精英电脑集团系列教材--笔记本锂电池制作工艺.doc

精英電腦集團ECS-VQA 系列教材書之一：筆記本型電腦鋰電池之設計與製造工藝撰寫審核版本日期 袁何明002007-08-06前言隨著科學技術的突飛猛進，越來越多實用科技日益走近我們的生活和工作，例如手機，電腦及其它消費類電子，這些電子產品的外觀設計越來越新穎和別致，但是價格是越來越便宜。所有這些電子產品，無一例外都有使用電池作爲電子產品的電源。爲了大家能對這幾類電子產品的電源有所了解，我們今天編制了這本筆記本型電腦鋰電池的設計與製造工藝，希望這本書能給大家一些學習上的幫助。作爲一本是實用性很強的專業提高類書籍，筆者對於書中的内容進行了反復的推敲和精選，但是限於筆者的水平與經驗的有限，書中不妥之處在所難免，承望廣大讀者批評指正。 編者 Aiwens.yuan 2007年8月于蘇州工業園區精英電腦目錄第一章：筆記本電池的概述与發展第二章：.筆記本電池的設計第三章：筆記本電池的製造与測試第四章：筆記本電池進料之檢驗第一章 筆記本電池的概述与發展1.電池結構概述: 如果將一個電池pack拆開，分析結構，可分為幾大部分，外殼(機構部分CASE)、PCM(電路控制部份)、電池芯(CELL)，及一些如膠帶等的消耗材和加工. 外殼部分: 有公模廠，專門開各式電池的外殼，供應給各生產電池pack的工廠，因為各種型式的使用裝置，如手機、相位相機、PDA等等的電池形號實在太多了，每一家pack廠要自己開全部的模具，這是不可能的，所以差不多每個pack廠用的外殼，都由公模廠提供，公模廠開模、射出，供應各pack廠使用，量大使成本降低. PCM:從專業 PCB廠商處,購出光板,BAT廠商內部再自己通過SMT打上板載功能零件過程完成,或外包其他SMT工廠完成. 電池芯: 電池能量儲存,供應來源處,目前筆記本電池芯一般使用鋰作為原料,其生產商都为國際大廠,如:PANASONIC、SANYO、TOSHIBA,SUMSUNG, LG等原廠的CELL(電池芯). 2.筆記本電池種類与發展: 過去到現在我们使用的电池主要有3种類型: 2.1镍铬电池 电压：1.2V 使用寿命为：500次 放电温度为：-20度60度 充电温度为：0度45度 (备注：耐过充能力较强)。 2.2镍氢电池、电压：1.2V 使用寿命为：1000次 放电温度为：-10度45度 充电温度为：10度45度 (备注：目前最高容量是2100mAh左右) 2.3锂电池； 电压：3.7V 使用寿命为：500次 放电温度为：-20度60度 充电温度为：0度45度 (备注：锂电的改良型，没有电池液，而改用聚合物电解质，可以做成各种形状，比锂电池稳定)。 它们一般表示为：镍镉NI-CD、镍氢NI-MH、锂电LI,最近几年，在笔记本领域还出现了一种燃料电池，它的副产品只有水和热量，无噪音，基本无污染，效率比起一般的发电系统高的多，达到4358，如果把反应产生的热量也利用上，效率可以高达80！是一种清洁环保的电源。3.不同筆記本電池原料特性:镍镉NI-CD电池由于年代过于早，因此有了很多令人头疼的缺点，如：体积大、份量重、容量小、寿命短、有记忆效应等（一无是处），现在已经不再使用。现在的电池主要还是NI-MH镍氢和LI锂电两种。而其中镍氢电池也在电池业活跃一时，相对于其他电池，镍氢电池要更环保一些，它也是目前为止最环保的电池了，而锂电池，具有体积小、重量轻、容量大、记忆效应低、充电时间短等优点，颇受用户喜爱，但是你常常会在电池的背面看到妥善抛弃和处理锂电池的指示,因为锂电池的随意抛弃将造成环境污染。 可能现在有人对锂电池有所误区，说锂电池没有记忆，其实锂电不是没有记忆，只是记忆比较小而已，看起来不是很明显。而且锂电池也分锂电和锂离子电池2种。锂电很早以前就有了，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，这也许是因为锂元素太活跃的缘故。后来就有了改进型的锂离子电池，加入了能抑制锂元素活跃的成份，从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电也随之淘汰了。至于如何区分它们，从电池的标识上就能识别，锂电为LI、锂离子电池为LI-ION。锂电和镍氢电池的另一个区别就是充电次数，一般锂电的充电次数为只有400600次，经过特殊改进的产品也不过800多次，一般使用2年左右就报废了，这就是为什么一般笔记本厂商只对电池采取1年包修的原因。