一种合金焊料、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及光伏电池焊接技术及合金焊料领域,具体是一种低温合金焊料、其制备方法以及其在无主栅电池焊接工艺中的应用。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源正逐渐被广泛应用,太阳能发电技术也取得了日新月异的发展,这使得太阳能组件的产量得到了大幅度的提高。但是目前太阳电池组件的生产环节中,存在转化效率低、功率损失大、生产成本高等问题,因此有人提出采用无主栅电池取代传统的有主栅电池(以三主栅较为常见)来制作太阳能电池组件。采用无主栅电池的电池组件中,在串联相邻电池时,通过使用镀锡铜线来代替传统的镀有锡铅合金的互联条,其在增加受光面积、电流传输、功率损失等方面均具有更好的表现。
目前三主栅电池组件串焊工艺使用的合金焊料为锡铅两相共晶合金,锡铅合金比例约为63:37,熔点为183℃,在此共晶点,锡铅合金焊料由固态直接熔化进入液体状态,而不需要经过固液共存区。在传统电池焊接工艺中,串焊机红外加热区的温度在200℃左右,高于锡铅合金的熔点,能够将电池电极与焊带紧密的焊接,形成欧姆接触,电极与焊带的附着力满足太阳电池组件焊接质量要求。然而在无主栅电池焊接工艺中,焊接是在层压工艺中实现的,由于层压时最高温度只有150℃左右,远低于现用锡铅合金焊料的熔点183℃,也即锡铅合金焊料在150℃时仍为固体,无法实现电池电极与焊带的焊接,无法形成铜丝与电池细栅和背场的欧姆接触。
专利CN201210494897.9提出了一种低熔点无铅焊料合金,包括10-30%的Bi、2.2-3.0%的Ag、0.5-1.0%的In、0.004-0.008%的P、其余为锡。该焊料的熔点为170-200℃,且具有良好的抗拉强度。但是由于该焊料的熔点仍然高于无主栅电极焊接的层压最高温度,因此不能满足层压焊接要求。
基于上述分析可知,为了满足无主栅电极焊接工艺的温度要求,有必要对现有的合金焊料进行改进优化,以得到具有更低熔点、更好导电性能、抗拉强度和抗氧化性能的合金焊料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种熔点较低并兼具良好导电性能、抗拉强度、抗氧化性能的合金焊料,且适用于无主栅电池与镀锡铜丝的焊接过程。
本发明包括三个方面,具体如下:
第一个方面,本发明提供一种合金焊料,所述合金焊料包括锡、铅、铟、锑、磷、铋和稀土元素。
进一步地,所述合金焊料以重量份计,其具体组分含量如下:
在本发明的所述合金焊料中,涉及组成的“包括”,既包含了开放式的“包括”、“包含”等及其类似含义,也包含了封闭式的“由…组成”等及其类似含义。
在本发明的所述合金焊料中,所述锡的重量份数为17-35份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、28.5份、29份、30份、31份、31.7份、32份、33份、34份或35份。
优选地,所述锡的重量份数为25-32份。
在本发明的所述合金焊料中,铅的重量份数为20-45份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如20份、22份、24份、26份、28份、30份、31份、32份、34份、36份、38份、40份、41份、42份、43份、44份或45份。
优选地,所述铅的重量份数为30-45份。
在本发明的所述合金焊料中,所述铋的重量份数为20-40份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如20份、22份、24份、26份、28份、30份、31份、31.5份、32份、34份、36份、36.6份38份或40份。
优选地,所述铋的重量份数为26-38份。
在本发明的所述合金焊料中,所述铟的重量份数为0.1-2份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.1份、0.2份、0.4份、0.5份、0.6份、0.8份、1份、1.2份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、1.8份、1.9份或2。
优选地,所述铟的重量份数为0.1-0.5份。
在本发明的所述合金焊料中,所述锑的重量份数为0.1-0.5份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.1份、0.2份、0.3份、0.4份或0.5份。
在本发明的所述合金焊料中,所述磷的重量份数为0.01-0.2份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.01份、0.02份、0.03份、0.04份、0.05份、0.08份、0.1份、0.12份、0.14份、0.15份、0.16份、0.18份或0.2份。
优选地,所述磷的重量份数为0.01-0.06份。
在本发明的所述合金焊料中,所述稀土元素的重量份数为0.01-0.8份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.01份、0.02份、0.03份、0.04份、0.05份、0.06份、0.07份、0.08份、0.1份、0.15份、0.2份、0.25份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份或0.8份。
进一步地,所述稀土元素为铈、镧、镨或钕中的一种或几种。
在本发明的所述合金焊料中,所述铈的重量份数0.02-0.15份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.02份、0.03份、0.04份、0.05份、0.06份、0.08份、0.1份、0.12份或0.15份。
