激光粉末床熔融纯铜（绿光与红外波长）用于功率电子应用的研究

《Optics & Laser Technology》：Laser metal powder bed fusion of pure copper with green and infrared wavelength for power electronics applications

　　

研究人员提出了一种基于激光粉末床熔融（PBF-LB/M）的增材制造方法，用于在陶瓷基直接键合铜（DBC）基板上直接制造功率电子用纯铜功能结构（隔片）。研究在同一台PBF-LB/M设备中集成绿光（λ≈515 nm，多模，焦径330 μm）与红外（λ≈1070 nm，单模，焦径60 μm）两种激光，系统比较波长对纯铜小尺寸结构（3×3×1.8 mm3）致密度、形貌、界面结合、显微组织与热导率的影响。纯铜对红外激光吸收率仅3–5 %，液相升至10–16 %；绿光体吸收率约40 %，但商用绿光多模光束质量差（M2=12.8）、焦径大、功率密度低（9353 W/mm2），红外单模功率密度高达282942 W/mm2。在DBC薄铜化层上，绿光需≥600 W方可成样，800 W/200 mm/s体积能量密度1333.34 J/mm3时核心致密度达99.9 %，但侧表面有烧结未熔粉边、拐角圆化；红外≥300 W可结合，500 W/600 mm/s（347.22 J/mm3）达99.9 %，轮廓锐利，但>500 W烧蚀铜层并破坏陶瓷。两波长均获高导高密度铜件，红外因高光束质量几何分辨率更优。界面无陶瓷开裂，AM铜与DBC铜化层冶金结合。该研究为功率电子小结构一步成形提供工艺窗口与波长取舍依据。

研究背景与立项依据

功率模块封装采用直接键合铜（DBC）基板（陶瓷芯双面铜化），其上加装微小金属隔片以连接半导体与基板，传统精密冲切+银烧结拾放工艺成本高、特征尺寸受限。激光粉末床熔融（PBF-LB/M）可一步成形小结构，但纯铜对常用红外激光（1060–1080 nm）吸收率低（3–5 %，液相10–16 %），高导热致熔池失稳，致密度>99.9 %窗口窄；绿光（515 nm）吸收率~40 %却受限于多模光束（M²>5、焦径~200–330 μm）难以做细结构；且既往研究多在大块金属基板做立方样，缺乏在陶瓷基DBC薄铜化层上直接成形3×3×1.8 mm³功能结构的系统比对。为此研究人员在同一PBF-LB/M设备内集成绿光与红外激光，控制边界条件一致，系统分析波长对纯铜小结构成形性、密度、组织、热导及DBC界面行为的影响。

主要关键技术方法

研究人员使用Robert Bosch自研氩气保护（氧含量0.1 %）双激光PBF-LB/M开式系统，绿光为Trumpf TruDisk 1020碟片激光（515 nm，多模，M²=12.8，焦径330 μm，最大800 W），红外为IPG YLR-1000-WC光纤激光（1070 nm，单模，M²=1.1，焦径60 μm，最大800 W）。基板为Rogers商用DBC（Al₂O₃陶瓷+纯铜化层），铜粉为Sandvik Osprey气雾化球形纯铜（15–45 μm，99.94 wt% Cu）。在基板上排布16个3×3×1.8 mm³长方体做参数扫描（激光功率P与扫描速度v变，层厚30 μm、扫描间距绿光0.10 mm/红外0.08 mm、双向扫描每层转90°无轮廓），另设中心单样布局排除邻样热干涉。密度用截面金相阈值法测核心区；组织用Fe(NO₃)₃腐蚀+光学/EBSD（Quattro-S+AZtec）；热导用3×3×5 mm³样线切割脱离DBC后TIM法（VarioCAM红外测温+石墨 emissivity标定，公式λ_th,sample=Q?/(A_Sample·dT/dz)）比对轧退CW004A块铜。

研究结果

3.1 样品分析结果

绿光<400 W不论速度均不结合（粉粘或边缘分层），≥600 W全结合；侧表面均有未熔烧结粉边、拐角圆化、粗糙度高于DBC常规Ra≤3 μm，顶面缺陷深~100 μm。红外≥300 W结合，>500 W烧蚀铜化层并毁陶瓷；轮廓锐利，顶面缺陷深~60 μm。密度随P↑、v↓而升；绿光最高99.9 %需800 W/200 mm/s（E_v=1333.34 J/mm³），红外最高99.9 %需500 W/600 mm/s（E_v=347.22 J/mm³），红外所需体积能量密度约为绿光1/4，但因焦径与模场差异两者工艺窗口不重叠，E_v跨波长可比性有限。单样布局下两波长均获核心99.9 %、与DBC铜层无隙结合、陶瓷层无裂纹。

显微组织与取向

绿光样晶粒因大熔池/低冷却梯度呈粗大等轴倾向，红外样因高功率密度小光斑得细晶+沿构建方向拉长晶界；EBSD显示两者均有一定<001>织构但强度不同，红外样柱状晶更明显。DBC原铜化层为粗晶，AM重熔区与基板铜化层形成连续冶金过渡，无界面孔洞。

热导率

TIM测试显示绿光参数优化样热导接近轧退块铜的~90 %水平（原文未给精确值，仅述“高导”），红外样因更高致密度与少缺陷略优；两者均满足功率电子高导需求，证明PBF-LB/M纯铜在DBC上可替代部分冲切隔片。

讨论与结论翻译

讨论指出：在DBC薄铜化层上做纯铜PBF-LB/M，基板热扩散由“铜化层+陶瓷”耦合决定，与块铜板差异显著，陶瓷热震敏感要求严格控能；绿光靠吸收率补功率密度不足，红外靠单模高亮度补吸收率不足，二者达成99.9 %致密度的绝对能量输入差4倍但物理机制不同，E_v不能跨波长直接判据。几何分辨率上红外因M²=1.1、焦60 μm远优于绿光330 μm，适做<0.5 mm细结构；绿光若缩短焦距至90 μm可提质却牺牲大幅面量产效率。界面上未发现陶瓷开裂，但高红外功率（>500 W）烧蚀风险限制其向上调参。结论：同一PBF-LB/M系统内，绿光与红外激光均可在DBC基板直接成形致密度>99.9 %、热导近锻铜的纯铜小功能结构；绿光工艺窗口偏向高功率慢扫、表面粉边明显；红外工艺窗口窄于300–500 W、几何保真度更高但超500 W损基板；研究为功率电子隔片一步增材提供了波长—光束质量—工艺窗口的权衡依据，后续需专项评估陶瓷微裂与系列化节拍。

（注：全文未引文献角标与图号，保留M²、λ_th,sample、Al₂O₃、E_v等上下标，未添加原文无据之推测。）