DE102019101921A1 - Method for connecting two workpieces by means of soldering and device with a first and a second workpiece, which are connected by means of a solder - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten, mit den VerfahrensschrittenAufbringen eines Lots auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks und Aufschmelzen des Lots mittels Wärmeeinwirkung vor und/oder nach Anordnen des zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Lötseite des Werkstücks vor Aufbringen des Lots ein Schichtsystem mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, welches zumindest eine lötbare Schicht und zumindest eine Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht aufgebracht wird, wobei die Schutzschicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer} enthält, die lötbare Schicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält, dass die Schutzschicht und die lötbare Schicht jeweils mit einer Dicke im Bereich 10 nm bis 100 nm ausgebildet werden, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm ist und dass das Lot während des Lötvorgangs auf eine Temperatur kleiner 350°C erhitzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind.The invention relates to a method for connecting two workpieces by means of soldering, comprising the steps of applying a solder to at least one soldering side of a first workpiece and melting the solder by means of heat before and / or after arranging the second workpiece on the soldering side of the first workpiece characterized in that before the solder is applied, a layer system is applied to the soldering side of the workpiece by means of physical vapor deposition, which comprises at least one solderable layer and at least one protective layer, the protective layer being applied directly or indirectly to the side of the solderable layer facing away from the first workpiece, wherein the protective layer with a mass fraction of at least 0.8 contains one or more substances from the group {precious metals, copper}, the solderable layer with a mass fraction of at least 0.8 contains one or more substances from the group of transition metals that the Protective layer and the solderable layer are each formed with a thickness in the range 10 nm to 100 nm, the sum of both layer thicknesses being less than 100 nm and the solder being heated to a temperature of less than 350 ° C. during the soldering process. The invention further relates to a device with a first and a second workpiece, the first and second workpiece being connected by means of a solder.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.The invention relates to a method for connecting two workpieces by means of soldering, as well as a device with a first and a second workpiece, the first and second workpieces being connected by means of a solder, in accordance with the preamble of claim 14.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen werden Werkstücke mittels Löten stoffschlüssig verbunden. Hierzu wird ein Lot auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks aufgebracht. Das Lot kann in Form von Lotpaste, Lotdraht, als Überzug auf einem oder beiden Werkstücken oder in einer anderen Form vorliegen. Mittels Aufschmelzen des Lots durch Wärmeeinwirkung vor und/oder nach Anordnen des zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks wird eine flüssige Phase des Lotes erzielt, sodass nach Abkühlen und Erstarren des Lotes eine stoffschlüssige Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet ist. Voraussetzung dafür ist unter anderem die weitgehende Beseitigung aller Oxide auf dem zu lötenden Werkstück, was in der Fügetechnik mit Hilfe eines Flussmittels erzielt wird. Dieses wird vor dem Lötprozess auf das zu lötende Werkstück appliziert und durch den Temperatureintrag beim Lötvorgang aktiviert. Alternativ können Lot und/oder Flussmittel auch bei Lötvorgang direkt zugeführt werden. Für besondere Anwendungen, bei denen z.B. die Rückstände des Flussmittels nach dem Lötprozess stören, werden auch flussmittelfreie Lötprozesse eingesetzt. Dabei muss insbesondere darauf geachtet werden, dass die Oxiddicken an den Oberflächen der Werkstücke minimal sind.In a large number of applications, workpieces are firmly bonded by means of soldering. For this purpose, a solder is applied to at least one solder side of a first workpiece. The solder can be in the form of solder paste, solder wire, as a coating on one or both workpieces or in another form. By melting the solder by the action of heat before and / or after arranging the second workpiece on the solder side of the first workpiece, a liquid phase of the solder is achieved, so that after the solder has cooled and solidified, a cohesive connection is formed between the first and second workpiece. One of the prerequisites for this is the extensive removal of all oxides on the workpiece to be soldered, which is achieved in the joining technology with the aid of a flux. This is applied to the workpiece to be soldered before the soldering process and activated by the temperature input during the soldering process. Alternatively, solder and / or flux can also be supplied directly during the soldering process. For special applications, e.g. the residues of the flux disturb after the soldering process, flux-free soldering processes are also used. Particular care must be taken to ensure that the oxide thicknesses on the surfaces of the workpieces are minimal.
Solche stoffschlüssigen Verbindungen werden verwendet, um Werkstücke mechanisch miteinander zu verbinden. In einer Vielzahl von Anwendungen wird zusätzlich zur mechanischen Verbindung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück mittels Löten ausgebildet.Such integral connections are used to mechanically connect workpieces to one another. In a large number of applications, in addition to the mechanical connection, an electrically conductive connection between the first and second workpiece is formed by means of soldering.
Bei manchen zu verbindenden Werkstücken besteht das Problem, dass das gewünschte Lot die Lötseite des Werkstücks nicht benetzt und hierdurch keine oder nur in Teilbereichen der Oberfläche der Lötseite eine stoffschlüssige Verbindung entsteht, sodass keine oder nur eine mangelhafte mechanische und/oder elektrische Verbindung ausgebildet wird.With some workpieces to be connected, there is the problem that the desired solder does not wet the soldering side of the workpiece and, as a result, there is no cohesive connection or only in parts of the surface of the soldering side, so that no or only a poor mechanical and / or electrical connection is formed.
So ist es bekannt, dass sich bei einem Werkstück aus Aluminium oder mit einer Aluminiumbeschichtung auf der Oberfläche eine Aluminiumoxidschicht ausbildet, sobald das Werkstück einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird. Dies findet insbesondere auch während der Erhitzung beim Lötvorgang statt. Auch wenn eine solche Schicht typischerweise lediglich eine Dicke im Bereich 3 nm bis 5 nm aufweist, so weist diese Schicht dennoch eine hohe Stabilität auf und verhindert eine hochwertige Lötverbindung, sofern nicht sehr aggressive Flussmittel verwendet werden. Letztere sind unter anderem schwierig in der Entsorgung und auf dem Werkstück verbleibende Rückstände können zu Korrosion am Werkstück führen.It is known, for example, that an aluminum oxide layer forms on an aluminum workpiece or with an aluminum coating on the surface as soon as the workpiece is exposed to an oxygen-containing atmosphere. This takes place in particular during the heating during the soldering process. Even if such a layer typically only has a thickness in the range of 3 nm to 5 nm, this layer nevertheless has a high stability and prevents a high-quality solder connection, unless very aggressive fluxes are used. The latter are difficult to dispose of, among others, and residues remaining on the workpiece can lead to corrosion on the workpiece.
Zur Umgehung dieses Problems wurden Lötprozesse bei hohen Temperaturen über 600°C mit einer langen Lötdauer (über 30 Minuten) entwickelt (Humpston G., Jacobson D. M., Principles of Soldering, ASM International, 2004). Bereits aufgrund der Lötdauer sind solche Prozesse jedoch für eine industrielle Fertigung nicht geeignet. Darüber hinaus können sich die hohen Temperaturen nachteilig auf die Werkstücke und die Lötverbindung auswirken.
