Kingslaser は、線幅 10 μm の FPC 回路製造とパッド ウィンドウ開口のための乾式レーザーベースのプロセスを開発しました。{0}この技術により、化学汚染の削減、プロセスの簡素化、生産サイクルの短縮、人件費の削減を行いながら、超-大判-用途での高精度のスプライシングが可能になります。
従来の CCS 手法におけるニッケルおよびアルミニウム端子の手動組み立てへの依存に対処するために、Kingslaser は拡張銅箔タブを使用する新しい設計を導入しました。これらのタブは、銅-銅、銅-アルミニウム、銅-合金などの極薄金属（35 μm 以下）と互換性があります。-
レーザー溶接を使用すると、銅箔タブをアルミニウムバスバーに効率的に接合できます。この革新により、手動組み立てが不要になり、自動化が強化され、プロセスの信頼性が向上します。
研究の背景
世界的な新エネルギー産業の急速な発展と電気自動車市場の爆発的な成長に伴い、電気自動車の中核駆動コンポーネントとしてのバッテリー技術は、高い安全性、高集積性、軽量設計、コスト削減の面で進歩を続けています。同時に、バッテリーシステムの重要なコンポーネントであるCCS（セルコンタクトシステム、統合バスバー）の材料選択と製造プロセスも、車両全体の統合とバッテリーシステムの複雑さに対する需要の高まりに応えるために継続的にアップグレードされてきました。
図 1.CCS 統合バスバーは、電源バッテリー システムの重要なコンポーネントの 1 つです
現在、CCS は主に信号サンプリングと電流収集機能を提供します。その信号取得コンポーネントは、主に次のような多様化の傾向を示しています。
◎ ケーブル バンドル : 従来型ですが信頼性が高く、複雑な構造と低い統合性を備えています。
◎フレキシブルプリント基板（FPC）：ポリイミドやポリエステルフィルムをベースとし、優れた柔軟性と安定性を備え、現在主流のソリューションの1つです。
◎フレキシブルフラットケーブル（FFC）：シンプルな構造、低コスト、軽量設計に適しています。
◎ フレキシブル モールド回路基板 (FDC) : FPC の上にモールド技術を追加し、より強力な三次元適応性を提供します。-
◎フレキシブルモールド回路（FCC）に接続されたフレキシブルフラットケーブル（FFC）：FFCとFPC/FDCを統合し、構造の柔軟性と接続効率を高め、現在使用されている新しいソリューションです。
複数の技術ルートの探索と共存は、主に CCS 製品の全体コスト、特に総コストの約 55% を占める BMS (バッテリー管理システム) のサンプリング部分のコストを削減することを目的としています。その結果、高集積、低コストの信号取得技術が研究開発の重要な焦点となっています。-
このような状況を背景に、キングスレーザーは 2023 年からフレキシブル回路技術の革新に注力し、CCS のパフォーマンスと製造アップグレードを強化するための 2 つの重要なプロセス改善ソリューションを提案しています。
● 完全乾式プロセスによる迅速な FPC 製造
このプロセスでは、FPC 回路パターンのエッチングや PI フィルムの窓の開口などの重要なステップを完了するために、完全なレーザー加工技術が利用されています。従来の湿式プロセスと比較して、製造ワークフローが大幅に簡素化され、化学試薬の使用が排除され、環境への配慮、エネルギー効率、および高い生産性という利点が得られます。現在、Kingslaser は第 2 世代プロセスの設計を完了し、関連特許を取得しています。-
● 銅-アルミニウムのレーザー溶接技術の研究
ニッケルメッキまたは射出成形によってFPCがアルミニウムバスバーに接続される従来のCCSのボトルネックに対応して、Kingslaserはレーザー直接溶接を使用してFPCをアルミニウムバスバーに接続する新しいソリューションを提案しました。このアプローチにより、中間接続材料が不要になり、構造が簡素化され、コストが削減され、製造の一貫性が向上します。この技術は上場企業からの要請に応えて2024年初頭に開発され、暫定的な検証結果を達成した。
