CN103579028B - 电力触头的热压焊接 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池模块包括焊接到基板的太阳能电池裸片。基板包括一个或多个电力触头。电力导体焊接到电力触头，从而将电力导体电耦合到太阳能电池裸片。预加热模块以第一持续时间在第一区域处将基板的第一侧加热到第一温度。然后，焊接热源以第二持续时间在第二温度下将电力导体焊接到在基板的第二区域处的电力触头。在电力导体处的最终焊接连接较不易导致冷焊接的缺陷。控制预加热模块的温度以促进在太阳能电池模块的制造中使用的RTV密封剂的固化。控制焊接热源的温度以避免RTV的烧损和降解。

Description

电力触头的热压焊接
技术领域
本发明涉及在基板上的电力触头处将电子组件电耦合到电力导体的领域。更具体而言，本发明涉及预加热基板以在对基板上的触点制造高温焊接接头时保护基板不受损坏，并且在焊接回流过程期间避免太阳能电池和RTV粘合剂的过热。
背景技术
太阳能电池模块包括焊接到基板的太阳能电池裸片，该基板具有终止在至少两个电力触头的多个电迹线输出到基板的表面上。太阳能电池裸片壳体，术语为外罩，其用可固化的密封剂耦合到基板，可固化的密封剂例如室温硫化(RTV)密封剂。通过热量的施加可以加速密封剂的固化，但太多热量的施加会降低粘结强度并改变RTV密封剂的性能。同样，过多的热量可以快速扩张RTV、挤压RTV、泄露RTV到外罩以外，除了RTV的泄露之外这可以导致电接触问题。
在太阳能电池裸片壳体耦合到基板后，电力导体耦合到基板上的电力触头，从而通过基板上的电力触头将太阳能电池裸片电耦合到电力导体。在焊接期间电力触头处的温度对于锡/铅焊接过程可以高达220℃，或者对于无铅过程而言更高。如果相对于220℃的焊接温度而言基板为冷的，则在电力触头处的最终焊接接头可以包括焊接“冷接头”，该冷接头会经受破裂和折断。如果在电力触头处保持高的焊接温度足够长以克服冷接头，则会有太多热量转移到基板，从而烧损和降解粘结太阳能电池裸片壳体至基板的RTV密封剂。进一步地，过多热量施加到基板可以导致增加太阳能电池裸片和基板之间的焊接接头中的焊接空隙的尺寸。
为了解决这些问题，通过关于在RTV密封剂与基板接触时的温度效应和关于制造电力导体到基板上的电力触头的高质量焊接接头所需要的温度来控制基板的温度是可取的。
发明内容
为了避免电力导体到基板上的电力触头的焊接接头的缺陷并且避免耦合太阳能电池裸片壳体到所述基板的RTV密封剂的熔化和回流，在所述基板的第一区域中以预定时间周期将所述基板预加热到预定温度。预加热所述基板也是预加热所述基板上的电力触头。通过将所述基板预加热到受控的温度，预加热后的基板将避免烧损将太阳能电池裸片壳体耦合到所述基板的RTV密封剂。所述基板的加热由第一热源控制。将所述电力导体耦合到所述电力触头的焊接接头的加热由第二热源控制，第二热源的术语为“热压头”。在焊接到所述基板上的电力触头之前的所述基板的预加热还可以与焊接到基板的其他类型的电子组件一起使用，特别是包括在焊接温度下可能烧损和降解的RTV密封剂的组件。
本文描述的系统和方法可以并入减少太阳能电池裸片和基板之间的焊接接头中的空隙的系统和方法，该系统和方法描述在与本申请同日递交的，发明人为Dason Cheung和Richard Loi，名称为“VACUUM REFLOW VOIDING REWORK SYSTEM”，序列号为xx/xxx，xxx的美国专利申请中，其通过引用整体结合于此，以用于各种目的。
在第一方面中，一种将电力导体焊接到电力触头的方法，该方法在电子组件模块上实行，该电子组件模块具有在基板的第一区域处焊接到基板的电子组件，并且具有在基板的第二区域处的电力触头，该方法包括：以第一持续时间将基板的第一区域预加热到第一温度，以及以第二持续时间在第二温度下将电力导体焊接到在基板的第二区域处的电力触头。优选地，电子组件是太阳能电池裸片，并且电子组件模块包括太阳能电池模块。在一些实施例中，第一温度为在第一持续时间期间在基板表面上90℃到120℃的范围中。在一些实施例中，第二温度在215℃到245℃的范围中。在一个实施例中，第二温度热源被设置为大约330℃，以在第二持续时间期间获得期望的温度范围。在优选的实施例中，第一持续时间与第二持续时间重叠。优选地，该方法进一步包括：将第一温度增加到150℃到170℃之间。在一个实施例中，该方法进一步包括：降低第一区域处的预加热温度，从而可控制地冷却基板、电力触头、电力导体、以及电力触头和电力导体的焊接接头。第一区域为基板的第一表面。将基板的第一区域预加热到第一温度导致电力触头的加热。在一些实施例中，在第二温度下将电力导体焊接到在基板的第二区域处的电力触头，其包括：加热基板的第二表面。在优选的实施例中，对第一温度和第一持续时间中的至少一个的选择促进电子组件模块内的密封剂的固化。在另一个优选的实施例中，对第一温度和第一持续时间中的至少一个的选择避免电子组件模块内的密封剂的熔化和回流。
