JP6020182B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話やパソコンなどの小型電子機器の電源に用いられる電池パックに関し、とくに電池パックを電気的に保護する回路基板に関する。

近年、急速に普及しているビデオカメラ、モバイルコンピュータ、携帯電話機等の携帯電子機器の電源としては、充放電可能な非水電解質二次電池、例えばリチウムイオン二次電池等が主として用いられている。リチウムイオン二次電池は、正極と負極とをセパレータを介して対向させて構成した電極群及び非水電解質を金属製の外装ケースやフィルム外装体の容器に収納して構成される。代表的な素電池としては、外観形状を直方体形状とする角形電池、円柱形状とする円筒形電池、フィルム外装体においては、扁平形のパウチセル等がある。

例えば、扁平形のパウチセルは、ラミネートフィルムであるフィルム外装体を発電要素の両面に配設し、発電要素の外周で積層して、この積層部を熱溶着して密閉構造としている。フィルム外装体は、内蔵する電池要素を密閉することができる。
この扁平形のパウチセルを使用した電池パックの場合、この素電池の一側面に、過充電及び過放電を防止する保護回路や、素電池から外部へ電力を取り出し又は外部から電力を取り込むための入出力端子を有する回路基板を配置する。回路基板と素電池との間は接続用のリード板により電気的に接続されている。

この回路基板の一方の表面には、電池の過充電等を防止するために設けられるＩＣと、例えばＦＥＴや抵抗などの電子・電気素子が実装され、さらには、電子機器と電気的に接続される入出力端子が設けられている。また、回路基板に実装される複数の電子部品等は配線パターンにより電気的に接続されている。

また、この回路基板は、電池パックに内蔵される電池の正負の両電極と接続される外部接続端子部を備えている。従来では、この外部接続端子部は、回路基板の基材層表面に糊材層が形成され、糊材層の上に銅箔層が積層され、さらに、この銅箔層上に銅メッキ層が配されＮｉブロックが積層されて、Ｎｉブロックが回路基板上に表出して形成されている。電池の電極と接続されたリード板がＮｉブロックに積層され、リード板表面に一対の電極棒を押圧し、Ｎｉブロックとリード板とがスポット溶接され、電池と回路基板とを電気接続している。

基板上のランドはＮｉブロックが主流であったが、コスト削減を目的として、上記構成においてＮｉブロックを廃した構成が採用されている。図６は、回路基板の銅箔端子部と素電池に接続されたリード板とがスポット溶接されている構成を示した部分拡大断面図である。図６に示すように絶縁材料からなる基材層３１０と、この基材層３１０の表面に塗布された糊材層３２０を介して銅箔層３３０が基材層３１０に接着されており、さらに、銅箔層３３０の表面には、銅メッキが施され、その銅メッキ層３４０の表面に、レジスト層３５が形成されている。図６に示す回路基板では、この銅箔層３３０上の銅メッキ層３４０が露出した銅箔端子部３０Ｂに直接正極リード板４１を積層し、スポット溶接を行っている。

特開２０１２−８４５６９

上述の銅箔端子部３０Ｂに直接リード板４を積層し、リード板４表面にスポット溶接を行う構成の電池パックにおいて、電池パックが落下等による衝撃を受けた場合、その外的負荷によって、リード板４がスポット溶接された銅メッキ層３４０の接続部３４０Ｃがその周りの銅箔層３３０や銅メッキ層３４０から破れ剥がれ落ちることで、銅箔端子部３０Ｂとリード板４との電気接続が切れるという事態が生じ、電池パックが使用できない故障状態となる課題がある。なお、この従来例における銅箔層３３０の厚みは、３５μｍであり、銅メッキ層３４０の厚みは、２０μｍである。

