熱管理産業における一般的な溶接技術への紹介

熱管理業界における溶接技術（ヒートシンク、熱交換器、パワーデバイスパッケージング、液体冷却プレートなど）は、製品のシール性、熱伝導性、構造強度を確保するための重要な製造プロセスです。以下の導入では、業界の応用と最新のトレンドを組み合わせています。

熱管理システム（バッテリー冷却プレート、熱交換器、電子ヒートシンクなど）では、通常、アルミニウム合金や銅などの軽量で熱伝導性の高い材料を接合します。この分野における溶接技術は、主に以下の目的で使用されます。

• シール要件: 例えば、バッテリーパック用の液体冷却プレートの溶接は、漏れを防ぐ必要があります。高精度なシールを実現するために、レーザー溶接またはTIG溶接がよく採用されます。
• 熱性能: 溶接された接合部は、材料の熱的連続性を維持し、気孔やスラグの混入などの欠陥による熱抵抗の増加を回避する必要があります。
• 軽量構造: 摩擦攪拌溶接などの固相溶接技術は、熱影響部の歪みを最小限に抑え、アルミニウム合金部品に適しています。

ろう付けは、熱管理において最も広く使用されている基本的な溶接技術であり、アルミニウムや銅などの導電性材料に適しています。

原理: 母材よりも融点の低いフィラー金属（ろう材、例えばアルミニウム-シリコン合金、銅-リン合金）を使用します。組み立て品を加熱し、フィラー金属が溶融し、毛管現象によって接合部の隙間に流れ込み、母材と拡散して結合を形成します。

一般的なタイプ:

• 真空ろう付け: 真空炉で行われます。酸化がなく、フラックスを使用しないため、クリーンで耐食性の高い接合部が得られます。ハイエンドのアルミニウムヒートシンク、コールドプレート、および複雑な流路熱交換器の製造に最適な方法です。
• 雰囲気ろう付け: 窒素などの不活性雰囲気中で行われ、真空ろう付けよりも低コストです。
• フレームろう付け/誘導ろう付け: 局所的な溶接または単純な部品に適しています。

利点: 複雑な構造や広い面積の溶接が可能; 良好なシール性; 大量生産に適しています。

欠点: 部品の適合ギャップに対する高い要件; 特殊な治具が必要; 真空炉設備への多額の投資。

代表的な用途: CPU/GPUヒートシンク、液体冷却プレート、バッテリーコールドプレート、並列流熱交換器。

固相接合技術であり、特にアルミニウム合金に適しており、熱管理分野で急速に成長しています。

原理: 非消耗性の回転工具（ピン）を、ワークピースの突き合わせエッジに差し込みます。摩擦熱により材料が溶融することなく軟化し、材料は塑性化され、工具の鍛造圧力と攪拌作用の下で接合されます。

利点:

• 高い接合強度: 母材強度の70%～90%以上に達することがあります。
• 低い熱歪み: 低温プロセスにより歪みを最小限に抑えます。
• 気孔/クラックなし: 固相溶接は、融接で一般的な欠陥を回避します。
• 環境に優しい: 煙、アーク光、スパッタがありません。

欠点: 比較的遅い溶接速度; ワークピースは剛性クランプが必要; 工具の摩耗。

代表的な用途: 大型アルミニウム液体冷却プレート、ヒートスプレッダー基板、エンクロージャー、ヒートパイプのベースへの接合、バッテリートレイとハウジングの溶接。

TIGまたはGTAWと略され、非消耗電極ガスシールドアーク溶接プロセスです。

原理: 耐火性タングステン電極を使用してアークを生成し、不活性ガス（通常はアルゴン）でシールドし、母材とフィラーワイヤ（使用する場合）を溶融して高品質の溶接を形成します。

利点: 高い溶接強度、比較的低い設備投資、スパッタなし、外観が美しい、幅広い材料に適用可能。

欠点: 大きな歪み。

代表的な用途: プレートフィンヒートシンク、高出力冷却モジュールのハウジング。

4. レーザー溶接

高エネルギー密度ビーム溶接技術であり、精密熱管理部品に広く使用されています。

原理: 高エネルギー密度レーザービームを熱源として使用し、母材を局所的に溶融させ、溶接シームを形成します。伝導モード溶接（浅い溶融）とキーホール溶接（蒸気毛管を形成）に細分できます。

