THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1. sous le sceau de l Université Européenne de Bretagne pour le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITÉ DE RENNES 1

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1 N d ordre : 4517 ANNÉE 2012 THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l Université Européenne de Bretagne pour le grade de DOCTEUR DE L UNIVERSITÉ DE RENNES 1 Mention : Physique Ecole doctorale : Science de la matière présentée par Hans ESSONE OBAME préparée à l unité de recherche (UMR IPR) Institut de Physique de Rennes (Equipe Contacts Electriques) EDF R&D/LME Intitulé de la thèse : Etude expérimentale des défauts de connecteurs encartables dorés et mise en œuvre d'outils de diagnostic Thèse soutenue à Rennes le 27 avril 2012 devant le jury composé de : Frédéric JACQUEMIN Professeur de mécanique Université de Nantes / rapporteur Yves OUSTEN Professeur d électronique Université de Bordeaux laboratoire IMS / rapporteur François ROBBE-VALLOIRE Professeur de tribologie Supmeca Paris / examinateur Laurent CRETINON Ingénieur Contrôle-Commande EDF R&D / examinateur Noureddine BEN JEMAA Maître de Conférences Université Rennes1 / examinateur Rochdi EL ABDI Professeur de mécanique Université de Rennes1 LARMAUR / directeur de thèse Erwann CARVOU Ingénieur Chercheur à Université de Rennes1 IPR / codirecteur de thèse

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3 Remerciements Je dédie ce manuscrit à mes parents OBAME NGUEMA Emmanuel et AVOME ONDO Adélaïde.

4 Remerciements

5 Remerciements Remerciements Je tiens tout d abord à remercier conjointement le groupe EDF et l Institut de Physique de Rennes (IPR), et l ANRT (Association Nationale de la Recherche Technologique) pour m avoir accepté en tant que doctorant, par le biais d une convention CIFRE. Je tiens avant tout à remercier le Noureddine BEN JEMAA, responsable de l équipe «contacts électriques» de l IPR et Laurent CRETINON, mon responsable à EDF R&D, de m avoir fait confiance pour mener ces travaux de thèse. Je souhaite témoigner aussi ma profonde reconnaissance au Mr Rochdi EL ABDI, professeur de mécanique au LARMAUR (LAboratoire de Recherche en Mécanique Appliquée de l'université de Rennes 1) et directeur de thèse, pour sa disponibilité et Mr Erwann CARVOU, ingénieur chercheur au sein de l équipe «contacts électriques» et co-directeur de thèse pour ses conseils scientifiques. Je souhaite remercier tous les membres du jury, qui ont gentiment accepté de lire mon manuscrit et de l évaluer, et plus particulièrement Yves OUSTEN et Frédéric JACQUMIN, respectivement professeur d électronique à l université de Bordeaux et professeur de mécanique à l université de Nantes pour avoir accepté d être mes rapporteurs de thèse. Je remercie également François ROBBE-VALLOIRE, professeur de tribologie à SUPMECA, d avoir accepté d être examinateur et président de mon jury de thèse. Je remercie par ailleurs l ensemble des membres du jury pour toutes leurs remarques constructives qui m ont permis d apporter des corrections finales à mon manuscrit. Je remercie sincèrement les membres de l IPR, en particulier Véronique LEGRAND pour son aide administrative. J adresse aussi mes remerciements à Ludovic FREIN pour son aide technique, notamment pour la réalisation du premier prototype de capteur réalisé. Je n oublie pas Jacques ROIGNANT pour la réalisation des bancs d essais. Je remercie également Jo LE LANNIC, Isabelle PERON et Francis GOUTTEFRANGEAS du CMEBA (Centre de Microscopie Électronique à Balayage et micro-analyse) pour l analyse de mes échantillons au microscope électronique à balayage. Je souhaite témoigner ma reconnaissance envers tous ceux qui ont contribué au bon déroulement de cette thèse au sein laboratoire des matériels électriques (LME) d EDF R&D des Renardières, et également envers ceux qui m ont témoigné leur soutien le jour de ma soutenance : parmi eux je cite Bastien COUSIN, Sébastien SARRAZIN, Pascale CHATILLON, Anne-Lise DIDIERJEAN, Dominique TALBOURDET, Francis-Mickael ROBERT et Jacopo TESTA.

6 Remerciements Enfin je remercie tous mes proches, qui m ont encouragé et soutenu tout au long de ces trois années.

7 Sommaire Sommaire 7

8 Sommaire 8

9 Sommaire Introduction générale Contexte général Pourquoi une étude sur les contacts électriques? Plan de l étude Références bibliographiques de l introduction générale Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Introduction I. Contact électrique Géométrie du contact à l échelle macroscopique Théorie du contact en régime élastoplastique et parfaitement plastique Aire réelle de contact électrique Résistance et force de contact II. Problématique des connecteurs bas niveau en fond de panier dans le contrôlecommande Caractéristiques et fonctions des connecteurs Description du connecteur HE III. Procédés de fabrication des contacts mâles et femelles Contact femelle Contact mâle sur PCB Matériau utilisé pour les contacts électriques : Le cuivre Revêtements et les différentes techniques utilisés Électrodéposition de la sous couche de nickel et de la couche d or IV. Principales causes de défaillance des connecteurs encartables Dégradation des propriétés mécaniques Corrosion Pollutions des surfaces de contact Dégradation des surfaces de contact

10 Sommaire Conclusion Références bibliographiques du chapitre I Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE Introduction I. Analyse de l état de surface des contacts par MEB- EDX II. Étude des paramètres d insertion et de leur évolution Mise en œuvre du banc d insertion et mesure de la force d insertion, et de la résistance de contact Résultats expérimentaux Synthèse III. Étude de la force de contact Banc de mesure de F c et de R c Variation du point de liaison de la lyre dans l embase du connecteur Synthèse IV. Usure par glissement des contacts Dispositif expérimental Mesure de la résistance de contact lors du glissement des contacts Analyse des contacts Analyse EDX des contacts males PCB Analyse topographique de la zone de contact sur la lyre Synthèse des analyses V. Développement d un capteur de mesure de la force de contact Qu est ce que l effet piézorésistif? Facteur de jauge Présentation du prototype Étalonnage des capteurs Layout du prototype Carte de tests réalisée

11 Sommaire 7. Mesures expérimentales effectuées Interprétation des mesures de force de contact en fonction des contacts VI. Évolution du coefficient de friction lors du frottement des contacts Rappel du phénomène d usure par frottement Réalisation d un banc de mesure simultanée de force de contact et de force d insertion Résultats et discussions Conclusion Références bibliographiques du chapitre II Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Introduction I. Éléments et caractéristiques d un système de vision Cahier des charges Quelques systèmes proposés Pouvoir de séparation et de résolution optique du système de vision Éclairage Traitement d images Principes de la détection des contours et mesures dimensionnelles Filtrage Présentation des opérateurs de Sobel et Prewitt Inspections utilisant l outil de largeur du contour Distance de travail (DT) II. Mesure dimensionnelle et traitement des données statistiques à l écran III. Résultats : Mesure de l écart entre les lyres du connecteur Étude de la précision et de la répétabilité des mesures effectuées par l appareil Mesure de l écartement entre les lyres de différents connecteurs Comparaison entre la force de contact et la différence de gap du connecteur Inspection des connecteurs

12 Sommaire Conclusion Références bibliographiques du chapitre III Conclusion générale et perspectives Annexes Annexe A : Fiche technique du connecteur HE Annexe B : Eléments finis utilisés dans nos simulations numériques Annexe C : Modèle de rapport d une régression lors de l étalonnage des capteurs Annexe D : Spécifications techniques du contrôleur de Modèle CV 5701P Annexe E : Support d éclairage composé de plusieurs LED vue sous différents angles

13 Liste des figures Liste des figures 13

14 Liste des figures 14

15 Liste des figures Figure I.1 : Rayon de contact pour un contact sphère lisse/sphère lisse et sphère/plan Figure I.2 : Rayon de contact pour un contact cylindre/plan Figure I.3 : Trois caractéristiques de la surface initiale d un contact électrique [7] Figure I.4 : Représentation de l aire de contact apparente, de contact mécanique et de contact électrique Figure I.5 : Lignes de courant et équipotentielles Figure I.6 : Résistance de contact en fonction de la force de contact [11] Figure I.7 : Baie pour fond de panier Figure I.8 : Présentation d un contact femelle en forme de tulipe (formée par 2 lyres)- contact mâle en PCB en insertion Figure I.9 : HE9 : Embase femelle composé de couple de lyre en forme de tulipe Figure I.10 : HE901 U (enfichable sur carte) Figure I.11 : HE901 V Figure I.12 : Schéma de l électrodéposition du Nickel Figure I.13 : Paramètres influant sur le comportement des contacts électriques [24] Figure I.14 : Illustration d une manœuvre d insertion (a) et d établissement du contact (b) Figure I.15 : Évolution de la force d insertion lors de l insertion Figure I.16 : Illustration schématique d une poutre en flexion et le ressort équivalent pour une liaison de type encastrement Figure I.17 : Évolution de la résistance de contact en fonction de la force de contact pour différents matériaux [27] Figure I.18 : Relevés de température T et d humidité relative H.R Figure I.19 : Fretting entre deux échantillons dont l amplitude de déplacement imposée, 2D d, est inférieure à la largeur de contact, 2a Figure II.1 : Coupe d une lyre du connecteur HE Figure II.2 : Spectres des matériaux de revêtement de la lyre (analyse effectuée aux points A, B, C de la Figure II.1). Détecteur à semi-conducteur, tension d accélération de 20 kv, pression de 10-4 Pa

16 Liste des figures Figure II.3 : Vue en coupe d un contact PCB et lignes de profils des éléments présents, détecteur à semi-conducteur, tension d accélération de 20 kv, pression de 10-4 Pa Figure II.4 : Dispositif expérimental pour la mesure des paramètres d insertion des contacts 76 Figure II.5 : Courbes typiques de l évolution de la force d insertion, de la résistance de contact et de la déflexion du ressort lors de l insertion Figure II.6 : Évolution de la force d insertion avec le nombre d insertion (2000 cycles d insertion-extraction) Figure II.7 : Évolution de la déflection lors de l insertion (2000 cycles d insertion-extraction) Figure II.8 : Évolution de la valeur du pic d insertion Figure II.9 : Photographies d une phase d insertion et de glissement Figure II.10 : Comparaison des évolutions de la force de glissement d insertion entre une zone de la piste animée et une zone intacte Figure II.11 : Évolution de la force d insertion en fonction de la vitesse d insertion (après 2000 cycles d insertion-extraction) Figure II.12 : Observation du chanfrein de deux pistes de PCB après 2000 cycles d insertionextraction pour des vitesses d insertion de 0,6 mm/s et 3 mm/s Figure II.13 : Évolution de la résistance de contact avec le nombre d insertion (2000) Figure II.14 : Banc de mesure de la déflexion d un ressort du connecteur HE9 en fonction de la force de contact Figure II.15 : Présentation de deux configuration des lyres dans l embase du connecteur : avec butée de précontrainte et sans butée de précontrainte Figure II.16 : Variation de la force de contact en fonction de la déflection pour une lyre avec et sans précontrainte Figure II.17 : Variation de la force de contact pour différents contacts d un même connecteur neuf Figure II.18 : Évolution de la résistance de contact avec la force de contact de trois contacts d un connecteur HE9 neuf Figure II.19 : Évolution de la résistance de contact avec la déflection de trois contacts d un connecteur HE9 neuf Figure II.20 : Différents types de liaisons

17 Liste des figures Figure II.21 : Résultats numériques par éléments de la déflection d une lyre en fonction de la longueur de liaison Figure II.22 : Corrélation entre les résultats expérimentaux et la simulation numérique de la déflexion d une lyre pour différentes longueurs de liaison Figure II.23 : Banc de glissement des contacts Figure II.24 : Mesure de la résistance de contact lors du glissement des contacts Figure II.25 : Différentes zones de contacts des lyres (frottement des contacts Au-Au, force de contact de 1 N, vitesse de frottement : 8 mm/s, distance de déplacement : 8 mm, nombre de cycles 0, 400, 500 et 1000, épaisseur de la couche d or sur la lyre : 0,5 µm, épaisseur de la sous-couche de nickel : 3 µm, épaisseur de la couche d or sur le PCB : 3 µm Figure II.26 : Image MEB et spectre EDX des éléments présents près de l empreinte d usure de la surface d une lyre après 400 cycles de glissement (analyse 1) Figure II.27 : Image MEB et spectre EDX des éléments présents dans l empreinte d usure de la surface d une lyre après 400 cycles de glissement (analyse 2) Figure II.28 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 1) Figure II.29 : Cartographie de la zone de contact d une lyre après 1000 cycles de glissement Figure II.30 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 2) Figure II.31 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 3) Figure II.32 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 4) Figure II.33 : Images microscopiques du contact PCB après 1000 cycles de sollicitations mécaniques, présence de traces d usures dues au frottement avec une lyre Figure II.34 : Analyse EDX d une piste du PCB après 1000 cycles de glissement Figure II.35 : Profil longitudinal d une lyre réalisé grâce au profilomètre à laser confocal de Taicaan Figure II.36 : Profil transversal de la lyre Figure II.37 : Schéma du prototype de capteur réalisé Figure II.38 : Vue d une piste du capteur piézorésistif

18 Liste des figures Figure II.39 : Schéma de l amplificateur inverseur utilisé (24 montages identiques) Figure II.40 : Exemple de courbes d étalonnage de différentes pistes (1, 2, 3, 4) pour une force allant de 0 à 5 N Figure II.41 : Réponse du capteur en fonction du point de mesure Figure II.42 : Photographie MEB montrant l état de la surface du silicium contenu dans le capteur piézorésistif Figure II.43 : Principe d homogénéisation d une piste du capteur piézorésistif, dimension d une piste de capteur : 15mm x 1,5 mm, épaisseur de la membrane piézorésistive : 208 µm, épaisseur de PET Mylar : 208 µm Figure II.44 : Réponse du capteur en fonction du point de mesure avec une épaisseur supplémentaire de Mylar Figure II.45 : Layout du prototype Figure II.46 : Carte de conditionnement des capteurs piézorésistifs Figure II.47 : Compensation du défaut d alignement de la carte par l utilisation de deux capteurs, une sur chaque face de la carte Figure II.48 : Schéma général du processus de mesure de la force de contact Figure II.49 : Mesure de la force de contact sur différents connecteurs HE Figure II.50 : Force de contact en fin de vie et fiabilité Figure II.51 : Différentes sources de friction : a) interaction des aspérités, b) adhésion, c) plowing Figure II.52 : Variation du coefficient de friction avec l épaisseur de la couche d or électrodéposée, force d appui 2,45 N; vitesse 1,52 m.min Figure II.53 : a) Banc de mesure simultanée de la force de contact et de la force d insertion b) Schéma du dispositif de mesure de µ, Rc, D, Fi et Fc Figure II.54 : Évolution du coefficient de friction avec le nombre d insertion Figure III.1 : Organigramme du traitement de l image Figure III.2 : Détermination du plus petit élément détectable Figure III.3 : Système vision In-Sight Micro Figure III.4 : Imagechecker PV Figure III.5 : VisionPOWERBOX

19 Liste des figures Figure III.6 : Vicosys Figure III.7 : SIMATIC VS Figure III.8 : IntroSpicio Figure III.9 : Caméra Dotcam Figure III.10 : Contrôleur CV-5701P Figure III.11 : Caméra CV-S200C Figure III.12 : Objectifs CA-LHS8 et CA-LHS Figure III.13 : Pouvoir de résolution Figure III.14 : Détermination du pouvoir de séparation du système optique Figure III.15 : Observation des traits sur la mire normalisée Figure III.16 : Deux modes d'illumination réflectives Figure III.17 : Orientation des LED pour un éclairage de la zone de contact du connecteur. 146 Figure III.18 : Méthode de câblage des LED Figure III.19 : Paramétrage de la fenêtre de mesure : définition des bords, direction de mesure, option de comptage Figure III.20 : Influence de l intensité d éclairage sur la mesure d écart Figure III.21 : Influence de la vitesse d obturation sur la mesure d écart Figure III.22 : Influence de la sensibilité sur la mesure d écart Figure III.23 : Définition de la distance de travail Figure III.24 : Support de la caméra coulissant sur les rails d un rack Figure III.25 : Vues du connecteur à différentes distances de travail Figure III.26 : Influence de la distance de travail sur la précision de la mesure. Les histogrammes représentent les écarts moyens sur une même tulipe pour des distances de travail différentes (à gauche le système de vison est à une distance de 4,2 cm, à droite elle est de 1,5 cm) Figure III.27 : Étude statistique lors d une mesure d écart entre les lyres Figure III.28 : Courbe de valeur d écart entre les lyres

20 Liste des figures Figure III.29 : Fenêtre personnalisée pour la mesure d écart entre les lyres d un connecteur HE9 à une distance de travail de 1,5cm Figure III.30 : Trois mesures consécutives d écart entre les lyres Figure III.31 : Mesure de l écart entre les lyres des connecteurs HE9 1.a ; HE9 2.b ; HE9 3.c ; HE9 4.d Figure III.32 : Mise en correspondance des valeurs de mesure de gap et de force de contact de différents connecteurs HE Figure III.33 : Variation de la force de contact avec l écart entre les lyres dans 3 connecteurs Figure III.34 : Illustration de deux tulipes à largeur identiques mais à différentes longueurs de liaison (L e >L e ) Figure III.35 : Connecteur avec une présence d oxydes à la surface des lyres Figure III.36 : Impact de la présence d oxyde sur la mesure de gap entre les lyres Figure C : Schémas du système lyre-contact et principe de mesure de la résistance de contact

21 Liste des tableaux Liste des tableaux 21

22 Liste des tableaux 22

23 Liste des tableaux Tableau I.1 : Résistance électrique de contact pour une interface cuivre/cuivre 1,7 µω.cm [10] Tableau I.2 : Caractéristiques de quelques revêtements et leurs résistances à la corrosion et la sulfatation [7] Tableau I.3 : Influence du dépôt d or sur la fiabilité du contact [22] Tableau I.4 : Récapitulatif des relevés des valeurs de température et d humidité relative Tableau II.1 : Différentes épaisseurs de revêtements des contacts (HE9) Tableau II.2 : Caractéristiques techniques d une piste de capteur piézorésistif Tableau II.3 : Possibles causes des variations de force en fonction des contacts Tableau III.1 : Taille du plus petit objet détectable Tableau III.2 : Récapitulatif des différents systèmes de mesure mentionnés Tableau III.3 : Correspondance des valeurs d écart entre les lyres et la force de contact

24 Introduction générale 24

25 Introduction générale Introduction générale 25

26 Introduction générale 26

27 Introduction générale 1. Contexte général Prolonger l'exploitation du parc de production d énergie jusqu'à soixante ans représente un enjeu sécuritaire et financier considérable. Ceci requiert notamment des analyses poussées sur les composants qui s'inscrivent dans une dynamique internationale. Ce défi ambitieux renforcera la crédibilité du groupe EDF (Électricité De France) auprès des autorités et des fournisseurs. Ceci nécessite d'analyser la tenue des composants et de prévoir dans quelles conditions ils pourront être exploités à cette nouvelle échelle de temps, en toute sûreté et à un coût acceptable. Ces analyses exigent une compréhension fine des mécanismes de vieillissement des matériaux ainsi que des sollicitations neutroniques, thermohydrauliques et mécaniques afin de quantifier leurs conséquences sur le composant réel et maîtriser le degré d'incertitude associé. Les équipements électroniques de contrôle-commande des centrales de production d électricité constituent un élément important des installations de production EDF. Maîtriser leur fiabilité pendant toute la durée de leur utilisation (plusieurs dizaines d'années) est donc un enjeu majeur. Des mécanismes de vieillissement des composants électroniques sont recensés et étudiés par EDF R&D depuis plusieurs années. Cette connaissance permet de définir les indicateurs pertinents du vieillissement pour chaque famille de composants. Des outils de mesure de ces indicateurs sont ainsi développés. Aujourd'hui, le diagnostic de l'état de composants ciblés (connecteurs, relais électromécaniques, condensateurs, thyristors de puissance,...) permet de détecter au plus tôt un début de vieillissement des matériels. Dans la même optique, EDF R&D a mis en place un partenariat entre LME (Laboratoire des Matériels Électriques), à travers un projet dont l objectif est de comprendre et anticiper le vieillissement du contrôle-commande en général et des connecteurs électriques en particulier des centrales nucléaires existantes, et l IPR (Institut de Physique de Rennes). L IPR, via son équipe «Contacts Électriques», a une expérience de plus de vingt ans dans le domaine de la connectique et a permis la production de nombreuses thèses avec le monde industriel. Par exemple dans le domaine automobile où les connecteurs sont soumis à de rudes conditions environnementales et nécessitent un niveau de fiabilité très élevé, proche de ce que l on peut exiger dans la production nucléaire d électricité, et des fabricants de connecteurs. Cette collaboration a conduit à une thèse sur le thème de la fiabilité et du vieillissement de la connectique utilisée dans le contrôle-commande des centrales nucléaires existantes. Notre travail est intitulé : «Étude expérimentale des défauts des connecteurs encartables dorés et mise en œuvre d outils de diagnostic». 27

28 Introduction générale 2. Pourquoi une étude sur les contacts électriques? Avec la multiplication de leur utilisation dans des secteurs variés tels que l automobile, les télécommunications ou encore l électronique, les contacts électriques sont devenus des éléments essentiels dans un circuit électrique. Cependant, leur fiabilité, qui est aussi un facteur crucial pour des applications de sûreté, aussi bien pour des raisons de sécurité qu économiques, n a toujours pas été étudié sur la longue durée pour les anciennes générations de contacts. Il est nécessaire de comprendre les mécanismes physiques de dégradation et de vieillissement des contacts électriques. Cela passe par l'évaluation des contraintes que subissent ces dispositifs en fonctionnement, et en particulier celles liées aux phénomènes mécaniques, environnementaux et thermiques. Les contacts électriques peuvent prendre des formes extrêmement variées, il est difficile d'établir une classification de ceux-ci. Il existe néanmoins des grandes familles que nous essaierons d'illustrer par des exemples connus [1] : Contacts à fermeture par pression : contact de relais, contact de touche de clavier,... Contacts vissés (dits permanents) : cosse à œil serrée contre une plaque par une vis, conducteur pressé, par une vis dans un domino, cosse serrée par une vis sur une borne de batterie..., Contacts à insertion (dits semi-permanents), prise de courant domestique, connecteur de micro ordinateur, connecteur d'automobile. La complexité de leurs formes rend encore plus difficile leur étude [2]. Par exemple dans le cas des connecteurs encartables, c est, jusqu à présent, l observation visuelle qui est utilisée comme méthode de diagnostic de ceux-ci [3]. C est une méthode qui est difficile à corréler à des grandeurs physiques. Elle est d autant plus difficile que le connecteur peut avoir des défauts intermittents difficilement identifiables visuellement. Pour ce qui est des défauts permanents pouvant impacter sur la fiabilité du connecteur, EDF R&D a décidé de mener des recherches sur des méthodes quantitatives de diagnostic, innovantes et utilisables in situ. Ce sujet est étudié à EDF R&D depuis de nombreuses années et a connu un fort regain d intérêt de la part des commanditaires de l étude (représentés par différentes entités EDF). Une première thèse a déjà été réalisée en collaboration avec l Université de Montpellier II et l Institut d Électronique du Sud (anciennement Laboratoire d Analyse des Interfaces et de Nanophysique) dans le but de déterminer les principaux mécanismes de vieillissement de la connectique encartable grâce à une étude des matériaux la constituant. Plusieurs points ont été abordés au cours de cette thèse [3]: La caractérisation physique des connecteurs La présence d une pollution organique a été identifiée autour des contacts, ce qui peut avoir un effet néfaste sur la résistance de contact, L expertise des connecteurs mâles et femelles provenant d exploitation n a pas révélé de lien direct entre la variation de la résistance de contact et leur durée d utilisation. 28

29 Introduction générale Notre étude constitue la suite des travaux menés dans la première thèse. Nous focaliserons l étude autour de la caractérisation des connecteurs encartables (qui font partie de la catégorie des contacts bas niveau). En insistant sur le point de vue mécanique, les questions que nous nous somme posées sont : Quels sont les paramètres caractéristiques de la durée de vie du connecteur? Comment se dégradent-ils en fonction des contraintes et du temps? Comment déterminer leur durée de vie résiduelle? 3. Plan de l étude La présentation des résultats obtenus au cours de cette thèse s'articule en trois parties : a) Le premier chapitre fait un état de l art sur le contact électrique, donnant les définitions de quelques termes les plus usuels tels que le contact électrique, la théorie de Hertz, la définition de l aire de contact, de la résistance de contact. Nous donnons aussi quelques rappels sur les matériaux et revêtements utilisés dans la connectique, sur les différentes causes de dégradation des contacts électriques (relaxation des contacts, corrosion des surfaces en contact, pollution des surfaces de contacts, usure des revêtements ). Tout contact électrique est caractérisé par la résistance électrique de contact. Pour qu un contact électrique fonctionne convenablement, la résistance de contact R c doit être la plus faible possible et surtout stable dans le temps. La résistance de contact dépend de quelques paramètres principaux : le revêtement des surfaces en contact, la force de contact F c, les matériaux de contact, le frottement d'une surface par rapport à l'autre, les dimensions et l état des surfaces de contact. Ces paramètres jouent un rôle primordial dans les contacts électriques et seront analysés dans ce premier chapitre. b) Dans le deuxième chapitre, on se penchera dans un premier temps sur la caractérisation expérimentale des paramètres d insertion représentés par la force d insertion et la vitesse d insertion pour un connecteur encartable et leurs effets sur la résistance de contact. L objectif de ce chapitre est de fournir une corrélation entre le taux d usure et les paramètres de contact et d insertion, après plusieurs manœuvres d insertions et d extractions. On appelle paramètres du contact la résistance électrique R c, l aire de contact et la force de contact. On appelle paramètres d insertion, les variables telles que : la force d insertion F i et la déflection du ressort. Les traces d usure (correspondant à la trace laissée par chaque piste sur le ressort et vice-versa) sont analysées par microscopie électronique à balayage (MEB). Une deuxième partie de ce chapitre consiste en la mise en œuvre d un outil de diagnostic des connecteurs, in situ. Cet outil a pour fonction de mesurer directement la force de contact de chaque contact dans le connecteur. Le but final de ce chapitre est de fournir un critère mécanique de défaut des connecteurs. 29

