CN113950750A - 用于制备板组件的系统及方法 - Google Patents

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CN113950750A CN202080025901.XA CN202080025901A CN113950750A CN 113950750 A CN113950750 A CN 113950750A CN 202080025901 A CN202080025901 A CN 202080025901A CN 113950750 A CN113950750 A CN 113950750A
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Abstract

本发明涉及一种制备包括两个板(1,2)的板组件的方法,两个板至少区段地具有位于它们之间的中间空间(4)和彼此之间的恒定距离(d)和/或被布置成彼此平行,并且在两个板之间布置易熔焊料材料(3,3’)。根据本发明,通过以使得外部空间中的压力高于中间空间(4)中的压力并且在压力差的存在期间焊料材料(3,3’)的温度至少间歇地暂时升高到高于其熔化温度的方式在板之间的中间空间(4)与围绕板的外部空间之间产生压力差,解决了尽可能准确地设定板之间的限定距离的问题。

Description

用于制备板组件的系统及方法
背景技术
本发明属于工艺工程、机械工程和电子领域,并且特别有利地适用于制造电气部件。
在一些电子部件(诸如,光伏面板或屏幕电子显示器部件)的制造中,必须以流体密封的方式密封非常平坦的部件或功能介质层,并且由此永久保护它们免受水分或氧气的进入。对应的介质(它可以是例如流体或薄层固体)应具有几十微米的数量级的层厚度,由此特定的要求是层厚度应在表面上尽可能恒定并且应仅具有例如几微米的层厚度差。这种低且明确限定的层厚度对于例如钙钛矿太阳能电池的制备是必要的。
通常,密封发生在两个板之间的中间空间中,并且该空间可以例如通过焊料周向地密封。在许多情况下,使用由玻璃制成的板,但是也可以使用其他材料,尤其是在光波长范围内透明的材料。除了围绕板的周边进行密封之外,板之间的中间空间的流体密封和/或抗降解细分还可以通过焊料来提供。
根据现有技术,通常使用通过浮法玻璃工艺制备的玻璃板。由于该工艺,此类浮法玻璃窗格玻璃具有在十分之几毫米的范围内的波纹度。迄今为止,通过使用玻璃焊料作为密封剂并且通过设定用于密封玻璃窗格玻璃之间的中间空间的温度来实现这种浮法玻璃窗格玻璃之间的中间空间的均匀性,在该温度下,一方面玻璃焊料熔化,另一方面玻璃窗格玻璃软化,使得由于重力的作用,相应的上部窗格玻璃搁置在下部窗格玻璃上,导致以可接受的方式限定小的中间空间。
已知方法的缺点是,在上部玻璃板发生初始变形和在下部玻璃板上进行部分沉积后,必须确保上部板的其余部分进一步粘附到下部板的局部作用的重力稳定地减小,使得在合理的温度下加工时间相对较高。可以通过已知方法实现的中间空间的均匀性对于许多应用是不够的。具体地,对于这些要求,制备厚度小于100微米的非常窄且均匀的中间空间是困难的。
针对前述现有技术的背景,本发明是基于产生一种制备板组件的方法的问题,该方法允许制备在表面上具有非常高的尺寸恒定性的小厚度的中间空间。
发明内容
根据本发明,该目的通过具有一种权利要求1的特征的方法来实现。权利要求2至8呈现了方法的具体实现方式。本发明进一步涉及一种制备根据权利要求9的板组件的设备。权利要求10呈现了该设备的具体实现方式。
因此,本发明涉及一种制备包括两个板的板组件的方法,两个板至少区段地具有它们之间的中间空间和到彼此之间的恒定距离和/或被布置成彼此平行,并且在两个板之间布置易熔焊料材料。通过以使得外部空间中的压力高于板之间的空间中的压力并且在压力差的存在期间焊料材料的温度至少暂时升高到高于其熔化温度或加工温度方式在板之间的中间空间与围绕板的外部空间之间产生压力差来解决该问题。
