JP2005353549A - リード線及びその製造方法並びに太陽電池アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだ接合後の熱収縮が少なく、導電率が良好なリード線及びその製造方法並びに太陽電池アセンブリを提供するものである。
【解決手段】 本発明に係るリード線１０は、平角導体１１の外周の少なくとも一部をはんだ膜１５で被覆したものであり、平角導体１１を、複数本の素線１２を撚り合わせた撚線を偏平させてなる偏平体で構成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池のシリコン結晶ウェハと接続されるリード線及びその製造方法並びに太陽電池アセンブリに関するものである。

太陽電池として、基板上にシリコン結晶を成長させた半導体チップが使用されている。図４に示すように、この半導体チップを切断、分割してなるシリコン結晶ウェハ（以下、シリコンセルと記す）４１の所定の領域（接点領域）に、はんだ付けなどにより接続用リード線４２が接合され、この接続用リード線４２を通じて電力が伝送（出力）される。

通常、接続用リード線として、導体の表面に、シリコンセルとの接続のためのはんだめっき膜が形成される。例えば、図５に示すように、導体としては、タフピッチ銅や無酸素銅などの純銅の平角導体５１を用い、はんだめっき膜５５としては、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いた接続用リード線５０がある（例えば、特許文献１参照）。

また、近年、環境への配慮から、はんだめっき膜の構成材として、Ｐｂを含まないはんだ（Ｐｂフリーはんだ）への切り替えが検討されている（例えば、特許文献２参照）。

ところで、太陽電池を構成する部材の内、シリコンセルが材料コストの大半を占めていることから、製造コストの低減を図るべく、シリコンセルの薄板化が検討されている。しかし、シリコンセルを薄板化すると、接続用リード線のはんだ接合時における加熱プロセスや、太陽電池使用時における温度変化により、シリコンセルに反りが生じたり、破損が生じたりするという不具合が生ずる。例えば、図６（ａ）に示すように、はんだ接合前は平面状であったシリコンセル６１及びリード線６２をはんだ接合することにより、はんだ接合後の熱収縮により、図６（ｂ）に矢印６５で示すように反りが生じてしまう。

特開平１１−２１６６０号公報 特開２００２−２６３８８０号公報

この問題に対処すべく、接続用リード線として、熱膨張が小さいもののニーズが高まっている。例えば、熱膨張が小さいリード線の一例として、図７に示すように、銅材７２ａ−インバー（登録商標）材７３−銅材７２ｂのクラッド材である平角導体７１をはんだ膜７５で被覆したリード線７０がある。

ところで、図７に示したリード線７０は、インバー（登録商標）が低熱膨張であるため、シリコンセルを構成するＳｉとの熱膨張整合が可能である。しかしながら、インバー（登録商標）はＣｕと比べて導電率が低いことから、リード線全体としての導電率が低下してしまう。その結果、太陽電池としての発電効率が低下するという問題があった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、はんだ接合後の熱収縮が少なく、導電率が良好なリード線及びその製造方法並びに太陽電池アセンブリを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るリード線は、撚線を断面矩形状に変形させた矩形体の外周の少なくとも一部を、はんだ膜で被覆したものである。また、本発明に係るリード線は、複数本の編組線を束ねた複合体を断面矩形状に変形させた矩形体の外周の少なくとも一部を、はんだ膜で被覆したものである。

本発明に係るリード線は、平角導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記平角導体を、複数本の素線を撚り合わせた撚線を偏平させてなる偏平体で構成したものである。また、本発明に係るリード線は、平角導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記平角導体を、複数本の編組線を束ねた複合体を偏平させてなる偏平体で構成したものである。

ここで、撚線は、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成される。好ましくは、撚線は、Ｃｕ素線とFe-Ni合金素線とで構成される。一方、編組線は、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成される。好ましくは、編組線は、Ｃｕ素線とFe-Ni合金素線とで構成される。Ｃｕ素線及びFe-Ni合金素線の各断面積の比（Cu／Fe-Ni）は3.0〜5.0が好ましい。

また、矩形体及び平角導体の0.5％耐力は70MPa以下が好ましい。はんだ膜はSn-Ag-Cu系Ｐｂフリーはんだ合金で構成することが好ましい。矩形体及び平角導体の導電率は60％ＩＡＣＳ以上が好ましい。

