CN103579413A - 真空回流排空的返工系统 - Google Patents

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Abstract

太阳能电池模块包括焊接到诸如陶瓷基板的安装元件的太阳能电池。焊料接合处可能包括空隙。一种减少焊料空隙的方法包括使用密封腔室中的真空源和热源使焊料回流。腔室至少部分由外罩形成，太阳能电池模块安装至外罩中。用于减少焊料接合处的空隙的系统包括热源和真空源，其耦合到密封腔室，太阳能电池模块置于密封腔室中。该系统可以可选地包括控制系统，其自动操作减少焊料空隙的方法的执行。该系统进一步包括压力源，用于帮助减少焊料空隙以及在减少空隙后使所述焊料回流。

Description

真空回流排空的返工系统
技术领域
本发明涉及返工光电池以减少焊料空隙的领域。更具体而言，本发明涉及使用真空回流来返工光电池以减少光电池中的空隙的系统和方法。
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。在制造太阳能电池模块中已知的缺陷是太阳能电池裸片和基板之间的焊料中出现的空隙。焊料中的空隙可能在太阳能电池模块中引入至少两个问题。第一，太阳能电池裸片和基板之间的焊料接触面积减少焊料中的全部空隙面积的总和。接触面积的减少增加了将太阳能电池裸片电耦合至基板的焊料中出现的电流密度。第二，在聚光(CPV)系统中，光线聚焦到太阳能电池裸片上，以最大化太阳能转换。在CPV系统中，光线的集中也将热量基本集中到太阳能电池裸片上，通过裸片到达焊料，从焊料到达基板，并到达下层的片金属平面。焊料空隙包括减少热能传递面积并且增加结温的大气。增加的结温需要使用散热器来保持太阳能电池冷却，否则太阳能电池的操作效率将会明显地下降。由于增加的电路密度，接触面积的减少进一步加剧加热，并且可能导致太阳能电池模块故障。
为了解决这些问题，优选地控制任何单个焊料空隙的面积低于太阳能电池裸片和基板之间的全部焊料面积的1％。进一步优选地，控制空隙的总面积低于太阳能电池裸片和基板之间的全部焊料面积的5％。
发明内容
为了减少在太阳能电池裸片和所述裸片焊接至其的基板之间的太阳能电池模块中焊接空隙的出现，可以将所述太阳能电池模块在真空腔室中返工。所述返工包括施加热量以熔化包含焊料空隙的一些或全部焊料，将真空施加到密封腔室内部。所述密封腔室优选地为至少部分由所述基板和其上安装有所述太阳能电池模块的外罩中的一个形成。所述真空抽出所述空隙中的空气，术语为脱气，从而通过将焊料抽彩到空隙区域来压缩所述空隙。真空回流排空的返工系统和方法还可以应用到其他类型的相似地焊接到基板的电子部件，特别是由于电流密度而经受高热量聚集的部件，如连接格阵列(L.A.)集成电路表面安装封装和方形扁平无引线(QF)集成电路表面安装封装。所述系统和方法还可以被用于在需要减少或消除焊接接头中的空隙的非电子部件。
在第一方面中，一种减少模块中的焊接空隙的方法，包括：加热焊料到预定温度，并且施加真空到密封腔室。所述模块包括焊接到基板的部件，基板安装在外罩内且耦合到热源，模块耦合到真空源，并且该方法在至少部分由外罩形成的密封腔室内实行。在优选的实施例中，预定温度为焊料的熔点。在将热源耦合到基板之前，可以加热热源到一个温度。该方法优选地进一步包括：将真空罩放低到外罩上，从而由外罩、真空罩、以及基板形成密封腔室。在一些实施例中，加热焊料包括加热基本上包含焊料中的空隙的焊料的区域。在其他的实施例中，加热焊料包括加热焊料的基本全部焊料。可以在施加真空到腔室之后，执行加热焊料的基本上全部焊料。在一些实施例中，调节真空压力。又在其他的实施例中，该方法进一步包括：施加压力到部件和基板中的一个，使得焊料处于压缩力下。
在第二方面中，一种用处理器可执行的指令编程的计算机可读介质，该指令用于实现上述减少包括焊接到基板的部件的模块中的焊料空隙的任何方法。计算机可读介质可以包括用可执行指令编码的处理器。在一些实施例中，计算机可读介质包括可编程逻辑阵列。