通过产生压力差,可以生成很大的力,这会导致板之间的中间空间减少。该力可以通过确定压力差的尺寸来控制。当板被水平支撑时,由板上的外部压力生成的压缩力可以增加作用在板的顶部上的重量力。如果在中间空间中引入负压,负压具体是10至900毫巴的值,则由于外部空气压力,压力差可以在0与1巴之间,具体是在10与900毫巴之间。如果另外或单独施加外部气体压力,则压力差可以高达10巴。在这种情况下,所描述的方法的应用需要超压室。
通过施加压力差,与其中仅依靠重力使两个板更靠近在一起的方法相比,实现板的所需变形所需的时间缩短。例如,压力差可以被施加至少1秒和/或至多120秒、优选至多30秒的持续时间。真空可以用于在表面上施加力以在板之间形成限定的间隙。间隙距离可以取决于例如由所施加的真空产生的表面压力、接合剂的温度依赖性粘度和施加力的持续时间。所施加的压力差的水平和时间过程的控制应该小心地并且精细地进行,因为压力差太高和/或所施加的压力太长会不合需要地强烈地将板挤压在一起并且在板之间产生太小的间隙。一旦达到板之间的最终距离,可以再次释放真空,使得中间空间可以填充有功能介质(诸如,气体或液体)。在许多情况下,板之间实现的最终距离(例如,可以是最多100μm)取决于焊料材料的粘度及其表面能,条件是可获得的和作用在板上的压缩力不是太大。由于焊料材料的粘性,板的接近通常非常缓慢,因此板之间的距离变得与时间有关。这种时间相关性可以通过经由所生成的压力差施加足够大的压缩力而消除。
本发明的具体实现方式可以规定,在外部空间中(即在两个板之间的中间空间之外)的压力高于板之间的空间的压力期间,至少一个板、具体地两个板至少暂时被加热到高于其材料的软化温度。在这种情况下,板是可塑性变形的,只要温度设定高于板的材料的软化温度。另外地或替代地,可以使用具有较小厚度的板以便实现板的弹性变形。中间空间的厚度基本上由放置在板之间的焊料材料的厚度决定。如果焊料材料充分液化并且给予足够的时间以在板之间分布,则板之间的距离可以被调节至几乎为零、具体地至少区域性地至几乎为零、优选调节至5至100μm、特别优选调节至5至50μm。参数温度、板的材料(例如,玻璃)和焊料的温度依赖性粘度以及板之间的中间空间与外部空间之间的压力差决定了板之间的中间空间/空间的减少的时间过程。板可以是平坦的或弯曲的。如果它们是弯曲的,则它们之间的中间空间是由弯曲表面界定的体积的形式,在每种情况下,垂直于边界表面(即板的表面)测量厚度。
在另一实施例中,例如可以设置为,颗粒布置在板之间、特别是在焊料材料中,其直径对应于板之间要实现的距离并且其软化温度高于焊料材料的熔化温度,在板的连接期间,该温度保持低于颗粒材料的软化温度。在这种情况下,板之间的距离以及因此板之间的中间空间的厚度可以减小为位于板之间的颗粒的尺寸。例如,这些颗粒可以实现为直径尽可能均匀的一组玻璃球。例如,颗粒的直径可以在5μm至50μm之间。
本发明的另一实施例可以提供的是,该中间空间中的颗粒沿待产生的通道布置。在这种情况下,当这些颗粒沿平行于所期望的通道的线排列时,例如,角撑板形状的空间可以在颗粒的紧邻处形成为通道,这些通道可以用于用功能性介质(例如气体或液体)填充板之间的中间空间。在该实施例中,颗粒的直径可以是例如在50μm至500μm之间,优选在100μm至200μm之间。
本发明可以进一步通过在两个板的外部空间中的压力高于中间空间的时间期间将温度保持在板中的一个或两个板的材料的软化温度以下、具体地低于350℃而进行。在这种情况下,板不是塑性可变形的,而是仅弹性可变形的。弹性可变形性可以例如通过选择具有较低厚度的板来实现。然而,压力差压缩熔化的焊料材料,使得板可以彼此达到期望的距离。中间空间尺寸,即中间空间的厚度,仅由初始放置在板之间的焊料材料的量和温度以及在相应温度下存在的焊料材料的粘度决定。板的设定过程在某个过程时间内发生,并且继续直到在板上的由压力差生成的力与焊料材料的流动阻力之间达到平衡。通过在过程时间期间等待,板之间的设定距离独立于时间并且仅取决于焊料材料的设定温度。
