JP2006187788A

JP2006187788A - Ｐｂフリーはんだ、およびこれを使用した接続用リード

Info

Publication number: JP2006187788A
Application number: JP2005001732A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Tsuji; 隆之辻; Takashi Nemoto; 孝根本; Tetsuya Tokumitsu; 哲哉徳光; Chu Bando; 宙坂東; Hiroshi Okikawa; 寛沖川
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: JP4617884B2

Abstract

【課題】高導電性を維持したまま、はんだ接続の際の熱応力を小さくでき、セルの変形が生じにくい接続用リード線に用いるＰｂフリーはんだおよびこれを用いた接続用リード線を提供する。
【解決手段】体積抵抗率が３０×１０^-3μΩ・ｍ以下のコア平板２の両面を２０×１０^-3μΩ・ｍ以下の低体積抵抗率導体２で挟み込んだ平角導体４の一部または全部にメッキするＰｂフリーはんだ３であって、組成がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系をベースとしたＰｂフリーはんだ３である。
【選択図】図２

Description

本発明は、太陽電池のシリコン結晶を接続する際に、はんだ接続時の熱応力が小さく、自身の反りなどの変形が少ない接続用リード線に関し、特に接続用リード線にメッキするはんだを改良したＰｂフリーはんだ、およびこれを用いた接続用リード線に関するものである。

太陽電池には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、シリコン結晶ウェハの所定の領域に接続用リード線をはんだで接合し、これを通じて電力を供給する構成としている。公知例には、導体にタフピッチ銅や無酸素銅などの純銅の平角導体を用い、はんだにＳｎ−Ｐｂ共晶はんだを適用した特許文献１等がある。

また、近年環境への配慮からＰｂを含まないはんだを使用したものへの切り替えが検討されており、公知例として特許文献２等がある。

特開平１１−２１６６０号公報特開２００２−２６３８８０号公報特開２００２−１６４５６０号公報

太陽電池を構成する部材のうち材料コストの大半をシリコン結晶ウェハが占める。そのため、シリコン結晶ウェハの薄板化が検討されており、従来は３５０μｍ以上であった厚みが２５０μｍ以下となっている。しかし、薄板化すると剛性が低下し、接続用リード線の接合時の加熱プロセスや使用時の温度変化においてシリコン結晶ウェハが破損するという不具合が生じやすくなる。これに対処するため、接続用リード線には、はんだ接続時の熱応力が小さいもののニーズが高まっている。

公知例として、銅−インバー（Ｆｅ−３６ｍａｓｕ％Ｎｉ：登録商標）の複合材など熱膨張が小さい材料をクラッドした条をリードフレームとして用いた特許文献３がある。しかし、リードフレームは回路形成時に打ち抜きを行うため、無駄になる材料が大量に生じるという問題がある。

また、銅−インバー−銅をクラッドした平角導体を用いた材料の場合、インバーの両側に配置されている銅材料の結晶の配向または結晶粒の不均一によって、反りなどの変形が生ずることがある。これらは、太陽電池モジュールの生産性低下や、長期間使用した際の発電効率低下など信頼性を低下させる原因となっている。

また、太陽電池に配置される平角導体には曲げ部が存在するが、平角導体の物性によっては曲げ部で破断し、断線するという問題も起きている。

本発明の目的は、高導電性を維持したまま、はんだ接続の際の熱応力を小さくでき、セルの変形が生じにくい接続用リード線に用いるＰｂフリーはんだを提供することが一つであり、また、引張り矯正による平坦化が容易である太陽電池の接続用リード線に用いるＰｂフリーはんだとこれを用いた接続用リード線を提供することが２つ目の目的である。さらに曲げても破断しないように十分な伸びを有し、またコアとコア材料両面の材料との界面において脆性の高い金属間化合物のない太陽電池の接続用リード線に用いるＰｂフリーはんだとこれを用いた接続用リード線を提供することが３つ目の目的である。