在第二方面中，一种用于将电力导体焊接到电子组件模块的电力触头的系统，该电子组件模块包括在基板的第一区域处焊接到基板的电子组件，并且具有在基板的第二区域处的电力触头，该系统包括：预加热源，其热耦合到基板，并被配置用于以第一持续时间将基板的第一区域预加热到第一温度；以及焊接热源，其热耦合到电力导体和电力触头，并且被配置用于以第二持续时间在第二温度下将电力导体焊接到在基板的第二区域处的电力触头。在一些实施例中，预加热源生成在环境温度到150℃的范围中的温度。在一个实施例中，预加热源包括多个独立可控制的加热模块。在一些实施例中，预加热源包括帕尔贴(Peltier)热电冷却器。预加热源被配置用于加热在基板的第一侧上的基板的第一区域。在一些实施例中，焊接热源生成在200℃到400℃的范围中的温度。在一些实施例中，焊接热源被配置用于加热在基板的第二侧上的基板的第二区域。
贯穿本公开内容，所引用的太阳能模块包括焊接到基板的太阳能电池裸片。本领域内的技术人员将认识到，本公开一般应用于焊接到具有电力导体将焊接到的电力触头的基板的组件，诸如二极管阵列。
附图说明
图1A示出了根据一些实施例组装在外罩中的太阳能电池模块。
图1B为根据一些实施例组装在外罩中的太阳能电池模块的截面图。
图2示出了根据一些实施例用于将多个电力导体焊接到太阳能电池模块的多个电力触头的系统的侧截面视图。
图3示出了根据一些实施例用于将电力导体焊接到太阳能电池模块的电力触头的子系统的侧截面视图。
图4示出了根据一些实施例将电力导体焊接到基板上的电力触头的方法的步骤。
图5示出了根据一些实施例用于控制实施将多个电力导体焊接到基板上的多个电力触头的方法的热压焊接系统的控制系统。
具体实施方式
在以下的附图的详细描述中，所描述的实施例旨在说明本权利要求的发明的特征。相似的符号指代相似或相同的元件。
图1A示出根据一些实施例安装的太阳能电池模块150，其包括组装在外罩125中的太阳能电池模块100。导体140从两个相对侧的每一侧进入外罩125。每个导体140焊接145到太阳能电池模块100上的触头。外罩125接收焊接到基板120的太阳能电池裸片100，将太阳能电池裸片100电耦合到基板120的第一表面上的电迹线。电迹线终止在位于基板120的第一表面上的电力触头145中。电力导体140通过如下描述的焊接过程电耦合到电力触头145。
图1B为根据一些实施例已安装的太阳能电池模块150的截面图。外罩125使用室温硫化(RTV)密封剂(未示出)耦合到基板120。太阳能电池裸片100焊接到基板120上。电力导体140焊接到基板120上的电力触头145。
图2示出了根据一些实施例用于将电力导体140焊接到已安装的太阳能电池模块150的电力触头145的系统200的侧截面图。如图1A和1B所示，已安装的太阳能电池模块150包括焊接130到基板120的太阳能电池裸片100。基板120包括终止在一个或多个电力触头145中的多个电迹线(未示出)。外罩125使用RTV密封剂(未示出)来耦合到基板120。已安装的太阳能电池模块150由太阳能电池焊接底座210接收。焊接底座210包括凹形区域212，在其中放置已安装的太阳能电池模块150。预加热模块200包括预加热源240，其热耦合到已安装的太阳能电池模块150的基板120。
预加热模块200包括耦合到预加热致动器241的预加热源240，该预加热致动器241用于将预加热源240引入与基板120热接触。预加热源240跨越基板120上的一个或多个电力触头145的位置，以便于将热量施加到基板120以及由此也将热量施加到一个或多个电力触头145。预加热源240包括多个预加热源模块245，每个预加热源模块独立可控制且每个包括用于与图5所示且如以下所描述的控制系统接口的温度传感器242。如图3所示的且在以下描述的热压焊接模块300将电力导体140焊接到电力触头145。如图2所示，两个热压焊接模块300为并列、镜像配置。
图3示出了图2所示的用于将电力导体140焊接到电力触头145的热压焊接模块300的侧截面图。加热元件315组装在热压焊接模块300的高温部分310。加热元件315通过如图5所示且如以下所描述的控制系统600可控制其操作温度范围。高温部分310进一步包括用在加热元件315的闭环反馈控制中的热传感器340。高温部分310由热绝缘部分320与高温传动模块360隔离。高温传动模块360包括高温致动器板325、高温定位致动器330、以及高温致动器导向器335。高温定位致动器330和导向器335定位高温部分310，以便于热压焊接表面305与电力导体140、电力触头145、焊料、或上述的任何组合进行热接触。高温部分310包括热压焊接表面305和凹形区域350。凹形区域305允许热压焊接表面350加热电力触头145，而不让高温部分310接触太阳能电池裸片100。