在第三方面中，一种用于减少模块中的焊料空隙的系统，包括：包括模块和真空的密封腔室，耦合到密封腔室的热源，以及耦合到密封腔室的真空源。所述模块包括焊接到基板且安装在外罩内的部件。在优选的实施例中，热源是可从密封腔室收回的。在这样的实施例中，热源可以在将热源耦合到密封腔室之前进行预加热。热源被配置用于施加热量到基板和焊料中的一个，使得基板的至少一部分被熔化。在一些实施例中，热源包括多个加热模块。在这样的实施例中，多个加热模块独立可控制。真空源可以被配置用于在腔室内生产调节后的真空。在优选实施例中，真空源可调整。在优选的实施例中，该系统进一步包括：热传感器阵列，其被配置用于检测部件、基板、以及焊料中的一个的至少一部分的温度。优选地，该系统进一步包括：控制系统，其有效地耦合到热源和真空源，该控制系统包括处理器和存储器，其被配置用于控制热源、真空源。在一些实施例中，控制系统可以被配置用于控制热源的收回。
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基板的具有焊料空隙的部件，如焊接到基板的二极管阵列。
附图说明
图1A示出了本领域内已知的具有焊料空隙的太阳能电池模块。
图1B示出了在通过目前所要求的发明的实施例返工后的太阳能电池模块。
图2A示出了根据一些实施例的组装在外罩内的太阳能电池模块。
图2B示出了本领域内已知的太阳能电池模块。
图2C示出了根据一些实施例的组装在外罩内的太阳能电池模块的截面图。
图3示出了根据一些实施例的真空回流排空返工系统的下部组件。
图4示出了根据一些实施例的真空回流排空返工系统的上部组件。
图5示出了根据一些实施例的真空回流排空返工系统。
图6示出了根据一些实施例的返工具有在太阳能电池裸片和基板之间的焊料中的空隙的太阳能电池模块的方法。
图7示出了根据一些实施例的返工具有在太阳能电池裸片和基板之间的焊料中的空隙的太阳能电池模块的方法。
图8示出了根据一些实施例用于自动操作在返工系统中实行的返工方法的控制系统。
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目前所要求的发明的特征。相似的符号指代相似或相同的元件。
图1A示出了本领域内已知的具有一个或多个焊料空隙110的太阳能电池模块100。太阳能电池模块100包括焊接115到基板120的太阳能电池裸片(未示出)。图1B示出了在根据目前所要求的发明的实施例的返工后的太阳能电池模块100。在图1B中，焊料空隙110基本上上减少或消除。
图2A示出了根据一些实施例的包括组装在外罩125中的太阳能电池模块100的已安装的太阳能电池模块150。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。将导体140焊接到太阳能电池模块100上的触头的系统和方法公开在于mm/dd/yyy递交的，发明人为Dason Cheung，Richard Loi和Mario Lopez，题为“Hot Bar Soldering”，律师案卷No.FLEX-10100，申请号为xx/xxx,xxx的共同待决的美国专利申请，其在此以通过引用整体结合于此，以达到所有目的。
图2B示出了本领域内已知的示例性太阳能电池模块100。典型的太阳能电池模块100包括焊接115到基板120的太阳能电池裸片105。太阳能电池裸片105进一步包括P层112、N层113、前格栅114，以及抗反射涂层116。
图2C示出了根据一些实施例的包括组装在外罩125内的太阳能电池模块100的已安装的太阳能电池模块150的截面图，其具有焊接145到太阳能模块100上的触头的导体140。
图3示出了根据一些实施例的真空回流排空的返工系统500的下部组件200。下部组件200包括底座210的凹形区域212，其接收如以上图2A和2C中所述的已安装的太阳能电池模块150(未示出)。下部组件200包括热源240，其对准已安装的太阳能电池模块150(未示出)的的焊料区域115(未示出)的位置，已安装的太阳能电池模块150组装在底座210的凹形区域212中。热源240包括多个加热模块245，每个具有用于读取相关联的加热模块245的温度的传感器242。在图3中，热源240具有4个加热模块，每个标记为245且具有对应的热传感器242。每个加热模块245可以使用伺服算法进行控制，如成比例积分微分增益(PID)伺服算法或时间比例控制伺服算法。图3的截面A-A示出了致动器241，其能够用于将热源240定位在已安装的太阳能模块(未示出)下方以及用于从已安装的太阳能电池模块(未示出)中收回加热模块240。
