JPWO2020129410A1 - 超音波半田付け装置および超音波半田付け方法 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、超音波半田付け装置および超音波半田付け方法に関し、基板の膜への熱損傷、超音波損傷なしに均一かつ薄くかつ強固な半田層の形成を目的とする。
【構成】コテ先加熱装置と、超音波発振装置と、半田予備加熱装置と、半田スライド装置と、コテ先移動装置とを備え 予備加熱した糸状の半田をコテ先部分で溶解かつ超音波を印加し、近接した基板部分の付着物を除去して基板部分に溶融半田を付着させて半田付けすることを特徴とする超音波半田付け装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板あるいは基板上に形成した膜の部分に半田付けする超音波半田付け装置および超音波半田付け方法に関するものである。

従来、太陽電池は、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、シリコン基板の表面に絶縁体薄膜である窒化シリコン膜、シリコン基板中に発生した電子を取り出すフィンガー電極、フィンガー電極で取り出した電子を集めるバスバー電極、バスバー電極に集めた電子を外部に取り出す引出リード電極の各要素より構成されている。

また、太陽電池の裏面には、アルミペーストを塗布して形成したアルミ電極にリード線を半田付けしている。

この際、太陽電池の裏面ではアルミ電極にリード線を半田付けしている。しかし、その強度が弱く、アルミ電極に穴を開けて銀ペーストを塗布・焼結し、当該銀ペーストの部分にリード線を半田付けし、強度を確保している。

上述した例えば太陽電池の裏面に形成したアルミ電極にリード線を半田付けしたり、該アルミ電極に穴を開けてここに銀ペーストを塗布・焼結し、この銀ペーストの部分にリード線を半田付けしたりしたのでは十分な当該リード線の引張強度が得られなかったり、銀ペーストを塗布・焼結という余分の工程が必要となってコスト高になるという問題があった。

このため、太陽電池を構成する基板（シリコン基板）あるいは基板上に形成されたアルミ電極にリード線を強固かつ低コストに半田付けすることが要望されている。

本発明者らは、半田のコテ先の断面積および熱容量を大きくしてコテ先の加熱温度を低減して基板への熱損傷を低減し、かつ超音波伝導を良好にして超音波出力を小さくして基板上の付着物を除去し薄い均一な半田層を形成し、基板の膜への損傷なしに均一かつ薄い半田層の形成を実現した。

そのため、本発明は、基板あるいは基板上に形成した膜の部分に半田付けする超音波半田付け装置において、被半田付け対象の基板あるいは膜を形成した基板を、半田の溶融温度よりも低い所定温度に予備加熱する基板予備加熱装置と、基板予備加熱装置で予備加熱した所定温度の基板の部分に近接する半田コテ先部分を、超音波を印加した状態で供給した半田が溶融する所定温度に調整するコテ先加熱装置と、コテ先加熱装置で加熱したコテ先部分に、超音波を供給する超音波発振装置と、コテ先部分に供給する糸状の半田を、当該糸状の半田が溶解する温度よりも低い温度に予備加熱する半田予備加熱装置と、半田予備加熱装置で予備加熱した糸状の半田を、加熱したコテ先部分に供給する速度を調整する半田スライド装置と、基板に近接する加熱したコテ先に、半田スライド装置で予備加熱した糸状の半田を所定速度で供給しつつ、コテ先を所定速度で半田付け方向に移動させるコテ先移動装置とを備え、予備加熱した糸状の半田をコテ先部分で溶解かつ超音波を印加し、近接した基板部分の付着物を除去して当該基板部分に該溶融半田を付着させて半田付けするように構成する。

この際、コテ先部分の形状について、コテ先の移動方向の長さを、コテ先の幅よりも長くし、断面積および熱容量を大きくして基板への熱伝導を改善し、コテ先温度を低下させ、基板上の膜あるいは基板中の膜への熱損傷を低減するようにしている。

また、コテ先部分の形状について、コテ先の移動方向の長さを、コテ先の移動方向の幅よりも長くし、断面積を大きくして超音波の基板への伝導を改善し、付着物の除去を改善して超音波発振出力を低減し、基板上の膜あるいは基板中の膜への超音波損傷を低減するようにしている。

また、超音波発振出力を２Ｗから６Ｗ、望ましくは２Ｗとするようにしている。

また、コテ先部分の形状について、コテ先の移動方向の長さを、コテ先の移動方向の幅の３倍ないし６倍とし、基板のコテ先の移動方向のうねりの長さの周期に合わせ、均一厚さの半田層を形成するようにしている。

また、予備加熱した糸状の半田の断面積を大きくあるいは小さくして基板への半田厚さを可及的に薄く調整可能にするようにしている。

また、予備加熱した糸状の半田の供給速度と、コテ先の移動速度とを同じにするようにしている。

また、予備加熱した糸状半田の供給速度と、コテ先の移動速度とについて、前者を後者よりも速くして溶融半田量を増加させて基板への半田厚さを厚く、あるいは前者を後者よりも遅くして溶融半田量を減少させて基板への半田厚さを薄くし、半田厚さを可及的に薄く調整可能にするようにしている。

また、コテ先部分の移動速度を、１５０ないし２００ｍｍ/sとし、均一かつ薄い半田層を形成するようにしている。

また、コテ先の材料あるいはコテ先をコーティングする材料を高硬度、耐摩耗性の材料とするようにしている。

また、材料をチタン、チタン合金、シリコン、あるいはシリコン合金のいずれかとするようにしている。

また、コテ先のコーティングの厚さは、５〜１５μｍとするようにしている。

本発明は、上述したように、半田のコテ先の断面積および熱容量を大きくしてコテ先の加熱温度を低減して基板への熱損傷を低減し、かつ超音波伝導を良好にして超音波出力を小さくして基板上の付着物を除去し薄い均一な半田層を形成し、基板の膜への損傷なしに均一かつ薄い半田層の形成することが可能となった。これらにより、下記の特徴がある。（１）コテ先の断面積を増大（実験では約４倍）にしたことで、コテ先の加熱温度を約９０℃下げることができ（実験）、コテ先に溶けた溶融半田を近接（約３０μｍ）した基板に付着して半田付けするときに、基板に与える熱損傷を低減できた。
（２）また、（１）のときに、基板を予備加熱する基板予備加熱台の温度を約３０℃低くでき、基板への熱損傷を低減するのに寄与できた。
（３）また、（１）のときに、コテ先の断面積を大きく（実験では約４倍）にしたことで、超音波発振装置からの超音波の伝導が良好になり、出力を２Ｗに低減しても基板の付着物を十分に除去し、薄いかつ均一の半田層を形成できた。
（４）基板上の半田層の厚さは、従来の半分ないし３分の１程度の５０から１００μｍ程度が実現でき、半田材料の使用量が半減ないし３分の１に減し、コスト低減できた。
（５）半田コテのコテ先を高硬度、耐摩耗性の金属（チタン、チタン合金、シリコン、シリコン合金など）で作成したり、コーティングしたりすることにより、コテ先の寿命を大幅に長くする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、太陽電池の基板（シリコン基板）の裏面の超音波半田付けの例であり、太陽電池の基板の表面にも適用できる。

図１において、基板（太陽電池基板、シリコン基板）１は、太陽電池を構成するシリコン基板である（図５参照）。

基板積載台（基板予備加熱台）２は、基板１を搭載して予備加熱するものであって、ここでは、半田が溶融する温度以下、室温以上の所定温度に加熱するものである。

コテ先３は、半田付け装置を構成するコテ先であって、被半田付け対象の基板１に近接（通常約３０μｍ）して配置し、コテ先加熱装置４で所定温度に加熱され、かつ超音波発振装置５から超音波が印加された状態で、コテ先移動装置３２で半田付け方向に移動されるものである。

コテ先温度（Ｔ３）３１は、コテ先の温度Ｔ３である。

コテ先移動装置（Ｓ１）３２は、コテ先３を半田付け方向に移動させる装置である。

コテ先加熱装置４は、コテ先３を所定温度に加熱するものであって、セラミックヒータなどの加熱体である。

超音波発振装置５は、超音波を発振してコテ先３に供給するものであって、ここでは、２Ｗないし６Ｗの超音波出力を発生するものである。

半田６は、コテ先３に供給する糸状の半田であって、Ｓn、Ｚnなどを含みＰbなどを含まない半田である。

半田予備加熱装置（Ｔ２）７は、糸状の半田７を予備加熱するものであって、半田７を当該半田７が溶融する温度以下に予備加熱するものである。

半田スライド装置８は、予備加熱された糸状の半田７を所定速度でコテ先３の先端部分に図示のように自動供給するものである。

次に図２および図３を用いて図１の構成の動作を詳細に説明する。

図２および図３は、本発明の動作説明フローチャートを示す。

図２において、Ｓ１は、太陽電池基板（裏面アルミパターン形成）を準備する。これは、後述する図５に示す太陽電池基板（シリコン基板）を準備する。図５のシリコン基板１は、裏面にアルミペーストを図５の（ｂ）のようにスクリーン印刷し、焼結してアルミニウム膜１１を形成したものであって、縦方向の帯状の部分（図示外の表面に形成したバスバー電極に対応した裏面の部分）にアルミニウム膜１１が無く下地のシリコン基板１が露出したものである。

