(57)【要約】  ここに開示される一部の例は、印刷回路基板および太陽電池などの電気装置の配線に使用されるように設計された材料に向けられる。一部の例では、二段半田を用いて、電気装置の作製において使用される材料に対する応力を低下させ得る。
2010506733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気装置において２つ以上の電気部品の間に電気的接続を設ける方法であって、前記方法は、
２つ以上の電気部品のある部分の上または間に二段半田を配置するステップを含み、二段半田は、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、
低融点成分およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するのに有効な温度で二段半田の低融点半田構成要素を溶融させるステップと、
半田合金を半田付けして、２つ以上の電気部品の間に電気的接続を設けるステップとを含む、方法。
【請求項２】
半田付けするステップは、半田合金または金属間化合物のレーザ半田付けを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
二段半田の低融点半田構成要素を溶融させるための有効な温度は、約１５０℃以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
半田付けするステップは、半田付けステップ中に電気装置を積層するために昇温して行なわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
二段半田の低融点半田構成要素は、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０）、Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）、Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）、Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８）、Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０）、Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）からなるグループから選択される低融点半田として構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
二段半田のベース半田構成要素は、ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５）、Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）からなるグループから選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
２つ以上の電気部品は、印刷回路基板、ボールグリッドアレイおよびピングリッドアレイからなるグループから選択される電気装置である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
二段半田の低融点半田構成要素を溶融させる前に、２つ以上の電気部品の間に封止材を配置するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
回路基板およびシリコン含有層を含む太陽電池アセンブリにおいて電気的接続を設ける方法であって、前記方法は、
回路基板およびシリコン含有層の上または間に二段半田を配置するステップを含み、二段半田は、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、
二段半田の低融点半田構成要素を溶融させ、低融点半田構成要素およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するステップと、
半田合金または金属間化合物を半田付けして、回路基板およびシリコン含有層の間に電気的接続を設けるステップとを含む、方法。
【請求項１０】
半田付けするステップは、半田合金または金属間化合物のレーザ半田付けを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
二段半田の低融点半田構成要素を溶融させるための有効な温度は、約１５０℃以下である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
太陽電池アセンブリは、回路基板に結合された支持層と、シリコン含有層に結合された保護被覆とをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
二段半田の低融点半田構成要素は、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０）、Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）、Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）、Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８）、Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０）、Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）からなるグループから選択される低融点半田として構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
二段半田のベース半田構成要素は、ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５）、Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）からなるグループから選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
回路基板とシリコン含有層との間に配置された二段半田は、半田プリフォームとして構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
二段半田の低融点半田構成要素を溶融させる前に、回路基板とシリコン含有層との間に封止材を配置するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
太陽電池アセンブリを作製する方法であって、
支持層上に回路基板を配置するステップと、
少なくとも１つの二段半田プリフォームを回路基板上の電気的接点上に配置するステップとを含み、二段半田プリフォームは、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、
回路基板および少なくとも１つの半田プリフォーム上に太陽電池を配置するステップと、
太陽電池上に保護層を配置して太陽電池アセンブリを設けるステップと、
熱および圧力の少なくとも一方を太陽電池アセンブリに加えて低融点半田構成要素を溶融させ、低融点半田構成要素およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するステップと、
保護層を介して半田合金を半田付けして、回路基板および太陽電池の間に電気的接続を設けるステップとを含む、方法。
【請求項１８】
熱および圧力の少なくとも一方を加えるステップは、約１５０℃以下の温度で行なわれる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
熱および圧力の少なくとも一方を加えるステップと半田付けするステップとによって太陽電池アセンブリが積層される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２０】
太陽電池と回路基板との間、および太陽電池と保護層との間に封止材の層を配置するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
半田付けステップは、レーザ半田付けによって行なわれる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
電気装置において電気的接続を作製する方法であって、前記方法は、
