Applications de la technique laser aux matériaux polymères utilisés dans le domaine de l’intégration de puissance.

Applications of laser technology on polymeric materials used in the field of power integration

• Auteur / Autrice : Maxime Ricbourg
• Direction : Jean-Pierre Habas, Pascal Pignolet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Polymères
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Pau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Rhéologie

Polymères

Traitements de surface

Soudage laser

Résumé

L’objectif de ce travail est d’étudier des applications de la technique laser aux matériaux polymères utilisés dans le packaging rigide des modules de puissance ferroviaire. La première partie de l’étude consiste à traiter la surface de divers polymères techniques par irradiation laser Nd:YAG pulsé. L’interaction laser/matière induit la création d’un micro-plasma. Différentes techniques de caractérisation (IRTF, angle de contact) mettent en évidence que le traitement sous air permet de nettoyer la surface du polymère par élimination d’un additif. Il s’en suit une réduction de l’affinité du polymère avec le fluide caloporteur utilisé pour refroidir les modules de puissance. Le même traitement sous d’autres atmosphères (argon ou oxygène) conduit au résultat inverse. Sous argon, le processus est thermoablatif tandis que l’oxygène permet une fonctionnalisation chimique de la surface. La seconde partie est consacrée à la mise au point d’une solution de soudage laser par transmission afin d’assembler les différents éléments en PEI du module de puissance. Nous avons alors réalisé un assemblage en PEI opaque et de couleur sombre. L’élément inférieur est rendu absorbant au laser par l’ajout de noir de carbone. L’élément supérieur, transparent au laser mais opaque au visible, est obtenu grâce à deux solutions. La première nécessite l’ajout d’un colorant organique. La seconde, plus adaptée aux hautes températures est basée sur l’utilisation d’un pigment minéral. Enfin, le procédé est modélisé pour obtenir l’évolution spatiale et temporelle de la température dans l’assemblage lors du soudage.

This work aims to investigate the possible applications of laser technology on polymeric materials used in the rigid packaging of railway power modules. The first part of this study was devoted to the treatment of technical polymer surfaces by Nd:YAG laser irradiation. The laser-polymer interaction leads to the creation of a micro-plasma. Results get by FTIR spectroscopy and contact angle show that, under air atmosphere, this plasma can be applied for removing the additive from surfaces. Then, we have an affinity reduction between the polymer and the cooling liquid used in power modules. The opposite behaviour was observed with the same treatment under other atmospheres (argon or oxygen). Under argon atmosphere, the treatment leads to a thermo-ablation of the surface whereas under oxygen atmosphere, it leads to the grafting of new chemical functions on the surface. The second part was dedicated to the development of an innovative laser methodology based on transmission-welding to assemble power modules made with various PEI elements. Then, we have prepared a PEI assembling fully dark and opaque. The lower element is made with carbon black in order to absorb the laser wavelength. The higher element, transparent for the laser wavelength but absorbent in the visible light, is obtained with two solutions. The first one is based on the addition of organic dye. The second one, more suitable to high temperature requires mineral pigment. The last part was dedicated to the simulation of the spatial and temporal evolution of the temperature in the whole assembly during the laser welding.