30 Introduction générale c) Dans le troisième chapitre, nous nous sommes intéressés à l élaboration et à la mise en place d un système d inspection visuel. En effet, ce système est destiné à remplacer ou à compléter les capteurs classiques lorsque ceux-ci sont mal adaptés pour détecter les défauts tels que l alignement des lyres ou les déformations de celles-ci. Nous avons mis en place et testé un système de vision qui utilise un logiciel de traitement d images. Ce système, facile à transporter, est adapté à l analyse de différents types de connecteurs encartables en fond de panier utilisé par EDF. Enfin, le manuscrit se termine par une conclusion générale qui dégage les résultats importants obtenus lors de ces trois années de recherche et par les perspectives que nous conseillons pour continuer et améliorer ce travail. 30

31 Introduction générale Références bibliographiques de l introduction générale [1] Louis Féchant, Pascal Tixador, Matériaux conducteurs et de contact électriques, Lavoisier, 2003 [2] P. LAINÉ, Connectique, Technique de l ingénieur [3] M. El Hadachy, Diagnostic de la connectique encartable dorée bas-niveau, Thèse de doctorat, Université de Montpellier II,

32 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 32

33 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 33

34 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 34

35 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Introduction Dans ce chapitre, l objectif est, dans un premier temps, de rappeler des notions générales sur le contact électrique. Pour mieux comprendre ses modes de défaillance, il est décrit aussi bien d un point de vue macroscopique que microscopique. Pour cela, la théorie de Hertz [1, 2] est appliquée aux contacts entre conducteurs solides élastiques. Le modèle de Holm [3] est ensuite explicité et étendu à des modèles en référence au passage du courant à travers une multitude de points («spots») de contact. Dans un second temps, une revue des principaux mécanismes de défaillance concernant différents connecteurs est réalisée. I. Contact électrique Un contact électrique est constitué de deux pièces conductrices pressées l une contre l autre et parcourues par un courant électrique générant une différence de potentiel. Les phénomènes de conduction du courant dans l interface sont très complexes : ils dépendent des matériaux, de la topologie et de l état physico-chimique des surfaces. 1. Géométrie du contact à l échelle macroscopique Contact normal de solides élastiques : Théorie de Hertz La théorie de Hertz [2] consiste à calculer l aire de contact entre contacts élastiques (deux demi-sphères ou une demi-sphère et un plan comme ci-dessous) sous l action d une force F c (Figure I.1.a). Les deux demi-sphères S 1 et S 2 ont des rayons de courbure respectifs R 1 et R 2, des coefficients de Poisson 1 et 2, des modules de Young E 1 et E 2. Le rayon élastique de l aire de contact est quant à lui exprimé par a. a) b) F c E 2, 2,R 2 R F c F c 2a E 1, 1,R 1 2a E Figure I.1 : Rayon de contact pour un contact sphère lisse/sphère lisse et sphère/plan 35

36 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Dans ce modèle, une hypothèse est émise en considérant chaque surface comme topographiquement lisse aussi bien à l échelle macroscopique qu à l échelle microscopique. Lorsque les deux solides sont mis en contact sous l action d une force F c, leur interface commune forme un disque de rayon a (a<<r) où R représente le rayon de courbure de la sphère du système sphère/plan (Figure I. 1-b) lui-même équivalant au système sphère/sphère représenté sur la Figure I.1.a. La valeur du rayon de courbure équivalent R est donnée par la formule suivante : 1 R 1 1 (1) R R 1 2 R = R 1 si le solide S 2 est constitué d'un plan (R 2 ) Le module d Young équivalent E est défini par : E E E La théorie de Hertz donne alors, en mode élastique, les grandeurs essentielles qui sont obtenues sous la force de contact exercée F c : Le rayon de striction élastique est défini par l expression suivante : 1 3 (2) 3Fc R a (3) 4E La pression moyenne P m de contact au centre du cercle de rayon a est exprimée, d après (3), par la relation suivante : P m F a c 2 2 6Fc E R La pression locale à une distance r du centre du disque est donnée par : D après les équations (4) et (5), la pression maximale dans l axe est alors donnée par P 1 2 ( 3F 6 3 0) c Fc E a R Considérons un cylindre de rayon R en appui sur un plan le long d une génératrice avec une force F c par unité de longueur (Figure I.2). Le contact s étend de part et d autre de la génératrice sur une largeur 2a. Une autre configuration de contact Hertz est le contact type cylindre/plan (Figure I.2). Il a démontré que dans le cas d un contact cylindre plan, la largeur de l empreinte de contact est donnée par : où L correspond à la longueur du cylindre F r Pr ( ) 1 2 a a a 2 c 2 2 4FR c EL (4) (5) (6) (7) 36

37 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau La pression le long de l axe z s exprime par la relation suivante : 2F p( z) c a² z² a² (8) L Fc R 2a Figure I.2 : Rayon de contact pour un contact cylindre/plan 2. Théorie du contact en régime élastoplastique et parfaitement plastique La théorie qui vient d'être exposée n est valable que lorsque la pression moyenne de contact reste partout inférieure à la limite d'élasticité σ y du matériau dont la dureté est la plus faible. Selon Johnson [4], l'expression de la force F y au dessus de laquelle commence le régime élastoplastique, pour un contact sphère/plan, peut être déterminé par [4]: F y R 21 E R est le rayon de courbure équivalent, E eff correspond au module d Young moyen. D'après ce modèle, le régime plastique commence à se manifester lorsque F c atteint des valeurs de l'ordre de 5Fy [1]. En régime parfaitement plastique, l'aire de contact ne dépend plus que de la force F c et de la dureté H de contact (ou dureté de Meyer). Greenwood et Williamson [5] ont montré que la déformation des aspérités est généralement plastique dans la plupart des applications. L aire mécanique de contact A c est liée à la force appliquée à l interface et à la dureté du matériau le plus mou par la relation : F A H (10) c 2 3 y 3 eff c (9) 37

38 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 3. Aire réelle de contact électrique L hypothèse de surfaces de contact lisses à l échelle macroscopique n est guère réaliste dans les applications habituelles et cela a donné lieu depuis longtemps déjà à des modèles de surface de contact essayant de tenir compte de la présence d aspérités [6]. La surface initiale d un élément de contact résulte généralement de la combinaison de trois aspects principaux, comme schématisé sur la figure ci-dessous (Figure I.3) : structure physico-chimique, rugosité et forme macroscopique [7]. Atmosphère Substrat Forme macroscopique Rugosité Structure physicochimique Figure I.3 : Trois caractéristiques de la surface initiale d un contact électrique [7] Du fait de la rugosité, la sphère ne touche le plan qu'en un certain nombre d'îlots, représentés en vert et orange (Figure I.4). Ces îlots, où la contrainte d'interface n'est pas nulle, constituent l aire de contact mécanique. Enfin, la couche superficielle, mauvaise conductrice, n'est percée qu'en un certain nombre de zones constituant "l aire de contact électrique". Il n'y a qu'au niveau de ces zones que la densité de courant électrique n'est pas nulle. R Aire de contact apparente2a Aire de contact mécanique Aire de contact électrique F c Figure I.4 : Représentation de l aire de contact apparente, de contact mécanique et de contact électrique 38

39 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 4. Résistance et force de contact Un critère important de la qualité d un contact électrique est, bien entendu, la valeur de la résistance parasite qu il introduit dans le circuit et que l on souhaite minimiser [8]. a. Résistance de contact : modèle à un seul point de contact Résistance électrique de constriction Afin d évaluer la résistance de constriction, nous considérons le cas ou deux conducteurs infiniment grands et constitués du même matériau, de résistivité ρ, communiquent à travers un seul point de passage, parfaitement conducteur. Suivant que les dimensions du passage sont grandes ou petites par rapport au libre parcours moyen électronique, les régimes de transport sont différents. Le libre parcours moyen électronique dans le cuivre est l= 387 Å et dans l or l=383 Å [9]. Dans ce modèle, l'aire de contact entre les deux solides semi-infinis est constituée d'un seul disque de rayon a (Figure I.5). Lorsque l << a, la forme locale de la loi d Ohm (modèle de Maxwell) peut être appliquée. Le champ électrique est défini par l équation suivante : E : Vecteur champ électrique, ρ : Résistivité électrique, V : Potentiel électrique, J : Vecteur densité de courant. E V J (11) Z Lignes de courant Équipotentielles O I Figure I.5 : Lignes de courant et équipotentielles 2a La résistance ohmique propre des deux conducteurs est donnée par la relation suivante: R e b S (12) 39

40 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Avec b la longueur du conducteur, S la section transversale du conducteur et la résistivité du matériau. Le courant passe par une seule zone du disque de rayon a. Holm [3] montre que pour la zone comprise entre O et Z, la résistance de constriction est donnée par : Dans le cas d une constriction longue (z>>10a), l expression (13) se simplifie et on obtient comme résistance de constriction l expression suivante pour un élément du contact : R c 4a Pour le contact complet (deux résistances en série) on obtient [3]: Dans ce cas une faible variation du rayon a impactera la résistance de contact [9], comme le montre le Tableau ci-dessous (Tableau I.1). Tableau I.1 : Résistance électrique de contact pour une interface cuivre/cuivre 1,7 µω.cm [10] Rayon du point de contact Résistance de constriction (Ω) (µm) 0,01 0,88 0,1 8, , , On remarquera, que la résistance de contact n'est pas inversement proportionnelle à la section de passage du courant, mais plutôt à son périmètre [10]. La formule de Holm est également utilisée lorsque le contact est réalisé à partir de deux métaux différents, de résistivité ρ 1 et ρ 2 Dans ce cas particulier on a pour le contact complet: 1 2 R c (16) 4a b. Résistance d un contact multipoints z Rc ( z) arctan ( ) 2 a a R c 2a Dans la réalité, un contact électrique comporte plusieurs points de contact par lesquels passe le courant électrique (Figure I.4). L expression de la résistance de contact devient alors plus complexe. Dans le cas où un nombre important n de spots situés sur la zone de contact, Greenwood a montré, avec une bonne approximation que la résistance de contact peut être définie comme suite [5, 10] : 1 1 R constriction (17) 2na 2 (13) (14) (15) 40

41 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau où a est le rayon moyen défini par Σa i /n (a i est le rayon du i ième spot) et α est le rayon de Holm. Si l on ne tient pas compte d un éventuel film isolant à l interface et que l ensemble des spots de passage de courant est assimilé à un rayon de Holm, la résistance de contact peut être approximée par la valeur : R c (18) 2 et Ac 2 (19) où ξ est un facteur empirique qui tient compte de l'incertitude sur la dureté réelle. Il est généralement compris entre 0,3 et 0,7. D après les expressions (10), (18) et (19), la résistance de contact peut être exprimée comme suit: R c H 4Fc D autres paramètres tels que l oxydation (présence d un film d oxyde), la présence de sulfure ou de couche de pollution vont aussi avoir un impact sur la valeur de la résistance de contact. c. Prise en compte d un film isolant dans le calcul de la résistance de contact Examinons le cas où un film isolant de conductivité très faible par rapport au métal s interpose dans la zone de contact. Le film isolant est issu de la contamination des surfaces par des atomes ou molécules présentes dans l atmosphère. La présence d un film isolant est particulièrement pénalisante pour le contact électrique car les oxydes métalliques, les couches pollution ou encore les couches de sulfures sont en général plus isolants que les métaux non oxydés. Quelques couches atomiques suffisent pour fortement dégrader le contact électrique. Les propriétés électriques du film sont généralement assez complexes, et dépendent évidement de la nature des éléments présents sur les surfaces en contact à l interface et de l environnement. Il est intéressant de rendre compte de ces propriétés en définissant une résistivité de surface λ (Ω.m 2 ). La résistance de contact est la somme de la résistance de constriction et de la résistance du film. Elle s écrit dans ce cas [10] : 1 2 (20) R c 2 2 (21) Dans le cas où une couche d épaisseur e et de résistivité ρ c se trouverait entre les éléments de contact, constitués du même matériau de résistivité ρ la résistance de contact s exprime sous la forme [9] : e Rc c (22)

42 Résistance de contact (mω) Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Cette formule est également valable quand il n y a pas de couche intermédiaire, et dans ce cas il suffit de prendre e=0. L expression est basée sur l hypothèse selon laquelle la résistance apportée par la présence d une couche provient simplement de la conduction à travers cette couche de résistivité ρ c. Considérons les cas où un film d interface est présent. Les hypothèses du modèle sont les suivantes : la configuration des éléments de contact est la même que précédemment (métal de résistivité ρ, et couche d oxyde d épaisseur e et de résistivité ρ c ). De plus s il y a n îlots de contact de rayon a, régulièrement répartis à l intérieur d un disque de rayon, l expression de la résistance de contact s écrit alors : Rc Rmassique Rconstriction Rfilm (23) R c b 1 e c 2 S n2 (24) La Figure I.6 représente une courbe typique d évolution de la résistance de contact en fonction de la force de contact. On y observe la participation de chaque résistance sur la valeur de la résistance de contact [11]. Le contact est stable lorsque la force de contact est suffisante pour que la résistance de contact ne dépende que de la résistance massique et de la résistance de constriction. Résistance du film Instabilité Stabilité Résistance de constriction et résistance du film Résistance de constriction Force de contact (N) Résistance massique Figure I.6 : Résistance de contact en fonction de la force de contact [11] 42

43 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Comme nous venons de le voir, l'établissement d'un contact électrique, consiste en la création d'un certain nombre de passages conducteurs entre deux électrodes. A l inverse on peut dire que la dégradation du contact consiste en la disparition de ces passages conducteurs. Cette disparition peut intervenir de différentes manières dont nous décrivons les principales dans la partie qui suit. II. Problématique des connecteurs bas niveau en fond de panier dans le contrôle-commande 1. Caractéristiques et fonctions des connecteurs Le connecteur est un composant électromécanique dont le rôle consiste à réunir, tant électriquement que mécaniquement, de façon amovible, des éléments constituant un système électronique. Nous nous limitons volontairement à l étude des connecteurs utilisés dans les matériels électroniques industriels pour la transmission de courants faibles (< 1 A). Se trouvent donc exclus tous les éléments mettant en jeu un phénomène d arc électrique (les manœuvres de connexion et de déconnexion se font hors tension). En effet, plus de 90 % des connecteurs utilisés à EDF raccordent des circuits de signaux analogiques ou numériques. La quasi-totalité des connecteurs est réalisée à partir de couples de pièces qui doivent assurer l ensemble les fonctions suivantes: fournir la force d'appui des pièces l'une sur l'autre, dite force de contact, permettre l'accouplement et le désaccouplement des deux pièces constituant le contact électrique, garantir un contact métallique entre les deux pièces en regard, permettre le raccordement de chacune d'elles à un élément conducteur extérieur, présenter une zone de fixation dans l'isolant (le contact peut être démontable ou simplement remplaçable). Ce sont les connecteurs semi-permanents encartables qui font l objet de notre étude. Ces connecteurs sont composés d une partie mâle et d une partie femelle. Le connecteur mâle est réalisé à l aide des connexions électriques placées à l extrémité d une carte de circuit imprimé. Ces connexions sont localisées en bordure de carte et sont définies sous la forme d un peigne conducteur lui-même représenté par plusieurs doigts de contact. La partie femelle d un connecteur encartable est un réceptacle permettant d accueillir la partie mâle et dans lequel les connexions électriques sont réalisées [12]. Dans les installations EDF, les embases de connecteurs sont utilisées dans des armoires de contrôle-commande en fond de panier (Figure I.7-confidentiel EDF). Ces armoires ont pour fonction d acquérir les différentes signalisations, telles que les positions d'appareils, les ordres venant des protections, les indications de défaillances. Ceci permet à l'exploitant, si une anomalie apparaît, de prendre une décision permettant de maintenir ou de rétablir le fonctionnement de la partie de l installation qui pourrait être affectée. Ceci permet aussi, ultérieurement, en cas d'incident important, d'analyser avec précision ce qui s'est passé. La 43

44 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau restitution a lieu, au fur et à mesure de l'arrivée des signalisations, par exemple sur une imprimante située à proximité de l'équipement. Le rôle des connecteurs dans ces installations est donc de transmettre ces informations (signal numérique ou analogique), de la carte de circuit imprimé vers l électronique en fond de panier. Confidentiel Connecteurs Figure I.7 : Baie pour fond de panier En cas de défaillance de la connectique, toutes ces procédures pourraient ne pas être respectées. Lors de la conception du connecteur, certains paramètres doivent particulièrement être bien définis (le dimensionnement par exemple) afin de ne pas dégrader la qualité du contact électrique. Nous pouvons en citer quelques-uns : Points de contact : parties conductrices des contacts males et femelles à travers lesquelles circule le courant électrique après jonction. Leurs formes, leurs revêtements choisis de manière appropriée, permettent d obtenir une meilleure fiabilité du connecteur. Réceptacle du connecteur : c est l embase dans laquelle les parties du connecteur (contact mâle et contact femelle) sont assemblées. Il sert de guide mécanique lors des manœuvres d insertion-extraction afin d assurer l alignement des deux contacts. Il a aussi un rôle de protection mécanique des contacts. Isolation des différents contacts : pour des connecteurs multi points, l isolation de chaque contact est essentielle. Elle est prise en compte notamment lors de la réalisation de l embase. 44

45 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Terminaison câble-connecteur : la transition entre un câble et un connecteur est une jonction non séparable. Les principales exigences qu ils doivent remplir sont : Sur le plan mécanique : résister à un certain nombre de manœuvres d insertion extraction, tenir face au séisme (qualification K3, spécifique à EDF), Sur le plan électrique : une résistance de contact faible (quelques mω), stable dans le temps. 2. Description du connecteur HE9 Les connecteurs qui font l objet de notre étude sont les connecteurs multivoies encartables ou enfichables de la série HE901, au pas de 2,54 mm entre chaque voie, qui sont conçus pour des circuits imprimés d'épaisseur nominale de 1,6 mm ± 0,2 mm. Avec ces connecteurs encartables, le contact d une voie s'établit directement entre les points de contact des pistes du circuit imprimé et les contacts à ressort, type «lyre» fendue. Les lyres sont remplaçables par l avant du connecteur (côté enfichage) (Figures I.8, I.9). Carte PCB (contact mâle) Embase du connecteur Contact femelle en forme de tulipe et composé de deux lyres Figure I.8 : Présentation d un contact femelle en forme de tulipe (formée par 2 lyres)- contact mâle en PCB en insertion Les fiches et les embases, polymère thermodurcissable «ininflammable», sont réalisées suivant les arrangements de la norme UTE/NFC X13, 2X19, 2X25, 2X31, 2X43, 2X49 contacts, et sont conformes aux feuilles particulières du modèle HE901 et à la spécification CNET STC /1 pour les connecteurs HE 901 [13], que nous appellerons par la suite simplement HE9. Les principales caractéristiques du HE9 sont récapitulées dans le Tableau de l Annexe A. Sur la Figure I.9, un connecteur composé d un contact PCB et d une embase femelle HE9 est représenté. Les Figures I.10, I.11 représentent les différents connecteurs encartables du HE9. 45

46 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Contact male PCB Embase femelle du connecteur comprenant des lyres en forme de tulipe Figure I.9 : HE9 : Embase femelle composé de couple de lyre en forme de tulipe Lyres du connecteur Figure I.10 : HE901 U (enfichable sur carte) L embase en V (Figure I.11) permet un gain de place en hauteur et d'avoir une sortie parallèle à la carte de circuits imprimés [13]. 46

47 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Figure I.11 : HE901 V La fabrication de ce type de connecteurs se fait par des procédés qui sont bien connus dans le secteur de la connectique. Ci-après, sont détaillées les principales méthodes de fabrication de connecteurs encartables, type HE9. III. Procédés de fabrication des contacts mâles et femelles 1. Contact femelle Comme il a été dit précédemment, l embase du connecteur HE9 (partie femelle) est en polymère thermodurcissable. Un matériau thermodurcissable ne peut être mis en œuvre qu'une seule fois et devient infusible et insoluble après polymérisation. Une fois durci, sa forme ne peut plus être modifiée, un chauffage éventuel ne permettra pas de le fondre : il n'est pas recyclable, mais on peut néanmoins l'incorporer dans d'autres matériaux comme renfort. Les matériaux thermodurcissables sont généralement plus résistants que les matériaux thermoplastiques. On leur reconnaît une très bonne résistance diélectrique, mécanique, ainsi qu'aux produits chimiques (matériaux non réactifs), et à la chaleur. Les contacts des connecteurs sont réalisés à partir des pièces cylindriques. Grâce à des procédés de découpes fines, la forme souhaitée est donnée aux contacts qui sont élaborés à 47

48 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau partir de métal en bande avec des outils assurant les découpages, les cambrages et les roulages nécessaires pour laisser en regard les faces laminées des bandes d origine dans la zone de contact. L état de surface sur les zones de contact est modifié par le traitement et le dépôt de surface, encore appelé revêtement. Si ces méthodes sont fréquemment utilisées pour la fabrication des connecteurs, il peut y avoir des défauts de dimensionnement initiaux, aussi infimes soient-ils qui pourraient avoir un impact sur les paramètres des connecteurs. Les pertes induites par les défauts de dimensionnement peuvent aller jusqu à 40% de perte de la force de contact [14]. 2. Contact mâle sur PCB Un circuit imprimé ou PCB (Printed Board Circuit, en anglais) se caractérise par un support stratifié présentant une isolation électrique et thermique (que l on nommera par la suite, substrat) sur lequel repose une feuille conductrice métallique [15, 16]. La feuille conductrice est une feuille de cuivre puisque ce matériau présente la particularité d avoir une conductivité élevée et un faible coût de production. On peut séparer les matériaux isolants des PCB en deux catégories : d un côté, les matériaux isolants à base de polymères organiques, et de l autre, les matériaux isolants à matrice inorganique (céramique, métallique, béton). L industrie du circuit imprimé emploie les deux types de matériaux. Cependant, les matériaux isolants à base de polymères organiques sont plus fréquemment utilisés parce qu ils sont faciles à mettre en œuvre, coûtent moins chers et plusieurs familles de matériaux sont disponibles selon les propriétés recherchées. Les polymères organiques sont classés en deux sous-catégories, à savoir : les polymères thermoplastiques, qui se ramollissent sous l effet de la chaleur et se durcissent en refroidissant; et les polymères thermodurcissables, qui sous l action de la chaleur réticulent progressivement pour atteindre un état irréversible. Les substrats des circuits imprimés appartiennent essentiellement à cette deuxième catégorie en raison de leur rigidité plus ou moins élevée. Les différents polymères sont identifiés par le nom générique de la famille à laquelle ils appartiennent. Ainsi, la bakélite est le nom générique des composés polymères formés à partir de phénol et de formaldéhyde et de leurs dérivés. L époxyde sera le nom générique des produits formés à partir de molécules d épichlorohydrine, de bisphénol et de leurs dérivés. Le FR-4 résine époxyde, tissu de verre, retardateurs de flamme, est généralement utilisé pour des circuits imprimés avec trous métallisés simple face, double face ou multicouche [17] dans le domaine de l automobile, de l informatique, des télécoms 48

49 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau FR-4 Comme il a été spécifié précédemment, le FR-4 (FR pour Flame Retardant) est constitué en majeure partie de résine époxyde et de fibres de verre tressées mais présente également d autres constituants qui, par combinaison, vont déterminer les propriétés du substrat. Les résines époxyde sont caractérisées par la présence d au moins deux cycles éthers à trois membres comprenant deux atomes de carbone et un atome d oxygène et connus sous le nom de groupe époxyde ou oxyrane. Ces principaux constituants sont : Agents de réticulation ou durcisseur : ajoutés à la résine permettent d engager la réticulation du polymère thermodurcissable, et par conséquent la structure du composite. Dans l industrie des circuits imprimés, les durcisseurs les plus utilisés sont le dicyandiamide (communément nommé DICY) et le phénol novolac (phénolique). Leurs propriétés respectives sont inhérentes à leur structure moléculaire. En effet, plus stable thermiquement en raison de la présence de molécules aromatiques, le système phénol novolac résine époxyde possède de meilleures propriétés que le système DICY résine époxy, en terme de résistance thermique, résistance aux produits ou attaques chimiques et à l humidité [18]. Charges : ce sont des additifs (l alumine, le sable ou encore la silice) qui modifieront les propriétés mécaniques de la résine époxy, en abaissant, par exemple, son coefficient d expansion thermique (CTE) ou en augmentant ses propriétés électriques comme sa conductivité thermique, etc [19]. Agents retardateurs de flamme : ils vont permettre, comme leur nom l indique, d inhiber la réaction de combustion de la résine en cas d inflammation. On peut séparer ces agents en deux catégories : les retardateurs halogénés (bromés, en général) et les retardateurs non halogénés [20]. 3. Matériau utilisé pour les contacts électriques : Le cuivre Le cuivre est un matériau largement utilisé en électronique pour sa bonne conduction du courant électrique. C est le meilleur conducteur de l'électricité après l'argent. Sa conductivité électrique a été prise comme référence par la Commission Électrotechnique Internationale en 1913 et la résistivité du cuivre, d'une valeur de 1,724 µω.cm à l'état recuit, est l'étalon de cette mesure. La conductibilité du cuivre est, par définition, égale à 100 % IACS (International Annealed Copper Standard). Seul l'argent a des performances légèrement meilleures sur ce point (environ 106 IACS). Pour améliorer ces propriétés mécaniques, il est sous forme d alliage (cuivre-béryllium, par exemple), ce qui diminue légèrement sa conductivité électrique [21]. 49

50 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Le cuivre s oxyde en présence d air. Cette couche d oxydation contribue à augmenter la résistance électrique de contact lorsqu il est utilisé dans les contacts électriques. Pour éviter cette oxydation, des revêtements sont utilisés. 4. Revêtements et les différentes techniques utilisés L or est le métal idéal pour les revêtements de contacts bas-niveau où la fiabilité est considérablement élevée. Pour des applications critiques où il est n est pas facile de réparer ou de changer le connecteur défectueux, l utilisation de revêtements dorés assez épais >1µm assure une marge de sécurité supplémentaire contre d oxydation du métal de base. L or réagit très difficilement avec d autres substances et ne s oxyde pas. L un des seuls dangers de contamination des surfaces dorées est leur encrassement par des graisses ou des poussières environnantes. L or permet un bon passage du courant même pour des faibles forces de contact [22], il permet aussi d assurer une résistance de contact stable et faible pour de nombreuses applications de longues durées [22], ce qui est très important lorsqu un nombre de contacts important doit être inséré simultanément. L argent a des propriétés qui sont assez similaires à celles de l or, mais il est sujet à la sulfuration en présence de H 2 S ou SO 2, en atmosphère humide. L argent est assez peu utilisé en connectique et les publications concernant son comportement en environnement sévère ou sa tenue au fretting sont peu nombreuses [23]. Comme autre revêtement utilisé, il y a le palladium. Il s oxyde peu et est souvent utilisé en alliage avec le nickel ou le cobalt. Son principal défaut est son haut pouvoir catalytique : ceci conduit à l encrassement de la surface par adsorption de molécules organiques. Ces molécules forment un film isolant et génèrent des problèmes de contact. De ce fait, une couche de palladium est souvent surmontée d un flash d or. Le palladium est déposé par voie électrolytique avec le sel PdCl 2. Dans la pratique, une sous couche de nickel est déposée, souvent par une méthode électrolytique appelée électrodéposition, entre le cuivre et le dépôt doré. Son rôle est triple: éviter l interdiffusion entre l or et le cuivre, améliorer la résistance à la corrosion du contact et améliorer les propriétés mécaniques de la surface grâce à sa grande dureté. Le Tableau I.2 rassemble quelques-unes des caractéristiques «utiles» des revêtements [7]. 50