半田付けされる接合部上に、ゼロＣＴＥ材料と混合された半田を配置するステップを含み、半田は、半田と半田付けされる接合部における材料との熱膨張係数の不整合を減少させるのに有効な量のゼロＣＴＥ材料と混合され、半田はベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、
接合部を半田付けして電気的接続を設けるステップを含む、方法。
【請求項２３】
ゼロＣＴＥ材料はベータユークリプタイトである、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
半田付けステップ中に、電気装置の少なくとも２つの層を同時に積層するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
太陽電池アセンブリにおいて電気的接続を作製する方法であって、前記方法は、
ゼロＣＴＥ材料と混合された半田を回路基板と太陽電池との間に配置するステップを含み、半田は、配置された半田に接触する太陽電池および回路基板の少なくとも一方上の材料の熱膨張係数の不整合を減少させるのに有効な量のゼロＣＴＥ材料と混合され、半田はベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を含み、さらに、
配置された半田に熱を加えて、回路基板と太陽電池との間に電気的接続を設けるステップを含む、方法。
【請求項２６】
ゼロＣＴＥ材料はベータユークリプタイトである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
加えられた熱を用いて太陽電池アセンブリを同時に積層するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を備え、低融点半田構成要素は、約１５０℃以下の温度でベース半田構成要素との合金または金属間化合物を形成するのに有効な量存在する、二段半田。
【請求項２９】
二段半田の低融点半田構成要素は、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０）、Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）、Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）、Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８）、Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０）、Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）からなるグループから選択される低融点半田として構成される、請求項２８に記載の二段半田。
【請求項３０】
二段半田のベース半田構成要素は、ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（
０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５）、Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）からなるグループから選択される、請求項２８に記載の二段半田。
【請求項３１】
二段半田の熱膨張係数を減少させるのに有効な量のゼロＣＴＥ材料をさらに備える、請求項２８に記載の二段半田。
【請求項３２】
低融点半田構成要素は、ベース半田構成要素上にコーティングされる、請求項２８に記載の二段半田。
【請求項３３】
二段半田は、ワイヤ、リボン、金属被覆されたリボン、不連続な形状またはプリフォームの形態である、請求項２８に記載の二段半田。
【請求項３４】
第１の層および第２の層を備え、第１の層は、１つ以上の箇所において第２の層に対する電気的結合を含み、電気的結合は、二段半田から形成された半田接合部を含む、電気装置。
【請求項３５】
第１の層および第２の層を備え、第１の層は、１つ以上の箇所において第２の層に対する電気的結合を含み、電気的結合は、半田から形成され熱膨張係数が整合した半田接合部を含み、半田はさらに、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を含む、電気装置。
【請求項３６】
回路基板および太陽電池を備え、回路基板は、二段半田から形成される半田接合部を介して太陽電池に電気的に結合される、太陽電池アセンブリ。
【請求項３７】
回路基板および太陽電池を備え、回路基板は、二段半田から形成され熱膨張係数が整合した半田接合部を介して太陽電池に電気的に結合され、半田はさらに、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を含む、太陽電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
ここに開示される一部の実施形態は、電気装置に見られるような配線に使用するための材料に向けられている。特に、ここに開示される一部の実施形態は、半田と、印刷回路基板、光起電力セルおよび太陽電池パネルなどの電気装置のアセンブリにおける半田の使用方法とに向けられている。
【背景技術】
【０００２】
背景
配線は典型的に、２つ以上の導体の間に電気的結合を設けるのに使用される。しかし、電気装置において電気的接続を設けるのに使用される材料および方法には著しい欠点がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
第１の局面によれば、電気装置において２つ以上の電気部品の間に電気的接続を設ける方法が提供される。一部の例では、当該方法は、２つ以上の電気部品のある部分の上または間に二段半田を配置するステップを含み、二段半田は、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、低融点成分およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するのに有効な温度で二段半田の低融点半田構成要素を溶融させるステップと、半田合金を半田付けして、２つ以上の電気部品の間に電気的接続を設けるステップとを含む。
【０００４】
一部の実施形態では、半田付けするステップは、半田合金または金属間化合物のレーザ半田付けを含む。いくつかの例では、二段半田の低融点半田構成要素を溶融させるための有効な温度は、約１５０℃以下であり得る。一部の例では、半田付けするステップは、半田付けステップ中に電気装置を積層するために上昇させた温度で行なわれ得る。いくつかの例では、二段半田の低融点半田構成要素は、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０）、Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）、Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）、Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８）、Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０）、Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）からなるグループから選択される低融点半田として構成され得る。他の例では、二段半田のベース半田構成要素は、ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５）、Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）からなるグループから選択され得る。一部の例では、２つ以上の電気部品は、印刷回路基板、ボールグリッドアレイおよびピングリッドアレイからなるグループから選択される電気装置であり得る。いくつかの例では、当該方法は、二段半田の低融点半田構成要素を溶融させる前に、２つ以上の電気部品の間に封止材を配置するステップをさらに含み得る。
【０００５】
別の局面によれば、回路基板およびシリコン含有層を含む太陽電池アセンブリにおいて電気的接続を設ける方法が開示される。一部の例では、当該方法は、回路基板およびシリコン含有層の上または間に二段半田を配置するステップを含み、二段半田は、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、二段半田の低融点半田構成要素を溶融させ、低融点半田構成要素およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するステップと、半田合金または金属間化合物を半田付けして、回路基板およびシリコン含有層の間に電気的接続を設けるステップとを含む。
