Laser combiné à l eau pour un usinage sans dommage. Delphine Perrottet Synova SA, Ecublens, Suisse

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1 Laser combiné à l eau pour un usinage sans dommage Delphine Perrottet Synova SA, Ecublens, Suisse

2 Principe du laser guidé par jet d eau Laser Avantages: Lentille de focalisation Le jet d eau agit comme une fibre de longueur variable pour guider le faisceau laser Fenêtre Volume d eau Buse Pièce à usiner Eau Laser couplé dans le jet d eau Le jet d eau expulse la matière fondue Le jet d eau refroidit la pièce pendant l ablation du laser Laser MicroJet 2

3 Guidage du laser dans un jet d eau D D Buse Example: 25µm D S Contraction: D S =~0.8*D D 27µm Longueur de travail 1000* D D Longueur du jet stable D D =30mm L énergie du laser est guidée jusqu au fond de la découpe. Découpe dans n importe quelle direction et position. Découpe à travers un fin film d eau. Laser MicroJet 3

4 Paramètres Lasers pulsés Nd:YAG Puissance moyenne: W Longueur des impulsions: µs Fréquence de répétition des impulsions: khz Longueurs d onde: 1064 nm (infrarouge), 532 nm (vert) et 355 nm (UV) Liquide Eau de-ionisée et filtrée Pression: bars Débit: 5 75 ml / min Buses en saphire ou en diamant Diamètre des buses: µm Laser MicroJet 4

5 Avantage - Guidage Laser Laser Focusing lens Focusing lens Laser conventionnel Water chamber Faisceau divergent Focal point Working range (depth of field) Conventional laser beam (divergent) Laser MicroJet Window Faisceau parallèle Nozzle Water jet guided laser (cylindrical) Working range Distance de travail plus grande Qualité d usinage constante (pas de point focal) Haute précision Laser MicroJet 5

6 Avantage - Refroidissement Refroidissement entre les impulsions Pas d échauffement Pas de changement de structure Pas de micro-fissures Pas d oxydation Meilleure qualité que le laser conventionnel Pas de voilage Laser conventionnel Laser MicroJet Laser MicroJet 6

7 Avantage Expulsion de matière Air: 15 bar Diameter de la buse 1000 µm Eau: 330 bar Diameter de la buse 50 µm Laser Assist gas flow Water jet guided laser Direction of jet movement Direction of jet movement Work piece Work piece Molten material Molten material Force du jet d eau Expulsion efficace de la matière fondue Pas de redépositions ou de débris Produits de la découpe emporté dans l eau Faible force sur la pièce (<0.1N) Laser MicroJet 7

8 Découpe de «wafers» semi-conducteurs Dicing = découpe de wafer en puces Matériaux: Si, GaAs, InP, GaN, low-k, SiC LaserTape spécialement développée pour la découpe par Laser MicroJet GaAs (ép. 100 µm) Low-k (ép. 100 µm) Silicium Kerf: 23 µm Vitesse: 40 mm/s Kerf: 49 µm Vitesse: 50 mm/s Kerf: 18 µm (expérimental) Laser MicroJet 8

9 Edge grinding Augmentation de la résistance d un wafer fin par enlèvement du bord du wafer qui contient des micro fissures dues à l opération de «back grinding» (réduction de l épaisseur du wafer pour obtenir un wafer fin). Thin wafer LMJ edge grinding Ce «edge grinding» peut également être effectué avant le «back grinding». Dans ce cas, la découpe n est pas traversante et le bord se détache lorsque l épaisseur correspondante est atteinte. Rainure le long du bord du wafer 500 µm Silicium, épaisseur 750 µm Laser MicroJet 9

10 Découpe de masques («stencils») Les masques métalliques sont utilisés pour appliquer de la pâte à souder sur les circuits imprimés (PCB). Les écrans plats (OLED) utilisent aussi des masques. Les photos ci-dessous montrent différentes formes de découpe possibles dans de l acier inoxydable: ratio 1.5:1 ratio 0.8:1 Diamètre des trous: 100 µm Epaisseur: 50 µm Vitesse: / heure Rectangles 100 x 300 µm Epaisseur: 50 µm Vitesse: / heure Trous 225 µm Rectangles 120 x 150 µm Epaisseur: 150 µm Laser MicroJet 10

11 Découpe de «stents» médicaux Les stents médicaux sont des tubes métalliques grillagés qui permettent une circulation sanguine normale dans les vaissaux sanguins bouchés. Détail d un stent en Nitinol (alliage à mémoire de forme) directement après découpe par Laser MicroJet; épaisseur: 200 µm. Laser MicroJet 11

12 Découpe de matériaux durs Pièces pour outils utilisés pour fraiser, percer et couper. Matériaux: nitrure de bore (CBN), diamant synthétique (PCD); substract: carbure de tungstène (WC) Pièce en PCD coupé par Laser MicroJet. Pour une épaisseur totale (PCD + WC) de 1.6 mm, la vitesse de découpe est de 12.8 mm/min. Laser MicroJet 12

13 Découpe de cellules solaires Découpe et isolation de cellules solaires en silicium (PV). Possibilité de découper des formes variées. Vitesse max. pour une entaille de 30 µm dans du silicium: 300 mm/s. Ces entailles près du bord de la cellule permettent d isoler les 2 côtés et d éliminer les shunts parasites. Laser MicroJet 13

14 Découpe de pièces pour HDD Découpe de matériaux céramiques utilisées comme substrats pour les têtes de disques durs. Découpe parallèle et étroite; pas de bavures. 80 µm Des chanfreins on été réalisés sur cette pièce. AlTiC Laser MicroJet 14

15 Découpe de fentes pour les imprimantes Découpe de fentes dans la barrière en silicium utilisée dans les têtes d imprimantes à jet d encre. Le bord intérieur de la fente est vertical dès le départ. Longueur de la fente: 12 mm Vitesse totale: 9 mm/s (moins de 3 secondes / fente) Laser MicroJet 15

16 Laser guidé par jet d eau Merci pour votre attention! Laser MicroJet 16