(57)【要約】【課題】回路基板に設けられた配線層と電池の端子との接続信頼性が向上した電池モジュールを提供する。【解決手段】電池モジュール１０は、絶縁樹脂層２４の一方の主表面に形成された配線層２６を有する回路基板２０とこれに接続された複数個の電池３０とを有する。複数個の電池３０は配線層２６を介して直列接続されている。各電池３０の正極端子５０と配線層２６、および負極端子６０と配線層２６とは拡散接合により接合されている。【選択図】図１
2012119147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と前記基材に設けられた配線層とを有する回路基板と、
電極体と、前記電極体が収容された筐体と、前記筐体の外部に設けられ、前記電極体に電気的に接続されている外部端子とを有する電池と、
を備え、
前記外部端子と前記配線層とが拡散接合により接合されていることを特徴とする電池モジュール。
【請求項２】
前記外部端子と前記配線層との接合部が、前記筐体を前記回路基板に投影した領域から外れた位置にある請求項１に記載の電池モジュール。
【請求項３】
銅を主成分とする金属で形成または被覆された外部端子を有する電池と、銅を主成分とする金属で形成された配線層を有する回路基板とを用意する工程と、
前記外部端子と、前記配線層との間に、酸化銅を主成分とする酸化物が溶出する溶液を充填し、前記外部端子および前記配線層の最表面に銅を主成分とする金属を露出させる工程と、
前記外部端子と前記配線層との間の距離を縮めるように前記外部端子と前記配線層とを加圧する工程と、
前記外部端子と前記配線層とを加圧した状態で、加熱により前記外部端子と前記配線層とを接合する工程と、
を備えることを特徴とする電池モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記溶液は銅に対して不活性である請求項３に記載の電池モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記溶液が銅と錯体を形成する配位子を有する物質を含む請求項３または４に記載の電池モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記錯体が加熱分解性である請求項５に記載の電池モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記溶液がアンモニア水である請求項３乃至６のいずれか１項に記載の電池モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の電池が直列接続された電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電池（単セル）の起電力は低く、起電力が高いといわれるリチウムイオン電池においても４Ｖ程度である。そのため、より高い電圧が必要な場合には、複数個の電池を直列接続してモジュール化することが行われている。
【０００３】
複数個の電池をモジュール化した構造（電池モジュール）として、電池監視用の回路基板に設けられた配線層と、電池の端子とを電圧検出ラインを介してはんだ接続する構造が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２３２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
回路基板に設けられた配線層と、電池の端子とがはんだ接続された構造では、はんだの経年劣化により、配線層と電池の端子との接続信頼性が低下し、十分な耐振動性を得ることができない場合があった。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路基板に設けられた配線層と電池の端子との接続信頼性を向上させることができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、電池モジュールである。当該電池モジュールは、基材と基材に設けられた配線層とを有する回路基板と、電極体と、電極体が収容された筐体と、筐体の外部に設けられ、電極体に電気的に接続されている外部端子とを有する電池と、を備え、外部端子と配線層とが拡散接合により接合されていることを特徴とする電池モジュール。
