JP5729474B2 - 配線部材及びその製造方法、並びに配線部材接着体の製造方法 - Google Patents

配線部材及びその製造方法、並びに配線部材接着体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、配線部材及びその製造方法、並びに配線部材接着体の製造方法に関する。
太陽電池の構造について、図1を用いて説明する。図1は太陽電池の構造の一形態を示す斜視図である。図1に示されるように、太陽電池200は、半導体基板101(多結晶及び単結晶のSiセル)から発電した電力を取り出すための表面電極(表面フィンガー電極)103と、裏面電極106と、表面電極103で取り出した電力を集める表面電極(バスバー電極)105と、裏面電極106で取り出した電力を集める裏面電極(バスバー電極)107とを有する。更に表面電極105と裏面電極107には、配線部材102がはんだ104で接着されている。太陽電池200では、半導体基板101内で発電された電力を、配線部材102を通じて外部へ伝送する。
最近は、太陽電池製造工程の簡略化のために、はんだ104と配線部材102を用いる代わりに、はんだで導電材を予め被覆した配線部材を用いて接着する方法が用いられている(図示せず)。このような配線部材は、銅などからなる導電材の周囲の一部又は全面にはんだ合金層を備える。
はんだ合金層には、通常共晶はんだが用いられる。共晶はんだとは、合金の共晶点に対応する組成を有するはんだである。共晶はんだは、その融点以上の温度で即座に溶融し、その融点以下の温度で凝固が即座に起こる(例えば、特開2002−263880号公報参照)。
従来、配線部材を表面電極や裏面電極に接着する際には、濡れ性を向上し、配線部材と電極との接着性を付与するために、配線部材、表面電極又は裏面電極に予めフラックスを塗布する必要があった。またフラックスを塗布する他の理由としては、配線部材のはんだ合金層の表面に形成されている酸化物層をエッチング除去すること、はんだ合金層を加熱溶融する際に再度その表面に酸化物層が形成されることを抑制することが挙げられる。しかし、フラックスは、太陽電池モジュール製造工程において用いられる太陽電池をラミネートする封止材(EVA:エチレンビニルアセテート)を腐食してしまい、長期信頼性に悪影響を及ぼす傾向がある。
またフラックスを用いずに配線部材を接着する方法も提案されている。例えば、特許第3205423号公報や、特開平9−216052号公報には、摩擦はんだ付け法や超音波はんだ付け法が開示されている。
配線部材を接着する際にフラックスを用いる場合、配線部材の接着後にフラックスを完全に洗浄除去する必要があるが、フラックスを完全に除去することは困難であった。また摩擦はんだ付け法や超音波はんだ付け法には、特別な装置を必要とするという課題がある。
そこで本発明では、フラックスを使用せずに、且つ特別な装置を用いることなく、様々な被着体に接着することができる配線部材及びその製造方法を提供することを課題とする。また本発明は、前記配線部材を用いて得られる配線部材接着体及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明は以下の態様を包含する。
<1> 被着体に配線部材を接着する工程を有する配線部材接着体の製造方法であり、
前記配線部材は、導電材と、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に配置され、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層と、を有し、
前記被着体に配線部材を接着する工程では、前記非共晶はんだ材料の液相線温度以上に加熱せずに、前記非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で接着し、
得られる接合部が非共晶である配線部材接着体の製造方法
<2> 前記非共晶はんだ材料は、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及びシリコン(Si)からなる群より選ばれる2種以上の金属を含み、融点が450℃以下であり、亜鉛の含有率が1質量%以下であり、インジウムの含有率が1質量%以下であり、且つ固相線温度と液相線温度の差が2℃以上である前記<1>に記載の配線部材接着体の製造方法である。
<3> 前記導電材は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)及びアルミニウム(Al)からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む前記<1>又は<2>に記載の配線部材接着体の製造方法である。
<4> 前記導電材が、純度99.99%以上の高純度銅(Cu)からなる前記<1>〜<3>のいずれか1つに記載の配線部材接着体の製造方法である。
<5> 前記導電材の平均厚みが0.001mm以上である前記<1>〜<4>のいずれか1つに記載の配線部材接着体の製造方法である。
<6> 前記配線部材接着体が太陽電池である前記<1>〜<5>のいずれか1に記載の配線部材接着体の製造方法
<7> 前記配線部材を、圧延加工、射出加工、押出し加工又はスリット加工によって導電材を長尺形状に成形する工程と、前記長尺形状の導電材の表面の少なくとも一部の領域に非共晶はんだ材料を付与してはんだ被覆層を形成する工程と、により得る、前記<1>〜<6>のいずれか1つに記載の配線部材接着体の製造方法である。
> 前記温度範囲は、前記はんだ被覆層に含まれる非共晶はんだ材料の総量における液相の占める割合が30質量%以上100質量%未満となる温度範囲である前記<〜<7>のいずれか1つに記載の配線部材接着体の製造方法である。
> 超音波接着工程を有さない前記<のいずれか1つに記載の配線部材接着体の製造方法である。
10> 前記被着体が、酸化物、酸化物層で被覆された金属、ガラス及び酸化物セラミックスからなる群から選ばれる少なくとも1種である前記<>〜<>のいずれか1つに記載の配線部材接着体の製造方法である。
本発明によれば、フラックスを使用せずに、且つ特別な装置を用いることなく、様々な被着体に接着することができる配線部材及びその製造方法を提供することができる。また本発明によれば、前記配線部材を用いて得られる配線部材接着体及びその製造方法を提供することができる。
太陽電池の構造の一形態を示す概略斜視図である。 配線部材の一形態を示す概略断面図である はんだ材料Xの冷却曲線である。 太陽電池モジュールの製造方法の一実施形態を示す断面図、斜視図及び分解斜視図である。 両面電極型の太陽電池モジュールの一形態を示す上面図である。 両面電極型の太陽電池モジュールの一形態を示す下面図である。 バックコンタクト型の太陽電池の一形態を示す概略平面図である。 図6AにおけるAA断面構成の一形態を示す斜視図である。 本実施形態の配線部材の製造方法に用いる溶融はんだめっき層形成用設備の概略図である。
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。また「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。更に組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
<配線部材>
本発明の配線部材は、導電材と、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に配置され、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層とを有する。はんだ被覆層が非共晶はんだ材料を含むことで、フラックスを使用せずに、且つ特別な装置を用いることなく、様々な被着体に接着することが可能となる。前記配線部材は、例えば、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を、前記非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で、被着体と接触させることで、フラックスを使用せずに、且つ特別な装置を用いることなく、様々な被着体と接着することができる。
前記配線部材は、導電材の表面の少なくとも一部の領域に非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を有していればよい。配線部材におけるはんだ被覆層は、接着性の観点から、導電材の表面の少なくとも1つの面を被覆していることが好ましく、導電材の表面全体を被覆していることがより好ましい。
前記配線部材の形状としては特に制限されず目的等に応じて適宜選択することができる。配線部材の形状として具体的には、平角線状、リボン状、丸線状等の長尺形状、シート状、メッシュ状などが挙げられる。連続生産性やリール状に巻き取り梱包可能である点から、長尺形状であることが好ましく、平角線状の形状であることがより好ましい。ここでいう平角線状とは、長手方向に垂直な断面が長方形様の形状を有している長尺の線状形状であることを意味する。
前記配線部材の構成の一例を、図面を用いて説明する。なお、本発明は、図面により何ら制限されるものではない。図2は、配線部材10の一形態を示し、長手方向に垂直な断面における断面図である。図2に示す配線部材10においては、導電材12が平角線状の導体から構成され、その断面輪郭が角丸長方形(角の丸い長方形)である。また導電材12の周囲を被覆して配置されたはんだ被覆層13は、断面輪郭が角丸長方形であり、はんだ被覆層13の上面13aと下面13bが、ほぼ平坦に形成されている。配線部材10の厚みaは、はんだ被覆層13の上面13aと下面13bとの距離として測定される。
