1、第五章 絲網印刷電極制作絲網印刷技術是一種廣泛應用的實用技術。在電子技術領域應用方面，對絲網印刷 的要求很高。要求尺寸精度高、分辨率高、工藝穩定性好、可靠性好。絲網印刷技術包 括絲網制版技術和印刷技術。絲網版及其制作技術是絲網印刷技術的關鍵技術，也是絲 網印刷技術區別于其他技術之處。絲網印刷技術在太陽電池電極制作工藝上的應用，從制造工藝學原理來看，其特點 在于漿料對半導體基片的非平衡少數載流子壽命、表面復合速率、歐姆接觸電阻率等物 理特性有著重要的影響。因此，在實踐中，對電極漿料及其燒結工藝要給予特別的注 意。5.1 可印材料和絲網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

2、極漿料通常由金屬粉末與玻璃粘合劑混合并懸浮于有機液體或載體中。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、活性強的玻璃組成。另外，太陽電池電極漿料印刷燒結后的厚膜導體必須和半導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，再用球磨機研磨到適合絲網印刷的顆粒度，大約 13微米。金屬粉料用化學方法或超音速噴射 制成。將這些粉末放在攪拌器中與有機載體濕混，然后再用三滾筒研磨機混合。作為絲網印刷用的漿

3、料需要具有觸變性，屬于觸變混合物。在加上壓力或（攪拌）剪切應力時，漿料的粘度下降，撤除應力后，粘度恢復。絲網印刷漿料的這種特性叫做觸變性。在絲網印刷過程中，漿料添加到絲網上，由于較高的粘度而“站住”在絲網上；當印刷頭在絲網掩模上加壓刮動漿料時，漿料粘度降低并透過絲網；刷頭停止運動后，漿料再“站住”在絲網上，不再作進一步的流動。這樣的漿料特別適合于印刷細線圖形。因為漿料的流體特性非常復雜，在添加有機載體調節涂料粘度時要特別注意。粘度容易調到規定值，漿料的其他性質同時也會改變；因此，即使粘度與以前樣品相同，也可能會得到不同的參數。漿料的流體特性直接影響著印刷圖形的質量。漿料必須具有特殊的屈服性，絲

4、網印刷時在刷頭的壓力下產生流動，壓力撤消后恢復粘度并保持位置。流動性太大時圖形邊沿銳度不好并且會沾污基片。流動性差會導致透過性能差，產生另外一類缺陷。圖5-1. 所示為一些常見的絲網印刷圖形缺陷。1011t B C 0 E類別原因A理想情況B擴大粘度太低，屈服點太低C邊沿不齊粘度太高，刷頭壓力太大D絲網孔屈服點太高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印刷圖形缺陷5.2 導體材料成分及其在太陽電池結構中的作用太陽電池電極漿料經過印刷燒結工藝過程后形成厚膜導體電極。其中的金屬導體材料成 分分布在玻璃粘合劑中，構成一種復雜的混合分散體系，玻璃起粘合結構的作用，金屬導體

5、 材料作為導電相分布在厚膜結構中，各個金屬晶粒之間通過接觸導電，隧道穿透導電等方式 導電。晶體硅太陽電池的P型接觸電極材料通常使用金屬鋁，對于硅半導體而言鋁是一種P型摻雜劑，同時它與硅的共晶溫度較低，利用鋁一硅合金特性，可以在電極燒結過程中形成硅半導體的P型摻雜。鋁硅合金相圖見圖2.1。另外，利用雜質類型的摻雜補償作用，還可以用于去除POCI3氣態源擴散制作 PN結時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。對于半導體硅來說，銀是一種深能級雜質，對非平衡少數載流子起復合中心的作用，對于太陽電池的光 電轉換效率是有害的。因

6、此，對于銀漿的選用和燒結工藝的確定這個問題必須給予特別注 意?，F已廣泛應用于晶體硅太陽電池制造的銀漿，有 Dupont、Ferro、ELS等公司的相關產 品。作為太陽電池電極材料，應該具有小的厚膜導體電阻以及金屬一半導體接觸電阻。5.2.1 金屬一半導體接觸電阻表征金屬一半導體歐姆接觸特性時，使用比接觸電阻Rc來描述:(1)R _ J 4對于低摻雜半導體，金屬比接觸電阻表達為口 kq bRC =exP -qA T kTA*=4兀qm*k2/h2是里查遜常數，q是電子電荷，m*是電荷載流子的有效質量，k是波耳茲曼常數，h是普朗克常數，4 b是勢壘高度。由于越過勢壘的熱離子發射支配著電荷傳輸，較低

7、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，隧道效應變為主要的導電機制，比接觸電阻可表示為:£ s是硅的介電常數，Nd是摻雜濃度。大致 上Nd >1019/cm3時，Rc將主要表現為隧道效應， 并隨著Nd的增加迅速地下降3。對于勢壘高度在 0.6V左右的金屬材料，當硅的摻雜濃度在 1020/cm3附近時，Rc的數值大約為10-310-4Q cm2.5.2.2 厚膜導體電阻厚膜導體的電阻與金屬體電阻相似，可以表 示為：(4)c ：?1r =A公式中p、1、A分別表示厚膜導體的電阻率、長度和橫截面積。 表示；l、R = rsq()w柵格厚膜導體電極的電阻值則可以表

