Procedimiento y dispositivo para la aplicación de material soldante en una pieza de trabajo.

Procedimiento para la aplicación de material soldante en una pieza de trabajo, preferiblemente en un componente semiconductor como una célula solar

, soldándose el material soldante a una temperatura de soldadura TL y mediante un sonotrodo bajo la acción de ultrasonidos, calentándose además el material soldante mediante un dispositivo de calefacción, aplicándose en la pieza de trabajo y soldándose bajo la acción de ultrasonidos, caracterizado porque la pieza de trabajo está alojada durante el proceso de soldadura de forma elástica apretándose la pieza de trabajo en dirección al sonotrodo mediante un dispositivo de transporte que transporta la pieza de trabajo.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11155362.

Solicitante: SCHOTT SOLAR AG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HATTENBERGSTRASSE 10 55122 MAINZ ALEMANIA.

Inventor/es: MEYER, STEFAN, VON CAMPE, HILMAR, DR., HUYNH-MINH,THAI, HUBER,STEPHAN, REIFF,SILVIO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > B23K1/00 (Soldadura sin fusión, p. ej. brazing, o desoldeo (B23K 3/00 tiene prioridad; caracterizadas únicamente por el uso de materiales o de un medio ambiente particular B23K 35/00; en la fabricación de circuitos impresos H05K 3/34))
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > Herramientas, dispositivos o accesorios particulares... > B23K3/06 (Dispositivos de alimentación con metal de aportación; Cubas de fusión del metal de aportación)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > Soldadura sin fusión, p. ej. brazing, o desoldeo... > B23K1/06 (mediante la utilización de vibraciones, p. ej. vibraciones ultrasonoras)

PDF original: ES-2497571_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para la aplicación de material soldante en una pieza de trabajo.

La invención se refiere a un procedimiento para la aplicación de material soldante en una pieza de trabajo, preferiblemente en un componente semiconductor como una célula solar, soldándose el material soldante a una 5 temperatura de soldadura TL bajo la acción de ultrasonidos. Además, la invención se refiere a un dispositivo para la aplicación y la fijación por soldadura de un material soldante en una zona a soldar en una pieza de trabajo, en particular un componente semiconductor como una célula solar, comprendiendo un dispositivo alimentador de material soldante, un dispositivo de calefacción para el material soldante, un sonotrodo de ultrasonidos, así como un dispositivo de transporte para el transporte de la pieza de trabajo tanto respecto al dispositivo de calefacción como 10 respecto al sonotrodo de ultrasonidos.

Por el documento WO-A-2008/014900 (DE-A-10 2006 035 626) se conoce un procedimiento para la aplicación de una línea de conexión en una célula solar, en el que se aplica un material soldante mediante soldadura por ultrasonidos en la célula solar. Para ello, el material soldante en forma de un alambre de aportación o de material de aportación preformado se fija mediante un sonotrodo de ultrasonidos a la temperatura de soldadura.

La fijación de material soldante mediante soldadura por ultrasonidos, en particular en células solares, presenta la ventaja de que no debe usarse un fundente, por lo que aumenta, por otro lado, el peligro de que la célula solar pueda sufrir daños. Por la acción de ultrasonidos se rompen las capas de óxido existentes en las células solares, para garantizar una unión mecánicamente resistente y de buena conductividad eléctrica entre el material soldante y la capa metálica correspondiente de la célula solar. Esto es una ventaja, en particular, cuando la capa metálica es 20 una capa de aluminio, como un contacto en la cara posterior hecho de aluminio.

En los documentos US-B-6,357,649 o en la cita de bibliografía Mardesich et al.: "A Low-Cost Photovoltaic Cell Process Based on Thick Film Techniques; 14th IEEE PV, Sp. Conf. Proc., 1980, páginas 943-947 se indican procedimientos de soldadura por ultrasonidos correspondientes.

