Soluções de soldagem a laser para barramentos CCS: possibilitando produção de baterias de alta{0}}eficiência

A Kingslaser desenvolveu um processo seco baseado-em laser para fabricação de circuitos FPC e abertura de janela de pad com uma largura de linha tão fina quanto 10 μm. Essa tecnologia permite emendas de alta{3}}precisão em aplicações de formatos ultra{4}}grandes-, reduzindo a poluição química, simplificando processos, encurtando ciclos de produção e reduzindo custos de mão de obra.

Para resolver a dependência da montagem manual de terminais de níquel e alumínio nos métodos tradicionais de CCS, a Kingslaser introduziu um novo design usando abas estendidas de folha de cobre. Essas abas são compatíveis com metais ultra{1}}finos (menores ou iguais a 35 μm), incluindo ligas de cobre-cobre, cobre-alumínio e cobre{3}}alumínio.

Usando soldagem a laser, as abas de folha de cobre podem ser ligadas com eficiência aos barramentos de alumínio. Esta inovação elimina a montagem manual, melhora a automação e melhora a confiabilidade do processo.

Com o rápido desenvolvimento da nova indústria global de energia e o crescimento explosivo do mercado de veículos elétricos, a tecnologia de baterias, como componente central de condução de veículos elétricos, tem feito avanços contínuos em termos de alta segurança, alta integração, design leve e redução de custos. Ao mesmo tempo, a selecção de materiais e os processos de fabrico do CCS (Cells Contact System, barramentos integrados), um componente chave no sistema de baterias, também têm sido constantemente actualizados para satisfazer as crescentes exigências de integração geral do veículo e complexidade do sistema de baterias.

Figura 1. Os barramentos integrados CCS são um dos principais componentes do sistema de bateria de energia

Atualmente, o CCS serve principalmente para amostragem de sinal e funções de coleta de corrente. Seus componentes de aquisição de sinal apresentam tendência à diversificação, incluindo principalmente:

◎ Pacotes de Cabos: Tradicionais mas confiáveis, com estruturas complexas e baixa integração;
◎ Circuito Impresso Flexível (FPC): Baseado em filme de poliimida ou poliéster, oferecendo excelente flexibilidade e estabilidade, é uma das soluções convencionais da atualidade;
◎ Cabo Plano Flexível (FFC): Estrutura simples, baixo custo, adequado para design leve;
◎ Placa de circuito moldado flexível (FDC): adiciona tecnologia de moldagem ao FPC, proporcionando adaptabilidade tri-dimensional mais forte;
◎ Cabo plano flexível (FFC) conectado ao circuito moldado flexível (FCC): Integra FFC com FPC/FDC, melhorando a flexibilidade estrutural e a eficiência da conexão, tornando-o uma solução inovadora atualmente em uso.

A exploração e coexistência de múltiplas rotas técnicas visam principalmente a redução do custo global dos produtos CCS, nomeadamente na parte de amostragem do BMS (Battery Management System), que representa aproximadamente 55% do custo total. Como resultado, a tecnologia de aquisição de sinais de alta-integração e baixo{3}}custo tornou-se um foco principal de pesquisa e desenvolvimento.

Neste contexto, a Kingslaser tem se concentrado em inovações em tecnologia de circuitos flexíveis desde 2023, propondo duas soluções críticas de melhoria de processos para melhorar o desempenho e a atualização de fabricação do CCS:

● Processo totalmente seco para fabricação rápida de FPC

Este processo utiliza tecnologia completa de processamento a laser para completar etapas críticas, como gravar padrões de circuito FPC e abrir janelas de filme PI. Comparado aos processos úmidos tradicionais, simplifica significativamente o fluxo de trabalho de fabricação, elimina o uso de reagentes químicos e oferece vantagens em termos de respeito ao meio ambiente, eficiência energética e alta produtividade. Atualmente, a Kingslaser concluiu o projeto do processo de segunda-geração e obteve patentes relevantes.

● Pesquisa de tecnologia de soldagem a laser de cobre-alumínio

Em resposta ao gargalo no CCS tradicional, onde o FPC é conectado a barramentos de alumínio por meio de niquelagem ou moldagem por injeção, a Kingslaser propôs uma nova solução usando soldagem direta a laser para conectar o FPC aos barramentos de alumínio. Esta abordagem elimina materiais de conexão intermediários, simplifica a estrutura, reduz custos e melhora a consistência da fabricação. A tecnologia foi desenvolvida no início de 2024 em resposta a um pedido de uma empresa listada e obteve resultados preliminares de validação.

