JP2022008070A - 電気接点の接合構造、電気接点の接合方法及びバッテリーモジュール - Google Patents

電気接点の接合構造、電気接点の接合方法及びバッテリーモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】接合構造における溶接過多現象を低減することができる電気接点の接合構造と、上記電気接点の接合構造の製造方法を提供する。【解決手段】導電部と電極片を含み、前記電極片が導電部に溶接された電気接点の接合構造を提供する。前記電極片は、第１金属材料であり、前記導電部は第２金属材料である。前記電極片と前記導電部との界面に溶接軌跡Ｌｆが形成され、前記溶接軌跡は前記第１金属材料と前記第２金属材料が混合されてなる。前記溶接軌跡は実質的に重ならない。更に、前記溶接軌跡は移動経路Ｌｖと、前記移動経路の横方向に揺れ移動または振動移動を行う横方向経路Ｗｏとを有する。また、前記溶接軌跡は横断面Ｓａ上に２つ以上の溶接領域１１１～１１４を有する。【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、電気接点の接合構造、電気接点の接合方法及び前記電気接点の接合構造を含むバッテリーモジュールに関し、特に、２つの異なる材質の電気接点を有する接合構造に関し、前記接合構造は連続する溶接軌跡を有する。
先行技術、例えば、台湾特許第Ｍ２８５１２５号によれば、バッテリーモジュールを提案しており、該バッテリーモジュールは複数の異なる材質の金属導片を、バッテリーセル（ｂａｔｔｅｒｙ ｃｅｌｌ）の間や回路基板の間に設置し、抵抗溶接（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ）方式又ははんだ加工方式（Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ）により、複数のバッテリーセルを並列または直列に接合して、導通するバッテリーパックを形成する。
抵抗溶接法（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ）：異なる材料を溶接する場合、浸透させて溶接する必要があるが、不良率が高い。例えば、溶接棒の粘着、はんだ濡れ不良及び爆飛などが発生し、溶接速度が遅いと生産方式の材料に制限される。例えば、溶点の異なる材料の溶接配列を行う場合、溶接できないという問題がある。はんだ溶接法（Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ ｗｅｌｄｉｎｇ）：各溶接点は溶接材料として錫の糸はんだを使用する必要があり、錫資源と人的資源を消費し、環境汚染を増加させる。また、はんだ付け作業が遅いために、製造条件の不確実性、溶接方法と技術の不正確さにより、人為的なはんだ品質の問題（コールドはんだ、はんだスキップ、はんだボール、はんだドロス、はんだボールなど）を完全に解決して回避することは不可能である。しかし、上記の問題によりバッテリーパックが断線すると、ユーザーが携帯しているバッテリーモジュールは使用できなくなり、バッテリーパックがショートすると、バッテリーモジュールの安全性が大幅に低下する。
更に、接合方法の１つは、例えば、中国特許公開第ＣＮ１０８１４０４９４Ａ号によって提案されているシングルスポットレーザー溶接法である。シングルスポットレーザー溶接：非接触レーザー溶接技術を使用して、エネルギーを金属の表面に集中させ、シングルポイントレーザーを介して、２つの異なる金属を溶接することができる。しかし、溶接する２つの金属材料の特性の違いにより、溶接異常（弱溶接、金属導電片を損傷する深すぎる溶接など）が発生する。バッテリーパックがショートすると、バッテリーモジュールの安全性が大幅に低下する。
台湾特許第Ｍ２８５１２５ 中国特許公開第ＣＮ１０８１４０４９４Ａ
本発明の一実施形態によれば、接合構造における溶接過多現象を低減することができる電気接点の接合構造と、上記電気接点の接合構造の製造方法を提供することを目的とする。別の実施形態の目的は、電気接点の接合構造をバッテリーデバイスと回路担体間の接合構造として含むバッテリーモジュールを提供することにあり、はんだ盛りすぎ現象を低減することができる。別の実施形態の目的は、より安定性の高い電気接点の接合構造、前述の電気接点の接合構造を製造する方法、及び前述の電気接点の接合構造を含むバッテリーモジュールを提供することである。
