Introductie tot gangbare lastechnologieën in de thermische beheerindustrie

Lastechnologieën in de thermische beheerindustrie (bijv. voor koelplaten, warmtewisselaars, vermogensapparaatverpakkingen, vloeistofgekoelde platen) zijn kritieke productieprocessen die zorgen voor productafdichting, thermische geleidbaarheid en structurele sterkte. De volgende inleiding combineert industriële toepassingen en de laatste trends.

Thermische beheersystemen (bijv. batterijkoelplaten, warmtewisselaars, elektronische koelplaten) omvatten doorgaans het verbinden van lichtgewicht materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals aluminiumlegeringen en koper. Lastechnologieën op dit gebied worden voornamelijk gebruikt voor:

• Afdichtingseisen: Zo moet bijvoorbeeld het lassen van vloeistofgekoelde platen voor accupacks lekkage voorkomen. Laserlassen of TIG-lassen wordt vaak gebruikt om een zeer nauwkeurige afdichting te bereiken.
• Thermische prestaties: Gelaste verbindingen moeten de thermische continuïteit van de materialen behouden en verhoogde thermische weerstand door defecten zoals poriën of slakinsluitingen voorkomen.
• Lichtgewicht structuren: Vaste-stofflastechnieken, zoals wrijvingsroerlassen, minimaliseren vervorming in de warmte-beïnvloede zone en zijn geschikt voor componenten van aluminiumlegeringen.

Solderen is de meest gebruikte en fundamentele lastechnologie in thermisch beheer, geschikt voor geleidende materialen zoals aluminium en koper.

Principe: Een vulmetaal (soldeermateriaal, bijv. aluminium-siliciumlegering, koper-fosforlegering) met een lager smeltpunt dan het basismetaal wordt gebruikt. De assemblage wordt verwarmd totdat het vulmetaal smelt, door capillaire werking in de voegopening vloeit en met het basismetaal diffundeert om de verbinding te vormen.

Veelvoorkomende typen:

• Vacuümsolderen: Uitgevoerd in een vacuümoven. Het is oxidatievrij en fluxloos, waardoor schone, corrosiebestendige verbindingen ontstaan. Het is de voorkeursmethode voor de productie van hoogwaardige aluminium koelplaten, koude platen en complexe warmtewisselaars met kanaalstromen.
• Atmosfeersolderen: Uitgevoerd in een inerte atmosfeer zoals stikstof, wat lagere kosten biedt dan vacuümsolderen.
• Vlamsolderen / inductiesolderen: Geschikt voor lokaal lassen of eenvoudige componenten.

Voordelen: Geschikt voor het lassen van complexe structuren en grote oppervlakken; goede afdichting; geschikt voor massaproductie.

Nadelen: Hoge eis voor de passing van de onderdelen; vereist speciale armaturen; aanzienlijke investering voor vacuümovenapparatuur.

Typische toepassingen: CPU/GPU koelplaten, vloeistofgekoelde platen, batterijkoelplaten, warmtewisselaars met parallelle stroming.

Een vaste-stofflastechnologie, met name geschikt voor aluminiumlegeringen, die een snelle groei doormaakt in thermisch beheer.

Principe: Een niet-verbruikbaar, roterend gereedschap (pen) wordt in de aangrenzende randen van de werkstukken gestoken. Wrijvingswarmte verzacht het materiaal zonder het te smelten, en het materiaal wordt geplastificeerd en verbonden onder de smeeddruk en roeractie van het gereedschap.

Voordelen:

• Hoge verbindingssterkte: Kan 70%-90% of meer van de sterkte van het basismetaal bereiken.
• Lage thermische vervorming: Laagtemperatuurproces minimaliseert vervorming.
• Geen porositeit/scheuren: Vaste-stofflassen vermijdt defecten die vaak voorkomen bij fusielassen.
• Milieuvriendelijk: Geen dampen, booglicht of spatten.

Nadelen: Relatief lagere lassnelheid; werkstukken vereisen een stijve klemming; gereedschapsslijtage.

Typische toepassingen: Grote aluminium vloeistofgekoelde platen, warmtespreider substraten, behuizingen, het verbinden van heat pipes met bases, lassen van batterijbakken en -behuizingen.

Afgekort als TIG of GTAW, het is een niet-verbruikbaar elektrode gasafgeschermd booglastproces.

Principe: Het gebruikt een vuurvaste wolfraamelektrode om een boog te creëren die wordt afgeschermd door een inert gas (meestal argon), waardoor het basismetaal en een vuldraad (indien gebruikt) smelten om een hoogwaardige las te vormen.

Voordelen: Hoge lassterkte, relatief lage investering in apparatuur, geen spatten, esthetisch aantrekkelijk, toepasbaar op een breed scala aan materialen.

Nadelen: Aanzienlijke vervorming.

Typische toepassingen: Plaat-vin koelplaten, behuizingen voor hoogvermogen koelmodules.

4. Laserlassen

Een lastechnologie met een hoge energiedichtheid die veel wordt gebruikt in precisie thermische beheercomponenten.

