(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだをワークピース（１０）に付着させる方法であって、はんだワイヤを用いて、ソノトロード（１８）によって加えられた超音波振動の作用により、前記はんだワイヤを、溶融した状態で、前記ワークピースに付着させ、
前記はんだワイヤが、加熱手段（１６，１７）と、前記超音波振動を加える前記ソノトロード（１８）との間に延びているギャップ（２４）に供給され、溶融され、前記ギャップを通って前記ワークピース（１０）上に流れ、
前記ソノトロード（１８）および前記加熱手段（１６，１７）を、前記はんだの溶融温度より上の温度に加熱することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ギャップ（２４）を、前記ソノトロード（１８）と、前記加熱手段（１６，１７）との間で、幅Ｂに調整し、但し、Ｄ／２≦Ｂ≦Ｄであって、しかも、Ｄ＝前記はんだワイヤの直径であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱手段（１６，１７）の温度を、ソノトロード（１８）の温度とは別に調節することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
加熱手段（１６，１７）として、ブロック状のまたは平行六面体状の加熱体を用い、この加熱体は、ソノトロード側で、前記ギャップ（２４）を区画している突起（２６）を有し、この突起は、シリンダ部分の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱手段（１６，１７）従ってまた前記突起（２６）を、前記ギャップ（２４）がその高さに亘って一定の幅を有し、または前記ワークピース（１０）の方向に拡大しているように、前記ソノトロード（１８）に対し整列させることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
はんだをワークピース（１０）に塗布した後に、およびはんだを他のワークピースに塗布する前に、前記ギャップ（２４）を、液体または、空気、Ｎ２、アルゴンまたは他の不活性ガスのインパルス状の噴射によって洗浄することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
はんだ材料として、Ｓｎ-Ｚｎ塩基、Ｓｎ-Ａｇ塩基をベースにしておりあるいは純粋なスズからなるはんだ材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ソノトロード（１８）の縦軸線は、前記ワークピースの表面から出ている法線に対し、角度βを形成し、但し、０°＜β≦９０°であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記はんだを速度Ｖで付着させ、但し、０．１ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦２００ｍｍ／ｓｅｃであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記はんだを速度Ｖで付着させ、但し、２０ｍｍ／ｓｅｃ≦Ｖ≦８０ｍｍ／ｓｅｃであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ワークピース（１０）として、ソーラセルを用い、このソーラセル上に、はんだを、幅Ａを有するバスバーとして塗布し、但し、０．５ｍｍ≦Ａ≦１５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
プロセス安定性のために、前記ソノトロード（１８）は、前記はんだワイヤを連続的に供給する最中に、振動で励起されたままであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ソノトロード（１８）を、自らの共振周波数とは異なる周波数で、振動させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
はんだをワークピース（１０）に付着させるための装置であって、はんだワイヤ供給手段と、加熱手段（１６，１７）と、超音波を加える超音波ソノトロード（１８）と、前記ワークピースを、前記加熱手段および前記ソノトロードへ搬送するための搬送手段とを有し、前記はんだワイヤは、前記加熱手段に割り当てられた加熱ゾーン（１４）において溶融され、
前記加熱ゾーン（１４）は、前記ソノトロード（１８）および前記加熱手段（１６，１７）によって区画されており、かつ前記はんだを前記ワークピース（１０）に供給するための供給手段であるギャップ（２４）を有し、
