基于脉冲红外热成像技术的锂电池端盖焊接质量检测

洪颖, 安伟, 江海军, 张凯, 陈飞

洪颖, 安伟, 江海军, 张凯, 陈飞. 基于脉冲红外热成像技术的锂电池端盖焊接质量检测[J]. 红外技术, 2023, 45(10): 1052-1058.
引用本文: 洪颖, 安伟, 江海军, 张凯, 陈飞. 基于脉冲红外热成像技术的锂电池端盖焊接质量检测[J]. 红外技术, 2023, 45(10): 1052-1058.
HONG Ying, AN Wei, JIANG Haijun, ZHANG Kai, CHEN Fei. Welding Quality Inspection for Explosion-proof Sheet of Lithium Battery Based on Pulsed Infrared Thermography[J]. Infrared Technology , 2023, 45(10): 1052-1058.
Citation: HONG Ying, AN Wei, JIANG Haijun, ZHANG Kai, CHEN Fei. Welding Quality Inspection for Explosion-proof Sheet of Lithium Battery Based on Pulsed Infrared Thermography[J]. Infrared Technology , 2023, 45(10): 1052-1058.

基于脉冲红外热成像技术的锂电池端盖焊接质量检测

基金项目: 

南京海关科研项目 2022KJ32

锂电池端盖焊接缺陷的无损检测关键技术研发与应用 

详细信息
    作者简介:

    洪颖(1980-),汉,女,博士,研究员,研究方向:机电产品质量及能效的检测技术研究

    通讯作者:

    江海军(1988-),汉,男,硕士,高级工程师,研究方向:红外无损检测技术及图像处理。E-mail:hjiang@novelteq.com

  • 中图分类号: TM911

Welding Quality Inspection for Explosion-proof Sheet of Lithium Battery Based on Pulsed Infrared Thermography

  • 摘要: 锂电池端盖作为保障锂电池安全的关键部件,端盖是一种铝制的薄片,采用激光焊接工艺,焊接过程中容易造成焊穿孔、断焊、虚焊的现象,目前主要依靠目视检测、可见光图像检测,但上述检测方式不能检测出虚焊问题。本文使用脉冲红外热成像技术对激光焊接进行检测,制作了焊接率为100%、50%、33%、25%共4个试件,采用信号重建方法可以消除试件表面不匀的影响,一阶导图像可以看到焊接区域,焊接率越大,焊接区域亮斑越大;对图像进行二值分割,结果表明激光焊接率和检测面积成正相关线性关系,验证了脉冲红外热成像技术对锂电池端盖焊接质量检测的有效性,为锂电池端盖焊接质量检测提供了一种新方法。
    Abstract: Explosion-proof sheets are key components in ensuring the safety of lithium batteries. These aluminum sheets easily cause welding perforations, broken welding, and false welding during the welding process using laser welding technology. Presently, inspection mainly relies on visual inspection and visible light image detection; however, these detection methods cannot detect faulty welding. Here, we propose a pulsed infrared thermography technology to detect laser welding defects. Four specimens with welding ratios of 100, 50, 33, and 25% were fabricated. The signal reconstruction method eliminates the influence of the uneven surface of the specimen. It is shown that the larger the welding percentage, the larger the bright spot in 1D images of the welding area. The binary segmentation of the 1-D image indicated that the laser welding percentage and detection area have a positive linear correlation, which verifies the effectiveness of the pulsed infrared thermal imaging technology for lithium battery explosion-proof sheet welding quality inspection, providing a new method for detecting the welding quality of lithium battery explosion-proof sheets.
  • 基于GaSb材料,包括InAs,GaSb,AlSb等材料可以灵活地设计成各种新型材料和器件,尤其是InAs/GaSb超晶格具有独特的Ⅱ型能带结构,可以在器件结构中很方便地加入势垒层,提高器件工作温度和减小暗电流,在制作高性能红外探测器方面具有很大的潜力[1-3]。对于Ⅱ类超晶格红外探测器,在器件制备过程中台面侧壁角度和表面粗糙度对器件的表面漏电流和噪声等有较大的影响,严重制约着器件的性能。随着InAs/GaSbⅡ类超晶格红外焦平面阵列规模的增大,光敏元的尺寸和间距越来越小,所要求的线宽越来越小,精细度越来越高,对台面侧壁角度和表面粗糙度提出了更高的要求[4-5]。然而,传统的光刻胶掩膜已经无法满足工艺要求,取而代之的是二氧化硅(SiO2)等掩膜材料,相对于光刻胶掩膜层,复合掩膜层与超晶格材料具有较高的选择比,采用复合掩膜层能够获得更好的台面角度以及更光滑的侧壁形貌[6]。同时,对干法刻蚀工艺提出了更高的要求,良好的干法刻蚀工艺可以降低台面的侧向及底部钻蚀,从而提高阵列芯片上的占空比和器件的量子效率,降低光敏元间的串扰[7]

