KR102469202B1 - 박형 온도센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

박형 온도센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파우치형 EV 배터리와 같이 협소한 공간에 사용할 수 있도록 박형화가 가능하고 내구성을 확보할 수 있는 박형 온도센서 및 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 기판에 회로 패턴을 인쇄하는 PCB 패턴 인쇄단계; 상기 기판에 온도 센서소자가 장착되는 인서트 영역과, 상기 인서트 영역으로 상기 온도 센서소자를 밀어 넣을 수 있도록 상기 인서트 영역에 연결되고 상기 인서트 영역보다 큰 면적을 갖는 장착핀 작동영역을 각각 타공하는 PCB 타발단계; 상기 기판에 형성된 상기 인서트 영역으로 상기 온도 센서소자를 밀어 넣어 장착하고 상기 온도 센서소자를 납땜하는 온도 센서소자 납땜단계; 상기 기판에 일렬로 배열된 각 온도 센서소자를 개별 온도센서 어레이로서 커팅하고 단자에 와이어를 연결하는 와이어 납땜단계; 상기 와이어 납땜단계 이후에 상기 개별 온도센서 어레이의 개별 온도센서를 세척하고 그 표면에 절연코팅하는 코팅단계; 및 상기 코팅단계 이후에 절연코팅된 개별 온도센서에 대해 케이싱을 사출성형한 것을 특징으로 한다.

Description

박형 온도센서 및 이의 제조방법{Thin temperature sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 박형 온도센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 EV 배터리 등에 적용되는 전기 배터리용 박형 온도센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업은 현재 기존 내연기관에서 전기차(EV)로 바뀌는 대전환의 시대를 맞이하고 있다. 전기차의 부품은 여러가지가 있지만 핵심부품은 주전력을 담당하는 것은 전기 배터리이다.
이러한 전기차의 배터리는 고성능의 요건이 요구되고 있으며, 이를 위해 배터리의 성능향상과 더불어 화재 예방을 위한 최적의 온도센서도 요구되고 있다.
한편 최근 배터리는 기존 원통형 셀에서 공간 효율의 최적화를 위해 파우치 형태의 셀 베터리로 전환되는 추세이다. 파우치 형태의 배터리는 배터리 소재를 필름으로 패키징한 형태로 에너지 밀도가 높으며 전기차 업체가 요구하는 다양한 형태로 제작할 수 있는 장점이 있다.
그러나 종래의 파우치 형태의 배터리는 그 제조공정이 복잡하고, 전지 소재를 쌓은 후 패키징하는 구조적 한계로 인해 파우치 내부 공간이 협소하여 열관리가 쉽지 않다는 단점이 있다. 이와 같이 배터리의 열관리가 잘 이루어지지 않을 경우 방전 및 화재의 위험이 높아지는 문제가 있다.
따라서 이러한 파우치 셀 형태의 배터리에는 보다 협소한 공간에 적용할 수 있도록 설계된 박형의 온도센서가 요구되고 있다. 특히 통상의 전기 배터리는 특성상 일정온도 이상이 되면 배터리가 부풀어 오르는 현상(swelling phenomenon)이 발생하는데, 셀과 셀 사이에 위치하는 온도센서는 배터리의 부피팽창에 의해 가압되는 환경에 노출되므로 내구성 및 박형화가 동시에 요구되고 있다.
그런데 종래의 온도센서는 와이어에 서미스터(온도센서 소자)를 납땜하여 제조하는 방식으로 비교적 간단한 방식으로 생산이 가능하지만, 박형화가 어려운 구조적 한계로 인해 앞서 설명한 전기차 배터리용 센서로는 적합하지 않다. 즉 종래의 SMD(Surface Mount Device) 타입 온도센서는 PCB 표면에 SMD 소자를 납땜하여 제조하므로 PCB 두께에 센서 소자의 두께가 더해져 박형화가 어려운 구조적 한계가 있다.
한편 현재 시중에는 필름형 온도센서나 FPCB 등을 이용한 박형 온도센서가 있으나, 절연체의 구성이 필름으로 이루어져 있어, 외부충격에 취약하여 전기차 배터리용 온도센서로는 적합하지 않다. 더구나 필름형 온도센서는 작업자가 셀에 부착하여 설치되는데, 비교적 작은 외력에도 온도센서가 쉽게 파손되는 경우가 자주 발생되어 대부분의 제조사에서는 사용을 권장하지 않은 실정이다.
이와 같이 기존 온도센서가 내구성을 확보할 수 없어 손상이나 단락 등 오작동을 야기하면 배터리의 열관리가 어렵게 되어 방전 및 화재로 이어지는 문제가 있다.