【０００６】
一部の実施形態では、半田付けするステップは、半田合金または金属間化合物のレーザ半田付けを含む。追加的な例では、二段半田の低融点半田構成要素を溶融させるための有効な温度は、約１５０℃以下であり得る。一部の例では、太陽電池アセンブリは、回路基板に結合された支持層と、シリコン含有層に結合された保護被覆とをさらに含み得る。いくつかの例では、二段半田の低融点半田構成要素は、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０）、Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）、Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）、Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８）、Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０）、Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）からなるグループから選択される低融点半田として構成され得る。他の例では、二段半田のベース半田構成要素は、ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５）、Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）からなるグループから選択される。一部の例では、回路基板とシリコン含有層との間に配置された二段半田は、半田プリフォームとして構成され得る。いくつかの例では、当該方法は、二段半田の低融点半田構成要素を溶融させる前に、回路基板とシリコン含有層との間に封止材を配置するステップをさらに含み得る。
【０００７】
追加的な局面によれば、太陽電池アセンブリを作製する方法が提供される。一部の例では、当該方法は、支持層上に回路基板を配置するステップと、少なくとも１つの二段半田プリフォームを回路基板上の電気的接点上に配置するステップとを含み、二段半田プリフォームは、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、回路基板および少なくとも１つの半田プリフォーム上に太陽電池を配置するステップと、太陽電池上に保護層を配置して太陽電池アセンブリを設けるステップと、熱および圧力の少なくとも一方を太陽電池アセンブリに加えて低融点半田構成要素を溶融させ、低融点半田構成要素およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するステップと、保護層を介して半田合金を半田付けして、回路基板および太陽電池の間に電気的接続を設けるステップとを含む。
【０００８】
一部の実施形態では、熱および圧力の少なくとも一方を加えるステップは、約１５０℃以下の温度で行なわれ得る。いくつかの例では、熱および圧力の少なくとも一方を加えるステップと半田付けするステップとによって太陽電池アセンブリが積層される。一部の例では、当該方法は、太陽電池と回路基板との間、および太陽電池と保護層との間に封止材の層を配置するステップをさらに含み得る。いくつかの例では、半田付けステップは、レーザ半田付けによって行なわれ得る。
【０００９】
別の局面によれば、電気装置において電気的接続を作製する方法が提供される。一部の例では、当該方法は、支持層上に回路基板を配置するステップと、回路基板上に第１の封止材層を配置するステップと、回路基板上の電気的接点上に少なくとも１つの二段半田プリフォームを配置するステップとを含み、二段半田プリフォームは、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を有し、さらに、封止材および少なくとも１つの半田プリフォーム上に太陽電池を配置するステップと、太陽電池上に第２の封止材層を配置するステップと、第２の封止材層上に保護層を配置して太陽電池アセンブリを設けるステップと、太陽電池アセンブリに熱および圧力を加えて低融点半田構成要素を溶融させ、低融点半田構成要素およびベース半田構成要素から半田合金または金属間化合物を形成するステップと、保護層および封止材層を介して半田合金をレーザ半田付けして、回路基板および太陽電池の間に電気的接続を設けるステップとを含む。
【００１０】
一部の実施形態では、熱および圧力を加えるステップは、約１５０℃以下の温度で行なわれ得る。いくつかの例では、熱および圧力を加えるステップとレーザ半田付けするステップとによって太陽電池アセンブリが積層される。
【００１１】
追加的な局面によれば、電気装置において電気的接続を作製する方法が開示される。一部の例では、当該方法は、半田付けされる接合部上に、ゼロＣＴＥ材料と混合された半田を配置するステップを含み、半田は、半田と半田付けされる接合部における材料との熱膨張係数の不整合を減少させるのに有効な量のゼロＣＴＥ材料と混合され、さらに、接合部を半田付けして電気的接続を設けるステップを含む。
【００１２】
一部の実施形態では、ゼロＣＴＥ材料は、ベータユークリプタイトまたは同様の構造的特徴もしくは特性を有する材料からなるグループから選択され得る。いくつかの例では、当該方法は、半田付けステップ中に、電気装置の少なくとも２つの層を同時に積層するステップをさらに含み得る。
【００１３】
別の局面によれば、太陽電池アセンブリにおいて電気的接続を作製する方法が提供される。一部の例では、当該方法は、ゼロＣＴＥ材料と混合された半田を回路基板と太陽電池との間に配置するステップを含み、半田は、配置された半田に接触する太陽電池および回路基板の少なくとも一方上の材料の熱膨張係数の不整合を減少させるのに有効な量のゼロＣＴＥ材料と混合され、さらに、配置された半田に熱を加えて、回路基板と太陽電池との間に電気的接続を設けるステップを含む。
【００１４】
一部の実施形態では、ゼロＣＴＥ材料は、ベータユークリプタイトまたは同様の構造的特徴もしくは特性を有する材料からなるグループから選択され得る。いくつかの例では、当該方法は、加えられた熱を用いて太陽電池アセンブリを同時に積層するステップをさらに含み得る。
【００１５】
追加的な局面によれば、ベース半田構成要素上に配置された低融点半田構成要素を含み、低融点半田構成要素は、約１５０℃以下の温度でベース半田構成要素との合金または金属間化合物を形成するのに有効な量存在する、二段半田が開示される。一部の例では、低融点半田構成要素は、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）、Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０）、Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０）、Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）、Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）、Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８）、Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０）、Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）からなるグループから選択され得る。いくつかの例では、ベース半田構成要素は、ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ
（０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５）、Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）からなるグループから選択され得る。一部の実施形態では、二段半田は、二段半田の熱膨張係数を減少させるのに有効な量のゼロＣＴＥ材料をさらに含み得る。いくつかの例では、低融点半田構成要素は、ベース半田構成要素上にコーティングされ得る。他の例では、二段半田は、ワイヤ、リボン、金属被覆されたリボン、不連続な形状またはプリフォームの形態であり得る。
【００１６】
