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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉宗志
研究生(外文):Zong.Jhin. Liu
論文名稱:太陽能晶片半自動銲接機台之設計與參數最佳化
論文名稱(外文):Design and Optimization of Semi-Automatic Soldering System for Solar Cell Modules
指導教授:林克默林克默引用關係
指導教授(外文):Keh-Moh Lin
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:太陽能 半自動
外文關鍵詞:solar cell semi-automatic
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近年來台灣太陽能產業正蓬勃發展,人工手動焊接太陽能晶片的方式已無法滿足市場對於太陽光電模組品質以及產能的要求。因為缺乏自動焊接設備,多數廠商無法有效掌握晶片焊接的穩定性,工程人員也不容易控制焊接製程參數,如焊接溫度、焊接移動速度、和其餘焊接條件(一般焊料、無鉛焊料)等。特別當某一製程参數不得不改變時,須進行各種嘗試並從錯誤經驗去調整其他参數,不僅費時曠日,並且未必能獲得最佳效果。本實驗擬由三軸工作平台加装焊接系統來建構一太陽能晶片自動焊接系統,並藉由分析太陽能晶片I-V曲線特性,來了解焊接参數對晶片效率損失及內耗電阻變化的影響,以作為焊接製程参數最佳化的依據。焊接系統的介面是使用Mach程式來架構,將操作過程簡單化並且客製化以符合廠商需求。本系統採用模組化組件,故其成本相對低廉,廠商可以投資少量的資金即可達到測試焊接太陽能晶片的目的,進一步來改良焊接製程,以近一步提升太陽能產業的競爭能力。
In recent years industries of solar energy are developing vigorously and the technique of manually soldering solar cells can satisfy neither the demands of markets on productivity nor the quality of PV-modules any more. Due to the lack of automatic soldering equipments, most manufacturers can not control the stability of solar cells soldering. During the manufacturing process, engineers also have difficulties to master soldering parameters such as soldering temperatures, moving speed and other conditions (usual soldering materials and Pb-free soldering materials, etc.) Particularly, when one of the parameters has to be changed, other parameters have to be adjusted through try-and-error, which is time wasting, and the best results can not be achieved for sure. The purpose of this project is to develop an automatic soldering system for solar cells. By analyzing the IV-curves of solar cells, we can understand the influences of soldering parameters on the efficiency lost of solar cells and the variation of inner resistance. The results of the experiments can then be served as references for optimizing the soldering parameters during manufacturing process. The interface of this soldering system is to be developed with the Mach program. The operating processes will be simplified and customized to meet the needs of manufacturers. Since this system is to developed with modular compartments, its cost will be rather low. With a small investment, manufacturers can improve their soldering process to enhance the competitive ability.
目  次
摘要 iv
英文摘要 v
誌謝 vi
目次 vii
表目錄 viii
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 目前太陽能晶片銲接問題及解決方向 2
1.3 文獻回顧 3
1.3.1 太陽能晶片銲接連接技術 3
1.3.2 太陽能晶片銲道組織觀察 8
1.4 研究動機 9
第二章 太陽光電原理與各種技術 10
2.1 太陽光電原理 10
2.2 模組結構與技術 11
2.2.1 封裝組成構造 12
2.3 銲接製程銲料黏著簡介 13
    2.3.1 銲錫材料性質 13
    2.3.2 傳統錫鉛銲錫性質與現況 13
    2.3.3 無鉛銲錫開發與性質 15 
2.4 光源系統製作 18
2.5 太陽光電模組測試 22
第三章 實驗步驟與及設備 24
3.1 實驗規劃 24
3.2 機台設計 26
3.2.1 自動銲接設計 26
3.2.2 晶片夾具設計 28
    3.2.3 銲槍夾具設計 29
3.3 實驗方法 30
    3.3.1 銲接製成過程 30
3.3.2 銲接與封裝步驟 32
    3.3.3 銲接製程溫度參數 33
    3.3.4 溫度循環參數 34
3.3.5 顯微組織觀察 36
    3.3.6 拉伸試驗 36
3.4 實驗設備 38
3.4.1 真空熱壓封裝 38
3.4.2 KEITHLEY 2420電錶 38
第四章 結果與討論 40
4.1 傳統錫鉛銲料溫度濕循環測試 40
    4.1.1 自動銲接傳統錫鉛銲料溫溼度循環測試 40
4.1.2 手工銲接傳統錫鉛銲料溫溼度循環測試 42
4.2 無鉛銲料溫溼度循環測試 45
4.2.1 自動銲接無鉛銲料溫溼度循環測試 45
4.2.2 手工銲接無鉛銲料溫溼度循環測試 47
  4.3 銲料與銲接溫度對晶片輸出功率的影響 50
4.4 平均輸出功率比較 50
4.5 銲接製程穩定性探討 54
4.6 太陽能晶片橫截面組織觀察 62
    4.6.1 銲接後顯微組織觀察 62
    4.6.2 溫濕循環測試後橫截面組織觀察 71
4.6.3 小結 80
4.7 太陽能晶片銲道拉伸試驗 80
4.8 導電銀膠製程溫濕度循環測試 83
第五章 結論與展望 85
5.1 結論 85
5.2 展望 86
參考文獻 87
表目錄
表1.1 各連接技術溫度、壓力、時間之變化情形 8
表2.1 太陽光電模組之破壞比例 23
表4.1 比較以不同銲料與不同銲接法平均輸出功率百分比變化 53
表4.2 功率損失與穩定 85
圖目錄
圖1.1 各連接技術之應力分佈 4
圖1.2 多重銲接示意圖 5
圖1.3 Soldering system using radiative heat source 6
圖1.4 Auto interconnected system 7
圖2.1 N型半導體與P型半導體示意圖 11
圖2.2 63Sn-37Pb系二元合金相圖 14
圖2.3 無鉛銲料之熔點分佈 16
圖2.4 AM0及AM1.5分光放射照度圖 20
圖3.1 機台設計流程圖 25
圖3.2 實驗流程圖 25
圖3.3 封裝架構示意圖 25
圖3.4 CNC-1050三軸平台 26
