一种应用于电池模组的PCB电路板及其制备方法与流程

一种应用于电池模组的pcb电路板及其制备方法
技术领域
1.本发明属于pcb电路板的技术领域，具体涉及一种应用于电池模组的pcb电路板及其制备方法。


背景技术：

2.随着电动汽车对续航里程和性能的不断追求，电池系统在一定体积下需要增大容量和功率密度，对应的电池系统充放电工况也越恶劣，由于功率加大，导致电流急剧增大，根据q＝i2rt，产热量也急剧增加，对于一些体积尺寸很小的电路元器件，若不及时进行散热，会导致采集信息的不准确性，严重时会破坏其结构。
3.传统的电池模组pcb集成线路组件板包括从下到上依次设置的树脂基板、fr4陶瓷基绝缘材料加强板以及铜箔，其各层板之间通过胶水粘结在一起；该pcb集成线路组件板的散热效率比较低(导热系数为0.3-1w/m
·
k)，热阻比较大，使得高功率器件产生的热量无法有效及时散发出去；并且其机械性能较弱(树脂基板与fr4陶瓷基绝缘材料加强板之间的剥离力强度为0.5-1n/mm)；因此，提供一种散热效率高、机械性能好的应用于电池模组的pcb电路板十分重要。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足及缺陷，本发明旨在提供一种应用于电池模组的pcb电路板；本发明的pcb电路板包括依次层叠设置的金属基层、导热层、线路层，通过将功率器件粘贴在pcb电路板的线路层，使得功率器件所产生的热量通过线路层传导至导热层，再由导热层传导至金属基层，最后由金属基层扩散到电池模组外部，实现对功率器件的散热。
5.为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种应用于电池模组的pcb电路板，采用如下技术方案：
6.一种应用于电池模组的pcb电路板，包括：依次层叠设置的金属基层、导热层、线路层；所述金属基层的材质为铝，所述导热层的原料为石墨烯-碳纳米管复合材料，所述线路层的材质为电解铜箔。
7.本发明中线路层的设置用于实现功率器件的装配和连接，功率器件包括：电阻、电容、电感器、mos管、afe采集芯片等；采用铝基板作为金属基层来替代现有技术中的树脂基板，在相同的线宽和相同的厚度下，铝基板能够承载更高的电流；采用石墨烯-碳纳米管复合材料为原料制得的导热层来替代现有技术中的fr4陶瓷基绝缘材料加强板，石墨烯-碳纳米管复合材料由于具有金刚石结构和石墨结构，使其具有超高的导热性，利用其制得的导热层，其导热能力高于铝基板(导热系数为237w/m
·
k)，从而使得热量的传播由单一的单向向下传播变为面向扩散传播以及单向向下传播，大大提高了pcb电路板的散热能力。因此，本发明的pcb电路板相比于现有技术中的电路板由于能够承载更大的电流及较强的散热能力，使得其可以承载更多的电子器件。
8.在上述应用于电池模组的pcb电路板中，作为一种优选实施方式，所述金属基层的
厚度为0.1mm-0.5mm(比如0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm)。
9.在上述应用于电池模组的pcb电路板中，作为一种优选实施方式，所述导热层的厚度为0.1mm-0.2mm(比如0.12mm、0.14mm、0.15mm、0.17mm、0.19mm)。
10.在上述应用于电池模组的pcb电路板中，作为一种优选实施方式，所述线路层的厚度为0.1mm-0.3mm(比如0.15mm、0.18mm、0.2mm、0.25mm、0.28mm)。
11.在上述应用于电池模组的pcb电路板中，作为一种优选实施方式，所述导热层的导热系数为800-1200w/m
·
k(比如850w/m
·
k、900w/m
·
k、950w/m
·
k、1000w/m
·
k、1100w/m
·
k)。
12.在上述应用于电池模组的pcb电路板中，作为一种优选实施方式，所述pcb电路板的横向导热系数为200-250w/m
·
