so that the energy diffuses sufficiently at the interface, thus producing a weld bead perfectly free from electrical creepage lines.
Sur la figure 2 est illustré un circuit imprimé conventionnel qui est un substrat plat isolant 6 sur lequel sont montées des éléments électriquement conducteur 7. Des polluants et/ou de la vapeur d'eau condensée peuvent se poser sur la surface du substrat plat isolant 6 et créer par leur présence des lignes de conductions non désirées entre des éléments électriquement conducteur 7, appelée lignes de fuites électriques. Pour réduire ce phénomène, des barrières 8 et des espacements 9 peuvent être réalisés sur un substrat pour rallonger la longueur des lignes de fuite électriques 10 et des lignes de dégagement 11. Une ligne de dégagement représente le chemin de plus courte distance dans l'air entre deux conducteurs. Une ligne de fuite électrique représente le chemin de plus courte distance le long d'une surface entre deux conducteurs. In Figure 2 is illustrated a conventional printed circuit which is a flat insulating substrate 6 on which electrically conductive elements 7 are mounted. Pollutants and/or condensed water vapor can settle on the surface of the flat insulating substrate 6 and create by their presence unwanted conduction lines between electrically conductive elements 7, called electrical creepage lines. To reduce this phenomenon, barriers 8 and spacings 9 can be made on a substrate to extend the length of the electrical creepage lines 10 and clearance lines 11. A clearance line represents the shortest distance path in the air between two conductors. An electrical creepage line represents the shortest distance path along a surface between two conductors.
Les barrières 8 et les espacements 9 ne sont pas suffisants pour éviter l'apparition à long terme de défauts en présence de polluants et/ou de solvants comme de l'eau et d'une tension de polarisation. La solution de la présente invention est d'enfouir l'ensemble des composants, actifs et passifs, et éléments électriquement conducteurs à l'intérieur du circuit imprimé. On utilise le même matériau tout autour des composants et des éléments électriquement conducteurs. Ainsi, les lignes de fuite électriques et les lignes de dégagement sont éliminées. Pour chaque paire de conducteur d'un circuit électrique, il n'existe ni ligne de dégagement ni ligne de fuite électrique. L'ajout d'un simple revêtement conforme en surface permet d'éliminer les lignes de dégagement mais pas les lignes de fuite électriques à cause de phénomènes de mauvaise adhésion à long terme à l'interface avec le substrat plat isolant 6. Le fait d'utiliser un même matériau que le substrat plat isolant 6 pour faire office de revêtement permet d'éliminer à la fois les lignes de dégagement et les lignes de fuite électriques. C'est en ce sens que l'on parle de continuité de matière, par exemple de FR4, au niveau du circuit imprimé 2 tel qu'illustré sur la figure 1. Dans ce cas, la continuité de matière du circuit imprimé 2 protège les éléments électriquement conducteurs 4 et les composants électroniques enfouis 3 de tous les phénomènes électrochimiques. Mais comme cette matière du circuit imprimé 2 n'est en général pas biocompatible, et/ou comme il faut assurer une double isolation électrique, la seule continuité de matière du circuit imprimé 2 ne suffit pas à garantir une fiabilité long terme. Il faut également une continuité de matière au niveau du boitier 5 de la figure 1, mais avec un matériau différent, par exemple du PAEK, isolant électrique, peu sensible aux agressions chimiques et biocompatible. Alors, la continuité de matière du boitier 5 protège les utilisateurs de tous risques électriques et/ou des relargages particulaires. Il faut remarquer que, lorsque le matériau PEK est plongé dans un solvant, par exemple de l'eau, pendant un temps très long, celui-ci va se charger en molécules d'eau sous forme gazeuses par un processus appelé diffusion de Fick. Le matériau est étanche mais non hermétique. Pourtant, l'absence de lignes de fuites électriques permet d'assurer un maintien de la performance d'isolation du PEK chargé d'eau et ainsi l'absence de phénomènes électrochimiques. Barriers 8 and spacings 9 are not sufficient to prevent the long-term occurrence of defects in the presence of pollutants and/or solvents such as water and a polarization voltage. The solution of the present The invention is to bury all the components, active and passive, and electrically conductive elements inside the printed circuit. The same material is used all around the components and electrically conductive elements. Thus, electrical creepage lines and clearance lines are eliminated. For each pair of conductors in an electrical circuit, there is neither clearance line nor electrical creepage line. The addition of a simple conformal coating on the surface makes it possible to eliminate clearance lines but not electrical creepage lines due to poor long-term adhesion phenomena at the interface with the insulating flat substrate 6. Using the same material as the insulating flat substrate 6 to act as a coating makes it possible