硅太阳能电池的丝网印刷技术-solarbe文库

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电子工业专用设备ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥＰＥ（总第１４８期）Ｍａｙ．２００７１引言随着全球能源的日趋紧张，太阳能以无污染、市场空间大等独有的优势受到世界各国的广泛重视，国际上众多大公司投入太阳能电池研发和生产行业。从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来实现，硅太阳能电池是一种有效地吸收太阳能辐射并使之转化为电能的半导体电子器件，广泛应用于各种照明及发电系统中。２硅太阳能电池的生产工序太阳能电池原理主要是以半导体材料硅为基体，利用扩散工艺在硅晶体中掺入杂质当掺入硼、磷等杂质时，硅晶体中就会存在着一个空穴，形成ｎ型半导体；同样，掺入磷原子以后，硅晶体中就会有一个电子，形成ｐ型半导体，ｐ型半导体与ｎ型半导体结合在一起形成ｐｎ结，当太阳光照射硅晶体后，ｐｎ结中ｎ型半导体的空穴往ｐ型区移动，而ｐ型区中的电子往ｎ型区移动，从而形成从ｎ型区到ｐ型区的电流，在ｐｎ结中形成电势差，这就形成了电源，见图１。图２为硅太阳能电池生产的主要工序，从中可以看出丝网印刷是生产太阳能电池的重要工序，其印刷质量（厚度，宽度，膜厚一致性）影响电池片的技术指标。硅太阳能电池的丝网印刷技术张世强，李万河，徐品烈（中电集团第四十五研究所，北京东燕郊１０１６０１）摘要简要介绍太阳能电池的生产工艺。针对背银、背铝、正银三工序的印刷工艺要求从刮刀、丝网、浆料、设备及基片５方面进行分析。关键词丝网印刷；背银；背铝；正银；丝网；浆料；基片中图分类号ＴＭ９１４．４＋１文献标识码Ｂ文章编号１００４－４５０７（２００７）０５－００５５－０５ＳｉｌｋＳｃｒｅｅｎＰｒｉｎｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｉｌｉｃｏｎＳｏｌａｒＣｅｌｌＺＨＡＮＧＳｈｉ－ｑｉａｎｇ（Ｔｈｅ４５ｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＥＴＣ，ＢＥＩＪＩＮＧＥＡＳＴＹＡＮＪＩＡＯ１０１６０１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＢｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｏｌａｒｃｅｌｌ，ａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｆｒｏｍｓｃｒａｐｅｒ，ｓｉｌｋ，ｓｃｒｅｅｎ，ｐａｓｔｅ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｂａｃｋｓｉｌｖｅｒ，ｂａｃｋＡｌｕｍｉｎａ，ｆｒｏｎｔｓｉｌｖｅｒｔｈｒｅｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＳｉｌｋｓｃｒｅｅｎｐｒｉｎｔｉｎｇ；Ｂａｃｋｓｉｌｖｅｒ；ＢａｃｋＡｌｕｍｉｎａ；Ｆｒｏｎｔｓｉｌｖｅｒ；Ｓｉｌｋｓｃｒｅｅｎ；Ｐａｓｔｅ收稿日期２００７－０４－０８作者简介张世强（１９７２－），男，甘肃静宁县人，工程师，现主要从事电子专用设备的研发，有多篇论文发表。