<선행문헌 1> : 대한민국 실용신안등록 제20-0250373호(공고일자: 2001년 11월 16일)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 파우치형 EV 배터리와 같이 협소한 공간에 사용할 수 있도록 박형화가 가능하고 내구성을 확보할 수 있는 박형 온도센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 기판에 회로 패턴을 인쇄하는 PCB 패턴 인쇄단계; 상기 기판에 온도 센서소자가 안착되는 인서트 영역과, 상기 인서트 영역으로 상기 온도 센서소자를 밀어 넣을 수 있도록 상기 인서트 영역에 연결되고 상기 인서트 영역보다 큰 면적을 갖는 장착핀 작동영역을 각각 타공하는 PCB 타발단계; 상기 기판에 형성된 상기 인서트 영역으로 상기 온도 센서소자를 밀어 넣어 장착하고 상기 온도 센서소자를 납땜하는 온도 센서소자 납땜단계; 상기 기판에 일렬로 배열된 각 온도 센서소자를 개별 온도센서 어레이로서 커팅하고 단자에 와이어를 연결하는 와이어 납땜단계; 상기 와이어 납땜단계 이후에 상기 개별 온도센서 어레이의 개별 온도센서를 세척하고 그 표면에 절연코팅하는 코팅단계; 및 상기 코팅단계 이후에 절연코팅된 개별 온도센서에 대해 케이싱을 사출성형하는 단계를 포함하여 이루어진 박형 온도센서의 제조방법이 제공된다.
상기 인서트 영역은 상기 온도 센서소자의 면적보다 작은 면적으로 형성하고, 상기 인서트 영역이 형성된 주변 기판 영역에는 절개라인을 형성하여 상기 온도 센서소자가 상기 인서트 영역에 장착되면 상기 절개라인이 벌어지도록 구성하는 것일 수 있다.
상기 기판의 상부에 인서트 영역과 상기 인서트 영역보다 넓은 면적을 갖는 장착핀 작동영역이 서로 연결되도록 관통형성되고 상기 인서트 영역 내에 위치하고 상기 전극에 땜납으로 고정된 온도 센서소자; 상기 기판의 하부에 땜납으로 고정된 와이어; 및 상기 기판과 상기 온도 센서소자 전체를 덮도록 형성된 케이싱을 포함하여 이루어진 박형 온도센서가 제공된다.
상기 인서트 영역은 상기 온도 센서소자의 면적보다 작은 면적으로 형성되고, 상기 전극이 형성된 기판 주변에는 상기 온도 센서소자가 상기 인서트 영역에 장착되면 벌어지는 절개라인이 형성된 것일 수 있다.
상기 케이싱은 선단의 일부에 상대적으로 두께가 얇은 단차부를 구비하고, 상기 단차부의 양단에는 장착돌기가 형성된 것일 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 박형화된 구조와 내구성을 확보할 수 있는 구조로 제조될 수 있어 EV 배터리가 부풀어 오르는 현상이 발생되어도 온도센서 소자의 손상을 방지할 수 있어 센싱 불량이나 오작동을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 제조과정을 보여주는 순서도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 개별 온도센서의 어레이를 보여주는 상태도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 주요 구성을 보여주는 상태도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 땜납부와 케이싱을 보여주는 상태도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 측면도 및 평면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 절개라인을 보여주는 부분 확대도, 및
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 박형 온도센서의 제조방법에 대한 공정 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는다. 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 첨부된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 박형 온도센서는 파우치 베터리 조립체와 같이 배터리 셀 사이에 박형으로 설치되는 박형 온도센서를 제공한다.
구체적으로 도 1의 (a)는 PCB 패턴 인쇄 이후의 제품 사진, (b)는 PCB 타발 이후의 제품 사진, (c)는 온도 센서소자 장착 이후의 제품 사진, (d)는 온도 센서소자를 납땜한 상태의 제품 사진, (e)는 개별 온도센서 어레이를 세척한 상태의 제품 사진, (f)는 개별 온도센서 어레이의 표면에 절연코팅한 상태의 제품 사진, 및 (g)는 케이싱 사출단계 이후의 제품사진이다.
도 2를 참조하면, 상부 어레이 영역(15)의 하방으로는 다수 개의 개별 온도센서(10A)가 일렬로 배치되고, 상부 어레이 영역(15)에는 일정간격마다 상부 마운팅 홀(11)이 타발되어 있다. 이 상부 마운팅 홀(11)은 제조장치(고정핀)에 개별 온도센서 어레이를 고정시키도록 제공된다.
