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JP2014509444A - 光起電モジュール内においてシリコンウエハを装着するための新しい導体 - Google Patents

光起電モジュール内においてシリコンウエハを装着するための新しい導体 Download PDF

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JP2014509444A
JP2014509444A JP2013541214A JP2013541214A JP2014509444A JP 2014509444 A JP2014509444 A JP 2014509444A JP 2013541214 A JP2013541214 A JP 2013541214A JP 2013541214 A JP2013541214 A JP 2013541214A JP 2014509444 A JP2014509444 A JP 2014509444A
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Abstract

本発明は、銅材料と、電気的接続を確立するためにシリコンウエハ(3)の受入表面に装着されるように構成された装着表面(7)と、を有する、導体ワイヤの圧延方向に対して平行な長手方向軸(A)を有する導体(2)に関する。銅材料は、少なくとも99.5%の純度を有しており、この場合に、粒子は、長手方向軸(A)に対する最大で20度の角度範囲内において方向付けされた立方体軸の組を有する立方体組織を有し、且つ、これにより、粒子の少なくとも65%が前記立方体組織を有する。又、本発明は、導体(2)を製造するプロセスと、前記導体(2)及びシリコンウエハを有する光起電モジュールと、にも関する。
【選択図】図1

Description

本発明は、請求項1の特徴付け部分による細長い導体と、請求項10の特徴付け部分による導体を製造するプロセスと、シリコンウエハに装着された前記導体を有する光起電モジュールと、に関する。
結晶質シリコンの光起電モジュールは、一般に、直列に接続されたいくつかのシリコンウエハ又は太陽電池から構成されている。直列接続は、第1シリコンウエハの前面から次のシリコンウエハの背面に対して実施されており、且つ、以下同様である。シリコンウエハ間の電気的接続は、2本又は3本の銅ストリングワイヤをシリコンウエハのそれぞれの面上においてはんだ付けすることにより、実施される。ストリングが冷却の際に引っ張られるという事実に起因し、はんだ付けプロセスの際に又はその後にスキンシリコンウエハが反るという大きなリスクが存在している。これは、銅よりもシリコンのほうが熱膨張係数が格段に大きいために発生する。反りは、薄く且つもろいシリコンウエハ内の引張応力と関連しており、且つ、この結果、セル破壊が頻繁に生じることになる。又、極めて強力な機械的応力に起因し、ストリングワイヤ直下のウエハのエッジから亀裂が生じる場合もある。
電気的損失を低減するために、シリコンウエハの厚さを低減することが望ましい。更には、従来のすず−鉛はんだを、鉛を含まないすずによって置換することが望ましく、この結果、はんだ付け温度が上昇することになる。これらの要因は、シリコンウエハ内の機械的応力を増大させるように作用する。更には、同時に、現在のウエハサイズ、金属化パターンの設計、及びストリングワイヤの一般的概念を維持するというニーズも存在している。要するに、これは、ストリングワイヤの機械的特性が非常に重要な課題となることを意味しており、その理由は、ストリングワイヤの機械的特性は、はんだ付けプロセスにおいてシリコンウエハ内に生じる機械的応力に対して直接的な影響を有しているためである。
国際公開第2009/049572号パンフレットは、プレート形状の太陽電池モジュール内におけるシリコンウエハ用の導体の弾性的設計を有する改善されたケーブル接続を開示している。但し、この設計は、はんだ付けに起因したシリコンウエハの破壊及び亀裂の問題を解決してはいない。
米国特許第7173188号明細書は、はんだ付けの際の導体の巻付きを防止するために被覆された改善された導体について記述している。