上記発明の目的を達成するため、請求項１の発明は、体積抵抗率が３０×１０^-3μΩ・ｍ以下のコア平板の両面を２０×１０^-3μΩ・ｍ以下の低体積抵抗率導体で挟み込んだ平角導体の一部または全部にメッキするＰｂフリーはんだにおいて、組成がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系をベースとしたことを特徴とするＰｂフリーはんだである。

請求項２の発明は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に、Ｉｎを１〜１０％添加した請求項１に記載のＰｂフリーはんだである。

請求項３の発明は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に、Ｐを０．００５〜０．０１５％添加した請求項１または２に記載のＰｂフリーはんだである。

請求項４の発明は、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ
のいずれかを選択した請求項１に記載のＰｂフリーはんだである。

請求項５の発明は、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ
のいずれかを選択した請求項１に記載のＰｂフリーはんだである。

請求項６の発明は、体積抵抗率が３０×１０^-3μΩ・ｍ以下のコア平板の両面に、体積抵抗率が２０×１０^-3μΩ・ｍ以下の低体積抵抗率導体を貼り合わせて平角導体を形成し、その平角導体を、２００〜２８０℃で１〜２時間熱処理を施し、さらにその平角導体に請求項１〜５いずれかに記載のＰｂフリーはんだをめっきしたことを特徴とする接続用リード線である。

請求項７の発明は、コア平板の両面に配置する銅、銀、金、アルミニウム等の低体積抵抗率導体のビッカース硬度が１００以下である請求項６に記載の接続用リード線である。

請求項８の発明は、熱処理後の低体積抵抗率導体は、Ｘ線の回折線（１１１）の強度Ｉ（１１１）と回折線（２００）の強度Ｉ（２００）の強度比Ｉ_R （＝Ｉ（１１１）／｛Ｉ（２００）＋Ｉ（１１１）｝）が、０．１５以上の結晶配向を有する請求項６または７に記載の接続用リード線である。

請求項９の発明は、コア平板の材料としてアルミニウム、銀、金及びその合金を、また、コア平板の両面の低体積抵抗率導体には、金、銀、銅のうちコア材料よりも体積抵抗率が低い金属、またはその金属を主成分とする合金を用いる請求項６〜８いずれかに記載の接続用リード線である。

本発明によれば、導電性を保ちながら平角導体をセルにはんだ接続した際のセルの反りを少なくできる。また、張力付与による形状矯正後も導体の反りが少なく、組み立て性、長期信頼性のいずれも良好となる。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

本発明のＰｂフリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の組成をベースとして、これにＩｎ、Ｐを添加したもので、Ｉｎは、１〜１０％、Ｐは、０．００５〜０．０１５％とするのが望ましい。

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く、接続部材へのダメージが懸念されている。しかし、その中でＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕの組成のものは溶融温度が低く、またこれにＩｎを添加することによって、溶融温度を更に低くすることができるため、はんだ接続時のシリコンセルの変形や破損を減少させることが可能である。しかし、Ｉｎの比率が高くなると粘性が高くなり、作業が低下するため、上記の比率が望ましい。またＰの添加によって、接続作業時のはんだの酸化変色を防止できるため、接続の信頼性を向上できる。

図１に本発明に適用する接続用リード線を図１、図２により説明する。

先ず、コア平板２が低体積抵抗率導体１によって両側から挟みこまれた平角導体４が形成される。

コア平板２の材料には、比較的導電性が高く耐力を低く抑えることができるアルミニウムを、低体積抵抗率導体１の材料には、銅を用いたものを製作している。これらは機械式のスリット装置などによって所定の幅に裁断され、平角導体４とされる。この平角導体４は、後述するが、裁断前にコア平板２の両側に低体積抵抗率導体１を冷間加工等によってクラッドした後、熱処理される。

その後、この平角導体４を図２に示すように、その全体（或いは一部）を本発明のはんだで覆って接続用リード線５が形成される。

太陽光発電用セルには、あらかじめ接合用のはんだが形成されており、上記接続用リード５のはんだ３とセルのはんだによって接合される。

はんだ３は、Ｐｂフリーはんだである。

Ｐｂフリーはんだの組成は、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ
のもの、及びこれらのＡｇ組成が４％である
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ
のものを製作した。