そこで、本発明は、このような問題点を解決するために成されたものであり、回路基板の銅メッキ層にリード板が直接スポット溶接される構成において、銅メッキ層とリード板との接続強度を向上させた電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、素電池と、素電池と接続される回路基板とを備える電池パックにおいて、回路基板は、基材層と糊材層と銅箔層と厚みが３０μｍ以上の銅メッキ層とレジスト層とが順に積層されており、回路基板は、銅箔層と銅メッキ層とからなる銅箔端子部を備えており、銅箔端子部に素電池の電極端子、又は素電池の電極端子に接続されるリード板が積層され、スポット溶接によって銅箔端子部と素電池の電極端子、又は素電池の電極端子に接続されるリード板とが接続されていることを特徴とする。

本発明は、銅箔層の厚みが７０μｍ以上であることを特徴とする。

本発明は、回路基板は、銅箔端子部に隣接するように、銅箔層と銅メッキ層とレジスト層が積層されていない案内路が備えられていることを特徴とする。

本発明は、素電池は、発電素子をラミネート外装体によって封止した扁平形二次電池であることを特徴とする。

本発明の電池パックでは、銅箔端子部は、銅箔層上に厚みが３０μｍ以上の銅メッキが施されていることで厚みが増すため、リード板がスポット溶接される銅箔端子部の接続部とその周りの銅箔端子部との接合強度が増し、したがって、銅箔端子部の接続部とその周りの銅箔端子部とが破れ、剥がれることを防止できる。よって、電池パックが落下等による衝撃を受けた場合、その外的負荷によって、リード板がスポット溶接された銅箔層の接続部がその周りの銅箔端子部から破れ剥がれ落ちることを防ぎ、銅箔端子部とリード板との電気接続を維持し、電池パックの信頼性が向上することができる。

さらに、銅メッキを用いず銅箔層の厚みのみを増す場合においては、既存の銅箔層を用いることができず、生産コストが増大するという課題があるが、本発明の銅箔層に銅メッキを行う構成においては、既存の厚みの銅箔層を用いながら、銅箔端子部の厚みを増加させることができる。

また、電池パックに使用される素電池の本数の増減に応じて、電池パックの総重量が変化するため、リード板がスポット溶接された銅箔端子部の接続部とその周りの銅箔端子部とにかかる負荷が変化するが、そのような場合においても、銅メッキ層の厚みを適宜変更することで、リード板がスポット溶接された銅箔端子部の接続部とその周りの銅箔端子部との接合強度を調整することできる。また、本発明の銅箔層の厚みが７０μｍ以上となり
、銅箔端子部の厚みが、１００μｍ以上である構成においては、銅箔端子部とリード板との引張り試験において、リード板がスポット溶接される銅箔端子部の接続部とその周りの銅箔端子部とが剥離する荷重の平均値が２０Ｎ以上となり、電池パックの落下試験においても、リード板がスポット溶接された銅箔端子部の接続部がその周りの銅箔端子部から破れ剥がれ落ちることを防ぐことができる。

さらに、本発明の電池パックは、回路基板の銅箔端子部に隣接するように、銅箔層と銅メッキ層とレジスト層が積層されていない案内路が備えられている。この案内路は、銅箔端子部とリード板とがスポット溶接される際に、発生する溶接熱が銅箔層下の糊材層の一部を溶融させ、気化することで発生するガスを確実に案内することができる。このガス案内口によって、スポット溶接で発生するガスが、スポット溶接に使用される電極棒や加工治具に飛散することを確実に防止することができる。

本発明の実施例における電池パックの構成を示す正面図である。 本発明の実施例における電池パックの分解斜視図ある。 本発明における素電池に回路基板が接続された状態を示す斜視図である。 本発明における回路基板の平面図である。 回路基板の銅箔端子部と素電池に接続されたリード板とがスポット溶接されている状態を示す図３におけるＡ−Ａ線の断面図である。 従来例における回路基板の銅箔端子部と素電池に接続されたリード板とがスポット溶接されている状態を示す図５に対応する断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための電池パックを例示するものであって、本発明の電池パックを以下のものに特定するものではない。

