JP6696665B2 - 超音波半田付け方法および超音波半田付け装置 - Google Patents

超音波半田付け方法および超音波半田付け装置 Download PDF

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Description

本発明は、基板上の任意部分にペーストを塗布して焼結した部分に半田付けする超音波半田付け方法および超音波半田付け装置に関するものである。
従来、再生可能エネルギー利用の一つである太陽電池は、２０世紀の主役である半導体技術をベースにその開発が行われている。人類の生存を左右する地球レベルの重要な開発である。その開発の課題は太陽光を電気エネルギーに変換する効率ばかりではなく製造コストの低減および無公害という課題にも向き合いながら進められている。これらを実現する取り組みは、特に、電極に使用されている銀（Ａｇ）や鉛（Ｐｂ）の使用量を低減ないし無くすことが重要とされている。
一般に、太陽電池の構造は、図１８の（ａ）の平面図および（ｂ）の断面図に示すように、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換するＮ型/Ｐ型のシリコン基板４３、シリコン基板４３の表面の反射を防止機能を有し、絶縁体薄膜である窒化シリコン膜４５、シリコン基板４３中に発生した電子を取り出すフィンガー電極４２、フィンガー電極４２で取り出した電子を集めるバスバー電極４１、バスバー電極４１に集めた電子を外部に取り出す引出リード電極４７の各要素より構成されている。
このうち、バスバー電極（バス電極）４１、フィンガー電極４２に、銀（銀ペースト）および鉛（鉛ガラス）が使用されており、これの銀の使用量を無くし、あるいは低減し、更に、鉛（鉛ガラス）の使用量を低減ないし無くし、低コストかつ無公害にすることが望まれている。
特に、上記電極（バスバー電極４１、フィンガー電極４２を焼結して形成するために従来は銀ペースト（あるいは一部Ｃｕペースト）を用い、この銀ペーストには、銀成分（粉末）、ガラス成分（鉛ガラス）、有機材の成分、有機溶媒の成分、樹脂の成分を含んでいるので、この先頭２つの銀成分（粉末）およびガラス成分（鉛ガラス）を無くし、代わりのものに置き換えて（例えばＮＴＡガラス（後述する）に置き換えて）、これをスクリーン印刷して焼結して形成した電極（Ａｇ，Ｃｕ．Ｐｂ無）に引出リード線等を半田付けすることが望まれている。
上述した例えば太陽電池を構成する電極（バスバー電極４１およびフィンガー電極４２等）を焼結して形成するために従来の銀ペースト中の銀成分（粉末）およびガラス成分（鉛ガラス）を無くし、代わりのものに置き換え（例えばＮＴＡガラス）で置き換えて、銀、鉛を無くしあるいは低減したＮＴＡペースト（特願２０１５−１９１８５７）を焼結して形成した電極部分にはＡｇ等がない（あるいはＡｇ等が僅かしかない）ために従来の半田付けができないという事態が発生した。
これを解決して、Ａｇ等がないあるいは僅かしかない部分（電極等）に半田付けすることが要望されている。
本発明者らは、ペーストに後述するＮＴＡガラス（バナジン酸塩ガラス）１００％を用いてＡｇとガラス（鉛ガラス）を含まない、あるいは若干混入したペースト（以下ＮＴＡペーストという）を焼結して作成したバス電極等上に半田付けを可能する方法を発見した。該方法で半田付けした太陽電池は従来の銀ペーストを用いた場合よりも優れた特性を有する太陽電池の作成が可能（後述する）であることも発見した。このＮＴＡペーストを焼結した部分（電極等）に半田付けする手法は、上述した太陽電池のバス電極等に限らず、スクリーン印刷などで電極等を作成する場合にも使える半田付け手法である。
本発明は、これら発見に基づき、銀の使用量を無くし、ないし若干混入し、および鉛（鉛ガラス）の使用量を低減ないし無くしたペースト（例えばＮＴＡペースト）を焼結して作成した例えば太陽電池のバス電極（バスバー電極）上に後述する超音波半田付けして表面に半田付け（いわゆる半田メッキ）、および引出リード線等を半田付けして従来通りに取り付けることを可能にし、その結果、被半田付け部分にＡｇや鉛を含まないあるいは混入量を削減した電極等への半田付けを可能にした。
そのため、本発明は、基板上の任意部分にペーストを塗布して焼結した部分に半田付けする半田付け方法において、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｂを含まないペーストを任意部分に塗布して焼結した基板あるいは基板上のペースト部分を、半田の溶融温度よりも低い第１の所定温度に予備加熱する予備加熱ステップと、予備加熱ステップで予備加熱した第１の所定温度の基板のペースト部分に、当接する半田コテ先部分に超音波を印加した状態で供給した半田が溶融する、超音波を印加しないときに半田が溶融する温度よりも低い、第２の所定温度に調整した状態で、半田コテ先部分をペースト部分に当接してあるいは当接しながら移動して当該ペースト部分に半田付けする超音波半田付けステップとを有する。
この際、第１の所定温度を、室温以上から第２の所定温度の範囲内の温度とするようにしている。
また、第２の所定温度を、超音波を印加しないときに半田が溶融する温度よりも１０から４０℃低い範囲内の温度とするようにしている。
また、Ａｇ，Ｃｕ、Ｐｂを含まないペーストとして、Ａｇ，Ｃｕ、Ｐｂを含まなくかつバナジン酸塩ガラスを１００ｗｔ％、あるいはＣｕ，Ｐｂを含まなくかつＡｇを０以上から５０ｗｔ％を含み残りをバナジン酸塩ガラス、としたＮＴＡペーストとするようにしている。
また、半田は、少なくともＳｎ、Ｚｎ、Ｃｌを含むようにしている。
