JP6474672B2 - はんだめっき銅線の製造方法、及びはんだめっき銅線製造装置 - Google Patents

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Description

本出願に係る発明は、太陽電池のインターコネクタとして有用なはんだめっき銅線の製造方法と製造装置に関する。
従来より、太陽電池モジュールは、複数の太陽電池セルをインターコネクタと称される配線により連結して構成されている。当該インターコネクタは、例えば、無酸素銅やタフピッチ銅からなる平角線状の銅線にはんだめっき層を形成したものが広く使用されている。そして、当該インターコネクタは、太陽電池セルと、インターコネクタに形成されたはんだめっき層を介して電気的に接続される。
この場合、シリコンなどにより構成された太陽電池セルとインターコネクタとは、熱膨張係数が大きく異なるため、はんだ接合時の熱の影響により、熱膨張係数の小さい太陽電池セルに曲げ応力が発生する。すなわち、はんだ接合時の熱処理によって、加熱されたインターコネクタは、熱膨張した状態で、太陽電池セルと接合されて、その後冷却されることで収縮する。ゆえに、インターコネクタよりも熱膨張係数の小さい太陽電池セルは、インターコネクタの熱変形に追従することができずに反りや破損が生じる。近年、太陽電池セルは、薄型化が進んでいるため、当該はんだ接合工程において太陽電池セルが反る問題は深刻化している。従って、はんだ接合工程における太陽電池セルの反りを緩和させるべく、市場からは当該インターコネクタの機械的特性の指標となる０．２％耐力を低減させることが要求されている。
例えば、特許文献１には、０．２％耐力の低減処理を短時間に行うことができ、その低減処理がメッキ処理のための予熱処理を兼ねた、太陽電池用リード線の製造設備を提供することを目的として、「溶融メッキ液を貯えるメッキ槽と、上記メッキ槽中に設けられたターン用搬送ロールと上記メッキ槽よりも上流に設けられた送り出し用搬送ロールと上記メッキ槽よりも下流に設けられた引上げ用搬送ロールとによって搬送経路に沿って線条の基材を搬送する搬送機構と、上記搬送機構によって搬送される線条の基材のうち上記送り出し用搬送ロールと上記ターン用搬送ロールとの間の部分を通電加熱するか又は誘導加熱する加熱部と、上記加熱部と上記搬送機構とを制御する制御部と、を備え、上記制御部が上記搬送機構による基材の搬送速度と上記加熱部における電気供給量とを制御することにより、上記搬送機構で搬送される線条の基材を加熱することで、０．２％耐力を低減し、加熱状態のままでメッキ液に浸漬しメッキ処理を施す、太陽電池用リード線の製造設備」が開示されている。
特開２０１３−７７６１２号公報
上述した特許文献１の太陽電池用リード線の製造設備では、通常、めっき処理に２４０℃〜３３０℃の溶融はんだ浴を用いている。そして、特許文献１では、通電加熱又は誘導加熱によって加熱された線条の基材としての銅線の温度が、溶融はんだ浴に達する際の温度で６５０℃〜１０２０℃である。よって、溶融はんだ浴内に順次高温の銅線が送り込まれると、溶融はんだ浴内に進入した銅線と、溶融はんだ浴との接触部では、溶融はんだ浴の設定温度よりも温度が上昇し、銅線から溶融はんだ浴内に銅が溶解しやすくなる。そして、溶融はんだ浴から引き上げられた銅線の表面に形成されたはんだめっき層と、当該銅線との界面には、ＳｎとＣｕからなる硬い金属間化合物が形成されて成長しやすくなる。当該金属間化合物の層は、溶融はんだの温度が上昇するに従って、溶融はんだ中に溶解する銅の量が多くなることにより、成長する傾向にある。ＳｎとＣｕとからなる硬い金属間化合物は、銅線の表面側から順に、Ｃｕ３Ｓｎの層とＣｕ６Ｓｎ５の層が形成されることが明らかとされている。ここで、銅線側に形成されるＣｕ３Ｓｎの層は薄い層であり、所定の厚さまで形成された後は、殆ど成長していかないものであるが、はんだめっき層側に形成されるＣｕ６Ｓｎ５の層は、溶融はんだの温度が上昇する、又は、溶融はんだ浴内における浸漬時間が長くなることにより、とげ状に成長していく。これらの二層を構成する金属間化合物は、銅線やはんだめっき層と比べて硬いため、金属間化合物の層が厚くなることは、はんだめっき銅線の０．２％耐力の増大の原因となる。
一般に、太陽電池モジュールは、インターコネクタにより連結された複数の太陽電池セルに、太陽電池用封止材を貼り合わせることにより、これら太陽電池セルとインターコネクタとを封止し、当該太陽電池セルの受光面と裏面に透明保護部材を配置することで構成されるものである。しかし、当該金属間化合物、特に、とげ状に成長していくＣｕ６Ｓｎ５の層が、銅との接合面からはんだ内へ成長が進むと太陽電池の使用寿命の低下の原因ともなる。また、近年では、環境への負荷軽減を目的として、従来より用いられていた鉛入りはんだよりもＳｎの含有量の多い鉛フリーはんだが用いられているため、ＳｎとＣｕとからなる硬い金属間化合物がより一層厚く形成される。従って、当該金属間化合物は、はんだめっき銅線の０．２％耐力を増大させるものであるため、はんだめっき銅線の０．２％耐力の低減を図る上で、大きな問題となる。
そこで、当該金属間化合物をより薄く形成し、はんだめっき銅線自体の０．２％耐力の低減を図ることが考えられるが、特に、微細なとげ状を形成する金属間化合物の層は、はんだめっき層と銅線との間において密着性を向上させる効果を奏するものであるが、成長しすぎると、過度に耐力が上昇し、延性が低下する問題がある。また、当該金属間化合物の層が薄すぎると、はんだめっき層と銅線との間における密着性が不十分となる問題がある。
