集成式FPC-PCB鎳片在動力電池管理系統中的應用

夜雨 2023-09-21 191

電池管理系統中的低壓采樣回路目前主流的方案大多采用線束連接,一端與電芯的Bus bar焊接,另一端匯入到接插件,然后通過接插件與控制器連接。線束在模組內走線和固定,不同線束之間需要做防錯,線束長短不一,很難做到自動化、集成化生產,生產效率不高。單根線束分別與Bus bar焊接,焊接一致性、焊接強度和可靠性難以做到完全可控,嚴重的將影響采樣精度,降低耐久性能。通過接插件將采樣線束與控制器連接,方便插拔,但接插件很難做到密封處理,端子易受電池包內凝露等的影響產生腐蝕,導致接觸電阻變大,影響采樣精度。

針對此問題,一方面,將采樣線束變更為軟排線FPC(Flexible Printed Circuit),使用FPC作為采樣線。另一方面,取消采樣接插件,通過對FPC與PCB(Printed Circuit Board)連接部位的接口進行優化設計,采用焊接的方式將FPC與PCB固定在一起。目前FPC與PCB焊接連接的方案多出現在消費類電子產品中,相關應用在復雜多變的電池管理系統中的研究較少。

針對軟硬結合板,文獻[1]對軟硬結合板的工藝參數和生產制程進行了研究,開發研究出適合大批量生產軟硬結合板的各個制程的工藝參數;文獻[2]闡述了剛撓結合板的制作流程,分析并解決了軟硬結合板制作中的技術難點,可以有效地指導該類型產品批量生產;文獻[3]研究其材料特點在加工中存在的問題,特別是ICD(內層互連不良)、孔粗、內層孔壁分離等不良問題,通過正交實驗設計進行測試,分析了缺陷信息和原因,針對影響因素進行實驗分析,有效地解決了軟硬結合板此類問題;文獻[4]介紹了撓性電路板(FPC)在電子行業的運用和撓性電路板的主要組成材料及不同材料之間的性能比較,以及撓性電路板在表面貼裝 (SMT)工藝裝配流程上與硬板 (PCB)不同的工藝裝配特點。

為此,本文將取消接插件,設計一種基于FPC和PCB的軟硬板集成連接方案,通過對FPC和PCB板的連接接口進行優化設計,采用焊接形式做PCB-FPC的一體化集成,有效降低了高度空間和成本。

1 FPC設計

1.1 FPC本體設計

FPC作為連接電芯和控制器的采樣通道,在設計時需結合模組的尺寸,控制器所處的位置、尺寸進行優化。

首先確定采樣點位置和數量。串并連接的模組根據串聯電芯的數量確定電壓采樣通道數。根據模組內溫度場分布確定溫度傳感器的位置和數量。

采樣點位置和數量確認好后,根據采樣通道的電流范圍和鋪銅厚度確定線寬和線距。當鋪銅厚度為1oZ,線路最大電流不超過300mA時,選用0.2mm的線寬和線距。根據采樣線數量、線寬和線距確定FPC的寬度。

1.2 溫度傳感器選型和布置位置

由于采用FPC連接電芯和PCB,FPC上可以焊接元器件,本文選用貼片熱敏電阻作為溫度傳感器。為更準確地測量電芯的溫度,熱敏電阻將盡可能地靠近電芯。受限于模組結構,熱敏電阻無法貼在電芯表面。本設計中熱敏電阻將貼裝在FPC上,且位置靠近Bus bar,可相對準確地測量電芯溫度。

1.3 FPC-鎳連接片接口設計

本設計中FPC與Bus bar之間采用鎳片進行連接。有兩種不同類型的鎳連接片,其中一種鎳片開窗,內嵌熱敏電阻,熱敏電阻所在的FPC背部補強,防止電阻開裂。

電芯在使用過程中會逐漸膨脹,會有一定的變形量,為防止電芯膨脹變形導致FPC出現較大應力,設計上采用懸臂結構,可抵消一部分電芯變形量。如圖1、圖2所示。

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圖1 FPC-鎳片連接 (含熱敏電阻)示意圖

2 FPC-PCB連接接口設計

2.1 接口設計要求

FPC-PCB接口至少需要滿足以下兩項要求。

1)穩定的電氣連通性能。相比于傳統接插件通過端子連接的形式,PCB與FPC通過預留的焊盤進行焊接連接,接口部位不能存在漏焊、虛焊、短路等失效形式,確保穩定可靠的電導通,采樣信號實時、無失真地傳輸給控制器。

2)可靠的機械強度。該設計應用在動力電池包內,環境復雜,安全等級高,且需要滿足整車使用壽命內的安全、可靠性要求,所設計的接口需要通過振動、耐久、冷熱循環、溫濕度循環以及鹽霧腐蝕等各種工況的驗證。