本発明の実施形態によれば、導電部と電極片を含み、前記電極片が導電部に溶接された電気接点の接合構造を提供する。前記電極片は、第１金属材料であり、前記導電部は第２金属材料である。前記電極片と前記導電部との界面に溶接軌跡が形成され、前記溶接軌跡は前記第１金属材料と前記第２金属材料が混合されてなる。前記溶接軌跡は実質的に重ならない。更に、前記溶接軌跡は移動経路と、前記移動経路の横方向に揺れ移動または振動移動を行う横方向経路とを有する。また、前記溶接軌跡は横断面上に２つ以上の溶接領域を有する。
実施形態において、好ましくは、前記移動経路のパターンは、ＵＵ字型、Ｕ字型、Ｖ字型、III字型、ＩＩＩＩ字型、Ｍ字型、Ｗ字型、ＶＶ字型、Ｓ字型又はＩＩ字型である。
実施形態において、前記溶接軌跡の軌跡長さは０．５ｍｍより大きく、前記溶接領域は前記横断面上の幅は０．３ｍｍより大きい。
実施形態において、前記溶接軌跡が生成する溶接部の引張強度は、１Ｋｇｆより大きい。
実施形態において、前記溶接軌跡は、高エネルギー線を前記電極片と前記導電部との界面に照射することにより、前記第１金属材料と前記第２金属材料を混合する。実施形態において、前記回路担体はプリント回路基板であり、また前記導電部ははんだ層及び銅箔を含む。
本発明の実施形態によれば、前述の電気接点の接合構造と、少なくとも１のバッテリーデバイスと、回路担体とを含むバッテリーモジュールを提供する。少なくとも１のバッテリーデバイスは、前記電気接点の接合構造を含み、前記接合構造は電極片を含み、且つ前記電極片は前記少なくとも１のバッテリーデバイスの本体から延伸される。前記回路担体は、前記電気接点の接合構造を含み、前記接合構造は導電部を含む。前記横断面の法線方向は、前記電極片が前記少なくとも１のバッテリーデバイスから延伸する延伸方向に垂直ではない。実施形態において、前記横断面の法線方向は、前記電極片が前記少なくとも１のバッテリーデバイスから延伸する前記延伸方向に平行であることが好ましい。
実施形態において、前記電極片が前記少なくとも１のバッテリーデバイスから延伸する前記延伸方向は、前記移動経路のパターンの長さ方向である。
本発明の実施形態によれば、前述の電気接点の接合構造を製造するための電気接点の接合構造の製造方法が提供され、前記製造方法は、以下の工程を含む。高エネルギー線を前記電極片と前記導電部の界面に照射し、前記第１の金属材料と前記第２の金属材料を混合する。前記高エネルギー線を前記移動経路に沿って移動させる。そして、前記高エネルギー線を前記移動経路の横方向に揺動移動または振動移動させて前記横方向経路を形成し、前記溶接軌跡を形成する。
一実施形態において、高エネルギー線生成装置によって生成された前記高エネルギー線を使用する工程は、前記高エネルギー線生成装置から出力されるエネルギー範囲を７０～１００Ｗの電力とするように制御する工程と、及び、前記移動経路上で前記高エネルギー線を移動させる溶接速度を７０～９０ｍｍ／ｓｅｃとする工程、を含む。
以上より、本発明の実施形態の電気接点の接合構造は、溶接軌跡を有し、前記溶接軌跡は、第１金属材料と第２金属材料とを混合してなり、溶接軌跡は実質的に重ならず、また、前記溶接軌跡は横断面において２つ以上の溶接領域を有し、回路担体の最低部が損傷されることを減少できるとともに、第１金属材料と第２金属材料との間の溶接強度を改善できる。実施形態において、電気接点の接合構造は、バッテリーデバイスと回路担体間の接合構造として機能するようにバッテリーモジュールに用いることができる。
本発明の実施形態のバッテリーモジュールの分解図である。 図１実施形態のバッテリーモジュール内部の一部構造の平面図である。 本発明の複数の実施形態の接合構造の俯瞰図である。 図３の実施形態（ａ）、（ｄ）及び（ｃ）の接合構造の各部位の寸法である。 図３（ａ）実施形態の溶接軌跡のパターンの拡大図である。 本発明実施形態の溶接軌跡のパターンの拡大図である。 本発明の実施形態の金属接合構造の断面図である。 横方向の揺動移動を有し且つＭ字型を呈する溶接軌跡の俯瞰図である。 ６つの螺旋点のスポット溶接の溶接軌跡の俯瞰図である。 別の実施形態の横方向の揺動移動を有し且つＭ字型を呈する溶接軌跡の俯瞰図である。 一部重なりを有するＭ字型の溶接パターンの俯瞰図である。 図８Ａの重なり部の断面図である。
