CN112397964A - 将金属片至少部分连接至母排的方法及母排与金属片装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及将金属片至少部分连接至母排的方法及母排与金属片装置。一种用于将金属片(2)至少部分地连接至母排(1)的方法，包括：提供金属片(2)和母排(1)，金属片的厚度小于300μm，优选地厚度在30μm与80μm之间；将金属片(2)至少部分地布置在母排(1)上以形成接触区域(CR)；以及通过使用激光(5)将金属片(2)焊接到母排(1)以在接触区域(CR)中形成至少一个焊接接合部(7)，其中，使用激光脉冲来形成至少一个焊接接合部(7)。

Description

将金属片至少部分连接至母排的方法及母排与金属片装置
技术领域
本发明涉及用于将金属片至少部分地连接至母排的方法以及通过这样的方法实现的母排与金属片装置。
背景技术
层压母排通常包括通过薄介电材料分开的层压成统一结构的加工铜的传导层。例如，母排可以用于从连接至这样的母排并且形成电池包的电容器组收集和传输电力。通常，这样的母排用在由电动马达驱动的车辆中。例如，为了使用电池包以用于信号控制，将柔性印刷电路(FPC)连接至母排。因此，可以在包括母排的电池包与电池管理系统之间建立通信。因此，柔性印刷电路通常包括薄金属片。
通常，使用铆钉来实现母排与具有薄金属片的柔性印刷电路之间的导电连接。此外，例如，根据US 2018 0 335 060 A1，已知使用激光焊接来实现柔性印刷电路与母排之间的连接，其中，通过利用来自纤维激光器的激光的连续照射并且同时沿焊接计划线移动激光来实现焊接线。
发明内容
考虑到以上所述，本发明的目的是提供用于以替选的并且与现有技术水平相比优选改进的方式将薄金属片——特别地，该薄金属片形成或作为柔性印刷电路的一部分——连接至母排的方法。
通过以下来实现该目的：根据实施方式的用于将金属片至少部分地连接至母排的方法以及根据实施方式的母排与金属片装置。优选实施方式包含在从属权利要求、说明书和附图中。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于将金属片至少部分地连接至母排的方法，该方法包括：
提供金属片和母排，金属片的厚度小于300μm，优选地厚度在10μm与100μm之间，以及更优选地在35μm与75μm之间，
将金属片至少部分地布置在母排上以形成接触区域，以及
通过使用激光将金属片焊接到母排以在接触区域内形成至少一个焊接接合部，
其中，使用激光脉冲来形成至少一个焊接接合部。
与现有技术水平相比，根据本发明设置成通过激光脉冲实现焊接接合部。结果表明，通过使用激光脉冲可以在金属片与母排之间建立足够的电阻和强的机械连接。特别地，结果表明，通过使用激光脉冲，特别是在不损坏薄金属片的情况下，可以针对薄金属片实现可靠连接。由于激光焊接直接熔化薄金属片与母排之间的材料，因此可以有利地实现具有相对低电阻的连接。此外，与经由铆钉实现金属片与母排之间的连接相比，使用激光脉冲的方法更快并且更可靠。因此，该方法表示用于生产金属片与母排之间的连接的时间高效的方式，特别是在这样的连接的大规模生产中。
优选地，母排是在主延伸平面中延伸的扁平产品。术语扁平指的是在垂直于主延伸平面的方向上测量的母排的厚度是在平行于主延伸平面的平面中跨母排的延伸的至少10分之一，优选地至少15分之一。例如，母排被层压有和/或覆盖有绝缘层和/或镍层以避免腐蚀。根据本发明的实施方式设置成母排由裸金属制成，而没有任何其他的涂层或覆盖。此外，母排是非结构化的，即母排不包括公共平面中的彼此隔离的传导路径。相反，特别地，连接至母排的金属片表示传导路径或信号路径的至少一部分，例如，该传导路径或信号路径用于将信号传输到诸如电池管理系统的控制单元。特别地，接触区域位于母排的顶侧和/或底侧。在另一优选实施方式中，设置成接触区域附加地或替选地在母排的边缘，例如，使得FPC可以在所述边缘处与母排的端子或端口连接。优选地，母排包括铝、铜、钢和/或镍。
