使用焊料接合的气密密封的电子器件的制作方法
【专利摘要】可以使用焊料湿润以及将玻璃基板接合在一起，以确保在电器和电子应用中获得优于(更少的渗透)传统的聚合物(热塑性塑料或热塑性弹性体)密封的气密密封。
【专利说明】使用焊料接合的气密密封的电子器件
[0001]发明背景1.发明领域
[0002]本发明涉及用于玻璃板的焊料或者金属基气密密封系统，其用于硅基太阳电池、有机系统和薄层太阳电池以及其它电子器件如有机发光二极管(OLED)中。
[0003]2.相关技术
[0004]常规的气密密封的形成方法包括印刷和煅烧糊状组合物，该组合物包括玻璃粉和有机溶剂/粘合剂系统。这类系统的缺点包括需要在非常高的温度下焙烧，例如800°C，以及在气密密封内有机残留物的包埋以及粘合剂系统(例如，乙基纤维素)的不完全燃烧的问题。这种包埋导致气密密封(如太阳电池或者0LED)内密封的活性层的所不希望的污染。
[0005]因此，需要对现有的气密密封技术进行改进。
【发明内容】
[0006]本发明提供材料、密封设计、几何形状以及用于制造密封的工艺步骤，并且简化了用于保护电子器件如太阳电池、LED、0LED、等离子体显示面板等的活性层的气密密封的制造。
[0007]各种基板，包括那些由玻璃、金属、陶瓷制备的基板以及那些构成有源器件基板的基板都可以通过本发明的材料和工艺密封在一起，以在该器件(例如显示装置(平板屏幕、LED屏幕、IXD屏幕、等离子显示面板)、有机发光二极管(OLED)、太阳电池和太阳能电池板，甚至应用于建筑和汽车的窗户)内产生气密密封。
[0008]焊料可用于湿润且把玻璃基板接合在一起，以确获得优于(更少的渗透性)传统的聚合物(热塑性塑料或热塑性弹性体)密封的气密密封。焊接的密封允许更宽的工作温度范围，同时还能保持改进的耐环境条件，例如，风、雨、物理磨损以及由于冻结-解冻周期或者其它极端温度引起的退化。沙漠中的高温和低温可以在大概几个小时内例如从_20°C变化到80°C。焊料可塑性流动以减轻热膨胀失配应力，从而降低或者消除基板的开裂和/或焊料从基板上分离。焊料密封不像聚合物密封那样对紫外线(即，阳光)引起的退化敏感。焊料可经受超声变幅杆处理、磁感应加热或润电流(eddy current)以实现接合。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示意性地示出了本发明的广义气密密封的电子器件。
[0010]图2示意性地示出了本发明的可选择的气密密封的电子器件。
[0011]图3示意性地示出了本发明的使用金属箔的可选择的气密密封的电子器件。
[0012]图4示意性地示出了本发明的可选择的气密密封的电子器件，其在基板的端部上使用金属箔。
[0013]图5示意性地示出了气密密封的馈通(feedthrough)。【具体实施方式】
[0014]本发明人已经发现:通过超声波激发在两个玻璃板之间的低熔点焊料来接合两个玻璃板，可以导致获得气密密封。通过合理地选择分散在焊料中的玻璃粉以及合理地选择基板的玻璃组成和馈通，可以匹配TCE。
[0015]各种密封的几何形状都是可能的，例如，密封可以形成在底部玻璃基板、顶部玻璃基板的预成型的边缘之间，并且沿着活性层(例如0LED)的端部的侧面以及塑料层(EVA或者其它膜)，如图1所示。
[0016]在图1中，示出了广义的气密密封的PV器件的一部分的示意图。其中底部玻璃基板110包括集成的预成型的边缘115，其可以通过熔融或者煅烧基板材料而添加到底部玻璃基板110上，或者通过适当的切削和成形足够厚的基板材料(例如玻璃)块来形成与底玻璃基板Iio集成在一起的预成型的边缘115。可替代地，密封材料可通过印刷，或者应用到底玻璃基板110上，然后煅烧以烧结来形成集成的预成型的边缘115。煅烧可在回火周期期间实施，例如玻璃回火周期。
[0017]在这方面，所述基板可以是相同的或者不同的，且可从玻璃、涂覆的玻璃、陶瓷或者金属中选择。所述基板可使用一种或者多种涂层涂覆，例如，导电涂层玻璃、氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌、金属氧化物、抗反射涂层、SiNx涂层、Si3N4涂层及其组合。