図１は本発明の実施形態のバッテリーモジュールの分解図である。図２は、図１の実施形態のバッテリーモジュールの内部の一部構造の平面図である。図１，２に示すように、本発明の実施形態によれば、バッテリーモジュール２００は、ケース２１０、接合構造３００、少なくとも１のバッテリーデバイス２２０及び回路担体２３０を含む。バッテリーデバイス２２０は少なくとも１のバッテリーセルを含む。実施形態において、前記少なくとも１のバッテリーセルは複数であってもよく、且つバッテリーデバイス２２０は、前記バッテリーセルの直列及び並列接続である。ケース２１０は収容空間２１４を画定しており、バッテリーデバイス２２０及び回路担体２３０を収容する。図２に示されるように、バッテリーデバイス２２０は接合構造３００により回路担体２３０に接続される。ケース２１０は、上蓋２１１、下蓋２１３及びフレーム２１２を含み、フレーム２１２は上蓋２１１と下蓋２１３の間に位置し、且つ前記収容空間２１４を画定している。
図２は、図１実施形態のバッテリーモジュールの内部の一部構造の平面図である。図２に示されるように、各バッテリーデバイス２２０は、負極片２２２と正極片２２１を含み、互いに分離されるようにバッテリーデバイス２２０の本体から延伸する。負極片２２２と正極片２２１は回路担体２３０の複数の導電部２３１に溶接され、且つ負極片２２２と回路担体２３０の導電部２３１との間及び正極片２２１と回路担体２３０の別の導電部２３１との間にそれぞれ接合構造３００を形成することにより、左側及び右側のバッテリーデバイス２２０を電気的に接続するとともに、バッテリーデバイス２２０の電力を回路担体２３０により外部に出力する。
本発明によれば、負極片２２２と正極片２２１の金属材料は同一であってもよく、また異なってもよい。実施形態において、バッテリーデバイス２２０はリチウムイオンコンデンサ、リチウムイオン二次電池であり、負極片２２２と正極片２２１が同一の金属材料である場合、電気化学的作用により一方が溶解するので、負極片２２２と正極片２２１は互いに異なる金属材料を含むことが好ましい。具体的に言えば、本実施形態において、正極片２２１はアルミニウムを含有し、負極片２２２は銅を含有する。回路担体２３０は回路板、金属板及び回路を含むアクリル板であってもよい。回路板はＰＣＢ板又はＢＭＳ制御ボードであってもよい。
負極片２２２と回路担体２３０の導電部２３１の接合構造３００において、負極片２２２は第１金属材料であり、回路担体２３０の導電部２３１は第２金属材料である。負極片２２２及び回路担体２３０の導電部２３１の界面において、溶接軌跡Ｌｆが形成される（後述する）。また溶接軌跡Ｌｆは前記第１金属材料と前記第２金属材料を混合してなる。本発明の実施形態によれば、接合構造３００を提供し、第１金属材料および第２金属材料を含み、かつ第１金属材料と第２金属材料の界面に溶接軌跡Ｌｆを形成する。第１金属材料と第２金属材料は、同一材料であってもよく、また異なってもよい。好ましくは、接合構造３００の材質は純金属片（例えば、銅－ニッケル、ニッケル－銅、銅－銅、ニッケル－ニッケルなど）間の結合であってもよく、または化合物合金（例えば、銅ニッケルメッキ、ニッケルメッキ鉄または銅ニッケル合金などの金属合金片）とニッケル、銀メッキ、金メッキ又は無電解ニッケル浸漬銀及び無電解ニッケル浸漬金などの金属片間の溶接材料であってもよい。