太阳能制造５５电子工业专用设备ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥＰＥ（总第１４８期）Ｍａｙ．２００７图１太阳能电池原理示意图２太阳能电池生产主要工序３工序对印刷电极的要求３．１背面银电极印刷（背银）在电池片的正极面（ｐ区）用银铝浆料印刷两条电极导线（宽约３～４ｍｍ）作为电池片的电极（图３）。图３电池片背银及背铝印刷示意图３．２背面铝印刷（背铝）在电池片的正极面采用铝浆料印刷整面（除背银电极外）。３．３正面银印刷（正银）在电池片的正面（喷涂减反射膜的面）同时用银浆料印刷一排间隔均匀的栅线和两条电极（图４），在工艺上要求栅线间距约３ｍｍ、宽度约０．１０～０．１２ｍｍ；图４电池片正银印刷示意图４印刷原理图５为丝网印刷原理示意图，丝网印刷由五大要素构成，即丝网、刮刀、浆料、工作台以及基片。丝网印刷基本原理是利用丝网图形部分网孔透浆料，非图文部分网孔不透浆料的基本原理进行印刷。印刷时在丝网一端倒入浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网另一端移动。油墨在移动中被刮板从图形部分的网孔中挤压到基片上。由于浆料的黏性作用而使印迹固着在一定范围之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮刀移动而移动，由于丝网与承印物之间保持一定的间隙，使得印刷时的丝网通过自身的张力而产生对刮板的反作用力，这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用，使丝网与基片只呈移动式线接触，而丝网其它部分与承印物为脱离状态，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。当刮板刮过整个印刷区域后抬起，同时丝网也脱离基片，工作台返回到上料位置，至此为一个印刷行程。４．１刮刀从图５的印刷原理示意中可以看出，刮刀的作用是将浆料以一定的速度和角度将浆料压入丝网ｐ区正电极空穴ｎ区ｐ区ｎ区负电极电子太阳光正银印刷栅线电极背铝印刷背银印刷烧结测试生长减反射膜硅片清洗刻蚀扩散印刷背银烘干印刷正银印刷背银烘干太阳能制造５６电子工业专用设备ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥＰＥ（总第１４８期）Ｍａｙ．２００７图５印刷原理示意的漏孔中，刮刀在印刷时对丝网保持一定的压力，刃口压强在１０～１５Ｎ／ｃｍ之间，刮板压力过大容易使丝网发生变形，印刷后的图形与丝网的图形不一致，也加剧刮刀和丝网的磨损，刮板压力过小会在印刷后的丝网上存在残留浆料。刮刀材料一般为聚胺脂橡胶或氟化橡胶，硬度范围为邵氏Ａ６０ ° ～Ａ９０ ° ，刮板条的硬度越低，印刷图形的厚度越大，刮刀材料必须耐磨，刃口有很好的直线性，保持与丝网的全接触；刮刀一般选用菱形刮刀，它具有４个刃口，可逐个使用，利用率高，见图６。图６刮刀刃口压力示意刮刀速度刮刀速度是决定效率的最大因素，以半自动印刷机为例，印刷所占时间一般为总循环的２／３；印刷速度的设定由印刷图形和印刷用浆料的黏度决定，速度越高，刮刀带动浆料进入丝网漏孔的时间越短，浆料的填充性会差，出现图７所示现象，如果印刷线条精细，速度应低一些，图４所示的正银工序中栅线的线宽在０．１～０．１２ｍｍ，一般速度设定在２００～２５０ｍｍ／ｓ，图３所示的背铝和背银工序因印刷线条宽速度设定在３００ｍｍ／ｓ；印刷用浆料因不同工序而不同，相应黏度不同，但总体黏度比较低，所以印刷速度较快；在实际的印刷中速度的恒定同样很重要，如果在印刷过程中速度出现波动，会导致图形厚度的不一致。