根据本发明的实施方式还设置成母排包括通过另外绝缘层彼此分开的至少一个第一传导层和/或至少一个第二传导层，其中，至少一个第一传导层、至少一个第二传导层和另外绝缘层沿垂直于主延伸平面的堆叠方向堆叠在彼此之上。这样的母排特别目的用于收集和传输电力。例如，在母排的顶部布置多个电容器，并且电容器连接至母排以用于分配从多个电容器收集的总电力。在优选实施方式中还设置成母排是电池包的一部分。在这种情况下，使用母排将电池单元并联或串联地连接。这里使用FPC从这些母排收集信号，例如，母排上焊接区域的电势和温度。这样的母排目的在于例如用于电动车辆中。优选地，至少一个第一传导层和/或至少一个第二传导层由诸如铜或铝的金属制成。特别地，在垂直于主延伸平面的方向上测量的母排的厚度在0.5mm与6mm之间，更优选地在0.5mm与3mm之间，以及最优选地在0.5mm与1.5mm之间。特别地，0.5mm与1.5mm之间的厚度有利于电池组中使用的母排。因为在车辆中传输的电力不像在其他母排应用中那样高，所以可以在这样的应用中使用薄导体)。
此外，根据本发明的实施方式设置成金属片的厚度与母排的厚度之比在0.005与0.02之间，更优选地在0.0075与0.015之间，以及最优选地，为约0.01。换句话说，与母排的厚度相比较，金属片非常薄。特别地，将焊接接合部实现为具有比较小的截面的微焊接接合部，即焊接接合部。
根据优选实施方式，金属片是柔性印刷电路的至少一部分。因此，可以以有利的方式使用作为柔性印刷电路的一部分的金属片以用于信号控制。例如，可以在电池包中使用母排与柔性印刷电路之间的连接以用于信号控制，以便与电池管理系统通信。因此，根据本发明的实施方式设置成柔性印刷电路仅包括金属片或金属膜，或者金属片至少部分安装到柔性塑料基板上或者集成到柔性塑料基板中，柔性塑料基板例如通过聚酰胺或透明导电聚酯膜形成。将柔性金属片(特别地，柔性金属片作为柔性印刷电路的一部分)连接至母排的另一优点是这可能使金属片弯曲，例如，以便一方面补偿母排的不同高度，并且另一方面补偿在母排的区域外部的柔性印刷电路的另外进程(course)。还可以想到，通过仅将FPC的两个分开的部分连接至接触区域、经由母排来连接这两个部分。优选地使用附加的胶带或胶水来保护焊接区域和/或接触区域，并且增强焊接区域和/或接触区域的机械强度。
优选地，根据本发明的实施方式设置成使用的激光脉冲的脉冲持续时间在0.1ns与800ns之间，优选地在20ns与500ns之间，优选地在20ns与240ns之间。
此外，设置成接触区域包括多个焊接接合部，其中，焊接接合部在空间上彼此分开。通过增加焊接接合部的数量，有利地可以加强金属片与母排之间的机械连接。例如，焊接接合部的数量在2与10之间，更优选地在2与8之间，或者在3与7之间。因此，通过增加焊接接合部的数量，可以提高连接的总强度。限制数量对实现连接的时间效率有积极的影响。特别地，结果表明，实现3至7个焊接接合部为大多数潜在应用保证了足够的连接强度，并且允许快速生产。优选地，设置成将若干激光束同时定向于接触区域以加速成组的焊接接合部的生产，其中每个激光束由激光脉冲形成。
在优选实施方式中，设置成将多个焊接接合部分组，其中，例如，通过多个焊接接合部实现二维图案。可以布置多个焊接接合部中的焊接接合部，使得针对预期的到连接的负荷——例如根据作用在母排与金属片之间的连接上的预期力的方向或者根据接触区域的几何形式——来优化焊接接合部。
在另一实施方式中，设置成在将金属片焊接到母排之前，将金属片的至少接触区域固定到母排以在接触区域中形成无间隙布置。通过保证母排与金属片之间接触区域的无间隙布置，可以有利地提高建立母排与金属片之间的强机械连接的成功率。例如，母排和金属片通过夹紧元件彼此固定，该夹紧元件至少在接触区域中将金属片紧固到母排。还可以想到，框架式构造将金属片压靠母排，并且将它们固定在一起。优选地，设置成执行对焊接过程之前固定状态的系统性控制，以避免母排与金属片之间的故障连接。因此，可以减少不充分连接的数量。
根据优选实施方式，设置成在焊接之前，在母排的至少一部分上执行表面处理。特别地，旨在用于提供接触区域的部分是在焊接前经表面处理的。例如，清洁母排的表面以提高在母排与金属片之间建立粘接的成功率。