【０００８】
この態様の電池モジュールによれば、回路基板に設けられた配線層と電池の外部端子とが拡散接合により一体化された構造となることで接続信頼性の向上が図られる。この結果、振動によって電池の外部端子が配線層から外れることが抑制される。また、配線層と電池の外部端子との間に金属界面がないため、低抵抗化を図ることができる。
【０００９】
上記態様の電池モジュールにおいて、外部端子と配線層との接合部が、筐体を回路基板に投影した領域から外れた位置にあってもよい。
【００１０】
本発明のある態様は、電池モジュールの製造方法である。当該電池モジュールの製造方法は、銅を主成分とする金属で形成または被覆された外部端子を有する電池と、銅を主成分とする金属で形成された配線層を有する回路基板とを用意する工程と、外部端子と、配線層との間に、酸化銅を主成分とする酸化物が溶出する溶液を充填し、外部端子および配線層の最表面に銅を主成分とする金属を露出させる工程と、外部端子と配線層との間の距離を縮めるように外部端子と配線層とを加圧する工程と、外部端子と配線層とを加圧した状態で、加熱により外部端子と配線層とを接合する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記態様の電池モジュールの製造方法において、溶液は銅に対して不活性であってもよい。溶液が銅と錯体を形成する配位子を有する物質を含んでもよい。錯体が加熱分解性であってもよい。また、溶液がアンモニア水であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回路基板に設けられた配線層と電池の端子との接続信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態に係る電池モジュールの分解斜視図である。
【図２】電池の概略構造を示す断面図である。
【図３】回路基板に接続された電池の配列を示す平面図である。
【図４】図４（Ａ）は、電池の正極端子と配線基板の配線層との接続構造を示す図である。図４（Ｂ）は、電池の負極端子と配線基板の配線層との接続構造を示す図である。
【図５】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、電池と回路基板の接続方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
図１は、実施の形態に係る電池モジュール１０の分解斜視図である。電池モジュール１０は、回路基板２０、複数個の電池３０およびハウジング４０を有する。
【００１６】
回路基板２０は、金属基板２２、絶縁樹脂層２４および配線層２６を有する。
【００１７】
金属基板２２は、絶縁樹脂層２４の一方の主表面に積層されている。金属基板２２は、熱伝導性に優れたＡｌ、Ｃｕなどの金属を平板状にした部材であり、回路基板２０の放熱性を高める機能を担う。
【００１８】
絶縁樹脂層２４は、回路基板２０の「基材」であり、たとえば、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。回路基板２０の放熱性向上の観点から、絶縁樹脂層２４は高熱伝導性を有することが望ましい。このため、絶縁樹脂層２４は、銀、ビスマス、銅、アルミニウム、マグネシウム、錫、亜鉛およびこれらの合金などを高熱伝導性フィラーとして含有することが好ましい。
【００１９】
配線層２６は、絶縁樹脂層２４の他方の主表面に所定パターンをなして形成されている。本実施の形態の配線層２６は銅で形成されている。
【００２０】
回路基板２０の一方の主表面には、チップ部品２８が搭載されている。チップ部品２８は、ＩＣなどの半導体素子や、抵抗、コンデンサなどの受動素子からなる。チップ部品２８は、電池３０の電圧や温度を監視し、電池３０の接続状態を制御する回路部をなす。より具体的には、回路部は各電池３０の電圧や温度を監視し、電圧や温度が異常を示した場合に、当該電池３０のみ、または当該電池３０を含む複数の電池の接続を遮断する。
【００２１】
また、回路基板２０の一方の主表面には、電池３０が接続されている。電池３０の外部端子と回路基板２０の配線層２６との接続構造については後述する。
【００２２】
