电池激光焊接自动化（超声波焊接与激光焊接）
电池激光焊接自动化（超声波焊接与激光焊接）对于大电流应用，激光焊接更适合。在这种技术中，激光从上方照射，以某种运动方式熔化带状金属，产生一种贯穿带状金属和连接面的“通道”，形成连接。这种焊接方式也叫做“keyhole welding”，过程中通过激光光束的摆动，焊缝的宽度和深度可以得到严格的控制。然而，超声波Wirebonding缺点是需要非常平坦和干净的表面才能正常工作。如果有油脂，灰尘，或其它污染物在连接面上，bonding将会失效。另外，超声波Wirebonding仅限于小电流连接。F&K DELVOTEC建议，超声波Wirebonding用于电流不超过30A的应用场合。超声Wirebonding具体过程：铝丝放置在压头下方，压头以一定的速度将铝丝压在连接表面。当铝丝和连接表面接触压力稳定时，启动超声振动约几百毫秒。超声振动频率在60kHz-100kHz范围内。对于铝丝常用60kHz。超声振动通过压头传递到铝丝和连接表面。软
1 引言锂电池电芯种类有圆柱形电芯（Cylindrical Cell），方形电芯（Prismatic Cell）和软包电芯（Pouch Cell）。电芯之间、电芯与Busbar之间，电芯极耳和Busbar之间连接方式多样，如图1。其中用到的电池连接关键技术主要有：超声波焊接和激光焊接。
图1 不同种类电芯的连接方式，图片来源F&K DELVOTEC
2 超声波Wirebonding（对于多层极耳焊接采用超声波Spotbonding，专栏其它文章有介绍，这里不再介绍。）
超声波Wirebonding是一种先进的摩擦焊接工艺，自1970年以来在微电子、电力电子和半导体工业中得到了广泛的应用。Wirebonding有两种形式：球焊和楔焊。金属丝球焊被归为热声制程，也就是说是在热、超声波、压力和时间的综合作用下形成。这里不做讨论。这里介绍的Wirebonding是指金属丝楔焊，不需要加热，属于超声波线焊。市场上用于Wirebonding的四种材料有金、银、铜和铝。
超声Wirebonding具体过程：铝丝放置在压头下方，压头以一定的速度将铝丝压在连接表面。当铝丝和连接表面接触压力稳定时，启动超声振动约几百毫秒。超声振动频率在60kHz-100kHz范围内。对于铝丝常用60kHz。超声振动通过压头传递到铝丝和连接表面。软化两者接触面，在压力的作用下，原子之间共享电子形成连接。在整个过程中，温度不超过80或者100℃，属于冷焊接（无熔化阶段），且不需要后续清洁处理。
图2 超声Wirebonding工艺，图片来源：HESSE
超声WireBonding可以产生非常可靠的连接质量——接头无微观气孔缺陷，无脆性金属间化合物，以及不产生熔融金属喷溅等问题，而且它们很灵活，可以适应不同长度的导线，不同的方向，以及连接单元之间不同的高度。另外，焊接过程的多个参数可监测，例如压力、换能器电流和频率、接头变形等，可确保稳定的焊接质量。因此，超声波Wirebonding也很适合于自动化。
然而，超声波Wirebonding缺点是需要非常平坦和干净的表面才能正常工作。如果有油脂，灰尘，或其它污染物在连接面上，bonding将会失效。另外，超声波Wirebonding仅限于小电流连接。F&K DELVOTEC建议，超声波Wirebonding用于电流不超过30A的应用场合。
3 激光焊接 Laserbonding对于大电流应用，激光焊接更适合。在这种技术中，激光从上方照射，以某种运动方式熔化带状金属，产生一种贯穿带状金属和连接面的“通道”，形成连接。这种焊接方式也叫做“keyhole welding”，过程中通过激光光束的摆动，焊缝的宽度和深度可以得到严格的控制。
图3 激光束摆动，焊缝的宽度、形状和深度可以严格控制
激光焊接比超声波Wirebonding承受更高的电流，但这项技术也有其缺点。激光焊接要求连接的元件之间没有间隙。如果金属片和电芯，或者极耳之间有间隙，激光焊接将不稳定或者失效。为了防止这种情况发生，激光焊接系统必须带有一个确保零间隙的夹紧系统。然而，这增加了自动化的复杂性。随着电芯数量增加，这种夹紧机械越来越昂贵、越来越不灵活、越来越大。例如，如果一个含有120节电芯的电池组，那么就需要240个夹紧部件。
为了解决以上“夹紧机械”复杂的缺点，结合超声波Wirebonding和激光焊接优势，F&K DELVOTEC开发了一个称为“Laserbonder”焊接系统，它可以利用激光能量结合较低的物理夹紧力焊接铝、铜或镍带，是电源模块和电池组组件的封装互连的理想选择。
Laserbonder本身是激光焊接，动作过程类似于超声波Wirebonding，如图4。在焊接过程中，压头定位在激光聚焦的位置，确保激光焊接时金属片之间零间隙。因此，LaserBonder单元是高度灵活的，不需要夹紧机械，适合自动化。
图4 激光焊接Laserbonder，利用激光能量结合较低的物理夹紧力焊接铝、铜或镍带。图片来源：HESSE
F&K DELVOTEC公司表示，激光焊接适用于超过60A的大电流连接。其优点还有，不需要像超声波Wirebonding那样要求连接面干净和平整，哪怕有油脂或者表面粗糙，也可以连接。
4 总结：并不是激光焊接强于超声波焊接，它们有各自的优点和适用场景。例如：某些直接与芯片连接的电子产品中，不希望使用激光焊接，因为热量会破坏半导体性能。另外，激光焊接设备的投资比超声焊接要高。这使得超声焊接在小电流应用中更有吸引力。超声波焊接过程是众所周知，容易被理解和信任。激光焊接经过广泛的认证过程，目前在汽车行业，尤其是电动汽车行业，正在获得越来越多的认可。