51 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Tableau I.2 : Caractéristiques de quelques revêtements et leurs résistances à la corrosion et la sulfatation [7] Métal Limite Dureté Résistivité Résistance à Résistance à élastique MPa Vickers HV surfacique µω.cm² l oxydation (note/5) la sulfuration (note/5) Au 4,7 20/60 2,5 5 5 Pd 1,5 40/ Pt 1,5 40/120 10,6 5 5 Rh - 600/900 4,5 5 5 Ag 6 25/80 1,6 4 2 Ni - 150/ SnPb Faible < Cu 5/22 50/100 1, Électrodéposition de la sous couche de nickel et de la couche d or L électrodéposition présente de nombreux avantages: c est un procédé utilisable à pression et à température ambiante, à grande vitesse de dépôt et d un prix très bas par comparaison avec les méthodes chimiques et physiques. Une cellule d'électrodéposition est constituée de deux électrodes plongées dans une solution électrolytique et entre lesquelles on maintient une différence de potentiel (Figure I.12). La solution électrolytique est obtenue par la dissolution d'un sel du métal qu'on veut déposer dans un solvant. Sous l'action de la différence de potentiel, un courant va circuler entre les deux électrodes. Les mécanismes qui assurent le courant dans la cellule peuvent être partagés en deux classes principales. La première contient les mécanismes qui assurent le courant dans la solution et la deuxième contient les mécanismes qui assurent le courant aux deux interfaces électrode/électrolyte [24]. Pour le dépôt de nickel, un bain à base de sulfamate de nickel [Ni(NH 2 SO 3 )] est utilisé. L anode est soluble et constituée du nickel à déposer sur la cathode (Figure I.12). + - E Ni(SO 3 NH 2 ) + H + + Ni 2+ - Anode Cathode (dépôt) Figure I.12 : Schéma de l électrodéposition du Nickel 51

52 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Réactions aux électrodes : Ni Ni e- (dissolution de nickel à l anode) Ni e- Ni (dépôt de nickel à la cathode) La couche d or est quant à elle déposée à partir d un bain d aurocyanure (Au(CN) 2 ). L épaisseur déposée varie selon l utilisation. Les contrôles après déposition portent sur l épaisseur et sur la porosité de la couche. En raison du prix élevé de l or, les revêtements dorés sont utilisés de façon localisée dans la zone de contact. Les avantages de l électrodéposition par rapport à d autres méthodes chimiques sont les bonnes qualités des dépôts et le faible coût. Cette méthode présente néanmoins certains défauts : porosité des dépôts comme la plupart des dépôts à immersion, limitation en épaisseur, difficulté à contrôler la pureté du dépôt. De toute évidence et comme le relate la bibliographie [22], l augmentation de l épaisseur du revêtement d or accroît la durée de vie du contact. Les résultats ci-dessous pour des revêtements jusqu à 1,3 µm d or, avec une sous-couche de nickel, montrent l importance que peut avoir l épaisseur du dépôt sur la fiabilité du contact (accroissement de la résistance de contacts). Tableau I.3 : Influence du dépôt d or sur la fiabilité du contact [22] Épaisseur de la couche (µm) Nombre de cycles nécessaires pour atteindre la défaillance 0, , , Toutes ces exigences (dimensionnement des contacts, choix du substrat, des revêtements, leurs épaisseurs,...) ont pour objectif de respecter le cahier des charges du connecteur et d améliorer les performances et la fiabilité de celui-ci, c est pourquoi ces critères doivent être pris en compte sur les chaînes de production des connecteurs. En effet, une fois opérationnels, les connecteurs seront soumis à différentes sollicitations qui pourraient altérer leur bon fonctionnement. 52

53 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau IV. Principales causes de défaillance des connecteurs encartables 1. Dégradation des propriétés mécaniques. Rappelons qu un contact électrique est dit fiable ou en «bon état» si sa résistance électrique de contact demeure stable et conserve sa valeur nominale pendant toute la durée de vie de fonctionnement. Plusieurs paramètres peuvent être à l origine disfonctionnement d un contact électrique. Cependant, le paramètre primordial qui sera pris en compte pour évaluer la qualité du contact électrique sera la résistance électrique de contact. La valeur de cette résistance dépendant aussi bien des paramètres mécaniques, électriques et environnementaux. La Figure I.13 donne les différentes sollicitations qui influent sur l évolution de la résistance électrique de contact [24]. Sollicitations mécaniques Environnement Vibrations Variation en température Manœuvres Polluants Chocs Variation en humidité Revêtements Épaisseur Substrat Géométrie Force de contact Procédés Nature Nombre de contact Fabrication Design /conception Figure I.13 : Paramètres influant sur le comportement des contacts électriques [24] a. Dégradations dues à l effort d insertion La force d insertion et d extraction encore appelée force d accouplement et force de désaccouplement sont respectivement les forces nécessaires pour l établissement et la coupure du contact électrique. La notion de force d insertion apparaît alors et doit être prise en considération lors de l évaluation du bon fonctionnement du connecteur [25]. De plus, la 53

54 Force d insertion Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau réduction de la force d insertion et des frottements qu elle induit représente un enjeu majeur dans l optimisation de la durée de vie des connecteurs encartables ou enfichables [26, 27]. La Figure I.14 illustre une phase standard d insertion d une paire de contact du connecteur [25]. L insertion du contact mâle dans le réceptacle engendre la déflection des lyres qui vont exercer une force normale de contact en retour sur le contact PCB. Deux étapes sont décrites dans le processus d insertion. L étape 1 correspond à la flexion du ressort (Figure I.15, partie a) : la force d insertion passe par une valeur maximale (pic d insertion). La valeur maximale de la force d insertion dépendra à la fois de la géométrie de la lyre et du chanfrein du PCB et du coefficient de friction µ des matériaux des contacts. Étape 2(Figure I.15, partie b) : l insertion se fait à déflection constante (c est le déplacement obtenu en un point d'un corps sous l'effet d une force). Elle ne dépend plus que de la friction entre les deux contacts (équation 26). θ a F c b F i Figure I.14 : Illustration d une manœuvre d insertion (a) et d établissement du contact (b) F c Dépendant du coefficient de friction Dépendant de la géométrie b a Profondeur d insertion Figure I.15 : Évolution de la force d insertion lors de l insertion 54

55 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau La force d insertion d un couple de contact lors de l insertion s écrit suivant l équation simplifiée [28, 29]: sin.cos Fi Fc cos.sin Une fois le contact établi (θ =0 Figure I.15.b), on a : i c (25) F. F (26) F i est la force d insertion, F c est la force de contact, θ est l angle d incidence comme indiqué sur la Figure I.14, µ est le coefficient de friction. Pour ne pas endommager les contacts et faciliter l insertion, quelques améliorations ont été apportées notamment avec les connecteurs LIF (Low Insertion Force) réduction de 70 à 90% de la force d insertion [30] et ZIF (Zero Insertion Force) qui comme son nom l indique ne nécessite d aucune force d insertion pour la mise en contact. b. Diminution de la force de contact et son impact sur la résistance de contact Dans le cas du connecteur HE9, le contact se fait entre une piste de circuit imprimé et un ressort plat muni d une fente, type lyre, encastré dans l embase du connecteur. Le modèle basé sur la théorie des poutres est largement utilisé pour les connecteurs à ressorts [31, 32] (Figure I.16). En général, une force de contact trop élevée n est pas souhaitable car l effort d insertion et les contraintes sur la zone de liaison des ressorts se retrouveraient accrues et rendraient les manœuvres difficiles (selon la norme, ne pas dépasser 22 N) [13]. Cette force normale génère la déflection de la lyre comme illustrée sur la Figure I.16 ci-après. Le matériau et les dimensions vont avoir un effet sur la valeur de la force normale. L p F D Figure I.16 : Illustration schématique d une poutre en flexion et le ressort équivalent pour une liaison de type encastrement. D 55

56 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau L expression de la déflection de la poutre est : On en déduit celle de la force : 3 FL D p (27) 3EI 3EI F D (28) L 3 p où D est la déflection du ressort, F est la force normale, L p est la longueur de la poutre, E est le module d Young, I est le moment d inertie. Il est à noter que ces formules restent valables tant que la poutre demeure en régime élastique (petite flexion). A longueur de liaison constante, il existe une relation linéaire entre la force normale et la déflection de la poutre. Tant que la déflection ne dépasse pas une valeur limite, la poutre reste en régime élastique [31]. Le rapport entre la force et la déflection correspond à la raideur de la poutre si l on assimile le comportement d une poutre en flexion à celui d un ressort en traction ou compression [31] (voir Figure I.16). Ainsi l expression de la raideur K sera : 3EI K (29) 3 l c. Relaxation des contraintes mécaniques La relaxation correspond à une diminution progressive de la contrainte, et donc de la force de contact au cours du temps, pour une déformation totale et constante imposée de la lyre (déflection). La déformation élastique et son évolution en fonction du temps est reliée à la contrainte par la loi de Hooke : ( t) e ( t) (30) E La relaxation isotherme est définie par la formule ci-dessous [32, 33] : m k p ( t) C t (31) ε p est la déformation plastique développée pendant la relaxation, C est une constante liée au matériau, m un entier dépendant du mécanisme de relaxation et k des contraintes initiales. 56

57 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Lors de la relaxation, une déformation est imposée brusquement, puis elle est maintenue constante au cours du temps. La contrainte qui en résulte diminue progressivement au cours du temps [33, 34]. En cours de relaxation, la déformation totale est constante, on a donc : ( t) ( t) cste t e p (32) Après dépassement de la limite d élasticité, il n est pas fait de distinction, dans le terme ε p, entre la déformation plastique créée lors du chargement et celle créée lors de la relaxation proprement dite. En adoptant la notation, d, l expression (31) par rapport au temps est reprise en dt adoptant cette notation : m ( t) Ck t p k1 L équation (32) précédente devient : t e( t) p( t) 0 ou encore e( t) p( t) (35) où t est la vitesse de déformation totale, e la vitesse de déformation élastique, p la vitesse de déformation plastique. En prenant m=1, la vitesse de déformation plastique p est proportionnelle à la contrainte : (33) (34) ( t) E ( t) E( ( t)) (36) e t p ( t) E p( t) (37) La relaxation pour une force F(t) peut être facilement retrouvée à partir de la contrainte à travers la loi de Hooke : Sachant que Ft () () t S (38) ( t) k ECt F( t) e F (39) F 0 est la force initiale 0 0 ( t) e ECt k 0 0 F( t) F (40) Ces phénomènes conduisant à la perte de la force de contact ont un impact sur la résistance de contact, comme cela est expliqué ci-après. 57

58 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau d. Lois expérimentales et théoriques de la résistance de contact en fonction de la force de contact Des mesures de résistance de contact ont été effectuées dans le cas de contacts en mode hémisphérique sphère/plan pour plusieurs matériaux. Le contact hémisphérique de diamètre 1 mm en cuivre béryllium (ρ=10 µω.cm) et revêtu de 4 µm d or, est maintenu en contact avec des coupons plans sous une force variant de 0,001 N à 10 N. Les coupons plans utilisés sont constitués de nickel, de palladium, d argent et d or (Figure I. 17). La résistance de contact est calculée en faisant le rapport de la tension de contact mesurée au plus près de la zone d interface (méthode quatre fils) pour éviter de mesurer les résistances des conducteurs, par la valeur du courant (10 ma). La dégradation mécanique du contact électrique va se caractériser par la diminution de la force de contact, entraînant ainsi une augmentation de la résistance de contact [27], comme le montre la Figure I.17 ci-après. Figure I.17 : Évolution de la résistance de contact en fonction de la force de contact pour différents matériaux [27] Ben Jemaa [35] a alors montré que de manière plus générale la relation entre la résistance de contact et la force de contact obéissait à la loi de puissance suivante pour les différents matériaux : R K F (41) c c n c 58

59 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau où K c est un paramètre dépendant des propriétés du matériau de contact et n dépendant du régime (n=1/3 dans le régime élastique et 1/2 dans le régime plastique). Cette formule quoique empirique peut être déduite de la combinaison de la loi de Holm Rc=ρ/2a et la loi de Hertz donnant l expression du rayon de la zone de contact a en fonction de la force. 2. Corrosion La corrosion est une réaction chimique ou électrochimique entre un matériau, généralement un métal, et son environnement qui entraîne une dégradation du matériau et de ses propriétés. Elle augmente la résistance de contact par deux mécanismes : Création de films d oxydes à l interface, Réduction de l aire de contact due à la pénétration des oxydes à l interface. a. Différents types de corrosion La corrosion se manifeste sous des formes caractéristiques. Elle peut être présente n'importe où sur la surface du métal, ou localisée. Cela peut ne concerner qu'une petite part de la surface, avec la formation des grottes (corrosion par piqûres) ou elle peut se produire en raison des conditions de contact électrique avec les autres métaux (corrosion galvanique en contact). Elle peut encore se produire sous la forme de fissures dues à la présence de contraintes mécaniques constantes ou variables dans le temps (corrosion sous contrainte ou de la fatigue par corrosion). Elle peut être liée également aux perturbations (mouvements) de l'environnement (corrosion atmosphérique). La corrosion peut être sélective en n affectant qu un seul constituant de la matière métallique ou uniquement le contour des grains cristallins (corrosion inter-granulaire). b. Corrosion atmosphérique des connecteurs La corrosion atmosphérique est définie comme le résultat de l interaction entre un matériau et l atmosphère naturelle environnante [36]. La plupart des métaux ne sont pas stables au contact de l air. Les différents constituants de celui-ci (oxygène, humidité relative, polluants) entraînent la mise en place de processus de corrosion. En particulier, lorsqu un film liquide se forme et disparaît de manière cyclique à la surface d un objet métallique, on observe un processus de corrosion atmosphérique. Ce type de corrosion dépend essentiellement du milieu d exposition, c est-à-dire des conditions climatiques humidité et température et de la teneur en polluants. 59

60 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Les normes ISO 9223 et 9226 définissent des critères permettant respectivement de caractériser une atmosphère et de définir son degré de corrosivité déterminé à partir de la vitesse de corrosion de métaux étalons. Des études préalables ont étés menées afin de caractériser l environnement des connecteurs en fonctionnement (projet interne EDF). Des mesures de température et d humidité relative ont été effectuées sur différents sites sur des durées de 5 à 6 mois (Figure I.18-confidentiel EDF). Confidentiel Figure I.18 : Relevés de température T et d humidité relative H.R Le Tableau I.4, ci-dessous, récapitule les valeurs des températures maximales, minimales et moyennes dans les salles de contrôle-commande. Tableau I.4 : Récapitulatif des relevés des valeurs de température et d humidité relative Paramètres mesurés Maximale Minimale Moyenne T ( C) 27,4 23,4 25,1 Humidité relative (%) Pour les armoires, ces paramètres sont très variables selon la qualité de la ventilation la présence de composants de puissance Pour les contacts en alliage de cuivre recouverts de nickel et d or, comme ceux étudiés, les dépôts d or peuvent présenter des porosités qui résultent d une part de la faible épaisseur et d autre part du procédé électrolytique de dépôt favorisant une croissance colonnaire. Ce revêtement n étant pas totalement étanche, les connecteurs se corrodent [36]. 60

61 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 3. Pollutions des surfaces de contact Le dépôt de pollution sur le contact est un facteur de la formation du film (ou troisième corps). La nature de l environnement a une grande influence sur ce phénomène. En effet le taux d empoussièrement et le taux d humidité relatif sont les principaux facteurs de la structure de la pollution. Si à la poussière de l environnement, se superpose la création d oxydes dus à la porosité de la couche d or et à l évaporation des gaz dus à la composition de la carte (époxyde, silice, vernis...), la formation d un film, même très mince, est quasiment inévitable qui peut engendrer des courants de fuite entre chaque contact du connecteur (pour des tensions importantes) [37]. Ce film génère aussi une augmentation significative de la résistance de contact, et peut même atténuer le signal à transmettre si celui-ci a une amplitude inférieure à la tension de claquage du même film. a. Poussières Les particules de poussière sont composées de différents éléments avec des propriétés toutes aussi différentes et bien sûr leurs compositions changent avec le lieu. Leur effet sur le contact électrique dépend de cette composition. Leur dépôt sur les surfaces de contact dépend de plusieurs paramètres tels que la force gravitationnelle, l attraction électrostatique, la permittivité du lubrifiant, lorsqu il y en a sur la surface de contact [38, 39]. La morphologie de la surface de contact se révèle aussi comme un paramètre important pour la taille et la densité de distribution des particules sur la surface de contact. Les particules vont plus se déposer sur les surfaces rugueuses. Si la force électrique d attraction est parallèle à la force gravitationnelle, toutes les particules au-dessus et proches de la surface de contact vont se déposer sur la surface de contact. Si en revanche la force d attraction électrostatique n est pas dans le même sens que la force gravitationnelle, le dépôt des particules dépendra de l orientation de la surface, et la répartition des particules sera liée à la morphologie du contact. b. Pollution Les conditions environnementales, telles que la température, l humidité et la présence de gaz agressifs contenus dans l atmosphère peuvent défavorablement influencer l état du contact [39]. Ainsi Potinecke [40] démontre l influence du H 2 S, NO 2 et du SO 2 sur la résistance électrique de contacts en argent et en alliage de palladium. Des études ont permis également d identifier ces contaminants présents dans les armoires [41]. Ben Jemaaa [42] a montré depuis les années 80 le rôle néfaste des vapeurs organiques émanant des dégazages des constituants plastiques des composants autours des contacts (Phtalates). Plus récemment El Hadachi [43, 44] montre l influence de la pollution organique (liaisons C-H, Alcools) la résistance de contact des connecteurs. 61

62 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau 4. Dégradation des surfaces de contact a. Écrouissage des surfaces d or Un corps a été écroui quand ses molécules ont été rapprochées d une manière permanente par quelques opérations mécaniques, de manière à ce que sa densité soit augmentée. Cela se traduit par le dépassement de la limite d élasticité initiale du matériau ductile. Le contact mécanique répété entre les deux contacts dorés (l or étant un matériau ductile) engendre des déformations plastiques permanentes et des arrachements de matière lors des cycles d insertion : on parle alors de matage du contact. Cette dégradation des surfaces ne modifie pas nécessairement la résistance de contact mais peut considérablement modifier l aire de contact mécanique. b. Phénomène de fretting-wear et fretting-corrosion Le fretting est le frottement entre deux matériaux en contact dont l amplitude du déplacement relatif imposé est inférieure à la largeur de contact. On définit le critère de glissement, g : g=d d /a, où a est la demi-largeur de contact et D d est la demi-amplitude de déplacement, Figure I.19. La condition g<1 satisfait la définition du fretting. Cette définition le différencie du glissement alterné g>1 car si g<1 une partie de la surface de contact reste toujours confinée dans le contact. Si on se réfère au mode d analyse du comportement tribologique en termes de troisième corps et de temps de séjour des débris dans le contact, il apparaît que, dans le cas du fretting, le piégeage des particules d usure est favorisé dans le contact. Leur temps de séjour sera ainsi différent du glissement alterné. On peut penser que l usure aura des conséquences différentes suivant le mode de glissement. F c y z -a y a 2a x x 2a 2D d Figure I.19 : Fretting entre deux échantillons dont l amplitude de déplacement imposée, 2D d, est inférieure à la largeur de contact, 2a. 62

63 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Le fretting-corrosion est la création de particules d usures oxydées et de films d oxydes à l interface des contacts accélérés par fretting [45]. Ces deux phénomènes font partie des causes principales de défauts intermittents des connecteurs [46, 47]. Ces défauts intermittents se caractérisent notamment par des pics de résistance de contact de très courtes durées (quelques nanosecondes). Conclusion La compréhension des principes et lois qui régissent une liaison électrique est fondamentale non seulement pour réaliser les contacts adaptés à leur environnement, en tenant compte des différentes contraintes auxquelles ils peuvent être soumis, mais aussi pour pouvoir expliquer les causes de défaillances en cas de «faux contact». Comme on l a vu dans ce chapitre, l établissement d un contact électrique peut paraitre simple, mais devient un phénomène complexe quand il faut tenir compte de paramètres aussi bien mécaniques (la force de contact, la force d insertion, la déflection des ressorts, l état de la surface de contact), environnementaux (représentée par la pollution organique ou inorganique, la corrosion atmosphérique), qu électriques (comme la résistance de contact). En fonction du type de contact (connecteurs semi-permanents, relaies, interrupteurs, ), certains paramètres auront plus d impact que d autres sur la durée de vie de ceux-ci. Pour ce qui est du connecteur HE9, la connaissance de la durée de vie passera par une meilleure connaissance des mécanismes de dégradation des contacts, définis par l usure des contacts par insertion et frottement répétés lors des opérations de maintenance ou par la relaxation des contacts. La caractérisation de ces différents mécanismes de dégradation, qui ne sont pas encore bien connus pour le connecteur HE9, fera l objet du prochain chapitre notamment par l étude de l évolution de la force d insertion, de la force de contact, de la déflection des lyres et de la résistance de contact au cours des cycles d insertion. 63

64 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau Références bibliographiques du chapitre I [1] P. G. Slade, Electrical contacts, principles and applications, P. G. Slade, 1999 [2] H. Hertz, Über die berührung fester elastischerkörpe ; Journal für die reine und angewandte Mathematik, : pp [3] R. Holm, Electrical contact, Theory and applications, edition Hardcover, 1999 [4] H. M. Johnson, Contacts mechanics, Cambridge University Press, 1989 [5] J. A. Greenwood and J. B. P. Williamson, Contact of nominally flat surfaces, Proc Roc Soc A 295, 1966, p.300 [6] L. Fechant P. Tixador, Matériaux conducteurs et de contact électrique, Hermès, 1996, p. 114 [7] L. Fechant, Le contact électrique : phénomènes physiques et matériaux, Hermès, 1995, p. 3 [8] R. D. Malucci, Stability and contact resistance failure criteria, IEEE proceedings of the 50 th Holm conference on electrical contacts, 2004, p. 206 [9] R.S. Timsit, Electrical conduction through small contact spots, IEEE proceedings of the 50 th Holm conference on electrical contacts, 2004, p. 184 [10] R. S. Timsit, Electrical contact resistance : Properties of stationary interfaces, IEEE of the 44 th proceedings Holm conference on electrical contacts, 1998, p. 1 [11] M. Buggy, C. Conlon, Material selection in the design of electrical connectors, Journal of Materials Processing Technology Elsevier, 2004 [12] Norme internationale CEI- IEC 603-6, Connecteurs pour fréquences inférieures à 3 MHz pour utilisation avec cartes imprimée : Connecteurs encartables et pour cartes imprimées à écartement des contacts de 2,54 mm (0,1 in) pour cartes imprimées simple ou double face, ayant une épaisseur nominale de 1,6 mm (0,063 in), 1987 [13] Norme NFC/UTE HE901- HE902, Connecteurs pour circuits imprimés série 254 double face [14] R. Grill, R. Kösters, F.E.H. Müller, P. Stenzel, Material optimized design of contact tulips, Proceedings of the 21 st international conference on electrical contacts (ICEC), 2000 [15] E. Cadalen, Conception des circuits imprimés rigides, Techniques de l'ingénieur, N E3342, 2005, pp

65 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau [16] Martin W. Jawitz, Printed circuit board materials handbook, McGraw-Hill, 1997 [17] Charles A. Harper, Electronic assembly fabrication : chips, circuits boards, packages, and components. USA: McGraw-Hill, Inc., 2002 [18] H.-H. Kausch, N. Heymans, C.-J. Plummer, P. Decroly Matériaux polymères : propriétés mécaniques et physiques principes de mise en œuvre, Presse polytechniques et universitaires romandes, 2001 [19] Sidney H. Goodman, Handbook of thermoset plastics. New Jersey: Noyes publications, 1998 [20] M Iji and Y. Kiuchi, "Flame resistant glass-epoxy printed wiring boards with no halogen or phosphorous compounds," Journal of materials science: Material in electronics, vol. 15, pp , 2004 [21] G. R. Gohn, The mechanical properties of copper-beryllium alloy strips American society for testing and materials, 1964 [22] Technical Report Golden Rules: Guidelines for the use of gold on connector contacts, AMP INCORPORATED [23] B. H. Chudnovsky, Degradation of power contacts in industrial atmosphere: Silver corrosion and whiskers, IEEE proceedings of the 49 th Holm conference on electrical contacts, 2002, p. 140 [24] M. Bordignon, Limites d utilisation des revêtements d étain en connectique automobile, Thèse de doctorat, Ecole nationale supérieure des mines de Paris, 2009 [25] W. Liu, M. Pecht, IC component sockets, John Wiley, 2004, p. 21 [26] Y.L. Hsu, Y. C. Hsu, M. S. Hsu, Y. L. Hsu, Shape optimal design of the contact spring of connector, PCB Manufacturing Technology conference, 2000, p. 178 [27] J. Horn, B. Egenolf, Shape optimization of connector contacts for reduced wear and reduced insertion force, AMP Journal of Technology Vol. 2, 1992, p. 42 [28] R. S. Mroczkowski, Electronic connector handbook: theory and applications, The McGraw-Hill, 1998, p. 14 [29] Wellman Engineered Materials, Connector insertion force, Technical Tidbits Vol. 5 N 2, 2004 [30] R. F. Graf, Modern dictionary of electronics, Newnes, 7 th edition, 1999, p. 421 [31] Brush Wellman Engineered Materials, Cantilever beams-part 1 Beam stiffness, Technical Tidbits,