表１に、一部それぞれの組成に対して固相線温度、液相線温度、銅担体の平角線（幅２．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ）セルの反りを１００％とした時の反りの測定値を示す。

表１よりはんだ液相線温度はＩｎの増加と共に低下し、セルの反りは最大で８１．４％程度に低減できた。

本発明の第１実施の形態として、平角導体の寸法が幅２．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの（銅／アルミニウム／銅）クラッド材（比率２：１：２）を製作し、熱処理を行った後、はんだ３をメッキして、接続用リード線５を作製し、これを、厚み２００μｍのシリコンセルへはんだ接続した。

導電率としては９２％ＩＡＣＳと比較的高い値となり、またセルの反りも銅単体の平角線（幅２．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ）に比べて８９％程度に低減できた。

本発明において、コア平板２の材料には、比較的抵抗率が小さくかつ、０．２％耐力が両面の低体積抵抗率導体１より小さい材料を選び、また両側で挟み込む低体積抵抗率導体１は、コア平板２の体積抵抗率（３０×１０^-3μΩ・ｍ）以下の体積抵抗率（２０×１０^-3μΩ・ｍ）を選ぶ理由は次の通りである。

接続用リード線５は、はんだ接続によりセルに固定されるが、両者の熱膨張差のため接続後セルには反りが残留してしまう。このときの発生応力は熱膨張差とともに、平角導体４の耐力（降伏応力）に依存し、その耐力が低い方がセルの反りは小さくなる。しかし、導体としての導電性も必要である。そのため、使用可能な材料は表２のように限定され、また組み合わせも表３の通りとなる。

ここで０．２％耐力は材料によって固有の値ではなく、表２に示す数値は各々の金属の軟化温度を上回る一定の熱処理を施したものである。具体的には２００〜２８０℃で１〜２時間の熱処理を行ったものである。これらの材料の組合わせを用いればクラッド材としても１１０ＭＰａ以下の０．２％耐力を確保でき、かつ、体積抵抗率も比較的低く抑えることが可能である。

平角導体４の導電性とコストを考慮すると、外側の材料は体積抵抗率が低い銅が、またコア材料としては、０．２％耐力が銅よりも小さくでき、比較的体積抵抗率も小さいアルミニウムが望ましい。

導電性を重視する場合にはコア材料として銀を使うことも可能である。また、この他の組み合わせとしては表３のように、銀／アルミニウム／銀、金／アルミニウム／金なども可能である。

本発明において、コア材料にコア両面に用いる材料を貼り合わせた後に２００〜２８０℃で１〜２時間熱処理を施す理由は次の通りである。

平角線の寸法が幅２．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの（銅／アルミニウム／銅）クラッド材（比率２：１：２）を製作し、熱処理無しのときと、熱処理時間を１時間・熱処理温度を２００〜３００℃まで振ったときのそれぞれの０．２％耐力と伸び、界面の金属間化合物の厚さを評価した数値を表４に示す。

このように２００℃以上の熱処理で平角導体を軟化させることができ、０．２％耐力１１０ＭＰａ以下、伸び１５％以上となる。また熱処理温度が高くなるにつれ界面に金属間化合物が成長し、伸びが小さくなっている。これは金属間化合物は脆性が高く、その割合が増えると全体の伸びが小さくなるためと推察される。

また、界面金属化合物層の厚さを３．０μｍよりも厚くすると、その界面金属化合物層の部分が平角導体を太陽電池に接続する際の曲げに追従できないため破断してしまい、平角導体全体の導電率が落ちてしまう。界面金属化合物層の厚さを３．０μｍ以下にするためには、表３に示すように、熱処理温度を２８０℃以下にする必要がある。