    本文采用SiO2/SiN复合掩膜,利用感应耦合等离子体刻蚀设备(Inductively coupled plasma)在不同工艺条件下刻蚀台面,并对ICP刻蚀台面出现的不同形貌特征进行了分析研究,通过调节ICP刻蚀工艺参数,获得了表面光滑的台面,刻蚀台面角度大于80°,刻蚀选择比大于8.5:1。同时对比不同台面刻蚀条件制备的长波640×512焦平面器件测试结果,侧壁平整光滑的焦平面器件暗电流密度降低1个数量级,达到10-4 A/cm2,焦平面器件综合性能有较大提高。

    通过分子束外延(molecular beam epitaxy)生长得到InAs/GaSbⅡ类超晶格材料。材料结构为PπMN结构,整体结构见表 1

    表  1  InAs /GaSbⅡ类超晶格材料结构
    Table  1.  Structure of InAs/GaSbⅡsuperlattice materials
    The epitaxial layer structure of the detector Thickness/nm
    Cap InAs(Si doped) 20
    N 18ML InAs((Si doped)/3ML GaSb/5MLAlSb/3ML GaSb 401.4
    M 18ML InAs/3ML GaSb/5MLAlSb/3ML GaSb 356.8
    π 14ML InAs/7ML GaSb 2254
    P 8ML InAs/12ML GaSb(Be doped) 524.3
    Buffer GaSb 500
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    在上述材料衬底上首先通过ICP-chemical vapor deposition(ICP-CVD)依次制备一定厚度的SiO2/SiN复合掩膜层,如图 1(a)(b)(c)所示。随后在复合膜层上通过光刻工艺获得台面隔离沟槽3 μm,中心距15 μm的光刻图形,如图 1(d)所示;通过反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching),使得光刻图形转移至复合掩膜层上,即在复合掩膜层上获得间距3 μm,中心距15 μm的图形,如图 1(e)所示;随即通过ICP以Cl基气体刻蚀超晶格材料并获得间距约3 μm,深度约为3.1 μm的台面结构,如图 1(f)所示;最后去除剩余SiO2掩膜层,如图 1(g)所示。

    图  1  长波640×512红外焦平面器件制备流程
    Figure  1.  Flow chart of preparation of long-wavelength 640×512 infrared focal plane device

    InAs/GaSbⅡ类超晶格材料的刻蚀设备为Sentech SI500,刻蚀气体为SiCl4/Ar/H2,实验分别采用4种ICP刻蚀工艺条件,如表 2所示。通过扫描电镜表征掩膜与超晶格材料选择比和侧壁形貌,原子力显微镜表征刻蚀表面粗糙度,焦平面测试系统表征长波640×512红外焦平面器件暗电流及相关性能参数。

    表  2  InAs /GaSbⅡ类超晶格材料ICP刻蚀条件
    Table  2.  ICP etching conditions of InAs /GaSbⅡ superlattice materials
    Condition The gas flow rate SiCl4: Ar: H2(sccm) The radio frequency power/W ICP power /W Working pressure/Pa Thickness of SiO2/SiN mask/(Å)
    1
    2
    3
    4
    6:15:5
    6:15:5
    6:10:5
    6:10:5
    100
    100
    100
    150
    200
    200
    200
    200
    0.5
    0.5
    0.5
    0.5
    6000 ÅSiO2+1000Å SiN
    8000Å SiO2+1000Å SiN
    8000 Å SiO2+1000Å SiN
    8000 Å SiO2+1000Å SiN
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    以CHF3/O2为刻蚀气体通过RIE设备对二氧化硅及氮化硅掩膜进行刻蚀,结果如图 2所示。掩膜刻蚀后刻蚀区域表面光滑,与超晶格材料表层形貌一致,刻蚀区域的均一性较好,刻蚀后掩膜侧壁较为陡峭,这得益于CHF3基刻蚀气体对二氧化硅和光刻胶有较好的刻蚀选择性。

    图  2  RIE刻蚀SiO2+SiN掩膜SEM图
    Figure  2.  SEM images of the SiO2+SiNmaskafter RIE etching

