專利名稱：用于在工件上涂覆焊料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在工件上，最好在半導(dǎo)體元件如太陽能電池上涂覆焊料的方法，其中，焊料在焊接溫度IY時和在超聲波作用下釬焊。本發(fā)明此外涉及一種用于在焊接區(qū)內(nèi)將焊料涂覆和釬焊在工件上，特別是半導(dǎo)體元件如太陽能電池上的裝置，包括焊料輸送裝置、焊料的加熱裝置、超聲波焊接設(shè)備以及用于既相對于加熱裝置也相對于超聲波焊接設(shè)備運輸工件的運輸裝置。
背景技術(shù)：
W0-A-2008/014900 (DE-A-102006035626)公開了一種用于在太陽能電池上安裝連
接導(dǎo)體的方法，其中焊料借助超聲波焊接涂覆在太陽能電池上。為此焊料以焊絲或者焊料模制件的形式借助超聲波焊接設(shè)備在焊接溫度下釬焊。焊料借助超聲波釬焊在特別是太陽能電池上的優(yōu)點是無需利用熔劑，否則由此增加太陽能電池損壞的危險。通過超聲波的作用使太陽能電池上存在的氧化層破碎，以確保焊料與太陽能電池的相應(yīng)的金屬層之間的在機械上固定的且導(dǎo)電良好的連接。這一點特別是在這種情況下具有優(yōu)點，即金屬層是諸如由鋁組成的背面觸點的鋁層。相應(yīng)的超聲波焊接方法例如也可以參閱US-B-6，357，649或者Mardesich等人的文獻"A Low-Cost Photovoltaic Cell Process Based on Thick Film Techniques (基于厚膜技術(shù)的低成本的光電池處理方法)，1980年IEEE光電專業(yè)會議論文集第14期第 943-947 頁，，。在所公開的方法中存在的缺點是，由于將使用超聲波的可以是超聲波焊接設(shè)備的釬焊裝置安置在對斷裂敏感的薄工件上，造成該工件的損壞。但特別注意到的缺點是，在工件具有不平表面的情況下，不能在所要求的程度內(nèi)均勻地形成釬焊連接。此外存在的缺點是，焊料被由超聲波焊接設(shè)備傳遞的熱能熔化，以此方式實現(xiàn)的所需要的熱量引入由于超聲波焊接設(shè)備的尖端與焊料接觸這種設(shè)計而不能在所要求的程度內(nèi)再現(xiàn)。EP-A-1699090公開了用于制造太陽能電池組件的方法和裝置。為此在傳送帶之間引導(dǎo)相互間有待連接的各個太陽能電池，其中，一個傳送帶輸送用于將前后相繼的太陽能電池與連接端連接所需的熱能，另一個傳送帶傳遞連接所需的壓力。通過第三傳送帶將太陽能電池傳送到前兩個傳送帶。JP-A-2844330介紹了一種用來將焊料涂覆在工件上的超聲波焊接設(shè)備。超聲波焊接設(shè)備的縱軸線平行于工件的法線伸展。DE-T-69222611介紹了作為組成部分含有耐磨劑的焊接材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，對開頭所稱類型的方法和裝置加以改進，使焊料可以毫無問題地釬焊在對斷裂敏感的工件上，特別是厚度最多200 μ m和/或者表面呈波形或略微彎曲的工件。在此方面，在確?？稍佻F(xiàn)地釬焊的同時可以實現(xiàn)高產(chǎn)量。
該目的依據(jù)本發(fā)明通過一種開頭所稱類型的方法基本上采取如下措施得以實現(xiàn)， 即工件在釬焊期間被彈性地支撐，和/或者焊料在完成加熱后涂覆在工件上，并在超聲波作用下釬焊。本發(fā)明的特征在于，焊料借助加熱裝置被加熱，被涂覆在工件上，并在超聲波作用下被釬焊，和/或者工件在釬焊期間通過借助輸送工件的運輸裝置將工件壓向超聲波焊接設(shè)備而受到彈性支撐。在此方面特別是規(guī)定，焊料在其加熱到焊接溫度IV后借助超聲波作用被釬焊。焊接溫度IY >TM，其中，Tm為焊接材料的熔點。該熔點例如在Sn-Bi焊接材料中為140°C，在Sn-Pb焊接材料中為180°C。依據(jù)本發(fā)明特別是規(guī)定，首先將焊料加熱到所要求的焊接溫度，以便然后將熔化的焊料涂覆在工件上。然后使用所要求的超聲波。通過這種措施確?？稍佻F(xiàn)地釬焊或者焊接，其中，工件的加熱為了與焊料材料配合地連接而從該焊料本身直接傳遞到工件內(nèi)。被加熱的焊料本身將對于連接所需的熱量輸入到工件材料內(nèi)，而無需通過超聲波裝置進行熱量傳遞。由此確保可再現(xiàn)的釬焊。本發(fā)明特別是規(guī)定，工件的加熱方式為，焊料將其熱量通過與工件的接觸釋放到工件上。為確保這一點，加熱焊料材料的加熱裝置在焊接區(qū)的區(qū)域內(nèi)被直接引到工件上方， 其中，需要時加熱裝置與工件例如借助從加熱裝置引出的滑軌進行直接接觸。作為補充，超聲波裝置可以根據(jù)所要求的焊接溫度進行調(diào)整。此外，只要不從焊料吸取熱量，超聲波焊接設(shè)備的溫度就應(yīng)等于或者略高于焊接溫度IV。加熱裝置的溫度最好在焊接溫度IY到600°C之間，特別是處于300°C到500°C的范圍內(nèi)，特別是處于至少高于焊接溫度IY約100°c的范圍內(nèi)。為使得超聲波焊接設(shè)備不從焊料吸取熱量，超聲波焊接設(shè)備的溫度應(yīng)處于焊接溫度TL到600°C之間，最好處于300°C到500°C的范圍內(nèi)。優(yōu)選超聲波焊接設(shè)備具有等于加熱裝置的溫度。此外在具有特殊獨創(chuàng)性的設(shè)計中，工件在焊接期間被彈性地支撐。