ゆえに、市場からは、銅線とはんだめっき層との密着性を確保しつつ、０．２％耐力の低減を図ることができる生産効率の高いはんだめっき銅線の製造方法、はんだめっき銅線製造装置及びはんだめっき銅線の開発が望まれていた。
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、本発明に係るはんだめっき銅線の製造方法又は製造装置を採用することで、銅線とはんだめっき層との密着性を確保しつつ、０．２％耐力の低減を図ることができる生産効率の高いはんだめっき銅線の製造を可能とした。
すなわち、本発明に係るはんだめっき銅線の製造方法は、銅線の表面にはんだめっき層を備えるはんだめっき銅線の製造方法であって、通電による抵抗加熱又は誘導加熱により、溶融はんだ浴への浸漬直前の温度を６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線を、２３０℃〜３３０℃の温度の当該溶融はんだ浴中に０．７秒〜４．０秒浸漬し、その後、当該溶融はんだ浴から引き上げるはんだめっき工程を含み、当該溶融はんだ浴内に引き込んだ当該６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃とすることを特徴とする。
本発明に係るはんだめっき銅線製造装置は、銅線の表面にはんだめっき層を備えるはんだめっき銅線の製造装置であって、２３０℃〜３３０℃の溶融はんだ浴を貯留した溶融はんだ槽と、当該溶融はんだ浴内に前記銅線を引き込んだ後、当該溶融はんだ浴外に引き上げる銅線搬送手段と、当該溶融はんだ浴内に引き込む前記銅線を通電による抵抗加熱又は誘導加熱により加熱する加熱手段と、当該溶融はんだ槽内に配設され、当該溶融はんだ浴内に引き込んだ当該加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に冷却する温度調整手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係るはんだめっき銅線製造装置は、前記温度調整手段が、熱良導性材料からなる冷却コイルであることが好ましい。
さらに、本発明に係るはんだめっき銅線製造装置は、前記溶融はんだ浴への浸漬直前の前記銅線の温度が６５０℃〜１０２０℃で、かつ、当該溶融はんだ浴中の当該銅線の浸漬時間が０．７秒〜４．０秒であることが好ましい。
本発明は、溶融はんだ浴への浸漬直前の温度を６５０℃〜１０２０℃とした銅線を、２３０℃〜３３０℃の温度の溶融はんだ浴中に０．７秒〜４．０秒浸漬するはんだめっき工程において、当該溶融はんだ浴内に引き込んだ当該６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃とするので、溶融はんだ浴内に進入した直後の銅線と、溶融はんだ浴との接触する溶融はんだ浴の温度上昇を抑制し、銅線から溶融はんだ浴内に銅が溶解して、はんだめっき層と銅線との界面に形成されるＳｎとＣｕからなる硬い金属間化合物が異常な成長を抑制することができる。よって、銅線の表面に形成されるはんだめっき層と銅線との界面にＣｕ３Ｓｎの層とＣｕ６ Ｓｎ ５の層とからなる２層の金属間化合物層を０．１μｍ〜４．０μｍの厚さで形成することが可能となる。これにより、はんだめっき層と銅線との密着性を適度に確保しつつ、はんだめっき銅線の０．２％耐力の低減を実現することができる。従って、当該はんだめっき銅線を太陽電池モジュールにおけるインターコネクタとして用いた場合であっても、はんだめっき層と銅線との間に形成される金属間化合物の形状による不都合を解消しつつ、接合する太陽電池セルの反りや損傷を効果的に解消することができる。
本発明におけるはんだめっき銅線製造装置では、溶融はんだ浴内に引き込まれた直後の加熱された銅線により温度上昇が起こる温度調整域の溶融はんだ浴を温度調整手段によって冷却することにより、溶融はんだ浴内における局所的な温度上昇を解消することができる。よって、本発明によれば、溶融はんだ浴への浸漬直前までの銅線の温度を下げることなく、かつ、溶融はんだ浴中への銅線の浸漬時間を長期化させることなく、はんだめっき層と銅線との密着性を適度に確保することができるはんだめっき銅線を得ることができるため、生産効率を向上させることができる。
本発明のはんだめっき銅線製造装置を適用した本実施の形態としてのはんだめっき銅線製造装置の概略構成図である。 制御装置の電気ブロック図である。 はんだめっき銅線の概略構成を示す断面図である。
以下、本発明に係る「はんだめっき銅線の製造方法」と「はんだめっき銅線製造装置」と、これら製造方法又は製造装置により得られる「はんだめっき銅線」のそれぞれの実施の形態について説明する。
＜本発明に係るはんだめっき銅線の製造方法の形態＞
本発明に係るはんだめっき銅線の製造方法は、銅線の表面にはんだめっき層を備えるはんだめっき銅線の製造方法であって、通電による抵抗加熱又は誘導加熱により、溶融はんだ浴への浸漬直前の温度を６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線を、２３０℃〜３３０℃の温度の当該溶融はんだ浴中に０．７秒〜４．０秒浸漬し、その後、当該溶融はんだ浴から引き上げるはんだめっき工程を含み、当該溶融はんだ浴内に引き込まれた当該銅線近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃とすることを特徴とする。
本発明において銅線は、例えば純度９９．９９９９％以上の高純度銅、無酸素銅、リン脱酸銅、タフピッチ銅からなる銅線を用いることができる。当該銅線は、太陽電池モジュールにおけるインターコネクタとして用いる場合、ダイス加工、ロール加工その他の加工により平角の線条に成形された後、スリット加工により所定の幅に成形されたものであることが好ましい。