ハウジング４０は、電池３０を収容可能な容器状の部材であり、ハウジング４０の開口部分を塞ぐように、ハウジング４０の内部に電池３０が設けられた面を向けて回路基板２０が組み付けられている。ハウジング４０内に電池３０を収容することで、電池３０が外部環境から保護される。
【００２３】
図２は、電池３０の概略構造を示す断面図である。電池３０は、図２に示すように、外装缶（筐体）３１内に、正負極が渦巻状に巻回されてなる電極体３２が外装缶３１の缶軸方向に対し横向きに収納されており、封口板３３により外装缶３１の開口が封口されている。封口板３３には電池３０の外方に突出した正極端子５０と負極端子６０が設けられている。また、封口板３３には、ガス排出弁（図示せず）が形成されている。
【００２４】
正極端子５０は、ガスケット３４に当接された状態で、封口板３３の正極用開口に嵌め込まれている。また、正極端子５０は、封口板３３の電池内側において正極タブ部材５３と接続している。なお、封口板３３の正極用開口に嵌め込まれた正極端子５０の端部には、封口板３３の正極用開口に沿って側壁が形成されるような凹部５１が設けられている。凹部５１の縁部分が広がるようにかしめることで、正極端子５０が固定されている。正極端子５０の芯部（図示せず）はアルミニウムで形成されており、芯部の周りを銅めっき層（図示せず）が被覆している。正極タブ部材５３と封口板３３の電池内側面との間に絶縁板３５が設けられている。封口板３３の正極用開口において、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、正極タブ部材５３および正極端子５０が封口板３３から絶縁されている。
【００２５】
正極タブ部材５３は、電極体３２の一方の端面から突出した正極集電板群３２ａに接続されている。なお、正極集電板群３２ａは、電極体３２の一方の端面から突出した複数の正極集電板を束ねたものである。
【００２６】
負極端子６０は、ガスケット３４に当接された状態で、封口板３３の負極用開口に嵌め込まれている。また、負極端子６０は、封口板３３の電池内側において負極タブ部材６２と接続している。なお、封口板３３の負極用開口に嵌め込まれた負極端子６０の端部には、封口板３３の負極用開口に沿って側壁が形成されるような凹部６１が設けられている。凹部６１の縁部分が広がるようにかしめることで、負極端子６０が固定されている。負極端子６０は全体が銅で形成されている。負極タブ部材６２と封口板３３の電池内側面との間に絶縁板３５が設けられている。封口板３３の負極用開口において、絶縁板３５とガスケット３４とが当接している。これにより、負極タブ部材６２および負極端子６０が封口板３３から絶縁されている。
【００２７】
負極タブ部材６２は、電極体３２の他方の端面から突出した負極集電板群３２ｂに接続されている。なお、負極集電板群３２ｂは、電極体３２の他方の端面から突出した複数の負極集電板を束ねたものである。
【００２８】
図３は、回路基板２０に接続された電池３０の配列を示す平面図である。本実施の形態では、計１０個の電池３０が５個ずつに分かれてそれぞれ列をなしている。なお、図３においては、前述のチップ部品２８がなす回路部および監視のための配線の図示は省略している。
【００２９】
第１の列をなす５個の電池３０ａは、電池３０の長手方向が略平行になるように所定の間隔で並設されている。電池３０ａの正極端子５０および負極端子６０の先端部分は、電池３０ａの長手方向に電池３０ａの筐体から突出している。隣接する電池３０ａの正極端子５０および負極端子６０は、互いに反対側になるように配列されている。第１の列において、互いに隣接する一方の電池３０ａの正極端子５０と他方の電池３０ａの負極端子６０とが共通の配線層２６ａに接続されている。すなわち、配線層２６ａはインターコネクタとして機能している。これにより、第１の列の電池３０ａが直列接続されている。
【００３０】
一方、第２の列をなす５個の電池３０ｂは、電池の長手方向が略平行になるように所定の間隔で並設されている。電池３０ｂの正極端子５０および負極端子６０の先端部分は、電池３０ｂの長手方向に電池３０ｂの筐体から突出している。隣接する電池３０ｂの正極端子５０および負極端子６０は、互いに反対側になるように配列されている。第２の列において、互いに隣接する一方の電池３０ｂの正極端子５０と他方の電池３０ｂの負極端子６０とが共通の配線層２６ｂに接続されている。すなわち、配線層２６ｂはインターコネクタとして機能している。これにより、第２の列の電池３０ｂが直列接続されている。
