JP4315757B2 - パック電池とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、小型電子機器等の電源に用いられるパック電池とその製造方法に関する。

近年、携帯電話やPDA、ポケットPCに代表される小型電子機器では、その電源としてリチウムイオン電池等を利用したパック電池が広く用いられている。
パック電池は、電池本体に対してPTC素子等の電子素子や出力端子を備えた回路基板を電気的に接続し、これらを外装ケースで密封した構成を有する。前記基板は例えばプリント基板からなり、当該プリント基板に配設された導電部が、複合金属からなるクラッド材を介して、電池本体の端子に接続されたリード板と溶接される。このとき、クラッド材は導電部とハンダ付けされ、クラッド材とリード板は抵抗溶接（例えばスポット溶接）される。
特開2003-17021号公報

しかしながら、クラッド材とリード板とを抵抗溶接する際、次のような問題を生じることがある。
すなわち図5に示すように、抵抗溶接を行う際には、溶接箇所にジュール熱を発生させるための溶接電極（例えばスポット棒）を、クラッド材の表面に対して重ね合わせたリード板の上から押圧する必要があるが、これとともに当該クラッド材の裏面をプリント基板の導電部とハンダ接合する構成の場合、前記溶接電極からのジュール熱を受けてハンダが高温で溶融状態となり、前記押圧による加圧力で周囲に飛爆し、ハンダボールや塵（いわゆるスポット塵）を発生することがある。このようなハンダボールや塵は、その発生当初は熱を帯びているので付着した部品を熱損失させる原因となる。さらにその発生後も、回路の配線におけるショートの原因となるので、発生した後にはこれを除去する必要がある。このようにハンダボールや塵の発生はパック電池の製造効率を低下させるとともに、パック電池の性能・信頼性を損なう元となりうる。

このハンダボールや塵の発生を防止する対策としては、溶接箇所の導電部を囲むように防護壁を設けることが考えられるが、パック電池のエネルギー密度を高める上ではパック電池内部に防御壁を設けるための十分なスペースを確保することが難しく、実際的な対策としては行いにくい。現在では、ハンダボールや塵の発生を防ぐために、抵抗溶接にかかる電流および加圧力を微調整して対応することもあるが、これも十分な対策とは言い難い。

このようなことから、パック電池ではその製造工程において改善の余地があると思われる。
本発明は以上の課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、クラッド材の溶接時にハンダボールや塵の発生を良好に防ぐことにより、優れた性能を発揮することが可能なパック電池とその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電池本体から延長されたリード部がクラッド材に接続され、当該クラッド材が回路基板の導電部と接続されてなるパック電池であって、前記クラッド材は、平板部と、当該平板部の周縁において前記平板部の平面方向と異なる方向に突出して形成された1以上の突出部と、を有し、前記突出部が回路基板に当接しつつ前記平板部の第一の主面が前記リード部と抵抗溶接されているとともに、平板部の第二の主面と導電部とがハンダ接合された構成とした。

具体的には、前記クラッド材は、矩形状平板部と、当該矩形状平板部の少なくとも一対の辺より互いに対称的に突出して形成された複数の突出部を有するものとすることもできる。
あるいは、前記クラッド材は、円形状または楕円状平板部と、当該円形状または楕円状平板部の周縁を囲むように形成された突出部を有するものとすることもできる。

また本発明は、電池本体から延長されたリード部をクラッド材に溶接するとともに、当該クラッド材を回路基板の導電部と溶接する溶接ステップを経るパック電池の製造方法であって、前記溶接ステップでは、平板部と、当該平板部の周縁において前記平板部の平面方向と異なる方向に突出して形成された1以上の突出部とを備えるクラッド材を用い、前記突出部を回路基板に当接させつつ、前記平板部の第一の主面を前記リード部と抵抗溶接するとともに、平板部の第二の主面と導電部とをハンダ接合するものとした。