在通常由玻璃(诸如,太阳能模块)制成的板组件中,单窗格安全玻璃(其在机械上比通常使用的浮法玻璃更坚固)通常用作覆盖玻璃免受外部影响(诸如,冰雹)。然而,安全玻璃的热预应力在高于350℃的温度下松弛,从而失去有利的机械性能。如果焊料材料的软化或液化温度保持在低于350℃,并且片材仅加热到低于350℃的温度,则安全玻璃可以保持其所需的机械性质,即使用根据本发明的方法也是如此。一旦板之间的期望距离被设定,温度可以被降低并且板将通过使用具有中间空间的期望尺寸的焊料材料接合而保持在一起。
同样在根据本发明的方法的这个实现方式中,可以提供的是,例如,颗粒地被布置在板之间、具体地被布置在焊料材料中,其直径对应于待在板之间获得的距离并且其软化温度高于焊料材料的熔化温度,该温度在板的连接期间保持低于颗粒材料的软化温度。
如果工艺温度设定为高于焊料材料的软化点或熔点并且低于板(特别是玻璃板)的软化温度,在给定足够的工艺时间的情况下,可以达到该点,在该点处板之间的距离仅受到布置在它们之间的颗粒限制。这些由在设定温度下不软化或液化的材料构成。因此,板之间的距离可以在表面上非常精确且恒定地调节到插入的颗粒的外部尺寸。
由两个板界定的中间空间与它们的外部空间之间的压力差可以通过针对中间空间的给定填充和密封产生增加的外部压力来生成。通常更易于实施的另一替代方案可以是在给定的外部压力下将气体从板之间的中间空间的容积中抽出,这得在那里产生负压。在这种情况下,从外部作用在板上的大气压导致生成过压。这可以通过增加压力室中的外部压力来额外地增加。
根据本发明可以进一步提供的是,在接合板的过程中,板的内部空间与外部空间之间的压力差是借助于压力测量装置来测量。这确保了压力差足以引起所涉及的材料的变形,即,焊料材料和片材,在给定温度和所涉及的材料的所得粘度下,在可确定和有限的时间内达到期望的程度。
此外,可以设定为,在接合板的过程期间,通过温度传感器测量温度。例如,板之间的距离也可以在不同点处连续测量,使得温度控制可以用于监测和控制一个或两个板的设定过程。
除了上述种类的方法之外,本发明还涉及一种制备具有两个板的板组件的系统,这两个板至少区段地彼此相距恒定距离和/或彼此平行布置,装置具有用于从板之间的中间空间抽出流体、具体地抽出气体的真空装置。
这种装置还可以提供例如超压室,板组件被放置在超压室中。然而,在板之间的中间空间中生成负压可能已足以生成必要的力,并且用于生成压力差的装置在真空装置的背景下可以提供抽吸泵以及抽吸软管、阀和吸嘴,这些抽吸软管、阀和吸嘴可以附接至板中的至少一个上用于抽出开口(例如,板中的孔)的区域中的流体。例如,吸入端口可以通过密封装置(诸如,弹性密封件)密封至板。
例如,在制造过程期间,板可以被支撑在真空支撑件上,其中真空支撑件保持流体紧密地连接到板,使得板可以用真空支撑件容易地处理。真空支撑件也可以在真空产生之后与抽吸泵分离和密封。
此外,在制备板组件的装置中,可以提供的是,该装置包括用于借助于加热器来控制板组件的温度的装置。因为在所解释的方法的一些变体中,所实现的中间空间及其尺寸可以取决于设定温度和暴露于温度的时间段,所以对于根据本发明的过程的一些变体,温度控制也是以依赖于时间的方式有帮助的或必需的。
此外,上述装置可以包括用于消除板1,2的中间空间4之间的压力差和用于用功能介质填充板1,2的中间空间4的装置。该装置可以是例如泵。功能介质可以是例如气体或液体。
附图说明
在下文中,本发明是基于实施例在附图的图中示出并且随后进行解释。在附图中:
图1示出两个板在接合之前的横截面,
图2示出两个板在接合之后的横截面,
图3示出两个另外的板在接合之前的横截面,
图4示出在接合之后图3的板,
图5示出在两个另外的板在与间隔颗粒结合之前的横截面,
图6示出在与间隔颗粒结合之后图5的两个板,
图7示出在与形成流动通道的间隔颗粒结合之后的两个板,
图8示出两个板在与用于生成真空的装置接合在一起之前的横截面,并且
图9是表示接合过程中的随时间变化的温度曲线的实例的图。
