(57)【要約】  【課題】  信頼性の高い複合基板を提供する。  【解決手段】  第１主面１ａを有する基体１と、少なくとも端部２１が第１主面１ａの上方に位置するように設けられ、基体１よりも熱膨張係数の大きい材料からなる帯状の帯状体２と、基体１と帯状体２とを接続する帯状の接合部３と、を備える接合体１０であって、接合部３は、帯状体２よりも熱膨張係数の小さい材料からなり、幅方向の外郭線が略平行の中間部３１と、中間部３１の外郭線の幅から幅を変えて先端に向かう接合端部３２とを備え、接合端部３２のうち帯状体２と接する第２接合面３４は、平面視で、帯状体２の端部２１の内側に位置している接合体である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１主面を有する基体と、少なくとも端部が前記第１主面の上方に位置するように設けられ、前記基体よりも熱膨張係数の大きい材料からなる帯状の帯状体と、前記帯状体よりも熱膨張係数の小さい材料からなり、前記基体と前記帯状体とを接続する帯状の接合部と、を備える接合体であって、
前記接合部は、平面視したときに、長手方向に沿った一対の外郭線同士が略平行である中間部と、前記中間部から延び、先端に向かうに連れて前記一対の外郭線同士の距離が変化している接合端部とを備え、
前記接合端部のうち前記帯状体と接する第２接合面は、平面視したときに、前記帯状体の前記端部の内側に位置している、接合体。
【請求項２】
前記接合端部のうち前記基体と接する第１接合面の外郭形状は、曲線状もしくは角部が全て鈍角となっている、請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記第２接合面の外郭形状は、曲線状もしくは角部が全て鈍角となっている、請求項１または２に記載の接合体。
【請求項４】
前記第１接合面は、平面視したときに、前記帯状体の前記端部の内側に位置している、請求項１または請求項２を引用する請求項３に記載の接合体。
【請求項５】
前記接合端部は、前記第１主面の法線方向において断面視したときに、前記第１接合面から前記第２接合面側にむけて、前記接合部の外郭が徐々に前記中間部側に変位する第１変化部と、前記第２接合面から前記第１接合面側にむけて、前記接合部の外郭が徐々に前記中間部側に変位する第２変化部と、を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の接合体。
【請求項６】
前記基体は、電極が形成された太陽電池素子であって、前記帯状体は、前記電極と接合され、前記太陽電池素子からの電流を取り出すための取出し電極として機能する導体であって、前記接合部は、半田からなる、請求項１乃至５のいずれかに記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる熱膨張係数を有する材料からなる基体と帯状体とが接合された接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる熱膨張係数を有する材料からなる基体と帯状体とを接合する技術が必要とされている。このような異なる熱膨張係数を有する材料を貼り合わせる例として、太陽電池モジュールを例示することができる。
【０００３】
太陽電池モジュールは、一般的にｐｎ接合した単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板，ＣＩＧＳ（Copper Indium Gallium DiSelenide）基板等の両主面に電極を形成した複数の太陽電池素子を半田を介して帯状の接続導体で互いに接合されてなる。ここで、太陽電池素子が、小さい熱膨張係数を有する基体であり、接続導体が、高い熱膨張係数を有する帯状体であり、半田が、両者を接続する接合部であり、太陽電池モジュールが、これらを互いに接合した接合体となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８１７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された技術を用いて得た接合体では、接合時の加熱や、日々の温度サイクルなどにより温度変化が生じた場合に、帯状体が熱膨張或いは収縮し、帯状体に接続された基体が帯状体の膨張等によって生じる応力を吸収できず、結果として、基体にクラックを引き起こす虞があった。特に帯状体と基体との接続部のうち、帯状体の端部において、帯状体の熱膨張量および熱収縮量が大きくなることから、そこに接続される基体にクラックが生じやすくなっていた。