別の局面によれば、第１の層および第２の層を含む電気装置が提供される。一部の例では、第１の層は、１つ以上の箇所において第２の層に対する電気的結合を含み得、電気的結合は、二段半田から形成された半田接合部を含む。いくつかの例では、第１の層は、１つ以上の箇所において第２の層に対する電気的結合を含み得、電気的結合は、半田から形成され熱膨張係数が整合した半田接合部を含む。
【００１７】
別の局面によれば、回路基板および太陽電池を含む太陽電池アセンブリが開示される。一部の例では、回路基板は、二段半田から形成される半田接合部を介して太陽電池に電気的に結合され得る。いくつかの例では、回路基板は、二段半田から形成され熱膨張係数が整合した半田接合部を介して太陽電池に電気的に結合され得る。
【００１８】
半田およびそれらを用いる方法が既存の半田に対して際立った利点をもたらすことは、本開示を利用すれば、当業者によって認識されるであろう。当該半田を用いて作製された装置の寿命を延ばすことができ、電気装置の作製に用いられるステップは、ここに記載される半田を用いて減少させ得る。追加的な特徴、局面および実施形態をより詳細に以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
図面の簡単な説明
添付の図面を参照して、一部の例示的な例をより詳細に以下に記載する。
【図１】一部の例に係る二段半田の断面図である。
【図２】一部の例に係る第１の層および第２の層を含む電気装置の断面図である。
【図３Ａ】一部の例に係る半田付け前の多層電気装置の断面図である。
【図３Ｂ】一部の例に係る半田付け後の多層電気装置の断面図である。
【図４】一部の例に係る太陽電池アセンブリの断面図である。
【図５Ａ】一部の例に係る半田付け前の太陽電池アセンブリの分解断面図である。
【図５Ｂ】一部の例に係る半田付け後の太陽電池アセンブリの断面図である。
【００２０】
図中の一部の寸法、厚さ等は、ここに記載される技術のより良い理解を容易にするために、拡大されたり、変形されたり、不釣合いに示されたり、他の方法で非従来的に示されている場合があることは、本開示を利用すれば、当業者によって認識されるであろう。特に、図中のいずれかの１つの層の厚さは、図示されているいずれかの他の層の厚さに関係または関連があると解釈すべきではない。また電気装置は、重力を基準とするいずれの配向においても使用することができ、図示されている特定の上下の配置は、例示のみを目的とする。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
詳細な説明
ここに記載される一部の例示的な実施形態は、電気装置のアセンブリの特性を向上させ
る半田およびそれらを用いたプリフォームに向けられている。半田のいくつかの実施形態は電気装置を組立てるのに用いられ、電気装置における応力、歪みまたは亀裂の可能性を低減し得る。半田の他の実施形態は、電気装置のアセンブリに使用される工程数を減少させ得る。これらおよび他の利点をより詳細に以下に述べる。
【００２２】
第１の局面によれば、低融点半田または低融点半田合金が提供される。ここで用いられる限りにおいて、「低融点」とは、約１５０℃以下の組立温度で流れる、特に約１１０℃から約１５０℃、たとえば約１１５℃から約１３０℃で流れる材料を指す。たとえば、合金Ｓｎ４８／Ｉｎ５２は、約１１８℃の温度で溶融し、約１５０℃の温度で半田付けされ得る。低融点半田は、所望の面または他の材料上への配置を容易にするために、周囲温度において固体であることが望ましい。いくつかの例では、半田は、低融点成分である第１の成分と、ベース半田構成要素として機能しかつ約１５０℃の温度で流れる第２の成分とを含み得る。このような二成分半田合金は、一部の例では「二段」半田または二段半田プリフォームと称される。「二段」という用語は、低融点半田が第１のステップで溶融して、ベース半田構成要素との合金または金属間化合物を形成することができる能力を指す。第２のステップにおいて、合金半田（または場合によっては金属間化合物半田）は、電気的接続を設けるのに使用され得る。電気装置のアセンブリにおける二段半田の使用について、ここにより詳細に述べる。
【００２３】
一部の例によれば、ウェハの厚さは、性能および経済的理由から２００ミクロン未満となるため、処理に関連するウェハの損傷がますます問題となっている。たとえば、電気的配線において使用される半田は、半田と配線との材料特性の差によって、高温でシステム応力を発生させ得る。ここに開示される半田の一部の実施形態は、組立温度を低下させることによって、および／または低融点半田もしくは既存の半田よりも熱膨張係数（ＣＴＥ）が低い半田を使用することによってこのような問題に対処し、半田と配線との間のＣＴＥ不整合を減少させる。
【００２４】
一部の例によれば、ここに開示される二段半田は、ベース半田材料の第１の層と、ベース半田材料上にある、またはベース半田材料のある部分を被覆する低融点半田の第２の層とを含み得る。この構造の一例を図１に示す。二段半田１００は、ベース半田層１２０上に設けられた低融点層１１０を含む。一部の例では、低融点層およびベース半田層の各々は半田合金であり得る。二段半田を用いた電気装置の組立中、低融点半田は、約１５０℃以下の第１の組立温度で溶融する。このような低い組立温度によって、亀裂と、一部の高分子材料などの材料および成分にかけられる応力とが低減する。低融点半田が溶融すると、ベース半田材料との合金または金属間化合物を形成し、低融点半田よりも溶融温度が高い層となる。二段半田を用いると、得られる材料はより高い半田温度をより良く許容することができ、したがって半田付けされる電気装置は、より高い半田付け温度および処理温度に耐えることができる。また、使用環境において電気装置が受ける熱衝撃がより良く許容される。
【００２５】
一部の例によれば、二段半田の各層の厳密な厚さは異なり得る。一部の実施形態では、低融点半田の厚さは、ベース半田材料との金属間化合物を形成するのに十分な厚さであるが、ベース材料または金属間化合物の半田付けが悪影響を受けないような厚さであるように選択される。いくつかの例において、低融点半田層は、二段半田の加熱後にベース半田材料との合金または金属間化合物が形成されるような有効な厚さを有する。いくつかの例では、低融点半田層は、約０．０１ミリ厚さから約０．２５ミリ厚さ、特に約０．０３ミリ厚さから約０．１０ミリ厚さ、たとえば約０．０１ミリ厚さから約０．０１５ミリ厚さである。一部の実施形態では、ベース半田層は、約０．０５ミリ厚さから約０．４０ミリ厚さ、特に約０．２０ミリ厚さから約０．３０ミリ厚さ、たとえば約０．２０ミリ厚さから約０．２５ミリ厚さである。同様に、二段半田が取り得る厳密な形態は異なり得る。一
部の例では、二段半田は、ワイヤ、リボン、金属被覆されたリボン、またはたとえば円盤、長方形、座金、球体もしくは他の適切な形状などの不連続な形態であり得る。追加的な厚さおよび形状は、本開示を利用すれば、当業者によって容易に選択されるであろう。
【００２６】
一部の例によれば、二段半田の低融点半田は、約１５０℃以下の組立温度で溶融するまたは流れることができるいずれかの適切な材料を含み得る。低融点半田は、たとえば無鉛、無カドミウム、無鉛かつ無カドミウム、鉛含有、カドミウム含有、または鉛およびカドミウム含有であり得る。例示的な無鉛かつ無カドミウム低融点半田は、限定はしないが、スズ／ビスマス半田、スズ／ビスマス／銀半田、スズ／インジウム半田、インジウム／銀半田、インジウム／銀半田などを含む。無鉛かつ無カドミウム半田の具体的な例は、限定はしないが以下を含む（括弧内の数字は各成分の重量パーセントを指す）：Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５８），Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０），Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１），Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５），Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０），Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０），Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３）およびＩｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０）。特に有用な無鉛かつ無カドミウム低融点半田はＳｎ（５０）／Ｉｎ（５０）であり、１１７から１２５℃で溶融する。鉛またはカドミウム含有半田の例示的な例は、限定はしないが、スズ／鉛／カドミウム半田およびスズ／鉛／ビスマス半田を含む。鉛およびカドミウム含有半田の具体的な例は、限定はしないが以下を含む（括弧内の数字は各成分の重量パーセントを指す）：Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８），Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０），Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）。ここに開示される装置および方法で使用するのに適切な低融点半田の追加的な例は、本開示を利用すれば、当業者によって容易に選択されるであろう。