[0018]一个实例是使用导电氧化物涂覆的玻璃基板。另一实例可以通过溅射、CVD或者金属盐还原法实现在基板(例如玻璃)上提供涂层(金属化的接合层)，以在玻璃的表面上提供金属或者金属氧化物。
[0019]在底部玻璃基板110上安置有活性层120。通过本发明的气密密封最终保护的就是该活性层120。随后，将聚合物膜130层叠在活性层120和顶部玻璃基板140中的至少一个上。顶部玻璃基板140被布置为与活性层120紧密接触。
[0020]在预成型的边缘115和活性层120、聚合物膜130以及顶部玻璃基板140的边缘之间留有间隙150，用于将密封材料填充进去。该密封材料可以是任何的焊接材料，通常包括Pb、Sn、B1、In、Ag、Zn、Sb和/或Cu中的一个或多个。优选使用不含铅的焊料，包括但不限于在 Sanka Ganesan和Michael Pecht 编辑的“无铅电子学(Lead free Electronics, 2004Edition, CALCE 出版，Maryland 大学，Park 学院，Md.Number:0-9707174-7-4)中第 56-62页所列出的那些焊料，在此引用作为参考。这类焊料包括那些具有通式Sn-Ag、Sn-Ag-Bi,Sn-Ag-Cu> Sn-Cu> Sn-Ag-Cu-Sb> Sn-B1、Sn-Zn-Bi及其它通式的焊料。可以设想使用锡焊或者铜焊，包括已知作为“活泼金属铜焊或锡焊”的方法中的过渡元素如T1、Zr、V、Nb、Hf、Mn。这些元素促进了焊锡或焊铜在适当大气条件下与非金属的基底例如玻璃或者陶瓷之间的润湿和接合。
[0021]所述密封材料也可以是热塑性或者热固性聚合物材料，然而，所需的气密性可能会降低，并且不能充分实现本发明的优点。同样地，所述气密材料可以是玻璃粉，例如，锌硼硅酸盐或铋硼硅酸盐。玻璃基密封通常是刚性的，如果设计不当，其在交变载荷下可能会裂开。
[0022]当所述密封材料是焊料或者玻璃粉，选择材料是很重要的，以便其能充分地润湿基板，并且能够与基板的热膨胀系数(CET)或者塑性收率(针对金属焊料)匹配，以减小或者消除膨胀失配应力。因此金属焊料密封可以是有利的。[0023]可以使用定域能源或者分散能源180来溶化且使该密封材料流动以完全填充间隙150，由此形成密封170。合适的定域能源包括UV、可见光、宽频带红外固化或者加热源、激光、火焰感应或者它们的组合。分散能源包括热固化、超声波、天然气燃烧炉、磁感应以及涡电流加热源。
[0024]图2中看到第二密封的几何形状，这是图1中示出的形状的变形。图2中的附图标记是图1中相同技术特征的附图标记加上100。底部玻璃基板210包括集成的预成型边缘215，其可以是从结合图1所讨论的从一块固体的玻璃形成，也可以不是。如果不是从一块单独的玻璃形成，则密封材料如搪瓷可被印刷到顶玻璃基板210的边缘，以形成预成型的边缘，其也可被称作边框215。合适的搪瓷可被印刷或者以其它方式施加到底部玻璃基板210和顶部玻璃基板240的边缘。底部玻璃基板210和顶部玻璃基板240然后在回火周期内被煅烧，以分别制备边缘215以及边缘带245。将热塑性材料如EVA层叠到底部玻璃基板210上以覆盖活性层220，并且层叠到顶部玻璃基板240上，将二者压制在一起形成膜层230。在预成型的边缘215和边缘带245之间留有间隙250，其中添加有密封材料如焊料和/或玻璃粉(都是本文记载的)。根据预成型的边缘215、边缘带245以及活性层220的精确几何形状，甚至有可能在基板、密封以及活性层正确定位后，且密封材料被填充后，还保留有间隙。这将并不影响这样形成的密封的气密性。密封270通过本文记载的任何定域能源280加热密封材料来形成。