Los procedimientos conocidos presentan el inconveniente que al aplicar un dispositivo de soldadura que aplica 25 ultrasonido, que puede ser un sonotrodo de ultrasonidos, se producen daños en las piezas de trabajo cuando se trata de piezas de trabajo finas, con tendencia a la rotura. No obstante, en particular puede observarse el inconveniente que cuando la pieza de trabajo presenta una superficie irregular, la unión soldada no se forma de modo uniforme en grado suficiente. También se presenta el inconveniente que por la energía térmica transmitida por el sonotrodo de ultrasonidos por la fusión del material soldante no puede conseguirse la aportación de calor 30 necesaria en el grado necesario de forma reproducible, debido a la configuración del sonotrodo en su punta, que entra en contacto con el material soldante.

Por el documento EP-A-1 699 090 se conocen un procedimiento y un dispositivo para la fabricación de módulos de células solares. Para ello se conducen distintas células solares a conectar entre sí entre cintas transportadoras, cediendo una cinta transportadora la energía térmica necesaria para unir células solares sucesivas con un conector 35 y transmitiendo otra cinta la presión necesaria para la unión. Las células solares se alimentan mediante una tercera cinta transportadora a las primeras dos cintas.

El documento JP-A-2844330 describe un sonotrodo de ultrasonidos, mediante el cual se aplica material soldante en una pieza de trabajo. El eje longitudinal del sonotrodo de ultrasonidos se extiende en paralelo a la perpendicular de la pieza de trabajo.

En el documento DE-T-692 22 611 se describen materiales soldantes que contienen como uno de los componentes materiales abrasivos.

El documento US-A-3,222,776 describe un procedimiento y un dispositivo para el tratamiento de material soldante fundido, para soldar un alambre con un contacto. El porcionado de la cantidad de material soldante a aplicar se realiza mediante ultrasonido.

En el documento EP-A-1 195 217 está descrito un procedimiento para soldar usando un material soldante sin plomo. Puede conectarse un componente electrónico con un tablero de circuitos impresos, que se hace vibrar mediante ultrasonidos.

La cita de bibliografía Bach F-W et al.: "Ultraschallisiertes Flammlóten von Aluminiumlegierungen", Schweissen und Schneiden, DVS Verlag, Dusseldorf, DE, se refiere a la soldadura con soplete asistido por ultrasonido de aleaciones 50 de aluminio. Puede realizarse un acoplamiento de ultrasonido cerca de la zona de unión de componentes macizos, concretamente directamente en el material soldante.

Por el documento US-A-2009/155958 se da a conocer un procedimiento de soldadura asistido por ultrasonidos para chips LED.

Para soldar componentes, según el documento US-A-2005/205641 se usa una herramienta de ultrasonidos.

La presente invención tiene el objetivo de perfeccionar un procedimiento y un dispositivo del tipo indicados al principio de tal modo que pueda aplicarse sin problemas un material soldante en piezas de trabajo con tendencia a la rotura, en particular en piezas de trabajo de un espesor de hasta 200 pm y/o de una superficie ondulada o ligeramente curvada. Debe conseguirse, además, la posibilidad de un alto rendimiento garantizándose al mismo tiempo procesos de soldadura reproducibles.

Según la invención, el objetivo se consigue mediante un procedimiento del tipo indicado al principio sustancialmente porque el material soldante se calienta mediante un dispositivo de calefacción, se aplica en la pieza de trabajo y se fija por soldadura bajo la acción de ultrasonidos, estando alojada la pieza de trabajo durante la soldadura de forma elástica apretándose la pieza de trabajo en dirección al sonotrodo mediante un dispositivo de transporte que transporta la pieza de trabajo.

En particular, está previsto que el material soldante se fija por soldadura después de su calentamiento a una temperatura de soldadura TL mediante acción de ultrasonidos. La temperatura de soldadura TL es > TM, siendo TM el punto de fusión del material soldante. Este está situado p.ej. en caso de un material soldante de Sn-Bi en 140°C y en caso de un material soldante de Sn-Pb en 180°C.