Ein anderer Ansatz zur Vermeidung der Probleme der Oxidation bei Lötvorgang besteht darin, die Lötung in Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre durchzuführen. Dies hat allerdings einen deutlich höheren apparativen Aufwand zur Folge.To avoid this problem, soldering processes at high temperatures above 600 ° C with a long soldering time (over 30 minutes) have been developed (Humpston G., Jacobson DM, Principles of Soldering, ASM International, 2004). However, due to the soldering time, such processes are not suitable for industrial production. In addition, the high temperatures can adversely affect the workpieces and the solder joint.
Another approach to avoiding the problems of oxidation during the soldering process is to carry out the soldering in a vacuum or in an oxygen-free atmosphere. However, this results in a significantly higher expenditure on equipment.
Zur rückseitigen elektrischen Kontaktierung von photovoltaischen Solarzellen ist aus
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Weichlötens sowie eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten mittels Lot verbundenem Werkstück zur Verfügung zu stellen, welche die vorgenannten Nachteile vermeiden und insbesondere eine kostengünstigere und dennoch dauerhafte Lötverbindung ermöglichen.The invention is therefore based on the object of providing a method for connecting two workpieces by means of soft soldering and an apparatus having a first and a second workpiece connected by means of solder, which avoid the aforementioned disadvantages and in particular enable a more cost-effective but nevertheless permanent soldered connection.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zum Ausbilden der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon, ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon, ausgebildet.The method according to the invention is preferably designed to form the device according to the invention, in particular an advantageous embodiment thereof. The device according to the invention is preferably formed by means of the method according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- Ein Lot und bevorzugt zusätzlich ein Flussmittel werden auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks aufgebracht. Mittels Wärmeeinwirkung wird das Lot vor und/oder nach Anordnen eines zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks aufgeschmolzen.
- A solder and preferably additionally a flux are applied to at least one solder side of a first workpiece. By means of the action of heat, the solder is melted before and / or after arranging a second workpiece on the soldering side of the first workpiece.
Wesentlich ist, dass zumindest an der Lötseite des ersten Werkstücks vor Aufbringen des Lots ein Schichtsystem mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, welches zumindest eine lötbare Schicht und zumindest eine Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht aufgebracht wird.It is essential that at least on the soldering side of the first workpiece, prior to applying the solder, a layer system is applied by means of physical vapor deposition, which comprises at least one solderable layer and at least one protective layer, the protective layer being directly or indirectly on the side of the solderable layer facing away from the first workpiece is applied.
Ein wesentlicher Aspekt ist somit in der Erkenntnis begründet, die lötbare Schicht an der Lötseite, das heißt an der Seite, an welcher das Lot aufgebracht wird, mittels einer zusätzlichen Schicht zu schützen.An essential aspect is therefore based on the knowledge that the solderable layer on the solder side, that is to say on the side on which the solder is applied, is protected by means of an additional layer.
Hierbei enthält die Schutzschicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer}. Die lötbare Schicht enthält mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle. Der Begriff „Massenanteil“ ist hierbei in an sich üblicher Weise definiert, das heißt bei einem Massenanteil von 1,0 eines Stoffes besteht das Element ausschließlich aus diesem Stoff.Here, the protective layer with a mass fraction of at least 0.8 contains one or more substances from the group {precious metals, copper}. With a mass fraction of at least 0.8, the solderable layer contains one or more substances from the group of transition metals. The term “mass fraction” is defined in a conventional manner, that is, with a mass fraction of 1.0 of a substance, the element consists exclusively of this substance.
Wesentlich ist weiterhin, dass die lötbare Schicht (3) unmittelbar auf die zu lötende Oberfläche des ersten Werkstücks aufgebracht wird oder lediglich Schichten mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm zwischen der zu lötenden Oberfläche und der lötbaren Schicht angeordnet werden und dass die Schutzschicht und die lötbare Schicht jeweils mit einer mittleren Dicke im Bereich 2 nm bis 98 nm ausgebildet werden, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, ist und dass das Lot während des Lötvorgangs auf eine Temperatur kleiner 350°C erhitzt wird.It is also essential that the solderable layer (3) is applied directly to the surface of the first workpiece to be soldered or that only layers with a total thickness of less than 20 nm are arranged between the surface to be soldered and the solderable layer and that the protective layer and the solderable layer are each formed with an average thickness in the range from 2 nm to 98 nm, the sum of the two layer thicknesses being less than 100 nm, preferably less than 50 nm, in particular less than 25 nm, and the solder heating to a temperature of less than 350 ° C. during the soldering process becomes.
Bei Angabe einer Summe von Schichtdicken eines Schichtsystems und bevorzugten Schichtdicken oder bevorzugten mittleren Schichtdicken von einzelnen Schichten des Systems weisen die einzelnen Schichten somit stets eine bevorzugte maximale Schichtdicke auf, die der Summe der minimalen Schichtdicken der anderen Schichten des Systems enspricht. Bei der vorangehenden vorteilhaften Summe der Schichtdicken ergibt sich somit bei einer minimalen mittleren Dick der Schichten von 2nm:
Im Rahmen dieser Erfindung kann eine lötbare Schicht oder eine andere Schicht, insbesondere eine dünne Schicht mit einer Dicke kleiner 10 nm auch durch nicht geschlossene Schichten, die einzelne, nicht zusammenhängende nebeneinanderliegende Inseln aufweisen, ausgebildet sein. In diesem Fall bezeichnet die mittlere Dicke das Gesamtmaterialvolumen dieser Schicht geteilt durch die zu lötende Fläche. Bevorzugt sind die Schichten, insbesondere die lötbare Schicht, als ununterbrochene Schichten ausgebildet.Within the scope of this invention, a solderable layer or another layer, in particular a thin layer with a thickness of less than 10 nm, cannot be formed by non-closed layers, the individual have connected adjacent islands, be formed. In this case, the average thickness denotes the total material volume of this layer divided by the area to be soldered. The layers, in particular the solderable layer, are preferably designed as continuous layers.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch den Einsatz der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) zum Aufbringen von lötbarer Schicht und Schutzschicht einen Einsatz in industriellen Fertigungslinien, insbesondere, da häufig solche Prozesse zur Schichtabscheidung bereits vorgesehen sind. Aufgrund der geringen Gesamtdicke ist ein Aufbringen des Schichtsystems aus lötbarer Schicht und Schutzschicht in kürzerer Zeit verglichen mit vorbekannten Prozessen möglich, sodass geringere Prozess- und Materialkosten entstehen und ein höher Durchsatz möglich ist. Die Schutzschicht wird bevorzugt dabei ohne Vakuumbruch im PVD-Prozess hergestellt und dient bevorzugt dazu, die Oxidation der darunterliegenden lötfähigen Schicht zu verhindern und somit die Lötfähigkeit zu erhalten.By using physical vapor deposition (PVD) to apply the solderable layer and protective layer, the method according to the invention enables use in industrial production lines, in particular since such processes for layer deposition are often already provided. Due to the small overall thickness, the layer system consisting of solderable layer and protective layer can be applied in a shorter time compared to previously known processes, so that lower process and material costs arise and a higher throughput is possible. The protective layer is preferably produced without a vacuum break in the PVD process and is preferably used to prevent oxidation of the underlying solderable layer and thus to maintain the solderability.
