DE102019101921A1

DE102019101921A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten und Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück, welche mittels eines Lots verbunden sind

Info

Publication number: DE102019101921A1
Application number: DE102019101921.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kroyer; Sophie Gledhill; Muhammed Tahir; Angela De Rose
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten, mit den VerfahrensschrittenAufbringen eines Lots auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks und Aufschmelzen des Lots mittels Wärmeeinwirkung vor und/oder nach Anordnen des zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an der Lötseite des Werkstücks vor Aufbringen des Lots ein Schichtsystem mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, welches zumindest eine lötbare Schicht und zumindest eine Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht aufgebracht wird, wobei die Schutzschicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer} enthält, die lötbare Schicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält, dass die Schutzschicht und die lötbare Schicht jeweils mit einer Dicke im Bereich 10 nm bis 100 nm ausgebildet werden, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm ist und dass das Lot während des Lötvorgangs auf eine Temperatur kleiner 350°C erhitzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.
Bei einer Vielzahl von Anwendungen werden Werkstücke mittels Löten stoffschlüssig verbunden. Hierzu wird ein Lot auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks aufgebracht. Das Lot kann in Form von Lotpaste, Lotdraht, als Überzug auf einem oder beiden Werkstücken oder in einer anderen Form vorliegen. Mittels Aufschmelzen des Lots durch Wärmeeinwirkung vor und/oder nach Anordnen des zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks wird eine flüssige Phase des Lotes erzielt, sodass nach Abkühlen und Erstarren des Lotes eine stoffschlüssige Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet ist. Voraussetzung dafür ist unter anderem die weitgehende Beseitigung aller Oxide auf dem zu lötenden Werkstück, was in der Fügetechnik mit Hilfe eines Flussmittels erzielt wird. Dieses wird vor dem Lötprozess auf das zu lötende Werkstück appliziert und durch den Temperatureintrag beim Lötvorgang aktiviert. Alternativ können Lot und/oder Flussmittel auch bei Lötvorgang direkt zugeführt werden. Für besondere Anwendungen, bei denen z.B. die Rückstände des Flussmittels nach dem Lötprozess stören, werden auch flussmittelfreie Lötprozesse eingesetzt. Dabei muss insbesondere darauf geachtet werden, dass die Oxiddicken an den Oberflächen der Werkstücke minimal sind.
Solche stoffschlüssigen Verbindungen werden verwendet, um Werkstücke mechanisch miteinander zu verbinden. In einer Vielzahl von Anwendungen wird zusätzlich zur mechanischen Verbindung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück mittels Löten ausgebildet.
Bei manchen zu verbindenden Werkstücken besteht das Problem, dass das gewünschte Lot die Lötseite des Werkstücks nicht benetzt und hierdurch keine oder nur in Teilbereichen der Oberfläche der Lötseite eine stoffschlüssige Verbindung entsteht, sodass keine oder nur eine mangelhafte mechanische und/oder elektrische Verbindung ausgebildet wird.
So ist es bekannt, dass sich bei einem Werkstück aus Aluminium oder mit einer Aluminiumbeschichtung auf der Oberfläche eine Aluminiumoxidschicht ausbildet, sobald das Werkstück einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird. Dies findet insbesondere auch während der Erhitzung beim Lötvorgang statt. Auch wenn eine solche Schicht typischerweise lediglich eine Dicke im Bereich 3 nm bis 5 nm aufweist, so weist diese Schicht dennoch eine hohe Stabilität auf und verhindert eine hochwertige Lötverbindung, sofern nicht sehr aggressive Flussmittel verwendet werden. Letztere sind unter anderem schwierig in der Entsorgung und auf dem Werkstück verbleibende Rückstände können zu Korrosion am Werkstück führen.
Zur Umgehung dieses Problems wurden Lötprozesse bei hohen Temperaturen über 600°C mit einer langen Lötdauer (über 30 Minuten) entwickelt (Humpston G., Jacobson D. M., Principles of Soldering, ASM International, 2004). Bereits aufgrund der Lötdauer sind solche Prozesse jedoch für eine industrielle Fertigung nicht geeignet. Darüber hinaus können sich die hohen Temperaturen nachteilig auf die Werkstücke und die Lötverbindung auswirken.
Ein anderer Ansatz zur Vermeidung der Probleme der Oxidation bei Lötvorgang besteht darin, die Lötung in Vakuum oder sauerstofffreier Atmosphäre durchzuführen. Dies hat allerdings einen deutlich höheren apparativen Aufwand zur Folge.
Zur rückseitigen elektrischen Kontaktierung von photovoltaischen Solarzellen ist aus DE 10 2013 219 560 A1 ein Verfahren bekannt, bei welchem eine aus Aluminium ausgebildete Kontaktierungsschicht rückseitig an der Solarzelle aufgebracht wird, an der der Solarzelle abgewandten Seite der Aluminiumschicht eine Diffusionsbarrierenschicht und auf der Diffusionsbarrierenschicht eine lötbare Schicht, beispielsweise eine Silberschicht, aufgebracht wird. Die Diffusionsbarrierenschicht und Kontaktierungsschicht werden jeweils mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD, Physical Vapour Deposition) aufgebracht. Zwischen der Diffusionsbarrierenschicht und der lötbaren Schicht ist eine weitere Schicht als Haftvermittler eingefügt, die den Beschichtungsprozess jedoch weniger wirtschaftlich vorteilhaft macht. Aufgrund der Diffusionsbarrierenschicht wird eine Diffusion des nicht lötbaren Aluminiums in die Silberschicht vermieden. Dieser Prozess legt aufgrund der Verwendung des PVD-Verfahrens zum Aufbringen des Schichtsystems die Basis für eine Verwendung in industriellen Verfahren. Untersuchungen zeigen jedoch, dass für eine hochwertige und dauerhafte Ausbildung der Schichtstruktur hohe Schichtdicken größer 100 nm und darüber hinaus ein zusätzliches Einbringen von Sauerstoff in die Diffusionsbarrierenschicht („Oxygen Stuffing“) für eine ausreichende Güte notwendig ist (siehe Kumm, Developement of temperature-stable, solderable pvd rear metallization for industrial silicon solar cells). Für eine Vielzahl von Verfahren, insbesondere eine großflächige Anwendung bei photovoltaischen Solarzellen weist dieser Prozess somit Nachteile hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Weichlötens sowie eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten mittels Lot verbundenem Werkstück zur Verfügung zu stellen, welche die vorgenannten Nachteile vermeiden und insbesondere eine kostengünstigere und dennoch dauerhafte Lötverbindung ermöglichen.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zum Ausbilden der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon, ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon, ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