また、超音波半田付けステップで半田付けする際に、ペースト部分に当該ペースト中の有機溶剤が残留しないように予め乾燥あるいは加熱乾燥するようにしている。
また、基板上に塗布するペースト部分が、可及的に滑らかになるようにして焼結するようにしている。
また、超音波は、２０ＫＨｚから１５０ＫＨｚの周波数とするようにしている。
本発明は、上述したように、Ａｇ，Ｃｕ、Ｐｂを含まない例えば導電性のＮＴＡガラス１００％のＮＴＡペースト、更に５０％程度迄（更に含有量を少なくしても可）にしたＮＴＡペーストを、従来の銀（あるいはＣｕ）ペーストの代わりに用いて電極を焼成し、これに超音波半田付けすることにより、従来の銀ペースト中の銀の使用量を無くし、あるいは低減し、かつ鉛（鉛ガラス）の利用量を低減ないし無くしても、ペースト焼結部分に半田付けして引出リード線等を取り付けることができることを発見した。これらにより、下記の特徴がある。
第１に、例えば太陽電池のバスバー電極（バス電極）を形成するのに導電性のバナジン酸塩ガラスであるＮＴＡガラス（登録商標第5009023号、特許第５３３３９７６号等参照）１００％、更に５０％程度迄を、銀ペーストの代わりに用い、Ａｇの使用量を無くし、ないし低減し、更に、鉛（鉛ガラス）の使用量を低減ないし無くしても、本願発明の超音波半田付けによってペースト焼結部分に半田付けすることができた。
第２に、例えばバスバー電極（バス電極）をＮＴＡガラス１００％ないし５０％程度（更に含有量を少なくしても可）を用いることにより、太陽光エネルギーを電子エネルギーに変換する効率がほぼ同じあるいは若干高い、バスバー電極としての効果を発揮する電極形成が現初期段階の実験結果として得られた（図１７参照）。これはＮＴＡガラスが（１）導電性を有すること、（２）ＮＴＡガラスを用いたことでフィンガー電極が当該バスバー電極（バス電極）の上面の高さと同じ部分あるいは突き抜けて上面に突出した部分が形成され、これら部分がリード電極の本発明の超音波半田付けで接合され、結果として高電子濃度領域とリード電極とが直接にフィンガー電極で接続されること、その他の要因（例えば下記の「第３に」を参照）に起因すると考察される。
第３に、従来と異なり、フィンガー電極の形成とバスバー電極の形成とを異なるガラスフリットを含有したペーストを用いることにある。従来、フィンガー電極の形成においてはファイアスルーと呼ばれる現象を生ずる必要があった。これは、銀の焼結助剤として用いているガラスフリットの中の成分分子、例えば鉛ガラス中の鉛分子の働きによってシリコン基板の表層に形成された窒化シリコン膜の絶縁層を突き破ってフィンガー電極を形成するようにしてシリコン基板に生成された電子を効率よく集めていた。しかし、バスバー電極の形成については、ファイヤースルー現象は必要でない。従来はバスバー電極も鉛成分を含んだ鉛ガラスを焼結助剤にして焼結していたので構造は異なるもののバスバー電極とシリコン基板との電気的な導通路が形成されて変換効率を低減する事となっていた。バスバー電極形成に用いる焼結助剤をファイヤースルー現象の生じないＮＴＡガラスを用いることによって変換効率の低減を無くすことができた。そして、ＮＴＡペーストで焼結したバスバー電極の部分に本発明の超音波半田付けで引出リード線を半田付けして電荷を取り出すことが可能となった。
図１は、本発明の１実施例構成図を示す。この図１は、太陽電池の電極の超音波半田付けの例であり、バスバー電極５に引出リード線であるリボン７を超音波半田付けする例を取り上げて以下詳細に説明する。ここで、超音波半田付けは、電極に半田メッキすること（引出リード線なし）や、電極にリード線等を半田付けすることを含む、以下同様。
図１の（ａ）は超音波半田付けした要部の正面図を模式的に示し、図１の（ｂ）は点線の円状部分の拡大した側面図を模式的に示す。
図１の（ａ）および（ｂ）において、太陽電池は、シリコン基板１の裏側に設けた裏面電極２、更にシリコン基板１の表側に設けた窒化膜３、バスバー電極５、窒化膜３を貫通する態様でシリコン基板１のＰＮ層に発生した電子を取り出すフィンガー電極４、フィンガー電極４の上に半田６で本発明の超音波半田付けしたリボン７（引出リード線）からなる構造を持つものである。ここでは、電極であるバスバー電極５の上に半田６でリボン７を超音波半田付けするときの様子を模式的に示したものである。
バスバー電極５は、本発明者らが発見したＡｇ，Ｃｕ、Ｐｂを含まなくかつバナジン酸塩ガラス１００ｗｔ％としたＮＴＡペースト（特願２０１５−２０２４６１号）を焼結して形成した当該バスバー電極５にはＡｇ，Ｃｕ、Ｐｂを全く含まない、あるいはＣｕ，Ｐｂを含まなくかつＡｇを０以上から５０ｗｔ％を含み残りをバナジン酸塩ガラスからなるＮＴＡペーストを焼結して形成した当該バスバー電極にはＡｇが５０％以下であるため、従来の通常の半田付けでは半田付けが不可ないし極めて困難である電極である。特に、Ａｇ、Ｃｕ，Ｐｂを全く含まないバスバー電極５の場合には完全に従来の半田付け不可、Ａｇを５０％以下含む場合にＡｇの部分のみ半田付け可能で他の部分は半田付け不可で機械的強度が極めて弱く、剥離してしまう。本発明の超音波半田付けでは、ＮＴＡペーストを焼結した部分、すなわち、Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｂなどがない部分あるいはある部分とない部分との全面に渡って超音波半田付け（超音波半田メッキ）が実験の結果、可能であることを発見した（図７、図８の写真参照）。
図‐２では半田６は、バスバー電極５の上に超音波半田付けする半田であって、少なくともＳｎ、Ｚｎ，Ｃｌを含む半田であり、本発明の超音波半田コテ先部分２４で溶解して半田付けするものである。