【０００６】
本発明は、上述の事情のもとで考え出されたものであって、基体に生じるクラックを抑制した接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の接合体の実施形態は、第１主面を有する基体と、少なくとも端部が前記第１主面の上方に位置するように設けられ、前記基体よりも熱膨張係数の大きい材料からなる帯状の帯状体と、前記帯状体よりも熱膨張係数の小さい材料からなり、前記基体と前記帯状体とを接続する帯状の接合部と、を備える接合体であって、前記接合部は、平面視したときに、長手方向に沿った一対の外郭線同士が略平行である中間部と、前記中間部から延び、先端に向かうに連れて前記一対の外郭線同士の距離が変化している接合端部とを備え、前記接合端部のうち前記帯状体と接する第２接合面は、平面視したときに、前記帯状体の前記端部の内側に位置しているものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、基体に生じるクラックの発生を抑制した接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る接合体の概略構成を示す平面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、本発明の１つの実施形態に係る接合体の要部上面図および断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、本発明の変形例に係る接合体の要部上面図および断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、は本発明の変形例に係る接合体の要部上面図および断面図である。
【図５】実施例にかかる接合体の応力分布状態をシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】比較例にかかる接合体の応力分布状態をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の接合体の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態に係る接合体１０の平面図である。この例では、接合体１０として太陽電池モジュールを例に説明する。接合体１０は、基体１と、基体１よりも熱膨張係数の大きい材料からなる帯状の帯状体２と、基体１と帯状体２とを接合する、帯状体２よりも熱膨張係数の小さい材料からなる接合部３とを有する。
【００１２】
基体１は、太陽電池素子であり、例えば厚み０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度、大きさ１５０ｍｍ角程度の単結晶シリコン基板や多結晶シリコン基板からなる。基体１のシリコン基板にはボロン（Ｂ）などのｐ型の不純物を含む領域と、リン（Ｐ）などのｎ型の不純物を含む領域とが接してなるｐｎ接合が形成されている。なお、基体１として単結晶シリコン基板を用いた場合には、その熱膨張係数は例えば、２．６μｍ・ｍ−１・Ｋ−１を例示することができる。そして、基体１の表面にはフィンガー電極１１とバスバー電極１２とが形成されている。
【００１３】
フィンガー電極１１およびバスバー電極１２は、銀ペーストなどを塗布・焼成し形成されている。フィンガー電極１１は幅０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度で、基体１の所定の一辺に平行に多数本設けられる。このフィンガー電極１１により光生成キャリアを効率よく収集することができる。バスバー電極１２は、フィンガー電極１１により収集されたキャリアを集電するために設けられ、フィンガー電極１１と垂直に設けられる。また、効率よく集電するため、および、後述する帯状体２との接続を確実に行なうために、バスバー電極１２の幅はフィンガー電極１１よりも広くしており、例えば２ｍｍ程度とすればよい。
【００１４】
このようなフィンガー電極１１，バスバー電極１２は基体１の第１主面１ａのみならず、反対側の主面にも同様に形成されている。