なお、図2に記載の配線部材10は、導電材12の表面の全てにはんだ被覆層13が配置されているが、はんだ被覆層13は導電材12の表面の一部の領域に配置されていてもよい。また前記配線部材10は、被着体(例えば、半導体基板の表面電極及び裏面電極)への設置が容易となるように、かつ、接合時に必要な熱伝導が十分に確保されるように、はんだ被覆層13の表面が平坦に形成されていることが好ましい。又はんだ被覆層の表面が平坦なことで、平角線状に構成した配線部材10をボビン等に巻き取る際に安定した積層状態が得られ易く、巻き崩れが起こりにくい。よって、巻き崩れにより配線部材が絡まって引き出されなくなることがなくなる傾向がある。
前記配線部材の平均厚みは制限されず目的等に応じて適宜選択することができる。配線部材の平均厚みとして具体的には、0.001mm以上であることが好ましく、0.001mm〜1mmであることがより好ましく、0.002mm〜0.8mmであることがより好ましく、0.005mm〜0.5mmであることが更に好ましく、0.1mm〜0.5mmであることが特に好ましく、0.1mm〜0.3mmであることが極めて好ましい。なお配線部材の厚みとは、長尺形状の配線部材の長手方向に垂直な断面を観察した場合に、短軸方向の長さのうちの最大長である。具体的には図2における厚みaのことを指す。配線部材の平均厚みはマイクロメータを用いて、配線部材の5箇所の厚みを測定し、その算術平均値として求められる。
また配線部材の長手方向に垂直な断面の形状は特に制限されず目的等に応じて適宜選択できる。配線部材の長手方向に垂直な断面の形状としては、直方形、楕円形、円形等を挙げることができる。中でも断面の形状は、生産性や生産コストの観点から、図2に示すような角丸長方形であることが好ましい。
配線部材の長手方向に垂直な断面における厚み方向に垂直な方向の長さ(以下、「幅」ともいう)は特に制限されず目的等に応じて適宜選択される。配線部材の幅は例えば0.5mm〜10mmであることが好ましく、1mm〜4mmであることがより好ましい。
更に配線部材の長手方向の長さは目的等に応じて適宜選択されるものであり、特に制限はない。
(導電材)
配線部材は導電体を有する。配線部材に用いる導電材は、体積抵抗率が小さいこと(例えば、約1×10−5Ωcm以下)が好ましい。このような導電材としては、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、アルミニウム(Al)等を含有するものが挙げられる。銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、アルミニウム(Al)等を含有することで体積抵抗率を小さく抑えることができるため、配線部材を構成する導電材として好ましい。すなわち導電材は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)及びアルミニウム(Al)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、Cu、Ag、Au及びAlからなる群より選ばれる少なくともの1種の金属を50質量%以上含むものがより好ましい。また配線部材の耐力の低減の観点から、Cuを90%以上含有するものが更に好ましい。
導電材に含まれるCuとしては、タフピッチCu、低酸素Cu、無酸素Cu、リン脱酸Cu、純度99.99%以上の高純度Cuが挙げられる。導電材の0.2%耐力を最も小さくするためには、純度が高いCuを用いることが好ましく、純度99.99%以上の高純度Cuを用いることがより好ましく、純度99.9999%以上の高純度Cuを用いることが特に好ましい。なお0.2%耐力とは、引っ張ったときに0.2%の歪みが導入される力であり、この数値が小さい程は、伸びやすい。
また導電材としてタフピッチCu又はリン脱酸Cuを用いると、配線部材を低コストに構成することができる。
導電材の形状としては特に制限されず目的等に応じて適宜選択される。導電材の形状として具体的には、帯板状、平角線、丸線、楕円線等の長尺形状、平角状、シート状、メッシュ等の複数の導体の接合体形状などが挙げられる。導電材の形状は、被着体に接合する際の使いやすさの観点から平角線状を用いることが好ましい。
導電材の平均厚みは用途等に応じて適宜選択することができる。導電材の平均厚みは、生産性や長手方向への線抵抗値の観点から、0.001mm以上であることが好ましい。また上限値に特に制限はないが、1mm以下であることが好ましい。更に導電材の平均厚みは0.002mm〜0.8mmであることがより好ましく、0.005mm〜0.5mmであることが更に好ましく、0.1mm〜0.5mmであることが更に好ましく、0.1mm〜0.3mmであることが特に好ましい。導電材の平均厚みはマイクロメータを用いて、導電材の5箇所の厚みを測定し、その算術平均値として求められる。また配線部材の長手方向に垂直な断面の観察により、導電材の5箇所の厚みを測定し、その算術平均値として求められる。
導電材は、目的に応じて所望の形状を有する導電材を製造して得てもよいし、市販の導電材から適宜選択して得てもよい。
導電材の製造方法としては特に制限はなく、導電材の形状等に応じて適宜選択することができる。例えば、アップキャスト法、SCR法、ヘズレー法、ダウンキャスト法、プロペルチェ法等が挙げられる。また導電材が長尺形状を有する場合、例えば圧延加工、射出加工、押出し加工又はスリット加工によって長尺形状の導電材を製造することができる。
更に平角線状の導電材を製造する方法としては、以下の方法が挙げられる。
まず、銅等の導体からなる平板をスリット加工する、又は銅等の導体からなる圧延材(丸状)を圧延加工し、導体を平角線状に成形する。ここで、圧延加工とは、丸線を圧延して平角線化する方式である。圧延加工により平角線状に成形すると、長尺で長手方向に幅が均一なものが形成できる。スリット加工は、種々の幅の材料に対応できる。つまり、原料導体の幅が長手方向に均一でなくても、幅が異なる多様な原料導体を使用する場合でも、スリット加工によって長尺で長手方向に幅が均一なものに成形できる。
次に平角線状に成形した原料導体を、連続通電加熱炉又は連続式加熱炉又はバッチ式加熱設備で熱処理することで平角線状の導電材を得ることができる。この熱処理工程は、導電材の軟らかさを向上させ、0.2%耐力を低減させる目的で行なわれる。安定した熱処理が必要な場合には、バッチ式加熱が好ましい。酸化を防止する観点から、熱処理では、窒素などの不活性ガス雰囲気あるいはタフピッチ銅以外の酸素の少ない銅では水素還元雰囲気の炉を用いるのが好ましい。不活性ガス雰囲気あるいは水素還元雰囲気の炉は、連続通電加熱炉又は連続式加熱炉又はバッチ式加熱設備により提供される。
(はんだ被覆層)
配線部材は、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に、はんだ被覆層を有する。用いられるはんだ被覆層を構成するはんだ材料は、非共晶はんだ材料を含むものである。前記はんだ材料は、非共晶はんだ材料から実質的になることが好ましく、非共晶はんだ材料からなることがより好ましい。ここで「非共晶はんだ材料から実質的になる」とは不可避的に混入する他の成分の存在を許容することを意味する。
非共晶はんだ材料とは、液相線温度と固相線温度とが一致せず、液相線温度と固相線温度との間に差が存在するはんだ合金である。非共晶はんだ材料の液相線温度と固相線温度の差は、2℃以上であることが好ましく、2℃以上300℃以下であることがより好ましい。また作業性の観点からは、前記差が2℃以上であるものが好ましく、前記差が2℃以上100℃以下であるものがより好ましく、前記差が5℃以上100℃以下であるものが更に好ましい。液相線温度と固相線温度との差が上記範囲内にあると、配線部材を着体に接着する際の温度を制御しやすくなり、はんだ接着の作業性に優れる。
前記非共晶はんだ材料の液相線温度及び固相線温度は、溶融状態(液相状態)にある非共晶はんだ材料を冷却する時の非共晶はんだ材料の温度を測定した冷却曲線を調べることによって確認することができる。具体的には液相線温度及び固相線温度は、冷却曲線に基づく接線法により求めることができる。
例えば、図3に示される冷却曲線を描く非共晶はんだ材料Xの液相線温度と固相線温度は、以下のようにして求められる。
液相状態の非共晶はんだ材料Xを冷却する際に得られた冷却曲線から、液相状態の非共晶はんだ材料Xを冷却する際に現れる直線領域(冷却曲線の傾きが一定となる領域、以下同じ)を延長した第一の直線Aと、固相状態の非共晶はんだ材料Xを冷却する際に現れる直線領域を延長した第二の直線Bと、第一の直線Aを描く際に適用される直線領域と第二の直線Bを描く際に適用される直線領域との間に存在する直線領域を延長した第三の直線Cとを得る。
このとき、前記第一の直線Aと第三の直線Cとの交点の温度を、液相線温度とする。
前記第二の直線Bと第三の直線Cとの交点の温度を、固相線温度とする。
なお、非共晶はんだ材料の冷却曲線は、非共晶はんだ材料の温度変化を経時的に測定可能な方法、例えば、熱電対が接続されたレコーダによって得られる。
また前記非共晶はんだ材料の液相線温度及び固相線温度は、非共晶はんだ材料を構成する金属の種類及び混合比率を適宜選択することで所望の範囲とすることができる。