本発明において銅線の表面にはんだめっき層を形成するために用いる溶融はんだ浴は、具体的には、２３０℃〜３３０℃の範囲内の任意の設定温度に加熱されたはんだを用いることが好ましい。はんだは、鉛入りのＳｎ−Ｐｂ合金の他にも、鉛フリーのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金やＳｎ−Ｃｕ系合金、その他の鉛フリー合金を用いても良い。ただし、環境負荷を考慮すると鉛フリー合金を用いることが好ましい。
本発明におけるはんだめっき工程において、銅線は、通電による抵抗加熱又は誘導加熱により加熱した状態で溶融はんだ浴中に引き込む。この際、少なくとも溶融はんだ浴への浸漬直前の銅線の温度は、６５０℃〜１０２０℃の範囲内の任意の設定温度とする。当該銅線を抵抗加熱又は誘導加熱により加熱することで、フラックスを用いることなく、当該銅線の０．２％耐力を低減させると共に、当該銅線表面の酸化被膜を除去することができる。当該銅線の加熱温度は、１０２０℃よりも高いと、融点が１０８４℃である銅が溶融してしまう問題がある。また、当該銅線の加熱温度が、６５０℃を下回ると、短時間で銅線の０．２％耐力を低減させることが困難となる。当該銅線の加熱時間は、短時間で処理することを考慮して５秒以下、特に０．３秒以上５秒以下とすることが好ましい。５秒以上の長時間にわたって加熱を行うと、銅線の加熱領域が長くなるため、撓みなどによる銅線の変形が発生しやすくなり、品質管理が困難となるからである。
また、当該銅線の抵抗加熱又は誘導加熱による加熱処理は、アルゴンガスなどの希ガスや、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中において行うことが好ましい。通電による抵抗加熱や誘導加熱により昇温した銅線の表面酸化を防止するためである。また、当該加熱処理の雰囲気は、不活性ガス以外にもＨ２ガスなどの還元ガスを含むものとし、当該加熱処理により昇温した銅線の酸化した表面を還元処理しても良い。
そして、上述した通電による抵抗加熱や誘導加熱により加熱した銅線は、２３０℃〜３３０℃に加熱された溶融はんだ浴中に引き込み、当該溶融はんだ浴中に浸漬した後、当該溶融はんだ浴から引き上げる。これにより、銅線の表面にははんだめっき層が形成される。本発明では、銅線は、溶融はんだ浴への浸漬直前の温度が６５０℃〜１０２０℃で溶融はんだ浴中に引き込まれるため、溶融はんだ浴内に進入した銅線と、溶融はんだ浴との接触部では、溶融はんだ浴の設定温度よりも温度が上昇し、銅線から溶融はんだ浴内に銅が溶解しやすくなる。
そこで、本発明におけるはんだめっき銅線の製造方法では、溶融はんだ浴内に引き込まれた銅線近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に制御して、溶融はんだ浴内に進入した銅線から銅が溶解することを抑制する。当該溶融はんだ浴内に引き込まれた銅線近傍の温度調整域におけるはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に制御することにより、銅線の表面のはんだめっき層の形成に寄与する当該銅線近傍の溶融はんだ浴の溶解銅濃度を３％未満に制御することができる。具体的な温度調整域によるはんだ浴温度の制御方法としては、溶融はんだ浴内に進入する銅線付近の溶融はんだ浴を冷却する温度調整手段を溶融はんだ浴内に設けることが好ましい。当該温度調整手段を溶融はんだ浴内に進入する銅線付近の溶融はんだ浴内に設けることによって、溶融はんだ浴内に進入した銅線と、溶融はんだ浴との接触部における溶融はんだ浴の温度上昇を抑制することができ、銅線から溶融はんだ浴内に異常に銅が溶解して、当該溶融はんだ浴中においてＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が助長され、さらに当該金属間化合物が成長することを未然に回避することができる。
溶解銅濃度が３％未満となるように制御された溶融はんだ浴内から引き上げられた銅線の表面には、ＳｎとＣｕとからなる２層の金属間化合物層を介してはんだめっき層が形成される。具体的に、銅線の表面には、成長したとしても０．１μｍ程度のＣｕ３Ｓｎの薄い層が形成され、当該Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物の層の表面に、Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物の層が形成され、このＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物の層の表面に、はんだめっき層が形成される。
本願発明では、溶融はんだ浴内に引き込まれた銅線近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域の溶融はんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に制御されているため、特に、Ｃｕ６Ｓｕ５の金属間化合物からなる層の異常な成長を抑制することができ、このＣｕ６Ｓｕ５の金属間化合物層の微細なとげ状の表面にはんだめっき層を形成することができる。また、溶融はんだめっき浴内にＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が存在するため、当該はんだめっき層内にもＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が存在することとなるが、上述したように温度調整域における溶融はんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃することで、当該溶融はんだめっき浴中のＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物の成長が阻害され、当該はんだめっき層内に含まれるＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物の結晶が粗大化することが抑制される。よって、本発明に係るはんだめっき銅線の製造方法によれば、当該はんだめっき層と銅線との密着性を適度に確保しつつ、はんだめっき銅線の０．２％耐力の低減を実現することができる。