【００１５】
そして、このような基体１のバスバー電極１２の上方に帯状の帯状体２が後述の接合部３を介して配置される。帯状体２は、例えば厚みが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度で、その幅は太陽電池素子として機能する基体１の受光面である第１主面１ａに影を作らないように、バスバー電極１２と同程度とすることが好ましい。そして、帯状体２の長さは、バスバー電極１２からの集電効率・電気抵抗を考慮して、バスバー電極１２のほぼ全面をにわたって配置される長さを有する。ただし、帯状体２は少なくとも１つの端部２１が基体１の第１主面１ａの上方に位置すれば、もう一方の端部は基体１の外側まで伸びるような長さを有していてもよい。このように、帯状体２が基体１の外側まで伸びることより、基体１に隣接配置される他の太陽電池素子と接続することが可能となる。
【００１６】
このような帯状体２は、銀（Ａｇ），銅（Ｃｕ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ）、金（Ａｕ）等の高い伝導率を有する材料からなり、導電性などを考慮し、この例ではＣ
ｕ箔を用いる。Ｃｕの熱膨張係数は、１６．６μｍ・ｍ−１・Ｋ−１を例示することができる。
【００１７】
そして、基体１と帯状体２とを接合部３で接合する。接合部３は、帯状体２よりも小さい熱膨張係数を有する材料からなり、両者を接合可能なものあれば限定されない。この例では、基体１のバスバー電極１２と帯状体２とを電気的に接続する必要があるため、導電性を有する材料を用いる。例えば、半田、ロウ材、導電性接合剤等を用いることができる。この例では半田を用いる。半田の熱膨張係数は、３．０μｍ・ｍ−１・Ｋ−１を例示することができる。このように基体１との熱膨張係数差を小さくすれば、基体１への熱応力を抑制することができるので好ましい。
【００１８】
接合部３は、バスバー電極１２上または、帯状体２の接合面側に所望のパターンの半田コートを施し、加熱しつつ接触させることで、基体１と帯状体２との間に介在させてもよい。
【００１９】
このような接合部３の幅は、バスバー電極１２よりも細ければよいが、バスバー電極１２と略同一とすることにより、集電効率を高めることができる。
【００２０】
ここで、接合部３の形状について詳述する。図２に、基体１，帯状体２および接合部３の接合部分の模式的な要部拡大図を示す。図２（ａ）は、接合部分の平面視であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ線における断面図である。
【００２１】
図２に示すように、接合部３は、平面視で中間部３１と接合端部３２とを備えている。中間部３１は幅方向における外郭線が略平行となっている領域をさす。幅方向における外郭線とは、言い換えると、長手方向に沿った外郭線のことを指す。接合端部３２は、長手方向における長さの１／２以下の領域であって、中間部３１の幅を有する部位から幅を変えて先端に至る領域をさすものとする。
【００２２】
この例では、接合端部３２の外郭線は、中間部３１の外郭線の幅よりも内側に位置している。言い換えると、中間部３１における幅が最大であり、接合端部３２は中間部３１から連続して幅が小さくなっている。そして、このような接合端部３２が、基体１と接する領域を第１接合面３３とし、帯状体２と接する領域を第２接合面３４とする。図２（ａ）において、第１接合面３３の外郭線を破線で示している。
【００２３】
第１接合面３３の外郭線により形成される外郭形状は、特に限定されないが、この例では、曲線または角部が全て鈍角となっている。言い換えると９０°以下の鋭角部を含まないように構成されている。この例では、円弧を描くものとなっている。そして、この円弧部と、中間部３１の幅方向における外郭線との接合部に着目すると、中間部３１の直線状の外郭線と、第１接合面３３の外郭線がなす円弧の接合部付近の接線とでなす角度が鈍角となっている。
【００２４】
第２接合面３４は、平面視で、帯状体２の端部２１よりも内側に位置している。言い換えると、帯状体２の端部２１の直下には第２接合面３４が存在しない。なお、第２接合面３４の外郭線の形状は特に限定されないが、この例では、第１接合面３３の外郭線により形成される外郭形状と同様に円弧上の曲線としている。そして、平面視で帯状体２の外側に一部が位置している。
