Kingslaser a développé un procédé laser-sec pour la fabrication de circuits FPC et l'ouverture de fenêtres de tampons avec une largeur de ligne aussi fine que 10 μm. Cette technologie permet un épissage de haute-précision dans des applications ultra-grands-format tout en réduisant la pollution chimique, en simplifiant les processus, en raccourcissant les cycles de production et en réduisant les coûts de main-d'œuvre.
Pour remédier au recours à l'assemblage manuel des bornes en nickel et en aluminium dans les méthodes CCS traditionnelles, Kingslaser a introduit une nouvelle conception utilisant des languettes allongées en feuille de cuivre. Ces languettes sont compatibles avec les métaux ultra-minces (inférieurs ou égaux à 35 μm), notamment les alliages cuivre-cuivre, cuivre-aluminium et cuivre-aluminium.
Grâce au soudage au laser, les languettes en feuille de cuivre peuvent être efficacement liées aux barres omnibus en aluminium. Cette innovation élimine l'assemblage manuel, améliore l'automatisation et améliore la fiabilité des processus.
Contexte de la recherche
Avec le développement rapide de l'industrie mondiale des nouvelles énergies et la croissance explosive du marché des véhicules électriques, la technologie des batteries, en tant que composant moteur essentiel des véhicules électriques, a continuellement réalisé des percées en termes de sécurité élevée, d'intégration élevée, de conception légère et de réduction des coûts. Dans le même temps, la sélection des matériaux et les processus de fabrication du CCS (Cells Contact System, barres omnibus intégrées), un composant clé du système de batterie, ont également été constamment améliorés pour répondre aux demandes croissantes d'intégration globale du véhicule et de complexité du système de batterie.
Figure 1. Les jeux de barres intégrés CCS sont l'un des composants clés du système de batterie de puissance
Actuellement, CCS remplit principalement des fonctions d’échantillonnage de signaux et de collecte de courant. Ses composants d'acquisition de signaux présentent une tendance à la diversification, comprenant principalement :
◎ Faisceaux de câbles : traditionnels mais fiables, avec des structures complexes et une faible intégration ;
◎ Circuit imprimé flexible (FPC) : À base de film polyimide ou polyester, offrant une excellente flexibilité et stabilité, c'est l'une des solutions grand public aujourd'hui ;
◎ Câble plat flexible (FFC) : structure simple, faible coût, adaptée à une conception légère ;
◎ Circuit imprimé flexible moulé (FDC) : ajoute une technologie de moulage au-dessus du FPC, offrant une plus grande adaptabilité tridimensionnelle- ;
◎ Câble plat flexible (FFC) connecté à un circuit moulé flexible (FCC) : intègre FFC avec FPC/FDC, améliorant la flexibilité structurelle et l'efficacité de la connexion, ce qui en fait une nouvelle solution actuellement utilisée.
L'exploration et la coexistence de multiples voies techniques visent principalement à réduire le coût global des produits CCS, notamment dans la partie échantillonnage du BMS (Battery Management System), qui représente environ 55 % du coût total. En conséquence, la technologie d'acquisition de signaux à haute-intégration et à faible-coût est devenue un axe clé de la recherche et du développement.
Dans ce contexte, Kingslaser se concentre sur les innovations dans la technologie des circuits flexibles depuis 2023, proposant deux solutions critiques d'amélioration des processus pour améliorer les performances et la mise à niveau de la fabrication du CCS :
● Processus entièrement sec pour une fabrication FPC rapide
Ce processus utilise une technologie de traitement laser complète pour réaliser des étapes critiques telles que la gravure de modèles de circuits FPC et l'ouverture de fenêtres de film PI. Par rapport aux procédés humides traditionnels, il simplifie considérablement le flux de fabrication, élimine l'utilisation de réactifs chimiques et offre des avantages en termes de respect de l'environnement, d'efficacité énergétique et de productivité élevée. Actuellement, Kingslaser a terminé la conception du processus de deuxième-génération et obtenu les brevets correspondants.