Em resumo, como um componente crítico nas baterias, o nível de design e fabricação do CCS impacta diretamente o desempenho e o custo dos veículos elétricos com novas energias. A exploração de múltiplas soluções para módulos de aquisição de sinais e a implementação de novas tecnologias significam que o CCS está avançando em direção a maior eficiência, maior integração e custos mais baixos.

Circuito Impresso Flexível (FPC), comumente referido como "placa flexível", é uma placa de circuito impresso que usa materiais isolantes flexíveis como base e alcança funcionalidade eletrônica por meio de padrões de circuito precisos. Ela oferece inúmeras vantagens em relação às placas de circuito rígidas tradicionais, como excelente flexibilidade, estrutura leve e desempenho elétrico superior. Como resultado, os FPCs são amplamente utilizados em terminais inteligentes, dispositivos vestíveis, equipamentos médicos e veículos de novas energias, tornando-os uma base fundamental para alcançar a miniaturização, o design leve e a integração em produtos eletrônicos modernos.

O FPC oferece excelente flexibilidade, permitindo flexão, dobramento e enrolamento livres para se adaptar a layouts de espaço tri-dimensionais, possibilitando a integração da montagem de componentes e conexão de fios. Devido à sua estrutura fina e leve, o FPC reduz significativamente o tamanho e o peso dos dispositivos eletrônicos, atendendo à demanda por alta-densidade e design compacto na eletrônica moderna. Além disso, o FPC oferece boa dissipação de calor, forte soldabilidade e fácil instalação, proporcionando desempenho geral superior. Em particular, a estrutura rígida-flexível compensa ainda mais as limitações dos circuitos flexíveis em termos de capacidade-de carga.

Figura 2. Fotografia de um FPC

No entanto, a fabricação de FPC também apresenta alguns desafios. Como os circuitos flexíveis normalmente são projetados-personalizados, eles envolvem requisitos mais elevados de projeto e processo, resultando em um investimento inicial significativo e custos iniciais-muito maiores em comparação com PCBs padrão. Além disso, uma vez concluída a produção, as modificações são difíceis de implementar, muitas vezes exigindo ajustes nos desenhos de base ou fotoplotagens, e o processo de reparação das camadas de cobertura também é complexo. Além disso, a natureza dos materiais flexíveis limita a escalabilidade na produção em massa, e o processo de fabricação exige um manuseio extremamente preciso.-qualquer manuseio incorreto pode causar danos ao circuito ou falha funcional.

Para superar as limitações dos processos de fabricação tradicionais, a Kingslaser tem se dedicado ao desenvolvimento de tecnologia de fabricação FPC baseada em laser desde 2004. Naquele ano, quando entregou a primeira máquina de corte de contorno a laser FPC da China, equipamentos estrangeiros semelhantes custaram até 5,5 milhões de RMB. A Kingslaser, contando com pesquisa e desenvolvimento independente, concluiu com sucesso a entrega a um preço de cerca de 1,5 milhão de RMB, quebrando o monopólio estrangeiro e marcando o início da aplicação de equipamentos laser domésticos no campo da fabricação de eletrônicos flexíveis. Notavelmente, a máquina foi a primeira a adotar um motor linear importado da HIWIN Technologies de Taiwan naquela época, combinado com um sistema galvanômetro, estabelecendo uma estrutura pioneira de processamento a laser "motor linear + galvanômetro" que melhorou significativamente a precisão do processamento e a velocidade de resposta.

Com base nesta base, a Kingslaser continuou a desenvolver tecnologias de fabricação verdes para circuitos flexíveis, propondo um processo rápido de produção de FPC baseado no conceito de fabricação totalmente a seco. Centrado no processamento a laser, esse método elimina diversas etapas complexas encontradas em processos úmidos tradicionais-como gravação, revelação e limpeza química-e estabelece um novo fluxo de trabalho de fabricação centrado no processamento contínuo a laser "rolo-a-rolo". Em comparação com os métodos convencionais, o novo processo começa com o desenrolamento da matéria-prima, seguido pela abertura da janela a laser, padronização do circuito a laser e corte do contorno, alcançando verdadeiramente um modelo de fabricação verde, livre de reagentes químicos, águas residuais e emissões de gases de escape.