    基于2.1制备的掩膜图形,采用条件1对InAs / GaSbⅡ类超晶格材料刻蚀后的角度大于80°,刻蚀深度为3.15 μm,台面隔离槽顶部宽为3.05 μm,底部宽为2.87 μm,剩余的SiO2约为3300Å,同时侧壁及底部较为光滑、无刻蚀产物残留,如图 3(a)所示,InAs/GaSb刻蚀速率为~3940Å/min,掩膜刻蚀速率为~460Å/min,超晶格材料与掩膜的选择比大于8.5:1。同时,利用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)对刻蚀台面底部进行粗糙度测量,在2 μm×2 μm面积内其均方根平均粗糙度达到0.193 nm,如图 3(b)所示。

    图  3  ICP刻蚀条件1样品SEM及刻蚀区域AFM图
    Figure  3.  SEM image of ICP etching condition 1 and AFM image of mesa etching area

    以上结果表明采用复合掩膜刻蚀能够获得理想的台面阵列,但在台面顶部出现倒角,即侧向钻蚀,如图 3(a)黑框所示。采用刻蚀条件2制备台面,对比条件1将SiO2掩膜厚度由6000Å增加到8000Å,台面刻蚀结果如图 4(a)所示,掩膜厚度增加后,台面顶部侧向钻蚀有所缓解。

    图  4  ICP刻蚀条件2和条件3样品SEM图
    Figure  4.  SEM image of ICP etching condition 2 and 3

    采用ICP刻蚀条件3制备台面,对比条件2,将Ar气流量减小5 sccm,台面顶部侧向钻蚀现象完全消失,如图 4(b)黑框内所示。因此,结合实验结果及刻蚀参数分析台面顶部侧向钻蚀现象消失的原因主要有两个,原因①:由于沉积SiN/SiO2掩膜厚度较薄,等离子体的物理轰击作用较多地作用在超晶格材料侧壁上[8],如图 5(a),同时由于Cl基刻蚀气体的化学作用,使得超晶格材料的刻蚀速率快于SiN/SiO2掩膜,从而在顶部出现侧向钻蚀现象;因此通过增加SiN/SiO2掩膜厚度使得等离子体的物理轰击作用较多的作用在SiN/SiO2掩膜上,如图 5(b),达到改善侧向钻蚀目的;原因②:超晶格材料各向异性刻蚀主要来自于SiCl4/H2与InAs/GaSb反应形成的聚合物附着在侧壁上形成阻挡层,阻止刻蚀气体进一步对侧壁的化学作用。但由于刻蚀过程中Ar气的比例过高,物理刻蚀作用过强使得侧壁聚合物分解,侧壁上的化学作用持续进行,从而出现侧向钻蚀。

    图  5  掩膜图形影响台面顶部侧向钻蚀示意图
    Figure  5.  The schematic of the mask pattern influence the lateral undercutting of the top of the mesa

    增加SiN/SiO2掩膜厚度和降低Ar气流量,虽然解决了顶部侧向钻蚀问题,但在台面底部出现了钻蚀。为了解决底部钻蚀,将RF功率增加到150 W,即ICP刻蚀条件4,结果如图 6(a)所示,台面底部钻蚀现象消失。分析其主要原因为在射频源等离子体中,偏压是由附着在衬底上的电子产生,但由于SiO2薄膜的绝缘性,电子聚集在SiO2膜层上,尤其是在SiO2膜层角落,使得膜层表面带负电[9],从而影响Ar+离子的运动轨迹,导致底部钻蚀的形成,如图 6(b)所示。因此,在增加RF功率后,提高Ar+离子的动能以保证Ar+离子刻蚀方向性,降低膜层表面电荷对Ar+离子的运动轨迹的影响。在该条件下,台面侧壁陡直且光滑,刻蚀角度约为88°,选择比大于8.5:1。同时,采用刻蚀条件4制备的台面底部在2 μm×2 μm面积内其均方根平均粗糙度约为0.2 nm,如图 6(c)所示,说明ICP刻蚀条件1和4对平面刻蚀效果基本一致。

    图  6  采用ICP刻蚀条件4制备样品相关结果
    Figure  6.  The correlation results of ICP etching condition 4 were discussed

