![]() 具有活性焊料塗層的導線及其使用方法
专利摘要:
一種具有活性焊料塗層的導線及其使用方法,該方法包含:提供一基板;提供一導線,其具有一線材及塗佈在該線材上之一活性焊料塗層,該活性焊料塗層包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素(Re);先以低於450℃之溫度預熱該導線及基板;再將該預熱後之導線放置在該預熱後之基板上,使該活性焊料塗層接觸、熔化並焊接結合在該預熱後之基板上;以及,冷卻固化該導線之活性焊料塗層的活性焊料,以藉由該導線形成一電路圖案 公开号:TW201301541A 申请号:TW100122897 申请日:2011-06-29 公开日:2013-01-01 发明作者:Lung-Chuan Tsao 申请人:Univ Nat Pingtung Sci & Tech; IPC主号:Y02E10-00
专利说明:
具有活性焊料塗層的導線及其使用方法 本發明係關於一種太陽能電池電極及其製做方法,特別是關於一種具有活性焊料塗層的導線及其使用方法。 近年來,因為石化燃料逐漸短缺,使得各種再生性替代能源(例如太陽能電池、燃料電池、風力發電)的發展逐漸受到重視,其中尤以太陽能發電最受各界重視。 請參考第1圖所示,其揭示一種現有太陽能電池元件的剖視圖,其中當製做此現有太陽能電池元件時,首先提供一p型矽半導體基材11,進行表面酸蝕粗化後,接著將磷或類似物質以熱擴散方式於該p型矽半導體基材11之受光面側形成反向導電性類型之一n型擴散層12,並形成p-n介面(junction)。隨後,再於該n型擴散層12上形成一抗反射層13與一正面電極14,其中係藉由電漿化學氣相沈積等方法於該n型擴散層12上形成氮化矽(silicon nitride)膜作為該抗反射層13,再於該抗反射層13上以網印方式塗佈含有銀粉末之銀導電漿料,隨後進行烘烤乾燥及高溫燒結之程序,以形成該正面電極14。在高溫燒結過程中,用以形成該正面電極14之導電漿料可燒結並穿透該抗反射層13,直到電性接觸該n型擴散層12上。 另一方面,該p型矽半導體基材11之背面側則使用含有鋁粉末之鋁導電漿料以印刷方式形成鋁質之一背面電極層15。隨後,進行乾燥烘烤之程序,再於相同上述的高溫燒結下進行燒結。燒結過程中,從乾燥狀態轉變成鋁質之背面電極層15;同時,使鋁原子擴散至該p型矽半導體基材11中,於是在該背面電極層15與p型矽半導體基材11之間形成含有高濃度之鋁摻雜劑之一p+層16。該層通常稱為後表面場(BSF)層,且有助於改良太陽能電池之光轉換效率。由於鋁質之背面電極層15,不具焊接性(潤濕性差)。此外,可藉由網印方式於該背面電極層15上印刷一種銀-鋁導電漿料,經燒結後形成一具有良好焊接性之導線17,以便將多個太陽能電池相互串連形成一模組。 然而,現有太陽能電池元件在實際製造上仍具有下述問題,例如:連接於該正面電極層14、背面電極層15及導線17是使用銀、鋁及銀-鋁等導電漿料來製做電極及導線,但該銀、鋁及銀-鋁導電漿料的材料成本頗高,約佔整個模組製作成本的10至20%。再者,這些導電漿料含有一定比例金屬粉末、玻璃粉末及有機媒劑,如日本Kokai專利公開第2001-127317號及第2004-146521號和台灣美商杜邦申請之專利公告第I339400號,其中導電漿料含有降低導電性及不利於焊接性之玻璃微粒;以及另含有有機溶劑等成分,因此在燒結後會造成太陽能晶片之污染,故必須特別加以清洗。再者,使用導電漿料製做導線必需經過450至850℃左右的高溫燒結,但此高溫條件可能造成其他材料層的材料劣化或失效,進而嚴重影響製造電池的良率。基於上述高溫燒結條件精密控制的需求,也使得進行高溫燒結步驟相對較為費時及複雜,並會影響在單位時間內生產電池的整體生產量。 故,有必要提供一種製做太陽能電池電極之方法,以解決習用技術所存在的問題。 本發明之主要目的在於提供一種具有活性焊料塗層的導線及其使用方法,其係使用成本較低的活性焊料來塗佈在線材的外表面上,以形成具有活性焊料塗層的導線,當使用導線時,若導線之活性焊料塗層接觸預先加熱的基板(如太陽能電池基板),即可焊接結合在基板上來形成電路圖案,因而有利於降低材料成本,並簡化及加速電路製程,並且增強電性效應。 本發明之次要目的在於提供一種具有活性焊料塗層的導線及其使用方法,其中當應用在製做太陽能電池基板時,導線能以相對較低熔點溫度焊能直接活性接結合在太陽能電池基板之不具焊接性(潤濕性差)之鋁質背面電極層上,以形成電路圖案來連接於數個背面電極之間,故不需藉由網印方式銀-鋁導電漿料來製作導線,以及高溫燒結製程,因而有利於避免網印不均勻及基板材料再次因高溫燒結作業而劣化,以相對提高基板製造良率,並且增強電性效應。 