利点:

• 集中エネルギー、小さなHAZ: 歪みを最小限に抑え、精密溶接に適しています。
• 非接触、高自動化: 高速、自動生産ラインへの容易な統合。
• 溶接可能な耐火材料: 銅、アルミニウム（特定の波長/技術を必要とする高反射材料など）。

欠点: 高価な設備; ワークピースの適合精度に対する非常に高い要件; 純銅などの高反射材料には困難。

代表的な用途: 銅-アルミニウム複合フィン、ヒートパイプシール、IGBT水冷基板（DBC/AMB）パッケージング、マイクロチャネルヒートシンクカバーシール。

5. 真空拡散接合

高真空環境で実現される固相精密接合技術であり、高性能で高信頼性の熱管理部品の製造に使用されます。

原理: 高温高圧下で、接触面の原子が相互に拡散し、モノリシックな結合を実現します。中間層材料が必要になることがよくあります。

利点:

• 優れた接合特性: 母材に近い組成と構造; 脆性相なし; 高い熱伝導率と強度。
• 異種材料の接合: 銅-アルミニウム、銅-セラミック（例：窒化アルミニウム）など。
• 非常に低い歪み、高い寸法精度。

欠点: 長いサイクル時間、非常に高いコスト、厳格な表面品質要件。

代表的な用途: 航空宇宙グレードのコンパクト熱交換器、セラミック基板-金属パッケージング、高性能蒸気チャンバー（VC）の製造。

6. はんだ付け（軟ろう付け）

主に低温接続に使用され、電子冷却およびパッケージングで一般的です。

原理: 低融点のはんだ（例：スズ系、インジウム系合金）を使用し、はんだごて、リフローオーブンなどで加熱して接続を形成します。

利点: 低温、熱に弱い部品に優しい、簡単なプロセス。

欠点: 比較的低い接合強度、耐熱性、および長期的な信頼性。

代表的な用途: フィンのベースへの接合（熱接着剤の代替）、小さなヒートパイプの銅ベースへの接続、特定のパワーデバイスの取り付け。

7. 超音波金属溶接

高周波振動エネルギーを使用して接合する固相溶接技術です。

原理: 超音波トランスデューサによって生成された高周波振動が、圧力下で接触面で塑性変形と摩擦を引き起こし、酸化膜を破壊し、原子結合を可能にします。

利点: 外部加熱が不要で、特に高導電性材料（銅、アルミニウム）および異種材料の接合に適しています。エネルギー効率が高く、高速です。

欠点: 通常、薄板、ワイヤ、およびポイントの溶接に適しています。厚いセクションまたは複雑な構造には適していません。

代表的な用途: ヒートパイプのフィンへの接続（ジッパーフィンや折り畳みフィンなどの機械的フィット方法の代替）、リチウム電池用ヒートスプレッダーの溶接、銅-アルミニウム遷移接合。

3. 熱管理業界における溶接技術の開発動向

ハイブリッドプロセス: 「レーザー+摩擦攪拌溶接」ハイブリッド技術など、両方の利点を組み合わせたもの。

高出力指向: SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体デバイス向けに、低熱抵抗と高信頼性を備えた溶接技術（例：低温銀焼結）を開発。

インテリジェント化とオンラインモニタリング: ビジョンセンシングとプロセス制御を統合して、溶接の一貫性と品質を向上。

材料革新: 異種材料の溶接性を向上させるために、新しいろう材合金と中間層材料を開発。

溶接技術の選択には、材料の組み合わせ、製品構造、性能要件（熱伝導率、強度、シール性）、生産量、およびコストを総合的に考慮する必要があります。現在、ろう付け、摩擦攪拌溶接、およびレーザー溶接は、熱管理業界で広く適用されている3つの主流技術です。