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圖2 FPC-鎳片連接 (不含熱敏電阻)示意圖

2.2 FPC連接接口設計

該設計采用兩片FPC分別與PCB進行連接,兩片FPC相比單片FPC設計,拼版率更高,成本更優。FPC上采樣線的數量根據所要采集的電壓、溫度點的數量定義。該設計中共有15根采樣線,其中一片FPC有6根采樣線,另一片FPC上有9根采樣線。為增大連接強度,設計采用雙排焊盤,第一排焊盤為半圓型,目的是與PCB邊緣的半圓形焊盤進行連接,該設計的優點是可以直觀地檢查爬錫量和爬錫的一致性;第二排為圓形焊盤,將與PCB板的第二排過孔焊盤連接。兩排焊盤之間電氣連接,極端情況下,即便有一排焊點出現開裂或接觸不良,另一排仍可以保證正常的電氣連接。此外,為增大連接強度,每片FPC的兩端設計有起加強作用的焊盤。如圖3所示。

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圖3 FPC連接接口示意圖

2.3 PCB連接接口設計

FPC-PCB的焊接結合點位于PCB的邊緣,可以最大化地保證PCB板的利用率。相應地,PCB設計為雙排過孔焊盤,采用過孔焊盤的設計,一方面可以增大爬錫面積,錫膏可以延伸到孔壁上,增大連接強度;另一方面,可以有效避免錫膏蔓延到相鄰焊盤,造成短路。如圖4、圖5所示。

2.4 連接工藝選型

分別采用Reflow回流焊接工藝和Hot Bar熱壓工藝對所設計的連接方案進行試制和驗證。主要從氣孔率、拉力和剝離力3方面評價兩種焊接工藝,擇優選取最終焊接方案。

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圖4 PCB連接接口示意圖

1) Reflow回流焊接工藝

Reflow回流焊接工藝流程見表1。

對于氣孔率,需要滿足IPC-610 III級要求,即氣孔率不超過30%。對于Reflow工藝,通過優化網板開口尺寸、網板厚度和FPC焊盤尺寸來調節上錫量,通過調節Reflow焊接過程的溫度和時間來優化焊接品質,參數優化后的樣件氣孔率可以控制在25%以內。如圖6所示。

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圖5 FPC-PCB連接總成示意圖

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表1 Reflow回流焊接工藝流程

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圖6 Reflow樣件X-ray示意圖

拉力和剝離力的結果見表2。

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表2 拉力和剝離力測量結果

2) Hot Bar焊接工藝

Hot Bar焊接工藝流程見表3。

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表3 Hot Bar焊接工藝流程

對于Hot Bar工藝,通過優化網板開口、FPC焊盤尺寸來調節上錫量,通過調節預熱溫度、預熱時間、焊接溫度和焊接時間來優化焊接品質,參數優化后的樣件氣孔率可以控制在30%以內。如圖7所示。

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圖7 Hot Bar樣件X-ray示意圖

拉力和剝離力的結果見表4。

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表4 拉力和剝離力測量結果

綜合以上氣孔率,拉力和剝離力的結果,Reflow焊接工藝效果更優,本設計選用Reflow工藝。

3 連接方案驗證

3.1 建立試驗條件

針對特定的應用環境制定符合使用要求的驗證條件。電池包應用環境惡劣,安全等級很高,驗證需要充分考慮接口在振動、腐蝕、高溫高濕、冷熱沖擊工況下的耐受能力,并建立一套具有針對性的試驗標準。