Ein Lot und bevorzugt zusätzlich ein Flussmittel werden auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks aufgebracht. Mittels Wärmeeinwirkung wird das Lot vor und/oder nach Anordnen eines zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks aufgeschmolzen.

Wesentlich ist, dass zumindest an der Lötseite des ersten Werkstücks vor Aufbringen des Lots ein Schichtsystem mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, welches zumindest eine lötbare Schicht und zumindest eine Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht aufgebracht wird.
Ein wesentlicher Aspekt ist somit in der Erkenntnis begründet, die lötbare Schicht an der Lötseite, das heißt an der Seite, an welcher das Lot aufgebracht wird, mittels einer zusätzlichen Schicht zu schützen.
Hierbei enthält die Schutzschicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer}. Die lötbare Schicht enthält mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle. Der Begriff „Massenanteil“ ist hierbei in an sich üblicher Weise definiert, das heißt bei einem Massenanteil von 1,0 eines Stoffes besteht das Element ausschließlich aus diesem Stoff.
Wesentlich ist weiterhin, dass die lötbare Schicht (3) unmittelbar auf die zu lötende Oberfläche des ersten Werkstücks aufgebracht wird oder lediglich Schichten mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm zwischen der zu lötenden Oberfläche und der lötbaren Schicht angeordnet werden und dass die Schutzschicht und die lötbare Schicht jeweils mit einer mittleren Dicke im Bereich 2 nm bis 98 nm ausgebildet werden, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, ist und dass das Lot während des Lötvorgangs auf eine Temperatur kleiner 350°C erhitzt wird.

Bei Angabe einer Summe von Schichtdicken eines Schichtsystems und bevorzugten Schichtdicken oder bevorzugten mittleren Schichtdicken von einzelnen Schichten des Systems weisen die einzelnen Schichten somit stets eine bevorzugte maximale Schichtdicke auf, die der Summe der minimalen Schichtdicken der anderen Schichten des Systems enspricht. Bei der vorangehenden vorteilhaften Summe der Schichtdicken ergibt sich somit bei einer minimalen mittleren Dick der Schichten von 2nm:

Summe beider Schichtdicken	mittlere Dicke von Schutzschicht und lötbarer Schicht im Bereich
100 nm	2 nm bis (100nm-2nm =) 98 nm
50 nm	2 nm bis (50nm-2nm =) 48 nm
25 nm	2 nm bis (25nm-2nm =) 23 nm

Dies gilt für nachfolgende Schichtsysteme entsprechend.