도 7을 참조하여 박형 온도센서 제조방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 주요 공정의 흐름은, PCB 패턴 설정단계(S10), PCB 타발단계(S20), 온도 센서소자 인서트 단계(S30), 온도 센서소자 납땜단계(S40), 와이어 납땜단계(S50), 세척 및 절연코팅단계(S60), 케이싱 사출단계(S70), 및 양품 검사단계(S80)의 순으로 이루어진다.
a) PCB 패턴 설정 단계는 PCB 두께를 설계에 맞게 아트웍(Art work)한다. b) PCB 타발단계는 SMD 소자나 베어칩(Bare chip) 소자와 같은 온도 센서소자(30)가 기판 몸체(10)의 내에 장착되도록 인서트 영역(21)을 타발한다. 이에 따라 PCB의 인서트 영역(21) 내에 온도 센서소자(30)가 위치한 상태로 고정되므로 기판의 두께가 증가되지 않고 박형화가 가능하게 된다. 또한 인서트 영역(21)의 하부에는 인서트 영역(21)보다 넓은 면적을 갖도록 장착핀 작동영역(22)이 타공된다. 여기서 장착핀 작동영역(22)은 작동핀이 관통되어 자동으로 온도 센서소자(30)를 인서트 영역(21)으로 밀어 넣을 수 있는 공간으로서 제공된다. 또한 PCB 타발은 3면 또는 4면의 공간을 확보한다. 따라서 본 발명은 예를 들어 SMD 써미스터를 표면실장하는 방식에 비해 PCB 두께의 증가없이 박형화가 가능하고, 특히 온도 센서소자(30)의 두께보다 기판 몸체(10)의 두께가 크므로 외력(측압)으로부터 온도 센서소자(30)를 보다 효율적으로 보호할 수 있다.
또한 바람직하게 인서트 영역(21)의 입구 측을 넓어지도록 형성하여 온도 센서소자(30)의 장착을 보다 용이하게 할 수 있다.
이와 같이 본 공정은 기판 몸체(10)에 형성된 인서트 영역(21)으로 온도 센서소자(30)를 밀어 넣어 장착한 다음에는 온도 센서소자(30)를 전극부(25)에 디핑하여 납땜함으로써 설치한다.
다음으로 기판 몸체(10)에 일렬로 배열된 각 온도 센서소자(30)를 개별 온도센서 어레이로서 커팅하고 단자부(26)에 와이어(40)를 연결하여 납땜한다(도 4의 (A) 참조).
와이어(40)의 납땜단계 이후에는 개별 온도센서 어레이의 개별 온도센서를 세척하고 그 표면에 UV 및 실리콘으로 절연코팅한다. 즉 기판에 온도 센서소자를 설치한 이후에 땜납영역에 UV나 실리콘 등의 절연재를 박막 코팅함으로써 습기나 다른 외부오염물로부터 부품을 보호할 수 있다.
다음으로 절연 코팅단계 이후에 절연코팅된 개별 온도센서에 대해 케이싱(40)을 사출성형하고 양품검사를 실시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 박형 온도센서는 회로 패턴이 인쇄된 기판 몸체(10)가 제공된다. 또한 기판 몸체(10)의 상부에 인서트 영역(21)과 인서트 영역(21)보다 넓은 면적을 갖는 장착핀 작동영역(22)이 서로 연결되도록 관통형성되고 인서트 영역(21) 내에 위치하고 전극부(25)에 땜납으로 고정된 온도 센서소자(30)가 제공된다. 그리고 기판 몸체(10)의 하부에 땜납으로 고정된 와이어(40)와, 기판 몸체(10)와 온도 센서소자(30) 전체를 덮도록 형성된 케이싱(50)이 제공된다.
여기서 온도 센서소자(30)는 통상의 SMD 서미스터나 베어칩(Bare chip) 등이 적용될 수 있다. 예를 들어 베어칩 형태의 온도 센서소자(30)는 전극이 기판의 앞뒤로 구성되어 기판을 타공하지 않으면 칩을 실장할 수 없는 구조로서 기판 타발시 양면 PCB를 구성하여 앞/뒤 전극을 납땜함으로써 기존 와이어 사용시보다 슬림하고 견고한 구조의 센서를 제조할 수 있다.
또한 개별 온도센서들에는 상부 마운트 홀(11)과 하부 마운트 홀(12)이 각각 형성되어 제조장치의 고정핀이 관통되어 연속적인 제조공정이 가능하게 된다.