本發明之另一目的在於提供一種具有活性焊料塗層的導線及其使用方法,其在由具有活性焊料塗層的金屬導線材具有良好導電率,能有效地降低電能消耗,進而提高太陽能電池之轉換效率,故不會因導電漿料含有不具導電性及不利於焊接性之玻璃微粒問題。 本發明之再一目的在於提供一種具有活性焊料塗層的導線及其使用方法,其在由具有活性焊料塗層的所形成的電路圖案上可進一步選擇進行無電鍍或電鍍等增厚處理,其除了可增加該電路圖案之厚度外,也可增加電路圖案與外部電路結合之接合性質、導電能力及防止氧化生鏽能力。 為達上述之目的,本發明提供一種具有活性焊料塗層的導線,其包含:一線材,具有一外表面;以及一活性焊料塗層,塗佈在該線材之外表面上;其中該活性焊料塗層之一活性焊料包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素(Re)。 再者,本發明另提供一種具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其包含下列步驟:提供一基板;提供一導線,其具有一線材及塗佈在該線材上之一活性焊料塗層,其中該活性焊料塗層包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素(Re);先以低於450℃之溫度預熱該導線及基板;再將該預熱後之導線放置在該預熱後之基板上,使該活性焊料塗層接觸、熔化並焊接結合在該預熱後之基板上;以及,冷卻固化該導線之活性焊料塗層的活性焊料,以藉由該導線形成一電路圖案。 在本發明之一實施例中,該線材之材料選自銀基合金、銅基合金、鋁基合金、鎳基合、金基合金或其混合合金。 在本發明之一實施例中,該銲錫合金選自錫基合金、鉍基合金或銦基合金。 在本發明之一實施例中,該錫基合金、鉍基合金或銦基合金混摻有6重量%以下之至少一種活性成分,例如選自包含4重量%以下之鈦(Ti)、釩(V)、鎂(Mg)、鋰(Li)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或其混合。 在本發明之一實施例中,該稀土族元素係選自鈧元素(Sc)、釔元素(Y)或「鑭系元素」,其中「鑭系元素」包含:鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钜(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Td)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu)。 在本發明之一實施例中,在將該導線放置在該基板上的步驟中,藉由超音波的輔助使該活性焊料塗層接觸、熔化並焊接結合在該基板上。 在本發明之一實施例中,在形成該電路圖案之後,另包含:對該電路圖案選擇進行無電鍍或電鍍,以增加該電路圖案之厚度。 在本發明之一實施例中,該無電鍍或電鍍使用之金屬為銅、銀、鎳、金或其複合層。 在本發明之一實施例中,該活性焊料塗層之厚度介於10至200微米(um)之間。 在本發明之一實施例中,該基板選自太陽能電池、發光二極體(LED)、電容元件、振盪器元件、半導體晶片、其他主動或被動元件之半導體基板、金屬氧化物基板、燃料電池電極板或陶瓷基板。 在本發明之一實施例中,該基板選擇一太陽能電池之基板,其中該太陽能電池基板具有一背面,該導線在該背面上形成該電路圖案,以電性連接數個背面電極。 在本發明之一實施例中,該基板及電路圖案係與一銅覆層形成一堆疊結構,該堆疊結構可與另一相同之堆疊結構進一步相互堆疊。 為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂,下文將特舉本發明較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。再者,本發明所提到的方向用語,例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用以說明及理解本發明,而非用以限制本發明。 請參照第2A至2D圖所示,其揭示本發明較佳實施例具有活性焊料塗層的導線之使用方法的流程示意圖,其中該方法主要包含下列步驟:提供一基板2;提供一導線3,其具有一線材31及塗佈在該線材31上之一活性焊料塗層32,其中該活性焊料塗層32包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素(Re);先以低於450℃之溫度預熱該基板2;再將該預熱後之導線3放置在該預熱後之基板2上,使該活性焊料塗層32接觸、熔化並焊接結合在該預熱後之基板2上;以及,冷卻固化該導線3之活性焊料塗層32的活性焊料,以藉由該導線3形成一電路圖案3。 