Im Rahmen dieser Erfindung kann eine lötbare Schicht oder eine andere Schicht, insbesondere eine dünne Schicht mit einer Dicke kleiner 10 nm auch durch nicht geschlossene Schichten, die einzelne, nicht zusammenhängende nebeneinanderliegende Inseln aufweisen, ausgebildet sein. In diesem Fall bezeichnet die mittlere Dicke das Gesamtmaterialvolumen dieser Schicht geteilt durch die zu lötende Fläche. Bevorzugt sind die Schichten, insbesondere die lötbare Schicht, als ununterbrochene Schichten ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch den Einsatz der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) zum Aufbringen von lötbarer Schicht und Schutzschicht einen Einsatz in industriellen Fertigungslinien, insbesondere, da häufig solche Prozesse zur Schichtabscheidung bereits vorgesehen sind. Aufgrund der geringen Gesamtdicke ist ein Aufbringen des Schichtsystems aus lötbarer Schicht und Schutzschicht in kürzerer Zeit verglichen mit vorbekannten Prozessen möglich, sodass geringere Prozess- und Materialkosten entstehen und ein höher Durchsatz möglich ist. Die Schutzschicht wird bevorzugt dabei ohne Vakuumbruch im PVD-Prozess hergestellt und dient bevorzugt dazu, die Oxidation der darunterliegenden lötfähigen Schicht zu verhindern und somit die Lötfähigkeit zu erhalten.
Die Verwendung einer Löttemperatur kleiner 350°C bedeutet weiterhin einen geringeren Energieaufwand und eine geringere Wärmeeinwirkung in die Werkstücke, sodass Beschädigungen, verglichen mit Lötvorgängen bei höheren Temperaturen, vermieden oder zumindest verringert werden. Der Lötvorgang fällt somit in die Kategorie des Weichlötens.
Das Funktionsprinzip des Weichlötens basiert auf der partiellen Erosion des Basismaterials, typischerweise des Metalls der lötbaren Schicht, im Lötbad. Zum Ausbilden der gewünschten Lötverbindung ist die Ausbildung einer Diffusionszone wischen dem Metall der lötbaren Schicht und dem Lot notwendig. Typischerweise treten metallurgische Reaktionen auf, welche zu heterogenen Phasen der Lötverbindung führen (siehe Humpston, Jacobsen, a.a.O., S. 78). Üblicherweise sind hierbei einzelne Kristallphasen in der Lötverbindung viele Mikrometer groß.
Bisher wurde daher davon ausgegangen, dass bei nur wenigen Nanometer dünnen Schichten keine hinreichende Bildung von Legierungsphasen auftreten kann, ohne dass es zu einer vollständigen Auflösung der metallischen Schicht und damit zur Entnetzung des Lotes kommt. Entsprechend herrschte bisher die Lehre, dass eine dauerhafte mechanische Stabilität allenfalls mit erheblich dickeren Schichten ausgebildet werden kann.
Untersuchungen der Anmelderin zeigen jedoch, dass entgegen den bisherigen Annahmen eine dauerhafte Lötverbindung auch mit dem zuvor genannten Schichtsystem des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches eine erheblich geringere Dicke aufweist, ausgebildet werden können. Es ist davon auszugehen, dass eine höhere Löslichkeit der zumindest mit einem Massenanteil von 0,8 in der Schutzschicht enthaltenen Stoffe im Lot gegenüber einer geringeren Löslichkeit der zumindest mit einem Massenanteil von 0,8 in der lötbaren Schicht enthaltenen Stoffe und weiterhin in Kombination mit dem Weichlöten bei einer Temperatur kleiner 350°C eine vollständige Auflösung der metallischen Schicht und somit eine Entnetzung des Lotes verhindert.
Insbesondere ist es nach Erkenntnis der Anmelderin nicht notwendig, eine Diffusionsbarrierenschicht zwischen der zu lötenden Oberfläche des Werkstücks und der lötbaren Schicht anzuordnen. Die lötbare Schicht ist daher bevorzugt unmittelbar auf der zu lötenden Oberfläche angeordnet. Alternativ kann eine dünne Schicht oder ein dünnes Schichtsystem mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm, bevorzugt kleiner 15 nm, insbesondere kleiner 10 nm zwischen der lötbaren Schicht und der zu lötenden Oberfläche des Werkstücks angeordnet werden, insbesondere eine Haftschicht wie weiter unten beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit durch Aufbringen eines Schichtsystems mittels physikalischer Gasphasenabscheidungen, wobei das Schichtsystem zumindest die vorgenannte Schutzschicht und die vorgenannte lötbare Schicht, deren Dicke in Summe kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, sind, umfasst, ein kostengünstiges und mechanisch stabiles Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten.
Die eingangs gestellte Aufgabe ist weiterhin durch eine Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück gelöst, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind. Wesentlich ist, dass zwischen erstem Werkstück und Lot ein Schichtsystem angeordnet ist, welches zumindest eine lötbare Schicht und zumindest eine Schutzschicht umfasst, wobei die Schutzschicht mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht angeordnet ist, wobei die Schutzschicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer} enthält, die lötbare Schicht mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält und dass die lötbare Schicht unmittelbar auf der zu lötende Oberfläche des ersten Werkstücks angeordnet ist oder lediglich Schichten mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm zwischen der zu lötenden Oberfläche und der lötbaren Schicht angeordnet sind sowie dass die Schutzschicht und die lötbare Schicht jeweils mit einer mittleren Dicke im Bereich 2 nm bis 98 nm ausgebildet sind, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm ist. Hierdurch ergeben sich die zuvor bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile.
Um eine Entnetzung des Lots besonders effizient zu vermeiden, weist die Schutzschicht bevorzugt eine Löslichkeit im Lot größer 50 nm/s und die lötbare Schicht weist eine Löslichkeit im Lot kleiner 50 nm/s@ 250 °C in PbSn-Lot (40 Massenprozent Sn) auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Schutzschicht eine Löslichkeit im Lot größer 100 nm/s und die lötbare Schicht eine Löslichkeit im Lot kleiner 10 nm/s aufweist.
Die Löslichkeit wird hierbei in an sich bekannter Weise bestimmt: So kann beispielsweise auf ein Glassubstrat die Schicht, deren Löslichkeit zu bestimmen ist, aufgetragen werden. Auf der dem Glassubstrat abgewandten Seite der Schicht wird das Lot aufgetragen. Anschließend erfolgt eine Erwärmung, sodass das Lot aufschmilzt und die Schicht erodiert. Nach einer bestimmten Zeit erfolgt ein Abkühlen des Versuchsaufbaus. In einem Schnittbild kann beispielsweise mittels eines Rasterelektronenmikroskops gemessen werden, wie tief das Lot in die Schicht eingedrungen ist. Durch Durchführen mehrerer solcher Messungen für unterschiedliche Zeitdauern wird schließlich die Löslichkeit in Nanometer pro Sekunde bestimmt.
Die Schutzschicht wird vorteilhafterweise mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Ag, Cu} enthaltend ausgebildet. Diese Stoffe weisen für typische Weichlote, insbesondere bevorzugt PbSn, SnAgCu oder SnBi eine hohe Löslichkeit auf. Insbesondere ist ein Massenanteil von zumindest 0,8 Ag vorteilhaft.
Hierbei weist Kupfer (Cu) den Vorteil auf, dass es sich um ein vergleichsweise günstiges Metall handelt. Zur Kostenersparnis wird daher insbesondere Kupfer aus der vorgenannten Gruppe gewählt.
Silber (Ag) weist hingegen als Edelmetall den Vorteil auf, dass es an Luft keine oder nur eine sehr dünne Oxidschicht bildet.
Sowohl Ag als auch Cu weisen einen besonders niedrigen spezifischen Leitungswiderstand auf. Für Anwendungen, in welchen nicht nur eine mechanische, sondern auch eine elektrische Verbindung mit niedrigem elektrischen Widerstand vorteilhaft ist, wird daher vorteilhafterweise Silber oder Kupfer aus der vorgenannten Gruppe ausgewählt. Darüber hinaus ist Ag wesentlich günstiger als die sonst oft verwendeten Schutzschichten aus Au, Pt und Pd.
Die Schutzschicht dient insbesondere dazu, eine Oxidation darunterliegender Schichten zu verhindern oder zumindest zu verringern. Es ist bekannt, dass Silber stark permeabel für Sauerstoff, insbesondere bei höheren Temperaturen, ist. Untersuchungen der Anmelderin zeigen jedoch, dass überraschenderweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Verwendung von Silber mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 für die Schutzschicht zu einem hochwertigen Ergebnis führt. Es ist somit davon auszugehen, dass bei den Parametern des erfindungsgemäßen Verfahrens auch bei Verwendung von Silber in der Schutzschicht eine Oxidation der darunterliegender Schichten vermieden oder für eine gute Lötbarkeit hinreichend verringert wird.
Bisher wurde angenommen, dass dünne Ag-Schichten als Diffusionsbarriere für Sauerstoff nicht wirksam sind, siehe Principles of soldering, a.a.O.,, p. 148]: „The porosity of thin electroplated or evaporated coatings is frequently overlooked []. Further proof of the ineffectiveness of noble metal coatings in preventing oxidation of an underlying base metal comes from the beneficial exploitation of their use to grow oxide films of controlled thickness in the manufacture of solar cells. In particular, 5 um of silver, applied by thermal evaporation, to a clean copper surface permits the growth of Cu2O at the common interface at a rate of roughly 0.1 um/h at 500 C [Rosenstock and Riess 2000]“.
Die lötbare Schicht weist bevorzugt mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Ni, Cr, V, NiCr, NiV, W, Mo} auf. Die Stoffe der vorgenannten Gruppe weisen für typische Lote eine vergleichsweise geringe Löslichkeit auf.
Als Lot kann ein an sich bekanntes Weichlot verwendet werden. Insbesondere ist die Verwendung eines Lots vorteilhaft, welches mit einem Massenanteil von zumindest 0.9 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Pb, Sn, Bi, Ag} aufweist, z.B. Sn60Pb40, Sn96Ag4, Sn96,5Ag3,0Cu0,5, Sn42Bi58, Sn43Pb43Bi14.
Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Weichlöten zu ermöglichen, weist das verwendete Lot bevorzugt einen Schmelzpunkt kleiner 350°C auf.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit eine zuvor nicht lötbare Fläche eines Werkstücks einer Lötverbindung zugeführt werden, insbesondere wird eine Benetzbarkeit durch Lot erzielt. Hierbei weisen die Dicken von lötbarer Schicht und Schutzschicht in der Summe bevorzugt eine Dicke kleiner 100 nm (besonders bevorzugt <50 nm, ganz besonders bevorzugt <25nm) auf, sodass ein kosteneffizientes Aufbringen in einem PVD-Prozess möglich ist. Insbesondere werden aufgrund der geringen Schichtdicke nur geringere Mengen an kostenintensiven Metallen verwendet, verglichen mit vorbekannten Prozessen.
