sn-ag-cu 無鉛銲料對太陽能電池模組可用性的影響

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Sn-Ag-Cu 無鉛銲料對太陽能電池模組可用性的影響

日期： 2 0 1 1 . 0 5 . 0 4

指導老師：林克默、黃文勇博士學生：陳立偉

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1.前言 2. 實驗步驟 3.結果與討論 4. 結論

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報告大綱


1.前言

近年來國際油價不斷的飆升，造成能源成本的提高。並且石化能源的有限性與環境汙染及核能發電的廢料處理與不確定性，使得替代能源的使用成為必要的選擇，替代能源的研究與發展成為重要的課題。

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4資料來源： 2006 年底以前鉅亨網， 2007 年起 petronet


替代能源的種類有許多種，包括了風力、水力、地熱、生質能、潮汐能 ..等等。其中，可將太陽光直接轉換成電力的太陽能晶片之技術與應用，因為太陽光是取之不盡，用之不竭的天然能源，除了沒有能源耗盡的疑慮之外，也可以避免能源被壟斷的問題，因此各國也積極地發展太陽能源的應用科技，期望由增加太陽能源的利用來減低對化石能源的依賴性。在各種再生能源技術發展中，備受重視。

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影響太陽電池模組效能及使用壽命，除了封裝技術外，模組中太陽電池間的導線銲接技術也相當重要，銲接的品質不良，可能會導致整個模組的效率大幅下降甚至無法使用。除此之外，由於以往所使用的低溫含鉛銲料含有劇毒，會危害人體健康。近年來環保意識抬頭，加上人體保健的重視，因此許多國家開始制定法案來限制鉛的使用；積極開發無鉛銲錫以取代目前之錫鉛系統乃是電子工業發展的趨勢。

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太陽能電池目前在銲接方面仍存在著的一些技術瓶頸。本實驗擬比較不同的銲接條件 ( 工作溫度、含鉛銲料、無鉛銲料 ) 對晶片效能的影響，希望能找出銲接過程中的最佳參數。以作為往後發展太陽晶片銲接與效能分析的基礎。

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2. 實驗步驟

2-1 機台設計為使試驗能順利進行，我們設計了一台由 CNC-

1050 所改裝的半自動銲接機。先在機台 Z軸上加裝由恆溫器控制溫度的高週波烙鐵，以作為晶片與銲料接合之用。最後再於 Z軸附近加裝 5DCV/4A 步進馬達來控制錫料的進給速度。

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圖 1 機台架構

圖 2 太陽能晶片板銲接機架構圖


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圖 3 太陽能晶片自動銲接系統流程圖


2-2 焊接製程溫度參數

在 250 、 300 、 350 與 400℃銲接溫度下，依銲料 (Sn37Pb 與 Sn3.5Ag0.7Cu) 的不同的銲件，再依 JISC- 8917規範的溫濕度循環 (HTC Test) 每 25次循環取一試件，並進行其 I-V Curve量測，直到 225次循環為止。比較銲件的功率、穩定度與組織的差異。如此對晶片進行反覆的升溫或降溫測試，了解溫度差異對銲點的影響與老化現象對太陽能晶片輸出功率的改變，以了解其功率衰減之情況。同時利用組織的變化來討論成因。

代號 APB 、 ALF 、 HPB 、 HLF 各文字所代表的意義如下 :A 代表自動銲接； PB 是代表傳統錫鉛銲料；LF 是代表無鉛銲料。

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3. 結果與討論3.1 銲接過程的穩定性表 1顯示 APB試片在銲接後晶片的最大功率受銲接溫度的影響不大。在 HCT循環測試後，此不同銲料所造成的最大功率差異亦然存在。主要原因為無鉛銲料的潤濕性比錫鉛銲料來得差，致其披覆在母材上的親和性亦較差所致。

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THC 循環測試前

標準差 THC 循環測試後

標準差

APB-400 0.73 W 0.098 0.67 W 0.088

APB-350 0.71 W 0.037 0.70 W 0.038

ALF-400 0.75 W 0.046 0.69 W 0.073

ALF-350 0.58 W 0.089 0.53 W 0.100

表 1 晶片經 HTC循環前後的最大功率與標準差


3.2 錫鉛銲料與無鉛銲料在不同溫溼度循環中穩定度的探討

從表 2 可看出， APB 不同銲接溫度的試片最大功率與銲接後試片最大功率比較約降 1.4%~11% 。其中 350℃ 銲接溫度的最大功率只降 1.4% 。 ALF製程的試片最大功率約降 8%~16% 。主要原因為無鉛銲料的潤濕性比錫鉛銲料來得差，經 HCT循環後，其黏結性質跟 APB比較差異更明顯。

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APB Pmax 標準差 ALF Pmax

APB-400 -8.2% 3.844 ALF-400 -8%

APB-350 -1.4% 2.576 ALF-350 -8.6%

APB-300 -10% 4.191 ALF-300 -16%

APB-250 -11% 4.302 ALF-250 -15%

表 2　比較不同銲料平均輸出功率百分比變化與穩定性比較


3-3 溫溼度循環後顯微組織觀察圖 4 與圖 5 為 APB 與 ALF 在 350℃銲接後銲點經 HCT 225循環後的側視 OM圖。圖上顯示，使用Sn-Pb焊料的銅片與太陽能晶片銲接後，界面的裂縫或空孔較少，而使用無鉛 Sn-Ag-Cu 銲料的銅片與晶片銲接後，界面會有許多的空孔或裂縫產生。

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圖 4 APB-350 經 HCT循環後的橫截面圖

圖 5 ALF-350 經 HCT循環後的橫截面圖


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Cu wire

solder

Ag layer

A

(a)

B

C

(b)

Ag3Sn

Composition (at. %)

Point Sn Si Ag Cu Phase

A 55.42 3.58 0 41.00 Cu6Sn5

B 0 0 100 0 Ag

C 24.94 3.49 69.32 2.25 Ag3Sn

圖 6 ALF-400 銲接後之組織圖 :(a)SEM 圖 , (b) (a)圖之銲料與銀膠界面的放大圖 , (c) 圖中局部區域的 EDS 成分分析


A

solder

Cu wire

Ag layer

(a) (b)

Ag3Sn

A

Composition (at. %)

Point Sn Si Ag Pb Phase

A 23.46 8.42 60.01 8.12 Ag3Sn

圖 7 APB-350 銲接後之組織圖 :(a)SEM 圖 (b) (a) 圖之銲料與銀膠界面的放大圖 (c) 圖中局部區域的 EDS 成分分析

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4. 結論

1. Sn-3.5Ag-0.7Cu 無鉛銲料在 APB製程在350℃條件下表現比較穩定，而在 ALF製程則在 400℃條件下比較穩定，即從測試數據的結果來看使用無鉛銲料。

2. 不論是錫鉛或無鉛銲點內的裂縫產生於銲料與銅片界面的機率不高，而是大都在銲料與銀膠的界面形成後再擴展。

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