リボン７は、バスバー電極５から電荷を外部に取り出す引出リード線であって、ここでは、銅のリボンの上面および下面に予めプリ半田７２を付けて、銅７１のリボン７が半田６によってバスバー電極５に超音波半田付けしやすくしたものである。
予備加熱台１１は、太陽電池全体を載せて第１の所定温度（室温以上、超音波半田付けするときに半田が溶解する温度以下の範囲内の温度）に予備加熱するものである。予備加熱台２１で予備加熱することにより、バスバー電極５の半田付け部分に、図示外の超音波半田付け装置の超音波半田コテ先部分２４から供給する熱量が少なくて済み、小容量の超音波半田付け装置で超音波半田付けが可能となると共に、超音波半田コテ先部分２４の温度制御がしやすくかつ超音波半田付けがスムーズに可能となる。
次に、図１の構成もとで、超音波半田付けするときの構成を図２を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明の１実施例構成図（その２）を示す。
図２の（ａ）は図１の（ｂ）に対応する太陽電池の要部の側面図を模式的に示し、図２の（ｂ）と（ｃ）は超音波半田コテ２２でバスバー電極５を超音波半田付けするときの正面図を模式的に示す。図２の（ｂ）は半田６をバスバー電極５に半田付けする場合のもの、即ち、バスバー電極５の上に半田メッキする場合の構成を示し、図２の（ｃ）は半田６とプリ半田したリボン７とをバスバー電極５に半田付けする場合のもの、即ち、バスバー電極５の上にリボン７を半田付けする場合の構成を示す。
図２の（ａ）は図１の（ｂ）と同一であるので説明を省略する。
図２の（ｂ）および（ｃ）において、超音波半田コテ２２は、本発明に係る超音波半田付け装置の１例を示し、図示のように、半田コテ先部分２４とこれを加熱および超音波を供給する超音波発信機及びヒーター２３から構成されるものである（図６参照）。通常は、２０ＫＨｚないし１５０ＫＨｚの範囲内の周波数で、実験では６０ＫＨｚのものを使用した。加熱容量は、予備加熱台１１の温度に依存するが、実験では１０Ｗ程度もの（自動温度調整付）を使用した（超音波半田付けする部分（バスバー電極５の部分）のサイズによる熱容量に対応した容量のものを使う）。
半田コテ先部分２４は、半田６を溶融すると共にバスバー電極５の超音波半田付けする部分の温度を加熱して超音波半田付けするためのものである。半田コテ先部分２４は、実験では図示のように、円柱の先頭を４５度程度の斜面カットしたものを用いたが、この形状に限らず、量産製を高めるためなどに横長形状や任意形状や、更に回転する回転体やスライドするスライド台などでもよく、超音波と熱とを超音波半田付けする部分に伝導できればどのような形状でも良い。
図２の（ｂ）のように構成し、超音波半田コテ２２の半田コテ先部分２４に供給された半田６をバスバー電極５の上に超音波半田付けすることにより、バスバー電極５の上に半田メッキを行うことが可能となる。
図２の（ｃ）のように構成し、超音波半田コテ２２の半田コテ先部分２４に供給された半田６とプリ半田したリボン７とをバスバー電極５の上に超音波半田付けすることにより、バスバー電極５の上にリボン７（引出リード線）を半田付けすることが可能となる。
また、予め図２の（ｂ）のようにしてプリ半田付けしておき、この上にリボン７を超音波半田付けしてもよい。
図３は、本発明の説明図を示す。図３は、半田材料等を示す。図３は、図１、図２で既述した太陽電池のバスバー電極５の自身の材料、リボン７等を半田付けする半田６の材料などの１例を示す。
工程順 従来 本発明（超音波半田付け）
・バスバー電極５ 銀、約１００ｗｔ％ ＮＴＡガラス１００ｗｔ％
（図１の（ｂ）参照） （〜５０ｗｔ％）
・半田６
（図２の（ｂ）参照） ＳＡＣ（スズ、銀、銅） 半田６（スズ、亜鉛、インジウム
の半田 アンチモン、アルミニウム等の金属
の組み合わせ又はその合金（スズー ー亜鉛の合金で、スズ２０−４０％
程度、残りは添加）
・リボン７ 銅の周りをＳＡＣ等の 銅の周りを上記半田６で
（図２の（ｃ）参照） 半田でコーティング コーティング（超音波半田付け）
以上のように、本発明では、バスバー電極５がＮＴＡガラスのペースト（ＮＴＡペースト）を焼成して形成するため、従来の半田では半田付けが不可ないし極めて困難であるが、本発明の超音波半田付けで、予備加熱した状態で半田６を用いて半田付けすることにより、極めて良好にバスバー電極５の上に超音波半田付けで半田メッキや、リボン７（引出リード線）を半田付けすることが、実験により確かめられた（図７、図８の写真参照）。
次に、図４および図５のフローチャートの順番に従い、図１から図３の構成もとで、太陽電池の電極部（例えばバスバー電極５）の超音波半田付けの手順を詳細に説明する。
図４は、本発明の動作説明フローチャート示す。
図４において、Ｓ１は、ＮＴＡバスバー電極を形成する。これは、図１から図３のバスバー電極５をＮＴＡガラス１００ｗｔ％（〜５０ｗｔ％）のＮＴＡペーストをスクリーン印刷して焼結し、ＮＴＡからなるバスバー電極５を形成する。そして、ＮＴＡバスバー電極５は、右側に記載したように、
１．ペーストの有機溶剤がなくなるように処理（溶剤飛ばし）する。
２．ＮＴＡガラス電極表面が平になるように焼結する。
また、１．のペーストの有機溶剤がなくなるように処理（溶剤飛ばし）するとは、ＮＴＡペースト中の有機溶剤がなくなるように、乾燥処理、あるいは加熱乾燥処理を行い、ペースト中の溶剤を十分に蒸発させて（飛ばして）無くする。溶剤が残留すると、超音波半田つけはうまくゆかない現象が現れる。
また、１．のペーストの有機溶剤がなくなるように処理（溶剤飛ばし）するとは、ＮＴＡペースト中の有機溶剤がなくなるように、乾燥処理、あるいは加熱乾燥処理を行い、ペースト中の溶剤を十分に蒸発させて（飛ばして）無くする。溶剤が残留すると、超音波半田つけはうまくゆかない現象が現れる。
