李軍亮，楊 濤，陸 揚(yáng)

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司驅(qū)動系統(tǒng)部，上海 201208）

電池管理系統(tǒng)中的低壓采樣回路目前主流的方案大多采用線束連接，一端與電芯的Bus bar焊接，另一端匯入到接插件，然后通過接插件與控制器連接。線束在模組內(nèi)走線和固定，不同線束之間需要做防錯，線束長短不一，很難做到自動化、集成化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率不高。單根線束分別與Bus bar焊接，焊接一致性、焊接強(qiáng)度和可靠性難以做到完全可控，嚴(yán)重的將影響采樣精度，降低耐久性能。通過接插件將采樣線束與控制器連接，方便插拔，但接插件很難做到密封處理，端子易受電池包內(nèi)凝露等的影響產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻變大，影響采樣精度。

針對此問題，一方面，將采樣線束變更為軟排線FPC（Flexible Printed Circuit），使用FPC作為采樣線。另一方面，取消采樣接插件，通過對FPC與PCB（Printed Circuit Board）連接部位的接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用焊接的方式將FPC與PCB固定在一起。目前FPC與PCB焊接連接的方案多出現(xiàn)在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，相關(guān)應(yīng)用在復(fù)雜多變的電池管理系統(tǒng)中的研究較少。

針對軟硬結(jié)合板，文獻(xiàn)［1］對軟硬結(jié)合板的工藝參數(shù)和生產(chǎn)制程進(jìn)行了研究，開發(fā)研究出適合大批量生產(chǎn)軟硬結(jié)合板的各個制程的工藝參數(shù)；文獻(xiàn)［2］闡述了剛撓結(jié)合板的制作流程，分析并解決了軟硬結(jié)合板制作中的技術(shù)難點(diǎn)，可以有效地指導(dǎo)該類型產(chǎn)品批量生產(chǎn)；文獻(xiàn)［3］研究其材料特點(diǎn)在加工中存在的問題，特別是ICD（內(nèi)層互連不良）、孔粗、內(nèi)層孔壁分離等不良問題，通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行測試，分析了缺陷信息和原因，針對影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，有效地解決了軟硬結(jié)合板此類問題；文獻(xiàn)［4］介紹了撓性電路板（FPC）在電子行業(yè)的運(yùn)用和撓性電路板的主要組成材料及不同材料之間的性能比較，以及撓性電路板在表面貼裝 （SMT）工藝裝配流程上與硬板 （PCB）不同的工藝裝配特點(diǎn)。

為此，本文將取消接插件，設(shè)計(jì)一種基于FPC和PCB的軟硬板集成連接方案，通過對FPC和PCB板的連接接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用焊接形式做PCB-FPC的一體化集成，有效降低了高度空間和成本。

1 FPC設(shè)計(jì)

1.1 FPC本體設(shè)計(jì)

FPC作為連接電芯和控制器的采樣通道，在設(shè)計(jì)時需結(jié)合模組的尺寸，控制器所處的位置、尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

首先確定采樣點(diǎn)位置和數(shù)量。串并連接的模組根據(jù)串聯(lián)電芯的數(shù)量確定電壓采樣通道數(shù)。根據(jù)模組內(nèi)溫度場分布確定溫度傳感器的位置和數(shù)量。

采樣點(diǎn)位置和數(shù)量確認(rèn)好后，根據(jù)采樣通道的電流范圍和鋪銅厚度確定線寬和線距。當(dāng)鋪銅厚度為1oZ，線路最大電流不超過300mA時，選用0.2mm的線寬和線距。根據(jù)采樣線數(shù)量、線寬和線距確定FPC的寬度。

1.2 溫度傳感器選型和布置位置

由于采用FPC連接電芯和PCB，F(xiàn)PC上可以焊接元器件，本文選用貼片熱敏電阻作為溫度傳感器。為更準(zhǔn)確地測量電芯的溫度，熱敏電阻將盡可能地靠近電芯。受限于模組結(jié)構(gòu)，熱敏電阻無法貼在電芯表面。本設(shè)計(jì)中熱敏電阻將貼裝在FPC上，且位置靠近Bus bar，可相對準(zhǔn)確地測量電芯溫度。