Die Verwendung einer Löttemperatur kleiner 350°C bedeutet weiterhin einen geringeren Energieaufwand und eine geringere Wärmeeinwirkung in die Werkstücke, sodass Beschädigungen, verglichen mit Lötvorgängen bei höheren Temperaturen, vermieden oder zumindest verringert werden. Der Lötvorgang fällt somit in die Kategorie des Weichlötens.The use of a soldering temperature of less than 350 ° C also means less energy and less heat in the workpieces, so that damage is avoided or at least reduced compared to soldering processes at higher temperatures. The soldering process therefore falls into the soft soldering category.
Das Funktionsprinzip des Weichlötens basiert auf der partiellen Erosion des Basismaterials, typischerweise des Metalls der lötbaren Schicht, im Lötbad. Zum Ausbilden der gewünschten Lötverbindung ist die Ausbildung einer Diffusionszone wischen dem Metall der lötbaren Schicht und dem Lot notwendig. Typischerweise treten metallurgische Reaktionen auf, welche zu heterogenen Phasen der Lötverbindung führen (siehe Humpston, Jacobsen, a.a.O., S. 78). Üblicherweise sind hierbei einzelne Kristallphasen in der Lötverbindung viele Mikrometer groß.The principle of operation of soft soldering is based on the partial erosion of the base material, typically the metal of the solderable layer, in the solder bath. To form the desired solder joint, the formation of a diffusion zone between the metal of the solderable layer and the solder is necessary. Typically, metallurgical reactions occur which lead to heterogeneous phases of the solder joint (see Humpston, Jacobsen, op. Cit., P. 78). Individual crystal phases in the solder joint are usually many micrometers in size.
Bisher wurde daher davon ausgegangen, dass bei nur wenigen Nanometer dünnen Schichten keine hinreichende Bildung von Legierungsphasen auftreten kann, ohne dass es zu einer vollständigen Auflösung der metallischen Schicht und damit zur Entnetzung des Lotes kommt. Entsprechend herrschte bisher die Lehre, dass eine dauerhafte mechanische Stabilität allenfalls mit erheblich dickeren Schichten ausgebildet werden kann.So far, it has therefore been assumed that with only a few nanometer thin layers, sufficient formation of alloy phases cannot occur without the metallic layer being completely dissolved and thus the solder being de-wetted. Accordingly, there has been a teaching so far that permanent mechanical stability can only be formed with considerably thicker layers.
Untersuchungen der Anmelderin zeigen jedoch, dass entgegen den bisherigen Annahmen eine dauerhafte Lötverbindung auch mit dem zuvor genannten Schichtsystem des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches eine erheblich geringere Dicke aufweist, ausgebildet werden können. Es ist davon auszugehen, dass eine höhere Löslichkeit der zumindest mit einem Massenanteil von 0,8 in der Schutzschicht enthaltenen Stoffe im Lot gegenüber einer geringeren Löslichkeit der zumindest mit einem Massenanteil von 0,8 in der lötbaren Schicht enthaltenen Stoffe und weiterhin in Kombination mit dem Weichlöten bei einer Temperatur kleiner 350°C eine vollständige Auflösung der metallischen Schicht und somit eine Entnetzung des Lotes verhindert.However, investigations by the applicant show that, contrary to the previous assumptions, a permanent soldered connection can also be formed with the aforementioned layer system of the method according to the invention, which has a considerably smaller thickness. It can be assumed that a higher solubility of the substances contained in the protective layer at least with a mass fraction of 0.8 in the solder compared to a lower solubility of the substances contained at least with a mass fraction of 0.8 in the solderable layer and further in combination with the Soft soldering at a temperature of less than 350 ° C prevents the metallic layer from completely dissolving and thus prevents the solder from dewetting.
Insbesondere ist es nach Erkenntnis der Anmelderin nicht notwendig, eine Diffusionsbarrierenschicht zwischen der zu lötenden Oberfläche des Werkstücks und der lötbaren Schicht anzuordnen. Die lötbare Schicht ist daher bevorzugt unmittelbar auf der zu lötenden Oberfläche angeordnet. Alternativ kann eine dünne Schicht oder ein dünnes Schichtsystem mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm, bevorzugt kleiner 15 nm, insbesondere kleiner 10 nm zwischen der lötbaren Schicht und der zu lötenden Oberfläche des Werkstücks angeordnet werden, insbesondere eine Haftschicht wie weiter unten beschrieben.In particular, according to the applicant's knowledge, it is not necessary to arrange a diffusion barrier layer between the surface of the workpiece to be soldered and the solderable layer. The solderable layer is therefore preferably arranged directly on the surface to be soldered. Alternatively, a thin layer or a thin layer system with a total thickness of less than 20 nm, preferably less than 15 nm, in particular less than 10 nm, can be arranged between the solderable layer and the surface of the workpiece to be soldered, in particular an adhesive layer as described below.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit durch Aufbringen eines Schichtsystems mittels physikalischer Gasphasenabscheidungen, wobei das Schichtsystem zumindest die vorgenannte Schutzschicht und die vorgenannte lötbare Schicht, deren Dicke in Summe kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, sind, umfasst, ein kostengünstiges und mechanisch stabiles Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten.The method according to the invention thus makes it possible to apply a layer system by means of physical vapor deposition, the layer system comprising at least the aforementioned protective layer and the aforementioned solderable layer, the total thickness of which is less than 100 nm, preferably less than 50 nm, in particular less than 25 nm and mechanically stable connection of two workpieces by means of soldering.