在本发明的所述合金焊料中,所述镧的重量份数0.01-0.15份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.01份、0.02份、0.03份、0.04份、0.05份、0.06份、0.08份、0.1份、0.12份或0.15份。
在本发明的所述合金焊料中,所述镨的重量份数0.01-0.15份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.01份、0.02份、0.03份、0.04份、0.05份、0.06份、0.08份、0.1份、0.12份或0.15份。
在本发明的所述合金焊料中,所述钕的重量份数0.01-0.15份,该重量份数包括了其中的任何具体数值,例如0.01份、0.02份、0.03份、0.04份、0.05份、0.06份、0.08份、0.1份、0.12份或0.15份。
进一步地,所述铈、所述镧、所述镨、所述钕的纯度为99.99%。
第二个方面,本发明还提供一种上述合金焊料的制备方法,包括以下步骤:
S1:称取上述重量份的锡、铅、铋,真空加热熔炼,冷却得到第一组分;
S2:将所述第一组分分为等量的若干份,取其中一份加入上述重量份的铟,真空加热熔炼,冷却得到第二组分;
取其中一份加入上述重量份的锑,真空加热熔炼,冷却得到第三组分;
取其中一份加入上述重量份的磷,真空加热熔炼,冷却得到第四组分;
取其中一份加入上述重量份的稀土元素,真空加热熔炼,冷却得到第五组分;
S3:对所述第二组分、所述第三组分、所述第四组分以及所述第五组分进行真空加热熔炼,冷却得到所述合金焊料。
进一步地,在所述S1步骤中,所述真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为450-550℃进行加热,待所述锡、所述铅和所述铋共同加热至设置的加热温度后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为10-40min。
在本发明的制备方法中,S1步骤中的真空度为-0.1~0.1MPa,该数值范围包括了其中的任何具体数值,例如-0.1MPa、-0.05MPa、0.05MPa或0.1MPa。S1步骤中的加热温度为450-550℃,该温度范围包括了其中的任何具体数值,例如450℃、480℃、500℃、520℃或550℃。S1步骤中的保温时间为10-40min,该时间范围包括了其中的任何具体数值,例如10min、20min、30min或40min。
进一步地,在所述S2步骤中,所述真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000-1100℃分别对加入有所述铟的所述第一组分、加入有所述锑的所述第一组分、加入有所述稀土元素的所述第一组分进行加热,设置加热温度为350-400℃对加入有所述磷的所述第一组分进行加热,待加入有所述铟的所述第一组分、加入有所述锑的所述第一组分、加入有所述磷的所述第一组分、加入有所述稀土元素的所述第一组分分别加热至设置的加热温度后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为10-40min。
在本发明的制备方法中,S2步骤中的真空度为-0.1~0.1MPa,该数值范围包括了其中的任何具体数值,例如-0.1MPa、-0.05MPa、0.05MPa或0.1MPa。S2步骤中对于加入有所述铟的所述第一组分、加入有所述锑的所述第一组分、加入有所述稀土元素的所述第一组分的加热温度为1000-1100℃,该温度范围包括了其中的任何具体数值,例如1000℃、1020℃、1050℃、1080℃或1100℃。S2步骤中对加入有所述磷的所述第一组分的加热温度为350-450℃,该温度范围包括了其中的任何具体数值,例如350℃、380℃、400℃、420℃或450℃。S2步骤中的保温时间为10-40min,该时间范围包括了其中的任何具体数值,例如10min、20min、30min或40min。
进一步地,在所述S3步骤中,所述真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为350-450℃进行加热,待所述第二组分、所述第三组分、所述第四组分和所述第五组分共同加热至设置的加热温度后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为10-40min。
在本发明的制备方法中,S3步骤中的真空度为-0.1~0.1MPa,该数值范围包括了其中的任何具体数值,例如-0.1MPa、-0.05MPa、0.05MPa或0.1MPa。S3步骤中的加热温度为350-450℃,该温度范围包括了其中的任何具体数值,例如350℃、380℃、400℃、420℃或450℃。S3步骤中的保温时间为10-40min,该时间范围包括了其中的任何具体数值,例如10min、20min、30min或40min。
在本发明的制备方法中,使用电子天平称取所述锡、所述铅、所述铋、所述铟、所述锑、所述磷、所述稀土元素;使用真空熔炼炉进行真空加热熔炼;真空加热熔炼后取出所述锡、所述铅、所述铋、所述铟、所述锑、所述磷、所述稀土元素倒入模具中进行冷却。
第三个方面,本发明提供一种上述合金焊料的用途,所述合金焊料用于无主栅电池串焊的层压工艺,或者用于波峰焊接,或者用于回流焊接。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
第一,本发明的合金焊料熔点低,适用于无主栅电池的焊接工艺。本发明提出一种以锡-铅-铋三相合金为主的合金焊料,其熔点为145℃,略低于无主栅电池与镀锡铜丝在焊接时的层压温度(层压工艺最高温度为150℃),从而适用于层压工艺,实现无主栅电池焊接过程与层压工艺的集成。因此,使用本发明合金焊料进行无主栅电池的串焊,可减少无主栅电池组件生产过程中的操作步骤,降低无主栅电池组件生产能耗,为无主栅电池组件封装的产业化奠定了材料基础。