前記加熱手段（１６）は、ブロック状のまたは平行六面体状の加熱体（１７）であり、この加熱体は、ソノトロード側で、前記ギャップ（２４）を区画している突起（２６）を有し、この突起は、シリンダ部分の形状を有することを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記加熱体（１７）の下面（３０）は、前記ソノトロード（１８）から始まって、前記ワークピース（１０）の表面に対し、鋭角αを形成し、但し、０°＜α≦２０°であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記加熱体（１７）の下面（３０）は、前記ソノトロード（１８）から始まって、前記ワークピース（１０）の表面に対し、鋭角αを形成し、但し、０°＜α≦５°であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記ギャップ（２４）は、その高さに亘って、一定の幅Ｂを有し、あるいは、前記ワークピース（１０）の方向に拡大していることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記装置は、前記ギャップ（２４）に、Ｎ２、空気、アルゴン、不活性ガスまたは液体をインパルス状に供給することができる洗浄手段を有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置には、前記ギャップを機械的に洗浄することができる洗浄手段が割り当てられていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記装置は、はんだによる汚染を吸い取るための吸取り装置を有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだをワークピース、好ましくはソーラセルのような半導体デバイスに付着させる方法であって、はんだワイヤを用いて、超音波振動の作用により、はんだを、溶融した状態で、ワークピースに付着させる方法に関する。更に、本発明は、はんだをワークピース、好ましくはソーラセルのような半導体デバイスに付着させるための装置に関し、この装置は、はんだワイヤ供給手段と、はんだワイヤのための加熱手段と、超音波ソノトロードと、ワークピースを加熱手段およびソノトロードに対し搬送するための搬送手段とを有し、はんだワイヤは、加熱手段に割り当てられた加熱ゾーンにおいて溶融される。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１からは、接続導体をソーラセルに取り付ける方法が公知である。この方法では、はんだが、超音波はんだ付けによって、ソーラセルに付着される。この目的のために、はんだは、はんだワイヤまたははんだプリフォームの形態で、超音波ソノトロードによってはんだ付け温度ではんだ付けされる。
【０００３】
はんだを超音波によって特にソーラセルにはんだ付けすることは、融剤を用いる必要がないという利点を示す。他の場合なら、融剤によって、ソーラセルの損傷という危険性が生じる。超音波の作用によって、ソーラセルに酸化物層が付着される。その目的は、はんだと、ソーラセルの、対応の金属層との間の、機械的に安定なかつ導電性良好な接続を保証するためである。このことは、金属層が、アルミニウムからなる裏面コンタクトのようなアルミニウム層であるとき、特にこのときに、利点である。
【０００４】
かような超音波はんだ付け法は、例えば特許文献２または非特許文献１から読み取られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】WO-A-2008/014900（DE-A-10 2006 035 626に対応）
【特許文献２】US-B-6,357,649
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Mardesich et al.:”A Low-Cost Photovoltaic Cell Process Based on Thick Film Techniques; 14th IEEE PV, Sp.Conf.Proc., 1980, pp943-947
【発明の概要】
【０００７】
本発明の課題は、明細書の最初の部分に記載のタイプの方法および装置を、ソーラセルを望ましくない高温に晒すことなく、はんだをソーラセルに極めて正確に付着させることができるように、改善するである。
【０００８】
上記課題を解決するためには、方法に関して、はんだワイヤが、加熱手段と、超音波振動を発生させるソノトロードとの間に延びているギャップに供給され、ギャップの中で溶融され、ギャップを通ってワークピース上に流れることが実質的に提案される。
【０００９】
従来の技術と異なり、はんだ材料は、加熱手段の中を導かれず、次に、開口部を通って放出される。その目的は、超音波作用下でワークピースをはんだ付けするためである。むしろ、はんだワイヤは、側方が空いているギャップに供給される。ギャップの幅は、加熱手段とソノトロードとの間の間隔によって事前設定される。この場合、ギャップが、好ましくは約１／２Ｄ≦Ｂ≦Ｄの間にあって、但し、Ｄ＝はんだワイヤの直径であってなる幅を有するように、ソノトロードと加熱手段との間のギャップが、かように、設計されていることは好ましい。
【００１０】
本発明では、加熱手段およびソノトロードが、はんだワイヤの溶融温度よりも上の温度に加熱される。温度の調節は、互いに別個になされる。
