TW201206599A - Method and device for introding solder onto a workpiece - Google Patents

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201206599 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種將焊料塗佈於工件(較佳為半導體元 件，如太陽能電池)之方法，其中，在超音波作用下，用焊 絲將熔融焊料塗佈於工件上。本發明亦有關於一種用於將焊 料塗佈於工件（特別疋半導體元件，如太陽能電池)之裝置， 包括.焊絲進給裝置、焊絲加熱裝置、超音波焊頭、及用於 相對於加熱裝置和超音波焊頭而輸送工件的輸送裝置，其 中，焊絲係在對應於加熱裝置的加熱區内熔化。 ^ 【先前技術】 W0-A-2008/014900(DE-A-I〇 2006 035 626)揭示一種在太 陽能電池上安裝連接導線的方法，其中，透過超音波焊接， 將焊料塗佈於太陽能電池上。為此，在焊接溫度下，用超音 波焊頭，將料或職型频形紅闕焊制太陽能電池 上。 利用超音波將焊料焊接於太陽能電池，其優點為毋需使用 焊劑’從而避免太陽能電池受損。施加超音波可破壞太陽能 電池上的氧化層’從而在焊料與太陽能電池之相應金屬層 間’建立起機械固^且導電性能良好的連接。若此金屬層為 鋁層，如鋁質的後部觸點，則此點尤為有利。 相關之超音波焊接方法另參閱例如US-B-6,357,649、或

Mardesich 4 人之「a Low-Cost Photovoltaic Cell Process 100114813 4 201206599

Based on Thick Film Techniques; 14th IEEE PV, Sp.Conf. Proc.，1980(943-947 頁）」一文 〇 【發明内容】 本發明之目的在於對本文開篇所述的方法及裝置進行改 良，以便將焊料精確塗佈於工件而不使工件非期望地受到高 溫影響。 在方法方面，本發明用以達成上述目的之解決方案如下： 將焊絲送人-個位於加難置與產生超音波振動的超音波 焊頭之__’使焊絲在該__化並經由該間隙流到 工件上。 先前技術用加熱裝置導引焊料，而後通過開口進給焊料， 以便在超音波作用下為工件實施 ~’此舉亦稱「焊料塗 布^、先讀術不同，本發明係將焊絲送人—個側面上的 曝露間隙，其中，兮· 旭、4v么i 之間的距論I 熱裝置與超音波焊頭 曰勺離賴定。根據本發明讀佳實施 曰波烊頭與加熱裝置之間的間隙之寬度β 切’其中，k烊絲直徑。 巧為奶β 根據本發明，將加熱裝置及超音波焊頭皆加 熔化溫度的溫；S：，1 + …、至向於焊料 又幻，皿度，其中，以彼此不受影響之 節。 巧實施溫度調 由於間隙係由受激勵而發生縱向振動的超 疋’故而，融焊料可克服其較大的表 焊碩所界 100114813 '力而穿過該間 201206599 隙。就此點而言，間隙大體上起到毛細作用。 特定言之’採用前述措施還將帶來以下優點：原則上，可 採用普通的焊料(如錫-鋅基底的、錫-銀基底的、或純錫的焊 料）來焊接工件（尤指太陽能電池）。 根據本發明之改良方案’為了防止分佈於太陽能電池頂面 的表面層如SiNx產生分流(Shunt) ’超音波焊頭以較低頻率 (較佳為在1〇 kHz至40 kHz之範圍内）工作。此外，超音波 焊頭之縱軸與自工件（如，太陽能電池)表面出發的法線之間 夹有<90°之角度’而採用完全水平定向’即，水平地施加超 音波，亦屬可行之舉。 進-步’亦可選擇性地使超音波焊頭之振動偏離於共振頻 率。