图4示出了根据一些实施例的真空回流排空的返工系统500的上部真空组件250。上部真空组件250包括可收回真空罩275，其用紧固件272耦合到致动器270。致动器270耦合到上部框架265。致动器270可以使用空气供给262进行气动操作，空气供给262用螺纹口253和紧固件254在上部框架265处耦合到致动器270。可收回的真空罩275包括真空源260，其用导向真空源点252的联轴器254耦合到可收回真空罩275。真空源点252将真空带入密封腔室内部，密封腔室至少部分由容纳以上图2A和2C中所述的太阳能电池模块的外罩形成。如以下的图8所示，真空源260和致动器270耦合到控制器800。当可收回真空罩275放低到外罩上(未示出)且由垫片280密封时，上部真空组件250被密封到太阳能模块外罩(未示出)，从而形成密封腔室。真空传感器261耦合到可收回真空罩275，以感测密封腔室内的真空。真空传感器261的输出被定路线到控制系统800，如下图8所示。
图5示出了根据一些实施例的真空回流排空返工系统500。如图3所示，下部组件200包括具有凹形区域212的底座210，以接收已安装的太阳能电池模块150。下部组件200进一步包括加热器模块240，其能够由致动器241定位到已安装的太阳能电池模块150的基板120下方，并且从已安装的太阳能电池模块150的基板120收回。上部真空组件250包括上部真空罩275，其能够使用致动器270进行定位。上部真空罩275进一步包括真空源点252、真空传感器261、以及垫片280。一旦已安装的太阳能电池模块150放置到底座210中，上部真空罩275可以下降以使用上部真空罩275表面上的垫片280来与已安装的太阳能模块150的外罩125的顶部进行密封。通过如图8所示的控制系统800实现将真空260施加到真空源点252，用真空传感器261监测真空，以及控制加热器模块240的热量。用于真空回流排空返工的示例性方法如图6和7中描述。
图6示出了根据一些实施例的对具有在太阳能电池裸片(如105)和基板(如120)之间的焊料115中的空隙110的已安装的太阳能电池模块150进行返工的方法的步骤600。该方法从步骤610开始，其中，将要返工的已安装的太阳能电池模块150加载到下部组件220中，如上述图3所描述的。在步骤620处，上部真空罩275密封到已安装的太阳能电池模块150的外罩125，从而形成密封腔室。如本领域内已知的，合适的垫片280被用来确保上部真空罩275和外罩125之间的良好密封。在步骤630处，施加热量到焊料区域115以熔化焊料，从而可以减少焊料内的空隙110的尺寸。通过加热其上安装有已安装的太阳能电池模块150的基板，可以将热量施加到焊料。热量通过基板传递，并且熔化焊料。在一些实施例中，已安装的太阳能电池模块150具有构造在基板120内的热传递元件，用于返工后耦合到热耗散组件，如翅片式金属热交换器。在这样的组件，来自热源的热量基本上由基板内的热交换元件而不是由基板材料本身传递到焊料。在步骤640处，施加真空到密封腔室，以协助抽出由于焊料中的空隙而截留在熔化后的焊料中的空气。在图4所示的实施例中，上部真空罩275包括真空源点252。选择真空的量以帮助截留的空气克服熔融焊料的表面张力，从而减少空隙。
图7示出了根据一些实施例的对具有在太阳能电池裸片和基板之间的焊料中的空隙的已安装的太阳能电池模块进行返工的方法的步骤700。步骤700包括图6所述的步骤610、620和640。在图7中，用于施加热量到焊料区域的热源包括多个相互之间能独立控制的加热模块。在步骤730中，通过选择合适的加热元件，施加热量到基本上包含空隙的焊料区域的部位。熔化空隙周围的焊料，以便于通过步骤640中施加的真空来减少空隙。在步骤760中，热量基本上施加到太阳能电池裸片和基板之间的全部焊料区域，以便最终的焊料回流将贯穿整个焊料区域分布并获得均匀厚度。为了在焊料回流期间帮助获得焊料的均匀厚度，在一些实施例中，在步骤770处施加压力到基板和太阳能电池裸片中的至少一个，有效地将基板和太阳能电池裸片按压在一起。