66 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau [32] Brush Wellman Engineered Materials, Cantilever beams-part 2 Analysis, Technical Tidbits, 2001 [33] E. Schedin, A. Thuvander, P. Henderson, P. Sandberg, A. Kamf, Stress relaxation behaviour of connectors - development of simulation techniques, IEEE of the 42 th proceedings Holm conference on electrical contacts, 1996, p. 142 [34] F. Saint-Antonin, Essais de relaxation isotherme, Techniques de l ingénieur, traité Matériaux métalliques [35] N. Ben Jemaa, X. Hernot, A. El Manfalouti, A. Senouci, R. Elabdi, Theoretical and experimental investigation of contact resistance under low and medium force indentations for common and for new coated materials, Proceedings of the 21 st international conference on electrical contacts (ICEC), 2002 [36] C. Georges, Amélioration de la tenue à la corrosion atmosphérique des matériaux utilisés en connectique. Traitement de surface par laser, Thèse de doctorat, Université d Orléans, 2002 [37] S. J. Simko, A. Lee, S. W. Gaarenstroom,, A. A. Dow, C. A. Wong, Film formation on silver-based switching contacts IEEE of the 35 th proceedings Holm conference on electrical contacts, 1989, p. 167 [38] J. G. Zhang, P. Yu. Electric contact performance: Effect of contact surface morphology and size of dust particles, IEEE of the 36 th proceedings Holm conference on electrical contacts, 1990, p. 402 [39] J. G. Zhang, Effect of dust contamination on electrical contact failure, IEEE proceedings of the 53 th Holm conference on electrical contacts, 2007, p. 21 [40] J. Potinecke, Behaviour of contact surfaces consisting of Ag and Pd-alloys in H 2 S- NO 2 -S0 2 -atmospheres, IEEE proceedings of the 21 st Holm conference on electrical contacts, 1975, p. 139 [41] M. T. Singer, V. Florescu, A mathematical model relating card-edge connectors failure to normal force and lubrication in office dust environment, IEEE of the 35 th proceedings Holm conference on electrical contacts, 1989, p. 111 [42] N. Ben Jemaa, J.L. Queffelec, D. Trvers, Some investigations on relay contacts: static and dynamic contact resistance at low electrical level. Proceedings of the 10 th international conference on electrical contacts (ICEC), 1980 [43] M. El Hadachy, Diagnostic de la connectique encartable dorée bas-niveau, Thèse de doctorat, Université de Montpellier II, 2009 [44] M. El Hadachi, Contact resistance of gold coating contaminated by organic pollutant, Proceedings of the 24 th international conference on electrical contacts (ICEC),

67 Chapitre I: État de l art sur la connectique encartable bas niveau [45] E. M. Bock and J. H. Whitley, Fretting corrosion in electric contacts, IEEE proceedings of the 20 th Holm conference on electrical contacts, 1974, p. 128 [46] C. E. Heaton, S. L. McCarthy, High cycle fretting corrosion studies on tin-coated contact material, IEEE proceedings of the 47 th Holm conference on electrical contacts, 2001, p. 201 [47] C. Maul, J. W. McBride, A model to describe intermittency phenomena in electrical connectors, IEEE proceedings of the 48 th Holm conference on electrical contacts, 2002, p

68 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 68

69 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 69

70 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 70

71 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Introduction Dans le premier chapitre, nous avons rappelé plusieurs mécanismes susceptibles d être à l origine de défauts de contacts (perte des propriétés mécaniques des contacts, corrosion atmosphérique, pollution organique, ). Dans ce deuxième chapitre, seul l impact des variations des propriétés mécaniques sur le contact électrique est étudié. Nous présentons ici les travaux réalisés sur la compréhension des phénomènes mécaniques à l origine du vieillissement des connecteurs. Cela passe par l étude de l évolution de la force d insertion lors de l encartage du connecteur. Nous étudions aussi l évolution de la force de contact sous indentation, à des forces variant de 1 mn à 4 N, de la résistance de contact qui en résulte tout en en discutant de ces résultats. Il y est présenté, dans un premier temps, les caractéristiques des matériaux de contact, puis les dispositifs expérimentaux simulant l insertion dans un connecteur HE9 (les dispositifs de mesure de la force de contact et d usure par frottement, les conditions expérimentales des tests). Enfin, les résultats expérimentaux consécutifs aux mesures de la résistance de contact R c en fonction de la force de contact F c et de la déflection des lyres sont analysés. Dans un second temps nous présentons un outil non-destructif et des méthodes de diagnostic développés dans le but de déterminer la durée de vie résiduelle des connecteurs en exploitation. A titre d exemple, un connecteur HE9 utilisé pour le contrôle-commande et qui fait l objet de notre étude, doit avoir une durée de vie de 30 à 40 ans. Cette étude peut être résumée par plusieurs questions : Quels sont les paramètres qui influent sur la durée de vie du connecteur? Comment les évaluer? Quelle est sa durée de vie résiduelle des connecteurs? 71

72 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 I. Analyse de l état de surface des contacts par MEB- EDX La nature et l épaisseur des revêtements des zones de contact jouent un rôle important sur l état de ceux-ci surtout lorsqu ils sont appelés à subir des contraintes mécaniques ou tribologiques, par exemple lors des manœuvres qui ont lieu pendant les phases de maintenance. Pour cela, la caractérisation des connecteurs passe dans un premier temps par l analyse des revêtements. La technique EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy) couplée au MEB (microscope électronique à balayage) est utilisée pour déterminer la nature des éléments présents dans l échantillon. Une première analyse EDX a été menée sur les lyres comme on peut le voir sur la figure cidessous pour déterminer les épaisseurs des différents revêtements (Figures II.1 et II.2). D après les mesures d épaisseur effectuées par microscopie électronique à balayage, l épaisseur de la couche d or est d environ 0,5 µm et celle de la sous-couche de nickel est de 3 µm. 2 mm Figure II.1 : Coupe d une lyre du connecteur HE9 72

73 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Energie (kev) Energie (kev) Energie (kev) Figure II.2 : Spectres des matériaux de revêtement de la lyre (analyse effectuée aux points A, B, C de la Figure II.1). Détecteur à semi-conducteur, tension d accélération de 20 kv, pression de 10-4 Pa. 73

74 Concentration Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Pour le contact mâle (Figure II.3), présent sur le PCB, l épaisseur de la couche d or est d environ 3µm, celle de la sous-couche de nickel est d environ 10 µm et le cuivre a environ 55 µm d épaisseur. Résine époxyde Fibres de verre tressées FR-4 Or, Cuivre, Nickel Figure II.3 : Vue en coupe d un contact PCB et lignes de profils des éléments présents, détecteur à semi-conducteur, tension d accélération de 20 kv, pression de 10-4 Pa. 74

75 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Les observations effectuées sur les Figures II.2 et II. 3 montrent que l épaisseur du dépôt d or sur le contact femelle est beaucoup moins importante que sur le PCB. Les différentes valeurs d épaisseur sont récapitulées sur le Tableau II.1. Tableau II.1 : Différentes épaisseurs de revêtements des contacts (HE9) Épaisseur de Au (µm) Épaisseur de Ni (µm) Épaisseur de Cu (µm) Contact Lyre 0,5 3 - Contact PCB II. Étude des paramètres d insertion et de leur évolution La résistance électrique de contact entre la partie mâle et la partie femelle du connecteur est la caractéristique fonctionnelle la plus importante du connecteur. Il est obligatoire qu elle soit la plus faible et la plus stable possible : elle varie de quelques mω à une dizaine de mω et cela dépend de l application pour laquelle le connecteur est destiné. La résistance de contact dépend de plusieurs paramètres, tels que la résistivité du matériau de contact, la géométrie de contact et la force de contact. Le couple de ressorts (deux lyres formant une tulipe), situé à l intérieur de la partie femelle du connecteur, joue un rôle important. Il permet d appliquer une force entre les deux contacts situés sur chaque face du circuit. Pour déterminer cette force de contact expérimentalement, une technique basée sur une technique non destructive utilisant un capteur de force pour mesurer la force d insertion est utilisée. En estimant le coefficient de friction des revêtements en contact, on déduit la force de contact. Les connecteurs de la série HE9 sont utilisés pour une durée de vie dans le cas des sollicitations les plus importantes de 40 ans (voir plus). A raison d une manœuvre par mois des cartes en fond de panier dans le pire des cas, on peut estimer le nombre de manœuvres d insertion - extraction à environ 500 durant toute la phase d exploitation. Au cours de ces manœuvres, des dégradations interviennent sur les deux parties du connecteur, d autant plus qu ils ne sont pas lubrifiés [1]. Afin d étudier de façon systématique les phénomènes d usure des contacts, nous avons mis au point un dispositif expérimental permettant de reproduire l insertion des contacts dans les conditions mécaniques et cinématiques correspondant aux applications de contrôle-commande tout en contrôlant les paramètres. Sachant que dans la réalité, les conditions d insertion ne sont pas aussi contrôlées que dans les conditions de laboratoire (alignement des contacts mâles et femelles, vitesse d insertion, ). Un opérateur n a pas la même précision d insertion qu un banc micro-motorisé. Pour prendre en compte cet écart entre les conditions de laboratoire et les conditions réelles, des études sur plusieurs milliers de manœuvres sont réalisées (2000 cycles d insertionextraction effectués). 75

76 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 1. Mise en œuvre du banc d insertion et mesure de la force d insertion, et de la résistance de contact Le dispositif expérimental [2] qui nous permet d évaluer les paramètres influents de l insertion des connecteurs encartables est représenté sur la Figure II.4. Une piste du contact PCB a été isolée de manière à ne mesurer que la force sur une «tulipe». Les contacts mâles et femelles sont alignés à l aide de tables micrométriques. On définit l axe x comme étant l axe d insertion. Cette manœuvre est réalisée à l aide d un micro-moteur (1 µm de précision) dont les caractéristiques ont été fixées afin d assurer une vitesse d insertion constante dans le cas des cycles d insertion- extraction. Un capteur de force (0,01 N de précision), positionné sur le même axe, permet de mesurer la force lors de l insertion et de l extraction. Deux capteurs laser de positionnement d une précision 0,1 µm, visant chacun des ressorts de la partie femelle, permettent de connaître les déflexions de chacun d entre eux lors de l insertion. Les paramètres électriques et mécaniques du montage sont pilotés sous le logiciel d instrumentation TestPoint, grâce à un programme spécifique. La Figure II.4 représente une photographie de la partie mécanique de ce montage (banc de mesure) et le schéma correspondant. X Y Micro Moteur Capteur de force Capteur de déplacement PCB V Capteur de déplacement Lyres Capteur de déplacement Connecteur HE9 Piste PCB Capteur de force Figure II.4 : Dispositif expérimental pour la mesure des paramètres d insertion des contacts 76

77 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 La résistance de contact est mesurée par la méthode des 4 fils, selon la norme EIA B [3] sur la procédure de mesure de faible résistance de contact pour les connecteurs électriques. Il s agit d injecter un courant électrique à l aide d une source de courant programmable (générateur de courant Keithley modèle A) réglée à 100 ma et muni d une tension maximale limite fixée à 2 V. Quant à la tension aux bornes du contact, elle est mesurée par le microvoltmètre (modèle Keithler modèle 1750 de résolution 100 nv). Pour éliminer la tension de contact indésirable E 0 (une dizaine de mω due aux phénomènes d asymétries), un courant positif (I + ) et un courant négatif (I - = - I + ) sont appliqués alternativement pour chaque mesure. Ainsi, on a : V (R c R 0 )I E et V (Rc R0 )I E0 On peut écrire que : 0 (1) (2) (V V ) R (3) 2 I Rc 0 R c et R 0 sont respectivement les résistances de contact et d offset La tension de contact est mesurée au point le plus proche possible du contact, pour ne pas ajouter à la mesure de la résistance du contact une résistance supplémentaire dite résistance de cheminement (propre au matériau). Les mesures de la force d insertion et de la résistance de contact sont enregistrées au fur et à mesure de l insertion par incrémentation (déplacement pas à pas) de la profondeur d insertion. Grâce à ce banc d essais, différents tests ont été réalisés sur le couple de contact : Évolution de la force d insertion avec le nombre d insertion. Pour nos tests, nous avons choisi un nombre maximum de manœuvres fixé à Lors des essais, l insertion des contacts se fait sur une distance de 3 mm. Cette profondeur d insertion est suffisante pour observer les phases d insertions et de glissement des contacts. Les cycles d insertion-extraction (sans mesures) ont été effectués à des vitesses beaucoup plus élevées par rapport à la mesure lors de l insertion. Toues les 50 manœuvres, à chaque 10 µm de course d insertion, on relève les mesures de: la force d insertion, la résistance de contact, la déflection du ressort. Évolution de la force d insertion en fonction de la vitesse des manœuvres d insertionextraction. Pour étudier l influence de la vitesse d encartage et de désencartage des contacts, nous réalisons les essais pour des vitesses comprises entre 0,6 et 3 mm/s. Cette gamme de vitesse de manœuvre a été choisie comme référence des vitesses des essais en laboratoire. 77

78 Force d insertion (N) Déflection (µm) Résistance de contact (mω) Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 2. Résultats expérimentaux Plusieurs auteurs [4-7] ont étudié la force d insertion et l évolution de la valeur de la résistance de contact. Un exemple d évolution des paramètres d insertion (force d insertion F i, résistance de contact R c, et la déflection D du ressort lors de l insertion) est donné sur la Figure II.5. La force d insertion, nulle en l absence de contact mécanique, augmente et passe par un maximum (appelé «pic d insertion») avant de décroître vers une valeur plus stable (force de glissement nominale) lorsque les contacts sont pleinement insérés. La résistance électrique de contact décroît aussi, pour atteindre une valeur stabilisée. Quant à la déflection du ressort, elle augmente lors de l insertion puis de stabilise lors du glissement de contact. Une fois les contacts insérés (à déflection constante), la valeur de la résistance de contact définie son domaine de fonctionnement électrique. D F i R c Profondeur d insertion (mm) Figure II.5 : Courbes typiques de l évolution de la force d insertion, de la résistance de contact et de la déflexion du ressort lors de l insertion a. Évolution de la force d insertion et de la déflection avec le nombre d insertion Le graphique de la Figure II.6 représente l évolution de la force d insertion d une paire de contact d un connecteur, de 1 à 2000 insertions, avec une mesure tous les 50 cycles d insertion-extraction. Nous avons représenté sur ce graphique la force uniquement lors du processus d insertion car c est à ce moment que le contact subit le maximum de contraintes mécaniques. Globalement, la force d insertion augmente avec le nombre d insertions puis tend à se stabiliser. La forme 78

79 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 non lisse de la force d insertion sur la Figure II.6 aussi bien sur la première que sur la deuxième étape lors de l insertion ( V.2. chapitre 1) est due principalement aux frictions entre les contacts. On observe clairement l effet du vieillissement sur les contacts par l augmentation de la force d insertion. Sens d'insertion Augmentation de la force d insertion Figure II.6 : Évolution de la force d insertion avec le nombre d insertion (2000 cycles d insertion-extraction) La courbe de la Figure II.7 représente l évolution de la déflection lors du même essai d insertion que précédemment. La valeur de la déflection d une lyre varie entre 360 et 380 µm, ce qui correspond à une dispersion de 5% par rapport à la valeur initiale. Ceci est négligeable en comparaison de l évolution de la force d insertion. On peut en conclure que les essais d endurance ne montrent pas d évolution significative de cette valeur. Pour l ensemble des lyres testées, pour différents connecteurs, cette valeur varie de 300 µm à 400 µm. Il n en demeure pas moins que cette valeur reste constante au cours des manœuvres. 79

80 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE DEFLECTION(µm) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 PROFONDEUR D'INSERTION(mm) Figure II.7 : Évolution de la déflection lors de l insertion (2000 cycles d insertion-extraction) La Figure II.8 représente l évolution de la valeur du pic d insertion extrait de la courbe de la Figure II.6. La valeur initiale du pic d insertion est de 1,75 N. Pour différents contacts testés, nous avons déterminé une variation de la valeur du pic de la force d insertion initiale entre 1,5 N et 2 N (inférieure aux 2,7 N fixés par le fabricant du connecteur comme force maximale par contact). Nous expliquerons par la suite les causes possibles de cette différence de pic d insertion pour un connecteur neuf ( II.2.b). Ce pic d insertion augmente avec les manœuvres d insertion extraction puis tend à se stabiliser. La courbe en rouge représente un lissage des données expérimentales. 6 PIC DE FORCE D'INSERTION(N) NOMBRE D'INSERTION Figure II.8 : Évolution de la valeur du pic d insertion Par la suite le but sera de déterminer quels sont les phénomènes à l origine de cette augmentation du pic d insertion. 80

81 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 b. Origine du phénomène : contact mâle ou contact femelle? Comme nous l observons sur la Figure II.9, les points de contact sur le PCB (entourés en bleu) restent les mêmes lors de l insertion. Une fois que le PCB est inséré et que la déflection est constante (Figure II.9) commence la phase de glissement pendant laquelle ce sont maintenant les points de contact sur la lyre qui sont immobiles (entourés en vert) pendant que le contact translate le long de la piste PCB. A la vue de cela, il s avère que l augmentation du pic d insertion est due principalement à l usure des contacts mâle et/ou femelle, à l augmentation de l angle d insertion (l angle entre l axe de la piste PCB et le plan de la zone de contact sur la lyre) et à l angle du chanfrein de la piste [8]. Quant à l augmentation de la force de glissement, en fin d insertion, elle peut être due à un changement du coefficient de friction des matériaux en contact. Certaines zones aussi bien sur la lyre que sur le PCB présentent une résistance à l insertion plus ou moins importante, laquelle s exprime par de légères augmentations de la force d insertion. Ce qui explique ces variations sont principalement la présence de débris en surface et la topographie de la surface de contact. Figure II.9 : Photographies d une phase d insertion et de glissement Toujours dans l optique de comprendre les phénomènes à l origine de la dégradation des contacts, nous avons voulu connaître laquelle des deux parties du contact (partie mâle ou femelle) était la plus affectée lors des cycles d insertion. Pour cela, nous avons mis en place un essai qui consiste à réaliser des cycles d insertion-extraction sur une profondeur d insertion de 3mm. Après 2000 cycles, nous avons mesuré la force d insertion sur une profondeur de 4mm (ce qui permet de conserver intacte une partie de la piste après vieillissement). La zone entre 3 mm et 4 mm reste intacte au cours de l essai. Le résultat sur la Figure II.10 montre qu en dehors de l augmentation globale de la force d insertion après 2000 cycles d insertion- 81

82 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 extraction, la variation de la force sur la zone de glissement ( V.2. chapitre 1, hormis la zone intacte) est plus importante, ainsi que les valeurs des variations de δfi n et de δfi v qui sont respectivement les écarts d amplitude de la force de glissement du contact intact et du contact vieilli après 2000 cycles. Ce résultat confirme bien que l augmentation globale de la force d insertion et l amplification de la forme rugueuse en phase de glissement de celle-ci sont dues à la multiplication des cycles d insertion. FORCE D INSERTION(N) ière insertion 2000 ième insertion FORCE D'INSERTION(N) Zone d insertions multiples Zone intacte δfi v 1 0 δfi n PROFONDEUR D'INSERTION(mm) Figure II.10 : Comparaison des évolutions de la force de glissement d insertion entre une zone de la piste animée et une zone intacte c. Évolution de la force d insertion avec la vitesse des manœuvres d insertion Lors des manœuvres d insertion extraction, les opérateurs n auront pas la même vitesse d insertion de la carte que celle utilisée lors de ces essais. Nous avons voulu connaitre l influence la vitesse sur la force d insertion. Trois vitesses ont été choisies : 0,6 mm/s, 1,5 mm/s et 3 mm/s (Figure II.11). Nous observons que la vitesse d insertion influe fortement sur l évolution de la force d insertion. On constate une augmentation de 55% de la valeur du pic d insertion et une augmentation d environ 53% de la force de glissement après 2000 cycles entre une vitesse de 0,6 mm/s et une vitesse de 3 mm/s. Un autre phénomène observé est l augmentation de l amplitude des variations de la force d insertion δfi avec la vitesse (Figure II.11). De ces résultats on peut en conclure qu une augmentation de la vitesse d insertion va générer plus de débris qui vont créer une résistance lors de l insertion. Cette résistance se traduit concrètement par de petits pics de force d insertion observés sur la courbe. 82

83 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Sur la Figure II.12, nous avons représenté les images du chanfrein d une piste de contact mâle. La piste ayant été vieillie avec une vitesse d insertion de 0,6 mm/s, elle ne présente pas de traces de débris, alors que sur celle ayant été insérée avec une vitesse d insertion de 3 mm/s, on observe des débris. En pratique, cela signifie que l opérateur devrait insérer plus lentement le connecteur afin de ne pas rencontrer plus d opposition lors des manœuvres à venir. δfi Figure II.11 : Évolution de la force d insertion en fonction de la vitesse d insertion (après 2000 cycles d insertion-extraction) Pistes isolées Absence de débris 0,6 mm/s 0,6 mm/s Contact PCB Présence de débris 3 mm/s 3 mm/s Figure II.12 : Observation du chanfrein de deux pistes de PCB après 2000 cycles d insertionextraction pour des vitesses d insertion de 0,6 mm/s et 3 mm/s 83

84 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 d. Évolution de la résistance de contact avec le nombre de manœuvres La résistance de contact chute rapidement dès le premier contact puis se stabilise lors de l insertion (Figure II.13). Pour les 2000 cycles d insertion extraction, elle est comprise entre 5 et 9 mω. On peut conclure que les phénomènes mécaniques qui ont entrainé une augmentation de la force de contact, n ont pas altéré les points de passage de courants. En se référant à la Figure I.17 du IV.1.b du chapitre 1, cela signifierait que les matériaux de contacts et la force de contact sont inchangés. Pour les essais réalisés, elle ne dépend ni du nombre de manœuvres, ni de la cinétique d insertion. Figure II.13 : Évolution de la résistance de contact avec le nombre d insertion (2000) 3. Synthèse Les études de caractérisation mécanique du connecteur HE9 ont permis de mettre en avant plusieurs points : Les profils de forces d insertion évoluent au fur et à mesure des insertions. La valeur du pic d insertion est un critère d évaluation de l état du contact. Pour une paire de contact, la valeur du pic d insertion augmente (Figure II.9) jusqu à se stabiliser entre 5 N et 6 N. Lorsque l on multiplie ce nombre par le nombre de contact, on se rend compte facilement de l importance de la force d insertion qu il faudra exercer manuellement pour la mise en contact des deux parties. 84

85 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Lors de cette phase de glissement, l amplitude des variations de F i augmente aussi bien avec la vitesse et qu avec le nombre de manœuvres. Au cours des 2000 cycles d insertion-extraction la déflexion en fin d insertion n a pas varié. Les profils successifs de résistance de contact se superposent assez bien. La valeur de la résistance de contact décroît assez rapidement et se stabilise. Cette valeur varie en moyenne entre 5 mω et 9 mω (intervalle de stabilité du contact), en raison d un phénomène d auto-nettoyage de la surface de la lyre lors du glissement du PCB. Les efforts à l insertion peuvent être problématiques dans le cas de connecteurs comportant un grand nombre de contacts. En effet, la force d insertion du connecteur mâle dans le connecteur femelle correspond à la somme des efforts individuels de chaque contact. Il est donc important de minimiser ces pics d insertion de chaque contact pour ne pas rendre l insertion du connecteur difficilement réalisable. Pour cela, la géométrie des terminaux ainsi que la force de contact des ressorts sur les languettes doivent être optimisées pour éliminer ces efforts «élevés» à l insertion, tout en maintenant des forces de contact suffisamment élevées lorsque la languette est insérée. III. Étude de la force de contact Destinée à garantir un bon fonctionnement électrique pendant de très longues périodes, la stabilité du contact est l élément prédominant du connecteur. La force de contact joue, à ce titre, un double rôle positif : par les frottements qu'elle induit au niveau des micro-déplacements qui se produisent immanquablement autour des points de constriction (auto-nettoyage des zones de contact), sans induire le phénomène de fretting corrosion. par l'adaptation des surfaces en contact qui déterminent une zone étanche (absence de film isolant) ainsi qu'une possibilité d'amélioration relative par écrasement ou fluage des zones de contact accidentellement corrodées (il est admis que les micro-rugosités des surfaces en contact subissent une déformation par amollissement) [9]. Dans l industrie du téléphone (utilisant une connectique de type encartable) par exemple, une force normale de 1 N/contact (cas de l étain, très utilisé comme matériau de contact dans le secteur) durant le fonctionnement est considérée comme la valeur minimale pour garantir un contact fiable. La force de contact doit être au moins égale à 0,7 N par point de contact, pour des contacts ayant au moins deux points géométriques de portée, et à 1,2 N pour des contacts à un seul point de portée dans le cas d une protection par revêtement d or. Cette valeur a été choisie parce que les recherches et les retours d expérience ont montré qu avec cette valeur, dans la limite de leur durée de vie, la fiabilité électrique des contacts séparables était élevée [9]. C est pourquoi, il est important de connaître la valeur de la force de contact de nos connecteurs et son évolution dans le temps. Pour y parvenir nous avons réalisé un banc de mesure de force de contact. 85

86 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 1. Banc de mesure de F c et de R c Le banc de mesure de la Figure II.14 permet de mesurer la déflexion d un ressort par laser pour la corréler avec la variation de la force de contact. Capteur de déplacement V L e Capteur de force Connecteur HE9 Figure II.14 : Banc de mesure de la déflexion d un ressort du connecteur HE9 en fonction de la force de contact Pour mesurer la force de contact, une des deux lyres formant la «tulipe» a été retirée de l embase du connecteur de manière à obtenir une incidence normale de la sonde sur la zone de contact. La mesure de la force de contact est effectuée tous les 10 µm de déplacement suivant l axe X. Cette étude a été réalisée pour deux configurations du ressort (Figure II.15). Dans un premier temps, le ressort a été laissé dans l embase du connecteur comme on peut le voir sur la photographie de la Figure ci-dessus. Dans un second temps l étude a été faite sur une lyre retirée de l embase du connecteur. Figure II.15 : Présentation de deux configuration des lyres dans l embase du connecteur : avec butée de précontrainte et sans butée de précontrainte 86