由此確保在工件厚度變化或者具有不平表面時也可以在要求的范圍內(nèi)且可再現(xiàn)地對其進行處理。工件彈性地壓緊在超聲波焊接設(shè)備上，其中，確保超聲波焊接設(shè)備頭或其尖端在輸入超聲波期間始終接觸熔化的焊料。工件基于彈性支撐而被壓向超聲波焊接設(shè)備，可以通過運輸部件進行這種彈性支撐，借助該運輸部件將工件從下面輸送經(jīng)過超聲波焊接設(shè)備。運輸部件在此方面應(yīng)具有 0. OlkNAim2彡E彡0. lkN/mm2之間的彈性模量E (單位kN/mm2)。通過所有這些措施，高敏感性的工件如硅晶片可以無受損地被處理，其中，同時確保通過溫度調(diào)節(jié)盡管有超聲波的影響仍不出現(xiàn)裂紋。特別是規(guī)定，在焊接過程期間，工件通過例如作為齒形皮帶構(gòu)造的運輸裝置被輸送到焊接區(qū)內(nèi)并被輸送經(jīng)過該焊接區(qū)。焊絲形式的焊料可以通過市場上常見的焊絲進給裝置送入焊接區(qū)。為此，焊絲可以插入在其中將焊料熔化的加熱裝置內(nèi)。后面的焊絲將熔化的材料從出料口壓出，以便將焊料涂覆在工件上。在這種情況下，熔化的焊料已經(jīng)可與優(yōu)選同樣被加熱的超聲波焊接設(shè)備進行接觸。在涂覆面積大的情況下，超聲波焊接設(shè)備不一定非得加熱。但如果在焊料涂覆之后需要在其上面釬焊例如印制導(dǎo)線，如在作為工件的太陽能電池具有連接導(dǎo)線并因此釬焊窄的焊料條時即為此種情況，那么當不能在足夠的程度上保持恒定的溫度時在焊料釬焊情況下，不能確保印制導(dǎo)線的斷裂力沿著印制導(dǎo)線的長度保持不變。特別是在印制導(dǎo)線橫截面小于5mm2時即為此種情況。如果焊料被輸送經(jīng)過將熱量直接輻射到工件上的加熱裝置，就達到了焊接區(qū)內(nèi)均勻溫度的目的。焊料可以被輸送經(jīng)過沿工件延伸的金屬板。同樣需要功率足夠強的加熱元件。加熱元件和熱容這樣設(shè)計，使熔化熱量和結(jié)晶熱量可以在短時間內(nèi)輸送和排出。在此方面，已經(jīng)提到，熔化熱量的輸送與同樣可以被加熱的超聲波焊接設(shè)備的溫度無關(guān)地進行。熱量排出基本上在工件內(nèi)部進行，如在作為工件將熱量排放到大氣內(nèi)的硅晶片內(nèi)進行。所傳遞的熱量僅使硅晶片本身略微升溫，從而隨后可以直接進行進一步的處理。但依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)也包括如下方案，即在超聲波對所釬焊的焊料影響之后直接釬焊太陽能電池的導(dǎo)體如連接導(dǎo)體。焊料和超聲波焊接設(shè)備在同一個部位上與作為工件的太陽能電池的金屬進行接觸，其中，超聲波焊接設(shè)備與金屬之間的距離a可以為0 < 500μπι，特別是 50 μ m ^ a ^ 100 μ m。依據(jù)本發(fā)明，超聲波功率和頻率、焊料輸送和焊接溫度彼此無關(guān)控制或者調(diào)節(jié)，從而避免焊料會導(dǎo)致?lián)p壞如斷裂和形成裂紋地釬焊在工件上。通過非常完美的熱量輸送，確保在依據(jù)本發(fā)明的超聲波焊接中特別是在半導(dǎo)體元件如太陽能電池上不出現(xiàn)裂紋。依據(jù)本發(fā)明，熱量通過被加熱的焊料本身進行輸送，雖然半導(dǎo)體元件可以通過附加加熱裝置來加熱，而這一點并非強制要求。確切地說，特別是規(guī)定， 所需的處理溫度僅通過被加熱的焊料來產(chǎn)生。在希望將由于工件內(nèi)的導(dǎo)熱所致的焊料冷卻降到最低限度時，可以設(shè)置有附加加熱裝置。在太陽能電池的情況下，雖然熱容以及熱傳導(dǎo)由于厚度很小例如最高200 μ m而很低，但因為在以后釬焊連接導(dǎo)體時也涂覆僅相對較少的焊料量，所以需要時可以使用附加加熱裝置，以確?？稍佻F(xiàn)的結(jié)果。但在使用附加加熱裝置的情況下也并未偏離本發(fā)明，該附加加熱裝置可以一方面用于預(yù)加熱半導(dǎo)體元件，另一方面用于熔化或者加熱焊料。為此例如可以使用能預(yù)加熱太陽能電池或熔化焊料的熱風嘴。在這種情況下，不需要加熱裝置沿半導(dǎo)體材料滑動。通過調(diào)整焊料和超聲波焊接設(shè)備以及加熱裝置的溫度，從焊接部位向外形成溫度梯度，該溫度梯度由于依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)而避免裂紋形成。通過調(diào)整超聲波裝置的功率以及頻率，此外確保焊料在所要求的程度上與工件材料-在太陽能電池的背面具有燒結(jié)的或者濺射的鋁層的情況下-在所要求的范圍內(nèi)形成連接或者合金，并確保足夠的附著強度， 結(jié)果是，作用于然后所要釬焊的印制導(dǎo)線的拉力不會導(dǎo)致斷開。情況表明，在過程熱量通過焊料，優(yōu)選僅通過焊料傳遞到工件如有斷裂危險的太陽能電池上的情況下，提供了一種非常完美的方法。通過應(yīng)用超聲波，確保在其上面需要釬焊焊料的工件表面上可能存在的氧化層破碎，從而可以使焊料與材料之間產(chǎn)生所要求的連接，或可以使焊料在所要求的程度上與材料混合為合金。一種可能的解釋是，在向焊料熔液內(nèi)引入超聲波振蕩時產(chǎn)生空穴，這些空穴坍塌(zusammenfallen)并向金屬化的材料內(nèi)引入沖擊波。