In-situ thermal monitoring of laser powder bed fusion of electric components

The rapid growth of electromobility is driving demand for advanced power electronics with increasingly exigent performance requirements. Additive manufacturing (AM), and in particular Laser Powder Bed Fusion (LPBF), offers a novel opportunity to propose a new design of high-performance cooling structures by manufacturing the cooling structure directly onto a ceramic core (Al₂O₃) sandwiched between two copper layers. This enhances the cooling performance, reduces chip size and minimizes assembly efforts needed to manufacture it, reducing significantly its production cost. However, this also introduces several new challenges such as substrate warpage, ceramic cracking (caused by significant temperature gradients involved in the LPBF process, along with a significant thermal expansion coefficients difference between the two materials), poor adhesion at the interfaces of the part and substrate, positioning errors and porosity within the built copper structures. Addressing these issues requires precise process understanding and control, for which in-situ monitoring has become essential. This thesis investigates in-situ thermal video data from LPBF of pure copper on multi-material substrates, with the aim of characterizing process behaviour and identifying defect causes during production. The methodology transforms thermal video data into one-dimensional thermal profiles aligned with laser scanning directions, and introduces approaches like automated laser track identification, as well as spatter detection and tracking, enabling precise quantification of thermal accumulation patterns and spatter formation dynamics throughout the build process. The results reveal two distinct thermal regimes: an initial track instability marked by elevated heat accumulation and spatter formation, followed by a steady-state behaviour driven by process parameters. On this results, Volumetric Energy Density (VED) is found insufficient for predicting process stability. Instead, hatch distance (Hd) emerges as the dominant factor influencing both thermal accumulation and spatter generation.

La rapida crescita dell’ electric mobility sta incrementando la domanda di componenti elettronici con requisiti prestazionali sempre più esigenti. La produzione additiva, e in particolare la fusione laser a letto di polvere, offre una nuova opportunità per proporre un nuovo design di strutture di raffreddamento ad alte prestazioni, fabbricando la struttura di raffreddamento direttamente su un nucleo ceramico inserito tra due strati di rame. Ciò migliora le prestazioni di raffreddamento, riduce le dimensioni dei chip e riduce significativamente i costi di produzione. Tuttavia, ciò introduce anche diverse nuove sfide, quali la deformazione del substrato, la rottura della ceramica (causata dai significativi gradienti di temperatura coinvolti nel processo LPBF, insieme a una importante differenza dei coefficienti di espansione termica tra i due materiali), scarsa adesione alle interfacce, errori di posizionamento e porosità all'interno delle strutture in rame costruite. Affrontare questi problemi richiede una comprensione e un controllo precisi del processo, per cui il monitoraggio in-situ è diventato essenziale. Questa tesi analizza i dati video termici ottenuti dalla LPBF di rame puro su substrati multimateriale, con l'obiettivo di caratterizzare il comportamento del processo e identificare le cause dei difetti durante la produzione. La metodologia trasforma i dati video termici in profili termici unidimensionali allineati con le direzioni di scansione laser e introduce approcci quali l'identificazione automatica della traccia laser, nonché il rilevamento e il tracciamento degli spruzzi, consentendo una quantificazione precisa dei modelli di accumulo termico e delle dinamiche di formazione degli spruzzi durante tutto il processo di costruzione. I risultati rivelano due regimi termici distinti: una prima instabilità della traccia caratterizzata da un elevato accumulo di calore e dalla formazione di spruzzi, seguita da un comportamento stazionario determinato dai parametri di processo. Sulla base di questi risultati, la densità energetica volumetrica (VED) risulta insufficiente per prevedere la stabilità del processo. Al contrario, la distanza di tratteggio (Hd) emerge come il fattore dominante che influenza sia l'accumulo termico che la generazione di spruzzi.