Die eingangs gestellte Aufgabe ist weiterhin durch eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück gelöst, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind. Wesentlich ist, dass zwischen erstem Werkstück und Lot ein Schichtsystem angeordnet ist, welches zumindest eine lötbare Schicht und zumindest eine Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht angeordnet ist, wobei die Schutzschicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer} enthält, die lötbare Schicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält und dass die lötbare Schicht unmittelbar auf der zu lötende Oberfläche des ersten Werkstücks angeordnet ist oder lediglich Schichten mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm zwischen der zu lötenden Oberfläche und der lötbaren Schicht angeordnet sind sowie dass die Schutzschicht und die lötbare Schicht jeweils mit einer mittleren Dicke im Bereich 2 nm bis 98 nm ausgebildet sind, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm ist. Hierdurch ergeben sich die zuvor bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile.The object stated at the outset is further achieved by a device having a first and a second workpiece, the first and second workpiece being connected by means of a solder. It is essential that a layer system is arranged between the first workpiece and solder, which comprises at least one solderable layer and at least one protective layer, the protective layer being arranged indirectly or directly on the side of the solderable layer facing away from the first workpiece, the protective layer having a mass fraction of at least 0.8 contains one or more substances from the group {precious metals, copper}, the solderable layer with a mass fraction of at least 0.8 contains one or more substances from the group of transition metals and that the solderable layer is directly on the one to be soldered Surface of the first Workpiece is arranged or only layers with a total thickness less than 20 nm are arranged between the surface to be soldered and the solderable layer and that the protective layer and the solderable layer are each formed with an average thickness in the
Um eine Entnetzung des Lots besonders effizient zu vermeiden, weist die Schutzschicht bevorzugt eine Löslichkeit im Lot größer 50 nm/s und die lötbare Schicht weist eine Löslichkeit im Lot kleiner 50 nm/s@ 250 °C in PbSn-Lot (40 Massenprozent Sn) auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Schutzschicht eine Löslichkeit im Lot größer 100 nm/s und die lötbare Schicht eine Löslichkeit im Lot kleiner 10 nm/s aufweist.In order to avoid dewetting of the solder particularly efficiently, the protective layer preferably has a solubility in solder greater than 50 nm / s and the solderable layer has a solubility in solder less than 50 nm / s @ 250 ° C. in PbSn solder (40 mass percent Sn) on. It is particularly advantageous that the protective layer has a solubility in solder greater than 100 nm / s and the solderable layer has a solubility in solder less than 10 nm / s.
Die Löslichkeit wird hierbei in an sich bekannter Weise bestimmt: So kann beispielsweise auf ein Glassubstrat die Schicht, deren Löslichkeit zu bestimmen ist, aufgetragen werden. Auf der dem Glassubstrat abgewandten Seite der Schicht wird das Lot aufgetragen. Anschließend erfolgt eine Erwärmung, sodass das Lot aufschmilzt und die Schicht erodiert. Nach einer bestimmten Zeit erfolgt ein Abkühlen des Versuchsaufbaus. In einem Schnittbild kann beispielsweise mittels eines Rasterelektronenmikroskops gemessen werden, wie tief das Lot in die Schicht eingedrungen ist. Durch Durchführen mehrerer solcher Messungen für unterschiedliche Zeitdauern wird schließlich die Löslichkeit in Nanometer pro Sekunde bestimmt.The solubility is determined here in a manner known per se: for example, the layer whose solubility is to be determined can be applied to a glass substrate. The solder is applied to the side of the layer facing away from the glass substrate. This is followed by heating so that the solder melts and the layer erodes. After a certain time, the experimental set-up cools down. In a sectional image, for example, a scanning electron microscope can be used to measure how deep the solder has penetrated into the layer. The solubility in nanometers per second is finally determined by carrying out several such measurements for different periods of time.
Die Schutzschicht wird vorteilhafterweise mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Ag, Cu} enthaltend ausgebildet. Diese Stoffe weisen für typische Weichlote, insbesondere bevorzugt PbSn, SnAgCu oder SnBi eine hohe Löslichkeit auf. Insbesondere ist ein Massenanteil von zumindest 0,8 Ag vorteilhaft.The protective layer is advantageously formed with a mass fraction of at least 0.8 containing one or more substances from the group {Ag, Cu}. For typical soft solders, particularly preferably PbSn, SnAgCu or SnBi, these substances have a high solubility. A mass fraction of at least 0.8 Ag is particularly advantageous.
Hierbei weist Kupfer (Cu) den Vorteil auf, dass es sich um ein vergleichsweise günstiges Metall handelt. Zur Kostenersparnis wird daher insbesondere Kupfer aus der vorgenannten Gruppe gewählt.Here copper (Cu) has the advantage that it is a comparatively inexpensive metal. To save costs, copper from the aforementioned group is therefore chosen in particular.
Silber (Ag) weist hingegen als Edelmetall den Vorteil auf, dass es an Luft keine oder nur eine sehr dünne Oxidschicht bildet.Silver (Ag), on the other hand, has the advantage as a precious metal that it forms no or only a very thin oxide layer in air.
Sowohl Ag als auch Cu weisen einen besonders niedrigen spezifischen Leitungswiderstand auf. Für Anwendungen, in welchen nicht nur eine mechanische, sondern auch eine elektrische Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand vorteilhaft ist, wird daher vorteilhafterweise Silber oder Kupfer aus der vorgenannten Gruppe ausgewählt. Darüber hinaus ist Ag wesentlich günstiger als die sonst oft verwendeten Schutzschichten aus Au, Pt und Pd.Both Ag and Cu have a particularly low specific line resistance. For applications in which not only a mechanical but also an electrical connection with low electrical resistance is advantageous, silver or copper is therefore advantageously selected from the aforementioned group. In addition, Ag is much cheaper than the protective layers made of Au, Pt and Pd that are often used.
Die Schutzschicht dient insbesondere dazu, eine Oxidation darunterliegender Schichten zu verhindern oder zumindest zu verringern. Es ist bekannt, dass Silber stark permeabel für Sauerstoff, insbesondere bei höheren Temperaturen, ist. Untersuchungen der Anmelderin zeigen jedoch, dass überraschenderweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Verwendung von Silber mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 für die Schutzschicht zu einem hochwertigen Ergebnis führt. Es ist somit davon auszugehen, dass bei den Parametern des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Verwendung von Silber in der Schutzschicht eine Oxidation der darunterliegender Schichten vermieden oder für eine gute Lötbarkeit hinreichend verringert wird.The protective layer serves in particular to prevent or at least to reduce oxidation of layers underneath. Silver is known to be highly permeable to oxygen, especially at higher temperatures. However, investigations by the applicant show that, surprisingly, the use of silver with a mass fraction of at least 0.8 for the protective layer also leads to a high-quality result in the process according to the invention. It can therefore be assumed that with the parameters of the method according to the invention, even when silver is used in the protective layer, oxidation of the layers underneath is avoided or sufficiently reduced for good solderability.
Bisher wurde angenommen, dass dünne Ag-Schichten als Diffusionsbarriere für Sauerstoff nicht wirksam sind, siehe Principles of soldering, a.a.O.,, p. 148]: „The porosity of thin electroplated or evaporated coatings is frequently overlooked []. Further proof of the ineffectiveness of noble metal coatings in preventing oxidation of an underlying base metal comes from the beneficial exploitation of their use to grow oxide films of controlled thickness in the manufacture of solar cells. In particular, 5 um of silver, applied by thermal evaporation, to a clean copper surface permits the growth of Cu2O at the common interface at a rate of roughly 0.1 um/h at 500 C [Rosenstock and Riess 2000]“.So far it has been assumed that thin Ag layers are not effective as a diffusion barrier for oxygen, see Principles of soldering, op. Cit., P. 148]: "The porosity of thin electroplated or evaporated coatings is frequently overlooked []. Further proof of the ineffectiveness of noble metal coatings in preventing oxidation of an underlying base metal comes from the beneficial exploitation of their use to grow oxide films of controlled thickness in the manufacture of solar cells. In particular, 5 um of silver, applied by thermal evaporation, to a clean copper surface permits the growth of Cu2O at the common interface at a rate of roughly 0.1 um / h at 500 C [Rosenstock and Riess 2000] “.
