Bosch Research（博世研究）的博士研究生Isabelle Günther正在探索一種尖端的混合增材制造方法，利用激光粉末床熔合(Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 工藝直接在陶瓷基板上構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)。
電力電子器件采用雙面覆銅陶瓷基板，傳統(tǒng)制造和處理功能結(jié)構(gòu)的方法復雜且昂貴。尤其是由于功能結(jié)構(gòu)較小，使用貼裝工藝來制造和處理這些結(jié)構(gòu)的成本高昂且過程復雜。此外，功能結(jié)構(gòu)與基板的連接需要額外的制造和連接工藝，例如燒結(jié)，這些工藝可能在功能結(jié)構(gòu)和基板之間產(chǎn)生熱阻。為了解決這些問題， Isabelle展示了通過增材制造技術(shù)（如激光粉末床熔合工藝，LPBF）在陶瓷基板上直接制造的銅制功能結(jié)構(gòu)。這種方法不需要單獨的貼裝和連接工藝，因為在制造過程中，功能結(jié)構(gòu)與基板是同時連接的。通過直接連接功能結(jié)構(gòu)與基板，熱阻被消除，從而改善了電力電子性能。此外，LPBF工藝在設(shè)計復雜幾何結(jié)構(gòu)時提供了很高的靈活性，這些結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的。在LPBF工藝中，高能量、高度聚焦的激光用于選擇性地熔化銅粉，冷卻后形成固體層，通過逐層疊加的方式在陶瓷基板上構(gòu)建整個功能結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)上，LPBF工藝是通過在大型基板上構(gòu)建大規(guī)模的結(jié)構(gòu)組件，而混合增材制造代表了一種增材制造工藝中的創(chuàng)新方法。
銅具有高反射率和低激光輻射吸收能力，因此只有少量能量可用于熔化粉末材料。此外，銅的高熱導率雖然對電力電子設(shè)備有利，但在LPBF工藝中，這一特性導致能量快速向周圍粉末和陶瓷基板中散失。這些因素可能導致工藝條件不穩(wěn)定，使得開發(fā)一種能夠制造高質(zhì)量銅制功能結(jié)構(gòu)的合適工藝具有挑戰(zhàn)性。此外，在LPBF工藝中使用功率基板時，混合結(jié)構(gòu)會形成一種多材料系統(tǒng)，包括陶瓷基板、基板金屬化層和增材制造的功能結(jié)構(gòu)。由于這些材料的特性差異很大，它們之間的復雜相互作用進一步增加了制造難度。由于局部能量應用和加工銅所需的高能量輸入，激光粉末床熔融（LPBF）工藝在熔融銅、周圍銅粉和基板之間產(chǎn)生高溫梯度。功率基板是陶瓷基材，因此對高溫梯度引入的殘余應力和裂紋非常敏感。Isabelle目前正在通過實驗分析和熱機械過程模擬的發(fā)展來探索銅的可加工性。這種綜合方法可以系統(tǒng)地理解增材制造功能結(jié)構(gòu)與陶瓷基板之間的相互作用。Isabelle正在研究影響工藝穩(wěn)定性和最終組件特性的各種因素，包括不同的激光光束源和形狀、可調(diào)工藝參數(shù)以及對銅材料的改進。
