一种异质异构型立体封装的光伏供能模块及其制造方法与流程

1.本发明属于光伏技术领域，涉及一种异质异构型立体封装的光伏供能模块及其制造方法。


背景技术：

2.中国专利公开号：cn215267749u《一种微功耗光伏电池电源管理模块》给出了一种包括光伏电池、控制电路板和蓄电池组成的光伏供能模块，控制电路板上包含有光伏充放电模块、保护电路和电池管理模块，光伏供能模块通过超低功耗的设计、恒定电压比例最大功率点跟踪mppt算法，进一步降低太阳能光伏供能模块的自身功耗，最大化实现太阳能转换效率，使低功耗无线传感器的全生命周期免充电、免换电池成为可能，光伏供能模块被广泛地应用于仪器仪表、感应器等的电源供给，但光伏电池和控制电路板是分离状态的，电源管理电路板是传统的电路板，而且光伏电池和传统的电路板的连接导线会占有一定空间以及弯折导线，这样分离的器件导致光伏供能模块结构松散、体积大，容易拉断连接导线，造成光伏供能模块在使用和运输过程中的不方便。


技术实现要素：

3.为解决以上光伏供能模块存在的光伏电池与电路板分离问题，首先需要实现将电路与光伏电池一体化，再将异质异构的电子元器件（包括被动元件和功能器件）、连接座等焊接或邦定在光伏电池上，形成光伏供能模块的器件集成化。
4.本发明的目的就是要发明一种异质异构型立体封装的光伏供能模块及其制造方法，通过将电路直接印刷在光伏电池上形成以光伏电池为衬底的印刷电路，再将电子元器件以及连接座焊接或邦定在电路上，通过立体封装方法形成集成化供能模组给蓄电池充电后提供电能给终端产品。
5.为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种异质异构型立体封装的光伏供能模块，其特征在于：包括以光伏电池为衬底的印刷电路板以及焊接或邦定在电路焊盘上的电子元器件和连接座，还包括可存储电能的蓄电池或超级电容，将这些器件封装在外壳内构成光伏供能模块；所述的以光伏电池为衬底的印刷电路板是在光伏电池的背电极保护层上制作电路，光伏电池的输出电极从背电极保护层的电极窗口露出与电路连接，在电路上覆盖开有焊盘窗口的电路保护层，焊盘覆盖在焊盘窗口上与电路相连接。
6.以光伏电池为衬底的印刷电路板，简称为光伏电路板，英文简写为pvpcb。
7.所述的背电极保护层开有电极窗口，光伏电池的输出电极从窗口露出，背电极保护层的材料为环氧树脂、乙烯醋酸乙烯酯、聚氨酯绝缘材料等。
8.所述的电路保护层开有焊盘窗口，电路的焊盘覆盖在焊盘窗口，电路保护层为环氧树脂、乙烯醋酸乙烯酯、聚氨酯绝缘材料等。
9.所述的光伏电池为块状电池或薄膜电池，块状电池可以为单晶硅、多晶硅、砷化镓等；薄膜电池可以为非晶硅、非晶硅/晶体硅（hjt）叠层、钙钛矿、碲化镉、铜铟镓硒等。
10.所述的电路的导体材料可以为碳浆、石墨烯浆料或金属导电浆料，其中碳浆导体电路宽度在1.0~3.0mm之间，厚度在10~50μm之间。
11.所述的焊盘为铜浆，厚度在10~30μm之间。
12.所述的外壳为一面敞口的壳体，侧面开有侧孔，蓄电池或超级电容等储能元件放置在壳体内，焊接或绑定有电子元器件及连接座的印刷电路板放置在敞口处，连接座可从侧孔处进行插接；所述壳体材料为金属或塑料。
13.一种异质异构型立体封装的光伏供能模块的制造方法，包括以下步骤：步骤1：制作光伏电路板（pvpcb)：在光伏电池的背电极丝印或涂覆背开有电极窗口的背电极保护层，光伏电池的输出电极从电极窗口露出，在背电极保护层上丝印电路，电路与输出电极连接；在背电极保护层上丝印或涂覆开有焊盘窗口的电路保护层，在焊盘窗口上丝印焊盘与电路连接；步骤2：焊接或邦定电子元器件和连接座：焊接或邦定温度不超过180℃，焊接时间不超过5分钟；步骤3：封装光伏供能模块：将储能元件（蓄电池或超级电容）放置在外壳内与连接座连接，将外壳放置并固定在印刷电路板上，将电子元器件和连接座封装在外壳内。
14.所述的焊接电子元器件和连接座包括以下流程：第一、准备工作：编程smt贴片程序，安装印刷钢网，装电子物料，调节回流焊温度和传送带速度；第二、首板调试：丝印锡膏在光伏电路板的焊盘上，进行smt贴片，核对首板贴片物料，进行回流焊，检验焊接工艺，检测焊接附着力；第三、批量生产：按调试后的首板进行批量生产。
15.所述的检验焊接工艺是：1.目测焊接锡点是否圆滑，有无断层，有无锡珠，爬锡度有无超过元器件引脚的30%，有无不熔锡，有无半熔锡；2.侧力1kg测试焊接在光伏电路板上的电子元器件的附着力。
16.所述的调节回流焊工艺过程的温度区间是：上下共20温区，1-6温区设定90℃~110℃、7-10温区设定110℃~130℃、11-14温区设定130℃~160℃、15-16温区设定160℃~180℃、17-18温区设定140℃~120℃、19-20温区设定110℃~90℃，回流焊传送带速度设定为每分钟1~1.5米。
17.本发明产生的积极有益效果是：本发明异质异构型立体封装的光伏供能模块，将电子元器件直接焊接或邦定在光伏电路板上，改变了传统分散组装的方式，使光伏供能模块的器件集成化成为现实；光伏供能模块可以作为一个整体的器件进行选型、出售和使用，方便和简化了其应用设计，从原来的后端设计变成前端设计，降低产品的体积和成本，对产品的应用和推广具有深远的意义。
附图说明
18.图1：本发明的整体结构示意图。
19.图2：本发明的整体结构爆炸示意图。
20.图3：本发明的光伏电路板焊接电子元器件的结构示意图。