具体实施方式
图1示出平行于第二板2并且与其间隔距离布置的第一板1的截面。板中的至少一个或两个可以由光学透明介质(具体地由玻璃)制成,并且可以通过浮法玻璃工艺或其他适合的方法以平坦的平面形式制造。板中的至少一个,但具体地,如图1中所示,这两个板可以在面向这两个板中的另一个板的表面上至少部分地或区段地被功能层或功能材料6,7覆盖。功能层可以是固体层、凝胶层或液体层的形式。
本发明的方法的目的是使两个板1,2彼此相距限定的距离,并且如果可能的话,在长区段上的所有点处相距相同的距离。理想地,板1,2之间的距离d是几微米到几十微米的量级,并且在两个板1,2彼此平行的区域上尽可能小地变化,理想地小于5μm。
板1,2中的至少一个或两个板在面向另一板的表面上覆盖有焊料材料3,3’。在这种情况下,覆盖有焊料材料的两个板1,2的部分表面可以直接彼此相对或者可以相对于彼此错开。
在图1中,示出的下部第二板2具有两个呈孔形式的吸入开口8,9,流体(特别是气体)可以通过吸入开口被抽出。箭头指示气体压力(诸如,大气空气压力)作用在上部第一板上。当两个板1,2彼此上下放置时,气体、特别是空气可以开始通过吸入开口8,9被抽出。如果板1,2在其周边至少部分地密封,例如通过搁置在板1,2上的焊料材料3,3’的涂层,并且最迟当焊料材料熔化时,板1,2之间的中间空间4中的压力可以降低。部分地,由于作用在第一板件1上的重力,并且受大气压力或其他方式生成的过压力的帮助,板件1,2可以被进一步压缩,改善在它们的周边的密封,并且进一步降低中间空间4中的压力。中间空间4与大气压之间的压力差可以在10毫巴与900毫巴之间。除此之外,所产生成的压力差的目的尤其在于在整个表面上施加均匀的力,以便实现尽可能均匀的间隙厚度。
通常,在施加抽吸装置之前,板1,2和焊料材料3,3’的温度已升高。一方面通过焊料材料3,3’的熔化温度,并且另一方面还通过板1,2的材料的软化温度(例如,所使用的玻璃的软化温度)来升高温度。在加热期间,当温度升高到高于焊接材料3,3’的熔化温度时,焊接材料的流动性导致板1,2之间的中间空间4被密封,中间空间4中的压力可能减小,并且由于作用压力差而作用在板1上的力可能进一步增大。
将温度升高到高于制造板1,2的材料(例如玻璃)的软化温度。因此,板1,2变得塑性可变形,并且板1以这样一种程度下降到了板2上,即板1,2之间或功能介质6,7之间或一个板与布置在相对板上的功能介质之间的距离减小到几微米。功能介质6,7可以在一些地方彼此接触以调整几微米的距离。
如果在接合之后温度再次降低,板1,2凝固,并且甚至在中间空间4与外部空间之间的压力差已被消除之后、具体地在中间空间4中施加了约1000毫巴的压力之后,距离维持。这种情况在图2中示出。例如,压力差可以被施加持续1秒与120秒之间的持续时间。板1,2之间的距离由d表示并且可以是例如最多100μm。
图3示出与图1中相同的初始情况。板1,2通过板1的自身重量以及通过开口8,9吸入气体时的压力差彼此压靠。与参考图1和图2描述的方法相比,在此使用焊料材料和用于板1,2的材料,其使得焊料材料3,3’的熔化温度低于制造板1,2的材料/玻璃的软化温度。例如,如果板1,2中的一个由其机械性能不允许加热超过350℃的钢化安全玻璃组成,则不得超过该温度值,并且焊料材料的熔点必须低于该温度。
从图3所示的状态开始,板1,2彼此上下放置,并且通过在中间空间4中产生负压,板1,2彼此压靠。同时,焊料材料3,3’被液化并且与两个板1,2接合,如图4中所示。如果焊料材料3,3’是粘性的,则可以操作温度控制,使得焊料材料液化的时间足以将焊料材料在板1,2之间充分地分布,以设定板1,2之间的期望距离d或功能介质6,7之间的期望距离。然后降低温度,使得焊料材料固化并且保持板1,2,当压力差停止时,板1,2再次弹性地远离彼此移动。板1,2之间的距离则保持基本恒定,因为它们甚至在压力差停止之后由焊料材料保持。