【００３１】
さらに、第１の列をなす電池３０ａの直列接続の一方の終端となる負極端子６０’と、第２の列をなす電池３０ｂの直列接続の一方の終端となる正極端子５０’とが共通の配線層２６ｃに接続されている。これにより、第１の列をなす電池３０ａと第２の列をなす電池３０ｂとが直列接続される。第１の列をなす電池３０ａの直列接続の一方の終端となる正極端子５０’’は、配線層２６ｄに接続されている。また、第２の列をなす電池３０ｂの直列接続の一方の終端となる負極端子６０’’は、配線層２６ｅに接続されている。配線層２６ｄ、２６ｅからそれぞれ回路基板２０の外部に配線が引き回され、外部負荷と接続可能になっている。
【００３２】
図４（Ａ）は、電池３０の正極端子５０と回路基板２０の配線層２６との接続構造を示す図である。また、図４（Ｂ）は、電池３０の負極端子６０と回路基板２０の配線層２６との接続構造を示す図である。
【００３３】
図４（Ａ）に示すように、正極端子５０の接続部分は、アルミニウムからなる芯部５２と芯部５２の周りを被覆する、銅からなる表層部５４からなる。表層部５４は、芯部５２の周りに形成されためっき層である。表層部５４と配線層２６とは、拡散接合により接合されている。表層部５４と配線層２６とが拡散接合により一体化しているため、両者の間に界面が存在しない。一方、図４（Ｂ）に示すように、負極端子６０の接続部分は銅で形成されている。負極端子６０と配線層２６とは、拡散接合により接合されている。負極端子６０と配線層２６とが拡散接合により一体化しているため、両者の間に界面が存在しない。
【００３４】
以上説明した電池モジュール１０によれば、電池の外部端子（正極端子５０および負極端子６０）と回路基板２０の配線層２６とが拡散接合により接合し、一体化した構造を備えることにより、電池の外部端子と配線層２６との接続信頼性の向上を図ることができる。この結果、振動によって電池の外部端子が配線層２６から外れることを抑制することができる。また、電池の外部端子と配線層２６との間に金属界面がないため、低抵抗化を図ることができる。
【００３５】
（電池モジュールの製造方法）
電池モジュールの製造方法のうち、特に、電池と回路基板の接続方法について、図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照して説明する。なお、図５（Ａ）および図５（Ｂ）では、説明を簡便にするため一列分の電池３０が示されている。
【００３６】
まず、アルミニウムからなる正極端子の芯部の表面にめっき法を用いて銅を被覆し、表層部を形成する。こうして得られた銅を主成分とする金属で芯部が被覆された正極端子と銅を主成分とする金属で形成された負極端子を用いて、図３に示したような電池３０を形成する。なお、電池３０の正極端子および負極端子の最表面は、銅が大気中で自然酸化することにより、酸化銅を主成分とする酸化物で形成されている。ここで、「銅を主成分とする」および「酸化銅を主成分とする」という表現中、「主成分とする」は、銅または酸化銅の含有量が５０％よりも大きいことを意味する。
【００３７】
次に、図５（Ａ）に示すように、配線層２６の所定位置と電池３０の正極端子５０および負極端子６０とを位置合わせした状態で、正極端子５０と配線層２６との間、および負極端子６０と配線層２６との間に、酸化銅が溶出または溶解する溶液（図示せず）を充填する。本実施の形態では、溶液はアンモニア水である。正極端子５０と配線層２６との間に溶液を充填したときの、正極端子５０と配線層２６との距離は、たとえば、１μｍである。同様に、負極端子６０と配線層２６との距離は、たとえば、１μｍである。
【００３８】
室温で１分程度放置すると、正極端子５０および負極端子６０の最表面に形成された酸化銅が溶液中に溶出し、正極端子５０の最表面から酸化銅が消失する。また、接合部分となる配線層２６の最表面に形成された酸化銅が溶液中に溶出し、接合部分となる配線層２６の最表面から酸化銅が消失する。酸化銅が溶液に溶出することにより、正極端子５０および負極端子６０の最表面およびこれと対応する配線層２６の最表面に銅が露出する。また、溶液中では、銅錯体が形成される。本実施の形態では、銅錯体は、［Ｃｕ（ＮＨ３）４］２＋で表される加熱分解性のテトラアンミン銅錯イオンとして存在すると考えられる。なお、アンモニア水は銅に対して不活性であるため、正極端子５０、負極端子６０および配線層２６を構成する銅はアンモニア水と反応せずに残存している。