而相对于锂电池，镍氢电池的充电次数就要多的多了，一般为700次以上，质量好的电池可以充放电1200次，镍氢电池的寿命要比锂电池長了。 4. 筆記本電池原料產地:说完了电池的材料，我们在来看看电池的产地，一般电池电芯的产地为日本、韩国、中国大陆和台湾等，尤其以日本居多。其中比较有名的是日本的Sanyo(三洋)、韩国的LG、三星等。 电池由电芯组成，一般人们所说的4Cell、6Cell就是指电池内电芯的数量，这种电芯在市场上很容易买到，价格一般为10-20元不等，韩国、中国大陆和台湾省多以来料加工为主，生产的电池也都是日本芯。在新一代电池电芯中，有一些已经不用这种园形的电芯而是采用的是块状的锂聚合物，用在一些为了得到更大的电量和更小的体积。第二章 筆記本電池的設計1.筆記本電池的電路如下為一般筆記本鋰電池通用電路形式,下面紅色所標示區域,為筆記本鋰電池主要功能部件,控制中心都为IC,紅色區域”1”一般為偵測IC如:BQ20Z60,BQ20Z70,BQ20Z85等, 紅色區域”2”一般為保護IC,如S-8254;另外此電路設計一般還設計有EPPROM資料貯存之IC,主要對偵測,保護等信息做精確計算與統計.21以下將對, 紅色區域1,2及電路中其他重要零組件做詳細介紹:偵測ICu 能够精确的侦测 1.充放电的状态 2.电池的温度 3.电池的电压 4.电池的容量 5.电池的电流 6.预计的充电时间和放电的时间u 能够将电池的信息、状态传输给笔记本电脑u 能够进行一阶保护 1. 温度保护 2. 电压保护 （过电压，欠电压）保护 IC- S-8254功能：u 能够进行二阶保护 1. 电压保护（过电压，欠电压） 2. 过电流保护EEPROM- 24LC02功能：u 资料，参数存储热敏电阻 （Thermistor）功能随温度可变化电阻值的电阻一般分为：正热敏电阻 和 负热敏电阻 例如：UN255使用的是负热敏电阻，在25时候的阻值是10k，当温度升高 时候它的阻值会减小，当温度降低的时候它的阻值会变大。這些設計及零組件主要表現為PCB形式來產生作用,這是BAT非常重要之部分 下圖:2.以上說明了筆記本鋰電池的電路設計,下面主要說明筆記本另一重要部件,-電池能量貯存與來源地,電池芯(CELL)墊片PTC裝置隔離板正極板負極板安全氣閘正極端子防爆膜 CELL的原料為鋰,锂是一种金属元素，其化学符号为Li(其英文名为lithium)，是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。大家都知道当锂电池过度充电、过度放电或充、放电电流过大时，对电池的寿命和容量都有极大的损害，甚至会引起电池变形或爆炸，因此一般在锂电池内部都设置了电子电路来保护电芯。当电池过度充电、过度放电、电流过大时，均会切断与外部的连接, 为提高充电效率，锂电池先是以大电流恒流充电到电量的90%，电池电压为4.2V，这大约需要将近2小时；然后再以恒压小电流充电，直到充满电后电池内部保护电路动作为止，这大约需要半小时，考虑到电池、充电器各产品的个体差异，锂电池以充电34个小时为宜。鋰CELL的電壓值一般為3.0V-4.2V所以,我們可以用测量电压的方法估算电池剩余容量：4.20V-100% 3.95V-75% 3.85V-50% 3.73V-25% 3.50V-5% 2.75V-0% 3.CELL介紹完畢後,我們來看CELL與PCM(控制電路)是如何搭配工作: 控製電路,電壓都有了,現在電池功能齊全,主要功能實現之設計原理:3.1过充电保护：不同IC，同IC的不同型号的过充电保护电压是不同的，有4.25V也有4.35V的，这个都需要根据使用的实际情况选择。SC451的过充保护电压在4.284.38之间，典型值为4.34V，也就是说当电池电压上升到4.34V时，切断供电回路，停止充电，显然比4.2V要高出不少，但在充电过程中，为了防止脉冲电压的干扰引起保护线路保护动作，保护IC的过保护电压取值都会稍微高些，另外还是为了防止这个脉冲引起保护IC误动作，通常过充保护都需要一定的延时时间。锂电池过充保护后，解除过充保护状态有两种方法，可以取下充电器，去连接负载或者令其自放电当锂电池的电压降至4.15V时，解除过充保护状态。3.2 过放电保护：电池电压降至2.4V时，进入过放电保护状态，切断供电回路，锂电池停止对外供电，并将电池保持在低静态电流的状态,此时耗电为0.3uA（不同IC此值不同）。