● Recherche sur la technologie de soudage laser du cuivre-aluminium
En réponse au goulot d'étranglement du CCS traditionnel où le FPC est connecté aux barres omnibus en aluminium par placage de nickel ou moulage par injection, Kingslaser a proposé une nouvelle solution utilisant le soudage direct au laser pour connecter le FPC aux barres omnibus en aluminium. Cette approche élimine les matériaux de connexion intermédiaires, simplifie la structure, réduit les coûts et améliore la cohérence de la fabrication. La technologie a été développée début 2024 en réponse à une demande d’une société cotée et a obtenu des résultats de validation préliminaires.
En résumé, en tant que composant essentiel des batteries, le niveau de conception et de fabrication du CCS a un impact direct sur les performances et le coût des véhicules électriques à nouvelle énergie. L'exploration de multiples solutions pour les modules d'acquisition de signaux et la mise en œuvre de nouvelles technologies signifient que CCS progresse vers une plus grande efficacité, une plus grande intégration et des coûts inférieurs.
Un processus entièrement sec pour une fabrication FPC rapide
Le circuit imprimé flexible (FPC), communément appelé « carte flexible », est une carte de circuit imprimé qui utilise des matériaux isolants flexibles comme base et réalise des fonctionnalités électroniques grâce à des modèles de circuits précis. Il offre de nombreux avantages par rapport aux cartes de circuits imprimés rigides traditionnelles, tels qu'une excellente flexibilité, une structure légère et des performances électriques supérieures. En conséquence, les FPC sont largement utilisés dans les terminaux intelligents, les appareils portables, les équipements médicaux et les véhicules à énergies nouvelles, ce qui en fait une base essentielle pour parvenir à la miniaturisation, à la conception légère et à l'intégration dans les produits électroniques modernes.
FPC offre une excellente flexibilité, permettant un pliage, un pliage et un enroulement libres pour s'adapter aux dispositions d'espace tridimensionnelles-, permettant l'intégration de l'assemblage de composants et de la connexion des fils. En raison de sa structure fine et légère, le FPC réduit considérablement la taille et le poids des appareils électroniques, répondant ainsi à la demande de haute-densité et de conception compacte dans l'électronique moderne. De plus, le FPC offre une bonne dissipation thermique, une forte soudabilité et une installation facile, offrant des performances globales supérieures. En particulier, la structure rigide-flexive compense davantage les limitations des circuits flexibles en termes de capacité de charge-.
Figure 2. Photographie d'un FPC
Cependant, la fabrication de FPC présente également certains défis. Comme les circuits flexibles sont généralement conçus sur mesure-, ils impliquent des exigences de conception et de processus plus élevées, ce qui entraîne un investissement initial important et des coûts de démarrage-beaucoup plus élevés que les circuits imprimés standards. De plus, une fois la production terminée, les modifications sont difficiles à mettre en œuvre, nécessitant souvent des ajustements aux dessins de base ou aux phototracés, et le processus de réparation des couches de couverture est également complexe. De plus, la nature des matériaux flexibles limite l'évolutivité dans la production de masse, et le processus de fabrication exige une manipulation extrêmement précise- toute mauvaise manipulation peut entraîner des dommages au circuit ou une défaillance fonctionnelle.
Pour surmonter les limites des processus de fabrication traditionnels, Kingslaser se consacre au développement d'une technologie de fabrication FPC basée sur le laser- depuis 2004. Cette année-là, lorsqu'elle a livré la première machine de découpe de contours laser FPC en Chine, un équipement étranger similaire coûtait jusqu'à 5,5 millions de RMB. Kingslaser, s'appuyant sur une R&D indépendante, a achevé avec succès la livraison pour un prix d'environ 1,5 million de RMB, brisant le monopole étranger et marquant le début de l'application nationale des équipements laser dans le domaine de la fabrication électronique flexible. Notamment, la machine a été la première à adopter un moteur linéaire importé de HIWIN Technologies de Taiwan à l'époque, combiné à un système de galvanomètre, établissant une structure de traitement laser pionnière « moteur linéaire + galvanomètre » qui a considérablement amélioré la précision du traitement et la vitesse de réponse.
