cium
L’un des avantages de la technique d’assemblage par impulsions laser ul- tracourtes repose sur le faible volume fondu et la faible zone thermiquement affectée, ce qui rend possible de souder des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents. Ainsi le soudage de n’importe quel type de verre sur du silicium est possible, sans être limité au pyrex ayant un coeffi- cient de dilatation thermique proche de celui du silicium. De plus, d’après la littérature, il est possible d’assembler différents types de matériaux avec une même gamme de paramètres lasers [111]. Le point de fonctionnement mis en évidence pour le verre étant très large et robuste, le même phénomène devrait pouvoir être adapté à l’assemblage du verre sur un semi-conducteur ou un métal.
Des travaux d’assemblage de verre borosilicate sur du silicium mono- cristallin ont été expérimentés à partir du point de fonctionnement identifié pour l’assemblage de verres. Une large gamme de paramètres permettant le soudage, dont les bornes sont présentées dans le tableau 5.1, a ainsi été identifiée.
Gamme de soudabilité
Longueur d’onde λ 515 nm / 1030 nm
Fréquence de répétition Frep 500 kHz / 2 MHz
Puissance moyenne Pmoy De 2,2 à 24,2 W
Vitesse de balayage V De 50 à 3000 mm/s
Table 5.1: Bornes des paramètres permettant le soudage de verre sur sili- cium, pour une durée d’impulsion de 300 fs
D’un point de vue esthétique, les soudures réalisées ne présentent pas d’endommagement des matériaux ni de bavures ou de fissures, et appa- raissent comme « invisibles » à l’œil nu, comme le montre la figure 5.6.
Figure 5.6: Photo d’un échantillon soudé de verre sur silicium : a) Vue macroscopique de l’échantillon soudé, la zone soudée apparaissant comme invisible, b) Agrandissement de la zone soudée permettant d’appercevoir les cordons de soudure
Les performances de ce type d’assemblage en termes de résistance méca- nique, thermique et d’étanchéité ont été caractérisées de la même façon que pour les assemblages de verres. Une très haute résistance à l’arrachement, de l’ordre de 20 MPa a été atteinte, de même qu’une très haute résistance ther- mique attestée par la tenue des échantillons à des chocs thermiques allant jusqu’à au moins 300 °C. De plus, de la même façon que pour les assemblages de verres, l’étanchéité des cordons est avérée pour des géométries fermées.
Une technique d’assemblage de verre sur silicium par impulsions laser na- nosecondes a déjà été démontrée dans la littérature, mais semble présenter des performances moins intéressantes [32]. La différence entre ces perfor- mances est expliquée par le mécanisme différent de formation de la soudure, le soudage par impulsions laser ultracourtes reposant sur une absorption lo- calisée de l’énergie dans le verre et le silicium, tandis que le soudage par impulsions laser nanosecondes repose sur une absorption uniquement par le silicium.
Une analyse des cordons par spectrométrie Raman a été réalisée dans le but d’identifier les différences de structure qui pourrait traduire cette diffé- rence de mécanisme. Le spectromètre Raman utilisé, présent à la plateforme C3-Fab du laboratoire ICube, est composé d’une source laser Nd :YAG cen- trée à 532 nm et présente une résolution inférieure à 1 cm-1. Les spectres
Raman des échantillons ont été mesurés par Frédéric Antoni, et l’analyse de ces spectres, réalisée à l’aide d’un code Matlab développé par François Stock, a porté sur les variations observées sur le pic du silicium à 520 cm-1,
en termes de position, d’intensité ou d’élargissement du pic. La signification des variations est illustrée dans la figure 5.7.
Un décalage du pic du silicium est observé dans le cas du soudage de verre sur silicium par impulsions laser nanosecondes, traduisant la présence de contraintes résiduelles. La figure 5.8 illustre la valeur des contraintes rési- duelles σ déterminées à partir du décalage du pic ωspar rapport à sa position
Figure5.7: Schéma d’un pic Raman et signification des ses caractéristiques principales
pour le silicium non irradié ωr, calculée par la formule 5.4 [124]. Au contraire,
dans le cas du soudage par impulsions laser femtosecondes, il n’y a aucun décalage du pic.
σ = −250(ωs− ωr) (5.4)
Figure 5.8: Contraintes résiduelles le long d’un cordon de soudure verre/silicium soudé par impulsions laser nanosecondes (λ = 1027 nm, f = 29 kHz, P _moy = 11, 25 W , v = 24 mm/s)
de soudure permet d’étudier le degré de cristallinité du silicium. Dans le cas du soudage par impulsions laser nanosecondes, une augmentation du ratio démontre une augmentation du degré de cristallinité, tandis que dans le cas du soudage par impulsions laser femtosecondes, la diminution de ce rapport témoigne d’une amorphisation du silicium, comme illustré dans la figure 5.9.
Figure 5.9: Courbes illustrant les variations du ratio intensité/largeur le long de la section d’un cordon de soudure verre/silicium : a) pour un sou- dage nanoseconde (λ = 1027 nm, f = 29 kHz, P _moy = 11, 25 W , v = 24 mm/s), b) pour un soudage femtoseconde (λ = 1030 nm, f = 500 kHz, P _moy = 5 W , v = 100 mm/s).
Lors de l’observation de la forme du pic du silicium dans le cas des deux types de soudage, il apparait qu’un épaulement du pic est présent pour le soudage par impulsions laser femtosecondes, et non pour celui par impul- sions laser nanosecondes, comme illustré sur la figure 5.10. Cet épaulement traduit un mélange de matières dans le cas du soudage par impulsions laser femtosecondes.
Figure 5.10: Pic du silicium pour différentes position le long de la section d’un cordon de soudure verre/silicium : a) pour un soudage nanoseconde (λ = 1027 nm, f = 29 kHz, P _moy = 11, 25 W , v = 24 mm/s), b) pour un soudage femtoseconde (λ = 1030 nm, f = 500 kHz, P _moy = 5 W , v = 100 mm/s), pour lequel un épaulement est visible.
D’après ces analyses, le soudage de verre sur silicium par laser nanose- conde s’apparenterait à un assemblage mécanique de surface du silicium sur le verre uniquement, tandis que l’assemblage de verre sur silicium par laser femtoseconde serait formé par un mélange en volume des deux matériaux en fusion. Cette analyse confirme les hypothèses exprimées dans la littérature sur les mécanismes de formation de la soudure par impulsions nanosecondes et femtosecondes, et valide les meilleures performances obtenues en femtose- condes.
Une telle comparaison n’était pas faisable dans le cas de soudure verre- verre, celle-ci ne pouvant pas être réalisée par impulsions nanosecondes. En outre la comparaison des spectres Raman de soudure verre-verre par impul- sions femtosecondes, non présentée ici, s’est avérée plus délicate et deman- derait des investigations supplémentaires.