一方、本発明に係るリード線の製造方法は、複数本の素線を撚り合わせた撚線に圧延加工を施して断面偏平状の偏平体を形成し、その偏平体を平角導体とし、平角導体の外周の少なくとも一部にはんだめっきを行い、はんだ膜を形成するものである。

また、本発明に係るリード線の製造方法は、複数本の編組線を束ねた複合体に圧延加工を施して断面偏平状の偏平体を形成し、その偏平体を平角導体とし、平角導体の外周の少なくとも一部にはんだめっきを行い、はんだ膜を形成するものである。

一方、本発明に係る太陽電池アセンブリは、上述した本発明に係るリード線とシリコンセルとをはんだ接合したものである。

本発明によれば、はんだ接合後の熱収縮が少ないリード線を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係るリード線の横断面図を図１に示す。

本実施の形態に係るリード線は、撚線を断面矩形状に変形させた矩形体の外周の少なくとも一部をはんだ膜１５で被覆したものである。より具体的には、図１に示すように、本実施の形態に係るリード線１０は、複数本の素線１２（図１中では７本の場合を図示）を撚り合わせた撚線を偏平させて偏平体とし、この偏平体（平角導体１１）の外周全体をはんだ膜１５で被覆したものである。

撚線は、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成され、素線１２間の間隔が大きい（空隙率が高い）ものが好ましい。ここで言うＣｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線とは、Ｃｕ又はＣｕ合金、Ａｌ又はＡｌ合金、Ａｇ又はＡｇ合金、Ａｕ又はＡｕ合金で構成された素線である。Fe-Ni合金素線の構成材としては、好ましくはインバー（登録商標）が挙げられる。

この時、コストパフォーマンスを重視する場合はＣｕ素線を用いるのが好ましい。また、低体積抵抗率（高導電性）を重視する場合はＡｇ素線を用いるのが好ましい。さらに、軽量性を重視する場合はＡｌ素線を用いるのが好ましい。また、はんだ接合後の低熱収縮性（熱収縮が少ないこと）を重視する場合は、異種素線を複合させることが好ましく、特にＣｕ素線（又はＡｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線のいずれか）とFe-Ni合金素線とを組み合わせたものが好ましい。Ｃｕ素線及びFe-Ni合金素線の各断面積の比（Cu／Fe-Ni）は、3.0〜5.0、好ましくは4.0前後となるように調整される。この調整は、Ｃｕ素線及びFe-Ni合金素線の本数を調整することによってなされる。

はんだ膜１５は、Sn-Pb共晶はんだや、Ｐｂフリーはんだで構成され、好ましくはSn-Ag-Cu系のＰｂフリーはんだが挙げられる。また、Sn-Ag-Cu系のＰｂフリーはんだは、更にＩｎ及び／又はＰを含んでいてもよい。Ｉｎの含有量は1〜10重量％、Ｐの含有量は0.005〜0.015重量％が好ましい。例えば、Sn-Ag-Cu系のＰｂフリーはんだとしては、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-0.01P、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-3In、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-3In-0.01P、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-5In、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-5In-0.01P、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-8In、
Sn-3(又は4)Ag-0.5Cu-8In-0.01P、
等が挙げられる（単位はいずれも重量％）。ここで、Ｉｎの含有量を1〜10重量％としたのは、10重量％を超えて含有させると、溶融はんだの粘性が高くなり、はんだ付け作業性が低下するためである。また、Ｐの含有量を0.005〜0.015重量％とすることで、はんだ付け作業時におけるはんだの酸化変色を防止することができるため、接続（はんだ付け）の信頼性を向上させることができる。

はんだ膜１５の膜厚は、平角導体１１の厚さの1/30〜1/3、好ましくは1/10〜1/3、特に好ましくは1/5とされる。

矩形体、すなわち平角導体１１の0.5％耐力は70MPa以下、好ましくは60MPa以下、より好ましくは50MPa以下、特に好ましくは40MPa以下とされる。ここで言う0.5％耐力とは、0.5％の伸びを生ずる時の応力値を示している。また、矩形体、すなわち平角導体１１の導電率は60％ＩＡＣＳ以上が好ましい。

はんだ膜１５による平角導体１１の被覆は、平角導体１１の外周の一部（例えば、平角導体１１の上面及び／又は下面）だけであってもよい。このリード線１０を、シリコンセル（太陽電池モジュール（図示せず））におけるセル面の所定の接点領域（例えば、Ａｇめっき領域）及びフレーム部材（例えば、リードフレーム）の所定の接点領域に接続することで、太陽電池アセンブリが得られる。セル面及びリードフレームの所定の接点領域にも、接合用のはんだ膜を設けていてもよい。

