Laser Powder Bed Fusion von Kupfer auf Aluminiumoxid-Keramiken

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21649_Stoll_Diss_MB_420.pdf (8.91 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 420

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-02-10
Issue Year
2023
Authors
Stoll, Thomas
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Hausotte, Tino
Merklein, Marion
Müller, Sebastian
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-632-9
Abstract

Due to the increasing electrification of various industrial sectors, such as mobility and energy supply, the demand for power electronic current transformers is also growing. Conventional circuit carriers in the field of power electronics, e.g. DCB and AMB substrates, in addition to the limited possibility of flexible production, also have limitations with regard to the vertical integration of active and passive components as well as thermal management. Using Additive Manufacturing, the method of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) enables the fabrication of 3D metallizations on ceramic substrate materials, thus providing new possibilities for the application of power electronic circuit carriers. The dissertation presented, significantly addresses both areas, the LPBF of copper and the fabrication of a composite material consisting of copper and aluminum oxide in the same process. By means of a 500 W Yb:YAG laser, studies with respect to the processing of copper powder is carried out, and the main factors influencing its melting and process behavior are identified. Parameter combinations can be determined which enable the processing of copper without altering its conventional characteristics. Furthermore, by adapting laser parameters to selected layers, aluminum oxide ceramics can be bonded to copper with the emergence of a reaction zone.

Abstract

Durch die zunehmende Elektrifizierung verschiedener industrieller Sektoren wie beispielsweise der Mobilität und Energieversorgung steigt unter anderem auch der Bedarf an leistungselektronischen Stromwandlern. Konventionelle Schaltungsträger im Bereich der Leistungselektronik wie DCB- und AMB-Substrate weisen neben der bedingten Möglichkeit einer flexiblen Herstellung auch Einschränkungen hinsichtlich der vertikalen Integrationsmöglichkeit aktiver und passiver Bauelemente sowie des Wärmemanagements auf. Anhand der Additiven Fertigung können mit dem Verfahren des Laser Powder Bed Fusions (LPBF) 3D-Metallisierungen auf keramischen Substratmaterialien gefertigt und somit weitere Anwendungsmöglichkeiten leistungselektronischer Schaltungsträger erschlossen werden. Vorliegende Dissertation adressiert maßgeblich die beiden Themengebiete des LPBF von Kupfer und der Herstellung eines Verbundmaterials von Kupfer und Aluminiumoxid im selben Verfahren. Unter Verwendung eines 500 W Yb:YAG-Lasers werden Untersuchungen zur Verarbeitung von Kupferpulver durchgeführt und die Haupteinflussfaktoren auf das Schmelz- sowie Prozessverhalten identifiziert. Dadurch können Parameterkombinationen ermittelt werden, welche die Verarbeitung von Kupfer zu konventionellen Eigenschaften ermöglichen. Darüber hinaus können durch Anpassung der Laserparameter an ausgewählte Schichtbereiche Aluminiumoxid-Keramiken stoffschlüssig, durch das Entstehen einer Reaktionszone, mit darauf geschmolzenem Kupfer verbunden werden.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
420
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-631-2
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