【００２７】
一部の例によれば、ベース半田材料は少なくともある程度伝導性を有し、かつ低融点半田層よりも高い温度で溶融するいずれかの材料であり得る。いくつかの例では、ベース半田材料は、低融点半田と金属間化合物を形成することができるように選択され得る。他の例では、ベース半田材料は、低融点半田よりも高い融点または範囲を有し得る。ベース半田材料は、たとえば無鉛、無カドミウム、無鉛かつ無カドミウム、鉛含有、カドミウム含有、鉛およびカドミウム含有であり得る、または銅リボン、アルミニウムリボンもしくはベース半田材料でコーティングされた他のリボンであり得る。無鉛かつ無カドミウムベース半田材料の例示的な例は、限定はしないが以下を含む（括弧内の数字は各成分の重量パーセントを指す）：ＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−５）／Ｃｕ（０−５），ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５），Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５），Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１），Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５），Ｓｎ（１００），Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７），Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０），Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２），Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５），Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）、またはこれらの材料のうちの１つでめっきされた銅もしくはアルミニウムリボン。ＳＡＣ３０５およびＳＡＣＸ３０７は、たとえば米国特許第４，９２９，４２３号に記載されている。合金ＳＡＣ３０５は、Ｓｎ９６．５Ａｇ３．０Ｃｕ０．５からなる。ここに開示される装置および方法で使用するのに適切なベース半田材料の追加的な例は、本開示を利用すれば、当業者によって容易に選択されるであろう。
【００２８】
一部の例によれば、ここに開示される半田は、半田プリフォームの形態を取り得る。半田プリフォームは、典型的に、所望の形状、パターン、厚さ等に形成された半田を含み、電気装置の部品上またはその付近に配置され得る。プリフォームは、たとえば座金、円盤、正方形、長方形などのさまざまな形状を取り得る。プリフォームの厳密な寸法は異なり
得る。一部の例では、プリフォームは、約０．０１平方インチ、直径０．０１インチ、外径０．０３インチであるかまたは他の適切な寸法を有し、半田体積精度および半田の配置を確保する。半田プリフォームが球体形状を取る実施形態では、当該球体は、直径がたとえば約０．００３インチ以上であり得る。半田プリフォームの実施形態は、限定はしないが、制御された半田体積、組立時間の短縮、自動化された配置などを含む顕著な利点をもたらす。
【００２９】
一部の例によれば、熱膨張係数（ＣＴＥ）が低い半田が開示される。いくつかの例では、低ＣＴＥ半田を使用して、電気装置の寿命を短縮し信頼性を低下させ得る電気部品における材料の不整合を回避し得る。一部の例では、低ＣＴＥ合金は、アセンブリの構成要素部品間のＣＴＥ不整合を減少させるのに特に有効である。処理において、半田の固化中に、冷却によって生じる応力も減少させ得るように、部品間の膨張不整合が減少（または一部の場合は最小化）され得る。さらに、使用の際、装置が経る熱サイクルも応力に繋がり得る。これらの応力は、ＣＴＥが均衡している半田の選択によっても低下させ得、それによって装置の寿命が延びる。
【００３０】
一部の例によれば、半田の溶融温度を考慮すると、装置の組立温度および／または処理温度に対して適正な温度を選択することが望ましい。多くの場合、半田温度が低下すると、装置の使用中の昇温処理と温度サイクルとの両方において膨張および膨張の不整合が減少する。したがって、ここに開示される低融点半田は、半田と半田付けされる電気装置の部品との間のＣＴＥ不整合を減少させるための使用に適切な低いＣＴＥを典型的にもたらす。
【００３１】
一部の例では、半田におけるＣＴＥの管理は、金属マトリックス複合体（ＭＭＣ）の原理によって実現され得る。半田マトリックスは、必要なレベルまで低ＣＴＥ成分で充填され、所望の設計レベルを実現する。このＭＭＣ手法のさらなる利点は、他の特性を半田に設計することができる点である。より高い熱伝導率を得ることができ、半田マトリックスによっては、より高い導電率も得られ得る。ここに開示される組成および方法を用いることによって、電気装置アセンブリには適さないと従来考えられてきた低融点半田、たとえばＳｎＢｉ共晶が電気装置のアセンブリにおいて実現可能な選択肢であり得る。
【００３２】
一部の例によれば、ここに記載される半田は、１つ以上のゼロＣＴＥ材料と組合され得る。ゼロＣＴＥ材料とは、組立温度において熱膨張係数が約ゼロである材料を指す。いくつかの例では、所望よりもＣＴＥが高い半田が、複合物のＣＴＥ全体を減少させるために有効な量のゼロＣＴＥ材料と組合され得る。使用されるゼロＣＴＥ充填剤量は、所望の全体ＣＴＥをもたらすことができる最小量に限定されることが望ましい。厳密な量は、材料のＣＴＥ、所望のＣＴＥ、作製される電気装置、組立温度等に少なくとも部分的に依存する。いくつかの例では、ゼロＣＴＥ充填剤量は、約１重量％から約２０重量％、特に約１重量％から約１５重量％、たとえば約１重量％から約１０重量％であり得る。例示的なゼロＣＴＥ材料は、限定はしないが、ベータユークリプタイトまたは同様の構造的特徴もしくは特性を有する材料を含む。追加的なゼロＣＴＥ材料は、本開示を利用すれば、当業者によって容易に選択されるであろう。
【００３３】
一部の例によれば、ＣＴＥが約２から２３ｐｐｍ／℃である半田が提供される。いくつかの例では、半田は約１００℃から３５０℃の融点も有し得る。追加的な例では、半田は、ベース半田材料とベース半田材料上の低融点半田のコーティングとを含み得る。一部の例では、半田は組立を容易にするためのプリフォームであり得る。他の例では、半田は、ここに記載されるもののうちのいずれかなどの半田合金であり得る。いくつかの例では、半田は電気装置を作製するのに使用され得る。
【００３４】
一部の例によれば、ここに開示される半田は、低温半田組立処理に使用され得る。このような低温半田付け処理の概略図を図２に示す。電気装置２００は、第１のシート２１０および第２のシート２２０を含み、各々はたとえば印刷回路基板の１つ以上の層であり得る。第１のシート２１０および第２のシート２２０上のさまざまな構成要素間において電気的接続を作成することが望ましい。複数の半田プリフォーム２３０、２３５および２４０が、第１のシート２１０と第２のシート２２０との間の所望の位置に配置されている。半田プリフォーム２３０、２３５および２４０の各々は低融点半田を含み得る、または低融点半田であり得る。約１５０℃未満の組立温度において低融点半田が溶解し、第１のシート２１０と第２のシート２２０との間に電気的接続をもたらす。低融点半田がベース半田材料上に配置されている例では、低融点半田の溶解によって半田合金または金属間化合物がもたらされ得る。この半田合金または金属間化合物は、たとえばレーザ半田付けなどのさらなる処理を受け得る、またはさらなる処理なしに永続的な電気的接続をもたらし得る。
【００３５】