実施形態において、結合構造３００は高エネルギー線生成装置（図示せず）により生成された高エネルギー線により溶接し、好ましくは、レーザー溶接を利用する。実施形態において、高エネルギー線は光ファイバレーザー装置の照射光であってもよい。高出力レーザー溶接の設計において、主に、高出力レーザーを使用して、さまざまな溶接方法で連続的に溶接する。レーザーエネルギーの強さ、移動速度及び溶接されるものの外形寸法と材質形態の違いを利用し、精密な治具の使用を合わせて、２つの独立した金属片が界面溶着状態に達成し、バッテリーデバイス２２０の直列又は並列に使用することができる。実施形態において、被溶接物は２つの独立金属片（銅－ニッケル、ニッケル－銅、銅－銅、ニッケル－ニッケルなど）間の結合であってもよく、または化合物合金（ニッケルメッキ銅、ニッケルメッキ鉄または銅ニッケル合金などの金属合金片）とニッケル、銀メッキ、金メッキ又は無電解ニッケル浸漬銀及び無電解ニッケル浸漬金などの金属片間の溶接であってもよい。この結合構造３００は、バッテリーデバイス２２０及び回路基板間の接続に使用されることが好ましい。
図２に示されるように、実施形態において、結合構造３００は電気接点の結合構造であってもよく、バッテリーモジュール２００に使用され、結合構造３００は、導電部及び電極片を含む。本実施形態において、結合構造３００の導電部は回路担体２３０の導電部２３１であってもよい。しかし、本発明はこれに制限されず、他の実施形態において、結合構造３００の導電部は導電片、バスバー、導電性フレーム又は金属片などであってもよい。本実施形態において、結合構造３００の電極片は、バッテリーデバイス２２０の正極片２２１であってもよく、また負極片２２２であってもよい。
図３は、本発明の複数の実施形態の接合構造３００の俯瞰図である。図４は図３の実施形態（ａ）、（ｄ）及び（ｃ）の結合構造３００の各部位の寸法を示す。図５Ａは、図３の実施形態（ａ）の溶接軌跡のパターンの拡大図である。図５Ｂは本発明の実施形態の溶接軌跡のパターンの拡大図である。図３は複数の実施形態（ａ）～（ｆ）の溶接軌跡Ｌｆのパターンである。図３（ａ）～（ｆ）、図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、これら溶接軌跡Ｌｆは実質的に重ならず、溶接軌跡Ｌｆは移動経路Ｌｖ、及び移動経路Ｌｖの横方向に揺動（ｗｏｂｂｌｅ）移動または振動移動する横方向経路Ｗｏを有する。溶接軌跡Ｌｆの移動経路ＬｖのパターンはそれぞれＵＵ字型、Ｕ字型、Ｖ字型、III字型、ＩＩＩＩ字型（Ｍ字型、ＶＶ字型又はＷ字型であってもよい）、Ｓ字型及びＩＩ字型である。図３（ｄ）のレーザー軌跡は、４本の直線からなり且つ複数の正反対方向のＶ、Ｍ又はＷ字型の経路からなり、そしてこれら４本の直線の溶接軌跡Ｌｆは実質的に重ならない。
図４に示されるように、図４の実施形態（ｄ）のパターンの線幅は０．５±０．１ｍｍである。本発明によれば、図３の複数の実施形態（ａ）～（ｆ）の溶接有効領域は６ｍｍ×４ｍｍの空間内であり、溶接領域のサイズは約３ｍｍ×２ｍｍであり（必要に応じてサイズを微調整）、レーザー溶接の軌跡形態及び軌跡長さの特徴は、レーザー連続溶接軌跡が実質的に重ならない。実施形態において、レーザー連続溶接軌跡は独立し且つ単一である必要がある。実施形態において、溶接有効領域は７．８ｍｍ×４ｍｍの電極片、又は導電部の領域であってもよく、３ｍｍ×２ｍｍの溶接領域は溶接有効領域におけるいずれか１つの領域である。別の実施形態において、溶接有効領域は電極片及び導電部が重なる箇所であってもよく、３ｍｍ×２ｍｍの溶接領域は溶接有効領域のいずれか１つの領域である。
図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、実施形態において、溶接軌跡Ｌｆはレーザー連続溶接軌跡であってもよい。図５Ｂに示されるように、レーザーが動かないとき、それが形成する溶接領域Ｓｂはほぼ円形であり、その溶接領域Ｓｂの幅はｗｂである。更に具体的には、レーザーがほぼ円形の形状を呈しており、それが金属材料の表面に照射した後、熱が拡散し、溶接領域Ｓｂが形成される。レーザーが移動する時、例えば、レーザー中心点Ａからレーザー中心点Ｂに移動する時、溶接軌跡Ｌｆは連続の線を形成し、本発明において、レーザー中心点が形成される溶接軌跡Ｌｆは重ならず、異なる時間点のレーザーの熱拡散領域は重なることが好ましい。実施形態において、溶接軌跡Ｌｆはその軌跡長さが溶接領域Ｓｂの幅ｗｂより大きいことが好ましい。例えば、レーザー中心点Ａ及びレーザー中心点Ｂの間の溶接軌跡Ｌの軌跡長さの距離Ｌａｂは、溶接領域Ｓｂの幅Ｗｂより大きい。溶接軌跡Ｌｆの長さが溶接領域Ｓｂの幅ｗｂより小さい場合、レーザーは実質的に移動していないに等しく、１つの点が形成される。このように、引張強度が１Ｋｇｆより大きい溶接部分は形成できない。実施形態において、溶接領域Ｓｂの幅ｗｂは０．３ｍｍより大きい又は等しい。