より具体的には、前記溶接ステップでは、矩形状平板部と、当該矩形状平板部の少なくとも一対の辺より互いに対称的に突出して形成された複数の突出部を有するクラッド材を用いることもできる。
また、前記溶接ステップでは、円形状または楕円状平板部と、当該円形状または楕円状平板部の周縁を囲むように形成された突出部を有するクラッド材を用いることも可能である。

本発明によれば、クラッド材とリード部とを抵抗溶接する際、クラッド材の平板部は前記1以上の突出部が回路基板側に当接することによって支持される。このとき、平板部は回路基板と一定距離を置いて支持される構造となるので、平板部と回路基板の間に介在するハンダが、抵抗溶接時にスポット棒等から平板部に及ぶ加圧力を受けることが抑制される。その結果、ハンダが溶接のジュール熱を受けて溶融状態になっても加圧力を受けることがないので、ハンダボールや塵となって周囲に被爆するのが防止され、良好に抵抗溶接を行うことが可能となる。

このような溶接方法によれば、回路での短絡や素子の熱損失を回避して、優れた性能のパック電池を製造することができる。

（実施の形態1）
1-1.パック電池の全体構成
図1は、本発明の一適応例であるリチウムイオン二次電池を利用したパック電池の構成を示す組図である。
当該パック電池1は、ケース10A、10Bと、角形電池本体20と、保護回路基板30とから構成されている。

ケース10A、10Bは、例えばABS樹脂、PC樹脂など絶縁性に優れる樹脂材料を射出成形してなる外装用ケースであって、それぞれ長方形状の主面11A、11Bと、当該主面周囲を囲むようにリブ12A、12Bを有する。ケース10Bのリブ12Bの上部には、さらにケース10Aのリブ12A側面と密に接触するための上段リブ13Bが形成されている。
また、ケース10B主面11Bの保護回路基板30と対応する部位には、当該保護回路基板30に配設された各端子（正極端子、負極端子および信号端子）をそれぞれ外部に露出させるための露出窓110a、110b、110cが穿孔されている。このような形状を有するケース10A、10Bでは、内部スペースに角形電池本体20および保護回路基板30を収納したのち、互いに主面11A、11B裏側を対向して組み合わせ、リブ12A、12B、13Bにおいて接着を行い密封するようになっている。

角形電池本体20には、ここでは一例としてスリムタイプ角形外装体21を有するリチウムイオン二次電池を挙げている。このスリムタイプ角形電池は、比較的高エネルギー密度を実現できる点で優れていることからパック電池に多用されるが、本発明はこのようなスリムタイプ角形電池に限定するものではなく、円筒形電池など他の形状のものであってもよい。また、電池本体としては、リチウムイオン二次電池以外にもニッケル水素やニッケルカドミウム等、別の種類のものを用いることができる。さらにケース10A、10Bには、複数個の電池本体を収納するようにしてもよい。

角形電池本体20ではアルミ製の外装体21内部に、負極、セパレータ、正極を同順に重ねて巻回してなる電極体と、電解液が収納されており、当該外装体21の開口部が封口板22によって封口（具体的には封口板22周縁がレーザ溶接）されている。正極は封口板22中央の正極端子220と接続され、負極は外装体21底面、図1では紙面奥側に位置する側と接続されている。正極端子220内部には、電池内部の圧力異常上昇時に作動する安全弁が備えられている。

正極端子220および外装体21の底部には、帯状銅板を折り曲げてなるリード板23、24がスポット溶接により電気的に接続され、そのリード板23、24の各端部が溶接部230、240として、封口板22の長手方向両端から垂直に突出するように設けられている。このように電池本体20より延長されて設けられたリード板23、24の溶接部230、240は、溶接により保護回路基板30側と電気的に接続される。

1-2.保護回路基板周辺の構成
保護回路基板30は、例えばフレキシブルな長方形状のプリント基板31上の中央領域に、電子回路素子であるPTC（Positive Temperature Coefficient）素子32が配設された構成を持つ。また、前記PTC素子32の両側には、当該素子32と導通する導電部（導電ランド）310、320が配されている。なお、電子回路素子にはPTC素子以外のものを用いてもよい。導電部310、320は、金属薄膜を貼着することで配設してもよい。

