Einführung in gängige Schweißtechnologien in der Wärmemanagement-Industrie

Schweißtechnologien in der Wärmemanagement-Industrie (z. B. für Kühlkörper, Wärmetauscher, Gehäuse für Leistungshalbleiter, Flüssigkeitskühlplatten) sind entscheidende Fertigungsprozesse, die die Produktdichtigkeit, Wärmeleitfähigkeit und strukturelle Festigkeit gewährleisten. Die folgende Einführung kombiniert Industrieanwendungen und die neuesten Trends.

Wärmemanagementsysteme (z. B. Batteriekühlplatten, Wärmetauscher, elektronische Kühlkörper) beinhalten typischerweise das Verbinden von leichten Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminiumlegierungen und Kupfer. Schweißtechnologien werden in diesem Bereich hauptsächlich für Folgendes eingesetzt:

• Dichtungsanforderungen: Beispielsweise muss das Schweißen von Flüssigkeitskühlplatten für Batteriepacks Leckagen verhindern. Laser- oder WIG-Schweißen werden oft eingesetzt, um eine hochpräzise Abdichtung zu erreichen.
• Wärmeleistung: Schweißverbindungen müssen die thermische Kontinuität der Materialien aufrechterhalten und eine erhöhte Wärmeleitungswiderstand durch Defekte wie Poren oder Schlackeneinschlüsse vermeiden.
• Leichtbaukonstruktionen: Festkörperschweißtechniken wie das Rührreibschweißen minimieren die Verformung in der wärmebeeinflussten Zone und eignen sich für Komponenten aus Aluminiumlegierungen.

Das Löten ist die am weitesten verbreitete und grundlegendste Schweißtechnologie im Wärmemanagement, die sich für leitfähige Materialien wie Aluminium und Kupfer eignet.

Prinzip: Ein Lot (Lötmaterial, z. B. Aluminium-Silizium-Legierung, Kupfer-Phosphor-Legierung) mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als der des Grundwerkstoffs, wird verwendet. Die Baugruppe wird erhitzt, bis das Lot schmilzt, durch Kapillarwirkung in den Spalt der Verbindung fließt und mit dem Grundwerkstoff diffundiert, um die Verbindung zu bilden.

Gängige Typen:

• Vakuumlöten: Wird in einem Vakuumofen durchgeführt. Es ist oxidationsfrei und flussmittelfrei und erzeugt saubere, korrosionsbeständige Verbindungen. Es ist die bevorzugte Methode zur Herstellung hochwertiger Aluminiumkühlkörper, Kühlplatten und komplexer Wärmetauscher mit Strömungskanälen.
• Atmosphärenlöten: Wird in einer Inertgasatmosphäre wie Stickstoff durchgeführt und bietet geringere Kosten als das Vakuumlöten.
• Flammenlöten / Induktionslöten: Geeignet für lokales Schweißen oder einfache Komponenten.

Vorteile: Geeignet zum Schweißen komplexer Strukturen und großer Flächen; gute Abdichtung; geeignet für die Massenproduktion.

Nachteile: Hohe Anforderungen an die Passgenauigkeit der Teile; erfordert spezielle Vorrichtungen; erhebliche Investitionen für Vakuumofenanlagen.

Typische Anwendungen: CPU/GPU-Kühlkörper, Flüssigkeitskühlplatten, Batteriekühlplatten, Parallelstrom-Wärmetauscher.

Eine Festkörperfügetechnologie, die sich besonders für Aluminiumlegierungen eignet und im Wärmemanagement rasant wächst.

Prinzip: Ein nicht verbrauchbares, rotierendes Werkzeug (Stift) wird in die aneinanderstoßenden Kanten der Werkstücke eingetaucht. Reibungswärme erweicht das Material, ohne es zu schmelzen, und das Material wird plastifiziert und unter dem Schmiededruck und der Rührwirkung des Werkzeugs verbunden.

