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CN102248243A - 用于将焊料涂覆在工件上的方法和设备 - Google Patents

用于将焊料涂覆在工件上的方法和设备 Download PDF

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S·迈尔
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Abstract

本发明涉及用来将焊料涂覆到太阳能电池(10)上的一种方法和一种设备，其中使用一种焊丝在超声波焊头(18)所施加的超声振动作用下将熔融状态下的焊丝涂覆到太阳能电池上。为了能够十分精确地将焊料涂覆到太阳能电池上，且不会使得太阳能电池并非所愿地遭受高的温度，规定，将焊丝供应给在加热装置(16、17)和施加超声振动的超声波焊头(18)之间延伸的间隙(24)，焊丝被熔化后经过该间隙流向太阳能电池(10)。

Description

用于将焊料涂覆在工件上的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于将焊料涂覆在工件上、优选涂覆在一种诸如太阳能电池的半导体器件上的方法，其中使用一种焊丝在超声波作用下将熔融状态的焊料涂覆到工件上。本发明还涉及一种用于将焊料涂覆在工件上、尤其涂覆在诸如太阳能电池的半导体器件上的设备，包括焊丝供应装置、焊丝加热装置、超声波焊头以及用于既相对于加热装置又相对于超声波焊头输送工件的输送装置，其中在配属于加热装置的加热区中熔化焊丝。
背景技术
WO-A-2008/014900(DE-A-102006 035 626)公开了一种用于将连接导体装配在太阳能电池上的方法，即利用超声波钎焊将焊料涂覆在太阳能电池上。为此可利用超声波焊头在焊接温度下焊上焊丝或者预成型焊片(Lotformteil)形式的焊料。
利用超声波将焊料焊在特别是太阳能电池上的好处在于，不必使用助焊剂(Flussmittel)，否则会增大太阳能电池受损的危险。可通过超声波作用粉碎太阳能电池上的氧化物层，以便保证在焊料与太阳能电池的相应金属层之间形成机械稳固的、导电性良好的接合。所述金属层如果是铝层，譬如由铝构成的背面触点，则特别有益。
关于相应的超声波焊接方法，例如也可参阅US-B-6,357,649或者Mardesich等人所著文章：“A Low-Cost Photovoltaic Cell Process Based on ThickFilm Techniques(基于厚膜技术的低成本光伏电池工艺)”；光电专业会议论文集第14期，1980年，第943-947页。
发明内容
本发明的任务在于，对开头部分所述类型的方法和设备进行适当改进，从而能够十分精确地将焊料涂覆到工件上，且不会使得工件并非所愿地遭受高的温度。
为了解决这一任务，按照本发明所述的方法，主要建议将焊丝送给在加热装置和产生超声振动的超声波焊头之间延伸的间隙，在该间隙中使其熔化，然后经过该间隙流向工件。
与现有技术的不同之处在于，焊料并不经过加热装置，而是通过一个开口传送焊料，以便能够在超声波作用下焊接工件，这也可以称为补焊更确切地说，焊丝被送给侧面的自由间隙，通过加热装置和超声波焊头之间的距离来设定所述间隙的宽度。优选适当设计超声波焊头和加热装置之间的间隙，使其宽度优选大致介于1/2D≤B≤D之间，D表示焊丝的直径。
按照本发明，并非仅仅将加热装置、而是也将超声波焊头加热到焊丝熔点以上的温度，且可以相互独立地设置温度。
由于受激后纵向振动的超声波焊头形成间隙的边界，因此尽管熔融焊料所具有的表面张力很高，也能吸入焊料穿过间隙。就此而言，该间隙大致可起到毛细作用。
采用相关措施尤其也能得到这样的优点，即可以用常见的焊料并基于此来焊接工件尤其是太阳能电池，譬如可使用锡锌基焊料、锡银基焊料或者纯锡焊料。
按照改进方案规定，为了避免贯穿连接(分接)在太阳能电池顶面上延伸的表层如SiNx层，在较低的超声波焊头频率下进行操作，优选在10kHz和40kHz之间的范围内进行操作。尤其还规定，使得超声波焊头纵轴线与从工件(如太阳能电池)表面引出的法线夹成小于90°的夹角，可以完全水平地定向，也就是水平注入。
