絲網(wǎng)印刷電極制作

1、第五章 絲網(wǎng)印刷電極制作絲網(wǎng)印刷技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用的實(shí)用技術(shù)。在電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用方面，對(duì)絲網(wǎng)印刷 的要求很高。要求尺寸精度高、分辨率高、工藝穩(wěn)定性好、可靠性好。絲網(wǎng)印刷技術(shù)包括絲網(wǎng)制版技術(shù)和印刷技術(shù)。絲網(wǎng)版及其制作技術(shù)是絲網(wǎng)印刷技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，也是絲網(wǎng)印刷技術(shù)區(qū)別于其他技術(shù)之處。絲網(wǎng)印刷技術(shù)在太陽電池電極制作工藝上的應(yīng)用，從制造工藝學(xué)原理來看，其特點(diǎn)在于漿料對(duì)半導(dǎo)體基片的非平衡少數(shù)載流子壽命、表面復(fù)合速率、歐姆接觸電阻率等物理特性有著重要的影響。因此，在實(shí)踐中，對(duì)電極漿料及其燒結(jié)工藝要給予特別的注意。5.1 可印材料和絲網(wǎng)印刷制作太陽電池電極的厚膜材料稱為太陽電池電極漿料。太陽電池電極漿料通常

2、由金屬粉末與玻璃粘合劑混合并懸浮于有機(jī)液體或載體中。其中金屬粉末所占的比例決定了厚膜電極的可焊性、電阻率、成本。玻璃粘合劑影響著厚膜電極對(duì)硅基片的附著力。這種粘合劑通常由硼硅酸玻璃以及鉛、鉍一類的重金屬占很大比例的低熔點(diǎn)、活性強(qiáng)的玻璃組成。另外，太陽電池電極漿料印刷燒結(jié)后的厚膜導(dǎo)體必須和半導(dǎo)體基片形成良好的歐姆接觸特性，因此，還添加一些特定的摻雜劑。漿料由專業(yè)制造商制造銷售，其制造過程通常是將所需的玻璃變成粉料，再用球磨機(jī)研磨到適合絲網(wǎng)印刷的顆粒度，大約13微米。金屬粉料用化學(xué)方法或超音速噴射制成。將這些粉末放在攪拌器中與有機(jī)載體濕混，然后再用三滾筒研磨機(jī)混合。作為絲網(wǎng)印刷用的漿料需要具有觸變

3、性，屬于觸變混合物。在加上壓力或（攪拌）剪切應(yīng)力時(shí)，漿料的粘度下降，撤除應(yīng)力后，粘度恢復(fù)。絲網(wǎng)印刷漿料的這種特性叫做觸變性。在絲網(wǎng)印刷過程中，漿料添加到絲網(wǎng)上，由于較高的粘度而“站住”在絲網(wǎng)上；當(dāng)印刷頭在絲網(wǎng)掩模上加壓刮動(dòng)漿料時(shí)，漿料粘度降低并透過絲網(wǎng)；刷頭停止運(yùn)動(dòng)后，漿料再“站住”在絲網(wǎng)上，不再作進(jìn)一步的流動(dòng)。這樣的漿料特別適合于印刷細(xì)線圖形。因?yàn)闈{料的流體特性非常復(fù)雜，在添加有機(jī)載體調(diào)節(jié)涂料粘度時(shí)要特別注意。粘度容易調(diào)到規(guī)定值，漿料的其他性質(zhì)同時(shí)也會(huì)改變；因此，即使粘度與以前樣品相同，也可能會(huì)得到不同的參數(shù)。漿料的流體特性直接影響著印刷圖形的質(zhì)量。漿料必須具有特殊的屈服性，絲網(wǎng)印刷時(shí)在刷頭

4、的壓力下產(chǎn)生流動(dòng)，壓力撤消后恢復(fù)粘度并保持位置。流動(dòng)性太大時(shí)圖形邊沿銳度不好并且會(huì)沾污基片。流動(dòng)性差會(huì)導(dǎo)致透過性能差，產(chǎn)生另外一類缺陷。圖5-1.所示為一些常見的絲網(wǎng)印刷圖形缺陷。 類別 原因A 理想情況 B 擴(kuò)大 粘度太低，屈服點(diǎn)太低C 邊沿不齊 粘度太高，刷頭壓力太大D 絲網(wǎng)孔 屈服點(diǎn)太高E 邊沿流出 載體濕潤性不好，固體粉末顆粒度太大圖5-1.一些常見的絲網(wǎng)印刷圖形缺陷5.2 導(dǎo)體材料成分及其在太陽電池結(jié)構(gòu)中的作用太陽電池電極漿料經(jīng)過印刷燒結(jié)工藝過程后形成厚膜導(dǎo)體電極。其中的金屬導(dǎo)體材料成分分布在玻璃粘合劑中，構(gòu)成一種復(fù)雜的混合分散體系，玻璃起粘合結(jié)構(gòu)的作用，金屬導(dǎo)體材料作為導(dǎo)電相分布在