本発明の電池パック１は、主として電子機器に装着されて、電子機器本体に電力を供給する。このような目的で使用される電池パック１は、１又は複数の素電池２と、素電池２の電極端子に接続されるリード板と、リード板を介して素電池２と接続される回路基板３とを備えている。この回路基板３は、素電池２の充放電時における電流及び電圧を制御し、素電池２に対する電気的な保護を行っている。特に、本発明は、素電池２の電極に接続されたリード板と回路基板３の銅箔端子部とをスポット溶接する際に利用されるものとして最適な構成を備えている。

本発明の電池パック１について図面を用いて説明する。
＜電池パック１の構成＞
図１は、本発明の電池パック１の実施例を示す斜視図であり、図２は、電池パック１の分解斜視図を示したものである。電池パック１は、ラミネートフィルムを外装体とし、正負の電極端子を備える素電池２と、この素電池２の電極端子に接続されるリード板と、リード板を介して素電池２と電気的に接続される回路基板３と、素電池２と回路基板３との間に配置される絶縁板５と、回路基板３を覆うように配置される絶縁シート５１と、絶縁シート５１を固定する絶縁テープ５２と、素電池２の表裏面にわたって貼着されるラベル６と、素電池２の裏面に貼着される定格ラベル７とを備えている。

また、回路基板３は、電子機器との接続を行うコネクタ線３Ｃが配置されており、絶縁シート５１には、コネクタ線３Ｃを表出させるスリットが設けられている。実施例の素電池２は、正極と負極とをセパレータを介して対向させて構成した発電要素と、非水電解質とをラミネートフィルムで構成される容器に収納したリチウムイオン二次電池である。こ
の素電池２は、1枚のラミネートフィルムを厚みのある四角形板状の発電要素の１側面で折り返して、この発電要素の１側面以外の３側面の外周において折り返されたラミネートフィルムを積層して、熱溶着して封止部を形成している。この構成によって、発電要素をラミネートフィルムで密閉構造としている。

さらに、３側面の封止部のうち対向する２側面の封止部は、発電要素側壁に沿うように折曲され、また、折曲されていない封止部は、発電要素の側面から突出するように位置しており、テラス部としている。このテラス部から突出するように、発電要素の正極に電気接続された正極端子２１と、発電要素の負極に電気接続された負極端子２２とが備えられている。なお、本実施例においては、扁平形のリチウムイオン二次電池を使用しているが、角形電池や円筒形電池のリチウムイオン二次電池を使用しても良い。また、リチウムイオン二次電池に限定されることは無く、ニッケル水素電池２や、ニッケルカドミウム電池等の充電できるすべての二次電池とすることができる。

図３に示すように、実施例では、正極リード板４１は、保護素子４３を介して素電池２の正極端子２１と電気的に接続されており、負極リード板４２は、素電池２の負極端子２２と電気的に接続されている。この保護素子４３は、素電池２の正極端子２１に接続される端子側リード板と、正極リード板４１に接続されるリード側リード板とを備えている。また、正極リード板４１は、Ｌ字状をしており、その一端は、保護素子４３のリード側リード板と接続され、その他端は、回路基板３の正極側の銅箔端子部に接続されている。また、負極リード板４２の一端は、素電池２の負極端子２２と接続されており、他端は回路基板３の負極側の銅箔端子部と接続されている。

実施例では、保護素子４３として、素電池２が発熱した際に、電気抵抗が上昇して電流を遮断する機能を備えているＰＴＣ素子を用いている。保護素子４３は、ＰＴＣ素子に限られずブレーカやヒューズを使用しても、素電池２の異常時における過電流を遮断することができる。

＜回路基板３の構成＞
図４に示すように、回路基板３の外形は、平面視において長方形の形状をした平板状である。この回路基板３の主な構成としては、絶縁材料からなる基材層３１と、この基材層３１の表面に塗布された糊材層３２を介して銅箔層３３が基材層３１に接着されており、銅箔層３３の表面には、銅メッキ施され、その銅メッキ層３４の表面には、レジスト層３５が形成される。この銅箔層３３は、回路基板３の電気回路を構成するため、銅箔の表面側に銅メッキ層３４ が形成された後に、銅メッキ層３４の上から回路形成部分をマスキングした後、マスキングされていない非回路形成部分の銅箔層３３および銅メッキ層３４がエッチングによって除去され、その後、マスク を剥離することによって、基材層３１ の表面に電気回路として機能する銅箔層３３が形成される。その後、エポキシ樹脂やシリコン等の絶縁材料からなる液状のソルダレジストが、塗布されレジスト層３５が形成される。