图8示出了根据一些实施例的自动操作在返工系统中实行的返工方法的控制系统800。控制系统800包括控制器810、内存820、存储器830、用户界面I/O端口840、网络接口850、其他I/O860、以及扩展I/O模块870，所有都通过系统总线880进行通信耦合。控制器810执行编码至存储器830中且读取到内存820中的指令。编码指令完成方法步骤600、700、或两者，用来返工太阳能电池模块以减少或消除焊料空隙。其他I/O860可以包括中断线、定时器/计时器输入和输出、通信线，如串行时钟I/O、I2C、USB、RS232、RS485，以及其他通信协议。扩展I/O模块870包括模拟输入(AI)、模拟输出(AO)、数字输入(DI)和数字输出(DO)。如图8所示，模拟输出控制真空泵、加热定位致动器、上部真空罩定位致动器、以及一个或多个加热模块245。模拟输入包括真空传感器261以及一个或多个热传感器242。在结合真空源的调节的实施例中，真空源的控制可以实现为来自其他I/O860中的定时器/计时器的中断例程。真空传感器261耦合到模拟输入，以测量至少部分由外罩125形成的密封腔室内部的真空。本领域内的技术人员可以想到其他由图8中展示的控制系统所例示的其他控制方案。用于获取用户输入并为用户提供信息的用户界面可以通过用户界面I/O端口840耦合到控制系统。
加热手段
在下部组件内部，热源以热耦合到焊接到基板的太阳能电池的焊料区域的方式进行放置。优选地，热源由上述控制系统控制，以熔化焊料区域的全部或一部分，从而通过排出陷入空隙中的空气以及回流焊料减少焊料中的空隙。热源可以包括电阻元件和电流驱动器。热源优选地可控制温度在环境温度到400℃的范围。对于具有较低熔点的焊料，高功率帕尔贴(Peltier)热电冷却器可以用于将焊料加热到大约200℃并且快速冷却焊料。还可以通过脉冲或连续波激光器获得加热。其他热源包括来自流动地耦合到密封真空腔室的热源的热量，例如加热后的大气、等离子、或火焰。进一步地，热源可以热耦合到密封真空腔室，如加热后的大气或液体。热源可以进一步地包括用于每个加热模块的热传感器，热传感器为对应的加热模块的准确控制提供闭环反馈。加热模块可以使用伺服算法进行控制，如比例、积分、微分(PID)伺服算法或时间比例控制伺服算法。如上所述，热源可以提供在致动器上，该致动器定位热源耦合到太阳能电池模块的基板。在定位热源热耦合到基板前，可以将热源预热到预定温度。可替代地，热源可以耦合到基板，然后达到预定温度。加热处理可以进一步包括在将热源热耦合到基板前，将热源预加热到第一温度，然后在将热源耦合到基板之后，将热源加热到第二温度。这样的处理步骤可以使用图8所述的控制系统800进行编码完成。本领域内的技术人员可以认识到，根据实施例还可以使用其他加热控制算法。
真空控制手段
可以使用真空泵将真空力施加到由基板、外罩、以及上部真空罩形成的密封腔室。在一些实施例中，优选地调节腔室内的真空，以帮助排出截留在焊料空隙部位的空气。通过调节或脉冲真空，在空隙的空气内生成原动力，其能帮助克服溶化的焊料的表面张力，从而排除空隙。可替代地，在真空力维持恒定时，可以将正压力瞬间注入密封腔室内。最终结果将是密封腔室内部的真空力的调节或脉冲。
压力控制手段
可以施加压力到太阳能电池裸片和基板中的一个或两者。这样的压力可以通过机械手段反向于基板而施加到太阳能电池裸片。在焊料空隙已经减少并且焊料回流已经开始之后，可以释放真空腔室内的真空，并施加气动压力到将太阳能电池裸片和基板按压在一起的密封真空，以在焊料回流期间促进焊料的均匀厚度。
编程循环操作
基于变量输入，可以使用预编程循环执行返工操作，一些变量输入可以被预编码到控制器810内。变量包括焊料内的空隙的特性，如尺寸、形状，以及在焊料区域内的位置。其他变量包括焊料材料厚度、材料成分和熔点，以及基板材料、厚度和热导电性。基于特定的太阳能电池模块的规格，这些变量的一些可以为相对恒定。返工系统的操作者可以选择具有预编码规格的特定太阳能电池模块类型进行返工。操作者进一步地测试焊料内的空隙的性质，并将已安装的太阳能电池模块定位到下部组件内。基于操作者的测试，操作者进一步地可以选择腔室内在真空源点的特定真空压力。操作者可以进一步地选择是否一次性加热整个焊料区域，或者加热一个或多个选择的区域，以在整个焊料区域回流之前减少空隙。其他参数包括指定热源缓变率、循环持续时间、真空力设置、真空源调节率以及量级、热源缓降率、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定位在下部组件底座210中的已安装的太阳能电池模块150的基板120的下侧，并从其中收回。仍如上所述，可以借助致动器270将上部真空罩275放置到已安装的太阳能电池模块150的外罩125上，并从其中收回。在图3-5中，致动器241和270展示为气动致动器，由空气源260和262驱动。本领域内的技术人员可以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来说将是显而易见的，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，还可以对选用来说明的实施例进行其他各种修改。