此點可藉由對超音波焊頭進行去諧處理(〇ff tuning)、或 使用波長不同於整數之X/2的超音波焊頭而實現，其中，入= 超音波振幅。 根據本發明’焊料之塗佈速度介於0.1 mm/sec與200 mm/seC之間’特別是介於20 mm/sec與80 mm/sec之間。 此外’透過本發明之方法亦可塗佈有匯流排功用的焊帶， 而以常規方法將其加裝到太陽能電池上。其中，可將例如兩 個或兩個以上較佳由錫構成的匯流排安裝於太陽能電池之 正面。根據本發明，此等有匯流排功用的焊帶之寬度係介於 0.5 mm與15 mm之間，較佳為處於2 mm範圍内。 為了保持製程穩定性，更可使所用的超音波系統持續保持 100114813 201206599 工作狀態，亦即，超音波焊頭持續振動，以免在控制超音波 系統過程中出現共振偏移。持續實施振動激勵之另一優點在 於：可對位於加熱裝置與超音波焊頭之間的加熱區内的與焊 料相關的潤濕特性，產生穩定作用。 根據本發明另一尤佳的實施方案，對一個工件或一定數量 之工件進行焊接後，藉由施加吹洗衝量，來清潔間隙，如此 可有效清除炼融焊料進給區内的殘渣。此前，須將包含加熱 裝置及超音波焊頭的裝置抬起，以便將新工件放入超音波焯 頭所在的區域。 特別是，用諸如N2、空氣、氬氣或其他合適惰性氣體的 氣體，實施上述吹洗處理。但亦可用液體實施沖洗處理。 作為替代或補充方案，亦可藉由以（例如）回轉毛刷或其他 合適元件運作的清潔裝置’為超音波焊頭與加熱裝置之間的 間隙清除(例如）焊料殘渣。更可利用抽吸裝置來完成清潔工 作0 根據本發明另一實施方案，加熱裝置被實施成為具有較高 熱容量的塊狀體，其可為間隙所在的區域提供符合要求门 定溫度。其中，塊狀或立方形的加熱體可以下、、恆 超音波焊頭而定向，即，使得該加熱體之縱輛與方式相對於 間形成一個以近超音波焊頭的末端為頂點的銳、工件表面之 不超過20。’較佳為處於〇。至5。範圍内。藉此角而此銳角 受到非期望的加熱，因為，加熱體之底面係相防止工件 100114813 子柃工件表面 201206599 呈傾斜狀態，以便在二者間留下足夠大的距離。 該間隙較佳係由加熱體之圓枉形突出部所界定，其中，該 間隙在其整個高度範圍内具有相同的橫向延伸度（即，橫向 於焊料塗佈方向），且朝工件方向（即，沿焊料塗佈方向）錐形 地增寬。亦可使一半的間隙保持恆定的寬度。 一種如本文開篇所述之裝置’其特徵在於：加熱區包括一 個由加熱裝置及超音波焊頭所界定的間隙，而該間隙係作為 讓焊料流向工件的進料通道。特別是，形成於超音波焊頭與 加熱裝置之間的間隙之寬度B較佳為i/2d<B SD，其中，D= 烊絲直徑。 間隙可在其整個高度範圍内具有恆定的寬度。間隙亦可朝 工件方向錐形地增寬。 加熱裝置尤指可安裝多個加熱管的立方體，且在其朝向超 音波焊頭的一端具有一個特別是呈圓柱形或半圓枉形的突 出部。 根據另一較佳實施方案，塊狀或立方形的加熱體係相對於 工件而定向，使得，加熱裝置之底面與工件之間形成一個以 超音波焊頭為頂點、且大致不超過2〇。的銳角。此角度較佳 介於0°與5。之間。藉此，可使加熱裝置與工件保持一定的 間距’從而防止工件受到非期望的加熱。 根據另一實施方案’超音波焊頭同樣被加熱至高於焊料熔 點之溫度，而且’超音波焊頭之位於加熱裝置上方的部分係 100114813 8 201206599 被諸如陶瓷管之類的隔熱管所包圍。 本發明另設有-個藉由施加吹洗衝量(bl〇w 〇ff pulse)以 _ “加㈣連同_區域的清潔裝置。可採肢體或諸如 ' N2、空氣、氬氣或其他惰性氣體之_氣體作為清潔劑。 作為替代或補充方案’可為超音;皮焊頭與加熱器配置用於 清潔間隙或加熱區的清潔裝置。藉此’可有效地清除加熱裝 置（即’加熱體)與超音波焊頭之間的焊料殘渣。 