また、本願発明では、当該溶融はんだ浴中への銅線の浸漬時間を０．７秒〜４．０秒とする。溶融はんだ浴中への銅線の浸漬時間を０．７秒未満とすると、溶融はんだ浴の温度によっては、はんだめっき層と銅線との界面に形成される金属間化合物層の厚さが不十分となり、これらはんだめっき層と銅線との密着性を十分に確保する上で問題となる場合があるからである。また、溶融はんだ浴中への銅線の浸漬時間を４．０秒より長くすると、溶融はんだ浴の温度によっては、はんだめっき層と銅線との界面に形成される金属間化合物層の厚さが４．０μｍを超えてしまい、はんだめっき銅線の０．２％耐力を７０ＭＰａ以下に低減することが困難となる場合があるからである。本願発明によれば、このように銅線の溶融はんだ浴中への浸漬時間を０．７秒〜４．０秒という短時間とすることで、はんだめっき銅線の生産効率を向上させることができる。
さらに、本願発明では、銅線は溶融はんだ浴中からほぼ垂直に引き上げることが好ましい。銅線を溶融はんだ浴中からほぼ垂直に引き上げることで、重力の影響により銅線周りに均一な厚みではんだめっき層を形成することが可能となるからである。
上述したように本願発明のはんだめっき銅線の製造方法により得られるはんだめっき銅線は、異常に成長したＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物層の角状のとげがはんだめっき層から突出して形成されることがない。よって、太陽電池セルと共に太陽電池用封止材内に封入されるインターコネクタとして当該はんだめっき銅線を用いた場合においても、角状の金属間化合物が成長してこの部分に亀裂が生じることにより太陽電池が損傷する不都合を回避することができる。また、上述したように、本願発明のはんだめっき銅線の製造方法により得られるはんだめっき銅線は、０．２％耐力を７０ＭＰａ以下にまで低減させることができるため、当該インターコネクタとして用いた場合であっても、接合する太陽電池セルの反りや損傷を効果的に解消することが可能となる。
＜本発明に係るはんだめっき銅線製造装置の形態＞
次に、本発明のはんだめっき銅線製造装置について説明する。本発明に係るはんだめっき銅線製造装置は、銅線の表面にはんだめっき層を備えるはんだめっき銅線の製造装置であって、２３０℃〜３３０℃の溶融はんだ浴を貯留した溶融はんだ槽と、当該溶融はんだ浴内に前記銅線を引き込んだ後、当該溶融はんだ浴外に引き上げる銅線搬送手段と、当該溶融はんだ浴内に引き込む前記銅線を通電による抵抗加熱又は誘導加熱により加熱する加熱手段と、当該溶融はんだ槽内に配設され、当該溶融はんだ浴内に引き込まれた前記銅線近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に冷却する温度調整手段とを備えることを特徴とする。以下、本発明のはんだめっき銅線製造装置の具体的な実施の形態について図１の概略構成図を参照して説明する。
本実施の形態に係るはんだめっき銅線製造装置１は、溶融はんだ槽１０と、銅線搬送手段としての銅線搬送機構２０と、当該溶融はんだ浴１１内に引き込む銅線３の加熱手段としての加熱装置３０と、当該溶融はんだ槽１０内に配設され、溶融はんだ浴１１内に引き込まれた加熱された銅線３により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に冷却する温度調整手段としての温度調整装置４０とを備える。
溶融はんだ槽１０は、銅線３の表面にはんだめっき層４を溶融はんだめっき処理により形成する溶融はんだ浴１１を貯留する。溶融はんだ浴１１は、上述したはんだめっき銅線の製造方法において詳述したように、はんだとして、鉛入りのＳｎ−Ｐｂ合金の他にも、鉛フリーのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金やＳｎ−Ｃｕ系合金、その他の鉛フリー合金を用いることができる。ただし、環境負荷を考慮すると鉛フリー合金を用いることが好ましい。また、溶融はんだ浴１１は、図１には図示しないヒータ１２等により、当該はんだの溶融温度上の温度、例えば、２３０℃〜３３０℃の範囲内の任意の設定温度に加熱される。当該溶融はんだ浴１１全体の温度制御は、当該溶融はんだ浴１１内に引き込まれた銅線近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域から離れた位置に設けられた温度センサ１３の検出温度に基づき行われる。
銅線搬送機構２０は、当該溶融はんだ浴１１内に銅線３を引き込んだ後、当該溶融はんだ浴１１外に引き上げる装置である。具体的に銅線搬送機構２０は、ターン用搬送ロール２１と、送出用搬送ロール２２と、入口用搬送ロール２３と、引上用搬送ロール２４と、出口用搬送ロール２５とを備えている。