Según la invención, en particular está previsto que el material soldante se caliente en primer lugar a una temperatura de soldadura deseada, para aplicar a continuación el material soldante fundido en la pieza de trabajo. A continuación, se aplica el ultrasonido deseado. Gracias a estas medidas queda garantizada una fijación por soldadura o aplicación de material soldante reproducible, transmitiéndose el calentamiento de la pieza de trabajo para la unión material al material soldante por este mismo directamente a la pieza de trabajo. El material soldante calentado propiamente dicho aporta el calor necesario para la unión al material de la pieza de trabajo, sin que deba tener lugar una transmisión de calor mediante el dispositivo de ultrasonidos. De este modo queda garantizada una fijación por soldadura reproducible.

En particular, la invención prevé que el calentamiento de la pieza de trabajo se realice porque el material soldante cede su calor a la pieza de trabajo por el contacto con la pieza de trabajo. Para garantizarlo, el dispositivo de calefacción que calienta el material soldante puede hacerse pasar directamente por la pieza de trabajo cerca de la zona a soldar, realizándose dado el caso un contacto directo entre el dispositivo de calefacción... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la aplicación de material soldante en una pieza de trabajo, preferiblemente en un componente semiconductor como una célula solar, soldándose el material soldante a una temperatura de soldadura Tl y mediante un sonotrodo bajo la acción de ultrasonidos, calentándose además el material soldante mediante un dispositivo de calefacción, aplicándose en la pieza de trabajo y soldándose bajo la acción de ultrasonidos, caracterizado porque la pieza de trabajo está alojada durante el proceso de soldadura de forma elástica apretándose la pieza de trabajo en dirección al sonotrodo mediante un dispositivo de transporte que transporta la pieza de trabajo.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el material soldante se calienta mediante el dispositivo de calefacción a una temperatura TL con Tl > TM, siendo TM t la temperatura de fusión del material soldante.

3. Procedimiento de acuerdo con al menos la reivindicación 1, caracterizado porque el calor necesario para el proceso de soldadura se transmite mediante el material soldante a la pieza de trabajo, calentándose en particular el material soldante mediante el dispositivo de calefacción, que preferiblemente con un movimiento relativo entre la pieza de trabajo y el dispositivo de calefacción entra al menos temporalmente en contacto con la pieza de trabajo, deslizándose en particular a lo largo de la pieza de trabajo.

4. Procedimiento de acuerdo con al menos la reivindicación 1, caracterizado porque la altura del material soldante encima de la pieza de trabajo se ajusta mediante la distancia entre la cabeza del sonotrodo o la punta de éste y la pieza de trabajo y/o mediante la cantidad de aplicación del material soldante y porque el eje longitudinal del sonotrodo que aplica el ultrasonido está orientado preferiblemente en un ángulo a respecto a la perpendicular que parte de la pieza de trabajo, siendo 0o < a < 90°, preferiblemente 20° < a < 60°.

5. Procedimiento de acuerdo con al menos la reivindicación 1, caracterizado porque para la aplicación de las vibraciones ultrasónicas se usa un sonotrodo con una cabeza de sonotrodo con una zona que entra en contacto con el material soldante, que está hecha de material duro o lo presenta, en particular una capa de material duro, p.ej. de carburo de tungsteno, SiC, diamante y/o porque se usa un material soldante, que contiene un material abrasivo como Al203, SiC, SÍ3N4, Si02, o porque se usa un material soldante que contiene un componente que se precipita al bajar la temperatura, que actúa como material abrasivo.

6. Procedimiento de acuerdo con al menos la reivindicación 1, caracterizado porque después de la solidificación del material soldante, éste vuelve a calentarse y alisarse mediante la aplicación de presión.

7. Procedimiento de acuerdo con al menos la reivindicación 1, caracterizado porque durante el proceso de soldadura del material soldante en la pieza de trabajo se aplica mediante soldadura un conductor eléctrico en el material soldante como una línea de conexión, o porque después de soldar el material soldante se aplica mediante soldadura en una etapa separada del procedimiento un conductor eléctrico en el material soldante soldado en la pieza de trabajo alimentándose energía térmica o porque en una célula solar como pieza de trabajo se aplica mediante soldadura el material soldante en bandas o tiras para la formación de barras bus para la conexión eléctricamente conductora con los colectores existentes en la célula solar.