to eliminate both clearance lines and electrical creepage lines. It is in this sense that we speak of continuity of material, for example FR4, at the level of the printed circuit 2 as illustrated in Figure 1. In this case, the continuity of material of the printed circuit 2 protects the electrically conductive elements 4 and the buried electronic components 3 from all electrochemical phenomena. But since this material of the printed circuit 2 is generally not biocompatible, and/or since double electrical insulation must be ensured, the continuity of material of the printed circuit 2 alone is not sufficient to guarantee long-term reliability. Continuity of material is also required at the level of the housing 5 of Figure 1, but with a different material, for example PAEK, an electrical insulator, not very sensitive to chemical attacks and biocompatible. Then, the continuity of material of the housing 5 protects users from all electrical risks and/or particulate releases. It should be noted that when PEK material is immersed in a solvent, for example water, for a very long time, it will become charged with water molecules in gaseous form by a process called Fick diffusion. The material is waterproof but not airtight. However, the absence of electrical leakage lines ensures that the insulation performance of water-charged PEK is maintained and thus the absence of electrochemical phenomena.
Lorsque l'on souhaite accéder à un potentiel électrique localisé à l'intérieur du PCB, par exemple au niveau d'un composant électronique, il faut alors être capable de sortir un élément électriquement conducteur sans introduire de ligne de fuite électrique. Pour cela, on peut utiliser une traversée étanche. La traversée étanche 12 de la figure 3 est réalisée pendant la fabrication du circuit imprimé 2 (elle pourrait également être assemblée a postériori sur une partie flexible du circuit imprimé). Dans ce procédé, la traversée étanche devient un composant qui est partiellement enfoui dans le circuit imprimé 2 puisque son élément électriquement conducteur reste accessible à l'extérieur. Dans ce cas, la traversée étanche 12 a en général une forme permettant de la souder au niveau du potentiel électrique auquel on souhaite accéder, par exemple par le procédé de soudage CMS (composant monté en surface). La liaison électriquement conductrice 13 s'étend depuis la piste 4 jusqu'à une extrémité à l'extérieur du boitier 51 en passant par le circuit imprimé 2 et la bride 14. Tous les éléments électriquement conducteurs restent totalement à l'intérieur du, encapsulés dans le, boitier. Seule la liaison électriquement conductrice traverse le boitier. When you want to access an electrical potential located inside the PCB, for example at the level of an electronic component, you must be able to remove an electrically conductive element without introducing an electrical creepage line. For this, you can use a sealed feedthrough. The sealed feedthrough 12 of Figure 3 is made during the manufacture of the printed circuit 2 (it could also be assembled a posteriori on a flexible part of the printed circuit). In this process, the sealed feedthrough becomes a component that is partially buried in the printed circuit 2 since its electrically conductive element remains accessible to the outside. In this case, the sealed feedthrough 12 generally has a shape allowing it to be soldered at the electrical potential to which access is desired, for example by the CMS (surface mounted component) soldering process. The electrically conductive connection 13 extends from the track 4 to one end outside the housing 51 via the printed circuit 2 and the flange 14. All the electrically conductive elements remain completely inside, encapsulated in, the housing. Only the electrically conductive connection passes through the housing.
La bride 14 est partiellement contenue dans le circuit imprimé 2 et n'a pas besoin de contenir à la fois une zone isolante et une zone de fixation puisque le matériau polymère PEK est utilisé à ces deux effets. Par exemple grâce à une soudure laser entre la bride isolante et le boitier étanche. La bride fait alors partie du boitier isolant. On comprend que le choix des matériaux et des procédés de fabrication est une des clés de la réussite de l'opération afin de garantir l'élimination des lignes de fuite électriques. C'est en cela que le choix du matériau 14 parmi les PEK et plus particulièrement les PAEK est important et fait partie de l'invention. The flange 14 is partially contained in the printed circuit 2 and does not need to contain both an insulating area and a fixing area since the PEK polymer material is used for both purposes. For example, through laser welding between the insulating flange and the sealed housing. The flange then becomes part of the insulating housing. It is understood that the choice of materials and manufacturing processes is one of the keys to the success of the operation in order to guarantee the elimination of electrical creepage lines. This is why the choice of material 14 among PEK and more particularly PAEK is important and forms part of the invention.