Für manche Verfahren ist es wünschenswert, dass nach Aufbringen des Schichtsystems aufweisend die lötbare Schicht und die Schutzschicht eine Stabilität des Schichtsystems über einen längeren Zeitraum und/oder bei höheren Temperaturen gewährleistet ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Temperaturbehandlung des Werkstücks, insbesondere bei Temperaturen größer 400°C nach Aufbringen des Schichtsystems und vor Durchführen des Lötvorgangs wünschenswert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht als Legierung, insbesondere eine Kupfer aufweisende Legierung, bevorzugt als Silber-Kupfer-Legierung ausgebildet. Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass eine als Legierung ausgebildete Schutzschicht auch bei höheren Temperaturen oder über längere Zeitdauern (insbesondere über Zeitdauern größer 6 Monate) eine Agglomeration von Ag verhindert wird. Eine solche Agglomeration würde ein Benetzen der Lötseite des ersten Werkstücks mit Lot verhindern oder zumindest erheblich verringern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Schichtsystem eine Anti-Agglomerationsschicht auf, welche mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der Schutzschicht diese zumindest teilweise bedeckend, bevorzugt vollständig bedeckend, aufgebracht wird. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist somit zusätzlich zu der Schutzschicht eine Anti-Agglomerationsschicht vorgesehen, um eine besonders hohe Robustheit über einen langen Zeitraum und/oder bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.
Die Anti-Agglomerationsschicht wird bevorzugt mit einem Massenanteil von zumindest 0,5 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Kupfer, Silber} enthaltend ausgebildet. Vorteilhafterweise ist die Anti-Agglomerationsschicht mit einer Dicke kleiner 10 nm, bevorzugt kleiner 5 nm ausgebildet. Hierdurch ist eine hohe Kosteneffizienz gegeben.
Bevorzugt weist das Schichtsystem umfassend lötbare Schicht, Schutzschicht und Anti-Agglomerationsschicht eine Gesamtdicke kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Schichtsystem eine Haftschicht aufweisend ausgebildet, welche mittelbar oder bevorzugt unmittelbar zwischen lötbarer Schicht und erstem Werkstück mit einer zur lötbaren Schicht unterschiedlichen Stoffzusammensetzung ausgebildet wird. Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass mittels einer solchen Haftschicht die mechanische Stabilität erheblich verbessert werden kann. Bevorzugt weist die Haftschicht mit einem Massenanteil größer 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle auf, insbesondere aus der Gruppe {Cr, Ni, V, Ti}. Die Haftschicht ist bevorzugt mit einer Dicke kleiner 15 nm (besonders bevorzugt <10 nm) ausgebildet, um insbesondere eine hohe Kosteneffizienz zu ermöglichen. Insbesondere ist es daher vorteilhaft, dass das Schichtsystem aus Haftschicht, lötbarer Schicht und Schutzschicht eine Gesamtdicke kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, aufweist, insbesondere ein Schichtsystem aus Haftschicht, lötbarer Schicht, Schutzschicht und Anti-Agglomerationsschicht eine Gesamtschichtdicke kleiner 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, aufweist.
Vorteilhafterweise wird das Schichtsystem nach Aufbringen auf das erste Werkstück und vor Aufbringen des Lots auf eine Temperatur von zumindest 300 °C für zumindest 10 s erwärmt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Defekte ausgeheilt werden.
Zur Kostenreduktion wird das an der Lötseite aufgebrachte Schichtsystem bevorzugt mit einer Gesamtdicke von 100 nm, bevorzugt kleiner 50 nm, insbesondere kleiner 25 nm, ausgebildet.
Der Lötvorgang wird bevorzugt unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre (insbesondere Umgebungsluft) ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der maschinelle Aufwand sowie die Betriebskosten deutlich niedriger und der Durchsatz höher sind als bei Löten in O2-armer Atmosphäre oder im Vakuum.
Untersuchungen der Anmelderin zeigen, dass für den Lötvorgang das Lot bevorzugt für eine Zeitdauer kleiner 30 s, insbesondere kleiner 10 s, bevorzugt kleiner 3 s aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird ein Lösen der Stoffe der lötbaren Schicht im Lot weiterhin verringert und darüber hinaus eine Beeinträchtigung der Werkstücke aufgrund der Wärmeeinwirkung vermieden oder zumindest verringert.
Die zu lötende Oberfläche des Werkstücks ist diejenige Oberfläche, welche mittels Löten mit dem anderen Werkstück verbunden werden soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Verbinden temperatursensitiver Werkstücke geeignet. So können Glas, Keramiken (Al₂O₃, ZrO₂ oder andere), ebenso Metallkeramikverbunde (TiC, oder andere) mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet und einem Lötvorgang zugänglich gemacht werden. Die zu lötende Oberfläche ist hierbei typischerweise die unmittelbare Oberfläche des beschriebenen Werkstoffs. Weiterhin können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Oberflächen mit schwer lötbaren Metallen wie beispielsweise Ti, W, Cr, Zr an sich bekannter Lötverfahren unter Verwendung an sich bekannter Lote zugänglich gemacht werden. Die zu lötende Oberfläche ist hierbei entsprechend die Oberfläche der beschriebenen Metallschicht.
Insbesondere findet das erfindungsgemäße Verfahren eine vorteilhafte Anwendung bei dem Verbinden eines Werkstücks mittels Löten, welches Werkstück an der Lötseite eine Aluminiumschicht aufweist. Die zu lötende Oberfläche ist hierbei somit die Aluminiumschicht. Bei einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere elektrischen und elektronischen Anwendungen, weisen die Bauelemente Aluminiumflächen auf, welche mittels Löten elektrisch und mechanisch leitend mit einem zweiten Werkstück, insbesondere zum elektrischen Zuführen und/oder Abführen von Ladungen, über das zweite Werkstück verbunden werden sollen. Hierfür ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.
Das Schichtsystem des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf diverse Aluminiumoberflächen (mittels Siebdruckpaste hergestellte Aluminiumflächen, mittels PVD hergestellte Aluminiumflächen, Aluminiumfolien, Aluminiumbleche, Aluminiumkörper oder Aluminiumbauteile und -werkzeuge) aufgebracht werden. Es ergeben sich somit nur geringe Einschränkungen, sofern die zu lötende Fläche des Werkstücks mittels eines PVD-Verfahrens beschichtet werden kann. Hierdurch ergibt sich somit insbesondere die vorteilhafte Möglichkeit, Aluminiumflächen eines Werkstücks unter Weichlötbedingungen zu kontaktieren. Dies ermöglicht wiederum weitere Prozessvereinfachungen wie beispielsweise ein Löten unter Normaldruck und Normalatmosphäre, ein Löten bei niedrigeren Temperaturen statt bei Hochtemperaturen (insbesondere statt Hartlöten) sowie der Verzicht auf aggressive Chemikalien, die in vorbekannten Prozessen verwendet werden, um ein Benetzen einer Aluminiumfläche mittels Lot zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, um photovoltaischen Solarzellen mittels Löten elektrisch zu kontaktieren, insbesondere um die Solarzelle mit einer benachbarten Solarzelle oder einem externen Stromkreis elektrisch leitend zu verbinden. Für viele Solarzellenstrukturen, insbesondere auf Silizium basierenden Solarzellenstrukturen, ist es vorteilhaft, rückseitig eine Aluminium enthaltende oder aus Aluminium bestehende Kontaktierungsstruktur vorzusehen. Insbesondere bei solchen Solarzellen wird das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise zur elektrischen Kontaktierung der Aluminiumoberfläche eingesetzt.
Es sind besonders kosteneffiziente Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle bekannt, bei welchen eine Aluminiumfolie zum Ausbilden einer metallischen Kontaktstruktur für ein Halbleiterbauelement, insbesondere für eine auf Silizium basierende photovoltaische Solarzelle verwendet wird. Ein solches Verfahren ist in DE 10 2006 044 936 A1 beschrieben.
Die Verwendung einer Aluminiumfolie zur Kontaktierung eines Halbleiterbauelementes und insbesondere einer photovoltaischen Solarzelle führt zu einer Material- und Prozessvereinfachung und somit zu einer Kostenreduzierung. Zur Verschaltung einer solchen Solarzelle im Modul stellt eine solche Solarzellenstruktur die Verbindungstechnik jedoch vor große Herausforderungen, da die Aluminiumfolie eine geringe Dicke und typischerweise in hohem Maße schlecht mittels eines Lot benetzbare Fläche aufweist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren daher zur elektrischen Kontaktierung einer metallischen Kontaktstruktur eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer photovoltaischen Solarzelle, verwendet, welche metallische Kontaktstruktur mittels einer Aluminiumfolie ausgebildet ist. Eine solche Kontaktstruktur unterscheidet sich von anderen metallischen Kontaktstrukturen somit dadurch, dass keine metallische Schicht erzeugt, insbesondere aufgedampft wird, sondern eine Aluminiumfolie an dem Halbleiterbauelement zur Ausbildung der metallischen Kontaktstruktur angeordnet wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit bevorzugt eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet, insbesondere wird bevorzugt eine metallische Kontaktierungsstruktur einer photovoltaischen Solarzelle mit einer metallischen Zellverbinderstruktur verbunden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher bevorzugt das erste Werkstück als Halbleiterbauelement, insbesondere als Solarzelle, bevorzugt als photovoltaische Solarzelle, ausgebildet. Das zweite Werkstück ist bevorzugt als Leitungselement, insbesondere als Zellverbinder, ausgebildet. Mittels des Lots wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren erläutert. Dabei zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem 3-Schichtsystem mit Haftschicht,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem 2-Schichtsystem ohne Haftschicht und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einem 3-Schichtsystem mit Anti-Agglomerationsschicht.