Ｓ２は、基板積層台を所定の温度Ｔ１に加熱する。これは、図１の基板積載台２を所定の温度Ｔ１（半田７が溶解する温度よりもわずかに低い温度）に加熱する。

Ｓ３は、基板を基板積層台に乗せる。これにより、所定温度Ｔ１に加熱された基板積層台２に、基板を順次乗せて所定温度Ｔ１に順次加熱する。

Ｓ４は、半田予備加熱装置、コテ先をそれぞれ所定温度Ｔ２，Ｔ３に加熱する。これは、図１の半田予備加熱装置６を所定温度Ｔ２（半田７が溶融する温度よりもわずかに低い温度）に加熱、および図１のコテ先３をＴ３（超音波を印加したときに半田７が溶融する温度）に加熱する。

Ｓ５は、超音波出力を所定パワーＷに設定する。これは、図１の超音波発振装置５の超音波出力を所定パワーＷ（実験では例えば２からら６Ｗの範囲で、２Ｗが望ましい）に設定する。

図３において、Ｓ６は、コテ先を基板面に近接させて溶融半田をシリコン基板（又はアルミニウム面）に接着させる（基板上約３０μｍ）。これは、図１のコテ先３を基板１の裏面（図５の（ｂ）参照）の上、約３０μｍに近接させ、当該コテ先３に予備加熱されて供給された糸状の半田７が溶融した溶融半田を基板１の裏面のアルミニウム面あるいは基板１の露出したシリコン基板（シリコン面）に、供給された超音波で当該面上の付着物を除去して当該溶融半田を接着させる。

Ｓ７は、コテ先を半田付け対象の始点より終点に向かって所定速度Ｓ１で移動させる。

Ｓ８は、終点でコテ先を持ち上げる。これらＳ６からＳ８により、コテ先の部分に自動供給された溶融半田が、近接した基板上の図５の（ｂ）のアルミニウム面あるいはシリコン面の付着物が除去された部分に、始点から終点に向かって接着させることが可能となる。

Ｓ９は、終わりか判別する。ＹＥＳの場合には、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ１０で次の半田付け開始場所に移動し、Ｓ６以降を繰り返す。例えば１５０ｍｍ角の太陽電池基板（シリコン基板）の場合には実験では５本分繰り返した。

以上のように、予備加熱した太陽電池基板のアルミニウム面あるいはシリコン面に近接してコテ先３を配置し、当該コテ先３の先端部分に予備加熱した糸状の半田７を自動供給して当該コテ先３に溶融半田を形成すると共に当該コテ先３から超音波を近接した太陽電池のアルミニウム面あるいはシリコン面に供給して付着物を除去した後に溶融半田を接着することを始点から終点まで移動することにより、太陽電池基板のアルミニウム面あるいはシリコン面に溶融半田をアルミニウム面やシリコンン面に損傷を与えることなく薄くかつ強固かつ綺麗に接着することが可能となった。これらにより、リボン（リード線）を太陽電池のアルミニウム面あるいはシリコン面に強固に直接に固定したり（この場合には図１の糸状の半田７の代わりに、予備半田したリボンを使用する）、あるいは糸状の半田７でプリ半田した後にリボンを半田付け（超音波なしでも可）したりすることが可能となった。

以下順次詳細に説明する。

図４は、本発明の温度設定フローチャートを示す。これは、図１および図２と図３で説明した温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の設定を詳細に説明したものである。

・温度Ｔ１：図１の基板積層台の温度
・温度Ｔ２：図１の半田予備加熱装置の温度
・温度Ｔ３：図１のコテ先３の温度
図４において、Ｓ１１は、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の最適な温度範囲を設定する。これは、予め実験で求めた最適な温度範囲をそれぞれ設定する。

Ｓ１２は、Ｔ１は所定の温度範囲か判別する。これは、現在の温度Ｔ１がＳ１１で設定したＴ１の最適な温度範囲内か判別する。ＹＥＳの場合にはＳ１３に進む。ＮＯの場合には、Ｓ１１に戻り、繰り返す。

Ｓ１３は、Ｔ２は所定の温度範囲か判別する。これは、現在の温度Ｔ２がＳ１１で設定したＴ２の最適な温度範囲内か判別する。ＹＥＳの場合にはＳ１４に進む。ＮＯの場合には、Ｓ１１に戻り、繰り返す。

Ｓ１４は、Ｔ３は所定の温度範囲か判別する。これは、現在の温度Ｔ３がＳ１１で設定したＴ３の最適な温度範囲内か判別する。ＹＥＳの場合にはＳ１５で半田付け開始する。ＮＯの場合には、Ｓ１１に戻り、繰り返す。

以上のように、図１の基板積載台２の温度Ｔ１、半田予備加熱装置６の温度Ｔ２、およびコテ先３の温度Ｔ３が予め実験で求めた最適な温度範囲内（後述する）にそれぞれが調整されたと判明した場合に、半田付けを開始し（既述した図２のＳ５以降を実行し）、太陽電池基板のアルミニウム面あるいはシリコン面の上の付着物を超音波で除去しつつ予備加熱されて溶融された溶融半田をコテ先から近接した当該アルミニウム面あるいはシリコン面に接着させて半田付けすることが可能となる。

図５は、本発明の半田あ付け対象の基板例を示す。

図５の（ａ）は太陽電池基板（シリコン基板）の裏面の断面図を示し、図５の（ｂ）は太陽電池の裏面の平面図を示す。

図５の（ａ）および（ｂ）において、太陽電池（シリコン基板）１の裏面には、図示のように、ここでは、アルミペーストを塗布・焼結してアルミニウム膜１１が形成され、図示外の表面の帯状のバスバー電極に対応した部分のアルミニウム膜が無くてシリコン面が露出した構造に形成されている。

本発明は、太陽電池の裏面のアルミニウム膜１１の部分あるいはシリコン面が露出した部分に、溶融半田を接着させて半田付けする。

図６は、本発明の半田付け装置の構成例を示す。この半田付け装置は、超音波発振装置５、伝搬路５１、コテ先３からなるものである。

図６において、超音波発振装置５は、図１の超音波発振装置５に対応し、超音波を発振して出力するものであって、超音波出力が２Ｗないし６Ｗの範囲内で調整可能にしたものである。

伝搬路５１は、超音波発振装置５が発生した超音波出力を効率良好にコテ先３に伝搬させるものである。

コテ先３は、図１のコテ先３であって、所定温度Ｔ３に加熱されて予備加熱された半田を溶融して溶融半田を生成すると共に、超音波発振装置５が発生した超音波を伝搬路５１を介して受信し、近接して配置した太陽電池基板のアルミニウム面あるいはシリコン面に伝搬して当該アル二ニウム面あるいはシリコン面の付着物を除去した後、溶融半田を接着して半田付けするためのものである。コテ先３は、図示のように幅（縦方向）に対して長さ（横方向であって、コテ先３が移動して半田付けする方向）が長いものである（通常２倍ないし６倍程度、図７、図１４を用いて後述する）。

以上のように、超音波発振装置５を伝搬路５１を介してコテ先３に接続することにより、コテ先３から近接して配置した太陽電池基板のアルミニウム面あるいはシリコン面に超音波を供給して表面の付着物を除去した後に、当該コテ先３の溶融半田をアルミニウム面あるいはシリコン面に接着して強固に半田付けすることが可能となる。

図７は、本発明のコテ先の改善例を示す。

図７の（ａ）は従来のコテ先の形状例を示す。従来のコテ先は、図示のように、１ｍｍ×１ｍｍの正方形あるいは円の形状の半田付け部分３３を用いて半田付けしていた。この従来の半田付け部分３３では、方向性がなく、任意の方向に向けて半田付けでき便利であった。

しかし、半田付け部分３３の接触面積が小さく、図７の（ａ）の例では１ｍｍ×１ｍｍの矩形で１ｍｍ平方であって、接触するアルミニウム面あるいはシリコン面の熱抵抗が大きく、かつ超音波抵抗も大きかった。

このため、本発明の図７の（ｂ）の実験例では、幅は１ｍｍと同じにし、長さを４ｍｍの４倍にして接触面積を４倍に大きくして接触するアルミニウム面あるいはシリコン面への熱抵抗を約１／４に小さくし、かつ超音波抵抗も約１／４に小さくし、結果としてこの分に対応するコテ先３の加熱温度を低下、かつ超音波出力を低下させることができた。その結果、アルミニウム面あるいはシリコン面の熱損傷および超音波損傷をそれぞれ低減し、薄い半田層（従来の半分ないし３分の１の厚さ）を形成し、強固かつ綺麗な半田付けが可能となった。

