铝基可焊接的触头的制作方法

本发明总体上涉及电子构件和用于生产电子构件的方法。更具体地，本发明涉及铝基可焊接的触头。

背景技术：

典型的由大电流电池供电的装置利用所谓的母线(busbars)将一个或更多蓄电池单元电耦接至电路板。母线可以对应于铜包铝条。铝由于其较低的总成本和重量而可以被使用。铜包层可以用于使母线更容易焊接至电路板，这是因为难以与纯铝进行可靠的电气和机械连接。例如，顽固且快速复原的氧化物、高导热性以及与铝相关的其它特性使其难以焊接。

在包层处理过程中，铜和铝被彻底地清洁以去除任何氧化物。然后，可以将材料压缩在一起。例如，可以使铜和铝在足够的压力下穿过一对辊以使层接合。该压力高到足以使铜和铝变形并使包层材料的组合厚度减小。

遗憾的是，包层处理相对地耗时且昂贵。这反过来导致使用母线的装置的成本增加。根据下文公开内容，用于制造母线的现有方法的其它问题将变得显而易见。

技术实现要素：

在第一方面中，一种制作可焊接的铝触头的方法包括配制包含一种或更多种可焊接的导电元素的导电的油墨材料。将油墨施加至铝基板，以在所述铝基板的表面上形成油墨层。熔化所述油墨层，以形成包含一种或更多种导电元素的合金，由此提供具有带有可焊接的表面合金的铝芯的触头。

在第二方面中，提供一种制作铝基板和另一个基板之间的接头的方法。所述方法包括配制包含一种或更多种导电元素的导电的油墨材料。将所述导电的油墨材料施加至所述铝基板，以在所述铝基板的表面上形成油墨层。熔化所述油墨层，以形成包含至少一种导电元素的合金，由此提供具有带有表面合金的铝基部的接头接触区域(jointcontactarea)。将导电的粘合剂或焊膏(solderpaste)施加至所述接头接触区域。将所述另一个基板施加在所述导电的粘合剂或焊膏上，使得所述另一个基板接触所述导电的粘合剂或焊膏。加热所述导电的粘合剂或焊膏，以形成所述铝基板和所述另一个基板之间的接头。

在第三方面中，公开了可焊接的铝触头以及接头，所述接头包括根据上述方法制作的可焊接的铝触头。

附图说明

图1示出用于生产铝基可焊接的触头的操作。

图2a示出示例性铝基可焊接的触头的一部分的横截面。

图2b示出用于制造示例性铝基可焊接的触头的示例性设备和操作。

图3a示出在带有熔化的铜/银(cuag)油墨层的铝(al)基板上制作的焊接接头的横截面。

图3b示出带有熔化的铜/银(cuag)油墨层的铝(al)基板的表面。

图4示出原来的基板和根据实施例制备的基板之间的无焊剂的油墨焊接接头的接头电阻值的比较。

具体实施方式

下文描述的实施例通过提供以下工艺克服了上述问题，该工艺是通过印刷和能量束熔化来使带有可焊接材料的铝基板的表面合金化，由此产生铝基可焊接的触头和/或其它结构。如下文更详细地描述的，与现有的铝触头相比，铝基可焊接的触头具有优异的接触电阻和机械特性。

图1示出用于生产铝基可焊接的触头的操作。参考图2a和图2b所示的示例性横截面视图可以最好地理解图1中的操作，图2a和图2b示出在制造过程的不同阶段的示例性可焊接的触头200的横截面。

在框100处，可以配制将会最终形成触头200的可焊接表面的油墨220。油墨220可以包含与粘结剂和/或溶剂保持在一起的一种或更多种可焊接元素。例如，这些元素可以对应于诸如锡(sn)、银(ag)、锌(zn)、铜(cu)、镁(mg)、钯(pd)、银/铜合金、银/锡合金等可焊接元素或不同的可焊接元素及其任何组合。在具体实施例中，可焊接元素是银/铜合金或银/锡合金。

