JP2008098315A - 太陽電池用はんだめっき線およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池との接合信頼性が十分得られ、かつ太陽電池との接合時に太陽電池の反りを少なくするために要求されるはんだめっき被覆による０．２％耐力の増大を抑制することを可能とする。
【解決手段】 平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆された太陽電池用はんだめっき線であって、前記太陽電池用はんだめっき線の引張り試験における０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下であり、かつ前記被覆されたはんだめっきの厚さが５〜１２０μｍである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池用はんだめっき線およびその製造方法に係り、特に、太陽電池のシリコンセルとはんだ接続するのに好適な太陽電池用はんだめっき線およびその製造方法に関するものである。

基板上にシリコン結晶を成長させた太陽電池においては、図５に示すように、通常、シリコン結晶ウェハ（シリコンセル）５１の所定の領域に接続用リード線５３を接合し、これを通じて電力を伝送する構成としている。

上記接続用リード線５３は、平角導体の表面に、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６に示すように、平角導体６１としてタフピッチ銅や無酸素銅などの純銅を用い、その外側に形成されたはんだめっき膜６３として、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いたものがある（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うち、シリコン結晶ウェハ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結晶ウェハの薄板化が検討されている。しかし、シリコン結晶ウェハを薄板化すると、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、図７に示すように、はんだ接続前（ａ）はフラットであったシリコンセル５１及び接続用リード線５３が、はんだ接続後（ｂ）にはんだめっき５５を介して接続したシリコンセル５１と接続用リード線５３が反ったり、破損したりするおそれがあった。このため、これに対処すべく、接続用リード線５３として、熱膨張の小さい線材のニーズが高まっている。

熱膨張の小さい接続用リード線の従来例として、図８に示すように、インバー（Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ）７３をＣｕ材７１でクラッドし、表面にはんだめっき膜７５を形成したクラッド材が採用される場合もある。

図４に、このような銅−インバー−銅（Ｃｕ／Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ／Ｃｕ）のクラッド材特性を、Ｃｕ単独、インバー単独（Ｆｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ）、シリコン単独の材料特性と比較して示す。インバー単独ではなくクラッド材を採用するのは、同図からわかるように、インバーの体積抵抗率がＣｕに比べて５０倍近く大きいため、接続用リード線全体の体積抵抗率をＣｕ材で下げるためである。Ｃｕよりも熱膨張係数の小さいクラッド材を用いると、Ｃｕを用いた場合と比べて、シリコンとの熱膨張整合が可能になるので、シリコンセルと接続用リード線が反ったり、破損したりするおそれが低減する。

しかしながら、銅−インバー−銅の３層構造による接続用リード線では、インバーの両面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、なお太陽電池に反りなどの変形が生ずることがあった。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た。加えて、側面の銅−インバー−銅接合部が水分にさらされることにより、局部電池化し腐食するおそれもあった。
また、熱膨張の小さいインバーを用いて、銅−インバー−銅をクラッドした平角導体を製造すると、シリコンとの熱膨張整合が可能になるものの、Ｃｕに比べて体積抵抗率が増大するため、導電率が低下して太陽電池としての発電効率が下落する。しかも、インバーにはニッケル（Ｎｉ）が３６％程度も含まれているため、高価になってしまうという欠点があった。
更に、インバーを用いたリードフレームでは、回路形成時に打抜き加工を行うため、無駄になる材料が大量に発生してしまい、製造コストの上昇を招くという問題もあった。

そこで、上述したクラッド材を使用して反りや破損を低減する代わりに、導電率の高い導体の０．２％耐力値を低減することにより、はんだ接続後の導体熱収縮によって発生する、シリコンセルを反らせる力を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−２１６６０号公報 特開２００２−２６３８８０号公報 特開２００６−５４３５５号公報