要約すると、バッテリー パックの重要なコンポーネントである CCS の設計と製造レベルは、新エネルギー電気自動車の性能とコストに直接影響します。信号取得モジュール用の複数のソリューションの探求と新しいテクノロジーの実装は、CCS がより高い効率、より大きな統合、およびより低いコストに向かって進歩していることを示しています。
高速 FPC 製造のための完全ドライプロセス
フレキシブルプリント基板（FPC）は、一般に「フレックス基板」と呼ばれ、柔軟な絶縁材料をベースとして使用し、精密な回路パターンによって電子機能を実現するプリント基板です。従来のリジッド回路基板に比べて、優れた柔軟性、軽量構造、優れた電気的性能など、多くの利点を提供します。その結果、FPC はスマート端末、ウェアラブルデバイス、医療機器、新エネルギー車などに広く使用され、小型化、軽量化、現代の電子製品への統合を実現するための重要な基盤となっています。
FPC は優れた柔軟性を備えているため、3 次元空間のレイアウトに合わせて自由に曲げたり、折り畳んだり、巻き付けたりすることができ、部品の組み立てと配線接続の統合が可能になります。{0}} FPC はその薄くて軽量な構造により、電子機器のサイズと重量を大幅に削減し、現代のエレクトロニクスにおける高密度でコンパクトな設計の需要に応えます。-さらに、FPC は優れた放熱性、強力なはんだ付け性、簡単な取り付けを提供し、優れた全体的なパフォーマンスを実現します。特に、リジッドフレックス構造は、耐荷重能力の点でフレキシブル回路の制限をさらに補います。-
図 2. FPC の写真
ただし、FPC の製造には特定の課題もあります。フレキシブル回路は通常、カスタム設計であるため、より高い設計要件とプロセス要件が必要となり、その結果、標準 PCB と比較して多額の先行投資とはるかに高い初期費用がかかります。-さらに、生産が完了すると、変更を実行するのは難しく、多くの場合、基本図面や写真プロットの調整が必要になり、カバー層の修復プロセスも複雑になります。さらに、柔軟な材料の性質により、大量生産における拡張性が制限され、製造プロセスでは非常に正確な取り扱いが要求されます。-取り扱いを誤ると、回路の損傷や機能障害が発生する可能性があります。
従来の製造プロセスの限界を克服するために、Kingslaser は 2004 年以来、レーザーベースの FPC 製造技術の開発に注力してきました。{0}その年、中国初の FPC レーザー輪郭切断機を納入したとき、同様の外国製の設備のコストは 550 万人民元にも上りました。 Kingslaser は独立した研究開発に依存し、約 150 万人民元の価格で納入に成功し、海外独占を打ち破り、フレキシブルエレクトロニクス製造分野における国内レーザー装置応用の始まりを示しました。特に、当時台湾のHIWIN Technologiesから輸入したリニアモーターとガルバノメーターシステムを初めて採用し、先駆的な「リニアモーター＋ガルバノメーター」レーザー加工構造を確立し、加工精度と応答速度を大幅に向上させた。
Kingslaser はこの基盤を基盤として、完全乾式製造の概念に基づいた迅速な FPC 製造プロセスを提案することで、フレキシブル回路のグリーン製造技術を進歩させ続けてきました。レーザー加工を中心としたこの方法では、従来の湿式プロセスに見られる-エッチング、現像、化学洗浄-などの複数の複雑なステップが排除され、「ロールツーロール連続レーザー加工」を中心とした新しい製造ワークフローが確立されます。-従来の方法と比較して、この新しいプロセスは原材料の巻き戻しから始まり、レーザー窓の開口、レーザー回路のパターニング、輪郭の切断が続き、化学試薬、廃水、排気ガスのないまさにグリーン製造モデルを実現します。