請參照第2A圖所示,本發明較佳實施例以活性焊料製做太陽能電池電極的方法首先係:提供一基板2。在本步驟中,該基板2係可選自太陽能電池、發光二極體(LED)、電容元件、振盪器元件、半導體晶片、其他主動或被動元件之半導體基板、金屬氧化物基板、燃料電池電極板或陶瓷基板。在本實施例中,該基板2係以一太陽能電池基板為例,例如可選自矽太陽能電池(例如多晶矽、單晶矽或非晶矽)、化合物太陽能電池(例如III-V族之砷化鎵、II-VI族碲化鎘CdTe、硫化鎘CdS與多元化合物之銅銦硒CuInSe2或銅銦鎵硒CIGS等)或有機型太陽能電池之晶片型或薄膜型基板,其中當該基板2選自矽太陽能電池之晶片型基板時,該基板2可選擇包含一p型矽半導體基材21,但本發明並不限於此。 如第2A圖所示,在一實施方式中,當該基板2包含該p型矽半導體基材21時,該p型矽半導體基材21之正面側可由內而外依序預先形成一n型擴散層22、一抗反射層23及數個正面電極24。另外,該p型矽半導體基材21之背面側則由外而內依序形成一鋁質之背面電極層25及一p+層26。上述基板2之結構類似於第1圖之現有太陽能電池元件的結構,且僅為本發明之一種實施方式,故於此不另予詳細說明其與現有技術相同之部份。 請參照第2B圖所示,本發明較佳實施例以活性焊料製做太陽能電池電極的方法接著係:提供一導線3,其具有一線材31及塗佈在該線材31上之一活性焊料塗層32,其中該活性焊料塗層32包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素(Re)。在本步驟中,該活性焊料塗層32之活性焊料最初可以為線狀固態焊條、粉末狀焊粉或膏狀焊料之形態,在塗佈時,將該活性焊料以低於450℃的熔點溫度進行熔融,接著將該線材31浸入熔融之活性焊料內,或亦可以刷塗方式塗佈在該線材31的外表面;或亦可通過擠製方式將活性焊料包覆在該線材31的外表面;或通過電鍍方式將活性焊料電鍍在該線材31的外表面,或亦可以物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition,PVD)方式將活性焊料鍍在該線材31的外表面,其中該活性焊料塗層32之塗佈厚度與該線材31之直徑或剖面形狀係依實際基板需求來進行設計。例如,在本實施例中,該線材31是呈扁平長條狀的線材形狀體,該活性焊料塗層32之厚度介於10至200微米(um)之間,該線材31之直徑至少大於該活性焊料塗層32之厚度值。 再者,本發明使用之線材31合金選自銀基合金、銅基合金、鋁基合金、鎳基合、金基合金或其混合合金。 再者,本發明使用之銲錫合金選自錫基合金、銦基合金、鉍基合金、其他銲錫合金或其混合。該錫基合金、鉍基合金或銦基合金並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分,例如選自包含0.1至6.0、0.1至5.0或0.1至4.0重量%之鈦(Ti)、釩(V)、鎂(Mg)、鋰(Li)、鋯(Zr)、鉿(Hf)或其混合。同時,該錫基合金、鉍基合金或銦基合金亦混摻有0.01至2.0、0.01至1.0或0.01至0.5重量%之至少一種稀土族元素(Re)。例如,該稀土族元素係選自鈧元素(Sc)、釔元素(Y)或「鑭系元素」,其中「鑭系元素」又包含:鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钜(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Td)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)或鑥(Lu),在產業的利用上,稀土族元素通常係以混合物的形態存在,常見之稀土族元素混合物例如係由:鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)或釤(Sm)以及極少量的鐵(Fe)、磷(P)、硫(S)或矽(Si)所組成。 請參照第2C圖所示,本發明較佳實施例以活性焊料製做太陽能電池電極的方法接著係:先以低於450℃之溫度預熱該基板2。在本步驟中,根據該活性焊料的實際成份組成比例,該活性焊料的預設熔點溫度範圍大致可維持在低於450℃之相對較低加熱溫度下,例如在100℃至450℃之間、150℃至400℃之間或200℃至350℃之間,但並不限於此。本發明是在將該導線3焊接結合在該基板2上之前,預先加熱該基板2,使該基板2之背面(或正面)具有低於或等於或高於該活性焊料之熔點。