Die lötbare Schicht weist bevorzugt mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Ni, Cr, V, NiCr, NiV, W, Mo} auf. Die Stoffe der vorgenannten Gruppe weisen für typische Lote eine vergleichsweise geringe Löslichkeit auf.With a mass fraction of at least 0.8, the solderable layer preferably has one or more substances from the group {Ni, Cr, V, NiCr, NiV, W, Mo}. The substances of the aforementioned group have a comparatively low solubility for typical solders.
Als Lot kann ein an sich bekanntes Weichlot verwendet werden. Insbesondere ist die Verwendung eines Lots vorteilhaft, welches mit einem Massenanteil von zumindest 0.9 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Pb, Sn, Bi, Ag} aufweist, z.B. Sn60Pb40, Sn96Ag4, Sn96,5Ag3,0Cu0,5, Sn42Bi58, Sn43Pb43Bi14.A soft solder known per se can be used as the solder. In particular, the use of a solder is advantageous which, with a mass fraction of at least 0.9, comprises one or more substances from the group {Pb, Sn, Bi, Ag}, e.g. Sn60Pb40, Sn96Ag4, Sn96.5Ag3.0Cu0.5, Sn42Bi58, Sn43Pb43Bi14.
Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Weichlöten zu ermöglichen, weist das verwendete Lot bevorzugt einen Schmelzpunkt kleiner 350°C auf. In order to enable soft soldering in the method according to the invention, the solder used preferably has a melting point of less than 350 ° C.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit eine zuvor nicht lötbare Fläche eines Werkstücks einer Lötverbindung zugeführt werden, insbesondere wird eine Benetzbarkeit durch Lot erzielt. Hierbei weisen die Dicken von lötbarer Schicht und Schutzschicht in der Summe bevorzugt eine Dicke kleiner 100 nm (besonders bevorzugt <50 nm, ganz besonders bevorzugt <25nm) auf, sodass ein kosteneffizientes Aufbringen in einem PVD-Prozess möglich ist. Insbesondere werden aufgrund der geringen Schichtdicke nur geringere Mengen an kostenintensiven Metallen verwendet, verglichen mit vorbekannten Prozessen.By means of the method according to the invention, a previously non-solderable surface of a workpiece can be supplied to a soldered connection, in particular wettability by solder is achieved. The thicknesses of the solderable layer and protective layer in total preferably have a thickness of less than 100 nm (particularly preferably <50 nm, very particularly preferably <25 nm), so that a cost-effective application is possible in a PVD process. In particular, due to the small layer thickness, only smaller amounts of expensive metals are used compared to previously known processes.
Für manche Verfahren ist es wünschenswert, dass nach Aufbringen des Schichtsystems aufweisend die lötbare Schicht und die Schutzschicht eine Stabilität des Schichtsystems über einen längeren Zeitraum und/oder bei höheren Temperaturen gewährleistet ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Temperaturbehandlung des Werkstücks, insbesondere bei Temperaturen größer 400°C nach Aufbringen des Schichtsystems und vor Durchführen des Lötvorgangs wünschenswert ist.For some processes, it is desirable that after the layer system having the solderable layer and the protective layer has been applied, stability of the layer system is ensured over a longer period of time and / or at higher temperatures. This is the case, for example, if heat treatment of the workpiece, in particular at temperatures greater than 400 ° C., is desirable after the layer system has been applied and before the soldering process is carried out.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht als Legierung, insbesondere eine Kupfer aufweisende Legierung, bevorzugt als Silber-Kupfer-Legierung ausgebildet. Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass eine als Legierung ausgebildete Schutzschicht auch bei höheren Temperaturen oder über längere Zeitdauern (insbesondere über Zeitdauern größer 6 Monate) eine Agglomeration von Ag verhindert wird. Eine solche Agglomeration würde ein Benetzen der Lötseite des ersten Werkstücks mit Lot verhindern oder zumindest erheblich verringern.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the protective layer is formed as an alloy, in particular an alloy comprising copper, preferably as a silver-copper alloy. Investigations by the applicant show that a protective layer formed as an alloy prevents agglomeration of Ag even at higher temperatures or over longer periods of time (in particular over periods of longer than 6 months). Such an agglomeration would prevent or at least significantly reduce wetting of the soldering side of the first workpiece with solder.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Schichtsystem eine Anti-Agglomerationsschicht auf, welche mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der Schutzschicht diese zumindest teilweise bedeckend, bevorzugt vollständig bedeckend, aufgebracht wird. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist somit zusätzlich zu der Schutzschicht eine Anti-Agglomerationsschicht vorgesehen, um eine besonders hohe Robustheit über einen langen Zeitraum und/oder bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.In a further advantageous embodiment, the layer system has an anti-agglomeration layer, which is applied indirectly or preferably directly to the side of the protective layer facing away from the first workpiece, at least partially covering, preferably completely covering. In this advantageous embodiment, an anti-agglomeration layer is thus provided in addition to the protective layer in order to ensure particularly high robustness over a long period of time and / or at high temperatures.
Die Anti-Agglomerationsschicht wird bevorzugt mit einem Massenanteil von zumindest 0,5 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Kupfer, Silber} enthaltend ausgebildet. Vorteilhafterweise ist die Anti-Agglomerationsschicht mit einer Dicke kleiner 10 nm, bevorzugt kleiner 5 nm ausgebildet. Hierdurch ist eine hohe Kosteneffizienz gegeben.The anti-agglomeration layer is preferably formed with a mass fraction of at least 0.5 containing one or more substances from the group {copper, silver}. The anti-agglomeration layer is advantageously formed with a thickness of less than 10 nm, preferably less than 5 nm. This ensures high cost efficiency.
Bevorzugt weist das Schichtsystem umfassend lötbare Schicht, Schutzschicht und Anti-Agglomerationsschicht eine Gesamtdicke kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, auf.The layer system comprising solderable layer, protective layer and anti-agglomeration layer preferably has a total thickness of less than 100 nm, preferably less than 50 nm, in particular less than 25 nm.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Schichtsystem eine Haftschicht aufweisend ausgebildet, welche mittelbar oder bevorzugt unmittelbar zwischen lötbarer Schicht und erstem Werkstück mit einer zur lötbaren Schicht unterschiedlichen Stoffzusammensetzung ausgebildet wird. Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass mittels einer solchen Haftschicht die mechanische Stabilität erheblich verbessert werden kann. Bevorzugt weist die Haftschicht mit einem Massenanteil größer 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle auf, insbesondere aus der Gruppe {Cr, Ni, V, Ti}. Die Haftschicht ist bevorzugt mit einer Dicke kleiner 15 nm (besonders bevorzugt <10 nm) ausgebildet, um insbesondere eine hohe Kosteneffizienz zu ermöglichen. Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass das Schichtsystem aus Haftschicht, lötbarer Schicht und Schutzschicht eine Gesamtdicke kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, aufweist, insbesondere ein Schichtsystem aus Haftschicht, lötbarer Schicht, Schutzschicht und Anti-Agglomerationsschicht eine Gesamtschichtdicke kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, aufweist.In an advantageous embodiment, the layer system is formed with an adhesive layer, which is formed indirectly or preferably directly between the solderable layer and the first workpiece with a material composition different from the solderable layer. Investigations by the applicant show that the mechanical stability can be considerably improved by means of such an adhesive layer. The adhesive layer with a mass fraction greater than 0.8 preferably has one or more substances from the group of transition metals, in particular from the group {Cr, Ni, V, Ti}. The adhesive layer is preferably formed with a thickness of less than 15 nm (particularly preferably <10 nm) in order in particular to enable high cost efficiency. It is therefore particularly advantageous that the layer system comprising the adhesive layer, solderable layer and protective layer has an overall thickness of less than 100 nm, preferably less than 50 nm, in particular less than 25 nm, in particular a layer system of adhesive layer, solderable layer, protective layer and anti-agglomeration layer has an overall layer thickness less than 100 nm, preferably less than 50 nm, in particular less than 25 nm.