同样，为了防止误动作，过放电保护也需要一定的延时时间。当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过放电电压时, 可解除过放电保护功能。3.3过电流/短路保护：在正常工作模式下，如果保护IC检测到放电电流过大，即激活过电流保护功能，切断供电回路，过电流保护的电流门槛值由保护IC和MOS的Rds(on)共同决定。其计算公式为：最大过放电电流保护IC过电流检测电压/Rds（on）*2。不同保护IC的过电流检测电压不同，常用为0.15V或0.3V。同样，过电流保护也要有一定的延时时间。若由于外部负载引起保护，将外部负载移除即可从保护状态恢复。4. 电池保护的重要性:4.1 过度充电: 当锂电池发生过度充电时,电池内电解质会被分解,使得温度上升并产生气体,使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机,锂电池保护IC用意就是要防止过充电的情形发生。 4.2 过度放电: 在过度放电的情形下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低,锂电池保护IC用以保护其过放电的状况发生, 达成保护动作。 4.3 过电流及短路电流: 因为不明原因(放电时或正负极遭金属物误触)造成过电流或短路电流发生,为确保安全,使其停止放电。 4.4 温度过高:当电池在充放电过程中，由于电池本体在剧烈的化学变化而会产生热量，当温度过高的时候可能发生爆炸或者燃烧的危险，需要进行保护。第三章 筆記本電池的製造与測試1.電池組的基本組成1.1電池芯 Battery Cell一般工作电压：3V4.2V如果过充电超过4.5V,或者过放电低于2.2V,会对锂离子电池造成永久性的伤害。Li 离子电池的特性：容量大重量轻 （依容量/体积比，约为同样容量 NIMH 电池 50%的重量，40% 的体积）无记忆效应 循环使用寿命长 高电压 （一般电压 3.7V 左右，约为普通镍氢和镍镉电池的三倍） 可快速充电1.2線路板 PCM. Gas Gauge IC - BQ2060A 1.3機構材料(外殼Case,etc)1.4半成品Core Pack1.5成品Pack 2.電池組裝流程及要點:筆記本電池的成型一般經過如下流程之工位:備註:pcb,pcb板載零件,cell,case,一般為電池組裝廠採購原廠現成成品使用這裡各種零部件將不做詳細介紹.首先是印刷电路板(SMT,PCM成品)的製作:1. 放板:將PCB光板放置于機架注意:PCB版面不能有反掉現象2. 送板:將PCB光板從機架送于刷錫膏3. 刷錫膏:將PCB光板需要打零件部分刷上錫膏,以使零組件能夠焊在PCB上注意:刷錫膏精度,準確性,不可漏刷,多刷,粘錫膏.4. 打件:將電路中所需要之零件植于PCB上.注意: 植入精度,準確性,掉件,偏移不可有5. 回焊:將錫膏加溫為錫過程,是零件粘于PCB上並牢固.注意:一般10個溫區,8加溫區,2個冷卻區.注意每個溫區溫度管控.6. ICT:回焊後成品逕行效果的測試,有無短路,開路,多件,少件等不良現象.7. PCB TEST: EPPROM資料的燒錄,即將電池控制,保護,偵測等程序信息刻錄到PCB的板載IC的內存區域印刷电路板完成後,就是其舆cell,case組裝之過程:8. 單體CELL9. CELL值匹配電池匹配是將cell容量在相差+/-50ma以內的,分在一起逕行組裝在一個CASE內,這樣有利于CELL間的匹配,電池運行功能良性循環.10. 單顆CELL絕緣 11. 點焊作業點焊是將CELL與CELL之間逕行串並聯的聯接,已達到整個成品的容量及電壓的高度(說明:串聯增加電壓但容量不會增加,並聯增加容量但電壓不會增加,此為電池容量與電壓設計原理)此工站注意:電池極性，不可弄錯注意鎳片方向及位置點焊機之設定參照點12. 真空测漏檢查CELL封裝是否完好13. 点焊效果检查14. PCM与Cell焊接注意事項:焊接順序不可錯誤注意烙鐵溫度:340360烙鐵與PCB板焊接時角度不能太小注意不能用手直接碰到PCB板表面15. 半成品绝缘作业確認鎳片色彩與焊錫顏色相同注意不能用手直接碰到PCB板表面16. 半成品测试Pre-test電池控制功能,保護功能,偵測功能等的綜合測試,如:過電流,過電壓,短路,溫度的偵測,電路的反應等功能之綜合測試過程17. 