O processo tradicional de fabricação de FPC não é apenas complexo e{0}}ocupa muito espaço, mas também depende muito de reagentes químicos, resultando em um impacto ambiental significativo. Requer intervenção manual substancial, levando a longos ciclos de produção e alto consumo de energia. Por outro lado, a tecnologia de processo-seco da Kingslaser simplifica muito o fluxo de produção, integrando diversas etapas por meio de processamento a laser de alta-precisão, permitindo um método totalmente automatizado, altamente eficiente e com poluição-zero para fabricação de circuitos flexíveis. Especialmente na configuração de produção contínua rolo{7}}a{8}}rolo, o equipamento a laser pode se integrar perfeitamente com sistemas de manuseio de materiais upstream e downstream, fornecendo uma interface ideal para fabricação inteligente-em grande escala.

Em termos de desempenho técnico, este processo apresenta vários avanços inovadores. Primeiro, o uso do processamento a laser escaneado por galvanômetro-permite um projeto de padrão de circuito mais flexível e livre, alcançando uma largura de linha mínima de 100 mícrons. Isso atende às demandas de fabricação de FPC de alta-precisão e alta{5}}complexidade e permite dimensionamento personalizado com base nas necessidades do cliente, melhorando significativamente a compatibilidade do produto. Em segundo lugar, o processo a laser totalmente seco elimina completamente a poluição química associada aos métodos tradicionais por via húmida, realizando uma produção verdadeiramente ecológica e limpa, em linha com as tendências atuais na produção verde. Além disso, o processo reduz bastante os requisitos de mão de obra e o número geral de etapas de fabricação, encurtando significativamente os ciclos de produção e melhorando a eficiência da produção,-tornando-o adequado-às demandas atuais do mercado por rápida iteração e entrega rápida de produtos.

Do ponto de vista do-controle de custos, o processo totalmente seco elimina a necessidade de moldes de impressão e produtos químicos corrosivos, melhorando significativamente a utilização do material e reduzindo o desperdício adicional de material a quase zero, ajudando as empresas a criar uma estrutura de custos mais competitiva. Ao mesmo tempo, ao lidar com processamento FPC de grande-formato, o processo resolve efetivamente o desafio de manter a precisão da emenda em métodos tradicionais, permitindo produção contínua e de alta-precisão de FPCs de{4}áreas grandes.

No processo de fabricação de barramentos integrados em CCS, o equipamento de soldagem é uma etapa crítica do processo, envolvendo principalmente dois métodos: soldagem a laser e soldagem ultrassônica. Em processos tradicionais, a conexão entre o FPC e o barramento de alumínio normalmente requer um componente de transição intermediário-uma placa de níquel. Uma extremidade desta placa de níquel é conectada ao FPC, enquanto a outra extremidade é soldada ao barramento de alumínio usando soldagem a laser (como soldagem a laser de fibra). No entanto, devido ao longo pré-estágio do processo de soldagem SMT (por exemplo, soldagem, fornos de túnel, etc.), o comprimento total da linha de produção geralmente excede 15 metros, levando a um fluxo de processo complexo, grande pegada de equipamento e baixa eficiência de produção.

Figura 3. Soldagem de barramento do módulo de bateria

Para otimizar este processo, foi proposta uma nova abordagem que utiliza soldagem a laser para conectar diretamente o FPC ao barramento, eliminando a necessidade da placa intermediária de níquel. Esta solução reduz o número de etapas do processo e tem potencial para melhorar a eficiência da soldagem e a compactação geral da linha de produção. Ela representa uma nova e promissora tecnologia de soldagem de cobre{2}}alumínio, digna de mais pesquisas e promoção.

Em termos de seleção do método de soldagem, a soldagem ultrassônica oferece vantagens como ser limpa e ecologicamente correta, baixo custo, alta eficiência e facilidade de automação. No entanto, devido à suavidade e extrema finura da folha de cobre nos FPCs, este método exige precisão e estabilidade extremamente altas no controle da soldagem, bem como limpeza superficial dos materiais. Caso contrário, podem ocorrer facilmente problemas como penetração de solda ou soldagem falsa.

Em comparação, a soldagem a laser se destaca na produção industrial automatizada devido à sua alta precisão, alta velocidade, operação sem{0}}contato, ampla compatibilidade de materiais, processo-livre de poluição e excelente repetibilidade. No entanto, acarreta custos de equipamento mais elevados, maior complexidade técnica e requisitos de controlo ambiental mais rigorosos.