実施形態において、溶接軌跡Ｌｆの軌跡長さは０．５ｍｍより大きいことが好ましい。実施形態において、溶接軌跡Ｌｆの引張テスト方向Ｄ（図２及び図５Ａに示される）の大部分（全ての部分が最適）の横断面Ｓａは２以上の溶接領域１１１－１１４を有し、且つ溶接領域１１１－１１４は、横断面Ｓａにおける幅が０．３ｍｍ以上である（横断面は２より多いまたは等しい溶接領域、及び溶接領域の横断面Ｓａにおける幅が０．３ｍｍより大きいまたは等しい）。所謂大部分とは半分以上のことを意味し、この他、実施形態において、溶接領域１１１－１１４が横断面Ｓａにおいてちょうど溶接領域Ｓｂの直径上に位置する場合、溶接領域１１１－１１４は横断面Ｓａの幅の寸法が実質的に溶接領域Ｓａの幅ｗｂに等しい。より好ましくは、図３の実施形態（ｂ）及び図５Ａに示されるように、溶接軌跡Ｌｆは方向Ｄのいずれか１の横断面Ｓａが２以上の溶接領域１１１－１１４を有していることである。図５Ａの実施形態において、溶接軌跡Ｌｆは、方向Ｄのいかなる横断面Ｓａは４つの溶接領域１１１－１１４を有する。実施形態において、好ましくは、溶接軌跡Ｌｆが生成した溶接部の引張強度は１Ｋｇｆより大きいことが好ましい（必要に符合するように引張強度は１Ｋｇｆより大きい）。図４（ａ）に示されるように、１つのＵ字型の幅Ｌ１は１．２±０．３ｍｍであり、その長さＬ３は２±０．８ｍｍである。２つのＵ字型の合計幅Ｌ２は３±０．８ｍｍであり、２つのＵ字型の中心線の間の距離Ｌ４は１．９±０．３ｍｍである。図５Ａに示されるように、横方向経路Ｗｏの２倍の振幅又は距離が最遠の２つの端点（実施形態において溶接軌跡Ｌｆの移動経路Ｌｖの線幅であってもよい）の距離Ｌ５は０．５±０．１ｍｍである。
図２及び図５Ａに示されるように、実施形態において引張テスト方向Ｄは負極片２２２又は正極片２２１がバッテリーモジュール２００から延伸する延伸方向である。実施形態において、横断面Ｓａの法線方向Ｎは引張テスト方向Ｄに垂直ではない。好ましくは、横断面Ｓａの法線方向Ｎは引張テスト方向Ｄに平行である。実施形態において、引張テスト方向Ｄ（負極片２２２又は正極片２２１がバッテリーデバイス２２０から延伸する延伸方向）は、溶接パターン（Ｕ、Ｉ又はＳ字型）の長さ方向である。図２に示されるように、テスト方向ＤはＵ字型の長さ方向である。実施形態において、テスト方向Ｄはバッテリーデバイスの長軸の延伸方向にほぼ平行である。実施形態において、テスト方向Ｄは電極片がバッテリーデバイス２２０を突出する延伸方向にほぼ平行である。実施形態において、溶接パターンの長さ方向は、前記パターン中の最長の長さを有する移動経路Ｌｖの延伸方向であってもよい。
図６は、本発明の実施形態における金属結合の断面図である。溶接材料の説明および効果は下記のとおりである。電気接点の接合構造３００中の前記電極片及び前記導電部の材質は、異なる製品に応じて、同質又は異質の材質金属であってもよく、ＰＣＢＡ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、プリント回路基板アセンブリ）に溶接される。図６に示されるように、結合構造３００の構造は、上から下へそれぞれ積層され、基材３０４、基板３０３、誘電体３０２、および担体３０１を含む。基材３０４の厚さｈ４は０．０５～０．２５ｍｍであり、基材材料は、ニッケル、銅、ニッケルめっき銅、銅ニッケル合金、ニッケルめっき鉄、及びアルミニウムであってもよい。基板３０３の厚さｈ３は０．１～０．６ｍｍであり、基板材料は、ニッケル、銅、ニッケルめっき銅、銅ニッケル合金、無電解ニッケル浸漬金（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｌｅ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｇｏｌｄ）および無電解ニッケル浸漬銀（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｎｉｃｋｌｅ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｓｉｌｖｅｒ）板であってもよい。誘電体材料ははんだであってもよく、そして誘電体３０２としてのはんだの厚さｈ２は０．０５から０．１５ｍｍであってもよい。担体材料は、ＰＣＢ、金属板、アクリルであってもよい。担体３０１の厚さｈ１は、０．５から１．５ｍｍであってもよい。