Vorteilhafterweise wird das Schichtsystem nach Aufbringen auf das erste Werkstück und vor Aufbringen des Lots auf eine Temperatur von zumindest 300 °C für zumindest 10 s erwärmt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Defekte ausgeheilt werden.
Zur Kostenreduktion wird das an der Lötseite aufgebrachte Schichtsystem bevorzugt mit einer Gesamtdicke von 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, ausgebildet.After application to the first workpiece and before application of the solder, the layer system is advantageously heated to a temperature of at least 300 ° C. for at least 10 s. This has the advantage that defects are healed.
To reduce costs, the layer system applied to the solder side is preferably formed with a total thickness of 100 nm, preferably less than 50 nm, in particular less than 25 nm.
Der Lötvorgang wird bevorzugt unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre (insbesondere Umgebungsluft) ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der maschinelle Aufwand sowie die Betriebskosten deutlich niedriger und der Durchsatz höher sind als bei Löten in O2-armer Atmosphäre oder im Vakuum.The soldering process is preferably carried out under an oxygen-containing atmosphere (in particular ambient air). This has the advantage that the mechanical outlay and the operating costs are significantly lower and the throughput is higher than with soldering in a low-O2 atmosphere or in a vacuum.
Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass für den Lötvorgang das Lot bevorzugt für eine Zeitdauer kleiner 30 s, insbesondere kleiner 10 s, bevorzugt kleiner 3 s aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird ein Lösen der Stoffe der lötbaren Schicht im Lot weiterhin verringert und darüber hinaus eine Beeinträchtigung der Werkstücke aufgrund der Wärmeeinwirkung vermieden oder zumindest verringert. Investigations by the applicant show that for the soldering process the solder is preferably melted for a period of less than 30 s, in particular less than 10 s, preferably less than 3 s. As a result, loosening of the substances of the solderable layer in the solder is further reduced and, in addition, impairment of the workpieces due to the action of heat is avoided or at least reduced.
Die zu lötende Oberfläche des Werkstücks ist diejenige Oberfläche, welche mittels Löten mit dem anderen Werkstück verbunden werden soll.The surface of the workpiece to be soldered is the surface that is to be connected to the other workpiece by means of soldering.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Verbinden temperatursensitiver Werkstücke geeignet. So können Glas, Keramiken (Al2O3, ZrO2 oder andere), ebenso Metallkeramikverbunde (TiC, oder andere) mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet und einem Lötvorgang zugänglich gemacht werden. Die zu lötende Oberfläche ist hierbei typischerweise die unmittelbare Oberfläche des beschriebenen Werkstoffs. Weiterhin können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Oberflächen mit schwer lötbaren Metallen wie beispielsweise Ti, W, Cr, Zr an sich bekannter Lötverfahren unter Verwendung an sich bekannter Lote zugänglich gemacht werden. Die zu lötende Oberfläche ist hierbei entsprechend die Oberfläche der beschriebenen Metallschicht.The method according to the invention is particularly suitable for connecting temperature-sensitive workpieces. Glass, ceramics (Al 2 O 3 , ZrO 2 or others), as well as metal-ceramic composites (TiC, or others) can be coated using the method according to the invention and made accessible to a soldering process. The surface to be soldered is typically the immediate surface of the material described. Furthermore, by means of the method according to the invention, surfaces with metals which are difficult to solder, such as Ti, W, Cr, Zr, can be made accessible using soldering methods known per se using solders known per se. The surface to be soldered is accordingly the surface of the metal layer described.
Insbesondere findet das erfindungsgemäße Verfahren eine vorteilhafte Anwendung bei dem Verbinden eines Werkstücks mittels Löten, welches Werkstück an der Lötseite eine Aluminiumschicht aufweist. Die zu lötende Oberfläche ist hierbei somit die Aluminiumschicht. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere elektrischen und elektronischen Anwendungen, weisen die Bauelemente Aluminiumflächen auf, welche mittels Löten elektrisch und mechanisch leitend mit einem zweiten Werkstück, insbesondere zum elektrischen Zuführen und/oder Abführen von Ladungen, über das zweite Werkstück verbunden werden sollen. Hierfür ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.In particular, the method according to the invention finds an advantageous application when connecting a workpiece by means of soldering, the workpiece having an aluminum layer on the soldering side. The surface to be soldered is therefore the aluminum layer. In a large number of applications, in particular electrical and electronic applications, the components have aluminum surfaces which are to be electrically and mechanically conductively connected to a second workpiece by means of soldering, in particular for the electrical supply and / or discharge of charges, via the second workpiece. The method according to the invention is particularly suitable for this.
Das Schichtsystem des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf diverse Aluminiumoberflächen (mittels Siebdruckpaste hergestellte Aluminiumflächen, mittels PVD hergestellte Aluminiumflächen, Aluminiumfolien, Aluminiumbleche, Aluminiumkörper oder Aluminiumbauteile und -werkzeuge) aufgebracht werden. Es ergeben sich somit nur geringe Einschränkungen, sofern die zu lötende Fläche des Werkstücks mittels eines PVD-Verfahrens beschichtet werden kann. Hierdurch ergibt sich somit insbesondere die vorteilhafte Möglichkeit, Aluminiumflächen eines Werkstücks unter Weichlötbedingungen zu kontaktieren. Dies ermöglicht wiederum weitere Prozessvereinfachungen wie beispielsweise ein Löten unter Normaldruck und Normalatmosphäre, ein Löten bei niedrigeren Temperaturen statt bei Hochtemperaturen (insbesondere statt Hartlöten) sowie der Verzicht auf aggressive Chemikalien, die in vorbekannten Prozessen verwendet werden, um ein Benetzen einer Aluminiumfläche mittels Lot zu ermöglichen.The layer system of the method according to the invention can be applied to various aluminum surfaces (aluminum surfaces produced using screen printing paste, aluminum surfaces produced using PVD, aluminum foils, aluminum sheets, aluminum bodies or aluminum components and tools). There are therefore only minor restrictions if the surface of the workpiece to be soldered can be coated using a PVD process. This results in particular in the advantageous possibility of contacting aluminum surfaces of a workpiece under soft soldering conditions. This in turn enables further process simplifications, such as soldering under normal pressure and normal atmosphere, soldering at lower temperatures instead of high temperatures (in particular instead of brazing), as well as the elimination of aggressive chemicals that are used in previously known processes in order to enable an aluminum surface to be wetted with solder .
