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影响多主栅技术互连焊点质量的因素
  2021-12-07      228

Narahari S. Pujari  MacDermid Alpha Electronics Solutions 

简介

在晶体硅(c-Si)太阳能电池组件的市场中,串焊是主要方法。在该工艺中,在正面和背面金属化的4、5个汇流带上使用焊接带作为互连介质。该工艺已被行业认可,且经实践证明是可靠的[1]。然而,若想获得高效且高性价比的太阳能发电,仍然面临诸多挑战,其中包括[1,2] :

1. 具有更高输出功率的低成本制造模式。

2. 减少每片电池上银(Ag)浆的用量。

3. 实现电流冗余。

4. 在金属化之前采用精细的网格线印刷工艺,以减少电损耗和光损耗。

5. 使用简单且低成本的工艺流程,同时应用先进的电池架构,以达到更高的现场效率(>20%)。

在几种新的互连技术中,多主栅技术(multi busbar,简称MBB)互连有望缓解上述一些问题。该技术于2006年首次出现[3],并且在一段时间内出现了几种实现MBB互连的方法。焊接[2]、低温合金层压(Smartwire)[3,4],织物辅助焊接[5],以及预制互连网格方法(Merlin)[6]等等。MBB焊接技术与传统的电池互连技术最接近。当前的模块设备可以升级用于组装MBB模块。

Schmid公司是第一家为MBB模块开发特殊串连设备的公司。现在,一些中国设备制造商也在开发这类设备。通常,MBB电池由太阳能电池每侧的7到15根涂敷了焊料的铜线互连,铜线横截面为圆形(直径在200~450μm之间)。通过红外焊接的方式将铜线焊接在电池正面和背面印制的银焊盘上。

MBB的优势有很多[2]:

1.MBB组件使用铜线代替铜带进行互连,因此人们可以在电池上使用更窄的汇流带,或根本不使用汇流带,从而减少银浆的消耗量。

2 .减小每条栅线上电流的可以缩短栅线之间的间距,这样就可以缩短有效电流路径,让串联电阻分布得更均匀。

3圆形的导线产生从空气/玻璃界面到电池的额外反射增益,从而改善光吸收度和发电能力。

4大量导线可降低横向传输的要求,从而减小串联电阻。

5电池的汇流带设计更加均匀,于是对裂纹的耐受性也进一步提高。

6大量均匀分布的焊点导致电气冗余。焊点故障只会影响太阳能电池的局部区域,栅线失效只会是让更短的栅线断开。

7该技术降低了光学互连器件的遮挡,提高了模块的功率。

与标准的搭接及串连焊接工艺一样,MBB技术面临的主要挑战仍然是焊接。MBB方法需要在每个太阳能电池的正面和背面上形成100多个可靠的焊点。从机械角度来看,它与标准四汇流带H型设计的连续焊接有很大区别。已有研究表明,根据DIN EN61215(﹣40°C至85°C,50次循环),温度循环后的热机械应力会引起组件失效[7,8]。也出现了金属浆料的机械应力所引起的分层或焊料和银浆之间的粘合剂断裂。在某些情况下,不同失效机制还会同时组合出现。在MBB焊接过程中,还会出现导线断裂、穿过夹持器拉导线以及助焊剂过多形成污染等失效。

温度升高后,较弱的MBB焊点连接区域经受热应力冲击会形成微裂纹。以前的研究表明,裂纹主要在带状互连的接触面形成,接触条件会对整个模块在功率输出方面的性能产生不利影响[9]。所形成的裂纹会导致铜带互连和电池之间出现接触电阻,导致电池到组件(CTM)间的损耗、出现过热点,最终导致汇流带断开,从而出现直流电弧[9,10]。本文介绍了影响MBB焊接和互连的因素,并提出了消除这些因素以获得最佳焊接结果的方法。

实验

焊接

所有电池均为156.75×156.75mm2、12BB单晶PERC太阳能电池(Runergy),厚度为200μm±20μm。对于MBB前栅,每条汇流带包含11个1100μm(长度)×700μm(宽度)的银焊盘,旨在提高导线和栅线之间的接触质量。每个处理过的电池的效率为20.4%。

