功率半导体模块不断向高功率密度和小型化发展以后，真正限制器件性能的环节并不只在芯片本身，芯片下方负责绝缘、导电和散热的陶瓷基板同样承受越来越高的热负荷。2026年9月9日，岛津制作所宣布，与大阪大学接合科学研究所及DOWA POWER DEVICE共同开发的铜—氮化铝基板制造技术已经实现实用化。新工艺采用多束蓝色二极管激光，在向氮化铝基板表面供给铜粉的同时进行激光照射，使铜直接与陶瓷基板结合，不再依赖传统含银钎料完成铜层连接。
铜—氮化铝基板通常用于功率模块内部。铜负责形成大电流导电路径并帮助热量扩散，氮化铝陶瓷则同时承担电气绝缘和热传导功能。功率器件工作时会产生大量热量，如果热量不能及时从芯片传递到散热器，结温升高会直接影响器件效率、可靠性和使用寿命。因此，在新能源汽车驱动、电源设备、工业变频器、能源转换设备以及高功率电子系统中，散热基板虽然面积不大，却是功率模块结构中的关键基础部件。
传统铜—陶瓷基板常采用活性金属钎焊等方式实现铜与陶瓷连接。工艺通常需要在较高温度下利用含银钎料形成结合层。这种方法经过长期工业应用已经较为成熟，但当铜层、陶瓷和钎料在加热和冷却过程中经历不同程度的热膨胀时，界面内部可能产生残余应力。设备长期反复启停后，基板又会经历大量冷热循环，界面结构的长期稳定性因此成为功率模块可靠性设计的重要内容。
此次新工艺最大的变化，是取消传统中间钎料层。制造过程中，铜粉连续送至氮化铝陶瓷表面，多束蓝色激光同时作用于加工区域，使铜材料熔融并直接沉积在陶瓷表面。经过轨迹控制，可以按照设计形状逐层形成铜电极和线路。岛津公布的信息显示，这一方法能够在不使用银材料的情况下获得较强的铜—陶瓷结合，同时降低残余应力。
蓝色二极管激光成为这项工艺的核心，与铜材料本身的光学特性有关。传统工业激光加工大量使用近红外波段，而纯铜对部分近红外激光的初始吸收率相对较低，能量容易被表面反射。蓝光波段更容易被铜吸收，可以提高激光能量向材料内部传递的效率，因此近年来蓝光激光开始进入铜焊接、铜增材制造以及电池电气连接等加工领域。
对于铜粉直接沉积而言，稳定吸收激光能量十分关键。粉末必须在规定区域快速熔化，同时又不能让陶瓷基板承受过度热冲击。如果能量不足，铜层可能无法形成稳定结合；能量过高，又可能带来陶瓷损伤、局部变形或者组织变化。多束激光方案提供了更灵活的热输入控制，使熔池形状和加工区域能够根据实际线路结构进行调整。
岛津与大阪大学、DOWA POWER DEVICE从2022年11月开始推进相关联合研究，其中岛津负责铜涂层设备和加工工艺开发。此次公布的多束增材制造方法不仅用于把整块铜层贴合到陶瓷表面，还可以按照数字设计直接形成规定形状的铜线路。相比先制作铜板、再通过蚀刻等方式形成线路，直接沉积使线路几何形状拥有更多设计空间。
这一特点对于高功率电子器件尤其重要。功率模块内部铜线路既承担电流传输，也参与热量扩散。线路宽度、厚度、转弯位置和铜层分布会影响电流密度和温度场。增材制造能够根据设计数据局部增加铜材料，也可以在传统平面加工较难处理的位置形成更复杂结构，为后续高密度布线和三维电路设计提供新的制造手段。
不过，直接激光成形并不意味着传统基板制造工艺会立即被全面替代。成熟的钎焊和铜覆陶瓷工艺已经拥有稳定的大批量生产体系，在成本、生产节拍和良率方面积累了大量经验。新工艺真正具有优势的场景，更可能首先出现在高热负荷、复杂铜线路、特殊形状或者对界面可靠性要求较高的产品中，之后再根据量产成本和生产效率决定应用范围。
热循环性能是岛津此次公布的重要数据。官方表示，新工艺制造的基板在保持较高散热性能的同时，热循环耐久性达到传统基板的3倍以上。热循环测试主要模拟功率器件在实际使用过程中不断经历升温和冷却的状态。材料之间的热膨胀系数不同，每一次温度变化都会在铜层、陶瓷和界面区域产生机械应力，循环次数增加后，裂纹、翘曲或剥离风险可能逐步积累。
取消银钎料还减少了银迁移相关风险。在高温、高湿或者高电压环境中，如果含银材料在电场和水分作用下发生迁移，可能形成非预期导电通道，进而影响绝缘可靠性。对于高压功率电子设备而言，铜线路之间不仅需要保持足够电流能力，还必须长期维持绝缘距离和介电性能，因此减少可能引起绝缘劣化的材料因素具有实际意义。
氮化铝本身属于高性能技术陶瓷。相比普通氧化铝陶瓷，它具有更高的导热能力，同时保持良好电绝缘性能，因此经常用于高功率电子器件散热。但氮化铝材料硬而脆，加工和连接难度较高，对表面质量和工艺控制要求明显高于普通金属板材。铜与氮化铝之间又存在不同的热膨胀行为，如何让两种材料在反复冷热变化中长期保持稳定结合，一直是功率电子封装的重要工程问题。