米国特許出願公開第2009/0017325号明細書は、改善された曲がり易い疲労特性を有する圧延された銅フォイルについて記述しており、これは、立方体組織(cubic texture)を有する結晶粒子を伴う銅を結果的にもたらす5ステッププロセスにおいて製造される。但し、これは、高強度製品に使用される材料である。
シリコンウエハにおける破損のリスクを低減することができる改善された銅材料に対するニーズが依然として存在している。
本発明の目的は、導体の銅材料内における応力を極小化してシリコンウエハ上における負荷がウエハを損傷させるほどに十分に大きくなることを防止した改善されたストリングワイヤを提供するという点にある。
この目的は、銅材料が少なくとも99.5%の純度で存在しており、且つ、粒子が長手方向軸に対して最大で20度の角度範囲内において方向付けされた立方体軸の組を有する立方体組織を有し、且つ、これにより、粒子の少なくとも65%が前記立方体組織を有することを特徴とする冒頭に規定された導体によって実現される。
この銅材料の利点は、シリコンウエハ上における負荷が可能な限り小さくなるように、銅ストリングワイヤ内の応力が可能な限り極小化されることを保証するという点にある。この応力レベルは、ストリングワイヤの機械的特性によって決定され、これらの機械的特性は、銅材料の結晶組織及び微構造の適合による制御の影響を受けやすい。
銅の純度は、導体の機械的特性にとって重要である。一実施形態においては、銅材料は、少なくとも99.9%の純度を有する。
立方体組織内における粒子の向きに加えて、銅材料の大部分が立方体組織を有するという点も重要である。一実施形態においては、粒子の70〜100%が立方体組織を有している。
銅材料内における機械的応力を極小化するために、立方体組織内における粒子の向きが重要である。別の実施形態においては、立方体軸の組は、長手方向軸に対して15度の角度範囲内において方向付けされている。更なる実施形態においては、立方体軸の組は、長手方向軸に対して10度の角度範囲内において方向付けされている。
銅組織の鋭さ又は強度は、結果的に得られる機械的特性の異方性との関係において重要である。銅シート/ワイヤ内における十分な比率の粒子(結晶)がシート軸との関係において正しく方向付けられることが必要である。この観点における1つの重要な基準が、ストリングワイヤの長手方向軸と銅結晶の立方体軸の間における一致の程度である。立方体軸は、標準的な結晶ミラー指数表記法において、<100>方向と呼ばれている。材料の最適化には、粒子内の<100>方向とシート/ワイヤの長手方向軸の間における高度な一致が必要である。組織強度は、立方体軸指数(CA(cube axis)指数)によって最良に表され、これは、長手方向軸と<100>の間の角度が15度未満となるように方向付けされた銅の容積百分率として規定される。一実施形態においては、立方体軸指数は、少なくとも70%である。比較のために、特定の組織を有していない(即ち、ランダムに方向付けされた)銅材料は、15%未満のCA指数を有するであろう。
好ましくは、銅材料は、Electrolytic Tough Pitch銅又はOxygen−Free銅である。
所与のレベルの(熱)歪において、ストリングワイヤ内の応力は、2つの要因、即ち、銅材料の弾性係数(ヤング係数E)及び降伏応力(Rp)に左右されることになる。ヤング係数は、結晶組織によってのみ制御され、降伏応力は、組織と微構造(粒子構造)の両方によって左右される。一実施形態においては、銅材料は、50MPa未満の降伏応力を有する。
強力な立方体組織は、立方体組織を有していない類似の材料と比較した場合に、ストリングワイヤ内の弾性応力レベルを最大で45%だけ低減することになる。一実施形態においては、銅材料は、95GPaを下回るヤング係数を有する。
又、本発明の目的は、
a)銅材料を圧延機に配置するステップと、
b)銅材料を20%〜80%だけ縮小するように圧延方向に沿って圧延するステップであって、銅製品を形成する、ステップと、
c)銅製品を600℃未満の温度においてアニーリングするステップと、
d)ステップb)及びc)を任意選択によって反復するステップと、
e)銅製品を少なくとも80%だけ縮小するように冷間圧延するステップと、
