Limits of use of tin coatings for automotive connectors
Limites d'utilisation des revêtements d'étain en connectique automobile
Résumé
Tin coatings are widely used in automotive connectors for applications where temperature are not too severe. Currently, there is no consensus concerning the limit temperature to use tin coatings. The aim of this study is to study the thermal ageing of the copper/tin systems in the connector field, and to estimate the lifetime performance, i.e. under a medium current (producing Joule effect), and in a vibratory state (fretting-corrosion). The copper/tin interdiffusion leads to the formation of intermetallic phases (Cu6Sn5 et Cu3Sn). The growth kinetics of intermetallics is studied as a function of the nature of the coating, of the use of a nickel underlayer or not, (leading to the formation of a Ni3Sn4 intermetallic phase), and of the nature of the copper substrate (alloying elements). The measure of the parabolic growth coefficient allows to rank the substrate/coating systems in terms of the growth rate of the intermetallics. Intermetallics are signifificantly harder than pure tin. Joule effect tests (leading to a temperature rise) and fretting-corrosion tests are undertaken on different specimens, aged and non aged. The temperature rise due to Joule heating is directly a function of the contact area and the coating hardness is a decisive parameter in the control of the temperature rise at the contact spot. But the conductive contact area also depends on the oxydability of the coating, because the presence of oxide can reduce it. The phenomenon can be increased by vibrations : oxide production is accelerated, and and formation of oxide debris can lead to microcuts and disruption of the contacts. Fretting-corrosion tests are also performed to predict reliability, with two types of experiments: a variable displacement test and a lifetime test. The variable displacement test are done to identify the transition between partial slip (low displacement values, for which the lifetime is considered infinite), and gross slip (higher displacement values, for which lifetime is limited). Lifetime tests allow to compare the durability of the different specimens tested. Observations of the fretting scars are made to understand the failure mechanism. The degradation of electrical properties of tinned contacts are due to oxidation and wear, leading to microcuts emergence. The degradation of intermetallic contacts is due to an embrittlement of the coating, leading to the spalling of the intermetallics and to a change in the failure mode with the production of copper oxide debris, leading rapidly to an electrical insulation at the contact spot.
Les revêtements d'étain sont couramment utilisés en connectique automobile pour des utilisations peu sévères en température. Actuellement il n'existe pas de consensus sur la température limite d'utilisation des revêtements étamés. L'objectif de cette étude est d'étudier le vieillissement thermique des systèmes cuivre/étain utilisés en connectique, et d'évaluer leur durée de vie en fonctionnement, c'est-à-dire sous un courant moyen (produisant de l'effet Joule) et en régime vibratoire (fretting corrosion). L'interdiffusion cuivre/étain mène à la formation de phases intermétalliques de type Cu6Sn5 et Cu3Sn. La cinétique de croissance des intermétalliques est étudiée en fonction de la nature du revêtement d'étain, de la présence ou non d'une sous-couche de nickel (menant à la formation de l'intermétallique Ni3Sn4) et des types de substrats cuivreux différant par les éléments d'alliages. Le coefficient de croissance parabolique mesuré dans chaque système substrat/revêtement permet de comparer la rapidité de la croissance en fonction du système étudié. Les intermétalliques possèdent une dureté sensiblement plus élevée que celle de l'étain seul. Des essais d'échauffement par effet Joule et de fretting corrosion sont menés sur des éprouvettes vieillies et non vieillies. L'échauffement par effet Joule est directement lié à la surface de contact : la dureté du revêtement est donc un paramètre déterminant, qui conditionne l'élévation de température au point de contact. Mais l'aire de la surface de contact conductrice dépend également de l'oxydabilité du revêtement, car la présence d'oxyde peut la réduire. Le phénomène est accentué en régime vibratoire : la production d'oxyde est alors accélérée, et la formation de débris oxydés peut mener à l'apparition de microcoupures électriques. Différentes éprouvettes sont testées en fretting-corrosion, avec deux types d'expérience : des essais à débattement variables et des essais en durée de vie. Les essais en débattement variable permettent d'identifier la transition entre le glissement partiel (d'amplitudes faibles, pour lesquelles la durée de vie du contact est considérée comme infinie) et le glissement total (d'amplitudes plus élevées, pour lesquelles la durée de vie du contact est limitée). Les essais en durée de vie permettent de comparer la durabilité des éprouvettes testées. L'observation des traces de fretting permettent l'identification des modes de défaillance. La dégradation des contacts étamés est le fait d'une oxydation et d'une usure conjointes, menant à l'isolation électrique à cause de la présence de débris oxydés. La dégradation des contacts intermétalliques est le fait d'une fragilisation du revêtement, menant à son décollement : le mode de défaillance est alors la production de débris oxydés de cuivre, provoquant une isolation électrique au point de contact.
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