Sur la figure 3, le boitier 51 est constitué de deux matériaux sensiblement identiques mais l'un (51B) étant chargé pour absorber l'énergie du laser et l'autre (51A) étant transparent comme pour la figure 1. Il peut être assemblé par soudage laser par transparence en appliquant un faisceau laser de l'extérieur vers l'intérieur, de la droite vers la gauche sur la figure 3. In Figure 3, the housing 51 is made of two substantially identical materials but one (51B) being charged to absorb the laser energy and the other (51A) being transparent as in Figure 1. It can be assembled by laser welding by transparency by applying a laser beam from the outside to the inside, from right to left in Figure 3.
Afin de garantir maintenant la continuité de matériau au niveau du boitier 51, la liaison électriquement conductrice 13 est entourée de la bride 14 dont le matériau est identique à celui du boîtier 51B (chargé). Par exemple un PEK et plus précisément un PAEK. La traversée étanche biocompatible 12 peut être assemblée au boitier 51A selon un procédé connu de l'homme de l'art de telle sorte que celui- ci présente une continuité de matière. L'assemblage est réalisé de façon préférentielle par soudage laser entre la bride 14 et le boîtier 51A par la technique de soudure par transparence. Avantageusement, on peut prévoir de charger le matériau de la bride 14 en noir de carbone comme décrit précédemment, en prenant soin d'utiliser pour le matériau du boitier 51A un PEK et plus précisément un PAEK naturel (non chargé). Ainsi la soudure serait réalisée par la technique de la soudure laser par transparence sur tout le pourtour de la bride de forme par exemple circulaire et à l'interface avec le boitier 51A de telle sorte qu'il ne puisse pas y avoir de ligne de fuite électrique. Sur la figure 3, le laser peut être appliqué de la droite (extérieur) vers la gauche (vers l'intérieur du boitier) en ciblant un flan latéral 14A de la bride 14, ce flan étant obtenu en réalisant un décrochement de la bride dans l'épaisseur de la paroi latérale du boitier. Une partie de la bride s'étend au moins jusqu'à l'extrémité externe du boitier. On est ainsi capable en utilisant la même technique de soudure, d'assembler sans ligne de fuite électrique à la fois les deux parties du boitier isolant 51A et 51B et la traversée étanche 12. En pratique on commence par souder la traversée étanche puis le boitier. In order to now guarantee the continuity of material at the housing 51, the electrically conductive connection 13 is surrounded by the flange 14 whose material is identical to that of the housing 51B (charged). For example a PEK and more precisely a PAEK. The biocompatible sealed feedthrough 12 can be assembled to the housing 51A according to a method known to those skilled in the art so that the latter has continuity of material. The assembly is preferably carried out by laser welding between the flange 14 and the housing 51A using the transparency welding technique. Advantageously, it is possible to provide for loading the material of the flange 14 with carbon black as described previously, taking care to use for the material of the housing 51A a PEK and more precisely a natural PAEK (unfilled). Thus the welding would be carried out by the technique of laser welding by transparency on the entire periphery of the flange of shape for example circular and at the interface with the housing 51A so that there cannot be an electrical creepage line. In Figure 3, the laser can be applied from the right (outside) to the left (towards the inside of the housing) by targeting a lateral flank 14A of the flange 14, this flank being obtained by making a step of the flange in the thickness of the side wall of the housing. A part of the flange extends at least to the external end of the housing. We are thus able, using the same welding technique, to assemble without electrical creepage both the two parts of the insulating housing 51A and 51B and the sealed feedthrough 12. In practice, we start by welding the sealed feedthrough then the housing.
Lorsqu'au moins un second conducteur est nécessaire, par exemple pour relier le dispositif électronique à un câble bipolaire, alors soit ce second conducteur est placé dans la même bride 14 que le premier conducteur 13, soit une seconde traversée étanche est placée de façon préférentielle à proximité de la traversée étanche 12 afin de faciliter l'assemblage du câble. When at least one second conductor is required, for example to connect the electronic device to a bipolar cable, then either this second conductor is placed in the same flange 14 as the first conductor 13, or a second sealed feedthrough is preferably placed near the sealed feedthrough 12 in order to facilitate assembly of the cable.
