Solucions de soldadura làser per a barres CCS: permetre la producció de bateries d'alta{0}}eficiència

Kingslaser ha desenvolupat un procés sec basat en làser-per a la fabricació de circuits FPC i l'obertura de la finestra del coixinet amb una amplada de línia tan fina com 10 μm. Aquesta tecnologia permet un empalmament d'alta-precisió en aplicacions de format ultra{-gran{-a la vegada que redueix la contaminació química, simplifica els processos, escurça els cicles de producció i redueix els costos laborals.

Per abordar la dependència del muntatge manual de terminals de níquel i alumini en els mètodes tradicionals de CCS, Kingslaser va introduir un nou disseny amb pestanyes de làmina de coure esteses. Aquestes pestanyes són compatibles amb metalls ultra-(menys o iguals a 35 μm), inclosos els aliatges de coure-coure, coure-alumini i coure-alumini.

Mitjançant soldadura làser, les pestanyes de làmines de coure es poden unir de manera eficient a barres d'alumini. Aquesta innovació elimina el muntatge manual, millora l'automatització i millora la fiabilitat del procés.

Amb el ràpid desenvolupament de la indústria mundial de la nova energia i el creixement explosiu del mercat de vehicles elèctrics, la tecnologia de les bateries, com a component principal de conducció dels vehicles elèctrics, ha aconseguit avenços contínuament en termes d'alta seguretat, alta integració, disseny lleuger i reducció de costos. Al mateix temps, la selecció de materials i els processos de fabricació de CCS (Cells Contact System, barres de bus integrades), un component clau del sistema de bateries, també s'han actualitzat constantment per satisfer les creixents demandes d'integració global del vehicle i complexitat del sistema de bateries.

Figura 1. Les barres de bus integrades CCS són un dels components clau del sistema de bateries d'alimentació

Actualment, CCS serveix principalment per a les funcions de mostreig de senyal i recollida de corrent. Els seus components d'adquisició de senyal mostren una tendència a la diversificació, que inclou principalment:

◎ Paquets de cables: tradicionals però fiables, amb estructures complexes i baixa integració;
◎ Circuit imprès flexible (FPC): basat en pel·lícula de poliimida o polièster, que ofereix una flexibilitat i estabilitat excel·lents, és una de les solucions principals d'avui;
◎ Cable pla flexible (FFC): estructura simple, de baix cost, adequat per a un disseny lleuger;
◎ Placa de circuit modelat flexible (FDC): afegeix tecnologia d'emmotllament a la part superior de FPC, proporcionant una adaptabilitat tridimensional més forta;
◎ Cable pla flexible (FFC) connectat al circuit modelat flexible (FCC): integra FFC amb FPC/FDC, millorant la flexibilitat estructural i l'eficiència de connexió, la qual cosa la converteix en una solució nova que s'utilitza actualment.

L'exploració i la coexistència de múltiples rutes tècniques tenen com a objectiu principal reduir el cost global dels productes CCS, especialment en la part de mostreig del BMS (Battery Management System), que representa aproximadament el 55% del cost total. Com a resultat, la tecnologia d'adquisició de senyals d'alta-integració i baix-cost s'ha convertit en un focus clau de la recerca i el desenvolupament.

En aquest context, Kingslaser s'ha centrat en les innovacions en tecnologia de circuits flexibles des del 2023, proposant dues solucions crítiques de millora de processos per millorar el rendiment i l'actualització de fabricació de CCS:

● Procés totalment sec per a una fabricació ràpida de FPC

Aquest procés utilitza tecnologia de processament làser completa per completar passos crítics com ara gravar patrons de circuits FPC i obrir finestres de pel·lícules PI. En comparació amb els processos humits tradicionals, simplifica significativament el flux de treball de fabricació, elimina l'ús de reactius químics i ofereix avantatges en matèria de respecte al medi ambient, eficiència energètica i alta productivitat. Actualment, Kingslaser ha completat el disseny del procés de segona-generació i ha obtingut les patents rellevants.

● Recerca de tecnologia de soldadura làser de coure-alumini

En resposta al coll d'ampolla en el CCS tradicional on FPC es connecta a barres d'alumini mitjançant niquelat o emmotllament per injecció, Kingslaser va proposar una nova solució que utilitza soldadura directa per làser per connectar FPC amb barres d'alumini. Aquest enfocament elimina materials de connexió intermedis, simplifica l'estructura, redueix costos i millora la consistència de fabricació. La tecnologia es va desenvolupar a principis de 2024 en resposta a una sol·licitud d'una empresa cotitzada i ha aconseguit resultats de validació preliminars.