8. Dispositivo para la aplicación y la fijación por soldadura de un material soldante en una zona a soldar en una pieza de trabajo (12), en particular en un componente semiconductor como una célula solar, que comprende un dispositivo de alimentación de material soldante (54), un dispositivo de calefacción (50) para el material soldante, un sonotrodo de ultrasonidos (58), así como un dispositivo de transporte (10) para el transporte de la pieza de trabajo tanto respecto al dispositivo de calefacción como respecto al sonotrodo de ultrasonidos, caracterizado porque el dispositivo de transporte (10) transporta la pieza de trabajo (12) de forma elástica por la zona a soldar apretándola en dirección al sonotrodo de ultrasonidos (58).

9. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo de transporte (10) presenta un primero y un segundo elemento de transporte (16, 18), entre los que la pieza de trabajo (12) está fijada por apriete, estando accionado el primer elemento de transporte (16) de forma activa y el segundo elemento de transporte (18) por cierre de fuerza por fricción con el primer elemento de transporte o la pieza de trabajo o por un accionamiento propio adicional, siendo preferiblemente el primero y el segundo elemento de transporte (16, 18) elementos planos o redondos sin fin, como correas planas o cordeles y/o presentando el primero y/o el segundo elemento de transporte (16, 18) dos elementos planos o redondos sin fin dispuestos a distancia entre sí, que pasan respectivamente por poleas de inversión (29, 30) que parten de un eje común (26), pudiendo estar accionado el primer dispositivo de transporte (16), dado el caso, por un tercer dispositivo de transporte (20), mediante el cual la pieza de trabajo (12) puede alimentarse al primero y al segundo dispositivo de transporte (16, 18).

10. Dispositivo de acuerdo con al menos la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo de calefacción (50) y el sonotrodo de ultrasonidos (58) son ajustables como unidad respecto al primer dispositivo de transporte (16) que define el plano de transporte de la pieza de trabajo (12), siendo ajustables, dado el caso, el dispositivo de calefacción (50) y el sonotrodo de ultrasonidos (58) uno respecto al otro y respecto al plano de transporte.

11. Dispositivo de acuerdo con al menos la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo de calefacción (50)

presenta una abertura de salida (54) que suministra material soldante fundido y que está orientada hacia el plano de transporte, estando dispuesto con preferencia el sonotrodo de ultrasonidos (58) con su cabeza de sonotrodo (44) que está en contacto con el material soldante fundido directamente en la zona de la abertura de salida (54) o a distancia de la misma.

12. Dispositivo de acuerdo con al menos la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo presenta al menos

un canal de alimentación de gas (62) aislado respecto al dispositivo de calefacción (50) desde el cual puede alimentarse gas protector a la zona a soldar.

13. Dispositivo de acuerdo con al menos la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo de calefacción (50) presenta en el lado de la pieza de trabajo al menos un patín (46, 48) y puede apoyarse preferiblemente mediante el

al menos un patín (46, 48) deslizando en la pieza de trabajo (12).

14. Dispositivo de acuerdo con al menos la reivindicación 8, caracterizado porque mediante un sensor puede detectarse la pieza de trabajo (12) o el material soldante aplicado en la misma pudiendo orientarse el sonotrodo de ultrasonidos (58) en función de los valores determinados.

15. Dispositivo de acuerdo con al menos la reivindicación 8, caracterizado porque la zona del sonotrodo de 20 ultrasonidos (58) que entra en contacto con el material soldante, que presenta preferiblemente una capa de material

duro de carburo de tungsteno, carburo de silicio, nitruro de boro o diamante presenta una anchura que es igual o inferior a la anchura de una tira de material soldante fundido aplicada en la pieza de trabajo (12).