ターン用搬送ロール２１は、溶融はんだ浴１１内に配設される。送出用搬送ロール２２は、銅線３の搬送路において当該ターン用搬送ロール２１よりも上流側に配設される。この際、送出用搬送ロール２２は、ターン用搬送ロール２１との間における搬送路として傾斜路を形成するため、溶融はんだ浴１１よりも外側にずれた位置に配置されている。当該送出用搬送ロール２２は、後述するように、加熱装置３０を構成する給電ロールとしても機能する。入口用搬送ロール２３は、送出用搬送ロール２２の上流側において当該送出用搬送ロール２２と同じ高さ位置で、溶融はんだ槽１０よりも高い位置に配設されている。引上用搬送ロール２４は、銅線３の搬送路において当該ターン用搬送ロールよりも下流側に配設される。当該引上用搬送ロール２４は、溶融はんだ浴１１内を通過した銅線３をほぼ垂直に引き上げ可能とするために、溶融はんだ浴１１の上方に配置されている。出口用搬送ロール２５は、引上用搬送ロール２４の下流側において当該引上用搬送ロール２４と同じ高さ位置に配設されている。
各搬送ロール２１〜２５が回転駆動することにより、図示しないボビンに巻かれた銅線３は、入口用搬送ロール２３及び送出用搬送ロール２２により溶融はんだ浴１１内に配設されたターン用搬送ロール２１に送出される。そして、ターン用搬送ロール２１から送り出された銅線３は、引上用搬送ロール２４によって、ほぼ垂直に引き上げられた後、出口用搬送ロール２５により図示しないボビンに巻き取られる。
送出用搬送ロール２２からターン用搬送ロール２１に向かう傾斜路には、当該送出用搬送ロール２２と溶融はんだ浴１１の液面近傍との間に位置して、当該傾斜路を移動する銅線３を囲繞する包囲体２６が配設されている。当該包囲体２６内には、アルゴンガスなどの希ガスや窒素ガスなどの不活性ガスが供給されている。当該不活性ガスは、内部を移動する銅線３と対向する方向に流通するように供給されることが好ましい。加熱装置３０による加熱によって温度が上昇した銅線３の表面酸化を防止するためである。なお、上述したように、当該不活性ガスは、Ｈ２ガスなどの還元ガスを含むものとしてもよく、加熱装置３０による加熱により昇温した銅線３の酸化した表面を還元処理しても良い。
加熱装置３０は、銅線搬送機構２０によって溶融はんだ浴１１内に引き込まれる銅線３を加熱する装置である。加熱装置３０は、銅線搬送機構２０により搬送される銅線３のうち、溶融はんだ浴１１に搬送される銅線３の一部分のみを加熱するものである。本発明において、当該加熱装置３０は、通電による抵抗加熱を用いたものであっても、誘導加熱法を用いたものであってもいずれの方法を採用することができる。ここでは、通電による抵抗加熱を用いた加熱装置３０について説明する。
加熱装置３０は、電源３１に接続されて出力を制御する出力制御部３２と、出力制御部３２に接続される滑動子３３と電極体３４とを備える。滑動子３３は、給電線３３Ａを介して給電ロールとしても機能する送出用搬送ロール２２と電気的に接続する。当該送出用搬出ロール２２と送り出す際に接触する銅線３は、当該送出用搬出ロール２２を介して滑動子３３から給電される。電極体３４は、給電線３４Ａを介して出力制御部３２と接続され、溶融はんだ槽１０に配設される。当該電極体３４は、溶融はんだ浴１１に少なくとも一部が浸漬していればよく、全体が浸漬していても良い。電源３１は、商用電源又は高周波電源のいずれかを用いることができる。
加熱装置３０は、当該構成を採用することにより、溶融はんだ浴１１に搬送される銅線３に対して送出用搬送ロール２２と溶融はんだ浴１１とがそれぞれ電極として作用する。よって、溶融はんだ浴１１に搬送される銅線３のうち、送出用搬送ロール２２と溶融はんだ浴１１との間にある銅線３は、通電による抵抗加熱によって加熱される。
よって、本実施の形態では、通電による抵抗加熱が行われる送出用搬送ロール２２から溶融はんだ浴に至るまでの経路の距離と、銅線搬送機構２０による銅線３の搬送速度とを定めることにより、銅線３の加熱処理時間が制御される。本実施の形態では、送出用搬送ロール２２から溶融はんだ浴１１に至るまでの所要時間が５秒以下となるように、送出用搬送ロール２２から溶融はんだ浴１１に至るまでの距離や、搬送速度が制御される。
また、通電による単位長さ単位時間当たりに生じる抵抗加熱は、出力制御部３２からの出力電流又は出力電圧を制御することにより、昇温時間を０．５秒以内、溶融はんだ浴１１への浸漬直前の銅線３の温度を６５０℃〜１０２０℃に調整する。
また、本実施の形態では、銅線３の溶融はんだ浴１１に進入する時点から当該溶融はんだ浴１１から引き上げられるまでの経路の距離と、銅線搬送機構２０による銅線３の搬送速度とを定めることにより、銅線３の溶融はんだ浴１１の浸漬時間が制御される。本実施の形態では、銅線３の溶融はんだ浴１１に進入した時点から当該溶融はんだ浴１１から引き上げられるまでの所要時間が０．７秒〜４．０秒となるように、溶融はんだ浴１１内における銅線３の搬送距離や、搬送速度が制御される。
温度調整装置４０は、溶融はんだ浴１１内に引き込まれた銅線３近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に冷却する温度調整手段である。当該温度調整装置４０は、溶融はんだ槽１０内に配設されて、溶融はんだ浴１１内に進入した直後の銅線３と、溶融はんだ浴１１とが接触する温度調整域における溶融はんだ浴１１の温度上昇を抑制するために用いられる冷却機能を備えた温度調整手段である。
温度調整装置４０は、少なくとも冷却コイル４２と循環用ポンプ４３を備え、内部に冷却媒体を封入した冷媒回路４１により構成される。冷却コイル４２は、溶融はんだ浴１１内に引き込まれた後ターン用搬送ロール２１に至るまでの銅線３を囲繞するように配置することが好ましい。当該冷却コイル４２は、溶融はんだとの間で金属反応が生じ難く、熱良導性の高い材料により構成することが好ましい。当該冷却コイル４２に適した材料としては、窒化ケイ素を挙げることができる。冷媒回路４１内に封入する冷媒としては、水、オイル、気体などを用いることができる。冷却コイル４２の近傍には、冷却コイル用温度センサ４３が配設されている。よって、冷却コイル４２の近傍に位置する溶融はんだ浴１１内に引き込まれた直後の銅線３周辺の温度調整域における溶融はんだ浴１１は、当該溶融はんだ浴１１の設定温度、具体的には、はんだの溶融温度以上の温度であって、２３０℃〜４４０℃の範囲内の任意の設定温度に調整される。