f)銅製品を250℃より高い温度において最終アニーリングするステップと、
をプロセスが有することを特徴とする少なくとも99.5%の純度の銅材料を有する導体を製造するプロセスによっても実現される。
上述のように、銅材料の特性は、銅材料内の機械的応力を極小化するために重要である。従って、一実施形態においては、プロセスは、好ましくは、少なくとも99.9%の純度を有する銅材料によって実行される。別の実施形態においては、ステップb)及びc)の後の銅材料の粒子サイズは、5〜25μmである。更なる実施形態においては、銅材料は、Electrolytic Tough Pitch銅又はOxygen−Free銅である。
上述のプロセスによって得られた銅材料の機械的特性を更に最適化するために、プロセスパラメータのいくつかを変更することができる。別の実施形態においては、ステップb)における縮小は、30〜80%である。更なる実施形態においては、ステップc)における温度は、300〜400℃である。更に別の実施形態においては、ステップd)における縮小は、90〜99%である。一実施形態においては、ステップf)における温度は、500℃より高い。
又、本発明の目的は、上述のプロセスによって製造された導体によっても実現される。
一実施形態においては、導体の装着表面は、すずに基づいたはんだ材料によって被覆される。
本発明は、導体の装着表面及びシリコンウエハの受入表面を加熱してはんだ材料を溶融させ、これにより、加熱された材料の冷却の際に導体とシリコンウエハの間に装着部が形成されることを特徴とする導体をシリコンウエハに装着するプロセスに更に関する。
本発明の一実施形態は、少なくとも1つの導体に装着された少なくとも1つのシリコンウエハを有する光起電モジュールに関する。
以下、様々な実施形態に関する説明を通じて、且つ、添付図面を参照し、本発明について更に詳しく説明することとする。
図1は、導体によって接続された一連のシリコンウエハを有する光起電モジュールの概略図である。 図2は、シリコンウエハの受入表面及び導体の装着表面の概略図である。 図3は、製造プロセスの流れ図である。
図1は、少なくとも1つの導体2に装着された少なくとも1つのシリコンウエハ3を含む光起電モジュール1の一例を示している。通常、光起電モジュール1は、導体2によって互いに接続された一連のシリコンウエハ3を有しており、これにより、1つのシリコンウエハ3は、少なくとも2本の又は少なくとも4本の導体2に装着されている。
図2は、光起電モジュール又は結晶性シリコンの光起電モジュール1内において使用するための改善された導体2を示している。導体2は、銅材料からなる導体コア5と、すずに基づいたはんだ材料6の被覆と、を有する。被覆は、好ましくは、すずに基づいた鉛を含まないはんだ材料6を有するが、その他のはんだ材料6を使用してもよい。
一般に、導体2の導体コア5の全体が被覆6によって被覆される。図2においては、導体2の構造を示すために、導体2の右側部分の導体コア5を露出させている。導体コア5は、矩形断面を有してもよい。この矩形断面により、導体2は、シリコンウエハ3の上部及び/又は下部表面4a、4bに装着されるように適合された平坦な表面を形成する。
はんだ材料6は、シリコンウエハ3の上部又は下部表面4a、4bとの接触状態において配置されるように適合された装着表面7を形成している。図1を参照すれば、装着表面7は、第1シリコンウエハ3の上部表面4a上の受入表面との(導体2が実線によってマーキングされている)、並びに、隣接する第2シリコンウエハ3の下部表面4b上の受入表面との(導体2が破線によってマーキングされている)、接触状態において配置されるように適合されている。上部表面4a及び下部表面4bは、第1及び第2シリコンウエハ3の反対側に配置されている。
導体2は、第1シリコンウエハ3の上部表面4a上の受入表面との、並びに、隣接する第2シリコンウエハ3の下部表面4b上の受入表面との、接触状態において導体2を配置し、且つ、導体2と共に第1及び第2シリコンウエハ3を加熱し、これにより、はんだ材料6を溶融させることにより、シリコンウエハ3に装着される。これにより、加熱された材料の冷却の際に導体2とシリコンウエハ3の間に装着部が形成される。