図７の（ｂ）は本発明のコテ先の形状例を示す。本発明のコテ先は、図示のように、幅が１ｍｍ、長さ４ｍｍの矩形の形状の半田付け部分３４を用いて半田付けした。この本発明の田付け部分３４は、図７の（ａ）の半田付け部分３３に比して、アルミニウム面あるいはシリコン面への接触面積が４倍となっているので、熱抵抗および超音波抵抗を約１／４に低減できると共に、コテ先３の断面積を４倍にして熱容量を増大（約４倍）できた。

図７の（ｃ）は本発明の他のコテ先の形状例を示す。本発明の他のコテ先は、図示のように、幅が１ｍｍ以下、長さ４ｍｍ程度の矩形の形状の半田付け部分３４を有するものである。この他のコテ先の形状例では、図７の（ｂ）のコテ先３の先端の幅が１ｍｍ以下、長さが４ｍｍ以下の小さい形状にしたもの付加した構造であって、特に、幅１ｍｍ以下にしたい場合に便利な構造である。つまり、図７の（ｂ）のコテ先の形状とほぼ同じあるいは若干大きい熱抵抗、超音波抵抗、熱容量を有した状態で、幅のみを１ｍｍ以下の任意に小さくできるという特徴がある。

以上のように、コテ先の幅に対する長さ方向を長く（実験では４倍）し、同一の幅の半田付けが可能な状態で、太陽電池基板のあるミニウム面あるいはシリコン面との間の熱抵抗を小さく（実験では約１／４に小さく）かつ熱容量を大にし（約４倍）、結果としてコテ先の温度を低減かつ超音波出力を低減し、太陽電池基板のアルミニウム面あるいはシリコン面の熱損傷、超音波損傷を低減して薄い半田層の半田付けを実現すると共に、強固かつ綺麗な半田付けを実現できた。

図８は、本発明のコテ先速度（Ｓ１）例を示す。これは、図１のコテ先３の速度Ｓ１に対応づけて図示の下記の情報を対応づけたものである。

速度 速度例（ｍｍ／ｓ） 備考
上限 ２００ 半田が途切れる
最適範囲 １５０−２００ 半田が均一に薄く塗布
下限 １５０ 半田留まりができる
ここで、速度は、図１のコテ先３を、被半田付け対象の太陽電池基板１のアルミニウム面あるいはシリコン面に対して移動する速度Ｓ１である。速度例（ｍｍ／ｓ）は、本実験で使用した図７の（ｂ）のコテ先の形状の場合の上限、最適範囲、下限の速度例である。備考は各速度（上限、最適範囲、下限）における半田付けの状態を観察したものである。以下説明する。

（１）図１のコテ先３の速度を上限の２００ｍｍ／ｓ以上にすると、コテ先３に溶けた溶融半田が太陽電池基板１のアルミニウム面面あるいはシリコン面への供給が遅れ、結果として該面への半田が途切れてしまうので、速度の上限を２００ｍｍ／ｓとしたものである。

（２）速度の最適範囲が１５０から２００ｍｍ／ｓの場合には太陽電池基板１のあるミニウム面あるいはシリコン面に半田が均一かつ薄く塗布できた。

（３）速度の下限の１５０ｍｍ／ｓ以下では、半田の供給が過剰となり、アルミニウム面あるいはシリコン面に半田溜まりができた。

以上の実験結果から図１のコテ先３の速度の最適範囲は、１５０から２００ｍｍ／ｓでこれにより遅すぎてもても速すぎても半田が均一かつ薄く、アルミウム面あるいはシリコン面が塗布できなかった。尚、実験では図７の（ｂ）のコテ先３の形状を用いたが他の形状（幅等）、更に、希望する半田厚さなどが異なれば、実験により最適速度をそれぞれ求めることが必要である。

図９は、本発明の半田供給速度（Ｓ２）例を示す。これは、図１の半田７をコテ先３に供給する速度Ｓ２に対応づけて図示の下記の情報を対応づけたものである。

速度 備考
速い 半田を厚くできる
速すぎると半田溜まりができる
最適範囲 半田を均一に薄く塗布
遅い 半田を薄くできる
遅すぎると半田が途切れる
ここで、速度は、図１の半田予備加熱装置７で予備加熱した半田６を半田スライド装置８でコテ先３に供給する速度Ｓ２である。備考は速度（速い（コテ先速度より速い）、最適範囲、遅い（コテ先速度より遅い））における半田付けの状態を観察したものである。以下説明する。

（１）図１の半田スライド装置８で供給する半田７の速度を速く（コテ先速度より速く）すると、コテ先３の速度よりも速い速度で半田７がコテ先３に供給され、いわば半田過剰供給となり、溶融半田を太陽電池基板１のアルミニウム面面あるいはシリコン面へ厚く塗布、更に速すぎると半田溜まりができた。

（２）半田６の速度が最適範囲の場合（半田６の速度とコテ先の速度が同じ場合）には、太陽電池基板１のあるミニウム面あるいはシリコン面に半田を均一かつ薄く塗布できた。

（３）半田７の速度を遅く（コテ先速度より遅く）すると、コテ先３の速度よりも遅い速度で半田７がコテ先３に供給され、いわば半田過少供給となり、溶融半田を太陽電池基板１のアルミニウム面面あるいはシリコン面へ薄く塗布、更に遅くすると半田が途切れた。

以上の実験結果から図１の半田スライド装置８による半田７の供給速度の最適範囲はこコテ先と同一の場合に半田を均一かつ薄く塗布でき、少し速くすれば半田を厚くできるが速すぎると半田だまりでき、少し遅くすれば半田を薄くできるが遅すぎると半田が途切れることが判明した。尚、供給する糸状の半田７の断面積を変えた（増減した）ものを用いて、半田の厚さを調整（増減）することも可能である。

図１０は、本発明の温度設定例を示す。これは、図１の基板積層台２、半田予備加熱装置７、コテ先加熱装置４に対応づけて下記の情報を対応づけたものである。

装置 設定温度（℃） 設定温度範囲（℃）
基板積層台（Ｔ１） １７０ １５０−２００
半田予備加熱装置（Ｔ２） １６０ １４０−２００
コテ先加熱装置（Ｔ３） ３６０ ３４０−４５０
ここで、装置は、図１の基板積層台２、半田予備加熱装置７、コテ先加熱装置４である。設定温度は各装置に実験で設定した設定温度例を示し、設定温度範囲は各装置に実験で用いた適切な設定温度範囲である。以下説明する。

（１）図１の基板積層台（Ｔ１）２は、超音波を印加したときに半田６が溶融してコテ先３で溶融半田となる温度よりも少し低い温度であって、実験では１７０℃に設定し、適切設定温度範囲は１４０から２００℃の範囲であった。

（２）図１の半田予備加熱装置（Ｔ２）７は、コテ先３で溶融半田となる温度よりも少し低い温度に半田６を予備加熱するものであって、実験では１６０℃に設定し、適切設定温度範囲は１５０から２００℃の範囲であった。

（３）図１のコテ先加熱装置（Ｔ３）４は、超音波を印加したときに半田６が溶融してコテ先３で溶融半田となる温度であって、実験では３６０℃に設定し、適切設定温度範囲は３４０から４５０℃の範囲であった。

尚、上記設定温度、設定温度範囲は使用する半田６の材料に依存するものであって、上記実験例はＳｎ・Ｚｎ半田を用いた。他の半田材料は溶融温度が異なるので、実験で設定温度、設定温度範囲を求めて設定する必要がある。

図１１は、本発明の超音波パワー設定例を示す。これは、図１の超音波発振装置５の発振出力パワーに対応づけて下記の情報を対応づけたものである。

パワー Ｗ 備考
大 ６Ｗ以上 コテ先温度を下げることが可能
基板又は結晶損傷、破損
半田接着面が滑らかにならない
最適範囲 ２−６Ｗ（最適２Ｗ） 半田が均一に薄く塗布
小 ２Ｗ以下 コテ先温度を上げる必要
酸化物等を十分に除去できない
ここで、パワーは、図１の超音波発振装置５がコテ先３に供給する超音波発振出力（パワー）である。Ｗは実験で設定したパワー（Ｗ）である。備考は各パワーの場合の状況を観察した情報を示す。以下説明する。

（１）図１の超音波発振装置５の超音波発振パワーを大（実験では６Ｗ以上）にした場合は、
・コテ先温度を下げることが可能
・基板又は結晶損傷、破損、
・半田接着面が滑らかにならない
という現象が確認できた。ここで、「コテ先温度を下げることが可能」は超音波出力（パワー）を大（例えば６Ｗ以上）にした場合、コテ先３の溶融半田となるときの加熱温度が超音波出力を大にしたことで低下し、結果としてコテ先温度（Ｔ３）を下げることができることを意味する。また、「基板又は結晶損傷、破損」は、超音波出力を大にしたので、その結果、当該大きな超音波出力により太陽電池基板のアルミニウム面、シリコン面に超音波損傷を与え、基板又は結晶の損傷、更には膜の破損が発生する可能性が大となることを意味する。また、「半田接着面が滑らかにならない」は超音波出力が大のためにアルミニウム面、シリコン面への半田が滑らかにならなくごつごつした状態になってしまうことを意味する。

