专利名称：用于在工件上涂覆焊料的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在工件上，最好在半导体元件如太阳能电池上涂覆焊料的方法，其中，焊料在焊接温度IY时和在超声波作用下钎焊。本发明此外涉及一种用于在焊接区内将焊料涂覆和钎焊在工件上，特别是半导体元件如太阳能电池上的装置，包括焊料输送装置、焊料的加热装置、超声波焊接设备以及用于既相对于加热装置也相对于超声波焊接设备运输工件的运输装置。
背景技术：
W0-A-2008/014900 (DE-A-102006035626)公开了一种用于在太阳能电池上安装连
接导体的方法，其中焊料借助超声波焊接涂覆在太阳能电池上。为此焊料以焊丝或者焊料模制件的形式借助超声波焊接设备在焊接温度下钎焊。焊料借助超声波钎焊在特别是太阳能电池上的优点是无需利用熔剂，否则由此增加太阳能电池损坏的危险。通过超声波的作用使太阳能电池上存在的氧化层破碎，以确保焊料与太阳能电池的相应的金属层之间的在机械上固定的且导电良好的连接。这一点特别是在这种情况下具有优点，即金属层是诸如由铝组成的背面触点的铝层。相应的超声波焊接方法例如也可以参阅US-B-6，357，649或者Mardesich等人的文献"A Low-Cost Photovoltaic Cell Process Based on Thick Film Techniques (基于厚膜技术的低成本的光电池处理方法)，1980年IEEE光电专业会议论文集第14期第 943-947 页，，。在所公开的方法中存在的缺点是，由于将使用超声波的可以是超声波焊接设备的钎焊装置安置在对断裂敏感的薄工件上，造成该工件的损坏。但特别注意到的缺点是，在工件具有不平表面的情况下，不能在所要求的程度内均勻地形成钎焊连接。此外存在的缺点是，焊料被由超声波焊接设备传递的热能熔化，以此方式实现的所需要的热量引入由于超声波焊接设备的尖端与焊料接触这种设计而不能在所要求的程度内再现。EP-A-1699090公开了用于制造太阳能电池组件的方法和装置。为此在传送带之间引导相互间有待连接的各个太阳能电池，其中，一个传送带输送用于将前后相继的太阳能电池与连接端连接所需的热能，另一个传送带传递连接所需的压力。通过第三传送带将太阳能电池传送到前两个传送带。JP-A-2844330介绍了一种用来将焊料涂覆在工件上的超声波焊接设备。超声波焊接设备的纵轴线平行于工件的法线伸展。DE-T-69222611介绍了作为组成部分含有耐磨剂的焊接材料。
发明内容
本发明的目的在于，对开头所称类型的方法和装置加以改进，使焊料可以毫无问题地钎焊在对断裂敏感的工件上，特别是厚度最多200 μ m和/或者表面呈波形或略微弯曲的工件。在此方面，在确保可再现地钎焊的同时可以实现高产量。
该目的依据本发明通过一种开头所称类型的方法基本上采取如下措施得以实现， 即工件在钎焊期间被弹性地支撑，和/或者焊料在完成加热后涂覆在工件上，并在超声波作用下钎焊。本发明的特征在于，焊料借助加热装置被加热，被涂覆在工件上，并在超声波作用下被钎焊，和/或者工件在钎焊期间通过借助输送工件的运输装置将工件压向超声波焊接设备而受到弹性支撑。在此方面特别是规定，焊料在其加热到焊接温度IV后借助超声波作用被钎焊。焊接温度IY >TM，其中，Tm为焊接材料的熔点。该熔点例如在Sn-Bi焊接材料中为140°C，在Sn-Pb焊接材料中为180°C。依据本发明特别是规定，首先将焊料加热到所要求的焊接温度，以便然后将熔化的焊料涂覆在工件上。然后使用所要求的超声波。通过这种措施确保可再现地钎焊或者焊接，其中，工件的加热为了与焊料材料配合地连接而从该焊料本身直接传递到工件内。被加热的焊料本身将对于连接所需的热量输入到工件材料内，而无需通过超声波装置进行热量传递。由此确保可再现的钎焊。本发明特别是规定，工件的加热方式为，焊料将其热量通过与工件的接触释放到工件上。为确保这一点，加热焊料材料的加热装置在焊接区的区域内被直接引到工件上方， 其中，需要时加热装置与工件例如借助从加热装置引出的滑轨进行直接接触。作为补充，超声波装置可以根据所要求的焊接温度进行调整。此外，只要不从焊料吸取热量，超声波焊接设备的温度就应等于或者略高于焊接温度IV。加热装置的温度最好在焊接温度IY到600°C之间，特别是处于300°C到500°C的范围内，特别是处于至少高于焊接温度IY约100°c的范围内。