Bosch Research通过3D打印技术制造陶瓷覆铜基板

Bosch Research（博世研究）的博士研究生Isabelle Günther正在探索一种尖端的混合增材制造方法。她利用激光粉末床熔合(Laser Powder Bed Fusion, LPBF) 工艺直接在陶瓷基板上构建功能结构。

电力电子器件采用双面覆铜陶瓷基板，传统制造和处理功能结构的方法复杂且昂贵。尤其是由于功能结构较小，使用贴装工艺来制造和处理这些结构的成本高昂且过程复杂。此外，功能结构与基板的连接需要额外的制造和连接工艺，例如烧结，这些工艺可能在功能结构和基板之间产生热阻。

为了解决这些问题， Isabelle展示了通过增材制造技术（如激光粉末床熔合工艺，LPBF）在陶瓷基板上直接制造的铜制功能结构。这种方法不需要单独的贴装和连接工艺，因为在制造过程中，功能结构与基板是同时连接的。通过直接连接功能结构与基板，热阻被消除，从而改善了电力电子性能。

此外，LPBF工艺在设计复杂几何结构时提供了很高的灵活性，这些结构是传统制造方法无法实现的。在LPBF工艺中，高能量、高度聚焦的激光用于选择性地熔化铜粉，冷却后形成固体层，通过逐层叠加的方式在陶瓷基板上构建整个功能结构。传统上，LPBF工艺是通过在大型基板上构建大规模的结构组件，而混合增材制造代表了一种增材制造工艺中的创新方法。

铜具有高反射率和低激光辐射吸收能力，因此只有少量能量可用于熔化粉末材料。此外，铜的高热导率虽然对电力电子设备有利，但在LPBF工艺中，这一特性导致能量快速向周围粉末和陶瓷基板中散失。这些因素可能导致工艺条件不稳定，使得开发一种能够制造高质量铜制功能结构的合适工艺具有挑战性。此外，在LPBF工艺中使用功率基板时，混合结构会形成一种多材料系统，包括陶瓷基板、基板金属化层和增材制造的功能结构。由于这些材料的特性差异很大，它们之间的复杂相互作用进一步增加了制造难度。

由于局部能量应用和加工铜所需的高能量输入，激光粉末床熔融（LPBF）工艺在熔融铜、周围铜粉和基板之间产生高温梯度。功率基板是陶瓷基材，因此对高温梯度引入的残余应力和裂纹非常敏感。

Isabelle目前正在进行实验研究，作为其论文的一部分，通过实验分析和热机械过程模拟的发展来探索铜的可加工性。这种综合方法可以系统地理解增材制造功能结构与陶瓷基板之间的相互作用。Isabelle正在研究影响工艺稳定性和最终组件特性的各种因素，包括不同的激光光束源和形状、可调工艺参数以及对铜材料的改进。