通過這種微機械負荷，使處于其下面的材料組織受到破壞，并例如引起與焊料混合成合金。處于金屬表面的氧化層受到破壞，從而可以進行無熔劑的焊接。如果需要產(chǎn)生足夠堅硬的合金，那么足夠高地選擇焊接溫度，其中，要考慮的約束條件是，若將太陽能電池作為工件使用，則不應(yīng)對太陽能電池的光電特性產(chǎn)生不利影響。如果將焊料焊接在鋁層上，那么需要最高500°C的溫度。在此方面規(guī)定，焊料的溫度在180°C到500°C之間，若焊料由錫組成或者含有錫，則最好在250°C到400°C之間。由此對太陽能電池的特性沒有不利影響。在超聲波焊接設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生在超聲波焊接設(shè)備的縱向上延伸的縱向駐波。在此方面，超聲波焊接設(shè)備根據(jù)波長進行適當設(shè)計，使波幅分布在超聲波焊接設(shè)備頭也就是與焊料接觸的尖端內(nèi)。由此可以形成所要求的空穴。如果特別是需要破壞氧化層，那么具有優(yōu)點的是，超聲波焊接設(shè)備的縱軸線不與從面向超聲波焊接設(shè)備的工件表面引出的法線重合。 依據(jù)本發(fā)明因此規(guī)定，超聲波焊接設(shè)備的縱軸線與法線可以夾成確定的角度。該角度處于 0°到90°之間，其中，在超聲波焊接設(shè)備的縱軸線和法線不重合的情況下，與法線所夾成的角度在20°到60°之間。由此可以在所要求的程度上使氧化層破碎，正如在超聲波金屬焊接時的情況那樣。與此無關(guān)，在依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的進一步改進中，為實現(xiàn)過程穩(wěn)定，超聲波系統(tǒng)不中斷地工作，以避免在控制超聲波系統(tǒng)時可能出現(xiàn)的諧振偏差。超聲波系統(tǒng)持續(xù)不斷地工作還產(chǎn)生的優(yōu)點是，使由焊料引起的濕潤特性得到穩(wěn)定。依據(jù)另一種突出的獨創(chuàng)性的設(shè)想，在作為半導(dǎo)體元件的太陽能電池情況下，取代常見的例如由銀組成的導(dǎo)體(母線)，焊料條本身將此前安裝在太陽能電池上的蓄電池(指形件)連接。因為焊料條形式的母線必須導(dǎo)電地連接指形件，而不允許穿透接觸所面向的太陽能電池半導(dǎo)體層，否則由此會出現(xiàn)短路，所以必須確保在焊料條借助超聲波被釬焊時，太陽能電池的作為防反射層使用的特別是由SiN組成的外層不被破壞。為此依據(jù)本發(fā)明采用這種設(shè)想，即超聲波焊接設(shè)備的縱軸線與從太陽能電池表面引出的法線夾成大于0°，特別是處于20°到60°之間的角度。由此造成在進行超聲波焊接時有超聲波振蕩的橫向振蕩分量發(fā)揮作用，從而可以有針對性地與指形件(焊料條或者焊料線)進行焊接，而不會造成正面如SiNx層受到破壞而致使與處于其下面的半導(dǎo)體層接觸。焊料條的釬焊最好在20_40kHz 之間范圍內(nèi)的低超聲波頻率下進行。特別是規(guī)定，在超聲波焊接設(shè)備的縱軸線傾斜于或者在極端情況下平行于由工件展開的平面的情況下使用超聲波。超聲波焊接設(shè)備也可以利用不同于諧振頻率的頻率進行激勵。這一點可以通過超聲波焊接設(shè)備失諧或者通過選取不同于λ/2或者λ/2整數(shù)倍數(shù)的超聲波焊接設(shè)備長度來進行。依據(jù)本發(fā)明，焊料可以焊料條的形式被涂覆，其特別是由錫組成，并以2mm/SeC到 200mm/sec之間的速度，特別是22mm/sec到80mm/sec之間的速度被涂覆。在此方面還可以將焊料條作為母線利用超聲波涂覆在太陽能電池的正面上。焊料條，即最好是錫條，具有1 到3mm之間，最好約2mm的寬度。在本發(fā)明的進一步改進中規(guī)定，焊料含有磨料，以便特別是破碎金屬層的在其上面需要釬焊焊料的表面，或者去除氧化層。例如可以使用如DE-T-69222611所介紹的磨料添加劑，具體參考其公開內(nèi)容。
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作為補充或者備選方案，可以使用在焊料內(nèi)熔解的并在焊料冷卻時沉淀的合金成分，這些合金成分盡可能形成硬的沉淀物。這樣，例如富含金屬元素Me的由錫組成的或者含有錫的焊料在略微冷卻情況下就析出元素Me或者化合物SrixMei_x的微米大小的固體顆粒，這些固體顆粒例如可以加強氧化層的機械耐磨性。在此方面，Me至少可以是ai、Ag、Cu、 Al、Mg、Ca、Ba、Pb、Sb、Bi、Ni、Ge、Si 組的金屬。此外依據(jù)本發(fā)明，涂覆焊料之前，例如利用工具進行撫抹，由此整平工件上存在的氧化層如氧化鋁層。通過這些措施使氧化層塑性變形，由此基于存在的脆性進行破壞。通過使用超聲波并將其相對于法線定向，利用在釬焊期間輸入的超聲波可以破壞存在的氧化層如氧化鋁層。同時，工件的表面層組織通過由于輸入的超聲波而在焊料內(nèi)形成的空穴及其坍塌而破碎，從而可以使焊料混入層材料內(nèi)成為合金。在焊料與層材料之間形成合金。這種局部反應(yīng)的程度通過超聲波焊接設(shè)備的縱軸線相對于工件表面法線的角位置進行影響，并與在其上需要釬焊焊料的金屬層材料相應(yīng)地得到優(yōu)化。