非共晶はんだ材料の融点は450℃以下であればよく、96℃以上450℃以下であることが好ましく、96℃以上327℃以下であることがより好ましく、96℃以上232℃以下であることが更に好ましい。
一般に融点が450℃を超える合金はロウ材と呼ばれる。このような高融点のロウ材を電子回路基板などに適用すると、接着に高温度での加熱を要し、回路などの破損を生じさせるおそれがあるため好ましくない。
非共晶はんだ材料を構成する金属は特に制限されない。接着性をより高め且つより適切な材料コストにできる点で、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及びシリコン(Si)からなる群より選ばれる2種以上の金属を含むことが好ましい。
非共晶はんだ材料は、インジウム(In)を更に含んでいてもよい。インジウムは単体で被着体への接着性を有し、且つ非共晶はんだ材料に含有されることにより、非共晶はんだ材料の融点を下げることができる。しかしながらインジウムは高価な材料であるため、その用途が制限される場合がある。更に非共晶はんだ材料がインジウムを含有することにより、形成されるはんだ層の耐久性が低下してしまうことが知られており、はんだ接続の長期信頼性が求められる用途には適さない場合がある。前記非共晶はんだ材料におけるインジウムの含有率は、はんだ接続の長期信頼性の観点から、非共晶はんだ材料中に1質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以下であることが更に好ましい。
非共晶はんだ材料は、亜鉛(Zn)を更に含んでいてもよい。非共晶はんだ材料が亜鉛を含むことで、被着体の表面に存在する酸化物の酸素原子と亜鉛とが結合するものと考えられ、被着体に対する接着性が向上する。しかしながら、亜鉛の含有量が多すぎると、場合によっては被着体との濡れ性が低下する場合がある。したがって非共晶はんだ材料は、後述する被着体との濡れ性及び被着体との接着性の観点から、亜鉛の含有率が1質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以下であることが更に好ましい。亜鉛の含有率が1質量%以下であれば、非共晶はんだ材料は亜鉛を含んでいてもよい。
前記非共晶はんだ材料は、被着体への接着性の観点から、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及びシリコン(Si)からなる群より選ばれる2種以上の金属を含み、融点が450℃以下であり、亜鉛(Zn)及びインジウム(In)の含有率がそれぞれ1質量%以下であり、且つ固相線温度と液相線温度との差が2℃以上であることが好ましい。
より好ましくは、前記非共晶はんだ材料は、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及びシリコン(Si)からなる群より選ばれる2種以上の金属を含み、融点が96℃以上327℃以下であり、亜鉛(Zn)及びインジウム(In)の含有率がそれぞれ0.5質量%以下であり、且つ固相線温度と液相線温度との差が2℃以上100℃以下である。
更に好ましくは、前記非共晶はんだ材料は、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及びシリコン(Si)からなる群より選ばれる2種以上の金属を含み、融点が96℃以上232℃以下であり、亜鉛(Zn)及びインジウム(In)の含有率がそれぞれ0.1質量%以下であり、且つ固相線温度と液相線温度との差が2℃以上100℃以下である。
また前記非共晶はんだ材料は、鉛含有はんだ材料であっても、鉛フリーはんだ材料であってもよい。具体的には、鉛含有はんだ材料としては、Sn−Pb、Sn−Pb−Bi、Sn−Pb−Ag、などを挙げることができる。また鉛フリーはんだ材料としては、Sn−Ag−Cu、Sn−Ag、Sn−Cu、Bi−Snなどを挙げることができる。
前記非共晶はんだ材料は、また環境問題への対応等の観点から、実質的に鉛を含まない非共晶はんだ材料であることもまた好ましい。ここで実質的に鉛を含まないとは、非共晶はんだ材料中の鉛含有率が0.1質量%以下であることを意味し、鉛含有率が0.05質量%以下であることが好ましい。
また前記非共晶はんだ材料は、必要に応じて他の金属原子を更に含んでいてもよい。他の金属原子としては特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。他の金属原子として具体的には、マンガン(Mn)、アンチモン(Sb)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)、カドミウム(Cd)、タリウム(Tl)、バナジウム(V)、ジルコニウム(Zr)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、金(Au)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、イットリウム(Y)等のランタノイドなどを挙げることができる。また前記非共晶はんだ材料が他の金属原子を含む場合の他の金属原子の含有率は目的に応じて適宜選択できる。例えば前記非共晶はんだ材料中に1質量%以下とすることができ、融点及び被着体との接着性の観点から、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましい。
前記非共晶はんだ材料は、所望の組成を有する市販品を用いてもよいし、通常用いられる製造方法で製造したものであってもよい。具体的には、非共晶はんだ材料を構成する各原料を所定の割合で混合し、これを溶融した後に急冷することで所望の非共晶はんだ材料を製造することができる。
前記配線部材においては、導電材の表面の少なくとも一部の領域に、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が配置されている。配線部材におけるはんだ被覆層の導電材に対する含有率は特に制限されず目的等に応じて適宜選択される。はんだ被覆層の導電材に対する含有率は接着性の観点から、2質量%以上であることが好ましく、3質量%以上50質量%以下であることがより好ましく、5質量%以上40質量%以下であることが更に好ましい。また前記配線部材における導電材の表面積に対するはんだ被覆層の被覆面積の割合は特に制限されず目的等に応じて適宜選択される。前記被覆面積の割合は、75%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましく、99%以上であることが更に好ましい。
はんだ被覆層の厚みは特に制限されない。一般的にはんだ被覆層の厚みは、5μm〜100μmであることが好ましく、10μm〜80μmであることがより好ましい。又はんだ被覆層と導電材の厚みの比は特に制限されない。一般的には、はんだ被覆層の厚みの導電材の厚みに対する比(はんだ被覆層/導電材)は、0.025〜0.5であることが好ましく、0.05〜0.4であることがより好ましい。
なお、はんだ被覆層の厚みは、光学顕微鏡や電子顕微鏡を用いて、長手方向に垂直な断面を観察することで測定することができる。
前記はんだ被覆層は、必要に応じてフラックスを含んでいてもよい。フラックスとしては比較的活性の弱いフラックスが好ましい。具体的には、ロジン系、RMA系、R系のフラックスを挙げることができる。
しかしながら、前記はんだ被覆層はフラックスを実質的に含有しないことが好ましい。前記はんだ被覆層がフラックスを実質的に含有しないことで、被着体上に前記配線部材を接着する際に、フラックス中の溶剤分を乾燥させる工程を省略することができる。また被着体上に前記配線部材を接着したのちのフラックス洗浄工程を省略することができる。更に前記フラックスによる前記被着体の腐食作用を防ぐことができる。ここでフラックスを実質的に含有しないとは、はんだ被覆層中に含まれるフラックスの総量が2質量%以下であることを意味し、1質量%以下であることが好ましい。
(配線部材の用途)
本発明の配線部材の用途は特に限定されず、太陽電池、エレクトロルミネッセンス発光素子などの配線部材として用いることができる。特に太陽電池用配線部材として用いることが好適である。従来の被着体と配線部材の接続方法では、フラックスを用いる必要があったが、このフラックスは太陽電池の部材(封止材など)を腐食する傾向があった。本発明の配線部材を用いた場合、フラックスを用いなくても、良好な被着体との密着性を発現するという優れた効果を有する。
本発明の実施形態は、導電材と、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に配置され、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を有する配線部材としての非共晶はんだ材料の使用を含む。また本発明の実施形態は、導電材と、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に配置され、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を有する配線部材の被着体との接着における使用を含む。更に本発明の実施形態は、導電材と、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に配置され、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を有する配線部材の太陽電池用配線部材としての使用を含む。