第二,本发明的合金焊料中添加了若干改性金属元素如铈、镧、镨、钕、锑、铟等,能够显著降低由于使用铋造成的合金脆性。
第三,利用本发明的合金焊料焊接得到的样品具有优良的焊接性能和电学性能。
第四,本发明合金焊料的生产成本低,过程中产生的锡渣量较少,抗氧化性强,性能稳定。
附图说明
图1是实施例一合金焊料的DSC测试曲线。
图2是实施例二合金焊料的DSC测试曲线。
图3是实施例三合金焊料的DSC测试曲线。
图4是实施例一与对比例三进行断裂伸长率测试的结果图。
具体实施方式
实施例一
S1:使用电子天平称取317g的锡、310g的铅、366g的铋,将称取后锡、铅、铋加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铅、铋进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铅和铋共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铅、铋的混合物倒入模具中进行冷却,即得到第一组分。
S2:将所述第一组分分为等量的六份,取其中一份加入1g的铟,将加入有铟的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有铟的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有铟的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有铟的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第二组分。
另取一份第一组分加入5g的锑,将加入有锑的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有锑的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有锑的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有锑的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第三组分。
另取一份第一组分加入0.4g的磷,将加入有磷的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有磷的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为350℃进行加热,待加入有磷的第一组分加热至350℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出加入有磷的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第四组分。
另取一份第一组分加入0.2g的铈,将加入有铈的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有铈的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有铈的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有铈的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有铈的第五组分。
另取一份第一组分加入0.1g的镧,将加入有镧的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有镧的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有镧的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有镧的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有镧的第五组分。
另取一份第一组分加入0.3g的镨,将加入有镨的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有镨的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有镨的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有镨的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有镨的第五组分。
S3:将第二组分、第三组分、第四组分、含有铈的第五组分、含有镧的第五组分以及含有镨的第五组分共同加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为350℃进行加热,待所有组分加热至350℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出所有组分倒入模具中进行冷却,即得到合金焊料,命名为HL-1。
其中,按照质量百分数计算:锡31.7%,铅31%,铟0.1%,锑0.5%,磷0.04%,铈0.02%,镧0.01%,镨0.03%,余量为铋。
在本实施例中,所采用的铈、镧、镨的纯度均为99.99%。
实施例二
S1:使用电子天平称取300g的锡、380g的铅、315g的铋,将称取后锡、铅、铋加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铅、铋进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铅和铋共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铅、铋的混合物倒入模具中进行冷却,即得到第一组分。