另一個值得關(guān)注的過程變量是超聲波焊接設(shè)備頭也就是尖端與工件表面之間的距離，通過該距離預(yù)先規(guī)定工件上的焊料層的厚度(高度)。厚度可以按照簡單方式機械地調(diào)節(jié)。這一點可以通過超聲波焊接設(shè)備也就是其端頭或者尖端相距工件表面的距離來進行。在此方面特別是規(guī)定，借助測微螺桿在0 μ m到500 μ m之間，最好在50 μ m到100 μ m 之間調(diào)整超聲波焊接設(shè)備相距表面的距離，從而由此預(yù)先規(guī)定熔化深度。超聲波焊接設(shè)備也就是其尖端此外設(shè)置在加熱裝置的需要時支撐在工件上的滑軌之間，而且在滑軌的縱向上觀察處于其前端或者其前面的區(qū)域內(nèi)。在此方面，滑軌具有焊料加熱的溫度，也就是焊料從加熱裝置排出時的溫度，從而因此產(chǎn)生確定的溫度條件。所使用的包括超聲波焊接設(shè)備或者作用相同元件的超聲波裝置利用20kHz到 IOOkHz之間，最好40kHz到80kHz之間范圍內(nèi)的頻率被激勵。為使在其上面釬焊焊料的工件可以無斷裂地被處理，工件在一定程度上彈性地被支撐。為此例如規(guī)定，工件通過齒形皮帶、圓線環(huán)(Rundschnurring)或者扁平皮帶被導(dǎo)入其中設(shè)置有超聲波焊接設(shè)備與加熱裝置的焊接區(qū)。因為在超聲波焊接設(shè)備下降到工件上時，通過焊料向該工件導(dǎo)入可以導(dǎo)致其彎曲的力，所以進行軟支撐或者彈性支撐，這種支撐如所提到的那樣特別是通過支撐在運輸皮帶上進行，并補償工件的由于安放超聲波焊接設(shè)備造成的偏轉(zhuǎn)。因此工件與工件之間不同的工件彎曲不會造成損壞。此外由此產(chǎn)生的優(yōu)點是，超聲波測量設(shè)備相對于工件表面的微米精度的定位不一定非得需要，因為傳送帶或皮帶以基本上恒定的微小力將工件壓向超聲波焊接設(shè)備。因此開頭所稱類型裝置的特征還在于，運輸裝置將工件彈性地輸送經(jīng)過焊接區(qū)。提出，運輸裝置將工件通過將其壓向超聲波焊接設(shè)備而彈性地輸送經(jīng)過焊接區(qū)。特別是規(guī)定，運輸裝置包括第一和第二運輸件，工件夾緊固定在它們之間，其中， 第一運輸件被主動地驅(qū)動，而第二運輸件則通過與第一運輸件或工件的摩擦鎖合進行驅(qū)動。特別是第一和第二運輸件為環(huán)形的扁平件或者圓形件，如扁平皮帶或者圓線，其中，第一和/或者第二運輸件具有兩個彼此相距的環(huán)形扁平件或者圓形件，它們通過各自從共用軸引出的導(dǎo)向輪來引導(dǎo)。在此方面，第一運輸裝置可以通過第三運輸裝置來驅(qū)動，工件通過該第三運輸裝置可以輸送給焊接區(qū)分布在其區(qū)域內(nèi)的第一和第二運輸裝置。加熱裝置和超聲波焊接設(shè)備從共用的保持裝置引出，加熱裝置和超聲波焊接設(shè)備作為一個單元可以相對于由第一運輸裝置預(yù)先規(guī)定的工件運輸平面朝向所述保持裝置移調(diào)。附加地，在超聲波焊接設(shè)備與加熱裝置之間可以相對移調(diào)，以便可以調(diào)整所要涂覆的焊料厚度(高度)。寬度附加地取決于焊料涂覆的量。加熱裝置具有能排出熔化的焊料并對準運輸平面的排料口。此外，超聲波焊接設(shè)備的接觸熔化焊料的超聲波焊接設(shè)備尖端可以直接設(shè)置在排料口的區(qū)域內(nèi)或者與排料口相距地設(shè)置。此外規(guī)定，該裝置具有至少一個相對于加熱裝置絕熱的氣體輸送通道，從該通道可以向焊接區(qū)輸送保護氣體。在這種情況下，保護氣體可以是氬、氮或者氮氬混合氣。在本發(fā)明的進一步改進中規(guī)定，為加熱裝置或超聲波焊接設(shè)備或共用的保持裝置配設(shè)凈化裝置，以清除加熱裝置或超聲波焊接裝置上的由焊料造成的結(jié)殼。也可以設(shè)置有抽吸裝置，以便去除由焊料造成的污物。因為所有對于過程重要的主要部件均從共用的保持裝置引出，所以可以進行簡單的維護。


本發(fā)明的其他細節(jié)、優(yōu)點和特征不僅來自權(quán)利要求書、從權(quán)利要求書中得到的特征-單獨地和/或者組合地_，而且還來自對優(yōu)選實施例的下列說明。其中圖1示出運輸裝置的側(cè)視圖；圖2示出沿圖1中A-A剖切的剖面；圖3示出具有超聲波裝置的用于排出熔化焊料的裝置的原理圖；圖4示出圖3設(shè)置的一部分；圖5示出超聲波裝置的超聲波焊接設(shè)備相對于半導(dǎo)體元件的定位；圖6示出按照圖5的超聲波焊接設(shè)備相對于半導(dǎo)體元件的可選擇的定位；圖7示出用于加熱半導(dǎo)體元件部分的設(shè)置；圖8示出用于整平焊料軌的設(shè)置；以及圖9示出太陽能電池原理圖的俯視圖。原則上相同部件具有相同附圖符號的附圖純原則上地示出用于將焊料涂覆在平面工件上和將焊料釬焊在工件上的設(shè)置和措施。在此方面，下面借助作為工件的太陽能電池對依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)進行說明，而由此并無局限性。所介紹的運輸裝置也應(yīng)理解為示例性的，并可以通過確保所述效果的作用相同的部件替代，從而相應(yīng)的技術(shù)概念應(yīng)理解為同義詞。
