一种高压绝缘的电池管理用FPC及其制备方法与流程

本发明涉及电子材料，具体涉及一种高压绝缘的电池管理用fpc及其制备方法。

背景技术：

1、电池管理用柔性印制电路板作为新能源汽车电池包电压采集、温度监控和均衡控制的核心互连部件，其高压绝缘可靠性直接决定了电池包的安全运行；随着800v高压平台的普及，fpc相邻导线间和高压节点对地的电势差显著增大，现有的聚酰亚胺覆盖膜与丙烯酸胶粘剂复合的绝缘方案在高电场下会在铜线路边缘产生电场集中，诱发局部放电并逐步发展为绝缘击穿；同时，胶粘剂层在高温高湿和温度循环工况下会老化产生气隙，进一步降低局部放电起始电压，严重威胁电池包的绝缘安全。

2、目前提升fpc高压绝缘性能的主要途径包括增加覆盖膜厚度和在覆盖膜与线路间增设绝缘胶层；增加覆盖膜厚度虽可在一定程度上提升耐压等级，但会导致fpc整体刚度增大，丧失柔性互连的优势，且无法从根本上解决铜线路边缘的电场集中问题；增设绝缘胶层则面临界面增多、气隙风险加大以及高低温冲击下界面脱粘的难题。因此，亟需开发一种能够主动调控电场分布、消除绝缘层内气隙并在严苛工况下保持高界面结合可靠性的高压绝缘电池管理用fpc及其制备方法。

3、针对上述问题，本发明提供一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种高压绝缘的电池管理用fpc及其制备方法，其可以实现高压绝缘结构的主动电场调控、无气隙一体化封装和高界面结合可靠性的协同，同时赋予fpc局部放电自抑制功能；

2、为实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种高压绝缘的电池管理用fpc，以fpc线路基材和梯度介电环栅绝缘基体为基础，梯度介电环栅绝缘基体为核心绝缘结构载体，梯度介电环栅绝缘基体设有同心环栅结构，通过与梯度介电环栅绝缘基体协同配合的具有不同介电特性的梯度功能介质浆料对同心环栅结构进行分区填充，并经真空脱泡和低温热固化处理，形成具有梯度介电分布和表面疏水屏蔽功能的绝缘封装结构，得到高压绝缘的电池管理用fpc；

3、进一步的，所述的梯度介电环栅绝缘基体由以下质量百分比成分组成：84.3485%乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、4.5%气相二氧化硅、3%聚甲基氢硅氧烷、2.5%全氟癸基三甲氧基硅烷、0.0015%卡斯特铂金催化剂、0.15%1-乙炔基-1-环己醇、1.5%四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和1%三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；

4、进一步的，所述的梯度介电环栅绝缘基体的制备方法包括以下步骤：

5、a1：将乙烯基封端聚二甲基硅氧烷置于真空干燥箱中，设置温度为80-100℃，真空度为-0.08至-0.10mpa，干燥4-6h，得到干燥乙烯基封端聚二甲基硅氧烷，将气相二氧化硅置于真空干燥箱中，设置温度为100-120℃，真空度为-0.08至-0.10mpa，干燥4-6h，得到干燥气相二氧化硅，将聚甲基氢硅氧烷置于真空干燥箱中，设置温度为60-80℃，真空度为-0.08至-0.10mpa，干燥4-6h，得到干燥聚甲基氢硅氧烷，将1-乙炔基-1-环己醇置于真空干燥箱中，设置温度为40-60℃，真空度为-0.08至-0.10mpa，干燥2-4h，得到干燥1-乙炔基-1-环己醇；

6、a2：将干燥乙烯基封端聚二甲基硅氧烷和干燥气相二氧化硅加入行星搅拌机中，设置搅拌转速为500-800rpm，搅拌时间为10-15min，得到硅橡胶基料，随后将干燥聚甲基氢硅氧烷、卡斯特铂金催化剂、干燥1-乙炔基-1-环己醇、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯加入行星搅拌机中，设置搅拌转速为800-1200rpm，搅拌时间为20-30min，搅拌完成后在真空度为-0.08至-0.10mpa条件下真空脱泡10-15min，得到液态硅橡胶预混料；

7、a3：将液态硅橡胶预混料通过精密刮涂机均匀涂布于离型pet薄膜表面，设置刮涂间隙为0.3-0.5mm，刮涂速度为1-3m/min，涂布完成后将涂布膜送入多段式热风烘箱进行梯度预固化，设置第一段温度为80-90℃、停留时间为5-8min，第二段温度为100-110℃、停留时间为5-8min，第三段温度为115-125℃、停留时间为5-9min，各段之间设有过渡区，过渡区长度为20-30cm，梯度预固化完成后将涂布膜自然冷却至室温，揭去离型pet薄膜，得到厚度为0.3-0.5mm的透明硅橡胶薄膜；