一部の例によれば、ここに開示される半田および半田合金は、積層されるかまたは他の方法で互いに接合される複数の層または材料を電気装置が含む場合には特に有用であり得る。このような方法は、一部の場合において「二段」法と称され、第１のステップは低融点半田の溶融（および温度に依存して任意に積層）であり、第２のステップは半田付け（および第１のステップで実行されない場合は積層）である。一部の実施形態では、積層および半田付けは同じステップで実行され、組立処理に必要な工程数を減少させ得る。多層電気装置を組立てるためのこのような方法の概略図を図３Ａおよび図３Ｂに示す。電気装置３００は、第１の層３１０、第２の層３２０および第３の層３３０を含む。追加的な層も可能であるが、電気装置３００においては例示のみを目的として３つの層のみを示す。半田プリフォーム３４０、３４５、３５０および３５５が、電気装置３００の加熱または組立前にさまざまな層同士の間に配置されている。半田プリフォーム３４０、３４５、３５０および３５５は各々、たとえば二段半田プリフォームにおけるコーティングなどの低融点半田であり得る、または低融点半田を含み得る。電気装置３００は、封止材またはガスケット層３６０も含み得る。電気装置３００の組立中、半田プリフォームの低融点半田は、約１５０℃以下、たとえば約１２５から１５０℃の組立温度で溶融し得る。低融点半田の溶融によって、低融点半田が単独で存在する場合は電気的接続がもたらされる、または低融点半田が二段半田の一成分である場合はベース半田材料との半田合金もしくは金属間化合物が形成される。電気装置は、半田プリフォームが半田付け、たとえばレーザ半田付けされる別の処理ステップを受け、永続的な電気的接続をもたらし得る。このような追加的なステップは、半田プリフォームが二段半田の形態を取る場合に典型的に用いられる。半田付け中に半田合金またはベース半田材料が流れ、最終的な電気的接続をもたらし得る。封止材３６０も流れるかまたは蒸発して、電気装置の層を積層し得る。積層中、封止材は、半田プリフォームを妨害して電気的接続を分断するのではなく、図３Ｂに示すように半田プリフォームの周囲および外側に留まることが望ましい。積層および半田付けは、電気的接続の品質を低下させる実質的な亀裂または空隙を形成することなく、約２５０℃以上のより高い温度にて１つのステップで実行され得る。二段法を用いて組立てられ得る多層電気装置の例は、限定はしないが、印刷回路基板、ボールグリッドアレイ、ピングリッドアレイ、表面実装型装置部品、パワーモジュール、高電流インバータ、ＩＧＢＴモジュール、他の電気装置へのヒートシンク取付構造などを含む。多層装置の層同士の間で使用され得る例示的な封止材材料は、限定はしないが、エチルビニルアセテート（ＥＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）および架橋性高分子材料を含む。一部の例では、封止材を使用して、組立中および／または最終的に組立てられた装置の使用中の少なくともある期間、機械的接合をもたらし得る。追加的な封止材材料は、本開示を利用すれば、当業者によって容易に選択されるであろう。
【００３６】
一部の例によれば、ここに記載される半田は、光起電力（ＰＶ）セルを作製する、およ
び／または太陽電池を作製するのに使用され得る。特に、ここに開示される半田は、望ましくは太陽電池を接続するのに使用され得る。たとえば、第１のＰＶセルを第２のＰＶセルにまたはＰＶセルのアレイにおける端子に電気的に接続するために太陽電池配線が使用される。このような配線を用いて、太陽電池アレイのＰＶセルを平行もしくは直列構成に、またはその両方で接続し得る。また、ＰＶセル配線および電子収量収集バスが、昇温処理でシリコンに接合され得る。一部の例では、太陽電池構造は、限定はしないがシリコン、ＣＩＧＳ（銅、インジウム、ガリウムおよびセレニウムの複合物（Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ2））、銀フリット、アルミニウムフリット、銅バスバーおよび／またはスズ系半田を含む多数の材料で構成され得る。シリコンについての約２ｐｐｍ／℃という低い値から典型的な半田についての約２８ｐｐｍ／℃という高い値まで、アセンブリには大幅な熱膨張係数（ＣＴＥ）不整合が存在する。ＣＴＥ不整合は、昇温処理によるシステム応力を招き、太陽電池の動作温度が−４０℃から１３０℃を上回る温度の間で循環し得る場合の使用においても引起される。これらの熱応力は、突発的な微小亀裂によって太陽電池の製造歩留まりおよび動作寿命に悪影響を及ぼす。微小亀裂を除去するために太陽電池業界によって取られている手法は、応力への対処により即した材料、たとえばアニーリングされた銅の使用と、低ＣＴＥバス材料たとえばインバール（Ｉｎｖａｒ）（商標）材料の使用とを含む。これらの特定の設計解決策は、ウェハの亀裂または異種ＣＴＥ構成要素間の界面における亀裂を回避するのに有効ではなかった。
【００３７】
一部の例に従って、典型的なＰＶセルを図４に示す。ＰＶセル４００は多層多材料構造を含む。ＰＶセルは、ｐ型半導体層４２０に結合されたバッキング４１０を含む。ｐ型半導体層は、ｎ型半導体層４３０に結合される。ｎ型半導体層４３０は、コンタクトグリッド４４０に結合される。コンタクタグリッド４４０は、反射防止層４５０に結合され得る。反射防止層４５０は、たとえばガラスなどの保護膜または層４６０に結合され得る。ＰＶセルの動作中、ＰＶセル４００が露光され、ＰＶセル４００のｎ側からｐ側に電子が流され、電流および／または電圧が生じる。典型的な太陽電池は、１つのアレイに複数のＰＶセル（たとえば３６個以上）を含み、有用なレベルの電流を実現する。入射光は、環境温度の変化とともに、異なる材料の熱膨張係数の差によって異なる速度でさまざまな材料の膨張および収縮を引起こす。このようなＣＴＥ差により、ＰＶセル間の配線に間隙または亀裂が生じ、ＰＶセルの全体的な効率性が低下しかつ寿命が短くなることがある。また、集電装置とＰＶセルとの間の接続が分断され、太陽電池パネルの早期故障を引起し得る。
【００３８】
一部の実施形態によれば、太陽電池のさまざまな構成要素間のＣＴＥ不整合を減少させることによって太陽電池またはその構成要素を作製する際の歩留まりを向上させるために、ここに開示される半田を使用し得る。いくつかの例では、比較的高い処理温度と結び付いたＣＴＥ不整合がアセンブリ内の重要な構成要素の破壊強度を超えるシステム応力を招く太陽電池のアセンブリにおいて、半田が使用され得る。太陽電池に関連する具体的な例は、銀トレース電子集電装置による、銅バスのウェハへの接続である。太陽電池においてＣＴＥ不整合を減少させるためのここに記載される半田、たとえば低融点半田および二段半田は、脆くて薄いウェハアセンブリに特に有用であるが、より厚いＰＶ半導体アセンブリにも適用可能である。いくつかの例では、半田は、たとえばここに記載された半田または半田合金のいずれか１つ以上であり得る。
【００３９】
一部の例では、太陽電池の構成要素間のＣＴＥ不整合を減少させるのに、低ＣＴＥ合金が特に有効である。処理において、半田の固化中に冷却によって生じる応力も低下するように、さまざまな太陽電池構成要素間の膨張不整合が減少（または一部の場合は最小化）される。さらに、使用の際、装置が経る熱サイクルも応力に繋がる。これらの応力は、ＣＴＥが均衡した半田の選択によって低下させることもでき、それによって装置の寿命が延びる。
【００４０】
一部の例によれば、ここに記載される半田を用いて、従来の半田を用いて作製されるよりも迅速に太陽電池を作製し得る。特に、半田付けおよび積層を１つのステップで行なって太陽電池を製造し得る。たとえば、多結晶シリコンを太陽電池のｐ側に付着させて電流を収集し得る。図５Ａおよび図５Ｂに示す一実施形態では、太陽電池アセンブリ５００（図５Ａの分解図に示す）は、支持パネル５１０、可撓性回路基板５２０、エチルビニルアセテートの第１の層５３０、シリコン太陽電池５４０、エチルビニルアセテート（ＥＶＡ）の第２の層５５０およびガラスのカバーパネル５６０を含み得る。アセンブリは、層５１０から５６０を積層することによって作製され得る。積層中、ＥＶＡ層５３０および５５０が軟化して広がり、回路基板５２０に対する封止を形成し得る。太陽電池５４０から回路基板５２０に電気的接続を設けるために、半田プリフォーム、たとえば半田プリフォーム５７０および５７５が使用され得る。半田プリフォームは、回路基板５２０上に位置する電気的接点上に配置され得、溶融または軟化して、太陽電池５４０と回路基板５２０との間に電気的接続を設けることができる。約１５０℃以下での構成要素の積層中に回路基板と太陽電池との間に電気的接続が生成され得るように、低融点半田プリフォームが使用され得る。この電気的接続は、低融点半田が溶融して電気的接点を電気的に接合すると生じ得る、または低融点半田が溶融して、たとえば二段半田の場合はベース半田材料との合金もしくは金属間化合物を形成すると生じ得る。
