丝网印刷电极制作

1、第五章 丝网印刷电极制作丝网印刷技术是一种广泛应用的实用技术。在电子技术领域应用方面，对丝网印刷 的要求很高。要求尺寸精度高、分辨率高、工艺稳定性好、可靠性好。丝网印刷技术包括丝网制版技术和印刷技术。丝网版及其制作技术是丝网印刷技术的关键技术，也是丝网印刷技术区别于其他技术之处。丝网印刷技术在太阳电池电极制作工艺上的应用，从制造工艺学原理来看，其特点在于浆料对半导体基片的非平衡少数载流子寿命、表面复合速率、欧姆接触电阻率等物理特性有着重要的影响。因此，在实践中，对电极浆料及其烧结工艺要给予特别的注意。5.1 可印材料和丝网印刷制作太阳电池电极的厚膜材料称为太阳电池电极浆料。太阳电池电极浆料通常

2、由金属粉末与玻璃粘合剂混合并悬浮于有机液体或载体中。其中金属粉末所占的比例决定了厚膜电极的可焊性、电阻率、成本。玻璃粘合剂影响着厚膜电极对硅基片的附着力。这种粘合剂通常由硼硅酸玻璃以及铅、铋一类的重金属占很大比例的低熔点、活性强的玻璃组成。另外，太阳电池电极浆料印刷烧结后的厚膜导体必须和半导体基片形成良好的欧姆接触特性，因此，还添加一些特定的掺杂剂。浆料由专业制造商制造销售，其制造过程通常是将所需的玻璃变成粉料，再用球磨机研磨到适合丝网印刷的颗粒度，大约13微米。金属粉料用化学方法或超音速喷射制成。将这些粉末放在搅拌器中与有机载体湿混，然后再用三滚筒研磨机混合。作为丝网印刷用的浆料需要具有触变

3、性，属于触变混合物。在加上压力或（搅拌）剪切应力时，浆料的粘度下降，撤除应力后，粘度恢复。丝网印刷浆料的这种特性叫做触变性。在丝网印刷过程中，浆料添加到丝网上，由于较高的粘度而“站住”在丝网上；当印刷头在丝网掩模上加压刮动浆料时，浆料粘度降低并透过丝网；刷头停止运动后，浆料再“站住”在丝网上，不再作进一步的流动。这样的浆料特别适合于印刷细线图形。因为浆料的流体特性非常复杂，在添加有机载体调节涂料粘度时要特别注意。粘度容易调到规定值，浆料的其他性质同时也会改变；因此，即使粘度与以前样品相同，也可能会得到不同的参数。浆料的流体特性直接影响着印刷图形的质量。浆料必须具有特殊的屈服性，丝网印刷时在刷头

4、的压力下产生流动，压力撤消后恢复粘度并保持位置。流动性太大时图形边沿锐度不好并且会沾污基片。流动性差会导致透过性能差，产生另外一类缺陷。图5-1.所示为一些常见的丝网印刷图形缺陷。 类别 原因A 理想情况 B 扩大 粘度太低，屈服点太低C 边沿不齐 粘度太高，刷头压力太大D 丝网孔 屈服点太高E 边沿流出 载体湿润性不好，固体粉末颗粒度太大图5-1.一些常见的丝网印刷图形缺陷5.2 导体材料成分及其在太阳电池结构中的作用太阳电池电极浆料经过印刷烧结工艺过程后形成厚膜导体电极。其中的金属导体材料成分分布在玻璃粘合剂中，构成一种复杂的混合分散体系，玻璃起粘合结构的作用，金属导体材料作为导电相分布在

5、厚膜结构中，各个金属晶粒之间通过接触导电，隧道穿透导电等方式导电。晶体硅太阳电池的P型接触电极材料通常使用金属铝，对于硅半导体而言铝是一种P型掺杂剂，同时它与硅的共晶温度较低，利用铝硅合金特性，可以在电极烧结过程中形成硅半导体的P型掺杂。铝硅合金相图见图2.1 H.F.WOLF SILICON SEMICONDUCTOR DATA SIGNETIC COPORATION 1969。另外，利用杂质类型的掺杂补偿作用，还可以用于去除POCl3气态源扩散制作PN结时在太阳电池背面形成的N型掺杂层，形成P型背面电极接触。N型接触及焊接电极通常使用银基浆料，其中银含量在70%以上。对于半导体硅来说，银是

