Etude des propriétés électriques, tribologiques et physico-chimiques de revêtements étamés pour des applications en connectique automobile

Study of the electrical, tribological and physicochemical properties of tin coatings using in automotive connectors

• Auteur / Autrice : Sandra Correia
• Direction : Sophie Noël, Philippe Gendre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contacts électriques

Étain

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Fretting-corrosion

Frottement macroscopique

Fiabilité

Résumé

Les contacts électriques étamés sont largement utilisés dans l’industrie, en particulier dans l’industrie automobile. Certaines conditions d’utilisation peuvent conduire à une détérioration des propriétés électriques de ces contacts menant à la défaillance des systèmes. Ce problème met en jeu la fiabilité des systèmes et devient donc de plus en plus critique. Les mécanismes responsables des dégradations sont multiples et complexes et impliquent un grand nombre de paramètres. Cette thèse a pour but d’améliorer les connaissances sur le rôle de l’évolution des dépôts d’étain sur l’apparition des défaillances électriques des contacts de type connecteur. La collaboration entre PEM et LGEP a permis de mettre en place à la fois un protocole rigoureux de fabrication et de contrôle des revêtements et un protocole de tests réalisés sur des contacts représentatifs d’une application de connectique. Le comportement des revêtements est évalué à partir des résultats obtenus suite aux essais de frottement macroscopique et de fretting. Après avoir caractérisé structurellement, chimiquement, mécaniquement et électroniquement les revêtements étamés usuellement employés en connectique, les conséquences du vieillissement thermique des revêtements sont décrites. L’influence de la formation d’une phase intermétallique est montrée. Différents paramètres comme l’épaisseur de la couche d’étain, la présence d’une éventuelle sous-couche et la nature de celle-ci sont étudiés. Par la suite nous avons cherché à modifier la cinétique de croissance et la morphologie de l’intermétallique. L’utilisation de sous-couche de différentes natures et de faible épaisseur a permis d’atteindre cet objectif. Un procédé de désétamage des surfaces vieillies thermiquement a permis l’étude du comportement tribologique et électrique des différents intermétalliques. L’influence de la composition et de la structure de ces composés a été mise en évidence. Finalement, des résultats significatifs ont été obtenus avec des sous-couches de cobalt de faible épaisseur : les dégradations des contacts sont retardées même pour des échantillons vieillis thermiquement.

The use of tin as a coating for electrical contact is widespread in electronic systems, especially in the automotive industry. Some field conditions can lead to the degradation of the electrical properties of these contacts and bring failure of systems. This problem of reliability becomes more and more critical. The mechanisms involved in the degradations are numerous, complex and involve a large number of parameters. This thesis aims at increasing the knowledge on the impact of the evolution of tin coating on the appearance of electrical failures of connector type contacts. The collaboration between PEM and LGEP allowed to set up both a rigorous process for the fabrication and control of coating and to set a test procedure applied to representative contacts of connector type. Friction and fretting tests are used to assess the coating behaviour. After structurally, chemically, mechanically and electrically characterizing the tin coating usually used in connector applications, the effects of thermal ageing are described. The influence of the formation of intermetallic phases is shown. Various parameters such as the tin coating thickness, the use of an underlayer and its nature are studied. Then it was attempted to minimize the formation of the intermetallic compounds by acting on their growth kinetics. This was achieved by modifying the diffusion processes of the species in the tin layer, in particular by the use of various underlayers. A process of a tin stripping performed on the thermally aged samples allowed to investigate the mechanical properties of the various intermetallic phases formed. The influence of the chemical composition and of the structure of these compounds is shown. Finally it is shown that the use of a thin (0. 1 μm) cobalt underlayer brings a significant improvement of the coating behaviour: fretting degradation of the contacts is postponed even after a heat treatment.