保護回路基板30の裏面には複数のニッケルメッキ板、あるいはニッケル板が貼着され、導電部310、320のそれぞれに対応して不図示の正極端子、負極端子が形成されており、さらにPTC素子に対応する領域に不図示の信号端子が形成されている。
導電部310、320上には、異種金属材料間の電気的接続を行うバイメタルとしてのクラッド材33、34が配される。当該クラッド材33、34は平板部330、340において、リード板23、24の先端における溶接部230、240に対しては抵抗溶接され、一方で導電部310、320に対してはハンダ接合される。本発明ではこのクラッド材33、34の構成に特徴を有している。

図2は、クラッド材33の周辺構成を示す拡大断面図である。図2（a）は保護回路基板30を長手方向に切断したクラッド材33の周辺部分、図2（b）はクラッド材33周辺の組図である。
図2に示されるように、クラッド材33は一例として厚さ0.3mm〜0.5mm程度の長方形状のAl-Ni複合材をプレス加工してなるものである。溶接対象との親和性を考慮して、Al側がリード板23の溶接部230と対向され、Ni側が導電部310側と対向される。

そしてクラッド材33の形状としては、矩形状の平板部330と、当該平板部330の左右両側から、平板の平面方向と異なる方向（具体的には厚み方向）に向かってL字形クランク状に突出して曲げてなる突出部333R、333Lが形成されている。突出部333R、333Lは互いに前記平板部左右両側で対称的に設けられている。突出部333R、333Lのそれぞれは、立ち上げ部331r、331lおよび鍔部332r、332lから構成される。この突出部333R、333Lが保護回路基板30の導電部310と当接することで、平板部330が導電部310から一定の距離を保つように支持される。このとき、平板部330が垂直方向から加圧力を受けても、突出部333R、333Lの支持により良好にその形態を保持できるようになっている。

なお立ち上げ部331r、331lおよび鍔部332r、332lは図2（b）とは逆方向のL字形クランク状に形成してもよい。
平板部330の上方主面330Aはリード板23の溶接部230に対して、抵抗溶接、例えばスポット溶接により大電流を供給され、そのとき発生するジュール熱により互いに溶接される。また、平板部230の下方主面330Bは図2（b）に示すように、十分量のハンダ35が存在するようになっており、このハンダ35を利用した接合によって、下方主面330Bと導電部310とが電気的に接続される。このクラッド材33における抵抗溶接とハンダ接合は同時または別個のいずれで行ってもよい。

以上、クラッド材33周辺の構成について説明したが、クラッド材44周辺の構成も同様を持っている。
1-3.パック電池の製造時におけるクラッド材と抵抗溶接について
前記パック電池は、前記電池本体20と前記保護回路基板30とをリード板23、24を用いて接続し、これをケース10A、10Bに収納して密封することにより製造される。

このパック電池の製造工程において、本発明の主たる特徴は、前記クラッド材33、34を用いて抵抗溶接する点にある。以下では、このクラッド材33、34とリード板23、24とを抵抗溶接する工程について詳細を説明する。
クラッド材33、34とリード板23、24との抵抗溶接条件には、以下の設定をとることができる。もちろん、クラッド材の材質、厚み、サイズに合わせて適宜数値を変更してもよい。

抵抗溶接は、板状の溶接治具上に、プリント基板やクラッド材、リード板等の被溶接物を位置決めし、被溶接物の上方からスポット棒を押し当てて電流を流し発熱させ溶接する。
このとき、溶接電源に交流式を用いた場合、溶接用トランス1次側200V、2次側5Vになるようにタップを設定し、正弦波の前段1/2サイクルは通電角43.65°、後段1/2サイクルは通電角57.3°で通電開始する設定とする。