87 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 a. Mesure de la force de contact en fonction de la déflection du ressort et interprétation des résultats obtenus La Figure II.16 représente les évolutions de la force de contact en fonction de la déflection pour deux configurations de lyre (avec précontrainte et non précontrainte). Le premier régime correspond à la force nécessaire pour le détachement de la lyre à l embase du connecteur, cela correspond à la force de précontrainte. D 0 et F 0 sont respectivement la déflection de précontrainte et la force de précontrainte qu exerce l embase du connecteur sur la lyre. On obtient D 0 expérimentalement en prolongeant la courbe de la lyre précontrainte jusqu à l axe des abscisses. D 0 est l écart entre le point d intersection de la courbe prolongée avec l axe des abscisses et le point de changement de pente. Quant à F 0, c est l ordonnée du point de changement de pente de la force de contact sur la lyre précontrainte. Un des avantages d appliquer une précontrainte à la lyre est qu elle permet d atteindre rapidement la force nominale de contact. A titre d exemple, sur la Figure II.16, 270 µm de déflection de la lyre (point A) sont suffisants pour avoir une force de contact de 1 N, là où il en faudrait 440 µm (point B) pour obtenir la même pour une lyre non précontrainte. Cela est très pratique du fait du faible dimensionnement du connecteur. Cependant une précontrainte permanente peut avoir aussi un effet néfaste : la perte de déflection, donc par conséquent la perte de force. Pour l expliquer, si la lyre non précontrainte a une déflection D 0 à l instant t 0, après une durée t (suffisamment élevée) en état de précontrainte, elle ne reviendra pas exactement à la même position (D 0 ) si elle est relâchée. FORCE DE CONTACT(N) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 LYRE AVEC PRECONTRAINTE LYRE SANS PRECONTRAINTE A B NON 0,4 F 0 0,2 0, DEFLECTION(µm) D 0 Figure II.16 : Variation de la force de contact en fonction de la déflection pour une lyre avec et sans précontrainte 87

88 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Pour les différents connecteurs étudiés, lorsque la lyre est libérée de l embase, elle se relâche et la déflection correspondante est comprise entre 250 µm et 300 µm. La force de précontrainte F 0 qu exerce l embase sur la lyre, est comprise entre 0,5 N et 0,7 N (Figure II.17) pour les différentes lyres étudiées. Cette différence est due probablement à la tolérance dimensionnelle de l embase du connecteur, si on fait l hypothèse que les lyres ont exactement les mêmes propriétés mécaniques. Lorsque les droites du deuxième régime sont parallèles entre elles, comme c est le cas sur la figure II.17, les lyres ont les mêmes longueurs d encastrement et les mêmes propriétés mécaniques mais le mauvais dimensionnement de l embase fait qu elles n ont pas les mêmes précontraintes (d où l effet de translation des droites observé). FORCE DE CONTACT (N) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Lyre 1 Lyre 2 Lyre 3 0,2 0, (µm) DEFLECTION LASER(µm) Figure II.17 : Variation de la force de contact pour différents contacts d un même connecteur neuf Pour un connecteur neuf, la force de contact obtenue pour une déflexion de 300 µm est environ de 1,3 N (± 0,01 N) pour une lyre avec la précontrainte. La valeur de la force d insertion, une fois le contact établi, est en moyenne de 0,4 N (±0,01 N) lors de la première insertion. On en déduit la valeur du coefficient de friction, grâce à la formule (26) du chapitre 1 et en tenant compte de l incertitude relative: µ=0,4 N/1,3 N = 0,3 (±0,03). 88

89 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Ces résultats ont aussi permis de mettre en évidence l importance de la précontrainte sur la valeur finale de la force de contact et de faire une estimation du coefficient de friction des contacts dorés. Un autre constat est que les flexions répétées (300 µm de flexion) sur une même lyre n ont pas montré de variation significative de la force de contact après plusieurs milliers de cycles sur un temps court. La relaxation des lyres pourrait dépendre du temps, de la température et de l humidité. La même série de mesure a été effectuée avec en plus un relevé des valeurs de la résistance de contact lors du chargement. b. Mesure de la résistance de contact en fonction de la force de contact et de la déflection du ressort En utilisant le même banc que celui de la Figure II.14, la mesure de la résistance de contact (Figures II.18 et II.19), est faite en remplaçant la sonde par une piste PCB et une lyre neufs et par la méthode des 4 fils. Abbott et Schreider [10] ont étudié le taux de perte d information numérique (error rate) sur des cartes électroniques avec des contacts encartables et ont mesuré la résistance de contact sur chaque contact. L augmentation de la résistance de contact dans leur cas est due au frottement de contact (déplacement de 1,5 mm). Il est montré dans ces résultats qu une perte significative d information apparait lorsque ΔR c atteint environ 3Rc pendant un intervalle de temps minimum de 5 ns (phénomène intermittent). Un contact électrique est considéré en «bon état» tant que : ΔR c 3R c (4) Pour des contacts dorés, comme dans notre cas, la chute de Rc est très rapide pour se stabiliser à la valeur nominale qui inférieure à 10 mω. La Figure II.17 représente l évolution de la résistance de contact de trois contacts en fonction de la force pour un même connecteur HE9 neuf. Une force de contact de 0,5 N est suffisante pour faire varier Rc d une valeur infinie (absence de contact) à 10 mω qui est la limite maximale autorisée pour le contact doré HE9 [11]. La Figure II.18 représente l évolution de Rc en fonction de la déflection du ressort. Comme précédemment, ces mesures ont été effectuées sur trois contacts différents d un connecteur HE9 neuf. Il est à noter qu une déflection du ressort de 100 µm est suffisante pour avoir R c 10 mω. Sur cette même figure, les mesures faites sur le contact 2 (Figure II.18) montrent qu une variation de la déflection de 400 µm à 300 µm (intervalle de la déflection d une lyre lors du fonctionnement du connecteur HE9) ne change pas la valeur de la résistance de contact. Pour obtenir ΔR c >3R c (instabilité du contact), il faudrait avoir une diminution de déflection sur une lyre supérieure à 300 µm. 89

90 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Ces résultats confirment que les contacts dorés ne nécessitent pas une très grande force de contact pour maintenir la résistance de contact faible [12, 13]. 2D Graph 6 RESISTANCE DE CONTACT (mohm) Contact 1 Contact 2 Contact 3 1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 FORCE DE CONTACT (N) Figure II.18 : Évolution de la résistance de contact avec la force de contact de trois contacts d un connecteur HE9 neuf 2D Graph 7 RESISTANCE DE CONTACT (mohm) Contact 1 Contact 2 Contact 3 1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 DEFLECTION (mm) Figure II.19 : Évolution de la résistance de contact avec la déflection de trois contacts d un connecteur HE9 neuf 90

91 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 2. Variation du point de liaison de la lyre dans l embase du connecteur Nous avons voulu déterminer le type de liaison entre la lyre et l embase. Il existe trois types de liaisons possibles [14] (Figure II.20) : y (1) (2) (3) z x Figure II.20 : Différents types de liaisons La liaison encastrement (1) Les surfaces de liaison sont telles que tout mouvement relatif est impossible. Le nombre de degrés de liberté est donc 0. La liaison articulation (2) Pour les mouvements relatifs entre solides, seule la rotation est possible, mais pas les deux translations. Le nombre de degrés de liberté est donc 1. La liaison d appui simple (3) Dans ce cas, seuls deux mouvements relatifs sont possibles : la rotation et une des translations. Le nombre de degrés de liberté est donc 2. En théorie, la liaison entre la lyre et l embase du connecteur est de type encastrement car la liaison autorise la rotation qui a lieu lors de la flexion de la lyre. Cependant nous nous sommes rendu compte lors de nos manœuvres qu il y avait un léger jeu de la lyre dans l embase. Ceci nous amène à dire qu il y avait une liaison de type appui simple entre les deux parties. Nous avons donc décidé d étudier l influence que pourraient avoir ces modifications de la zone de liaison sur la force de contact. La lyre a été retirée de son embase afin de pouvoir contrôler la longueur de liaison de celle-ci. La longueur de liaison est la distance entre le point de liaison et la zone de contact de la lyre. Le marquage des distances de liaison a été fait grâce à un réglet gradué au pas de 0,5 mm. En utilisant à nouveau la mesure de la déflexion de la lyre par laser pour la corréler avec la variation de la force de contact, nous avons déterminé pour différentes longueurs de liaison la valeur de la raideur. Les résultats expérimentaux obtenus ont été corrélés avec la simulation numérique par éléments finis réalisée sous Ansys [15]. Nous avons modélisé en 2D une lyre avec un PCB, dans un plan par rapport au repère X et Y (Figure II.21). Deux types d éléments sont utilisés dans le modèle éléments finis : des éléments structuraux surfaciques 2 dimensions (PLANE183) à 8 nœuds, et les éléments surfaciques de contact (CONTA172 et TARGE169) à 3 nœuds. Ces derniers simulent la 91

92 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 surface de contact et la surface cible respectivement (Annexe B). Les éléments de contact (Figure II.21) utilisent les points de Gauss (points situés à l intérieur de l élément) pour détecter le contact. Différents niveaux d affinement du maillage ont été testés sur la zone de contact et dans les zones d encastrement (où le niveau de contrainte est élevé). Les longueurs d encastrement ont été établies en appliquant un degré de liberté nul sur le point de liaison (nous avons fait l hypothèse d un encastrement parfait). En tenant en compte des données expérimentales et numériques obtenues pour les différentes longueurs de liaisons et en les comparant avec les résultats lors de la mesure de la force de contact d une lyre encastrée dans l embase du connecteur HE9 (Figure II.14), on en déduit que la longueur de liaison d une lyre dans le connecteur est comprise entre 11 et 11,5 mm. On note que la force de contact diminue lorsque la longueur du point de liaison augmente [16] (Figure II.22). Par exemple, le passage d une longueur de liaison de 10,5 mm à 11,5 mm fait varier la raideur de la lyre de 2,18 N/mm à 1,69 N/mm ; soit un pourcentage de diminution de la raideur de 22%. A titre d exemple, sur la Figure II.18 cela correspond à une diminution de la force de contact 1 N a 0,78 N, ce qui se traduit par une augmentation de la résistance de contact de 9 mω à 10 mω. La comparaison des données expérimentales et numériques montre une différence maximale de 7%. Cette différence peut être due au fait que certains paramètres ne sont pas pris en compte lors dans la simulation numérique (incertitude sur la longueur d encastrement, non prise en compte du revêtement des lyres,...). Section fixe Lyre Y PCB ΔY=0.6mm X Figure II.21 : Résultats numériques par éléments de la déflection d une lyre en fonction de la longueur de liaison 92

93 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 FORCE DE CONTACT(N) 2,0 1,5 1,0 0,5 8.5mm 9.5mm 10.5mm Données expérimentales 11.5mm 8.5mm 9.5mm Données numériques 10.5mm 11.5mm 0, DEFLECTION(µm) Figure II.22 : Corrélation entre les résultats expérimentaux et la simulation numérique de la déflexion d une lyre pour différentes longueurs de liaison 3. Synthèse Les résultats ont permis de mettre en évidence la valeur de la force de contact d une lyre en fonction de la déflection : pour une lyre dans l embase du connecteur et précontrainte, avec une déflection totale variant de 270 µm à 400 µm, la force de contact correspondante varie de 1 à 1, 3 N. Une force de contact de 0,5 N est suffisante pour maintenir la résistance de contact en dessous de 10 mω. Une variation de la longueur de liaison de 1 mm modifie la raideur d une lyre de 22%. Cependant la perte de force induite n est pas suffisante à rendre le contact instable. IV. Usure par glissement des contacts 1. Dispositif expérimental L usure est un phénomène nuisible pour un connecteur. Elle conduit à la suppression des passages du courant électrique entre les interfaces de contact. Les causes principales de 93

94 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 l usure sont les déplacements des deux parties en contact lors des phases d insertionextraction (frottement dans notre cas). Ces manœuvres imposent aux contacts des contraintes mécaniques superficielles dont les conséquences ne sont pas négligeables à long terme, notamment un changement significatif du coefficient de friction. Pour les connecteurs encartables, le coefficient de friction doit être de telle sorte que la force d insertion soit la plus faible possible. C est pour ces raisons que le choix d un revêtement des surfaces de contact et de son épaisseur est crucial. Le dispositif expérimental de la Figure II.23est conçu pour assurer le glissement du contact PCB sur la lyre (fixé dans l habitacle extérieur) avec une vitesse de 8 mm/s. Le déplacement total de la piste est de 8 mm lors d une insertion complète dans un connecteur. Comme pour le banc d insertion, notre montage est constitué d un circuit de mesure de résistance de contact. Le glissement de la lyre sur le contact PCB a été effectué à une force d environ 1 N qui correspond à la force exercée par une lyre. Comme pour les essais d insertions, nous avons choisi un nombre maximal d insertion égal à Figure II.23 : Banc de glissement des contacts 2. Mesure de la résistance de contact lors du glissement des contacts Sur la Figure II.24, est représentée l évolution de la résistance de contact moyenne. Les mesures ont été effectuées tous les 50 cycles de frottement. Cent mesures ont été prises lors de chaque série de 50 cycles. La valeur moyenne de R c varie de 6,5 mω à 8,4 mω avec un écarttype de 1,5 mω en moyenne. 94

95 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 10 Valeur Moyenne de Rc 8 RESISTANCE(mOhm) NOMBRE D'INSERTION Figure II.24 : Mesure de la résistance de contact lors du glissement des contacts Le fait que la résistance de contact reste fluctue peu (15% restent acceptables) malgré un nombre important de cycles de frottement pourrait signifier que les propriétés des les propriétés des contacts restent inchangées malgré ces contraintes mécaniques. Après plusieurs essais de glissement, la résistance de contact reste identique alors que nous observons des marques sur chaque contact. Pour avoir plus d informations sur ces traces, nous avons fait une analyse EDX des surfaces dégradées. Cette étude nous renseigne sur la nature des matériaux à la surface du contact. 3. Analyse des contacts L ensemble des analyses a été effectué sur un MEB composé d un détecteur à semiconducteur. Le détecteur EDS est un monocristal de silicium, dopé au lithium et polarisé. Un analyseur multicanaux permet de classer le nombre d'événements en fonction de leur énergie, et donc de reconstituer le spectre d'émission de l'échantillon. La tension d accélération des électrons est de 20kV, avec un vide de Pa. Une métallisation (carbone) par pulvérisation cathodique avec appareil Jeol JFC 1100 a été effectuée sur tous les échantillons. Les analyses ont été effectuées sur différents couples de contact piste PCB- contact tulipes et sont présentées ci-après. 95

96 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 a. Analyse EDX des lyres Des analyses de surfaces ont été effectuées à l aide d un microscope électronique à balayage après 400, 500, 1000, 1500, et 2000 cycles de frottement de contacts du connecteur HE9. Les Figures II.25.b, II.25.c et II.25.d montrent des zones avec la présence de traces sur la surface active de contact lié au phénomène de glissement des contacts dès 400 cycles de frottement en comparaison avec la Figure II.25.a qui représente une zone d un contact neuf. Ceci montre que dans des conditions maitrisées de glissement, comme c est le cas ici, l usure de la lyre peut se produire rapidement. a) b) c) d) Figure II.25 : Différentes zones de contacts des lyres (frottement des contacts Au-Au, force de contact de 1 N, vitesse de frottement : 8 mm/s, distance de déplacement : 8 mm, nombre de cycles 0, 400, 500 et 1000, épaisseur de la couche d or sur la lyre : 0,5 µm, épaisseur de la sous-couche de nickel : 3 µm, épaisseur de la couche d or sur le PCB : 3 µm 96

97 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 b. Analyse EDX d une lyre après 400 cycles de glissement La composition chimique sur une partie gardée intacte après les tests de frottement montre une présence d or autour de la zone de frottement (Figure II.26). La région de contraste noir représente le nickel et celle de contraste gris représente l or. On remarque la disparition du dépôt d or et par conséquent l apparition de la sous couche de nickel sur la surface. Direction du frottement Figure II.26 : Image MEB et spectre EDX des éléments présents près de l empreinte d usure de la surface d une lyre après 400 cycles de glissement (analyse 1) Plusieurs mesures EDX effectuées sur plusieurs points situés en dehors de la trace d usure (zone de frottement) ont montré une présence très majoritaire de l or. (Supérieure à 90% en masse). La même analyse a été effectuée sur la Figure II.27. Elle donne les spectres obtenus sur un point dans l empreinte d usure sur la zone de frottement d une lyre. Nous remarquons sur cette analyse que le nickel présente des pics plus élevés que les autres éléments. Ces pics et les valeurs sur le tableau montrent que la quantité massique de nickel est plus élevée par rapport à la quantité massique de l or qui est l élément composant la surface de base. 97

98 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Direction du frottement Figure II.27 : Image MEB et spectre EDX des éléments présents dans l empreinte d usure de la surface d une lyre après 400 cycles de glissement (analyse 2) c. Analyse EDX d une lyre après 1000 cycles de glissement Des analyses similaires ont été réalisées sur des lyres ayant subi 1000 cycles de glissement (Figures II.28, II.30, II.31). On remarque que la présence de nickel est toujours aussi importante sur la zone de frottement. L image MEB et l analyse chimique de la zone de frottement de la lyre sur la Figure II.28 montrent que la sévérité de la dégradation de la lyre n était pas forcément la même sur chaque partie de ce celle-ci. Comme on peut le voir, après 1000 cycles de frottement, la partie 1 de la lyre se trouve très affectée alors que la partie 2 ne porte que quelques marques d usure. Le problème de la coplanarité des deux parties de la lyre peut alors se poser. Sur les trois figures, les marquages causés par les frottements nous ont permis d en apprendre un peu plus sur les éléments présents sur la zone de contact. Un autre constat est que pour les surfaces de trois lyres ayant subi 1000 cycles de frottement pour une force de contact de 1 N (Figures II.28, II.29, II.31), la sévérité de l usure n est pas la même. Une explication pourrait être la topographie initiale de ces zones de contact qui ne serait pas identique pour toutes les lyres. 98

99 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Élément %Masse %Atomique 2 Ni K Au M Totaux Figure II.28 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 1) La Figure II.29 présente la répartition cartographique des espèces chimiques présentes (or et nickel) dans la zone de contact obtenue après 1000 cycles de frottement de la lyre. Cette cartographie montre que le nickel (coloré en vert) (Figure II.29.a) apparaît en majorité dans la zone de surface ayant subi le plus d usure. 99

100 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 (a) Nickel (b) Or Figure II.29 : Cartographie de la zone de contact d une lyre après 1000 cycles de glissement Figure II.30 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 2) 100

101 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Direction du frottement Élément %Masse %Atomique Ni K Totaux Figure II.31 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 3) Lors de la microanalyse point par point de la zone dégradée, du cuivre a été retrouvé en surface de la lyre (Figure II.32). Il n est plus à rappeler que le cuivre s oxyde facilement et la couche d oxyde qui peut se former est isolante. Ainsi la résistance de contact augmente très vite par la seule exposition à l air «ambiant», et les divers polluants peuvent aggraver les dégâts. 101

102 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Direction du frottement Élément %Masse %Atomique Ni K Cu K Totaux Figure II.32 : Image MEB et diagramme EDX de la surface d une lyre après 1000 cycles de glissement (analyse 4) 4. Analyse EDX des contacts males PCB Sur la Figure II.33, une image MEB d un contact PCB après 1000 cycles de glissement. Du fait de la malléabilité de l or, il possède un comportement ductile. Les déformations plastiques se localisent principalement sur les zones de passage de la lyre (Figure II.33). Direction du frottement Figure II.33 : Images microscopiques du contact PCB après 1000 cycles de sollicitations mécaniques, présence de traces d usures dues au frottement avec une lyre 102

103 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Sous l action répétée d un élément de contact sur l autre, les surfaces de contact se matent. Les aspérités sont déformées plastiquement à chaque cycle. Après 2000 cycles, hormis les déformations plastiques de la surface de frottement, les microanalyses de contacts nettoyés n ont pas montré de présence de la sous couche nickel à la surface du PCB. Cela peut être attribué à l importance du dépôt d or (3 µm). Sur la Figure II.34, le nickel présent provient de la lyre avec laquelle le frottement a lieu. Figure II.34 : Analyse EDX d une piste du PCB après 1000 cycles de glissement L augmentation de la dureté du matériau sous l action répétée des déformations plastiques (phénomène d écrouissage) ne semble donc pas suffisante pour engendrer une augmentation significative de résistance de contact à force de contact constante. Différentes études ont montré que la nature des matériaux en contact peut impacter la valeur de cette résistance de contact [7, 17]. Ainsi, le contact lyre-pcb est de type Au-Au à l origine. Après les cycles de frottement, les analyses EDX ont montré une quantité importante de nickel à la surface des zones fortement dégradées (PCB+lyre). Le contact après ces dégradations serait de type Au-Ni. Par conséquent il aurait été logique de trouver une résistance de contact plus importante (la résistivité du nickel est trois fois plus importante que celle de l or), ce qui n est pas le cas. Bien qu on observe une présence de nickel à la surface de contact, il reste suffisamment de zones dorées sur cette surface pour maintenir la résistance stable. Une étude profilométrique a été menée en parallèle sur les zones de contact des lyres (où ont été observées les sous couches de nickel) pour expliquer cette stabilité de la résistance de contact. 103

104 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 5. Analyse topographique de la zone de contact sur la lyre Le profilomètre utilisé [18] pour déterminer le profil de la zone de contact est un appareil permettant la mesure sans contact des différentes topographies des surfaces citées précédemment. Celles-ci sont mesurées grâce à un laser confocal. Le laser est commandé par un moteur à courant continu. La résolution du capteur de profilomètre est réglable entre 0,001 μm et 10 μm. Les profils des lyres étudiés sont obtenus après une mesure par balayage avec une résolution de 2 µm x 2 µm sur une fenêtre de 0,6 mm x 1,32 mm. Les mesures du profil de la zone de contact par profilomètre montrent que l usure ne peut pas être uniforme au vue de la forme concave de la lyre aussi bien sur la vue longitudinale (Figure II.35) que transversale (Figure II.36). Des aspérités de près de 30 µm ont été observées sur la zones de contact de la lyre. La forme de la zone de contact de la lyre (vallée) fait en sorte que le nickel va apparaître prioritairement sur les hautes aspérités qui seraient fortement contrainte (avec la perte de leurs couches d'or) alors que sur la zone peu contrainte (située en vallée), il reste toujours suffisamment de revêtement d'or pour maintenir une résistance de contact faible. 0,04 Profil de la surface de la lyre (mm) 0,03 0,02 0,01 0,00-0,01-0,02 Ligne de mesure du profil Profil lissé -0,03 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Longueur de la lyre (mm) Figure II.35 : Profil longitudinal d une lyre réalisé grâce au profilomètre à laser confocal de Taicaan 104

105 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 0,06 Profil de la surface de la lyre (mm) 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0,06-0,08 Ligne de mesure du profil -0,10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Largeur de la lyre (mm) Figure II.36 : Profil transversal de la lyre La conclusion que l on peut tirer de cette étude est que, du fait de sa faible épaisseur (0,5 µm), la couche d or de la lyre est enlevée plus rapidement que celle du PCB (3 µm) qui se trouve, quant à elle, simplement déformée. Ces résultats concordent avec ceux du Tableau I.3 du chapitre 1. Cette dégradation va beaucoup dépendre de la morphologie de la lyre au niveau de la zone de contact. Pour certaines lyres, après 1000 cycles de glissement, nous avons observé la présence de cuivre (Figure II.32) sur la surface. La présence d oxygène pourrait entraîner une oxydation rapide et la création d une couche isolante. La dégradation de la surface de contact change le coefficient de friction. Le but sera par la suite de déterminer l évolution de ce paramètre. 6. Synthèse des analyses L étude EDX de la lyre aura permis de mettre en évidence l apparition de nickel dès 400 cycles de frottement dans des conditions de laboratoire. L apparition de cuivre se produit dès 1000 cycles de frottement pour certaines lyres. La non-coplanarité des zones de contact d une même lyre entraine une usure disproportionnée des deux parties de la lyre. Une différence de dégradation des lyres est observée pour un même nombre de cycles de frottement. 105

106 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 La forme de la marque d usure dépend du profil de surface de chaque lyre. Ce profil varie suivant la forme de la lyre lors de sa fabrication. La sévérité de l usure va dépendre conjointement du nombre de cycles de frottement et de la topographie des zones de contact. En conclusion de cette partie, on peut dire que l usure des surfaces de contacts lors des essais de frottements du contact a montré l apparition du nickel à la surface de contact. La prise en compte du coefficient de friction de l or (revêtement des deux parties en contact) lors du calcul de la force de contact ne peut plus être valable dans la mesure où le contact n est plus à 100% de nature Au-Au (présence de nickel sur certaines partie du contact dont le coefficient de friction est de 0,5). Afin de s affranchir de µ, nous avons travaillé sur le développement d un système de mesure non-destructif transportable, qui mesurerait directement la force normale sur chaque contact après insertion dans le connecteur. V. Développement d un capteur de mesure de la force de contact Une fois insérés dans l embase du connecteur, les points de contact sont inaccessibles en fonctionnement. La mesure directe de la force de contact était impossible, bien que la connaissance de ce paramètre soit capitale dans la caractérisation du contact [1, 9, 19, 20]. Pour contourner la difficulté, une méthode indirecte a au préalable été employée (voir II.1). Elle consiste à utiliser, après étalonnage, le rapport qui existe entre la force de contact et la force d insertion F i qui est le coefficient de friction µ. La force de contact est calculée grâce à la formule F c =F i /µ (en fin d insertion), connaissant F i et µ. F c est exacte tant que le coefficient de friction est supposé constant. Or de précédentes études [19, 21, 22] ont montré de fortes dégradations des surfaces de contacts dorées non lubrifiées au cours des manœuvres d insertion-extraction, entrainant ainsi un changement de µ. Parmi les possibilités (capteur piézoélectrique, jauge de contraintes, capteur capacitif) qui s offraient à nous pour pouvoir mésuser directement la force de contact, notre choix s est porté sur un capteur piézorésistif à cause de ces faibles dimensions principalement. 1. Qu est ce que l effet piézorésistif? La piézorésistance (ou piézorésistivité) est le phénomène liant la variation de la géométrie du réseau cristallin d un métal ou d un semi-conducteur à sa variation relative de résistivité [23]. Cette propriété physique fut découverte par Kelvin en 1856 dans le cas des métaux et mise en évidence un siècle plus tard, vers 1954, par C.S. Smith [24] pour les semi-conducteurs dopés tels que le silicium ou le germanium monocristallin. Dans le cas des semi-conducteurs, l effet 106