还可以使得超声波焊头的振动偏离于谐振频率。可以采用使超声波焊头失谐的方式，或者通过不同于整数倍λ/2的超声波焊头长度来实现这一点，λ是超声振动的振幅。
焊料的涂覆速度应在0.1mm/sec和200mm/sec之间，尤其应在20mm/sec和80mm/sec之间。
此外还可以利用本发明所述的方法涂覆起到主栅线作用的焊带，通常将焊带涂覆在太阳能电池上。例如可以将两个或更多优选由锡构成的主栅线涂覆在太阳能电池正面上。起到主栅线作用的焊料迹线的宽度应在0.5mm和15mm之间，优选在2mm的范围内。
为了实现充分的工艺稳定性，此外规定，所使用的超声波系统处在不间断工作状态，也就是超声波焊头连续振动，以免在超声波系统激振时可能出现谐振偏差。此外不间断激振还有这样的好处：可在加热装置和超声波焊头之间的加热区中稳定焊料引起的湿润特性。
此外特别有益的是，可以在焊接一个工件或者预定数量的工件之后以脉冲吹扫方式清洁间隙，从而能够轻松去除熔融焊料供应区域内的结皮。可在抬起包括加热装置和超声波焊头的设备以便将新工件定位在超声波焊头区域中时执行该操作。
尤其可利用诸如N2、空气、氩气或者其它合适的惰性气体进行吹扫，但也可以用一种液体进行冲洗。
作为替代或补充，也可以设置有清洁装置，以便例如利用旋转刷子或者其它合适的元件为超声波焊头和加热装置之间的间隙去除例如由焊料引起的结皮。也可以设置有抽吸装置来去除脏污。
按照本发明的另一种构造方案，使用一种具有很高热容的块状物体作为加热装置，该物体能保证在间隙区域内产生所需的稳定温度。可以相对于超声波焊头适当地定向所述的块状或立方体状加热体，使得加热体纵轴线从超声波焊头近端与工件表面夹成不超过20°的锐角，夹角优选在0°～50°的范围内。这样就能保证不会意外地加热工件，因为加热体的底面倾斜于工件表面，从而可实现足够的间距。
优选由加热体的圆柱段状突出部分形成间隙的边界，间隙沿着其高度具有相同的横向延伸长度(垂直于焊料的涂覆方向)，并且可以朝向工件也就是在焊料的涂覆方向上呈锥形扩大。在间隙的一半范围内，宽度同样也可以恒定不变。
开头部分所述类型的设备的特征在于，加热区围住间隙，通过加热装置和超声波焊头形成间隙的边界，其中所述间隙可用来将焊料供应给工件。特别是规定，超声波焊头和加热装置之间的间隙优选具有1/2D≤B≤D的宽度B，其中D表示焊丝的直径。
间隙可以沿着其高度具有恒定不变的宽度，但也可以使得间隙朝向工件呈锥形扩大。
所述加热装置尤其是一个可以配备加热管的立方体状物体，该物体在超声波焊头一侧具有一个突起部分，该突起部分尤其具有一种圆柱体形状，如半圆柱体形状。
此外还优选相对于工件适当地定向块状或立方体状的加热体，使得加热装置底面从超声波焊头开始与工件夹成大致可以为20°的锐角。该角度应优选在0°～50°之间。这样就能在加热装置和工件之间形成间距，从而不会意外地加热工件。
此外在加热装置上方还有绝热管(如陶瓷管)，该绝热管将同样也被加热到焊料熔点以上的温度的超声波焊头围住。
此外还设置有清洁装置，可以用脉冲吹扫方式清洁加热区，也就是清洁间隙区域。可以使用液体或N2、空气、氩气之类的气体或其它惰性气体作为清洁介质。
作为替代或补充，还可以给超声波焊头和加热装置配设用来清洁间隙或加热区的清洁装置。这样就能轻松去除在加热装置或加热体与超声波焊头之间的由焊料引起的结皮。
同样可以利用抽吸设备去除焊料引起的结皮。
关于本发明的其它细节、优点和特征，不仅可参阅权利要求及其所述的单项特征和/或组合特征，而且也可参阅以下参照附图对首选实施例所作的说明。
附图说明
相关附图如下：
附图1为用于将焊料涂覆到工件上的一种设备的局部视图；
附图2为将附图1所示设备旋转90°之后的局部视图；
附图3为附图1和2所示设备的局部底视图；
附图4为根据附图3绘制的放大局部视图；和
附图5为已用焊料湿润的间隙和未湿润间隙的原理图。
具体实施方式
这些附图所示均为可用来将优选条状焊料涂覆到工件10上的一种设备的局部视图或细节详图。所述工件10尤其是一种半导体器件，如太阳能电池，以便在该半导体器件上涂覆焊料之后焊上例如电触点。这里涉及的可以是电池连接条(Zellverbinder)。
也可以适当涂覆焊料，形成起到主栅线(Busbar)作用的焊条，可将其涂覆在太阳能电池上并且特别是与蓄电池(细栅线(Gridfinger))相连。