为使得超声波焊接设备不从焊料吸取热量，超声波焊接设备的温度应处于焊接温度TL到600°C之间，最好处于300°C到500°C的范围内。优选超声波焊接设备具有等于加热装置的温度。此外在具有特殊独创性的设计中，工件在焊接期间被弹性地支撑。由此确保在工件厚度变化或者具有不平表面时也可以在要求的范围内且可再现地对其进行处理。工件弹性地压紧在超声波焊接设备上，其中，确保超声波焊接设备头或其尖端在输入超声波期间始终接触熔化的焊料。工件基于弹性支撑而被压向超声波焊接设备，可以通过运输部件进行这种弹性支撑，借助该运输部件将工件从下面输送经过超声波焊接设备。运输部件在此方面应具有 0. OlkNAim2彡E彡0. lkN/mm2之间的弹性模量E (单位kN/mm2)。通过所有这些措施，高敏感性的工件如硅晶片可以无受损地被处理，其中，同时确保通过温度调节尽管有超声波的影响仍不出现裂纹。特别是规定，在焊接过程期间，工件通过例如作为齿形皮带构造的运输装置被输送到焊接区内并被输送经过该焊接区。焊丝形式的焊料可以通过市场上常见的焊丝进给装置送入焊接区。为此，焊丝可以插入在其中将焊料熔化的加热装置内。后面的焊丝将熔化的材料从出料口压出，以便将焊料涂覆在工件上。在这种情况下，熔化的焊料已经可与优选同样被加热的超声波焊接设备进行接触。在涂覆面积大的情况下，超声波焊接设备不一定非得加热。但如果在焊料涂覆之后需要在其上面钎焊例如印制导线，如在作为工件的太阳能电池具有连接导线并因此钎焊窄的焊料条时即为此种情况，那么当不能在足够的程度上保持恒定的温度时在焊料钎焊情况下，不能确保印制导线的断裂力沿着印制导线的长度保持不变。特别是在印制导线横截面小于5mm2时即为此种情况。如果焊料被输送经过将热量直接辐射到工件上的加热装置，就达到了焊接区内均勻温度的目的。焊料可以被输送经过沿工件延伸的金属板。同样需要功率足够强的加热元件。加热元件和热容这样设计，使熔化热量和结晶热量可以在短时间内输送和排出。在此方面，已经提到，熔化热量的输送与同样可以被加热的超声波焊接设备的温度无关地进行。热量排出基本上在工件内部进行，如在作为工件将热量排放到大气内的硅晶片内进行。所传递的热量仅使硅晶片本身略微升温，从而随后可以直接进行进一步的处理。但依据本发明的教导也包括如下方案，即在超声波对所钎焊的焊料影响之后直接钎焊太阳能电池的导体如连接导体。焊料和超声波焊接设备在同一个部位上与作为工件的太阳能电池的金属进行接触，其中，超声波焊接设备与金属之间的距离a可以为0 < 500μπι，特别是 50 μ m ^ a ^ 100 μ m。依据本发明，超声波功率和频率、焊料输送和焊接温度彼此无关控制或者调节，从而避免焊料会导致损坏如断裂和形成裂纹地钎焊在工件上。通过非常完美的热量输送，确保在依据本发明的超声波焊接中特别是在半导体元件如太阳能电池上不出现裂纹。依据本发明，热量通过被加热的焊料本身进行输送，虽然半导体元件可以通过附加加热装置来加热，而这一点并非强制要求。确切地说，特别是规定， 所需的处理温度仅通过被加热的焊料来产生。在希望将由于工件内的导热所致的焊料冷却降到最低限度时，可以设置有附加加热装置。在太阳能电池的情况下，虽然热容以及热传导由于厚度很小例如最高200 μ m而很低，但因为在以后钎焊连接导体时也涂覆仅相对较少的焊料量，所以需要时可以使用附加加热装置，以确保可再现的结果。但在使用附加加热装置的情况下也并未偏离本发明，该附加加热装置可以一方面用于预加热半导体元件，另一方面用于熔化或者加热焊料。为此例如可以使用能预加热太阳能电池或熔化焊料的热风嘴。在这种情况下，不需要加热装置沿半导体材料滑动。通过调整焊料和超声波焊接设备以及加热装置的温度，从焊接部位向外形成温度梯度，该温度梯度由于依据本发明的教导而避免裂纹形成。通过调整超声波装置的功率以及频率，此外确保焊料在所要求的程度上与工件材料-在太阳能电池的背面具有烧结的或者溅射的铝层的情况下-在所要求的范围内形成连接或者合金，并确保足够的附着强度， 结果是，作用于然后所要钎焊的印制导线的拉力不会导致断开。情况表明，在过程热量通过焊料，优选仅通过焊料传递到工件如有断裂危险的太阳能电池上的情况下，提供了一种非常完美的方法。通过应用超声波，确保在其上面需要钎焊焊料的工件表面上可能存在的氧化层破碎，从而可以使焊料与材料之间产生所要求的连接，或可以使焊料在所要求的程度上与材料混合为合金。