Atualmente, uma rota de processo comum na fabricação de barramentos integrados CCS envolve o uso de terminais de placa de níquel para conectar o FPC e o barramento de alumínio. Nesta configuração, a conexão entre a placa de níquel e o barramento de alumínio é normalmente realizada por meio de soldagem ultrassônica ou a laser, enquanto a conexão entre a placa de níquel e o FPC é feita por soldagem a laser. Esta abordagem requer dois processos de soldagem diferentes, o que não só aumenta a complexidade do processo, mas também limita os níveis de automação e a eficiência da produção.

A soldagem direta de metais diferentes de cobre e alumínio enfrenta inúmeros desafios técnicos. Por um lado, o cobre e o alumínio diferem significativamente em propriedades físicas como condutividade térmica, coeficiente de expansão térmica e ponto de fusão, dificultando a ligação metalúrgica. Por outro lado, dentro de diferentes faixas de temperatura e composição, compostos intermetálicos frágeis tendem a se formar entre o cobre e o alumínio, o que pode comprometer gravemente o desempenho mecânico e elétrico da junta soldada.

Figura 4. A soldagem direta de metais diferentes de cobre e alumínio enfrenta inúmeros desafios técnicos

Para enfrentar esse desafio técnico, a Kingslaser desenvolveu uma tecnologia de soldagem de metais diferentes de cobre-alumínio baseada em laser verde, que estende diretamente a folha de cobre FPC e a solda ao barramento de alumínio, eliminando a necessidade da placa intermediária de níquel. Esta abordagem demonstra as vantagens da soldagem a laser verde no manuseio de materiais altamente refletivos como cobre e alumínio.

No experimento, uma folha de cobre laminada ultra-de 70 μm padrão de um FPC foi usada como aba, soldada-a um barramento de alumínio de 2,5 mm com a folha de cobre colocada na camada superior. O galvanômetro controlou o caminho espiral do laser para aumentar a área de suporte de tensão da zona de soldagem da folha de cobre. Ao ajustar os parâmetros do processo, como potência, velocidade, quantidade de desfocagem e tamanho do caminho espiral, os principais indicadores de desempenho,-incluindo a superfície da solda e a morfologia-da seção transversal, a profundidade de penetração da solda e a resistência ao descascamento-foram avaliados sistematicamente.

Resultados experimentais mostram que uma potência de laser adequada pode atingir a fusão localizada da folha de cobre, produzindo soldas com boa continuidade e formação consistente. A resistência ao descascamento pode atingir mais de 30N e o efeito de soldagem é significativamente melhor do que aquele obtido com potência excessivamente alta ou baixa, o que pode levar à queimadura-ou à soldagem falsa. A velocidade de soldagem também desempenha um papel crucial na morfologia da solda, exigindo um equilíbrio entre eficiência de processamento e qualidade de soldagem.

Figura 5. Resistência ao descascamento das juntas em diferentes potências de soldagem.

Quando a potência é ajustada corretamente, a ligação de cobre - alumínio e a formação de solda melhoram,

levando a maior resistência à tração nessa faixa de potência

Depois de mais de um ano de desenvolvimento técnico, a Kingslaser alcançou uma série de avanços na tecnologia de equipamentos de soldagem para materiais metálicos ultra{0}}finos-como cobre-a-alumínio, cobre-a-cobre e alumínio-a-níquel (espessura menor ou igual a 35 μm)-com melhorias observadas em diversas áreas importantes.

Primeiro, o desafio da deformação e das grandes lacunas de ligação em metais ultra{0}}finos foi abordado de forma eficaz, reduzindo significativamente os riscos de soldagem falsa e soldagem excessiva-. Em segundo lugar, ao desenvolver um sistema de soldagem de alinhamento automático, a eficiência do processamento foi melhorada, o comprimento da linha de produção CCS foi reduzido e o espaço de fabricação foi economizado. Terceiro, para resolver o problema de fragilidade em juntas soldadas de metais diferentes, foram introduzidas fontes de laser personalizadas com comprimentos de onda específicos, mitigando efetivamente fissuras e resistência insuficiente. Por fim, a eliminação dos intermediários de placas de níquel reduziu os custos de material, proporcionando benefícios econômicos para a produção de CCS em grande-escala.

Além disso, a otimização contínua foi realizada em áreas como o software de soldagem com visão coaxial de mandril pneumático e galvanômetro. O sistema quase atingiu a meta de 100% de confiabilidade do ponto de solda, fornecendo forte suporte técnico para produção de CCS de alta-qualidade.

