CN101826571A - 太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺 - Google Patents

太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺 Download PDF

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Abstract

本发明太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺，包括如下步骤：(1)使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜，再与有机载体按固相质量比70～80∶20～30混匀，再轧成浆料；(2)在陶瓷基板上将上述浆料印刷或涂敷形成金属导体膜并烘干；(3)烧结：烧结峰值温度为1060～1080℃。本发明制造出的陶瓷基板具有高导电、高导热、高附着力、能够进行二次图形精细加工等优异性能，应用到太阳能电池芯片封装中可以明显提高工作寿命和可靠性。

Description

太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺
技术领域
本发明涉及陶瓷线路板金属化加工工艺。
背景技术
由于太阳能电池芯片工作时结温的上升会使光转换效率下降，寿命和输出电流也会随着温度的升高而下降。如果PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅提高产品的光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命，电池芯片对基板材料的线膨胀系数的匹配性也有严格的要求。适合于做太阳能电池陶瓷散热基板的材料有金属基板(铜、铝等)、陶瓷金属化基板、铝基绝缘基板(IMS)、金属基复合材料等。铜铝等金属板导热性较好、成本较低，但线膨胀系数较大，容易造成太阳能电池芯片热循环损坏；铝基绝缘基板的绝缘介质为有机绝缘层，最好的产品导热率在3W/m.k以下，严重影响太阳能电池芯片散热；金属基复合材料难以批量化生产，成本太高；在太阳能电池芯片封装散热材料中，陶瓷基板以高可靠性、长寿命、导热性能好、可以热电分离等优点成为高性能太阳能电池封装的首选材料。目前可以应到太阳能电池封装散热中的材料有高温陶瓷(氧化铝、氮化铝等)、低温共烧陶瓷(LTCC)等。LTCC陶瓷在导体制作、成型加工方面较高温陶瓷方便，但在价格、导热率等方面不如高温陶瓷基板更有优势。
目前适合于太阳能电池封装应用的高混陶瓷基板金属化工艺有：薄膜法、厚膜法、钼锰法等。薄膜法导电率高、附着力差、成本也较高；钼锰法附着强度高、但导电能力不好；厚膜法在一定程度上解决了以上问题，但还是存在可靠性差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺，解决陶瓷线路板在太阳能电池芯片封装中存在的导电能力差、散热能力不好、导体附着力不高的问题。
本发明太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜，再与有机载体按固相质量比70～80(固)∶20～30(有机载体)混匀，再轧成浆料；
(2)在陶瓷基板上将上述浆料印刷或涂敷形成金属导体膜并烘干；
(3)烧结：烧结峰值温度为1060～1080℃。
烧结后的其它技术工艺或处理工艺同已有技术。
本发明主要的技术特点是陶瓷基板的金属化采用了经过低温热氧化的球形铜粉可以和陶瓷形成共晶界面的工艺原理。在达到1060℃以上低于1080℃的温度时，铜和氧化物形成微量的铜-氧化亚铜共晶液相，这层液相和陶瓷中的铝、镁、锆、氧等元素形成铜铝尖晶石共晶结合界面，球形铜粉之间相互融合、致密从而形成导电金属化层。
本发明优选的技术方案为：
所述铜粉粒径为2～20微米，中心粒径为10微米，达到中心粒径的铜粉质量占50-70％，铜粉粒外观呈球状。
所述有机载体的质量组成为：5～10％乙基纤维素、1～5％三乙醇胺或卵磷脂，用余量松油醇充分溶解。优选：5％乙基纤维素、1三乙醇胺或卵磷脂，用余量松油醇充分溶解。
所述陶瓷基板可以是公知的各种材质的陶瓷基板，只要符合所要求的电器性能指标即可，优选≥96％(wt)的氧化铝瓷片。
步骤(1)铜粉在200～350℃空气条件下，不断搅拌10分钟，使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜。
形成氧化膜后的铜粉球磨过200目筛烘干，再与有机载体混匀。
步骤(3)最好采用网带式氮气保护烧结炉烧结，烧结周期45-50分钟。
本发明可以如公知技术，在烧结形成金属导体膜后，可以根据需要再在表面抛光后电镀铜加厚、机械抛光。然后按PCB工艺进行图形加工，根据需要表面镀金或镀镍。最后激光外形加工。
本发明的优点：
本发明制造出的陶瓷基板具有高导电、高导热、高附着力、能够进行二次图形精细加工等优异性能，应用到太阳能电池芯片封装中可以明显提高工作寿命和可靠性。
几种金属化基板的性能比较如下：
  性能指标   薄膜法   厚膜法   钼锰法   本发明工艺
  外观   光滑   亚光   亚光   亮
  光反射能力   好   一般   一般   好
  膜厚(微米)   不超过5   15～75   不超过25   5～100
  方阻Rs(mΩ/□)   ＜5   8   8   ＜5
  导电载流性能   一般   良   差   好
  附着力垂直拉力(Kg/4m m2)   2   6   20   20
  耐冷热循环(-50～150℃)   差   一般   良   良
  耐焊能力   1～2   3   20次以上   30次以上
  可蚀刻加工性能   可以   不   不   可以
  性能指标   薄膜法   厚膜法   钼锰法   本发明工艺
  经济性能   不好   一般   一般   好
具体实施方式
以下结合实施例说明本发明。
实施例1：
铜粉参数：粒径2～20微米，中心粒径10微米(达到该粒径的粒子占中质量的50～70％)，外观球状。有机载体配方(质量比)：5％乙基纤维素、1％三乙醇胺，用余量松油醇充分溶解。
制作工艺为：
(1)把铜粉在350℃空气条件下，不断搅拌10分钟，使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜，然后球磨、出料过200目筛烘干。按固相质量比75∶25与有机载体混匀，上夺辊机轧成浆料。
(2)、印刷或涂敷导体图形。陶瓷基板：96％氧化铝瓷片，网印：200～280目聚酯或不锈钢丝网乳胶掩膜制版，手动精密印刷机，印刷金属导体膜(浆料)；80℃15分钟烘干。金属导体膜厚度10微米。
(3)、烧结。网带式氮气保护烧结炉(匀速)，炉长6米，加热段起始加热温度200℃，峰值温度1072℃，烧结周期45-50分钟。炉内控制氧气量为50～200ppm。
(4)、表面刷光后电镀铜加厚、机械抛光。(公知技术，可根据需要)
(5)、按PCB工艺进行图形加工，根据需要表面镀金或镀镍。
(6)、激光外形加工。
实施例2：
铜粉参数：粒径2～20微米，中心粒径10微米(达到该粒径的粒子占中质量的50～70％)，外观球状。有机载体配方(质量比)：10％乙基纤维素、3％三乙醇胺，用余量松油醇充分溶解。
制作工艺为：
(1)把铜粉在300℃空气条件下，不断搅拌10分钟，使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜，然后球磨、出料过200目筛烘干。按固相质量比70∶30与有机载体混匀，上夺辊机轧成浆料。
(2)、印刷或涂敷导体图形。陶瓷基板：96％氧化铝瓷片，网印：200～280目聚酯或不锈钢丝网乳胶掩膜制版，手动精密印刷机，印刷金属导体膜(浆料)；80℃15分钟烘干。金属导体膜厚度50微米。
(3)、烧结。网带式氮气保护烧结炉(匀速)，炉长6米，加热段起始加热温度200℃，峰值温度1065℃，烧结周期45-50分钟。炉内控制氧气量为50～200ppm。
(4)、表面刷光后电镀铜加厚、机械抛光。(公知技术，可根据需要)
(5)、按PCB工艺进行图形加工，根据需要表面镀金或镀镍。
实施例3：
铜粉参数：粒径2～20微米，中心粒径10微米(达到该粒径的粒子占中质量的50～70％)，外观球状。有机载体配方(质量比)：8％乙基纤维素、5％三乙醇胺，用余量松油醇充分溶解。
制作工艺为：
(1)把铜粉在220℃空气条件下，不断搅拌10分钟，使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜，然后球磨、出料过200目筛烘干。按固相质量比80∶20与有机载体混匀，上夺辊机轧成浆料。
(2)、印刷或涂敷导体图形。陶瓷基板：氮化铝瓷片，网印：200～280目聚酯或不锈钢丝网乳胶掩膜制版，手动精密印刷机，印刷金属导体膜(浆料)；80℃15分钟烘干。金属导体膜厚度100微米。
(1)烧结。网带式氮气保护烧结炉(匀速)，炉长6米，加热段起始加热温度200℃，峰值温度1078℃，烧结周期45-50分钟。炉内控制氧气量为50-200PPm。
(2)表面刷光后电镀铜加厚、机械抛光。(公知技术，可根据需要)
(3)按PCB工艺进行图形加工，根据需要表面镀金或镀镍。
实例1～3制作的的金属化基板的性能如下：
  性能指标   实施例1   实施例2   实施例3
  外观   亮   亮
  光反射能力   好   好   好
  膜厚(微米)   10   50   100
  方阻Rs(m/口)   0.1   0.07   0.05
  导电载流性能   好   好   好
  附着力垂直拉力(Kg/4m m2)   20   17   12
  耐冷热循环(-50～150℃)   良   良   良
  耐焊能力   30次以上   30次以上   30次以上
  可蚀刻加工性能   可以   可以   可以
  经济性能   好   好   好