[0025]图1和2中的结构以及加热方案的优点至少是双倍的。由于密封材料是无机的，不需要移除有机粘合剂(如传统印刷、干燥以及煅烧的糊剂的情况中所经常需要的)。第二，因为密封材料被局部加热的，所以基板不受热，基板过热或者开裂问题就很少或者不存在。
[0026]在图3中，顶部基板340紧邻着预煅烧的边缘315，将金属箔360覆盖于二者之上且使用分散能源如超声波密封。特别地，如果需要，底部玻璃基板310和顶部玻璃基板340可以被修饰，并且分别提供有预煅烧的边缘315和预煅烧的边缘带345。预煅烧的边缘提供有用于被金属箔360润湿的搪瓷基表面，该金属箔通过应用分散能源380 (例如超声变幅杆)来熔化并且润湿。由于边缘315和边缘带345是分别预焙烧基板310和340的搪瓷形成的，这些搪瓷润湿金属箔360，其由本文其它处公开的焊料合金的薄片制备。金属箔可以包括任何数量的相对低熔点的金属，例如，Ag、Al、B1、Cu以及Sn或者它们的合金。
[0027]在图4中，通过将金属箔施加到基板的端部并且加热而形成的气密密封保护活性层。特别地，底部玻璃基板410和顶部玻璃基板440的每个都具有施加到其边缘的边缘搪瓷415和/或施加到其外表面的至少一部分的表面搪瓷445。边缘搪瓷415和表面搪瓷445然后在回火循环中被预焙烧，形成很容易被焊料润湿的固态的搪瓷边缘或者表面衬垫。活性层(或者器件)420然后被施加到顶部玻璃基板410上，然后在其上施加聚合物层430，而底部玻璃基板440被放置在聚合物层的上面。金属箔460被放置成覆盖顶部玻璃基板410和底部玻璃基板440之间的间隙，并且与边缘搪瓷垫415和/或表面搪瓷垫445接触。可以加热和熔化该金属箔以接合搪瓷垫，或者是使用焊料来润湿且将金属箔片与搪瓷垫接合。这两种情况都形成气密密封。
[0028]被本发明的密封和阻挡层所保护的活性层包括太阳电池、太阳电池接触、有机光伏器件、等离子体显示设备、纳米晶体显示器、电致变色器件、电致变色材料系统、悬浮的颗粒器件、微盲玻璃、液晶设备、智能窗户、可切换的窗户、智能玻璃、E玻璃、LED、SED、FED、OLED、LCD、DLP、FLD、IMOD, TDEL、QDLED、TMOS、TPD、LCL、LPD 或 OLET。
[0029]通过本发明的阻挡层、气密密封、垫圈或者密封剂最终保护的是活性层120、220、320和420。产品包括那些产品名或商标为Sageglass ?以及SunValve?售卖的产品，作为本文中使用的活性层或者有源器件。
[0030]图5示出了本发明的实施方式，其是用于生产将内部的活性层与外部连接的气密密封的馈通。导电馈通520放置在基板510的顶部。在馈通的顶部预焙烧有搪瓷层535，在焊料密封525和馈通520之间提供绝缘。在顶部基板540和预焙烧的搪瓷层535上形成有焊料层525。使用压力580，底部基板510和顶部基板540被压制在一起，这样焊料层525将底部基板以及搪瓷层535与馈通接触。使用定域的或者分散的能量来熔化焊料层并使其流动，以在其中形成具有馈通的密封。
[0031]可以制备图1-5中的这些设计概念的很多的改变和组合，而其都属于本发明的范围，只要使用金属焊料层或者金属箔作为接合工艺的一部分。
[0032]本发明的实施方式是用于气密密封活性层的方法，其包括:(a)在第一基板上形成具有集成的预成型的边缘；(b)在所述第一基板上安置活性层；(c)将第二基板与活性层紧密接触地安置，在预成型的边缘和活性层的边缘之间留下间隙；(d)将密封材料添加至间隙；以及(e)施加能源来加热该密封材料并使其流动以完全地填充该间隙，从而在其中形成密封。在上述步骤的任何两个之间，例如，在步骤(b)和(C)之间，可增加步骤以将聚合物膜层叠至所述活性层、第一基板和第二玻璃基板中的至少一个上。所述基板可以是玻璃。
[0033]能量源可以是定域的，且选自由超声波、可见光、紫外光、宽带红外光、激光、感应及其组合所组成的组中。可替代地，所述能量源可以是分散的，且选自由热加热、磁感应加热、对流炉以及涡电 流所组成的组中。还可以用其它的电磁能量源，具有波长250-2500nm，或者500-2000nn，或者750_1750nm或者750_1500nm都是可用的，然而也可以用其它的波长。