Die Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
In allen Figuren ist untenliegend ein erstes Werkstück 1 dargestellt, welches vorliegend als photovoltaische Siliziumsolarzelle ausgebildet ist. Die Rückseite der Solarzelle ist jeweils obenliegend, wobei die Solarzelle rückseitig eine Aluminiumfolie als metallische Kontaktierungsstruktur aufweist, welche mit dem Verfahren gemäß DE 10 2006 044 936 A1 ausgebildet wurde.
Die Aluminiumfolie stellt somit die Lötseite des ersten Werkstücks 1 dar, welche somit in den Figuren jeweils obenliegend dargestellt ist.
Auf der Lötseite wird jeweils mittels eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Schichtsystem aufgebracht, um auf der dem ersten Werkstück abgewandten Seite des Schichtsystems anschließend ein Weichlot, bevorzugt ein Zinn-haltiges Lot aufzubringen und in einem Lötvorgang bei einer Temperatur von 250°C für eine Zeitdauer von wenigen Sekunden, insbesondere weniger als 5 Sekunden, eine mechanische und elektrisch leitende Verbindung mit einem (nicht dargestellten) metallischen Zellverbinder als zweites Werkstück auszubilden. Das Lot kann sowohl an der zu lötenden Oberfläche oder an einem Verbindungsstück, wie beispielsweise dem Zellverbinder, aufgebracht werden.
Jede Figur zeigt somit eine Vorstufe eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, an welcher zur Vervollständigung mittels Lot ein zweites Werkstück in einem Lötvorgang angeordnet wird.
Das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel wird mittels eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt. Hierbei wird auf dem ersten Werkstück 1 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung ein Vielschichtsystem aufgebracht:

Auf der Lötseite des ersten Werkstücks 1 werden nacheinander eine Haftschicht 2, eine lötbare Schicht 3 und eine Schutzschicht 4 aufgebracht. Die Haftschicht 2 ist als Cr-Schicht ausgebildet. Zuvor wird in einem Plasmaätzvorgang die Lötseite des ersten Werkstücks 1 konditioniert. Die Dicke der Haftschicht liegt im Bereich 1 nm bis 30 nm, vorliegend 10 nm. Die Haftschicht dient als Haftvermittler zwischen dem ersten Werkstück und den weiteren Schichten. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Haftschicht als CrON-Schicht, Ti-Schicht oder NiCr-Schicht ausgebildet sein.

In dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung der Struktur gemäß 1 wird nach Aufbringen der Haftschicht 2 eine lötbare Schicht 3 aufgebracht, die vorliegend als Cu-Schicht ausgebildet ist. Die lötbare Schicht hat eine mittlere Dicke im Bereich von 2 nm bis 98 nm, vorliegend 10 nm.
Das Vorsehen einer Haftschicht ist jedoch nicht zwingend notwendig. In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 2 wird lediglich ein Zweischichtsystem nach dem Verfahren wie zuvor beschrieben, jedoch ohne Aufbringen einer Haftschicht, erzeugt.
Die Schutzschicht 4 ist vorliegend als Ag-Schicht ausgebildet. Ebenso ist in einem alternativen Ausführungsbeispiel die Verwendung eines anderen Edelmetalls möglich. Die Schutzschicht 4 stellt - wie in den Figuren ersichtlich - stets die obenliegende Schicht dar, auf welcher das Lot zur Verbindung mit dem zweiten Werkstück aufgebracht wird. Die Schutzschicht 4 weist eine mittlere Dicke im Bereich von 2 nm bis 98 nm auf, vorliegend 30 nm. Die Schutzschicht dient dazu, eine Oxidation der lötbaren Schicht zu vermeiden. Ebenso muss die Schutzschicht sich ausreichend schnell im Lot lösen, um ein Weichlöten zu ermöglichen.
Für manche Herstellungsprozesse, insbesondere von photovoltaischen Solarzellen, ist es vorteilhaft, die metallische Kontaktierungsstruktur zu erwärmen, insbesondere in einem sogenannten Annealing. Bei der in DE 10 2013 219 560 A1 beschriebenen Solarzelle ist ein Annealing-Schritt bei einer Temperatur von 400°C für 10 s vorteilhaft. Eine Durchführung eines solchen Annealing würde jedoch zu einer Agglomeration der zuvor beschriebenen Schutzschicht 4 führen. Dennoch kann das erfindungsgemäße Verfahren mit vorgelagerten Wärmebehandlungsschritten, insbesondere Annealing-Schritten, kombiniert werden, bevorzugt gemäß einer der beiden nachfolgenden Varianten:

In einer ersten vorteilhaften Abhandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Legierung ausgebildet, welche die Bildung von Agglomeraten vermeidet. In diesem Fall wird die Schutzschicht 4 als Legierungsschicht ausgebildet.
In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel wird die Schutzschicht 4 als Silber-Kupfer-Legierung ausgebildet, mit einem Massenanteil von Kupfer im Bereich 0,02 bis 0,15, vorliegend 0,08. Silber weist einen Massenanteil im Bereich von 0,98 bis 0,85, vorliegend 0,92, auf. Das Ausbilden einer Legierung vermeidet einen diffusionsgesteuerten Agglomerationsprozess, sodass die Stabilität der Schutzschicht 4 auch bei einer Wärmebehandlung wie zuvor beschrieben, insbesondere bei einem Annealing gewährleistet ist.

In einer zweiten Variante des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich auf die Schutzschicht 4 eine Anti-Agglomerationsschicht aufgebracht. Vorliegend wird auf die zuvor beschriebene Schutzschicht 4, welche als Ag-Schicht ausgebildet ist, eine Cu oder Ni-Schicht aufgebracht. Untersuchungen zeigen, dass es nicht notwendig ist, dass die Anti-Agglomerationsschicht 5 die Schutzschicht 4 vollständig bedeckt. Vielmehr sind in vielen Fällen schon nicht zusammenhängende Schichten mit einer mittleren Dicke von 0.5-4.5 nm ausreichend. Die Anti-Agglomerationsschicht 5 vermeidet die diffusionsgesteuerte Agglomeration und führt somit zu einer Stabilität der Schutzschicht 4 auch bei einer thermischen Vorbehandlung, insbesondere einem Annealing. Ein solches Schichtsystem, vorliegend ohne Vorsehen einer Haftschicht, ist in 3 dargestellt. Ebenso ist in einer Abwandlung zusätzlich das Vorsehen einer Haftschicht zwischen erstem Werkstück 1 und lötbaren Schicht 3 möglich.
Die Verwendung einer Anti-Agglomerationsschicht 5 oder das Ausbilden der Schutzschicht als Legierung sind jedoch nicht nur vorteilhaft, wenn wie zuvor beschrieben ein Annealing erfolgt. Grundsätzlich sind solche Schichten vorteilhaft, wenn das Schichtsystem eine erhöhte Stabilität aufweisen soll, insbesondere über eine längere Zeitdauer. Wie zuvor beschrieben, sind dünne Silberschichten (insbesondere bei einer Schichtdicke kleiner 50 nm) instabil, wenn sie Umgebungsluft ausgesetzt werden. Durch die Verwendung von Anti-Agglomerationsschichten oder einer als Legierung ausgebildeten Schutzschicht wie zuvor beschrieben kann die Zeitdauer, in welcher die lötbare Schicht Umgebungsluft ausgesetzt ist, erheblich verlängert werden.

In der nachfolgenden Tabelle sind vorteilhafte Ausgestaltungen für erfindungsgemäße Schichtsysteme in jeweils einer Spalte mit dem Material der Schicht (unterstrichen), Schichtdicken in nm (Dickdruck) sowie ggf. mit Legierungsanteilen bei den mittels „:“ genannten Legierungen (kursiv) angegeben. In Klammern sind jeweils vorteilhafte Wertebereiche angegeben:

Schicht	Material
Schicht	ggf. Legierungsanteil in wt% Schichtdicke
Haftschicht (2)	Cr	-	Cr	Cr	-	-
Haftschicht (2)	10 nm (2 nm -20 nm)	-	10 nm (2 nm-20 nm)	10 nm (2 nm -20 nm)	-	-
Lötfähige Schicht (3)	NiCr	NiCr	NiCr	NiCr	NiCr	NiCr
Lötfähige Schicht (3)	10 nm (2 nm -98 nm)	10 nm (2nm - 98 nm)	10 nm (2-98 nm)	10 nm (2-98 nm)	10 nm (2-98 nm)	10 nm (2-98 nm)
Schutzschicht (4)	Ag	Ag	Ag	Ag:Cu	Ag	Ag:Cu
Schutzschicht (4)	30 nm (2nm - 98 nm)	30 nm (2 nm-98 nm)	30 nm (2 nm - 98 nm)	92:8 (85:15-98:2) 30 nm (2 nm-98 nm)	30 nm (2 nm - 98 nm)	92:8 (85:15-98:2) 30 nm (2 nm - 98 nm)
Anti-Agglomerationsschicht (5)	-	-	Cu	-	Cu	-
Anti-Agglomerationsschicht (5)	-	-	2 nm (0,25nm - 10nm)	-	2 nm (0,25nm-10nm)	-

