CN102856428A - 具有活性焊料涂层的导线及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有活性焊料涂层的导线及其使用方法，所述方法包含：提供一基板；提供一导线，其具有一线材及涂布在所述线材上的一活性焊料涂层，所述活性焊料涂层包含至少一种焊锡合金，并混掺有6%（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2%（重量）的至少一种稀土族元素(Re)；先以低于450℃的温度预热所述导线及基板；再将所述预热后的导线放置在所述预热后的基板上，使所述活性焊料涂层接触、熔化并焊接结合在所述预热后的基板上；以及，冷却固化所述导线的活性焊料涂层的活性焊料，以通过所述导线形成一电路图案。
Description
技术领域
本发明关于一种太阳能电池电极及其制作方法，特别是关于一种具有活性焊料涂层的导线及其使用方法。
背景技术
近年来，因为石化燃料逐渐短缺，使得各种再生性替代能源(例如太阳能电池、燃料电池、风力发电)的发展逐渐受到重视，其中尤以太阳能发电最受各界重视。
请参考附图1所示，其揭示一种现有太阳能电池组件的剖视图，其中当制作此现有太阳能电池组件时，首先提供一p型硅半导体衬底11，进行表面酸蚀粗化后，接着将磷或类似物质以热扩散方式于所述p型硅半导体衬底11的受光面侧形成反向导电类型的一n型扩散层12，并形成p－n界面(junction)。随后，再于所述n型扩散层12上形成一抗反射层13与一正面电极14，其中通过等离子体化学气相沉积等方法于所述n型扩散层12上形成氮化硅(silicon nitride)膜作为所述抗反射层13，再于所述抗反射层13上以网印方式涂布含有银粉末的银导电浆料，随后进行烘烤干燥及高温烧结的程序，以形成所述正面电极14。在高温烧结过程中，用以形成所述正面电极14的导电浆料可烧结并穿透所述抗反射层13，直到电学接触所述n型扩散层12上。
另一方面，所述p型硅半导体衬底11的背面侧则使用含有铝粉末的铝导电浆料以印刷方式形成铝质的一背面电极层15。随后，进行干燥烘烤的程序，再于相同上述的高温烧结下进行烧结。烧结过程中，从干燥状态转变成铝质的背面电极层15；同时，使铝原子扩散至所述p型硅半导体衬底11中，于是在所述背面电极层15与p型硅半导体衬底11之间形成含有高浓度的铝掺杂剂的一p＋层16。所述层通常称为后表面场（BSF）层，且有助于改良太阳能电池的光转换效率。由于铝质的背面电极层15，不具焊接性（润湿性差）。此外，可通过网印方式于所述背面电极层15上印刷一种银-铝导电浆料，经烧结后形成一具有良好焊接性的导线17，以便将多个太阳能电池相互串连形成一模块。
然而，现有太阳能电池组件在实际制造上仍具有下述问题，例如：连接于所述正面电极层14、背面电极层15及导线17是使用银、铝及银-铝等导电浆料来制作电极及导线，但所述银、铝及银-铝导电浆料的材料成本颇高，约占整个模块制作成本的10至20%。再者，这些导电浆料含有一定比例金属粉末、玻璃粉末及有机媒剂，如日本Kokai专利公开第2001-127317号及第2004-146521号和台湾美商杜邦申请的中国台湾专利公告第I339400号，其中导电浆料含有降低导电学及不利于焊接性的玻璃微粒；以及另含有有机溶剂等成分，因此在烧结后会造成太阳能芯片的污染，故必须特别加以清洗。再者，使用导电浆料制作导线必需经过450至850℃左右的高温烧结，但此高温条件可能造成其它材料层的材料劣化或失效，进而严重影响制造电池的良率。基于上述高温烧结条件精密控制的需求，也使得进行高温烧结步骤相对较为费时及复杂，并会影响在单位时间内生产电池的整体生产量。
故，有必要提供一种制作太阳能电池电极的方法，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有活性焊料涂层的导线及其使用方法，使用成本较低的活性焊料来涂布在线材的外表面上，以形成具有活性焊料涂层的导线，当使用导线时，若导线的活性焊料涂层接触预先加热的基板(如太阳能电池基板)，即可焊接结合在基板上来形成电路图案，因而有利于降低材料成本，并简化及加速电路工艺，并且增强电学效应。
本发明的次要目的在于提供一种具有活性焊料涂层的导线及其使用方法，其中当应用在制作太阳能电池基板时，导线能以相对较低熔点温度焊能直接活性接结合在太阳能电池基板的不具焊接性（润湿性差）的铝质背面电极层上，以形成电路图案来连接于数个背面电极之间，故不需通过网印方式银-铝导电浆料来制作导线，以及高温烧结工艺，因而有利于避免网印不均匀及基板材料再次因高温烧结作业而劣化，以相对提高基板制造良率，并且增强电学效应。