（２)超音波出力が最適範囲（例えば２Ｗから６Ｗの範囲内で、望ましくは２Ｗ）の場
合には、半田が太陽電池基板１のアルミニウム面、シリコン面に均一かつ薄く塗布できた。

（３）超音波出力が小（例えば２Ｗ以下）の場合には、
・コテ先温度を上げる必要
・酸化物等を十分に除去できない
という現象が確認できた。ここで、「コテ先温度を上げる必要」は超音波出力（パワー）を小（例えば２Ｗ以下）にした場合、コテ先３の溶融半田となるときの加熱温度が超音波出力を小にしたことで上昇し、結果としてコテ先温度（Ｔ３）を上げる必要性が生じることを意味する。また、「酸化物等を十分に除去できない」は、超音波出力を小にしたので、その結果、太陽電池基板のアルミニウム面、シリコン面の上の付着物、酸化物等を十分に除去できないことを意味する。

図１２は、本発明と従来の設定例を示す。この図１２は、各項目について、従来と本発明とを比較してその違いを具体的に図示の下記のように記述したものである。ここで、項目は比較項目であって、図示のように「コテ先温度（Ｔ３）」などである。従来は項目の従来の具体例を示し、本発明は項目の本発明の具体例を示す。備考は項目の詳細説明である。

項目 従来 本発明 備考
コテ先温度（T3) 450℃ 360℃ 450℃以下にして錆対応
基板予備加熱温度（T1) 260℃ 170℃
コテ先速度（S1) 150mm/S 178mm/S 要件150mm/S以上
ウエーハ１枚/1秒以上
半田供給（S2) 200パルス
コテ先高さ 20-30μm 30μm
半田予備加熱（T2) なし 160℃ 200℃以下
（本発明で初めて）
超音波発振出力 6W 2W（2-6Wの範囲） 6W以下
半田重量 0.02-0.03g/ 0.01g/パス1本当たり 0.5ｇ以下
パス1本当たり (バス5本で合計0.05g)／ウェーハ
ここで、コテ先温度（T3)は、従来は450℃であったが、本発明ではコテ先３の先端部分の形状の幅を同じにした場合に長さを約４倍にして断面積を４倍にした結果（図７の（b)参照）、コテ先温度（コテ先加熱温度）は３６０℃となり、約９０℃低下させることが実験で確認できた。これにより、コテ先３の溶融半田を太陽電池基板１のアルミニウム面、シリコン面に近接して接着させるときの温度を低下させ、熱損傷を低減できた。

基板予備加熱温度（T1)は、コテ先温度を低下させることが可能となったと同時に、当該基板予備加熱温度も２００℃から１７０℃へと約３０℃低下させても本発明のコテ先３（従来に比し、約４倍の長さを持つコテ先（図７の（ｂ）参照））を用いて半田付け可能となった。

コテ先速度（S1)は、従来の１５０ｍｍ/Sから本発明のコテ先にしたことにより、１７８ｍｍ/Sと２８ｍｍ/Sだけ速度を向上させることができた。

半田供給は、本発明では２００パルスで行った。

コテ先高さは、従来は２０ないし３０μｍであったが、本発明では３０μｍに制御した。

半田予備加熱温度（T2)は、従来は無であったが、本発明では１６０℃に予備加熱した。

超音波発振出力は、従来は６Ｗであったが、本発明では本発明のコテ先（図７の（ｂ）参照）を用いて幅を同じで断面積を４倍にし、超音波抵抗を低減し、２Ｗでも太陽電池基板１の上の付着物を十分に除去して溶融半田を接着させ、均一かつ薄い（従来の半分の厚さ）に半田付けできた。

半田重量は、従来はパス１本当たり０．０２から０．０３ｇであり、１枚のウェーハで５本（５パス）で当該０．１から０．１５ｇの半田を使用していた。本発明はパス１本当たり０．０１ｇであり、１枚のウェーハで５本（５パス）で０．０５ｇの半田を使用したので、従来の半分から３分の１に減少させ、半田使用量を削減できた。また、本発明による半田使用量の削減は、太陽電池基板１のアルミニウム面、シリコン面ヘの半田厚さを従来の半分から３分の１に薄くできたこととなる。

図１３は、本発明の半田付け写真例を示す。図１３中の（a）横方向は適正条件の場合（図１２の本発明の場合）の半田付け写真例を示し、綺麗に薄くかつ均一に半田付けされている様子を観察できる。

一方、図１３中の（ｂ）縦方向は不適正条件の場合の半田付け不良の写真例を示し、この半田付け不良の写真例では半田付け部分の表面に凹凸があり、均一に半田付けされていない半田付け不良の様子を観察できる。

図１４は、本発明のコテ先の形状例を示す。

図１４の（ａ）は、コテ先の幅の例を示す。これは、半田付けしようとするコテ先３の幅が、半田付け対象のパターン（ここでは例として、バスバーパターン）の幅と、同じ、大きい、小さい場合について半田付け状態を説明したものであって、コテ先の幅（大きい、同じ、小さい）に分けて図示のように半田付け状態を図示の下記のように記載したものである。

コテ先の幅 半田付け状態
・バスバーパターン 半田付けする位置に適した半田パターンが
形成されない。

（例えば１ｍｍ） 例えば半田が蛇行してしまう。

よりコテ先幅が大きい時
・バスバーパターンと 適切
同じ時
・バスバーパターン 半田形成面の面積が小さくなり十分な密着力
が選らない。

よりコテ先が小さい時
以上のように、コテ先の幅（半田付け方向と直角方向の幅）は、半田付け対象のパターンの幅と同じときに最良の結果が得られ、それよりも広すぎたり、狭すぎたりすると良好な結果は得られないことが判明した。

図１４の（ｂ）は、実験例を示す。これは、実験しときの条件、結果などであって、図示の下記であった。

・コテ先の幅は、表面のバスバーパターンの幅に合わせた。これは、例えば既述した図７の（ｂ）に示す本発明のコテ先形状例に示すように、半田付け対象のバスバーパターンの幅１ｍｍに、本発明のコテ先の幅を合わせた。

・コテ先の長さは、ウェーハの表面の加工形状の凹凸（うねり）に依存する。これは、コテ先の長さは、当該コテ先の先端部分の溶融半田を、半田付け対象の部分（ウェハー上のパターン、例えばバスバーパターンなど）に接着させて半田付けする関係で、当該ウェハーの表面の加工形状のうねり（凹凸）の周期（例えば１周期）に合わせることが必要であり、ウェハーのうねり（凹凸）に依存するという意味である。

・本実験例では、現状のウェーハの加工形状の凹凸（うねり）が４ｍｍに入るので４ｍｍとした。これは、実験で用いたウェーハの加工形状の凹凸（うねり）の１周期が４ｍｍに入ったので、既述した図７の（ｂ）に示す本発明のコテ先形状例の長さを４ｍｍに合わせた。

以上のように、半田付け対象の部分の幅（パターンの幅）、および半田付け対象のウェーハの表面の加工形状の凹凸（うねり）に合わせて、コテ先の幅、長さを決定（調整）すると共に、併せて、熱抵抗、超音波抵抗を小さく、かつ熱容量を大きくなるようにコテ先の形状を決定（調整）した。その結果、既述したように、本発明では従来の半分ないし３分の１の厚さかつ均一な半田層を太陽電池基板のアルミニウム面、シリコン面に強く半田付けし、かつコテ先の加熱温度を低下および超音波出力を低減し、太陽電池基板の半田付け面の熱損傷、超音波損傷を低減することができた。

図１５は、本発明のＡＢＳコーティング処理説明図を示す。

図１５の（ａ）は、チタン（ＴＡ）処理の様子を模式的に示す。

図１５の（ａ）において、基材１１は超音波半田コテのコテ先の基材（材料）であって、例えばチタン金属（チタン合金）である。この基材１１は、チタン金属に限られることなく、熱伝導性がよく、硬い、耐摩耗性がある金属であればどのような金属でもよい（図１７などで後述する）。尚、イオンスパッタリングで基材１１の上に高高度、耐摩耗性の膜を形成する関係で、付着性あるいは合金性の高いものが必要である。

ＴＡ混合層１２は、基材１１の上からイオンスパッタリングでここではチタンイオンを衝突させ、当該基板１１の表面から内部に図示のように形成された混合層である。ＴＡ混合層１２の厚さは通常、図示のように５〜１０μｍ程度が適切である。