次に、本実施の形態に係るリード線１０の製造方法を、添付図面に基づいて説明する。

平角導体１１を構成する偏平体の製造は、図２に示すロール圧延機２０や、通常の圧延機を用いて行う。具体的には、撚線をロール圧延機２０の圧延ロール２１ａ，２１ｂ間に通すことで、撚線が偏平されて偏平体が得られる。この時、幅方向（図２中では左右方向）の中央部に位置する撚線の素線２２ａは圧縮率が高く、幅方向の両側部に位置する撚線の素線２２ｂは圧縮率が低くなる。また、撚線が異種素線の複合線で構成される場合、熱収縮が少ない素線（例えば、インバー（登録商標）素線）を撚線の外側に配置することが好ましい。これは、はんだ接合時、平角導体１１の外周部が最も熱的影響を受ける（高温となる）ためである。

この偏平体を平角導体１１とし、平角導体１１の外周の少なくとも一部にはんだめっきを行うことではんだ膜１５が形成され、図１に示した本実施の形態に係るリード線１０が得られる。この時、はんだ膜１５の形成方法は、特に限定するものではなく、導体に対する慣用のめっき方法が全て適用可能である。

得られたリード線１０は、シリコンセルの所定の接点領域に接合され、太陽電池アセンブリとされる。

次に、本実施の形態に係るリード線１０の作用を説明する。

リード線とシリコンセルとのはんだ接合時、熱付与によってリード線の平角導体が熱膨張する。例えば、Ｃｕ導体の熱膨張率は0.3％程度である。リード線は、平角導体が熱膨張した状態でシリコンセルとはんだ接合される。その後、熱付与を止めることではんだが冷却され、凝固するが、この冷却時に平角導体が熱収縮するため、シリコンセルに反りが生じる。ここで、平角導体にテンションを付与して0.5％程度の伸びを生じさせた時の0.5％耐力がゼロに近い程、熱収縮がシリコンセルに与える影響が小くなる。

同じ材料を用いて同じ断面積の中実導体及び撚線導体を作製した場合、ある温度における熱膨張量は同じである。しかし、中実導体を平角導体として用いたリード線（図５参照）及び撚線導体を平角導体として用いたリード線（図１参照）を、それぞれシリコンセルとはんだ接合させた場合、熱付与後の各リード線に残留する応力はそれぞれ異なっている。この残留した応力値が、シリコンセルの反り量を決定する要因となる。

ここで、本実施の形態に係るリード線１０では、平角導体１１を撚線の偏平体で構成すると共に、平角導体１１の0.5％耐力を70MPa以下に調整している。0.5％耐力値は、平角導体１１を構成する撚線の素線１２の間隔を調整することで自在に調整可能であり、素線間隔が大きいほど、0.5％耐力値は小さくなる。撚線は、素線間に空間を有しているため、撚線を偏平させてなる偏平体においても、素線間に僅かながら空間を有している。このため、平角導体１１に外力（テンション）が作用しても、素線間の空間を利用して各素線が移動することで、外力が緩和、緩衝される。

よって、本実施の形態に係るリード線１０とシリコンセルとをはんだ接合すると、熱付与時に平角導体１１が熱膨張するが、各素線が移動することで、平角導体１１に生じる応力は小さくなる（平角導体１１の0.5％耐力値は小さくなる）。その結果、平角導体１１に残留される応力も小さくなることから、熱付与後の熱収縮時において、平角導体１１の熱収縮がシリコンセルに及ぼす影響が小さくなる。

これに対して、中実導体を平角導体として用いたリード線においては、中実導体に外力（テンション）を作用させても、外力が緩和、緩衝されることはない。よって、このリード線とシリコンセルとをはんだ接合すると、熱付与時に平角導体が熱膨張し、そのまま平角導体に応力として残留する。その結果、熱付与後の熱収縮時に、平角導体の熱収縮によってシリコンセルに大きな反りが生じる。

以上より、本実施の形態に係るリード線１０を太陽電池の接続用リード線として用いることで、はんだ接合後のシリコンセルにおいて反りはほとんど生じなくなる。シリコンセルの反り量は2.5ｍｍ未満が好ましく、より好ましくは2.0ｍｍ以下、特に好ましくは1.5ｍｍ以下とされる。また、本実施の形態に係るリード線１０は、シリコンセルとのはんだ付け後にセル反りが殆ど生じないことから、太陽電池アセンブリの生産性向上を図ることができる。