一种可能的解释是，在向焊料熔液内引入超声波振荡时产生空穴，这些空穴坍塌(zusammenfallen)并向金属化的材料内引入冲击波。通过这种微机械负荷，使处于其下面的材料组织受到破坏，并例如引起与焊料混合成合金。处于金属表面的氧化层受到破坏，从而可以进行无熔剂的焊接。如果需要产生足够坚硬的合金，那么足够高地选择焊接温度，其中，要考虑的约束条件是，若将太阳能电池作为工件使用，则不应对太阳能电池的光电特性产生不利影响。如果将焊料焊接在铝层上，那么需要最高500°C的温度。在此方面规定，焊料的温度在180°C到500°C之间，若焊料由锡组成或者含有锡，则最好在250°C到400°C之间。由此对太阳能电池的特性没有不利影响。在超声波焊接设备内产生在超声波焊接设备的纵向上延伸的纵向驻波。在此方面，超声波焊接设备根据波长进行适当设计，使波幅分布在超声波焊接设备头也就是与焊料接触的尖端内。由此可以形成所要求的空穴。如果特别是需要破坏氧化层，那么具有优点的是，超声波焊接设备的纵轴线不与从面向超声波焊接设备的工件表面引出的法线重合。 依据本发明因此规定，超声波焊接设备的纵轴线与法线可以夹成确定的角度。该角度处于 0°到90°之间，其中，在超声波焊接设备的纵轴线和法线不重合的情况下，与法线所夹成的角度在20°到60°之间。由此可以在所要求的程度上使氧化层破碎，正如在超声波金属焊接时的情况那样。与此无关，在依据本发明的教导的进一步改进中，为实现过程稳定，超声波系统不中断地工作，以避免在控制超声波系统时可能出现的谐振偏差。超声波系统持续不断地工作还产生的优点是，使由焊料引起的湿润特性得到稳定。依据另一种突出的独创性的设想，在作为半导体元件的太阳能电池情况下，取代常见的例如由银组成的导体(母线)，焊料条本身将此前安装在太阳能电池上的蓄电池(指形件)连接。因为焊料条形式的母线必须导电地连接指形件，而不允许穿透接触所面向的太阳能电池半导体层，否则由此会出现短路，所以必须确保在焊料条借助超声波被钎焊时，太阳能电池的作为防反射层使用的特别是由SiN组成的外层不被破坏。为此依据本发明采用这种设想，即超声波焊接设备的纵轴线与从太阳能电池表面引出的法线夹成大于0°，特别是处于20°到60°之间的角度。由此造成在进行超声波焊接时有超声波振荡的横向振荡分量发挥作用，从而可以有针对性地与指形件(焊料条或者焊料线)进行焊接，而不会造成正面如SiNx层受到破坏而致使与处于其下面的半导体层接触。焊料条的钎焊最好在20_40kHz 之间范围内的低超声波频率下进行。特别是规定，在超声波焊接设备的纵轴线倾斜于或者在极端情况下平行于由工件展开的平面的情况下使用超声波。超声波焊接设备也可以利用不同于谐振频率的频率进行激励。这一点可以通过超声波焊接设备失谐或者通过选取不同于λ/2或者λ/2整数倍数的超声波焊接设备长度来进行。依据本发明，焊料可以焊料条的形式被涂覆，其特别是由锡组成，并以2mm/SeC到 200mm/sec之间的速度，特别是22mm/sec到80mm/sec之间的速度被涂覆。在此方面还可以将焊料条作为母线利用超声波涂覆在太阳能电池的正面上。焊料条，即最好是锡条，具有1 到3mm之间，最好约2mm的宽度。在本发明的进一步改进中规定，焊料含有磨料，以便特别是破碎金属层的在其上面需要钎焊焊料的表面，或者去除氧化层。例如可以使用如DE-T-69222611所介绍的磨料添加剂，具体参考其公开内容。
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作为补充或者备选方案，可以使用在焊料内熔解的并在焊料冷却时沉淀的合金成分，这些合金成分尽可能形成硬的沉淀物。这样，例如富含金属元素Me的由锡组成的或者含有锡的焊料在略微冷却情况下就析出元素Me或者化合物SrixMei_x的微米大小的固体颗粒，这些固体颗粒例如可以加强氧化层的机械耐磨性。在此方面，Me至少可以是ai、Ag、Cu、 Al、Mg、Ca、Ba、Pb、Sb、Bi、Ni、Ge、Si 组的金属。此外依据本发明，涂覆焊料之前，例如利用工具进行抚抹，由此整平工件上存在的氧化层如氧化铝层。通过这些措施使氧化层塑性变形，由此基于存在的脆性进行破坏。通过使用超声波并将其相对于法线定向，利用在钎焊期间输入的超声波可以破坏存在的氧化层如氧化铝层。同时，工件的表面层组织通过由于输入的超声波而在焊料内形成的空穴及其坍塌而破碎，从而可以使焊料混入层材料内成为合金。在焊料与层材料之间形成合金。