従来の FPC 製造プロセスは複雑でスペースを消費するだけでなく、化学試薬に大きく依存しているため、環境に重大な影響を及ぼします。{0}大幅な手動介入が必要となり、生産サイクルが長くなり、エネルギー消費が高くなります。対照的に、Kingslaser の乾式プロセス技術は、高精度レーザー加工による複数のステップを統合することで生産フローを大幅に簡素化し、フレキシブル回路製造のための完全に自動化された高効率で汚染ゼロの方法を可能にします。-特にロールツーロールの連続生産セットアップでは、レーザー装置は上流および下流のマテリアル ハンドリング システムとシームレスに統合でき、大規模なインテリジェント製造に理想的なインターフェースを提供します。-
技術的なパフォーマンスの点で、このプロセスにはいくつかの革新的な画期的な進歩があります。まず、ガルバノメータ-走査レーザー加工の使用により、より柔軟で自由な回路パターン設計が可能になり、最小線幅 100 ミクロンを実現します。これにより、高精度かつ複雑度の高い FPC 製造の需要が満たされ、顧客の要件に基づいたカスタム サイズ設定が可能になり、製品の互換性が大幅に向上します。-第二に、完全に乾式のレーザープロセスにより、従来の湿式法に伴う化学汚染が完全に排除され、グリーン製造の現在のトレンドに沿って、真に環境に優しくクリーンな生産が実現します。さらに、このプロセスにより労働要件と全体的な製造ステップ数が大幅に削減され、生産サイクルが大幅に短縮され、生産効率が向上します。-このプロセスは、製品の迅速な反復と短納期に対する今日の市場の需要に最適です。-
コスト管理の観点から見ると、完全な乾式プロセスにより、印刷金型や腐食性の化学物質が不要になり、材料の利用率が大幅に向上すると同時に、追加の材料の無駄がほぼゼロになり、企業がより競争力のあるコスト構造を構築できるようになります。-同時に、大判 FPC 処理を処理する際に、このプロセスは従来の方法での接合精度を維持するという課題を効果的に解決し、大面積 FPC の高精度かつ連続生産を可能にします。-
CCS における銅{0}}アルミニウムのレーザー溶接に関する研究
CCS の一体型バスバーの製造プロセスでは、溶接装置は重要なプロセス ステップであり、主にレーザー溶接と超音波溶接の 2 つの方法が使用されます。従来のプロセスでは、FPC とアルミニウム バスバー間の接続には通常、ニッケル プレートなどの中間遷移コンポーネントが必要です。{1}このニッケル プレートの一端は FPC に接続され、もう一端はレーザー溶接 (ファイバー レーザー溶接など) を使用してアルミニウム バスバーに溶接されます。ただし、前段階の SMT 溶接プロセス (はんだ付け、トンネル炉など) に時間がかかるため、生産ラインの全長は 15 メートルを超えることが多く、複雑なプロセス フロー、大きな設備設置面積、および低い生産効率につながります。
図 3. バッテリーモジュールのバスバー溶接
このプロセスを最適化するために、レーザー溶接を使用して FPC をバスバーに直接接続し、中間のニッケル プレートの必要性を排除する新しいアプローチが提案されました。このソリューションはプロセスステップの数を削減し、溶接効率と生産ライン全体のコンパクトさを向上させる可能性があります。これは、さらなる研究と推進に値する、有望な新しい銅-アルミニウム溶接技術を表しています。
溶接方法の選択に関しては、超音波溶接はクリーンで環境に優しい、低コスト、高効率、自動化が容易などの利点があります。しかし、この方法ではFPCの銅箔が柔らかく非常に薄いため、材料表面の清浄度はもちろん、溶接制御の非常に高い精度と安定性が要求されます。そうしないと、溶接の溶け込みや誤溶接などの問題が発生しやすくなります。
比較すると、レーザー溶接は、高精度、高速、非接触操作、幅広い材料互換性、無公害プロセス、優れた再現性により、工業用自動生産において際立っています。{0}{1}ただし、設備コストの上昇、技術的な複雑さ、環境管理要件の厳格化が伴います。