しかしながら、特許文献３に記載の技術では、導体の０．２％耐力値の上限を規定することにより、太陽電池との熱膨張整合が可能になるものの、導体にはんだめっきを被覆することで、０．２％耐力値がはんだ被覆前よりも増大してしまうため、なお改善の余地がある。
太陽電池を反らせる力を低減するためには、はんだめっきが被覆された太陽電池用はんだめっき線の０．２％耐力値が、ある基準以下である必要があるが、これまでは、はんだめっきが被覆された太陽電池用はんだめっき線の０．２％耐力値に関する規定は示されていなかった。そのため、導体の０．２％耐力を低減することにより、導体がある基準以下の０．２％耐力値を有していても、はんだめっき工程を経て太陽電池用はんだめっき線とした場合にも、太陽電池用はんだめっき線が０．２％耐力値に関して有効なレベルを維持していることの保証が得られなかった。
かといって、太陽電池用はんだめっき線が０．２％耐力値に関して有効なレベルを維持していることの保証を得るために、はんだめっき被覆前の導体の０．２％耐力値から、はんだめっき被覆後の太陽電池用はんだめっき線の０．２％耐力値を予測することは困難であった。その理由は、導体にはんだめっきを被覆する工程を経る際に、導体に対し引張等の変形が加わり、０．２％耐力値も増加してしまうためである。

本発明の目的は、太陽電池との接合信頼性が十分得られ、かつ太陽電池との接合時に、太陽電池の反りを少なくするために要求されるはんだめっき被覆による０．２％耐力の増大を抑制することが可能な太陽電池用はんだめっき線およびその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、太陽電池の反りを少なくするために要求される０．２％耐力値を容易に測定することが可能な太陽電池用はんだめっき線およびその製造方法を提供することができる。
また、本発明の目的は、コストがかからず簡易な方法で製造することが可能な太陽電池用はんだめっき線およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一態様によれば、平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆された太陽電池用はんだめっき線であって、前記太陽電池用はんだめっき線の引張り試験における０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下であり、かつ前記被覆されたはんだめっきの厚さが５〜１２０μｍである太陽電池用はんだめっき線が提供される。
好ましくは前記導体の体積抵抗率を５０μΩ・ｍｍ以下とする。また、好ましくは前記はんだめっきが、Ｓｎ系はんだ、または第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだとする。また、好ましくは前記導体がＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種とする。また、好ましくは前記導体がタフピッチＣｕ、低酸素Ｃｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、および高純度Ｃｕ（９９．９９９９％以上）からなる群から選ばれた１種とする。

本発明の他の態様によれば、導体を圧延またはスリット加工によって平角状断面に成形し、前記平角状断面に形成された導体の表面の一部又は全部に厚さ５〜１２０μｍのはんだめっきを被覆し、前記はんだめっきを被覆した太陽電池用はんだめっき線の引張り試験における０．２％耐力値を９０ＭＰａ以下とする太陽電池用はんだめっき線の製造方法が提供される。
好ましくは、前記導体を、その体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下とする。また好ましくは、前記はんだめっきが、Ｓｎ系はんだ、または第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだとする。また好ましくは、前記導体がＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種とする。また好ましくは、前記導体がタフピッチＣｕ、低酸素Ｃｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、および高純度Ｃｕ（９９．９９９９％以上）からなる群から選ばれた１種とする。

本発明によれば、太陽電池との接合信頼性が十分得られ、かつ太陽電池との接合時に、太陽電池の反りを少なくするために要求されるはんだめっき被覆による０．２％耐力の増大を抑制することができる。
また、本発明によれば、太陽電池の反りを少なくするために要求される０．２％耐力値を容易に測定することができる。
また本発明によれば、コストがかからず簡易な方法で製造することができる。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。ここでは、太陽電池用はんだめっき線は、太陽電池用導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆されたものをいう。

（太陽電池用導体）
一実施の形態の太陽電池用導体（以下、導体という）は、太陽電池モジュール（シリコン結晶ウェハ）のシリコンセル面ヘのはんだ接続が容易となるように、軟質材の導体の外形形状が断面平角状とされている。

（導体の体積抵抗率）
上記導体は、太陽電池の発電ロスを軽減する観点から、体積抵抗率が比較的小さい導体材料、例えば、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の材料を用いることが好ましい。
体積抵抗率が比較的小さい導体材料としては、図３に示すように、Ｃｕの他にＡｕ，Ａｇ，Ａｌなどがある。この中で体積抵抗率が最も低いのはＡｇであり、発電効率を最大限にすることが可能である。一方、低コスト化を優先するときにはＣｕが良く、軽量化を図りたいときにはＡｌを選択するのが望ましい。
特にＣｕの種類としてはタフピッチＣｕ、低酸素Ｃｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、高純度Ｃｕ（純度９９．９９９９％以上）のいずれを用いることも可能である。導体の引張り試験における０．２％耐力を最も小さくするためには純度が高いＣｕが有利であり、すなわち高純度Ｃｕ（純度９９．９９９９％以上）を選択する。一方、不純物が入り０．２％耐力は大きくなるが低コスト化を図りたい時には、タフピッチＣｕもしくはリン脱酸Ｃｕを選択する。