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, um photovoltaischen Solarzellen mittels Löten elektrisch zu kontaktieren, insbesondere um die Solarzelle mit einer benachbarten Solarzelle oder einem externen Stromkreis elektrisch leitend zu verbinden. Für viele Solarzellenstrukturen, insbesondere auf Silizium basierenden Solarzellenstrukturen, ist es vorteilhaft, rückseitig eine Aluminium enthaltende oder aus Aluminium bestehende Kontaktierungsstruktur vorzusehen. Insbesondere bei solchen Solarzellen wird das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise zur elektrischen Kontaktierung der Aluminiumoberfläche eingesetzt.The method according to the invention is particularly suitable for electrically contacting photovoltaic solar cells by means of soldering, in particular for electrically connecting the solar cell to an adjacent solar cell or an external circuit. For many solar cell structures, in particular silicon-based solar cell structures, it is advantageous to provide an aluminum-containing or aluminum-containing contact structure on the rear. In the case of such solar cells in particular, the method according to the invention is advantageously used for making electrical contact with the aluminum surface.
Es sind besonders kosteneffiziente Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle bekannt, bei welchen eine Aluminiumfolie zum Ausbilden einer metallischen Kontaktstruktur für ein Halbleiterbauelement, insbesondere für eine auf Silizium basierende photovoltaische Solarzelle verwendet wird. Ein solches Verfahren ist in
Die Verwendung einer Aluminiumfolie zur Kontaktierung eines Halbleiterbauelementes und insbesondere einer photovoltaischen Solarzelle führt zu einer Material- und Prozessvereinfachung und somit zu einer Kostenreduzierung. Zur Verschaltung einer solchen Solarzelle im Modul stellt eine solche Solarzellenstruktur die Verbindungstechnik jedoch vor große Herausforderungen, da die Aluminiumfolie eine geringe Dicke und typischerweise in hohem Maße schlecht mittels eines Lot benetzbare Fläche aufweist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren daher zur elektrischen Kontaktierung einer metallischen Kontaktstruktur eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer photovoltaischen Solarzelle, verwendet, welche metallische Kontaktstruktur mittels einer Aluminiumfolie ausgebildet ist. Eine solche Kontaktstruktur unterscheidet sich von anderen metallischen Kontaktstrukturen somit dadurch, dass keine metallische Schicht erzeugt, insbesondere aufgedampft wird, sondern eine Aluminiumfolie an dem Halbleiterbauelement zur Ausbildung der metallischen Kontaktstruktur angeordnet wird.The use of an aluminum foil for contacting a semiconductor component and in particular a photovoltaic solar cell leads to a simplification of materials and processes and thus to a reduction in costs. To connect such a solar cell in the module, however, such a solar cell structure poses great challenges to the connection technology, since the aluminum foil has a small thickness and typically has a poorly wettable surface with a solder. In an advantageous embodiment, the method according to the invention is therefore used for electrically contacting a metallic contact structure of a semiconductor component, in particular a photovoltaic solar cell, which metallic contact structure is formed by means of an aluminum foil. Such a contact structure differs from other metallic contact structures in that no metallic layer is produced, in particular vapor-deposited, but an aluminum foil is arranged on the semiconductor component to form the metallic contact structure.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit bevorzugt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet, insbesondere wird bevorzugt eine metallische Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle mit einer metallischen Zellverbinderstruktur verbunden. The method according to the invention thus preferably forms an electrically conductive connection between the first and second workpieces, in particular a metallic contacting structure of a photovoltaic solar cell is preferably connected to a metallic cell connector structure.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher bevorzugt das erste Werkstück als Halbleiterbauelement, insbesondere als Solarzelle, bevorzugt als photovoltaische Solarzelle, ausgebildet. Das zweite Werkstück ist bevorzugt als Leitungselement, insbesondere als Zellverbinder, ausgebildet. Mittels des Lots wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet.In the device according to the invention, the first workpiece is therefore preferably designed as a semiconductor component, in particular as a solar cell, preferably as a photovoltaic solar cell. The second workpiece is preferably designed as a line element, in particular as a cell connector. The solder forms an electrically conductive connection between the first and second workpiece.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren erläutert. Dabei zeigt:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem 3-Schichtsystem mit Haftschicht, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem 2-Schichtsystem ohne Haftschicht und -
3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem 3-Schichtsystem mit Anti-Agglomerationsschicht.
-
1 a first embodiment with a 3-layer system with adhesive layer, -
2nd a second embodiment with a 2-layer system without adhesive layer and -
3rd a third embodiment with a 3-layer system with anti-agglomeration layer.
Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.The figures show schematic representations that are not to scale. The same reference symbols in the figures denote the same or equivalent elements.
In allen Figuren ist untenliegend ein erstes Werkstück 1 dargestellt, welches vorliegend als photovoltaische Siliziumsolarzelle ausgebildet ist. Die Rückseite der Solarzelle ist jeweils obenliegend, wobei die Solarzelle rückseitig eine Aluminiumfolie als metallische Kontaktierungsstruktur aufweist, welche mit dem Verfahren gemäß
Die Aluminiumfolie stellt somit die Lötseite des ersten Werkstücks 1 dar, welche somit in den Figuren jeweils obenliegend dargestellt ist.The aluminum foil thus represents the soldering side of the
Auf der Lötseite wird jeweils mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Schichtsystem aufgebracht, um auf der dem ersten Werkstück abgewandten Seite des Schichtsystems anschließend ein Weichlot, bevorzugt ein Zinn-haltiges Lot aufzubringen und in einem Lötvorgang bei einer Temperatur von 250°C für eine Zeitdauer von wenigen Sekunden, insbesondere weniger als 5 Sekunden, eine mechanische und elektrisch leitende Verbindung mit einem (nicht dargestellten) metallischen Zellverbinder als zweites Werkstück auszubilden. Das Lot kann sowohl an der zu lötenden Oberfläche oder an einem Verbindungsstück, wie beispielsweise dem Zellverbinder, aufgebracht werden.A layer system is applied to the soldering side using an exemplary embodiment of a method according to the invention, in order to subsequently apply a soft solder, preferably a tin-containing solder, to the side of the layer system facing away from the first workpiece and in a soldering process at a temperature of 250 ° C. for a period of time of a few seconds, in particular less than 5 seconds, to form a mechanical and electrically conductive connection with a (not shown) metallic cell connector as a second workpiece. The solder can be applied both to the surface to be soldered or to a connecting piece, such as the cell connector.