[0034]为了润湿密封材料并使其流动以形成气密密封，本发明的其它实施方式包括定域能量沉积，密封材料例如是焊料或者金属箔。这类的材料典型地具有低于大约970°C的熔点，优选低于700°C，优选低于550°C，且继续优选低于500°C，低于450°C，低于400°C，且低于350°C。这样的定域能量沉积可包括感应加热、红外加热、宽频带加热、超声、微波加热以及激光焙烧。
[0035]特别地，激光和感应加热由于其有选择性加热的能力而更加有利，其可以极为迅速地熔化焊料中的金属，仅需要一毫秒(10_3秒)。
[0036]焊接填料可施加到子层内的一个或多个需要被密封的基板上，其可包括至少一个第一子层和至少一个第二子层。不同的子层包括不同的金属或者金属的组合，例如，至少一个第一子层具有比至少一个第二子层高的电磁(EM)吸收率。该至少一个第二子层与基板相邻，并且该至少一个第一子层不与基板相邻。在另外一个实施方式中，入射到子层的至少30%的EM能量,优选至少40%,特别优选至少50%,更加优选至少60%被至少一个第一子层吸收。子层中的至少一个可以不吸收红外能量。在另外一个实施方式中，入射的EM能量的吸收主要发生在第一子层或者在子层之间的界面处。在这样的实施方式中，第二子层基本上不吸收EM能量，这意味着它吸收小于20%的入射EM能量。[0037]可以使用预热消除或者减少玻璃基板的开裂，这在传统的形成气密密封的方法中是经常存在的问题，特别是在密封件中使用分散的能量和/或有机粘合剂的情况下。
[0038]太阳电池作为活性层。作为活性层(120，220，320，420)，太阳电池可被制备成模块，并且使用本文公开的工艺将其密封在一起。太阳电池通常由半导体材料制备，例如硅(Si)，其将太阳光转换为有用的电能。太阳电池接触通常由硅的薄晶片制备，其中通过将来源于合适的磷源的磷(P)扩散到P型硅片中形成需要的PN结。硅片的太阳光入射的一侧通常涂覆有抗反射涂层(ARC)，用于阻止太阳光的反射损失。该ARC增加了太阳电池的效率。已知作为前接触的二维电极栅格图案与硅的N-侧连接，并且主要是铝(Al)的涂层与硅的P-侧连接(背接触)。而且，已知作为银背接触的接触，由银或者银-铝膏制备，被印刷且焙烧到硅的N-侧，以能够使焊接垫与下一个太阳电池模块的一个电池实现电连接。这种接触是从PN结连接到外部负载的电出口。对于薄膜太阳电池组件，有源元件可基于其它的半导体，例如，非晶硅、镉的碲化物或铜铟镓硒化物。N型的太阳电池也是可以预期的。[0039]尽管这里描述了构建在基于晶片的典型的P型硅上的太阳电池作为示例，但是晶体硅太阳电池的不同变化，例如背接触电池，无定形硅太阳电池，有机光伏电池的不同变化，不同的薄膜太阳电池例如CdTe、CIGS，这里都可以想象作为活性层。相似地，光致变色材料系统在这里也可以想象作为活性层。
[0040]本发明中有关玻璃和活性层的详细信息可在下列的一个或者多个美国专利申请中发现，所有这些都是共同拥有的，并且所有这些都在这里引用作为参考:10/864，304 ；10/988，208 ; 11/131，919 ;11/145，538 ;11/384，838 ;11/774，632 ;11/846，552 ；12/097,823 ； ;12/298，956 ;12/573，209 ;61/324，356 ;61/328，258 ;61/366，568 ;以及61/366，578。另外，通常有用的基板玻璃包括钠钙硅酸盐玻璃、碱金属碱土金属硼铝硅酸盐玻璃或者硼铝硅酸盐玻璃，通常含有50-80%重量的硅石。一般来说，这种玻璃的热膨胀可以为30-100 X Kr7/°C。示例性的组合物以重量计包括:Si02 50-75wt% ；R203如Al2O3或B2O3:2-20wt% ；R0 如 Ca0、Mg0:5-29wt% ；R20 如 Li2O, Na2O 和 K2O:0.05-5Iwt %。