この２．のＮＴＡガラス電極が平になるように焼結するとは、図１、図２のバスバー電極５となる部分に、ＮＴＡペーストをスクリーン印刷して焼結するときに可及的に平になるようにスクリーン印刷すると共に焼成時および焼結後に可及的に平になるように焼結するように注意する。逆に言えば、小さな凹凸が形成されないように注意し、可及的に平になるように焼結する。平でないと、超音波半田付けがうまくゆかない現象が現れる。
Ｓ２は、基板を加熱台に乗せ、半田が超音波供給したときに溶ける温度以下の温度にあげる。この予備加熱温度は、超音波半田コテ先部分２４を半田６に当接して超音波を供給と同時に加熱したときには、超音波を供給しないときよりも若干低い温度で半田６が溶融するので、この半田６が超音波を供給したときに溶融する温度（第２の所定温度という）よりも低い温度（第１の所定温度（室温以上であって、超音波供給したときに半田の溶融温度以下）に半田コテ先部分２４の温度を設定（調整）する。尚、第２の所定温度は、超音波を供給しつつ半田６を加熱したときに半田６が溶融する温度の範囲であって、超音波を供給しない場合の半田６の溶融温度よりも通常、１０〜４０℃位低い範囲の温度（半田の種類に依存するので実験によって求める）である。
Ｓ３は、半田コテ先部分２４を、半田に超音波を供給したときに溶解する温度の範囲内に温度をあげる。
Ｓ４は、半田コテ先部分２４に、超音波２０〜１５０ＫＨｚを供する。これらＳ３、Ｓ４は、半田コテ先部分２４に超音波２０〜１５０ＫＨｚを供給しつつその温度をあげて、半田６が溶解する温度（第２の所定温度）に設定（調整）する。
以上のＳ１からＳ４により、ＮＴＡペーストを焼成して形成したバスバー電極５の上に、超音波半田付けする準備が完了、即ち、半田コテ先部分２４を半田６に当接して半田６を溶解してバスバー電極５に超音波半田付けする準備が完了したこととなる。
図５において、Ｓ５は、Ｓ４に続き、バスバー電極の上面に半田を付ける（半田メッキする）。これは、Ｓ１からＳ４によって超音波半田付けの準備が完了した半田コテ先部分２４を、既述した図２の（ｂ）に示すように、バスバー電極５の上面に半田６を供給しつつ当該半田コテ先部分２４を当接し、半田６を溶解してバスバー電極５に超音波半田付けする。この超音波半田付けにより、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、バスバー電極５の上面に半田６が半田付けする。
以上によって、バスバー電極５の上面に半田６を超音波半田付け（半田メッキ）することが可能となる。
Ｓ６は、リボン付け１として、Ｓ３とＳ４と同様にする。これは、図４のＳ３とＳ４と同様にして、プリ半田７２されたリボン７をバスバー電極５に超音波半田付けするために、半田コテ先部分２４を第２の所定温度に設定（調整）すると共に超音波を供給し、リボン７を超音波半田付け可能な状態にする。溶融する半田がバスバー電極５を半田メッキしたときと同じ半田であれば、第２の所定温度および超音波はＳ３、Ｓ４とのときと同じであり、異なればそれに適合（半田６、プリ半田７２などの種別毎に実験で求める）した第２の所定温度および超音波を供給（印加）する。
Ｓ７は、リボン付け２として、超音波半田コテ先部分をリボンに当接して半田付けする。これは、超音波半田コテ先部分２４をリボン７に当接し、当該リボン７にプリ半田７２されている半田、あるいはバスバー電極５に半田メッキされている半田、あるいは外部から供給した半田、を溶解してリボン７をバスバー電極５に超音波半田付けする。
Ｓ８は、完成する。これは、バスバー電極５の上面に銅のリボン７の超音波半田付けを完了したことを意味する。
以上によって、太陽電池を構成する、ＮＴＡペーストをスクリーン印刷して焼成したバスバー電極５の上に超音波半田付けにより、半田メッキ、更にリボン７を半田付けすることが可能となった。
図６は、本発明の超音波半田付け装置の特性例を示す。これは、図１から図５で既述した試作実験で用いた超音波半田付け装置の特性の１例を示す。
図６において、超音波半田付け装置の特性として、図示の下記のものを試作実験に用いた。量産では量産性を考慮するので、既述した図１から図５に既述したＮＴＡペーストを焼成して作成したバスバー電極５などの上面に、良好に超音波半田付けができれば、どのような特性のものを採用しての良い。
項目 内容 備考
・超音波発信周波数 ６０ＫＨｚ±５ＫＨｚ
・発信出力 最大１５Ｗ（実効１０Ｗ）
・ヒーター温度 ２００〜５００℃ 電源容量２００Ｗ
（ヒーター部分の温度で、
半田コテ先部分の温度ではない。）
尚、半田コテ先部分２４の温度は、図示外の温度計で計測する（例えば熱電対を半田コテ先部分２４に埋め込んでおき実測する。そして、この実測値をもとに第２の所定温度に自動調整する）。
図７は、本発明の超音波半田付け例（ＮＴＡ１００％）を示す。図示の写真は、図４および図５で説明した、ＮＴＡペースト（ＮＴＡ１００％）をスクリーン印刷して焼結して形成したバスバー電極（ＮＴＡ１００％）５について、超音波半田付け前と後の写真を示す。
図７の（ａ）は超音波半田付け前（ＮＴＡ１００％）の写真の例を示す。図７の（ａ）の写真上で、横方向の棒状のものがフィンガー電極４（Ａｇ１００％，図１、図２参照）であり、フィンガー電極４の上に覆うように縦方向の帯状のものが、今回の試作実験したＮＴＡペースト（１００％）を焼成して形成したバスバー電極（ＮＴＡ１００％）５であある。このバスバー電極（ＮＴＡ１００％）５の部分に、本発明では半田コテ先部分２４を当接して半田付けしたり、リボン付けしたり、試作実験した。