图4示出了根据一些实施例用于将电力导体140焊接到基板120上的电力触头145的方法的步骤500。在步骤510处，在基板120的第一区域处将预加热模块240预加热到第一温度，并将预加热模块240引入与基板120热接触。优选地，第一温度在90℃到120℃的范围中，并且第一区域热包围基板120的以下区域，该基板120的区域包括太阳能电池裸片100焊接至基板120的焊接接头130以及在基板120上的邻近太阳能电池裸片100的电力触头145。在可选的步骤520处，针对下述步骤530重叠时间的持续时间增加预加热的温度，优选地到150℃。在步骤530处，将热压焊接模块300加热到第二温度，并将热压焊接模块300引入与电力触头145、电力导体140、焊料、或上述的任何组合热接触，以完成将电力导体140焊接到电力触头145。在可选的步骤540处，执行控制的冷却步骤，以优化焊接接头的强度并且防止可能使基板破裂或导致焊接冷接头的高的热梯度。控制冷却步骤通过预加热模块240的温度的控制的降低来完成，用如Peltier冷却器、控制温度的空气流的应用、或上述的任何组合来控制冷却。
图5示出了根据一些实施例的用于执行将多个电力导体140焊接到多个电力触头145的方法的控制系统600。控制系统600包括控制器610、内存620、存储器630、用户接口I/O端口640、网络接口650、其他I/O660，以及扩展I/O模块670，所有都通过系统总线680进行通信耦合。控制器610执行编码在存储器630中并且读取到内存620中的指令。编码的指令完成用于将电力导体140焊接到电力触头145的方法步骤500。在一个实施例中，其他I/O660包括中断线、定时器/计时器输入和输出、通信线，诸如串行时钟I/O、12C、USB、RS232、RS485，以及其他通信协议。扩展I/O模块670包括模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、数字输入(DI)和数字输出(DO)。模拟输出控制预加热模块245、热压加热元件315、热压焊接定位致动器330，以及预加热模块定位致动器241。模拟输入包括热压温度传感器340和预加热模块传感器245。本领域内的技术人员将认识到，通过图5中所示的控制系统所例示的其他相似的控制方案。用于获取用户输入并为用户提供信息的用户接口可以通过用户接口I/O端口640耦合到控制系统。
加热手段
在一个实施例中，太阳能电池模块基板120的预加热模块(例如，图2的元件200)包括电阻元件和电流驱动器。可替代地，使用高功率的Peltier热电冷却器。还可以通过脉冲或连续波激光器实现预加热。其他的预加热手段包括来自流动地耦合到基板120的热源的热量，例如加热后的大气、等离子、或火焰。预加热模块200优选地为可控制温度在环境温度到200℃的范围。预加热模块200可以进一步包括用于每个预加热模块的热传感器，热传感器为对应的预加热模块的准确控制提供闭环反馈。预加热模块可以使用伺服算法进行控制，如成比例的、积分的、导数的(PID)伺服算法或时间比例控制伺服算法。本领域内的技术人员将认识到，根据实施例还可以使用其他热控制算法。
热压焊接模块可以包括上面描述的用于预加热模块、以相似的方式控制的热源中的任一个热源。用于热压焊接模块的温度范围取决于用在焊接过程中的焊料的类型。典型温度可以在从200℃到400℃的范围。
此处已经描述了焊接的方法，其关于将电力导体焊接到电力触头的步骤而言，被描述为包括离散的加热步骤。本领域内的技术人员可以认识到，在生产设置中，可以将此处描述的加热模块维持在特定的预定温度，并且可以将加热模块引入与具体工件接触，然后将其从工件撤回，以降低到施加到工件的热量。例如，可以将预加热模块维持在150℃，并且可以将热压焊接表面维持在330℃。在将要加热基板时，以第一持续时间将预加热模块引入与基板热接触。然后，将热压焊接表面引入与电力导体、电力触头、焊料、或上述的任何组合热接触，之后在第二持续时间后将热压焊接面表从热接触移除。类似地，当不再需要热量时，可以将预加热源从基板移除。编程循环操作、
在一个实施例中，使用基于变量输入的预编程循环执行焊接，可以将一些变量输入预编程到控制器610中。变量包括电力导体140的特性，如线规和材料类型，电力触头145的材料类型和厚度，基板120的厚度和材料类型，以及太阳能电池裸片和基板120之间的焊接接头的材料和厚度。基于特定的太阳能电池模块、电力导体、以及电力触头的规格，这些变量中的一些可以为相对恒定。焊接系统的操作者可以选择具有预编程规格的特定的太阳能电池模块的类型用于焊接。其他参数包括指定热源缓变率、循环持续时间、热源下降率、针对Peltier热源的冷却率、以及循环持续时间。
致动器手段
如上所述，可以借助致动器241将加热器模块240定位在较低的装配底座210中的已安装的太阳能电池模块150的基板120的下侧以下，并从其撤回。如上所述，可以借助致动器270将上方的真空罩275定位到已安装的太阳能电池模块150的外罩125上，并从其撤回。在图3-5中，致动器241和270示出为气动致动器，由空气源260和262驱动。本领域内的技术人员将认识到致动器可以可替代地为液压操作、电操作、或人工操作。