【００２５】
このように、第１接合面３３の外郭線の形状を鋭角を含まないものとすることにより、帯状体２からの熱収縮・熱膨張に起因する応力を分散することができる。さらに、第２接合面３４が帯状体２の接合端部３２よりも内側に位置していることから、帯状体２の熱収
縮・熱膨張が最も大きくなる端部２１の角部に接合部３が接することがない。このことから、帯状体２から接合部３を介して基体１に伝わる熱収縮・熱膨張に起因する応力自体を低減することができる。さらに、この例では、第２接合面３４の外郭線の形状も、鋭角を有しないように曲線としていることからに、帯状体２からの応力を低減することができるものとなる。
【００２６】
さらに、図２（ｂ）に示すように、接合部３の接合端部３２における断面形状は、基体１側と帯状体２側の両側から内側に凹む形状となっている。言い換えると、第１接合面３３から第２接合面３４側（帯状体２側，上方）に向けて、中間部３１側に凹むように変位する第１変化部３５と、第２接合面３４から第１接合面３３側（基体１側，下方）に向けて、中間部３１側に凹むように変位する第２変化部３６と、を有している。このような構成とすることにより、帯状体２側からの応力を分散させながら受け、基体１側に向けて分散させながら伝える構成となる。
【００２７】
特にこの例では第１変化部３５の変化率（傾きの絶対値）が第２変化部３６の変化率（傾きの絶対値）に比べ小さくなっている。これにより、帯状体２からの応力を、より緩やかに基体１に伝達するものとなる。
【００２８】
また、接合部３を構成する材料の熱膨張係数が、基体１と帯状体２との中間であることから、接合部３で熱履歴に起因する応力を緩和することができる。さらに、この例では、接合部３を構成する材料の熱膨張係数が、基体１と帯状体２との熱膨張のうち、より基体１に近くなっているため、基体１と接合部３との熱膨張係数差に起因する応力の発生を抑制することができる。
【００２９】
上述の通り、接合部３の形状、材料により、帯状体２からの熱履歴に起因する応力を接合部３により吸収する構成となっている。これにより、基体１に発生するクラックの発生を抑制することができる。
【００３０】
(変形例１）
次に、接合体１０の変形例について説明する。図３に、基体１Ａ，帯状体２Ａおよび接合部３Ａの接合部分の模式的な要部拡大図を示す。図３（ａ）は、接合部分の平面視であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩＩｂ線における断面図である。
【００３１】
図３に示す接合体１Ａは、図２に示す接合体１の接合部３に代えて、接合部３Ａを有する点で異なる。以下、異なる点のみ説明し、重複する説明を省略する。なお、第１接合面３３Ａの外郭形状を点線で、第２接合面３４Ａの外郭線を破線で示している。
【００３２】
接合部３Ａは、第１接合面３３Ａが、平面視で帯状体２Ａの端部２１Ａよりも内側に位置する。このような構成とすることにより、帯状体２とバスバー電極１２との距離が、バスバー電極１２，接合部３Ａ，帯状体２Ａの先端で大きくなることがない。これにより、集電効率を高めることができる。
【００３３】
(変形例２）
さらに、図４（ａ）〜（ｄ）に示す構成としてもよい。図４（ａ）に示すように、接合部３Ｂの接合端部３２Ｂにおける断面形状は、基体１Ｂ側と帯状体２Ｂ側の両側から内側に凹む形状となっている必要はなく、帯状体２Ｂ側から基体１Ｂ側に向けて、徐々に中間部３１Ｂと反対側（外側）にはりだすように（膨らむように）してもよい。図４（ａ）においては、断面の外郭線が曲線を描くようになった例を示したが直線状であってもよい。さらに、帯状体２Ｂ側から基体１Ｂ側に向けて、垂直となるようにしてもよい。
【００３４】
また、図４（ｂ）に示すように、接合部３Ｃの接合端部３２Ｃにおける、第２接合面３４Ｃにおける外郭線の形状は、曲線ではなく直線状としてもよい。端部２１Ｃの角部に接合部３Ｃが接触しておらず、第１接合面３３Ｃの形状が曲線状であることから、このような構成であっても、基体１Ｃへの応力伝達を抑制することができる。
【００３５】
また、図４（ｃ）に示すように、接合部３Ｄの接合端部３２Ｄにおける、第１接合面３３Ｄの外郭線の幅は、図２に示すように必ずしも中間部３１の幅を最大とする必要はなく、中間部３１Ｄの幅から一旦膨らみ、先端に向けて徐々に小さくなるような形状としてもよい。言い換えると、中間部３１Ｄの幅よりも大きい曲率半径を有する円弧部を接続してもよい。