En resum, com a component crític dels paquets de bateries, el nivell de disseny i fabricació de CCS afecten directament el rendiment i el cost dels vehicles elèctrics d'energia nova. L'exploració de múltiples solucions per als mòduls d'adquisició de senyal i la implementació de noves tecnologies signifiquen que CCS està avançant cap a una major eficiència, una major integració i costos més baixos.

El circuit imprès flexible (FPC), comunament conegut com a "placa flexible", és una placa de circuit imprès que utilitza materials aïllants flexibles com a base i aconsegueix la funcionalitat electrònica mitjançant patrons de circuits precisos. Ofereix nombrosos avantatges respecte a les plaques de circuit rígides tradicionals, com ara una excel·lent flexibilitat, una estructura lleugera i un rendiment elèctric superior. Com a resultat, els FPC s'utilitzen àmpliament en terminals intel·ligents, dispositius portàtils, equips mèdics i vehicles d'energia nova, cosa que els converteix en una base clau per aconseguir la miniaturització, el disseny lleuger i la integració en productes electrònics moderns.

L'FPC ofereix una flexibilitat excel·lent, ja que permet que el plegat, el plegat i l'enrotllament lliures s'adaptin a dissenys d'espais tridimensionals, permetent la integració del conjunt de components i la connexió de cables. A causa de la seva estructura fina i lleugera, FPC redueix significativament la mida i el pes dels dispositius electrònics, satisfent la demanda de disseny compacte i d'alta-densitat en l'electrònica moderna. A més, FPC proporciona una bona dissipació de calor, una forta soldabilitat i una instal·lació fàcil, oferint un rendiment global superior. En particular, l'estructura flexible-rígida compensa encara més les limitacions dels circuits flexibles en termes de capacitat de càrrega-.

Figura 2. Fotografia d'un FPC

Tanmateix, la fabricació de FPC també presenta certs reptes. Com que els circuits flexibles solen estar dissenyats a mida-, impliquen uns requisits més elevats de disseny i procés, la qual cosa comporta una inversió inicial important i uns costos d'inici-molt més elevats en comparació amb les PCB estàndard. A més, un cop finalitzada la producció, les modificacions són difícils d'implementar, sovint requereixen ajustaments als dibuixos de base o fotoplots, i el procés de reparació de les capes de coberta també és complex. A més, la naturalesa dels materials flexibles limita l'escalabilitat en la producció en massa i el procés de fabricació requereix un maneig extremadament precís-qualsevol mala manipulació pot provocar danys al circuit o fallades funcionals.

Per superar les limitacions dels processos de fabricació tradicionals, Kingslaser s'ha dedicat a desenvolupar tecnologia de fabricació FPC basada en làser-des del 2004. Aquell any, quan va lliurar la primera màquina de tall de contorn làser FPC de la Xina, un equip estranger similar va costar fins a 5,5 milions de RMB. Kingslaser, que es basa en R+D independent, va completar amb èxit el lliurament a un preu d'uns 1,5 milions de RMB, trencant el monopoli estranger i marcant l'inici de l'aplicació d'equips làser nacionals en el camp de la fabricació d'electrònica flexible. En particular, la màquina va ser la primera a adoptar un motor lineal importat de les tecnologies HIWIN de Taiwan en aquell moment, combinat amb un sistema de galvanòmetre, establint una estructura de processament làser pionera "motor lineal + galvanòmetre" que va millorar significativament la precisió del processament i la velocitat de resposta.

A partir d'aquesta base, Kingslaser ha continuat avançant en les tecnologies de fabricació ecològica per a circuits flexibles proposant un procés de producció ràpid de FPC basat en el concepte de fabricació totalment en sec. Centrat en el processament làser, aquest mètode elimina diversos passos complexos que es troben en els processos humits tradicionals-com ara el gravat, el desenvolupament i la neteja química-i estableix un nou flux de treball de fabricació centrat en el "processament làser continu-a{-roll". En comparació amb els mètodes convencionals, el nou procés comença amb el desenrotllament de la matèria primera, seguit de l'obertura de finestres làser, el modelatge del circuit làser i el tall de contorns, aconseguint realment un model de fabricació verd lliure de reactius químics, aigües residuals i emissions d'escapament.

