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1、丝印烧结工艺培训,汪昭辉 2013/05/10,一. 丝网印刷工序的作用,通过丝网印刷的方法，将具有高度化学活性的金属浆料印刷在硅片上，通过烘干使金属浆料固化，再通过高温快速烧结，在活性物质的帮助下，金属与硅片表面形成合金层，从而形成了良好的接触以及铝背场。,二.印刷原理简介,丝网印刷是把带有图像或图案的模版被附着在丝网上进行印刷的。通常丝网由尼龙、聚酯、丝绸或金属网制作而成。当承印物直接放在带有模版的丝网下面时，丝网印刷油墨或涂料在刮刀的挤压下穿过丝网中间的网孔，印刷到承印物上。丝网上的模版把一部分丝网小孔封住使得颜料不能穿过丝网，而只有图像部分能穿过，因此在承印物上只有图像部位有印迹。换言
2、之，丝网印刷实际上是利用油墨渗透过印版进行印刷的。,丝网印刷是通过刮条挤压丝网弹性形变后将浆料漏印在需要印刷的材料上的一种印刷方式，这也是目前普遍采用的一种电池工艺。,印刷时，网版距离台面的距离为|snap-off|，而刮刀将网版下压的深度为|down-stop|。在刮刀压力（pressure）的作用下，浆料从没有感光胶的地方被挤下，从而在硅片上形成电极或电场图形。,pressure,Print speed,Down-stop:,Snap-off,三.丝网印刷设备简介（意大利Baccini）,印刷台及其控制界面,四.丝网印刷主要参数介绍,Snap off (网版与台面的距离) 以台面为零点，向
3、上为负，故Snap off 为负值。 在印刷过程中，浆料在网版上方，刮刀以一定的压力压在网版上，使网版变形接触在硅片表面。浆料经过挤压接触刀硅片表面，硅片表面吸附力较大，将浆料从网孔中抢夺出来。此时，刮刀在运行中，先前变形的网版在回复力的作用下，很好的回弹，从而使浆料顺利地落在硅片表面。,Print speed,Down-stop:,Snap-off,pressure,Down stop(刮刀压下后,刮条底端与网版的距离) 以网版为零点,向下 为负,故Down stop为负值。 刮刀与硅片的距离= Snap off 绝对值- Down stop的绝对值-硅片的厚度。 Pressure (刮刀对
4、网版的压力) 压力与印刷量，印刷效果，以及网版使用寿命有密切关系。相当重要。,pressure,Print speed,Down-stop:,Snap-off,五.印刷过程,背电极印刷,烘干,背电场印刷,烘干,正电极印刷,烧结,装片,电池片丝网印刷三个步骤：,背电极印刷及烘干 浆料：Ag Al浆 背电场印刷及烘干 浆料：Al浆 正面电极印刷及烘干 浆料：Ag浆,在电池片的反面印刷银铝浆并通过烧结工艺形成背电极。在印刷过程中，金属浆料通过丝网网眼渗透到印刷区域。,在电池片的反面印刷铝浆并通过烧结工艺合成，产生背场（BSF）。,细栅线的宽度：0.125mm 细栅线数：44 最边缘的细栅线到电池边缘
5、的距离为1.7mm 0.125441.72432.7125 两根细栅线之间的距离为2.7mm 主栅线的宽度1.5mm 在电池片的镀膜面印刷银浆并通过烧结工艺形成正电极，丝网网眼的最小宽度决定细栅线的最小宽度，典型的宽度为100200m。,网版及栅线设计：,丝网材质：不锈钢丝网，聚脂网，复合网等 目数：360目 丝直径：23-24 m 丝厚度：50 m 膜厚：15 m 膜和丝网的总厚度：65 m 张力：30N 张网角度：22.5度,五.印刷用网版简介,网版上白色区域即为不锈钢丝网，而蓝色区域则为覆盖了感光胶的地方。印刷时，浆料可以从白色区域透过，从而形成印刷图形。,下图为目前生产线上使用的网版的
