CN108546846A - 一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金及其制备方法 - Google Patents

一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金及其制备方法 Download PDF

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李静
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Abstract

本发明公开了一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金，其中合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Sn 50％‑55％，Bi 40％‑45％，Sb 1％‑5％，X0.1％‑1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％。其制备方法为：步骤1：按质量百分比分别称取Sn 50％‑55％，Bi 40％‑45％，Sb 1％‑5％，X 0.1％‑1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％；步骤2：制备Sn‑Sb中间合金锭；步骤3：制备Sn‑Bi‑Sb‑X低熔点钎料合金。本发明光伏焊带用锡铋锑基钎料合金熔点低，导电率较好，钎焊性能优良；其制备方法法简单，可用于批量化生产。

Description

一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色合金及光伏焊带技术领域，具体涉及一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金；本发明还涉及该光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法。
背景技术
随着近现代工业的繁荣发展，传统煤炭、石油、天然气等化石燃料能源消耗日益加剧，从而使得地壳中化石燃料的储量急剧下降，世界能源危机愈发突出。新型清洁能源的研究与开发迫在眉睫，诸如太阳能、风能、水能、核能等。与水能、风能、核能等相比，太阳能在转化为其他能量(主要是电能)时没有任何排放和噪声，因此在众多清洁能源中太阳能是最具潜力的化石燃料替代能源之一。目前太阳能的应用技术相对成熟，并且安全可靠。光伏焊带又称镀锡铜带，即在无氧铜带上镀上一层锡基钎料，是太阳能电池组件中重要的枢纽部分，起着传输及汇聚电池片所产生电流的关键作用，焊带质量的好坏将直接影响到光伏组件电流的收集效率，对光伏组件的功率影响很大。光伏焊带的涂层是为了实现与电池硅片(单晶硅、多晶硅、非晶硅)的连接，因为电池片在钎焊后会经历瞬间冷却，所以在冷却过程中产生较大的收缩变形，而硅材料、银浆和焊带的热膨胀系数不匹配会造成焊带与电池片之间产生很大的应力，从而会对电池片的强度产生较大的影响。焊接结束后由于这种力的作用会造成电池片的弓形，这种弓形在后续的敷设、层压及使用过程中很有可能发展成隐裂或者碎片；另外在太阳能电池片的单片焊接和片接的互联过程中，材料的温度变化并不均匀，焊接区域局部也会出现较大的温差，也会导致电池片局部应力集中明显，最终导致焊接过程中电池片的破碎。
目前光伏焊带用钎料合金主要是以Sn基、Pb基以及Sn-Pb基二元系钎料为主，主要由于其熔点低，价格低廉，润湿性能优异等优点在光伏焊带的制造领域得到了广泛的应用。但是铅是有毒金属，一方面，在人体中沉淀会引起中毒，铅及其化合物极易通过呼吸道、消化道和带伤口的皮肤侵入人体，容易导致多种疾病；另一方面，铅的使用并不符合现在所倡导的环保理念。综合考虑以上诸多因素，可知开发光伏焊带用新型低熔点无铅钎料合金是光伏行业发展的必然趋势。光伏焊带用低熔点无铅钎料合金不仅可以解决传统光伏焊带在制备和使用过程中无法避免的污染和毒害问题，而且能够减少由于钎焊温度过高而造成的电池片破碎，进一步提高光伏组件的功率。该工艺技术的推广应用，可减少对生态环境的污染，有着不可低估的环保效益。因此开发光伏焊带用新型低熔点无铅钎料已亟不可待，具有深远的现实意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金，具有合金熔点低，导电率好的钎焊性能。
本发明的另一个目的是提供一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金，其中合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Sn 50％-55％，Bi 40％-45％，Sb 1％-5％，X 0.1％-1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一种技术方案是：一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn 50％-55％，Bi 40％-45％，Sb 1％-5％，X0.1％-1％，X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：制备Sn-Sb中间合金锭；
步骤3：制备Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金。
本发明的特征在于，
步骤2的具体制备方法为：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用。
步骤2中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至400℃-450℃，待其熔化后再加入X，待合金全部熔化后保温30min-50min，保温期间每隔5min-10min搅拌一次，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金。
本发明的有益效果是：
(1)本发明光伏焊带用低熔点无铅钎料合金熔点低，导电率较好，钎焊性能优良；
(2)本发明光伏焊带用低熔点无铅钎料合金在铜基板上的润湿性能和铺展性能优良，有利于光伏焊带的制备；
(3)本发明光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法简单，操作方便，可用于批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金，其中合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Sn 50％-55％，Bi 40％-45％，Sb 1％-5％，X0.1％-1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明还提供了一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn 50％-55％，Bi 40％-45％，Sb 1％-5％，X0.1％-1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：制备Sn-Sb中间合金锭；
由于合金组成中Sb元素属于高熔点范畴，为了解决纯金属冶炼过程中低熔点元素严重烧损的问题，必须在冶炼工艺上采取中间合金的措施来完成。
步骤2的具体制备方法为：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；
步骤2中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％；上述中间合金的成分均为近共晶成分，其流动性好、液固相线温度区间较小，偏析较少，合金冶炼设备为箱式电阻炉，坩锅为刚玉坩锅；
步骤3：制备Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金；
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至400℃-450℃，待其熔化后再加入X，待合金全部熔化后保温30min-50min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔5min-10min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金。
Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金中各组分的作用和功能如下：
锡(Sn)在钎料中的主要作用；①金属锡和铜基板之间有良好的亲和力作用，因此借助于低活性焊剂就可以达到良好的润湿；②金属锡在钎焊过程中与基板铜易生成Cu6Sn5金属间化合物层，有利于提高钎焊接头的强度；③锡铋共晶合金熔点低(139℃)，符合光伏电池板钎焊工艺要求。
铋(Bi)在钎料中的作用：①由于铋的熔点低(271.3℃)，在钎料合金中主要用来降低合金熔点；②利用铋来降低表面张力，增加钎料铺展性能；③在钎料中添加铋有助于提高钎料合金的流动性。
锑(Sb)在钎料中的作用：①提高钎料合金的抗氧化性；②提高钎料的硬度。
铟(In)在钎料中的作用：①由于铟的熔点低(156.61℃)，在钎料合金中主要用来降低合金熔点；②利用铟来降低表面张力，增加钎料润湿性能；③铟的导电率相比锡、铋和锑均高，故通过在合金中添加少量铟来提高钎料合金的导电率。
镓(Ga)在钎料中的作用：①由于镓的熔点低(29.8℃)，在钎料合金中主要用来降低合金熔点；②利用镓不仅可以降低表面张力，增加钎料铺展性能，镓而且还可以提高钎料的抗氧化性；③在钎料中添加镓有助于提高钎料合金的流动性。
实施例1
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn52％，Bi 45％，Sb 2％，In 1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb7中间合金锭置于坩埚中加热至400℃，待其熔化后再加入In，待合金全部熔化后保温30min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔5min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-In低熔点钎料合金。
实施例1制得的钎料合金金其熔点为168℃，导电率为6.45Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例2
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn55％，Bi 43.9％，Sb 1％，In 0.1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb7中间合金锭置于坩埚中加热至450℃，待其熔化后再加入In，待合金全部熔化后保温50min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔10min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-In低熔点钎料合金。
实施例2制得的钎料合金金其熔点为165℃，导电率为6.53Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例3
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn50％，Bi 44.5％，Sb 5％，In 0.5％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb7中间合金锭置于坩埚中加热至440℃，待其熔化后再加入In，待合金全部熔化后保温40min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔8min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-In低熔点钎料合金。
实施例3制得的钎料合金金其熔点为160℃，导电率为6.50Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例4
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn 55％，Bi 40％，Sb 4％，In 1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb7中间合金锭置于坩埚中加热至440℃，待其熔化后再加入In，待合金全部熔化后保温40min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔7min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-In低熔点钎料合金。
实施例4制得的钎料合金金其熔点为163℃，导电率为6.53Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例5
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn55％，Bi 40％，Sb 4％，Ga 1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至450℃，待其熔化后再加入Ga，待合金全部熔化后保温40min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔10min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-Ga低熔点钎料合金。
实施例5制得的钎料合金金其熔点为160℃，导电率为6.50Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例6
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn52％，Bi 45％，Sb 2％，Ga 1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至400℃，待其熔化后再加入Ga，待合金全部熔化后保温50min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔5min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-Ga低熔点钎料合金。
实施例6制得的钎料合金金其熔点为166℃，导电率为6.50Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例7
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn55％，Bi 43.9％，Sb 1％，Ga 0.1％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至420℃，待其熔化后再加入Ga，待合金全部熔化后保温30min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔8min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-Ga低熔点钎料合金。
实施例7制得的钎料合金金其熔点为164℃，导电率为6.61Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
实施例8
一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn50％，Bi 44.5％，Sb 5％，Ga 0.5％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用；其中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至420℃，待其熔化后再加入Ga，待合金全部熔化后保温30min，为使钎料合金均匀化，保温期间每隔6min搅拌一次，为了防止液态钎料合金氧化，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-Ga低熔点钎料合金。
实施例8制得的钎料合金金其熔点为160℃，导电率为6.64Ms/m。性能符合光伏电池板钎焊工艺要求。
本发明的优点为：
(1)本发明光伏焊带用低熔点无铅钎料合金熔点低，导电率较好，钎焊性能优良；
(2)本发明光伏焊带用低熔点无铅钎料合金在铜基板上的润湿性能和铺展性能优良，有利于光伏焊带的制备；
(3)本发明光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法简单，操作方便，可用于批量化生产。

