Mack Mavuni Nzamba, ancien doctorant au Département de Physique Moléculaire (DPM) et actuellement chercheur de l’université nouveaux horizons de Lubumbashi en République Démocratique du Congo, et Erwann Carvou, enseignant chercheur au DPM de l’IPR, responsable de l’activité de recherche sur les contacts électriques ont récemment publié leurs travaux sur la modélisation de la corrosion par contact des connecteurs électroniques dans la revue IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology.
Le contexte
Les connecteurs électriques servent à conduire du signal ou de la puissance électrique entre les différents organes des systèmes embarqués liés à la mobilité. Malheureusement, les contacteurs électroniques ont une petite tendance à s'user rapidement. Ces connecteurs soumis à des vibrations, peuvent présenter des défaillances potentiellement catastrophiques dans le cas d’organes de puissance embarquée. L’usure de ces contacteurs se retrouve donc au cœur de la durabilité des systèmes embarqués. Le mécanisme sous-jacent s'appelle corrosion de contact, il est le résultat de réactions chimiques indésirables entre les matériaux en contact et leur environnement. Ces réactions sont par l'humidité, les contaminants ou d'autres facteurs corrosifs. Lorsque la corrosion de contact se produit, elle peut entraîner une résistance électrique accrue dans les contacts, ce qui peut affecter la conductivité électrique, et provoquer jusqu'à des défaillances complètes du dispositif électronique. Pour autant aujourd'hui, l'optimisation de ces connecteurs reste faite de manière empirique, par un dialogue essai-erreur : un manque de modélisation évident, qui permettrait de trouver un design optimal !
La démarche
Mack et Erwann ont mis en place des simulations à l'échelle du connecteur, avec une résolution sans précédent ! Ces simulations prennent en compte de l’ensemble des composant d’un connecteur et se basent sur la mécanique des milieux continus, dont les équations sont résolues par la méthode des éléments finis. Les simulations ont permis à Mack et Erwann de déterminer les fréquences de résonance du contacteur. Afin de pouvoir observer le comportement du contacteur en utilisation, les simulations du contacteur ont été répétées à plusieurs amplitudes et fréquences de chargement externe. Mais toute bonne simulation qui se respecte doit être validée, ainsi le modèle numérique mis en place et les simulations qui en découlent ont été comparées à des données expérimentales obtenues par un vibromètre laser capable de mesurer les déplacements relatifs au point de contact et de la microscopie à balayage électronique (voir figure). Les simulations ont permis de déterminer l'amplitude de chargement à partir de laquelle la corrosion de contact se manifeste, et donc à laquelle la résistance électrique du contact augmente. Elles ont aussi montré, que malgré l'usure aucune accumulation de la corrosion et de l'oxydation ne se produit pour des connecteurs en argent.
Figure: (gauche) Comparaison entre les simulations et les mesures expérimentales des déplacements relatifs au sein du connecteur et (droite) imagerie par microscopie électronique à balayage du mécanisme de corrosion par contact.
Le projet et les perspectives
Les travaux de Mack et Erwann s'inscrivent dans le cadre d’une collaboration sous la forme d’une thèse cifre entre l’IPR et la société Aptiv qui a été co-encadrée par Laurent Morin, responsable du centre R&D d’Aptiv sur le site d’Épernon. Les travaux ont démontré la capacité des simulations à prédire le risque de corrosion de contact dans des connecteurs électroniques, leur outil pourrait donc être utilisé pour optimiser non seulement leur géométrie mais aussi leur composition chimique, réduisant ainsi le besoin expérimental pour de futures certification. En somme un outil précieux pour réduire le coût (écologique) du développement de connecteurs plus robustes.