根据优选实施方式，设置成焊接接合部的斑点尺寸与接触区域的尺寸之比小于0.2，更优选地小于0.1，以及最优选地小于0.05。结果表明，即使使用这样的小焊接接合部，也可以实现足够强的机械连接，其在实践中可以作为金属片与母排之间的连接使用。特别地，小焊接接合部实现了分布在接触区域上的焊接接合部。优选地，焊接接合部均匀分布在接触区域上。还可以想到，焊接接合部统计上跨接触区域分布。
在另一实施方式中，设置成焊接接合部的斑点尺寸在0.01mm2与5mm2之间，优选地在0.1mm2与1mm2之间，以及更优选地在0.2mm2与0.7mm2之间。优选地，接触区域的尺寸在1mm2与80mm2之间，更优选地在5mm2与50mm2之间，以及最优选地在10mm2与25mm2之间。
在另一优选实施方式中，设置为成组的焊接接合部中的焊接接合部被至少部分地布置成成行。因此，在生产中可以例如通过激光源的横向偏移和重复利用激光脉冲进行的处理容易地实现若干焊接接合部。
特别地，设置成母排涂覆有和/或镀有金属层，优选地设置成母排涂覆例如一些镍以避免腐蚀。根据另一实施方式，设置成焊接接合部是等距分布的，这意味着焊接接合部——至少沿着线的那些焊接接合部——之间的距离是相等的。还可以想到，焊接接合部是不均匀分布的或者甚至是随机分布的。例如，焊接接合部之间的距离不是等距分布的。这可以通过预置不同的焊接程序来实现。这意味着具有相应的激光源的焊接装置被包括在自动焊接系统中，自动焊接系统可以加载不同的焊接程序并且实现自动批量生产。因此，可以在金属片与母排之间建立均匀连接以提供可靠的连接强度。
根据优选实施方式，设置成连接区域外的金属片至少在包括母排和金属片的装置的成品状态下相对于母排的外表面倾斜延伸。因此，可以根据应用以有利的方式调整金属片的取向和/或位置，即允许在包括母排和金属片的装置中将控制信号从母排传输到另一水平。
优选地，设置成焊接接合部的截面被矩形地、椭圆形地、三角形地和/或圆形地成形。通过选择或调整焊接接合部的几何形式，还可以调整母排与金属片之间的连接的机械强度。通过使用激光脉冲可以容易地实现圆形和椭圆形成形截面，而不需要额外的设备，例如，实现用于焊接接合部的激光斑点的特殊形式的透镜或其他光束形成设备。
特别地，本发明的另一方面是一种母排与金属片装置，其通过根据本发明的方法来实现，其中，金属片通过焊接接合部连接至母排，焊接接合部通过激光脉冲来实现，在空间上彼此分开。上述实现金属片与母排之间连接的方法的所有特性和益处都类似地适用于装置，而且反之亦然。
在尚未明确描述的情况下，可以在不限制或扩大所述发明的范围的情况下，将各个实施方式或其各个方面和特征相互组合或交换，并且就本发明的意义而言这样的组合或交换具有意义。在适用的情况下，关于本发明的一个实施方式描述的的优点也有利于本发明的其他实施方式。
附图说明
在附图中：
图1示意性示出了用于将金属片至少部分地连接至母排的方法，
图2是根据第一优选实施方式的金属片与母排之间的布置，
图3是根据第二优选实施方式的金属片与母排之间的布置，以及
图4是根据第三优选实施方式的金属片与母排之间的布置。
具体实施方式
在图1中，示意性即以(图2)截面侧视图示出了根据本发明的第一优选实施方式的母排1。这样的母排1旨在用于收集和分配布置在母排1之上的电气元件——特别是用于多个电容器(未示出)——的布置的电力。更优选地，母排是电池包的一部分。在这种情况下，使用母排并联或串联地连接电池单元。在沿笛卡尔坐标系的x-y平面的主延伸平面HSE中延伸的母排1，优选地形成直接布置在母排1上的电气元件(未示出)的载体。优选地，母排1的第一传导层被隔离层覆盖，这允许将电容器直接布置在第一传导层上。
特别地，母排1包括在主延伸平面HSE中延伸的第一传导层并且具有端口9，端口9特别地从第一传导层的外周在平行于主延伸平面HSE的方向上延伸，用于表示收集各自被分配给若干电容器中的一个电容器的若干第一类极的贡献的母排1的公共极。除了第一传导层之外，优选地提供第二传导层，其中，第二传导层平行于第一传导层延伸。母排1，特别是第一传导层和/或第二传导层，形成扁平或层压产品，即，母排1在主延伸平面HSE中的延伸是在垂直于主延伸平面HSE的z方向上测量的母排1的厚度的若干倍。特别地，在垂直于主延伸平面HSE的z方向上测量的母排1的厚度在0.5mm与6mm之间，更优选地在3mm与6mm之间，以及最优选地，在4.5mm与5.5mm之间。对于电池包中使用的母排1，优选地设置成在垂直于主延伸平面HSE的z方向上测量的厚度在0.5mm与3mm之间，以及最优选地在0.5mm与1.5mm之间。特别地，第一传导层和第二传导层的材料被配置成使得母排1(母排1的至少一部分)可以变形而不影响第一传导层和第二传导层的功能。因此，母排1可以容易地适应于母排1或包括母排1的组件应该被纳入到的空间，例如，通过弯曲母排1的一部分。此外，第二传导层在外周包括另一端口，该端口用于表示收集各自被分配给若干电容器之一的第二类极的贡献的母排1的公共极。这些母排1用于例如由电动马达驱动的车辆中。