21.图4：本发明的实施例的光伏电路板的结构爆炸示意图。
22.图中。1、光伏电路板，101、光伏电池，101-1、玻璃基底，101-2、前电极层，101-3、光电转换层，101-4、背电极层，101-5、光伏电池输出电极，102、背电极保护层，102-1、电极窗口，102-2、电路，103、电路保护层，103-1、焊盘窗口，103-2、焊盘，2、外壳，201、侧孔，202、台肩，3、蓄电池，4、电子元器件，5、连接座，6、电源管理芯片。
具体实施方式
23.如图所示，异质异构型立体封装的光伏供能模块以非晶硅薄膜电池为衬底的印刷电路板1，在电路板上焊接电子元器件4、连接座5和电源管理芯片6，将焊接后的光伏电路板1放置在外壳2上，具体制造步骤为：步骤1：制作光伏电路板：本实施例的薄膜电池1的玻璃基底101-1为低铁玻璃，前电极层101-2为ito，光电转换层101-3为非晶硅，101-4背电极层为碳浆，背电极保护层102为环氧树脂，电路102-2为碳浆，电路保护层103为环氧树脂，光伏电池输出电极101-5和焊盘103-2为铜浆。
24.制作背电极保护层102、电路102-2、电路保护层103、焊盘103-2同样大小的丝印网板，背电极保护层102上开有电极窗口102-1，电路保护层103上开有焊盘窗口103-1，电极窗口102-1对应位置是背电极层101-4的光伏电池输出电极101-5，焊盘窗口103-1对应电子元器件4、连接座5和电源管理芯片6的焊盘103-2，在已沉积好的薄膜电池1的背电极层101-4上丝印背电极保护层102，印好后放到烘箱以120℃温度烘烤60min固化后取出，再在背电极保护层102上丝印电路102-2，印好后放到烘箱以100℃温度烘烤30min至固化后取出，再在电路102-2上丝印电路保护层103，印好后放到烘箱以120℃温度烘烤100min至固化后取出，再在电路保护层103上的焊盘窗口103-2上丝印焊盘103-2，印好后放到烘箱以150℃温度烘烤60min至固化后取出，再在焊盘103-2上涂抹焊盘保护层，在室温下放置，然后丝印字符，完成制作。
25.步骤2：在光伏电路板1的焊盘103-2上焊接电子元器件4、连接座5和电源管理芯片6，焊接温度160℃，时间3分钟，具体步骤流程为：编程smt装贴程序
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手动安装印刷钢网（半自动或全自动印刷机）
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smt飞达上电子物料（对于贴片程序放入对应站位）
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设定回流焊温区
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smt首板调试（上锡膏、贴片）
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核对首板物料
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首板过回流焊
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检验焊接工艺（1.目测焊接锡点是否圆滑，有无断层，有无锡珠，爬锡度有无超过元器件引脚的30%,有无不熔锡，有无半熔锡，2.侧力1kg（测试元器件焊接在光伏电池板的附着力）
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统一过回流焊
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目测全检焊接工艺。
26.由于光伏电池片耐高温极限200℃持续2分钟，由此温度节点向下定制低熔点锡膏，选择低温锡膏熔点为140℃作为本实施例立体封装的贴片工艺的焊接材料。回流焊的温区调节，包括上下20温区：1-6温区设定100℃、7-10温区设定120℃、11-14温区设定140℃、15-16温区设定180℃、17-18温区设定130℃、19-20温区设定100℃，回流焊传送带速度设定为每分钟1.5米（传送带速度太慢会出现锡膏内的助焊剂、调和剂、松香溢出焊盘过多造成其它的品质问题，传输带速度太快会出现炸锡、贴片面锡球过多、元器件移位、元器件翘件等焊接问题），锡膏经过回流焊1-6温区时，锡膏从浆糊形态逐渐的将其表面的调和剂（含松香）蒸发变成干块状，再通过7-10温区熔化锡膏内部的调和剂（含松香）附着于焊接元器件
和焊接焊盘的表面，经过11-14温区达到初始熔点让锡铺满焊盘以及需要焊接的元器件管脚面（此时锡膏为半液体状态），接着通过15-16温区的温度迅速让元器件和焊盘的焊接达到过温焊接熔点（此时为液体状态），再经过17-20温区使其焊接的锡膏恒定焊接状态缓慢降低温度（这个温区设定的主要作用在于通过过温熔点温区后焊面不容易出现焊接断裂、虚焊等），最后经过回流焊的风冷区域进行快速降温。
27.步骤3：将储能电池3放置在外壳2内，再将焊接好电子元器件4、连接座5和电源管理芯片6的光伏电路板1粘结密封在外壳敞口处的台肩202上，外壳2侧面开有侧孔201，连接座5朝向侧孔201，便于插拔。最终形成可插拔的异质异构型立体封装光伏供能模块，使用时只需要将连接座5与负载终端连接即可。