Notez que le phénomène inverse existe aussi : une différence de température entre deux jonctions peut induire une différence de potentiel électrique.

où T est la température (en kelvins) de la jonction considérée.

Cette propriété est utilisée pour mesurer la température en milieu industriel via des thermocouples.

Connaître ces phénomènes fait partie inhérente de notre métier. Leur compréhension est importante pour nous, dès que nous mettons en œuvre des mesures de résistance de contact, au travers d’essais de fiabilité.

Cette connaissance des événements physiques nous permet d’accompagner les entreprises industrielles avec expertise dans leurs essais de fiabilité et de durabilité.

Certains facteurs sont inhérents aux échantillons que nous recevons :

🔹La nature des matériaux

🔹L’état de surface

🔹Les revêtements de surface

🔹La pression de contact

🔹L’oxydation et la corrosion

🔹La présence de pollution (propreté des surfaces)

Indicateur de la “santé” d’un contact électrique, la mesure des résistances de contact est une nécessité pour un laboratoire tel que le nôtre.

C’est une mesure délicate à réaliser, de nombreux facteurs pouvant également influencer les valeurs obtenues :

⚡Le temps

La mesure de résistance de contact peut varier fortement si les mesures sont éloignées de plusieurs semaines. 

Le contact électrique est un objet “vivant”, qui évolue dans le temps, avec entre autres des phénomènes (irréversibles) tels que la corrosion qui viennent altérer son état initial. 

Dans la mesure du possible, nous regroupons les essais d’une même série sur une courte période, et nous enregistrons scrupuleusement les conditions de mesure telles que la température.

⚡La température

Une augmentation de la température entraîne une augmentation de la résistance en raison de la modification des propriétés électriques des matériaux.

A titre d’exemple, nous observons pour le cuivre un écart de résistivité de l’ordre de 0,4% / K. Donc si nous observons un écart de 10 Kelvin, la résistance de contact sera modifiée de 4%.

Pour gérer des essais de manière optimale et linéaire, nous pratiquons toujours les mesures dans notre atelier climatisé à 23 degrés, toute l’année. 

La température joue un rôle sur d’autres grandeurs affectant les résistances de contact, telles que la dilatation (c’est-à-dire l’expansion thermique des matériaux).

⚡Le courant de mesure

Un facteur d’influence certes, mais sur lequel nous avons la main !

Provoquant des échauffements dans le contact électrique, le courant doit être faible (habituellement du 100 mili Ampère, imposé dans nos procédures, notamment la norme IEC 60512-2-1) et/ou pulsé, c’est à dire intermittent, laissant des périodes sans courant pour refroidir le contact.

⚡Méthode

Afin de minimiser les écarts de mesure, nous pratiquons la méthode de mesure des 4 fils ou mesure Kelvin.

La compréhension fine des facteurs pouvant influer sur la résistance de contact est un aspect vital lors de la conception de systèmes électriques et électroniques, mais également lors de leur phase de validation. Mais encore faut-il pouvoir les mesurer correctement !

Les métaux tels que l’argent, le cuivre et l’or ont des résistivités particulièrement faibles, ce qui les rend très efficaces pour les applications nécessitant la conduction de l’électricité, comme dans les câbles électriques et les composants électroniques.

Jugez plutôt 👇

⚡Argent : 0,0016 µΩ.m

⚡Cuivre : 0,0017 µΩ.m

⚡Or : 0,0022 µΩ.m

⚡Aluminium : 0,0028 µΩ.m

⚡Fer : 0,0100 µΩ.m

À courant constant, une résistivité plus élevée provoque davantage d’échauffement (#EffetJoule).

Comprendre ces fondements fait partie inhérente de notre métier et nous permet d’accompagner les entreprises industrielles dans leurs essais de fiabilité et de durabilité, en offrant à la fois analyse et expertise.

Qu’est-ce que l’étamage ? 

Très répandu dans l’industrie, l’étamage est un processus de dépôt d’une couche superficielle d’étain, d’une épaisseur comprise entre 1 à 5 µm et dont l’objectif est de protéger le substrat de la corrosion.

Quels sont les conducteurs utilisés en connectique ? 

Avec une conductivité électrique de 59,6×10⁶ S/m, le cuivre est le 2^ème meilleur conducteur du courant après l’argent (63×10⁶ S/m) et avant l’or (45.2×10⁶ S/m).  Par son abondance, sa malléabilité, son excellente conductivité thermique et son prix (130 fois moins cher que l’argent et 10 000 fois moins cher que l’or), il est le candidat par excellence pour une utilisation industrielle dans les applications électriques.