这种局部反应的程度通过超声波焊接设备的纵轴线相对于工件表面法线的角位置进行影响，并与在其上需要钎焊焊料的金属层材料相应地得到优化。另一个值得关注的过程变量是超声波焊接设备头也就是尖端与工件表面之间的距离，通过该距离预先规定工件上的焊料层的厚度(高度)。厚度可以按照简单方式机械地调节。这一点可以通过超声波焊接设备也就是其端头或者尖端相距工件表面的距离来进行。在此方面特别是规定，借助测微螺杆在0 μ m到500 μ m之间，最好在50 μ m到100 μ m 之间调整超声波焊接设备相距表面的距离，从而由此预先规定熔化深度。超声波焊接设备也就是其尖端此外设置在加热装置的需要时支撑在工件上的滑轨之间，而且在滑轨的纵向上观察处于其前端或者其前面的区域内。在此方面，滑轨具有焊料加热的温度，也就是焊料从加热装置排出时的温度，从而因此产生确定的温度条件。所使用的包括超声波焊接设备或者作用相同元件的超声波装置利用20kHz到 IOOkHz之间，最好40kHz到80kHz之间范围内的频率被激励。为使在其上面钎焊焊料的工件可以无断裂地被处理，工件在一定程度上弹性地被支撑。为此例如规定，工件通过齿形皮带、圆线环(Rundschnurring)或者扁平皮带被导入其中设置有超声波焊接设备与加热装置的焊接区。因为在超声波焊接设备下降到工件上时，通过焊料向该工件导入可以导致其弯曲的力，所以进行软支撑或者弹性支撑，这种支撑如所提到的那样特别是通过支撑在运输皮带上进行，并补偿工件的由于安放超声波焊接设备造成的偏转。因此工件与工件之间不同的工件弯曲不会造成损坏。此外由此产生的优点是，超声波测量设备相对于工件表面的微米精度的定位不一定非得需要，因为传送带或皮带以基本上恒定的微小力将工件压向超声波焊接设备。因此开头所称类型装置的特征还在于，运输装置将工件弹性地输送经过焊接区。提出，运输装置将工件通过将其压向超声波焊接设备而弹性地输送经过焊接区。特别是规定，运输装置包括第一和第二运输件，工件夹紧固定在它们之间，其中， 第一运输件被主动地驱动，而第二运输件则通过与第一运输件或工件的摩擦锁合进行驱动。特别是第一和第二运输件为环形的扁平件或者圆形件，如扁平皮带或者圆线，其中，第一和/或者第二运输件具有两个彼此相距的环形扁平件或者圆形件，它们通过各自从共用轴引出的导向轮来引导。在此方面，第一运输装置可以通过第三运输装置来驱动，工件通过该第三运输装置可以输送给焊接区分布在其区域内的第一和第二运输装置。加热装置和超声波焊接设备从共用的保持装置引出，加热装置和超声波焊接设备作为一个单元可以相对于由第一运输装置预先规定的工件运输平面朝向所述保持装置移调。附加地，在超声波焊接设备与加热装置之间可以相对移调，以便可以调整所要涂覆的焊料厚度(高度)。宽度附加地取决于焊料涂覆的量。加热装置具有能排出熔化的焊料并对准运输平面的排料口。此外，超声波焊接设备的接触熔化焊料的超声波焊接设备尖端可以直接设置在排料口的区域内或者与排料口相距地设置。此外规定，该装置具有至少一个相对于加热装置绝热的气体输送通道，从该通道可以向焊接区输送保护气体。在这种情况下，保护气体可以是氩、氮或者氮氩混合气。在本发明的进一步改进中规定，为加热装置或超声波焊接设备或共用的保持装置配设净化装置，以清除加热装置或超声波焊接装置上的由焊料造成的结壳。也可以设置有抽吸装置，以便去除由焊料造成的污物。因为所有对于过程重要的主要部件均从共用的保持装置引出，所以可以进行简单的维护。
本发明的其他细节、优点和特征不仅来自权利要求书、从权利要求书中得到的特征-单独地和/或者组合地_，而且还来自对优选实施例的下列说明。其中图1示出运输装置的侧视图；图2示出沿图1中A-A剖切的剖面；图3示出具有超声波装置的用于排出熔化焊料的装置的原理图；图4示出图3设置的一部分；图5示出超声波装置的超声波焊接设备相对于半导体元件的定位；图6示出按照图5的超声波焊接设备相对于半导体元件的可选择的定位；图7示出用于加热半导体元件部分的设置；图8示出用于整平焊料轨的设置；以及图9示出太阳能电池原理图的俯视图。原则上相同部件具有相同附图符号的附图纯原则上地示出用于将焊料涂覆在平面工件上和将焊料钎焊在工件上的设置和措施。在此方面，下面借助作为工件的太阳能电池对依据本发明的教导进行说明，而由此并无局限性。所介绍的运输装置也应理解为示例性的，并可以通过确保所述效果的作用相同的部件替代，从而相应的技术概念应理解为同义词。