Na pesquisa sobre tecnologia de soldagem a laser para FPC e metais diferentes de cobre-alumínio, a equipe de projeto da Kingslaser alcançou vários resultados com valor de aplicação prática e desenvolveu equipamentos sistemáticos e soluções de processo.

No campo de fabricação de FPC, a Kingslaser desenvolveu um sistema de produção de processo seco-de segunda geração-rolo a{2}}rolo totalmente a laser-seco-, melhorando significativamente o nível de automação da fabricação flexível de placas de circuito. O equipamento adota um método de processamento contínuo-alimentado por rolo, suportando materiais de até 550 mm de largura, com precisão de posicionamento de ±0,003 mm. Ao controlar com precisão a velocidade de enrolamento (0,1–10 m/min) e a largura da linha de corte (tão estreita quanto 0,03 mm) e integrar um sistema de visão CCD para reconhecimento automático de alvo e costura de padrão de alta-precisão (±0,01 mm), o sistema é capaz de atender às demandas de estruturas FPC de alta-densidade e altamente complexas.

Figura 6. 2nd - Rolo de Geração - para - Rolo Totalmente Laser - Baseado em Processo Seco - Dispositivo de Produção FFC

Essa tecnologia não apenas melhora a eficiência da produção-com uma capacidade de produção mensal de aproximadamente 10.000 a 15.000 metros quadrados (equivalente a um valor de produção de cerca de 1,6 a 2,4 milhões de RMB)-, mas também elimina resíduos químicos e poluição ambiental associados aos processos úmidos tradicionais, alinhando-se à tendência de fabricação verde. Inovações relacionadas receberam uma patente de invenção intitulada "Um processo rápido de fabricação de FPC baseado em processo totalmente seco", destacando sua forte originalidade técnica e amplo potencial de aplicação industrial.

Para soldagem de metais diferentes de cobre-alumínio, a equipe do projeto desenvolveu uma linha de produção de soldagem a laser verde projetada especificamente para a nova indústria de baterias de energia. Este equipamento emprega uma fonte de laser de alto-desempenho e alta{3}}potência, e o laser verde oferece vantagens como alta taxa de absorção, baixo respingo, alta eficiência, excelente estabilidade e qualidade de feixe superior. É usado principalmente para soldar materiais metálicos ultra{5}}finos, como cobre, alumínio, níquel e prata.

Figura 7. Equipamento da linha de produção de soldagem a laser verde CCS

Kingslaser também obteve com sucesso uma patente de invenção intitulada"Um método de soldagem a laser para metais diferentes de cobre-alumínio"com base nesta tecnologia.

Tecnologia Co. de Wuhan Kingslaser, Ltd.foi fundada em 2016 com foco na pesquisa e aplicação industrial de tecnologias de micro{1}fabricação a laser. Nos últimos anos, a empresa concentrou seus esforços de pesquisa e desenvolvimento em tecnologias de fabricação de laser para células solares de perovskita, conduzindo-estudos aprofundados e desenvolvendo uma série de equipamentos de processamento de laser ultrarrápido-de alto desempenho para esse campo. Essas soluções oferecem múltiplas vantagens, incluindo o aumento da área efetiva de geração de energia das células, a redução do consumo de energia e dos ciclos de produção e a integração de processos laser multi{6}}funcionais. Este progresso melhorou significativamente o nível de automação e inteligência na fabricação de células de perovskita.

Notavelmente, já em 2012, a Kingslaser entregou com sucesso seu primeiro equipamento de laboratório de células solares de perovskita de médio-a{2}}grande-tamanho, tornando-se uma das primeiras empresas na China a entrar neste campo. Após mais de uma década de desenvolvimento tecnológico e expansão de mercado, a empresa estabeleceu relações de cooperação com mais de 100 universidades, instituições de pesquisa e empresas envolvidas em pesquisa e desenvolvimento de baterias de perovskita. Estas colaborações abrangem várias tecnologias de células de perovskita, incluindo estruturas mesoporosas e planares. A Kingslaser também desenvolveu um conjunto abrangente de soluções de fabricação a laser adaptadas para diferentes especificações de tamanho, demonstrando fortes capacidades na personalização do cliente e na implementação de engenharia.

Por meio da inovação contínua e da integração da pesquisa com a aplicação industrial, a Kingslaser estabeleceu uma vantagem tecnológica líder no campo de equipamentos de fabricação de células solares de perovskita, fornecendo forte suporte para a comercialização de células solares da próxima-geração.