Sn-Bi系低熔點合金焊料的研究

■ 楊振英何鳳琴張治杜鵑李楠李少萌（.黃河水電光伏產業技術有限公司；.西安泰力松新材料股份有限公司）

Sn-Bi系低熔點合金焊料的研究

■ 楊振英1*何鳳琴1張治1杜鵑1李楠1李少萌2
（1.黃河水電光伏產業技術有限公司；2.西安泰力松新材料股份有限公司）

無主柵焊帶的低熔點是保證無主柵電池串焊工藝實現的關鍵。無主柵電池組件生產工藝上需要的焊料熔點要比63Sn-37Pb的熔點更低，才能滿足高質量焊接效果的要求。因此，本文選擇熔點較低的Sn-Bi系合金作為研究對象，通過對其成分比例進行調整，最后發現56Sn-8Bi-36Pb合金具有低熔點、低電阻率、鍍層均勻、色澤光亮、成本較低及力學性能優異等特點，可以作為新一代低熔點的合金焊料。

無主柵焊帶；低熔點合金；Sn-Bi系合金；焊料

0　引言

太陽能作為綠色可再生能源，越來越受到社會各界的重視和關注。提高光伏組件的光電轉化效率、降低封裝損失和延長其使用壽命成為太陽能行業發展的關鍵技術。光伏焊帶是光伏組件生產原輔材料的重要組成部分，在60片156 mm×156 mm的光伏組件中，焊帶的面積大約占有效受光面積的4％［1］。但目前組件生產中使用的光伏焊帶具有以下問題：

1）具有遮光性，會減小太陽電池的有效受光面積，降低了光伏組件的光電轉換效率；

2）在串焊過程中會出現虛焊、漏焊等問題，導致部分電流無法匯集輸出；

3）焊帶本身的基材電阻率是影響光伏組件封裝損失的原因之一。

為改善上述問題，科研者另辟蹊徑，開發出了正面只印刷細柵線、不印刷主柵線的無主柵電池［2］。無主柵電池的出現，打破了傳統的太陽電池生產及其組件封裝工藝，不但減少了電池生產銀漿用量、降低了生產成本，而且組件封裝過程中，在提高光學增益、降低電學損失、減小封裝損失方面亦有優異的表現。為滿足無主柵電池的串焊工藝，新型光伏焊帶——無主柵焊帶應運而生。

無主柵焊帶作為一個新的研究方向，受到業內普遍關注。一方面，無主柵焊帶的直徑小，遮光面積大幅度降低；另一方面，無主柵焊帶與電池細柵線的焊接不再使用紅外加熱的方式，而是通過普通層壓工藝來實現，產生虛焊和漏焊的可能性減小。然而，使用層壓工藝完成焊接，組件層壓工藝溫度為150±5 ℃，焊接溫度是傳統焊接工藝溫度（200 ℃左右）的一半，在工藝實現方面，對無主柵焊帶鍍層——合金焊料提出了新的要求。而現有的63Sn-37Pb 共晶合金焊料因熔點高、潤濕性差等問題無法滿足無主柵組件封裝要求，需要開發出熔點更低的合金焊料。

1　實驗方法

采用高純度的Sn、Bi與Pb材料，按照不同的配比在錫爐中加熱熔融，制備成合金備用，合金的主要成分如表1所示。通過鍍錫機將配好的合金鍍在直徑為300 μm的圓形銅絲上，先測量已鍍合金的銅絲直徑，接著通過放大鏡觀察其外觀與顏色，然后在萬能材料實驗機上依據國標測試其力學性能；再截取10 mm長的鍍錫銅絲，垂直放置于容器中，用環氧樹脂密封之后使用砂紙打磨其截面，通過光學顯微鏡觀察鍍錫層分布的均勻性及厚度；最后表征其導電性——電阻率。

表1　低溫合金焊料的成分（wt％）

針對該問題，我們對光伏行業內使用的焊料做了充分調研。經過一系列實驗后發現，在眾多的低溫合金焊料中，只有42Sn-58Bi合金（熔點為139 ℃）與59Sn-41In合金（熔點為119 ℃）能夠滿足無主柵焊帶的焊接要求［3］。然而，Sn-In系合金抗蠕變能力低、易氧化且價格較高，是Sn-Pb系合金的10倍，不適合光伏組件規模化生產推廣應用，因此，價格較低的Sn-Bi系合金具有較大的研究和發展前景；此外，Sn-Bi系合金還具有非常強的抗蠕變和抗拉伸等優異性能［4，5］。但是，Sn-Bi系合金較脆，鍍層無法在銅絲表面較好的附著，會出現鍍層分布不均、鍍層剝離、同心度差等問題，無法制備品質優異的焊帶；且Sn-Bi系合金顏色發黃，需要加入其他元素來改善其脆性與外觀特征，以滿足實際生產的需要。研究過程中，通過調整Bi元素與Pb元素在合金焊料中的含量，得到了一種性能優異、熔點低于150 ℃、適用于無主柵電池串焊的合金焊料。