【００４１】
一部の例では、電気的接続の信頼性を向上させ、太陽電池アセンブリ５００のさまざまな層を互いに積層するために、１つ以上の追加的な処理ステップを行なってもよい。たとえば、半田プリフォームが溶融して流れるように、アセンブリ全体を加熱してもよい。代替的に、異なる領域の温度が異なり得るように、太陽電池アセンブリ５００の選択された領域を加熱してもよい。特に望ましい方法の１つは、レーザ半田付けを用いて半田プリフォームを選択的に加熱し、回路基板５２０と太陽電池５４０との間に電気的接続を設けるものである。レーザ半田付けは、選択された領域に加熱を限定して、感熱性構成要素を損傷し得る熱に他の領域が晒されることを最小限に抑えるように、レーザを用いて太陽電池アセンブリの選択領域にエネルギを集中させる。選択領域の加熱によって半田の溶融およびリフローが生じ、電気的接続がもたらされる。典型的なレーザ半田付け処理は、ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードまたは他のレーザ（いずれも連続波もしくはパルスであり得る）を用いて、半田を溶融およびリフローさせる。いくつかの例では、２つ以上のレーザを用いてすべての半田プリフォームを同時に溶融させ、電気装置を作製するのに必要な時間をさらに短縮し得る。レーザ半田付けの使用が望ましいが、太陽電池アセンブリを含む電気装置は、たとえばウェーブソルダリングおよび従来のリフローなどの従来の半田付け法を用いて作製してもよい。電気装置の構成要素が感熱性でない実施形態では、従来の半田付け法を使用する方がより経済的または簡単であり得る。
【００４２】
一部の例によれば、太陽電池において用いられる厳密な材料は異なり得る。一部の実施形態では、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは非晶質シリコンが使用され得る。使用に適切な他の材料は、限定はしないが、ガリウムヒ素、二セレン化銅インジウムおよびテルル化カドミウムなどの半導体を含む。選択される厳密な材料は、取込まれる太陽エネルギの特定の波長に少なくとも部分的に依存し得る。異なる材料は異なるバンドギャップを有するため、異なる波長を、または異なるエネルギの光子を吸収するように設計される。効率性をさらに向上させる方法の１つは、バンドギャップが異なるさまざまな材料からなる２つ以上の層を使用することである。高エネルギ光子を吸収するバンドギャップがより高い材料が表面上に存在し得る一方、その下ではバンドギャップがより低い材料によってより低エネルギの光子が吸収される。この技術は、さらに一層高い効率をもたらし得る。一部の場合、このようなセルは多接合セルと称される。このような多接合セルは、ここに記載される材料および方法を用いて作製され得る。
【００４３】
一部の例によれば、太陽電池のさまざまな層の間で用いられる厳密な封止材は異なり得る。一部の実施形態では、セル列をガラスに機械的に接合し、したがってモジュールの寿命を超えてそれらの位置を維持するのを補助するために有効であり得る。他の例では、封止材は、ガラスとセルとの間に光学的な橋ももたらし得る（そうでなければ、別の空気−ガラス界面および空気シリコン界面が存在し、各々が何らかの効率性の損失を引起こし得る）。封止材は良好な光透過特性を有し、かつ実質的に劣化するかまたはガラスもしくはシリコンから剥離することなく太陽電池の寿命中持続するのに十分な耐久性を有し得る。例示的な封止材は、太陽電池アセンブリの内部構造を外部環境から封止するのに有効でもあり得る。たとえば、太陽電池の使用環境は、湿気、天候および温度の変動を含む。好ましくは、太陽電池アセンブリの内部電気部品は、このような部品に対する損傷を回避するために外部環境から封止され得る。適切な封止材は、限定はしないが、硬化性樹脂およびロジン、サーモプラスチック、熱可塑性樹脂、エチルビニルアセテート（ＥＶＡ）、ポリエチレン系材料、ポリプロピレン系材料、ポリアミド系材料、ポリエステル系材料、ならびにポリビニルブチラールを含む。太陽電池のアセンブリにおける使用に適切な追加的な封止材は、本開示を利用すれば、当業者によって容易に選択されるであろう。
【００４４】
一部の例によれば、ここに開示される半田および半田合金は、１つ以上の溶剤とともに使用され得る。特に望ましい溶剤は、「ＦＬＵＸ  ＦＯＲＭＵＬＡＴＩＯＮＳ」と題された２００７年６月８日出願の米国仮出願番号第６０／９４２，９５０号に開示されており、あらゆる目的でその開示全体をここに引用によって援用する。特に、溶剤は組立前に電気部品の所望の部分にコーティングまたは予めコーティングされ得る。ここに記載される半田または半田合金は溶剤上に配置され得、半田付けを行なって２つ以上の電気部品間に電気的接続を設け得る。
【００４５】
一部の例によれば、ベース半田構成要素上に設けられた低融点半田構成要素を含む二段半田が提供される。一部の例では、低融点半田構成要素は、ベース半田構成要素上にコーティングされ得る。いくつかの例では、低融点半田構成要素は、１５０℃以下の温度でベース半田構成要素との合金または金属間化合物を構成するのに有効な量存在し得る。低融点半田構成要素は、ここに開示される低融点半田のいずれか１つ以上、たとえばＳｎ（４２）／Ｂｉ（５８），Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０），Ｓｎ（４２）／Ｂｉ（５７）／Ａｇ（１），Ｓｎ（３０−５０）／Ｂｉ（７０−３０）／Ａｇ（０−５），Ｓｎ（５０）／Ｉｎ（５０），Ｓｎ（３０−５０）／Ｉｎ（７０−３０），Ｉｎ（９７）／Ａｇ（３），Ｉｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−１０），Ｓｎ（５０）／Ｐｂ（３２）／Ｃｄ（１８），Ｓｎ（３０−６０）／Ｐｂ（２０−４０）／Ｃｄ（１０−３０），Ｓｎ（４３）／Ｐｂ（４３）／Ｂｉ（１４）およびＳｎ（３０−５０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｂｉ（５−２０）であり得る。同様に、ベース半田構成要素は、ここに開示されるベース半田材料のいずれか１つ以上、たとえばＳＡＣ３０５合金、Ｓｎ（９０−１００）／Ａｇ（０−５）／Ｃｕ（０−５）、ＳＡＣＸ０３０７合金、Ｓｎ（９６．５）／Ａｇ（３．５），Ｓｎ（９０−９５）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（９９）／Ｃｕ（１）、Ｓｎ（９５−１００）／Ｃｕ（０−５）、Ｓｎ（１００）、Ｓｎ（６３）／Ｐｂ（３７）、Ｓｎ（２０−８０）／Ｐｂ（０−２０）、Ｓｎ（６２）／Ｐｂ（３６）／Ａｇ（２）、Ｓｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ａｇ（０−５）、Ｓｎ（６０）／Ｐｂ（３８）／Ｃｕ（２）およびＳｎ（５０−７０）／Ｐｂ（３０−５０）／Ｃｕ（０−５）であり得る。一部の例では、半田の熱膨張係数は、半田を有効な量の１つ以上のゼロＣＴＥ材料と混合させることによって減少させ得る。例示的なゼロＣＴＥ材料は、ここに記載されるものを含む。二段半田の厳密な形態は異なり得る。一部の例では、半田は、ワイヤ、リボン、金属被覆されたリボン、不連続な形状またはプリフォームの形態を取り得る。
【００４６】
一部の例によれば、二段半田を用いて作製された多層電気装置が提供される。一部の例では、電気装置は第１の層および第２の層を含み、第１の層は、１つ以上の箇所において
第２の層に対する電気的結合を有し、電気的結合は、二段半田から形成された半田接合部を有する。ここに記載される二段半田のいずれかを用いて、半田付け接合部を設け得る。また、選択された量のゼロＣＴＥ材料と混合された二段半田も使用し得る。
【００４７】
一部の例によれば、熱膨張係数が整合した半田を用いて作製された多層電気装置が開示される。一部の例では、電気装置は第１の層および第２の層を含み、第１の層は、１つ以上の箇所において第２の層に対する電気的結合を有する。いくつかの例では、電気的結合は、熱膨張係数が整合した半田から形成された半田接合部を有し得る。ここで用いる限りにおいて、「整合した熱膨張係数」とは、半田が半田付けされる材料の熱膨張係数と約５％未満、特に約１から２％未満だけ熱膨張係数が異なる半田を指す。ＣＴＥが整合しているならば、ここに記載される二段半田のいずれかを用いて半田接合部を設け得る。また、ＣＴＥが整合した半田をもたらすために、選択された量のゼロＣＴＥ材料と混合された二段半田も使用し得る。
【００４８】