On peut avoir besoin d'extraite un élément conducteur du PCB sans nécessairement le ressortir du boitier étanche. Par exemple pour relier deux PCB entre eux. De façon préférentielle, on utilise alors un via métallisé pour ressortir le potentiel sur l'une au moins des deux faces du PCB. Il est alors intéressant de pouvoir à la fois « refermer » le trou métallisé qui risque d'être sujet à des phénomènes d'électrochimie et de déporter l'élément électriquement conducteur sans introduire de lignes de fuite. Pour cela, on utilise préférentiellement un PCB flexible que l'on place sur au moins une des deux faces du PCB. Le via situé de l'autre côté du PCB sera alors rendu aveugle grâce à l'ajout d'une couche de finition protectrice sur toute sa surface. Cette couche peut être assemblée par lamination classique ou bien par grappage laser. Un PCB flexible est en général recouvert d'une couche de finition protectrice électriquement isolante. Ce PCB Flexible peut ensuite être utilisé pour interconnecter un autre PCB qui se trouve également à l'intérieur du boitier. On utilisera alors de façon préférentielle un autre PCB d'interface permettant de souder les deux PCB flexibles entre eux. A l'endroit de la soudure, il y a alors une ligne de fuite électrique. On peut par exemple surmouler cette soudure avec un isolant, par exemple une résine époxy durcie à chaud. On peut de façon préférentielle encapsuler la soudure à l'intérieur d'un petit boitier en PEK qui est soudé sur le PCB flexible par grappage laser par exemple. On dispose alors d'un PCB flexible-rigide composé de plusieurs parties flexibles et plusieurs parties rigides, mais totalement exempte de ligne de fuite électrique. It may be necessary to extract a conductive element from the PCB without necessarily removing it from the waterproof enclosure. For example, to connect two PCBs together. Preferably, a metallized via is used to bring out the potential on at least one of the two sides of the PCB. It is then interesting to be able to both "close" the metallized hole which risks being subject to electrochemical phenomena and to deport the electrically conductive element without introducing creepage lines. For this, a flexible PCB is preferably used which is placed on at least one of the two sides of the PCB. The via located on the other side of the PCB will then be made blind thanks to the addition of a protective finishing layer over its entire surface. This layer can be assembled by conventional lamination or by laser clustering. A flexible PCB is generally covered with an electrically insulating protective finishing layer. This Flexible PCB can then be used to interconnect another PCB which is also inside the enclosure. We will then preferentially use another interface PCB allowing the two flexible PCBs to be soldered together. At the location of the solder, there is then an electrical creepage line. For example, this solder can be overmolded with an insulator, for example a heat-cured epoxy resin. The solder can preferably be encapsulated inside a small PEK box which is welded onto the flexible PCB by laser clustering, for example. We then have a flexible-rigid PCB composed of several flexible parts and several rigid parts, but completely free of electrical creepage line.
La traversée étanche peut être enfouie dans un PCB flexible, puis de réaliser l'assemblage de la même façon que décrit précédemment. Cette technique facilite la réalisation du PCB enfoui car l'introduction d'une zone de dégagement de la traversée étanche nécessite des opérations supplémentaires lors de la fabrication du PCB. Alors que l'ajout d'une traversée étanche sur la partie flexible d'un PCB flexible-rigide peut être fait a posteriori. The sealed via can be buried in a flexible PCB and then the assembly can be carried out in the same way as described above. This technique makes the buried PCB easier to produce because the introduction of a clearance area for the sealed via requires additional operations during PCB manufacturing. Whereas adding a sealed via to the flexible part of a rigid-flex PCB can be done retrospectively.
Sur la figure 4 est représenté un exemple de réalisation dans lequel le circuit imprimé ou PCB est un circuit imprimé rigide flexible. Il est constitué d'un circuit imprimé rigide 2A associé à un circuit imprimé flexible 2B. Les composants électroniques et les éléments électriquement conducteurs peuvent être disposés dans le circuit imprimé rigide, dans le circuit imprimé flexible ou entre les deux. Figure 4 shows an exemplary embodiment in which the printed circuit or PCB is a rigid-flexible printed circuit. It consists of a rigid printed circuit 2A associated with a flexible printed circuit 2B. The electronic components and the electrically conductive elements can be arranged in the rigid printed circuit, in the flexible printed circuit or between the two.