（導体の０．２％耐力値）
一般に熱膨張率の異なる異種金属を高温で接続した場合には、温度変化に熱膨張率、ヤング率を積算した値が反りを発生させる力となる。しかし、太陽電池のように接続する両部材の剛性が著しく異なり、また、はんだ接続温度も２００℃以上と高温のものでは、断面積が小さい導体の方が降伏してしまい、上記熱膨張率、ヤング率による力がそのまま反り発生力とはならない。

導体の場合、降伏応力が小さいと少ない力で塑性変形してしまい、それ以上の変形抵抗とならない。即ち、低強度および低耐力であるほど、接合時のシリコン結晶ウェハへの負荷が軽減する。このため、塑性変形の指標として導体の引張り試験における０．２％耐力値を用いる。導体には、はんだめっき被覆が施されて太陽電池用はんだめっき線となるので、はんだめっき被覆前の導体の０．２％耐力値は、太陽電池用はんだめっき線の有効な水準を維持していることの保証にはならない。仮にはんだめっき被覆前の導体がそのまま太陽電池用リード線として用いられるとした場合、前述した導体の０．２％耐力の基準以下とは、９０ＭＰａ以下となる。
このような０．２％耐力値の低い軟質の導体を選択することにより、シリコン結晶ウェハヘ導体接合の際の熱応力（シリコンセルを反らせる力）を低減することができる。

（太陽電池用平角導体の製造方法）
導体の加工法としては圧延加工、スリット加工のいずれも適用可能である。丸線から圧延して平角化する方式は長尺で均一なものが製造できる。スリット方式では種々の幅の材料に対応できるメリットがある。
例えば、好適な太陽電池用平角導体は、導体をダイス伸線もしくはロール圧延、あるいはそれらの複合工程により平角状に成形した後、通電方式もしくはバッチ式の設備で熱処理して０．２％耐力を低減することで得られる。ここで、０．２％耐力を低減するための熱処理方式としては、通電加熱方式よりも熱エネルギーを十分に与えられるヒータによるバッチ式加熱方式が望ましい。あるいは酸化を防止する観点から水素還元雰囲気の炉を用いることもできる。
熱処理する場合、高温では比較的短時間で熱処理が完了する。低温では長時間を必要とするが、設備的には安価なものを用いることができる。

（太陽電池用はんだ被覆導体平角線）
本発明の一実施形態における太陽電池用はんだめっき線は、上述した製造方法によって得られた平角導体の表面に、はんだめっき膜を施したはんだ被覆導体平角線である。はんだめっきは、環境面から、好ましくは鉛フリー品とし、平角導体の表面の外周の一部又は全部について実施する。平角導体に被覆するはんだめっきの厚さは５〜１２０μｍの範囲に入るように厚さを制御する。

既述したように、平角導体にはんだめっきを被覆することで、０．２％耐力値がはんだめっき被覆前よりも増大してしまう。そのために、シリコンセルを反らせる力を低減させるためには、はんだめっきを被覆する前の平角導体の０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下ではなく、はんだを被覆した後のはんだ被覆導体平角線の０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下である必要がある。これにより、はんだめっき工程を経てはんだ被覆導体平角線とした場合の０．２％耐力値に関する規定が示されることになる。
また、はんだ被覆導体平角線に被覆されたはんだめっき厚が、５μｍよりも薄いと温度サイクル特性が不十分であり、めっき厚が１２０μｍよりも厚すぎるとはんだ被覆導体平角線の０．２％耐力が大きくなり、シリコンセルの反りに影響する。従って、めっきの厚さとしては５〜１２０μｍの範囲が好ましい。この範囲ではシリコンセルとの接合信頼性が十分に得られ、かつ０．２％耐力が低いのでシリコンセルの反りの抑制効果も得られる。