k(比如210w/m
·
k、220w/m
·
k、230w/m
·
k、240w/m
·
k)，纵向导热系数为150-200w/m
·
k(比如160w/m
·
k、170w/m
·
k、180w/m
·
k、190w/m
·
k)；优选地，所述金属基层与所述导热层之间的剥离力强度为5-10n/mm(比如6n/mm、7n/mm、8n/mm、9n/mm)。
13.本发明中剥离力强度是指对单位宽度的金属基层与导热层的接触面进行剥离时所需要的最大力，体现了材料的粘结强度(机械性能)；横向导热系数是指材料的单位纵截面沿长度方向传播时在单位温差下和单位时间内直接传导的热量，这里的纵截面是指pcb电路板水平放置时，平行于pcb电路板宽
×
高组成的平面；纵向导热系数是指材料的单位横截面沿长度方向传播时在单位温差下和单位时间内直接传导的热量，这里的横截面是指pcb电路板水平放置时，平行于pcb电路板长
×
宽组成的平面。
14.本发明第二方面提供一种应用于电池模组的pcb电路板的制备方法，包括：
15.步骤一、将石墨烯-碳纳米管复合材料进行加热处理、雾化处理得到碳材料颗粒，然后将碳材料颗粒溶解于溶剂中，制得涂料；
16.步骤二、将上述涂料涂覆在金属基层的上表面上，之后经干燥处理、裁切处理，得到设置有导热层的金属基层；
17.步骤三、将电解铜箔放置在上述设置有导热层的金属基层上，然后进行高温压合处理，之后再在电解铜箔的上表面刷涂绝缘漆，再进行丝网印刷，得到pcb电路板。
18.在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述制备方法还包括：步骤四、将功率器件粘贴在上述pcb电路板上。
19.在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤一中，所述加热处理在惰性气体中进行加热，加热温度为1000-1200℃(比如1050℃、1100℃、1150℃、1180℃)，加热时间为20-40s(比如25s、30s、35s、38s)；优选地，所述雾化处理在超声波喷雾机中进行；优选地，所述碳材料颗粒的粒度为1-10μm(比如2μm、5μm、7μm、9μm)。
20.在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在步骤一中，所述碳材料颗粒的质量占所述涂料质量的10wt％-30wt％(比如12wt％、15wt％、18wt％、20wt％、25wt％)；优选地，所述溶剂为胺基酚类有机溶剂；优选地，所述碳材料在溶剂中溶解温度为100-300℃(比如120℃、150℃、180℃、200℃、250℃)，溶解时间为1h-2h(比如1.2h、1.4h、1.5h、1.7h、1.9h)。
21.在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤二中，采用涂布机将所述涂料涂覆在金属基层的上表面上；优选地，所述干燥处理的温度为60-100℃(比如70℃、80℃、90℃)，时间为30s-60s(比如35s、40s、50s)。
22.在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述步骤三中，所述高温压合处理在真空压合机中进行，高温压合处理的温度为800℃-1200℃(比如900℃、1000℃、1100℃)，压力为1mpa-10mpa(比如2mpa、5mpa、7mpa、9mpa)，保温保压时间为30s-60s(比如35s、40s、50s、55s)。
23.本发明与现有技术相比具有如下有效效果：
24.(1)本发明采用铝基板作为金属基层来替代现有技术中的树脂基板，铝基板能够承载更高的电流；
25.(2)本发明采用石墨烯-碳纳米管复合材料制得的导热层来替代现有技术中的fr4陶瓷基绝缘材料加强板，石墨烯-碳纳米管复合材料具有超高的导热性，利用其制得的导热层，热量的传播由单一的单向向下传播变为面向扩散传播以及单向向下传播，大大提高了pcb电路板的散热能力；