在框105处，可以制备将会最终对应于触头的芯部的铝基板202。如图2b所示，铝基板202可以被卷起来。铝基板202可以具有在约0.1mm至8mm的范围(包括约0.2至5mm的范围)内的厚度。

铝由于其电和热性能而被选中。例如，其具有相对较高的导电性、低密度、高导热性和/或低逸出功。然而，由于其相对较差的可焊接性，形成永久性铝触头是很有挑战性的。例如，相对较纯的铝含量(99％或更高)可能是最可焊接的。含有铜(cu)、锰(mn)、硅(si)和锌(zn)的铝合金是适当地可焊接的。另一方面，从可焊接性的角度来看，含有镁(mg)和硅(si)的合金可能是最不优选的。

在框110处，可以将油墨220施加至铝基板202的表面，从而在该表面上形成油墨层204。可以由印刷机225施加油墨220。例如，可以通过使用丝网印刷工艺、凹版印刷工艺、柔性版印刷工艺、喷墨印刷工艺、模版印刷工艺、移印工艺或不同的印刷工艺来印刷油墨220以形成油墨层204。

在一些实施方案中，可以在真空室或惰性气氛230内将油墨220施加至铝基板202，以使在处理铝基板202和施加油墨220之间可能发生的氧化物积聚的量减少。

在框115处，可以利用能量束设备235将油墨层204溶化到基板202上，能量束设备235构造成在精确的部位处产生用于熔化油墨层204的聚焦能量束。适当的技术包括但不限于：施加(例如来自co2激光器或电子束焊接机的)连续能量束，施加(例如来自钕钇铝石榴石激光器的)脉冲能量束，施加聚焦束，施加散焦束，或执行任何其它适当的基于束的技术。

电子/束电压的能量可以被设定为确保最小穿透深度等于油墨层204的厚度。可以根据下面的等式来调节电压穿透深度：其中，v是电压，ρ是密度。束电压可以在1kv-10kv、5kv-25kv、20kv-60kv、55kv-100kv、85kv-150kv的范围之间。

束功率(电压×电流)和束停留时间可以被设定为确保油墨层204均匀地熔化并且克服了通过铝基板202的热耗散。停留时间对应于束对准一个点的时间量，而与完全地熔化油墨层204所用的时间不同。束功率可以在5-30w、25-100w、50-250w、100-1000w、500-2500w、1000-5000w的范围之间。停留时间可以在1-10μs、4-100μs、50-250μs、100-1000μs、0.5-10μs和5-50μs的范围或不同的范围之间。

在熔化过程中，油墨220中的热塑性材料可能被烧掉。此外，铝基板202上的自然氧化层可能被能量束分解和/或被焊池(即熔化的油墨层204)溶解。也就是说，自然氧化层不再是宏观上连续的层。去除或分解氧化层促进了油墨层204中的材料和铝基板202之间的强力粘合。去除或分解自然氧化铝层也减小了形成接头时的接触电阻。这不同于诸如可能无法分解氧化层的电镀或浸涂等其它常规工艺。图3a示出熔化后的触头的横截面300。在这种情况下，油墨层305对应于熔化在铝基板310的顶部上的铜/银(cuag)油墨层。

虽然不一定需要焊剂(flux)，但可以将焊剂引入油墨220中，以使在油墨层204和铝基板202之间形成的诸如氧化铝等顽固氧化层(即自然氧化层)减少，由此改善粘合性。焊剂可以在油墨220被施加至铝基板202之前被添加至油墨220，或被预先施加至铝基板202(即作为在印刷油墨220之前的第一层)。焊剂可以对应于有机胺基焊剂、无机氯化物/氟化物基焊剂、氟铝酸盐基焊剂、酸基焊剂或不同的焊剂。

在一些实施方案中，除了使用焊剂之外，还可以在惰性气体气氛中或在真空中通过机械手段处理铝基板202的表面，以去除任何多余的氧化物。此外，可以处理铝基板的表面以提供纹理化的表面形貌，这可以改善表面的粘合特性。例如，这些机械手段包括但不限于研磨、丝刷清理、喷砂、喷丸和/或通过其它类似的方法。