また、はんだ組成については、これまで導体にＣｕを用いたものではシリコンセルとの熱膨張整合を考慮して低温接続が可能なものが求められていたが、本実施形態の０．２％耐力値の小さい導体を用いることで、シリコンセルの反りが小さいことから、接続温度が高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の組成のはんだを用いることが可能となる。
平角導体の被覆に用いるはんだは、Ｓｎ系はんだ、あるいは第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだであるが、第３成分として１０００ｐｐｍ以下の微量元素を含んでいるものを用いてもよい。

なお、平角導体に用いる材料として、Ｃｕ以外のＡｇ、Ａｕ、Ａｌについても、Ｃｕの場合と同様に平角導体に被覆するはんだめっきの厚さを制御することで、はんだめっき被覆により耐力増大を抑制できる。

上述したはんだ被覆導体平角線を、シリコン結晶ウェハ（太陽電池モジュール）におけるシリコンセル面の所定の接点領域（例えば、Ａｇメッキ領域）に接続することで、太陽電池アセンブリが得られる。

（はんだ被覆導体平角線の効果）
以上説明したように、はんだめっきが被覆されたはんだ被覆導体平角線の０．２％耐力値を規定したので、シリコンセルとの接合時に、シリコンセルの反りを少なくするために要求される０．２％耐力値に関して有効なレベルを維持していることの保証が得られる。

また、製品形状であるはんだ被覆導体平角線で特性評価をするので、太陽電池の反りを少なくするために要求される０．２％耐力値を容易に測定することができる。

また、本実施形態のはんだ被覆導体平角線は、その０．２％耐力値として９０ＭＰａ以下のものを用いているので、シリコンセルとはんだ接続後の導体の熱収縮によって発生する、シリコンセルを反らせる力を低減できる。
特に、はんだ被覆導体平角線の０．２％耐力を８０ＭＰａ以下にすることにより、はんだ被覆銅−インバー−銅のクラッド材よりもシリコンの反りを低減することが可能となり、実用上大きな効果が得られる。

また、導体の０．２％耐力値を基準以下となるようにし、かつ、平角導体に被覆するはんだめっきの厚さを５〜１２０μｍとなるよう制御するので、太陽電池との接合信頼性が十分得られ、かつ太陽電池との接合時に、太陽電池の反りを少なくするために要求されるはんだめっき被覆による０．２％耐力の増大を抑制することができる。

また、本実施形態のはんだ被覆導体平角線は、体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下の高導電性を有する導体を用いているので、高い導電性が得られ、太陽電池としての発電効率を良好に維持することができる。

また、本実施形態の製造方法によれば、熱処理条件により導体の０．２％耐力値を基準以下となるようにし、かつ、平角導体に被覆するはんだめっきの厚さを５〜１２０μｍとなるよう制御するので、コストがかからず簡易な方法で製造することができる。

Ｃｕ材料を、幅２．０ｍｍ、厚さ０．１６ｍｍの平角線状に圧延成形して導体とし、その周囲をＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ系の鉛フリーはんだで被覆してはんだめっき膜を設けてはんだ被覆Ｃｕ平角線を作製した。鉛フリーはんだで被覆するとき、めっき厚を３〜３２５μｍと変えて種々の０．２％耐力のはんだ被覆Ｃｕ平角線を作製した。

はんだ被覆品の０．２％耐力σは、導体に０．２％の歪を与える引張速度２０ｍｍ／ｍｉｎの引張試験で得られたＳ−Ｓ曲線から、０．２％耐力点荷重（外力）Ｆを求め、この外力Ｆをはんだを除く導体の断面積Ａで除算して求めている。式で示せば、次の通りである。
σ＝Ｆ／Ａ

作製したはんだ被覆Ｃｕ平角線を、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ、厚さ２００μｍのシリコンセルにはんだ接続したもののシリコンセルの反りを調べた。また、温度サイクル試験（−４０〜９０℃）を実施し、はんだ接続の信頼性も評価した。その結果を図１に示す。なお、同図において、シリコンセルの反り、温度サイクル特性の欄における評価印の○、△、×はそれぞれ良、やや良、不良を意味する。

図１に示すように、めっきの厚さが５〜１２０μｍの範囲内にあると、０．２％耐力が９０ＭＰａ以下と小さく、シリコンセルの反りも無く、温度サイクル特性も良好であった。

めっき厚が３μｍ、４μｍと薄いと温度サイクル特性が不十分で不良かやや良であり、１６０μｍ、３２５μｍと厚すぎると０．２％耐力が９０ＭＰａを超えて大きくなり、シリコンセルの反りに影響して不良となった。