図７の（ｂ）は図７の（ａ）のバスバー電極（ＮＴＡ１００％）５の上に、半田６のみを既述した図４、図５の手順に従い超音波半田付けした写真例を示す。実際は、電荷を外部に取り出す引出リード線として使うリボン７を超音波半田付けするが、リボン７を半田付けしたのではその下の状態が見えなくなってしまうので、ここでは、実験的に半田６のみを超音波半田付けしたものを示す。図示のように、バスバー電極（ＮＴＡ１００％）５の部分は、白く光り半田がバスバー電極（ＮＴＡ１００％）の上に半田付けされている様子が明確に判明する。
以上のように、バスバー電極（ＮＴＡ１００％）の上に本発明の図４、図５の手順に従い超音波半田付けすることにより、従来の半田付けで不可能であったＮＴＡ１００％のバスバー電極５の上に半田６を半田付けできることが確認できた（本発明者らが発見した）。
次に、図７のＮＴＡ１００％と同様に、ＮＴＡ５０％のバスバー電極５についての写真の例を図８に示す。
図８は、本発明の超音波半田付け例（ＮＴＡ５０％）を示す。図示の写真は、図４および図５で説明した、ＮＴＡペースト（ＮＴＡ５０％）をスクリーン印刷して焼結して形成したバスバー電極（ＮＴＡ５０％）５について、超音波半田付け前と後の写真を示す。
図８の（ａ）は超音波半田付け前（ＮＴＡ５０％）の写真の例を示す。図８の（ａ）の写真上の上端部分の横方向の棒状のものがフィンガー電極４（Ａｇ１００％，図１、図２参照）であり、フィンガー電極４の上に覆うように縦方向の帯状のものが、今回の試作実験したＮＴＡペースト（５０％）を焼成して形成したバスバー電極（ＮＴＡ５０％）５である。このバスバー電極（ＮＴＡ５０％）５の部分に、本発明では半田コテ先部分２４を当接して半田付けしたり、リボン付けしたり、試作実験した。
図８の（ｂ）は図８の（ａ）のバスバー電極（ＮＴＡ５０％）５の上に、半田６のみを既述した図４、図５の手順に従い超音波半田付けした写真例を示す。実際は、電荷を外部に取り出す引出リード線として使うリボン７を超音波半田付けするが、リボン７を半田付けしたのではその下の状態が見えなくなってしまうので、ここでは、実験的に半田６のみを超音波半田付けしたものを示す。図示のように、バスバー電極（ＮＴＡ５０％）５の部分は、白く光り半田がバスバー電極（ＮＴＡ５０％）の上に半田付けされている様子が明確に判明する。
以上のように、バスバー電極（ＮＴＡ５０％）の上に本発明の図４、図５の手順に従い超音波半田付けすることにより、従来の半田付けで不可能あるいは極めて困難、あるいは剥離しやすかったＮＴＡ５０％のバスバー電極５の上に半田６を半田付けできることが確認できた（本発明者らが発見した）。
以下、上述した本発明の超音波半田付けした太陽電電のバスバー電極５等を作成したときの実施例（実験例）を詳細に説明する（以下の実施例は特願２０１５−１８０７２０号（出願日：平成２７年９月１４日）の発明者、出願人が同一の出願の実施例である）。
図９は、本発明の１実施例構造図（工程の完成図：断面図）を示す。
図９において、シリコン基板１１は、公知の半導体のシリコン基板である。
高電子濃度領域（拡散ドーピング層）１２は、シリコン基板１１の上に所望のｐ型／ｎ型の層を拡散ドーピングなどで形成した公知の領域（層）であって、図では上方向から太陽光が入射するとシリコン基板１１で電子を発生（発電）し、その電子を蓄積する領域である。ここでは、蓄積した電子は電子取出口（フィンガー電極（銀））１４によって上方向に取り出されるものである（発明の効果参照）。
絶縁膜（窒化シリコン膜）１３は、太陽光を通過（透過）させ、かつバスバー電極１５と高電子濃度領域１４とを電気的に絶縁する公知の膜である。
電子取出口（フィンガー電極（銀））１４は、高電子濃度領域１２中に蓄積した電子を絶縁膜１３に形成した穴を介して取り出す口（フィンガー電極）である。フィンガー電極１４は、本発明では、図示のように、バスバー電極１５をＮＴＡガラス１００％（ないし７１％程度）で焼成した場合には、フィンガー電極１４がバスバー電極１５の上面の高さと同じ部分あるいは突き抜けて上面に突出した部分を形成（焼成）し（ＮＴＡペーストの厚さをコントロールすることで行う）、高電子濃度領域１２中の電子を当該フィンガー電極１４を介してリード線１７に直接に流入させる（電子を直接に取り出させる）ことが可能となる。つまり、高電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、バスバー電極１５、リード線１７の経路１（従来の経路１）と、高電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、リード線１７の経路２（本発明で追加された経路２）との２つの経路で高電子濃度領域１２中の電子（電流）をリード線１７を介して外部に取り出すことができ、結果として、高電子濃度領域１２とリード線１７との間の抵抗値を非常に小さくすることが可能となり、損失を低減して結果として太陽電池の効率を向上させることができる。
バスバー電極（電極１（ＮＴＡガラス１００％））１５は、複数の電子取出口（フィンガーバー電極）１４を電気的に接続する電極であって、Ａｇの使用量を無くす、ないし削減する対象の電極である（発明の効果参照）。
裏面電極（電極２（アルミ））１６は、シリコン基板１１の下面に形成した公知の電極である。
リード線（ハンダ形成）１７は、複数のバスバー電極１５を電気的に連結した電子（電流Ｉ）を外部に取り出したり、更に、本発明ではフィンガー電極１４がバスバー電極１５の上面と同じ高さの部分あるいは突き抜けた部分に、当該リード線を超音波半田付けして接合し電子（電流）を外部に取出したりするリード線である。