5、厚膜結(jié)構(gòu)中，各個(gè)金屬晶粒之間通過接觸導(dǎo)電，隧道穿透導(dǎo)電等方式導(dǎo)電。晶體硅太陽電池的P型接觸電極材料通常使用金屬鋁，對(duì)于硅半導(dǎo)體而言鋁是一種P型摻雜劑，同時(shí)它與硅的共晶溫度較低，利用鋁硅合金特性，可以在電極燒結(jié)過程中形成硅半導(dǎo)體的P型摻雜。鋁硅合金相圖見圖2.1 H.F.WOLF SILICON SEMICONDUCTOR DATA SIGNETIC COPORATION 1969。另外，利用雜質(zhì)類型的摻雜補(bǔ)償作用，還可以用于去除POCl3氣態(tài)源擴(kuò)散制作PN結(jié)時(shí)在太陽電池背面形成的N型摻雜層，形成P型背面電極接觸。N型接觸及焊接電極通常使用銀基漿料，其中銀含量在70%以上。對(duì)于半導(dǎo)體硅來說，銀是

6、一種深能級(jí)雜質(zhì)，對(duì)非平衡少數(shù)載流子起復(fù)合中心的作用，對(duì)于太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是有害的。因此，對(duì)于銀漿的選用和燒結(jié)工藝的確定這個(gè)問題必須給予特別注意?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于晶體硅太陽電池制造的銀漿，有Dupont、Ferro、ELS等公司的相關(guān)產(chǎn)品。作為太陽電池電極材料，應(yīng)該具有小的厚膜導(dǎo)體電阻以及金屬半導(dǎo)體接觸電阻。5.2.1 金屬半導(dǎo)體接觸電阻表征金屬半導(dǎo)體歐姆接觸特性時(shí)，使用比接觸電阻RC來描述： （1）對(duì)于低摻雜半導(dǎo)體，金屬比接觸電阻表達(dá)為 (2)A*=4qm*k2/h2是里查遜常數(shù)，q是電子電荷，m*是電荷載流子的有效質(zhì)量，k是波耳茲曼常數(shù)，h是普朗克常數(shù)，B是勢壘高度。由于越過勢壘的熱離子

7、發(fā)射支配著電荷傳輸，較低的勢壘高度將獲得較低的接觸電阻。在高的摻雜濃度，勢壘高度變小，隧道效應(yīng)變?yōu)橹饕膶?dǎo)電機(jī)制，比接觸電阻可表示為： （3）s是硅的介電常數(shù)，ND是摻雜濃度。大致上ND 1019/cm3時(shí)，RC將主要表現(xiàn)為隧道效應(yīng)，并隨著ND的增加迅速地下降 3 施敏（S.M.Sze）著 黃振剛譯半導(dǎo)體器件物理電子工業(yè)出版社1987年第一版P212-213。對(duì)于勢壘高度在0.6V左右的金屬材料，當(dāng)硅的摻雜濃度在1020/cm3附近時(shí)，RC的數(shù)值大約為10-310-4cm2.5.2.2 厚膜導(dǎo)體電阻厚膜導(dǎo)體的電阻與金屬體電阻相似，可以表示為： （4）公式中、l、A分別表示厚膜導(dǎo)體的電阻率、長度

8、和橫截面積。R也可以用方塊電阻rsq表示； （5）柵格厚膜導(dǎo)體電極的電阻值則可以表示為； （6）rsq為厚膜金屬導(dǎo)體層的方塊電阻，厚膜印刷銀電極通常為0.003/ 0.005/；l為柵線長度；w為柵線寬度。對(duì)于鋁背場形式的背面電極，rsq通常為0.010/0.020/，鋁漿質(zhì)量較差的情況為0.050/。5.3設(shè)備和工藝過程、原理制作太陽電池絲網(wǎng)印刷電極的設(shè)備包括絲網(wǎng)印刷機(jī)、紅外烘干爐、紅外快速燒結(jié)爐等。5.3.1 絲網(wǎng)印刷絲網(wǎng)印刷技術(shù)包括絲網(wǎng)制版技術(shù)和絲網(wǎng)印刷技術(shù)。下面從絲網(wǎng)制版和絲網(wǎng)印刷兩方面進(jìn)行介紹。A絲網(wǎng)制版技術(shù)絲網(wǎng)印刷的網(wǎng)版由網(wǎng)框、絲網(wǎng)和掩膜圖形構(gòu)成。絲網(wǎng)繃在網(wǎng)框上，掩膜圖形用照相腐蝕