El procés de fabricació tradicional de FPC no només és complex i consumeix{0}}espai, sinó que també depèn molt dels reactius químics, la qual cosa té un impacte ambiental important. Requereix una important intervenció manual, que comporta cicles de producció llargs i un alt consum d'energia. En canvi, la tecnologia de procés sec-de Kingslaser simplifica molt el flux de producció integrant diversos passos mitjançant un processament làser d'alta-precisió, permetent un mètode totalment automatitzat, altament eficient i zero-contaminació per a la fabricació de circuits flexibles. Especialment sota la configuració de producció contínua de rotlle-a-, l'equip làser es pot integrar perfectament amb els sistemes de manipulació de materials aigües amunt i avall, proporcionant una interfície ideal per a la fabricació intel·ligent-a gran escala.

Pel que fa al rendiment tècnic, aquest procés presenta diversos avenços innovadors. En primer lloc, l'ús del processament làser escanejat per galvanòmetre-permet un disseny de patrons de circuits més flexible i lliure, aconseguint una amplada de línia mínima de 100 micres. Això satisfà les demandes de fabricació d'FPC d'alta-precisió i alta-complexitat i permet una mida personalitzada en funció dels requisits del client, millorant significativament la compatibilitat del producte. En segon lloc, el procés làser totalment sec elimina completament la contaminació química associada als mètodes humits tradicionals, aconseguint una producció veritablement respectuosa amb el medi ambient i neta, en línia amb les tendències actuals de fabricació ecològica. A més, el procés redueix molt els requisits de mà d'obra i el nombre d'etapes de fabricació generals, escurçant significativament els cicles de producció i millorant l'eficiència de la producció-fa que s'adapti bé-a les demandes actuals del mercat d'iteració ràpida del producte i lliurament ràpid.

Des d'una perspectiva de control de costos-, el procés totalment sec elimina la necessitat d'imprimir motlles i productes químics corrosius, millorant significativament l'ús del material alhora que redueix el residu de material addicional a gairebé zero, ajudant les empreses a construir una estructura de costos més competitiva. Al mateix temps, a l'hora de gestionar el processament d'FPC de gran-format, el procés resol eficaçment el repte de mantenir la precisió de l'empalmament en els mètodes tradicionals, permetent la producció contínua i d'alta-precisió d'FPC d'-àrea gran.

En el procés de fabricació de barres integrades en CCS, l'equip de soldadura és un pas crític del procés, que inclou principalment dos mètodes: soldadura làser i soldadura per ultrasons. En els processos tradicionals, la connexió entre l'FPC i la barra d'alumini requereix normalment un component de transició intermedi-una placa de níquel. Un extrem d'aquesta placa de níquel està connectat a l'FPC, mentre que l'altre extrem està soldat a la barra d'alumini mitjançant soldadura làser (com ara soldadura làser de fibra). Tanmateix, a causa del llarg procés de soldadura SMT anterior a l'-etapa (p. ex., soldadura, forns de túnel, etc.), la longitud total de la línia de producció sovint supera els 15 metres, cosa que comporta un flux de procés complex, una gran empremta d'equip i una baixa eficiència de producció.

Figura 3. Soldadura de barres del mòdul de bateria

Per optimitzar aquest procés, s'ha proposat un nou enfocament que utilitza la soldadura làser per connectar directament el FPC a la barra colectora, eliminant la necessitat de la placa de níquel intermèdia. Aquesta solució redueix el nombre de passos del procés i té el potencial de millorar l'eficiència de la soldadura i la compacitat general de la línia de producció. Representa una nova tecnologia prometedora de soldadura de coure-alumini que mereix una investigació i promoció addicionals.

Pel que fa a la selecció del mètode de soldadura, la soldadura per ultrasons ofereix avantatges com ara ser neta i respectuosa amb el medi ambient, baix cost, alta eficiència i facilitat d'automatització. Tanmateix, a causa de la suavitat i l'extrema primesa de la làmina de coure dels FPC, aquest mètode requereix una precisió i estabilitat extremadament alta en el control de la soldadura, així com la neteja de la superfície dels materials. En cas contrari, es poden produir fàcilment problemes com la penetració de la soldadura o la soldadura falsa.

En comparació, la soldadura làser destaca en la producció automatitzada industrial per la seva alta precisió, alta velocitat, funcionament sense -contacte, àmplia compatibilitat de materials, procés lliure de contaminació-i excel·lent repetibilitat. Tanmateix, comporta uns costos d'equipament més elevats, una major complexitat tècnica i requisits de control ambiental més estrictes.