本发明的另一目的在于提供一种具有活性焊料涂层的导线及其使用方法，其在由具有活性焊料涂层的金属导线材具有良好导电率，能有效地降低电能消耗，进而提高太阳能电池的转换效率，故不会因导电浆料含有不具导电学及不利于焊接性的玻璃微粒问题。
本发明的再一目的在于提供一种具有活性焊料涂层的导线及其使用方法，其在由具有活性焊料涂层的所形成的电路图案上可进一步选择进行无电镀或电镀等增厚处理，其除了可增加所述电路图案的厚度外，也可增加电路图案与外部电路结合的接合性质、导电能力及防止氧化生锈能力。
为达上述的目的，本发明提供一种具有活性焊料涂层的导线，其包含：一线材，具有一外表面；以及一活性焊料涂层，涂布在所述线材之外表面上；其中所述活性焊料涂层的一活性焊料包含至少一种焊锡合金，并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2 %（重量）的至少一种稀土族元素(Re)。
再者，本发明另提供一种具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其包含下列步骤：提供一基板；提供一导线，其具有一线材及涂布在所述线材上的一活性焊料涂层，其中所述活性焊料涂层包含至少一种焊锡合金，并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2 %（重量）的至少一种稀土族元素(Re)；先以低于450℃的温度预热所述导线及基板；再将所述预热后的导线放置在所述预热后的基板上，使所述活性焊料涂层接触、熔化并焊接结合在所述预热后的基板上；以及，冷却固化所述导线的活性焊料涂层的活性焊料，以通过所述导线形成一电路图案。
在本发明的一实施例中，所述线材的材料选自银基合金、铜基合金、铝基合金、镍基合、金基合金或其混合合金。
在本发明的一实施例中，所述焊锡合金选自锡基合金、铋基合金或铟基合金。
在本发明的一实施例中，所述锡基合金、铋基合金或铟基合金混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分，例如选自包含4 %（重量）以下的钛(Ti)、钒(V)、镁(Mg)、锂（Li）、锆(Zr)、铪(Hf)或其混合。
在本发明的一实施例中，所述稀土族元素选自钪元素(Sc)、钇元素（Y）或“镧系元素”，其中“镧系元素”包含：镧（La）、铈(Ce)、镨（Pr）、钕（Nd）、鉅（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Td）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)。
在本发明的一实施例中，在将所述导线放置在所述基板上的步骤中，通过超声波的辅助使所述活性焊料涂层接触、熔化并焊接结合在所述基板上。
在本发明的一实施例中，在形成所述电路图案之后，另包含：对所述电路图案选择进行无电镀或电镀，以增加所述电路图案的厚度。
在本发明的一实施例中，所述无电镀或电镀使用的金属为铜、银、镍、金或其复合层。
在本发明的一实施例中，所述活性焊料涂层的厚度介于10至200微米(μm)之间。
在本发明的一实施例中，所述基板选自太阳能电池、发光二极管(LED)、电容组件、振荡器组件、半导体芯片、其它主动或被动组件的半导体基板、金属氧化物基板、燃料电池电极板或陶瓷基板。
在本发明的一实施例中，所述基板选择一太阳能电池的基板，其中所述太阳能电池基板具有一背面，所述导线在所述背面上形成所述电路图案，以电学连接数个背面电极。
在本发明的一实施例中，所述基板及电路图案与一铜覆层形成一堆栈结构，所述堆栈结构可与另一相同的堆栈结构进一步相互堆栈。
附图说明
附图1：现有太阳能电池组件的剖视图。
附图2A至附图2D：本发明较佳实施例具有活性焊料涂层的导线的使用方法的流程示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述及其它目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本发明较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。再者，本发明所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”或“侧面”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