<配線部材の製造方法>
本発明の配線部材の製造方法は、圧延加工、射出加工、押出加工又はスリット加工によって導電材を長尺状に成形する工程と、前記長尺状の導電材の表面の少なくとも一部の領域に非共晶はんだ材料を付与してはんだ被覆層を形成する工程とを有する。前記製造方法は必要に応じてその他の工程を更に含んでいてもよい。
導電材を長尺状に成形する工程の詳細は、既述の通りである。
長尺状の導電材の表面にはんだ被覆層を形成する工程の一例を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの記載により何ら制限されるものではない。
図7では、溶融めっき設備21を用いて、導電材12の表面に溶融はんだを供給してはんだ被覆層(図示せず)が形成された配線部材25を製造する。溶融めっき設備21は、平角線状導体又は丸線状導体からなる長尺の導電材12を送り出す送り出しリール22、非共晶はんだ材料を溶融状態に維持するはんだ浴(溶融はんだめっき槽)23、はんだ浴23内に設置され導電材12を反転させて上方に向く反転ローラ14、はんだ浴23外で反転ローラ14の上方に設置され、はんだ被覆層が形成された配線部材25Aを冷却する冷却部26、冷却部26の上方に上下に複数段に設置されそれぞれ左右一対のローラからなる圧延ロール27、28、29、はんだ被覆層が形成された配線部材25Aを加熱処理する加熱部30、加熱部30の上方に設置され左右一対のローラからなる圧延ロール31、最上方に設置された引き上げローラ32、配線部材25を巻き取る巻取りリール33を備える。
図7では、導電材12は、はんだ浴23に浸漬されることで上下面及び側面に非共晶はんだ材料が供給されてはんだ被覆層が形成され、反転ローラ24で反転されて上方に向う。次に、図7に示されるように、形成されたはんだ被覆層が溶融状態の配線部材25Aを冷却部26に送り込む。冷却部26では、例えば、50℃以下の気体を吹き付けるなどによって冷却することで配線部材25Aのはんだ被覆層を固体状態とする。なお、冷却部26は、50℃以下の気体を吹き付ける場合に限定するものではない。冷却部26では、酸化を防止するためアルゴン(Ar)、ネオン(Ne)、窒素(N)等の不活性ガス単体又は混合ガスを室温以下の温度で吹き付けることで迅速に固化することが生産効率を上げるうえで望ましい。
この状態では、配線部材25Aのはんだ被覆層は表面張力によって、導電材12の上下面に山形に膨らんだ形状であるため、次にはんだ被覆層を平坦に形成する工程を行なう。ここで「平坦」とは、めっき表面を基準とする凹凸の高低差が7μm以下であることを表す。はんだ被覆層が固体状態の配線部材25Aは、複数段の圧延ロール27、28、29で圧延され、更に加熱部30で熱処理後に圧延ロール31で圧延されることにより、平坦化、及び最終のはんだ被覆層の厚みが調整された配線部材25となる。
はんだ被覆層の厚みが調整された配線部材25は巻取りリール33に巻取られて、配線部材のロール体となる。
<配線部材接着体の製造方法>
本発明の配線部材接着体の製造方法は、被着体に、前記配線部材を、前記非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で接着する工程(以下、「接着工程」ともいう)を有する。非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を有する配線部材を、特定の温度範囲で被着体に接着することで、フラックスを使用せずに、且つ特別な装置を用いることなく、様々な被着体に接着することができる。
前記配線部材接着体は、配線部材を、配線部材が有する非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で被着体に接着して得られる。配線部材接着体とは、配線部材が後述する被着体に接着した構造物を意味する。配線部材接着体は、配線部材を被着体に接触させて、その配線部材のはんだ被覆層の非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で加熱処理することで、フラックスの使用や特別な超音波接着工程を有さなくても、様々な被着体(例えば、表面に酸化物が形成された被着体)の表面にはんだ被覆層が直接接着して形成される。このような配線部材接着体が得られる理由は明確ではないが、例えば以下のように考えられる。
固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲では、非共晶はんだ材料は液相と固相が共存可能な状態となっている。液相線温度を越えた温度、つまり、非共晶はんだ材料全体が液相となった状態で非共晶はんだ材料を接着しようとすると、表面張力によって液相状態の非共晶はんだ材料が弾かれてしまい、被着体表面、特に酸化物が形成された被着体表面には接着しない。これに対して、液相状態の非共晶はんだ材料と固相状態の非共晶はんだ材料とが共存した状態では、固相状態の非共晶はんだ材料の存在によって液相状態の非共晶はんだ材料の表面張力が小さくなり、非共晶はんだ材料の弾きが抑えられ、かつ液相状態の非共晶はんだ材料によって非共晶はんだ材料全体としての濡れ性が向上することで、被着体表面にはんだ被覆層が良好に接着されるものと考えられる。
前記配線部材接着体は、良好な接着性及び配線部材接着体の生産性の観点から、はんだ被覆層が固相線温度以上、液相線温度未満の温度範囲で、又は固相線温度を超え、液相線温度以下の温度範囲で、被着体に接着されてなる配線部材接着体であることが好ましい。より好ましくは、はんだ被覆層が固相線温度を超え、液相線温度未満の温度範囲で被着体に接着されてなる配線部材接着体である。
また、接着性を更に向上させる観点から、接着時の配線部材のはんだ被覆層における液相と固相の割合を調整することが好ましい。具体的には、前記配線部材のはんだ被覆層の全体における液相の占める割合が30質量%以上100質量%未満となるような温度で接着することが好ましく、35質量%以上99質量%以下となる温度で接着することがより好ましく、40質量%以上98質量%以下となる温度で接着することが更に好ましい。
なお、配線部材接着時におけるはんだ被覆層の液相の占める割合は、用いるはんだ組成の平衡状態図より求めることができる。
配線部材を被着体に接着する際の熱処理の方法は特に制限されず、従来公知の方法を採用することができる。例えば、被着体を、ホットプレートなどで加熱し、この被着体の上に配線部材を乗せて、配線部材のはんだ被覆層の温度を制御しつつ、ホットプレートと同じ温度に設定したはんだこてを用いてはんだ被覆層を熱処理する方法や、被着体上に配線部材をはんだ被覆層が接するように乗せた状態で一定温度のリフロー炉を通過させる方法などが挙げられる。
前記接着工程では、配線部材を被着体に押し付けながら接着することが好ましい。これにより配線部材のはんだ被覆層中の固相が前記被着体に押し付けられることになり、より接着性が向上する。この押し付けの圧力は適宜設定することができ、例えば、200Pa〜5MPaとすることが好ましく、1kPa〜2MPaとすることが好ましい。
また、接着工程では、熱処理時間を1秒以上とすることが好ましく、3秒以上とすることがより好ましく、10秒以上とすることが更に好ましい。これにより、はんだ被覆層中の固相が前記被着体に、より接触されることとなって、配線部材と被着体との接着性がより向上する。
(被着体)
本発明の配線部材接着体の製造方法において用いられる被着体は特に制限されない。例えば、酸化物被着体、半導体基板、電極などが挙げられる。
酸化物被着体としては、少なくともその表面の一部又は全面に酸化物層を有するものであれば、特に制限されない。前記酸化物被着体が表面に酸化物層を有しているかの確認は、エネルギー分散型エックス線分析(EDX)によって行うことができる。例えば、酸化物被着体は、酸化物、酸化層で被覆された金属、ガラス及び酸化物セラミックスからなる群から選ばれることが好ましい。
酸化物としては、酸化インジウム錫(ITO)、二酸化ケイ素、酸化クロム、酸化ホウ素などが挙げられる。酸化膜で被覆された金属における金属種としては、銅、鉄、チタン、アルミニウム、銀、ステンレス鋼などが挙げられる。ガラスとしては特に制限されず、無アルカリガラス、石英ガラス、低アルカリガラス、アルカリガラスなどが挙げられる。酸化物セラミックスとしては、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、マグネシアセラミックス、カルシアセラミックスなどが挙げられる。
なお、前記配線部材を用いて形成される配線部材接着体は、被着体が酸化物被着体であっても、酸化物層に対する非共晶はんだ材料の弾きが抑えられ、被着体と配線部材とが良好な接着性を発現する。
半導体基板としては、例えば太陽電池形成用のpn接合を有するシリコン基板、半導体デバイスに用いるシリコン基板、発光ダイオードの基材に用いられる炭化ケイ素基板、等を挙げることができる。
電極は、例えば前記半導体基板上に付与した電極用ペーストを焼成することなどにより形成される。電極用ペーストに特に制限はないが、例えば、ガラス粒子とリン含有銅合金粒子と溶剤と樹脂とを含むものが挙げられる。このような電極用ペーストを用いて半導体基板上に電極を形成すると、焼成時において、表面に酸化物であるガラス層が形成し、前記ガラス層が形成することにより銅の酸化が抑制され、抵抗率の低い電極が形成可能である。また形成される電極は更に錫を含有することが好ましい。錫は、前記電極用ペーストにおいて、前記リン含有銅合金粒子中に含有されていてもよいし、リン含有合金粒子とは別に錫含有粒子として含まれていてもよい。