【００３６】
さらに、図４（ｄ）に示すように、接合部３Ｅの接合端部３２Ｄにおける平面形状は、その角部が全て鈍角となるように形成してもよい。
【００３７】
（変形例３）
上述の例では、接合部３として基体１と帯状体２との間の熱膨張係数を有する材料を用いた例を用いて説明したが、基体１よりも小さい熱膨張係数を有するものとしてもよい。その場合には、基体１のクラックを抑制し、接合部３にクラックを発生させるものとなる。このため、万が一大きな熱応力が加わった場合であっても基体１（太陽電池素子）が破損することを抑制することができる。
【００３８】
さらに付言すると、上述の実施形態では接合体１０として太陽電池素子モジュールを例に説明したが、熱膨張係数の小さい平面を有する基体に熱膨張係数の大きい角部を有するような帯状の構造体である帯状体を接続するものであれば、これに限定されることはない。
【００３９】
上述の実施形態およびその変形例ともに、接合部３となる半田のパターン形成のみで、基体１のクラック発生を抑制できるため、生産性のよいものとなる。具体的には、接合部３となる半田パターンを工夫してもよいし、基体１側および帯状体２側に半田コートを施し、接合部３の非形成部に相当する部分にソルダーレジストを配置すれば、両者を接触させて加熱した際に、自動的に所望の形状を有する接合部３を構成することができる。
【００４０】
なお、上述の例では、接合部３の熱膨張係数が帯状体２よりも小さい場合を例に説明したが、第１接合面３３の外郭形状が鋭角を含まず、かつ第２接合面３４の外郭形状が平面視で帯状体２の端部２１の内側に位置している場合には、帯状体２よりも大きい熱膨張係数の材料を用いてもよい。その場合には、帯状体２の端部２１における応力集中を抑制し、かつ、帯状体２と接合部３とにより生じる応力を緩やかに基体１に伝達するものとなるので、基体１のクラック発生を抑制することができる。
【実施例】
【００４１】
実施例と比較例の接合体について、基体１にかかる応力をシミレーションした。具体的には、実施例として図４（ａ）に示す接合体をモデルとした。また、比較例として、帯状体の端部の角部に接合部が接触しており、かつ基体との接合部（第１接合面に相当する）の形状が直線状である場合をモデルとした。言い換えると、帯状体と同じ形状であり端部を合わせた接合部を用いたモデルを比較例とした。なお、具体的な条件は下記の通りとした。
【００４２】
基体：シリコン（熱膨張係数：８．３μｍ・ｍ−１・Ｋ−１）
帯状体：銅（熱膨張係数：１６．８μｍ・ｍ−１・Ｋ−１），
幅：３ｍｍ，厚み：０．１５ｍｍ
接合部：半田（熱膨張係数：１５μｍ・ｍ−１・Ｋ−１）
熱応力の条件：―１００℃の温度荷重の付加
このような条件により、シミュレーションをした結果を図５，図６にそれぞれ示す。実施例である図５は、比較例である図６に比べ、帯状体２の端部２１の角部，接合部３の接合端部３２において１点に応力が集中することなく、基体１に応力を分散して伝えていることが確認できた。なお、シミュレーションの結果、接合端部３２，端部２１に近接する部分以外の領域では、表示したレンジの範囲外となっていた。すなわち、応力は極めて小さく、応力が集中している様子は確認されなかった。さらに、両モデルの最大応力を比較すると、実施例においては２５．４ＭＰａとなり、比較例においては、２６．１ＭＰａとなっていることからも、帯状体２からの応力を抑制することができることが確認できた。
【符号の説明】
【００４３】
１０  接合体
１    基体
１ａ  第１主面
１１  フィンガー電極
１２  バスバー電極
２    帯状体
２１  端部
３    接合部
３１  中間部
３２  接合端部
３３  第１接合面
３４  第２接合面
３５  第１変化部
３６  第２変化部
【図１】
2015126062.tif 000003
【図２】
2015126062.tif 000004
【図３】
2015126062.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015126062.tif 000007
【図６】
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