【００１１】
ギャップが、縦方向振動に励起されたソノトロードによって区画されるので、溶融されたはんだが有する表面張力が高いにも係わらず、このはんだは、ギャップを通って引っ張られる。従って、ギャップは、ほぼ、毛管現象を発生させるのである。
【００１２】
このような処置によって特に生じる利点は、基本的には、ワークピース、特にソーラセルのはんだ付けのために、通常のはんだ材料が用いられことができ、これらのはんだ材料は、スズ・亜鉛の塩基、スズ・銀の塩基をベースにしているか、純粋のスズからなることである。
【００１３】
実施の形態では、ソーラセルの表面に延びている表面層、例えばＳｉＮＸ層の貫通接続（短絡）を裂けるために、好ましくは１０ｋＨｚと４０ｋＨｚの間の、低い周波数で作業がなされることが提案されている。更に、特に提案されていることは、ソノトロードの縦軸線が、ソーラセルのようなワークピースの表面から出ている法線に対し、角度＜９０°を形成し、完全な水平方向の整列、従って水平方向の伝（Einkopplung）が可能である。
【００１４】
更に、ソノトロードの振動を共鳴振動数と異ならせる可能性もある。このことを、ソノトロードの離調によって、あるいはソノトロードの長さによって達成することができる。ソノトロードの長さは、λ／２の整数倍とは異なっており、但し、λは、超音波振動の振幅である。
【００１５】
はんだの塗布速度は、０．１ｍｍ／ｓｅｃと２００ｍｍ／ｓｅｃとの間、特に２０ｍｍ／ｓｅｃと８０ｍｍ／ｓｅｃとの間の範囲にあるほうがよい。
【００１６】
更に、本発明に係わる方法によって帯状はんだを付着させる可能性もある。帯状はんだは、通常はソーラセル上に塗布されるバスバーの機能を果たす。この場合、好ましくはスズ製の、例えば２つまたはそれより多いバスバーを、ソーラセルの前面に付着させる可能性もある。バスバーの機能を果たすはんだ路（Lotbahnen）は、この場合、０．５ｍｍと１５ｍｍの間の、好ましくは２ｍｍの範囲の幅を有するほうがよい。
【００１７】
十分なプロセス安定性を達成するために、更に提案されていることは、用いられる超音波装置が、連続的に作動しており、従って、ソノトロードが連続的に振動することであり、その目的は、超音波装置の起動の際には場合によって生じる共鳴オフセットを回避するためである。連続的な振動励起は、更に、加熱手段とソノトロードとの間の加熱ゾーンにおいて、はんだによる濡れ性が安定化されるという利点を示す。
【００１８】
更に、特に好都合であるのは、溶融したはんだの供給の領域における外被が、問題なく、除去されることであり、詳しくは、１つのワークピースの、または、事前設定された数のワークピースのはんだ付け後に、ギャップが、噴出インパルスによる噴射によって洗浄されることである。このことは、新たなワークピースをソノトロードの領域へ位置決めするために、加熱手段およびソノトロードを有する装置が、持ち上げられるときに、なされる。
【００１９】
特に、ガス、例えば、Ｎ２、空気、アルゴンまたは他の適切な不活性ガスによる噴出がなされる。しかしながら、液体による洗浄もなされることができる。
【００２０】
その代わりにまたは補足的に、洗浄手段を設けることができる。その目的は、例えば、回転ブラシまたは他の適切な要素によって、ソノトロードと加熱手段との間のギャップから、例えばはんだによる外被を除去するためである。更に、外被を除去するために、吸取り装置を設けるという可能性がある。
【００２１】
本発明の他の実施の形態では、加熱手段として、高い熱容量を有するブロック状の加熱体を用い、この加熱体は、ギャップの領域で、所望な一定の温度が支配的であることを保証する。この場合、ブロック状のまたは平行六面体状の加熱体は、ソノトロードに対し、以下のように、すなわち、加熱体の縦軸線が、ソノトロードに近い端部から始まって、ワークピースの表面に対し、２０°までの、好ましくは０°ないし５０°の範囲の鋭角を形成するように、整列される。このことによって保証されているのは、ワークピースの望ましくない加熱が、なされないことである。何故ならば、十分な間隔を得るために、加熱体の下面が、ワークピースの表面に対し傾斜して延びているからである。
【００２２】
ギャップが、加熱体の、シリンダ部分の形の突起によって区画されることは好ましい。ギャップは、その高さに亘って、はんだの塗布方向に対し垂直な、同じ横方向広がりを有し、ワークピースの方向に、従って、はんだの塗布方向に、錐形に拡大していることができる。ギャップの高さに亘っての一定の幅は、同様に可能である。
【００２３】
明細書の最初の部分に記載のタイプの装置は、加熱ゾーンが、加熱手段および超音波ソノトロードによって区画されているギャップを有し、ギャップは、はんだをワークピースに供給するための手段であることを特徴とする。特に提案されていることは、ソノトロードと加熱手段との間のギャップが、好ましくは、幅Ｂを有し、但し，１／２Ｄ≦Ｂ≦Ｄであり、Ｄ＝はんだワイヤの直径であることである。
【００２４】
ギャップは、その高さに亘って、一定の幅を有することができる。しかしながら、ギャップがワークピースの方向に錐形に拡大する可能性もある。
【００２５】