S'appuyant sur cette base, Kingslaser a continué à faire progresser les technologies de fabrication verte pour les circuits flexibles en proposant un processus de production FPC rapide basé sur le concept de fabrication entièrement sèche. Centrée sur le traitement laser, cette méthode élimine plusieurs étapes complexes trouvées dans les processus humides traditionnels-telles que la gravure, le développement et le nettoyage chimique-et établit un nouveau flux de travail de fabrication centré sur le "traitement laser continu rouleau-à-rouleau". Par rapport aux méthodes conventionnelles, le nouveau processus commence par le déroulement des matières premières, suivi de l'ouverture de la fenêtre au laser, de la configuration des circuits au laser et de la découpe des contours, permettant ainsi d'obtenir un modèle de fabrication véritablement écologique, exempt de réactifs chimiques, d'eaux usées et d'émissions de gaz d'échappement.
Le processus de fabrication FPC traditionnel est non seulement complexe et fastidieux-, mais il dépend également fortement de réactifs chimiques, ce qui entraîne un impact environnemental important. Cela nécessite une intervention manuelle importante, ce qui entraîne de longs cycles de production et une consommation d’énergie élevée. En revanche, la technologie de processus sec-de Kingslaser simplifie considérablement le flux de production en intégrant plusieurs étapes grâce à un traitement laser de haute-précision, permettant une méthode entièrement automatisée, très efficace et zéro-pollution pour la fabrication de circuits flexibles. En particulier dans le cadre d'une configuration de production continue -rouleau à-rouleau, l'équipement laser peut s'intégrer de manière transparente aux systèmes de manutention en amont et en aval, fournissant ainsi une interface idéale pour une fabrication intelligente-à grande échelle.
En termes de performances techniques, ce procédé présente plusieurs avancées innovantes. Premièrement, l'utilisation d'un traitement laser à balayage galvanométrique-permet une conception de motif de circuit plus flexible et plus libre, atteignant une largeur de ligne minimale de 100 microns. Cela répond aux exigences de fabrication FPC de haute-précision et de haute-complexité et permet un dimensionnement personnalisé en fonction des exigences du client, améliorant ainsi considérablement la compatibilité des produits. Deuxièmement, le processus laser entièrement sec élimine complètement la pollution chimique associée aux méthodes humides traditionnelles, permettant ainsi une production véritablement respectueuse de l'environnement et propre, conformément aux tendances actuelles en matière de fabrication verte. De plus, le processus réduit considérablement les besoins en main d'œuvre et le nombre d'étapes globales de fabrication, raccourcissant considérablement les cycles de production et améliorant l'efficacité de la production, ce qui le rend bien adapté aux demandes actuelles du marché en matière d'itération et de livraison rapides des produits.
Du point de vue du contrôle des coûts-, le processus entièrement sec élimine le besoin de moules d'impression et de produits chimiques corrosifs, améliorant considérablement l'utilisation des matériaux tout en réduisant les déchets de matériaux supplémentaires à presque zéro, aidant ainsi les entreprises à établir une structure de coûts plus compétitive. Dans le même temps, en gérant le traitement FPC grand-format, le processus résout efficacement le défi du maintien de la précision d'épissage dans les méthodes traditionnelles, permettant une production continue et de haute-précision de FPC de grande surface-.