特に、図１の中から０．２％耐力が６０、７０、１００ＭＰａのはんだ被覆Ｃｕ平角線についての具体的な反りの量（ｍｍ）を調べた結果を図２に示す。
図２の結果より、０．２％耐力の低下とともに反りも低減し、０．２％耐力が７０ＭＰａのＣｕ導体のものでは、従来のＣｕ導体（１６０ＭＰａ）を用いたものよりも１／２程度に反りが低減できることが分かった。この範囲であれば太陽電池用はんだめっき線として使用可能である。
比較例としてＣｕ−インバー−Ｃｕ（比率２：１：２）を接続したものと、０．２％耐力が６０ＭＰａのはんだ被覆Ｃｕ平角線を接続したもののシリコンセルの反りを調べた。前者では３．０ｍｍあったものが、後者では１．５ｍｍと半分となることを確認できた。

本発明の一実施の形態におけるめっき厚、０．２％耐力、シリコンセルの反り、および温度サイクル特性の関係を示す図である。 本発明の一実施の形態における種々の０．２％耐力のはんだ被覆Ｃｕ平角線を接続した際のシリコンセルの反り量を示す説明図である。 本発明の一実施の形態における各種導体材料の熱膨張係数、ヤング率、体積抵抗率を示す図である。 本発明の一実施の形態における銅−インバー−銅の材料特性を、Ｃｕ単独、インバー単独、シリコン単独の材料特性と比較した図である。 一般的なシリコンセルヘの接続用リード線の接続状態を示す斜視図である。 従来例の太陽電池用はんだめっき線を示す断面図である。 従来例のシリコンセルと接続用リード線とをはんだ接続する際に発生する反りを示す説明図である。 従来例の別な太陽電池用はんだめっき線を示す断面図である。

符号の説明

１ 導体
１０ 太陽電池用平角導体
１３ はんだめっき膜
２０ 太陽電池用はんだめっき線
５１ シリコンセル
５３ 接続用リード線
５５ はんだめっき
６１ 平角導体
６３ はんだめっき膜
７１ 銅材
７３ インバー
７５ はんだめっき膜

Claims (10)

1. 平角状に形成された導体の表面の一部又は全部にはんだめっきが被覆された太陽電池用はんだめっき線であって、
   前記太陽電池用はんだめっき線の引張り試験における０．２％耐力値が９０ＭＰａ以下であり、かつ前記被覆されたはんだめっきの厚さが５〜１２０μｍである太陽電池用はんだめっき線。
2. 前記導体の体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下である請求項１に記載の太陽電池用はんだめっき線。
3. 前記はんだめっきが、Ｓｎ系はんだ、または第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだである請求項１または２に記載の太陽電池用はんだめっき線。
4. 前記導体がＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種である請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池用はんだめっき線。
5. 前記導体がタフピッチＣｕ、低酸素Ｃｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、および高純度Ｃｕ（９９．９９９９％以上）からなる群から選ばれた１種である請求項１ないし３のいずれかに記載の太陽電池用はんだめっき線。
6. 導体を圧延またはスリット加工によって平角状断面に成形し、
   前記平角状断面に形成された導体の表面の一部又は全部に厚さ５〜１２０μｍのはんだめっきを被覆し、
   前記はんだめっきを被覆した太陽電池用はんだめっき線の引張り試験における０．２％耐力値を９０ＭＰａ以下とする太陽電池用はんだめっき線の製造方法。
7. 前記導体が、その体積抵抗率が５０μΩ・ｍｍ以下である請求項６に記載の太陽電池用はんだめっき線の製造方法。
8. 前記はんだめっきが、Ｓｎ系はんだ、または第２成分としてＰｂ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕから選択される少なくとも１種の元素を０．１ｗｔ％以上含むＳｎ系合金はんだである請求項６または７に記載の太陽電池用はんだめっき線の製造方法。
9. 前記導体がＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選ばれた１種である請求項６ないし８のいずれかに記載の太陽電池用はんだめっき線の製造方法。
10. 前記導体がタフピッチＣｕ、低酸素Ｃｕ、無酸素Ｃｕ、リン脱酸Ｃｕ、および高純度Ｃｕ（９９．９９９９％以上）からなる群から選ばれた１種である請求項６ないし８のいずれかに記載の太陽電池用はんだめっき線の製造方法。

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