在熔化步骤之后，基板的表面包含与油墨层中的材料及基板材料相对应的金属间元素。这些金属间元素改善了低温锡(sn)基焊料的浸润性和粘合性。

在框117处，在一些实施方案中，如图3b所示，带有焊接油墨层204的铝基板202的表面可以被粗糙化，以提供促进对焊接材料更强的粘合性的纹理化的表面形貌。例如，如前文提及的，可以使用研磨、丝刷清理、喷砂、喷丸和其它类似方法来使表面粗糙化。在一些情况下，可以通过能量束熔化来使表面粗糙化。

在框120处，分割器(singulator)240可以将顶部上带有焊接油墨层204的铝基板202的卷切割成单独的触头。

可焊接的铝触头可以用于与其自身或另一个基板形成接头。另一个基板可以是包含以下各项中的一项的材料：铜(cu)、铝(al)、锡(sn)、金(au)、镀镍的铜、镀银的铜、镀银的聚合物材料、镀金的聚合物材料及其组合。任何适当的焊膏均可以用于形成包括铝触头的接头。例如，焊膏可以从由以下各项组成的合金列表中选出：snpb、snsb、snbi、sncuag(sac合金)、sncuni(sn100c)、sncu、snag、snzn、snagpb、snagsb、snin、auge和auin。在具体实施例中，可焊接的铝触头能够使用诸如低温无铅焊料等常规焊料来形成焊接接头。

任何适当的导电的粘合剂均可以用于形成包括铝触头的接头。例如，导电的粘合剂是从以下粘合剂列表中选出的，该粘合剂列表由含有包括银(ag)、锡(sn)、铜(cu)、金(au)、镍(ni)或其组合的填充材料的环氧树脂、氰基丙烯酸酯、聚氨酯、丙烯酸树脂或硅树脂组成。

与传统地制造的触头相比，根据上述操作制作的触头具有若干优点。首先，与单质铝触头(solidaluminumcontact)相比，铝表面的可焊接性改善，这是因为利用可焊接材料使铝的表面合金化，这有助于与例如锡(sn)基焊膏/线的焊接。触头与例如由金属材料制作的另一个基板之间的焊接接头的强度具有根据astmd-1002测得的大于3mpa的剪切强度。

触头还具有改善的电特性，例如，可焊接的触头在被焊接到其它金属构件时具有小于1毫欧(优选地小于0.1毫欧)的接头电阻。例如，如图4的图表400所示，形成在铝基板上7.6×7.6mm²的面积上的带有铜/银合金层的两个触头之间的接头电阻405小于0.5毫欧。形成在铝基板上7.6×7.6mm²的面积上的带有铜/银合金层的触头与铜触头之间的接头电阻410也小于0.5毫欧。另一方面，在7.6×7.6mm²的面积上的两个铝触头之间的接头电阻415超过1.5毫欧，并且在7.6×7.6mm²的面积上的铝触头与铜触头之间的接头电阻420大于1毫欧。

带有表面合金的铝与另一个基板之间的接头电阻通常比原来的(即无涂层的)铝与另一个基板之间的接头电阻小至少75％。在一种实施方案中，铝基板上的铜/银合金层使接头电阻减小90％或更多。在另一种实施方案中，铝基板上的铜/银合金层使接头电阻减小75％或更多。

因此，如上所述，与传统地制造的铜包铝触头相比，铝基可焊接的触头提供了可焊接性、导电性和成本的改善。虽然参考某些实施例描述了铝基可焊接的触头，但本领域技术人员将会理解的是，在不脱离本申请的权利要求书的精神和范围的情况下，可以做出多种改变并且可以替换等同物。在不脱离权利要求书的范围的情况下，可以做出多种修改以使特定情况或材料适应以上公开的教导。因此，权利要求书不应被解释为限于所公开的特定实施例中的任何一个实施例，而是限于落入权利要求书范围内的任何实施例。