值得注意的是,此加熱溫度遠低於一般傳統網印燒結方式,如該基板2之正面電極24及/導線3’及/或背面電極25之高溫燒結溫度(約在450至850℃左右),因此本實施案例是屬於相對較低加熱溫度,故不會進一步造成該基板之任何材料的劣化。另外,不會發生導電性降低問題,如一般採用網印之銀、鋁及銀-鋁之導電漿料內,因含有不具導電性玻璃微粒,造成太陽能電池之轉換效率降低。 請參照第2C圖所示,本發明較佳實施例以活性焊料製做太陽能電池電極的方法接著係:再將該預熱後之導線3放置在該預熱後之基板2上,使該活性焊料塗層32接觸、熔化並焊接結合在該預熱後之基板2上,成為一背面導線3’。在本步驟中,本發明是將該導線3放置在該基板2之背面上並位於數個背面電極25之間。更詳細的說,係使用一工具4(例如一壓桿)將該導線3壓在該基板2之背面上,使得該活性焊料塗層32接觸、熔化並焊接結合在該基板2之背面上,因而成為一背面導線3’,其中該背面導線3’包含一線材31’及一活性焊料塗層32’,該活性焊料塗層32’熔化並焊接結合在該基板2上。此結合過程也可簡稱為打線作業。其正面電極24其實施與上述方法相同,故於此不另予詳細說明其與現有技術相同之部份。另外,在上述打線作業期間,本發明較佳亦可選擇經由該工具4施加超音波予該導線3之活性焊料塗層32的活性焊料,以活化該活性焊料與該基板2之間的一反應接合層(未標示),其中超音波之頻率及處理時間係依該活性焊料之種類及所需刮塗厚度等參數進行調整,本發明並不限制頻率及處理時間等參數。當施加超音波的能量予該活性焊料時,超音波的波動能量進入該活性焊料中,可以藉由超音波的攪動將該熔化活性焊料之表面氧化膜擊破,以露出該活性焊料之金屬焊料與活性成分,並促進該熔融活性焊料之活性成分與該基板2之間的反應形成一層反應接合層;另外,超音波亦可賦予將活性焊料內之高硬度介金屬化合物顆粒對該基板2之固體表面提供摩擦式清潔作用,而有利於將該基板2之表面污物與鈍化層除去。再者,超音波對該活性焊料也能賦予額外動能,以利其滲入該基板2之微細孔洞等死角內,如此可使該活性焊料在後續冷卻固化後直接牢固接合於清潔後的基板2之固體表面。另外,本實施超音波輔助接合過程中,其中該基板2以及該導線3之預熱溫度,則可在該活性焊料之熔點以下,藉由超音波能量將該導線3焊接接合於基板2。 請參照第2D圖所示,本發明較佳實施例以活性焊料製做太陽能電池電極的方法接著係:冷卻固化該背面導線3’之活性焊料塗層32的活性焊料,以藉由該背面導線3’形成一電路圖案。在完成上述打線作業後,接著冷卻該基板2,使該活性焊料固化,讓該背面導線3’牢固結合在該基板2之背面上而形成一電路圖案,該電路圖案可為縱向或橫向排列或其他排列方式。再者,本發明在形成該電路圖案之後,另可選擇性包含下述加工步驟:對該電路圖案選擇進行無電鍍或電鍍形成一保護層(未繪示),用以增加該電路圖案之厚度。上述無電鍍或電鍍製程使用之金屬較佳為銅、鎳、金、銀、錫或其複合層,該無電鍍或電鍍製程可形成一金屬鍍層做為保護層,該保護層有利於增加該電路圖案與外部導線結合之接合性質、導電能力及防止氧化生鏽能力。在藉由該無電鍍或電鍍製程增加厚度之後,本發明較佳使該電路圖案之厚度最終達到介於10至200微米(um)之間。 在本發明之另一實施方式中,該基板2可以是一種多層電路基板,其中由該導線3焊接結合在該基板2外側而形成一具有電路圖案基板,並與另一具有電路圖案基板堆疊形成一堆疊結構(未繪示),其中該堆疊結構更可與另一相同之堆疊結構進一步相互堆疊,並以相同方式堆疊二個或以上的堆疊結構,以形成該多層電路基板。 如上所述,相較於第1圖之現有太陽能電池元件在製程上使用銀、鋁及銀-鋁導電漿料分別來製做正面電極、背面電極層及導線必需經過450至850℃左右的高溫燒結因而可能造成材料劣化、失效,以及導電漿料內含有不具導電性之玻璃微粒,造成電阻增高,轉換效率低等問題,第2A至2D圖之本發明藉由使用成本較低的活性焊料來塗佈在線材31的外表面上,以形成具有活性焊料塗層32的導線3,當使用導線3時,若導線3之活性焊料塗層32接觸預先加熱的基板2(如太陽能電池基板),即可焊接結合在基板2上來形成電路圖案,因而有利於降低材料成本,並簡化及加速電路製程,並降低導線電阻係數,進而增加轉換效率。 再者,當本發明應用在製做太陽能電池基板時,導線3能以相對較低熔點溫度焊接結合在太陽能電池基板之背面電極層上,以形成電路圖案來連接於數個背面電極25之間,故不需藉由高溫燒結銀-鋁導電漿料來製作導線,因而有利於避免基板材料再次因高溫燒結作業而劣化,以相對提高基板製造良率。 另外,本發明在由具有活性焊料塗層32的線材3所形成的電路圖案上可進一步選擇進行無電鍍或電鍍等增厚處理,其除了可增加該電路圖案之厚度外,也可增加電路圖案與外部電路結合之接合性質、導電能力及防止氧化生鏽能力。 