加熱手段は、特に、加熱カートリッジを備えることが可能な、平行六面体状の加熱体である。この加熱体は、ソノトロード側に、特にシリンダ形状、例えば半シリンダ形状を有する突起を有する。
【００２６】
更に、ブロック状のまたは平行六面体状の加熱体が、ワークピースに対し、以下のように、すなわち、ソノトロードから始まって、加熱手段の下面が、ワークピースに対し、約２０°までの鋭角を形成するように、整列されていることは好ましい。好ましくは、角度が、０°と５０°の間にあるほうがよい。このことによって、加熱手段とワークピースとの間の間隔があけられる。その結果、ワークピースは望ましく加熱される。
【００２７】
はんだ材料の溶融点より上の温度に同様に加熱されるソノトロードは、更に、加熱手段の上方で、セラミック管のような断熱する管によって囲繞される。
【００２８】
更に、加熱ゾーン、従ってギャップ領域を洗浄するために噴出インパルスを噴出する洗浄手段が設けられている。洗浄媒体として、液体またはガス、例えば、Ｎ２、空気、アルゴンまたは他の不活性ガスを用いることができる。
【００２９】
その代わりにまたは補足的に、ギャップおよび／または加熱ゾーンを洗浄するために、ソノトロードおよび加熱手段に、洗浄手段を割り当てるという可能性がある。かくして、加熱手段詳しくは加熱体と、ソノトロードとの間の、はんだによる外被を問題なく除去することができる。
【００３０】
吸取り手段によって、同様に、はんだによる外被を除去することができる。
【００３１】
本発明の複数の他の詳細、利点および特徴は、複数の請求項と、これらの請求項から読み取れる、単独および／または組合せで生じる複数の特徴とからのみならず、図面から見て取れる複数の好ましい実施の形態の以下の記述からも明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】はんだ材料をワークピース上に付着させるための装置の部分図を示す。
【図２】図１に示した装置を９０°回転した状態の部分図を示す。
【図３】図１および２に示した装置の部分底面図を示す。
【図４】図３の部分拡大図を示す。
【図５】はんだ材料で濡れたおよび濡れていないギャップの原理図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
複数の図からは、ワークピース１０の上に好ましくはストリップ状の板状はんだを付着させる装置の部分図および詳細図が見て取れる。ワークピース１０は、特に、ソーラセルのような半導体デバイスである。半導体デバイスは、はんだ材料を塗布した後に、半導体デバイス上に、例えば電流コンタクトをはんだ付けするためのものである。電流コンタクトは、セルコネクタであってもよい。
【００３４】
半導体材料の付着は、ソーラセル上に付着されかつ特に集電器（グリッド・フィンガ）に接続されるバスバーの機能を担う板状はんだが形成されるように、なされることもできる。
【００３５】
はんだをワークピースに付着させるために、図示しないはんだワイヤ供給手段によって、はんだワイヤ１２が、加熱ゾーン１４に供給される。加熱ゾーンは、加熱手段１６と、超音波装置のソノトロード１８との間に延びている。
【００３６】
複数の図面に示すように、棒の形状を有する超音波ソノトロード（以下、ソノトロードともいう）１８は、加熱手段１６の上方で、加熱ワイヤを有するセラミック管２０によって囲繞されている。その目的は、ソノトロードを、はんだ材料の溶融温度より上の温度に加熱するためである。更に、ソノトロード１８は、知られるように、超音波発生器２２から出ており、この超音波発生器によって、ソノトロード１８は、１０ｋＨｚと８０ｋＨｚの間の、特に、１０ｋＨｚと４０ｋＨｚの間の範囲の超音波振動で励起される。但し、数字は例として挙げるに過ぎない。
【００３７】
加熱手段１６は、実施の形態では、加熱カートリッジを備える平行六面体状のまたはブロック状の加熱体１７である。この場合、加熱体１７は、高い熱容量を有する。その目的は、加熱ゾーン１４の領域で、望ましい一定の温度を保証するためである。
【００３８】
実施の形態では、複数の図面の比較が基本的に示すように、はんだワイヤ１２が、側面から斜めに加熱ゾーン１４へ挿入される。しかしながら、このことによって、本発明に係わる教示を限定しないことが意図される。
【００３９】
本発明では、加熱ゾーン１４は、ギャップ２４を有する。このギャップは、図３および４から明らかなように、一方では、ソノトロード１８によって、他方では、加熱手段１６の、詳しくは加熱体１７の、好ましくは半シリンダ状の突起２６によって区画される。しかし、加熱体１７がかような突起を有することは、必須というわけではない。むしろ、加熱体１７は、ソノトロード側に、平滑な面を有する。この面は、同様に、対応のギャップを区画する。
【００４０】
しかし、加熱体１７の、ソノトロード１８に向いた面からは、突起２６が出ている。しかし、突起は、図面から見て取れる断面が円弧形状を有する形状とは異なった形状を有してもよい。
【００４１】