8、示為；Rmrsq()w2mnR也可以用方塊電阻7q(5)(6)rsq為厚膜金屬導體層的方塊電阻，厚膜印刷銀電極通常為0.003Q/口0.005 Q/口； l為柵線長度；w為柵線寬度。對于鋁背場形式的背面電極，rsq通常為0.010 Q /口0.020 Q /口，鋁漿質量較差的情況為 0.050 Q/口。5.3設備和工藝過程、原理制作太陽電池絲網印刷電極的設備包括絲網印刷機、紅外烘干爐、紅外快速燒結爐等。5.3.1 絲網印刷絲網印刷技術包括絲網制版技術和絲網印刷技術。下面從絲網制版和絲網印刷兩方面進 行介紹。A絲網制版技術絲網印刷的網版由網框、絲網和掩膜圖形構成。絲網繃在網框上，掩膜圖形用照相腐

9、蝕 方法制作在絲網上。1 .網框 網框的作用是支撐絲網，在印刷時保持絲網與承載待印刷基片的工作臺之間相 對位置的固定。根據不同的應用情況，網框材料可以使用木材、鋁合金、不銹鋼等。由于絲 網的張力可能高到 30N/cm2甚至更高，因此網框材料必須堅固到能維持這個張力而不會發生 彎曲或扭曲變形。在滿足強度要求的前提下，應盡量選用輕質材料，以便于操作。鋁合金是 常用的網框材料。網框種類選擇根據繃網方式，網框有固定式和自繃式兩大類。工業化生產中多采用固 定式網框。繃網時，用繃網機將絲網拉到一定張力后，再用粘結劑把絲網粘到網框上，粘結 劑干燥后備用。網框尺寸選擇網框尺寸根據印刷面積而定，最小余隙為100

10、mm為了得到最好的重復精度，并且使絲網和刮板葉片的耐久性最好，應選擇較大的網框尺寸以保證留有足夠的余隙。圖3.所示為網框、刮板葉片和絲網印刷質量之間的關系。B畸變的情良圖5-3.網框、刮板葉片和絲網印刷質量之間的關系2 .絲網 絲網是掩膜圖形的載體，是支撐掩膜圖形和控制漿料印刷質量的重要工具，對 印刷精度和質量起決定作用。用于絲網印刷的絲網材料有真絲、尼龍絲、聚脂絲、不銹鋼絲等。不銹鋼絲網具有極好 的尺寸穩定性、耐磨性，具有很高的開孔面積，漿料透過性良好，幾乎不堵孔，能經受很大 的拉力。不銹鋼絲網的伸張度很小，因此使絲網和印刷基片之間快速脫開的間距比其他材料 絲網的小。不銹鋼絲網的特性使漿料印

11、刷圖形的畸變和印刷行程見的位移最小。表5-1常用不同絲網材料性能比較性能材質不銹鋼絲網尼龍絲網聚脂絲網抗張強度極高:中等高耐化學藥品極好極好好吸水率（20 C、65RH）不吸水24%0.4%網目范圍30 5001646060 390尺寸穩定性極好差中等耐磨性能極好中等中等彈性及伸長率差極好好伸長率0.1%伸長率2%伸長率2%耐印次數200004000040000破壞點延伸率40 60%2040%1014%油量控制差好好纖維粗細細較粗粗價格最局低中等絲網種類很多，按結構可分為平織和斜織兩種。平織絲網最薄。圖5-4.是放大的絲網單位，從圖上可以知道絲網的幾何尺寸和結構/英寸）表示絲網的目數 M為單

12、位長度內的開孔數，單位通常用（開孔數 絲網的厚度T為經緯相交叉的線的厚度，一般等于二倍線徑 線徑D指網絲的直徑。開孔 O指絲網孔徑的大小。開孔面積OA指絲網孔面積。百分開孔面積OA%1開孔面積占絲網面積的百分比。透過體積指絲網厚度與開孔面積之積。絲網印刷對圖形精度的限制 4絲網印刷電極圖形的最細線條寬度受絲網纖維直徑和編織網目的限制。理論最小寬度等于網孔寬度加上兩個絲網線徑，如圖5-4.所示。最小線寬:w =2D O圖5-5.影響漿料印刷厚度的因素FT,乳膠膜厚度 ET,絲網開孔率 OA舞。D是絲網纖維直徑，O是絲網孔寬度。圖5-4.絲網單位影響絲網印刷漿料厚度的因素包括絲網厚度 其中絲網開孔