Claims (20)

1.一种减少模块中的焊料空隙的方法，所述模块包括焊接到基板的部件，所述基板安装在外罩中并且耦合到热源，所述模块耦合到真空源，所述方法在至少部分由所述外罩形成的密封腔室中实行，所述方法包括：
a.加热所述焊料到预定温度；并且
b.施加真空到所述密封腔室。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定温度为所述焊料的熔点。
3.如权利要求1所述的方法，其中在将所述热源耦合到所述基板之前，加热所述热源到一个温度。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括将真空罩放低到所述外罩上，从而由所述外罩、所述真空罩、以及所述基板形成所述密封腔室。
5.如权利要求1所述的方法，其中加热所述焊料包括加热基本上包含所述焊料中的空隙的所述焊料的区域。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括加热所述焊料的基本全部焊料。
7.如权利要6所述的方法，其中在施加所述真空到所述腔室之后，执行加热所述焊料的基本全部焊料。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述真空为已调节的。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括施加压力到所述部件和所述基板中的一个，使得所述焊料处于压缩力下。
10.一种用处理器可执行的指令编码的计算机可读介质，所述指令用于执行减少模块中的焊料空隙的方法，所述模块包括焊接到基板的部件，所述方法在耦合到热源和真空源的密封腔室中实行，所述方法包括：
a.加热所述焊料到所述焊料的熔点；并且
b.施加真空到所述腔室。
11.一种用于减少模块中的焊料空隙的系统，所述模块包括焊接到基板并且安装在外罩中的部件，所述系统包括：
a.密封腔室，其包括所述模块和真空罩；
b.热源，其耦合到所述密封腔室；以及
c.真空源，其耦合到所述密封腔室。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述热源是可从所述密封腔室收回的。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述热源被配置用于在将所述热源耦合到所述密封腔室之前进行预加热。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述热源被配置用于施加热量到所述基板和所述焊料中的一个，使得所述焊料的至少一部分被熔化。
15.如权利要求11所述的系统，其中所述热源包括多个加热模块。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述多个加热模块独立可控制。
17.如权利要求11所述的系统，其中所述真空源被配置用于在所述腔室内产生已调节的真空。
18.如权利要求11所述的系统，进一步包括热传感器阵列，其被配置用于检测所述部件、所述基板、以及所述焊料中的一个的至少一部分的温度。
19.如权利要求11所述的系统，进一步包括控制系统，其有效地耦合到所述热源和所述真空源，所述控制系统包括处理器和存储器，所述控制系统被配置用于控制所述热源、所述真空源、以及真空时间。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述热源是可从所述密封腔室收回的，并且所述控制系统被配置用于控制所述热源的收回。
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