図４が明示するように、ギャップ幅Ｂは、従って、ソノトロード１８と突起２６との間の内法間隔は、この間隔が、好ましくは、１／２ＤとＤの間にあって、但し、Ｄ＝はんだワイヤであるように、選択されている。幅Ｂは、ワークピースへのはんだ１０の塗布方向に、従って、図１では図平面に、かつワークピース１０の図示した部分に平行に延びている。幅Ｂは一定であってもよいし、あるいは、ワークピースの方向に錐形に拡大してもよい。
【００４２】
加熱体１７およびソノトロード１８は、はんだワイヤ１２の溶融温度より上にある温度に調整される。１００℃と３５０℃の間の範囲で溶融するはんだ材料が用いられることは好ましい。しかし、温度範囲が８０℃と６００℃の間にあってもよい。この場合、突起２６の領域における加熱体１７の温度調節は、ソノトロード１８の温度の調節とは別になされる。
【００４３】
本発明では、はんだワイヤ１２は、加熱ゾーン１４において、ギャップ２４に供給される。このとき、はんだワイヤは溶融する。表面張力が大きいにも係わらず、超音波振動で励起されたソノトロード１８によって、ギャップ２４の境界の濡れがなされる（図５の右の図を参照のこと）。その結果、溶融されたはんだが、ギャップ２４を通って、ワークピース１０の表面上に流れ、次に、ワークピース１０に付着されたはんだには、ソノトロード１８の、ワークピース１０に向いた平らな端面に亘って、超音波が照射される。その目的は、ワークピース１０のはんだ付けを保証するためである。端面２８の領域には、励起されたソノトロード１８の最大振幅が延びている。
【００４４】
図５の左の図では、溶融されたはんだは、ソノトロード１８が振動されない状態で示されている。
【００４５】
図１および２から明らかなように、平行六面体状のまたはブロック状の加熱体１７の下面３０は、ワークピースの表面に対して、以下のように、すなわち、ソノトロード１８から始まって鋭角αが生じ、この鋭角が、０°と２０°の間で、特に０°と５０°との間にあるほうがよいように、整列されている。このことによって、更に、保証されることは、ワークピース１０が、加熱体１７によって望ましく加熱されることである。
【００４６】
ギャップ２４は、ギャップの高さに亘って、一定の幅を有することができる。しかしながら、ギャップがワークピース１０の方向に拡大される可能性もある。ギャップが拡大されるのは、加熱体１７によって区画されるギャップ２４の領域が、加熱体１７の下面３０に垂直に延びているとき、特にそのときである。
【００４７】
更に、本発明では、図示しない洗浄手段を用いて、超音波装置を加熱手段１６と共に持ち上げた後に、ギャップの領域を洗浄するために、噴出インパルスが放出されることが提案される。噴出インパルスは、はんだによる外被を除去するように、インパルス状にギャップ領域に噴出されるガスまたは液体である。
【００４８】
その代わりにまたは補足的に、はんだによる外被を除去するために、機械的な洗浄手段が設けられていることができる。この洗浄手段は、回転ブラシ、あるいは、外被の除去を可能にし、かつ同一の作用をする他の要素であってもよい。
【００４９】
更に、はんだによる汚れを捕まえかつ吸引するために、吸引装置が設けられていることもできる。
【００５０】
プロセス安定性を達成するために、ソノトロードは、はんだワイヤが供給されないときでも、連続的に励起され続けることが可能である。実際また、ギャップにおける、はんだによる濡れ特性が安定化される。
【００５１】
ワークピース１０へのはんだの塗布速度は、２ｍｍ／ｓｅｃと２００ｍｍ／ｓｅｃの間の、好ましくは２０ｍｍ／ｓｅｃと３０ｍｍ／ｓｅｃの間の範囲にあるほうがよい。
【００５２】
実施の形態では、ソノトロードの長手方向は、ワークピース１０から出ている法線に沿って整列されているが、他の角度も同様に可能である。特に、超音波の、はんだへの斜めの伝達が可能である。このことは、ソノトロード１８の縦軸線が、ワークピース１０から出ている法線に対し、角度＞０°を形成することを意味する。この場合、必要な場合には、ワークピース１０の表面に対し平行に整列がなされる。このことに応じて、ソノトロードの先端、従ってまた加熱体１７の、対応の面が、形成されねばならない。その目的は、はんだワイヤのための必要なギャップを用いるためである。
【００５３】
本発明は、共鳴振動数の適切な相違が、例えば、ソノトロード１８の離調によって、あるいは、λ／２の整数倍とは、但しλ＝振幅であって、異なる長さを有するソノトロード１８を使用することによってなされることを含む。
【００５４】
ソノトロード１８は、ギャップの領域で、０．５ｍｍと４ｍｍとの間の、好ましくは１ｍｍと２ｍｍとの間にある直径を有するシリンダ状の形状を有するほうがよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０  ワークピース
１６  加熱手段
１７  加熱手段、加熱体
１８  超音波ソノトロード、ソノトロード
２４  ギャップ。
【図１】
0005389856.tif 000002
【図２】
0005389856.tif 000003
【図３】
0005389856.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005389856.tif 000006