Recherche sur le soudage laser du cuivre-aluminium dans le CSC
Dans le processus de fabrication des jeux de barres intégrés en CCS, l'équipement de soudage constitue une étape critique du processus, impliquant principalement deux méthodes : le soudage au laser et le soudage par ultrasons. Dans les processus traditionnels, la connexion entre le FPC et le jeu de barres en aluminium nécessite généralement un composant de transition intermédiaire -une plaque de nickel. Une extrémité de cette plaque de nickel est connectée au FPC, tandis que l'autre extrémité est soudée à la barre omnibus en aluminium par soudage laser (tel que le soudage laser à fibre). Cependant, en raison du long processus de soudage SMT préalable-(par exemple, brasage, fours tunnel, etc.), la longueur totale de la ligne de production dépasse souvent 15 mètres, ce qui entraîne un flux de processus complexe, un encombrement important des équipements et une faible efficacité de production.
Figure 3. Soudage des barres omnibus du module de batterie
Pour optimiser ce processus, une nouvelle approche a été proposée qui utilise le soudage laser pour connecter directement le FPC au jeu de barres, éliminant ainsi le besoin de plaque de nickel intermédiaire. Cette solution réduit le nombre d'étapes du processus et a le potentiel d'améliorer l'efficacité du soudage et la compacité globale de la ligne de production. Il s'agit d'une nouvelle technologie prometteuse de soudage du cuivre-aluminium qui mérite des recherches et une promotion plus approfondies.
En termes de sélection de méthodes de soudage, le soudage par ultrasons offre des avantages tels qu'être propre et respectueux de l'environnement, faible coût, haute efficacité et facilité d'automatisation. Cependant, en raison de la douceur et de l'extrême finesse de la feuille de cuivre des FPC, cette méthode exige une précision et une stabilité extrêmement élevées dans le contrôle du soudage, ainsi que dans la propreté de la surface des matériaux. Sinon, des problèmes tels qu’une pénétration de soudure ou une fausse soudure peuvent facilement survenir.
En comparaison, le soudage au laser se distingue dans la production industrielle automatisée en raison de sa haute précision, de sa vitesse élevée, de son fonctionnement sans-contact, de sa large compatibilité avec les matériaux, de son processus sans pollution-et de son excellente répétabilité. Cependant, cela s’accompagne de coûts d’équipement plus élevés, d’une plus grande complexité technique et d’exigences de contrôle environnemental plus strictes.
Actuellement, un processus courant dans la fabrication de jeux de barres intégrés CCS consiste à utiliser des bornes à plaques de nickel pour connecter le FPC et le jeu de barres en aluminium. Dans cette configuration, la connexion entre la plaque de nickel et le jeu de barres en aluminium est généralement réalisée par soudage par ultrasons ou laser, tandis que la connexion entre la plaque de nickel et le FPC est réalisée par soudage laser. Cette approche nécessite deux processus de soudage différents, ce qui non seulement augmente la complexité du processus, mais limite également les niveaux d'automatisation et l'efficacité de la production.
Le soudage direct de métaux différents en cuivre et en aluminium est confronté à de nombreux défis techniques. D'une part, le cuivre et l'aluminium diffèrent considérablement en termes de propriétés physiques telles que la conductivité thermique, le coefficient de dilatation thermique et le point de fusion, ce qui rend la liaison métallurgique difficile. D'autre part, dans différentes plages de température et de composition, des composés intermétalliques fragiles ont tendance à se former entre le cuivre et l'aluminium, ce qui peut gravement compromettre les performances mécaniques et électriques du joint soudé.
Figure 4. Le soudage direct de métaux différents en cuivre et en aluminium est confronté à de nombreux défis techniques
Pour relever ce défi technique, Kingslaser a développé une technologie de soudage de métaux différents en cuivre-aluminium basée sur un laser vert, qui étend directement la feuille de cuivre FPC et la soude à la barre omnibus en aluminium, éliminant ainsi le besoin de plaque de nickel intermédiaire. Cette approche démontre les avantages du soudage laser vert dans la manipulation de matériaux hautement réfléchissants comme le cuivre et l'aluminium.