再度図５Ａを参照すると、溶接軌跡Ｌｆは、移動経路Ｌｖ上で移動すると同時に、移動経路Ｌｖの横方向に揺動（ｗｏｂｂｌｅ）移動または振動移動する横方向経路Ｗｏから構成される。移動経路Ｌｖは、溶接軌跡Ｌｆのパターンの主要形状を決定し、横方向経路Ｗｏは溶接軌跡Ｌｆのパターンの線の幅を決定する。本発明はパターンの主要形状を限定しないことに注意しなければならず、線形又は弧形であってもよい。線形は例えば双直線、三直線又は双直線と双斜線などであってもよい。そして弧形は、例えば２つのＵ、１つのＵ又はＳ線などの無端点で交差しないパターンであってもよい。具体的には、溶接軌跡Ｌｆのパターンの主な形状は、ＵＵ字型、Ｕ字型、ＩＩＩ字型、ＩＩＩＩ字型（好ましくはＭ字型またはＷ字型であってもよい）、Ｓ字型及びＩＩ字型などであってもよい。実施形態において、好ましくはＵＵ字型、Ｕ字型、Ｍ字型またはＷ字型、及びＳ字型などであり、これらパターンの移動経路Ｌｖは平行の線だけを含むのではないので、信頼性が高い。実施形態において、好ましくは、ＵＵ字型、Ｕ字型であり、このような字形レーザーの移動は容易に操作できる。移動経路Ｌｖの横方向の揺動（ｗｏｂｂｌｅ）移動または振動移動により、溶接面積が増加でき、引張強度も増加できる。この他、レーザーが移動経路Ｌｖ前進行方向及び横方向移動に収束するので、熱の累積が減少し過度な溶接が回避できる。
図７Ａは、横方向揺動移動を有し、且つＭ字型を呈する溶接軌跡の俯瞰図である。図７Ｂは、６つの螺旋点のスポット溶接の溶接軌跡の俯瞰図である。接合構造３００において、溶接軌跡Ｌｆのパターンは、過度に高い温度によるはんだ溶解現象（ｔｉｎ ｍｅｌｔｉｎｇ）が発生し、基板が脱落し不良品になることがある。熱電対温度記録計を使用して溶接軌跡Ｌｆの溶接シームの近傍を測定すると、溶接温度が最大値である。図７ＡのＭ字型溶接パターンの最高温度は８２．９℃である。図７Ｂの６つの螺旋点の溶接パターンの最高温度は２４７．８℃である。螺旋点の溶接パターンは、軌跡線と軌跡線の間のピッチが小さいので、温度が高くなる。螺旋点の溶接パターンは螺旋状パターンを利用して内から外へ連続して溶接し、且つ所望のスポット寸法が得られ、その軌跡線が密集するので、定点位置に熱凝集現象により温度が過度に高くなる。図７Ｃは、別の実施形態の横方向揺動移動を有し且つＭ字型を呈する溶接軌跡の俯瞰図である。図７Ｃの実施形態は、図７Ａの実施形態に類似し、両者の差異は、図７Ａの４本の溶接軌跡が不連続であり、図７Ｃの４本線の溶接軌跡は連続していることである、図７Ｃに示されるように、溶接軌跡Ｌｆもまた、過溶接を引き起こす重なりが実質的に存在しない限り連続状であってもよい。
実施形態において、銅材質は高反射材料に属するので、レーザー光の吸収率が低く、溶接において、銅と他の金属を貫通して溶接作業を行うためにより高いエネルギーが必要になる。ただし、銅の熱伝導率は良好なので、熱伝導により下層の被溶接物のはんだ層に影響を与えやすく、実施形態において、温度が２３０℃を超えると底部のはんだ層が溶解しはんだビーズやはんだドロスが生成され、溶接部位の安定性が損なわれ、電気的異常が発生する。図７Ｂの溶接パターンの最高温度が２４７．８℃であるので、溶接の安定性が不良となり且つ電気的異常現象が発生する。これに対して、本発明において、異なる溶接パターンを利用して、異なる表層温度の特性が生成され、最低部のはんだ層及びＰＣＢＡ銅箔が破壊されることなく、２つの金属材質溶接の溶接強度が制御できる。