Vorteile:

• Hohe Verbindungsfestigkeit: Kann 70 % - 90 % oder mehr der Festigkeit des Grundwerkstoffs erreichen.
• Geringe thermische Verformung: Der Niedertemperaturprozess minimiert die Verformung.
• Keine Porosität/Risse: Das Festkörperschweißen vermeidet Defekte, die beim Schmelzschweißen üblich sind.
• Umweltfreundlich: Keine Dämpfe, Lichtbögen oder Spritzer.

Nachteile: Relativ langsamere Schweißgeschwindigkeit; Werkstücke erfordern starre Klemmung; Werkzeugverschleiß.

Typische Anwendungen: Große Aluminium-Flüssigkeitskühlplatten, Wärmeverteilersubstrate, Gehäuse, Verbinden von Heatpipes mit Basen, Schweißen von Batterieträgern und -gehäusen.

Abgekürzt als WIG oder GTAW, ist es ein nicht abschmelzendes Elektrodengas-Schutzschweißverfahren.

Prinzip: Es verwendet eine hitzebeständige Wolfram-Elektrode, um einen Lichtbogen zu erzeugen, der durch ein Inertgas (typischerweise Argon) abgeschirmt wird, wodurch der Grundwerkstoff und ein Zusatzdraht (falls verwendet) geschmolzen werden, um eine hochwertige Schweißnaht zu bilden.

Vorteile: Hohe Schweißnahtfestigkeit, relativ geringe Geräteinvestition, keine Spritzer, ästhetisch ansprechend, anwendbar auf eine Vielzahl von Materialien.

Nachteile: Erhebliche Verformung.

Typische Anwendungen: Platten-Lamellen-Kühlkörper, Gehäuse für Hochleistungskühlmodule.

4. Laserschweißen

Eine Schweißtechnologie mit hoher Energiedichte, die häufig in Präzisions-Wärmemanagementkomponenten eingesetzt wird.

Prinzip: Verwendet einen Laserstrahl mit hoher Energiedichte als Wärmequelle, um den Grundwerkstoff lokal zu schmelzen und eine Schweißnaht zu bilden. Es kann in Schweißungen im Leitungsmodus (flaches Schmelzen) und im Keyhole-Modus (Bildung einer Dampfkapillare) unterteilt werden.

Vorteile:

• Konzentrierte Energie, kleiner Wärmeeinflussbereich: Minimale Verformung, geeignet für Präzisionsschweißen.
• Berührungslos, hohe Automatisierung: Hohe Geschwindigkeit, einfach in automatisierte Produktionslinien integrierbar.
• Schweißbare hitzebeständige Materialien: Wie Kupfer, Aluminium (Materialien mit hohem Reflexionsvermögen, die bestimmte Wellenlängen/Techniken erfordern).

Nachteile: Teure Ausrüstung; extrem hohe Anforderungen an die Passgenauigkeit der Werkstücke; herausfordernd für Materialien mit hohem Reflexionsvermögen wie reines Kupfer.

Typische Anwendungen: Kupfer-Aluminium-Verbundlamellen, Heatpipe-Abdichtung, IGBT-wassergekühlte Substrat (DBC/AMB)-Verpackung, Mikrokanal-Kühlkörper-Deckelabdichtung.

5. Vakuumdiffusionsbonden

Eine Festkörper-Präzisionsfügetechnologie, die in einer Hochvakuumumgebung erreicht wird und zur Herstellung von Hochleistungs- und hochzuverlässigen Wärmemanagementkomponenten verwendet wird.

Prinzip: Unter hoher Temperatur und hohem Druck diffundieren Atome an den Kontaktflächen miteinander und erreichen eine monolithische Verbindung. Oft wird ein Zwischenschichtmaterial benötigt.