刮刀角度刮刀角度的设定与浆料有关；浆料黏度值越高，流动性越差，需要刮刀对浆料的向下的压力越大，刮刀角度小；刮刀角度调节范围为４５ ° ～７５ ° 。在印刷过程中起关键作用的是刮刀刃口２～３ｍｍ的区域，在印刷压力下刮刀与丝网摩擦，在开始印刷时近似直线，刮刀刃口对丝网的局部压力很大，见图５所示，随着刮刀刃口的磨损，刃口形状呈圆弧形，它对浆料朝丝网方向的分力急剧增加，丝网作用于丝网单位面积的压力明显减小，刮刀刃口处与丝网的实际角度远小于４５ ° ，印刷后丝网表面会有残余浆料，易发生渗漏，同时印刷线条边缘模糊。见图７，这时需要更换刮刀。图７刮刀磨损后４．２丝网常用的丝网材料有不锈钢和尼龙２种。不锈钢丝网的特点是丝径细、目数多，耐磨性好，强度高，尺寸稳定，拉伸性小，由于丝径精细，油墨的通过性能好，尺寸精度稳定，适于太阳能电池片的印刷。尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成，具有很高的强度，耐磨性、耐化学药品性、耐水性、弹性都比较好，由于丝径均匀，表面光滑，故油墨的通过性也极好。其不足是尼龙丝网的拉伸性较大。这种丝网在绷网后的一段时间内，张力有所降低，使丝网印版松驰，精度下降，在太阳能电池片的印刷中采用不锈钢丝网。图８为丝网的外形。丝网工作台基片浆料刮刀刃口呈圆弧状残留浆料４５ ° ～７５ ° 太阳能制造５７电子工业专用设备ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥＰＥ（总第１４８期）Ｍａｙ．２００７图８丝网的外形制作丝网制作丝网图形由专业厂商订做，要根据印刷图形的精度选择丝网目数的高低、丝径的粗细、丝网开口面积的大小、丝网伸缩率的大小等，表１为日本特殊织物会社的部分丝网技术规格。表１部分丝网技术规格丝网的目数及丝径决定可印刷图形的宽度；对于背银和背铝这２道工序印刷由于实际印刷图形不复杂，所以对丝网要求不高，主要考虑印刷厚度即可，一般选用２５０～２８０目即可满足要求；正银印刷是对印刷要求最高的一道印刷工序，主要是保证栅线的宽度要求及印刷膜厚的均匀性，一般选用３００～３３０目，印刷后栅线的宽度值取决于丝网的线径及网孔的宽度，有如下计算公式Ｋ＝２Ｓ＋Ｒ，式中Ｋ为线条的宽度，Ｓ为丝网丝径宽度值，Ｒ表示网孔的宽度，如选用３３０目丝网，查表１Ｓ＝３０ μ ｍ，Ｋ＝４４ μ ｍ则Ｋ＝２３０＋４４＝１０２ μ ｍ，可满足栅线的宽度要求。丝网的张力设定丝网的张力与丝网的材料与目数有关，不同材料、不同丝径的丝网承受的张力不同，目数越低，丝径越粗，丝网承受的张力越大；丝网生产厂商在技术指标中有一个丝网最大张力的建议值，见表１。如果丝网张力太低或印刷过程丝网张力不稳定，在刮板压力下会出现网点扩大和网点丢失，影响印刷精度，对于背铝和背银工序一般选取３０Ｎ／ｃｍ，正银工序则选取２７Ｎ／ｃｍ（见图９）。图９丝网受力变化示意图印刷厚度丝网和感光膜的厚度决定印刷后图形的厚度即线条的厚度，如图１０所示，在一般情况下，丝网目数越低，丝经越粗，印刷后的浆料层就越高，所用丝网目数较高时，印刷后浆料层就低一些。感光膜的厚度与丝网目数和线条的宽度有关目数越高，丝径越细，感光膜与丝网的接触面积越小，二者的附着力减小，如果印刷线条变窄，增加感光膜的厚度易造成脱落，所以感光膜较薄，感光膜的厚度约为丝网厚度的１５％～２５％；对于背铝和背银工图１０丝网涂布感光胶后目数丝径／开口／开口率／纱厚／过墨量／建议最大张力／μ ｍ μ ｍ％ μ ｍｃｍ３ｍ－２Ｎｃｍ－１ｍｍ２５０Ｔ４０６２３７５８２１３５０．