そして、被溶接物には、スポット棒により約50Nの圧力を印加させながら、設定した条件で通電する。
尚、これらの抵抗溶接条件は、使用する装置や、被溶接物などに応じて、適宜変更される。
このような溶接条件に基づき、クラッド材33、34とリード板23、24との抵抗溶接を行うが、例えばクラッド材33では、前述したように矩形状平板部330の左右両側における一対の辺からL字形クランク状の突出部333R、333Lが形成されているので、この突出部333R、333Lが導電部310と当接することで平板部330が支持され、平板部330と導電部310との間に一定の距離が保たれる。

この構成により、クラッド材33、34とリード板23、24をスポット溶接する工程において、スポット棒が平板部330、340を垂直方向から加圧しても、当該平板部330、340は突出部により支持されているので、その形態を保持し、ハンダボールおよび塵の発生を防止することが可能である。
具体的には、従来のスポット溶接では図5に示すように、溶接電極（スポット棒）による加圧力がリード板を介してクラッド材側に及んで、この加圧力がクラッド材と導電部の間のハンダにまで影響することがある。そしてこの加圧力の影響により、クラッド材がスポット溶接の大電流で発生したジュール熱等で溶融状態のハンダの中に沈み、押し出されたハンダが飛爆して、回路ショート等の原因となるハンダボールや塵を発生する危険性を有している。

これに対して本発明では図3に示すように、たとえスポット棒の加圧力がクラッド材33側に及んでも、平板部330が突出部333R、333Lによりしっかりと支えられて沈むことはなく、溶接工程中で形状変化や位置変化を起さない。これにより平板部330の裏主面330Bと導電部331との間に介在するハンダ35は、前記加圧力の影響を受けて押し出されることがなく保持される。したがって本実施の形態1では、前記クラッド材33を用いることにより、ハンダ35は良好に保持され、ハンダボールや塵の発生を抑えることができるので、電子部品が熱損失したり回路ショートが発生するのを回避でき、良好な導電性を維持しつつ電池本体20と保護電子回路30を接続することが可能となる。

さらに本実施の形態1では、上記理由から溶接ミスを防止して効率よく抵抗溶接を行えるので、歩留まりの低下を抑えて性能のよいパック電池1の製造が実現できる。特にクラッド材と導電部とをいったんハンダ接合し、しかる後にクラッド材とリード板とを抵抗溶接する場合、当該抵抗溶接のジュール熱によりハンダがリフローするが、このリフローによってハンダボールや塵が発生するのを効果的に防止することができる。また従来のように、ハンダボールや塵の発生を考慮して電流やスポット棒の加圧力を微調整する必要もないので、その分比較的簡単な設定により抵抗溶接を行うことが可能である。本発明の効果は、クラッド材と導電部とのハンダ接合とクラッド材とリード板との抵抗溶接を同時に行う場合のいずれにおいても良好に得ることができる。

2.クラッド材のバリエーション
上記実施の形態1のクラッド材では、矩形状の平板部と、一対の突出部を設けた形状を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、平板部と、少なくとも1つ以上の突出部を有する形状であればよい。
図4は、本発明のクラッド材のバリエーションを示している。

クラッド材の形状としては、図4（a）の基本形状のほかに、平板部周縁において1つの突出部を鍔として形成する図4（b）、図4（c）とすることができる。また、平板部を円形または楕円形とし、この周縁を囲むように鍔を形成する図4（e）、図4（f）のような構成も可能である。この図4（b）、図4（c）、図4（e）、図4（f）では、クラッド材がハンダを内部に包み込む形状であるため、抵抗溶接時にハンダがリフロー等により溶融状態となったとしても、ハンダボールの飛爆を非常に効果的に抑えることが可能である。また広範囲にわたって配設された鍔によって平板部が支持されるので、抵抗溶接時に及ぶ加圧力に対する機械的強度が強いといったメリットもある。