ＴＡ被膜１３は、基材１１の上からイオンスパッタリングでここではチタンイオンを衝突させたときに、当該基板１１の上に図示のように形成されたチタンの被膜（ＴＡ被膜）である。ＴＡ被膜１３の厚さは通常、図示のように５〜１０μｍ程度が適切である。必要あれば、上から少し研磨して薄くなるが平坦にして平面性を良くしてもよい。ここで、実験では、イオンスパッタリング（ＡＢＳコーティング）は、パルス電圧５０Ｈｚ、最大２２０Ｖ、電流４２Ａ（ノーマルモード）で実施することにより、凹凸は１０μｍ以上が得られました。１０×１０平方ｍｍ領域を１３分で処理しました。

元の基材表面１４は、イオンスパッタリング前の基材１１の表面である。

以上のように、基材１１の上からチタン（あるいはチタン合金）のイオンスパッタリングすると、当該基材１１の表面から内部にＴＡ混合層１２が形成されて強固に固定されると共に基材１１の上にＴＡ被膜１３が形成され、当該ＴＡ被膜１３の有する高高度、かつ耐摩耗性のコテ先を作成することが可能となる。ＴＡ被膜１３は、必要に応じて表面を少し研磨し、平坦にして滑りを良くすることも可能である。

図１５の（ｂ）は、シリコン（ＳＡ）処理の様子を模式的に示す。

図１５の（ｂ）において、基材２１は超音波半田コテのコテ先の基材（材料）であって、例えばシリコン金属（シリコン合金）である。この基材２１は、シリコン金属に限られることなく、熱伝導性がよく、硬い、耐摩耗性がある金属であればどのような金属でもよい（図１７などで後述する）。尚、イオンスパッタリングで基材２１の上に高高度、耐摩耗性の膜を形成する関係で、付着性あるいは合金性の高いものが必要である。

ＳＡ混合層２２は、基材２１の上からイオンスパッタリングでここではシリコンイオンを衝突させ、当該基板２１の表面から内部に図示のように形成された混合層である。ＳＡ混合層２２の厚さは通常、図示のように５〜１０μｍ程度が適切である。

ＳＡ被膜２３は、基材２１の上からイオンスパッタリングでここではシリコンイオンを衝突させたときに、当該基板２１の上に図示のように形成されたシリコンの被膜（ＳＡ被膜）である。ＳＡ被膜２３の厚さは通常、図示のように５〜１０μｍ程度が適切である。必要あれば、上から少し研磨して薄くなるが平坦にして平面性を良くしてもよい。

元の基材表面２４は、イオンスパッタリング前の基材２１の表面である。

以上のように、基材２１の上からシリコン（あるいはシリコン合金）のイオンスパッタリングすると、当該基材２１の表面から内部にＳＡ混合層２２が形成されて強固に固定されると共に基材２１の上にＳＡ被膜２３が形成され、当該ＳＡ被膜２３の有する高高度、かつ耐摩耗性のコテ先を作成することが可能となる。ＳＡ被膜２３は、必要に応じて表面を少し研磨し、平坦にして滑りを良くすることも可能である。

図１６は、本発明のＡＢＳコーティングの処理説明図（硬度）を示す。この図１６は、既述した図１５の（ａ）のＴＡ処理の被膜硬度（ＨＶ：ピッカース硬度）の例を示したものである。

図１６において、左側の欄は、既述した図１５の（ａ）のＴＡ処理、元の基材面１４まで研磨加工、元の基材面から５μｍ研磨加工の３つの状態のときに、右側の被膜硬度（ＨＶ）の例であって、ここでは、基材１１がＦｅ系基材の例を示し、図示の下記の硬度を有する。

ＴＡ処理／研磨加工の区別 被膜硬度（ＨＶ）（Ｆｅ系基材の場合）
・ＴＡ表面 ２５００
・元の基材面まで研磨加工 ２０００
・元の基材面から５μｍ研磨加工 １０００
ここで、ＴＡ表面のときに被膜硬度が２５００ＨＶは、図１５の（ａ）のＴＡ処理後の状態のまま（５〜１５μｍ厚のＴＡ被膜３をチタンイオンスパッタリングした状態のまま）のときの被膜硬度が２５００ＨＶ程度であることを意味する。これは、従来の超音波半田コテのコテ先がステンレス（ＳＵＳ３０４）の高度１５０ＨＶ（後述する図１７参照）に比して、１６倍程度も硬度が固いことを意味する（耐摩耗性もほぼ同じ）。

同様に、元の基材面まで研磨加工の２０００ＨＶは、図１５の（ａ）のＴＡ処理後の状態から元の基材表面１４まで研磨加工したときの被膜硬度が２０００ＨＶ程度であることを意味する。これは、従来の超音波半田コテのコテ先がステンレス（ＳＵＳ３０４）の高度１５０ＨＶ（後述する図１７参照）に比して、１３倍程度も硬度が固いことを意味する（耐摩耗性もほぼ同じ）。

同様に、元の基材面から５μｍ研磨加工の１０００ＨＶは、図１５の（ａ）のＴＡ処理後の状態から元の基材面から５μｍ研磨加工したときの被膜硬度が１０００ＨＶ程度であることを意味する。これは、従来の超音波半田コテのコテ先がステンレス（ＳＵＳ３０４）の高度１５０ＨＶ（後述する図１７参照）に比して、６倍程度も硬度が固いことを意味する（耐摩耗性もほぼ同じ）。

図１７は、本発明のＡＢＳコーティングの半田コテへの応用例を示す。この図１７は、既述した図１５の（ａ）のＴＡ被膜、図１５の（ｂ）のＳＡ被膜などの硬度（ＨＶ）、比熱（Ｊ／ＫｇＫ）、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）の関係を示すものである。

図１７において、左側の欄は、既述した図１５の（ａ）のＴＡ被膜、図１５の（ｂ）のＳＡ被膜、その他の材料のときに、右側の硬度、比熱、熱伝導率を値の例を示し、図示の下記の硬度、比熱、熱伝導率をそれぞれ有する。

コテ先の被膜／材料 硬度(HV) 比熱(J/KgK) 熱伝導率(W/mK)
ＴＡ被膜 1000〜2500
ＳＡ被膜 800〜1000
炭化チタン（ＴｉＣ） 3000〜4000 21
シリコン 1040 678 83.7
チタン 120 528 17
モリブデン 147 225 147
クロムモリブデン鋼 285〜415 470 48
ＳＵＳ３０４ 150 500 16.3
アルミニウム 25 900 204
コバルト 130 431 70
ここで、左欄のコテ先の被膜／材料は、従来がモリブデン、クロムモリブデン鋼、ＳＵＳ３０４などを使用しており、硬度は１４７から４１５ＨＶの範囲内（数百ＨＶ）であった（図１７の右側に記載した「（１）元の高度（数百ＨＶ）」参照）。

この従来のコテ先（モリブデン、クロムモリブデン鋼、ＳＵＳ３０４）の表面に、本発明の図１５の（ａ）のＴＡ被膜を形成すると、ＴＡ被膜の硬度２５００ＨＶと約６倍、硬度が高くなる（図１７に図示の「（２）処理後の高度（２５００ＨＶ）」参照）ことが判明し、耐摩耗性もほぼ同様に高くなることが判明した。

同様に、図１７の右側に示すように、
「（３）元の熱伝導率（ＳＵＳ３０４の１５。３）」から「（４）変更後の熱伝導率（モリブデンの１４７）」に大きくなることが判明した。

つまり、コテ先の基材を従来の「ＳＵＳ３０４」から本発明の「モリブデン」に変更して熱伝導率を約９倍に大きくし、かつ表面にＴＡ被膜を形成して表面の硬度を約６倍だけ大きくすることができた。

ここで、コテ先の基材をＳＵＳ３０４からモリブデンに変更したことにより、シリコン基板に対する熱的特性、特に熱伝導性が大幅に改善され、コテ先の交換頻度を約６月程度の伸ばせた。しかし、硬度は小さいため、コテ先交換頻度は６月程度になった。更に、コテ先の基材であるモリブデンにＴＡ処理（ＴＡコーティング）を実施（既述した図１５の（ａ）参照）し、硬度を高め、コテ先交換頻度を１年半程度に向上できた。

図１８は、本発明のＡＢＳコーティングの表面顕微鏡像例（モリブデン）を示す。この図１８に示すＡＢＳコーティングは、実験では、パルス電圧５０Ｈｚ、最大２２０Ｖ、電流１４Ａ（マイルドモード）で実施することにより、凹凸は５μｍ程度が得られた。１０×１０平方ｍｍ領域を４０分で処理した。

図１８の（ａ）はモリブデン表面（基材）の顕微鏡像を示し、図１８の（ｂ）はＴＡ表面（チタンコーティング）の顕微鏡像を示す。両画像は上から５、１０、２０、５０倍の順に倍率が高くなる画像である。

