Récents progrès expérimentaux et théoriques en micro-perçage des polymères par faisceaux laser ultraviolets

Recent experimental and theoretical advances in microdrilling of polymers with ultraviolet laser beams

Laboratoire de Physico-Chimie Moléculaire, LPCM UMR 5803, Université de Bordeaux 1, 351 cours de la Libération, 33405 Talence, France

Reçu : 21 Octobre 2004
Accepté : 25 Janvier 2005

Résumé

L'utilisation du perçage laser s'avère une alternative incontournable lorsque le diamètre de perçage est aux environs de 10 à 50 m, domaine où les moyens conventionnels deviennent difficiles à mettre en œuvre et coûteux. De plus il se présente comme une technique de choix pour un certain nombre de matériaux : les composites, les mous et les ultradurs, qui ne sont pas travaillés facilement au niveau microscopique avec les outils de coupe mécaniques. Nous avons apporté la preuve que des conditions d'expérience bien choisies sont capables de produire des micro-trous avec des rapports de forme records (jusqu'à 600) dans des polymères purs comme les PET, PI, PC, PS, PMMA, PEEK,... Par exemple des trous de diamètre typiquement dans les 30 m peuvent être aussi longs que 18 mm, profondeur à laquelle la vitesse tombe presque à zéro, et le profil devient stationnaire. D'autres matériaux (métaux, céramiques), qui peuvent être de la même façon micropercés par laser, n'offrent pas les mêmes rapports de forme aussi élevés. Les mécanismes du processus de perçage ont été étudiés en détail et un modèle analytique original a été construit récemment. Les divers résultats expérimentaux, obtenus avec le laser KrF, sont revus en insistant sur les paramètres conduisant à la formation de "bons" trous avec les rapports de forme élevés. Pour les applications il est aussi important de noter que de tels rapports de forme élevés sont obtenus avec la configuration ordinaire du laser KrF ayant une divergence de 3 mrad en standard. Cependant, comme le modèle le montre, il y a encore de l'espace pour une amélioration du rapport de forme en utilisant un faisceau avec une divergence plus faible (la limite théorique est 0,2 mrad). De nouveaux travaux de recherche se poursuivent actuellement.

Abstract

Laser drilling becomes of increasing importance when hole diameter is in the range of 10 to 50 m, for which conventional alternative approaches are becoming difficult and cost inefficient. Furthermore, it is viewed as the technique of choice for a number of composite materials and hard materials which are not readily processed at the microscopic level by contact mechanical tools. We have demonstrated that suitable experimental conditions are capable of producing microholes with record aspect-ratio (up to 600) in pure polymers like PET, PI, PC, PS, PMMA, PEEK,... For example holes of diameter typically 30 m can be as long as 18 mm, depth at which the drilling rate is getting nearly zero and the profile stationary. Other materials (metals, ceramics) which can be similarly laser microdrilled do not exhibit such very high aspect-ratio. The mechanisms of the drilling process have been studied in details and an original analytical model has been constructed recently. The various experimental results, obtained with the KrF laser, will be reviewed with emphasis on the parameters leading to formation of good holes with high aspect-ratio. For the application it is also important to note that such high values of aspect-ratio are obtained with regular configuration of the KrF laser giving a standard divergence of 3 mrad. However as shown by the model there is still room for improvement by using a beam with a lower divergence (theoretical limit is 0.2 mrad). Further experimental work is now in progress.