    由于采用条件1、2、3制备台面均出现侧向钻蚀或底部钻蚀现象,不是理想的台面制备条件,因此仅选取条件1和条件4进行器件结果对比。采用ICP刻蚀条件1和条件4制备长波640×512焦平面器件,77 K下器件光谱测试结果表明50%截止波长为9.26 μm,如图 7(a)所示。77 K下暗电流对比结果如图 7(b)所示,在台面刻蚀工艺改善后,即采用条件4制备的长波640×512焦平面器件暗电流密度降低约1个数量级,达到3×10-4 A/cm2,反向偏压曲线平坦区更长,说明侧壁形貌以及光滑程度对器件暗电流存在较大影响。台面侧壁粗糙一是由于刻蚀沉积物附着在侧壁,二是由于刻蚀过程中物理轰击作用过大,而沉积物在侧壁容易形成漏电通道,过强的物理轰击作用会带来额外的刻蚀损伤,同时,台面顶部侧向钻蚀以及底部钻蚀位置的钝化膜覆盖度会减小,当器件在降温过程中,钝化膜容易开裂甚至脱落,降低钝化膜对侧壁漏电的抑制作用,上述原因均会增大器件暗电流。

    图  7  器件光谱响应及暗电流测试结果
    Figure  7.  The test results of responsivity spectrum and dark current density

    采用ICP刻蚀条件4制备的焦平面器件,其黑体响应非均匀性较低,信噪比高,盲元率低,具有较好的器件性能,如图 8表 3所示,同时该器件获得了清晰的焦平面成像图,如图 9所示。

    图  8  长波640×512红外焦平面信号响应图
    Figure  8.  Signal response diagram for the long-wavelength 640×512 infrared focal plane
    表  3  长波640×512红外焦平面相关参数对比
    Table  3.  Comparison of performance of long-wavelength 640×512 infrared focal plane array
    Condition 1 4
    The signal-to-noise ratio 170 414
    Noise equivalent temperature difference/mK 84 28
    Non-uniformity/(%) 5.55 4.3
    Operability/(%) 97.3 99.5
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    图  9  长波640×512红外焦平面成像图
    Figure  9.  A schematic of long-wavelength 640×512 infrared focal plane imaging

    利用一定厚度的SiO2/SiN复合掩膜层以及优化后的ICP干法刻蚀工艺,获得了光滑的刻蚀表面以及接近垂直的台面角度,台面刻蚀角度大于80°,InAs/GaSb超晶格材料与掩膜刻蚀选择比大于8.5:1。同时由分析结果可知,SiO2/SiN复合掩膜层的厚度以及Ar气流量的大小对台面顶部的侧向钻蚀程度有一定影响,而下电极射频功率(RF)会影响到台面底部的钻蚀程度,通过增加掩膜层厚度、减小Ar气流量可有效减缓侧向钻蚀程度,而减小下电极射频功率(RF)可有效减缓底部的钻蚀程度。同时对比长波640×512焦平面器件测试结果发现,采用ICP刻蚀条件4制备的器件暗电流密度较小,约3×10-4 A/cm2,响应非均匀性、信噪比以及有效像元率等相关指标均有所提高。

  • 图  1   脉冲红外热成像系统示意图

    Figure  1.   Schematic diagram of pulsed infrared thermography system

    图  2   脉冲红外热成像技术采集过程示意图

    Figure  2.   Schematic diagram of acquisition process of pulsed infrared thermography

    图  3   端盖照片

    Figure  3.   Photo of explosion-proof sheet

    图  4   试件-端盖喷漆后效果

    Figure  4.   Specimen-effect of explosion-proof sheet after painting

    图  5   脉冲红外热成像系统

    Figure  5.   Pulsed infrared thermography system

    图  6   试件2#温度-时间曲线

    Figure  6.   Temperature-time curves of specimen 2#

    图  7   试件2#红外序列图像

    Figure  7.   Infrared sequence image of specimen 2#

    图  8   红外检测图像(0.08 s)

    Figure  8.   Infrared detection image(0.08 s)

    图  9   一阶导数图像(0.08 s)

    Figure  9.   Infrared first derivative image(0.08 s)

    图  10   空间曲线

    Figure  10.   Spatial curves

    图  11   双阈值分割效果

    Figure  11.   Double threshold segmentation effect

    图  12   激光焊接率和检测区域面积曲线

    Figure  12.   Laser welding ratio and welding area curve

  • [1] 闫金定. 锂离子电池发展现状及其前景分析[J]. 航空学报, 2014, 35(10): 2767-2775. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201410008.htm

    YAN Jinding. Current status and development analysis of lithiumion batteries[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(10): 2767-2775. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201410008.htm

    [2] 崔宇, 刘文江. 新能源汽车锂离子动力电池技术发展现状及前景分析[J]. 东北电力大学学报, 2022, 42(2): 41-48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DBDL202202005.htm

    CUI Yu, LIU Wenjiang. Development and promises of lithiumion power battery technology for new energy vehicles[J]. Journal of Northeast Electric Power University, 2022, 42(2): 41-48. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DBDL202202005.htm

    [3] 张波. 柱形锂电池外壳圆周面缺陷的视觉检测方法研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2020.