6、细栅线显微镜下的图像。细栅线的宽带为90m。,网版的基本参数,1.网布型号 不锈钢网布,特多龙网布,尼龙网布,复合网布 2.网布目数 250360目 3.线径 2330m 4.张网角度 22.5 5.张力 28N左右 6.纱厚 60 m左右 7.膜厚 1625 m 8.制版方式 单层膜,双层膜,三层膜,乳剂直接法,水贴菲 林,乳贴菲林,网布种类 不锈钢网布:具有网版张力较大,解像性好的特点,尺寸精度 稳定,但是网版张力容易下降,使用寿命短。 尼龙网布(也称锦纶网布):具有回弹性,通墨性好,缺点是耐 酸性稍差,伸长率较大,图像容易失真。 聚酯网布(也称涤纶网布):具有拉力伸度小,弹性强,尺寸稳
7、定,使用时间长的优点,但过墨性稍差。,网布目数 网布目数是指是1英寸丝网所具有的网孔数目.目数越高,网孔越小,解像性越高,图像清晰,但是过墨量越低,印刷越困难。,线径和纱厚 线径粗细决定了纱厚,进而决定了过墨量. 标准平织网的（图中）的纱厚约是线经的2倍 3D网的纱厚约是线经的3倍. 砸压丝网纱厚可做到同线经厚度. 同一线经丝网的最大与最小纱厚的差约为300%。,3-250目,标准250目,250目砸压,线径越粗,纱厚越厚,但是线径越粗,开口率越低,一般说来印刷厚度一般会降低。 丝网的纱厚基本决定了过墨体积的高度,在开口率不变的情况下,纱厚越厚,过墨量越高。,六.烧结的动力学原理,烧结可看作是
8、原子从系统中不稳定的高能位置迁移至自由能最低位置的过程。厚膜浆料中的固体颗粒系统是高度分散的粉末系统，具有很高的表面自由能。因为系统总是力求达到最低的表面自由能状态，所以在厚膜烧结过程中，粉末系统总的表面自由能必然要降低，这就是厚膜烧结的动力学原理。,固体颗粒具有很大的比表面积，具有极不规则的复杂表面状态以及在颗粒的制造 、细化处理等加工过程中，受到的机械、化学、热作用所造成的严重结晶缺陷等，系统具有很高自由能。烧结时，颗粒由接触到结合，自由表面的收缩、空隙的排除、晶体缺陷的消除等都会使系统的自由能降低，系统转变为热力学中更稳定的状态。这是厚膜粉末系统在高温下能烧结成密实结构的原因。,七.烧结
9、的目的,干燥硅片上的浆料，燃尽浆料的有机组分，玻璃体将氮化硅层蚀穿，金属和硅互融形成合金，伴随着杂质扩散过程，背场形成，金属与硅形成良好的欧姆接触（形成正负电极），同时氮化硅中的H被驱入硅片体内，达到体钝化的目的。,1 废气排放 6入口/出口 2文氏管系统 7驱动 3操作/控制 8 冷却 4 媒介监测（气） 9 加热 5媒介监测（水）,八.烧结炉的基本结构（CT）,烘干区 烘干区包括四个加热区：ZONE 1、 ZONE 2、 ZONE 3、 ZONE 4，每个加热区温度单独可调、加热元件为电热丝或是远红外加热管，加热温度可设置到500摄氏度，但过程温度不应超过300摄氏度。,烧结区 加烧结区包
10、括六个加热区：ZONE 1、ZONE 2、ZONE 3、ZONE 4、ZONE 5、ZONE 6，ZONE 14 为预烧结区，ZONE 5 和 ZONE 6 为主烧结区，热元件为近红外线加热管，其中14区加热管功率为1600W，5、6区加热管功率为2700W，每个温区温度单独可调，14温区温度可设置到700摄氏度，5、6温区可设置到摄氏1050度。,冷却区 冷却区采用水冷，给水温度大约在2025摄氏度范围内。,隔断 烘干区与烧结区之间、烧结区与冷却区之间各有一个隔离炉膛，通过风帘隔离，隔离炉膛防止相邻区域中的过程气体相互混合。,工作气体 1.洁净和干燥的压缩空气在设备中作为加工气体。 2.压缩
11、空气供应至不同位置的加工腔室并用来 作为废气管道中文氏管喷嘴的驱动气体。 3.监控可调节的最小压力的压力开关安装在气体分配器的前部。在气体分配器中，压缩空气被分配至单独部分。气体分配器通过关断和压力标准仪阀以供应压缩空气。每部分的供应线都建有一具有针形阀的流量表。流量表安装在操作面板右边的媒介装配板上。,九.烧结工艺,1.烧结温度的设置必须以最终的测试结果为标准。综合测试的I-V曲线和各项电性能参数来确定。 2.相对于铝浆烧结，银浆的烧结要重要很多，对电池片电性能影响主要表现在串联电阻和并联电阻，即FF的变化。 3.铝浆烧结的目的使浆料中的溶剂和有机溶剂完全挥发，并形成完好的铝硅合金和铝层。背