雖然本發明已以較佳實施例揭露,然其並非用以限制本發明,任何熟習此項技藝之人士,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種更動與修飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 11...p型矽半導體基材 12...n型擴散層 13...抗反射層 14...正面電極 15...背面電極層 16...鋁-矽合金層 17...p+層17 18...導線 2...太陽能電池基板 21...p型矽半導體基材 22...n型擴散層 23...抗反射層 24...正面電極 25...背面電極 26...p+層 3...導線 3’...背面導線 31...線材 31’...線材 32...活性焊料塗層 32...活性焊料塗層 4...工具 第1圖:現有太陽能電池元件的剖視圖。 第2A、2B、2C及2D圖:本發明較佳實施例具有活性焊料塗層的導線之使用方法的流程示意圖。 21...p型矽半導體基材 25...背面電極 26...p+層 3...導線 3’...背面導線 31’...線材 32...活性焊料塗層 4...工具
权利要求:
Claims (11) [1] 一種具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其包含:提供一基板;提供一導線,其具有一線材及塗佈在該線材上之一活性焊料塗層,其中該活性焊料塗層包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素;先以低於450℃之溫度預熱該基板;再將該預熱後之導線放置在該預熱後之基板上,使該活性焊料塗層接觸、熔化並焊接結合在該預熱後之基板上;以及冷卻固化該導線之活性焊料塗層的活性焊料,以藉由該導線形成一電路圖案。 [2] 如申請專利範圍第1項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中在將該導線放置在該基板上的步驟中,藉由超音波的輔助使該活性焊料塗層接觸、熔化並焊接結合在該基板上。 [3] 如申請專利範圍第1項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中在形成該電路圖案之後,另包含:對該電路圖案選擇進行無電鍍或電鍍,以增加該電路圖案之厚度。 [4] 如申請專利範圍第1項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中該銲錫合金選自錫基合金、鉍基合金或銦基合金。 [5] 如申請專利範圍第4項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中該錫基合金或銦基合金混摻之至少一種活性成分選自4重量%以下之鈦、釩、鎂、鋰、鋯、鉿或其混合。 [6] 如申請專利範圍第1項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中該稀土族元素係選自鈧元素、釔元素或鑭系元素,其中該鑭系元素包含:鑭、鈰、鐠、釹、钜、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿或鑥。 [7] 如申請專利範圍第1項所述之線材,其中該線材合金選自銀基合金、銅基合金、鋁基合金、鎳基合、金基合金或其混合合金。 [8] 如申請專利範圍第1項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中該基板選自太陽能電池、發光二極體、電容元件、振盪器元件或半導體晶片之半導體基板、燃料電池電極板、金屬氧化物基板或陶瓷基板。 [9] 如申請專利範圍第8項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中該基板選擇一太陽能電池之基板,其中該太陽能電池基板具有一背面,該導線在該背面上形成該電路圖案,以電性連接數個背面電極。 [10] 如申請專利範圍第1項所述之具有活性焊料塗層的導線之使用方法,其中該基板及電路圖案係與另一具有電路圖案之基板形成一堆疊結構,該堆疊結構可與另一相同之堆疊結構進一步相互堆疊。 [11] 一種具有活性焊料塗層的導線,其包含:一線材,具有一外表面;以及一活性焊料塗層,塗佈在該線材之外表面上;其中該活性焊料塗層之一活性焊料包含至少一種銲錫合金,並混摻有6重量%以下之至少一種活性成分以及0.01至2重量%之至少一種稀土族元素。
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