107 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 est cent fois plus prononcé que pour les métaux permettant l exploitation de ce phénomène physique dans le domaine des capteurs intégrés. 2. Facteur de jauge Si R est une résistance de forme parallélépipédique constituée d un matériau homogène de résistivité 0 (généralement du silicium dopé), sa valeur au repos est : 0B R0 (5) S Avec B et S respectivement la longueur et la surface de la section de la résistance. L application d une contrainte (déformation) introduit une variation de la résistance R. Sa résistance relative est donnée par : R B S (6) R B S 0 0 Les deux derniers termes de la relation (6) représentent les changements dimensionnels de la jauge : ils sont prépondérants pour les métaux. Le premier terme représente une variation de résistivité qui est très largement dominante pour les semi-conducteurs : c est l effet piézorésistif [25]. On utilise en général les coefficients de piézorésistance longitudinal F l et transversal F t qui traduisent la variation relative de résistivité suivant des axes respectivement parallèle et orthogonal à la déformation: 1 d Fl p longitudinal (7) F t 1 d p transversal (8) Où p est la pression mécanique appliquée On introduit souvent le facteur de jauge (transversal ou longitudinal) qui exprime le rapport entre la variation relative de la résistance et le taux de déformation. On l obtient en multipliant le coefficient de piézorésistance par le module d Young E [25, 26]. 3. Présentation du prototype Un modèle standard, le «Flexiforce A201» fourni par Mescan a permis de réaliser les premiers tests et cela a permis d évaluer leur utilisation potentielle. Ces tests ont montré que la réponse du capteur était linéaire et que la précision sur la mesure était de 5 %. 107

108 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Ci-dessous le prototype de capteur réalisé (Figures II.37 et II.38). Il a été réalisé sur demande spécifique. Il possède 12 pistes actives piézorésistives indépendantes. Ces pistes actives ont les mêmes dimensions que les pistes du contact PCB. L espacement entre les capteurs est le même que celui d un contact PCB (2,54 mm entre les centre des pistes). Chaque capteur possède deux voies (une pour l entrée de tension et une pour la sortie de tension). Prototype de capteur piézorésistif Piste de capteur piézorésistif Piste de contact PCB Électrode supérieure Électrode inférieure Figure II.37 : Schéma du prototype de capteur réalisé Électrodes d argent Substrat Flexible Encre piézorésistive Figure II.38 : Vue d une piste du capteur piézorésistif 108

109 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Le capteur est composé de 12 pistes de parties actives indépendantes composées chacune de : Un substrat flexible sur chaque face. C est un film de polyéthylène téréphtalate (PET). Ce film de très grande solidité en tension (module d Young : 4 GPa et coefficient de Poisson: 0,4, résistance à la traction : 200 MPa, coefficient de frottement : 0,19 est très stable et transparent, très bon isolant électrique (rigidité diélectrique : 280 kv/mm, tension de claquage : 17,5 kv), est connu sous la marque Mylar [27], Deux électrodes en argent, Deux parties actives (encre piézorésistive), en silicium dopé. Le nombre de pistes du capteur a été choisi pour que celui-ci puisse s adapter à toute la série de connecteurs HE9 et ceci dans le but de simplifier les mesures de force. Pour les différents connecteurs de la série HE9, le nombre de paires de contacts n est variable et est tel que n appartenant à {13, 19, 25, 31, 37, 43, 49}. De cet ensemble nous avons déduit l expression suivante : Nombre de paire de 12 x i+ 1 contacts restants après i Nombre de paires de contacts mesurés = mesures 12 x i+ 7 avec i appartenant à {1, 2, 3, 4}, i étant le nombre de mesure à effectuer. Par exemple, pour effectuer une mesure sur un connecteur à 13 paires de contact, le dispositif va mesurer la force sur les 12 premières pistes puis une autre mesure sera effectuée sur la piste restante. Ci-dessous (Tableau II.1) sont résumées les principales caractéristiques d une piste du capteur : Tableau II.2 : Caractéristiques techniques d une piste de capteur piézorésistif Epaisseur totale 0,208 mm Longueur 15 mm Aire sensible (L x l) 15 mm x 1,54 mm Gamme de force 0-4,4 N 4. Étalonnage des capteurs L'étalonnage d'un instrument de mesure ou d'un capteur, consiste à modéliser le signal de sortie du capteur (appelé X) en fonction de la variable mesurée (appelée Y). Pendant l'étalonnage, les Y, considérées comme étalons, sont évaluées, ainsi que les X associées [28]. Y=F(X) (9) X représente la mesure de la tension, Y valeur la force étalon, et F représente la fonction d étalonnage qui dans notre cassera la sensibilité du capteur piézorésistif. 109

110 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Ces forces sont mesurées à l'aide d'un autre capteur. Dans notre cas, les capteurs ont été étalonnés avec un capteur de force étalon, le type 9217A de sensibilité 100 pc/n, conditionné par un amplificateur de marque Kistler, modèle Pour chaque valeur de force, une mesure de tension en sortie du capteur Xi est réalisée. On peut alors évaluer la fonction F. L'hypothèse d une relation linéaire entre les grandeurs X et Y a été faite. Le capteur est considéré comme résistance variable. Nous avons utilisé un amplificateur inverseur (Figure II.39) pour obtenir une réponse en tension en sortie. Un des avantages de ce circuit amplificateur est la possibilité de régler le gain en faisant varier la valeur de la résistance. Les capteurs sont utilisés suivant le schéma ci-dessus: R g Capteur piézorsistif Figure II.39 : Schéma de l amplificateur inverseur utilisé (24 montages identiques) Sans tenir compte des éventuelles tensions de décalage induites par les amplificateurs opérationnels utilisés, l expression de la tension de sortie de l amplificateur Vs en fonction de la tension d entrée est telle que : V R g s Ve (10) Rcapteur R g est la résistance de gain et R capteur, est la résistance du capteur. Sur le circuit d amplification, il a également été ajouté une résistance d ajustement car comme dans tout système électronique d amplification utilisé destiné à traiter des signaux issus d un capteur, il peut apparaître une tension de décalage systématique induite par les amplificateurs, non négligeable (offset). Cette tension de décalage d entrée est préjudiciable lorsqu elle est supérieure au LSB (Least Significant Bit, bit significatif de poids faible) lors de la conversion numérique réalisée en aval du montage amplificateur. Lors de nos essais, l acquisition des données sous le logiciel Labview a été effectuée grâce à un CAN 12 bits de marque Meilhaus [29]. Si l on désigne par V Max la plage de conversion et N le nombre de bits du convertisseur, La résolution correspond à : 110

111 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 LSB V 2 (11) Avec N=12 bits et V Max =10 V ce qui correspond à LSB= 2,44 mv Si nous considérons un amplificateur possédant un gain constant G, la tension V s en sortie de ce circuit est de la forme suivante: V s =G.V e +V off (12) Où V off est la tension de décalage systématique (tension constante dans le temps) propre au circuit et V e la tension d entrée. Ne connaissant pas exactement les coefficients piézorésistifs de la technologie utilisée, et le comportement du substrat en Mylar lors de l application d une force, il existe une incertitude supplémentaire sur le niveau du signal analogique qui sera délivré par le circuit et donc sur le gain de l amplificateur qu il convient de choisir. Afin d y pallier, la résistance est réglée grâce à un potentiomètre multi-tour de marque BOURNS (potentiomètre de 100K). Avant de procéder à la mesure, il est conseillé par le fabriquant de ces capteurs piézorésistifs, Mescan, d appliquer une charge maximale de 6 N sur l ensemble de la zone de mesure du capteur pendant 10 s dans le but d homogénéiser la réponse sur le capteur. Le test réalisé consiste à imposer une force connue, progressivement, à l aide d une sonde plate de surface 1,5mm x 1,5 mm et de mesurer ensuite la réponse en tension (Figure II.40). Plusieurs séries de mesures ont été effectuées sur différents prototypes en appliquant à chaque fois une force comprise entre 0 et 4 N. Les valeurs expérimentales reportées sur les graphiques représentent les réponses issues des différentes pistes (piste 1, 2, 3 et 4) d un même dispositif de mesure de la force de contact. Une régression linéaire simple a été appliquée sur les données mesurées afin d obtenir la sensibilité du capteur (Figure II.40). La qualité de cette régression est déterminée grâce au coefficient de corrélation linéaire R. Le coefficient de détermination (R²) est un indicateur qui permet de juger la qualité d une régression linéaire. Plus ce coefficient est proche de 1, plus les valeurs expérimentales sont proches de la droite. Un rapport sur la régression linéaire d une série de mesure est donné en Annexe C. Il y est transcrit le coefficient directeur de la droite, l ordonnée à l origine, le coefficient de régression linaire et le coefficient de détermination entre autres. Le traitement des données expérimentales issues des séries d étalonnage a montré que contrairement aux performances du prototype de capteur annoncées par le fournisseur, la sensibilité (représentée par le coefficient directeur de la régression linaire) des différentes pistes d un même capteur n était pas la même (Figure II.40). A résistance de gains identiques, les réponses en tension et l erreur de linéarité ne sont pas les mêmes d une piste à l autre pour une même force appliquée. Pour y remédier les résistances de gain ont été ajustées capteur par capteur (piste par piste) suivant le mode opératoire suivant : La force maximale de 4 N a été appliquée au préalable au capteur de manière à avoir une tension de 4 V en sortie. Le réglage du gain est effectué à l aide du potentiomètre. Max N 111

112 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE TENSION(V) 3 2 TENSION(V) FORCE(N) FORCE(N) TENSION(V) 3 2 TENSION(V) FORCE(N) FORCE(N) Figure II.40 : Exemple de courbes d étalonnage de différentes pistes (1, 2, 3, 4) pour une force allant de 0 à 5 N Un autre constat est que la réponse du capteur n est pas la même le long d une même piste du capteur comme on peut le contacter sur la Figure II.41. Pour tenter d expliquer ce phénomène, nous avons mesuré la réponse du capteur à différentes positions d une sonde plate aux dimensions connues (surface de 1,5 mm x 1,5 mm). Les résultats de ce test sont représentés sur la Figure II.41. On y observe une forte variation de la réponse du capteur en fonction de la position de la sonde de mesure. Des différences de réponse du capteur de 100 % sont observées. A titre d exemple, sur la position 2,2 mm, pour une force appliquée de 1 N, la réponse du capteur en tension est de 2 V alors qu à la position 12 mm, pour la même force appliquée cette réponse est de 0,7 V. 112

113 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Sens de déplacement Figure II.41 : Réponse du capteur en fonction du point de mesure Une des explications sur ce phénomène est que le process de fabrication de ce prototype n est pas maîtrisé. Plusieurs hypothèses ont été émises sur l origine de cette variation de la réponse du capteur, quelques-unes sont citées ci-dessous : Variation aléatoire de l épaisseur du capteur, Mauvais contrôle du dopage du silicium, Mauvais contrôle de la rugosité des surfaces du silicium. Pour vérifier certaines de ces hypothèses, une analyse en imagerie MEB des surfaces des parties actives a été effectuée. Elle a révélé une inhomogénéité de celle-ci. Ces images montrent une porosité importante du dépôt et une irrégularité de la topographie de la surface active (Figure II.42). 113

114 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Impuretés sur la surface du capteur Trous sur la surface du capteur Figure II.42 : Photographie MEB montrant l état de la surface du silicium contenu dans le capteur piézorésistif Une méthode d optimisation topographique de forme en mécanique des structures basée sur l utilisation de techniques d homogénéisation peut permettre de s affranchir de ce problème d hétérogénéité de la réponse du capteur [30, 31, 32]. Dans notre cas, le but est de rendre le capteur piézorésistif indépendant de la zone de mesure. Le fait de rajouter une couche supplémentaire de PET Mylar (environ 200 µm), en plus de celle déjà présente, sur le capteur piézorésistif tend à homogénéiser la répartition des contraintes sur le capteur et ainsi à obtenir une réponse moyenne de celui-ci indépendante du point de mesure (Figure II.43). La valeur moyenne de la réponse en Volts par Newton est de 0,77 et l écart-type est de 0,0139 (Figure II.44). On en conclut qu à résistance de gain identique on constate l impact de la couche de PET Mylar sur la réponse du capteur. En l absence de cette couche de PET Mylar, la sensibilité du capteur avait une valeur moyenne d environ 1 V/N. Ce qui correspond à une perte de 23% apportée par l épaisseur supplémentaire de PET Mylar. Ce phénomène de perte de réponse par relaxation peut être 114

115 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 compensé par un réglage de la résistance de gain. Ce phénomène de relaxation n a pas de conséquence sur la précision du capteur. Force appliquée Epaisseur de PET Mylar Membrane piézorésistive Figure II.43 : Principe d homogénéisation d une piste du capteur piézorésistif, dimension d une piste de capteur : 15mm x 1,5 mm, épaisseur de la membrane piézorésistive : 208 µm, épaisseur de PET Mylar : 208 µm REPONSE DU CAPTEUR EN TENSION (V) 2,0 Tension (V) par Newton 1,5 1,0 0,5 0, DEPLACEMENT (mm) Figure II.44 : Réponse du capteur en fonction du point de mesure avec une épaisseur supplémentaire de Mylar Une fois ces améliorations apportées, le capteur a été intégré sur une carte de conditionnement. 115

116 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 5. Layout du prototype La Figure II.45 montre le layout (masque) du prototype de carte de conditionnement des capteurs réalisé. On y voit les deux faces de la carte. La partie dite électronique comporte les différents éléments analogiques tels que les amplificateurs inverseurs pour chacune des 24 voies (2 x 12 voies), le connecteur pour le capteur et les convertisseurs de tension DC/DC. La partie capteur piézorésistif a une épaisseur contrôlée. Partie électronique Partie capteur piézorésistif 192,41mm 78,49mm Zone à épaisseur contrôlée à 1,18mm Face 1 177,41mm 96,50mm Longueur du capteur 32,44mm Face 2 Figure II.45 : Layout du prototype 15mm 116

117 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 6. Carte de tests réalisée Nous avons réalisé plusieurs cartes de conditionnement pouvant accueillir les capteurs piézorésistifs comme on peut le voir sur la Figure II.46. Les cartes sont double face, avec un capteur placé sur chacune d elle. L épaisseur totale de la carte avec les deux capteurs est de 1,6 mm ± 0,2 mm, décomposée comme suite : 1,18 mm (carte seule) + 2 x 0,208 mm (capteur piézorésistif) + 2 x 0,104 mm (épaisseur supplémentaire de Mylar ). On estime les pertes des propriétés mécaniques du Mylar négligeable lors de la mesure de la force. Le choix de deux capteurs a été fait notamment pour corriger les défauts d insertion non symétrique de la carte dans l axe du connecteur lors de la mesure (Figure II.47). Chaque capteur mesure la force exercée par le couple de lyres. Figure II.46 : Carte de conditionnement des capteurs piézorésistifs capteur1 φ F c1 capteur2 F c2 φ Figure II.47 : Compensation du défaut d alignement de la carte par l utilisation de deux capteurs, une sur chaque face de la carte 117

118 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Les 24 sorties analogiques de la carte, traitées séparément, ont été transférées via un multiplexeur (MUX) différentiel 8 voies (modèle DG407) vers un convertisseur analogique numérique (modèle USB Redlab 1008, 4 voies en différentielle, 12 bit, 5 V, 1,2 ks/s) luimême piloté par un ordinateur type PC sous le logiciel Labview comme on peut le voir sur la Figure II.48. Cette démarche permet de simplifier grandement l acquisition et le traitement des données issues du capteur. Étalonnage Conditionnement du signal Fc 24 Voies Amplification Signal des 24 voies Le capteur+pcb épaisseur totale de 1,6mm±0,2mm Processus 8 Voies 8 Voies 8 Voies physique MUX 1 8/1 MUX 2 8/1 MUX 3 8/1 Signaux analogiques CAN Signaux numériques 12bits USB Traitement sous Labview Figure II.48 : Schéma général du processus de mesure de la force de contact 118

119 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 7. Mesures expérimentales effectuées Les tests réalisés ici consistent à insérer le capteur avec Mylar dans le connecteur, d attendre 10s (délai de temporisation fixé pour l acquisition d une mesure) et ensuite de mesurer la force de contact sur les 12 tulipes. Les courbes de la Figure II.49 représentent la force de chaque paire de contact. Ces mesures effectuées nous ont permis d observer que la force de contact variait significativement d une tulipe à l autre d un même connecteur (Figure II.49). Plusieurs connecteurs ont été testés : 1 connecteur HE9 neuf, 3 connecteurs HE9 usagés dont l historique n est pas connu. 5 4 a) Connecteur HE9 neuf 5 4 b) Connecteur HE9 usagé FORCE DE CONTACT (N) FORCE DE CONTACT (N) # TULIPE # TULIPE 5 4 c) Connecteur HE9 usagé 5 4 d) Connecteur HE9 usagé FORCE DE CONTACT (N) FORCE DE CONTACT (N) # TULIPE # TULIPE Figure II.49 : Mesure de la force de contact sur différents connecteurs HE9 Les résultats précédents (Figures II.49) ont montré une inhomogénéité des valeurs de force de contact en fonction des contacts. Cette différence de force de contact est observée aussi bien pour un contact neuf (Figure II.49.a) que pour des contacts usagés (Figures II.49.b, c et d). Cependant l écart-type de la force de contact est moins important pour le connecteur neuf (0,22 pour l histogramme a) que pour les trois connecteurs usagés (0,35 pour l histogramme b, 0,38 pour l histogramme c et 0,47 pour l histogramme d). 119

120 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Pour le connecteur HE9, deux forces doivent être prises en compte: la force de contact nominale qui est de 2 N (par paire de contact dont 1 N par contact dans le cas d une symétrie parfaite et pour une résistance de contact < 10 mω) et la force de contact minimale par contact qui est de 0,1 N (pour résistance contact de 20 mω environ). Dans la majorité des cas, les résultats ont montré des forces de contact supérieures à 2 N (sauf pour la tulipe N 5 de la Figure II.49.d dont la valeur est de 1,6 N). Des interprétations sur ces résultats sont faites sur la partie à suivre. 8. Interprétation des mesures de force de contact en fonction des contacts Plusieurs causes peuvent être à l origine de ces variations et sont répertoriées sur le Tableau II.2, ci-dessous : Tableau II.3 : Possibles causes des variations de force en fonction des contacts Contraintes Dimensionnement du Précontrainte Relaxation Fatigue connecteur Connecteur neuf X X O O Connecteur usagé X X X X X : Possible cause, O : Phénomène exclu Le dimensionnement de l embase du connecteur : Les résultats de la Figure II.49 montrent que les encoches qui permettent d obtenir D 0 et F 0, respectivement la déflection de précontrainte et la force de précontrainte, de chaque lyre ne seraient pas identiques sur un même connecteur et d un connecteur à un autre. Une explication sur la disproportionnalité de la force de contact sur les différentes tulipes est donnée à la Figure II.50. Les connecticiens, lors de la conception des connecteurs, intègrent des facteurs de dégradations de manière à ce qu en fin de vie la force de contact soit toujours supérieure à la force minimale requise [33]. Dans le cas d un mauvais design, la force de contact en fin de vie serait en dessous de la force requise. Du point de vue mécanique, les connecteurs sont fabriqués dans des formes qui leurs permettent d exercer une certaine force de contact lors de l interconnexion des deux parties. Cette force est calculée avec l hypothèse qu il y aura des modifications des dimensions de l embase du connecteur (avec pour conséquence la modification de la longueur de liaison de la lyre dans le réceptacle), relaxation et fatigue des ressorts [33]. Ainsi, un facteur de tolérance dimensionnelle est inclus dans la valeur initiale de la force de contact. La variation dimensionnelle du connecteur (qui peut se faire dans un sens favorable au connecteur ou non) peut permettre d obtenir une force de contact plus grande que la valeur initiale requise. Dans le but de maintenir une force de contact en fin de vie adéquate, le contact doit être fabriqué de manière à fournir une force initiale plus grande que le minimum requis pour maintenir minimale et stable la résistance de contact (intégrité du signal électrique) [33]. 120

121 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Des études de l influence de la tolérance dimensionnelle d une embase de connecteur sur la force de contact ont également été faites par Grill [34]. Il montre que dans le pire cas de dimensionnement, la perte de force peut être de 40% et le gain de force de 20% par rapport à la force requise. La tolérance sur l épaisseur de la carte PCB (12,5%) [9] est aussi à prendre en compte. Dans le cas du connecteur HE9, cela représente 0,2 mm, ce qui peut correspondre à une variation de force de contact de 0,2 N. Mauvais design Bon design Force requise Non Non suffisante satisfaisan t Marge de sécurité Force requise Force design Force en fin de vie Force insuffisante Force design Force en fin de vie Force supplémentaire Force Fatigue Relaxation Force Fatigue Tolérance Précontrainte Tolérance Non-satisfaisant Précontrainte Relaxation Marge de sécurité Figure II.50 : Force de contact en fin de vie et fiabilité La mesure directe de la force de contact dans un connecteur encartable a permis de mettre en évidence la variation de la force de contact par tulipe dans un même connecteur. Pouvoir mesurer directement la force de contact, grâce à ce capteur piézorésistif, ouvre de nouvelles perspectives notamment la connaissance en simultanée de la force d insertion et la force de contact dans le but de connaitre l évolution réelle du coefficient de friction des contacts du connecteur HE9. C est ce qui fait l objet de la prochaine partie. 121

122 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 VI. Évolution du coefficient de friction lors du frottement des contacts 1. Rappel du phénomène d usure par frottement Les relations entre les propriétés de surface d un matériau et son comportement tribologique sont aujourd hui encore mal connues. Plusieurs mécanismes macroscopiques ou microscopiques interviennent dans un contact glissant, d origine mécanique (déformations plastiques, élastiques, rhéologiques ) ou d origine physicochimique (forces d interaction, modification chimiques des surfaces ) [27]. Si la lubrification de l interface est bien connue comme étant un moyen pour réduire le coefficient de friction dans les contacts [16, 35], il n en demeure pas moins que dans plusieurs cas, elle n est pas recommandée ou souvent impossible. D autres parts, certains lubrifiants peuvent retenir des débris étrangers (ce qui peut éventuellement contribuer à augmenter le coefficient de friction) [20]. Ainsi, comme nous l avons dit plus haut, le coefficient de friction va varier lors des manœuvres. Dans cette étude, nous voulons déterminer son évolution sur le connecteur HE9. Dans les systèmes d interconnexions en particulier, trois principaux phénomènes peuvent être à l origine du changement du coefficient de friction [18] : l interaction des aspérités, l adhésion et le «plowing», (labourage). Le premier des trois cités va dépendre de la qualité des dépôts. Lors du glissement d une surface sur l autre une résistance au déplacement va se produire comme on peut le voir sur la Figure II.51. L adhésion quant à elle résulte de la soudure sous forte contrainte sur les points microscopiques de contact. Quant au troisième phénomène, il se produit lors de la création de particules. a) b) c) Figure II.51 : Différentes sources de friction : a) interaction des aspérités, b) adhésion, c) plowing De plus, le coefficient de friction va dépendre de l épaisseur de la couche d or déposée sur les différents contacts [21] comme on peut le voir sur la Figure II

123 Coefficient de friction Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE Épaisseur du film (µm) Figure II.52 : Variation du coefficient de friction avec l épaisseur de la couche d or électrodéposée, force d appui 2,45 N; vitesse 1,52 m.min Réalisation d un banc de mesure simultanée de force de contact et de force d insertion La piste de capteur piézorésistif, avec une couche supplémentaire de Mylar, a été préalablement étalonnée. Elle a ensuite été collée grâce à un spray adhésif (épaisseur quasi nulle par rapport aux autres dimensions du système) sur le contact PCB comme ci-dessous. Après une insertion de 6 mm, des cycles de glissement d amplitude 2 mm et de vitesse 2 mm/s ont été effectués autour de cette position, à l aide du banc de mesure (Figure II.53). La force d insertion, la force de contact, la résistance de contact et la déflection sont mesurées après chaque cycle. Le rapport entre la force de glissement et la force de contact permet de calculer le coefficient de friction. Les cycles d insertion extraction sont répétés 2000 fois. Les mesures ont été effectuées toujours à la même profondeur d insertion (6 mm). 123

124 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 a) b) V 1,8 mm F i 6 mm F c Capteur piézorésistif Figure II.53 : a) Banc de mesure simultanée de la force de contact et de la force d insertion b) Schéma du dispositif de mesure de µ, Rc, D, Fi et Fc A force de contact (3 N) et à déflexion (800 µm) constantes, on observe sur la Figure II.54 une augmentation du coefficient de friction. Ce coefficient de friction correspond à celui de l or car lorsque deux surfaces de nature différente sont en frottement avec une deuxième surface comme c est le cas ici la force d insertion qui prédomine est celle du matériau au plus grand coefficient de friction. Sachant que le coefficient de friction du Mylar étant égal à 0,19 et celui de l or est supérieur à 0,2 initialement. 124

125 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Coefficient de friction 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Def µ Rc 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 Déflection(mm) Résistance de contact (mohm) 0,1-1, Nombre de cycles 0 Figure II.54 : Évolution du coefficient de friction avec le nombre d insertion 3. Résultats et discussions La Figure II.54 traduit une dégradation de la surface de contact due à la répétition des manœuvres d insertion-extraction (F c =3 N). Ce qui explique bien que l augmentation de la force d insertion observée sur les courbes soit due principalement à une augmentation du coefficient de friction. En revanche la résistance de contact reste stable après les 2000 cycles. En l absence de capteur piézorésistif, il a été montré que la déflection varie de 0,3 à 0,4 mm. L ajout du capteur fait augmenter la déflection à environ 0,8 mm comme on peut le voir sur la Figure II.54. Le seul paramètre présentant une évolution sur la courbe de la Figure II.54 est le coefficient de friction. Les analyses précédentes ont montré une que les zones de frottement des contacts étaient fortement abimées en raison de l apparition du nickel sur la zone de contact (déformation de la surface de la piste et présence de particules de nickel sur le PCB, en provenance de la lyre). L apparition du nickel sur la zone de contact peut contribuer à augmenter le coefficient de friction lors du glissement car celui-ci a un coefficient de friction plus élevé que celui de l or (le coefficient de friction du nickel est de 0,5). Après cette étude, nous arrivons à la même conclusion que Gabel [22] qui est l'observation d'une augmentation du coefficient de friction de 0,2 à 0,5 qui n impacte pas la valeur de la résistance de contact (elle reste constante après 2000 cycles). Dans son cas l augmentation du coefficient de friction est beaucoup plus rapide. Cela est probablement dû à la faible épaisseur des revêtements d or utilisés (0,66 µm sur chaque contact). 125