また、これまでは、リード線とシリコンセルとのはんだ接合時における熱膨張量を少なくすることを重視した場合、はんだ膜１５を構成するはんだとして、低融点のSn-Pb共晶はんだが多用されていた。このことが、Ｐｂフリー化を阻む要因となっていた。ところが、本実施の形態に係るリード線１０は、はんだ接合後の熱収縮が少ないことから、Sn-Pb共晶はんだよりも融点が高いＰｂフリーはんだを用いることが可能となる。

一般に、Ｐｂフリーはんだは、Sn-Pb共晶はんだに比べて溶融温度が高いため、はんだ接合により、接続部材（セル面及びリードフレームの接点領域）へのダメージが懸念される。しかし、Ｐｂフリーはんだの中で、Sn-3Ag-0.5Cu系はんだ及びSn-4Ag-0.5Cu系はんだ（単位はいずれも重量％）は、溶融温度が低いという特長を有している。また、これらのはんだに更にＩｎ及び／又はＰを含ませることによって、はんだの溶融温度を更に低くすることができる。これらの組成のSn-Ag-Cu系Ｐｂフリーはんだを用いることで、はんだ接合時におけるシリコンセルの変形や破損のおそれを更に低減させることができる。

本実施の形態に係るリード線１０を用いてシリコンセルとはんだ接合を行う際に、図５や図７に示したリード線５０，７０を用いた場合とセル反り量が同じであってよい場合、リード線１０の導電率を向上させることができる。また、本実施の形態に係るリード線１０を用いてシリコンセルとはんだ接合を行う際に、図５や図７に示したリード線５０，７０を用いた場合と導電率が同じであってよい場合、リード線１０のセル反りをより小さくすることができる。

本実施の形態に係るリード線１０は、太陽電池アセンブリのリード線として適用することができる他に、はんだ接合後の反りが問題となる全ての部品のリード線として使用することが可能である。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の他の好適一実施の形態に係るリード線の横断面図を図３に示す。尚、図１と同じ部材であるはんだ膜については、図３においても同じ符号を付しており、この部材については説明を省略する。

本実施の形態に係るリード線は、複数本の編組線を束ねた複合体を断面矩形状に変形させた矩形体の外周の少なくとも一部をはんだ膜１５で被覆したものである。より具体的には、図３に示すように、複数本の編組線３２を束ね（図３中では４本束ねの場合を図示）たものが複合体３３とされる。この複合体３３を複数本（図３中では１８本の場合を図示）束ねたものが偏平体とされ、この偏平体（平角導体３１）の外周全体をはんだ膜１５で被覆したものが、本実施の形態に係るリード線３０とされる。複合体３３は、複数本の編組線３２を撚り合わせたものであってもよい。

編組線３２は、前実施の形態における撚線と同様に、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成される。編組線３２は小径になるほど、平角導体３１の中実率が高くなる。

次に、本実施の形態に係るリード線３０の製造方法を、添付図面に基づいて説明する。

平角導体３１を構成する偏平体の製造は、図３に示した複合体３３を平行に複数本（図３中では９本の場合を図示）配列して複合体群とし、この複合体群を複層（図３中では２層の場合を図示）に重ねることで、偏平体が形成される。ここで、複数本の複合体３３を撚り合わせた撚線を、図２に示したロール圧延機２０を用いて圧延、偏平させて偏平体としてもよい。

この偏平体を平角導体３１とし、平角導体３１の外周の少なくとも一部にはんだめっきを行うことではんだ膜１５が形成され、図３に示した本実施の形態に係るリード線３０が得られる。

本実施の形態に係るリード線３０においても、前実施の形態に係るリード線１０と同様の作用効果が期待される。また、本実施の形態に係るリード線３０の平角導体３１を構成する編組線３２は、図１に示した撚線１２と比べて、線全体に占める空間の割合が大きい。このため、リード線３０は、リード線１０と比較して、応力緩和効果が更に高くなり、その結果、シリコンセルの反り量がより小さくなる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
外径が0.26ｍｍのタフピッチ銅（TPC）素線を７本撚りあわせ、撚線を作製した（断面積は約0.37ｍｍ²）。この撚線の素線間隔は0.003ｍｍとし、その0.5％耐力は50MPaとした。