9、方法制作在絲網(wǎng)上。1. 網(wǎng)框 網(wǎng)框的作用是支撐絲網(wǎng)，在印刷時(shí)保持絲網(wǎng)與承載待印刷基片的工作臺(tái)之間相對(duì)位置的固定。根據(jù)不同的應(yīng)用情況，網(wǎng)框材料可以使用木材、鋁合金、不銹鋼等。由于絲網(wǎng)的張力可能高到30N/cm2甚至更高，因此網(wǎng)框材料必須堅(jiān)固到能維持這個(gè)張力而不會(huì)發(fā)生彎曲或扭曲變形。在滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量選用輕質(zhì)材料，以便于操作。鋁合金是常用的網(wǎng)框材料。網(wǎng)框種類選擇 根據(jù)繃網(wǎng)方式，網(wǎng)框有固定式和自繃式兩大類。工業(yè)化生產(chǎn)中多采用固定式網(wǎng)框?？嚲W(wǎng)時(shí)，用繃網(wǎng)機(jī)將絲網(wǎng)拉到一定張力后，再用粘結(jié)劑把絲網(wǎng)粘到網(wǎng)框上，粘結(jié)劑干燥后備用。網(wǎng)框尺寸選擇 網(wǎng)框尺寸根據(jù)印刷面積而定，最小余隙為100mm。為了得到

10、最好的重復(fù)精度，并且使絲網(wǎng)和刮板葉片的耐久性最好，應(yīng)選擇較大的網(wǎng)框尺寸以保證留有足夠的余隙。圖3.所示為網(wǎng)框、刮板葉片和絲網(wǎng)印刷質(zhì)量之間的關(guān)系。圖5-3. 網(wǎng)框、刮板葉片和絲網(wǎng)印刷質(zhì)量之間的關(guān)系2.絲網(wǎng) 絲網(wǎng)是掩膜圖形的載體，是支撐掩膜圖形和控制漿料印刷質(zhì)量的重要工具，對(duì)印刷精度和質(zhì)量起決定作用。用于絲網(wǎng)印刷的絲網(wǎng)材料有真絲、尼龍絲、聚脂絲、不銹鋼絲等。不銹鋼絲網(wǎng)具有極好的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性，具有很高的開孔面積，漿料透過性良好，幾乎不堵孔，能經(jīng)受很大的拉力。不銹鋼絲網(wǎng)的伸張度很小，因此使絲網(wǎng)和印刷基片之間快速脫開的間距比其他材料絲網(wǎng)的小。不銹鋼絲網(wǎng)的特性使?jié){料印刷圖形的畸變和印刷行程見的位移最

11、小。表5-1常用不同絲網(wǎng)材料性能比較性能材質(zhì)不銹鋼絲網(wǎng)尼龍絲網(wǎng)聚脂絲網(wǎng)抗張強(qiáng)度耐化學(xué)藥品吸水率（20、65RH）網(wǎng)目范圍尺寸穩(wěn)定性耐磨性能彈性及伸長率耐印次數(shù)破壞點(diǎn)延伸率油量控制纖維粗細(xì)價(jià)格極高極好不吸水30500極好極好差伸長率0.1%200004060%差細(xì)最高中等極好24%16460差中等極好伸長率2%400002040%好較粗低高好0.4%60390中等中等好伸長率2%400001014%好粗中等絲網(wǎng)種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為平織和斜織兩種。平織絲網(wǎng)最薄。圖5-4.是放大的絲網(wǎng)單位，從圖上可以知道絲網(wǎng)的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)。絲網(wǎng)的目數(shù)M為單位長度內(nèi)的開孔數(shù)，單位通常用（開孔數(shù)/英寸）表示。絲網(wǎng)的