13、率定義為絲網網孔面積與絲網面積的百分比值:OA% , M 2 100%(O ' D)2漿料印刷厚度：PT =FTX OA%+ ET3 .繃網繃網是將絲網繃緊到一定的張力，然后固定到網框上。它是絲網制版的關鍵工 藝過程，也是確保印刷質量的關鍵?？嚲W操作時，應特別注意絲網的拉伸特性，并控制好張 力?？嚲W過程實際上是絲網的反復拉伸過程。新的絲網最不穩定，實際上，絲網尺寸的穩定 性會隨著重復繃網、印刷、回彈使絲網內應力逐漸消除而得到改善。為了使繃在網框上的絲 網具有穩定的尺寸，絲網在固定到網框上之前應進行消除應力的穩定化處理，以便得到最終 要求的張力，處理時間根據絲網的具體規格型號而定，較粗的

14、絲網處理時間短，一般絲網約 需1小時的穩定化處理。另外，絲網粘結固定到網框上之后，最好靜置幾天后再使用；對于 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：絲網清潔處理、感光膠涂布、曝光、顯影沖洗、質量檢驗。清潔處理 絲網在涂布感光膠之前必須進行清潔處理，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“磨網膠”，嚴格掌握工藝條 件，細心操作。處理后的絲網應完全親水，否則應重新處理，直到絲網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

15、 度尚好，耐印次數高；菲林膜法制得的掩模邊沿清晰，可以根據需要設定厚度，價格較貴。 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。乳劑和膜片都應充分干燥，以保證曝光效果。工作室應保證良好的凈化條件：溫度（T） 23± 3，濕度（H） 55±10% 凈化等級為 10000100000級。曝光 照度均勻穩定的光源，準確的曝光時間，是保證曝光質量的條件。在實踐中，應根據選用感光膠膜的曝光參數，確定具體的曝光條件，并嚴格操作。顯影沖洗顯影時應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間。采用自動顯影沖洗設備有助于提高顯影質量。質量檢驗采用專用放大檢查裝置

16、進行檢查，如發現局部顯影余膠點，可采用小型噴槍噴射修版溶劑進行局部處理。按照上述程序制作好的網版應置于符合技術規定的房間貯存備用。B 絲網印刷技術采用制作好的絲網版，用一定的方法使絲網待印刷基片接觸，使漿料在絲網版上均勻流動，按照掩膜圖形注入網孔，當絲網脫開基片時，漿料就以掩膜圖形的形狀從網孔轉移到基片的相應位置上，完成漿料的圖形印刷。完成這一過程需要借助一定的機械設備，這就是絲網印刷機。1. 自動絲網印刷機由印刷臺（基片夾持機構）、機架、網版和印刷頭組件等組成。自動絲網印刷機的印刷臺帶有自動裝、卸片、自動校準定位裝置和真空吸盤，印刷時可以將基片固定在確定的位置。印刷頭組件是自動應刷機上最復雜

17、的運動機構，它由刮板葉片和夾持把，速度壓力控制器、溢流板等組成。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量的重要因素。葉片在夾持把上要完全平整，否則它與絲網接觸布齊，壓力不勻，引起不規則的印刷，漿料厚度不勻甚至出現無漿料區域。溢流板通常用金屬作成。2. 絲網印刷原理實際絲網印刷時，印刷頭組件將進行溢流行程和印刷行程兩個操作。在溢流行程中，溢流板推動漿料在整個絲網印刷面積上擴展開成為均勻的一層。在溢流行程時，溢流板與絲網的間距、溢流板運行速度要適當。溢流板位置過低時會與絲網接觸并產生印刷效果，甚至會損壞絲網；位置過高、速度不合適則不能均勻展

18、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，對漿料產生一定的壓力，推動漿料前進在刮板前滾動，產生將漿料注入網孔的壓力。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生切變。在在刮板凸緣附近與絲網接觸處，漿料切變速率最大，這一方面產生了漿料注入網孔所需的壓力，另外切變速率的提高也使漿料的粘度下降，有利于注入網孔。因此，當刮板角度、速度適當時，漿料會順利地進入絲網網孔。當刮板完成壓印動作后，絲網回彈離開基片表面，在基片上產生一低壓區，由于絲網上方的大氣壓與這一低壓區存在壓差，所以漿料就被從網孔中推向基片，形成印刷的漿料圖形。如果不形成低壓區，漿料仍留在網孔中，就不能形成基片上的印

19、刷圖形。實際上對于成功的印刷，刮板速度和漿料粘度之間遵循一定的關系。刮板速度v 和漿料粘度的乘積應遵循下列關系：v Y V某一恒定值該恒定值由具體的印刷條件決定，與絲網型號、絲網與基片的間距等參數有關。對于某一給定粘度的漿料，刮板速度超過某一數值時，就不能夠順利進行印刷，所以給定粘度的漿料，在特定的印刷條件下有一個最佳的刮板速度。刮板傾角一般為45 度或 60 度。5.3.2 燒結印刷在基片上的漿料通過燒結工藝后形成厚膜導體。在燒結前要對印刷厚膜進行干燥， 讓有機載體充分揮發排除。干燥工藝溫度的選擇與漿料中有機載體的沸程有關，干燥工藝曲 線應具有適當的升溫速率，足夠的峰值溫度和保持時間。溫度過高、升溫速率過快回在厚膜 中產