Actualment, una ruta de procés habitual en la fabricació de barres integrades CCS consisteix a utilitzar terminals de placa de níquel per connectar l'FPC i la barra d'alumini. En aquesta configuració, la connexió entre la placa de níquel i la barra d'alumini s'aconsegueix normalment mitjançant soldadura per ultrasons o làser, mentre que la connexió entre la placa de níquel i el FPC es fa mitjançant soldadura làser. Aquest enfocament requereix dos processos de soldadura diferents, que no només augmenta la complexitat del procés, sinó que també limita els nivells d'automatització i l'eficiència de la producció.

La soldadura directa de metalls diferents de coure i alumini s'enfronta a nombrosos reptes tècnics. D'una banda, el coure i l'alumini difereixen significativament en propietats físiques com la conductivitat tèrmica, el coeficient d'expansió tèrmica i el punt de fusió, cosa que dificulta l'enllaç metal·lúrgic. D'altra banda, dins de diferents intervals de temperatura i composició, els compostos intermetàl·lics fràgils tendeixen a formar-se entre el coure i l'alumini, que poden comprometre greument el rendiment mecànic i elèctric de la unió de soldadura.

Figura 4. La soldadura directa de metalls diferents de coure i alumini s'enfronta a nombrosos reptes tècnics

Per abordar aquest repte tècnic, Kingslaser ha desenvolupat una tecnologia de soldadura de metalls diferents d'alumini de coure-basada en làser verd, que estén directament la làmina de coure FPC i la solda a la barra d'alumini, eliminant la necessitat de la placa de níquel intermèdia. Aquest enfocament demostra els avantatges de la soldadura per làser verd en la manipulació de materials altament reflectants com el coure i l'alumini.

A l'experiment, es va utilitzar com a pestanya una làmina de coure enrotllada ultra-estàndard de 70 μm d'un FPC, solapada-soldada a una barra d'alumini de 2,5 mm amb la làmina de coure col·locada a la capa superior. El galvanòmetre controlava la trajectòria del làser en espiral per augmentar l'àrea de tensió-de la zona de soldadura de la làmina de coure. Mitjançant l'ajust de paràmetres del procés, com ara la potència, la velocitat, la quantitat de desenfocament i la mida de la trajectòria en espiral, es van avaluar sistemàticament els indicadors clau de rendiment-incloent la superfície de la soldadura i la morfologia de la-secció transversal, la profunditat de penetració de la soldadura i la força de pelat-.

Els resultats experimentals mostren que una potència làser adequada pot aconseguir la fusió localitzada de la làmina de coure, produint soldadures amb bona continuïtat i formació consistent. La força de pelat pot arribar a superar els 30 N i l'efecte de soldadura és significativament millor que el que s'aconsegueix amb una potència excessivament alta o baixa, la qual cosa pot provocar que es cremin-o una soldadura falsa. La velocitat de soldadura també té un paper crucial en la morfologia de la soldadura, i requereix un equilibri entre l'eficiència del processament i la qualitat de la soldadura.

Figura 5. Resistència al pelat de les juntes a diferents potències de soldadura.

Quan la potència s'ajusta correctament, l'enllaç de coure - alumini i la formació de soldadura milloren,

conduint a una major resistència a la tracció en aquest rang de potència

Després de més d'un any de desenvolupament tècnic, Kingslaser ha aconseguit una sèrie d'avenços en la tecnologia d'equips de soldadura per a materials metàl·lics ultra{-prims-com ara coure-a-alumini, coure-a-coure i alumini-a{7}igualtat a níquel 35μm)-amb millores observades en diverses àrees clau.

En primer lloc, s'ha abordat amb eficàcia el repte de la deformació i els grans buits d'enllaç en metalls ultra-prims, reduint significativament els riscos de soldadura falsa i de sobre-soldadura. En segon lloc, mitjançant el desenvolupament d'un sistema de soldadura d'alineació automàtica, s'ha millorat l'eficiència del processament, s'ha escurçat la longitud de la línia de producció CCS i s'ha estalviat espai de fabricació. En tercer lloc, per abordar el problema de la fragilitat de les juntes de soldadura metàl·liques diferents, s'han introduït fonts làser personalitzades amb longituds d'ona específiques, per mitigar eficaçment les esquerdes i la força insuficient. Finalment, l'eliminació dels productes intermedis de plaques de níquel ha reduït els costos dels materials, proporcionant beneficis econòmics per a la producció de CCS a gran-escala.

A més, s'ha dut a terme una optimització contínua en àrees com el programari de soldadura per visió coaxial de mandril pneumàtic i galvanòmetre. Ara, el sistema gairebé ha assolit l'objectiu de fiabilitat del punt de soldadura del 100%, proporcionant un suport tècnic sòlid per a la producció de CCS d'alta-qualitat.