126 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Conclusion L optimisation de la force de contact constitue la base du travail du concepteur du connecteur. S il y a un mauvais dimensionnement de celui-ci par rapport aux contraintes mécaniques qu'il doit supporter (frottements, chocs, vibrations), cela entraîne un déplacement relatif des pièces en contact ou une variation de la force de contact. La dégradation du contact peut être plus rapide (par usure et écrouissage) lors de la mise en contact des deux parties. Pour certains matériaux comme l or il n est pas nécessaire d avoir une force de contact importante pour maintenir la résistance de contact minimale et stable. Si aux modifications des propriétés mécaniques s ajoutent les dégradations liées à l environnement (corrosion atmosphérique, pollutions, poussières) en exploitation, il peut en résulter des instabilités de transmissions des signaux ou l apparition de défauts intermittents dus principalement à une augmentation de la résistance de contact. Dans ce chapitre, une série de mesures a été menée sur le connecteur encartable HE9. Il apparait qu il y a une augmentation de la force d insertion avec le nombre d insertion et avec la vitesse d insertion. L augmentation de cette force d insertion est considérée comme un critère de défaut du connecteur du point de vue mécanique (la valeur du pic d insertion ne doit pas excéder une valeur F i critique qui n a pas été caractérisée dans ces études). Plus cette valeur sera élevée plus l usure des contacts sera sévère. Le risque associé est la difficulté de maintenance des connecteurs. La solution serait de minimiser cette force d insertion. Ce qui reviendrait soit à optimiser l angle d insertion, soit à diminuer la raideur des ressorts. Cependant, cette diminution de cette dernière peut avoir deux conséquences : Une conséquence, positive : la diminution de la force de contact ne favorise pas la dégradation de la surface lors du glissement des contacts, en plus de diminuer l effort d insertion. En effet, plus la force de contact est importante, plus la dégradation des surfaces le sera aussi. Comme nous l avons montré dans nos études, il y a apparition de la sous couche de nickel en surface dès 400 cycles de glissement et dans certains cas une présence de cuivre, sur la lyre, à partir de 1000 cycles de glissement, avec une force d appui de 1 N. Or, une fois la couche d or retirée, le nickel et le cuivre se retrouvent exposé à l atmosphère et vont s oxyder et à terme causerons la défaillance du contact. Les conséquences néfastes d une baisse de la force de contact pourraient être la diminution du nombre de spots de passage de courant (bien que les contacts dorés ne nécessitent pas de forces de contact élevées pour maintenir une faible résistance de contact) et la facilitation de l infiltration de polluants, poussières ou oxydes à l interface de contact. Si les différentes mesures de résistance de contacts effectués après des cycles de frottement n ont pas révélé un changement de celle-ci, la connaissance de la force de contact, notamment par le biais de l outil de diagnostic développé, peut nous renseigner sur l état mécanique de chaque tulipe du connecteur. Ce qui reste à faire est de corréler ces valeurs de Fc avec les mesures des écarts entres les lyres. 126

127 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 Références bibliographiques du chapitre II [1] P. V. Dijk, F. V. Meijl, A design solution for fretting corrosion, IEEE proceedings of the 42 nd Holm conference on electrical contacts, 1996, p. 375 [2] A. El Manfalouti, N. Ben Jemaa, R. El Abdi, T. Reiss, Experimental and theoretical investigations on connector insertion phase, IEEE proceedings of the 49 th Holm conference on electrical contacts, 2003, p. 17 [3] EIA STANDARD, Low level contact resistance test procedure for electrical, connectors and sockets, Electronic Components, Assemblies & Materials Association, 2000 [4] L. H. Yang, The characteristic research of contact insertion and separation force in connector; IEEE proceedings of the 36 th Holm conference on electrical contacts, 1990, p. 619 [5] J. Horn, Shape optimization of connector contact for reduced wear and reduced insertion force; AMP Journal of Technology Vol. 2 November, 1992, p. 42 [6] L. Yeh, Shape optimal design of the contact springs of a connector; 200 PCB [7] J.L.Queffeelec, N. Ben Jemaa, D. Travers, and G. Pethieu, Materials and contact shape studies for automobile connector development ; IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology. Vol 14, NO. 1, 1991, pp [8] S. Aujla, B. Wiltshire, Connector insertion force characteristics, IEEE proceedings of the 31 st Holm conference on electrical contacts, 1985, p. 169 [9] P. LAINÉ, Connectique, Technique de l ingénieur [10] W. H. Abbott, K. L. Schreiber, Dynamic contact resistance of gold, tin, and palladium connector interfaces during low amplitude motion IEEE proceedings of the 27 th Holm conference on electrical contacts, 1981, p. 211 [11] Norme NFC/UTE HE901- HE902, Connecteurs pour circuits imprimés série 254 double face [12] Technical Report, Golden rules: Guidelines for the use of gold on connector contacts, AMP INCORPORATED, Tyco Electronics Corporation [13] P. V. Dijk Contacts in Motion, Proceedings of the 19 th international conference on electrical contacts (ICEC), 1998 [14] P. A. Boucard, Cours de dimensionnement des structures résistance des matériaux, IUT Cachan, Disponible : 127

128 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 [15] Ansys, Release 9.0 (Ansys Inc. Canonsburg Southpointe, PA 15317, USA, 2005). [16] H. Essone Obame, Spring stiffness investigation for long lifetime connectors, IEEE proceedings of the 55 th Holm conference on electrical contacts, 2009, p. 212 [17] P. G. Slade, Electrical contacts, principles and applications, P. G. Slade, 1999, p. 346 [18] [19] M. Antler and T. Spalvins, Gold lubricants come of age in aerospace bearing and electronic contact applications, Gold Bull, 1998 [20] R. Currence, Non-destructive measurement of printed wiring board connector normal contact forces, IEEE proceedings of the 23 th Holm conference on electrical contacts, 1977, p. 163 [21] J. Moran, M. Sweetland, N. P. Suh, Low friction and wear on non-lubricated connector contact surfaces, IEEE proceedings of the 50 th Holm conference on electrical contacts, 2004, p. 263 [22] N. Gabel, H. Hardee, P. Lees, Comparison of coefficient of friction and contact resistance during sliding wear on clad gold-nickel surfaces, IEEE proceedings of the 47 th Holm conference on electrical contacts, 2001, p. 271 [23] P. A. Paratte, P. Robert, Systèmes de mesure, Traité d électricité Vol. 12, 1996, p. 323 [24] C. S. Smith, Piézorésistance effect in germanium and silicon, Physical Review, 94, pp 42-49, 1954 [25] A. Permuy, E. Donzier, F. Rezgui, Capteurs microélectroniques, Techniques de l ingénieur [26] A. Boukabache, P. Menini, P. Pons, Micricapteurs de pression, Technique de l ingénieur, Traité de mesures et contrôle [27] [28] P. Breuil, D. Di Benedetto, Incertitudes de mesure en instrumentation Étalonnage, Incertitude & étalonnage, 2000 [29] [30] F. Parrain, Capteur intégré tactile d empreintes digitales à microstructures piézorésistives, Thèse de doctorat, Institut national polytechnique de Grenoble, 2002 [31] G. Allaire, E. Bonnetier, G.Francfort, F. Jouve, Shape optimization by the homogenization method, Springer,

129 Chapitre II : Caractérisation mécanique et électrique du connecteur HE9 [32] G. Allaire, F. Jouve, Conception de micro mécanismes par optimisation topologique, Congrès français de mécanique, Nancy, 2001 [33] M. Gedeon, Reliability and end-of-life contact force, Technical Tidbits, Vol. 1 NO. 5, 1999 [34] R. Grill, R. Kösters, F.E.H. Müller, P. Stenzel, Material optimized design of contact tulips, Proceedings of the 21 st international conference on electrical contacts (ICEC), 2000 [35] N. Aukland, C. Harrington, G. Drew, C D. Wright, G. Wheeler, Frictional work as a sliding wear evaluation parameter,, IEEE proceedings of the 49 th Holm conference on electrical contacts, 2003, p

130 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 130

131 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 131

132 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 132

133 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Introduction L inspection visuelle de composants est la première phase de toute étude de diagnostic. Elle est la plus ancienne méthode de contrôle non destructif et l œil humain en est le principal «outil» indispensable. Les informations fournies par l inspection visuelle sont précieuses. Elles peuvent conduire à la mise en œuvre d autres méthodes de contrôle non destructif pour poursuivre l investigation. Un système d inspection visuelle, oui mais pourquoi? Cet outil est souvent utilisé pour des raisons autres que celles pour lesquelles nous choisissons d en faire usage. Généralement il est utilisé pour le contrôle de qualité dans les chaines de production. Les quatre principales applications de systèmes de vision industrielle sont : Contrôle du nombre d objets ou recherche d objets manquants, Recherche de la présence d objets étrangers et détection des défauts, Mesure dimensionnelle, Positionnement. Dans notre cas, le domaine d application est strictement lié à la recherche des défauts (position des lyres, torsion de lyres, non alignement des lyres, rayures) ou des taches sur les points de contact et la détermination des écarts (largeur intérieure et extérieure) entre les tulipes des connecteurs. Une des fonctions primordiales de la vision peut être de remplacer les capteurs classiques lorsque ceux-ci ne sont pas adaptés ou de compléter les informations fournies par ceux-ci. Il est nécessaire de disposer de connaissances et de techniques de plus en plus pointues pour réaliser des inspections fiables. Les travaux concernent les développements suivants : La conception d un système de commande intégrant la vision industrielle, La mise en œuvre de l architecture générale logicielle et matérielle en intégrant la vision, L élaboration des modèles de commande exploitant les données de vision, L utilisation d algorithmes de traitement d image. Un système de vision industriel est habituellement constitué de l'assemblage des constituants listés ci-dessous: Un objectif (optique), Une ou plusieurs caméras numériques ou analogiques (noir et blanc ou couleur) adapté aux conditions de prise d'image, à savoir distance et taille de l'objet à prendre en image, Un équipement d éclairage continu ou stroboscopique, Une centrale de traitement des données, Un ensemble mécanique permettant de mouvoir les objets, les caméras ou d autres organes. 133

134 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs L organigramme proposé sur la figure ci-dessous (Figure III.1) présente les différentes actions (blocs fonctionnels) permettant le traitement de l image et des données issues du système de vision [1]. Figure III.1 : Organigramme du traitement de l image Dans ce chapitre, après avoir expliqué le fonctionnement du système de vision, nous présenterons les résultats des mesures d écart entre les lyres. Puis nous mettrons en correspondance ces valeurs avec celles de la force de contact mesurée grâce au capteur de force de contact présenté au chapitre précédent. I. Éléments et caractéristiques d un système de vision 1. Cahier des charges Nous devons donc développer un système de vision adapté aux connecteurs et permettant d inspecter les fonds de panier. Outre les qualités reconnues des systèmes de vision que sont leur vitesse d obturation, leur autonomie et leur réactivité, les contraintes de ce système sont les suivantes : Notre système sera transportable pour faciliter les mesures sur site, composé d une caméra miniature pouvant accéder à l intérieur d un rack, une fois la carte retirée. Sachant que l emplacement occupé par une carte correspond à une largeur de 2,54 cm, l inspection du connecteur fond de panier doit se faire sans déconnecter les cartes 134

135 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs voisines. En tenant compte aussi de l épaisseur du PCB et des composants, la caméra devra avoir un diamètre adaptée aux caractéristiques dimensionnelles du rack. Le système devra permettre de faire des mesures dimensionnelles sur les contacts HE9 avec une précision maximale de l ordre 1/10 mm nécessaire pour observer une variation sur la force de contact de 0,1 N par paire de contact. La taille des plus petits défauts détectables par le système de vision comportant un élément CCD pouvant être calculée grâce à la formule (1). Caméra C= Plus petite taille détectable en pixels A= taille du CCD (Y) Objectif Corps étranger Ba= Champ angulaire Figure III.2 : Détermination du plus petit élément détectable Le calcul suivant détermine le plus petit défaut détectable par le système de vision : A = pixels du CCD suivant l axe Y de la caméra, B a = champ angulaire suivant Y (en mm) : 23 mm C = plus petite taille détectable en pixel sur le CCD (pixel) : 4,4 µm Plus petit objetdétectable B C A a (1) Le tableau suivant indique le plus petit objet détectable en fonction du champ angulaire. Ce tableau prend pour hypothèse que la taille minimum détectable en pixel du système de vision est la valeur idéale de 2 pixels (A = pixels). 135

136 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Tableau III.1 : Taille du plus petit objet détectable Champ angulaire (mm) Taille du plus petit objet détectable (mm) ,02 0,05 0,08 0,17 0,33 0,83 Ce paramètre sera crucial dans le choix final du système de vision. Le système devra avoir un logiciel de traitement des données offrant plusieurs outils d analyse (mesures dimensionnelles, reconnaissance de forme, détection de défauts, ). De nombreux systèmes commerciaux existant permettent de faire des mesures dimensionnelles dans des connecteurs avec pour chacun d eux leurs avantages et leurs inconvénients. Dans ce qui suit, nous décrivons certains systèmes de vision : 2. Quelques systèmes proposés Nous ne considérons que les systèmes de mesure par vision généralement utilisés pour les applications industrielles. a. Système de vision In-Sight Micro de Cognex Il comporte plusieurs outils d inspection et de mesure dimensionnelle. Sa caméra (Figure III.3.b) propose des résolutions jusqu à 1600 x 1200 dpi. Il n a pas été retenu à cause des dimensions de caméra proposée. a) b) Figure III.3 : Système vision In-Sight Micro 136

137 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs b. Système de traitement d image PV500 Imagechecker de Panasonic Le système (Figure III.4) muni de sa caméra CameraLinkT à 2Mpix et de résolution 1600 x 1200 dpi (30 mm de diamètre) offre une haute richesse dans les détails, qui donne un avantage significatif par exemple pour la mesure ou des applications d'inspection de surface. Même un très faible écart entre deux produits peut être de façon fiable détectée ou la mesure dans la gamme de quelques microns peut être réalisée. Cependant il nécessite un système d éclairage dissocié du contrôleur. Ce qui fait qu il n était pas adapté. Figure III.4 : Imagechecker PV500 c. Système visionpowerbox de Leuze electronic C est un système adaptable avec plusieurs types de caméras avec des résolutions allant jusqu à 1600 x 1200 dpi. Il propose une technologie FireWire pour le transfert de données. Ce système ne présente pas une très grande variété d outils d analyse ne propose pas de caméra avec les dimensions exigée (>2,54 mm). Figure III.5 : VisionPOWERBOX 137

138 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs d. Système vicosys 2400 de Vision & control Ce système (Figure III.6.a) possède un nombre d outil d analyse non suffisant pour nous. Combiné à la plus petite des caméras compatible pictor Intelligent Cameras M48E Measure (Figure III.6.b), avec une résolution de 1600 x 1200 dpi, il nécessite un contrôle d éclairage externe au système. a) b) Figure III.6 : Vicosys 2400 e. Système SIMATIC VS120 Les champs d'application habituels de ce système sont par exemple : Détection de la position pour les applications Pick & Place Contrôle de présence et de position dans la production, Contrôle de position sur ligne d'aménage. Le kit complet se compose d'une caméra autour de laquelle on trouve un système d éclairage, et une unité de contrôle (Figure III.7). Le faible nombre d outil d inspection proposé et la taille de la caméra n en font pas un outil adapté. Figure III.7 : SIMATIC VS

139 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs f. Système IntroSpicio 120 de Medigus Ce modèle est présenté comme la caméra vidéo la plus petite au monde (Figure III.8). Son nombre de pixel effectif (49280), le nombre limité de fonction de traitement et sa résolution (220 x 224) n en font pas, malgré sa petite dimension (1,2 mm de diamètre), le modèle adapté pour l inspection des connecteurs. Figure III.8 : IntroSpicio 120 g. Système Mirion technologies Le système intègre un capteur CCD 1/4 ". Il comporte aussi un éclairage annulaire intégré à DEL blanches et un objectif de 3,6 mm (f2.0) (Figure III.9). Pour certaines inspections, comme la détection de contours, un éclairage blanc n est pas adapté [1]. Cela peut être un facteur limitant pour l inspection des connecteurs. Figure III.9 : Caméra Dotcam 139

140 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs h. Système CV 5000 de Keyence Le contrôleur CV 5701P Le contrôleur CV 5701P (Figure III.10) est à l origine dédié à la mesure sans contact de déplacements et de déformations. Il intègre un système de contrôle de l éclairage Dans notre cas, il servira précisément à traiter des images des différents connecteurs inspectés. Le Tableau III.1 en Annexe donne les caractéristiques de ce contrôleur. Figure III.10 : Contrôleur CV-5701P Le capteur CCD La caméra CV S200C à 2Mpix a une résolution maximale de 1600x 1200 (Figure III.11) et un diamètre de 1,7 cm. Ce qui en fait le meilleur modèle en termes de performance/dimension. Avec ses dimensions, elle a un diamètre adapté pour pouvoir s infiltrer dans des espaces confinés comme le sont les fonds de panier. Les spécifications de cette caméra sont données dans un tableau en Annexe D. Figure III.11 : Caméra CV-S200C Deux objectifs sont disponibles pour la caméra CV-S200 (Figure III.11): le modèle CA- LHS8 de 8mm de focale et le modèle CA-LHS16 de focale 16mm (Figure III.12). 140

141 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Figure III.12 : Objectifs CA-LHS8 et CA-LHS16 Tableau III.2 : Récapitulatif des différents systèmes de mesure mentionnés Systèmes Résolution maximale Diamètre de la plus petite caméra adaptée Portabilité In-Sight Micro de Cognex PV500 Imagechecker de Panasonic 1600 x mm 1628 x mm Leuze electronic 1393 x mm Vision & control 1600 x mm Siemens PSIMATIC S x mm Medigus 220 x 224 1,2 mm Mirion technologies CV-5101P Keyence de 350 x mm 1600 x mm Dans le cadre de notre travail, concernant la mise en œuvre du prototype, le choix de la caméra s est porté sur un matériel simple mais suffisant. Pour cela, le choix a concerné l utilisation d un contrôleur de modèle CV-5701P fournit par Keyence [1], de la caméra CV-S200C, utilisant la technologie CDD (Charged Coupled Device; dispositif à transfert de 141

142 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs charge), et d objectifs adaptés fournis également par Keyence. Les critères privilégiés ce sont portés les dimensions de la caméra et de son objectif, sur le contrôleur, sur la gestion intégrée du système d éclairage, sur la résolution maximale des images issue de la caméra, sur la variété des outils d analyse et sur la rapidité du traitement des données. 3. Pouvoir de séparation et de résolution optique du système de vision Le rôle de la plupart des instruments d'optique (microscope, objectif d'appareil photo, télescope ) est de former des images. Du point de vue de l'optique géométrique, un instrument «parfait», c'est-à-dire exempt d'aberrations, fait correspondre à un point objet un point image [2]. La résolution traduit la capacité qu a un instrument à distinguer deux objets ponctuels. Il peut s agir de deux points lumineux ou de deux points sombres sur fond lumineux [3, 4]. Figure III.13 : Pouvoir de résolution Prenons le cas simple de la formation d'une image par une lentille mince de diamètre d. On note l la distance objet-lentille et l' la distance lentille-image. A' et B' sont séparés si 2 q AB ' ' 1,22 o [4] (2) ' d q Comme AB = A'B'q / q', et si q q, la condition précédente devient: AB 1,22 o q (3) d La distance minimale entre A et B, A B min permet de les distinguer. Elle est encore appelée le minimum séparable et correspond à : A B q [4] (4) d ' 'min 1,22 o 142

143 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs À partir de la formule (4), la résolution optique de la caméra CV-S200C a été calculée, sachant que la caméra, un diamètre d=17 mm et est placée à une distance de travail de q=17 mm. Elle est de 0,56 µm (λ o =460 nm, valeur de la longueur d onde dans le bleu). Cette valeur est obtenue pour un réglage parfait de l optique et de l éclairage. Dans notre configuration, les facteurs limitant que sont l élément CCD (qui permet de convertir l image réelle en image numérique), l éclairage et l optique ont contribué à avoir une résolution numérique de l image de 63,25 µm, valeur calculée à partir de la formule (1), avec l hypothèse que la taille minimum détectable en pixel du CCD est la valeur idéale de 2 pixels. Une autre façon de déterminer la résolution a été de calculer le pouvoir séparateur du système optique (caméra CCD + objectif). C est l'inverse de la limite de résolution linéaire : par exemple, si cette dernière est de 0,1 mm, c est que le pouvoir séparateur est de 10 traits par mm comme on peut le voir sur la Figure III.14. Les mesures ont été effectuées en utilisant une mire normalisée. Elle est constituée d'un ensemble de traits parallèles séparés par des intervalles de même largeur (20 µm, 100 µm et 500 µm). Elles ont aussi montré que la résolution du système se situait entre 20 et 100µm. En effet sur la Figure III.15, les traits sont distingués pour les traits de largeurs de 100 µm et 500 µm, ce qui n est pas le cas pour 20µm. Figure III.14 : Détermination du pouvoir de séparation du système optique 143

144 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Figure III.15 : Observation des traits sur la mire normalisée. 4. Éclairage Pour choisir notre système d éclairage, il a été pris en compte différents paramètres parmi lesquels : Le type de contrôle à effectuer Mesures dimensionnelles, mesures d aspect, contrôle d intégrité Le matériau sur lequel porte l analyse Changement des propriétés optiques, réflexion, absorption, La forme de l objet à inspecter La surface est plate, incurvée ou irrégulière L environnement d immersion du système Éclairages parasites, poussière, projections... Le lieu et la fréquence d utilisation Laboratoire, site de production Différentes études ont été réalisées car l éclairage est une étape importante de mesure dimensionnelle. Il a deux buts essentiels : ressortir toutes les caractéristiques importantes de l objet (paramètres de forme de l objet) et simplifier le traitement d images ultérieur (si les détails se distinguent par une intensité lumineuse contrastée par rapport au fond, les fonctions de traitement d image seront plus simples). Les techniques d'éclairage sont nombreuses de manière à répondre aux besoins de l'industrie, qui sont très variés. Les choix des sources lumineuses et de leur positionnement ont évidemment un impact marqué sur la qualité des images obtenues. Les défauts présents dans 144

145 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs une image d objets mal éclairés ne peuvent généralement pas être totalement éliminés par des algorithmes de traitement ou de restauration d images. Il est donc très important de consacrer beaucoup d attention aux conditions d éclairage. Le contraste (l écart relatif d intensité) entre deux zones uniformes correspondant à des empilements différents, doit dépendre d une manière significative de la longueur d onde d éclairage. Si l on utilise une lumière bleue, qui possède une courte longueur d onde (460 nm) et par conséquent une vitesse de diffusion élevée, la réflexion diffuse sur une tache est plus importante. Ce qui permet de détecter les taches (impuretés, débris, ) plus facilement [4]. Pour la détection de contours, le système d éclairage doit être extrêmement directif. Placées légèrement en biais ou sur les côtés du connecteur, les sources lumineuses révèlent bien les contours des lyres. Il s agit de méthodes d illumination réflective (Figure III.16). Cependant, un tel positionnement génère inévitablement des zones d ombre plus ou moins importantes selon l inclinaison des sources lumineuses et la distance de l objet par rapport au fond. Le but est de bien distinguer le fond du connecteur, à la façon des photographies en contrejour (Figure III.16). Dans ce cas, l objet lui-même est évidemment faiblement éclairé. Figure III.16 : Deux modes d'illumination réflectives Pour le choix du système d éclairage des critères technologiques ont été pris en compte, ainsi : La puissance, Le spectre, L encombrement, La méthode de pilotage, Modes de fonctionnement (continu, flash ), nous ont permis de nous orienter vers un éclairage à LED (Light Emitting Diode) ou DEL (diodes électroluminescentes). Leurs conditions d utilisation et leur puissance (3 W) conviennent en termes de robustesse, de spectre lumineux et de temps de réponse. Les LED conventionnelles de faible émission ont été remplacées par des diodes électroluminescentes à rendement élevé et forte luminance. L intensité lumineuse est réglable 145

146 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs directement sur le contrôleur des intensités discrétisées en 255 niveaux (le niveau 256 correspondant à une intensité maximale de 0,5 A par LED). Les 9 diodes, grâce à leurs faibles dimensions (3 mm de diamètre), ont été disposées de part et d autre de l objectif des caméras et orientées de telle sorte qu elles créent un halo de lumière au niveau du point de mesure (Figure III.17), et ce grâce à un support d éclairage adapté, composé de plusieurs LED bleues, monté sur la caméra. Les diodes y sont inclinées suivant un angle permettant d éliminer les réflexions directes qui provoquent habituellement un éclat. La caméra à CCD capture la cible via les réflexions diffuses et détecte ainsi la surface et les contours. Ci-dessous, le support d éclairage fixé sur l objectif de la caméra (plus de détails sont donnés en Annexe E). Les LED sont orientées de manière à éclairer la courbure des lyres ou seront effectuées principalement les mesures. Figure III.17 : Orientation des LED pour un éclairage de la zone de contact du connecteur Nous avons adopté une méthode de câblage mixte (série/parallèle) comme schématisé sur la Figure III.18 qui permet de travailler à des tensions et courants raisonnables (tension d alimentation du circuit 12 V). 12 V Figure III.18 : Méthode de câblage des LED 146

147 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 5. Traitement d images Le traitement d image dans notre cas consiste à effectuer diverses opérations arithmétiques sur une image numérique issue d un capteur CCD afin d extraire les caractéristiques de la cible telles que surface, longueur, quantité et position. Le traitement renvoie enfin un résultat de différenciation basé sur des limites de tolérance préréglées. L optimisation du contraste d une image constitue d une manière générale un sujet d étude important. En effet, des images bien contrastées sont plus facilement interprétables pour un opérateur humain. D autre part, lorsque les images sont destinées à subir des traitements informatiques, l optimisation du contraste permet souvent de réduire la complexité des algorithmes. Ainsi, dans le domaine de l inspection visuelle automatique des connecteurs, cette optimisation s avère particulièrement bénéfique : elle permet dans de nombreux cas d améliorer la détectabilité des défauts de fabrication (mesure de la coplanarité des connecteurs). 6. Principes de la détection des contours et mesures dimensionnelles L utilisation de la détection des contours pour le contrôle dimensionnel est une évolution récente dans le domaine des applications de capteurs d images. Les outils de contours offrent une méthode simple mais stable de détection de position, de largeur et d angle d une pièce. Cette partie présente les principes de la détection des contours, les lignes directrices pour le choix des réglages optimaux et les méthodes de sélection des filtres de prétraitement permettant d obtenir une détection avec le moins de perturbations possibles. La détection des contours est une étape préliminaire à de nombreuses applications de l analyse d images. Les contours constituent en effet des indices riches, pour toute interprétation ultérieure de l image. Les contours, dans une image proviennent des : Discontinuités de réflexion (texture, ombre), Discontinuités de profondeur (bords de l objet), et sont caractérisés par des discontinuités de la fonction d intensité dans les images. Le principe de la détection de contours repose donc sur l étude des dérivées de l intensité dans l image : les extrema locaux du gradient de la fonction d intensité I(x, y) et les passages par zéro du Laplacien. La difficulté réside dans la présence de bruit dans les images [5], qu il convient de filtrer. 147

