Introducción a las Tecnologías de Soldadura Comunes en la Industria de la Gestión Térmica

Las tecnologías de soldadura en la industria de gestión térmica (por ejemplo, para disipadores de calor, intercambiadores de calor, encapsulado de dispositivos de potencia, placas frías líquidas) son procesos de fabricación críticos que garantizan el sellado del producto, la conductividad térmica y la resistencia estructural. La siguiente introducción combina aplicaciones industriales y las últimas tendencias.

Los sistemas de gestión térmica (por ejemplo, placas de refrigeración de baterías, intercambiadores de calor, disipadores de calor electrónicos) suelen implicar la unión de materiales ligeros y de alta conductividad térmica, como aleaciones de aluminio y cobre. Las tecnologías de soldadura en este campo se utilizan principalmente para:

• Requisitos de sellado: Por ejemplo, la soldadura de placas frías líquidas para paquetes de baterías debe evitar fugas. La soldadura láser o la soldadura TIG se emplean a menudo para lograr un sellado de alta precisión.
• Rendimiento térmico: Las uniones soldadas deben mantener la continuidad térmica de los materiales, evitando el aumento de la resistencia térmica debido a defectos como poros o inclusiones de escoria.
• Estructuras ligeras: Las técnicas de soldadura en estado sólido, como la soldadura por fricción-agitación, minimizan la distorsión en la zona afectada por el calor y son adecuadas para componentes de aleación de aluminio.

La soldadura fuerte es la tecnología de soldadura más utilizada y fundamental en la gestión térmica, adecuada para materiales conductores como el aluminio y el cobre.

Principio: Se utiliza un metal de aportación (material de soldadura fuerte, por ejemplo, aleación de aluminio-silicio, aleación de cobre-fósforo) con un punto de fusión inferior al del metal base. El conjunto se calienta hasta que el metal de aportación se funde, fluye por acción capilar hacia el hueco de la unión y se difunde con el metal base para formar la unión.

Tipos comunes:

• Soldadura fuerte al vacío: Realizada en un horno de vacío. No contiene oxidación ni fundente, produciendo uniones limpias y resistentes a la corrosión. Es el método preferido para la fabricación de disipadores de calor de aluminio de alta gama, placas frías e intercambiadores de calor de canal de flujo complejos.
• Soldadura fuerte en atmósfera: Realizada en una atmósfera inerte como el nitrógeno, que ofrece un coste inferior al de la soldadura fuerte al vacío.
• Soldadura fuerte a la llama / Soldadura fuerte por inducción: Adecuada para soldaduras localizadas o componentes simples.

Ventajas: Capaz de soldar estructuras complejas y áreas grandes; buen sellado; adecuado para la producción en masa.

Desventajas: Alto requisito para los huecos de ajuste de las piezas; requiere dispositivos especializados; inversión significativa para el equipo del horno de vacío.

Aplicaciones típicas: Disipadores de calor de CPU/GPU, placas frías líquidas, placas frías de baterías, intercambiadores de calor de flujo paralelo.

Una tecnología de unión en estado sólido, particularmente adecuada para aleaciones de aluminio, que experimenta un rápido crecimiento en la gestión térmica.

Principio: Una herramienta giratoria no consumible (pasador) se introduce en los bordes contiguos de las piezas. El calor de fricción ablanda el material sin fundirlo, y el material se plastifica y se une bajo la presión de forja y la acción de agitación de la herramienta.

Ventajas:

• Alta resistencia de la unión: Puede alcanzar el 70%-90% o más de la resistencia del metal base.
• Baja distorsión térmica: El proceso a baja temperatura minimiza la distorsión.
• Sin porosidad/grietas: La soldadura en estado sólido evita los defectos comunes en la soldadura por fusión.
• Respetuoso con el medio ambiente: Sin humos, luz de arco ni salpicaduras.

Desventajas: Velocidad de soldadura relativamente más lenta; las piezas requieren una sujeción rígida; desgaste de la herramienta.

Aplicaciones típicas: Placas frías líquidas de aluminio grandes, sustratos de esparcidores de calor, carcasas, unión de tubos de calor a bases, soldadura de bandejas y carcasas de baterías.

Abreviado como TIG o GTAW, es un proceso de soldadura por arco con electrodo no consumible y protección de gas.

Principio: Utiliza un electrodo de tungsteno refractario para crear un arco protegido por un gas inerte (normalmente argón), fundiendo el metal base y un hilo de aportación (si se utiliza) para formar una soldadura de alta calidad.

Ventajas: Alta resistencia de la soldadura, inversión de equipo relativamente baja, sin salpicaduras, estéticamente agradable, aplicable a una amplia gama de materiales.

Desventajas: Distorsión significativa.

Aplicaciones típicas: Disipadores de calor de aletas de placa, carcasas para módulos de refrigeración de alta potencia.

4. Soldadura láser

Una tecnología de soldadura por haz de alta densidad de energía ampliamente utilizada en componentes de gestión térmica de precisión.