【００３９】
次に、図５（Ｂ）に示すように、正極端子５０と配線層２６との間の距離、および負極端子６０と配線層２６との間の距離を縮めるように、プレス機を用いて正極端子５０と配線層２６とを加圧する。同様に、プレス機を用いて負極端子６０と配線層２６とを加圧する。加圧時の圧力は、たとえば１ＭＰａである。本実施の形態では、電池３０の正極端子５０および負極端子６０の先端部分は、電池３０の長手方向に電池３０の筐体から突出している。言い換えると、正極端子５０と配線層２６との接合部および負極端子６０と配線層２６との接合部が、電池３０の筐体を回路基板２０に投影した領域から外れた位置にある。このため、正極端子５０および負極端子６０に対してプレスを行う際に、電池３０の筐体が障害とならず、正極端子５０および負極端子６０に対して直にプレスを行うことができる。
【００４０】
次に、正極端子５０と配線層２６、および負極端子６０と配線層２６とを加圧した状態で２００℃〜３００℃の比較的低温な条件下で加熱することにより溶液中の銅以外の成分を除去して銅を析出または再結晶化させる。本実施の形態では、加熱により水分が蒸発するとともに、テトラアンミン銅錯イオンが熱分解してアンモニア成分が蒸発する。これにより、溶液において銅の割合が徐々に高まるとともに、プレス機による加圧により正極端子５０の最表面と配線層２６の最表面との距離が徐々に近づく。同様に、負極端子６０の最表面と配線層２６の最表面との距離が徐々に近づく。
【００４１】
次に、溶液中の銅以外の成分の除去が完了すると、正極端子５０の最表面と配線層２６の最表面とが酸化銅由来の銅からなる析出銅により接合される。同様に、負極端子６０の最表面と配線層２６の最表面とが酸化銅由来の銅からなる析出銅により接合される。この析出銅は、配向性および安定性が優れている。析出銅により接合が完了した後、加熱を停止して析出銅による接合部分を徐々に室温程度まで冷却する。なお、加熱開始から加熱停止までの時間は、たとえば、１０分間である。冷却完了後、加圧を解除し、正極端子５０と配線層２６、および負極端子６０と配線層２６との接合工程が完了する。
【００４２】
なお、図４に示した接合構造では、正極端子５０と配線層２６との仮想的な境界は、配線層２６の最表面を延在した面と一致しているが、上述のように、正極端子５０に対してプレスを行うことにより、正極端子５０と配線層２６との仮想的な境界は、配線層２６の最表面を延在した面に対して配線層２６の中に押し込まれることがある。負極端子６０と配線層２６との仮想的な境界も、同様に、配線層２６の最表面を延在した面に対して配線層２６の中に押し込まれることがある。
【００４３】
以上説明した電池モジュールの製造方法によれば、真空装置などの大がかりな設備を用いることなく、比較的低温な条件下で電池３０の外部端子と回路基板２０の配線層２６を接合することができる。具体的には、電池３０の外部端子の接合面と配線層２６の接合面とが活性化された後、析出銅を介して接合される。これにより、電池３０の外部端子と配線層２６との間にボイドが発生したり副生成物が介在することが抑制されるため、電池３０の外部端子の配線層２６との接続信頼性を高めることができる。
【００４４】
また、電池３０の外部端子と配線層２６との接合を担う析出銅として、電池３０の外部端子および配線層２６の最表面に酸化被膜として存在していた酸化銅由来の銅が用いられているため、電池３０の外部端子と配線層２６とを接合するために、接合材料を別途用意する必要がない。このため、電池３０の外部端子と配線層２６との接続に要するコストを低減することができる。
【００４５】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  電池モジュール、２０  回路基板、２２  金属基板、２４  絶縁樹脂層、２６  配線層、３０  電池、３１  外装缶、３２  電極体、５０  正極端子、６０  負極端子
【図１】
2012119147.tif 000003
【図２】
2012119147.tif 000004
【図３】
2012119147.tif 000005
【図４】
2012119147.tif 000006
【図５】
2012119147.tif 000007