次に、図２の制御ブロック図を参照して、本実施の形態のはんだめっき銅線製造装置１の制御装置Ｃについて説明する。制御装置Ｃは、汎用のマイクロコンピュータにより構成されている。当該制御装置Ｃの入力側には、溶融はんだ浴１１の温度を検出する溶融はんだ浴用温度センサ１３と、溶融はんだ浴１１に浸漬する直前の銅線３の温度を検出する銅線用温度センサ３５と、冷却コイル用温度センサ４４と、膜厚計８と、各種設定を行うコントロールパネル７などが接続されている。膜厚計８は、引上用搬送ロール２４と出口用搬送ロール２５との間に配設されて、銅線３の表面に形成されたはんだめっき層４の厚さを検出する。制御装置Ｃの出力側には、溶融はんだ浴１１を加熱するヒータ１２と、各搬送ロール２１〜２５と、出力制御部３２と、循環ポンプ４３等が接続されている。
以上の構成により、本実施の形態に係るはんだめっき銅線製造装置１の動作について説明する。コントロールパネル７により、用いる銅線３の種類や溶融はんだ浴１１の種類に応じて、溶融はんだ浴１１の温度、銅線３の加熱温度、銅線３の搬送速度、銅線３の表面に形成するはんだめっき層４の膜厚を設定する。
そして、溶融はんだ浴１１を２３０℃〜３３０℃の範囲内の任意の設定温度に加熱した状態で、各搬送ロール２１〜２５を所定の回転速度で駆動させて、銅線３を図示しないボビンから入口用搬送ロール２３、及び送出用搬送ロール２２により溶融はんだ浴１１内に配設されたターン用搬送ロール２１に向けて送出する。ここで、送出用搬送ロール２２は、上述したように給電ロールとしての機能を兼ね備えたものであり、出力制御部３２に接続された滑動子３３を介して、当該送出用搬送ロール２２と接して搬送される銅線３に給電する。
当該給電により、送出用搬送ロール２２から送出された銅線３は、包囲体２６により囲繞された溶融はんだ浴１１に至るまでの搬送経路において通電による抵抗加熱により加熱される。当該加熱処理によって、銅線３は、溶融はんだ浴１１内への浸漬直前の温度が６５０℃〜１０２０℃の範囲内の任意の設定温度にまで加熱され、０．２％耐力が１０ＭＰａ以下となるまで軟化処理される。
そして、送出用搬送ロール２２によって、溶融はんだ浴１１内に引き込まれた銅線３は、溶融はんだ浴中に浸漬され、引き上げられるまでの過程で表面にはんだめっき層４が形成される。当該はんだめっき層４と銅線との界面には、Ｃｕ３Ｓｎの層とＣｕ６ Ｓｎ ５の層とからなる２層の金属間化合物層が０．１μｍ〜４．０μｍの厚さで形成される。銅線３は、溶融はんだ浴１１内に引き込まれる直前の温度が６５０℃〜１０２０℃であり、溶融はんだ浴の温度２３０℃〜３３０℃であるため、溶融はんだ浴１１内に引き込まれた銅線３近傍の温度調整域における溶融はんだ浴１１の温度は、上昇する傾向にある。本実施の形態では、溶融はんだ浴１１に引き込まれた直後の銅線３付近の温度調整域における温度を低下させる冷却コイル４２が設けられているため、当該冷却コイル４２内を循環する冷媒によって、銅線３近傍の上昇傾向にある温度調整域の溶融はんだ浴１１の温度は、２３０℃〜４４０℃に制御される。よって、銅線３近傍の溶融はんだ浴１１の溶解銅濃度も３％未満に制御される。なお、当該冷却コイル４２内を流れる冷媒は、冷却コイル用温度センサ４４により検出される温度に基づいて、循環ポンプ４３による冷媒の循環量が制御されるため、溶融はんだ浴１１が局所的に低温となり、はんだが固まってしまう不都合を回避することができる。
そして、溶融はんだ浴１１内に所定時間、具体的には、０．７秒〜４．０秒浸漬された銅線３は、ターン用搬送ロール２１から引上用搬送ロール２４によってほぼ垂直に引き上げられ、出口用搬送ロール２５を介して図示しないボビンに巻き取られる。出口用搬送ロール２５に搬送されるはんだめっき処理後のはんだめっき銅線２は、膜厚計８により検出されたはんだめっき層４の厚さに基づき、各搬送ロール２１〜２５の回転速度が制御され、所定の膜厚となるように、銅線３の搬送速度が調整される。
以上より、銅線３の表面に所定の膜厚のはんだめっき層４を備えると共に、当該はんだめっき層４と銅線３との界面に、所定の厚さの２層の金属間化合物層が形成されたはんだめっき銅線２が得られる。
本実施の形態では、上述したように、溶融はんだ浴１１に引き込まれた直後の銅線３付近の温度を低下させる冷却コイル４２が設けられているため、溶融はんだ浴１１の局所的な温度上昇が抑制されて、銅線３から溶融はんだ浴１１内に銅が溶解して、はんだめっき層４と銅線３との界面に形成されるＳｎとＣｕからなる硬い金属間化合物が異常な成長を抑制することができる。従って、銅線３の表面に形成される金属間化合物の層を適切な範囲の厚さ、具体的には、０．１μｍ〜４．０μｍの厚さに形成することができる。また、当該溶融はんだ浴１１内における局所的な温度上昇を解消することができるため、溶融はんだ浴１１中に存在するＳｎとＣｕからなる金属間化合物、特にＣｕ６Ｓｎ５の結晶が当該溶融はんだ浴１１中で成長することを抑制することができる。よって、当該溶融はんだ浴１１に浸漬されることで銅線３の表面に形成されるはんだめっき層４に含まれる金属間化合物の結晶粒径が大きくなることも抑制することができる。従って、はんだめっき銅線自体の０．２％耐力の低減を図ることが可能となる。