8、a4：将透明硅橡胶薄膜平铺于激光加工平台上，采用紫外皮秒激光器进行高精度镂空加工，设置激光波长为355nm，脉冲宽度为10-15ps，重复频率为500-800khz，切割速度为300-600mm/s，激光焦点设置于透明硅橡胶薄膜厚度方向的中部平面，加工出同心环栅图案，环栅由3道宽度为0.15-0.25mm、间距为0.4-0.7mm的同心环组成，各同心环之间通过4根呈90°对称分布的连接桥相互连接固定，连接桥连接相邻环栅的局部区域，相邻环栅之间除连接桥外的其余区域为镂空的环栅槽，加工完成后以0.3-0.5mpa的压缩空气吹扫加工表面，清除加工碎屑，得到环栅结构硅橡胶基体；

9、a5：将环栅结构硅橡胶基体置于等离子体处理装置中，采用氩氧混合气氛低压等离子体对环栅结构硅橡胶基体表面进行在线清洗和活化处理，设置处理功率为200-400w，氩气流量为80sccm，氧气流量为20sccm，处理压力为20-50pa，处理时间为60-120s，得到表面活化态环栅结构硅橡胶基体；

10、a6：将全氟癸基三甲氧基硅烷加入无水乙醇中，以300rpm搅拌分散15min，随后加入去离子水，保持转速不变，继续搅拌水解30-60min，得到基体表面处理液，其中全氟癸基三甲氧基硅烷、无水乙醇和去离子水的质量比为2：90：8，将基体表面处理液在室温下静置陈化30-60min，得到陈化基体表面处理液；

11、a7：将表面活化态环栅结构硅橡胶基体浸入陈化基体表面处理液中，设置浸渍温度为25-35℃，浸渍时间为60-120s，浸渍完成后将环栅结构硅橡胶基体置于烘箱中，设置温度为100-120℃，干燥固化30-45min，得到表面氟化处理的环栅结构硅橡胶基体，将表面氟化处理的环栅结构硅橡胶基体置于真空烘箱中，设置温度为120-140℃，真空度为-0.08至-0.10mpa，固化时间为30-45min，固化完成后随炉自然冷却至室温，得到梯度介电环栅绝缘基体；

12、进一步的，所述的乙烯基封端聚二甲基硅氧烷的粘度为5000mpa·s，乙烯基含量为0.3mmol/g；所述的聚甲基氢硅氧烷的含氢量为0.3wt%；

13、进一步的，一种高压绝缘的电池管理用fpc的制备方法，包括以下步骤：

14、s1：选取fpc线路基材，将fpc线路基材平铺于检验台上，在照度为1200lx的检验光源下检查线路完整性及表面缺陷，确认无断路、短路和残铜缺陷后，将fpc线路基材置于等离子体处理装置中，采用氩氧混合气氛低压等离子体对fpc线路基材表面的高压焊盘及其周围区域进行在线清洗和活化处理，设置处理功率为200-400w，氩气流量为80sccm，氧气流量为20sccm，处理压力为20-50pa，处理时间为60-120s，得到表面活化态fpc基材；

15、s2：将表面活化态fpc基材浸入含1wt%全氟癸基三甲氧基硅烷的无水乙醇溶液中，浸渍时间为60s，浸渍完成后将表面活化态fpc基材置于烘箱中，设置温度为100-120℃，干燥固化30-45min，得到界面活化态fpc基材；

16、s3：将梯度介电环栅绝缘基体，通过自动贴装设备精确对位放置于界面活化态fpc基材的高压焊盘上方，放置时确保梯度介电环栅绝缘基体的几何中心与高压焊盘的几何中心重合，对位精度控制在±25um以内，贴装完成后在室温下静置5-10min，得到预装配体；

17、s4：将内层应力缓冲高k介质浆料、中层环栅填充介质浆料和外层屏蔽连接导电浆料分别加入三通道真空灌封设备的三个独立储料罐中，设置储料罐温度为25-35℃，在真空度≤100pa条件下对各浆料进行真空脱泡20-30min，脱泡完成后将预装配体置于真空灌封设备的灌封腔内，设置灌封腔真空度≤100pa，得到待灌封组件；