请参照附图2A至附图2D所示，其揭示本发明较佳实施例具有活性焊料涂层的导线的使用方法的流程示意图，其中所述方法主要包含下列步骤：提供一基板2；提供一导线3，其具有一线材31及涂布在所述线材31上的一活性焊料涂层32，其中所述活性焊料涂层32包含至少一种焊锡合金，并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2 %（重量）的至少一种稀土族元素(Re)；先以低于450℃的温度预热所述基板2；再将所述预热后的导线3放置在所述预热后的基板2上，使所述活性焊料涂层32接触、熔化并焊接结合在所述预热后的基板2上；以及，冷却固化所述导线3的活性焊料涂层32的活性焊料，以通过所述导线3形成一电路图案3。
请参照附图2A所示，本发明较佳实施例以活性焊料制作太阳能电池电极的方法首先是：提供一基板2。在本步骤中，所述基板2可选自太阳能电池、发光二极管(LED)、电容组件、振荡器组件、半导体芯片、其它主动或被动组件的半导体基板、金属氧化物基板、燃料电池电极板或陶瓷基板。在本实施例中，所述基板2以一太阳能电池基板为例，例如可选自硅太阳能电池(例如多晶硅、单晶硅或非晶硅)、化合物太阳能电池(例如III-V族的砷化镓、II-VI族碲化镉CdTe、硫化镉CdS与多元化合物的铜铟硒CuInSe2或铜铟镓硒CIGS等)或有机型太阳能电池的芯片型或薄膜型基板，其中当所述基板2选自硅太阳能电池的芯片型基板时，所述基板2可选择包含一p型硅半导体衬底21，但本发明并不限于此。
如附图2A所示，在一实施方式中，当所述基板2包含所述p型硅半导体衬底21时，所述p型硅半导体衬底21的正面侧可由内而外依序预先形成一n型扩散层22、一抗反射层23及数个正面电极24。另外，所述p型硅半导体衬底21的背面侧则由外而内依序形成一铝质的背面电极层25及一p＋层26。上述基板2的结构类似于附图1的现有太阳能电池组件的结构，且仅为本发明的一种实施方式，故于此不另予详细说明其与现有技术相同的部份。
请参照附图2B所示，本发明较佳实施例以活性焊料制作太阳能电池电极的方法接着是：提供一导线3，其具有一线材31及涂布在所述线材31上的一活性焊料涂层32，其中所述活性焊料涂层32包含至少一种焊锡合金，并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2 %（重量）的至少一种稀土族元素(Re)。在本步骤中，所述活性焊料涂层32的活性焊料最初可以为线状固态焊条、粉末状焊粉或膏状焊料的形态，在涂布时，将所述活性焊料以低于450℃的熔点温度进行熔融，接着将所述线材31浸入熔融的活性焊料内，或亦可以刷涂方式涂布在所述线材31的外表面；或亦可通过挤制方式将活性焊料包覆在所述线材31的外表面；或通过电镀方式将活性焊料电镀在所述线材31的外表面，或亦可以物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)方式将活性焊料镀在所述线材31的外表面，其中所述活性焊料涂层32的涂布厚度与所述线材31的直径或剖面形状依实际基板需求来进行设计。例如，在本实施例中，所述线材31是呈扁平长条状的线材形状体，所述活性焊料涂层32的厚度介于10至200微米(μm)之间，所述线材31的直径至少大于所述活性焊料涂层32的厚度值。
再者，本发明使用的线材31合金选自银基合金、铜基合金、铝基合金、镍基合、金基合金或其混合合金。
再者，本发明使用的焊锡合金选自锡基合金、铟基合金、铋基合金、其它焊锡合金或其混合。所述锡基合金、铋基合金或铟基合金并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分，例如选自包含0.1%至6.0%、0.1%至5.0%或0.1%至4.0 %（重量）的钛(Ti)、钒(V)、镁(Mg)、锂（Li）、锆(Zr)、铪(Hf)或其混合。同时，所述锡基合金、铋基合金或铟基合金亦混掺有0.01%至2.0%、0.01%至1.0%或0.01%至0.5 %（重量）的至少一种稀土族元素(Re)。例如，所述稀土族元素选自钪元素(Sc)、钇元素（Y）或“镧系元素”，其中“镧系元素”又包含：镧（La）、铈(Ce)、镨（Pr）、钕（Nd）、鉅（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Td）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu)，在产业的利用上，稀土族元素通常以混合物的形态存在，常见的稀土族元素混合物例如由：镧（La）、铈(Ce)、镨（Pr）、钕（Nd）或钐（Sm）以及极少量的铁(Fe)、磷(P)、硫(S)或硅(Si)所组成。