6、一种深能级杂质，对非平衡少数载流子起复合中心的作用，对于太阳电池的光电转换效率是有害的。因此，对于银浆的选用和烧结工艺的确定这个问题必须给予特别注意。现已广泛应用于晶体硅太阳电池制造的银浆，有Dupont、Ferro、ELS等公司的相关产品。作为太阳电池电极材料，应该具有小的厚膜导体电阻以及金属半导体接触电阻。5.2.1 金属半导体接触电阻表征金属半导体欧姆接触特性时，使用比接触电阻RC来描述： （1）对于低掺杂半导体，金属比接触电阻表达为 (2)A*=4qm*k2/h2是里查逊常数，q是电子电荷，m*是电荷载流子的有效质量，k是波耳兹曼常数，h是普朗克常数，B是势垒高度。由于越过势垒的热离子

7、发射支配着电荷传输，较低的势垒高度将获得较低的接触电阻。在高的掺杂浓度，势垒高度变小，隧道效应变为主要的导电机制，比接触电阻可表示为： （3）s是硅的介电常数，ND是掺杂浓度。大致上ND 1019/cm3时，RC将主要表现为隧道效应，并随着ND的增加迅速地下降 3 施敏（S.M.Sze）著 黄振刚译半导体器件物理电子工业出版社1987年第一版P212-213。对于势垒高度在0.6V左右的金属材料，当硅的掺杂浓度在1020/cm3附近时，RC的数值大约为10-310-4cm2.5.2.2 厚膜导体电阻厚膜导体的电阻与金属体电阻相似，可以表示为： （4）公式中、l、A分别表示厚膜导体的电阻率、长度

8、和横截面积。R也可以用方块电阻rsq表示； （5）栅格厚膜导体电极的电阻值则可以表示为； （6）rsq为厚膜金属导体层的方块电阻，厚膜印刷银电极通常为0.003/ 0.005/；l为栅线长度；w为栅线宽度。对于铝背场形式的背面电极，rsq通常为0.010/0.020/，铝浆质量较差的情况为0.050/。5.3设备和工艺过程、原理制作太阳电池丝网印刷电极的设备包括丝网印刷机、红外烘干炉、红外快速烧结炉等。5.3.1 丝网印刷丝网印刷技术包括丝网制版技术和丝网印刷技术。下面从丝网制版和丝网印刷两方面进行介绍。A丝网制版技术丝网印刷的网版由网框、丝网和掩膜图形构成。丝网绷在网框上，掩膜图形用照相腐蚀

9、方法制作在丝网上。1. 网框 网框的作用是支撑丝网，在印刷时保持丝网与承载待印刷基片的工作台之间相对位置的固定。根据不同的应用情况，网框材料可以使用木材、铝合金、不锈钢等。由于丝网的张力可能高到30N/cm2甚至更高，因此网框材料必须坚固到能维持这个张力而不会发生弯曲或扭曲变形。在满足强度要求的前提下，应尽量选用轻质材料，以便于操作。铝合金是常用的网框材料。网框种类选择 根据绷网方式，网框有固定式和自绷式两大类。工业化生产中多采用固定式网框。绷网时，用绷网机将丝网拉到一定张力后，再用粘结剂把丝网粘到网框上，粘结剂干燥后备用。网框尺寸选择 网框尺寸根据印刷面积而定，最小余隙为100mm。为了得到