    ZHANG Bo. Research on the Visual Inspection Method for the Defects of the Cylindrical Lithium Battery Shell[D]. HeFei: Hefei University of Technology, 2020.

    [4]

    WANG P, GAO Y, TIAN G, et al. Velocity effect analysis of dynamic magnetization in high speed magnetic flux leakage inspection[J]. NDT & E Int., 2014, 6(4): 7-12.

    [5]

    Reddy A L M, Srivastava A, Gowda S R, et al. Synthesis of nitrogen-doped graphene films for lithium battery application[J]. Acs Nano, 2010, 4(11): 6337-6342. DOI: 10.1021/nn101926g

    [6] 张同华, 李晓辉, 鲁强临. 新型动力型锂电池防爆盖帽的设计与制造[J]. 电源技术, 2011, 35(6): 662-665. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DYJS201106013.htm

    ZHANG Ttonghua, LI Xiaohui, LU Qianglin. Design and manufacture of explosion-proof cap of new power lithium battery[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2011, 35(6): 662-665. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DYJS201106013.htm

    [7] 蒋南希. 新能源汽车锂电池防爆盖结构设计[J]. 电源技术, 2018, 42(8): 1129-1133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DYJS201808013.htm

    JIANG Nanxi. Structure design of explosion proof cap for new energy vehicle[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2018, 42(8): 1129-1133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DYJS201808013.htm

    [8] 孙晓雁. 浅谈动力电池模组焊接过程监测和焊缝质量检测方法[J]. 新能源汽车, 2022, 4(4): 118-119. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDQE202204050.htm

    SUN Xiaoyan. Talking about the welding process monitoring and welding seam quality inspection methods of power battery modules[J]. New Energy Automobile, 2022, 4(4): 118-119. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SDQE202204050.htm

    [9] 许海彪. 基于深度学习的锂电池壳表面缺陷视觉检测研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2021.

    XU Haibiao. Research on Visual Inspection of Surface Defects of Lithium Battery Case Based on Deep Learning[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2021.

    [10] 吴桐, 杨金成, 廖瑞颖, 等. 基于线阵图像深度学习的电池组焊缝瑕疵检测[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(22): 1-8. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ202022034.htm

    WU Tong, YANG Jincheng, LIAO Ruiying, et al. Weld defect inspection of battery pack based on deep learning of linear array image[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(22): 1-8. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ202022034.htm

    [11] 江海军, 陈力. 闪光灯热激励红外热波成像无损检测设备及应用[J]. 无损检测, 2017, 39(9): 57-64. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WSJC201709015.htm

    JIANG Haijun, CHEN Li. Application of flash thermal excitation infrared thermographic nondestructive testing equipment[J]. Nondestructive Testing, 2017, 39(9): 57-64. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WSJC201709015.htm

    [12]

    Muzika L, Svantner M, árka Houdková, et al. Application of flash-pulse thermography methods for quantitative thickness inspection of coatings made by different thermal spraying technologies[J]. Surface and Coatings Technology, 2020, 4(6): 1-7.

    [13]

    Grosso M, Juan E. C. Lopez, Vitor M A Silva, et al. Pulsed thermography inspection of adhesive composite joints: computational simulation model and experimental validation[J]. Compo. s B Eng., 2016, 10(6): 1-9.

    [14]

    Soonkyu Hwanga, Yun-Kyu Anb, Hoon Sohn. Continuous line laser thermography for damage imaging of rotating wind turbine blades[J]. Procedia Engineering, 2017, 18(8): 225-232.

    [15] 郑凯, 江海军, 陈力. 红外热波无损检测技术的研究现状与进展[J]. 红外技术, 2018, 40(5): 402-411. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201805001

    ZHENG Kai, JIANG Haijun, CHEN Li. Infrared thermography NDT and its development[J]. Infrared Technology, 2018, 40(5): 402-411. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201805001

    [16]

    Alvarez-Restrepo C A, Benítez-Restrepo, Hernán Darío, et al. Characterization of defects of pulsed thermography inspections by orthogonal polynomial decomposition[J]. NDT & E International, 2017, 91(10): 9-21.

图(12)
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-23
  • 修回日期:  2022-07-19
  • 刊出日期:  2023-10-19

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