前記配線部材接着体におけるはんだ被覆層は、必要に応じて更に別の配線部材や電子回路素子等と接着していてもよい。すなわち、被着体に接着した配線材料と、別の配線部材や電子回路素子等とがはんだ被覆層を介して接着していてもよい。前記はんだ被覆層が配線部材や電子回路素子等と接着していることで、被着体と配線部材や電子回路素子等とを機械的及び電気的に接続することができる。
前記配線部材接着体は、被着体と配線部材とが機械的にも電気的にも接続されていることから、セラミック基板やガラス基板を用いた電子回路基板や半導体基板、MEMS素子、ITO膜やIZO膜のような酸化物導電膜を電極とするフラットパネルディスプレイ素子、金属−ガラス−酸化物セラミックス−非酸化物セラミックスのろう付け部材、電気配線、酸化物の配線等の一部分を構成することができる。
<太陽電池及びその製造方法>
本発明の配線部材は太陽電池用配線部材として用いることができる。これにより前記配線部材を用いた太陽電池を提供することができる。すなわち本実施形態にかかる太陽電池は、不純物拡散層を有しpn接合された半導体基板と、前記不純物拡散層上に設けられた電極と、前記電極上に接着された前記配線部材とを有する。前記太陽電池は、換言すれば、前記配線部材と、被着体である太陽電池用の半導体基板とが接着された配線部材接着体である。
本実施形態にかかる太陽電池の製造方法は、被着体として前記半導体基板を用いる配線部材接着体の製造方法と同様である。太陽電池の製造方法では、半導体基板として、不純物拡散層を有してpn接合されたものを用い、そして、この不純物拡散層の上に電極が設けられる。不純物拡散層を有しpn接合された半導体基板と、前記不純物拡散層上に設けられた電極とを有する太陽電池基板は、市販品であってもよいし、前述のように電極用ペーストを用いて、半導体基板上に電極を形成して作製してもよい。
太陽電池の製造に用いられる半導体基板上の電極は表面に酸化物層を有していることが多いため、太陽電池は前記酸化物層上に配線部材が接着された構造となっていることが多い。本発明の配線部材を用いた太陽電池の製造方法では、電極表面の酸化物層をフラックスなどにより除去する必要がないため、前記フラックスによる前記電極の腐食作用を防ぐことができる。また、フラックスを用いないことで、前記電極上に前記はんだ層を接着する際に、前記フラックス中の溶剤分を乾燥させる工程を省略することができ、また、前記電極上に前記はんだ層を接着したのちのフラックス洗浄工程を省略することができる。結果として、前記表面に酸化物層を有する電極と配線部材とは電気的に接続され、発電性能に優れた太陽電池が得られる。
<太陽電池モジュール及びその製造方法>
本実施形態にかかる太陽電池モジュールは、不純物拡散層を有しpn接合された半導体基板と、前記不純物拡散層上に設けられた電極と、前記電極上に接着された前記配線部材とを有する太陽電池が、前記配線部材を介して複数連結されてなる。また必要に応じて配線部材上に封止樹脂、保護ガラス、保護フィルム等が更に積層されていてもよい。
前記太陽電池モジュールは公知の方法で製造することができる。例えば、以下に一例として示す太陽電池モジュールの製造方法で製造することができる。
図4は、太陽電池モジュールの製造方法の一形態を概念的に示す断面図、斜視図及び分解斜視図である。
図4(a)では、バスバー電極である表面電極105、フィンガーバー電極である表面電極103、裏面電極106及びバスバー電極である裏面電極107が形成された複数の半導体基板101の表面電極105上及び裏面電極107上に本発明の配線部材110、102が配置されている。更に、一方の半導体基板101上の表面電極105と、他方の半導体基板101上の裏面電極107とは、配線材料110で連結されて、積層体100を構成している。
図4(b)では、図4(a)に示すように配置された半導体基板101及び配線部材110、102に対して、配線部材110、102と同幅同長である狭幅のセラミックヒーター21を使用して、第一の加熱工程を行って、表面電極105及び裏面電極107と配線部材110、102とをそれぞれ接着する。加熱方法としては、セラミックヒーター21を用いる方法の他に、ホットプレート、加熱オーブン、セラミックヒーター、ノズルヒーター、IH(induction heating:誘導加熱)等の公知の方法を適用することもできる。より簡便に加熱できる点から、加熱方法はセラミックヒーター21を使用する方法が好ましい。またノズルから熱風を噴射するノズルヒーターを配線部材110、102の幅や長さに合わせて複数使用することでも簡便に加熱することができる。例えば、狭幅のセラミックヒーター及びノズルヒーターを用いることでより均一に熱が伝わり、半導体基板101上の表面電極105及び裏面電極107と、配線部材110、102との接着性より良好となる。
上記加熱工程の加熱温度は特に制限されない。本実施形態においては上記の配線部材接着体を製造する際と同様に、配線部材110、102のはんだ被覆層に含まれる非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で、被着体である半導体基板101の表面電極105及び裏面電極107に接着されることが好ましい。例えば、加熱工程は、183℃〜214℃で行なわれる。
加熱時間については、1秒〜180秒が好ましく、2秒〜90秒がより好ましく、3秒〜30秒が特に好ましい。加熱時間が1秒以上であると、十分に被着体である半導体基板101と配線部材110、102とが接着される傾向があり、180秒以下であると、被着体である半導体基板101に反りが発生することが抑制され、太陽電池製造における歩留まりが向上する傾向がある。
加熱工程の際に、配線部材110、102を配置した半導体基板101上に重りを搭載したり、狭幅セラミックヒーター21を用いて加圧処理を同時に行ったりしてもよい。加熱工程の際に加圧処理することにより、より均一に熱が伝わり、また配線部材110、102のゆがみを防ぎながら配線部材110、102と半導体基板101との接続を行うことが可能となる。加える圧力としては0.02MPa〜5MPaが好ましく、0.05MPa〜3MPaがより好ましく、0.1MPa〜2MPaが特に好ましい。0.2MPa以上であると熱がより伝わりやすく、配線部材110、102を半導体基板101により強固に接着することができる。また5MPa以下であると、半導体基板101が割れる又は半導体基板101にクラックが生じることを抑制することができる。
図4(c)では、配線部材110を接着した半導体基板101の両面に封止樹脂120を積層し、半導体基板110の受光面側の封止樹脂120上に保護ガラス(強化ガラス)121を、半導体基板110の裏面側の封止樹脂120上に保護フィルム122を積層して加熱処理する第二の加熱工程を行って、太陽電池モジュールを製造する。
封止樹脂120としては、透明性、柔軟性、価格等の観点からエチレン・酢酸ビニル共重合樹脂(以下、「EVA」という。)やポリビニルブチラールが好ましい。また、保護ガラス121は片面にエンボス加工が施されたものが好ましい。また、保護フィルム122としてはフッ素樹脂フィルム、PET(ポリエチレンテレフタレート等)が挙げられる。耐候性・水蒸気バリヤー性・電気絶縁性等の観点から、保護フィルム122は各種複合フィルムを用いることが好ましい。複合フィルムとしては、例えば、半導体基板101側から電気絶縁性フィルム/接着剤/水蒸気バリヤー性のフィルム/接着剤/対候性フィルムがこの順で積層されたものを用いることができる。電気絶縁性フィルムとしては電気絶縁用PETフィルムを、水蒸気バリヤー製のフィルムとしてはアルミ箔、アルミナ、シリカ蒸着PETフィルムを、対候性フィルムとしてはフッ素樹脂フィルム、フッ素樹脂塗膜、耐熱低オリゴマーPETフィルムをそれぞれ適用することができる。
第二の加熱工程では、一般的なホットプレートや加熱オーブンを用いることができる。また、太陽電池素子の封止処理に一般に使用されている装置である、真空ラミネータを使用することができる。真空ラミネータは、チャンバー内を真空脱気後、蓋部のみを開放することで大気圧(0.1MPa)の圧力を一定に加えながら加熱することができる。汚れ防止の観点からテフロン(登録商標)シートを用いることが好ましい。

第二の加熱工程における加熱温度は、封止樹脂120やバックシート122に影響を及ぼさない温度であれば特に制限はない。一般的に加熱温度は80℃〜200℃が好ましく、110℃〜160℃がより好ましく、120℃〜150℃が特に好ましい。加熱温度が100℃以上であると、封止樹脂であるEVAの流動性、接着性が充分に得られ、良好な封止状態となる。加熱温度が160℃以下であると、EVAやバックシートが熱による劣化を抑制できる傾向がある。
第二の加熱工程における加熱時間は、1分〜60分間が好ましく、3分〜50分間がより好ましく5分〜30分間が特に好ましい。加熱時間が1分以上であると、複数の太陽電池を処理した際の温度ばらつきが大きくならず、封止樹脂がより均一に重合して、良好な封止状態の太陽電池モジュールが得られる傾向がある。更に1分以上であると、封止樹脂のEVAの硬化が充分に進み、信頼性がより向上する傾向がある。また加熱時間が60分以下であると、半導体基板が反ってしてしまうことが抑制され、太陽電池モジュールの製造における歩留まりがより向上する傾向がある。