また、本実施の形態のはんだめっき銅線製造装置１は、当該冷却コイル４２が、溶融はんだ浴１１内に引き込まれた直後の銅線３近傍の溶融はんだ浴を冷却することにより、溶融はんだ浴１１への浸漬直前までの銅線３の温度を下げることなく、かつ、溶融はんだ浴１１中への銅線３の浸漬時間を長期化させることなく、はんだめっき層４と銅線３との密着性を適度に確保することができるはんだめっき銅線を得ることができる。従って、本実施の形態に係るはんだめっき銅線製造装置１は、はんだめっき銅線の生産効率を向上させることができる。
＜本発明に係るはんだめっき銅線の形態＞
次に、本発明のはんだめっき銅線２の形態について説明する。本発明に係るはんだめっき銅線２は、上述のはんだめっき銅線の製造方法又ははんだめっき銅線製造装置１により得られるはんだめっき銅線２であることを特徴とする。本発明のはんだめっき銅線２は、銅線３の表面に形成されるはんだめっき層４と当該銅線３との界面に、Ｃｕ３Ｓｎの第１金属化合物層５とＣｕ６ Ｓｎ ５ の第２金属間化合物層６とからなる２層の金属間化合物層を備え、当該金属間化合物層の合計厚さが０．１μｍ〜４．０μｍである。以下、本発明のはんだめっき銅線２の具体的な実施の形態について図３の概略断面図を参照して説明する。なお、図３に示す各層の厚さは、実際の層の厚さを示すものではないことを念のために述べておく。
本実施の形態における平角状の銅線３は、厚さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであることが好ましく、幅が０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであることが好ましい。銅線３の表面に形成されるはんだめっき層４は、鉛入りのＳｎ−Ｐｂ合金、又は、鉛フリーのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金やＳｎ−Ｃｕ系合金、その他の鉛フリー合金等のはんだにより構成される。当該はんだめっき層４は、厚さが１０μｍ〜３０μｍであることが好ましい。
はんだめっき層４と銅線３との界面に形成される２層からなる金属間化合物層は、銅線３の表面側から順に、Ｃｕ３Ｓｎの第１金属間化合物層５とＣｕ６Ｓｎ５の第２金属間化合物層６とから構成される。これらの金属間化合物層５、６は、明確に区別することは困難であるが、Ｃｕ３Ｓｎからなる第１金属間化合物層５は、成長しても０．１μｍ程度の厚さの薄い層である。Ｃｕ６Ｓｎ５の第２金属間化合物層６は、溶融はんだ浴１１の温度の上昇、又は、溶融はんだ浴内における浸漬時間が長くなるにつれて、表面がとげ状に大きく成長していく層であり、本発明におけるＣｕ６Ｓｎ５の第２金属間化合物層６は、はんだめっき層４との間で十分な密着性を備える表面が微細なとげ状の層である。
本発明におけるはんだめっき銅線２の当該第１金属間化合物層５と第２金属間化合物層６からなる金属間化合物層は、合計厚さが、０．１μｍ〜４．０μｍである。これらの金属間化合物層の合計厚さが４．０μｍを超えると、はんだめっき銅線２自体の０．２％耐力が７０ＭＰａを超えてしまい、太陽電池モジュールなどにおいてインターコネクタとして用いた際に、薄板化した太陽電池セルの反りや損傷を招くため好ましくないからである。これらの金属間化合物層の合計厚さが０．１μｍ未満である場合、第２金属間化合物層であるＣｕ６Ｓｎ５の層の表面に形成される微細なとげ形状の成長が不足しており、はんだめっき層４との間で十分な密着性を得ることができないからである。
本発明におけるはんだめっき銅線２は、銅線３とはんだめっき層４との間の界面に合計厚さが０．１μｍ〜４．０μｍの２層からなる金属間化合物層を備えることにより、銅線３とはんだめっき層４との密着性を確保しつつ、０．２％耐力の低減を実現することができる。
次に、本発明に係るはんだめっき銅線の実施例および比較例について述べる。
以下に示す各実施例のはんだめっき銅線は、本発明に係るはんだめっき銅線製造装置により作製した。各実施例では、銅線として、厚さが０．２ｍｍ、幅が２．０ｍｍの圧延材料からなる銅線を採用した。溶融はんだ浴としては、Ｐｂフリー組成を採用し、溶融はんだ浴の温度は３００℃±５℃に設定した。銅線の溶融はんだ浴への浸漬直前の温度は９５０℃とした。各実施例では、温度調整装置４０の冷却能力を変更し、溶融はんだ浴内に引き込まれた銅線近傍、すなわち、溶融はんだ浴内に引き込んだ加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃のうちのいずれかの温度に設定した。また、各実施例では、銅線の溶融はんだ浴への浸漬時間を０．７秒〜４．０秒のうちのいずれかの時間に設定した。表１には、実施例１〜実施例１１の各条件を示す。
Figure 0006474672
比較例
各比較例１〜比較例６は、上述した実施例と同様の銅線と溶融はんだ浴を用い、温度調整域のはんだ浴温度及び／又は銅線の溶融はんだ浴への浸漬時間の条件のみを各実施例とは変更してはんだめっき銅線を作製した。各比較例の具体的な条件を表１に実施例と共にまとめて示す。
［評価］
上述の各実施例１〜実施例１１及び比較例１〜比較例６のはんだめっき銅線について、はんだめっき層の厚さ、金属間化合物層の厚さ、はんだめっき銅線の０．２％耐力を測定した。はんだめっき銅線の０．２％耐力が７０ＭＰａ以下である各実施例及び比較例について、はんだめっき層の密着性試験を行った。
［層の厚さ］
はんだめっき層の厚さ及び金属間化合物層の厚さの測定は、各実施例のはんだめっき銅線の断面を光学顕微鏡で確認することにより行った。上述の表１に、各実施例及び各比較例の各はんだめっき層及び金属間化合物層の平均厚さを示す。
［０．２％耐力］