光伏组件生产线的第一阶段是连接太阳能电池,通过太阳能串焊设备完成。电池通过导线相互连接,形成典型的串联,然后组成光伏组件。焊接过程使用了自动串焊机(Lead Xi自动化设备)。这一过程使用了非接触式IR焊接技术,因此不会在电池中产生应力。红外焊接系统将光束聚焦在焊丝线上,以实现持续的焊接过程。电动丝带退绕系统和新的拉伸系统可将导线定位在汇流带上,避免出现弯曲和可能的偏移现象。具体工艺参数见表1。

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在串焊电池中间切割以获得单个电池,然后用手工焊接的方式焊接汇流带。一些电池要用于进行功能表征,如剥离强度分析和显微镜分析等等。而还有一些电池要使用标准的乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)层压材料在140oC下进行层压。然后使用单电池板进行各种电气和可靠性研究。

表征

数码显微镜

使用Keyence显微镜(VHX-5000和VHX-2000)可获得倍数更高的放大图像。使用放大倍数更高的显微镜仔细分析MBB电池的表面光滑度和拓扑结构,根据拓扑结构估计表面变化。

通过电子显微镜扫描评估焊接特性。对样品进行切割和低温安装。这些剖面的金相制备包括使用SiC(碳化硅)研磨垫进行研磨和抛光,以使截面变平并消除切割造成的损坏。该过程使用了氩离子抛光机(日立制造),选用了整平铣削模式。使用JEOL(型号7800F PRIME)的场发射扫描电子显微镜(FESEM)进行成像,然后使用能量色散光谱(EDS)分析法对IMC(intermetallic compound,简称IMC,金属间化合物)的成分进行定性鉴定。

剥离测试

根据DIN EN50461[11]用剥离测试评估焊点的机械强度。使用Imada力值测量单元在180℃下进行测试。以50mm/min的速度剥离所有电池。记录互连距离上的力值并将其标准化为互连宽度。根据DIN EN50461,明确用于焊接互连的剥离强度为1N/mm。所有力数据都导出到Excel中。针对156.75mm宽的电池两侧,收集了大约204个数据点。在剥离测试后,使用Keyence显微镜对断裂的电池表面和带状件进行分析,以查看焊点的性质和附着力。

润湿

润湿性是根据JIS Z 3198标准,通过润湿平衡(Rheska)测试来测量的。标准化试样与一组指定的测试变量一起使用。在这个测试中,将经过助焊剂处理的标准化铜试样浸入合金(Sn-Pb)的熔池中,同时测量焊料润湿表面所需的时间和压力,并绘制出图表。

拉曼光谱学

拉曼光谱是特定分子或材料的特有化学指纹,可用于快速识别材料,或将其与其他材料区分开来。LabRAM HR Evolution拉曼显微镜(Horiba Scientific)具有超快速共焦成像和高光谱空间分辨率,用于识别导线表面上存在的任何氧化物。

X射线分析

Phoenix Microme|x是一款180kV微焦X射线检测系统,用于实时检测焊点和空洞分析。

可靠性

根据IEC61215进行热循环(TC)和湿热(DH)测试,研究组件的可靠性。在这个过程中,组件需要在规定的温度和湿度条件下进行气候测试,而测试后组件性能的变化是要评估的关键参数。湿热条件设定为:测试温度:85℃±2℃,相对湿度:85%±5%,测试持续时间:1000小时;对于热循环条件:测试温度:40℃至90℃[最小停留时间:30min,过渡期间温升速度:<100℃/min],循环200个周期。电致发光系统用于检查组件是否存在任何裂纹和其他缺陷。通过I-V曲线测量来确定电气性能。

I-V曲线测量

升级版Sinton仪器FMT-0038用于测量迷你面板的电气性能。根据效率、输出功率、填充因数等得出I-V曲线,从而得到参数。

结果及讨论

多主栅技术(MBB)似乎是另一种提高组件功率的新型电池互连技术。图1展示了12 BB和银焊盘的设计。在Lead Xi设备的协助下完成了互连。将相互连接的电池用玻璃和EVA层压。我们确定了影响焊点的4个因素:

电池金属化

焊料丝

助焊剂

加工条件

在接下来的内容中,我们会逐一详细讨论。

电池金属化

使用高倍显微镜深入分析MBB电池的表面光滑度和拓扑结构(图1)。

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图1:MBB电池的表面拓扑结构。

丝网印刷金属化是生产中使用的具有成本竞争力的稳健技术。由于印刷介质得到了显着改进且工艺简洁,该技术引起了相当大的关注。新一代焊膏能实现更好的纵横比(走线高度与宽度之比),随着阴影损耗和串联电阻的降低,有助于提高触点的载流能力。但是,如果没有选择合适的丝网参数,如丝网目数、焊接丝尺寸和乳胶厚度,就会出现附着力、表面上的玻璃、印刷平滑度等最终问题,金属化表面会影响焊接 附着力。

据报道,正面和背面都有光滑表面的电池能形成可靠的焊点[12]。电池金属化的表面拓扑结构如图1所示。如引言中所述,用于制造MBB电池的技术可以节省银浆。在我们的电池中,与4BB电池相比,MBB电池的银浆耗用量减少了20mg(16.7%)。如图1所示,MBB电池的正面仅印有六边形焊盘。而且,银沉积厚度也约为8~11微米,明显低于传统的4BB太阳能电池。这也意味着可用的表面积更小,并且在焊接期间存在银析出的可能性。已经有研究表明[12]金属化后的表面越平滑,剥离强度越好。存在这种现象的可能性是,因为在一些地方汇流带的最高点(边缘)和中间的最低点之间的差异大于10μm。边缘处的最高点将使焊带远离表面的主要部分[12]。最终导致汇流带和导线之间的热接触电阻增加。在"低质量"电池中,差异很大将导致焊膏不能平整地印刷到表面,产生很大的影响,这是造成失效模式的主要原因。为了进一步评估金属化的效果,在类似条件下对一些电池做氧化和焊接处理。在所有条件下,观察到了未润湿或剥离强度较低的情况。

焊接线

锡-铅(Sn-Pb)合金被涂覆到铜线上以形成PV焊接线。在涂覆过程中,焊料和铜线之间发生反应,在焊料/铜界面处观察到了有IMC形成并不断变大(图2)。IMC的出现表明了良好的冶金结合,薄而连续的IMC层是良好润湿和接合的基本要求[13]。从图2中可以看出,我们的铜线具有均匀的焊料涂层,并且在铜-焊料相间处形成连续的IMC层。

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图2:a)焊接线剖面分析;b)焊接线表面的拉曼光谱。

拉曼位移通常以波数为单位,是长度的倒数,因为该值与能量直接相关。进行拉曼光谱分析以确定表面氧化物。结果表明在焊接带表面上不存在氧化锡。氧化锡拉曼位移峰通常出现在525cm-1左右。已知的是,限制焊接线中的氧水平可改善润湿性,从而可与金属化焊膏良好接触[13]。

MBB互连有一个尚未解决的设计/制造难题:铜线周围产生的焊料涂层不均匀产生了相关问题,可能导致焊点较脆弱[14]。太阳能PV组件多主栅技术(MBB)互连中圆焊接线上的焊料涂层不均匀,其仿真建模显示该情况可能导致在高温下形成微裂纹。Rendler等人[8,15]研究了MBB PV组件电池及互连线中电池和热机械应力的变形。他们发现,通过使用较小直径的导线并降低杨氏模量或铜的屈服强度,可降低太阳能电池中的热机械应力。他们还意识到,焊接线中的最大应力发生在太阳能电池和互连线两侧的最外侧接触焊盘的边缘。

另一个难题是生产屈服强度低的导线,这种导线不仅难以加工,甚至也难以制造。改变铜基导线的形状可能会导致其机械性能的显着变化。为了重塑线材的形状,人们已经研究出一种生产方法,能够生产可调周期和幅度的波形导线[16]。论文作者提出可生产直径为300μm,恒定周期为3.1mm,以及可用于MBB技术的不同幅度的波形导线。改善焊盘和焊接线之间接触效果的另一种方法是使用焊料涂层更厚的铜线[17]。论文作者称,增加焊料厚度可能有助于提高电池板的效率。然而,这种方法需要较厚的EVA,并且在层压过程中可能会产生裂纹。我们建议使用的焊接线上具有如图3所示的周期性焊料凸块。我们的实验表明,这种设计(图3)能与银焊盘形成更好的接触,并产生可靠的焊接结果。一条互连线路中焊点故障的影响可以通过相邻互连线路来缓解,因为12BB MBB能提供电流冗余。