現在、CCS 統合バスバー製造の一般的なプロセス ルートには、ニッケル プレート端子を使用して FPC とアルミニウム バスバーを接続することが含まれます。この設定では、ニッケル プレートとアルミニウム バスバーの間の接続は通常、超音波溶接またはレーザー溶接によって実現されますが、ニッケル プレートと FPC の間の接続はレーザーはんだ付けを使用して行われます。このアプローチには 2 つの異なる溶接プロセスが必要であり、プロセスが複雑になるだけでなく、自動化レベルと生産効率も制限されます。
銅とアルミニウムの異種金属の直接溶接は、多くの技術的課題に直面しています。一方で、銅とアルミニウムは熱伝導率、熱膨張係数、融点などの物理的特性が大きく異なるため、冶金学的接合が困難です。一方、温度や組成範囲が異なると、銅とアルミニウムの間に脆い金属間化合物が形成される傾向があり、溶接継手の機械的および電気的性能を著しく損なう可能性があります。
図 4. 銅とアルミニウムの異種金属の直接溶接は、多くの技術的課題に直面しています
この技術的課題に対処するために、Kingslaser はグリーン レーザーに基づいた銅{0}アルミニウム異種金属溶接技術を開発しました。この技術では、FPC 銅箔を直接延長してアルミニウム バスバーに溶接するため、中間のニッケル プレートが不要になります。このアプローチは、銅やアルミニウムなどの反射率の高い材料を扱う際のグリーン レーザー溶接の利点を示しています。
実験では、FPC の標準的な 70μm 極薄圧延銅箔をタブとして使用し、銅箔を上層に配置して 2.5 mm アルミニウム バスバーに重ね溶接しました。-検流計はスパイラル レーザーの経路を制御して、銅箔溶接ゾーンの応力負担領域を増加させました。-パワー、速度、デフォーカス量、スパイラル パス サイズなどのプロセス パラメータを調整することで、溶接表面と断面形態、溶接の溶け込み深さ、剥離強度などの重要な性能指標-が系統的に評価されました。-
実験結果は、適切なレーザー出力により銅箔の局所的な溶融が達成され、良好な連続性と一貫した形成を備えた溶接部が生成されることを示しています。剥離強度は 30N 以上に達する可能性があり、溶接効果は、焼き付きや誤溶接を引き起こす可能性がある過度に高い電力または低い電力で達成される溶接効果よりも大幅に優れています。-溶接速度も溶接形態に重要な役割を果たし、処理効率と溶接品質のバランスが必要です。
図 5. さまざまな溶接力における接合部の剥離強度。
電力が適切に調整されると、銅-アルミニウムの結合と溶接の形成が改善され、
その出力範囲での引張強度の向上につながります
1 年以上の技術開発を経て、Kingslaser は、銅-から-アルミニウム、銅-から-、アルミニウム-から-ニッケル（厚さ 35 μm 以下）-などの極薄金属材料--の溶接装置技術において一連の画期的な進歩を達成し、いくつかの重要な点で改善が見られました。地域。
まず、極薄金属の変形と大きな接合ギャップという課題が効果的に解決され、誤溶接や過剰溶接のリスクが大幅に軽減されました。{0}{1}次に、自動調心溶接システムの開発により、加工効率が向上し、CCS生産ラインの長さの短縮と製造スペースの節約が実現しました。第三に、異種金属溶接接合部の脆さの問題に取り組むために、特定の波長を備えたカスタマイズされたレーザー光源が導入され、亀裂や強度不足を効果的に軽減します。最後に、ニッケル プレート中間体を排除したことで材料コストが削減され、大規模な CCS 生産に経済的メリットがもたらされました。-
さらに、空気圧チャックやガルバノメーター同軸ビジョン溶接ソフトウェアなどの分野でも継続的な最適化が行われています。このシステムは現在、溶接点の信頼性 100% という目標をほぼ達成しており、高品質の CCS 生産に強力な技術サポートを提供しています。-