図１８の（ａ）のモリブデン表面（基材）には、図示のように横方向に機械加工の後が観察できる。

図１８の（ｂ）のＴＡ表面（チタンコーティング）は、コテ先の基材のモリブデン表面に、チタンイオンスパッタによりチタンが島状に形成されている様子が判明する。このＴＡ表面は、既述した図１５の（ａ）に模式的に示すように、表面が島状の凹凸が存在するので、必要に応じ、既述した図１５の（ａ）を用いて説明したように、「ＴＡ表面」、「元の基材面まで研磨加工」、「元の基材面から５μｍ研磨加工」とすることにより、表面を平坦にすることが可能である。尚、研磨するほど、図１６に記載したように、硬度が２５００から１０００ＨＶ程度に小さくなるので、使用に応じて最適な平坦性が得られる研磨を行う必要がある。

図１８の（ｃ）のＳＡ表面（シリコンコーティング）は、コテ先の基材のモリブデン表面に、シリコンイオンスパッタによりシリコンが島状に形成されている様子が判明する。このＳＡ表面は、既述した図１５の（ｂ）に模式的に示すように、表面が島状の凹凸が存在するので、必要に応じ、既述した図１５の（ｂ）を用いて説明したように、「ＳＡ表面」、「元の基材面まで研磨加工」、「元の基材面から５μｍ研磨加工」とすることにより、表面を平坦にすることが可能である。尚、研磨するほど、ＴＡ被膜と同様に硬度が小さくなるので、使用に応じて最適な平坦性が得られる研磨を行う必要がある。

図１９は、本発明のＡＢＳコーティングの表面顕微鏡像例（その２）を示す。これは、既述した図１８の（ａ）のＭｏ（モリブデン）、図１８の（ｂ）のＴＡ（チタンコーティング）、図１８の（ｃ）のＳＡ（シリコンコーティング）のぞれぞれの４倍の実体顕微鏡の画像例である。

次に、図２０から図２５を用い、半田を付着させた取出線であるリボンあるいは線材(ワイヤー）などを、基板あるいは基板上に形成した膜に、直接に超音波半田付けする手順を詳細に説明する。

図２０は、本発明の動作説明フローチャート（予備半田が無い場合）を示す。
図２０において、Ｓ１０１は、半田コテ、ウェーハ登載台等の温度、超音波発振周波数等の設定を行う。これは、超音波半田付けを行うに先立ち、前準備として下記を行う。

・半田コテ：所定温度に加熱（リボンあるいは線材に付着されている半田が溶融する温度に加熱）する。
・ウェーハ登載台：基板であるウェーハの登載台を所定温度に予備加熱（リボンあるいは線材に付着している半田が溶融する温度よりも少し低い温度、例えば１８０℃（後述する））する。

・超音波発振周波数等：所定周波数、所定出力の超音波を半田コテ先から基板であるウェーハに供給するように調整する（例えば後述するように、数十ＫＨｚ、１〜６Ｗの超音波をコテ先に供給するように調整する）。

Ｓ１０２は、ウェーハを所定の位置にセットする。これは、リボンあるいは線材を超音波半田付けしようとする、例えば太陽電池のウェーハをＳ１０１で所定温度に加熱したウェーハ登載台の所定の位置に図示外の自動機で搬送して固定する。固定すると瞬時に所定温度（例えば１８０℃）に予備加熱される。

Ｓ１０３は、半田付きワイヤー又はリボンを送出する。これは、Ｓ１０２でウェーハ登載台の所定位置に固定されて予備加熱されたウェーハの所定位置（超音波半田付けする基板あるいは基板上の膜の所定位置）に、予め半田を付着させたワイヤー（線材）又はリボンを図示外の自動機で送出する。ワイヤー（線材）またはリボンは、リールから送出、あるいは所定長さにカットしたワイヤーまたはリボンを多数収納した搭載箱から送出する。尚、特にワイヤーをリールから送出中にねじれにより切れる場合がたまに発生するので、所定長さにカットしたワイヤー（線材）を自動機で登載箱から送出することが望ましい。リボンの場合にはそれほどでない。

Ｓ１０４は、超音波半田付けする。これは、Ｓ１０２でウェーハをウェーハ登載台に固定して所定温度（例えば１８０℃）に予備加熱した状態で、かつＳ１０３で半田を付着させたワイヤー（線材）あるいはリボンを、ウェーハの上あるいはウェーハ上に形成した膜（アルミニウム膜、窒化膜、ガラス膜等）の上に供給（あるいは裁置）した状態で、超音波半田コテのコテ先を軽く押し当てて超音波を供給してごみなどを除去しつつ、当該ワイヤ―（線材）あるいはリボンに付着している半田を溶融させ、ワイヤーあるいはリボンとウェ―ハ（基板）あるいはウェハーの上に形成された膜（基板上の膜）とを超音波半田付けする。

Ｓ１０５は、処理ウェーハの有りか判別する。ＹＥＳの場合には、処理ウェーハがまだあるので、Ｓ１０６で次のウェーハの処理（Ｓ１０２からＳ１０４の処理）を繰り返す。ＮＯの場合には、全てのウェーハの処理が終了したので、終わる。

以上によって、予め半田を付着させたワイヤー（線材）あるいはリボンを、予備加熱したウェーハ（基板）あるいはウェーハの上に形成した膜（基板上の膜）に当該ワイヤ―あるいはリボンに付着させた半田を溶融し、ウェ―ハあるいはウェーハの上の膜に直接に超音波半田付けすることが可能となる。これにより、既述した半田の付着していないワイヤーあるいはリボンを基板あるいは基板の上の膜に超音波半田付けする場合に比して、下記の優位点がある。

１ 本例では、ワイヤーあるいはリボンに半田が付着しているので、半田の自動供給装置、予備加熱装置などが不要となる。
２ 半田を基板あるいは基板上の膜に予備半田し、次に、ワイヤーあるいはリボンを半田付けする場合に比して、当該予備半田工程が不要となる。

図２１は、本発明のリボン接続例を示す。これは、既述した図２０のフローチャートに従い、半田を付着させたリボンをウェーハ（例えば太陽電池）あるいはウェーハの上の膜に直接に超音波半田付けし、当該リボンを電気的かつ機械的に強固に接続した例を示す。

図２１の（ａ）は、フィンガー面への接続例を示し、図２１の（ｂ）は、シリコン面への接続例を示し、図２１の（ｃ）は、裏面アルミ面への接続例を示す。
図２１の（ａ）は、フィンガー面への接続例を示す。図２１の（ａ−１）はリボンをフィンガー面に超音波半田付けした例を示し、図２１の（ａ−２）は横方向から見た図を示す。

図２１の（ａ）において、図示のリボン（半田を付着させたリボン）は、図２０のフローチャートに従い、シリコン基板上に形成したフィンガー面に直接に超音波半田付けし、当該リボンをフィンガー面（フィンガー電極）に電気的に接続、および当該リボンを機械的に膜（窒化膜、あるいは窒化膜の上に形成したガラス膜）に機械的に強固に接続（固定）した例を示す。

図２１の（ｂ）は、シリコン面（基板）への接続例を示す。図２１の（ｂ−１）はリボンをシリコン面に超音波半田付けした例を示し、図２１の（ｂ−２）は横方向から見た図を示す。

図２１の（ｂ）において、図示のリボン（半田を付着させたリボン）は、図２０のフローチャートに従い、シリコン基板上に直接に超音波半田付けし、当該リボンをシリコン面（基板）に電気的に接続、および当該リボンを機械的にシリコン面（基板）に機械的に強固に接続（固定）した例を示す。

図２１の（ｃ）は、裏面アルミ面への接続例を示す。図２１の（ｃ−１）はリボンを裏面アルミ面に超音波半田付けした例を示し、図２１の（ｃ−２）は横方向から見た図を示す。

図２１の（ｃ）において、図示のリボン（半田を付着させたリボン）は、図２０のフローチャートに従い、シリコン基板の裏面のアルミ面に直接に超音波半田付けし、当該リボンを裏面アルミ面に電気的に接続、および当該リボンを機械的に強固に接続（固定）した例を示す。

図２２は、本発明のワイヤー接続例を示す。これは、既述した図２０のフローチャートに従い、半田を付着させたワイヤー（線材）をウェーハ（例えば太陽電池）あるいはウェーハの上の膜に直接に超音波半田付けし、当該ワイヤーを電気的かつ機械的に強固に接続した例を示す。

図２２の（ａ）は、フィンガー面への接続例を示し、図２２の（ｂ）は、シリコン面への接続例を示し、図２２の（ｃ）は、裏面アルミ面への接続例を示す。
図２２の（ａ）は、フィンガー面への接続例を示す。図２２の（ａ−１）はワイヤーをフィンガー面に超音波半田付けした例を示し、図２２の（ａ−２）は横方向から見た図を示す。

図２２の（ａ）において、図示のワイヤー（半田を付着させたワイヤー）は、図２０のフローチャートに従い、シリコン基板上に形成したフィンガー面に直接に超音波半田付けし、当該ワイヤーをフィンガー面（フィンガー電極）に電気的に接続、および当該ワイヤーを機械的に膜（窒化膜、あるいは窒化膜の上に形成したガラス膜）に機械的に強固に接続（固定）した例を示す。