具體實施例方式圖1示出運輸系統(tǒng)10，借助該運輸系統(tǒng)將太陽能電池12輸送經(jīng)過原則上圖3所示和具有附圖符號14的焊接站。運輸裝置20包括兩個彼此相距的齒形皮帶22、24，它們通過共用的齒形皮帶盤 26,28被驅(qū)動。齒形皮帶22、M通過軸27驅(qū)動相互連接的齒形皮帶盤四、30。從軸27引出扁平皮帶盤32，環(huán)繞其引導(dǎo)和驅(qū)動高彈性的扁平皮帶34。扁平皮帶34此外環(huán)繞另一扁平皮帶盤36引導(dǎo)。在圖1中，在扁平皮帶34的上面分布著環(huán)繞導(dǎo)向輪或者導(dǎo)向盤38、40 引導(dǎo)的扁平皮帶42，在該扁平皮帶與高彈性的扁嚴皮帶34之間，太陽能電池12被輸送經(jīng)過焊接站14。對扁平皮帶42的運輸因此通過與扁平皮帶34或有待處理的太陽能電池12的摩擦鎖合進行，只要該太陽能電池通過齒形皮帶22J4進入扁平皮帶34、42之間的區(qū)域內(nèi)。 對扁平皮帶；34、42及其其支撐物的定向在此方面這樣進行，使扁平皮帶34、42之間所需的自由空間可供輸送太陽能電池12使用。從圖1和2的對照中可以看出，太陽能電池12大致在扁平皮帶34、42的中心被夾住并借助其被運輸。不言而喻還存在這種可能性，即將彼此相距的兩個下扁平皮帶和兩個分配給它們的上扁平皮帶用于輸送太陽能電池12，從而太陽能電池在兩個彼此相距的帶狀區(qū)域內(nèi)與扁平皮帶接觸。運輸方向采用T標注。為在太陽能電池12上涂覆和釬焊焊料，在太陽能電池12處于焊接站14區(qū)域內(nèi)的情況下-這一點可以通過未示出的傳感器檢測-焊接站14向太陽能電池12的方向上移調(diào)。 為此需要的控制信號可以由至少一個傳感器產(chǎn)生。焊接站14向太陽能電池12方向上的移調(diào)以下面介紹的方式進行，以便使超聲波振蕩器58的超聲波焊接設(shè)備頭44與從焊接站14 排出并涂覆在太陽能電池12上的焊料之間進行接觸。在此方面，被驅(qū)動的高彈性扁平皮帶 34提供用于使得超聲波焊接設(shè)備頭44和太陽能電池12以及-只要存在-與加熱裝置50 的安放在太陽能電池12上的滑軌46、48無斷裂地接觸所需的反作用力。向加熱裝置50通過輸送裝置52輸送焊料，焊料在加熱裝置50內(nèi)熔化并通過出料口 M直接在超聲波焊接設(shè)備頭44的前面排出到太陽能電池12上。輸送裝置52在此方面相對于加熱裝置50通過輸送絕熱裝置56絕熱。扁平皮帶34的彈性模量E(單位kN/mm2)處于0. 01kN/mm2到0. lkN/mm2之間，以便足夠彈性地支撐太陽能電池12，從而在涂覆焊料和與超聲波焊接設(shè)備44共同作用時或者在由該超聲波焊接設(shè)備應(yīng)用超聲波振蕩時避免太陽能電池12受損。例如，如果運輸件是傳動皮帶，那么該傳動皮帶將工件利用按照胡克定律與偏轉(zhuǎn)量Ax成正比的力K壓至超聲波焊接設(shè)備即K = k*Ax。比例常數(shù)處于ln/mm到100N/mm之間，其中，最好為5N/mm彡k彡50N/mm。該數(shù)值在工件為厚度160-200 μ m的對斷裂敏感的太陽能電池情況下有效。以0. 2mm偏轉(zhuǎn)時力為2N。在這種情況下，皮帶的彈性模量為0.01-0. lkN/mm2。這一點僅為舉例。替代地也可以通過實驗來檢查太陽能電池或者任意的工件在超聲波焊接設(shè)備的壓力下是否產(chǎn)生裂紋或者斷裂。超聲波焊接設(shè)備頭44是那種金屬超聲波焊接中公知的超聲波振蕩器58的尖端。 需要時振蕩器58可以包括增強器(Booster)。超聲波振蕩器在所要求的頻率范圍內(nèi)，最好在20kHz到80kHz之間的范圍內(nèi)產(chǎn)生超聲波振蕩。在這種情況下它是縱向波，其中，振蕩器 58這樣地根據(jù)超聲波振蕩的波長進行匹配調(diào)整，使振蕩波幅分布在超聲波焊接設(shè)備頭44 的區(qū)域內(nèi)，確切地說是分布在超聲波焊接設(shè)備頭44接觸涂覆到太陽能電池12上的焊料的區(qū)域內(nèi)。超聲波焊接設(shè)備頭44利用其尖端接觸涂覆在太陽能電池12表面上的焊料。這一點原則上也可從圖5-7中看到。因為焊料無需通過超聲波焊接設(shè)備頭44或其尖端被加熱， 所以超聲波焊接設(shè)備頭或尖端的直徑可以減小。由此超聲波焊接設(shè)備頭44與焊料之間的接觸面與公知的設(shè)置相比可以在所要求的范圍內(nèi)最小化，以便-如所要求的那樣-產(chǎn)生或窄或?qū)挼挠≈茖?dǎo)線。這樣超聲波焊接設(shè)備頭44的尖端垂直于焊料的涂覆方向，也就是垂直于運輸方向T的延展距離可以直截了當?shù)靥幱?. 5mm到5mm之間的范圍內(nèi)。從這些附圖中此外可純原則性地得知，通過閥門60經(jīng)通道62可以向焊接部位輸送保護氣體，該焊接部位也就是焊料從噴嘴M排出并與超聲波焊接設(shè)備頭44接觸的區(qū)域。 為此噴嘴通道62相對于加熱裝置50相應(yīng)地絕熱(附圖符號64)。為可以使單元加熱裝置50-振蕩器58對準太陽能電池12的表面，焊接站14從與固定的保持裝置如機架連接的安裝板66引出。為可以使加熱裝置50并因此使滑軌46、48和振蕩器58并因此使超聲波焊接設(shè)備頭44可以在χ方向上移調(diào)，與安裝板66連接一個由兩個可以相對移調(diào)的板件70、72組成的角板68。