Claims (9)

1.一种太阳能电池陶瓷散热基板的制作工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜，再与有机载体按固相质量比70～80∶20～30混匀，再轧成浆料；
(2)在陶瓷基板上将上述浆料印刷或涂敷形成金属导体膜并烘干；
(3)烧结：烧结峰值温度为1060～1080℃。
2.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于所述铜粉粒径为2～20微米，中心粒径为10微米，达到中心粒径的铜粉质量占50-70％，铜粉粒外观呈球状。
3.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于所述有机载体的质量组成为：5～10％乙基纤维素、1～5％三乙醇胺或卵磷脂，用余量松油醇充分溶解。
4.根据权利要求3所述的制作工艺，其特征在于所述有机载体的质量组成为：5％乙基纤维素、1％三乙醇胺或卵磷脂，用余量松油醇充分溶解。
5.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于所述陶瓷基板为≥96％氧化铝瓷片。
6.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于所述金属导体膜厚度为5-100微米。
7.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于步骤(1)铜粉在200～350℃空气条件下，不断搅拌10分钟，使铜粉表面形成均匀致密的氧化膜。
8.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于形成氧化膜后的铜粉球磨过200目筛烘干，再与有机载体混匀。
9.根据权利要求1所述的制作工艺，其特征在于步骤(3)采用网带式氮气保护烧结炉烧结，烧结周期45-50分钟。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102060573A (zh) * 2010-11-30 2011-05-18 南京航空航天大学 一种基于电子浆料的敷铜陶瓷基板制造方法
CN112334239A (zh) * 2018-07-04 2021-02-05 韩炆洙 陶瓷金属化基板与其的制备方法

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