1.3 FPC-鎳連接片接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中FPC與Bus bar之間采用鎳片進(jìn)行連接。有兩種不同類型的鎳連接片，其中一種鎳片開窗，內(nèi)嵌熱敏電阻，熱敏電阻所在的FPC背部補(bǔ)強(qiáng)，防止電阻開裂。

電芯在使用過程中會逐漸膨脹，會有一定的變形量，為防止電芯膨脹變形導(dǎo)致FPC出現(xiàn)較大應(yīng)力，設(shè)計(jì)上采用懸臂結(jié)構(gòu)，可抵消一部分電芯變形量。如圖1、圖2所示。

圖1 FPC-鎳片連接 （含熱敏電阻）示意圖

2 FPC-PCB連接接口設(shè)計(jì)

2.1 接口設(shè)計(jì)要求

FPC-PCB接口至少需要滿足以下兩項(xiàng)要求。

1）穩(wěn)定的電氣連通性能。相比于傳統(tǒng)接插件通過端子連接的形式，PCB與FPC通過預(yù)留的焊盤進(jìn)行焊接連接，接口部位不能存在漏焊、虛焊、短路等失效形式，確保穩(wěn)定可靠的電導(dǎo)通，采樣信號實(shí)時、無失真地傳輸給控制器。

2）可靠的機(jī)械強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)應(yīng)用在動力電池包內(nèi)，環(huán)境復(fù)雜，安全等級高，且需要滿足整車使用壽命內(nèi)的安全、可靠性要求，所設(shè)計(jì)的接口需要通過振動、耐久、冷熱循環(huán)、溫濕度循環(huán)以及鹽霧腐蝕等各種工況的驗(yàn)證。

圖2 FPC-鎳片連接 （不含熱敏電阻）示意圖

2.2 FPC連接接口設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用兩片F(xiàn)PC分別與PCB進(jìn)行連接，兩片F(xiàn)PC相比單片F(xiàn)PC設(shè)計(jì)，拼版率更高，成本更優(yōu)。FPC上采樣線的數(shù)量根據(jù)所要采集的電壓、溫度點(diǎn)的數(shù)量定義。該設(shè)計(jì)中共有15根采樣線，其中一片F(xiàn)PC有6根采樣線，另一片F(xiàn)PC上有9根采樣線。為增大連接強(qiáng)度，設(shè)計(jì)采用雙排焊盤，第一排焊盤為半圓型，目的是與PCB邊緣的半圓形焊盤進(jìn)行連接，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地檢查爬錫量和爬錫的一致性；第二排為圓形焊盤，將與PCB板的第二排過孔焊盤連接。兩排焊盤之間電氣連接，極端情況下，即便有一排焊點(diǎn)出現(xiàn)開裂或接觸不良，另一排仍可以保證正常的電氣連接。此外，為增大連接強(qiáng)度，每片F(xiàn)PC的兩端設(shè)計(jì)有起加強(qiáng)作用的焊盤。如圖3所示。

圖3 FPC連接接口示意圖

2.3 PCB連接接口設(shè)計(jì)

FPC-PCB的焊接結(jié)合點(diǎn)位于PCB的邊緣，可以最大化地保證PCB板的利用率。相應(yīng)地，PCB設(shè)計(jì)為雙排過孔焊盤，采用過孔焊盤的設(shè)計(jì)，一方面可以增大爬錫面積，錫膏可以延伸到孔壁上，增大連接強(qiáng)度；另一方面，可以有效避免錫膏蔓延到相鄰焊盤，造成短路。如圖4、圖5所示。

2.4 連接工藝選型

分別采用Reflow回流焊接工藝和Hot Bar熱壓工藝對所設(shè)計(jì)的連接方案進(jìn)行試制和驗(yàn)證。主要從氣孔率、拉力和剝離力3方面評價兩種焊接工藝，擇優(yōu)選取最終焊接方案。

圖4 PCB連接接口示意圖

1） Reflow回流焊接工藝

Reflow回流焊接工藝流程見表1。

對于氣孔率，需要滿足IPC-610 III級要求，即氣孔率不超過30%。對于Reflow工藝，通過優(yōu)化網(wǎng)板開口尺寸、網(wǎng)板厚度和FPC焊盤尺寸來調(diào)節(jié)上錫量，通過調(diào)節(jié)Reflow焊接過程的溫度和時間來優(yōu)化焊接品質(zhì)，參數(shù)優(yōu)化后的樣件氣孔率可以控制在25%以內(nèi)。如圖6所示。