12、厚度T為經(jīng)緯相交叉的線的厚度，一般等于二倍線徑。線徑D指網(wǎng)絲的直徑。開孔O指絲網(wǎng)孔徑的大小。開孔面積OA指絲網(wǎng)孔面積。百分開孔面積OA%指開孔面積占絲網(wǎng)面積的百分比。透過體積指絲網(wǎng)厚度與開孔面積之積。絲網(wǎng)印刷對(duì)圖形精度的限制4 宣大榮，韋文蘭，王德貴編著表面組裝技術(shù)電子工業(yè)出版社1994年8月第一版4 絲網(wǎng)印刷電極圖形的最細(xì)線條寬度受絲網(wǎng)纖維直徑和編織網(wǎng)目的限制。理論最小寬度等于網(wǎng)孔寬度加上兩個(gè)絲網(wǎng)線徑，如圖5-4.所示。最小線寬：D是絲網(wǎng)纖維直徑，O是絲網(wǎng)孔寬度。 圖5-4. 絲網(wǎng)單位 圖5-5. 影響漿料印刷厚度的因素影響絲網(wǎng)印刷漿料厚度的因素包括絲網(wǎng)厚度FT，乳膠膜厚度ET，絲網(wǎng)開孔率O

13、A%等。其中絲網(wǎng)開孔率定義為絲網(wǎng)網(wǎng)孔面積與絲網(wǎng)面積的百分比值：漿料印刷厚度：PT =FT×OA% + ET 3.繃網(wǎng) 繃網(wǎng)是將絲網(wǎng)繃緊到一定的張力，然后固定到網(wǎng)框上。它是絲網(wǎng)制版的關(guān)鍵工藝過程，也是確保印刷質(zhì)量的關(guān)鍵?？嚲W(wǎng)操作時(shí)，應(yīng)特別注意絲網(wǎng)的拉伸特性，并控制好張力?？嚲W(wǎng)過程實(shí)際上是絲網(wǎng)的反復(fù)拉伸過程。新的絲網(wǎng)最不穩(wěn)定，實(shí)際上，絲網(wǎng)尺寸的穩(wěn)定性會(huì)隨著重復(fù)繃網(wǎng)、印刷、回彈使絲網(wǎng)內(nèi)應(yīng)力逐漸消除而得到改善。為了使繃在網(wǎng)框上的絲網(wǎng)具有穩(wěn)定的尺寸，絲網(wǎng)在固定到網(wǎng)框上之前應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力的穩(wěn)定化處理，以便得到最終要求的張力，處理時(shí)間根據(jù)絲網(wǎng)的具體規(guī)格型號(hào)而定，較粗的絲網(wǎng)處理時(shí)間短，一般絲網(wǎng)約需1

14、小時(shí)的穩(wěn)定化處理。另外，絲網(wǎng)粘結(jié)固定到網(wǎng)框上之后，最好靜置幾天后再使用；對(duì)于高精度的印刷，靜置更加重要。4.曝光印相制版 在繃好的網(wǎng)板上，制作供印刷用的精確掩膜圖形。主要工藝步驟包括：絲網(wǎng)清潔處理、感光膠涂布、曝光、顯影沖洗、質(zhì)量檢驗(yàn)。清潔處理 絲網(wǎng)在涂布感光膠之前必須進(jìn)行清潔處理，去除油污、灰塵和其他臟污，以確保感光膠涂布的均勻性和附著良好。使用合適的清洗劑和“磨網(wǎng)膠”，嚴(yán)格掌握工藝條件，細(xì)心操作。處理后的絲網(wǎng)應(yīng)完全親水，否則應(yīng)重新處理，直到絲網(wǎng)表面能形成均勻的水膜為止。涂布感光膠 有直接乳劑制版法和直接/間接制版法（菲林膜）。直接法制得的掩模清晰度尚好，耐印次數(shù)高；菲林膜法制得的掩模邊沿清

15、晰，可以根據(jù)需要設(shè)定厚度，價(jià)格較貴。在粘貼感光膜片之前要用防靜電布搽拭膜片，以確保工藝可靠性。乳劑和膜片都應(yīng)充分干燥，以保證曝光效果。工作室應(yīng)保證良好的凈化條件：溫度（T）23±3，濕度（H）55±10%，凈化等級(jí)為10000100000級(jí)。曝光 照度均勻穩(wěn)定的光源，準(zhǔn)確的曝光時(shí)間，是保證曝光質(zhì)量的條件。在實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)選用感光膠膜的曝光參數(shù)，確定具體的曝光條件，并嚴(yán)格操作。顯影沖洗 顯影時(shí)應(yīng)控制水壓和噴霧微粒的大小、水溫、噴嘴與掩膜的距離以及沖洗時(shí)間。采用自動(dòng)顯影沖洗設(shè)備有助于提高顯影質(zhì)量。質(zhì)量檢驗(yàn) 采用專用放大檢查裝置進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)局部顯影余膠點(diǎn)，可采用小型噴槍噴射修