藉由抽吸裝置，同樣可清除焊料殘渣。 本發明之其他技術細節、優點及特徵，不僅可從申請專利 - 範圍及其所包含之特徵(單項特徵及/或特徵組合）中獲亦 * 可從下文有關較佳實施例之說明及附圖中獲得。 【實施方式】 附圖所示為用於將較佳為呈帶狀的焊帶塗佈於卫件⑺的 裝置之局部圖或細節圖。工件1G尤指諸如太陽能電池之類 的半導體元件’而塗佈焊料之後，便可在工件上焊接(例 電觸點。此處之電觸點可指電池連接片。 焊料之塗佈方式亦可以形成有匯流排功用的焊帶為目 的’再將該等隨排安料太陽能電池上，且_是與 器（栅狀電極)相連接。 、’、电 為了將焊料塗佈於工件10上，藉由-個未圖示的焊絲 給裝置，將焊·絲12送入加献[άΓ 14二lL丄' n U加熱£ 14，而此加熱區係位於加妖 裝置16與超音波裝置之超音波焊頭18之間。 100114813 201206599 如圖所示，棒形的超音波焊頭18之位於加熱裝置i6 的部分，被—個配有加熱絲的陶莞管20所包圍，y 6上方 曰波烊碩加熱至高於焊料顧之溫度。此外，、將超 同，超音波焊頭18亦以超音波發生器22騎點進行2相 而該超音波發生器22可使超音波谭頭18在1〇咖至肋 他、特別是H) kHz至4G kHz之範圍内進行超音波振動， 所列數字僅具示範性意義。 在本實施例中，加熱裝置16乃一個裝有多個加熱管的立 方形或塊狀的加熱體^其$ ’加熱體17具有足以為加熱 區14提供符合要求之值定溫度的熱容量。 本實施例係將焊絲12自一側傾斜地送入加熱區14，透過 對附圖進行比杈可大致看出此點。然，本發明之原理不受此 限制。 根據本發明，加熱區14具有間隙24，其係由超音波焊頭 18、及加熱裝置16或加熱體17之較佳為呈半圓柱形的突出 部26所界定，見圖3及圖4。然而，加熱體17並非一定需 要具有相應的突出部^加熱體17亦可在其朝向超音波焊頭 的一端具有平整表面，而該平整表面同樣可界定一個相應的 間隙。 然而，根據較佳貫施方案，自加熱體17之朝向超音波焊 頭18的表面出發，設有突出部26，而其剖面形狀可不同於 附圖所示之弓形。 100114813 10 201206599 如圖4所不，間隙寬度B，即，超音波焊頭18與突出部 26之間的淨距離，較佳為介KKD與D之間，其中，D=焊 絲直控。寬度B沿著焊料在卫件1()上的塗佈方向延伸，亦 即’該寬度在圖1之繪圖平面内延伸，且平行於工件1〇之 所不區段。寬度B可大小恆定，或朝卫件方向錐形地增寬。 將加熱體17及超音波焊頭18皆調節至高於烊絲12之熔 化溫度的溫度。較佳採用熔化溫度範圍介於1〇〇。匚與35〇它 之間的焊料，但，該溫度範圍可介於8〇。(：與6〇〇ΐ之間。其 中，加熱體17之突出部26區域内的溫度調節，不受超音波 焊頭18之溫度調節的影響。 本發明係將焊絲12送入加熱區14内的間隙24。焊絲係 在此過程中發纽化。儘管表面張力較大，然而，受激勵而 發生超音波振動的超音波悍頭丨S會使間㉟2 4之邊界受到潤 濕（見圖5右半部）’藉此，溶融的焊料經由間隙24流到工 件1〇表面，而後，透過超音波焊頭18，朝向工件ι〇之平 整的端面28，為已塗佈到卫件1()上的焊料施加超音波，從 而達到對工件1〇進行焊接之目的。受激勵的超音波焊頭Μ 之波腹分佈於端面28所在區域。 圖5左半部為超音波焊頭18尚未振動時之炫融焊料。 如圖1及圖2所示’立方形或塊狀的加熱體17之底面3〇 與工件表面之間形成-個以超音波焊帛18為頂 ㈣銳角α係介於〇。與2〇。之間，特別是介於q。血 100114813 11 201206599 如此，可進一步防止工件10被加熱體17非期望地加熱。 間隙2 4可在其整個高度範圍内具有恆定寬度。