Enhancement of the electrical and tribological properties of electrical connectors using Direct Laser Interference Patterning

Abstract

Dada la pronunciada electrificación de la industria automotriz, el número de conectores eléctricos presentes en los vehículos, así como las demandas en los mismos han ido aumentando en el tiempo. A raíz de la necesidad de disminuir el peso total del automóvil, se han desarrollado sistemas multipolos, los cuales deben cumplir dos exigencias principales: una resistencia eléctrica baja y una fuerza de conexión y desconexión reducida. Además, los conectores deben contar con una resistencia contra el fretting elevada. El fretting es considerado el mecanismo de degradación principal de los conectores eléctricos con recubrimiento de estaño. Este término hace referencia a la presencia de micro-movimientos entre las superficies del conector debido a alteraciones mecánicas o tensiones generadas por desajustes de expansión térmica. Estos movimientos se encuentran acompañados por una continua corrosión de la superficie y por lo tanto un continuo aumento de la resistencia eléctrica. En general, estos requerimientos pueden alcanzarse modificando el material del recubrimiento utilizado o el tratamiento superficial del mismo. En su trabajo, Leidner y colaboradores han demostrado que a través de la estructuración por interferencia láser directa de la superficie del pin del conector la resistencia de contacto puede reducirse hasta en un 50%. Una topografía con forma sinusoidal presenta menor resistencia de contacto que la típica superficie plana ya que en los máximos de la topografía surge un aumento en la presión de contacto y por lo tanto una mayor superficie de contacto. Sin embargo, este tipo de superficie muestra un mayor coeficiente de fricción lo cual resulta en una mayor fuerza de conexión y en una menor resistencia al fretting. Durante la estructuración por interferencia láser directa, se generan gradientes de temperatura de más de 1000°C entre los máximos y mínimos de interferencia. Debido a las tensiones superficiales que surgen bajo el efecto Marangoni, el material fundido migra de los máximos de interferencia hacia los mínimos, donde los frentes de material se unen y solidifican formando los máximos de la estructura. Dependiendo de la fluencia del láser utilizado y el período de la estructura, se puede obtener porosidad en los máximos de la misma. En el presente trabajo se plantea como objetivo disminuir la fuerza de conexión de conectores eléctricos al encerrar PAO 40 en la porosidad generada mediante la estructuración por interferencia láser de la superficie del pin. Como muestras se utilizaron conectores eléctricos de la familia MCON 1.2 comercializada por TE Connectivity. Tanto el pin (macho) como la terminal (hembra) están compuestos por una base de cobre recubierta de estaño mediante inmersión en caliente. La estructuración de las muestras se llevó a cabo mediante un láser pulsado de nanosegundos Nd: YAG con una duración de pulso de 10 ns, una frecuencia de 10 Hz y una longitud de onda de 532 nm. Previamente se ha demostrado que el periodo óptimo que debe poseer la estructura para obtener porosidad en los máximos de la misma es aproximadamente de 15 μm. Asimismo, en la primera parte de este trabajo se seleccionó la fluencia del láser óptima para lograr este objetivo. Las muestras fueron caracterizadas mediante interferometría de luz blanca, y microscopía electrónica (SEM/FIB). Una vez confirmada la existencia de poros en la estructura, se estructuraron muestras aplicando a la superficie PAO 40 y se evaluó la presencia del lubricante dentro de los poros mediante espectroscopía Raman. A continuación, se midió la fuerza de conexión y desconexión de los conectores eléctricos durante 10 ciclos, utilizando la misma terminal tanto para los pines estructurados como sin estructurar. Los resultados de estos ensayos fueron respaldados con mediciones del coeficiente de fricción. Además, se estudiaron las propiedades eléctricas de los conectores para corroborar que no hubiera una pérdida en la performance eléctrica de los mismos por el lubricante encerrado en los poros de la estructura. En primer lugar, se registró la variación de la resistencia de contacto en función del camino de rozamiento y en función de la fuerza normal aplicada a la superficie. Luego, se evaluó la resistencia al fretting de los contactos y se calculó la curva de derating de los mismos. Por derating se entiende la operación de un componente eléctrico por debajo de su capacidad máxima con el fin de extender su vida útil. La curva define la corriente máxima que se puede aplicar a una cierta temperatura. Por último, se caracterizó el envejecimiento de los conectores. A continuación, se destacan los principales resultados del presente trabajo: ● Una potencia de láser entre 5,0 y 5,5 W permite obtener porosidad en los máximos de la estructura. Se forman compuestos intermetálicos, los cuales ocupan alrededor del 60% del recubrimiento de estaño. No se observó diferencia en las capas de compuestos intermetálicos entre los pines estructurados y aquellos sin estructurar utilizados como referencia. ● Tanto máximos como mínimos de la estructura presentaron picos característicos del PAO 40 en la espectroscopía Raman. ● Los pines sin estructurar presentaron una fuerza promedio de 4,5 N. Solo después del quinto ciclo, cuando el lubricante se libera de los máximos de la estructura, la fuerza de conexión adquiere un valor menor a la fuerza obtenida para los pines sin estructurar. Para reducir el número de ciclos en los que sucede esto, se propuso cepillar la superficie de los pines antes del ensayo. Al desgastar la superficie, se obtiene una reducción en la fuerza de conexión de aproximadamente 50% a partir del segundo ciclo. ● Al igual que para la fuerza de conexión, los pines estructurados presentaron un menor coeficiente de fricción que las muestras sin estructurar recién a partir del quinto ciclo. Al cepillar los pines, el coeficiente de fricción disminuye. Puede destacarse que el cepillado de la superficie reduce la rugosidad de la superficie, además de promover la liberación del lubricante en un menor número de ciclos. ● La resistencia de contacto obtenida para los pines estructurados es menor a los pines sin estructurar tanto en función del camino de rozamiento como en función de la fuerza normal aplicada. El cepillado de la superficie perjudica la resistencia de contacto, aumentándose a valores similares a los que presentan las muestras sin estructurar. ● La resistencia total de los conectores eléctricos con pines estructurados resulta similar a los conectores utilizados como referencia. Esto se debe principalmente a la interacción entre los múltiples puntos de contactos presentes en el sistema MCON 1.2 y a la presencia de lubricante en los máximos de la estructura. ● Los pines estructurados poseen una mayor resistencia frente a la corrosión por fretting. Estos resistieron aproximadamente el doble de ciclos de micro-movimientos que los pines sin estructurar principalmente debido a la presencia de lubricante y una disminución del coeficiente de fricción. ● No se observó diferencia entre las curvas de derating de los pines estructurados y sin estructurar. Ambas muestras admiten un máximo de corriente de 20.5 A y una temperatura máxima de 130°C. ● Se ensayó el envejecimiento de los conectores eléctricos en un horno a 100°C durante 1200 hs. Luego de este calentamiento, la resistencia total aumentó para ambos tipos de conectores, mientras la fuerza de conexión disminuyó en ambos casos. Los pines estructurados presentaron una mayor reducción en la fuerza. La causa principal de estos cambios es la relajación de las lengüetas de fijación de la terminal hembra del conector. Para lograr una reducción significativa de la fuerza desde la primera conexión, sin comprometer la performance eléctrica y tribológica, se propone utilizar en un trabajo futuro un láser monolítico con un haz de mayor diámetro. Esto permitiría obtener una estructura más homogénea a lo largo de toda la superficie del pin. Por lo tanto, se lograría ajustar aún más el valor de potencia elegida y así optimizar la posición y el tamaño de los poros en los máximos de la estructura.