已经根据具体实施例结合细节描述了本发明，以便于理解本发明的构造和操作的原理。本文中这样参考的实施例及其细节并非旨在限定本发明的范围。对于本领域内的技术人员而言将是显而易见的，在不偏离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以对选用来说明的实施例进行其他各种修改。

Claims (18)

1.一种将电力导体焊接到电力触头的方法，所述方法在电子组件模块上实行，所述电子组件模块具有在基板的第一区域处焊接到所述基板的电子组件，并且具有在所述基板的第二区域处的所述电力触头，所述方法包括：
以在T0开始并且在T2结束的第一持续时间将所述基板的所述第一区域预加热到第一温度；
由热焊接模块的两个突出的边缘中的每个突出的边缘中的单独的热元件来生成热量，由此单独地使得所述两个突出的边缘变热，其中所述热焊接模块包括在两个所述边缘之间的开放通道；
选择性地使所述电力导体与所述两个突出的边缘接触来以在T1开始并且在T3结束的第二持续时间在第二温度下将所述电力导体焊接到在所述基板的所述第二区域处的所述电力触头，其中所述第一持续时间与所述第二持续时间重叠以使得T0<T1<T2；并且
在所述第一持续时间与所述第二持续时间重叠的至少部分时间期间增加所述第一温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子组件包括太阳能电池裸片，并且所述电子组件模块包括太阳能电池模块。
3.根据权利要求1所述的方法，其中预加热的所述第一温度在90℃到120℃的范围中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度在215℃到245℃的范围中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为330℃并且所述第二持续时间为10秒。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述第一持续时间与所述第二持续时间重叠的至少部分时间期间，将所述第一温度增加到150℃到170℃之间。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：降低所述第一区域处的温度，从而可控制地冷却所述基板、所述电力触头、所述电力导体、以及所述电力触头和所述电力导体的焊接接头。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一区域包括所述基板的第一表面。
9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述基板的所述第一区域预加热到第一温度导致所述电力触头的加热。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二温度下将所述电力导体焊接到在所述基板的所述第二区域处的所述电力触头包括加热所述基板的第二表面。
11.根据权利要求1所述的方法，其中对所述第一温度和所述第一持续时间中的至少一个的选择促进所述电子组件模块内的密封剂的固化。
12.根据权利要求1所述的方法，其中对所述第一温度和所述第一持续时间中的至少一个的选择避免所述电子组件模块内的密封剂的熔化和回流。
13.根据权利要求2所述的方法，其中选择性地使所述电力导体与所述两个突出的边缘接触包括定位包括热压焊接表面和凹形区域的所述热压焊接模块，其中所述热压焊接模块被定位以使得所述凹形区域在所述电子组件之上并且所述热压焊接表面加热所述电力触头而不接触所述太阳能电池裸片。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述热压焊接模块进一步包括定位致动器和导向器以用于将所述热压焊接表面定位而与所述电力导体、所述电力触头、以及焊料中的至少一个进行热接触。
15.根据权利要求2所述的方法，其中预加热所述基板的所述第一区域包括将预加热源定位在所述基板之下以使得所述预加热源与所述基板进行热接触。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述预加热源跨越所述基板上的所述电力触头的位置并且用于加热所述电力触头。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预加热源包括多个预加热源模块，每个预加热源模块能够独立控制。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括撤回所述预加热源远离所述基板的下侧，其中所述撤回是从底座内，所述底座被配置用于接收所述电子组件模块以使得所述基板在所述预加热源的所述定位和所述撤回期间保持静止。
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