以上の図９の構造のもとで、上から下方向に太陽光を照射すると、太陽光はリード線１７および電子取出口１４の無い部分と絶縁膜１３を通過し、シリコン基板１１に入射して電子を発生する。その後、高電子濃度領域１２に蓄積した電子は、電子取出口（フィンガー電極）１４、バスバー電極１５、リード線１７の経路１、および電子取出口（フィンガー電極）１４、リード線１７の経路２の両経路を介して外部に取り出される。この際、図１３から図１７で後述するように、バスバー電極１５を、ペーストにガラスフリットとしてＮＴＡガラス（導電性ガラス）１００％ないし７１％（更に少なくても可、図１７参照）を混入して焼成して形成し、Ａｇの使用量を無くし、ないし低減することが可能となる。以下順次詳細に説明する。
図１０は、本発明の動作説明フローチャートを示し、図１１および図１２は各工程の詳細構造を示す。
図１０において、Ｓ１は、シリコン基板を準備する。
Ｓ２は、クリーニングする。これらＳ１、Ｓ２は、図１１の（ａ）に示すように、Ｓ１で準備したシリコン基板１１の面（高電子濃度領域１２を形成する面）を綺麗にクリーニングする。
Ｓ３は、拡散ドーピングする。これは、図１１の（ｂ）に示すように、図１１（ａ）でクリーニングしたシリコン基板１１の上に公知の拡散ドーピングを行い、高電子濃度領域１２を形成する。
Ｓ４は、反射防止膜（窒化シリコン膜）を形成する。これは、図１１の（ｃ）に示すように、図１１の（ｂ）の高電子濃度領域１２を形成した上に、反射防止膜（太陽光を通過させ、かつ表面反射を可及的に低減した膜）として例えば窒化シリコン膜を公知の手法で形成する。
Ｓ５は、フィンガー電極をスクリーン印刷する。これは、図１１の（ｄ）に示すように、図１１の（ｃ）の窒化シリコン膜１３を形成した上に、形成するフィンガー電極１４のパターンをスクリーン印刷する。印刷材料は、例えば銀にフリットとして鉛ガラスを混入したものを用いる。
Ｓ６は、フィンガー電極を焼成し、ファイヤースルーさせる。これは、図１１の（ｄ）でスクリーン印刷したフィンガー電極１４のパターン（銀と鉛ガラスのフリットを混入したもの）を焼成し、図１１の（ｅ）に示すように、窒化シリコン膜１３にファイヤースルーさせてその中に銀（導電性）を形成したフィンガー電極１４を形成する。
Ｓ７は、バスバー電極（電極１）をスクリーン印刷する。これは、図１２の（ｆ）に示すように、図１１の（ｅ）のフィンガー電極１４を形成した上に、形成するバスバー電極１５のパターンをスクリーン印刷する。印刷材料は、例えばフリットとしてＮＴＡガス（１００％）のものを用いる。
Ｓ８は、バスバー電極を焼成する。これは、図１２の（ｆ）でスクリーン印刷したバスバー電極１５のパターン（ＮＴＡガラス（１００％）のフリット）を焼成（焼成時間は長くても１分以内、１〜３秒以上で焼成）し、図１２の（ｇ）に示すように、バスバー電極１５が最上層に形成され、かつ本発明の特徴である、フィンガー電極１４が当該最上層に形成されたバスバー電極１５の上面と同じ高さの部分、あるいは突き抜けた部分が形成される。（これは膜厚コントロールで行う。）
尚、Ｓ５及びＳ７の印刷を行い、両者を同時に焼成してもよい。
Ｓ９は、裏面電極（電極２）を形成する。これは、図１２の（ｈ）に示すように、シリコン基板１１の下側（裏面）に例えばアルミ電極を形成する。
Ｓ１０は、リード線をハンダ形成する。これは、図１２の（ｉ）に示すように、図１２の（ｇ）のバスバー電極を電気的に接続するリード線をハンダで形成、例えば超音波半田付けで形成して電気的に接続すると、高電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、バスバー電極１６、リード線１７の経路１（従来の経路１）と、高電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、リード線１７の経路２（本発明で追加した経路２）との両経路で、高電子濃度領域１２中の電子（電流）をリード線１７を介して外部に取り出すことが可能となり、高電子濃度領域１２とリード線１７との間の抵抗値を非常に小さくしてロスを低減して太陽電池の効率を向上させることができる。すなわち、本発明で追加した経路２は、フィンガー電極１４の一端が高電子濃度領域１２の中にあり、他端がＮＴＡガラス１００％のバスバー電極１５の上面と同じ高さの部分あるいは突き抜けた部分があり、この部分にリード線が直接接合（超音波半田付けで直接接合）されるので、高電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、リード線１７の経路２が形成される。なお、経路１は、従来の経路である。
以上の工程により、シリコン基板に太陽電池を作成することが可能となる。
図１３は、本発明の詳細説明図（バスバー電極の焼成）を示す。
図１３の（ａ）はバスバー電極を銀１００％、ＮＴＡ０％（重量比）で焼成した例を模式的に示し、図１３の（ｂ）はバスバー電極を銀５０％、ＮＴＡ５０％（重量比）で焼成した例を模式的に示し、図１３の（ｃ）はバスバー電極をＮＴＡ１００％（重量比）で焼成した例を模式的に示す。焼成時間は、長くても１分以内で、１〜３秒以上とした。
図１３の（ａ）と図１３の（ｂ）と図１３の（ｃ）とで図示のようにほぼ同構造となるように形成した太陽電池の試作実験では下記のような実験結果が得られた。
太陽電池の変換効率
図１３の（ａ）のＡｇ １００％、ＮＴＡ ０％ 平均約１７．０％
図１３の（ｂ）のＡｇ ５０％、ＮＴＡ ５０％ 平均約１７．０％
図１３の（ｃ）のＡｇ ０％、ＮＴＡ １００％ 平均約１７．２％