3.1.1 冷熱沖擊-振動-溫濕度循環試驗

1)冷熱沖擊試驗條件設置如下。

①低溫:-40°C,10min。

②高溫:85°C,10min。

③高低溫轉換斜率:19K/min。

④循環次數:318cycle。

2)振動測試試驗條件設置如下。

①溫度等級:Tmin=-40℃,Tmax=+105℃。

②循環:0min:20°C;60~150min:Tmin;210min:20℃;300~410min:Tmax;480min:20℃。

③持續時間:X軸24h,Y&Z軸27h。

④振動功率譜見表5。

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表5 振動功率譜密度

3)溫濕度循環試驗條件設置如下。

①溫度:-10℃ -25℃ -65℃循環。

②濕度:80%~93%。

③時間:240h (48h/cycle*5cycle)。

冷熱沖擊-振動-溫濕度循環試驗流程如圖8所示。

3.1.2 鹽霧試驗

鹽霧試驗測試條件設置如下。

①溫度:35℃。

②鹽濃度:5%。

③霧濃度:1~2ml/h/80cm2。

④pH值:6.5-7.2。

⑤時間:鹽8h,霧16h,6cycles。

鹽霧試驗流程如圖9所示。

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圖8 冷熱沖擊-振動-溫濕度循環試驗流程圖

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圖9 鹽霧試驗流程圖

3.1.3 熱應力試驗

熱應力試驗條件設置如下。

①溫度:289℃。

②時間:10s。

熱應力試驗流程如圖10所示。

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圖10 熱應力試驗流程圖

3.1.4 試驗完成后檢測項

1)回路阻抗檢測:使用四端子阻抗儀測量鎳連接片到PCB板上焊點的回路阻抗,確認測試后是否造成焊點裂開?;芈纷杩箼z測示意如圖11所示。

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圖11 回路阻抗檢測方法

2)外觀檢測:使用顯微鏡以及X-ray觀察焊點在測試后是否開裂。

3)拉力及剝離力檢測:使用拉力機確認FPC與PCB之間的焊點結合力測試后是否有弱化。

4)切片檢測:切片確認焊點部位在測試后是否有斷裂。

3.2 試驗結果

3.2.1 回路阻抗結果

如圖12~圖15所示,分別為試驗前、振動試驗完成后、熱沖擊試驗完成后以及溫濕度循環試驗完成后測得的各采樣回路阻抗值。從圖中可以看出,各樣件的阻抗值基本保持一致,波動很小,各回路阻抗一致性較好。圖16為每一試驗階段各樣件的阻抗均值對比,圖17為阻抗變化對比,從圖中可以看出,試驗前后阻抗變化均在3mOhm以內,阻抗變化非常小。以上結果證明,試驗對回路阻抗的影響較小,滿足試驗要求。

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圖13 振動試驗后回路阻抗值

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圖14 熱沖擊試驗后回路阻抗值

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圖15 溫濕循環試驗后回路阻抗值

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圖16 各試驗后回路阻抗值均值

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圖17 回路阻抗值對比

3.2.2 外觀檢查結果

試驗前后的外觀檢查對比分別如圖18和圖19所示,試驗前后焊點無開裂和明顯變色,焊點保持完整。

3.2.3 X-ray檢查結果

試驗前后的X-ray檢查對比分別如圖20和圖21所示,試驗前后測得的氣孔率均在25%以內,滿足IPC610對氣孔率(<30%)的要求。

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圖18 試驗前后外觀檢查1

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圖19 試驗前后外觀檢查2

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圖20 試驗前X-ray檢查

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圖21 試驗后X-ray檢查

3.2.4 拉力和剝離力檢查結果

試驗前后的拉力和剝離力檢測結果對比分別見表6和表7,試驗前后測得的拉力和剝離力均滿足要求 (Spec:拉力>100N,剝離力>60N)。拉力和剝離力的失效形式如圖22所示,從圖中可以看出,最終的失效形式為FPC先于焊點位置發生斷裂,證明焊接強度要大于FPC本身的斷裂強度,焊接穩定可靠。

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表6 試驗前后拉力對比

3.2.5 切片檢測結果

剖切位置如圖23所示,試驗前后的切片檢查對比如圖24所示,從圖中可以看出,試驗后切面無明顯裂紋,焊接連接可靠。

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表7 試驗前后剝離力對比

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圖22 拉力和剝離力的失效形式

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圖23 切片位置

4 結論

1)針對低壓采樣回路中接插件和線束無法進行大規模集成化、自動化生產且成本較高的問題,提出一種基于FPC和PCB的軟硬板集成連接方案。

2)基于實際的電池模組設計了匹配的FPC本體,對溫度傳感器進行選型并確定布置位置,設計了連接FPC和Bus bar的鎳連接片,并設計了能夠緩沖電芯膨脹的懸臂結構。

3)對FPC-PCB的連接接口進行優化設計,采用了雙排焊接點,確保了穩定的電氣連通性能和可靠的機械強度。

4)介紹了Reflow回流焊接和Hot bar熱壓兩種焊接工藝,并從氣孔率、拉力和剝離力上對焊接后的樣件進行了對比,對比結果表明,采用Reflow焊接得到的樣件具有更低的氣孔率、更大的連接強度,本文采用Reflow焊接工藝。

5)設計試驗驗證焊接樣件的連接性能,對樣件進行振動、熱沖擊、溫濕度循環,鹽霧和熱應力試驗,分別對比了試驗前后的回路阻抗、外觀檢查、X-ray、拉力和剝離力、切片檢查,試驗對比結果表明,該焊接連接方案連接可靠。

6)后續將繼續對焊接工藝進行研究,確保焊接后產品性能的一致性和穩定性。

The End
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