更に第二の加熱工程の後、封止をより十分に完了させるために、付加的な加熱処理を行ってもよい。付加的な加熱処理は例えば、加熱オーブンを使用して、60℃〜150℃で1分〜120分間で行うことができる。
なお、ここでは、両面に電極を有する構造の太陽電池素子を用いた太陽電池モジュールの製造方法について記載したが、本発明にかかる太陽電池モジュールはこれに限定されるものではない。両面に電極を有する構造の太陽電池素子としては例えば、図5Aに上面側の平面図を、図5Bに下面側の平面図を示すような太陽電池素子が挙げられる。図5Aでは半導体基板101上に、フィンガーバー電極である表面電極103とバスバー電極である表面電極105とが配置されている。図5Bでは半導体基板101上に、裏面電極106とバスバー電極である裏面電極107とが配置されている。
両面電極型以外の太陽電池素子として、例えば、図6Aに平面図を、図6Bに斜視図を示すバックコンタクト型の太陽電池素子が挙げられる。バックコンタクト型の太陽電池素子は、例えば、表面にn型拡散層3が形成されたp型半導体基板1の受光面側(図6Bにおいて矢印で示す)に、発生した電力を集める集電用グリッド電極2が形成されており、半導体基板1の内部を通って集電用グリッド電極2で集めた電気を裏面に流すためのスルーホール電極4と、スルーホール電極に流れた電力を集電する裏面電極6と、裏面の表層に形成されたp型拡散層上に形成された裏面電極7とを備える構造を有する太陽電池である。
本発明の配線部材を用いて製造される太陽電池は、半導体基板と配線部材との接着強度が高く、かつ、接着時のセル割れを抑制することができるので、太陽電池の歩留まりの向上が図れる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。尚、特に断りのない限り、「部」及び「%」は質量基準である。また導電材及び配線部材の平均厚みは、マイクロメータで5箇所の厚みを測定し、その算術平均値として求めた。
<実施例1>
(導電材の作製)
導電材としてCu材料(純度99.99%)を圧延加工して幅1.5mm、平均厚み0.2mmの平角線状の導電材を作製した。
(非共晶はんだ材料の調製)
図7は、本発明の配線部材を製造する装置である溶融めっき設備21の概略を示したものである。本発明の配線部材の導電材を被覆するはんだ合金の組成は、図7のはんだ浴23に投入する金属地金の構成により制御した。すなわち、金属地金として錫板と鉛板を用いて、錫10部及び鉛90部となるようにして非共晶はんだ材料を調製した。
得られたはんだ合金の冷却曲線を熱電対及びペンレコーダ(横河電機株式会社製チャートレコーダLR4200E)を用いて調べた結果、液相線温度302℃、固相線温度275℃であった。
(配線部材の作製)
図7に概略を示す装置を用い、非酸化性ガスによって表面を覆われた上記で得られたはんだ合金が入ったはんだ合金浴23に反転ローラ14を配置した。送り出しロール22から上記平角線状の導電材12を送り出して反転ローラ14の下方からはんだ浴23を通過させ、これを引き上げローラ32によって上方に引き上げることで、導電材の表面全体に非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層を形成して配線部材1を作製した。
得られた配線部材1の幅は1.5mm、平均厚みは0.24mmであった。
(引張り接着強さ測定端子の製作)
上記で得られた配線部材1を20mmの長さに切断し、その一方の片端から1.5mmのところでL字形状になるように曲げ、更に他方の端から3.5mmのところでU字形状になるように曲げ、これを引張り接着強さ測定端子として用いた。
(被着体の作製)
被着体として、裏面電極(バスバー電極)を形成した太陽電池用半導体基板を用いた。
受光面にn型半導体層、テクスチャー及び反射防止膜(窒化珪素膜)が形成された膜厚190μmのp型半導体基板を用意し、125mm×125mmの大きさに切り出した。続いて、その裏面にスクリーン印刷法を用い、市販の銀(Ag)ペースト(デュポン株式会社製、導体ペーストSolametPV1505)を図5Bの裏面電極107に示すような電極パターンとなるように印刷した。裏面電極のパターンは4mm幅のバスバーで構成され、焼成後の膜厚が約5μmとなるよう、印刷条件(スクリーン版のメッシュ、印刷速度、印圧)を適宜調整した。これを150℃に加熱したオーブンの中に15分間入れ、溶剤を蒸散により取り除いた。
続いて、赤外線急速加熱炉内で大気雰囲気下、800℃で3秒〜4秒間の熱処理(焼成)を行い、裏面電極を形成した。得られた裏面電極の表面には、銀系酸化物層が形成されていた。
(配線部材接着体の作製)
上記で得られた、裏面電極を形成した半導体基板を被着体として用い、前記被着体をホットプレート(アズワン(株)製;HP−1SA)の上で加熱し、温度が一定となるまで充分に時間を置いた。温度は表面温度計で被着体の表面を測定した。
上記で作製した引張り接着強さ測定端子を、そのL字形状に曲げた幅1.5mm、長さ1.5mmの面が、電極裏面の上に接触するように乗せ、ホットプレートと同じ温度に設定したはんだこて(太洋電機産業(株)製RV−802AS)を用いて電極裏面に、3秒間押し付けて接着した。
ホットプレート及びはんだこての温度は、表1のように調節して、それぞれの接着温度で接着を行った。
(接着性の評価)
接着性については、プッシュプルゲージ(テクロック社製:プッシュプルゲージDDN−705−10))を用いて、めっきの密着性試験方法(JIS H8504)に準じて引張り接着強さを測定し、以下の評価基準により評価した。A及びBを合格とし、C及びDを不合格とした。
−評価基準−
A:引張り接着強さが3N/φ1.8mm以上であり、よく接着した。
B:引張り接着強さが1.5N/φ1.8mm以上、3N/φ1.8mm未満で接着した。
C:引張り接着強さが1.5N/φ1.8mm未満で接着したが、はんだが弾き気味、又は接着はするが固形分が多いなどの理由により、接着作業性に難があった。
D:接着しなかった(はじいてしまい接着しない、固形分が多く接着しない、凝固し接着しない、という状態をそれぞれ含む)。
それぞれの接着温度における接着性の評価結果を表1に示す。なお、以降の表中における「−」は未評価を意味する。
<実施例2>
実施例1において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部から、錫20部及び鉛80部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材2を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材2の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度280℃、固相線温度183℃であった。結果を表1に示す。
<実施例3>
実施例1において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部か、ら錫30部及び鉛70部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材3を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材3の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度255℃、固相線温度183℃であった。結果を表1に示す。
<実施例4>
実施例1において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部から錫45部及び鉛55部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材4を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材4の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度227℃、固相線温度183℃であった。結果を表2に示す。
<実施例5>
実施例1において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部から錫50部及び鉛50部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材5を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。配線部材5の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度214℃、固相線温度183℃であった。結果を表2に示す。
<実施例6>
実施例1において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部から錫60部及び鉛40部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材6を作製し、これを用いた以外は実施例1と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材6の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度188℃、固相線温度183℃であった。結果を表3に示す。
<実施例7>