148 7. Filtrage Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Le terme filtrage d image désigne les modifications appliquées à une image capturée brute dans le but de rehausser certaines caractéristiques de l image. En d autres termes cela consiste à convoluer sa fonction d intensité I(x, y) avec une fonction h(x, y) appelée réponse impulsionnelle du filtre [6] : Dans le cas discret I '( x, y) h( u, v) I( x u, y v) dudv (5) H / 2 H / 2 I '( x, y) h( u, v) I( x u, y v) (6) uh / 2 vh / 2 où H correspond à la dimension du masque de filtrage. Deux approches existent : L approche gradient : détermination des extrema locaux dans la direction du gradient. L approche Laplacien : détermination des passages par zéro du Laplacien. Ces approches reposent sur le fait que les contours correspondent des discontinuités d ordre 0 de la fonction d intensité. Le calcul de dérivée nécessite un pré filtrage des images : Filtrage linéaire pour les bruits de moyenne nulle (par exemple bruit blanc Gaussien, filtre Gaussien), Filtrage non-linéaire pour les bruits impulsionnels (filtre médian par exemple). Les différentes approches existantes se classent ensuite suivant la manière d estimer les dérivées de la fonction d intensité : Différences finies, Filtrage optimal (filtrage sous contrainte d un signal altéré par un bruit). Il existe 3 grandes méthodes de filtrage optimal : filtrage par moindres carrés, filtrage de Wiener, filtrage de Kalman [7]. Modélisation de la fonction d intensité. Dérivation par différences finies Une image est discrète par nature. Les premières approches ont donc consisté à approximer les dérivées par différence [6] : avec en général n=1 u, v Iu, v Iu n v u I, (7) u, v Iu n, v Iu n v u I, (8) 148

149 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 8. Présentation des opérateurs de Sobel et Prewitt Les opérateurs de Sobel et de Prewitt permettent d estimer localement la norme du gradient spatial bidimensionnel d une image en niveau de gris. Ils amplifient les régions de fortes variations locales d intensité correspondant aux contours [8]. Principe de fonctionnement: Ces opérateurs consistent en une paire de masques de convolution, matrice 3x3, de type ci dessous. Une transposition permet de passer d un masque à l autre. Les masques de convolution des opérateurs de Prewitt (k=1) et de Sobel (k=2) sont donnés cidessous [8]: x k 0 k (9) k 1 y (10) 1 k 1 Ces masques sont conçus pour répondre de manière maximale aux contours horizontaux et verticaux. L application séparée de chacun des masques donne une estimation des composantes horizontales et verticales du gradient, notées respectivement et y par un simple filtrage linéaire avec un masque 3x3. Les images filtrées correspondantes G x et G y sont alors calculées par convolution : G I (11) G x y x y x I (12) 9. Inspections utilisant l outil de largeur du contour Le contrôleur CV-5701P est doté d une large gamme d outils d inspection offrant des solutions à la plupart des problèmes rencontrés lors d une inspection : expansion, rétrécissement, moyenne, médiane, renforcement des contours, extraction des contours suivant X, extraction des contours suivant Y, Sobel, Prewitt, Roberts, Laplacien, binaire, soustraction, ajustement à l éclairage, conversion de contraste, extraction d image, correction des nuances en temps réel, flou Ces outils contribuent à mener des inspections appropriées. 149

150 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs En utilisant par exemple la fonction diamètre intérieur de l outil de largeur de bords, les distances intérieures et extérieures entre deux lyres d une même tulipe peuvent être mesurées suivant X et Y. L application successive des différents algorithmes (comme l algorithme de Sobel ou de Prewitt) donne les résultats présentés sur la Figure III.19. Différents paramètres telles la sensibilité de bord, la largeur moyenne de bord ou l intensité de bord permettent d affiner la mesure sur la fenêtre traitée (Figure III.19). Figure III.19 : Paramétrage de la fenêtre de mesure : définition des bords, direction de mesure, option de comptage La modification des paramètres de la caméra (vitesse d obturation, intensité lumineuse, sensibilité CCD, ) a été étudiée afin d observer leur impact sur la mesure. Nous avons fait le test sur un échantillon de verre gradué, avec un réseau de pas 500 µm. En modifiant l intensité d éclairage, la vitesse d obturation et la sensibilité du capteur CCD, nous avons obtenu les résultats des Figures III.20, III.21 et III.22. Ces résultats montrent que l intensité d éclairage élevée n améliore pas la précision lors de la mesure. Les sources lumineuses sont à régler de telle sorte qu elles ne saturent pas le capteur CDD afin de ne pas perturber ainsi la mesure. Une vitesse d obturation élevée (1/500) dans notre cas (échantillon immobilisé) a tendance à amplifier le bruit lors de la mesure alors qu une vitesse d obturation faible (1/15) amplifie la perturbation de la mesure caractérisé par une augmentation de l écart type lors de la mesure de l écart. Une vitesse d obturation de (1/30) semble mieux adaptée pour nos mesures. 150

151 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Figure III.20 : Influence de l intensité d éclairage sur la mesure d écart Figure III.21 : Influence de la vitesse d obturation sur la mesure d écart La sensibilité du CCD s exprime couramment en nombre d électrons produits par photon incident. Cette quantité s appelle rendement quantique équivalent (RQE, «quantum efficiency»). Elle atteint actuellement des valeurs de 50% pour les CCD (dans le bleu) et varie avec la longueur d onde (va de 0,45 à 1µm ce qui correspond à un réglage au niveau de la caméra de 1 à 9) [7]. Une sensibilité de 3 permet d avoir les meilleurs résultats dans notre configuration. 151

152 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Figure III.22 : Influence de la sensibilité sur la mesure d écart Ces résultats montrent que les paramètres de réglage de la caméra ont un impact sur la précision de la mesure. Pour chaque condition d essais, ils devront être judicieusement choisis. 10. Distance de travail (DT) La DT et l angle de vue sont déterminés par la distance focale et par la taille de l élément CCD. Cette distance est ajustée grâce à une bague de gros plan placé entre la caméra et l objectif (Figure III. 23). Figure III.23 : Définition de la distance de travail 152

153 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Le support sur lequel est fixée la caméra permet de régler la distance de travail. A une distance de travail de 1,5 cm par exemple, où l angle de vue ne permet que la vision de 7 tulipes du connecteur, un déplacement vertical est possible de manière à pouvoir balayer l ensemble du connecteur. Ces déplacements sont manuels. La figure III.24 (confidentiel EDF) montre une phase d inspection visuelle avec le support de la caméra inséré dans le rail de coulissement du rack. Confidentiel Support de la caméra Connecteurs en fond de panier Caméra + objectif Figure III.24 : Support de la caméra coulissant sur les rails d un rack La Figure III.25 montre les images du connecteur à différentes distances de travail. Quatre distances de travail sont représentées ci-dessous : 6,6 cm, 4,2 cm, 2,2 cm et 1,5 cm. Comme on peut le voir, plus cette distance est importante moins la mesure de l écart des bords est stable. Pour un même réglage des paramètres de la caméra, on constate une augmentation de l amplitude des fluctuations des valeurs de largeur de bord à mesure que DT augmente. Ce phénomène est aussi observé sur la Figure III.26 où l on constate une plus grande dispersion de la mesure pour une distance de travail de 4.2 cm que pour une distance de travail de 1,5 cm. L écart-type de la gaussienne formée par les histogrammes des valeurs d écart entre les lyres est plus élevé pour une DT= 4,2 cm que pour une DT= 1,5 cm. 153

154 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 6,6 cm 4,2 cm 2,2 cm 1,5 cm Figure III.25 : Vues du connecteur à différentes distances de travail DT=4,2 cm DT=1,5 cm Figure III.26 : Influence de la distance de travail sur la précision de la mesure. Les histogrammes représentent les écarts moyens sur une même tulipe pour des distances de travail différentes (à gauche le système de vison est à une distance de 4,2 cm, à droite elle est de 1,5 cm). 154

155 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Par rapport à nos conditions de mesure, on peut en conclure que bien que le champ angulaire soit réduit, une faible distance de travail semble mieux adaptée pour des mesures dimensionnelles sur le connecteur étudié. II. Mesure dimensionnelle et traitement des données statistiques à l écran Protocole de mesure Le système est avant tout un système optique qui a besoin d être calibré à échelle micrométrique afin de pouvoir faire des mesures correctes. En traçant une fenêtre sur la zone à inspecter, un outil de mesure d écart permet de mesurer la distance entre les bords détectés à l aide de la fenêtre. Les fonctions de courbe de tendance/d histogramme permettent de faire des statistiques/analyses, de contrôler la valeur maximale, la valeur minimale et la valeur moyenne de points de données (au maximum). Elle permet de vérifier et de rendre compte facilement de la tendance des mesures. Les données sont regroupées par numéro d inspection et affichées sur un histogramme et sur une courbe de tendance (Figures III.27 et III.28), ce qui permet d analyser facilement les tulipes et d optimiser les réglages de la tolérance. L ensemble des images produites est enregistré soit sur une carte mémoire SD ou sur un PC via une sortie USB ou un port RS-232C de manière à pouvoir retraiter ces images sur le simulateur CV-H5N (c est un logiciel fournit par Keyence qui permet de contrôler directement le système via un PC). Figure III.27 : Étude statistique lors d une mesure d écart entre les lyres 155

156 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Figure III.28 : Courbe de valeur d écart entre les lyres Afin de simplifier le traitement des données et de permettre son utilisation par tout opérateur, un écran personnalisé a été configuré de manière à pouvoir afficher les paramètres mesurés (valeur moyenne de l écart entre chaque tulipe sur 500 images) et les conditions d essais (paramètre mesuré, distance de travail), comme on peut le voir sur la figure ci-dessous (Figure III. 29). Figure III.29 : Fenêtre personnalisée pour la mesure d écart entre les lyres d un connecteur HE9 à une distance de travail de 1,5cm 156

157 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs III. Résultats : Mesure de l écart entre les lyres du connecteur 1. Étude de la précision et de la répétabilité des mesures effectuées par l appareil Il est nécessaire d évaluer la précision et la répétabilité du système de vision. Sur la Figure III. 30, nous présentons les résultats obtenus en testant le système après démontage des éléments (caméra, objectif, éclairage). La caméra et son objectif ont été repositionnés manuellement. Une série de 500 images a été prise sur chaque tulipe et la valeur moyenne de la différence de gap et son écart-type de chaque tulipe, pour trois essais consécutifs, ont été représentés sur cette figure. Les différences d écart-type observées sur les tulipes 6 et 7 (Figure III.30) lors du troisième test et celles observées pour les trois tests sur la tulipe 2 sont dues à une perturbation du filtre de Sobel lors de la mesure de la largeur de bord. C est la conséquence soit d une modification de l incidence de l éclairage sur la tulipe mesurée (tulipes 6 et 7), soit une inadaptation du filtre de pré-traitement (tulipe 2). Figure III.30 : Trois mesures consécutives d écart entre les lyres 2. Mesure de l écartement entre les lyres de différents connecteurs L étude porte sur 4 connecteurs HE9 usagés en fond de panier sur un rack d essai. Les mesures ont été effectuées avec un même paramétrage du système. Ces résultats montrent une différence de gap des lyres en moyenne de 0,6 mm dans la plupart des cas (Figure III.31 a, b, c et d). Les valeurs de différence de gap représentent les mesures à vide des déflections des deux lyres. Or la déflection à vide d une lyre est liée à la déflection de précontrainte et par conséquent à la force de précontrainte. Ce qui implique que la valeur de la différence d écartement va nous renseigner sur la valeur de la déflection de précontrainte. 157

158 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Ces variations sont plus importantes sur la Figure III.31.b (20% d écart entre la valeur maximale et la valeur minimale) que sur la Figure III.31.a (10%), Figure III.31.c et Figure III.31.d (13%). En tenant en compte de la précision du système caméra CCD + optique qui a une résolution de 63 µm (représentée par la barre grisée sur les histogrammes), seules les tulipes 2, 4 et 8 sur la Figure III.31.b a des différences de gap inférieure à 0,6 mm. Pour un connecteur, avoir des différences d écartement variable, signifie que les déflections de précontrainte des différentes des paires de lyres du connecteur le sont aussi. Les différences de gap observées sur les connecteurs usagés peuvent être attribuées à un comportement différent des tulipes. Du fait des contraintes mécaniques causées sur l embase, la valeur de la déflection de précontrainte peut se retrouver modifiée. Ainsi les mesures à vide de la différence de gap peuvent être dues à une différence de déflection de précontrainte. a) b) b) c) d) Figure III.31 : Mesure de l écart entre les lyres des connecteurs HE9 1.a ; HE9 2.b ; HE9 3.c ; HE9 4.d 158

159 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs 3. Comparaison entre la force de contact et la différence de gap du connecteur Des mesures ont été effectuées sur trois connecteurs HE9 neufs. Les mesures de différences de gap ont été effectuées en premier. Les connecteurs sont placés à une distance de travail de 15 mm. Une fois les mesures effectuées, des mesures de force de contact ont été ensuite faites grâce au capteur de force piézorésistif. Les résultats obtenus ont été tracés sur les Figures III.32 a, b, c. Les variations observées pour la différence de gap sont moins importantes que celles de la force de contact. Le calcul du produit de la force de contact et de l écart entre les lyres (Fc x différence de gap) donne une valeur moyenne de 1,7 avec un écart type de 5% pour les connecteurs neufs étudiés. Ceci s explique par le fait qu un écart important entre les lyres fait entrainer une faible force de contact et vice-versa. Ces valeurs peuvent changer lors du vieillissement du connecteur. a) b) c) Figure III.32 : Mise en correspondance des valeurs de mesure de gap et de force de contact de différents connecteurs HE9 159

160 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs La variation de la force de contact en fonction de l écart entre les lyres des histogrammes des figures III.32. a, b et c a été tracé ci-dessous (Figure III.33). Globalement, la tendance de la force est à la baisse lorsque l écart augmente entre les lyres. 5 FORCE DE CONTACT (N) a b c ECART ENTRE LES LYRES (mm) Figure III.33 : Variation de la force de contact avec l écart entre les lyres dans 3 connecteurs Pour un même écart entre les lyres, par exemple les tulipes 2 et 3 de la Figure III.32.b, on observe des différences de force de contact importantes. La force de contact varie de 2,3 N à 3,3 N pour une même déflection de 0,63 mm. Plusieurs hypothèses peuvent être à l origine de ces résultats. Celles qui ont retenue le plus notre attention sont les suivantes : Les tulipes peuvent avoir les mêmes largeurs intérieures et avoir des forces de contact différentes comme schématisé sur la Figure III.33, ci-dessous. Or, comme nous l avons démontré dans le IV.1.b du chapitre I, une différence de longueur de liaison implique une différence de force de contact importante pour une même déflection sur les deux tulipes (Figure III.34). Cette déflection est imposée par la carte insérée. En appliquant la formule 28 IV.1.b du chapitre I aux lyres 1 et 2, avec L e =11,5 mm, L e =11 mm, on trouve un rapport de force F=1,14 x F, où F est la force sur la lyre 1 et F la force sur la lyre

161 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs L e L e 1 2 Figure III.34 : Illustration de deux tulipes à largeur identiques mais à différentes longueurs de liaison (L e >L e ) Mauvais dimensionnement de l embase du connecteur. La butée qui sert à retenir les lyres et qui est à l origine de la précontrainte sur la lyre peut ajouter des frottements supplémentaires qui contribueraient à augmenter la force de contact lors de l insertion de la carte. 4. Inspection des connecteurs Lors de nos études, le système de vision a montré qu une force importante sur un contact n était pas synonyme de fiabilité de celui-ci. Les mesures sur un connecteur présentant des dépôts de corps étrangers en surface ont montré que F c était plus importante sur la tulipe 5 (3,47 N), où la présence de ce corps étranger est plus importante, que sur les autres tulipes. On observe sur l image de la Figure III.35 une présence importante d un corps étranger, qui pourrait être assimilé à de la corrosion, à la surface des lyres. Cette présence importante corps étranger sur les lyres n a pas permis de déterminer la différence de gap (Figure III.36). 161

162 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Présence de dépôts de corps étrangers à la surface des lyres Figure III.35 : Connecteur avec une présence d oxydes à la surface des lyres Figure III.36 : Impact de la présence d oxyde sur la mesure de gap entre les lyres 162

163 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Les mesures de force de contact ont été faites et mises en correspondance avec celle de différence de gap (Tableau III.3). Bien que le système de vision n ait pas mesuré l écart sur la tulipe 5, les mesures de force effectuées ont montré une force de contact beaucoup plus importante sur cette même tulipe. Cette valeur élevée est probablement due à la présence importante d oxyde sur cette tulipe. La corrosion des contacts peut aussi avoir un impact sur les propriétés mécaniques des lyres tel qu un écrouissage par durcissement. Tableau III.3 : Correspondance des valeurs d écart entre les lyres et la force de contact Numéro de tulipe Différence de gap (mm) 0,59 0,51 0,62 0,50-0,56 0,59 Force de contact (N) 2,63 3,01 2,32 2,81 3,47 2,61 2,51 Le calcul du produit Fc x (différence de gap) donne une valeur moyenne 1,5 avec un écarttype de 12%. La valeur Fc x (différence de gap) est moins importante que pour les connecteurs neufs, cependant de l écart type est beaucoup plus importante. L évolution de la valeur moyenne de Fc x (différence de gap) et son écart-type peut être considéré comme un indicateur du vieillissement des connecteurs. Conclusion La diminution de l écart entre les lyres entraîne une augmentation de la force de contact et donc par conséquent de la force d insertion. Si cette diminution est bénéfique pour la force de contact elle ne l est pas pour la seconde. En effet, une augmentation de la force d insertion implique une résistance supplémentaire à l insertion, ce qui aura pour effet de dégrader plus rapidement le connecteur. Les mesures effectuées ont montré un écart de bord entre les lyres autour de 0,6 mm. Pour plusieurs connecteurs, cette valeur est inférieure à 0,6 mm et la force de contact est supérieure à 2 N. Ces différentes mesures ont été effectuées en laboratoire et pour que l outil de diagnostic soit robuste et prêt à être utilisé sur des systèmes en fonctionnement, certaines améliorations sont nécessaires. En effet, la vision industrielle comme prévue dans les générations existantes est un outil destiné au contrôle de qualité qui ne nécessite pas une précision comme celle envisagée pour la connectique. Les recherches et l avancement de la thèse ont été basés sur des méthodes ou algorithmes de traitement d image basique. D autres problèmes ont été rencontrés avec une ébauche de solution qui reste à implémenter: 163

164 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Luminosité : c est l un des problèmes les plus importants pour la mise en œuvre des dispositifs de vision industrielle. Le champ de vision sera perturbé par le changement de la luminosité ambiante. La variation de la luminosité, même à un facteur faible, sera délicate sur la prestation des réponses de notre système, Caméra de meilleure résolution, Automatisation du support de la caméra : le déplacement manuel de la caméra peut légèrement modifier la distance de travail ; ce qui nécessite souvent un réétalonnage du système. 164

165 Chapitre III : Caractérisation dimensionnelle : mise au point outil d inspection visuelle des connecteurs Références bibliographiques du chapitre III [1] Keyence, [2] D. C. Giancoli, Physique générale: Ondes, optique et physique modern, De Boeck, 1993 [3] P. Pellat-Finet, Optique de Fourier : Théorie métaxiale et fractionnaire, Springer, 2009 [4] B. Balland, Optique géométrique: imagerie et instruments, Presses polytechniques et universitaires normandes, 2007 [5] F. Moisan, Optimisation du contraste image en microscopie optique : application à l inspection microélectronique, Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier, Grenoble, 1984 [6] F. Devernay, Détection de contour, [7] F. Rotella, Filtre optimal, Ecole Nationale d Ingénieurs de Tarbes [8] P. Arnaudet, Principe de fonctionnement des CCD,

166 Conclusion générale et perspectives 166

167 Conclusion générale et perspectives $ Conclusion générale et perspectives 167

168 Conclusion générale et perspectives 168

169 Conclusion générale et perspectives Les travaux présentés dans cette thèse ont permis d apporter quelques éléments de compréhension et d interprétation des mécanismes liés aux défauts de contact, qui apparaissent dans les connecteurs encartables dorés bas niveau et de mettre en place des prototypes d outils de diagnostics. Nous avons caractérisé différents paramètres de la connectique encartable bas niveau que sont la force d insertion, la force de contact, la déflection des lyres et la résistance de contact. Pour des contacts avec des revêtements d or, il a été démontré qu il y avait une augmentation de la force d insertion, notamment le pic d insertion, avec le nombre d insertion et avec la vitesse d insertion. Le phénomène mécanique contribuant à cette augmentation de la force d insertion s avère être l usure par frottement. Ces frottements qui peuvent avoir lieu lors des manœuvres d insertion-extractions représentent, dans le cas des connecteurs encartables, l une des principales contraintes mécaniques pouvant entrainer la dégradation du connecteur. Aucune valeur limite du pic d insertion n a cependant été déterminée. Grâce à des analyses EDX, nous avons montré qu il y a une présence majoritaire de nickel sur la zone de contact au niveau de la lyre après plusieurs cycles de frottements. La résistance de contact après ces cycles de frottement reste faible et stable. Cette stabilité de la résistance de contact est due au fait qu il reste suffisamment de parties dorées sur la lyre pour toujours avoir un contact de type Au-Au. Un contact doré ne nécessitant pas une force de contact élevée pour maintenir la résistance de contact faible et stable. Pour le connecteur HE9, la résistance de contact nominale varie de 7 à 9 mω. Or les mesures effectuées ont montré que pour obtenir une résistance supérieure à 20 mω, la force de contact doit être inférieure 0,1 N. Les seuls phénomènes de relaxation, fatigue, défauts de dimensionnement ne pourraient pas suffire (pour un nombre de manœuvre égal à 500) à abaisser la force jusqu à cette valeur. Des contributions majeures à l augmentation de la résistance de contact seraient la corrosion atmosphérique, la pollution organique notamment par la création de couche d oxydes ou autres films isolants sur la surface de contact. Les résultats de cette étude ont aussi montré l influence de la longueur d encastrement sur la valeur de la force de contact finale. Une variation infime de cette longueur de lyre impacte fortement sur la force (d un facteur 3). Différentes causes peuvent être à l origine de la variation de la longueur de liaison d une lyre : tolérance sur le dimensionnement de l embase du connecteur, tolérance sur la longueur de la lyre ou le changement du point de liaison dû aux manœuvres d insertion-extraction. Il a été vérifié que pour garantir une durée de vie longue, la tolérance sur le design/matériau du connecteur doit être privilégiée, tout en tenant compte des spécifications du cahier des charges. Ceci permettrait non seulement de garantir les caractéristiques optimales du connecteur mais aussi d assurer un certain nombre de manœuvres en le protégeant notamment des dégradations extrinsèques comme la contamination dans l'embase. Les connecteurs sont 169

170 Conclusion générale et perspectives conçus pour supporter un certain niveau de contraintes électriques et mécaniques, mais ceci n est pas toujours respecté. Ces connecteurs ne sont pas totalement protégés des contraintes liées à leurs environnements. Pour surveiller l état des connecteurs, des outils de diagnostic ont été développés : un capteur innovant de mesure directe de la force de contact, et un système d inspection visuelle des connecteurs. La méthode proposée pour mesurer directement la force de contact à travers le prototype de capteur piézorésistif réalisé, nous a permis de prouver que le concept était viable. Des modifications ont d ores et déjà dû être apportées à ce premier prototype (ajout d une épaisseur supplémentaire de substrat pour homogénéiser la réponse du capteur) du fait d un process de fabrication mal contrôlé de ces capteurs. Les premiers résultats obtenus ont montré une variation de force de contact sur les différentes tulipes du connecteur. Cette variation, observée aussi bien sur des connecteurs neufs qu usagés, a été attribuée à la tolérance sur le dimensionnement du connecteur, qui peut être très importante comme l ont montré plusieurs études, suite à des différences de longueurs de liaison des lyres dans l embase du connecteur ou aux propriétés mécaniques des lyres. Des améliorations restent à faire afin de pouvoir utiliser ce capteur sur site. L inspection visuelle, grâce à un système composé d une caméra miniature et d une console transportable de traitement des données, a permis de faire des mesures d écart entre les lyres des connecteurs. Ces résultats ont montré des écarts différents entres les tulipes aussi bien sur un même connecteur que dans différents connecteurs. La comparaison faite entre les mesures avec le capteur de force et les mesures de gap (pour observer s il y a un effet de causalité entre ces deux paramètres) a montré que le produit de la force de contact d une lyre par la différence de gap restait quasiment contact pour toutes les lyres. Ce qui implique qu un écart entre les lyres important est compensé par une force de contact faible et vice versa. Il est à noter toutefois que pour un même écart à vide entre les tulipes la force de contact n était pas forcément la même. Ce résultat a été attribué à différents phénomènes : Différence de longueur de liaison des tulipes, Différence de précontrainte sur les différentes lyres, Différence des propriétés mécaniques des lyres. En guise de perspective, le capteur pourrait être amélioré en contrôlant mieux le process de fabrication, de manière à homogénéiser la réponse du capteur sur l ensemble de la piste sans avoir à rajouter une épaisseur supplémentaire du substrat. Une fois ce prototype adapté, on pourrait développer une carte de diagnostic hybride composée sur une face du capteur piézorésistif et sur une autre face d un capteur de mesure de 170

171 Conclusion générale et perspectives résistance de contact par la méthode des 4 fils (figure ci-dessous). Un début d étude a été mené au sein du LME sur cette méthode de mesure de la résistance de contact par la méthode des 4 fils sur un contact de la forme d une piste de circuit imprimé (contact mâle). Ce capteur hybride devra apporter des réponses à l une des problématiques majeures des «connecticiens» à savoir la mesure en simultanée de la force de contact et de la résistance de contact pour la famille de connecteurs encartables ou enfichables. Lyre a) Piste dorée I b) 15 mm I 3 µm 0,3 mm I 1,5 mm I Partie enterrée Dans le PCB Figure C : Schémas du système lyre-contact et principe de mesure de la résistance de contact Il serait notamment intéressant de remplacer le support de la caméra par un support motorisé rendant automatique la translation verticale de la caméra pour un meilleur balayage lors de l inspection du connecteur. 171