Dans l'expérience, une feuille de cuivre laminée ultra fine-standard de 70 μm provenant d'un FPC a été utilisée comme languette, soudée par recouvrement-à une barre omnibus en aluminium de 2,5 mm, la feuille de cuivre étant placée sur la couche supérieure. Le galvanomètre contrôlait le trajet laser en spirale pour augmenter la zone de contrainte-de la zone de soudage de la feuille de cuivre. En ajustant les paramètres du processus tels que la puissance, la vitesse, le degré de défocalisation et la taille du trajet en spirale, les indicateurs de performance clés-y compris la surface de soudure et la-morphologie de la section transversale, la profondeur de pénétration de la soudure et la résistance au pelage- ont été systématiquement évalués.
Des problèmes similaires-d'assemblage des languettes de films minces apparaissent tout au long de la production cellulaire, notammentprocédés de soudage des languettes et des cosses de batterie.
Les résultats expérimentaux montrent qu'une puissance laser appropriée peut réaliser une fusion localisée de la feuille de cuivre, produisant des soudures avec une bonne continuité et une formation cohérente. La résistance au pelage peut atteindre plus de 30 N et l'effet de soudage est nettement meilleur que celui obtenu avec une puissance trop élevée ou trop faible, ce qui peut entraîner des brûlures ou des fausses soudures. La vitesse de soudage joue également un rôle crucial dans la morphologie de la soudure, nécessitant un équilibre entre l'efficacité du traitement et la qualité du soudage.
Figure 5. Résistance au pelage des joints à différentes puissances de soudage.
Lorsque la puissance est correctement ajustée, la liaison cuivre - aluminium et la formation de soudure s'améliorent,
conduisant à une résistance à la traction plus élevée dans cette plage de puissance
Après plus d'un an de développement technique, Kingslaser a réalisé une série de percées dans la technologie des équipements de soudage pour les matériaux métalliques ultra-minces-tels que le cuivre-à-aluminium, le cuivre-à-cuivre et l'aluminium-à-nickel (épaisseur inférieure ou égale à 35 μm)-avec des améliorations observées dans plusieurs domaines clés.
Premièrement, le problème de la déformation et des grands écarts de liaison dans les métaux ultra-minces a été résolu efficacement, réduisant considérablement les risques de faux soudage et de sur-soudage. Deuxièmement, en développant un système de soudage par alignement automatique, l'efficacité du traitement a été améliorée, la longueur de la ligne de production CCS a été raccourcie et l'espace de fabrication a été économisé. Troisièmement, pour résoudre le problème de fragilité des joints soudés de métaux différents, des sources laser personnalisées avec des longueurs d'onde spécifiques ont été introduites, atténuant efficacement les fissures et la résistance insuffisante. Enfin, l'élimination des intermédiaires en plaques de nickel a réduit les coûts des matériaux, offrant ainsi des avantages économiques pour la production de CSC à grande échelle.
De plus, une optimisation continue a été réalisée dans des domaines tels que le mandrin pneumatique et le logiciel de soudage par vision coaxiale du galvanomètre. Le système a désormais presque atteint l'objectif d'une fiabilité des points de soudure de 100 %, offrant ainsi un support technique solide pour une production CCS de haute-qualité.
Résultats de la recherche et aperçu des applications
Dans la recherche sur la technologie de soudage laser pour les métaux différents FPC et cuivre-aluminium, l'équipe de projet de Kingslaser a obtenu de multiples résultats avec une valeur d'application pratique et a développé des solutions systématiques d'équipement et de processus.
Dans le domaine de la fabrication de FPC, Kingslaser a développé un système de production FFC à rouleaux-de deuxième-génération-à rouleaux entièrement laser-à sec-, améliorant considérablement le niveau d'automatisation de la fabrication de circuits imprimés flexibles. L'équipement adopte une méthode de traitement continue à rouleaux-, prenant en charge des matériaux jusqu'à 550 mm de largeur, avec une précision de positionnement de ±0,003 mm. En contrôlant avec précision la vitesse d'enroulement (0,1 à 10 m/min) et la largeur de la ligne de coupe (aussi étroite que 0,03 mm), et en intégrant un système de vision CCD pour la reconnaissance automatique des cibles et une couture de motif de haute -précision (±0,01 mm), le système est capable de répondre aux exigences des structures FPC à haute densité et très complexes.