本発明において、低体積抵抗率材料のビッカース硬度を１００以下と規定する理由は以下の通りである。

これらは導体に柔軟性を付与して取り扱い性を向上させるためであり、各々規定値以上の硬度では、導体剛性が高くなりすぎ、好ましくない。

また、複合材の低体積抵抗率材料の結晶配向性を、Ｘ線の回折線（１１１）の強度Ｉ（１１１）と回折線（２００）の強度Ｉ（２００）の強度比Ｉ_R （＝Ｉ（１１１）／｛Ｉ（２００）＋Ｉ（１１１）｝）が、０．１５以上の結晶配向を有するように規定する理由は次の通りである。

低体積抵抗率材の結晶粒の面内配向（クラッド材表面の法線方向配向）は、主として（１１１）面、（２００）面が支配的となる。

クラッド材の製造工程において、冷間加工を経て得られる低体積抵抗率材の再結晶の配向（集合組織）が（２００）面が支配的になると、再結晶粒が粗大化してしまい、クラッド材からなるリード線をセル面と良好にはんだ付けしやすいように引っ張り応力を付加して直線状に矯正しようとすると、反りが生じやすい。

表５にＸ線の測定例を示す。

はんだ付けを行う製造ラインにおいて、（１１１）の回折強度と（２００）の回折強度の比（Ｉ_R ）（＝Ｉ（１１１）／｛Ｉ（２００）＋Ｉ（１１１）｝）が、従来品のように０．１５以下であると反りが生じ、セルとのはんだ付けが良好にできず、好ましくない。

一方、本発明品のように、冷間加工後に熱処理（２００〜２８０℃）を行うことで、回折強度の比（Ｉ_R ）が０．１５よりも大きくなり、結晶の配向がランダムで等方的な材料となり、反りが生じない。

本発明が適用される接続用リード線の平角導体の横断面図である。図１の平角導体を本発明のはんだで全面を覆った接続用リード線の横断面図である。

符号の説明

１低体積抵抗導体
２コア平板
３はんだ
４平角導体
５接続用リード線

Claims

体積抵抗率が３０×１０^-3μΩ・ｍ以下のコア平板の両面を２０×１０^-3μΩ・ｍ以下の低体積抵抗率導体で挟み込んだ平角導体の一部または全部にメッキするＰｂフリーはんだにおいて、組成がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系をベースとしたことを特徴とするＰｂフリーはんだ。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に、Ｉｎを１〜１０％添加した請求項１に記載のＰｂフリーはんだ。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に、Ｐを０．００５〜０．０１５％添加した請求項１または２に記載のＰｂフリーはんだ。
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ
のいずれかを選択した請求項１に記載のＰｂフリーはんだ。
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−４％Ｉｎ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−７％Ｉｎ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ−０．０１％Ｐ、
Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−１２％Ｉｎ
のいずれかを選択した請求項１に記載のＰｂフリーはんだ。
体積抵抗率が３０×１０^-3μΩ・ｍ以下のコア平板の両面に、体積抵抗率が２０×１０^-3μΩ・ｍ以下の低体積抵抗率導体を貼り合わせて平角導体を形成し、その平角導体を、２００〜２８０℃で１〜２時間熱処理を施し、さらにその平角導体に請求項１〜５いずれかに記載のＰｂフリーはんだをめっきしたことを特徴とする接続用リード線。
コア平板の両面に配置する銅、銀、金、アルミニウム等の低体積抵抗率導体のビッカース硬度が１００以下である請求項６に記載の接続用リード線。
熱処理後の低体積抵抗率導体は、Ｘ線の回折線（１１１）の強度Ｉ（１１１）と回折線（２００）の強度Ｉ（２００）の強度比Ｉ_R （＝Ｉ（１１１）／｛Ｉ（２００）＋Ｉ（１１１）｝）が、０．１５以上の結晶配向を有する請求項６または７に記載の接続用リード線。
コア平板の材料としてアルミニウム、銀、金及びその合金を、また、コア平板の両面の低体積抵抗率導体には、金、銀、銅のうちコア材料よりも体積抵抗率が低い金属、またはその金属を主成分とする合金を用いる請求項６〜８いずれかに記載の接続用リード線。