请参照附图2C所示，本发明较佳实施例以活性焊料制作太阳能电池电极的方法接着是：先以低于450℃的温度预热所述基板2。在本步骤中，根据所述活性焊料的实际成份组成比例，所述活性焊料的预设熔点温度范围大致可维持在低于450℃的相对较低加热温度下，例如在100℃至450℃之间、150℃至400℃之间或200℃至350℃之间，但并不限于此。本发明是在将所述导线3焊接结合在所述基板2上之前，预先加热所述基板2，使所述基板2的背面(或正面)具有低于或等于或高于所述活性焊料的熔点。值得注意的是，此加热温度远低于一般传统网印烧结方式，如所述基板2的正面电极24及/导线3’及/或背面电极25的高温烧结温度(约在450至850℃左右)，因此本实施案例是属于相对较低加热温度，故不会进一步造成所述基板的任何材料的劣化。另外，不会发生导电学降低问题，如一般采用网印的银、铝及银-铝的导电浆料内，因含有不具导电学玻璃微粒，造成太阳能电池的转换效率降低。
请参照附图2C所示，本发明较佳实施例以活性焊料制作太阳能电池电极的方法接着：再将所述预热后的导线3放置在所述预热后的基板2上，使所述活性焊料涂层32接触、熔化并焊接结合在所述预热后的基板2上，成为一背面导线3’。在本步骤中，本发明是将所述导线3放置在所述基板2的背面上并位于数个背面电极25之间。更详细的说，使用一工具4(例如一压杆)将所述导线3压在所述基板2的背面上，使得所述活性焊料涂层32接触、熔化并焊接结合在所述基板2的背面上，因而成为一背面导线3’，其中所述背面导线3’包含一线材31’及一活性焊料涂层32’，所述活性焊料涂层32’熔化并焊接结合在所述基板2上。此结合过程也可简称为打线作业。其正面电极24其实施与上述方法相同，故于此不另予详细说明其与现有技术相同的部份。另外，在上述打线作业期间，本发明较佳亦可选择经由所述工具4施加超声波予所述导线3的活性焊料涂层32的活性焊料，以活化所述活性焊料与所述基板2之间的一反应接合层(未标示)，其中超声波的频率及处理时间依所述活性焊料的种类及所需刮涂厚度等参数进行调整，本发明并不限制频率及处理时间等参数。当施加超声波的能量予所述活性焊料时，超声波的波动能量进入所述活性焊料中，可以通过超声波的搅动将所述熔化活性焊料的表面氧化膜击破，以露出所述活性焊料的金属焊料与活性成分，并促进所述熔融活性焊料的活性成分与所述基板2之间的反应形成一层反应接合层；另外，超声波亦可赋予将活性焊料内的高硬度介金属化合物颗粒对所述基板2的固体表面提供摩擦式清洁作用，而有利于将所述基板2的表面污物与钝化层除去。再者，超声波对所述活性焊料也能赋予额外动能，以利其渗入所述基板2的微细孔洞等死角内，如此可使所述活性焊料在后续冷却固化后直接牢固接合于清洁后的基板2的固体表面。另外，本实施超声波辅助接合过程中，其中所述基板2以及所述导线3的预热温度，则可在所述活性焊料的熔点以下，通过超声波能量将所述导线3焊接接合于基板2。
请参照附图2D所示，本发明较佳实施例以活性焊料制作太阳能电池电极的方法接着是：冷却固化所述背面导线3’的活性焊料涂层32的活性焊料，以通过所述背面导线3’形成一电路图案。在完成上述打线作业后，接着冷却所述基板2，使所述活性焊料固化，让所述背面导线3’牢固结合在所述基板2的背面上而形成一电路图案，所述电路图案可为纵向或横向排列或其它排列方式。再者，本发明在形成所述电路图案之后，另可选择性包含下述加工步骤：对所述电路图案选择进行无电镀或电镀形成一保护层(未绘示)，用以增加所述电路图案的厚度。上述无电镀或电镀工艺使用的金属较佳为铜、镍、金、银、锡或其复合层，所述无电镀或电镀工艺可形成一金属镀层作为保护层，所述保护层有利于增加所述电路图案与外部导线结合的接合性质、导电能力及防止氧化生锈能力。在通过所述无电镀或电镀工艺增加厚度之后，本发明较佳使所述电路图案的厚度最终达到介于10至200微米(μm)之间。
在本发明的另一实施方式中，所述基板2可以是一种多层电路基板，其中由所述导线3焊接结合在所述基板2外侧而形成一具有电路图案基板，并与另一具有电路图案基板堆栈形成一堆栈结构（未绘示），其中所述堆栈结构更可与另一相同的堆栈结构进一步相互堆栈，并以相同方式堆栈二个或以上的堆栈结构，以形成所述多层电路基板。