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图3:a)图像和b)遍布了焊料凸块的铜线X光图像。X线图中并未观测到空洞。

助焊剂

助焊剂通常是液体,由化学活化剂、添加剂、溶剂体系和松香(可选)或合成树脂组成。太阳能行业传统上使用醇基助焊剂配方。为了实现高效的焊接,助焊机理需要恰当的化学品结合适当的初始热循环,以去除氧化物和表面污染物。

助焊剂的酸价和润湿程度是决定助焊剂活性的两个重要特征。AlphaPV-21的润湿结果在下面的图4中给出。平衡润湿力值图显示,助焊剂的润湿时间为0.43秒,润湿力为7gF。这意味着PV-21和类似的助焊剂可以在高产能环境中使用,因为它们可以在更短的时间内激活。平衡润湿力是固-液和固-气的函数。这两个界面状态取决于助焊剂的存在。固体-气体临界值将受到助焊剂的影响。此外,不同的助焊剂会以不同的效率从固体中去除表面氧化物。通常情况下,润湿速率随着助焊剂的酸浓度增加而增加。润湿速率取决于氧化物去除的程度,这是酸浓度和温度的函数。这表明具有较好润湿时间的助焊剂能在第一时间内有效地去除表面氧化物[18,19]。然而,人们优先选择分类为L的助焊剂,因为更高的酸值或卤化程度可能会引起腐蚀问题[19]。

助焊剂的保质期是另一个重要因素。一般情况下,助焊剂在6个月内都是稳定的。在当今使用环境下,助焊剂的保质期越长越好。好的助焊剂应该包含以下属性[19]:

•润湿和延展性能好

•酸价更高(浓度为15-21mg/g的KOH)

•保质期更长

•无有害或腐蚀性残留物

•快速去除氧化物的特性

•根据IPC标准,在铜镜测试和腐蚀测试中都显示出可靠性

•与EVA无反应

•"L"分类且可润湿效果好

此外,由于大部分MBB的带式串连焊接操作是通过浸涂方法完成的,因此优先使用固体含量(1.6-3%)更高的助焊剂。Jae Hun Kim等人[17]的论文中写道,固体物质含量较高的助焊剂会影响MBB互连中Ag电极的焊接行为。在焊接过程中,焊料倾向于向导线的边缘迁移,从而导致IMC层的低增长。这种薄而均匀的IMC层有助于提高填充系数。他们证明,在焊接过程中,助焊剂中固体材料的数量和焊料厚度决定了焊料结合的特性,适当平衡这些因素,并在无污染环境下操作是实现高产量制造和形成可靠焊点的关键。

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图4:PV-21助焊剂的润湿曲线。

工艺条件

焊接时间和温度的影响

MBB焊接操作最好在温度更高的环境下完成,以获得更好的热接触并实现高产出。这样做有一个缺点——铜和硅元素的热膨胀系数不同,焊点可能会形成微裂纹,在制造过程中可能无法检测到这一缺陷。若微裂纹未被检测到,那么现场使用寿命可能会低于预期[18]。焊接时间和温度的影响(图5)已经被纳入研究范围。在这项研究中,焊接温度变化范围是230℃到270℃,焊接时间范围是1s~3s。从图5可以看出,在250℃~260℃下获得了更高的剥离强度。同时该研究还观察到,焊接温度更高或焊接时间更长不一定会产生更高的剥离强度。实际上,在焊接时间过长和温度过高的情况下,可能会观察到银浸出和晶体损伤,以及硅表面上的银汇流带被完全剥除[20]。有必要精确控制时间和温度以降低基板形成微裂纹的可能性。

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图5:焊接温度和时间对剥离强度的影响。取每块电池板10条焊接线的平均值。