新工艺采用增材方式后，制造设备本身也发生变化。传统基板生产更多依赖陶瓷加工、金属覆层、高温钎焊、蚀刻和清洗等设备，而激光直接沉积需要增加高功率蓝光激光器、铜粉送料系统、精密运动平台、光学扫描、保护气体以及实时过程控制。整条制造链从传统材料接合工艺进一步向数字化激光加工延伸。
送粉系统需要保持稳定的铜粉供给量。如果同一加工轨迹上的粉末流量不断变化，最终铜层厚度和熔池状态也会变化。设备通常需要控制送粉速度、激光功率、扫描速度以及喷嘴与基板之间的位置关系，这几项参数互相影响，任何一个条件发生明显波动都可能反映到成形质量上。
运动控制精度同样直接决定线路尺寸。铜线路如果用于功率模块内部，大电流区域与绝缘区域之间的位置必须符合设计要求。设备需要使用伺服系统、编码器和高精度运动平台控制激光加工路径，复杂图形还需要数控系统按照数字模型连续执行轨迹。相比普通表面喷涂，这类设备更加接近激光加工中心与金属增材制造设备的结合。
过程监控也会成为量产能否稳定的重要条件。激光加工区域温度很高，熔池尺寸、飞溅、粉末状态和表面反射都会随着工艺变化。通过工业相机、光学传感和温度检测观察加工状态，可以帮助判断铜层形成过程是否偏离正常窗口。真正进入批量生产后，仅依靠最终成品检测往往不够，制造企业还需要利用过程数据提前发现异常。
铜层形成以后仍然需要进行尺寸、电气和界面质量检查。线路厚度、表面状态和位置需要满足设计要求，铜与陶瓷之间的结合强度也需要通过规定检测方法确认。对于功率模块使用的绝缘基板，还需要关注绝缘性能和热性能，不能仅凭外观判断产品是否合格。
激光增材工艺另一个特点是数字化程度较高。更改线路形状时，不一定需要重新制造整套传统硬质模具，只需要在设备能力允许范围内修改数字轨迹和工艺参数。这对小批量、多型号或研发阶段产品具有明显吸引力。功率半导体产品更新较快，不同功率等级、芯片布局和封装结构所需要的铜线路并不完全一致，更灵活的制造方式可以缩短部分新产品试制周期。
岛津方面还提到，新技术未来不仅面向功率半导体，也将评估在光通信设备、AI服务器以及其他高密度布线领域的应用。这些设备同样面临越来越明显的散热问题。服务器内部处理器、加速器、电源和高速通信模块功率不断提高，电子系统需要在有限空间内同时解决导电、绝缘和热管理问题，高导热陶瓷与复杂铜线路组合因此具有进一步应用空间。
在光通信设备中，激光器及光电子器件对温度变化较为敏感。器件产生的热量如果集中在局部区域，可能影响输出稳定性和寿命，因此封装结构需要建立高效率热传导路径。能够在陶瓷上直接形成复杂铜结构，为小型化光电子模块增加了一种新的封装设计选择。
从工厂设备供应链看，这类新工艺也会带来不同于传统电子基板生产的设备需求。高功率蓝色激光器需要稳定的电源和冷却系统，送粉装置需要电机及精密流量控制，运动平台使用伺服驱动与编码器，设备内部还需要PLC、温度传感器、压力检测、气体控制、工业计算机以及安全联锁装置。
激光设备对安全控制尤其严格。高功率激光不能因为设备门打开或人员进入加工区域仍然继续发射，因此防护门、安全开关、急停、光路防护以及控制器之间需要建立可靠联锁。铜粉等金属粉末的输送、储存和回收也需要按照实际材料特性配置相应的设备防护和除尘措施。
这项技术此次被宣布“实现实用化”，与实验室中成功制造一个样件存在明显区别。材料技术真正走向工业应用，需要解决设备重复性、基板批次稳定性、加工时间以及长期可靠性等问题。联合开发从2022年持续至今，说明铜—氮化铝直接激光成形已经经过多年工艺验证，而9月9日的公开信息标志着其进入进一步应用阶段。
对功率半导体产业而言，芯片材料从硅向碳化硅、氮化镓等高性能器件发展以后，封装和散热系统必须同步升级。器件能够在更高功率和更高温度下工作，并不意味着外围材料可以继续维持原有设计。陶瓷基板、铜层、界面材料、焊接以及散热器共同决定热量最终能否有效排出。
岛津、大阪大学和DOWA POWER DEVICE此次把蓝色二极管激光、多束增材制造与铜—氮化铝基板结合起来，提供了一条不同于传统钎焊结构的制造路线。它的产业意义并不只是少使用一种银材料，而是把过去主要依靠高温接合和蚀刻完成的功率电子基板制造，进一步引入数字化直接成形能力。
随着功率模块向高功率密度、小型化和更复杂线路设计发展，散热基板正在从相对标准化的承载部件变成需要与芯片结构共同设计的功能部件。蓝光激光直接铜沉积能否进一步进入大规模制造，还要经过成本、节拍和长期量产数据检验，但此次实现实用化，已经说明激光增材制造正在从大型金属零件领域继续向电子陶瓷和精密功率器件制造延伸。
