JP2006140039A - リード線及びそれを用いた太陽電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン結晶ウェハの厚さに関係なく、良好な接合が可能なリード線及びそれを用いた太陽電池を提供するものである。
【解決手段】 本発明に係るリード線１０は、導体１１の外周の少なくとも一部をはんだ膜１５で被覆したものであり、はんだ膜１５を、常温でのヤング率が40GPa以下、引張強さが40MPa以下、0.2％耐力が30MPa以下のはんだ合金で構成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リード線に係り、特に、太陽電池のシリコン結晶ウェハに接続される電力伝送用リード線に関するものである。

太陽電池には、基板上にシリコン結晶を成長させた半導体チップが使用されている。この半導体チップを切断、分割してなるシリコン結晶ウェハの所定の領域（接点領域）に、はんだ付けなどにより接続用リード線が接合され、この接続用リード線を通じて電力が伝送（出力）される。

通常、接続用リード線として、導体の表面に、シリコン結晶ウェハとの接続のためのはんだめっき膜が形成される。例えば、導体としてタフピッチ銅や無酸素銅などの純銅の平角導体を用い、はんだめっき膜の構成材としてＳｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いた接続用リード線がある（例えば、特許文献１参照）。

また、近年、環境への配慮から、はんだめっき膜の構成材として、Ｐｂを含まないはんだ（Ｐｂフリーはんだ）への切り替えが検討されている（例えば、特許文献２参照）。

太陽電池を構成する部材の内、シリコン結晶ウェハが材料コストの大半を占めている。このため、製造コストの低減を図るべく、シリコン結晶ウェハの薄板化が検討されている。しかし、シリコン結晶ウェハを薄板化すると、接続用リード線のはんだ接合時における加熱プロセスや、太陽電池使用時における温度変化により、シリコン結晶ウェハに変形（反りなど）が生じたり、破損が生じたりするという不具合が起こる。これらは、太陽電池モジュールの生産性低下を招いたり、また、太陽電池モジュールを長期間にわたって使用した際に発電効率の低下を招き、信頼性を低下させる要因となってしまう。

よって、これらの不具合に対処するために、接続用リード線として熱膨張が小さいもの、また、はんだメッキ膜の構成材として溶融温度の低いものが採用されてきた。熱膨張が小さいリード線の例として、銅材と熱膨張が小さいインバー（登録商標）材をクラッドしてなる条（銅−インバー（登録商標）−銅）をリードフレームとして用いたものがある（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−２１６６０号公報 特開２００２−２６３８８０号公報 特開２００２−１６４５６０号公報

ところが、今後、シリコン結晶ウェハの薄板化がさらに進むと、リード線の導体として低熱膨張のものを用いても、シリコン結晶ウェハとリード線の熱膨張係数が同じでない限り、シリコン結晶ウェハに変形（反りなど）が生じたり、破損が生じたりするという不具合が再び起こるおそれがあった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、シリコン結晶ウェハの厚さに関係なく、良好な接合が可能なリード線及びそれを用いた太陽電池を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るリード線は、導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記はんだ膜を、常温でのヤング率が40GPa以下、引張強さが40MPa以下、0.2％耐力が30MPa以下のはんだ合金で構成したものである。

また、本発明に係るリード線は、導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記はんだ膜を、
Sn-0.10〜0.80mass％Cu合金、
Sn-0.10〜0.80mass％Cu-0.1〜0.55mass％Ag合金、
又はSn-0.10〜0.80mass％Cu-0.1〜0.35mass％Sb合金、
で構成したものである。

ここで、導体は、軟銅、又は銅材とFe-Ni合金材のクラッド材で構成することが好ましい。また、導体は平角線材であることが好ましい。

一方、本発明に係る太陽電池は、上述したリード線とシリコン結晶ウェハを、上記はんだ膜を構成するはんだ合金を介して接合したものである。

本発明によれば、シリコン結晶ウェハの厚さに関係なく、リード線とシリコン結晶ウェハを良好にはんだ接合することができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係るリード線の横断面図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係るリード線１０は、平角導体１１の外周の全体を、常温でのヤング率が40GPa以下、引張強さが40MPa以下、0.2％耐力が30MPa以下のはんだ合金で構成されるはんだ膜１５で被覆したものである。

具体的には、はんだ膜１５は、
Sn-0.10〜0.80mass％Cu合金、
Sn-0.10〜0.80mass％Cu-0.1〜0.55mass％Ag合金、
又はSn-0.10〜0.80mass％Cu-0.1〜0.35mass％Sb合金、
で構成される。