为了将焊料涂覆在工件10上，可从图中没有绘出的焊丝供应装置将焊丝12供应给加热区14，该加热区在加热装置16和超声波设备的超声波焊头(Sonotrode)18之间延伸。
附图中所示的超声波焊头18呈棒状，位于加热装置16上方，带有加热丝的陶瓷管20将其围住，以便将超声波焊头加热到焊料熔点以上的温度。此外超声波焊头18还可以按照已知的方式从超声波发生器22引出，通过超声波发生器激励超声波焊头18产生介于10kHz和80kHz之间、尤其介于10kHz和40kHz之间的超声波振动，这些数值仅为举例。
本实施例中所述的加热装置16是一个配有加热管的立方体状或者块状加热体17。所述加热体17具有很高的热容，以便保证在加热区14范围内形成所需的恒定温度。
将焊丝12送入加热区14之中，更确切地说，在本实施例中从侧面斜向送入，可参考附图所示的原理图。但本发明的教导并不受此限制。
按照本发明所述，加热区14具有一个间隙24，超声波焊头18形成间隙的一侧边界，加热装置16或加热体17的优选半圆柱体状的突起部分26形成间隙的另一侧边界，如附图3和4所示。但加热体17并非一定要有一个相应的突出部分。更确切地说，加热体17可以在超声波焊头一侧具有光滑的表面，该表面同样也形成相应间隙的边界。
但优选突出部分26从朝向超声波焊头18的加热体17表面伸出，但该突出部分也可以具有不同于附图所示的横截面为圆弧段形状的形状。
如附图4所示，间隙宽度B也就是超声波焊头18与突出部分26之间的净间距经过适当选择，使其优选介于1/2D和D之间，D表示焊丝的直径。宽度B在焊料10的涂覆方向上朝向工件延伸，在附图1中就是在绘图平面内平行于图中所示的工件10部分。宽度B可以保持不变，或者朝向工件呈锥形扩大。
不仅将加热体17而且也将超声波焊头18调整到焊丝12熔点以上的温度。优选使用熔点介于100℃和350℃之间的焊料，温度范围同样也可以在80℃和600℃之间。在突出部分26区域内对加热体17的温度调整可以独立于对超声波焊头18的温度调整。
按照本发明所述，在加热区14中将焊丝12供应给间隙24。焊丝这时就会熔化。尽管表面张力很高，也可通过受激产生超声振动的超声波焊头18来湿润间隙24的边界(附图5右侧所示)，使得熔融焊料可以经过间隙24流向工件10的表面，这样即可通过超声波焊头18的朝向工件10的平端面28将超声波作用于涂覆在工件10上的焊料，以便保证焊接工件10。受激超声波焊头18的振动波腹在端面28范围内延伸。
附图5左侧所示为超声波焊头18未振动时的熔融焊料。
如附图1和2所示，相对于工件表面适当地定向立方体状或块状加热体17的底面30，使得从超声波焊头18开始形成锐角α，该角度应在0和20°之间，尤其应在0°和50°之间。这样还可保证不会意外地通过加热体17加热工件10。
间隙24可以沿着其高度具有恒定不变的宽度。但尤其在间隙24的被加热体17限定的区域垂直于加热体17的底面30延伸时，该间隙也可以朝向工件10的方向增大。
此外，按照本发明规定，还可使用一个图中没有绘出的清洁装置，在抬起带有加热装置16的超声波设备之后以脉冲吹扫方式清洁间隙区域。这里所涉及的可以是一种气体或液体，其以脉冲方式作用于间隙区域，从而去除焊料引起的结皮(Verkrustung)。
作为替代或补充，也可以采用一种机械式清洁装置来去除焊料引起的结皮。这里涉及的可以是旋转刷子或者其它具有相同效果能够去除结皮的元件。
还可以采用一个抽吸设备来捕集或抽吸焊料引起的结皮。
为了实现工艺稳定性，即使并没有供应焊丝，也可以继续激励超声波焊头。这样就能保证避免谐振偏差。也能稳定间隙中的由焊料引起的湿润特性。
将焊料涂覆到工件10上的涂覆速度应在每秒2mm和200mm之间，优选在20mm和80mm/sec之间。
在本实施例中，如果沿着从工件10引出的法线定向超声波焊头的纵向，那么同样也可以采用其它角度。尤其可以斜向注入超声波。也就是说，超声波18的纵轴线与从工件10引出的法线夹成大于0°的夹角。必要时也可以平行于工件10的表面进行定向。必须相应地构造超声波焊头尖端或者加热体17的相应表面，以便提供焊丝所需的间隙。
即使采用例如使得超声波焊头18失谐的方式，或者使用长度不同于整数倍λ/2(λ表示振幅)的超声波焊头18，而使得谐振频率有针对性地发生偏差，也不脱离本发明。
超声波焊头18应在间隙区域内具有直径在0.5mm和4mm之间、优选在1mm和2mm之间的圆柱体几何形状。