校正作业,Calibration當Pre Test完畢後就是. Calibration Test,其主要目的就是矯正電流,電壓值,使其計算精度達到產品設計之要求18. 充放电作业Learning TestLearning Test测试中，电池会进行全程的充电，初始状态，放电=空（0%，9V）=充电= 饱（100%，12.6V&Imin=140mA)，放电=空（0%,9V），充电=出货规格（约80%）；經過以上,下面就是將PCM與CELL組進CASE之流程:19. 点胶作业20. 组装作业21. 压合作业22. 最终测试作业Final test23. 包装作业24. QA检验25. 入库總結以上電池作業製作流程,發現電池測試占了很重的分額,的確,電池的測試在製作工藝中,非常重要決對不可或缺,下面我將詳細介紹電池的測試:從以上電池製作流程來看,電池測試一般有如下站別:a. PCB-Testb. Pre Testc. Calibration Testd.Learning Teste. Final TestPCB-Test:在電池PCB經過SMT後,零件(如IC,電阻,電容等)都已經打到板子,經過ICT確認此PCB表面封裝為良品,就要逕行在SMT中最後一站別了,就是PCB-Test,其主要逕行:1. EPPROM資料的燒錄,即將電池控制,保護,偵測等程序信息刻錄到PCB的板載IC的內存區域,2. 對所燒錄的EPPROM資料逕行測試核對其正確性.3. 對電池保護功能逕行先期測試.b. Pre Test當PCB組裝上CELL,CASE等後,完整的電池就出來了,下面就是完整電池後所經歷的測試第一站Pre Test,其主要逕行:電池控制功能,保護功能,偵測功能等的綜合測試,如:過電流,過電壓,短路,溫度的偵測,電路的反應等功能之綜合測試過程.c. Calibration Test當Pre Test完畢後就是. Calibration Test,其主要目的就是矯正電流,電壓值,使其計算精度達到產品設計之要求d.Learning Test在電池組裝CASE前要逕行最後一站測試,就是Learning Test,其目的是模仿電池正常充放電過程,共逕行3個循環測試,此測試是很重要的,所耗費周期在所測試中,也是最長的,達到10個小時,其具體充放電順序:Learning Test测试中，电池会进行全程的充电，初始状态，放电=空（0%，9V）=充电= 饱（100%，12.6V&Imin=140mA)，放电=空（0%,9V），充电=出货规格（约80%）；測試程式介面:e. Final Test在電池組裝上case後,完整的電池就完工了,下面就是最後一站別的電性測試,其目的為1.測試電池充放電是否正常2.電量是否在出貨規格內3.FCC是否符合設計要求4.溫度偵測是否正常5.CELL是否平衡6.充放電電壓,電流是否正常7.EPPROM信息是否正常其測試介面:BQ2060:這樣一個完整的電池就組裝,測試完成(標準流程).f.附加測試:而電池在插拔作業時,會對主板產生Inrush current ,這樣會使電池IC為了保護電池,而啟動保護措施,即關閉輸出,這樣電池將不開機,所以我們要求BAT廠商導入Inrush current測試使其突波電流IN SPEC,具體測試:电容规格2200uF,4400uF作Inrush current 测试（20A5ms,40A0.5ms），20A40A測試20A40A測試20A40A測試A40A測試經過以上測試,電池OK,則電性方面滿足出貨要求.下面將介紹機構方面測試項目與方法.1. 平整度:平放置于平台,使用賽規,確認間隙是否in spec2. 尺寸:a.使用制工模具確認電池case是否能卡進.b.重要尺寸使用卡尺量測3. 外觀:確認case色差,毛邊,缺料,亮痕等外觀視覺.經過以上一系列之測試後,否合條件之battery就可以出貨了.第四章Battery進料之檢驗1. 檢驗項目:1.1LABELa.未貼牢(浮貼)，或貼歪，倒貼位置錯誤不可有b.破損，印刷不清，不潔，表面不平整不可有c.核對是否錯字, 模糊不清晰、斷筆劃不可有d.白點/黑點/刮傷/龜裂/脆化/空泡等現象不可有e.核對內容、尺寸須與承認書規範相符1.2塑膠a.外殼毛邊,缺料,拉模,亮痕,刮傷等外觀現象不可有b.變形量,結合線、合模線,依承認樣品為限度比對c單體尺寸,依承認樣品或圖面為限度量測d.色差:依照上下限度sample比對e.平整度:平放置于平台,使用賽規,確認間隙是否in承