ここで、はんだ膜１５を構成するSn-Cu合金、Sn-Cu-Ag合金、又はSn-Cu-Sb合金のＣｕ含有量を0.10〜0.80mass％以下としたのは、Ｃｕ含有量が0.10mass％未満だと、はんだ膜１５の表面からウィスカが発生し易くなることからウィスカ性が高まり、信頼性が低下するためである。また、Ｃｕ含有量が0.80mass％を超えると、はんだ合金の液相温度が大きく上昇するためである。

また、はんだ膜１５を構成するSn-Cu-Ag合金（又はSn-Cu-Sb合金）のＡｇ含有量を0.10〜0.55（又はＳｂ含有量を0.10〜0.35）mass％以下としたのは、Ａｇ（又はＳｂ）含有量が0.10mass％未満だと、添加効果が得られないためである。また、Ａｇ含有量が0.55（又はＳｂ含有量が0.35）mass％を超えると、ヤング率、引張強さ、又は0.2％耐力の少なくとも１つが上述した規定値を超えるためである。

はんだ膜１５の膜厚は、平角導体１１の厚さの1/4〜1/20、好ましくは1/5〜1/10、特に好ましくは1/6〜1/8とされる。

平角導体１１は、軟銅からなる平角線材で構成される。平角線材の構成材としては、軟銅に限定するものではなく、例えば、導電性が高く、かつ、低熱膨張のもの（又はシリコン結晶ウェハと熱膨張が一致するもの）や、低耐力のもの（又は低強度のもの）であればよい。

また、平角導体１１としては、一般的な平角線材の他に、素線（丸線）を偏平させてなる線材や、複数本の素線を撚り合わせた撚線を偏平させてなる線材を用いることもできる。この場合、素線としては、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、又はFe-Ni合金素線が挙げられる。ここで言うＣｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線とは、Ｃｕ又はＣｕ合金、Ａｌ又はＡｌ合金、Ａｇ又はＡｇ合金、Ａｕ又はＡｕ合金で構成された素線である。Fe-Ni合金素線の構成材としては、好ましくはインバー（登録商標）が挙げられる。また、撚線は、Ｃｕ素線、Ａｌ素線、Ａｇ素線、Ａｕ素線、Fe-Ni合金素線、又はそれらを組み合わせたもので構成される。

平角導体１１の外周の全体にはんだめっきを行うことではんだ膜１５が形成され、図１に示した本実施の形態に係るリード線１０が得られる。この時、はんだ膜１５の形成方法は、特に限定するものではなく、導体に対する慣用のめっき方法が全て適用可能である。

このようにして製造した本実施の形態に係るリード線１０を、シリコン結晶ウェハにおけるセル面の所定の接点領域（例えば、Ａｇめっき領域）及びフレーム部材（例えば、リードフレーム）の所定の接点領域に、はんだ膜１５を構成するはんだ合金を介して接続することで、太陽電池（太陽電池モジュール（図示せず））が得られる。セル面及びリードフレームの所定の接点領域にも、接合用のはんだ膜１５を設けてもよい。

本実施の形態においては、平角導体１１を、軟銅単体からなる平角線材で構成した場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、図２に示すように、銅材２３ａ，２３ｂとFe-Ni合金材２２のクラッド材からなる平角線材で構成した平角導体２１であってもよい。クラッド材の層構造は、３層に限定するものではなく、２層又は４層以上であってもよい。

また、本実施の形態においては、平角導体１１の外周の全体をはんだ膜１５で被覆した場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、平角導体１１の外周の一部（例えば、平角導体１１の上面及び／又は下面）だけを、はんだ膜１５で被覆するようにしてもよい。

さらに、本実施の形態においては、平角導体１１の外周の全体に、直接、はんだ膜１５を形成する場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、平角導体１１の外周の全体に、めっき処理を施して純Ｓｎめっき膜を形成した後、通電加熱などの加熱処理を施してＣｕ及びＳｎを相互に拡散させ、はんだ膜１５を形成するようにしてもよい。この時、はんだ膜１５におけるＣｕ含有量が0.10〜0.80mass％となるように、通電加熱時の印加電圧及び／又は通電時間を制御する。

次に、本実施の形態に係るリード線１０の作用を説明する。

リード線１０とシリコン結晶ウェハとのはんだ接合時、熱付与によってリード線１０の平角導体１１が熱膨張する。例えば、Ｃｕ導体であれば、その熱膨張率は0.3％程度である。つまり、リード線１０は、平角導体１１が熱膨張した状態でシリコン結晶ウェハとはんだ接合される。その後、熱付与を止めることではんだが冷却され、凝固するが、この冷却時に平角導体１１が熱収縮する。これに伴って、熱付与後の平角導体１１の内部には残留応力が生じる。この残留応力がシリコン結晶ウェハに反りが生じる原因であり、残留応力の大きさがシリコン結晶ウェハの反り量を決定する。