26.(3)本发明的pcb电路板相比于现有技术中的电路板由于能够承载更大的电流及较强的散热能力，在相同的线宽和相同的厚度是，其可以承载更多的电子器件；本发明的pcb电路板具有优异的机械性能(金属基层与导热层之间的剥离力强度为5-10n/mm)；
27.(4)本发明的制备方法简单方便，优率较高，可靠性较高，制备综合成本较低。
附图说明
28.图1为本发明中电池模组的结构示意图；
29.图2为本发明中应用于电池模组的pcb电路板的结构示意图；
30.图3为本发明中应用于电池模组的pcb电路板的剖面结构示意图；
31.图4为本发明中应用于电池模组的pcb电路板的散热工作原理图；
32.图5为本发明中石墨烯-碳纳米管复合材料的分子结构示意图；
33.附图标记说明：1、电芯；2、电芯极柱；3、铝巴；4、pcb电路板；41、金属基层；42、导热层；43、线路层；5、功率器件。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明进行说明。应理解，这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
35.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.下述实施例中的试验方法中，如无特殊说明，均为常规方法，可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。本发明实施例中使用的石墨烯-碳纳米
管复合材料(其分子结构示意图参见图5)是以热膨胀氧化石墨烯、碳纳米管为原料，首先配制成混合溶液(混合溶液中，以质量百分比计，热膨胀氧化石墨烯30％-50％，碳纳米管5％-25％，余量为水)，然后于真空条件下进行升温处理，升温处理的温度为1000-1200℃，保温时间为60-100min；之后进行退火处理，退火处理的温度为200-500℃，退火时间为2-5h，从而制备得到石墨烯-碳纳米管复合材料。以下实施例中所述的其他原料均可从公开商业途径获得。
37.本发明的具体实施方式提供一种应用于电池模组的pcb电路板，参见图1，电池模组包括电芯1，电芯1上方设置多个电芯极柱2及设置在电芯极柱2上方的铝巴3；电芯极柱2分布在电芯1上方的两侧，电芯1上方设置有pcb电路板4且位于两侧电芯极柱2的中间位置；pcb电路板4的上方粘贴有多个功率器件5；参见图2和图3，pcb电路板包括从下到上依次层叠设置的金属基层41、导热层42、线路层43；金属基层41的材质为铝，导热层42的原料为石墨烯-碳纳米管复合材料，线路层43的材质为电解铜箔；
38.进一步地，金属基层41的厚度为0.1mm-0.5mm；导热层42的厚度为0.1mm-0.2mm；线路层43的厚度为0.1mm-0.3mm。
39.进一步地，导热层42的导热系数为800-1200w/m
·
k。
40.进一步地，pcb电路板4的横向导热系数为200-250w/m
·
k，纵向导热系数为150-200w/m
·
k，金属基层41与导热层42之间的剥离力强度为5-10n/mm。
41.上述应用于电池模组的pcb电路板的制备方法，包括：
42.步骤一、将石墨烯-碳纳米管复合材料进行加热处理，加热温度为1000-1200℃，加热时间为20-40s，之后在超声波喷雾机中进行雾化处理得到粒度为1-10μm碳材料颗粒；然后将碳材料颗粒溶解于胺类酚基有机溶剂中，制得涂料，其中，碳材料颗粒的质量占所述涂料质量的10wt％-30wt％，碳材料在溶剂中溶解温度为100-300℃，溶解时间为1h-2h；
43.步骤二、将上述涂料涂覆在金属基层41的上表面上，之后进行温度为60-100℃，时间为30-60s的干燥处理、裁切处理，得到涂覆有导热层42的金属基层41；