圖5 FPC-PCB連接總成示意圖

表1 Reflow回流焊接工藝流程

圖6 Reflow樣件X-ray示意圖

拉力和剝離力的結(jié)果見表2。

表2 拉力和剝離力測量結(jié)果

2） Hot Bar焊接工藝

Hot Bar焊接工藝流程見表3。

表3 Hot Bar焊接工藝流程

對于Hot Bar工藝，通過優(yōu)化網(wǎng)板開口、FPC焊盤尺寸來調(diào)節(jié)上錫量，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、焊接溫度和焊接時間來優(yōu)化焊接品質(zhì)，參數(shù)優(yōu)化后的樣件氣孔率可以控制在30%以內(nèi)。如圖7所示。

圖7 Hot Bar樣件X-ray示意圖

拉力和剝離力的結(jié)果見表4。

表4 拉力和剝離力測量結(jié)果

綜合以上氣孔率，拉力和剝離力的結(jié)果，Reflow焊接工藝效果更優(yōu)，本設(shè)計(jì)選用Reflow工藝。

3 連接方案驗(yàn)證

3.1 建立試驗(yàn)條件

針對特定的應(yīng)用環(huán)境制定符合使用要求的驗(yàn)證條件。電池包應(yīng)用環(huán)境惡劣，安全等級很高，驗(yàn)證需要充分考慮接口在振動、腐蝕、高溫高濕、冷熱沖擊工況下的耐受能力，并建立一套具有針對性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 冷熱沖擊-振動-溫濕度循環(huán)試驗(yàn)

1）冷熱沖擊試驗(yàn)條件設(shè)置如下。

①低溫：-40°C，10min。

②高溫：85°C，10min。

③高低溫轉(zhuǎn)換斜率：19K／min。

④循環(huán)次數(shù)：318cycle。

2）振動測試試驗(yàn)條件設(shè)置如下。

①溫度等級：Tmin=-40℃，Tmax=+105℃。

②循環(huán)：0min：20°C；60～150min：Tmin；210min：20℃；300～410min：Tmax；480min：20℃。

③持續(xù)時間：X軸24h，Y&Z軸27h。

④振動功率譜見表5。

表5 振動功率譜密度

3）溫濕度循環(huán)試驗(yàn)條件設(shè)置如下。

①溫度：-10℃ -25℃ -65℃循環(huán)。

②濕度：80%～93%。

③時間：240h （48h／cycle*5cycle）。

冷熱沖擊-振動-溫濕度循環(huán)試驗(yàn)流程如圖8所示。

3.1.2 鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)測試條件設(shè)置如下。

①溫度：35℃。

②鹽濃度：5%。

③霧濃度：1～2ml／h／80cm2。

④pH值：6.5-7.2。

⑤時間：鹽8h，霧16h，6cycles。

鹽霧試驗(yàn)流程如圖9所示。

圖8 冷熱沖擊-振動-溫濕度循環(huán)試驗(yàn)流程圖

圖9 鹽霧試驗(yàn)流程圖

3.1.3 熱應(yīng)力試驗(yàn)

熱應(yīng)力試驗(yàn)條件設(shè)置如下。

①溫度：289℃。

②時間：10s。

熱應(yīng)力試驗(yàn)流程如圖10所示。

圖10 熱應(yīng)力試驗(yàn)流程圖

3.1.4 試驗(yàn)完成后檢測項(xiàng)

1）回路阻抗檢測：使用四端子阻抗儀測量鎳連接片到PCB板上焊點(diǎn)的回路阻抗，確認(rèn)測試后是否造成焊點(diǎn)裂開?；芈纷杩箼z測示意如圖11所示。

圖11 回路阻抗檢測方法

2）外觀檢測：使用顯微鏡以及X-ray觀察焊點(diǎn)在測試后是否開裂。

3）拉力及剝離力檢測：使用拉力機(jī)確認(rèn)FPC與PCB之間的焊點(diǎn)結(jié)合力測試后是否有弱化。

4）切片檢測：切片確認(rèn)焊點(diǎn)部位在測試后是否有斷裂。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 回路阻抗結(jié)果