このソルダレジストは、導電ランドや銅箔端子部を除いた部分に塗布される。このレジスト層３５の厚みは、一般的に２０μｍ〜４０μｍである。図示はしないが、回路基板３の表面には、素電池の過充電及び過放電を防止するため、電流及び電圧を制御するＩＣ、ＦＥＴ、抵抗素子などの電子部品が実装されている。これらの電子部品の端子は、回路基板３の表面に露出する導電ランドとリフロー半田や、半田溶接によって電気接続され、また、これらの電子部品は、回路基板３の銅箔層による配線パターンによって電気接続され保護回路を形成している。

本実施例の回路基板３は、絶縁材料からなる基材層３１と、この基材層３１の表面に塗
布された糊材層３２を介して銅箔層３３が基材層３１に接着されており、さらに、銅箔層３３の表面には、銅メッキが施され、その銅メッキ層３４の表面に、レジスト層３５が形成された構成としている。図５で示すように、回路基板３の銅箔端子部３Ｂの構成は、基材層３１の表面に塗布された糊材層３２を介して銅箔層３３が基材層３１に接着されて、銅箔層３３の表面に銅メッキが施された構成としており、レジスト層３５が形成されていない構成となっている。

また、図３及び図４に示すように、銅箔端子部３Ｂは、素電池２の正極端子２１、負極端子２２と対向するように、回路基板３のレジスト層３５を備えた端縁を残して設けられている。他の実施例として、回路基板３の端縁に銅箔端子部を設けても良い。なお、基材層３１ の材料として、例えばポリフェニレンエーテル、ビスマレイドトリアジン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、液晶ポリマ、ポリノルボルネン、フェノール樹脂、ポリオレフィン樹脂等の有機材料、セラミック等の無機材料、或いはガラスエポキシ等の有機材料と無機材料の混合体等が用いられる。

また、糊材層３２における糊材の材質は、シリコンアクリル共重合体樹脂とアクリル酸エステル共重合体樹脂にシランカップリング剤を添加したものである。本発明に用いるシランカップリング剤は、ビニールトリメトキシシラン、ビニールトリエトキシシラン、トリス− （２−メトキシ・エトキシ） ビニールシラン、γ−（メタクリロキシプロピル）トリメトキシシラン等があげられる。耐熱性を有する樹脂へのシリコン系樹脂の添加
は、動的弾性率を上昇させて耐熱性を高める。しかし、弾性率を著しく上昇させるので、剥がれやすくなる。そのため追加で添加するシランカップリング剤は、５質量％ 以下に抑えることが望ましい。糊材層３２の厚みは、0.05ｍｍ〜0.1ｍｍであることが、銅箔層３３と基材層３１との接着において良好である。

この銅箔端子部３Ｂ上に素電池２の正極端子２１、負極端子２２に接続されたリード板４の他端が、積層されて、スポット溶接されることによって、リード板４の他端と銅箔端子部３Ｂの表層である銅メッキ層３４とが溶着して接続部３４Ｃが形成される。このリード板４の材質としては、ＮｉやＮｉ合金、又は、ＦｅにＮｉメッキを施したものであり、スポット溶接によって、銅メッキ層と溶着する材質であればよい。

本実施例の銅箔層３３は、一般的な回路基板３において用いられるものであり、その厚みは、１７μｍ、３５μｍ、７０μｍの厚みの異なる３種類の中から適宜選択することができ、この銅箔層３３上に施される銅メッキの厚みについても、適宜変更することができる。また、実施例では、この銅箔端子部３Ｂの大きさは、縦３ｍｍ、横８ｍｍの大きさであるが、銅箔端子に接続されるリード板の大きさ等の関係によって、適宜変更可能である。