８０２７０Ｔ３４６０４１５１２１３００．９３２８０Ｓ３４５７３９５１２０３２０．８８３１０Ｓ３０５２４０４４１８２５１．１２３３０Ｓ３０４７３７４４１６２６１．０９－－－－－－变形前变形后丝网感光胶太阳能制造５８电子工业专用设备ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥＰＥ（总第１４８期）Ｍａｙ．２００７序，选取２５０目丝网，其厚度为５８ μ ｍ，感光膜厚度为１０～１５ μ ｍ，则印后厚度为６８～７３ μ ｍ，这里计算出来的厚度时浆料的湿厚度（ｗｅｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓ），需经过烘干（ｄｒｙ）和烧结（ｆｉｒｅ）才是最终厚度（干厚度），干厚度是湿厚度的３０％～４０％；对于正银工序，选取３３０目丝网，其厚度为４４ μ ｍ，感光膜厚度为５～１０ μ ｍ，则印后湿厚度约为４９～５４ μ ｍ。选择丝网丝径及目数时，要求网格的孔长为浆料粉体粒径的２．５～５倍；目数越低丝网越稀疏，网孔越大，油墨通过性就越好；网孔越小，油墨通过性越差，如图９所示。图１０丝网目数与浆料颗粒的关系网框网框大多采用硬铝及铝合金以承受绷网所产生的力，连接丝网的底面需要较高的平面度，约为０．０４ｍｍ１５０ｍｍ１５０ｍｍ；网框规格一般为承印物的２倍以１５０ｍｍ电池片为例，承印物面积为１５０ｍｍ１５０ｍｍ，网框内口的面积应为３００ｍｍ３００ｍｍ，如图１１。图１１网框外形４．３浆料浆料是由功能组份、粘结组份和有机载体组成的一种流体，浆料有导体浆料、电阻浆料、介质浆料和包封浆料等。在背银，背铝及正银工序中所用浆料为导体浆料。在导体浆料中，功能组份一般为贵金属或贵金属的混合物。载体是聚合物在有机溶剂中的溶液。功能组份决定了成膜后的电性能和机械性能。载体决定了厚膜的工艺特性，是印刷膜和干燥膜的临时粘结剂。功能组份和粘结组份一般为粉末状，在载体中进行充分搅拌和分散后形成膏状的厚膜浆料。烧结后的厚膜导体是由金属与粘结组份组成。浆料的技术性能指标是指浆料中功能成分（背银浆料中的银铝成分、正银浆料中的银成分，背浆料中的铝成分）经过烘干和烧结后与电池片的欧姆特性，其影响电池片的电性能指标如开路电压，短路电流，并联电阻，串联电阻，转换率等技术指标；浆料的工艺特性是达到上述指标的保证，各浆料生产厂商针对３种印刷工序有推荐的工艺参数如浆料的粒度、黏度，固体物含量，丝网的目数；前面提到网格的孔长为浆料粉体粒径的２．５～５倍；浆料的粘度影响刮板条的印刷速度；固体物含量决定印刷后的湿厚度经烘干和烧结后的最终厚度。背铝及正银三工序的浆料不同，由此决定他们在丝网和印刷参数各有不同，表２为美国ＦＥＲＲＯ公司的都有相关工序的印刷浆料的特性。５设备对设备的要求有如下３点（１）工作台的平面度。印刷时电池片被吸附于工作台表面，如表面不平，在负压下电池片易破裂，以１５０ｍｍ电池片为例，工作台的平面度不大于０．０２ｍｍ；（２）工作台重复定位精度。根据太阳能电池片（下转第６８页）丝网网络浆料颗粒５５４０（背铝）３３９８（背银）３３４７（正银）黏度／Ｐａｓ５０～７０泊９０～１１０泊９０～１１０泊＠９．６ｓ－１＠９．６ｓ－１＠９．６ｓ－１推荐丝网目数２００＃～３２５＃２００＃～３２５＃２５０＃～３２５＃感光膜厚／ μ ｍ２０～２５２０～２５２０～２５烘干厚度／ μ ｍ３０～４０２０～２５１６～２５烧结厚度／ μ ｍ２５～３５１０～１４８～１４网片距离／ｍｍ０．５～１．５０．５～１．