Étude de l'inter-compatibilité tribologique des différents revêtements dans le domaine de la connectique

Study of the tribological inter-compatibility of different plating in the field of connectivity

• Auteur / Autrice : Ana Torrealba Istillarte
• Direction : Sophie Noël, Damien Comte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 02/06/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Langlade, Jean-Baptiste Sanchez, Yves Bienvenu, Robert Bouzerar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cécile Langlade, Jean-Baptiste Sanchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Tribologie (technologie)

Connecteurs électriques

Mots clés libres

Connecteurs

Tribologie

Contacts électriques

Fretting

Frottement macroscopique

Revêtements électrolytiques

Connectors

Tribology

Electrical contacts

Fretting

Macroscopic friction

Plating

Résumé

Le développement de nouvelles technologies ainsi que l'augmentation constante du nombre d'appareils électroniques engendrent une augmentation du nombre de connecteurs électriques dans les systèmes. Ces connecteurs peuvent être soumis à des vibrations qui génèrent des micro-frottements de l'interface de contact (fretting) et/ou à des cycles d'insertion-extraction qui génèrent des frottements macroscopiques. Ces deux sollicitations peuvent provoquer une usure mécanique et/ou chimique qui peut détériorer l'interface de contact et donc conduire à une dégradation de la résistance de contact. Le fonctionnement du connecteur sous ces sollicitations peut donc être perturbé et la durée de vie du contact peut ainsi être raccourcie. C'est pourquoi, afin de fiabiliser les connexions électriques, les substrats sont revêtus par une ou plusieurs couche(s) métallique(s). Historiquement, le métal le plus utilisé est l'or ; c'est en effet un métal noble donc très résistant à la corrosion et avec des bonnes propriétés tribologiques (résistance à l'usure). Cependant, en raison de son coût, d'autres systèmes de revêtements ont vu le jour pour remplacer les finitions en or épais, tel que les dépôts de palladium-nickel recouverts d'une très fine couche d'or (flashAu) ou les dépôts d'argent avec ou sans cette finition dorée. Mon travail de thèse a consisté à décrire, afin de mieux comprendre, les mécanismes d'usure des quatre revêtements cités précédemment (Au, flashAu/PdNi, Ag et flashAu/Ag) soumis à des frottements micro et macroscopiques et de connaître leur durée de vie sous ces sollicitations. Des configurations symétriques (les deux zones de contact ont le même revêtement) et dissymétriques (les deux zones de contact ont des revêtements différents) ont été étudiées. Suite aux tests de frottements, les contacts ont été analysés à l'aide t d'un profilomètre optique afin d'observer et quantifier le déplacement de matière sur le contact usé. Ils ont également été analysés avec un microscope électronique à balayage muni d'une sonde EDS afin de déterminer l'évolution de la composition des traces d'usures. Les comportements des différentes configurations ont été analysés à partir du rapport entre les valeurs des modules de Young et des duretés mesurées par nano indentation. L'ensemble des résultats sur les mécanismes d'usure impliqués permet d'optimiser la durée de vie des connecteurs en adaptant leur conception aux leurs conditions d'utilisation. Ces résultats présentent un intérêt majeur pour l'industrie de la connectique.

The development of new technologies as well as the constant increase in the number of electronic devices lead to the increase in the number of electrical connectors in the world. These connectors can be subjected to vibrations that generate micro-friction of the contact interface (fretting) and/or to insertion-extraction cycles that generate macroscopic friction. Both of these stresses cause mechanical and/or chemical wear that can deteriorate the contact interface and thus lead to a degradation of the contact resistance. The operation of connectors under these stresses can therefore be disrupted and the service life of the contact can be shortened. For this reason, in order to make electrical connections more reliable, the substrates are plated with one or several metal layer(s). Historically, the most used metal is gold; it is a noble metal and therefore very resistant to corrosion and with good tribological properties (wear resistance). However, due to its cost, other coating systems have emerged to replace thick gold finishes, such as palladium-nickel deposits covered with a very thin layer of gold (Au flash) or silver deposits with or without this gold finish. My thesis work has consisted in describing and better understanding the wear mechanisms of the four coatings mentioned above (Au, flashAu/PdNi, Ag and flashAu/Ag) subjected to micro and macroscopic friction and to know their life span under these solicitations. Symmetrical (both contact areas have the same coatings) and asymmetrical (both contact areas have different coatings) configurations have been studied. Following the friction tests, the contacts were analyzed using an optical profilometer in order to observe and quantify the displacement of materials on the worn contact. They were also analyzed with a scanning electron microscope equipped with an EDS probe allowing the identification of the composition of the wear tracks. The behaviours of the different configurations were analyzed in terms of the ratios of the Young modulus and the hardness measured by nano indentation. The results on the different wear mechanisms allow optimizing the lifetime of connectors by adapting their conception to the operating conditions. Such results are of major interest to the connector industry.