[0041]本发明的实施方式是一种形成包含两个无机基板的光伏器件的方法，包括如下步骤:(a)将密封剂施加到至少一个基板；(b)将所述基板排列在一起；以及(C)将聚焦的能源引导至密封剂，以便在两个基板的至少一部分之间形成密封。
[0042]本发明的另一个实施方式是一种用于连接两个或者更多个无机基板的密封剂材料系统，其用于形成保护电子活性层的气密结构，所述密封剂系统包括焊料组合物。
[0043]本发明的又一个实施方式是一种密封剂材料系统，其用于在应用聚焦的能量源时连接包含在光伏器件中的两个或多个无机基板。
[0044]本文公开的以零为界的每个数值范围，在一个替代实施例中，具有较低的边界0.1%而不是零。术语“包含”为“基本上由……组成”以及“由……组成”提供支持。可以预想到本文公开的任何形式的参数、温度、重量、百分比等单个数值，例如显示在一个表格中，为这样的数值作为范围的端点提供支持。范围可由两个这样的数值界定。在一个单独的实施例中，可以使用多于一个的玻璃组合物，并且可以想象该组合物含有表格中的不同列内的数值。
[0045]本文中公开的所有范围应当理解为包括起点和终点范围的值，其中全部的值以及其中所有子区域的值。例如，范围“1-10”的陈述应当认为是包括从最小值的I和最大值的10(并且包括)之间的任意和所有值，以及所有的子范围；也就是说，从最小值I或者更大值开始，以最大值10或者更小的值结束的所有子范围，例如，1.0-2.7,3.3-8.9,5.7-10等。例如，“从由……组成的组中选择至少一个”的限制应当为“至少两个”、“至少三个”等提供支持，并且包括其中含有 这个列中所有元素的实施例。
【权利要求】
1.一种气密地密封活性层的方法，包括: a.在第一基板上形成集成的预成型的边缘； b.将活性层安置于所述第一基板上； c.将第二基板与所述活性层紧密接触地安置，在预成型的边缘和所述活性层的边缘之间留下间隙； d.将密封材料添加至所述间隙；以及 e.应用能源加热所述密封材料并使其流动以完全填充所述间隙，由此在其中形成密封。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括:在(b)之后且(c)之前，(bl)将聚合物膜层叠至所述活性层、第一基板和第二基板中的至少一个上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个基板是玻璃。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能源是定域的，且选自由超声波、可见光、紫外光、宽带红外线、激光、感应及其组合所组成的组中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能源是分散的，且选自由热加热、磁感应加热、对流炉以及涡电流所组成的组中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过适当地切割和成形足够厚的基板材料块以形成与顶部基板集成的预成型边缘，形成所述预成型的边缘和第一基板。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将第一基板材料应用于顶部基板；以及煅烧该材料以使其烧结，由此形成集成的预成型的边缘。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述煅烧是在回火周期期间实施的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述活性层选自太阳能电池、太阳能电池接触、有机PV器件、等离子体显示器件、纳米晶体显示器、电致变色器件、电致变色材料系统、悬浮粒子器件、微盲玻璃、液晶器件、智能窗户、可切换的窗户、智能调光玻璃、E玻璃、LED、SED、FED、OLED, LCD、DLP, FLD, IMOD, TDEL, QDLED, TMOS, TPD, LCL, LPD 或 OLET 所组成的组中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封材料是焊料，其包括选自Pb、Sn、B1、In、Ag、Zn、Sb、Cu及其组合所组成的组中的金属。