具体实施例方式图1示出运输系统10，借助该运输系统将太阳能电池12输送经过原则上图3所示和具有附图符号14的焊接站。运输装置20包括两个彼此相距的齿形皮带22、24，它们通过共用的齿形皮带盘 26,28被驱动。齿形皮带22、M通过轴27驱动相互连接的齿形皮带盘四、30。从轴27引出扁平皮带盘32，环绕其引导和驱动高弹性的扁平皮带34。扁平皮带34此外环绕另一扁平皮带盘36引导。在图1中，在扁平皮带34的上面分布着环绕导向轮或者导向盘38、40 引导的扁平皮带42，在该扁平皮带与高弹性的扁严皮带34之间，太阳能电池12被输送经过焊接站14。对扁平皮带42的运输因此通过与扁平皮带34或有待处理的太阳能电池12的摩擦锁合进行，只要该太阳能电池通过齿形皮带22J4进入扁平皮带34、42之间的区域内。 对扁平皮带；34、42及其其支撑物的定向在此方面这样进行，使扁平皮带34、42之间所需的自由空间可供输送太阳能电池12使用。从图1和2的对照中可以看出，太阳能电池12大致在扁平皮带34、42的中心被夹住并借助其被运输。不言而喻还存在这种可能性，即将彼此相距的两个下扁平皮带和两个分配给它们的上扁平皮带用于输送太阳能电池12，从而太阳能电池在两个彼此相距的带状区域内与扁平皮带接触。运输方向采用T标注。为在太阳能电池12上涂覆和钎焊焊料，在太阳能电池12处于焊接站14区域内的情况下-这一点可以通过未示出的传感器检测-焊接站14向太阳能电池12的方向上移调。 为此需要的控制信号可以由至少一个传感器产生。焊接站14向太阳能电池12方向上的移调以下面介绍的方式进行，以便使超声波振荡器58的超声波焊接设备头44与从焊接站14 排出并涂覆在太阳能电池12上的焊料之间进行接触。在此方面，被驱动的高弹性扁平皮带 34提供用于使得超声波焊接设备头44和太阳能电池12以及-只要存在-与加热装置50 的安放在太阳能电池12上的滑轨46、48无断裂地接触所需的反作用力。向加热装置50通过输送装置52输送焊料，焊料在加热装置50内熔化并通过出料口 M直接在超声波焊接设备头44的前面排出到太阳能电池12上。输送装置52在此方面相对于加热装置50通过输送绝热装置56绝热。扁平皮带34的弹性模量E(单位kN/mm2)处于0. 01kN/mm2到0. lkN/mm2之间，以便足够弹性地支撑太阳能电池12，从而在涂覆焊料和与超声波焊接设备44共同作用时或者在由该超声波焊接设备应用超声波振荡时避免太阳能电池12受损。例如，如果运输件是传动皮带，那么该传动皮带将工件利用按照胡克定律与偏转量Ax成正比的力K压至超声波焊接设备即K = k*Ax。比例常数处于ln/mm到100N/mm之间，其中，最好为5N/mm彡k彡50N/mm。该数值在工件为厚度160-200 μ m的对断裂敏感的太阳能电池情况下有效。以0. 2mm偏转时力为2N。在这种情况下，皮带的弹性模量为0.01-0. lkN/mm2。这一点仅为举例。替代地也可以通过实验来检查太阳能电池或者任意的工件在超声波焊接设备的压力下是否产生裂纹或者断裂。超声波焊接设备头44是那种金属超声波焊接中公知的超声波振荡器58的尖端。 需要时振荡器58可以包括增强器(Booster)。超声波振荡器在所要求的频率范围内，最好在20kHz到80kHz之间的范围内产生超声波振荡。在这种情况下它是纵向波，其中，振荡器 58这样地根据超声波振荡的波长进行匹配调整，使振荡波幅分布在超声波焊接设备头44 的区域内，确切地说是分布在超声波焊接设备头44接触涂覆到太阳能电池12上的焊料的区域内。超声波焊接设备头44利用其尖端接触涂覆在太阳能电池12表面上的焊料。这一点原则上也可从图5-7中看到。因为焊料无需通过超声波焊接设备头44或其尖端被加热， 所以超声波焊接设备头或尖端的直径可以减小。由此超声波焊接设备头44与焊料之间的接触面与公知的设置相比可以在所要求的范围内最小化，以便-如所要求的那样-产生或窄或宽的印制导线。这样超声波焊接设备头44的尖端垂直于焊料的涂覆方向，也就是垂直于运输方向T的延展距离可以直截了当地处于0. 5mm到5mm之间的范围内。从这些附图中此外可纯原则性地得知，通过阀门60经通道62可以向焊接部位输送保护气体，该焊接部位也就是焊料从喷嘴M排出并与超声波焊接设备头44接触的区域。 为此喷嘴通道62相对于加热装置50相应地绝热(附图符号64)。为可以使单元加热装置50-振荡器58对准太阳能电池12的表面，焊接站14从与固定的保持装置如机架连接的安装板66引出。