さらにクラッド材の形状としては、図4（g）に示すように、矩形状平板部の2対の辺のそれぞれにクランク状突出部を設ける構成としてもよい。この場合も、ハンダを外部より隔てて良好に包み込まれるので、ハンダボールの飛爆を確実に抑えることが可能である。また、4つの突出部により前記機械的強度も備えている。
さらにクラッド材の形状としては、前記クランク状突出部を矩形状平板部の四隅に設けた図4（d）の構成とすることもできる。また、クランク状突出部の他にも、例えばクラッド材が非常に小さく加工が難しい場合には、図4（h）に示すように、矩形状平板部の四隅に爪を形成し、机形とすることも可能である。このような形状であっても、実施の形態1とほぼ同様の効果が奏される。

なお本発明のクラッド材では、例えば平板部に1つのクランク状突出部を設けてもそれなりの効果が得られるが、この場合は突出部と基板の導電部を先に溶接しておき、これによって抵抗溶接のスポット棒からの加圧力に対する機械的強度を確保してから、抵抗溶接を行うようにすることが望ましい。
3.その他の事項
上記実施の形態では、パック電池の外装体として樹脂製ケースを用いる例を示したが、シュリンクフィルム等をケースとして用いてもよい。

また上記実施の形態では、矩形状の平板部とその一対の辺に設けた突出部を保護回路基板の長手方向に沿って設ける例を示したが、突出部は保護回路基板の幅方向に沿うように配設してもよい。
さらに上記実施の形態ではプリント基板を回路基板に用いる例を示したが、プリント基板に限定するものではなく、樹脂基板やベーク基板等を用いてもよい。

本発明は、例えばパック電池の製造方法において、電池本体とプリント基板との溶接に利用することができる。

本発明の一適応例であるパック電池の組図である。 クラッド材とリード板周辺の構成を示す拡大図である。 本発明の溶接工程を示す図である。 本発明のクラッド材のバリエーションを示す図である。 従来の溶接工程を示す図である。

符号の説明

1 パック電池
10A、10B ケース
20 電池本体
23、24 リード板
30 保護回路
31 プリント基板
32 電子素子（PTC素子）
33、34 クラッド材
35 ハンダ
230、240 溶接部
310、320 導電部
331r、331l 立ち上げ部
332r、332l 鍔部
333R、333L 突出部
330、340 平板部

Claims (6)

1. 電池本体から延長されたリード部がクラッド材に接続され、当該クラッド材が回路基板の導電部と接続されてなるパック電池であって、
   前記クラッド材は、
   平板部と、当該平板部の周縁において前記平板部の平面方向と異なる方向に突出して形成された1以上の突出部と、を有し、
   前記突出部が回路基板に当接しつつ前記平板部の第一の主面が前記リード部と抵抗溶接されているとともに、平板部の第二の主面と導電部とがハンダ接合された構成であることを特徴とするパック電池。
2. 前記平板部は矩形状であって、当該矩形状平板部の少なくとも一対の辺より互いに対称的に突出して複数の突出部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のパック電池。
3. 前記平板部は円形状または楕円状平板部であって、、当該円形状または楕円状平板部の周縁を囲むように突出部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のパック電池。
4. 電池本体から延長されたリード部をクラッド材に溶接するとともに、当該クラッド材を回路基板の導電部と溶接する溶接ステップを経るパック電池の製造方法であって、
   前記溶接ステップでは、
   平板部と、当該平板部の周縁において前記平板部の平面方向と異なる方向に突出して形成された1以上の突出部とを備えるクラッド材を用い、
   前記突出部を回路基板に当接させつつ、前記平板部の第一の主面を前記リード部と抵抗溶接するとともに、平板部の第二の主面と導電部とをハンダ接合することを特徴とするパック電池の製造方法。
5. 前記溶接ステップでは、矩形状平板部と、当該矩形状平板部の少なくとも一対の辺より互いに対称的に突出して形成された複数の突出部を有するクラッド材を用いることを特徴とする請求項4に記載のパック電池の製造方法。
6. 前記溶接ステップでは、円形状または楕円状平板部と、当該円形状または楕円状平板部の周縁を囲むように形成された突出部を有するクラッド材を用いることを特徴とする請求項4に記載のパック電池の製造方法。

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