図２２の（ｂ）は、シリコン面（基板）への接続例を示す。図２２の（ｂ−１）はワイヤーをシリコン面に超音波半田付けした例を示し、図２２の（ｂ−２）は横方向から見た図を示す。

図２２の（ｂ）において、図示のワイヤー（半田を付着させたワイヤー）は、図２０のフローチャートに従い、シリコン基板上に直接に超音波半田付けし、当該ワイヤーをシリコン面（基板）に電気的に接続、および当該ワイヤーを機械的にシリコン面（基板）に機械的に強固に接続（固定）した例を示す。

図２２の（ｃ）は、裏面アルミ面への接続例を示す。図２２の（ｃ−１）はワイヤーを裏面アルミ面に超音波半田付けした例を示し、図２２の（ｃ−２）は横方向から見た図を示す。

図２２の（ｃ）において、図示のワイヤー（半田を付着させたワイヤー）は、図２０のフローチャートに従い、シリコン基板の裏面のアルミ面に直接に超音波半田付けし、当該ワイヤーを裏面アルミ面に電気的に接続、および当該ワイヤーを機械的に強固に接続（固定）した例を示す。

図２３は、本発明の半田付け条件例を示す。これは、既述した図２０、図２１、図２２で超音波半田付けで用いた半田付け条件の１例を示す。図示のように、サンプル、超音波出力、超音波周波数、コテ温度、ステージ温度（ウェーハ保持台温度）は、図示の下記のようにした。

サンプル 超音波出力 超音波周波数 コテ温度 ステージ温度
（1mm幅）
ワイヤー 3 W 40 kH 420 ℃ 180 ℃
(0.5mmφ) (1〜6W) (20〜60 kH) (350〜500℃） (100〜180℃）
リボン
(2mm 幅)
6Wを超えると 500℃以上になると 200℃以上に
セル特性劣化を セル特性劣化を生ず なるとセル
生ずる場合が有 る場合が有る。熱供給 特性劣化を
る。コテの大型 を安定にすることに 生ずる場合
化等で熱の安定 より低温にできる。 がある。
供給ができる。 コテ複数化。

図２４は、本発明のワイヤーの半田付け条件および半田付け成功例を示す。

図２４の（ａ）は成功本数／総本数の例を示す。ここでは、ワイヤーの断面形状として、図示のように、０．５ｍｍφ、０．４ｍｍφ、０．３ｍｍφ、０．２ｍｍφについて実験したときの成功本数例を示し、図示の下記のような結果が得られた。

断面形状 0.5mmφ 0.4mmφ 0.3mmφ 0.2mmφ
(a-1)10μｍ程度厚半田コート 0/10 0/10 0/10 0/10
(a-2)上記ワイヤーの潰し形状 10/10 10/10 10/10 10/10
(a-3)予備半田、銅線〇形状 10/10 10/10 10/10 10/10
備考 柔軟性なし
取り扱い難

ここで、(a-1)「10μｍ程度厚半田コート」は、ワイヤー（銅ワイヤー）に１０μｍ程度の半田を付着（半田コートで付着）させたものである。(a-2)「上記ワイヤーの潰し形状」は、後述する図２４の（ｂ）で説明するように、「10μｍ程度厚半田コート」の〇状のワイヤーを少し潰したものである。(a-3)「予備半田、銅線〇形状」は、基板上に予備半田付けしておき、これに銅線〇形状のワイヤーを超音波半田付けしたものである。

以上のように、ワイヤーの断面直径が０．５ｍｍφ、０．４ｍｍφ、０．３ｍｍφ、０．２ｍｍφについて既述した図２０のフローチャートに従い、基板（ウェハー）への超音波半田付けを実験した結果、上記の下記のような結果が得られた。

（１）(a-1)の〇形状のままのワイヤーは超音波半田付けが困難であったが、それ以外は全て超音波半田付けができた（電気的、機械的な接続が良好となった）。
（２）０．５ｍｍφのワイヤー（銅線が０．５ｍｍφの表面に半田を付着させたワイヤー）は固すぎ、ウェーハに超音波半田付けした場合に当該ウェーハが割れたり、はがれたりすることがあり、取り扱いに難がある。当該ワイヤーを使うには焼きなましなどし、柔らかくする必要性がある。

（３）(a-3)に示すように、基板に予め予備半田付け（超音波予備半田付け）しておけば、銅線〇形状のワイヤーでも基板に超音波半田付けが可能なことが判明した。
図２４の（ｂ）は、潰しワイヤー説明図を示す。これは、上述した図２４の（ａ）の「(a-2)上記ワイヤーの潰し形状」の説明図を示す。

図２４の（ｂ−１）は銅線〇形状のワイヤーの例を示し、図２４の（ｂ−２）は潰し形状の例を示す。
図２４の（ｂ−２）において、図２４の（ｂ−１）の銅線〇形状のワイヤーを、ここでは、直径方向の上下に図示のように、少し潰し、下方の基板と接する部分が約１００〜２００μｍ程度あるいはそれ以上あると、安定的に半田付け可能（図２０のフローチャーに従った超音波半田付けが可能）となることが実験で判明した。

図２５は、本発明の超音波半田付けの説明図（予備半田の有無、半田供給の有無等）を示す。ここで、縦軸は予備半田の有、無の区別を示す。これは、ワイヤー又はリボンを超音波半田つけしようとする基板（例えばウェーハあるいはウェーハの表面に形成した膜）の部分に予め予備半田されている場合は有、予備半田されていない場合は無の区別である。

また、横軸はワイヤー又はリボンの半田付きの有、無の区別を示す。これは、ワイヤー又はリボンの表面に予め半田付け（あるいは半田コート）されている場合は有、半田付けされていない場合は無である。

図２５において、予備半田の有無と、ワイヤー又はリボンの半田付きの有無との組み合わせについて、既述した図２０のフローチャートに従って超音波半田付けした場合、図示の下記の実験結果が得られた。

予備半田の有無 ワイヤー又はリボンの ワイヤー又はリボンの
半田付きの有 半田付きの無
予備半田の有 (1)１ 安定した作業 (3)１ 熱の伝わり方によっ
２ 〇形状ワイヤーでも ては、半田材用が一様に
半田付け可能 つかない場合がある

予備半田の無 (2)１ 〇形状を潰したワイヤー (4)１ 半田供給要
又はリボンは密着
２ 〇形状ワイヤーの密着 ２ ワイヤー又はリボンの
は不安定 供給と併せて半田供給は
３ 付着させた半田が 作業が不安定
剥げた個所の密着に問題が ３ 一様な半田材料の供給
あり が難しい

ここで、詳細に説明すれば、４つの組み合わせ（１）、（２）、（３）、（４）につい下記の結果が得られた。

（１）「予備半田の有」、「ワイヤー又はリボンの半田付きの有」の場合には、
１ 安定した作業
２ 〇形状のワイヤーでも半田付け可能
という結果が得られた。これは、ワイヤー又はリボンを超音波半田付けしようとする基板（ウェーハ）あるいは基板の上に形成した膜の部分に予め超音波半田付けにより予備半田付けした部分に、半田付きのワイヤー又はリボンを超音波半田付けした場合の実験結果である。安定した作業ができ、かつ〇形状のワイヤーでも半田付けが良好に可能（電気的に接続、かつ機械的に強固に接続可能）であった。

（２）「予備半田の無」、「ワイヤー又はリボンの半田付きの有」の場合には、
１ 〇形状の潰したワイヤー又はリボンは密着
２ 〇形状のワイヤーの密着は不安定
３ 付着させた半田が剥げた個所の密着が問題があり
という結果が得られた。これは、ワイヤー又はリボンを超音波半田付けしようとする基板（ウェーハ）あるいは基板の上に形成した膜の部分に超音波半田付けによる予備半田付けしない部分に、半田付きのワイヤー又はリボンを超音波半田付けした場合の実験結果である。〇形状の潰したワイヤー又はリボンは密着良好、〇形状のワイヤーの密着は不安定、また、付着させた半田が剥げた個所の密着に問題がありという結果が得られた。

（３）「予備半田の有」、「ワイヤー又はリボンの半田付きの無」の場合には、
１ 熱の伝わり方によっては、半田材料が一様につかない場合ばある
という結果が得られた。これは、ワイヤー又はリボンを超音波半田付けしようとする基板（ウェーハ）あるいは基板の上に形成した膜の部分に予め超音波半田付けにより予備半田付けした部分に、半田付きでないワイヤー又はリボンを超音波半田付けした場合の実験結果である。熱の伝わり方によっては、半田材料が一様につかない場合ばあるという結果が得られた。つまり、ワイヤー又はリボンに半田が付着していなく、半田付けしようとする基板の部分に予備半田がされているので、ワイヤー又はリボンの上から半田コテ先で軽く押さえながら超音波半田付けするので、コテ先、ワイヤー又はリボン、基板上の予備半田部分へと熱が伝わる経路の熱の伝わり方によって、一様な綺麗な半田付けができない場合が発生した。これは、ワイヤー又はリボンに半田付けしておけば解決できる。