はんだ付けの際の熱に起因し、且つ、シリコンウエハ3が壊れやすいため、導体2の導体コア5の材料として、シリコンウエハ3の損傷を防止するものを使用することが重要である。
シリコンウエハ3内の機械的応力を軽減するために、導体コア5の長手方向軸Aの方向における導体コア5の材料の降伏強度は小さいことが望ましい。このような応力は、シリコンウエハ3の材料と導体2の材料の間の熱伝導率の違いに起因して発生する。
導体コア5は、少なくとも99.5%の純度を有する銅材料から構成される。純度は、99.6%、又は99.7%、又は99.8%、又は99.9%であってもよい。銅材料中の不純物の量は、好ましくは、0.5%未満である。
銅材料は、市場において入手可能な任意の銅材料であってよい。好ましくは、銅材料は、Electrolytic Tough Pitch銅又はOxygen−Free銅である。
機械的特性は、立方体組織を有する粒子の数によって向上する。好ましくは、導体の銅材料内の粒子の少なくとも70%又は75%が立方体組織を有する。銅材料は、立方体組織内において、粒子の80〜100%、又は80〜90%、又は90〜99.9%、又は95〜99.9%を有してもよい。
導体コア5の長手方向軸Aは、基本的に導体ワイヤの圧延方向に対して平行である。更には、導体コア5の銅材料は、長手方向軸Aに対して方向付けされた立方体軸の第1の組と、長手方向軸Aに対して基本的に垂直に方向付けされた立方体軸のもう1つの組と、を有する立方体組織内において方向付けされた粒子から構成される。軸の第1の組の角度は、長手方向軸Aを逸脱してもよい。この対称的な逸脱は、好ましくは、長手方向軸Aとの関係において±30度未満である。立方体軸の第1の組は、長手方向軸Aに対して最大で25度の範囲内において方向付けされてもよい。又、この立方体軸の組は、長手方向軸Aに対して最大で20度、又は最大で15度、又は最大で10度、又は最大で5度の範囲内において方向付けされてもよい。
わかりやすくするために、本発明の導体2は、銅材料の純度、長手方向軸Aに対する角度の範囲、及び立方体組織を有する粒子の量のいずれかについて、上述の範囲及びインターバルの任意の組合せを有してもよい。例えば、銅材料は、99.95%の純度の銅、長手方向軸Aに対する最大で12度の範囲内において方向付けされた立方体軸の組、並びに、上述の範囲及びインターバルに含まれる立方体組織内の粒子の80〜100%又は任意のその他の値から構成されてもよい。
導体2のストリングワイヤ内の銅材料の組織の評価は、X線回折及び電子後方散乱回折(Electron Back−Scattering Diffraction:EBSD)などの従来技術を使用することによって実施することができる。計測可能な材料の機械的特性は、例えば、降伏応力又は強度並びにヤング係数である。組織の計測値からテーラー因子(Taylor factor)を評価してもよい。
本発明の導体2は、好ましくは、50MPa、又は45MPa、又は40MPa未満の降伏応力を有する銅材料を有する。導体2のストリングワイヤ内の降伏応力は、好ましくは、立方体組織を有していない類似の材料と比較した場合に、少なくとも10%、又は20%、又は30%、又はこれを上回る割合だけ、低減される。ヤング係数は、好ましくは、95GPa、又は80GPa、又は70GPa未満である。
立方体配向も、ストリングワイヤの降伏応力の低減において利点をもたらす。強力な立方体組織は、立方体組織を有していない類似の材料と比較した場合に、20%、又は40%、又はこれらを上回る割合だけ、ストリングワイヤ内の降伏応力レベルを低減するであろう。これは、所謂、塑性流のテーラー因子(M)の観点において規定することできる。Mは、立方体組織を有する金属の場合には、立方体組織を有していない金属と比べて小さい。別の実施形態においては、銅材料は、3の、又は2.75未満の、又は、これよりも小さいテーラー因子を有する。
導体2内に含まれる銅材料は、様々なプロセスを使用することによって製造してもよい。但し、好ましい強力な立方体組織を得るためには、材料及びプロセスパラメータの制御が重要である。
プロセスにおいて使用する銅材料は、好ましくは、少なくとも99.5%の純度を有する。純度は、少なくとも99.6%、又は99.7%、又は99.8%、又は99.9%であってもよい。銅材料中の不純物の量は、好ましくは、0.5%未満である。