ここで、本実施の形態に係るリード線１０においては、はんだ膜１５を構成するはんだ合金を、常温でのヤング率、引張強さ、及び0.2％耐力が、一般的なPbフリーはんだ合金、例えば、Sn-0.5mass％Cu-3mass％Ag合金よりも低くなるように、化学成分組成を調整している。具体的には、はんだ膜１５を構成するはんだ合金の、常温でのヤング率を40GPa以下、引張強さを40MPa以下、0.2％耐力を30MPa以下としている。ヤング率が小さい程、小さな外力で弾性変形が可能となり、また、引張強さ（又は0.2％耐力）が小さい程、小さな外力で塑性変形が可能となる。このことから、はんだ膜１５を構成するはんだ合金は、小さな外力で弾性変形及び塑性変形が可能である。

よって、本実施の形態に係るリード線１０とシリコン結晶ウェハをはんだ接合すると、はんだ膜１５を構成するはんだ合金が、平角導体１１の熱膨張や熱収縮に追従して変形し、平角導体１１に生じた残留応力などを吸収、緩和する。つまり、はんだ接合の際、シリコン結晶ウェハの厚さに関係なく、シリコン結晶ウェハに与える負荷が著しく小さくなる。その結果、シリコン結晶ウェハに変形（反りなど）が生じたり、破損が生じたりするという不具合が起こるおそれは殆どない。よって、リード線１０とシリコン結晶ウェハの熱膨張係数に差異があっても、リード線１０とシリコン結晶ウェハを良好にはんだ接合することができる。

また、本実施の形態に係るリード線１０のはんだ膜１５を構成するはんだ合金は、従来の一般的なＰｂフリーはんだ（例えば、Sn-0.50mass％Cu-3.0mass％Ag）と比較してＡｇ含有量が少ない。よって、本実施の形態に係るリード線１０は、従来の一般的なＰｂフリーはんだを用いたリード線と比較して、製造コストが安価となる。

本実施の形態に係るリード線１０を太陽電池の接続用リード線として用いることで、はんだ接合後のシリコン結晶ウェハにおいて反りがほとんど生じなくなることから、太陽電池モジュールの生産性向上を図ることができる。

本実施の形態に係るリード線１０は、太陽電池モジュールのリード線として適用することができる他に、はんだ接合後の反りが問題となるような部品のリード線として使用することが可能である。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
軟銅からなる平角導体の周囲全体にはんだめっきを施し、Ｃｕを0.30mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成され、膜厚が30μｍのはんだ膜を形成し、厚さ0.2ｍｍ、幅2ｍｍのリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が36GPa、引張強さが30MPa、0.2％耐力が19MPaであった。

（実施例２）
はんだ膜を、Ｃｕを0.75mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成した以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が35GPa、引張強さが32MPa、0.2％耐力が22MPaであった。

（実施例３）
はんだ膜を、Ｃｕを0.70mass％、Ｓｂを0.2mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成した以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が32GPa、引張強さが30MPa、0.2％耐力が21MPaであった。

（実施例４）
はんだ膜を、Ｃｕを0.70mass％、Ｓｂを0.3mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成した以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が32GPa、引張強さが31MPa、0.2％耐力が22MPaであった。

（実施例５）
はんだ膜を、Ｃｕを0.70mass％、Ａｇを0.3mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成した以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が38GPa、引張強さが37MPa、0.2％耐力が25MPaであった。

（実施例６）
はんだ膜を、Ｃｕを0.70mass％、Ａｇを0.5mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成した以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が39GPa、引張強さが39MPa、0.2％耐力が29MPaであった。

（実施例７）
はんだ膜を、Ｃｕを0.75mass％、Ａｇを0.5mass％含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物の合金で構成した以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が40GPa、引張強さが40MPa、0.2％耐力が30MPaであった。

（比較例１）
はんだ膜の組成をSn-0.70Cu-0.7Ag（単位：mass％）とした以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が41GPa、引張強さが41MPa、0.2％耐力が33MPaであった。

（比較例２）
はんだ膜の組成をSn-0.50Cu-1.0Ag（単位：mass％）とした以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が37GPa、引張強さが46MPa、0.2％耐力が28MPaであった。

（比較例３）
はんだ膜の組成をSn-0.50Cu-2.0Ag（単位：mass％）とした以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が42GPa、引張強さが46MPa、0.2％耐力が35MPaであった。

（従来例１）
はんだ膜の組成をSn-0.50Cu-3.0Ag（単位：mass％）とした以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が42GPa、引張強さが53MPa、0.2％耐力が40MPaであった。

（従来例２）
はんだ膜の組成をSn-0.75Cu-3.5Ag（単位：mass％）とした以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が45GPa、引張強さが53MPa、0.2％耐力が40MPaであった。