試作実験結果は、バスバー電極のパターンを印刷する材料として、図１３の（ａ）と、図１３の（ｂ）とでは太陽電池を作成したときの変換効率が平均約１７．０％でほぼ同じ結果が得られ、更に、図１３の（ｃ）では変換効率が平均約１７．２％が得られた。これら図１３の（ａ）から（ｃ）のいずれもほぼ同じ変換効率の範囲内か、あるいは図１３の（ｃ）のＮＴＡ １００％が若干高い変換効率であることが初期実験結果から判明する。尚、ＮＴＡガラスは、バナジウム、バリウム、鉄から構成され、特に鉄は内部的に強く結合して当該内部に留まっており、他の材料と混合してもその結合性は極めて小さい性質を有すること（特許第５３３３９７６号等参照）、更に既述した本発明の高電子濃度領域とリード線との間の経路（経路１と、経路２とが並列）の改善によると推測される。
図１４および図１５は、本発明の説明図（バスバー電極）を示す。
図１４の（ａ）および図１４の（ｂ）はＮＴＡ ５０％、Ａｇ５０％のものであって、図１４の（ａ）は全体平面図を示し、図１４の（ｂ）は拡大図を示す。図１５の（ｃ）はＮＴＡ １００％ Ａｇ ０％のものであって、図１５の（ｃ）は拡大図を示す。
図１４の（ａ）および図１４の（ｂ）において、バスバー電極１５は、図１４の（ａ）の全体平面図に示すように、長いバー状の電極であって、これを光学顕微鏡で拡大すると図１４の（ｂ）に示すような構造が観察された。
図１４の（ｂ）において、バスバー電極１５は、従来のＡｇと鉛ガラスのフリットで焼成した場合にはＡｇが均一に分散していたが、本発明のＡｇとＮＴＡガラスのフリットで焼成（長くても１分以内、１〜３秒以上の焼成）した場合には当該図１４の（ｂ）に示すように、バスバー電極１５の中央部分にＡｇが集まって形成されることが判明した。そのため、発明の効果の欄で説明したように、ＡｇにＮＴＡガラスを混入して短時間焼成（長くても１分、１〜３秒以上の焼成）するとＡｇが中央部分に集まって導電性が向上し（従来はＡｇは均一に分散していた場合に比較して導電性が向上し）、かつＮＴＡガラス自身も導電性を有することなどの総合的な作用によりＡｇの割合を減らしてＮＴＡガラスを増やしても、太陽電池として製造した場合の変換効率は既述したように約１６．９％と実験ではほぼ同じ結果が得られた。
尚、焼成温度は、５００℃から９００℃であるが、太陽電池として作成した場合に最適な温度を実験により決定することが必要である。低すぎても高すぎても図１４の（ｂ）のような構造が得られず、実験で決定することが必要である。
図１５の（ｃ）において、バスバー電極１５は、図示の中央部分の横方向の幅の広いバー状の電極であって、本発明に係るＮＴＡ １００％の拡大写真の１例を示す。
この図１５の（ｃ）のバスバー電極１５は、縦方向に幅の狭いフィンガー電極１４が当該バスバー電極１５を突き抜けて上側に少し突出した部分があり、かつ当該突出した部分の周囲が元のフィンガー電極１４の幅よりも太くなっていることが判明する。そして、図示のバスバー電極１５の上に、当該バスバー電極１５の幅と同じ、若干小さい、あるいは若干大きい幅で、後述する図１６で詳細に説明するように、超音波半田付けすることにより、既述した経路１（光電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、バスバー電極１５、リード線１７の経路１）および経路２（光電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、リード線１７の経路２）の両経路で高濃度電子領域と当該リード線とを導電接続し、電子（電流）の損失を低減して外部に効率的に取り出すことが可能となり、図１４の（ａ）、（ｂ）とほぼ同じ変換効率、あるいは若干高い変換効率（約１７．２％）が得られた。
尚、焼成温度は、図１４の（ａ）、（ｂ）とほぼ同じ５００℃から９００℃であるが、太陽電池として作成した場合に最適な温度を実験により決定することが必要である。低すぎても高すぎても図１５の（ｃ）のような構造が得られず、実験で決定することが必要である。
図１６は、本発明の説明図（超音波半田付け）を示す。これは、既述した図１５の（ｃ）のＮＴＡ １００％ の場合のものである（尚、同様に、図１４の（ａ）、（ｂ）に適用してもよい）。
図１６の（ａ）は、フィンガー電極１４を焼成した後の状態を示す。
図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）のバスバー電極１５の上に、点線で示す、ここでは、若干大きめ（あるいは同じ、あるいは小さくてもよい）のリード線１７を半田付けする従来の例を示す。この従来の例では、通常の半田付けで行うので、フィンガー電極１４が突出した部分（Ａｇ）とリード線１７とは半田接合するが、フィンガー電極１４の突出していない部分（ＮＴＡ１００％の部分）とリード線１７とは十分に半田接合しなく、機械的強度が十分ではない。一方、後述する図１６の（ｃ）の超音波半田付けした場合には、半田接合し、機械的強度が大幅に向上した。
図１６の（ｃ）は、図１６の（ａ）のバスバー電極１５（図１５の（ｃ）のバスバー電極１５）の上に、点線で示す、若干大きめのリード線１７を超音波半田付けする本発明の例を示す。この本発明の例では、超音波半田付けで行うので、フィンガー電極１４が突出した部分（Ａｇ）とリード線１７とは半田接合し、更に、フィンガー電極１４のない部分（ＮＴＡ１００％の部分）とリード線１７とも半田接合し、機械的強度が大幅に向上すると共に、既述した経路２（高電子濃度領域１２、フィンガー電極１４、バスバー電極１５、リード線１７の経路２）の導電性が向上した。
図１７は、本発明の測定例（効率）を示す。本図１７は、既述したバスバー電極１５について、ＮＴＡを１００％から７０％に変化させたときの良好な測定例であって、図１７の横軸はサンプルの番号を示し、縦軸は効率（％）を示す。サンプルは、
・ＮＴＡ １００％ Ａｇ ０％
・ＮＴＡ ９０％ Ａｇ １０％
・ＮＴＡ ８０％ Ａｇ ２０％