图5示出具有两个板1,2的初始状态,在这两个板之间布置例如处于玻璃球形式的颗粒5,5’。作为实例,颗粒5被示出为板1,2之间的自由颗粒,而颗粒5’被整合到焊料材料3’。
如上所描述,随着温度的同时升高,在板1,2之间产生压力差。在一种情况下,通过板1,2的材料的软化温度没有达到使焊料材料熔化的温度的方式,使焊料材料和板1,2的材料可以彼此匹配,或者通过焊料材料3,3’的熔化温度大致处于板的材料的软化温度或高于该软化温度的方式选择板1,2的材料和焊料材料。因此,原则上,图1和图2中所示出的操作和图3和图4中所示出的操作都可以在制造板组件时执行。
在任何情况下,板1,2之间的距离d将不小于颗粒5,5’的直径或外部尺寸。颗粒5,5’的直径是例如5至50μm。颗粒5,5’因此充当间隔物并且设定最小距离d。这在板1,2被软化时以及在板1,2不被软化的方法的变型中发生。因此,借助于间隔颗粒5,5’,可以设定板1,2之间或功能介质6,7之间的例如5至50μm的所期望的间隔。
图7示出如果板被加热到足够高于其软化温度,则板仍然可能变形到这样的程度,使得它们彼此靠近的距离小于没有间隔颗粒的区域中的颗粒的外部尺寸。在这种情况下,颗粒5,5”可以被选择性地布置成使得它们成排或沿直线或曲线放置。在紧邻颗粒处,板1,2将不能在远离颗粒5,5”的区域内彼此接近。这导致在紧邻颗粒处形成空腔。当颗粒被布置成排或成行中时,空腔连接以形成多个通道,这些通道可以用于在板1,2之间的中间空间4中进行流体运输并且可以用于更好地运输待运输到中间空间中或从中间空间中去除的介质。这是特别容易做到的,例如,如果颗粒5”可以布置在焊料材料内,并且在焊料材料软化之前由其固定到位。然而,颗粒也可以在板组件制备工艺之前通过粘合剂或其他手段固定到板中的一个。
图8以截面示出在将两个板1,2接合在一起之前具有两个板1,2的布置,其中真空装置被布置在第二板2下方以用于从中间空间4中提取流体。真空装置具有基板13和抽吸泵(未示出)。示出基板13内的一个中央抽吸通道10。与这些相连的的是抽吸通道8’,9’,抽吸通道中的每一个在第二板的孔8,9处开放,流体可以通过抽吸通道从中间空间4中吸出。
额外的通道11,12在下部板2处终止,在这里它们产生将板2保持到基板13上的负压。因此,在通过基板13进行该过程时可以容易地处理板组件。
在密封板1,2之间的空间并且在空间4中产生负压之后,可以关闭通道10,使得剩余的负压既维持中间空间4中的负压又产生板组件1,2抵靠基板13的压力。然后可以在这种状态下进行温度处理。在温度处理之后,通道10可以被打开以去除中间空间4中的负压并且在中间空间4中获得约1000毫巴的正常大气压力。板之间的距离保持相同。这能够实现或有助于随后用功能介质(诸如,气体或液体)填充中间空间4。这可以通过用于抵消板1,2的中间空间4之间的压力差和用于用功能介质(未示出)填充板1,2的中间空间4的装置来实现。
图9以图示出板组件1,2在时间t内经受的温度的过程。温度T在最初时间段从室温t0开始升高直到时间t1。大约在这时,通过从板2中的开口8,9抽吸流体开始负压力的施加。然后可以将温度稍微升高至高于温度T1。将升高的温度保持一定时间直到约时间t2,然后降低。抽吸过程可以在时刻t2之前或仅在时刻t2停止。然后缓慢降低温度直至时间t3。在时间t3之后,温度可以进一步降低至室温。
温度T1是焊料材料3,3’的熔化温度。当温度升高到高于该熔化温度时,板是否软化取决于它们的软化温度是高于还是低于焊料材料的熔化温度,并且它们的软化温度至少在所描述的方法期间的一些时间达到。
通过选择所使用的材料,在协调的软化或加工温度的情况下,通过适当的温度控制,甚至在一段时间内,即设定时间相关的温度分布时,通过熔化焊料材料来实现板1,2之间的流体密封连接是能够实现的。由此,此外板之间或板与板之间的功能介质之间的所需距离可以被精确地设定并且具有最小的位置相关的偏差。

Claims (15)