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封材料是无铅焊料，其包括选自Sn-Ag、Sn-Ag-B1、Sn-Ag-Cu> Sn-Cu> Sn-Ag-Cu-Sb> Sn-Bi 和 Sn-Zn-Bi 所组成的组中的金属。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述焊料进一步包括过渡元素如T1、Zr、V、Nb、Hf。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板可以相同或者不同，且选自由玻璃、涂覆的玻璃，陶瓷或者金属所组成的组中。
14.根据权利要求1的方法，其中，用选自由氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌、金属、金属氧化物、抗反射涂层、SiNx涂层、Si3N4涂层及其组合所组成的组中的至少一种来涂覆所述基板。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂层通过选自由溅射、CVD、金属盐还原法及其组合所组成的组中的方法提供。
16.一种光伏器件，其包括由通过权利要求1所述的方法形成的气密密封接合的两个无机基板。
17.一种形成包括两个无机基板的光伏器件的方法，包括如下步骤: a.将密封剂应用于所述基板中的至少一个； b.将所述基板排列在一起；以及 c.将聚焦的能源引导至所述密封剂以在所述两个基板的至少一部分之间形成密封。
18.一种用于将两个或更多个无机基板接合的密封剂材料系统，所述无机基板用于形成保护电子活性层的气密密封，所述密封剂材料系统包括焊料组合物。
19.一种密封剂材料系统，其用于在应用聚焦的能源时将包含在光伏器件中的两个或更多个无机基板接合。
20.一种制备密封的有源器件的方法，包括: a.在第一基板上形成集成的预成型的边缘； b.将活性层安置在所述第一基板上； c.在第二基板上形成集成的边缘带； d.将聚合物膜层叠至所述活性层、第一基板和第二基板中的至少一个上； e.将第二基板与所述活性层紧密接触地安置，在所述预成型的边缘和边缘带之间留下间隙； f.将密封材料添加至所述间隙；以及 g.应用能源以加热所述密封材料并使其流动，从而完全填充所述间隙，由此形成密封。
21.—种制备密封的有源器件的方法，包括: a.在第一基板上形成集成的预成型的边缘； b.将活性层安置在所述第一基板上； c.层叠聚合物膜以覆盖所述活性层； d.将第二基板与所述活性层紧密接触地安置，且邻接所述预成型的边缘； e.应用金属箔以接触所述预成型的边缘和所述第二基板；以及 f.应用能源以加热所述金属箔并使其流动，从而将所述第一和第二基板密封在一起。
22.—种制备密封的有源器件的方法，包括: a.在第一基板和第二基板中的至少一个上形成集成的预成型的边缘搪瓷； b.在第一和第二基板中的至少一个上形成表面搪瓷； c.将活性层安置在所述第一基板上； d.层叠聚合物膜以覆盖所述活性层； e.将第二基板与所述活性层紧密接触地安置； f.应用金属箔以接触第一和第二基板上的边缘搪瓷或者第一和第二基板上的表面搪瓷；以及 g.应用能源以加热所述金属箔并使其流动，从而将所述第一和第二基板密封在一起。
【文档编号】H01L21/98GK103620761SQ201180035804
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2011年7月22日 优先权日:2010年7月22日
【发明者】斯里尼瓦桑·斯里德哈兰, 罗伯特·P·布隆斯基, 钱德拉谢卡尔·S·卡迪尔卡, 约翰·J·马洛尼 申请人:费罗公司