Principio: Utiliza un haz láser de alta densidad de energía como fuente de calor para fundir localmente el metal base, formando una costura de soldadura. Se puede subdividir en soldadura en modo de conducción (fusión superficial) y soldadura por orificio (formación de un capilar de vapor).

Ventajas:

• Energía concentrada, HAZ pequeño: Distorsión mínima, adecuada para soldaduras de precisión.
• Sin contacto, alta automatización: Alta velocidad, fácilmente integrado en líneas de producción automatizadas.
• Materiales refractarios soldables: Como cobre, aluminio (materiales de alta reflectividad que requieren longitudes de onda/técnicas específicas).

Desventajas: Equipos caros; requisito extremadamente alto para la precisión de ajuste de la pieza; desafiante para materiales de alta reflectividad como el cobre puro.

Aplicaciones típicas: Aletas compuestas de cobre-aluminio, sellado de tubos de calor, encapsulado de sustrato refrigerado por agua IGBT (DBC/AMB), sellado de cubierta de disipador de calor de microcanal.

5. Unión por difusión al vacío

Una tecnología de unión de precisión en estado sólido que se logra en un entorno de alto vacío, utilizada para la fabricación de componentes de gestión térmica de alto rendimiento y alta fiabilidad.

Principio: Bajo alta temperatura y presión, los átomos de las superficies de contacto se interdifunden, logrando una unión monolítica. A menudo se requiere un material de capa intermedia.

Ventajas:

• Excelentes propiedades de la unión: Composición y estructura cercanas al metal base; sin fases frágiles; alta conductividad térmica y resistencia.
• Unión de materiales disimilares: Como cobre-aluminio, cobre-cerámica (por ejemplo, nitruro de aluminio).
• Distorsión extremadamente baja, alta precisión dimensional.

Desventajas: Largo tiempo de ciclo, coste extremadamente alto, estrictos requisitos de calidad de la superficie.

Aplicaciones típicas: Intercambiadores de calor compactos de grado aeroespacial, encapsulado de sustrato cerámico a metal, fabricación de cámaras de vapor (VC) de alto rendimiento.

6. Soldadura blanda (Soldadura blanda)

Utilizada principalmente para conexiones a baja temperatura, común en la refrigeración y el encapsulado electrónicos.

Principio: Utiliza soldaduras de bajo punto de fusión (por ejemplo, aleaciones a base de estaño, a base de indio), calentadas mediante soldadores, hornos de reflujo, etc., para formar una conexión.

Ventajas: Baja temperatura, amigable con los componentes sensibles al calor, proceso simple.

Desventajas: Resistencia de la unión, resistencia a la temperatura y fiabilidad a largo plazo relativamente más bajas.

Aplicaciones típicas: Unión de aletas a bases (reemplazando el adhesivo térmico), conexión de pequeños tubos de calor a bases de cobre, montaje de ciertos dispositivos de potencia.

7. Soldadura por ultrasonidos de metales

Una tecnología de soldadura en estado sólido que utiliza energía vibracional de alta frecuencia para la unión.

Principio: Las vibraciones de alta frecuencia generadas por un transductor ultrasónico, bajo presión, causan deformación plástica y fricción en las superficies de contacto, rompiendo las películas de óxido y permitiendo la unión atómica.

Ventajas: No se requiere calentamiento externo, especialmente adecuado para materiales de alta conductividad (cobre, aluminio) y unión de materiales disimilares; eficiente energéticamente, rápido.

Desventajas: Típicamente adecuado para soldar láminas delgadas, alambres y puntos; no adecuado para secciones gruesas o estructuras complejas.

Aplicaciones típicas: Conexión de tubos de calor a aletas (reemplazando los métodos de ajuste mecánico como la aleta de cremallera o la aleta plegada), soldadura de esparcidores de calor para baterías de litio, uniones de transición de cobre-aluminio.

3. Tendencias de desarrollo de las tecnologías de soldadura en la industria de gestión térmica

Procesos híbridos: Tales como tecnologías híbridas de "láser + soldadura por fricción-agitación", que combinan las ventajas de ambas.

Orientación de alta potencia: Desarrollo de tecnologías de soldadura con menor resistencia térmica y mayor fiabilidad (por ejemplo, sinterización de plata a baja temperatura) para dispositivos semiconductores de banda ancha como SiC y GaN.

Inteligencia y monitorización en línea: Integración de la detección visual y el control del proceso para mejorar la consistencia y la calidad de la soldadura.

Innovación de materiales: Desarrollo de nuevas aleaciones de soldadura fuerte y materiales de capa intermedia para mejorar la soldabilidad de materiales disimilares.

La selección de una tecnología de soldadura requiere una consideración exhaustiva de las combinaciones de materiales, la estructura del producto, los requisitos de rendimiento (conductividad térmica, resistencia, sellado), el volumen de producción y el coste. Actualmente, la soldadura fuerte, la soldadura por fricción-agitación y la soldadura láser son las tres tecnologías principales ampliamente aplicadas en la industria de gestión térmica.