図８Ａは、一部重なったＭ字型の溶接パターンの俯瞰図である。図８Ａにおいて円で囲まれた部分が重なった部分である。具体的には、熱拡散領域のほかに、そのレーザー線の中心点にも重なりが発生している。図８Ｂは図８Ａの重なった部分の断面図である。図８Ｂに示されるように、溶接軌跡Ｌｆの経路が重なっているので、同一位置が過度に溶接されることにより温度が非常に高くなり且つ溶接が過度に深くなりメルトスルーが発生し、下層の銅箔が損傷を受け電性不良が起こる。円柱型バッテリーの正極片又は負極片に導電部を直接溶接する場合、発生したメルトスルーにより破損の危険性さえ引き起こす可能性がある。これと比較して、本発明の実施形態において、図７Ａ及び図７Ｃに示されるように、溶接軌跡Ｌｆは実質的に重ならず、また溶接軌跡Ｌｆの経路は独立しており、最底部のはんだ層及びＰＣＢＡ銅箔を破損せずに、２つの金属材質溶接の溶接用度を制御できる。
結合構造３００において、溶接パターンの横断面の有効溶接数及び線径の太さは溶接強度に影響するので、溶接領域の個数は２点より少ない場合、引張強度不足が容易に発生し、脱落異常及び不安定なプロセス能力などの現象が発生する。
[引張強度テスト]
以下、銅０．１５とニッケル０．４、及び銅０．１とニッケル０．４の異なる比率の金属材料について、各種異なるパターンの溶接軌跡Ｌｆにより異なる接合構造３００を形成するとともに、これら接合構造３００について引張強度テストを行った。具体的には、比較例１は、図７Ｂの６点パターンであり、実施例１は図３（ｆ）のＩＩパターンであり、実施例２は図３（ｅ）のＳパターン及び実施例３は図３（ａ）のＵＵパターンであり、且つ前述の各実施例１～３又は比較例１の金属比は銅０．１５とニッケル０．４である。この他、実施例４は図３（ｆ）のＩＩパターンであり、実施例５は図３（ｃ）のＩＩＩパターンであり、実施例６は図３（ｄ）のＩＩＩＩパターンであり、そして実施例７は図３（ａ）のＵＵパターンである。また、前述の各実施例４～７の金属比は銅０．１とニッケル０．４である。同時にテストの結果を表１に示す。
Figure 2022008070000002
表１に示されるように、図７Ｂに表示された６つの螺旋点の溶接パターンは、その引張強度テストの最小値は１Ｋｇｆより小さい。従って、その溶接安定性は不良である。これと比較すると、本発明の表１の各実施例の溶接パターンはその引張強度がいずれも１Ｋｇｆより大きい。この他、表１中のＣＰＫはプロセス能力指標を意味し、数値が高いほど安定する。
本発明の実施形態によれば、前述の接合構造３００を製造する電気接点の接合構造３００の製造方法を提供し、前記製造方法は、以下の工程を含む。
工程Ｓ０２：高エネルギー線を利用して電極片と導電部が積層した界面を照射し、実施形態において、負極片２２２と回路担体２３０の導電部２３１が積層した界面であってもよく、負極片２２２の第１金属材料と回路担体２３０の第２の金属材料を混合することにより、材料混合部を形成する。
工程Ｓ０４：前記高エネルギー線を移動経路Ｌｖに沿って移動させる。
工程Ｓ０６：前記高エネルギー線を移動経路Ｌｖの横方向に揺動移動または振動移動を行うことにより横方向経路Ｗｏを形成し、溶接軌跡Ｌｆを形成する。
実施形態において、工程Ｓ０２の前記高エネルギー線生成装置が生成した高エネルギー線の工程は、以下の工程を含む。工程Ｓ２０：前記高エネルギー線生成装置の出力を制御するエネルギー範囲は７０～１００Ｗの電力である。及び工程Ｓ４０：移動経路Ｌｖ上で前記高エネルギー線を移動させる溶接速度は７０～９０ｍｍ／ｓｅｃである。この他、経路上の任意の単位時間での必要なエネルギーの電力は一定であり、且つ使用した電力は材料が変更されると変化するので、エネルギー範囲の電力は大きくなるほど溶接の移動速度が速くなり、エネルギー範囲の電力が小さくなるほど、溶接の移動速度は遅くなる。
以上より、本発明の実施形態の電気接点の接合構造によれば、溶接軌跡を有し、溶接軌跡の経路は重ならず、回路担体の最底部を損傷せずに第１金属材料と第２金属材料の溶接強度が改善できる。実施形態において、電気接点の接合構造はバッテリーモジュールに用いられ、そのバッテリーデバイスと回路担体間の接合構造とすることができる。実施形態において、溶接軌跡が横断面に２個以上の溶接領域を有し、これら溶接領域は前記横断面上の幅は０．３ｍｍより大きいことが好ましく、これにより引張強度テストの要求に符合し、溶接の安定性の不良が減少できる。実施形態において、回路担体はＰＣＢＡ銅箔であるので、回路担体の最底部のはんだ層及びＰＣＢＡ銅箔を損傷せずに、２つの金属材質溶接の溶接強度が改善できる。