Le problème majeur du cuivre en connectique est son oxydation en Cu₂0 qui se forme en surface au contact d’oxygène. Cette oxydation dégrade fortement la conductivité électrique des surfaces en cuivre. C’est une vraie problématique pour le transit du courant dans un connecteur. Plusieurs études ont mis en évidence que l’oxydation se créée instantanément à température ambiante sur quelques couches atomiques. Toutefois, l’épaississement est un processus activé thermiquement. Ainsi, à 100°C, la cinétique d’oxydation des contacts est fortement accentuée. Ceci engendre rapidement l’épaississement d’oxyde cuivreux Cu₂0 et une diminution de la conductivité électrique. L’élévation de la température lors du passage du courant et les sollicitations mécaniques de type fretting sont autant de facteurs qui accélèrent l’oxydation. 

Pourquoi utilise-t-on l’étamage ?

Pour pallier ce problème, des revêtements sont réalisés sur les zones de contact du cuivre afin de les protéger de l’oxydation. Plusieurs matériaux sont couramment utilisés : l’argent, l’or et l’étain.

Si l’or a l’avantage de ne pas s’oxyder et d’avoir une conductivité électrique très bonne, son coût quant à lui limite les applications à des produits à haute valeur ajoutée.

L’étain est sensiblement moins cher, mais possède une conductivité électrique de 9.17×10⁶ S/m, nettement moins bonne. Ce n’est donc pas pour sa conductivité électrique qu’il est utilisé, car cette dernière est très loin de celle du cuivre. De plus, l’étain s’oxyde également. Cependant, l’étain a l’avantage d’être malléable, facilement déposable par divers procédés et surtout d’avoir des couches d’oxydation friables.

Ainsi, il est possible de profiter du frottement de contact pour délaminer les couches superficielles d’oxydes d’étain et permettre de maintenir une conductivité électrique stable. La conductivité des contacts étamés est donc plus faible que celle du cuivre seul, mais l’ajout d’une couche d’étain, couramment nommé étamage, permet de garantir une résistance de contact stable et basse.

L’image ci-dessous présente le profil d’un contact étamé en contraste chimique BED-C réalisé avec un microscope électronique à balayage (MEB). L’objectif est de mettre en évidence l’effet de délaminage des couches superficielles d’étain dans la zone de contact.

Vue au Microscope Electronique à Balayage d’un contact électrique :

La Microscopie Electronique à Balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy) est une technique de microscopie électronique capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon en utilisant le principe des interactions électrons-matière.

Cet appareil est un instrument incontournable dans les laboratoires de recherche et développement, d’expertise et de fiabilité. Plébiscitée par les acteurs des domaines les plus pointus tels que l’aéronautique, le nucléaire et la pharmaceutique, cette technologie polyvalente permet de sonder la matière et d’en révéler tous les secrets.

Micro-analyse 

Fort de cette technologie, il nous est possible de scruter la matière et sa composition dans ses plus infimes recoins. Ainsi elle nous permet de révéler, entre autres, des défauts de métallisation de surface, de visualiser des strictions de contact, de mesurer des rugosités, d’analyser des compositions, de mesurer des épaisseurs de revêtement, de définir la stœchiométrie d’oxydes, de réaliser des cartographies X et des topographies de surface … et bien d’autres possibilités.

Analyse de défaillance

Initiées par la détection d’une défaillance macroscopique, les observations et les analyses au microscope permettent d’en éclairer les causes et les origines, jusqu’aux échelles les plus fines.

Métallisation, épaisseurs de revêtements et porosités

Initiées par la détection d’une défaillance macroscopique, les observations et les analyses au microscope permettent d’en éclairer les causes et les origines, jusqu’aux échelles les plus fines.

Dévoiler la microstructure du métal

La structure des matériaux métalliques leur confère leurs propriétés physico-chimiques. Tailles de grains, hétérogénéité, croissance d’intermétalliques, oxydation, pollution sont des caractéristiques intrinsèques que nous pouvons vous révéler.

La mécanique à l’échelle microscopique

En industrie, le bon comportement mécanique doit être garanti durant toute la vie du produit. Le MEB est plébiscité dans les domaines les plus pointus pour sa capacité à permettre l’analyse et la compréhension de mécanismes d’endommagement complexes: rupture fragile/ductile, striction, fatigue.

