接線盒內焊點失效分析及可靠性模擬計算

國家電投集團西安太陽能電力有限公司 ■ 魏亞楠 苗林 李媛媛 張銀環 張勤善

0 引言

光伏接線盒的主要作用是將組件產生的電流通過線纜導出，作為光伏組件的重要組成部分，其匯流帶與接線端子焊接是否可靠，直接關系著光伏組件電流輸出的穩定性與連續性[1]。本文對光伏電站出現的焊點脫落現象進行了分析，確定了影響焊接的主要因素，并通過試驗設計(DOE)方法，得出最優的焊接參數。

1 焊點失效的原因

光伏組件在運行一段時間后，由于熱應力等原因會導致焊點脫落，使組件功率下降，影響發電量。同時，在脫落的焊點中，部分焊點出現脫開后中間有硅膠殘留的現象，如圖1所示。

圖1 焊點中間夾有硅膠的圖片

高溫焊接時焊錫與被焊金屬之間會快速形成一層薄的類似“錫合金”的化合物。此化合物主要是錫原子與被焊金屬原子之間相互結合、滲入、遷移及擴散的結果，并在冷卻固化后立即出現一層薄薄的化合物；其在后期會逐漸成長增厚，主要表現為Cu6Sn5和 Cu3Sn兩種化合物。其中，Cu3Sn的合金結構強度差，表現為焊點表面多孔、較脆，會影響焊點強度[2]。

表1 Cu6Sn5與Cu3Sn兩種金屬間化合物的結合層比較

剪下一些因其他原因而報廢的光伏組件的焊點處，使用拉力測試儀將焊點拉開后發現，有的焊點拉力偏小、焊點中間有孔洞，表現為虛焊；有的焊點拉開后焊點表面呈現灰色、多孔的現象，焊接處拉力偏小，表現為過焊。

結合以上的失效現象及機理分析后發現，造成組件焊點脫開的主要原因除焊點虛焊之外，過焊也是主要原因之一。部分焊點因為焊接溫度過高或焊接時間過長，導致合金層變脆、強度下降。

2 焊接參數優化

2.1 模擬試驗

為了對比不同焊接時間及焊接溫度對焊接拉力的影響，將接線盒內的金屬件取出，模擬焊接制樣。圖2為模擬焊接后測試的焊接拉力與電阻情況。一組樣品在同一焊接溫度(420 ℃) 下，逐漸延長焊接時間制樣，如圖2a所示；一組樣品在同一焊接時間 (3 s)下，焊接溫度由380 ℃逐漸升溫進行焊接，如圖2b所示。

圖2 不同焊接時間及溫度下的焊接拉力與電阻情況

由圖2可以看出，不同測試情況下，樣品的電阻都相差不大；同一焊接溫度下，焊接時間過短或過長時，焊接拉力都表現出下降的趨勢；同一焊接時間下，焊接溫度過低或過高，焊接拉力也都表現出下降趨勢。

分別選取焊接拉力為30.382 N和36.371 N的樣品在掃描電鏡下觀察其剖面結構，如圖3所示。可以看出，焊接拉力較低的焊點，在初始時就已表現出裂痕或孔洞。

針對以上現象，有必要對焊接參數進行規范，因此，采用DOE方法來篩選出最優的焊接參數。

圖3 不同焊接拉力時的樣品剖面圖

2.2 DOE方法

2.2.1 試驗目的

通過以上分析可知，焊接拉力受焊接溫度、焊接時間等因素的影響，通過DOE方法，可以篩選出最優的焊接參數。

2.2.2 試驗過程

焊接面積100%接觸、穿孔及加錫焊是保證正常焊接的必要條件，這些可通過規范操作來實現，因此本試驗中不進行討論，本試驗中的樣品全部是在滿足以上條件的前提下進行焊接的。