Figure 6. 2ème - rouleau de génération - à - rouleau entièrement laser - procédé à sec - dispositif de production FFC
Cette technologie améliore non seulement l'efficacité de la production-avec une capacité de production mensuelle d'environ 10 000 à 15 000 mètres carrés (équivalent à une valeur de production d'environ 1,6 à 2,4 millions de RMB)-mais élimine également les résidus chimiques et la pollution environnementale associés aux processus humides traditionnels, s'alignant ainsi sur la tendance vers une fabrication verte. Les innovations associées ont fait l'objet d'un brevet d'invention intitulé « Un processus de fabrication rapide de FPC basé sur un processus entièrement sec », soulignant sa forte originalité technique et son large potentiel d'application industrielle.
Pour le soudage de métaux différents entre le cuivre et l'aluminium, l'équipe du projet a développé une ligne de production de soudage au laser écologique spécialement conçue pour le secteur des batteries à énergie nouvelle. Cet équipement utilise une source laser haute-performances et haute-puissance, et le laser vert offre des avantages tels qu'un taux d'absorption élevé, de faibles projections, un rendement élevé, une excellente stabilité et une qualité de faisceau supérieure. Il est principalement utilisé pour souder des matériaux métalliques ultrafins tels que le cuivre, l'aluminium, le nickel et l'argent.
Figure 7. Équipement de la chaîne de production de soudage laser vert CCS
Kingslaser a également obtenu avec succès un brevet d'invention intitulé"Une méthode de soudage au laser pour les métaux différents en cuivre-aluminium"basé sur cette technologie.
Pour étendre ces résultats à des scénarios plus larges d'assemblage de jeux de barres, reportez-vous à notreprocessus de soudage des barres omnibus et guide de dépannage.
À propos de nous
Wuhan Kingslaser Technology Co., Ltd.a été créée en 2016 et se concentre sur la recherche et l'application industrielle des technologies de micro-fabrication laser. Ces dernières années, l'entreprise a concentré ses efforts de R&D sur les technologies de fabrication laser pour les cellules solaires à pérovskite, en menant des études approfondies-et en développant une série d'équipements de traitement laser ultrarapides hautes-performances pour ce domaine. Ces solutions offrent de multiples avantages, notamment l'augmentation de la zone de production d'énergie efficace des cellules, la réduction de la consommation d'énergie et des cycles de production et l'intégration de processus laser multifonctionnels. Ces progrès ont considérablement amélioré le niveau d’automatisation et d’intelligence dans la fabrication des cellules pérovskites.
Notamment, dès 2012, Kingslaser a livré avec succès son premier équipement de laboratoire de cellules solaires à pérovskite de taille moyenne-à-grande-, devenant ainsi l'une des premières entreprises en Chine à se lancer dans ce domaine. Après plus d'une décennie de développement technologique et d'expansion du marché, la société a établi des relations de coopération avec plus de 100 universités, instituts de recherche et entreprises engagés dans la R&D sur les batteries à pérovskite. Ces collaborations couvrent diverses technologies de cellules pérovskites, y compris les structures mésoporeuses et planaires. Kingslaser a également développé un ensemble complet de solutions de fabrication laser adaptées à différentes spécifications de taille, démontrant de solides capacités en matière de personnalisation client et de mise en œuvre technique.
Grâce à l'innovation continue et à l'intégration de la recherche aux applications industrielles, Kingslaser a établi un avantage technologique de premier plan dans le domaine des équipements de fabrication de cellules solaires à pérovskite, offrant ainsi un soutien solide à la commercialisation de cellules solaires de nouvelle-génération.