一部の例によれば、二段半田から形成される半田接合部を介して互いに電気的に結合された回路基板と太陽電池とを含む太陽電池アセンブリが提供される。ここに記載される二段半田のいずれかを用いて半田接合部を設け得る。また、選択された量のゼロＣＴＥ材料と混合された二段半田も使用し得る。
【００４９】
一部の例によれば、熱膨張係数が整合した半田から形成される半田接合部を介して太陽電池に電気的に結合された回路基板を含む太陽電池アセンブリが開示される。ＣＴＥが整合しているならば、ここに記載される二段半田のいずれかを用いて半田接合部を設け得る。また、ＣＴＥが整合した半田をもたらすために、選択された量のゼロＣＴＥ材料と混合された二段半田も使用し得る。
【００５０】
一部の例によれば、低いＣＴＥと残留応力の界面への伝達を減少させるのに有効な係数とを有する半田、たとえば積層された無鉛合金半田が提供される。一部の例では、半田は、ここに記載される低ＣＴＥおよび有効な係数を有する半田または半田合金のいずれか１つ以上、たとえばここに記載されるＳｎ／ＡｇもしくはＩｎ半田であり得る。いくつかの例では、ここに記載される電気装置の作製にこのような半田が使用され得る。
【００５１】
一部の例によれば、低いＣＴＥとクリープ変形による残留応力に対処するのに有効な係数とを有する半田、たとえば典型的なインジウム系複合半田が開示される。一部の例では、半田は、ここに記載される低ＣＴＥおよび有効な係数を有する半田または半田合金、たとえばＳｎ／ＡｇもしくはＩｎ合金であり得る。いくつかの例では、ここに記載される電気装置の作製に半田が使用され得る。一部の例では、電気装置は印刷回路基板、ＰＶセルであり得る、または太陽電池の作製に使用され得る。
【００５２】
一部の例によれば、半田中の複合充填剤材料に起因して熱伝導特性および電気伝導特性が向上した複合物を含む半田が提供される。いくつかの例では、所望の物理的または電気的特性をもたらすのに有効な量の充填剤が存在する。たとえば有効な量の金属またはゼロＣＴＥ材料が使用され得る。たとえば、半田は、モリブデンを３０％含み、かつＳｎ／Ａｇだけの場合の約６０Ｗ／ｍＫに対して約７０Ｗ／ｍＫを上回る熱伝導率を有するＳｎ／Ａｇなどの半田合金であり得る。いくつかの例では、ここに記載される電気装置を作製する際に半田が使用され得る。一部の例では、電気装置は印刷回路基板、ＰＶセルであり得る、または太陽電池の作製に使用され得る。
【００５３】
一部の例によれば、ＣＴＥが低く、選択された係数を有し、複合充填剤材料に起因して熱伝導特性および電気伝導特性が向上した複合物を含む半田が開示される。半田は、ここに記載される半田または半田合金、たとえばＳｎ／ＡｇもしくはＩｎ半田であり得る。い
くつかの例では、半田は、所望の物理的または電気的特性をもたらすために１つ以上の充填剤もしくは材料を含み得る。一部の例では、ここに記載される電気装置の作製に半田が使用され得る。いくつかの例では、電気装置は印刷回路基板、ＰＶセルであり得る、または太陽電池の作製に使用され得る。
【００５４】
一部の例によれば、複合材料技術、たとえば低ＣＴＥ充填剤を半田に混ぜることによって作製される選択された機械的特性を有する半田が提供される。一部の例では、半田はここに記載されたものなどの半田合金であり得る。いくつかの例では、半田は、ＰＶセルの作製または太陽電池パネルの作製に使用され得る。
【００５５】
一部の例によれば、従来の半田付け処理で使用することができる半田と、標準的な無融剤アセンブリによって処理することができる低空隙用途の半田とが開示される。一部の例では、半田はここに記載されたものなどの半田合金であり得る。いくつかの例では、半田は、ＰＶセルの作製または太陽電池パネルの作製に使用され得る。
【００５６】
ここに開示された技術のさらなる例示的な一部の局面および特徴について、一部の具体的な例をより詳細に以下に記載する。
【００５７】
例１
半田合金は、スズ、銀およびモリブデンを適切な量で組合せることによって生成され得る。一実施形態では、スズ／銀半田（９６．５Ｓｎ／３．５Ａｇ）が３０重量％のモリブデンと組合され、熱膨張係数が約１３ｐｐｍ／℃である半田合金が得られる。
【００５８】
例２
半田合金は、適切な量のインジウムおよびモリブデンを組合せることによって生成され得る。一実施形態では、インジウム半田が２８重量％のモリブデンと組合され、熱膨張係数が約９ｐｐｍ／℃である半田合金が得られる。
【００５９】
例３
半田合金は、適切な量のスズ、銀およびインバール材料を組合せることによって生成され得る。一実施形態では、スズ／銀半田（９６．５Ｓｎ／３．５Ａｇ）が３１重量％のインバール材料と組合され、熱膨張係数が約６．９ｐｐｍ／℃である半田合金が得られる。
【００６０】
例４
半田合金は、適切な半田を１つ以上の他の金属または１つ以上の他の金属を含む材料と組合せることによって生成され得る。このような半田合金の熱膨張係数は、半田合金を１つ以上のゼロＣＴＥ充填剤、たとえばベータユークリプタイトと組合せることによって減少させ得る。
【００６１】
例５
二層の半田材料からなる半田プリフォームをヒートシンク上に配置し、低融点半田合金がヒートシンクとの半田接合部を形成する温度まで加熱することによって、ヒートシンクに付着させることができる。次の処理ステップにおいて、当該構成要素がプリフォームの上に配置され、完成したアセンブリ装置がたとえばレーザで加熱され、半田接続を形成する。
【００６２】
例６
太陽電池の全アレイ（たとえば６×１０セル）を含む太陽電池アセンブリは、有機支持パネルと、銅およびエポキシ（回路基板業界に共通する材料）からなる可撓性回路基板と、ＥＶＡ（エチルビニルアセテート）と、シリコン太陽電池と、ＥＶＡと、ガラスのカバ
ーパネルとを含む多層構造からなる。この構造は、上記のすべての層を１５０℃および低圧下において、セルと窓とにＥＶＡを押圧し、積層体における空気を排気しながら材料を加熱することで積層することによって作成される。これにより、２つのＥＶＡ層が軟化して広がり、可撓性回路基板および太陽電池に対して半気密封止を形成する。また、太陽電池の裏側から回路基板に電気的接続が作成される。当初の接続は、約１５０℃で軟化し溶融する二段半田プリフォームを用いて作成される。プリフォームは、回路基板上に位置する電気的接点パッド上に配置され、以下の機能のうち１つ以上を実行する。すなわち、積層温度で軟化して脆い太陽電池が破損するのを回避し、太陽電池と回路基板との間に電気的接点をもたらし、電気的接点上にＥＶＡが広がることを軽減または阻止する。
【００６３】
太陽電池アセンブリを作製するには、回路基板がバッキングに取り付けられ得る。エチルビニルアセテート（ＥＶＡ）の膜が回路基板上に配置される。二段半田プリフォームが、回路基板上に位置する電気的接点上に配置され得る。シリコン太陽電池が、ＥＶＡ膜と二段半田プリフォームとの上に配置される。第２のＥＶＡ膜がシリコン太陽電池上に配置される。ガラスシートが第２のＥＶＡ膜上に配置される。
【００６４】
上記のように、熱（約１５０℃）および低圧が全アセンブリに加えられて低融点半田を溶融させ、当初の電気的接続をもたらす。低融点半田の軟化によっても、脆い太陽電池の破損が回避され、電気的接点上にＥＶＡが広がることが阻止される。二段半田のベース半田構成要素は、ガラスおよびＥＶＡ膜を介してレーザ半田付けされ得、最終的な電気的接続をもたらす。
【００６５】
ここに開示された例の要素を紹介する際、「ある」、「１つの」、「その」および「前記」という用語は、１つ以上の要素があることを意味するものである。「備える」、「含む」および「有する」という用語は開放的なものであり、列挙した要素以外に追加的な要素が存在し得ることを意味する。例のさまざまな構成要素は、他の例におけるさまざまな構成要素と交換または置換できることは、本開示を利用すれば、当業者によって認識されるであろう。引用によってここに援用された特許、特許出願または公報のうちいずれかの用語の意味が本開示で使用された用語の意味と矛盾するならば、本開示で使用された用語の意味の方が支配的であるものとする。
【００６６】
一部の局面、例および実施形態を上に記載したが、開示された例示的な局面、例および実施形態の追加、置換、修正および変更が可能であることは、本開示を利用すれば当業者によって認識されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ−３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ−５Ｂ】
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【国際調査報告】
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