はんだめっき銅線の０．２％耐力は、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準じて測定した。上述の表１に、各実施例及び各比較例のはんだめっき銅線の０．２％耐力を示す。
［はんだめっき層の密着性］
はんだめっき層の密着性の評価は、各実施例のはんだめっき銅線を用いて１８０°密着曲げ試験を行い、曲げ部分にはんだめっき層の割れや剥がれの有無を観察することにより行う。表２には、曲げ部分にはんだめっき層の割れや剥がれがない場合には、○と判定し、割れや剥がれがある場合には、×と判定した。表２にはんだめっき層の密着性の評価を示す。
Figure 0006474672
表１に示すように、溶融はんだ浴内に引き込まれた銅線近傍の温度調整域におけるはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃とした溶融はんだ浴を用いて得られた実施例１〜実施例１１のはんだめっき銅線は、０．２％耐力をいずれも７０ＭＰａ以下に低減することができた。
また、表１に示すように、金属間化合物層の厚さが厚くなるに従い、０．２％耐力が上昇することが確認できる。本件発明にかかるはんだめっき銅線をインターコネクタに用いる場合には、当該０．２％耐力は、７０ＭＰａ以下、理想としては、５０ＭＰａ以下であることが望ましい。よって、０．２％耐力を７０ＭＰａ以下に低減するためには、金属間化合物層の厚さを４．０μｍ以下とすることが好ましいことが分かる。
表２に示すように、銅線近傍の温度調整域におけるはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃とした溶融はんだ浴を用いて、０．７秒〜４．０秒間浸漬して得られた実施例１〜実施例１１のはんだめっき銅線は、十分なめっき密着性を得られたことが分かった。
一方で、比較例６のように、温度調整域におけるはんだ浴温度が４４０℃を上回る４５０℃の場合、溶融はんだ浴への銅線の浸漬時間を３．２秒としたとしても、めっき密着性は十分に得られたが、金属間化合物層の厚さが４．０μｍを上回り、０．２％耐力が７０ＭＰａを上回っていた。また、比較例２のように、温度調整域の温度が２３０℃を下回る２２０℃の場合には、浸漬時間を７．０秒としても、金属間化合物層の厚さが０．２μｍにとどまり、十分なめっき密着性は確認できなかった。
以上のことから、はんだめっき銅線の０．２％耐力を７０ＭＰａ以下とし、且つ、良好なめっき密着性を備えたはんだめっき銅線を実現するためには、上述した温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃として、銅線の溶融はんだ浴の浸漬時間を０．７秒〜４．０秒とすることが好ましいことが確認できた。
本発明に係るはんだめっき銅線の製造方法及びはんだめっき銅線製造装置によって得られるはんだめっき銅線は、０．２％耐力を７０ＭＰａ以下に低減することが可能となるものであるため、太陽電池モジュールにおけるインターコネクタとして用いた場合に、太陽電池セルの反りや損傷を効果的に解消することができ、特に有効である。
１ はんだめっき銅線製造装置
２ はんだめっき銅線
３ 銅線
４ はんだめっき層
５ 第１金属間化合物層
６ 第２金属間化合物層
７ コントロールパネル
８ 膜厚計
１０ 溶融はんだ槽
１１ 溶融はんだ浴
１２ ヒータ
１３ 温度センサ
２０ 銅線搬送機構（銅線搬送手段）
２１ ターン用搬送ロール
２２ 送出用搬送ロール（給電ロール）
２３ 入口用搬送ロール
２４ 引上用搬送ロール
２５ 出口用搬送ロール
２６ 包囲体
３０ 加熱装置（加熱手段）
３１ 電源
３２ 出力制御部
３３ 滑動子
３３Ａ 給電線
３４ 電極体
３４Ａ 給電線
３５ 銅線用温度センサ
４０ 温度調整装置（温度調整手段）
４１ 冷媒回路
４２ 冷却コイル
４３ 循環用ポンプ
４４ 温度センサ

Claims (4)

  1. 銅線の表面にはんだめっき層を備えるはんだめっき銅線の製造方法であって、
    通電による抵抗加熱又は誘導加熱により、溶融はんだ浴への浸漬直前の温度を６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線を、２３０℃〜３３０℃の温度の当該溶融はんだ浴中に０．７秒〜４．０秒浸漬し、その後、当該溶融はんだ浴から引き上げるはんだめっき工程を含み、
    当該溶融はんだ浴内に引き込んだ当該６５０℃〜１０２０℃に加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃とすることを特徴とするはんだめっき銅線の製造方法。
  2. 銅線の表面にはんだめっき層を備えるはんだめっき銅線の製造装置であって、
    ２３０℃〜３３０℃の溶融はんだ浴を貯留した溶融はんだ槽と、
    当該溶融はんだ浴内に前記銅線を引き込んだ後、当該溶融はんだ浴外に引き上げる銅線搬送手段と、
    当該溶融はんだ浴内に引き込む前記銅線を通電による抵抗加熱又は誘導加熱により加熱する加熱手段と、
    当該溶融はんだ槽内に配設され、当該溶融はんだ浴内に引き込んだ当該加熱した銅線により温度上昇がおこる温度調整域のはんだ浴温度を２３０℃〜４４０℃に冷却する温度調整手段とを備えることを特徴とするはんだめっき銅線製造装置。
  3. 前記温度調整手段は、熱良導性材料からなる冷却コイルである請求項２に記載のはんだめっき銅線製造装置。
  4. 前記溶融はんだ浴への浸漬直前の前記銅線の温度が６５０℃〜１０２０℃で、かつ、当該溶融はんだ浴中の当該銅線の浸漬時間が０．７秒〜４．０秒である請求項２又は請求項３に記載のはんだめっき銅線製造装置。
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