実施例の銅箔層３３は、３５μｍ、７０μｍの２種類の厚みのものを用意し、実施例の銅メッキ層３４は、３０μｍの厚みとし、従来例の銅箔層３３０は、３５μｍとし、銅メッキ層３４０は、２０μｍとした。これらの２つの実施例と従来例における銅箔端子部３Ｂ、３０Ｂとリード板４とをスポット溶接した場合における剥離強度の実験結果を表１に示した。この実験においては、回路基板３の銅箔端子部３Ｂ、３０Ｂにスポット溶接されたリード板４が接続された状態で、回路基板３を固定し、リード板４を銅箔端子部３Ｂ、３０Ｂから離反する方向に荷重をかけ始め、接続部３４Ｃ、３４０Ｃとその周りの銅箔端子部３Ｂ、３０Ｂとが完全に剥離する時点での荷重を測定した。なお、銅箔層３３、３３０と銅メッキ層３４、３４０との厚み以外は、全て等しい条件で行った。

従来例と２つの実施例について、銅箔層３３、３３０と銅メッキ層３４、３４０と銅箔端子部３Ｂの厚みについて以下に示した。
従来例（銅箔層３５μｍ＋銅メッキ層２０μｍ＝銅箔端子部の厚み５５μｍ）、
第１実施例（銅箔層３５μｍ＋銅メッキ層３０μｍ＝銅箔端子部の厚み６５μｍ）、
第２実施例（銅箔層７０μｍ＋銅メッキ層３０μｍ＝銅箔端子部の厚み１００μｍ）
実験は、以上の３つの厚みの異なる銅箔端子部３Ｂについて、それぞれ１０回ずつ繰り返し剥離強度の実験を行った。表１では、上述した実験の剥離時の荷重の１０回分の各値と、１０回分の各値の最大値と最小値と１０回分の各値の平均値について示した。

下記の表１から、銅箔層３３と銅メッキ層３４を合わせた総厚みが厚い銅箔端子部３Ｂの方が、接続部３４Ｃとその周りの銅箔端子部３Ｂとが完全に剥離する時点での荷重が大きくなり、接続部３４Ｃとその周りの銅箔端子部３Ｂとの接合強度が増していることが確認できた。また、従来例と第１実施例とでは、銅箔層３３、３３０が３５μｍと同じ厚みであるが、銅メッキ層３４０の厚みが従来例では２０μｍであり、第１実施例の銅メッキ層３４が３０μｍと異なっていることで、表１で示すように、剥離時の荷重の最大値と最小値と平均値のすべてにおいて接合強度が向上していることから、銅メッキ層３４の厚みを厚くすることで、リード板４がスポット溶接される銅箔端子部３Ｂの接続部３４Ｃとその周りの銅箔端子部３Ｂとの接合強度を向上させることができる。

なお、従来例における銅メッキ層３４０の厚み２０μｍは、回路基板３の銅箔層３３０に通常塗布されている厚みである。この実験結果より、銅箔端子部３Ｂの銅箔層３３の厚みを増す場合コストが増大するため、銅メッキ層３４の厚みをより厚くすることによって、銅箔層３３と銅メッキ層３４の総厚みを厚くし、リード板４がスポット溶接される銅箔端子部３Ｂの接続部３４Ｃとその周りの銅箔端子部３Ｂとの接合強度を向上させることができる。第１、２実施例では、銅メッキ層３４は、３０μｍであるが、それ以上の厚みの銅メッキを施すことは可能である。また、本実施例では、従来例で用いられている２０μｍの銅メッキ層３４０の厚みを厚くする方が、銅箔層３３０を厚くする場合と比較しコストを低減することができる。

実施例においては、銅箔層３３の表面に塗布される銅メッキは、無電解銅メッキ法によって銅メッキが形成される。ただし、銅メッキについては、無電解銅メッキ法に限られず、電解銅メッキ法を用いてもよい。