为可以使加热装置50并因此使滑轨46、48和振荡器58并因此使超声波焊接设备头44可以在χ方向上移调，与安装板66连接一个由两个可以相对移调的板件70、72组成的角板68。以板件70、72的连接点为基准，可相对于垂线(Z方向)调节士5°的角度。角板68通过转接板74与升降单元76连接，单元振荡器58-加热装置50借助该升降单元可以在ζ方向上移调。升降单元76因此可以向有待处理的太阳能电池12下降或从其离开提升。微调单元78通过转接板80与升降单元76连接。微调单元78可以在ζ方向上进一步移调，以便由此可以使超声波焊接设备头44相对于太阳能电池12，也就是相对于其表面精确校准，由此预先规定所要钎焊的焊料厚度或高度。微调单元78通过另一转接板82与移调装置84连接，后者与从中弓丨出加热装置50 和振荡器58的角形件(Winkelelement)86连接。移调装置84可以使角形件86在y方向上移调。加热装置50与角形件86固定连接，该加热装置具有焊料输送装置52和气体接口 60以及气体通道62。振荡器58相对于它们通过移调单元85可以在ζ方向上移调。为此从移调装置85引出一个固定件88如卡圈，振荡器58被该卡圈夹持。固定件88在此在振荡器58的振荡节点内伸展。通过焊接站14的与此相关的结构，可以在所要求的程度上使振荡器58并因此使超声波焊接设备头44与太阳能电池12的表面对准，但同时需要时可以将加热装置50的滑轨46、48支撑在太阳能电池表面上。但这一点并不是必不可少的特征。确切地说，形成加热装置50的部件的滑轨46、48也可与太阳能电池12相距地分布。如果在该实施例中焊接站14这样设计，使振荡器58相对于角形件86只能在ζ方向上移调，那么同时在结构上也可以使得振荡器58的纵轴线方向与ζ轴线夹成所要求的角度，该ζ轴线沿从太阳能电池12的表面引出的法线伸展。因此可以调整超声波焊接设备头 44相对于表面的所要求的角度，以便可以在所要求的程度上破碎例如氧化层，这一点在振荡器58朝向法线时不能在所要求的程度上实现。为说明这一点，图5和6示出超声波焊接设备头44相对于太阳能电池12表面定向的原理图。
正如此前已经介绍的那样，可以通过所使用的超声波焊接设备和相对于太阳能电池12的定向来影响由超声波焊接设备42向太阳能电池12内传递的超声波的作用。在此方面，图5中超声波焊接设备的纵轴线43与从太阳能电池12的表面引出的法线平行。因此由超声波焊接设备44产生的超声波振荡具有作用于太阳能电池12或焊料上的基本上纵向的振荡分量。超声波焊接设备的纵轴线43与太阳能电池12的表面夹成直角地伸展。如果超声波焊接设备44的有待与焊料接触的接触面45相对于纵轴线43以α兴90°的角度 α定向，那么所产生的超声波振荡分成纵向的和横向的振荡分量(参见图6)。利用这种变型方案来防止例如太阳能电池12的不应破坏的表面层如SiNx层在焊料钎焊时不会因承受机械负荷而使焊料直接接触半导体层，从而避免短路。换句话说，确保表面层保持密封。与此相关的措施特别是在这种情况下具有优点，即例如形成存在于太阳能电池12 正面上的指形件的蓄电池112、114、116通过由焊料组成的梁或者条118、120导电地连接， 所述梁或者条因此取代按照现有技术特别是由银组成的导体或者母线。由此实现对指形件 112、114、116的成本低廉的导电连接。从形成母线的焊料条118、120于是可以引出用于连接太阳能电池12所需的连接端，如与印制导线118、120借助超声波被焊接在一起的镀锡铜连接端。相应的连接端在图9中采用附图符号122、124标注。太阳能电池12的为了可以钎焊焊料所需的热量依据本发明优选由焊料本身传递，其中，在需要时对太阳能电池12的预热可以通过加热装置50或滑轨46、48来进行。还可以将超声波焊接设备头44加热到加热装置50的温度。但这一点不是必不可少的特征。通过使得熔化焊料所需的热量以不同于上述技术的方式不通过超声波焊接设备头44传递，该超声波焊接设备头在与焊料接触的区域内可以构造得相当窄，或者具有较小的横截面或直径。特别是规定，超声波焊接设备头垂直于相当于运输方向T的涂覆方向的延伸距离在0.5mm到5mm之间，其中，横截面可以是圆形、椭圆形或者矩形或方形。在矩形的情况下，垂直于涂覆方向的边长因此为0. 5mm-5mm，在圆形或椭圆形的情况下，椭圆形的直径或垂直于运输方向的延伸距离为0. 5mm-5mm，其中只要需要，也可以选择不同的尺寸， 特别是延伸距离在cm范围内。