（４）「予備半田の無」、「ワイヤー又はリボンの半田付きの無」の場合には、
１ 半田供給要
２ ワイヤー又はリボンの供給と併せての半田供給は作業が不安定
３ 一様な半田材料の供給が難しい
という結果が得られた。これは、ワイヤー又はリボン、および半田付けしようとする基板の部分にも予備半田がない場合であるので、ワイヤー又はリボンと、半田とを同時に供給する必要がある。そのため、半田供給が必要、ワイヤー又はリボンの供給と半田の供給の両者が供給作業が不安定、更に一様は半田材料の供給が難しいという結果が得られた。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の動作説明フローチャート（その２）である。 本発明の温度設定フローチャートである。 本発明の半田付け対象の基板例である。 本発明の半田付け装置の構成例である。 本発明のコテ先の改善例である。 本発明のコテ先速度（Ｓ１）例である。 本発明の半田供給速度（Ｓ２）例である。 本発明の温度設定例である。 本発明の超音波パワー設定例である。 本発明と従来の設定例である。 本発明の半田付け写真例である。 本発明のコテ先の形状例である。 本発明のＡＢＳコーティングの処理説明図である。 本発明のＡＢＳコーティングの処理説明図（硬度）である。 本発明のＡＢＳコーティングの半田コテへの応用例である。 本発明のＡＢＳコーティングの表面顕微鏡画像例（モリブデン）である。 本発明のＡＢＳコーティングの表面顕微鏡画像例（その２）である。 本発明の動作説明フローチャート（予備半田が無い場合）である。 本発明のリボン接続例である。 本発明のワイヤー接続例である。 本発明の半田付け条件例である。 本発明のワイヤーの半田付け条件および半田付け成功例である。 本発明の超音波半田付けにおける予備半田有無、半田供給の有無等の説明図である。

１：基板（太陽電池基板、シリコン基板）
２：基板積載台（基板予備加熱台）
３：コテ先
３１：コテ先温度（Ｔ３）
３２：コテ先移動装置（Ｓ１）
４：コテ先加熱装置
５：超音波発振装置
６：半田
７：半田予備加熱装置（Ｔ２）
８：半田スライド装置（Ｓ２）
１１、２１：基材
１２：ＴＡ混合層
１３：ＴＡ被膜
１４：元の基材表面
２２：ＳＡ混合層
２３：ＳＡ被膜
２４：元の基材表面

Claims (16)

1. 基板あるいは基板上に形成した膜の部分に半田付けする超音波半田付け装置において、
   被半田付け対象の基板あるいは膜を形成した基板を、半田の溶融温度よりも低い所定温度に予備加熱する基板予備加熱装置と、
   前記基板予備加熱装置で予備加熱した所定温度の前記基板の部分に近接する半田コテ先部分を、超音波を印加した状態で供給した半田が溶融する所定温度に調整するコテ先加熱装置と、
   前記コテ先加熱装置で加熱したコテ先部分に、前記超音波を供給する超音波発振装置と、
   前記コテ先部分に供給する糸状の半田を、当該糸状の半田が溶解する温度よりも低い温度に予備加熱する半田予備加熱装置と、
   前記半田予備加熱装置で予備加熱した糸状の半田を、前記加熱したコテ先部分に供給する速度を調整する半田スライド装置と、
   前記基板に近接する前記加熱したコテ先に、前記半田スライド装置で前記予備加熱した糸状の半田を所定速度で供給しつつ、当該コテ先を所定速度で半田付け方向に移動させるコテ先移動装置と
   を備え、
   予備加熱した糸状の半田をコテ先部分で溶解かつ超音波を印加し、近接した基板部分の付着物を除去して当該基板部分に該溶融半田を付着させて半田付けすることを特徴とする超音波半田付け装置。
2. 前記コテ先部分の形状について、該コテ先の移動方向の長さを、該コテ先の幅よりも長くし、断面積および熱容量を大きくして基板への熱伝導を改善し、当該コテ先温度を低下させ、基板上の膜あるいは基板中の膜への熱損傷を低減しことを特徴とする請求項１に記載の超音波半田付け装置。
3. 前記コテ先部分の形状について、該コテ先の移動方向の長さを、該コテ先の移動方向の幅よりも長くし、断面積を大きくして前記超音波の基板への伝導を改善し、付着物の除去を改善して該超音波発振出力を低減し、基板上の膜あるいは基板中の膜への超音波損傷を低減しことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の超音波半田付け装置。
4. 請求項３において、超音波発振出力を２Ｗから６Ｗ、望ましくは２Ｗとしたたことを特徴とする超音波半田付け装置。
5. 前記コテ先部分の形状について、該コテ先の移動方向の長さを、該コテ先の移動方向の幅の３倍ないし６倍とし、基板のコテ先の移動方向のうねりの長さの周期に合わせ、均一厚さの半田層を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波半田付け装置。
6. 前記予備加熱した糸状の半田の断面積を大きくあるいは小さくして基板への半田厚さを可及的に薄く調整可能に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装置。
7. 前記予備加熱した糸状の半田の供給速度と、前記コテ先の移動速度とを同じに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装置。
8. 前記予備加熱した糸状半田の供給速度と、前記コテ先の移動速度とについて、前者を後者よりも速くして溶融半田量を増加させて基板への半田厚さを厚く、あるいは前者を後者よりも遅くして溶融半田量を減少させて基板への半田厚さを薄くし、半田厚さを可及的に薄く調整可能に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装置。
9. 前記コテ先部分の移動速度を、１５０ないし２００ｍｍ/sとし、均一かつ薄い半田層を形成する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装置。
10. 前記コテ先の材料あるいは前記コテ先をコーティングする材料を高硬度、耐摩耗性の材料としたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の超音波半田付け装置。
11. 前記材料をチタン、チタン合金、シリコン、あるいはシリコン合金のいずれかとしたことを特徴とする請求項１０に記載の超音波半田付け装置。
12. 前記コテ先のコーティングの厚さは、５〜１５μｍとしたことを特徴とする請求項１０から請求項１１のいずれかに記載の超音波半田付け装置。
13. 前記半田予備加熱措置、半田スライド装置、コテ先移動装置の代わりに、予め半田を付着させた外部に電流を取り出す取出し線である、リボンあるいは線材を、前記基板あるいは基板上に形成した膜の部分に前記コテ先部分で押し付けつつ、当該コテ先を所定速度で半田付け方向に移動させるコテ先移動装置を備え、
    予めリボンあるいは線材に付着させた半田をコテ先部分で溶解かつ超音波を印加し、近接した基板部分の付着物を除去して当該基板部分に該溶融半田を付着させて半田付けすることを特徴とする請求項１に記載の超音波半田付け装置。
14. 前記線材は円形状の線材を若干つぶした形状にしたことを特徴とする請求項１３に記載の超音波半田付け装置。
15. 基板あるいは基板上に形成した膜の部分に半田付けする超音波半田付け方法において、
    被半田付け対象の基板あるいは膜を形成した基板を、半田の溶融温度よりも低い所定温度に予備加熱する基板予備加熱装置と、
    前記基板予備加熱装置で予備加熱した所定温度の前記基板の部分に近接する半田コテ先部分を、超音波を印加した状態で供給した半田が溶融する所定温度に調整するコテ先加熱装置と、
    前記コテ先加熱装置で加熱したコテ先部分に、前記超音波を供給する超音波発振装置と、
    前記コテ先部分に供給する糸状の半田を、当該糸状の半田が溶解する温度よりも低い温度に予備加熱する半田予備加熱装置と、
    前記半田予備加熱装置で予備加熱した糸状の半田を、前記加熱したコテ先部分に供給する速度を調整する半田スライド装置と、
    前記基板に近接する前記加熱したコテ先に、前記半田スライド装置で前記予備加熱した糸状の半田を所定速度で供給しつつ、当該コテ先を所定速度で半田付け方向に移動させるコテ先移動装置とを設け、
    予備加熱した糸状の半田をコテ先部分で溶解かつ超音波を印加し、近接した基板部分の付着物を除去して当該基板部分に該溶融半田を付着させて半田付けすることを特徴とする超音波半田付け方法。
16. 前記半田予備加熱措置、半田スライド装置、コテ先移動装置の代わりに、予め半田を付着させた外部に電流を取り出す取出し線である、リボンあるいは線材を、前記基板あるいは基板上に形成した膜の部分に前記コテ先部分で押し付けつつ、当該コテ先を所定速度で半田付け方向に移動させるコテ先移動装置を設け、
    予めリボンあるいは線材に付着させた半田をコテ先部分で溶解かつ超音波を印加し、近接した基板部分の付着物を除去して当該基板部分に該溶融半田を付着させて半田付けすることを特徴とする請求項１５に記載の超音波半田付け方法。

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