上述のプロセスにおいて使用する銅材料は、Electrolytic Tough Pitch銅又はOxygen−Free銅であってよい。
図3は、製造プロセスのフローチャートを示している。このプロセスは、ステップa)において銅材料を圧延機に配置することによって始まる。次に、ステップb)において、銅材料を圧延方向に沿って圧延して銅材料を縮小させることにより、例えば、ストリップ、シート、又は平らなワイヤなどの製品を形成する。この縮小は、20〜90%、又は20〜80%、又は20〜70%、又は30〜90%、又は30〜80%、又は30〜70%であってよい。ステップb)における圧延は、低温において、又は高温において、又は最高で150℃の中間低温において、好ましくは、125℃、又は100℃、又は75℃未満の温度において、実行してもよい。ステップc)において、銅製品を600℃、又は500℃、又は400℃未満の温度においてアニーリングする。温度は、300〜400℃の範囲内であってもよい。一実施形態においては、温度は、350℃である。
銅の微構造は、好ましくは、微細な粒子サイズであり、これにより、ステップb)及びc)の後の粒子サイズは、30μmを超過しない。好ましくは、粒子サイズは、25μm、又は20μm、又は15μm未満であるか、或いは、2〜25μm、又は5〜20μm、又は5〜15μm、又は2〜10μmである。ステップb)及びc)は、必要に応じて、一度、二度、又は更なる回数だけ、反復してもよい。
アニーリングステップc)には、ステップe)において製品を冷間圧延して製品を少なくとも80%、又は90%、又は95%、又は98%、又は90〜99%、又は95〜99%、又は98〜99%だけ縮小させるステップが後続する。ステップf)において、製品の最終アニーリングを実行する。ステップf)における温度は、好ましくは、250℃、又は400℃、又は500℃、又は600℃より高い。
上述のプロセスによって得られる銅材料内の立方体組織は、立方体軸の第1の組が製品の製造プロセスにおいて使用される銅製品の圧延方向(即ち、長手方向軸A)に対して基本的に方向付けされるように、方向付けされている。立方体軸のその他の組は、銅製品の圧延方向に対して基本的に垂直の方向に方向付けされている。
わかりやすくするために、このプロセスは、銅材料の純度、粒子サイズ、温度、及び縮小のいずれかについて、上述の範囲及びインターバルの任意の組合せによって実施してもよい。例えば、このプロセスは、99.9%の純度の銅を有する銅材料により、低温の中間レベル(150℃未満)における30〜80%へのステップb)における縮小を伴って、実施してもよく、アニーリングステップc)は、350℃において実行し、これにより、26μm未満の粒子サイズを結果的に得てもよく、且つ、ステップd)における縮小は、90〜98%の範囲内であってもよく、且つ、ステップf)における温度は、500℃より高くてもよい。
本明細書において使用されている「基本的に」という用語は、すべて又はほとんどすべて、或いは、すべての99%、95%、90%、85%、80%、又は75%を含む最も広範な意味において解釈されたい。
本発明は、開示されている実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内において変更及び変形してもよい。

Claims (21)

  1. 銅材料から構成された細長い導体(2)であって、導体ワイヤの圧延方向に対して基本的に平行な長手方向軸(A)と、シリコンウエハ(3)と前記導体(2)の間に電気的接続を確立するために前記シリコンウエハ(3)の受入表面に装着されるように構成された装着表面(7)と、を有する導体(2)において、
    前記銅材料は、少なくとも99.5%の純度において存在しており、且つ、粒子が、前記長手方向軸(A)に対して最大で20度の角度範囲内において方向付けされた立方体軸の組を有する立方体組織を有し、且つ、これにより、前記粒子の少なくとも65%が前記立方体組織を有することを特徴とする導体(2)。
  2. 請求項1に記載の導体(2)において、前記銅材料は、少なくとも99.9%の純度を有することを特徴とする導体(2)。