本文主要考慮焊接溫度、焊接時間及按壓時間對焊接的影響。根據表2中的參數進行DOE建模并進行分析。

表2 焊接參數

根據表2中的參數進行制樣，并使用萬能材料試驗機以反向180°進行焊接拉力測試，測試結果如表3所示。

表3 試驗樣品焊接拉力測試結果

2.2.3 試驗數據分析

1)焊接拉力的方差分析。根據表3中焊接拉力測試的結果，使用Minitab軟件對測試結果進行方差分析，如表4所示，以確定試驗設計是否有效。

根據DOE方法的判斷規則，由表4可以看出，P值均小于0.05，說明模型設計有效，且主效應影響顯著。

2)焊接拉力的影響分析。圖4為焊接拉力的影響分析圖。圖中，A為焊接溫度，℃；B為焊接時間，s；C為按壓時間，s。

圖4 焊接拉力的影響分析

表4 焊接拉力的方差分析表

由圖4a可以看出，按壓時間低于臨界點3.18，說明其對焊接拉力的影響不大，其余參數則對焊接拉力有顯著影響。

圖5 為焊接拉力的主效應與交互作用圖。由圖5a可以看出，按壓時間的回歸線較平，則說明影響不顯著。

圖5 焊接拉力的主效應與交互作用圖

3)焊接拉力最優參數選擇。圖6為焊接拉力的等值線圖與曲面圖，圖7 為焊接拉力參數優化圖。

結合圖6與圖7，并根據DOE分析結果可以看出，焊接溫度在430 ℃、焊接時間為2 s、按壓時間為2 s時為最優的焊接參數。

圖6 焊接拉力的等值線圖與曲面圖

圖7 焊接拉力參數優化圖

2.2.4 試驗參數的可靠性驗證

為了驗證試驗得出的參數是否可靠，對根據DOE方法制作出的參數焊接樣品進行環境試驗[3]，測試試驗完成后的焊接拉力，并觀察合金層結構。具體試驗內容及結果如表5所示。

由表5可以看出，經過以上環境試驗后，焊點的拉力依然維持在60 N以上；且觀察后發現，剖面結構中間的合金層均勻、無空洞。

2.3 小結

綜上所述，在保證焊接面積100%達標，焊接時加錫、穿孔的前提下，使用焊接溫度為430℃、焊接時間為2 s、按壓時間為2 s的焊接參數可保證焊點的長期可靠性。

3 焊點中間夾雜硅膠的原因及影響

3.1 硅膠殘留的原因

焊點中間有硅膠，其產生原因主要考慮為在焊點未完全冷卻的情況下，未形成牢固的合金層時即灌封硅膠，導致硅膠流入焊點。為此，我們進行了以下模擬試驗以進行驗證：

表5 環境試驗結果匯總

以焊接溫度為430 ℃、焊接時間為2 s、按壓時間為2 s的參數制樣2組，每組4個樣品。其中，一組在焊接完成后立即放入1#未固化的硅膠中，另一組在完全冷卻后放入2#未固化的硅膠中。完全固化后，將焊點從硅膠中拿出查看，發現1#盒子中有2個樣品的焊點中間進入了硅膠，如圖8所示。

圖8 焊點夾雜硅膠的試驗樣品圖示

3.2 硅膠殘留的影響

焊點中間殘留硅膠主要有以下兩方面的影響：

1)硅膠滲入相當于阻礙了Sn原子與被焊金屬原子之間相互結合、滲入、遷移及擴散的通路，使合金層無法形成。

2)硅膠的熱膨脹系數約為6×10-4/℃，合金層的熱膨脹系數約為1.7×10-5/℃。若焊點中間夾雜硅膠，由于硅膠的熱膨脹系數高于合金層，則在溫度不斷變化時，會導致焊點脫落。

3.3 小結

若在焊點未完全冷卻的情況下灌封硅膠，當焊點中間的合金層未完全固化時，焊點中間有進入硅膠的風險。

4 結論

1)焊點的可靠性主要受焊接溫度、焊接時間的影響，在保證焊接面積100%達標，焊接時加錫、穿孔的前提下，使用焊接溫度為430 ℃、焊接時間為2 s、按壓時間為2 s的焊接參數可保證焊點的長期可靠性。

2)在焊點未完全冷卻的情況下灌封硅膠，焊點中間有進入硅膠的風險。

5 建議

1)規范焊接操作及焊接參數。建議焊接參數為：焊接溫度430 ℃、焊接時間2 s、按壓時間2 s。

2)定期對烙鐵頭溫度進行點檢控制，以確保溫度在要求之內。

3)建議焊點完全冷卻后再進行灌封硅膠。員工可以利用冷卻的時間對焊點進行一次全面的自檢，具體做法為使用鑷子挑動焊點進行檢查。