実施例6において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫60部及び鉛40部から錫63部及び鉛37部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材7を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材7の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度185℃、固相線温度183℃であった。結果を表3に示す。
<実施例8>
実施例6において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫60部及び鉛40部から錫70部及び鉛30部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材8を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材8の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度192℃、固相線温度183℃であった。結果を表3に示す。
<実施例9>
実施例6において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫60部及び鉛40部から錫80部及び鉛20部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材9を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材10の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度205℃、固相線温度183℃であった。結果を表4に示す。
<実施例10>
実施例6において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫60部及び鉛40部から錫90部及び鉛10部に変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材10を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材10の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度218℃、固相線温度183℃であった。結果を表4に示す。
<実施例11>
実施例1において、配線部材の作製に用いたはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部から錫42部及びビスマス58部となるように変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材11を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材11の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度141℃、固相線温度139℃であった。結果を表5に示す。
<実施例12>
実施例11において、更に配線部材の作製に用いるはんだ合金の組成を錫42部及びビスマス58部から錫42部、ビスマス57部及び銀1部となるように変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材12を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材12の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度140℃、固相線温度138℃であった。結果を表5に示す。
<実施例13>
実施例11において、配線部材の作製に用いるはんだ合金の組成を錫42部及びビスマス58部から錫61部及びビスマス39部となるように変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材13を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材13の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度177℃、固相線温度138℃であった。結果を表6に示す。
<実施例14>
実施例11において、配線部材の作製に用いるはんだ合金の組成を錫42部及びビスマス58部から錫56部及びビスマス44部となるように変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材14を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材14の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度167℃、固相線温度138℃であった。結果を表6に示す。
<実施例15>
実施例12において、配線部材の作製に用いるはんだ合金の組成を錫42部及びビスマス58部から錫52部及びビスマス48部となるように変更して、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材15を作製し、これを用いた以外は上記と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。また得られた配線部材15の非共晶はんだ材料は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度158℃、固相線温度138℃であった。結果を表6に示す。
<比較例1>
実施例1において、配線部材の作製に用いるはんだ合金の組成を錫10部及び鉛90部から錫62部及び鉛38部となるように変更して、共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層が形成された配線部材S1を得て、これを用いた以外は実施例1と同様にして、各接着温度における接着性の評価を行った。得られた配線部材S1のはんだ合金は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度と固相線温度は分離できず、ともに183℃を示し、固相線温度と液相線温度の差が2℃未満である共晶はんだ材料であった。結果を表1に示す。





表1〜6に示すとおり、配線部材の導電材を被覆するはんだ被覆層として、固相線温度と液相線温度の差が2℃以上である非共晶はんだ合金を用いた配線部材は、フラックスを用いずに、また特別な装置を用いること無く、固相線温度以上、液相線温度以下の温度で被着体と接着することで、優れた接着性で接着することができた。
<実施例16>
実施例5において、被着体を太陽電池用の半導体基板から石英ガラス(信越化学工業(株)製、合成石英ガラス、表面は通常のガラス面)に変更した以外は実施例5と同様にして、接着温度と接着性の評価を行ったところ、上記実施例5と同様に良好な接着性を示すことが分かった。
<実施例17>
実施例5において、被着体を太陽電池用の半導体基板から無アルカリガラス上に蒸着にて形成されたITO(酸化インジウム錫)膜に変更した以外は実施例5と同様にして、接着温度と接着性の評価を行ったところ、上記実施例5と同様に、はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度で良好な接着性を示すことが分かった。
<実施例18>
実施例5において、被着体を太陽電池用の半導体基板からアルミナセラミックス(酸化物セラミックス)に変更した以外は実施例5と同様にして、接着温度と接着性の評価を行ったところ、上記実施例5と同様に、はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度で良好な接着性を示すことが分かった。
<実施例19>
実施例5において、被着体を太陽電池用の半導体基板から銅板に変更した以外は実施例5と同様にして、接着温度と接着性の評価を行ったところ、上記実施例5と同様に、はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度で良好な接着性を示すことが分かった。銅は、その表面が酸化銅からなる酸化膜に覆われており、通常のはんだ付け作業では前記酸化膜を除去する目的で適当なフラックスを塗布し、且つはんだ付け作業後にはこのフラックスを洗浄除去する必要がある。本発明の配線部材接着体では、フラックスを塗布することを不要とすることができ、然るにフラックス洗浄工程を省略することができた。
<実施例20>
(a)被着体を形成するための、電極用ペースト組成物の調製
7質量%のリンを含むリン含有銅合金粒子を調製し、これを溶解して水アトマイズ法により粉末化した後、乾燥、分級した。分級した粉末をブレンドして、脱酸素・脱水分処理し、7質量%のリンを含むリン含有銅合金粒子(以下、「Cu7P」と略記することがある)を調整した。尚、リン含有銅合金粒子の粒子径(D50%)は5μmであった。
二酸化ケイ素(SiO)3部、酸化鉛(PbO)60部、酸化ホウ素(B)18部、酸化ビスマス(Bi)5部、酸化アルミニウム(Al)5部、酸化亜鉛(ZnO)9部からなるガラス(以下、「G1」と略記することがある)を調製した。
得られたガラスG1の軟化点は、420℃、結晶化温度は600℃を超えていた。
得られたガラスG1を用いて、粒子径(D50%)が1.7μmであるガラス粒子を