以板件70、72的連接點為基準，可相對于垂線(Z方向)調(diào)節(jié)士5°的角度。角板68通過轉(zhuǎn)接板74與升降單元76連接，單元振蕩器58-加熱裝置50借助該升降單元可以在ζ方向上移調(diào)。升降單元76因此可以向有待處理的太陽能電池12下降或從其離開提升。微調(diào)單元78通過轉(zhuǎn)接板80與升降單元76連接。微調(diào)單元78可以在ζ方向上進一步移調(diào)，以便由此可以使超聲波焊接設(shè)備頭44相對于太陽能電池12，也就是相對于其表面精確校準，由此預(yù)先規(guī)定所要釬焊的焊料厚度或高度。微調(diào)單元78通過另一轉(zhuǎn)接板82與移調(diào)裝置84連接，后者與從中弓丨出加熱裝置50 和振蕩器58的角形件(Winkelelement)86連接。移調(diào)裝置84可以使角形件86在y方向上移調(diào)。加熱裝置50與角形件86固定連接，該加熱裝置具有焊料輸送裝置52和氣體接口 60以及氣體通道62。振蕩器58相對于它們通過移調(diào)單元85可以在ζ方向上移調(diào)。為此從移調(diào)裝置85引出一個固定件88如卡圈，振蕩器58被該卡圈夾持。固定件88在此在振蕩器58的振蕩節(jié)點內(nèi)伸展。通過焊接站14的與此相關(guān)的結(jié)構(gòu)，可以在所要求的程度上使振蕩器58并因此使超聲波焊接設(shè)備頭44與太陽能電池12的表面對準，但同時需要時可以將加熱裝置50的滑軌46、48支撐在太陽能電池表面上。但這一點并不是必不可少的特征。確切地說，形成加熱裝置50的部件的滑軌46、48也可與太陽能電池12相距地分布。如果在該實施例中焊接站14這樣設(shè)計，使振蕩器58相對于角形件86只能在ζ方向上移調(diào)，那么同時在結(jié)構(gòu)上也可以使得振蕩器58的縱軸線方向與ζ軸線夾成所要求的角度，該ζ軸線沿從太陽能電池12的表面引出的法線伸展。因此可以調(diào)整超聲波焊接設(shè)備頭 44相對于表面的所要求的角度，以便可以在所要求的程度上破碎例如氧化層，這一點在振蕩器58朝向法線時不能在所要求的程度上實現(xiàn)。為說明這一點，圖5和6示出超聲波焊接設(shè)備頭44相對于太陽能電池12表面定向的原理圖。
正如此前已經(jīng)介紹的那樣，可以通過所使用的超聲波焊接設(shè)備和相對于太陽能電池12的定向來影響由超聲波焊接設(shè)備42向太陽能電池12內(nèi)傳遞的超聲波的作用。在此方面，圖5中超聲波焊接設(shè)備的縱軸線43與從太陽能電池12的表面引出的法線平行。因此由超聲波焊接設(shè)備44產(chǎn)生的超聲波振蕩具有作用于太陽能電池12或焊料上的基本上縱向的振蕩分量。超聲波焊接設(shè)備的縱軸線43與太陽能電池12的表面夾成直角地伸展。如果超聲波焊接設(shè)備44的有待與焊料接觸的接觸面45相對于縱軸線43以α興90°的角度 α定向，那么所產(chǎn)生的超聲波振蕩分成縱向的和橫向的振蕩分量(參見圖6)。利用這種變型方案來防止例如太陽能電池12的不應(yīng)破壞的表面層如SiNx層在焊料釬焊時不會因承受機械負荷而使焊料直接接觸半導(dǎo)體層，從而避免短路。換句話說，確保表面層保持密封。與此相關(guān)的措施特別是在這種情況下具有優(yōu)點，即例如形成存在于太陽能電池12 正面上的指形件的蓄電池112、114、116通過由焊料組成的梁或者條118、120導(dǎo)電地連接， 所述梁或者條因此取代按照現(xiàn)有技術(shù)特別是由銀組成的導(dǎo)體或者母線。由此實現(xiàn)對指形件 112、114、116的成本低廉的導(dǎo)電連接。從形成母線的焊料條118、120于是可以引出用于連接太陽能電池12所需的連接端，如與印制導(dǎo)線118、120借助超聲波被焊接在一起的鍍錫銅連接端。相應(yīng)的連接端在圖9中采用附圖符號122、124標注。太陽能電池12的為了可以釬焊焊料所需的熱量依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選由焊料本身傳遞，其中，在需要時對太陽能電池12的預(yù)熱可以通過加熱裝置50或滑軌46、48來進行。還可以將超聲波焊接設(shè)備頭44加熱到加熱裝置50的溫度。但這一點不是必不可少的特征。通過使得熔化焊料所需的熱量以不同于上述技術(shù)的方式不通過超聲波焊接設(shè)備頭44傳遞，該超聲波焊接設(shè)備頭在與焊料接觸的區(qū)域內(nèi)可以構(gòu)造得相當窄，或者具有較小的橫截面或直徑。特別是規(guī)定，超聲波焊接設(shè)備頭垂直于相當于運輸方向T的涂覆方向的延伸距離在0.5mm到5mm之間，其中，橫截面可以是圓形、橢圓形或者矩形或方形。在矩形的情況下，垂直于涂覆方向的邊長因此為0. 5mm-5mm，在圓形或橢圓形的情況下，橢圓形的直徑或垂直于運輸方向的延伸距離為0. 5mm-5mm，其中只要需要，也可以選擇不同的尺寸， 特別是延伸距離在cm范圍內(nèi)。圖7示出依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)所涵蓋的另一種變型方案，用于在所要求的程度上加熱太陽能電池12。