图7示出依据本发明的教导所涵盖的另一种变型方案，用于在所要求的程度上加热太阳能电池12。这样取代用于预加热太阳能电池12和用于熔化或加热焊料的加热装置 50，可以使用包括热风嘴的加热装置51。从热风嘴51排出的热空气在此方面用于预加热太阳能电池12或者用于熔化或进一步加热焊料。被加热的空气以所要求的角度喷到太阳能电池12与焊料之间的接触区，优选对准超声波焊接设备44与太阳能电池12之间的接触区，如图7原则上所示。因此焊料可以直接在需要时同样被加热的超声波焊接设备44上熔化，以便然后借助超声波钎焊焊料。为进一步进行处理，最好整平所涂覆的焊料，或减少存在的氧化物，和/或者去除表面上可能的污物，因为通过超声波作用，太阳能电池上的导电接触面由于不平整和污物会增加氧化。为减少氧化和去除表面上的可能的污物，依据本发明规定，重新熔化和整平接触面。为此依据图8原则上规定，焊料接触面在硬化后利用加热元件如加热轨1 熔化，并通过太阳能电池12与加热轨1 之间的相对运动熔化和整平。相应的焊料轨或焊料条在图8中采用附图符号1 标注。
这些措施可以在焊接站14本身内实施，但只能在不是直接在焊料轨上涂覆焊料并由此钎焊电导体的情况下。依据本发明的方法特别适用于连续方法。在此方面，在多个轨道上平行地同时给半导体元件如太阳能电池设有焊料轨。为借助超声波既在背面上也在正面上钎焊相应的焊料轨，太阳能电池可以从第一焊接站转移到第二焊接站内。这一点例如可以利用转轮或者其他适用的装置进行。
权利要求
1.一种用于在工件上，最好在半导体元件如太阳能电池上涂覆焊料的方法，其中，使得焊料在焊接温度IY时并借助超声波焊接设备在超声波作用下被钎焊，其特征在于，使得焊料借助加热装置被加热，被涂覆在工件上，并在超声波作用下被钎焊，和/或者在钎焊期间借助输送工件的运输装置将工件压向超声波焊接设备，由此使得工件被弹性地支撑。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料借助加热装置被加热到IY^ Tm的温度IV，其中，Tm =焊料的熔化温度。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得钎焊所需的热量通过焊料传递到工件上。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料通过加热装置被加热，该加热装置在工件与加热装置相对运动时与工件至少暂时接触。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，使得加热装置沿工件滑动引导。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料在工件上的高度通过将超声波导入焊料内的超声波焊接设备的在工件侧伸展的超声波焊接设备头之间的距离来调整，和/ 或者通过焊料的涂覆量来调整。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得应用超声波的超声波焊接设备的纵轴线与从工件引出的法线夹成角度α，其中，0°彡α彡90°，最好为20°彡α彡60°。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得超声波焊接设备的与焊料接触的尖端在超声波激励的超声波焊接设备的波幅内伸展。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了应用超声波振动，使用具有超声波焊接设备头的超声波焊接设备，超声波焊接设备头的接触焊料的尖端的宽度等于或者大于涂覆在工件上的焊料条的宽度。
10.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为了应用超声波振动，使用具有带有与焊料接触的区域的超声波焊接设备头的超声波焊接设备，该接触区域由硬质材料组成或者具有这种硬质材料，特别是由例如碳化钨、Sic、金刚石组成的硬质材料层。
11.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使用含有诸如A1203、SiC、Si3N4,SiO2的耐磨剂的焊料，或者使用含有在温度下降时析出的用作为耐磨剂的成分的焊料。
12.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊料凝固后将焊料重新加热，并通过加压压平。