得た。
上記で得られたリン含有銅合金粒子Cu7Pを56.1部、錫粒子(Sn;粒子径(D50%)は10.0μm;純度99.9%以上)を29.0部、ガラスG1粒子を1.7部、及び3質量%のエチルセルロース(EC、重量平均分子量190000)を含むテルピネオール(異性混合体)溶液13.2部を混ぜ合わせ、メノウ乳鉢の中で20分間かき混ぜ、電極用ペースト組成物Cu7PG1を調製した。
(b)被着体としての表面に酸化物層を有する電極の作製
半導体シリコン基板の上にスクリーン印刷法を用い、上記で得られた電極用ペースト組成物Cu7PG1を図4の出力取出し電極に示すような電極パターンとなるように印刷した。電極パターンは幅が4mmであり、焼成後の膜厚が15μmとなるよう、印刷条件(スクリーン版のメッシュ、印刷速度、印圧)を適宜調整した。これを150℃に加熱したオーブンの中に15分間入れ、溶剤を蒸散により取り除いた。
続いて、赤外線急速加熱炉内で大気雰囲気下、600℃で10秒間の熱処理(焼成)を行い、出力取出し電極を得た。得られた出力取出し電極の表面には、Sn−P−O系ガラス酸化物層及び銅系酸化物層が形成されていた。Sn−P−O系ガラス酸化物層及び銅系酸化物層の確認は、エネルギー分散型エックス線分析装置(日立走査電子顕微鏡SU1510)により行った。
(c)はんだ及び配線部材の作製
棒はんだ(Sn50質量%−Pb50質量%;新富士バーナー(株)製)と板鉛(Pb;輝陽産業(株)製)を用いて、錫10部及び鉛90部となるように秤量し、次いで黒鉛ルツボの中で、450℃で溶融し、更に鋳型に流し込み急冷することにより固形状のはんだ1を得た。得られたはんだ1は、冷却曲線を調べた結果、液相線温度302℃、固相線温度275℃であった。実施例1と同様の方法で配線部材の作成を行った。
(d)接着性の評価
接着性は、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表7に示す。なお、ホットプレート及びはんだこての温度を200〜300℃に変化させて接続を行ったところ、280〜300℃で接続した際に、優れた接着性を示すことが分かった。つまり、本発明の配線部材を用いた場合、被着体として表面に酸化物層を有する電極を用いた場合にも、優れた接着性を示すことが分かった。
上記のように固相線温度以上、液相線温度以下の温度で、非共晶はんだをはんだ被覆層として有する配線部材を用いて電極と接着した際は、優れた接着性を示した。
<実施例21>
〔太陽電池の作製〕
受光面にn型半導体層、テクスチャー及び反射防止膜(窒化珪素膜)が形成された膜厚190μmのp型半導体基板を用意し、125mm×125mmの大きさに切り出した。その受光面にスクリーン印刷法を用い、銀電極用ペースト組成物(デュポン(株)製、導体ペーストSolamet159A)を図5Aに示すような電極パターンとなるように印刷した。電極のパターンは150μm幅のフィンガーバー電極103と1.1mm幅のバスバー電極105で構成され、焼成後の膜厚が約5μmとなるよう、印刷条件(スクリーン版のメッシュ、印刷速度、印圧)を適宜調整した。これを150℃に加熱したオーブンの中に15分間入れ、溶剤を蒸散により取り除いた。
続いて、裏面にアルミニウム電極ペースト(PVG Solutions Inc.
社製、Solar Cell Paste(Al) HyperBSF Al Paste)を同様にスクリーン印刷で、図5Bに示すようにバスバー電極である裏面電極107を形成する部分以外の全面に印刷した。焼成後の膜厚が40μmとなるよう印刷条件は適宜調整した。これを150℃に加熱したオーブンの中に15分間入れ、溶剤を蒸散により取り除いた。
更に、赤外線急速加熱炉内で大気雰囲気下、850℃で2秒間の加熱処理(焼成)を行い、受光面電極(表面電極103、105)及び集電電極(裏面電極)106を得た。
次いで、裏面にスクリーン印刷法を用い、上記実施例20で得られた電極用ペースト組成物Cu7PG1を図5Bのバスバー電極である裏面電極107に示すような電極パターンとなるように印刷した。電極のパターンは4mm幅のバスバーで構成され、焼成後の膜厚が15μmとなるよう、印刷条件(スクリーン版のメッシュ、印刷速度、印圧)を適宜調整した。これを150℃に加熱したオーブンの中に15分間入れ、溶剤を蒸散により取り除いた。
続いて、赤外線急速加熱炉内で大気雰囲気下、600℃で10秒間の熱処理(焼成)を行い、出力取出し電極を得た。得られたバスバー電極である裏面電極107には、Sn−P−O系ガラス酸化物層及び銅系酸化物層が形成されていた。
次に、上記で得られたバスバー電極である表面電極105及びバスバー電極である裏面電極107の上に、上記実施例5で作製した配線部材5を200℃でそれぞれ接着した。その後冷却し、所望の太陽電池を作製した。
〔太陽電池としての発電性能評価〕
実施例21で作製した太陽電池の評価は、擬似太陽光として(株)ワコム電創製WXS−155S−10、電流−電圧(I−V)評価測定器としてI−V CURVE TRACER MP−160(EKO INSTRUMENT社製)の測定装置を組み合わせて行った。
太陽電池の発電性能として、Eff(変換効率)、FF(フィルファクター)、Voc(開放電圧)及びJsc(短絡電流)を、それぞれJIS−C−8912、JIS−C−8913及びJIS−C−8914に準拠して測定した。なお、得られた各測定値は、配線部材に比較例1で得られた配線部材S1を、バスバー電極である裏面電極に市販の銀(Ag)ペースト(デュポン株式会社製、導体ペーストSolametPV1505、焼成温度は800℃)を用いて、本実施例21と同様の工程で得られた太陽電池の測定値を100.0とした相対値に換算した。すると、変換効率は99.7%、フィルファクターは97.8%、開放電圧は100.2%、短絡電圧は101.0%となり、良好な発電性能を示すことが分かった。なお、配線部材S1を出力取出し電極に接着する際には、RMAのフラックスを塗布してから接着を行った。
日本国特許出願2011−162598号、日本国特許出願2011−176982号及び日本国特許出願2011−263043号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書に参照により取り込まれる。

Claims (10)

  1. 被着体に配線部材を接着する工程を有する配線部材接着体の製造方法であり、
    前記配線部材は、導電材と、前記導電材の表面の少なくとも一部の領域に配置され、非共晶はんだ材料を含むはんだ被覆層と、を有し、
    前記被着体に配線部材を接着する工程では、前記非共晶はんだ材料の液相線温度以上に加熱せずに、前記非共晶はんだ材料の固相線温度以上、液相線温度以下の温度範囲で接着し、
    得られる接合部が非共晶である配線部材接着体の製造方法
  2. 前記非共晶はんだ材料は、錫(Sn)、銅(Cu)、銀(Ag)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)及びシリコン(Si)からなる群より選ばれる2種以上の金属を含み、融点が450℃以下であり、亜鉛(Zn)及びインジウム(In)の含有率がそれぞれ1質量%以下であり、且つ固相線温度と液相線温度の差が2℃以上である請求項1に記載の配線部材接着体の製造方法
  3. 前記導電材は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)及びアルミニウム(Al)からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む請求項1又は請求項2に記載の配線部材接着体の製造方法
  4. 前記導電材が、純度99.99%以上の高純度銅(Cu)からなる請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法
  5. 前記導電材の平均厚みが0.001mm以上である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法
  6. 前記配線部材接着体が太陽電池である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法
  7. 前記配線部材を、
    圧延加工、射出加工、押出し加工又はスリット加工によって導電材を長尺形状に成形する工程と、
    前記長尺形状の導電材の表面の少なくとも一部の領域に非共晶はんだ材料を付与してはんだ被覆層を形成する工程と、
    により得る、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法。
  8. 前記温度範囲は、前記はんだ被覆層に含まれる非共晶はんだ材料の総量における液相の占める割合が30質量%以上100質量%未満となる温度範囲である請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法。
  9. 超音波接着工程を有さない請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法。
  10. 前記被着体が、酸化物、酸化物層で被覆された金属、ガラス及び酸化物セラミックスからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項〜請求項のいずれか1項に記載の配線部材接着体の製造方法。
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