素電池２の電極に接続されたリード板４は、回路基板３の銅箔端子部３Ｂ上に配置されて、リード板４上に電極棒を当接させて通電させてスポット溶接を行うことで、リード板４と銅箔端子部３Ｂとの接続を行っている。このスポット溶接時には、電極棒には１．５ｍＳ秒間に１．４ＫＡ〜１．５ＫＡの大電流が通電し、リード板４と銅箔端子部３Ｂとをスポット溶接を行う際に、リード板４を介して銅メッキ層３４及び銅箔層３３にスポット電流が流れ、この銅箔層３３に流れるスポット電流による発熱によって、銅箔層３３下の糊材層３２が一部溶融し、気化することがある。さらに、銅箔層３３下の糊材層３２が一
部溶融し、気化した糊材が飛散することで、電極棒やスポット溶接に使用される機材等に付着するため、一定回数の使用毎に電極棒やそれら機材等に付着した糊材を取り除くか、交換する必要が生じ、作業工程が増加するという課題がある。

そこで、図５に示すように回路基板３は、銅箔端子部３Ｂに隣接するように、銅箔層３３と銅メッキ層３４とレジスト層３５が積層されていない切り欠きを形成し、この切り欠きを案内路３Ａとして、スポット溶接時に発生する気化した糊材の通路として機能させる。この案内路３Ａによって、特定の方向に気化した糊材を案内できるため、気化した糊材が飛散し、電極棒やスポット溶接の機材等に付着することを防止できるという効果を備える。図３及び図４に示すように、本実施例では、案内路３Ａは、銅箔端子部３Ｂの二つの長辺のうち、基板内側の長辺に隣接して設けられており、案内路３Ａは、回路基板３の内側に向かって配置されている。また、案内路の大きさは縦２ｍｍ、横２ｍｍであるが、銅箔端子部の大きさによって適宜変更することが可能である。

本実施例においては、発電素子をラミネート外装体によって封止した扁平形二次電池の電極に接続されたリード板４と回路基板３の銅箔端子部３Ｂとのスポット溶接について記述したが、本発明の電池パック１は、内蔵する素電池を扁平形二次電池に限定されるものではなく、角形二次電池や円筒型二次電池であっても良い。

本発明に係る電池パックは、例えばノート型コンピュータ、携帯電話、スマートフォン、ポータブルＤＶＤプレイヤー、携帯型ＧＰＳ、トランシーバー等の小型電子機器の主電源として幅広く利用できる。或いは、パワーアシスト自転車や電動工具等、比較的大きな機器にも適応できる。本発明は、いずれの用途においても、電池パックにおける回路基板のコスト削減に有効である。

１ …電池パック
２ …素電池
２１ …正極端子
２２ …負極端子
３ …回路基板
３１、３１０ …基材層
３２、３２０ …糊材層
３３、３３０ …銅箔層
３４、３４０ …銅メッキ層
３５、３５０ …レジスト層
３４Ｃ、３４０Ｃ…接続部
３Ａ …案内路
３Ｂ、３０Ｂ …銅箔端子部
３Ｃ …コネクタ線
４ …リード板
４１ …正極リード板
４２ …負極リード板
４３ …保護素子
５ …絶縁板
５１ …絶縁シート
５２ …絶縁テープ
６ …ラベル
７ …定格ラベル

Claims (4)

1. 素電池と、前記素電池と接続される回路基板とを備える電池パックにおいて、
   前記回路基板は、基材層と糊材層と銅箔層と厚みが３０μｍ以上の銅メッキ層とレジスト層とが順に積層されており、
   前記回路基板は、前記銅箔層と前記銅メッキ層とからなる銅箔端子部を備えており、
   前記銅箔端子部に前記素電池の電極端子、又は前記素電池の電極端子に接続されるリード板が積層され、スポット溶接によって前記銅箔端子部と前記素電池の電極端子、又は前記素電池の電極端子に接続されるリード板とが接続されていることを特徴とする電池パック。
2. 前記銅箔層の厚みが７０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記回路基板は、前記銅箔端子部に隣接するように、前記銅箔層と前記銅メッキ層と前記レジスト層が積層されていない案内路が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電池パック。
4. 前記素電池は、発電要素をラミネート外装体によって封止した扁平形二次電池であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電池パック。
   

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