Claims (20)

1.一种用于将焊料涂覆到工件(10)上优选涂覆到诸如太阳能电池的半导体器件上的方法，其中使用焊丝在超声波焊头(18)所施加的超声振动的作用下将熔融状态下的焊丝涂覆到工件上，其特征在于，将焊丝供应给在加热装置(16、17)和施加超声振动的超声焊头(18)之间延伸的间隙(24)，焊丝被熔化后经过间隙流向工件(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将超声波焊头(18)和加热装置(16、17)之间的间隙(24)调整到1/2D≤B≤D的宽度B，其中D表示焊丝的直径。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将超声波焊头(18)和加热装置(16、17)各自加热到焊丝熔点以上的温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，独立于超声波焊头(18)的温度调整加热装置(16、17)的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用一种块状或立方体状的加热体作为加热装置(16、17)，所述加热体在超声波焊头一侧优选具有限定间隙(24)的突出部分(26)，所述突出部分优选具有一种圆柱段几何形状。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，相对于超声波焊头(18)适当地定向加热装置(16、17)或突出部分(26)，使得间隙(24)沿着其高度具有相同的宽度，或者朝向工件(10)扩大。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将焊料涂覆到一个工件(10)上之后且在将焊料涂覆到另一个工件上之前，优选通过一种液体或者一种如空气、N2、氩气之类的气体或其它惰性气体的脉冲作用对间隙(24)进行清洁。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用锡锌基、锡银基或者特别是纯锡焊料作为焊料。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，超声波焊头(18)的纵轴线与从工件表面引出的法线夹成夹角α，且0°＜α≤90°。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以0.1mm/s≤V≤200mm/s尤其20mm/s≤V≤80mm/s的速度V涂覆焊料。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用太阳能电池作为工件(10)，将焊料作为尤其是宽度A为0.5mm≤A≤15mm、优选为A≈2mm的主栅线涂覆到太阳能电池上。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，超声波焊头(18)即使在焊丝供应中断时也保持受激振动，以此保持工艺稳定性。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使得超声波焊头(18)以不同于其谐振频率的频率进行振动。
14.一种用于将焊料涂覆到工件(10)上尤其是涂覆到诸如太阳能电池的半导体器件上的设备，包括焊丝供应装置、加热装置(16、17)、施加超声波的超声波焊头(18)以及用来不仅相对于加热装置而且也相对于超声波焊头输送工件的输送装置，其中焊丝在配属于加热装置的加热区(14)中熔化，其特征在于，加热区(14)包括间隙(24)，由超声波焊头(18)和加热装置(16、17)形成该间隙的边界，并且所述间隙用来将焊料供应给工件(10)。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，加热装置(16)是一种块状或者立方体状的加热体(17)，所述加热体在超声波焊头一侧具有限定间隙(24)的突出部分(26)，所述突出部分优选具有一种圆柱段几何形状。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述加热体(17)的底面(30)与工件(10)的表面从超声波焊头(18)开始夹成锐角α，该锐角优选在0°＜α≤20°之间，尤其0°＜α≤5°。
17.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，间隙(24)沿着其高度具有恒定不变的宽度B，或者朝向工件(10)增大。
18.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备包括清洁装置，可通过该清洁装置以脉冲形式将诸如N2、空气、氩气、惰性气体或液体之类的一种清洁介质供应给间隙(24)。
19.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备配设有清洁装置，可通过该清洁装置以机械方式例如利用旋转刷子清洁间隙。
20.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述设备包括抽吸设备，用来抽吸由焊料引起的脏污。
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