此外，已知将薄金属片2连接至母排1以用于包括电容器和母排的系统的信号控制，例如，特别是金属片2是柔性印刷电路(FPC)的至少一部分。这样的金属片2例如用于信号控制，并且厚度小于300μm，优选地厚度在30μm与80μm之间。因此，金属片2的厚度和母排1的厚度之比在0.005与0.02之间，更优选地在0.0075与0.15之间，以及最优选地约为0.01。例如，FPC用于从这些母排收集信号，例如母排上焊接区域的电势和温度。换句话说，母排1的厚度是金属片2的厚度的若干倍。为了以时间高效的方式实现母排1与薄金属片2之间的连接，通过利用激光5实现了焊接接合部7。由于使用这样的激光5，薄金属片2与母排1之间的材料被熔化，并且形成薄金属片2与母排1之间的粘接。因此，实现了相对低电阻的连接。此外，已发现可以使用激光脉冲来实现母排1与薄金属片2之间的强的机械连接。因此，通过使用激光脉冲，可以以时间高效的方式有利地为金属片2与母排1之间的连接实现所需的电阻和机械强度。特别地，设置成通过使用激光5实现微焊接接合部7。结果表明，激光脉冲的使用使焊接接合部7得以实现，而不会对连接至母排1的薄金属片2造成任何损害。
在图2中，示出了根据第一优选实施方式的母排1与薄金属片2之间的连接。在图2的上部，示出了包括母排1与金属片2之间的连接的部分的俯视图。在图2的下部示出了侧视图，其示出了母排1与金属片2之间的连接。特别地，设置成母排1沿主延伸平面HSE延伸，并且金属片2形成为柔性印刷电路的一部分。金属片2至少部分布置在母排1之上，使得在母排1与金属片2之间建立接触区域CR。具体地，接触区域CR由母排1和金属片2的在垂直于主延伸平面HSE的方向上彼此交叠的部分限定，其中，金属片2和母排1沿接触区域CR的全部区域接触。此外，在图2中，示出金属片2以下述方式在接触区域CR之外形成：金属片2倾斜延伸至主延伸平面HSE。这使得能够在与母排1的水平不同的水平上传输控制信号2。
此外，优选地设置成通过多个焊接接合部7实现母排1与金属片2之间的连接。特别地，焊接接合部7被分组和/或由微焊接接合部7表示，即焊接接合部7的截面相对小。结果表明，甚至可以通过使用这样小的焊接接合部在金属片2与母排1之间建立机械强连接。例如，焊接接合部7的截面面积约为0.5mm2。
优选地，图2所示的示例中的金属片2是通过镀金层厚度为70μm的柔性印刷电路实现的，柔性印刷电路被焊接在由铝制成的裸母排1上，并且该裸母排1的厚度为0.5mm。特别地，焊接接合部7是通过激光脉冲实现的，激光脉冲的持续时间为6ps，其中，用于形成这些焊接接合部7的总辐照持续时间花费约2s。此外，焊接接合部7的组形成图案，特别是二维图案。在图2的示例中，该图案包括彼此等距分开的焊接接合部2。
在图3中，示出了根据第二优选实施方式的母排1与金属片2之间的连接。图3所示或所说明的部分包括用于母排1的端口9，其中，端口9具有开口12，该开口12用于实现至母排1的连接以向用户提供电力。图3所示的实施方式与图2的实施方式的不同之处在于接触区域CR的几何形式。在图3中，示出了两个不同和分开的接触区域CR，并且金属片2还包括在接触区域CR之外的信号路径或导电路径。每个接触区域CR具有布置成行的三个焊接接合部7。
优选地，将70μm厚的镀金柔性印刷电路焊接到镀镍的厚度为1mm的铝母排1上。通过使用具有3ps的脉冲持续时间的激光脉冲，可以实现具有约0.5mm2的截面的焊接接合部7。特别地，照射接触区域CR的总持续时间至少部分地花费约一秒。