Vorteile:

• Hervorragende Verbindungseigenschaften: Zusammensetzung und Struktur nahe am Grundwerkstoff; keine spröden Phasen; hohe Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit.
• Fügen von unterschiedlichen Materialien: Wie Kupfer-Aluminium, Kupfer-Keramik (z. B. Aluminiumnitrid).
• Extrem geringe Verformung, hohe Maßgenauigkeit.

Nachteile: Lange Zykluszeit, extrem hohe Kosten, strenge Anforderungen an die Oberflächenqualität.

Typische Anwendungen: Kompakte Wärmetauscher in Luft- und Raumfahrtqualität, Keramiksubstrat-zu-Metall-Verpackung, Herstellung von Hochleistungs-Dampfkammern (VC).

6. Löten (Weichlöten)

Wird hauptsächlich für Verbindungen bei niedrigeren Temperaturen verwendet, üblich in der elektronischen Kühlung und Verpackung.

Prinzip: Verwendet Lote mit niedrigem Schmelzpunkt (z. B. Zinn-basierte, Indium-basierte Legierungen), die über Lötkolben, Reflow-Öfen usw. erhitzt werden, um eine Verbindung zu bilden.

Vorteile: Niedrige Temperatur, schonend für wärmeempfindliche Komponenten, einfacher Prozess.

Nachteile: Relativ geringere Verbindungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Langzeitzuverlässigkeit.

Typische Anwendungen: Verbinden von Lamellen mit Basen (Ersatz von Wärme-Klebstoff), Verbinden kleiner Heatpipes mit Kupferbasen, Montieren bestimmter Leistungshalbleiter.

7. Ultraschall-Metallschweißen

Eine Festkörperschweißtechnologie, die hochfrequente Schwingungsenergie zum Fügen verwendet.

Prinzip: Hochfrequente Schwingungen, die von einem Ultraschallwandler erzeugt werden, verursachen unter Druck plastische Verformung und Reibung an den Kontaktflächen, wodurch Oxidschichten aufgebrochen und eine atomare Bindung ermöglicht wird.

Vorteile: Keine externe Erwärmung erforderlich, besonders geeignet für Materialien mit hoher Leitfähigkeit (Kupfer, Aluminium) und das Fügen von unterschiedlichen Materialien; energieeffizient, schnell.

Nachteile: Typischerweise geeignet zum Schweißen von dünnen Blechen, Drähten und Punkten; nicht geeignet für dicke Abschnitte oder komplexe Strukturen.

Typische Anwendungen: Verbinden von Heatpipes mit Lamellen (Ersatz von mechanischen Passverfahren wie Reißverschlusslamellen oder gefalteten Lamellen), Schweißen von Wärmeverteilern für Lithiumbatterien, Kupfer-Aluminium-Übergangsverbindungen.

3. Entwicklungstrends von Schweißtechnologien in der Wärmemanagement-Industrie

Hybride Verfahren: Wie z. B. "Laser + Rührreibschweißen"-Hybridtechnologien, die die Vorteile beider kombinieren.

Hochleistungsorientierung: Entwicklung von Schweißtechnologien mit geringerem Wärmewiderstand und höherer Zuverlässigkeit (z. B. Niedrigtemperatur-Silbersintern) für Wide-Bandgap-Halbleiterbauelemente wie SiC und GaN.

Intelligenz und Online-Überwachung: Integration von Bildsensorik und Prozesssteuerung zur Verbesserung der Schweißkonsistenz und -qualität.

Materialinnovation: Entwicklung neuer Lötlegierungen und Zwischenschichtmaterialien zur Verbesserung der Schweißbarkeit von unterschiedlichen Materialien.

Die Auswahl einer Schweißtechnologie erfordert eine umfassende Berücksichtigung von Materialkombinationen, Produktstruktur, Leistungsanforderungen (Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Abdichtung), Produktionsvolumen und Kosten. Derzeit sind Löten, Rührreibschweißen und Laserschweißen die drei Mainstream-Technologien, die in der Wärmemanagement-Industrie weit verbreitet sind.