（従来例３）
はんだ膜の組成をSn-3.5Ag（単位：mass％）とした以外は、実施例１と同様にしてリード線を作製した。このはんだ膜を構成するはんだ合金は、常温におけるヤング率が44GPa、引張強さが41MPa、0.2％耐力が37MPaであった。

実施例１〜７、比較例１〜３、及び従来例１〜３の各リード線を、それぞれ１辺が100ｍｍ、厚さが2ｍｍのシリコン結晶ウェハの中央にはんだ接続した。接続後におけるシリコン結晶ウェハの反りを評価した。実施例１〜７、比較例１〜３、及び従来例１〜３の各リード線の諸元（はんだ膜の組成及び機械的特性）、評価結果を表１に示す。ここで、シリコン結晶ウェハの反りは、従来例１の反りを基準とした相対的な評価とした。

表１に示すように、実施例１〜７の各リード線は、はんだ膜を構成するはんだ合金の、常温におけるヤング率が32〜40GPa、引張強さが30〜40MPa、0.2％耐力が19〜30MPaであり、それぞれ規定値を満足しているため、シリコン結晶ウェハの反りは著しく小さかった。このことから、はんだ膜を構成するはんだ合金の、常温におけるヤング率を40GPa以下、引張強さを40MPa以下、0.2％耐力を30MPa以下とすることで、実施例１〜７の各リード線によるシリコン結晶ウェハの反りを著しく小さくできることが確認できた。

これに対して、従来例２のリード線は、はんだ膜を構成するはんだ合金のＡｇ含有量が3.5mass％であり、規定範囲（0.1〜0.55mass％）を大幅に超えていた。このため、従来例２のリード線におけるはんだ膜は、常温におけるヤング率、引張強さ、及び0.2％耐力がいずれも規定値より大きく、シリコン結晶ウェハの反りも従来例１と同程度と大きかった。

また、従来例３のリード線におけるはんだ膜は、Ａｇ含有量については従来例２のリード線におけるはんだ膜と同じであるものの、Ｃｕ含有量が極微量であった。その結果、従来例３のリード線におけるはんだ膜は、従来例２のリード線におけるはんだ膜と比べて、常温における引張強さが大幅に低かった。このため、従来例３のリード線によるシリコン結晶ウェハの反りは、従来例１，２の各リード線を用いた場合と比べて小さくなった。しかしその反りは、まだ十分に小さいものではなかった。

一方、比較例１〜３の各リード線におけるはんだ膜は、従来例１，２の各リード線におけるはんだ膜と比べて、常温におけるヤング率、引張強さ、及び0.2％耐力が小さい。よって、比較例１〜３の各リード線によるシリコン結晶ウェハの反りは、従来例１，２の各リード線を用いた場合と比べて小さくなった。ところが、比較例１〜３の各リード線は、はんだ膜を構成するはんだ合金のＣｕ含有量は規定範囲（0.1〜0.80mass％）を満足しているものの、Ａｇ含有量が0.7〜2.0mass％という具合に規定範囲（0.1〜0.55mass％）を超えていた。このため、常温におけるヤング率、引張強さ、及び0.2％耐力の全てについて、規定値を満足することはできなかった。よって、比較例１〜３の各リード線によるシリコン結晶ウェハの反りは、まだ十分に小さいものではなかった。

本発明の好適一実施の形態に係るリード線の横断面図である。 図１の一変形例である。

符号の説明

１０ リード線
１１ 導体
１５ はんだ膜

Claims (8)

1. 導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記はんだ膜を、常温でのヤング率が40GPa以下、引張強さが40MPa以下、0.2％耐力が30MPa以下のはんだ合金で構成したことを特徴とするリード線。
2. 導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記はんだ膜を、Sn-0.10〜0.80mass％Cu合金で構成したことを特徴とするリード線。
3. 導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記はんだ膜を、Sn-0.10〜0.80mass％Cu-0.1〜0.55mass％Ag合金で構成したことを特徴とするリード線。
4. 導体の外周の少なくとも一部をはんだ膜で被覆したリード線において、上記はんだ膜を、Sn-0.10〜0.80mass％Cu-0.1〜0.35mass％Sb合金で構成したことを特徴とするリード線。
5. 上記導体を軟銅で構成した請求項１から４いずれかに記載のリード線。
6. 上記導体を、銅材とFe-Ni合金材のクラッド材で構成した請求項１から４いずれかに記載のリード線。
7. 上記導体が平角線材である請求項１から６いずれかに記載のリード線。
8. 請求項１から７いずれかに記載のリード線とシリコン結晶ウェハを、上記はんだ膜を構成するはんだ合金を介して接合したことを特徴とする太陽電池。
   

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