1.一种制备具有两个板(1,2)的板组件的方法,所述两个板至少区段地具有位于它们之间的中间空间(4)和彼此之间的恒定距离(d)和/或被布置成彼此平行,在所述两个板之间布置易熔焊料材料(3,3’),其特征在于,以如下方式在所述板之间的所述中间空间(4)与围绕所述板的外部空间之间产生压力差:所述外部空间中的压力高于所述中间空间(4)中的压力并且在所述压力差的存在过程中所述焊料材料(3,3’)的温度至少暂时升高到高于其熔化温度或其结合温度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述外部空间中的压力高于所述中间空间(4)中的压力期间,至少一个板、具体地两个板(1,2)至少暂时被加热到高于其材料的软化温度。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,颗粒(5,5’)被布置在所述板(1,2)之间、具体地被布置在所述焊料材料(3,3’)中,所述颗粒的直径对应于所述板之间待实现的距离(d),并且所述颗粒的软化温度高于所述焊料材料(3,3’)的熔化温度,所述温度在所述板的接合期间保持低于所述颗粒材料的软化温度。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述颗粒(5,5’)沿待产生的多个通道(13,14)被布置在所述中间空间中。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述两个板(1,2)的所述外部空间中的压力高于所述中间空间(4)中的压力期间,所述温度保持低于所述板(1,2)中的一者或两者的所述材料的软化温度、具体地低于350℃。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,颗粒(5,5’)被布置在所述板(1,2)之间、具体地被布置在所述焊料材料(3,3’)中,所述颗粒的直径对应于所述板之间待实现的距离(d),并且所述颗粒的软化温度高于所述焊料材料(3,3’)的熔化温度,所述温度在所述板(1,2)的接合期间保持低于所述颗粒材料的软化温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在接合所述板(1,2)期间,借助于压力测量装置(15)测量所述板的所述内部空间(4)与所述外部空间之间的所述压力差。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,在接合所述板(1,2)期间,借助于温度传感器(16)测量所述温度。
9.一种制备具有两个板(1,2)的板组件的系统,所述两个板至少区段地彼此相距恒定距离(d)和/或彼此平行布置,所述系统具有用于从所述板(1,2)之间的所述中间空间(4)抽出流体、具体地抽出气体的真空装置(13)。
10.根据权利要求9所述的系统,其特征在于,所述系统包括借助于加热器(17)控制所述板组件的温度的装置。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的方法,其特征在于,在降低所述焊料材料(4)的温度后,所述中间空间4与所述周围外部空间之间的所述压力差被消除。
12.根据权利要求1至8和11中任一项所述的方法,其特征在于,在所述压力差的存在期间,所述压力差是10毫巴至900毫巴。
13.根据权利要求1至8、11和12中任一项所述的方法,其特征在于,所述压力差被施加持续至少1秒和/或最多120秒、优选地最多30秒的持续时间。
14.根据权利要求1至8以及11至13中任一项所述的方法,其特征在于,所述板之间的距离是至多100μm、优选5至100μm,更优选5至50μm。
15.根据权利要求9或10所述的系统,其特征在于,装置用于消除所述板(1,2)的所述中间空间(4)之间的压力差并且用于用功能介质填充所述板(1,2)的所述中间空间(4)。
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