도 5를 참조하면, 케이싱(50)은 몸체(51) 선단의 일부에 상대적으로 두께가 얇은 단차부(52)를 구비하고, 단차부(52)의 양단에는 장착돌기(53)가 형성된다. 이에 따라 배터리 셀 사이에 용이하게 삽입설치가 가능하고, 사용 중에 쉽게 분리되지 않도록 구성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 인서트 영역(21)은 온도 센서소자(30)의 면적보다 작은 면적으로 형성하고, 전극부(25)가 형성된 기판 몸체(10)의 주변에는 온도 센서소자(30)가 인서트 영역(21)에 장착되면 벌어지는 절개라인(25c)이 형성된다.
이는 기판 타발시 가공공차(오차율)을 감안한 것으로, 온도 센서소자(30)의 장착시 크기에 대한 오차(공차)에 기인한 미조립 문제를 해결하기 위한 것이며, 아울러 절개라인(25c)을 통해 인서트 영역(21)이 일정한 텐션을 갖게 되어 온도 센서소자(30)의 조립성능을 향상시켜, 추후 디핑(납땜)시온도 센서소자(30)가 인서트 영역(21)에서 쉽게 이탈되거나 누락되는 것을 잡아주는 가고정 역할도 기대할 수 있다.
한편 본 발명의 박형 온도센서는 기판이 표면에 부품이 실장되어 두께가 증가되는 것을 방지하여 다양한 사이즈나 형상의 박형 온도센싱 유닛에 적용할 수 있다. 또한 기판 상에 사출이 아닌 라미네이팅 기법을 통해 기판 표면에 필름을 부착함으로써 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 기존 SMD나 베어칩과 같은 다양한 온도 소자에도 적용이 가능하여 온도센서 제조시 범용성을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
10: 기판 몸체
10A: 개별 온도센서
11: 상부 마운팅 홀
12: 하부 마운팅 홀
15: 상부 어레이 영역
21: 인서트 영역
22: 장착핀 작동영역
25: 전극부
25C: 절개라인
26: 단자부
30: 센서 소자
40: 와이어
40s: 땜납부
50: 케이싱
51: 케이싱 몸체
52: 단차부
53: 장착 돌기

Claims (5)

  1. 회로 패턴이 인쇄된 기판;
    상기 기판의 상부에 인서트 영역과 상기 인서트 영역보다 넓은 면적을 갖는 장착핀 작동영역이 서로 연결되도록 관통형성되고 상기 인서트 영역 내에 위치하고 전극에 땜납으로 고정된 온도 센서소자;
    상기 기판의 하부에 땜납으로 고정된 와이어; 및
    상기 기판과 상기 온도 센서소자 전체를 덮도록 형성된 케이싱을 포함하고,
    상기 기판에 상기 온도 센서소자가 평판형을 이루도록 배치되며,
    상기 인서트 영역은 상기 온도 센서소자의 면적보다 작은 면적으로 형성되고,
    상기 전극이 형성된 상기 기판의 주변에는 상기 온도 센서소자가 상기 인서트 영역에 장착되면 벌어지는 절개라인이 형성된 것을 특징으로 하는 박형 온도센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱은 선단의 일부에는 상대적으로 두께가 얇은 단차부를 구비하고,
    상기 단차부의 양단에는 장착돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 박형 온도센서.
  3. 기판에 온도 센서소자가 평판형을 이루도록 배치된 박형 온도센서의 제조방법으로서,
    상기 기판에 회로 패턴을 인쇄하는 PCB 패턴 인쇄단계;
    상기 기판에 상기 온도 센서소자가 장착되는 인서트 영역과, 상기 인서트 영역으로 상기 온도 센서소자를 밀어 넣을 수 있도록 상기 인서트 영역으로부터 연장되는 장착핀 작동영역을 각각 타공하는 PCB 타발단계;
    상기 기판에 형성된 상기 인서트 영역으로 상기 온도 센서소자를 밀어 넣어 장착하고 상기 온도 센서소자를 납땜하는 온도 센서소자 납땜단계;
    상기 기판에 일렬로 배열된 각 온도 센서소자를 개별 온도센서 어레이로서 커팅하고 단자에 와이어를 연결하는 와이어 납땜단계;
    상기 와이어 납땜단계 이후에 상기 개별 온도센서 어레이의 개별 온도센서를 세척하고 그 표면에 절연코팅하는 코팅단계; 및
    상기 코팅단계 이후에 절연코팅된 개별 온도센서에 대해 케이싱을 사출성형하는 단계를 포함하고,
    상기 인서트 영역은 상기 온도 센서소자의 면적보다 작은 면적으로 형성하고,
    상기 인서트 영역이 형성된 상기 기판의 주변에는 절개라인을 형성하여 상기 온도 센서소자가 상기 인서트 영역에 장착되면 상기 절개라인이 벌어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 박형 온도센서의 제조방법.
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