這樣取代用于預(yù)加熱太陽能電池12和用于熔化或加熱焊料的加熱裝置 50，可以使用包括熱風嘴的加熱裝置51。從熱風嘴51排出的熱空氣在此方面用于預(yù)加熱太陽能電池12或者用于熔化或進一步加熱焊料。被加熱的空氣以所要求的角度噴到太陽能電池12與焊料之間的接觸區(qū)，優(yōu)選對準超聲波焊接設(shè)備44與太陽能電池12之間的接觸區(qū)，如圖7原則上所示。因此焊料可以直接在需要時同樣被加熱的超聲波焊接設(shè)備44上熔化，以便然后借助超聲波釬焊焊料。為進一步進行處理，最好整平所涂覆的焊料，或減少存在的氧化物，和/或者去除表面上可能的污物，因為通過超聲波作用，太陽能電池上的導(dǎo)電接觸面由于不平整和污物會增加氧化。為減少氧化和去除表面上的可能的污物，依據(jù)本發(fā)明規(guī)定，重新熔化和整平接觸面。為此依據(jù)圖8原則上規(guī)定，焊料接觸面在硬化后利用加熱元件如加熱軌1 熔化，并通過太陽能電池12與加熱軌1 之間的相對運動熔化和整平。相應(yīng)的焊料軌或焊料條在圖8中采用附圖符號1 標注。
這些措施可以在焊接站14本身內(nèi)實施，但只能在不是直接在焊料軌上涂覆焊料并由此釬焊電導(dǎo)體的情況下。依據(jù)本發(fā)明的方法特別適用于連續(xù)方法。在此方面，在多個軌道上平行地同時給半導(dǎo)體元件如太陽能電池設(shè)有焊料軌。為借助超聲波既在背面上也在正面上釬焊相應(yīng)的焊料軌，太陽能電池可以從第一焊接站轉(zhuǎn)移到第二焊接站內(nèi)。這一點例如可以利用轉(zhuǎn)輪或者其他適用的裝置進行。
權(quán)利要求
1.一種用于在工件上，最好在半導(dǎo)體元件如太陽能電池上涂覆焊料的方法，其中，使得焊料在焊接溫度IY時并借助超聲波焊接設(shè)備在超聲波作用下被釬焊，其特征在于，使得焊料借助加熱裝置被加熱，被涂覆在工件上，并在超聲波作用下被釬焊，和/或者在釬焊期間借助輸送工件的運輸裝置將工件壓向超聲波焊接設(shè)備，由此使得工件被彈性地支撐。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料借助加熱裝置被加熱到IY^ Tm的溫度IV，其中，Tm =焊料的熔化溫度。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得釬焊所需的熱量通過焊料傳遞到工件上。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料通過加熱裝置被加熱，該加熱裝置在工件與加熱裝置相對運動時與工件至少暫時接觸。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，使得加熱裝置沿工件滑動引導(dǎo)。
6.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料在工件上的高度通過將超聲波導(dǎo)入焊料內(nèi)的超聲波焊接設(shè)備的在工件側(cè)伸展的超聲波焊接設(shè)備頭之間的距離來調(diào)整，和/ 或者通過焊料的涂覆量來調(diào)整。
7.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得應(yīng)用超聲波的超聲波焊接設(shè)備的縱軸線與從工件引出的法線夾成角度α，其中，0°彡α彡90°，最好為20°彡α彡60°。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得超聲波焊接設(shè)備的與焊料接觸的尖端在超聲波激勵的超聲波焊接設(shè)備的波幅內(nèi)伸展。
9.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了應(yīng)用超聲波振動，使用具有超聲波焊接設(shè)備頭的超聲波焊接設(shè)備，超聲波焊接設(shè)備頭的接觸焊料的尖端的寬度等于或者大于涂覆在工件上的焊料條的寬度。
10.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了應(yīng)用超聲波振動，使用具有帶有與焊料接觸的區(qū)域的超聲波焊接設(shè)備頭的超聲波焊接設(shè)備，該接觸區(qū)域由硬質(zhì)材料組成或者具有這種硬質(zhì)材料，特別是由例如碳化鎢、Sic、金剛石組成的硬質(zhì)材料層。
11.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用含有諸如A1203、SiC、Si3N4,SiO2的耐磨劑的焊料，或者使用含有在溫度下降時析出的用作為耐磨劑的成分的焊料。
12.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在焊料凝固后將焊料重新加熱，并通過加壓壓平。
13.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料與工件之間的焊接區(qū)被保護氣體如N2、氬或者合成氣體包圍。
14.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將焊料釬焊在工件上期間，在焊料上釬焊電導(dǎo)體如連接導(dǎo)體，或者在焊料釬焊之后，在一個單獨的方法步驟中，在輸送熱能的情況下將電導(dǎo)體釬焊在已釬焊在工件上的焊料上。