Le circuit imprimé flexible 2B est recouvert sur chaque face d'une couche de finition protectrice électriquement isolante 15. De façon préférentielle, celle-ci est réalisée en PEK ou PAEK chargé pour pouvoir absorber l'énergie d'un laser. The flexible printed circuit 2B is covered on each side with an electrically insulating protective finishing layer 15. Preferably, this is made of PEK or PAEK loaded to be able to absorb the energy of a laser.
Sur la figure 4, la traversée étanche est constituée par une liaison électriquement conductrice 16 et une extension du circuit imprimé flexible 2B, cette extension étant la partie du circuit imprimé flexible 2B (et sa couche de finition) non directement attachée au circuit imprimé rigide 2A et traversant le boitier 51. Le boitier 51 comporte également une extension 51C vers l'extérieur qui encadre l'extension du circuit imprimé flexible 2B. In Figure 4, the sealed feedthrough is constituted by an electrically conductive connection 16 and an extension of the flexible printed circuit 2B, this extension being the part of the flexible printed circuit 2B (and its finishing layer) not directly attached to the rigid printed circuit 2A and passing through the housing 51. The housing 51 also comprises an extension 51C towards the outside which frames the extension of the flexible printed circuit 2B.
La couche de finition protectrice électriquement isolante 15 est réalisée dans le même matériau que l'extension 51C placée de part et d'autre, par exemple un PAEK chargé, afin de pouvoir souder celle-ci sur le boitier par la technique du grappage laser. A ce titre, on prévoit de charger en noir de carbone les zones 17 et 18 de l'extension 51C qui sont directement en contact avec la couche de finition protectrice 15 du circuit imprimé flexible 2B. Sur la figure 5 on prévoit un dispositif selon l'invention contenant des trous dans le boitier. Le boitier est de même nature que le boitier 5, en deux matières 22B, 22A, chargée et non chargée, mais avec des trous 19 et 20. Ces trous peuvent permettre une fixation ou bien le passage d'un élément externe, de nature électrique, mécanique, chimique ou biologique. The electrically insulating protective finishing layer 15 is made of the same material as the extension 51C placed on either side, for example a loaded PAEK, in order to be able to weld it onto the housing using the laser clustering technique. For this purpose, provision is made to load the areas 17 and 18 of the extension 51C which are directly in contact with the protective finishing layer 15 of the flexible printed circuit 2B with carbon black. In Figure 5, a device according to the invention is provided containing holes in the housing. The housing is of the same nature as the housing 5, in two materials 22B, 22A, charged and uncharged, but with holes 19 and 20. These holes can allow fixing or the passage of an external element, of an electrical, mechanical, chemical or biological nature.
Au moins deux bobines auto-inductives (non représentées) sensiblement identiques sont enfouies dans le circuit imprimé 23 qui peut être un circuit imprimé rigide ou un circuit imprimé rigide-flexible. Les bobines sont utilisées comme capteurs magnétiques. Elles peuvent alors être utilisées pour mesurer une quantité de matériau superparamagnétique pour une application de diagnostic biomédical en faisant passer un échantillon dont la quantité de matériau magnétique est représentative de la quantité d'un analyte qui doit être mesuré à travers un trou. Avantageusement, un trou traverse au moins l'une des deux bobines pour y placer l'échantillon. La mesure différentielle repose sur le fait que l'autre bobine ne contient pas de matériau superparamagnétique, ce qui permet d'améliorer le rapport signal sur bruit de la mesure. At least two substantially identical self-inductive coils (not shown) are embedded in the printed circuit 23, which may be a rigid printed circuit or a rigid-flexible printed circuit. The coils are used as magnetic sensors. They can then be used to measure an amount of superparamagnetic material for a biomedical diagnostic application by passing a sample whose amount of magnetic material is representative of the amount of an analyte to be measured through a hole. Advantageously, a hole passes through at least one of the two coils to place the sample therein. The differential measurement relies on the fact that the other coil does not contain superparamagnetic material, which improves the signal-to-noise ratio of the measurement.