圖3.5 高週波烙鐵 27
圖3.6 太陽能晶片板銲接機架構圖 27
圖3.7 晶片夾具的三視圖和二等角視圖 28
圖3.8 晶片夾具的等角視圖 29
圖3.9 銲槍夾具示意圖 30
圖3.10 MACH控制介面圖 31
圖3.11 太陽能晶片自動銲接系統銲接流程圖 31
圖3.12 JIS C 8917 規範設定溫度溼度循環範圍及時間 35
圖3.13 溫溼度控制範圍 35
圖3.14 INSTRON 5865型 萬能試驗機 37
圖3.15 拉伸測試正視圖 37
圖3.16 拉伸測試等角視圖 37
圖3.17 KEITHLEY的2420數位電錶控制範圍 39
圖3.18 太陽能晶片I-V曲線量測 39
圖4.1 APB-400經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 40
圖4.2 APB-350經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 41
圖4.3 APB-300經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 41
圖4.4 APB-250經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 42
圖4.5 HPB-400經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 43
圖4.6 HPB-350經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 43
圖4.7 HPB-300經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 44
圖4.8 HPB-250經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 44
圖4.9 ALF-400經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 45
圖4.10 ALF-350經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 46
圖4.11 ALF-300經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 46
圖4.12 ALF-250經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 47
圖4.13 HLF-400經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 48
圖4.14 HLF-350經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 48
圖4.15 HLF-300經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 49
圖4.16 HLF-250經溫濕度循環測試之最大功率變化圖 49
圖4.17 APB製程經溫濕度循環測試之平均最大功率變化圖 52
圖4.18 HPB製程經溫濕度循環測試之平均最大功率變化圖 52
圖4.19 ALF製程經溫濕度循環測試之平均最大功率變化圖 53
圖4.20 HLF製程經溫濕度循環測試之平均最大功率變化圖 53
圖4.21 APB-400經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 54
圖4.22 APB-350經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 55
圖4.23 APB-300經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 55
圖4.24 APB-250經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 56
圖4.25 ALF-400經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 56
圖4.26 ALF-350經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 57
圖4.27 ALF-300經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 57
圖4.28 ALF-250經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 58
圖4.29 HPB-400經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 58
圖4.30 HPB-350經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 59
圖4.31 HPB-300經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 59
圖4.32 HPB-250經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 60
圖4.33 HLF-400經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 60
圖4.34 HLF-350經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 61
圖4.35 HLF-300經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 61
圖4.36 HLF-250經溫濕度循環測試之平均輸出功率變化圖 62
圖4.37 APB-400銲接後觀察橫截面組織表面 63
圖4.38 APB-350銲接後觀察橫截面組織表面 63
圖4.39 APB-300銲接後觀察橫截面組織表面 64
圖4.40 APB-250銲接後觀察橫截面組織表面 64
圖4.41 ALF-400銲接後觀察橫截面組織表面 65
圖4.42 ALF-350銲接後觀察橫截面組織表面 65
圖4.43 ALF-300銲接後觀察橫截面組織表面 66
圖4.44 ALF-250銲接後觀察橫截面組織表面 66
圖4.45 HPB-400銲接後觀察橫截面組織表面 67
圖4.46 HPB-350銲接後觀察橫截面組織表面 67
圖4.47 HPB-300銲接後觀察橫截面組織表面 68
圖4.48 HPB-250銲接後觀察橫截面組織表面 68
圖4.49 HLF-400銲接後觀察橫截面組織表面 69
圖4.50 HLF-350銲接後觀察橫截面組織表面 69
圖4.51 HLF-300銲接後觀察橫截面組織表面 70
圖4.52 HLF-250銲接後觀察橫截面組織表面 70
圖4.53 APB-400循環後觀察橫截面組織表面 72
圖4.54 APB-350循環後觀察橫截面組織表面 72
圖4.55 APB-300循環後觀察橫截面組織表面 73
圖4.56 APB-250循環後觀察橫截面組織表面 73
圖4.57 ALF-400循環後觀察橫截面組織表面 74
圖4.58 ALF-350循環後觀察橫截面組織表面 74
圖4.59 ALF-300循環後觀察橫截面組織表面 75
圖4.60 ALF-250循環後觀察橫截面組織表面 75
圖4.61 HPB-400循環後觀察橫截面組織表面 76
圖4.62 HPB-350循環後觀察橫截面組織表面 76
圖4.63 HPB-300循環後觀察橫截面組織表面 77
圖4.64 HPB-250循環後觀察橫截面組織表面 77
圖4.65 HLF-400循環後觀察橫截面組織表面 78
圖4.66 HLF-350循環後觀察橫截面組織表面 78
圖4.67 HLF-300循環後觀察橫截面組織表面 79
圖4.68 HLF-250循環後觀察橫截面組織表面 79
圖4.69 APB銲接後銲道拉伸測試變化 81
圖4.70 ALF銲接後銲道拉伸測試變化 81
圖4.71 HPB銲接後銲道拉伸測試變化 82
圖4.72 HLF銲接後銲道拉伸測試變化 82
圖4.73 CA-100經225次溫濕度循環之最大功率變化圖 84
圖4.74 CA-180經225次溫濕度循環之最大功率變化圖 84
參考文獻
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