１１１－１１４：溶接領域
２００：電池モジュール
２１０：ケース
２１１：上蓋
２１２：フレーム
２１３：下蓋
２１４：収容空間
２２０：バッテリーデバイス
２２１：正極片
２２２：負極片
２３０：回路担体
３００：結合構造
３０１：担体
３０２：誘電体
３０３：基板
３０４：基材
Ａ：レーザー中心点
Ｂ：レーザー中心点
Ｄ：引張強度テスト方向
Ｌｆ：溶接軌跡
Ｌｖ：移動経路
Ｓａ：横断面
Ｗｏ：横方向経路

Claims (10)

  1. 導電部と、前記導電部に溶接される電極片とを含む電気接点の接合構造であって、
    前記電極片は、第１金属材料であり、前記導電部は第２金属材料であり、
    前記電極片と前記導電部との界面に溶接軌跡が形成され、前記溶接軌跡は前記第１金属材料と前記第２金属材料が混合されてなり、
    前記溶接軌跡は実質的に重ならず、
    前記溶接軌跡は、移動経路と、前記移動経路の横方向に揺れ移動または振動移動を行う横方向経路とを有し、
    前記溶接軌跡は、横断面上に２つ以上の溶接領域を有することを特徴とする電気接点の結合構造。
  2. 前記移動経路のパターンは、ＵＵ字型、Ｕ字型、Ｖ字型、III字型、ＩＩＩＩ字型、Ｍ字型、Ｗ字型、ＶＶ字型、Ｓ字型又はＩＩ字型であることを特徴とする請求項１記載の電気接点の結合構造。
  3. 前記溶接軌跡の軌跡長さは０．５ｍｍより大きく、前記溶接領域は前記横断面上の幅は０．３ｍｍより大きいことを特徴とする請求項１記載の電気接点の結合構造。
  4. 前記溶接軌跡が生成する溶接部の引張強度は、１Ｋｇｆより大きいことを特徴とする請求項１～３のいずれか１に記載の電気接点の結合構造。
  5. 前記溶接軌跡は、高エネルギー線を前記電極片と前記導電部との界面に照射することにより、前記第１金属材料と前記第２金属材料を混合することを特徴とする請求項１～３のいずれか１に記載の電気接点の結合構造。
  6. 請求項１～５のいずれか１に記載の電気接点の結合構造と、
    前記電気接点の結合構造の前記電極片を含む少なくとも１のバッテリーデバイスと、
    前記電気接点の結合構造の前記導電部を含む回路担体と、
    を含むバッテリーモジュールであって、
    前記電極片は、前記少なくとも１のバッテリーデバイスの本体から延伸し、
    前記横断面の法線方向は、前記電極片が前記少なくとも１のバッテリーデバイスから延伸する延伸方向に垂直ではないことを特徴とするバッテリーモジュール。
  7. 前記横断面の法線方向は、前記電極片が前記少なくとも１のバッテリーデバイスから延伸する前記延伸方向に平行であることが請求項６に記載のバッテリーモジュール。
  8. 前記請求項１～５にいずれか１に記載の電気接点の結合構造の前記電極片は、前記少なくとも１のバッテリーデバイスから延伸する前記延伸方向が、前記移動経路のパターンの長さ方向であることを特徴とする請求項６記載のバッテリーモジュール。
  9. 請求項１～７のいずれか１に記載の電気接点の結合構造の製造に用いる電気接点の結合構造の製造方法であって、
    前記第１の金属材料と前記第２の金属材料を混合させる、高エネルギー線を前記電極片と前記導電部が積層した界面に照射する工程と、
    前記高エネルギー線を前記移動経路に沿って移動させる工程と、
    前記高エネルギー線を前記移動経路の横方向に揺動移動または振動移動させて前記横方向経路を形成し、前記溶接軌跡を形成する工程と、
    を特徴とする電気接点の結合構造の製造方法。
  10. 高エネルギー線を前記電極片と前記導電部が積層した界面に照射する工程は、
    高エネルギー線生成装置によって前記高エネルギー線を生成し、
    前記高エネルギー線生成装置から出力されるエネルギー範囲を７０～１００Ｗの電力とするように制御し、
    前記移動経路上で前記高エネルギー線を移動させる溶接速度を７０～９０ｍｍ／ｓｅｃとする
    ことを特徴とする請求項９に記載された電気接点の接合構造の製造方法。
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