Topographie de surface et profilométrie

La topographie de surface est une des données naturellement générées par l’interaction électron-matière de l’échantillon. Pour aller plus loin dans l’exploitation de cette information, le microscope possède un logiciel dédié exclusivement à cette thématique. Nous sommes à même de vous fournir, des cartographies 3D de relief, des courbes de profil, des épaisseurs ainsi que des volumes de matière abrasée. Les principales valeurs de rugosité comme le Ra et bien d’autres sont désormais accessibles.

Recherche & Développement

Doté d’un pouvoir évolutif fort, le microscope pourra être un faisceau de développement de votre Recherche.

Vous avez un projet ambitieux, une problématique complexe, n’hésitez pas à nous solliciter pour que nous vous aidions à relever vos défis !

Expertise de soudures, PADs, VIAs, Whiskers

Examen de PCB en observation SE et analyse chimique BSE.

Analyse de la qualité des soudures, des taux de remplissages, de la qualité de métallisation des vias, des éventuelles délaminations et cracks intermétalliques. 

Visualisation des croissances whiskers.

Les revêtements ou dépôts de surface sont principalement utilisés pour limiter les phénomènes de corrosion pouvant survenir sur les matériaux conducteurs et impacter leur conductivité.

Un peu de théorie sur la corrosion

Deux types de corrosion altèrent majoritairement les métaux :

• La corrosion chimique ou acide correspond à la réaction entre un métal et l’air ambiant dans lequel sont présents de l’oxygène, de la vapeur d’eau et des acides (oxyde de soufre SO₂, dioxyde de carbone CO₂, hydrogène sulfuré H₂S). Lorsqu’un acide est présent, l’attaque du métal peut se produire, transformant alors ce dernier en oxyde, carbonate ou sulfure.

• La corrosion électro-chimique se produit quant à elle lorsque de légères différences de propriétés chimiques ou physiques entre des métaux ou des parties d’un même échantillon forment un couple électrique. Contrairement à la corrosion chimique, il n’est pas nécessaire qu’un acide soit présent, mais il suffit que le milieu extérieur soit un électrolyte, ce qui est majoritairement le cas car le métal est presque toujours en contact avec une atmosphère humide, une solution aqueuse pouvant dissoudre des sels et activer la réaction électrolytique.

Ainsi, la corrosion est une réaction de surface des métaux se produisant lorsqu’une dissymétrie quelconque – soit dans le métal, soit dans le milieu en contact – est présente. Ce phénomène est presque toujours d’ordre électro-chimique.

Le revêtement (ou coating), une solution contre la corrosion 

Une des solutions pour éviter la corrosion des conducteurs (notamment le cuivre) consiste à choisir des matériaux conducteurs pour lesquels les problématiques de corrosion sont moins importantes que pour le cuivre.

L’étain, l’argent et l’or sont sur la liste. Mais en raison des performances mécaniques moindres ou de coûts trop élevés, la totalité du conducteur ne peut être revêtue avec ces métaux.

La solution la plus fréquemment utilisée est de revêtir un conducteur en cuivre avec une fine couche d’un autre métal. Ce métal jouera le rôle de protection du cuivre contre la corrosion. L’utilisation en fine couche permet de contenir les coûts.

Dans un prochain article, nous verrons le cas de l’étain, dont l’application sur du cuivre est une opération appelée étamage. L’étamage est très présent dans l’industrie, entre autre dans le domaine automobile.

Application dédiée à la connectique

Notre choix d’investissement s’est porté sur le Microscope Electronique à Balayage JEOL.

L’utilisation du MEB JEOL pour l’expertise de contacts est particulièrement pertinente car il permet de mettre en évidence conjointement la rugosité de surface et la composition chimique des parties observées.

En ce qui concerne le domaine de la connectique et de la physique du point de contact, les zones d’abrasions sévères peuvent être ainsi révélées et la cause de l’endommagement du contact identifiée.

Surprenant dans sa capacité à répondre aux besoins les plus spécifiques, c’est un appareil qui peut être largement accessoirisé et dont le pouvoir d’évolution le rend particulièrement polyvalent et complet.

Nos travaux de Recherche et Développement nous conduisent aujourd’hui à la mise en place d’un dispositif (EBIC notamment) permettant l’alimentation électrique de systèmes au sein de la chambre du microscope.

Le passage du courant peut alors être observé, caractérisé et des défaillances électriques diagnostiquées.