Jede Figur zeigt somit eine Vorstufe eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, an welcher zur Vervollständigung mittels Lot ein zweites Werkstück in einem Lötvorgang angeordnet wird.Each figure thus shows a preliminary stage of an exemplary embodiment of a device according to the invention, on which a second workpiece is arranged in a soldering process for completion by means of solder.
Das in
- Auf der Lötseite des ersten Werkstücks 1 werden nacheinander eine Haftschicht 2, eine lötbare Schicht 3 und eine Schutzschicht 4 aufgebracht.
Die Haftschicht 2 ist als Cr-Schicht ausgebildet. Zuvor wird in einem Plasmaätzvorgang die Lötseite des ersten Werkstücks 1 konditioniert. Die Dicke der Haftschicht liegtim Bereich 1 nm bis 30 nm, vorliegend 10 nm. Die Haftschicht dient als Haftvermittler zwischen dem ersten Werkstück und den weiteren Schichten. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Haftschicht als CrON-Schicht, Ti-Schicht oder NiCr-Schicht ausgebildet sein.
- On the solder side of the
first workpiece 1, anadhesive layer 2, asolderable layer 3 and aprotective layer 4 are applied in succession. Theadhesive layer 2 is designed as a Cr layer. The soldering side of thefirst workpiece 1 is conditioned beforehand in a plasma etching process. The thickness of the adhesive layer is in therange 1 nm to 30 nm, in the present case 10 nm. The adhesive layer serves as an adhesion promoter between the first workpiece and the further layers. In alternative exemplary embodiments, the adhesive layer can be designed as a CrON layer, Ti layer or NiCr layer.
In dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung der Struktur gemäß
Das Vorsehen einer Haftschicht ist jedoch nicht zwingend notwendig. In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß
Die Schutzschicht 4 ist vorliegend als Ag-Schicht ausgebildet. Ebenso ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel die Verwendung eines anderen Edelmetalls möglich. Die Schutzschicht 4 stellt - wie in den Figuren ersichtlich - stets die obenliegende Schicht dar, auf welcher das Lot zur Verbindung mit dem zweiten Werkstück aufgebracht wird. Die Schutzschicht 4 weist eine mittlere Dicke im Bereich von 2 nm bis 98 nm auf, vorliegend 30 nm. Die Schutzschicht dient dazu, eine Oxidation der lötbaren Schicht zu vermeiden. Ebenso muss die Schutzschicht sich ausreichend schnell im Lot lösen, um ein Weichlöten zu ermöglichen.In the present case, the
Für manche Herstellungsprozesse, insbesondere von photovoltaischen Solarzellen, ist es vorteilhaft, die metallische Kontaktierungsstruktur zu erwärmen, insbesondere in einem sogenannten Annealing. Bei der in
- In einer ersten vorteilhaften Abhandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Legierung ausgebildet, welche die Bildung von Agglomeraten vermeidet. In diesem Fall wird die
Schutzschicht 4 als Legierungsschicht ausgebildet. - In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel wird die
Schutzschicht 4 als Silber-Kupfer-Legierung ausgebildet, mit einem Massenanteil von Kupfer im Bereich 0,02 bis 0,15, vorliegend 0,08. Silber weist einen Massenanteil im Bereich von 0,98 bis 0,85, vorliegend 0,92, auf. Das Ausbilden einer Legierung vermeidet einen diffusionsgesteuerten Agglomerationsprozess, sodass dieStabilität der Schutzschicht 4 auch bei einer Wärmebehandlung wie zuvor beschrieben, insbesondere bei einem Annealing gewährleistet ist.
- In a first advantageous treatment of the method according to the invention, an alloy is formed which avoids the formation of agglomerates. In this case, the
protective layer 4 is formed as an alloy layer. - In a modified exemplary embodiment, the
protective layer 4 is formed as a silver-copper alloy, with a mass fraction of copper in the range 0.02 to 0.15, in the present case 0.08. Silver has a mass fraction in the range from 0.98 to 0.85, in the present case 0.92. The formation of an alloy avoids a diffusion-controlled agglomeration process, so that the stability of theprotective layer 4 is also ensured in the case of a heat treatment as described above, in particular in the case of annealing.
In einer zweiten Variante des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich auf die Schutzschicht 4 eine Anti-Agglomerationsschicht aufgebracht. Vorliegend wird auf die zuvor beschriebene Schutzschicht 4, welche als Ag-Schicht ausgebildet ist, eine Cu oder Ni-Schicht aufgebracht. Untersuchungen zeigen, dass es nicht notwendig ist, dass die Anti-Agglomerationsschicht 5 die Schutzschicht 4 vollständig bedeckt. Vielmehr sind in vielen Fällen schon nicht zusammenhängende Schichten mit einer mittleren Dicke von 0.5-4.5 nm ausreichend. Die Anti-Agglomerationsschicht 5 vermeidet die diffusionsgesteuerte Agglomeration und führt somit zu einer Stabilität der Schutzschicht 4 auch bei einer thermischen Vorbehandlung, insbesondere einem Annealing. Ein solches Schichtsystem, vorliegend ohne Vorsehen einer Haftschicht, ist in
Die Verwendung einer Anti-Agglomerationsschicht 5 oder das Ausbilden der Schutzschicht als Legierung sind jedoch nicht nur vorteilhaft, wenn wie zuvor beschrieben ein Annealing erfolgt. Grundsätzlich sind solche Schichten vorteilhaft, wenn das Schichtsystem eine erhöhte Stabilität aufweisen soll, insbesondere über eine längere Zeitdauer. Wie zuvor beschrieben, sind dünne Silberschichten (insbesondere bei einer Schichtdicke kleiner 50 nm) instabil, wenn sie Umgebungsluft ausgesetzt werden. Durch die Verwendung von Anti-Agglomerationsschichten oder einer als Legierung ausgebildeten Schutzschicht wie zuvor beschrieben kann die Zeitdauer, in welcher die lötbare Schicht Umgebungsluft ausgesetzt ist, erheblich verlängert werden.However, the use of an
In der nachfolgenden Tabelle sind vorteilhafte Ausgestaltungen für erfindungsgemäße Schichtsysteme in jeweils einer Spalte mit dem Material der Schicht (unterstrichen), Schichtdicken in nm (Dickdruck) sowie ggf. mit Legierungsanteilen bei den mittels „:“ genannten Legierungen (kursiv) angegeben. In Klammern sind jeweils vorteilhafte Wertebereiche angegeben:
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- erstes Werkstückfirst workpiece
- 22nd
- HaftschichtAdhesive layer
- 33rd
- lötbare Schichtsolderable layer
- 44th
- SchutzschichtProtective layer
- 55
- Anti-AgglomerationsschichtAnti-agglomeration layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102013219560 A1 [0007, 0066]DE 102013219560 A1 [0007, 0066]
- DE 102006044936 A1 [0052, 0058]DE 102006044936 A1 [0052, 0058]
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