2　實驗結果

通過觀察可以發現，42Sn-58Bi合金表面發黃且不夠光亮；而56Sn-8Bi-36Pb的顏色與現在生產中使用的Sn-Pb系合金相同，為帶有金屬光澤的銀白色。56Sn-8Bi-36Pb合金的熔點為145 ℃，能夠滿足層壓焊接工藝要求。下文對Sn-Bi系合金與63Sn-37Pb合金的性能進行對比分析。

2.1焊帶直徑表征

銅絲的直徑測試能夠反映鍍錫過程中合金焊料在銅絲表面的附著程度隨鍍錫時間延長的變化，直徑變化越小，則鍍錫的均勻性及穩定性越好。42Sn-58Bi、56Sn-8Bi-36Pb與63Sn-37Pb合金在鍍錫過程中的直徑變化如圖1所示。

圖1　焊帶直徑隨鍍錫時間的變化趨勢圖

鍍錫過程中，56Sn-8Bi-36Pb合金所鍍的焊帶直徑變化范圍較小，穩定性較好。

2.2力學性能及導電性表征

力學性能與導電性是表征焊帶性能的重要參數，主要實驗結果如表2所示。

表2　不同合金所鍍焊帶的力學性能與導電性對比表

從力學性能來看，鍍有56Sn-8Bi-36Pb合金的焊帶拉伸強度與斷點處拉力都較大，延伸率略低于鍍有63Sn-37Pb合金的焊帶。相對而言，56Sn-8Bi-36Pb合金具有優異的力學性能；從導電能力來看，56Sn-8Bi-36Pb合金的電阻率最小，具有良好的導電性。

2.3鍍層均勻性與厚度表征

使用光學顯微鏡對鍍錫焊帶的截面形貌進行觀察，可以直觀地表征鍍錫層的均勻性及厚度。測試結果如圖2、圖3所示。

圖2　不同合金鍍層的截面形貌

觀察3種不同合金的截面形貌發現：Sn-Pb合金有明顯的錫層，但均勻度不好；Sn-Bi合金形成的鍍層整體較薄；而Sn-Bi-Pb型合金的鍍層較為均勻，且上錫明顯。

對比表明，Sn-Pb、Sn-Bi合金形成的鍍層較薄，Sn-Bi-Pb型合金層尺寸厚度較為理想。

a. 63Sn-37Pb合金

圖3　不同合金鍍層的均勻性與厚度對比圖

綜合圖2、圖3可見，42Sn-58Bi合金由于脆性較大，其在銅絲表面的附著很不均勻，且鍍層厚度較薄，容易脫落；而56Sn-8Bi-36Pb合金的鍍層同心度與均勻性都較好，且厚度能達到4 μm左右，與現在所用的63Sn-37Pb合金鍍層厚度相近。

3　結論

通過多次實驗發現，已研制的Sn-Bi-Pb合金具有低熔點、低電阻率、鍍層均勻、厚度較大、抗拉強度高等優異特性，是目前較為理想的低溫合金焊料，為組件層壓過程中同步實現無主柵電池與鍍層銅絲的低溫焊接提供了材料保證。

［1］ Glaeser G C， Hamann L， Proenneke L. Structured ribbons for short circuit current gain in modules［A］. 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion［C］， Valencia， Spain， 2010.

［2］李陽. 晶硅電池正面電極——從多主柵到無主柵［EB/OL］. http://www.21spv.com/news/show.phpitemid=5039.html， 2014-06-14.

［3］ 張楊陽. 淺談Sn-Bi合金焊料的發展［J］.中國科技信息，2014， （8）: 71-72.

［4］ 雷曉娟. Sn-Bi系低熔點非共晶無鉛焊料的研究［D］. 湖南:湖南大學， 2007.

［5］ 賈紅星， 黃金亮， 張柯柯. Ag 對Sn-57Bi 無鉛釬料組織和性能的影響［J］. 河南科技大學學報（自然科學版） ， 2004， 25（3）: 10-13.

2015-11-04

國家電力投資集團公司科技項目：無主柵晶硅太陽電池組件封裝串焊工藝及焊帶材料的研究（2015-118-HHS-KJ-X）

楊振英（1984—），男，學士、助理工程師，主要從事光伏組件生產工藝設計和優化工作。yangzhenying@cpisolar.com