S2:将所述第一组分分为等量的五份,取其中一份加入2g的铟,将加入有铟的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有铟的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有铟的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有铟的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第二组分。
另取一份第一组分加入2g的锑,将加入有锑的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有锑的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有锑的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有锑的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第三组分。
另取一份第一组分加入0.5g的磷,将加入有磷的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有磷的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为400℃进行加热,待加入有磷的第一组分加热至400℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出加入有磷的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第四组分。
另取一份第一组分加入0.2g的铈,将加入有铈的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有铈的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有铈的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有铈的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有铈的第五组分。
另取一份第一组分加入0.3g的钕,将加入有钕的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有钕的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有钕的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有钕的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有钕的第五组分。
S3:将第二组分、第三组分、第四组分、含有铈的第五组分、以及含有钕的第五组分共同加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为400℃进行加热,待所有组分加热至400℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出所有组分倒入模具中进行冷却,即得到合金焊料,命名为HL-2。
其中,按照质量百分数计算:锡30%,铅38%,铟0.2%,锑0.2%,磷0.05%,铈0.02%,钕0.03%,余量为铋。
在本实施例中,所采用的铈、钕的纯度均为99.99%。
实施例三
S1:使用电子天平称取285g的锡、430g的铅、280.2g的铋,将称取后锡、铅、铋加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铅、铋进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铅和铋共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铅、铋的混合物倒入模具中进行冷却,即得到第一组分。
S2:将所述第一组分分为等量的五份,取其中一份加入1g的铟,将加入有铟的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有铟的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有铟的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有铟的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第二组分。
另取一份第一组分加入3g的锑,将加入有锑的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有锑的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有锑的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有锑的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第三组分。