  3. 請求項1又は2に記載の導体(2)において、前記粒子の70〜100%が前記立方体組織を有することを特徴とする導体(2)。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載の導体(2)において、前記立方体軸の組は、前記長手方向軸(A)に対して15度の角度範囲内において方向付けされることを特徴とする導体(2)。
  5. 請求項1乃至3の何れか1項に記載の導体(2)において、前記立方体軸の組は、前記長手方向軸(A)に対して10度の角度範囲内において方向付けされることを特徴とする導体(2)。
  6. 請求項1又は5の何れか1項に記載の導体(2)において、立方体軸指数が少なくとも70%であることを特徴とする導体(2)。
  7. 請求項1又は6の何れか1項に記載の導体(2)において、前記銅材料は、Electrolytic Tough Pitch銅又はOxygen−Free銅であることを特徴とする導体(2)。
  8. 請求項1又は7の何れか1項に記載の導体(2)において、前記銅材料は、50MPa未満の降伏応力を有することを特徴とする導体(2)。
  9. 請求項1又は8の何れか1項に記載の導体(2)において、前記銅材料は、95GPa未満のヤング係数を有することを特徴とする導体(2)。
  10. 少なくとも99.5%の純度の銅材料を有する導体(2)を製造するプロセスにおいて、
    a)前記銅材料を圧延機に対して配置するステップと、
    b)前記銅材料を20〜80%だけ縮小させるように圧延方向に沿って圧延するステップであって、銅製品を形成する、ステップと、
    c)前記銅製品を600℃未満の温度においてアニーリングするステップと、
    d)前記ステップb)及びc)を任意選択によって反復するステップと、
    e)前記製品を少なくとも80%だけ縮小させるように冷間圧延するステップと、
    f)前記銅製品を250℃を上回る温度において最終アニーリングするステップと、
    を有することを特徴とするプロセス。
  11. 請求項10に記載のプロセスにおいて、前記銅材料は、少なくとも99.9%の純度を有することを特徴とするプロセス。
  12. 請求項10及び11に記載のプロセスにおいて、ステップb)及びc)の後の前記粒子サイズは、5〜25μmであることを特徴とするプロセス。
  13. 請求項10又は12の何れか1項に記載のプロセスにおいて、前記銅材料は、Electrolytic Tough Pitch銅又はOxygen−Free銅であることを特徴とするプロセス。
  14. 請求項10又は13の何れか1項に記載のプロセスにおいて、ステップb)における前記縮小は、30〜80%であることを特徴とするプロセス。
  15. 請求項10又は14の何れか1項に記載のプロセスにおいて、ステップc)における前記温度は、300〜400℃であることを特徴とするプロセス。
  16. 請求項10又は15の何れか1項に記載のプロセスにおいて、ステップd)における前記縮小は、90〜99%であることを特徴とするプロセス。
  17. 請求項10又は16の何れか1項に記載のプロセスにおいて、ステップf)における前記温度は、500℃を上回ることを特徴とするプロセス。
  18. 請求項10乃至17の何れか1項に記載の前記プロセスによって製造されたことを特徴とする導体(2)。
  19. 請求項1乃至9又は18の何れか1項に記載の導体(2)において、前記装着表面(7)は、すずに基づいたはんだ材料(6)によって被覆されることを特徴とする導体(2)。
  20. 請求項19に記載の前記導体(2)をシリコンウエハ(3)に装着するプロセスにおいて、前記導体(2)の前記装着表面(7)と前記シリコンウエハ(3)の前記受入表面を加熱して前記はんだ材料(6)を溶解させ、これにより、前記加熱された材料の冷却の際に前記導体(2)と前記シリコンウエハ(3)の間に装着部を形成することを特徴とするプロセス。
  21. 請求項19に記載の前記少なくとも1つの導体(2)に装着された少なくとも1つのシリコンウエハ(3)を有することを特徴とする光起電モジュール(1)。
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