Le dispositif de la figure 5 peut comprendre toutes les caractéristiques telles que décrites sur les autres figures. Un trou fait par exemple 1mm de diamètre et traverse toute la hauteur du boitier. Les trous 19 et 20 traversent le boitier 22A, 22B et le circuit imprimé 23 (de même nature que le circuit imprimé 2, ou 2A-2B, mais avec des trous traversants) sans endommager les composants électroniques 24. The device of Figure 5 may include all the features as described in the other figures. A hole is for example 1 mm in diameter and passes through the entire height of the housing. The holes 19 and 20 pass through the housing 22A, 22B and the printed circuit 23 (of the same nature as the printed circuit 2, or 2A-2B, but with through holes) without damaging the electronic components 24.
Des plots 25, 26 font partie du boitier et sont réalisés à l'intérieur du boitier, entre deux parois se faisant face. Ces plots sont percés au milieu de telle sorte qu'un trou existe à travers l'ensemble du boitier. Le boitier est alors réalisé par assemblage de deux demi-coques 22A, 22B en PAEK. Afin d'assurer une absence de ligne de fuite, on garantit une continuité de matière en soudant les deux demi- coques en PAEK, par exemple avec un laser par la technique de soudure par transparence appliqué de l'extérieur vers l'intérieur (sur le dessus dans le cas de cette figure 5). Il est alors préférable que la partie inférieure du boitier soit réalisée en PAEK chargé tandis que la partie supérieure est naturelle (non chargée). Ainsi la soudure est réalisée à l'interface entre les deux parties du boitier. Remarquons qu'il n'est pas possible de réaliser une telle géométrie étanche avec un boitier en titane, puisque la soudure par transparence est impossible, ce qui explique que les boitiers en titane actuels ne présentent pas de système de fixation ou de trou pour toutes autres applications. La présente invention vise à éliminer ce problème et ainsi développer des dispositifs électroniques de haute fiabilité à long terme nécessitant l'usage d'un trou de part en part. Studs 25, 26 are part of the housing and are made inside the housing, between two facing walls. These studs are drilled in the middle so that a hole exists through the entire housing. The housing is then made by assembling two PAEK half-shells 22A, 22B. In order to ensure the absence of a creepage line, continuity of material is guaranteed by welding the two PAEK half-shells, for example with a laser using the transparency welding technique applied from the outside to the inside (on the top in the case of this figure 5). It is then preferable for the lower part of the housing to be made of loaded PAEK while the upper part is natural (unloaded). Thus the welding is carried out at the interface between the two parts of the housing. Note that it is not possible to achieve such a waterproof geometry with a titanium case, since transparent welding is impossible, which explains why current titanium cases do not have a fixing system or hole for all other applications. The present invention aims to eliminate this problem and thus develop electronic devices with high long-term reliability requiring the use of a through hole.
Parmi les autres applications qui peuvent bénéficier de la présente invention, citons la possibilité de changer la nature d'un boîtier de dispositif médical pour lui permettre de transmettre de l'énergie et/ou de l'information (stimulateurs et défibrillateurs implantables, dispositifs d'assistance cardiaque mécanique type LVAD pour « Left Ventricule Assist Devices » en anglais, cœur total, moniteur cardiaque implantable pour « Implantable Loop Recorder » en anglais, Système intramédullaire d'allongement de membres, pompes implantables, rein artificiel, implant cochléaire, neurostimulateur, interface homme-machine implantable, etc) mais également comme la possibilité de rendre intelligent une prothèse purement mécanique en lui ajoutant des fonctionnalités de dispositif médical. Other applications that may benefit from the present invention include the ability to change the nature of a medical device casing to enable it to transmit energy and/or information (implantable pacemakers and defibrillators, mechanical cardiac assistance devices such as LVAD (Left Ventricle Assist Devices), total heart, implantable cardiac monitor (Implantable Loop Recorder), intramedullary limb lengthening system, implantable pumps, artificial kidney, cochlear implant, neurostimulator, implantable human-machine interface, etc.) but also the ability to make a purely mechanical prosthesis intelligent by adding medical device functionalities to it.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. De nombreuses modifications peuvent être apportées à ces exemples sans sortir du cadre de la présente invention telle que décrite. Of course, the invention is not limited to the examples just described. Numerous modifications can be made to these examples without departing from the scope of the present invention as described.
Claims
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