Bezugszeichenliste

1: erstes Werkstück
2: Haftschicht
3: lötbare Schicht
4: Schutzschicht
5: Anti-Agglomerationsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013219560 A1 [0007, 0066]
DE 102006044936 A1 [0052, 0058]

Claims

Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke mittels Löten, mit den Verfahrensschritten Aufbringen eines Lots auf zumindest eine Lötseite eines ersten Werkstücks und Aufschmelzen des Lots mittels Wärmeeinwirkung vor und/oder nach Anordnen des zweiten Werkstücks an der Lötseite des ersten Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lötseite zumindest des ersten Werkstücks vor Aufbringen des Lots ein Schichtsystem mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgebracht wird, welches zumindest eine lötbare Schicht (3) und zumindest eine Schutzschicht (4) umfasst, wobei die Schutzschicht (4) mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht aufgebracht wird, wobei die Schutzschicht (4) mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer} enthält, die lötbare Schicht (3) mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält, dass die lötbare Schicht (3) unmittelbar auf die zu lötende Oberfläche des ersten Werkstücks aufgebracht wird oder lediglich Schichten mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm zwischen der zu lötenden Oberfläche und der lötbaren Schicht angeordnet werden, dass die Schutzschicht (4) und die lötbare Schicht (3) jeweils mit einer mittleren Dicke im Bereich 2 nm bis 98 nm ausgebildet werden, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm ist und dass das Lot während des Lötvorgangs auf eine Temperatur kleiner 350°C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) aus einem Material mit einer Löslichkeit im Lot größer 50 nm/s, bevorzugt größer 100 nm/s, jeweils @ 250 °C in PbSn-Lot (40 Massenprozent Sn) und die lötbare Schicht (3) aus einem Material mit einer Löslichkeit im Lot kleiner 50 nm/s, bevorzugt kleiner 10 nm/s, jeweils @ 250 °C in PbSn-Lot (40 Massenprozent Sn) aufweisend ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) mit einen Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Ag, Cu} enthaltend, insbesondere mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 Ag enthaltend ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lötbare Schicht (3) mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Ni, Cr, V, NiCr, NiV, W, Mo, Ti, Fe} enthaltend ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (4) als Legierung, insbesondere eine Kupfer aufweisende Legierung, bevorzugt als Silber-Kupfer-Legierung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem eine Anti-Agglomerationsschicht (5) aufweisend ausgebildet wird, welche mittelbar oder bevorzugt unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der Schutzschicht (4) diese zumindest teilweise bedeckend, bevorzugt vollständig bedeckend, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anti-Agglomerationsschicht (5) mit einem Massenanteil von zumindest 0,5 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Kupfer, Silber} enthaltend ausgebildet wird und dass die Anti-Agglomerationsschicht (5) mit einer mittleren Dicke kleiner 10 nm, insbesondere kleiner 5 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem eine Haftschicht (2) aufweisend ausgebildet wird, welche mittelbar oder bevorzugt unmittelbar zwischen lötbarer Sicht und erstem Werkstück mit einer zur lötbaren Sicht unterschiedlichen Stoffzusammensetzung ausgebildet wird, insbesondere, dass die Haftschicht (2) mit einem Massenanteil größer 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält, insbesondere aus der Gruppe {Cr, Ni, V, Ti}, und/oder dass die Haftschicht (2) mit einer Dicke kleiner 15 nm, bevorzugt kleiner 10 nm, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen des Schichtsystems und vor Aufbringen des Lots das Schichtsystem auf eine Temperatur von zumindest 300°C für zumindest 10s erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem mit einer Gesamtdicke kleiner 100 nm , bevorzugt kleiner 50 nm, besonders bevorzugt kleiner 25 nm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lötvorgang unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Lötvorgang das Lot für eine Zeitdauer kleiner 30 s, insbesondere kleiner 10 s, bevorzugt kleiner 3 s aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verfahrens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet wird, insbesondere, dass mittels des Verfahrens eine metallische Kontaktierungsstruktur einer Solarzelle mit einer metallischen Zellverbinderstruktur verbunden wird.
Vorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Werkstück, wobei erstes und zweites Werkstück mittels eines Lots verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erstem Werkstück und Lot ein Schichtsystem angeordnet ist, welches zumindest eine lötbare Schicht (3) und zumindest eine Schutzschicht (4) umfasst, wobei die Schutzschicht (4) mittelbar oder unmittelbar an der dem ersten Werkstück abgewandten Seite der lötbaren Schicht angeordnet ist, wobei die Schutzschicht (4) mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe {Edelmetalle, Kupfer} enthält, die lötbare Schicht (3) mit einem Massenanteil von zumindest 0,8 einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe der Übergangsmetalle enthält und dass die lötbare Schicht (3) unmittelbar auf der zu lötende Oberfläche des ersten Werkstücks angeordnet ist oder lediglich Schichten mit einer Gesamtdicke kleiner 20 nm zwischen der zu lötenden Oberfläche und der lötbaren Schicht angeordnet sind, dass die Schutzschicht (5) und die lötbare Schicht (3) jeweils mit einer mittleren Dicke im Bereich 2 nm bis 100 nm ausgebildet sind, wobei die Summe beider Schichtdicken kleiner 100 nm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Werkstück als Halbleiterbauelement, insbesondere als Solarzelle ausgebildet ist, dass das zweite Werkstück als Leitungselement, insbesondere als Zellverbinder ausgebildet ist und dass mittels des Lots eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zweitem Werkstück ausgebildet ist.