但/間隙 24亦可朝工件10之方向增寬，特別是在間隙“之由加熱 體17所界定的區域係垂直延伸於加熱體17之底面30的情 況下。 根據本發明另一實施方案，移開超音波裝置於加熱裝置 16後，用未圖示的清潔裝置，釋放用以清潔間隙區域的吹 洗衝量(blow-offpulse)。此處，可採用衝擊式作用於間隙區 域以清除焊料殘渣的氣體或液體。 作為替代或補充方案’亦可用機械式清潔裝置來清除焊料 殘渣。例如，回轉毛刷、或其他具有殘渣清除作用的等效元 件。 此外’亦可用抽吸裝置來收集或吸除焊料殘渣。 為了保持製程的穩定性’超音波焊頭可持續保持受激勵狀 態，甚至在無焊絲進給時。藉此’可避免發生共振偏移 (resonance deviation)。還可對間隙内之與焊料相關的潤濕特 性產生穩定作用。 將焊料塗佈於工件之塗佈速度應介於2 mm/sec與200 mm/sec之間，較佳為20 mm/sec與80 mm/sec之間。 在本實施例中’若超音波焊頭之縱向係沿著自工件1〇出 發的法線而定向，則亦可採用其他角度。特別是，可傾斜地 施加超音波。亦即’超音波焊頭18之縱軸與自工件1 〇出發 100114813 12 201206599 的法線之間所夾角度>〇°。超音波焊頭之縱軸視情況可平行 於工件10之表面而定向。為此，超音波焊頭頂部或加熱體 17之對應連結表面須採用相應設計，以產生可供焊絲進入 的間隙。 本發明之保護範圍亦涵蓋以下情況：藉由對超音波焊頭 18進行去諧處理，抑或藉由使用波長不同於整數之λ/2(λ= 振幅）的超音波焊頭18，選擇性地偏離共振頻率。 根據本發明，超音波焊頭18在間隙區域内係呈圓柱形， 其直徑介於〇.5 mm與4 mm之間，較佳為介於1 mm與2 mm 之間。 【圖式簡單說明】 圖1為用於將焊料塗佈於工件上的裝置之局部示意圖。 圖2為圖1所示裝置旋轉90°後之局部示意圖。 圖3為圖1及圖2所示裝置之局部底面圖。 圖4為圖3之局部放大圖。 圖5為被焊料潤濕（右圖）及未被焊料潤濕（左圖）的間隙之 原理示意圖。 【主要元件符號說明】 10 工件；太陽能電池 12 焊絲 14 加熱區 16 加熱裝置 100114813 13 201206599 17 18 20 22 24 26 28 30 A B D V a 加熱裝置；加熱體 超音波焊頭 陶瓷管 超音波發生器 間隙 突出部 端面 (加熱體)底面 (焊料）寬度 (間隙）寬度 (焊絲）直徑 速度 角度；銳角 100114813 14

Claims (1)

1. 201206599 七、申請專利範圍： L一種將烊料塗佈於工, 太陽能電池之類的半導體 施加的超音波振動作用下 徵在於： 工件（ίο)之方法，該工件較佳為諸如 體元件，其中，在超音波焊頭（18)所 下，將炼融焊絲塗佈於工件上，其特 將該焊絲送入_個位於加熱裝置（16,17)與施加超音波振 動勺超s波4碩（18)之間的間隙(24) ’使焊絲熔化並經由該 間隙流到工件（10)上。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，將位於超音波焊 頭（18)與加熱褒置（16，17)之間的該間隙㈣之寬度b設為 1/2〇 2D，而其中D=焊絲之直徑。 3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，將該超音波 焊頭（18)及該加熱裝置（16，17)分別加熱至高於焊料之熔化 溫度的溫度。 4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，以彼此不受影響 的方式調節該加熱裝置（16, 17)及該超音波焊頭（18)之溫度。