Principe: Gebruikt een laserstraal met een hoge energiedichtheid als warmtebron om het basismetaal lokaal te smelten, waardoor een lasnaad ontstaat. Het kan worden onderverdeeld in lasmodus voor geleiding (ondiepe smelting) en sleutelgatlassen (vorming van een dampcapillaire).

Voordelen:

• Geconcentreerde energie, kleine HAZ: Minimale vervorming, geschikt voor precisielassen.
• Contactloos, hoge automatisering: Hoge snelheid, gemakkelijk te integreren in geautomatiseerde productielijnen.
• Lasbare vuurvaste materialen: Zoals koper, aluminium (materialen met hoge reflectie die specifieke golflengten/technieken vereisen).

Nadelen: Dure apparatuur; extreem hoge eis voor de nauwkeurigheid van de passing van het werkstuk; uitdagend voor materialen met hoge reflectie zoals puur koper.

Typische toepassingen: Koper-aluminium composietvinnen, heat pipe afdichting, IGBT watergekoelde substraat (DBC/AMB) verpakking, microkanaal koelplaat deksel afdichting.

5. Vacuümdiffusielassen

Een vaste-stoffrecisielastechnologie die wordt bereikt in een hoogvacuümomgeving, gebruikt voor de productie van hoogwaardige, zeer betrouwbare thermische beheercomponenten.

Principe: Onder hoge temperatuur en druk diffunderen atomen op de contactoppervlakken, waardoor een monolithische verbinding wordt bereikt. Vaak is een tussenlaagmateriaal vereist.

Voordelen:

• Uitstekende verbindingseigenschappen: Samenstelling en structuur dicht bij basismetaal; geen brosse fasen; hoge thermische geleidbaarheid en sterkte.
• Verbinding van verschillende materialen: Zoals koper-aluminium, koper-keramiek (bijv. aluminiumnitride).
• Extreem lage vervorming, hoge maatnauwkeurigheid.

Nadelen: Lange cyclustijd, extreem hoge kosten, strenge eisen aan de oppervlaktekwaliteit.

Typische toepassingen: Compacte warmtewisselaars van luchtvaartkwaliteit, keramische substraat-naar-metaal verpakkingen, productie van hoogwaardige dampkamers (VC).

6. Solderen (zachtsolderen)

Voornamelijk gebruikt voor verbindingen bij lagere temperaturen, gebruikelijk bij elektronische koeling en verpakking.

Principe: Gebruikt soldeersels met een laag smeltpunt (bijv. op tin gebaseerde, op indium gebaseerde legeringen), verwarmd via soldeerbouten, reflow-ovens, enz., om een verbinding te vormen.

Voordelen: Lage temperatuur, vriendelijk voor warmtegevoelige componenten, eenvoudig proces.

Nadelen: Relatief lagere verbindingssterkte, temperatuurbestendigheid en langdurige betrouwbaarheid.

Typische toepassingen: Vinnen aan bases verbinden (ter vervanging van thermische lijm), kleine heat pipes verbinden met koperen bases, bepaalde vermogensapparaten monteren.

7. Ultrasoon metaallassen

Een vaste-stofflastechnologie die hoogfrequente trillingsenergie gebruikt voor het verbinden.

Principe: Hoogfrequente trillingen die worden gegenereerd door een ultrasone transducer, veroorzaken onder druk plastische vervorming en wrijving op de contactoppervlakken, waardoor oxidefilms worden afgebroken en atomaire binding mogelijk wordt.

Voordelen: Geen externe verwarming vereist, vooral geschikt voor materialen met een hoge geleidbaarheid (koper, aluminium) en het verbinden van verschillende materialen; energiezuinig, snel.

Nadelen: Doorgaans geschikt voor het lassen van dunne platen, draden en punten; niet geschikt voor dikke secties of complexe structuren.

Typische toepassingen: Heat pipes verbinden met vinnen (ter vervanging van mechanische pasmethoden zoals ritsvin of gevouwen vin), warmtespreiders lassen voor lithiumbatterijen, koper-aluminium overgangsverbindingen.

3. Ontwikkelingstrends van lastechnologieën in de thermische beheerindustrie

Hybride processen: Zoals "laser + wrijvingsroerlassen" hybride technologieën, die de voordelen van beide combineren.

Hoogvermogenoriëntatie: Het ontwikkelen van lastechnologieën met een lagere thermische weerstand en een hogere betrouwbaarheid (bijv. zilver sinteren bij lage temperatuur) voor breedbandgap halfgeleiderapparaten zoals SiC en GaN.

Intelligentisering en online monitoring: Het integreren van visuele detectie en procesbesturing om de lasconsistentie en -kwaliteit te verbeteren.

Materiaal innovatie: Het ontwikkelen van nieuwe soldeerlegeringen en tussenlaagmaterialen om de lasbaarheid van verschillende materialen te verbeteren.

De selectie van een lastechnologie vereist een uitgebreide afweging van materiaalcombinaties, productstructuur, prestatie-eisen (thermische geleidbaarheid, sterkte, afdichting), productievolume en kosten. Momenteel zijn solderen, wrijvingsroerlassen en laserlassen de drie belangrijkste technologieën die veel worden toegepast in de thermische beheerindustrie.