16、版溶劑進(jìn)行局部處理。按照上述程序制作好的網(wǎng)版應(yīng)置于符合技術(shù)規(guī)定的房間貯存?zhèn)溆?。B絲網(wǎng)印刷技術(shù)采用制作好的絲網(wǎng)版，用一定的方法使絲網(wǎng)待印刷基片接觸，使?jié){料在絲網(wǎng)版上均勻流動(dòng)，按照掩膜圖形注入網(wǎng)孔，當(dāng)絲網(wǎng)脫開基片時(shí)，漿料就以掩膜圖形的形狀從網(wǎng)孔轉(zhuǎn)移到基片的相應(yīng)位置上，完成漿料的圖形印刷。完成這一過程需要借助一定的機(jī)械設(shè)備，這就是絲網(wǎng)印刷機(jī)。1.自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)由印刷臺(tái)（基片夾持機(jī)構(gòu)）、機(jī)架、網(wǎng)版和印刷頭組件等組成。自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)的印刷臺(tái)帶有自動(dòng)裝、卸片、自動(dòng)校準(zhǔn)定位裝置和真空吸盤，印刷時(shí)可以將基片固定在確定的位置。印刷頭組件是自動(dòng)應(yīng)刷機(jī)上最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由刮板葉片和夾持把，速度壓力控制器、溢流板

17、等組成。刮板葉片用具有彈性的聚氨基甲酸脂制成。它必須具有高摩擦阻力和耐溶劑清洗的性能。其硬度是影響印刷質(zhì)量的重要因素。葉片在夾持把上要完全平整，否則它與絲網(wǎng)接觸布齊，壓力不勻，引起不規(guī)則的印刷，漿料厚度不勻甚至出現(xiàn)無漿料區(qū)域。溢流板通常用金屬作成。2.絲網(wǎng)印刷原理 實(shí)際絲網(wǎng)印刷時(shí)，印刷頭組件將進(jìn)行溢流行程和印刷行程兩個(gè)操作。在溢流行程中，溢流板推動(dòng)漿料在整個(gè)絲網(wǎng)印刷面積上擴(kuò)展開成為均勻的一層。在溢流行程時(shí)，溢流板與絲網(wǎng)的間距、溢流板運(yùn)行速度要適當(dāng)。溢流板位置過低時(shí)會(huì)與絲網(wǎng)接觸并產(chǎn)生印刷效果，甚至?xí)p壞絲網(wǎng)；位置過高、速度不合適則不能均勻展開漿料。印刷行程中，刮板葉片以一定的速度和角度向前移動(dòng)，

18、對(duì)漿料產(chǎn)生一定的壓力，推動(dòng)漿料前進(jìn)在刮板前滾動(dòng)，產(chǎn)生將漿料注入網(wǎng)孔的壓力。由于漿料是觸變流體，漿料中的粘性摩擦力使其層流之間產(chǎn)生切變。在在刮板凸緣附近與絲網(wǎng)接觸處，漿料切變速率最大，這一方面產(chǎn)生了漿料注入網(wǎng)孔所需的壓力，另外切變速率的提高也使?jié){料的粘度下降，有利于注入網(wǎng)孔。因此，當(dāng)刮板角度、速度適當(dāng)時(shí)，漿料會(huì)順利地進(jìn)入絲網(wǎng)網(wǎng)孔。當(dāng)刮板完成壓印動(dòng)作后，絲網(wǎng)回彈離開基片表面，在基片上產(chǎn)生一低壓區(qū)，由于絲網(wǎng)上方的大氣壓與這一低壓區(qū)存在壓差，所以漿料就被從網(wǎng)孔中推向基片，形成印刷的漿料圖形。如果不形成低壓區(qū)，漿料仍留在網(wǎng)孔中，就不能形成基片上的印刷圖形。實(shí)際上對(duì)于成功的印刷，刮板速度和漿料粘度之間遵循一定的關(guān)系。刮板速度v和漿料粘度的乘積應(yīng)遵循下列關(guān)系：v某一恒定值該恒定值由具體的印刷條件決定，與絲網(wǎng)型號(hào)、絲網(wǎng)與基片的間距等參數(shù)有關(guān)。對(duì)于某一給定粘度的漿料，刮板速度超過某一數(shù)值時(shí)，就不能夠順利進(jìn)行印刷，所以給定粘度的漿料，在特定的印刷條件下