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，採用一個塊狀或 立方形加熱體作為該加熱裝置（16，17)，該加熱體在其朝向 超音波焊頭的一端較佳地具有一個界定該間隙(24)的突出 部(26) ’而該突出部較佳呈圓柱形。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中，該加熱裝置（16， Π)或該突出部（26)係以使得間隙(24)在其整個高度範圍内 100114813 15 201206599 具有相同寬度抑或朝工件（10)方向增寬的方式，相對於超音 波焊頭（18)而定向。 7·如申請專利範圍第！項之方法，其中，在為工件⑽塗 佈焊料之纽為其他王件㈣焊料之前，較佳地藉由衝擊式 施加液體或諸如空氣、n2、氬氣或其他惰性氣體之類的氣 體，來清潔該間隙(24)。 8. 如申請專利_第丨項之方法，其中，使用sn_zn基底 的、Sn-Ag基底的、或純錫的焊料。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該超音波焊頭⑽ 之縱軸與自工件表面出發的法線之間失一角度而其中 0〇< a $90〇 〇 日10.如中請專利範圍第i項之方法，其中，以速度乂塗佈 焊料’而其中G.l mm/s mm/s，特別是，2〇 mm/s < V <80 mm/s 0 、U.如^請專利範㈣i項之方法，其中，採社陽能電 池作為紅件⑽，將焊料作為匯流排塗佈在此太陽能電池 上，特別是’該焊料具有寬度A，而其中〇 5麵“ <15 mm ’ 較佳 a mm。 以:申請專利範圍第！項之方法，其中，停止進給焊絲 夺使-亥超音波焊頭（18)保持受激振動狀態，以確保製程穩 該超音波焊頭 13 ·如申睛專利範圍第1項之方法，其中 100114813 201206599 (18)係以不同於其共振頻率的頻率發生振動。 14_一種用於將焊料塗佈於工件（10)之裝置，該工件特別是 諸如太陽能電池之類的半導體元件，此裝置包括：焊絲進給 裝置、加熱裝置（16，Π)、施加超音波的超音波焊頭（18)、 及用於相對於加熱裝置和超音波焊頭而輸送工件的輸送裝 置，其中，焊絲在對應於加熱裝置的加熱區（14)内溶化，其 特徵在於： 力，，、、區（14)〇括4固間隙(24)，而該間隙係由超音波焊頭 ⑽及加熱裝置（16’17)所錢，且作為讓焊料流向工件⑽ . 的進料通道。 七月專利範圍第14項之裝置，其中，該加熱裝置(16) 職或立方形加熱體（17)，該加減在其朝向超音波 界定該間隙(24)的突出部⑽，而㈣ 出。P叙佳呈圓柱形。 之广專利範^第15項之裝置，其中，該加敎體⑼ 之底面（30)與該工 , ”、、體（17) (18)為頂_銳胃 之間域—㈣超音波焊頭 ㈣。。 ^，而其較佳為。，特別是0。< 17.如 申請專利範 其整個增寬。 色園弟14項$辑番，甘rb j. v.高度範圍内且有卜/ 亥間隙(24)在 具有衫的寬度β，或朝工件⑽)之方向 置包括可 18.如申請專利範圍第14項之裝置，其中，此裝 100114813 17 201206599 將諸如n2、空氣、氬氣、惰性氣體、或液體之類的清潔劑 衝擊式送入間隙(24)的清潔裝置。 19. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中，此裝置具有可 利用回轉毛刷等元件對間隙進行機械式清潔的清潔裝置。 20. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中，此裝置包括用 於吸除焊料殘渣的抽吸裝置。 100114813 18