绿色激光粉末床熔融纯铜及石墨烯氧化物涂层铜在电力电子应用中的创新研究

推荐：为解决电力电子中铜结构制造的高成本和复杂工艺问题，研究人员采用绿色激光粉末床熔融(PBF-LB/M)技术，直接在陶瓷基铜键合(DBC)基板上制造功能结构。研究发现，纯铜需高能量输入且工艺窗口窄，而石墨烯氧化物涂层铜可降低能量需求并拓宽工艺窗口，但会引入气孔。该研究为电力电子器件的低成本高效制造提供了新思路。

　　

电力电子器件是电动汽车等现代技术的核心组件，其中小型铜结构对热管理和电气性能至关重要。然而，传统制造方法如精密冲压成本高且几何灵活性有限。更麻烦的是，铜的高反射率和导热性使其难以通过激光加工。此外，陶瓷基铜键合(DBC)基板对热冲击敏感，进一步增加了制造难度。这些挑战促使研究人员探索创新解决方案。

在这项发表在《Journal of Materials Research and Technology》的研究中，Isabelle Günther等来自德国Robert Bosch GmbH的团队提出了一种突破性方法：使用绿色激光(波长λ≈515 nm)的粉末床熔融(PBF-LB/M)技术直接在DBC基板上制造铜结构。这种方法不仅省去了传统组装步骤，还可能开启铜结构大规模生产的新时代。

研究采用了三种关键方法：首先使用纯铜和两种石墨烯氧化物(0.1 wt%和0.3 wt%)涂层铜粉末；其次在自主研发的PBF-LB/M系统中进行加工，该系统配备330 μm大光斑直径的绿色激光；最后通过系统的参数研究(激光功率200-800 W，扫描速度200-800 mm/s)分析工艺窗口、样品密度和界面特性。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

在"光学分析和样品表面质量"部分，研究发现纯铜需要极高能量输入(P=800 W, v=200 mm/s)才能获得完全熔融，而石墨烯氧化物涂层铜在较低能量下即可加工，但会出现明显的"球化"效应，影响表面质量。

"样品密度及对基板的影响"部分显示，纯铜样品最高密度达99.9%，但工艺窗口极窄；0.1 wt%石墨烯氧化物涂层铜在中等能量输入(333.3 J/mm³)下可获得99.3%密度，且工艺窗口更宽。然而，过高能量会导致DBC陶瓷基板开裂。

"样品微观结构"分析表明，所有样品都呈现沿构建方向延伸的柱状晶结构，且与DBC铜金属化层形成外延生长。值得注意的是，石墨烯氧化物涂层铜样品中出现球形气孔，研究者认为这可能是涂层燃烧所致。

研究结论指出，虽然绿色激光PBF-LB/M技术可以成功制造高密度铜结构，但纯铜的加工窗口过窄，而石墨烯氧化物涂层虽能改善工艺性，却会引入气孔和表面质量问题。更重要的是，该研究首次揭示了在DBC基板上直接制造铜结构的可行性，为电力电子器件制造提供了新思路。

这项工作的意义在于：一方面，它系统评估了绿色激光加工铜材料的潜力与局限；另一方面，它开辟了在敏感基板上直接增材制造功能结构的新途径。虽然目前结果尚不能满足电力电子的表面质量要求，但为后续优化指明了方向，特别是对激光参数与材料改性的协同研究具有重要指导价值。