另取一份第一组分加入0.3g的磷,将加入有磷的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有磷的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为400℃进行加热,待加入有磷的第一组分加热至400℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出加入有磷的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到第四组分。
另取一份第一组分加入0.3g的铈,将加入有铈的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有铈的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有铈的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有铈的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有铈的第五组分。
另取一份第一组分加入0.2g的镧,将加入有镧的第一组分加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉对加入有镧的第一组分进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为1000℃进行加热,待加入有镧的第一组分加热至1000℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为20min。取出加入有镧的第一组分倒入模具中进行冷却,即得到含有镧的第五组分。
S3:将第二组分、第三组分、第四组分、含有铈的第五组分、以及含有镧的第五组分共同加入到石墨坩埚中,使用真空熔炼炉进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为400℃进行加热,待所有组分加热至400℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出所有组分倒入模具中进行冷却,即得到合金焊料,命名为HL-3。
其中,按照质量百分数计算:锡28.5%,铅43%,铟0.1%,锑0.3%,磷0.03%,铈0.03%,镧0.02%,余量为铋。
在本实施例中,所采用的铈、镧的纯度均为99.99%。
对比例1
使用电子天平称取600g的锡、400g的铅,将称取后锡、铅加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铅进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铅共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铅的混合物倒入模具中进行冷却,即得到对比例1的合金焊料,命名为D-1。
对比例2
使用电子天平称取420g的锡、580g的铋,将称取后锡、铋加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铋进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铋共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铋的混合物倒入模具中进行冷却,即得到对比例2的合金焊料,命名为D-2。
对比例3
使用电子天平称取630g的锡、370g的铅,将称取后锡、铅加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铅进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铅共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铅的混合物倒入模具中进行冷却,即得到对比例3的合金焊料,命名为D-3。
对比例4
使用电子天平称取680g的锡、310g的铅,将称取后锡、铅加入到石墨坩埚中后,使用真空熔炼炉对锡、铅进行真空加热熔炼。真空加热熔炼包括调整真空度至-0.1~0.1MPa,设置加热温度为500℃进行加热,待锡、铅共同加热至500℃后处于完全熔融状态,进行保温,保温时间为30min。取出锡、铅的混合物倒入模具中进行冷却,即得到对比例4的合金焊料,命名为D-4。
对比例5
除未添加稀土元素外,以与实施例1相同的方式制备得到对比例5的合金焊料,命名为D-5。其中,按照质量百分数计算:锡31.7%,铅31%,铟0.1%,锑0.5%,磷0.04%,余量为铋。
对比例6
除未添加磷外,以与实施例1相同的方式制备得到对比例6的合金焊料,命名为D-6。其中,按照质量百分数计算:锡31.7%,铅31%,铟0.1%,锑0.5%,铈0.02%,镧0.01%,镨0.03%,余量为铋。
合金焊料性能测试实验
1、合金焊料熔点测试
采用差示扫描量热法(differentialscanningcalorimetry,DSC)分别对HL-1、HL-2、HL-3的熔点进行测试,升温速率为10℃/min,DSC测试曲线分别如图1、图2、图3所示。熔点测试结果如下表1所示:
表1
在图1中,开始阶段HL-1处于吸热过程,在HL-1完全熔融、开始放热时,HL-1的温度峰处于139℃的位置处,故HL-1的熔点约为139℃。在图2中,开始阶段HL-1处于吸热过程,在HL-1完全熔融、开始放热时,HL-1的温度峰处于140℃的位置处,故HL-1的熔点约为140℃。在图3中,开始阶段HL-1处于吸热过程,在HL-1完全熔融、开始放热时,HL-1的温度峰处于142℃的位置处,故HL-1的熔点约为142℃。
采用差示扫描量热法,分别对D-1、D-2、D-3、D-4的熔点进行测试,熔点测试结果如下表2所示:
表2
通过对上述实施例和对比例的熔点测试可知,本发明合金焊料的熔点普遍较低,而对比例中只有D-2合金焊料的熔点较低。在上述对比例中,D-2合金焊料的组成成分为锡和铋,其它三种合金焊料的组成成分为锡和铅,可见金属铋在合金焊料中能够有效降低合金焊料的熔点,因此本发明合金焊料具有较低熔点,适用于低温焊接的工艺。但是金属铋的加入会影响合金焊料的力学性能,使合金焊料的脆性较大,焊接后可能影响焊接件的性能,故需要对合金焊料的组分进一步优化。
2、合金焊料力学性能测试
使用热浸镀方法将HL-1镀在铜带的表面。其中,未进行热浸镀前铜带的规格为(宽度×厚度)1.6mm×0.19mm,热浸镀完毕后铜带的规格为(宽度×厚度)1.6mm×0.23mm。使用助焊剂清洗热浸镀后的铜带表面,然后将两片铜带相互搭接,在200℃条件下使用电烙铁进行焊接,焊接完毕后,使用万能拉力机进行抗拉强度测试。平行进行4次测量。另采用相同方法分别测试HL-2、HL-3、D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6的抗拉强度。抗拉强度测试结果如下表3所示:
表3
在上述合金焊料中,D-1合金焊料和D-3合金焊料是目前常用于太阳能电池焊接工艺的合金焊料,二者各方面的性能均较优良。而通过上述实验可知,本发明合金焊料焊接后的抗拉强度已与上述两种合金焊料的抗拉强度非常接近,且本发明合金焊料的熔点更低,因此完全可代替上述合金焊料用于低熔点焊接工艺中。此外,通过将HL-1至HL-3中任一合金焊料与D-2对比可知,D-2焊接后的抗拉强度更低,证明在合金焊料中加入金属铋虽然能降低熔点,但也会影响合金焊料的力学性能。而通过将HL-1至HL-3中任一合金焊料与D-5对比可知,本发明合金焊料与D-5合金焊料的区别仅在于D-5中未加入稀土元素,且D-5焊接后的抗拉强度较低,可见稀土元素的加入能够有效改善合金焊料的焊接性能,使其焊接后的抗拉强度有所提升。
3、断裂伸长率测试
对HL-1、D-5合金焊料分别进行断裂伸长率的测试,平行测试8次,测试结果如图4所示。通过图4可知,HL-1合金焊料的断裂伸长率高于未添加有稀土元素的D-5合金焊料,因此可得出结论,在本发明合金焊料中,加入稀土元素能够增强合金焊料延伸性,以改善因加入金属铋造成的合金焊料脆性高的问题。
4、电学性能测试
使用热浸镀方法将HL-1镀在铜带的表面。其中,未进行热浸镀前铜带的规格为(宽度×厚度)1.6mm×0.19mm,热浸镀完毕后铜带的规格为(宽度×厚度)1.6mm×0.23mm。取热浸镀完毕后的铜带1米,使用电阻仪分别对其进行4次测量并计算电阻率。另采用相同方法分别测试并计算HL-2、HL-3、D-1、D-2的电阻率,电阻率结果如下表4所示:
表4
通过上述电阻率测量可知,本发明制得的合金焊料具有较低的电阻率,证明导电性能良好。
5、合金焊料铺展性测试
合金焊料通过测试其在母材上的铺展面积来表征合金焊料的润湿性能。参照GB11364-89钎料铺展性及填缝性试验方法国家标准,以尺寸为50mm×50mm×0.2mm的铜片为母材,称取0.3g的HL-1,放置在铜片表面,滴加助焊剂,使用箱式电阻炉在145℃的温度条件下保温150秒后取出,测试出铜片表面HL-1的铺展面积,平行进行4次测量。另采用相同方法分别测试HL-2、HL-3、D-1、D-2、D-3、D-4、D-5、D-6的铺展面积。测试结果如下表5所示:
表5
在上述合金焊料中,D-1合金焊料和D-3合金焊料是目前常用于太阳能电池焊接工艺的合金焊料,二者各方面的性能均较优良。而通过上述实验可知,本发明合金焊料铺展面积已与上述两种合金焊料的铺展面积非常接近,且本发明合金焊料的熔点更低,因此完全可代替上述合金焊料用于低熔点焊接工艺中。此外,通过将HL-1合金焊料与D-5、D-6对比可知,HL-1合金焊料的铺展面积大一些,即HL-1合金焊料的润湿性更好。这是由于稀土元素的加入,增强了合金焊料的流动性能,降低合金焊料的表面张力,使合金焊料的铺展性更好。而磷元素的加入能够增强合金焊料的抗氧化性,减小氧化现象后能够提升合金焊料的铺展率,从而使铺展面积较大。
6、抗氧化实验
将HL-1、D-6合金焊料分别置于230℃条件下加热1小时后,观察加热后合金焊料表面,其中,D-6合金焊料表面已明显氧化发黑,而HL-1并未出现此现象,可见在本发明合金焊料中加入磷元素能够增强合金焊料的抗氧化性。
7、老化性实验
取HL-1制成焊带,并裁切成长度为20cm的焊带共10根。将10根焊带放置到盐雾试验箱中进行盐雾实验测试,实验条件为:RH≥90%、盐浓度:10%、温度35℃、时间:72h。另采用相同方法分别对HL-2、HL-3、D-1、D-2、D-3、D-4、D-5进行盐雾实验测试。测试结果如下表6所示:
表6
通过上述实验可知,本发明的合金焊料具有良好的抗腐蚀能力,尤其通过HL-1和D-6的对比可知,未添加磷的合金焊料的抗腐蚀能力明显降低,证明磷的添加能够有效提高合金焊料的抗腐蚀能力。
综上所述,在本发明的合金焊料中,由于铋的含量较高,因而能获得较低熔点的合金焊料,但也会因此导致合金焊料的脆性较高、焊接效果不佳。为此,本发明的合金焊料中又添加有适量的稀土元素,从而改善了合金焊料的焊接性能。此外,磷元素的添加又进一步改善了本发明合金焊料的抗腐蚀性能。由此可见,本发明提供的合金焊料,其同时兼具熔点较低、电学性能、焊接性能、铺展性、抗腐蚀能力良好等多种优异性能,这主要是通过调整合金焊料各组分的比例实现的,从而使得该合金焊料具有广泛的应用前景,尤其是利用在无主栅光伏电池的焊接过程中。
以上所述为本发明的具体实施方式,其目的是为了清楚说明本发明而作的举例,并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的内容和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。