12、面场经烧结后形成的铝硅合金，铝在硅中是作为P型掺杂，它可以减少金属与硅交接处的少子复合，从而提高开路电压和短路电流，改善对红外线的响应。,十.浆料的主要成分,金属粉末导电相 有机粘合剂烧结前的粘结 无机粘合剂烧结后的粘结 其他添加剂润滑、流平、增稠、触变 正面电极银浆 银颗粒：70-80wt.% 有机溶剂：15-30wt.% 玻璃料：(PbO-B2O3-SiO2)1-10wt.%,背电极为电池的物理正极。 作用 1.与硅片及铝背场形成较低的接触电阻。 2.良好的焊接性能，与镀锡的焊带形成良好的接触，对 外输出电流。 背电极浆料： 背极浆料一般用银浆或是银铝浆。 对背电极浆料的要求： 低成本，可
13、以达到较好的焊接性能。,十一.背电极印刷对浆料的要求,十二.背场印刷,在电池片的反面（非镀膜面）采用铝浆印刷整面（除背电极） 作用： 1.收集背部的载流子，并传输到背电极。 2.形成BSF，在硅片背面形成P+层可以减少金属与硅交 界处的少子复合，从而提升开路电压和增加短路电流。 所用浆料：铝浆,BSF的烧成机理相图,BSF的6步烧成机理图示,烧结机理的说明,1. 铝浆包含有16m的Al颗粒、玻璃料以促进烧结有机粘结剂和溶剂。在干燥之后，有机溶剂被烧掉，留下一种多孔的网络状的结构，有6070%被填充，这种网状结构被有机粘结剂沾附在硅表面。此时沉淀的铝大约7mg/cm2，厚度大约40 m 。 2.
14、 在burn-out阶段之后，在660C时Al融化，此时，由于相变潜热形成一个小的平台。同时，在每个铝颗粒的周围形成一个Al2O3的壳。熔融的Al：(1)可以穿透颗粒与硅之间的界面与硅接触形成合金；(2)可以穿透相邻颗粒之间的界面。有两点注意： 在此阶段，Al-Si合金化是发生在局部区域的，还没有使熔融的Al覆盖在整个硅表面。 局域氧化层在整个烧结过程中不断加厚以维持网络状结构，颗粒在整个烧结过程中的维持在原处。液态的Al和Si在Al2O3壳内传输，而颗粒间的传输通过颗粒之间的小烧结颈传输。,3. 在Al被完全融化后，在所有颗粒中的Al假设处于热平衡状态。随着温度的逐渐升高，越来越多的硅进入颗
15、粒中，而由于颗粒的体积被壳层所限制，因此有同等体积的Al从颗粒中流到硅片表面。这种物质交换在升温时，形成Al和Si的混合相，而在降温过程中向反方向进行。这种过程进行的完全而彻底，至少对于适当厚度的Al层可以如此。 在峰值温度，大约30%的液态相的铝颗粒含有Si，由于Si的溶解和液态相的传输很快，可以使用很快的温度上升时间和很短的停滞时间（1s足够）。在硅片表面有一个Si-Al液相“湖”，在后期这个“湖”成为BSF的起始点。为了得到一个封闭的BSF，需要在整个表面都铺满液相Si-Al层。,5. 在温度下降后，Al开始从液态合金中析出，按照相图的反方向进行，留下来的Al原子在硅中形成BSF层，并有
16、一部分Al原子按照冷却温度的固溶度形成Al-Si合金。 6. 再到达共晶相的温度577C时，剩余的液态固化形成第二个台阶。由于在Al颗粒相中发现的硅处于共晶相，大约有12%的Si存在于Al颗粒中，因此在硅中也同样也有相应的Al原子。因此，在BSF层上面总是存在着致密的Al-Si层。,（a）缓慢升温时铝背场不均匀（上图），甚至出现没有铝背场的情况（下图）。 （b）而快速升温改善了铝背场但是也未能完全消除不均匀性，甚至50%的界面 仍存在起伏（下图）。,降温速度对于铝背场的形成至关重要,减轻电池片弯曲的方法 1.提高玻璃料的熔点可以降低硅片的弯曲度。 2.减低浆料的厚度可以减小弯曲度。 3.降低烧结温度可以减小弯曲度。,背场出现铝包的可能原因 1.