如上所述，相较于附图1的现有太阳能电池组件在工艺上使用银、铝及银-铝导电浆料分别来制作正面电极、背面电极层及导线必需经过450至850℃左右的高温烧结因而可能造成材料劣化、失效，以及导电浆料内含有不具导电学的玻璃微粒，造成电阻增高，转换效率低等问题，附图2A至附图2D的本发明通过使用成本较低的活性焊料来涂布在线材31的外表面上，以形成具有活性焊料涂层32的导线3，当使用导线3时，若导线3的活性焊料涂层32接触预先加热的基板2(如太阳能电池基板)，即可焊接结合在基板2上来形成电路图案，因而有利于降低材料成本，并简化及加速电路工艺，并降低导线电阻系数，进而增加转换效率。
再者，当本发明应用在制作太阳能电池基板时，导线3能以相对较低熔点温度焊接结合在太阳能电池基板的背面电极层上，以形成电路图案来连接于数个背面电极25之间，故不需通过高温烧结银-铝导电浆料来制作导线，因而有利于避免基板材料再次因高温烧结作业而劣化，以相对提高基板制造良率。
另外，本发明在由具有活性焊料涂层32的线材3所形成的电路图案上可进一步选择进行无电镀或电镀等增厚处理，其除了可增加所述电路图案的厚度外，也可增加电路图案与外部电路结合的接合性质、导电能力及防止氧化生锈能力。
虽然本发明已以较佳实施例揭露，然其并非用以限制本发明，任何熟习此项技艺的人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书申请所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，包含：
提供一基板；
提供一导线，其具有一线材及涂布在所述线材上的一活性焊料涂层，其中所述活性焊料涂层包含至少一种焊锡合金，并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2 %（重量）的至少一种稀土族元素；
先以低于450℃的温度预热所述基板；
再将所述预热后的导线放置在所述预热后哦基板上，使所述活性焊料涂层接触、熔化并焊接结合在所述预热后之基板上；以及
冷却固化所述导线的活性焊料涂层的活性焊料，以通过所述导线形成一电路图案。
2.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，在将所述导线放置在所述基板上的步骤中，通过超声波的辅助使所述活性焊料涂层接触、熔化并焊接结合在所述基板上。
3.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，在形成所述电路图案之后，另包含：对所述电路图案选择进行无电镀或电镀，以增加所述电路图案的厚度。
4.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述焊锡合金选自锡基合金、铋基合金或铟基合金。
5.根据权利要求4述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述锡基合金或铟基合金混掺的至少一种活性成分选自4 %（重量）以下的钛、钒、镁、锂、锆、铪或其混合。
6.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述稀土族元素选自钪元素、钇元素或镧系元素，其中所述镧系元素包含：镧、铈、镨、钕、鉅、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱或镥。
7.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述线材合金选自银基合金、铜基合金、铝基合金、镍基合、金基合金或其混合合金。
8.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述基板选自太阳能电池、发光二极管、电容组件、振荡器组件或半导体芯片的半导体基板、燃料电池电极板、金属氧化物基板或陶瓷基板。
9.根据权利要求8所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述基板选择一太阳能电池的基板，其中所述太阳能电池基板具有一背面，所述导线在所述背面上形成所述电路图案，以电学连接数个背面电极。
10.根据权利要求1所述的具有活性焊料涂层的导线的使用方法，其特征在于，所述基板及电路图案是与另一具有电路图案的基板形成一堆栈结构，所述堆栈结构可与另一相同的堆栈结构进一步相互堆栈。
11.一种具有活性焊料涂层的导线，包含：
一线材，具有一外表面；以及
一活性焊料涂层，涂布在所述线材之外表面上；
其特征在于，所述活性焊料涂层的一活性焊料包含至少一种焊锡合金，并混掺有6 %（重量）以下的至少一种活性成分以及0.01%至2 %（重量）的至少一种稀土族元素。
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