この撚線を図２に示したロール圧延機を用いて圧延し、平角状の偏平体（平角導体）を作製した。この平角導体の周囲に、Sn-3Ag-0.5CuのＰｂフリーはんだめっき膜を0.02ｍｍの膜厚で形成し、図１に示した構造のリード線を作製した。

（実施例２）
撚線の素線間隔が0.010ｍｍ、その0.5％耐力が0MPaである以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。

（従来例１）
インバー（登録商標）製で、幅が2.0ｍｍ、板厚が0.037ｍｍの板材を、Ｃｕ製で、幅が2.0ｍｍ、板厚が0.074ｍｍ板材で挟んでなる幅2.0ｍｍ、板厚0.185ｍｍのクラッド材（平角導体）を作製した（断面積は0.37ｍｍ²）。

この平角導体の周囲に、Sn-3Ag-0.5CuのＰｂフリーはんだめっき膜を0.02ｍｍの膜厚で形成し、図７に示した構造のリード線を作製した。

実施例１，２及び従来例１の各リード線と200μｍ厚のシリコンセルとをそれぞれはんだ接続し、接続後におけるシリコンセルの反り量（セル反り：ｍｍ）を評価した。実施例１，２及び従来例１の各リード線の構造及び評価結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１のリード線を用いた場合、セル反りが2.5ｍｍと大きかった。

これに対して、実施例１，２の各リード線を用いた場合、セル反りは1.6ｍｍ、0.3ｍｍであり、いずれも規定値（2.5ｍｍ未満）を満足していた。このことから、0.5％耐力を50MPa以下とすることで、セル反りを1.6ｍｍ以下に小さくすることができ、太陽電池用のリード線として好適であることが確認できた。

本発明の好適一実施の形態に係るリード線の横断面図である。 平角導体の製造方法を説明するための模式図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係るリード線の横断面図である。 シリコンセルとリード線との接続状態を示す図である。 従来のリード線の横断面図である。 シリコンセルとリード線とのはんだ接合前後の状態を示す模式図である。 低熱膨張型の平角導体を用いたリード線の横断面図である。

符号の説明

１０ リード線
１１ 平角導体
１２ 素線
１５ はんだ膜

Claims (15)

1. 撚線を断面矩形状に変形させた矩形体の外周の少なくとも一部を、はんだ膜で被覆したことを特徴とするリード線。
2. 複数本の編組線を束ねた複合体を断面矩形状に変形させた矩形体の外周の少なくとも一部を、はんだ膜で被覆したことを特徴とするリード線。
3. 平角導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記平角導体を、複数本の素線を撚り合わせた撚線を偏平させてなる偏平体で構成したことを特徴とするリード線。
4. 平角導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記平角導体を、複数本の編組線を束ねた複合体を偏平させてなる偏平体で構成したことを特徴とするリード線。
5. 上記撚線が、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成される請求項１又は３記載のリード線。
6. 上記撚線が、Ｃｕ素線とFe-Ni合金素線とで構成される請求項５記載のリード線。
7. 上記編組線が、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成される請求項２又は４記載のリード線。
8. 上記編組線が、Ｃｕ素線とFe-Ni合金素線とで構成される請求項７記載のリード線。
9. 上記Ｃｕ素線及び上記Fe-Ni合金素線の各断面積の比（Cu／Fe-Ni）が3.0〜5.0である請求項６又は８記載のリード線。
10. 上記矩形体及び上記平角導体の0.5％耐力が70MPa以下である請求項１から９いずれかに記載のリード線。
11. 上記はんだ膜がSn-Ag-Cu系Ｐｂフリーはんだ合金で構成される請求項１から１０いずれかに記載のリード線。
12. 上記矩形体及び上記平角導体の導電率が60％ＩＡＣＳ以上である請求項１から１１いずれかに記載のリード線。
13. 複数本の素線を撚り合わせた撚線に圧延加工を施して断面偏平状の偏平体を形成し、その偏平体を平角導体とし、平角導体の外周の少なくとも一部にはんだめっきを行い、はんだ膜を形成することを特徴とするリード線の製造方法。
14. 複数本の編組線を束ねた複合体に圧延加工を施して断面偏平状の偏平体を形成し、その偏平体を平角導体とし、平角導体の外周の少なくとも一部にはんだめっきを行い、はんだ膜を形成することを特徴とするリード線の製造方法。
15. 請求項１から１２いずれかに記載のリード線とシリコンセルとをはんだ接合したことを特徴とする太陽電池アセンブリ。
    

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