研究成果と応用概要
FPC と銅{0}アルミニウム異種金属のレーザー溶接技術の研究において、Kingslaser のプロジェクト チームは実用化価値のある複数の成果を達成し、系統的な装置とプロセス ソリューションを開発しました。
FPC 製造の分野では、Kingslaser は第 2 世代の-ロールツー-完全レーザー-ベースの乾式-FFC 生産システムを開発し、フレキシブル回路基板製造の自動化レベルを大幅に向上させました。この装置は連続ロールフィード加工方式を採用しており、最大幅 550 mm の材料に対応し、位置精度 ±0.003 mm を実現しています。このシステムは、巻き取り速度 (0.1～10m/min) と切断線幅 (0.03mm までの狭さ) を正確に制御し、自動ターゲット認識と高精度パターンステッチング (±0.01mm) のための CCD ビジョン システムを統合することにより、高密度で非常に複雑な FPC 構造の要求を満たすことができます。-
図 6. 2 番目の - 世代ロール - から - ロール完全レーザー - ベースの乾式 - プロセス FFC 製造装置
この技術は、月産約 10,000～15,000 平方メートル（約 160～240 万 RMB の生産額に相当）の生産効率を向上させるだけでなく、-従来の湿式プロセスに伴う化学残留物や環境汚染も排除し、グリーン製造のトレンドに沿ったものとなります。関連するイノベーションは、「完全乾式プロセスに基づく高速 FPC 製造プロセス」というタイトルの発明特許を取得しており、その強力な技術的独創性と幅広い産業応用の可能性が強調されています。
銅-アルミニウムの異種金属溶接のために、プロジェクト チームは新エネルギー電池業界向けに特別に設計されたグリーン レーザー溶接生産ラインを開発しました。この装置は、高性能、高出力のレーザー源を採用しています。緑色レーザーには、高い吸収率、低スパッタ、高効率、優れた安定性、優れたビーム品質などの利点があります。主に、銅、アルミニウム、ニッケル、銀などの極薄金属材料の溶接に使用されます。{5}
図 7. CCS グリーン レーザー溶接生産ライン設備
キングスレーザーはまた、次のタイトルの発明特許の取得にも成功しました。「銅-アルミニウムの異種金属のレーザー溶接方法」この技術に基づいています。
私たちについて
武漢キングスレーザーテクノロジー株式会社は 2016 年に設立され、レーザー微細加工技術の研究と産業応用に重点を置いています。-近年、同社はペロブスカイト太陽電池のレーザー製造技術に研究開発に注力しており、詳細な研究を実施し、この分野向けの一連の高性能超高速レーザー加工装置を開発しています。-これらのソリューションには、セルの有効発電面積の増加、エネルギー消費と生産サイクルの削減、多機能レーザープロセスの統合など、複数の利点があります。{6}}この進歩により、ペロブスカイトセル製造の自動化とインテリジェンスのレベルが大幅に向上しました。
特に、キングスレーザーは 2012 年に初の中型から大型のペロブスカイト太陽電池実験装置の納入に成功し、この分野に参入した中国企業の 1 つとなりました。 10年以上にわたる技術開発と市場拡大を経て、同社はペロブスカイト電池の研究開発に携わる100以上の大学、研究機関、企業と協力関係を確立した。これらのコラボレーションは、メソポーラス構造と平面構造の両方を含む、さまざまなペロブスカイトセル技術をカバーしています。 Kingslaser は、さまざまなサイズ仕様に合わせた包括的なレーザー製造ソリューションのセットも開発しており、顧客のカスタマイズとエンジニアリングの実装において強力な能力を実証しています。
キングスレーザーは、継続的な革新と研究と産業応用の統合を通じて、ペロブスカイト太陽電池製造装置の分野で優れた技術的優位性を確立し、次世代太陽電池の商品化を強力にサポートしています。{0}}