44.步骤三、将电解铜箔放置在导热层42的上表面，然后进行高温压合处理，高温压合处理的温度为800℃-1200℃，压力为1mpa-10mpa，保温保压时间为30-60s，之后再在电解铜箔的上表面刷涂绝缘漆，再进行丝网印刷，得到pcb电路板4；
45.步骤四、将功率器件5粘贴在上述pcb电路板4上。
46.参见图4，石墨烯-碳纳米管复合材料由于具有金刚石结构和石墨结构，使其具有超高的导热性，利用其制得的导热层42，其导热能力高于铝基板，从而使得热量的传播由单一的单向向下传播变为面向扩散传播以及单向向下传播，大大提高了pcb电路板4的散热能力。
47.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
48.实施例1
49.一种应用电池模组的pcb电路板，包括：从下到上依次层叠设置的金属基层、导热层、线路层；其中，金属基层的材质为铝，厚度为0.3mm，导热层的原料为石墨烯-碳纳米管复合材料，厚度为0.15mm，导热系数为1000w/m
·
k，线路层为电解铜箔，厚度为0.2mm；石墨烯-碳纳米管复合材料的制备方法为：(1)以热膨胀氧化石墨烯、碳纳米管为原料配制得到混合溶液(混合溶液中，以质量百分比计，热膨胀氧化石墨烯50％，碳纳米管25％，余量为水)；
(2)于真空条件下进行升温处理，升温处理的温度为1000℃，保温时间为70min；(3)进行退火处理，退火处理的温度为250℃，时间为3h，制备得到石墨烯-碳纳米管复合材料。
50.一种应用于电池模组的pcb电路板的制备方法，包括：
51.步骤一、将石墨烯-碳纳米管复合材料进行加热处理，加热温度为1000℃，加热时间为30s，之后在超声波喷雾机中进行雾化处理得到粒度为5μm碳材料颗粒；然后将碳材料颗粒溶解于4-马来酰亚胺基苯酚溶剂中，制得涂料；其中，碳材料颗粒的质量占所述涂料质量的20wt％，溶解温度为150℃，溶解时间为60min。
52.步骤二、将上述涂料涂覆在金属基层的上表面上，之后进行温度为60℃，时间为30s的干燥处理、裁切处理，得到涂覆有导热层的金属基层；
53.步骤三、将电解铜箔放置在上述涂覆有导热层的金属基层上，然后进行高温压合处理，高温压合处理的温度为1000℃，压力为3mpa，保温保压时间为30s，之后再在电解铜箔的上表面刷涂绝缘漆，再进行丝网印刷，得到pcb电路板；
54.步骤四、将功率器件粘贴在上述pcb电路板上。
55.对比例1
56.对比例1中的pcb电路板，其制备方法中将实施例1步骤一中石墨烯-碳纳米管复合材料替换为使用热膨胀氧化石墨烯、碳纳米管二者的机械混合物(将热膨胀氧化石墨烯、碳纳米管直接进行机械混合，二者的质量比为2:1)，其余均与实施例1相同。
57.性能测试
58.将本发明实施例1中的pcb电路板和对比例1中的pcb电路板进行纵向导热系数及横向导热系数的测定(未粘贴功率器件时测定)，测定方法为采用激光脉冲法用氙灯产生能量为10j/plus的脉冲从试样一端面开始加热，产生瞬时温升，同时用液氮冷却insb红外探测器探测试样另一端面的温度变化，可得到温度随时间变化的曲线，分析温升的快慢，即可得到热扩散率；而热导率与热扩散系数有关，热导率k＝ραc
p
，其中，α为热扩散系数，ρ为材料密度，c
p
为热熔，得到实施例1中的pcb电路板的横向导热系数为230w/m
·
k，纵向导热系数为200w/m
·
k；对比例1中的pcb电路板的横向导热系数为210w/m
·
k，纵向导热系数为200w/m
·
k；将本发明实施例1中的pcb电路板的金属基层和导热层进行剥离力强度测试，测试方法为采用胶带剥离力测试仪将试样的两端分别夹在设备的上下夹具中，然后设置实验速度为300mm/min进行剥离，得到实施例1中的金属基层和导热层之间的剥离力强度为8n/mm，体现了本发明的pcb电路板中金属基层和导热层之间的粘结强度好，可靠性高。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。