18、s5：将待灌封组件进行真空灌封，首先将内层应力缓冲高k介质浆料通过第一通道精密点胶头注入梯度介电环栅绝缘基体的中心区域，设置点胶压力为0.1-0.3mpa，点胶时间为3-8s，注入完成后静置5-10min，随后将中层环栅填充介质浆料通过第二通道微分配系统依次注入梯度介电环栅绝缘基体的内环栅槽、中环栅槽和外环栅槽中，设置分配压力为0.08-0.2mpa，每道环栅槽注入完成后静置2-4min，最后将外层屏蔽连接导电浆料通过第三通道精密点胶头注入梯度介电环栅绝缘基体最外环栅的引出连接区，设置点胶压力为0.1-0.3mpa，点胶时间为2-5s，引出连接区位于最外环栅的外侧，fpc线路基材上对应引出连接区正下方的位置设有参考地焊盘，梯度介电环栅绝缘基体在引出连接区内设有垂直贯通孔，垂直贯通孔贯穿梯度介电环栅绝缘基体的厚度方向，外层屏蔽连接导电浆料通过垂直贯通孔填充至fpc线路基材表面的参考地焊盘，形成垂直电气连接通路，灌封完成后在真空度≤100pa条件下继续静置10-15min，得到灌封态fpc组件；

19、s6：将灌封态fpc组件转移至烘箱中进行低温热固化，设置固化温度为130-150℃，固化时间为1-2h，固化完成后将fpc组件在烘箱内自然冷却至室温，冷却速率为3-6℃/min，冷却至50℃以下后取出，得到固化态fpc组件；

20、s7：将固化态fpc组件平铺于检验台上，在照度为1200lx的检验光源下检查绝缘结构表面平整度、界面结合质量及环栅结构完整性，确认无气泡、分层及断环缺陷后，将固化态fpc组件整体浸入全氟癸基三甲氧基硅烷水解液中，全氟癸基三甲氧基硅烷水解液由全氟癸基三甲氧基硅烷、无水乙醇和去离子水按质量比2：90：8配制而成，浸渍时间为60-120s，浸渍完成后在100-120℃下干燥固化30-45min，在封装结构外表面形成疏水屏蔽层，得到高压绝缘的电池管理用fpc；

21、进一步的，步骤s4中所述的内层应力缓冲高k介质浆料由以下质量百分比成分组成：47.8485%乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、7%聚甲基氢硅氧烷、38%平均粒径为300nm，晶型为四方相的钛酸钡亚微米粉体、3.5%气相二氧化硅、0.0015%卡斯特铂金催化剂、0.15%1-乙炔基-1-环己醇、2%四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和1%三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；

22、步骤s4中所述的中层环栅填充介质浆料由以下质量百分比成分组成：53.3485%乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、6%聚甲基氢硅氧烷、29%气相二氧化硅、4%沉淀法二氧化硅、0.0015%卡斯特铂金催化剂、0.15%1-乙炔基-1-环己醇、2.5%四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和1%三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；

23、步骤s4中所述的外层屏蔽连接导电浆料由以下质量百分比成分组成：48.3485%乙烯基封端聚二甲基硅氧烷、6%聚甲基氢硅氧烷、40%片状银粉，平均粒径为10um，振实密度为4g/cm3的片状银粉、3.5%气相二氧化硅、0.0015%卡斯特铂金催化剂、0.15%1-乙炔基-1-环己醇、1%四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和1%三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯；

24、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为，

25、1：本发明通过梯度介电环栅绝缘基体的同心环栅结构与梯度功能介质浆料分区填充的协同作用，构建了从高压焊盘中心向外周逐级递减的梯度介电分布，内层应力缓冲高k介质浆料紧贴高压焊盘消除界面气隙并拉拢电场，中层环栅填充介质浆料在3道环栅槽中形成阶梯式介电常数过渡，外层屏蔽连接导电浆料通过垂直贯通孔将残余电场导入参考地，解决了现有fpc高压绝缘方案中电场集中导致局部放电量大的难题；

26、2：本发明通过等离子体活化处理与全氟癸基三甲氧基硅烷界面锚固的协同作用，在梯度介电环栅绝缘基体与fpc线路基材之间形成化学键合界面，同时内层应力缓冲高k介质浆料采用低模量乙烯基封端聚二甲基硅氧烷体系，在温度剧变时通过弹性形变吸收界面热应力，避免了高低温冲击下的界面脱粘和绝缘失效，实现了高界面结合可靠性与长期运行稳定性的统一；

27、3：本发明通过真空灌封与低温热固化的协同作用，梯度功能介质浆料在真空环境下注入环栅槽并充分渗透至界面微孔，低温热固化使浆料与梯度介电环栅绝缘基体侧壁及fpc界面形成化学键合，消除了绝缘结构内部的气隙和弱界面，同时全氟癸基三甲氧基硅烷水解液浸渍处理在封装结构外表面形成疏水屏蔽层，实现了无气隙一体化封装与表面疏水防护的双重功能一体化。