在图4中，示出了根据第三优选实施方式的母排1与金属片2之间的连接。图4所示的实施方式主要对应于图2所示的实施方式，并且仅通过其形式(意指焊接接合部7的截面区域的几何形式)区别于图2的实施方式，而图2中的截面区域具有圆形，图2所示的焊接接合部7具有矩形形状。
附图标记
1 母排
2 金属片
5 激光
7 焊接接合部
9 端口
12 孔
CR 接触区域
HSE 主延伸平面
x,y,z 坐标系

Claims (15)

1.一种用于将金属片(2)至少部分地连接至母排(1)的方法，包括：
提供所述金属片(2)和所述母排(1)，所述金属片的厚度小于300μm，优选地厚度在10μm与100μm之间，以及更优选地在35μm与70μm之间，
将所述金属片(2)至少部分地布置在所述母排(1)上以形成接触区域(CR)，以及
通过使用激光(5)将所述金属片(2)焊接到所述母排(1)以在所述接触区域(CR)内形成至少一个焊接接合部(7)，
其中，使用激光脉冲来形成所述至少一个焊接接合部(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属片(2)是柔性印刷电路的至少一部分。
3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述激光脉冲的脉冲持续时间在0.1ns与800ns之间，优选地在20ns与500ns之间，优选地在20ns与240ns之间。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在所述接触区域(CR)内实现多个焊接接合部(7)，其中，所述焊接接合部(7)在空间上彼此分开。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，将所述多个焊接接合部(7)分组。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在将所述金属片(2)焊接到所述母排(1)之前，将所述金属片(2)的至少所述接触区域(CR)固定到所述母排(1)以在所述接触区域(CR)中形成无间隙布置。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在焊接之前在所述母排(1)的至少一部分上实现表面处理。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述焊接接合部(7)的斑点尺寸与所述接触区域(CR)的尺寸之比小于0.2，更优选地小于0.1，以及更优选地小于0.05。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述焊接接合部(7)的斑点尺寸在0.01mm2与5mm2之间，优选地在0.1mm2与1mm2之间，以及更优选地在0.2mm2与0.7mm2之间。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述接触区域(CR)的尺寸在1mm2与80mm2之间，优选地在5mm2与50mm2之间，以及更优选地在10mm2与25mm2之间。
11.根据权利要求4至10之一所述的方法，其中，成组的焊接接合部(7)中的所述焊接接合部(7)被至少部分地布置成行。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述母排(1)涂覆有和/或镀有金属层。
13.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述连接区域(CR)之外的所述金属片(2)相对于所述母排(1)的外表面倾斜或弯曲延伸。
14.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述焊接接合部的截面被至少部分地矩形地、椭圆形地、三角形地和/或圆形地成形。
15.一种母排(1)与金属片(2)装置，其特别地通过根据前述权利要求之一所述的方法实现，其中，所述金属片(2)通过以激光脉冲实现的至少一个焊接接合部(7)连接至所述母排(1)，优选地通过空间上彼此分开的焊接接合部连接至所述母排。
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