・ＮＴＡ ７０％ Ａｇ ３０％
とし、これらで太陽電池を作成し、各測定結果（効率）は図示の通りであった。尚、初期実験であるので、測定結果には図示のようにかなりのバラツキがあるが、１６．９から１７．５の範囲内に収まっており、ＮＴＡ １００％でバスバー電極１５を作成（つまり、Ａｇなしで作成）して太陽電池を製造した場合でも、ＮＴＡ ７０％（あるいは、更に８０％、９０％）に比して同程度ないし若干高い効率が得られ、ＮＴＡ １００％でも使えることが判明した（発明者らはこの事実を発見した）。
本発明の１実施例構成図である。 本発明の１実施例構成図（その２）である。 本発明の説明図（半田材料等）である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の動作説明フローチャート（続き）である。 本発明の超音波半田付け装置の特性例である。 本発明の超音波半田付け例（ＮＴＡ１００％）である。 本発明の超音波半田付け例（ＮＴＡ５０％）である。 本発明の１実施例構造図（工程の完成図：断面図）である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の詳細工程説明図（その１）である。 本発明の詳細工程説明図（その２）である。 本発明の詳細説明図（バスバー電極の焼成）である。 本発明の説明図（バスバー電極）である。 本発明の説明図（バスバー電極）である。 本発明の説明図（超音波半田付け）である。 本発明の測定例（効率）である。 従来技術の説明図である。
１：シリコン基板
２：裏面電極
３：窒化膜
４：フィンガー電極
５：バスバー電極
６：半田
７：リボン
７１：銅
７２：プリ半田
２１：予備加熱台
２２：超音波半田コテ
２３：超音波発信機及びヒーター
２４：半田コテ先部分
１１：シリコン基板
１２：高電子濃度領域（拡散ドーピング）
１３：絶縁膜（窒化シリコン膜）
１４：電子取出口（フィンガー電極）
１５：バスバー電極
１６：裏面電極
１７：リード線

Claims (10)

  1. 基板上の任意部分にペーストを塗布して焼結した部分に半田付けする半田付け方法において、
    少なくともＣｕ、Ｐｂを含まないペーストを任意部分に塗布して焼結した基板あるいは該基板上のペースト部分を、半田の溶融温度よりも低い第１の所定温度に予備加熱する予備加熱ステップと、
    前記予備加熱ステップで予備加熱した第１の所定温度の前記基板のペースト部分に、当接する半田コテ先部分に超音波を印加した状態で供給した半田が溶融する、超音波を印加しないときに半田が溶融する温度よりも低い、第２の所定温度に調整した状態で、前記半田コテ先部分を前記ペースト部分に当接してあるいは当接しながら移動して当該ペースト部分に半田付けする超音波半田付けステップと
    を有することを特徴とする超音波半田付け方法。
  2. 前記第１の所定温度を、室温以上から前記第２の所定温度の範囲内の温度としたことを特徴とする請求項１記載の超音波半田付け方法。
  3. 前記第２の所定温度を、超音波を印加しないときに半田が溶融する温度よりも１０から４０℃低い範囲内の温度としたことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  4. 前記少なくともＣｕ、Ｐｂを含まないペーストとして、Ａｇ，Ｃｕ、Ｐｂを含まなくかつバナジン酸塩ガラスを１００ｗｔ％、あるいはＣｕ，Ｐｂを含まなくかつＡｇを０以上から５０ｗｔ％を含み残りをバナジン酸塩ガラス、としたＮＴＡペーストとしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  5. 前記半田は、少なくともＳｎ、Ｚｎを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  6. 前記超音波半田付けステップで半田付けする際に、ペースト部分に当該ペースト中の有機溶剤が残留しないように予め乾燥あるいは加熱乾燥したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  7. 前記基板上に塗布するペースト部分が、可及的に滑らかになるようにして焼結したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  8. 前記超音波は、２０ＫＨｚから１５０ＫＨｚの周波数としたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  9. 前記基板上のペーストを塗布する部分を、太陽電池の電極の部分としたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の超音波半田付け方法。
  10. 基板上の任意部分にペーストを塗布して焼結した部分に半田付けする半田付け装置において、
    少なくともＣｕ、Ｐｂを含まないペーストを任意部分に塗布して焼結した基板あるいは該基板上のペースト部分を、半田の溶融温度よりも低い第１の所定温度に予備加熱する予備加熱手段と、
    前記予備加熱手段で予備加熱した第１の所定温度の前記基板のペースト部分に、当接する半田コテ先部分に超音波を印加した状態で供給した半田が溶融する、超音波を印加しないときに半田が溶融する温度よりも低い、第２の所定温度に調整した状態で、前記半田コテ先部分を前記ペースト部分に当接してあるいは当接しながら移動して当該ペースト部分に半田付けする超音波半田付け手段と
    を備えたことを特徴とする超音波半田付け装置。
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