En la investigació sobre la tecnologia de soldadura làser per a metalls diferents de FPC i coure-alumini, l'equip de projecte de Kingslaser ha aconseguit múltiples resultats amb valor d'aplicació pràctica i ha desenvolupat equips i solucions de procés sistemàtiques.

En l'àmbit de la fabricació de FPC, Kingslaser ha desenvolupat un sistema de producció de FFC de procés sec- basat en làser-de segona generació-rotlle-per-enrotllar-, millorant significativament el nivell d'automatització de la fabricació de plaques de circuit flexible. L'equip adopta un mètode de processament alimentat per rotlle-contínu, suportant materials de fins a 550 mm d'amplada, amb una precisió de posicionament de ±0,003 mm. Controlant amb precisió la velocitat de bobinatge (0,1-10 m/min) i l'amplada de la línia de tall (tan estreta com 0,03 mm) i la integració d'un sistema de visió CCD per al reconeixement automàtic d'objectius i la costura de patrons d'alta-precisió (± 0,01 mm), el sistema és capaç de satisfer les exigències d'alta{15}} densitat i estructures FPC molt complexes.

Figura 6. 2a - Rotlle de generació - a - Rotllet totalment làser - Dispositiu de producció de FFC de procés en sec -

Aquesta tecnologia no només millora l'eficiència de la producció-amb una capacitat de producció mensual d'aproximadament 10.000 a 15.000 metres quadrats (equivalent a un valor de sortida d'uns 1,6 a 2,4 milions de RMB)- sinó que també elimina els residus químics i la contaminació ambiental associada als processos humits tradicionals, alineant-se amb la tendència cap a la fabricació ecològica. Les innovacions relacionades s'han concedit una patent d'invenció titulada "Un procés de fabricació ràpid de FPC basat en un procés completament sec", destacant la seva forta originalitat tècnica i el seu ampli potencial d'aplicació industrial.

Per a la soldadura de metalls diferents de coure-alumini, l'equip del projecte ha desenvolupat una línia de producció de soldadura làser verda dissenyada específicament per a la nova indústria de bateries d'energia. Aquest equip empra una font làser d'alt-rendiment i gran-potència, i el làser verd ofereix avantatges com ara una alta taxa d'absorció, baixa esquitxada, alta eficiència, estabilitat excel·lent i qualitat de feix superior. S'utilitza principalment per soldar materials metàl·lics ultra-com ara coure, alumini, níquel i plata.

Figura 7. Equips de línia de producció de soldadura per làser verd CCS

Kingslaser també ha obtingut amb èxit una patent d'invenció titulada"Un mètode de soldadura làser per a metalls diferents de coure-alumini"basat en aquesta tecnologia.

Wuhan Kingslaser Technology Co., Ltd.es va establir el 2016, centrant-se en la investigació i l'aplicació industrial de les tecnologies de micro-fabricació làser. En els darrers anys, l'empresa ha concentrat els seus esforços d'R+D en tecnologies de fabricació làser per a cèl·lules solars perovskites, realitzant-estudis en profunditat i desenvolupant una sèrie d'equips de processament làser ultraràpid-d'alt rendiment per a aquest camp. Aquestes solucions ofereixen múltiples avantatges, com ara augmentar l'àrea efectiva de generació d'energia de les cèl·lules, reduir el consum d'energia i els cicles de producció i integrar processos làser multi-funcionals. Aquest progrés ha millorat significativament el nivell d'automatització i intel·ligència en la fabricació de cèl·lules perovskites.

En particular, ja el 2012, Kingslaser va lliurar amb èxit el seu primer equip de laboratori de cèl·lules solars de perovskita de mida mitjana--gran-, convertint-se en una de les primeres empreses de la Xina a entrar en aquest camp. Després de més d'una dècada de desenvolupament tecnològic i expansió del mercat, l'empresa ha establert relacions de cooperació amb més de 100 universitats, institucions de recerca i empreses dedicades a la R+D de bateries de perovskita. Aquestes col·laboracions cobreixen diverses tecnologies de cèl·lules perovskites, incloses tant les estructures mesoporoses com les planes. Kingslaser també ha desenvolupat un conjunt complet de solucions de fabricació làser adaptades a diferents especificacions de mida, demostrant grans capacitats en la personalització del client i la implementació d'enginyeria.

Mitjançant la innovació contínua i la integració de la investigació amb l'aplicació industrial, Kingslaser ha establert un avantatge tecnològic líder en el camp dels equips de fabricació de cèl·lules solars de perovskita, proporcionant un fort suport per a la comercialització de cèl·lules solars de propera-generació.