如圖12～圖15所示，分別為試驗(yàn)前、振動試驗(yàn)完成后、熱沖擊試驗(yàn)完成后以及溫濕度循環(huán)試驗(yàn)完成后測得的各采樣回路阻抗值。從圖中可以看出，各樣件的阻抗值基本保持一致，波動很小，各回路阻抗一致性較好。圖16為每一試驗(yàn)階段各樣件的阻抗均值對比，圖17為阻抗變化對比，從圖中可以看出，試驗(yàn)前后阻抗變化均在3mOhm以內(nèi)，阻抗變化非常小。以上結(jié)果證明，試驗(yàn)對回路阻抗的影響較小，滿足試驗(yàn)要求。

圖13 振動試驗(yàn)后回路阻抗值

圖14 熱沖擊試驗(yàn)后回路阻抗值

圖15 溫濕循環(huán)試驗(yàn)后回路阻抗值

圖16 各試驗(yàn)后回路阻抗值均值

圖17 回路阻抗值對比

3.2.2 外觀檢查結(jié)果

試驗(yàn)前后的外觀檢查對比分別如圖18和圖19所示，試驗(yàn)前后焊點(diǎn)無開裂和明顯變色，焊點(diǎn)保持完整。

3.2.3 X-ray檢查結(jié)果

試驗(yàn)前后的X-ray檢查對比分別如圖20和圖21所示，試驗(yàn)前后測得的氣孔率均在25%以內(nèi)，滿足IPC610對氣孔率（＜30%）的要求。

圖18 試驗(yàn)前后外觀檢查1

圖19 試驗(yàn)前后外觀檢查2

圖20 試驗(yàn)前X-ray檢查

圖21 試驗(yàn)后X-ray檢查

3.2.4 拉力和剝離力檢查結(jié)果

試驗(yàn)前后的拉力和剝離力檢測結(jié)果對比分別見表6和表7，試驗(yàn)前后測得的拉力和剝離力均滿足要求 （Spec：拉力＞100N，剝離力＞60N）。拉力和剝離力的失效形式如圖22所示，從圖中可以看出，最終的失效形式為FPC先于焊點(diǎn)位置發(fā)生斷裂，證明焊接強(qiáng)度要大于FPC本身的斷裂強(qiáng)度，焊接穩(wěn)定可靠。

表6 試驗(yàn)前后拉力對比

3.2.5 切片檢測結(jié)果

剖切位置如圖23所示，試驗(yàn)前后的切片檢查對比如圖24所示，從圖中可以看出，試驗(yàn)后切面無明顯裂紋，焊接連接可靠。

表7 試驗(yàn)前后剝離力對比

圖22 拉力和剝離力的失效形式

圖23 切片位置

4 結(jié)論

1）針對低壓采樣回路中接插件和線束無法進(jìn)行大規(guī)模集成化、自動化生產(chǎn)且成本較高的問題，提出一種基于FPC和PCB的軟硬板集成連接方案。

2）基于實(shí)際的電池模組設(shè)計(jì)了匹配的FPC本體，對溫度傳感器進(jìn)行選型并確定布置位置，設(shè)計(jì)了連接FPC和Bus bar的鎳連接片，并設(shè)計(jì)了能夠緩沖電芯膨脹的懸臂結(jié)構(gòu)。

3）對FPC-PCB的連接接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了雙排焊接點(diǎn)，確保了穩(wěn)定的電氣連通性能和可靠的機(jī)械強(qiáng)度。

4）介紹了Reflow回流焊接和Hot bar熱壓兩種焊接工藝，并從氣孔率、拉力和剝離力上對焊接后的樣件進(jìn)行了對比，對比結(jié)果表明，采用Reflow焊接得到的樣件具有更低的氣孔率、更大的連接強(qiáng)度，本文采用Reflow焊接工藝。

5）設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證焊接樣件的連接性能，對樣件進(jìn)行振動、熱沖擊、溫濕度循環(huán)，鹽霧和熱應(yīng)力試驗(yàn)，分別對比了試驗(yàn)前后的回路阻抗、外觀檢查、X-ray、拉力和剝離力、切片檢查，試驗(yàn)對比結(jié)果表明，該焊接連接方案連接可靠。

6）后續(xù)將繼續(xù)對焊接工藝進(jìn)行研究，確保焊接后產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性。