15.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將焊料以軌狀或者條狀釬焊在作為工件的太陽能電池上，用于形成與太陽能電池上存在的蓄電池導(dǎo)電地連接的母線。
16.一種用于在焊接區(qū)內(nèi)將焊料涂覆和釬焊在工件(1 上，特別是半導(dǎo)體元件如太陽能電池上的裝置，包括焊料輸送裝置(M)、焊料的加熱裝置(50)、超聲波焊接設(shè)備(58)以及用于既相對于加熱裝置也相對于超聲波焊接設(shè)備運輸工件的運輸裝置(10)，其特征在于，運輸裝置(10)通過將工件壓向超聲波焊接設(shè)備(58)而彈性地將工件(1 運輸經(jīng)過焊接區(qū)。
17.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，運輸裝置(10)具有第一和第二運輸件 (16、18)，工件(1 夾緊地固定在第一和第二運輸件之間，其中，第一運輸件(16)被主動地驅(qū)動，第二運輸件(18)通過與第一運輸件或工件的摩擦鎖合或者通過一個附加的自己的驅(qū)動裝置被驅(qū)動。
18.按權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，第一和第二運輸件(16、18)為環(huán)形的扁平件或者圓形件如扁平皮帶或者圓線。
19.按權(quán)利要求17或18所述的裝置，其特征在于，第一和/或者第二運輸件(16、18) 具有兩個彼此相距的環(huán)形扁平件或者圓形件，所述扁平件或者圓形件通過從共用的軸06) 引出的導(dǎo)向輪O9，30)來引導(dǎo)。
20.按權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，第一運輸裝置(16)可以通過第三運輸裝置00)被驅(qū)動，工件(1 通過該第三運輸裝置可以輸送給第一和第二運輸裝置(16、18)。
21.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，加熱裝置(50)和超聲波焊接設(shè)備(58)作為一個單元可以向預(yù)先規(guī)定工件(1 的運輸平面的第一運輸裝置(16)移調(diào)。
22.按權(quán)利要求16或權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，加熱裝置(50)和超聲波焊接設(shè)備(58)可以彼此相對移調(diào)，并向運輸平面移調(diào)。
23.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，加熱裝置(50)具有排出熔化的焊料的且對準運輸平面的排料口(54)。
24.按權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，超聲波焊接設(shè)備(58)的接觸熔化焊料的超聲波焊接設(shè)備頭G4)直接設(shè)置在排料口(54)的區(qū)域內(nèi)或者與排料口相距地設(shè)置。
25.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，該裝置具有至少一個相對于加熱裝置 (50)絕熱的氣體輸送通道(62)，從該通道可以向焊接區(qū)輸送保護氣體。
26.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，加熱裝置(50)在工件側(cè)具有至少一個滑軌(46、48)。
27.按權(quán)利要求沈所述的裝置，其特征在于，加熱裝置(50)通過至少一個滑軌06、 48)可滑動地支撐在工件(1 上。
28.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，借助傳感器可以檢測工件(1 或涂覆在工件上的焊料，并根據(jù)所測定的數(shù)值可以使超聲波焊接設(shè)備(58)對準焊料。
29.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，超聲波焊接設(shè)備(58)的與焊料接觸的區(qū)域的寬度等于或者小于涂覆在工件(1 上的熔化的焊料條的寬度。
30.按權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，超聲波焊接設(shè)備(58)的與焊料接觸的區(qū)域具有由碳化鎢、碳化硅、氮化硼或者金剛石構(gòu)成的硬質(zhì)材料層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在工件上涂覆焊料的方法和裝置，其中，焊料在焊接溫度TL時且在超聲波作用下釬焊。為將焊料毫無問題地釬焊在斷裂敏感的工件上，提出，焊料被加熱，被涂覆在特別是彈性地支撐的工件上，并在超聲波作用下被釬焊。
文檔編號H01L21/677GK102259222SQ20111010784
公開日2011年11月30日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者H·馮坎佩, S·胡貝爾, S·邁爾, S·雷夫, T·胡伊恩-明 申請人:肖特太陽能股份公司