13.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使得焊料与工件之间的焊接区被保护气体如N2、氩或者合成气体包围。
14.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将焊料钎焊在工件上期间，在焊料上钎焊电导体如连接导体，或者在焊料钎焊之后，在一个单独的方法步骤中，在输送热能的情况下将电导体钎焊在已钎焊在工件上的焊料上。
15.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将焊料以轨状或者条状钎焊在作为工件的太阳能电池上，用于形成与太阳能电池上存在的蓄电池导电地连接的母线。
16.一种用于在焊接区内将焊料涂覆和钎焊在工件(1 上，特别是半导体元件如太阳能电池上的装置，包括焊料输送装置(M)、焊料的加热装置(50)、超声波焊接设备(58)以及用于既相对于加热装置也相对于超声波焊接设备运输工件的运输装置(10)，其特征在于，运输装置(10)通过将工件压向超声波焊接设备(58)而弹性地将工件(1 运输经过焊接区。
17.按权利要求16所述的装置，其特征在于，运输装置(10)具有第一和第二运输件 (16、18)，工件(1 夹紧地固定在第一和第二运输件之间，其中，第一运输件(16)被主动地驱动，第二运输件(18)通过与第一运输件或工件的摩擦锁合或者通过一个附加的自己的驱动装置被驱动。
18.按权利要求17所述的装置，其特征在于，第一和第二运输件(16、18)为环形的扁平件或者圆形件如扁平皮带或者圆线。
19.按权利要求17或18所述的装置，其特征在于，第一和/或者第二运输件(16、18) 具有两个彼此相距的环形扁平件或者圆形件，所述扁平件或者圆形件通过从共用的轴06) 引出的导向轮O9，30)来引导。
20.按权利要求17所述的装置，其特征在于，第一运输装置(16)可以通过第三运输装置00)被驱动，工件(1 通过该第三运输装置可以输送给第一和第二运输装置(16、18)。
21.按权利要求16所述的装置，其特征在于，加热装置(50)和超声波焊接设备(58)作为一个单元可以向预先规定工件(1 的运输平面的第一运输装置(16)移调。
22.按权利要求16或权利要求21所述的装置，其特征在于，加热装置(50)和超声波焊接设备(58)可以彼此相对移调，并向运输平面移调。
23.按权利要求16所述的装置，其特征在于，加热装置(50)具有排出熔化的焊料的且对准运输平面的排料口(54)。
24.按权利要求23所述的装置，其特征在于，超声波焊接设备(58)的接触熔化焊料的超声波焊接设备头G4)直接设置在排料口(54)的区域内或者与排料口相距地设置。
25.按权利要求16所述的装置，其特征在于，该装置具有至少一个相对于加热装置 (50)绝热的气体输送通道(62)，从该通道可以向焊接区输送保护气体。
26.按权利要求16所述的装置，其特征在于，加热装置(50)在工件侧具有至少一个滑轨(46、48)。
27.按权利要求沈所述的装置，其特征在于，加热装置(50)通过至少一个滑轨06、 48)可滑动地支撑在工件(1 上。
28.按权利要求16所述的装置，其特征在于，借助传感器可以检测工件(1 或涂覆在工件上的焊料，并根据所测定的数值可以使超声波焊接设备(58)对准焊料。
29.按权利要求16所述的装置，其特征在于，超声波焊接设备(58)的与焊料接触的区域的宽度等于或者小于涂覆在工件(1 上的熔化的焊料条的宽度。
30.按权利要求16所述的装置，其特征在于，超声波焊接设备(58)的与焊料接触的区域具有由碳化钨、碳化硅、氮化硼或者金刚石构成的硬质材料层。
全文摘要
本发明涉及用于在工件上涂覆焊料的方法和装置，其中，焊料在焊接温度TL时且在超声波作用下钎焊。为将焊料毫无问题地钎焊在断裂敏感的工件上，提出，焊料被加热，被涂覆在特别是弹性地支撑的工件上，并在超声波作用下被钎焊。
文档编号H01L21/677GK102259222SQ20111010784
公开日2011年11月30日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年2月23日
发明者H·冯坎佩, S·胡贝尔, S·迈尔, S·雷夫, T·胡伊恩-明 申请人:肖特太阳能股份公司