焊点厚度应该有足够的容量传输产生的电流,同时焊点中的残余应力最小。此外,焊点的厚度应足以起到机械支撑和热中转的作用。恰当的焊接将产生0.5~1.5μm以内的金属间化合物(intermetallic,简称IMC)层。使用FESEM对焊接后的电池进行剖面,分析互连区域的焊点附着力和IMC的形成。若样品处理得当,SEM分析将表明焊点具有优异的焊料附着力,在互连区域形成了明显连续的IMC层(图6)。每当两种不同的金属焊接在一起时,就会形成金属间化合物(合金),并在焊料合金与其焊盘之间界面上的焊料凝固过程中形成固相[21]。可确保可靠的结合强度。

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图6:MBB焊点中形成的IMC

焊接线错位的影响

由于焊接线直径和银焊盘宽度(在电池的正面)都是极小的,即使是轻微的错位也会影响剥离强度值[19]。已在图中说明并标出了正面和背面的每个银焊盘剥离强度。拍摄相应的显微图像,查看银焊盘上的焊接线对准与剥离强度之间的相关性。正面和背面剥离强度的图形表示如图7所示。当银焊盘上出现焊接线错位时,剥离强度值急剧下降(1.0至1.5N)。在焊线适当对准情况下,剥离强度值很高(3.0-3.5N)。因此,焊接线错位对剥离强度有直接影响。

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图7:正面单个银焊盘的剥离强度以及导线错位带来的影响。

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图8:电池背面单个银焊盘的剥离强度。

由于银焊盘较宽,电池背面的剥离强度数据受影响较小且相对稳定(图8)。

其他因素——低温干燥的焊点

冷焊点或干焊点连接比较弱,其特征是焊接线和焊盘之间没有形成键合。这两个术语可以互换,但又略有不同。弱焊点是指剥离强度<1N/mm的焊点,冷焊点是指焊料未完全熔化的焊点。其特征通常是剥离强度值急剧降低。冷焊点可靠性较低,焊接结合不良,并且通常会在一段时间后出现功率下降。这种缺陷是由于焊接温度过低或焊接时间过短而导致。热传递较少且毛细管作用不充分导致冷焊接。在这种情况下,银焊盘和焊接线之间未形成合金(焊点)[20]。干焊点是高温下助焊剂不足或助焊剂烧坏的结果。它主要显示出助焊剂无法从焊盘和焊接线表面去除氧化物。导致这些缺陷的因素如表2所示。

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从表中可以清晰地看出,不同因素都可能影响焊点质量。因此,要考虑优化的参数,并尽量减少外部因素。

可靠性测试结果

根据IEC61215标准进行热循环和湿热测试。使用Sinton Instruments IV曲线测试仪测量IV曲线数据(测试前后)。结果如图9中的表格所示。

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图9:根据IEC61215进行100次热循环和1000小时湿热测试后得到的加速老化测试结果。

测试前后(热循环测试和湿热测试)的I-V曲线数据均在规格范围内(±5%)。电池焊接带或焊接线的断裂是太阳能电池组件的关键失效模式。焊接带或焊接线的损耗确实会影响组件的串行电阻,进而导致功率下降。为了比较由于焊接带/焊接线断裂导致的太阳能电池组件退化,电池层压板被故意损坏。Dethlefsen等人也做了类似的研究工作[22]。我们的观察结果还证实了与5BB电池相比,MBB技术的冗余度更高。当裂纹扩大为2bb长时,填充因数降低了10%。通常,与使用5BB电池的5BB标准互连相比,MBB技术在互连断裂方面被证实是更稳健的技术。这一点很容易理解,因为电流传输在MBB技术中分布得更好。

总结

本文讨论了MBB技术中影响焊点质量的因素。由于技术、工艺、材料和可靠性要求的变化,对焊接提出了挑战。据观察,金属化、焊接线和助焊剂在确定焊点强度方面起着重要作用。包括焊接线校准在内的各种工艺参数对焊点剥离强度都有额外的影响。使用更多焊料和具有极佳润湿特性的助焊剂可产生可靠的焊点。当所有工艺测试参数都得到优化后,在超过3N的剥离强度下可观察到连续均匀的IMC层形成。根据IEC61215标准,这种条件的MBB面板通过了可靠性测试。

致谢:本文作者诚挚感谢Krithika PM女士为本文提供的非技术层面的帮助。

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Narahari Pujari is global technology manager-PV at MacDermid Alpha Electronics Solutions.

Narahari Pujari任MacDermid Alpha Electronics Solutions.公司全球光伏技术经理。

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