５０．５～１．５太阳能制造５９电子工业专用设备ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥＰＥ（总第１４８期）Ｍａｙ．２００７２．２基板与管壳的焊接与芯片和基板的焊接工艺相似，基板与管壳的焊接也是共晶焊很好的应用领域。在这一工艺中要注意空洞率要符合国军标ＧＪＢ５４８－９６Ａ的要求，军用产品控制在２５％以下。由于基板一般比芯片尺寸大，且材质较厚、硬些，对位置精度要求低，所以用共晶炉能更好地焊接。２．３封帽工艺器件封帽也是共晶炉的用途之一。通常器件的外壳是陶瓷或可伐等材料外镀金镍而制成的。 “陶瓷封装” 在实际应用中由于它容易装配、容易实现内部连接和成本低而成为最优封装介质。陶瓷能经受住苛刻的外部环境，高温、机械冲击和振动，它是一个刚硬的材料，并且有一个接近硅材料的热膨胀系数值。这类器件的封装可以采用共晶焊的方法，陶瓷腔体上部有一个密封环，用来与盖板进行共晶焊接，以获得一个气密、真空封焊。金层一般需要１．５ μ ｍ，但是由于工艺处理及高温烘烤，腔体和密封环都需电镀２．５ μ ｍ的金，过多的金用来保护镍的迁移。镀金可伐盖板可被用来作为气密性封焊陶瓷管壳的材料，在共晶前一般要进行真空烘烤。共晶炉还可应用于芯片电镀凸点再流成球、共晶凸点焊接、光纤封装等工艺。除混合电路、电子封装外，ＬＥＤ行业也是共晶炉应用领域。３共晶炉与其它共晶设备的比较除共晶炉外，实现共晶焊接的设备还有带有吸嘴和镊子的共晶机、红外再流焊炉、箱式炉等。使用这类设备共晶时存在以下问题（１）在大气环境下焊接，共晶时容易产生空洞；（２）使用箱式炉和红外再流焊炉进行共晶需要使用助焊剂，会产生助焊剂流动污染，增加清洗工艺，若清洗不彻底导致电路长期可靠性指标降低；（３）镊子共晶机对操作者要求高，许多工艺参数不可控，不能任意设置温度曲线，在进行多芯片共晶时，芯片重复受热，焊料多次融化易使焊接面氧化，芯片移位，焊区扩散面不规则，严重影响芯片的寿命和性能。由此可见，真空／可控气氛共晶炉设备具有广阔的应用领域，在共晶工艺上具有独特优势。随着电子技术的发展，它会越来越受到行业内的注视。的精度要求，工作台重复定位精度达到０．０１ｍｍ即能满足工艺要求；（３）印刷时丝网与工作台的平行度决定印刷膜厚度的一致性，根据使用要求，以１５０ｍｍ电池片为例二者平行度为０．０４ｍｍ。电池片的平面度不大于０．０２ｍｍ，表面粗糙度低于１．６。６结束语太阳能电池印刷是电池片生产线的重要工序，对电池片的质量起着重要作用，太阳能电池印刷技术是一个有机的整体，是各种技术的组合，需要工艺工程师和设备工程师的协同工作既要了解各个参数的特点，又要了解其相互的制约关系；３种印刷工序既有相同之处又有区别，需要针对不同工序的具体要求分别优化各工艺参数，制定出不同工艺实施方案，方可印刷出符合工艺的产品。参考文献［１］顾心群．提高印制版丝网印刷精度的工艺探讨［Ｊ］．丝网印刷，１９９９，（６）２－１４．［２］贾静茹，杨丽珍，马昆．实用丝网印刷技术［Ｍ］．北京化学工业出版社，２００１．３０－４４．［３］孙铁囤，陈东，崔容强，袁晓．多晶硅太阳能电池制作工艺概述［Ｊ］．新能源，２００６，（６）２０－２２．［４］胡更生．影响丝网印刷位置精度的几个重要因素［Ｊ］．丝网印刷，１９９８，（１）９－１０．［５］史建卫等．焊膏印刷技术及无铅化对其的影响［Ｊ］．电子工业专用设备，２００６，（１２）３０－３１．［６］谭富彬，赵玲李等．单晶硅太阳能电池与电极间的欧姆接触［Ｊ］．贵金属，２００１，（３）１２－１４．（上接第５９页）封装制造设备６８