Claims (5)

1.一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金，其特征在于，其中合金各组元按质量百分比由以下组分组成：Sn 50％-55％，Bi 40％-45％，Sb 1％-5％，X 0.1％-1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％。
2.一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取Sn 50％-55％，Bi 40％-45％，Sb 1％-5％，X 0.1％-1％，所述X为In或Ga，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：制备Sn-Sb中间合金锭；
步骤3：制备Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金。
3.根据权利要求2所述的一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，其特征在于，步骤2的具体制备方法为：取步骤1中称取的部分Sn与全部Sb置于坩锅中，升温至750℃，待全部熔化后，用钨棒搅拌5min，接着冷却至400℃保温30min，保温过程中每隔5min用钨棒搅拌一次，冶炼过程中采用质量比为1.25:1的KCl+LiCl熔盐进行保护，最后铸成Sn-Sb中间合金锭待用。
4.根据权利要求3所述的一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，其特征在于，步骤2中，制备得到的Sn-Sb中间合金锭中按质量百分比由以下组分组成：Sn93％，Sb7％，以上组分质量百分比之和为100％。
5.根据权利要求4所述的一种光伏焊带用低熔点无铅钎料合金的制备方法，其特征在于，步骤3的具体制备方法为：采用可控温的电磁搅拌熔炼炉，将剩余的Sn、Bi以及Sn-Sb中间合金锭置于坩埚中加热至400℃-450℃，待其熔化后再加入X，待合金全部熔化后保温30min-50min，保温期间每隔5min-10min搅拌一次，冶炼过程中采用松香进行保护，最后铸成Sn-Bi-Sb-X低熔点钎料合金。
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