10、最好的重复精度，并且使丝网和刮板叶片的耐久性最好，应选择较大的网框尺寸以保证留有足够的余隙。图3.所示为网框、刮板叶片和丝网印刷质量之间的关系。图5-3. 网框、刮板叶片和丝网印刷质量之间的关系2.丝网 丝网是掩膜图形的载体，是支撑掩膜图形和控制浆料印刷质量的重要工具，对印刷精度和质量起决定作用。用于丝网印刷的丝网材料有真丝、尼龙丝、聚脂丝、不锈钢丝等。不锈钢丝网具有极好的尺寸稳定性、耐磨性，具有很高的开孔面积，浆料透过性良好，几乎不堵孔，能经受很大的拉力。不锈钢丝网的伸张度很小，因此使丝网和印刷基片之间快速脱开的间距比其他材料丝网的小。不锈钢丝网的特性使浆料印刷图形的畸变和印刷行程见的位移最

11、小。表5-1常用不同丝网材料性能比较性能材质不锈钢丝网尼龙丝网聚脂丝网抗张强度耐化学药品吸水率（20、65RH）网目范围尺寸稳定性耐磨性能弹性及伸长率耐印次数破坏点延伸率油量控制纤维粗细价格极高极好不吸水30500极好极好差伸长率0.1%200004060%差细最高中等极好24%16460差中等极好伸长率2%400002040%好较粗低高好0.4%60390中等中等好伸长率2%400001014%好粗中等丝网种类很多，按结构可分为平织和斜织两种。平织丝网最薄。图5-4.是放大的丝网单位，从图上可以知道丝网的几何尺寸和结构。丝网的目数M为单位长度内的开孔数，单位通常用（开孔数/英寸）表示。丝网的

12、厚度T为经纬相交叉的线的厚度，一般等于二倍线径。线径D指网丝的直径。开孔O指丝网孔径的大小。开孔面积OA指丝网孔面积。百分开孔面积OA%指开孔面积占丝网面积的百分比。透过体积指丝网厚度与开孔面积之积。丝网印刷对图形精度的限制4 宣大荣，韦文兰，王德贵编著表面组装技术电子工业出版社1994年8月第一版4 丝网印刷电极图形的最细线条宽度受丝网纤维直径和编织网目的限制。理论最小宽度等于网孔宽度加上两个丝网线径，如图5-4.所示。最小线宽：D是丝网纤维直径，O是丝网孔宽度。 图5-4. 丝网单位 图5-5. 影响浆料印刷厚度的因素影响丝网印刷浆料厚度的因素包括丝网厚度FT，乳胶膜厚度ET，丝网开孔率O

13、A%等。其中丝网开孔率定义为丝网网孔面积与丝网面积的百分比值：浆料印刷厚度：PT =FT×OA% + ET 3.绷网 绷网是将丝网绷紧到一定的张力，然后固定到网框上。它是丝网制版的关键工艺过程，也是确保印刷质量的关键。绷网操作时，应特别注意丝网的拉伸特性，并控制好张力。绷网过程实际上是丝网的反复拉伸过程。新的丝网最不稳定，实际上，丝网尺寸的稳定性会随着重复绷网、印刷、回弹使丝网内应力逐渐消除而得到改善。为了使绷在网框上的丝网具有稳定的尺寸，丝网在固定到网框上之前应进行消除应力的稳定化处理，以便得到最终要求的张力，处理时间根据丝网的具体规格型号而定，较粗的丝网处理时间短，一般丝网约需1

14、小时的稳定化处理。另外，丝网粘结固定到网框上之后，最好静置几天后再使用；对于高精度的印刷，静置更加重要。4.曝光印相制版 在绷好的网板上，制作供印刷用的精确掩膜图形。主要工艺步骤包括：丝网清洁处理、感光胶涂布、曝光、显影冲洗、质量检验。清洁处理 丝网在涂布感光胶之前必须进行清洁处理，去除油污、灰尘和其他脏污，以确保感光胶涂布的均匀性和附着良好。使用合适的清洗剂和“磨网胶”，严格掌握工艺条件，细心操作。处理后的丝网应完全亲水，否则应重新处理，直到丝网表面能形成均匀的水膜为止。涂布感光胶 有直接乳剂制版法和直接/间接制版法（菲林膜）。直接法制得的掩模清晰度尚好，耐印次数高；菲林膜法制得的掩模边沿清

15、晰，可以根据需要设定厚度，价格较贵。在粘贴感光膜片之前要用防静电布搽拭膜片，以确保工艺可靠性。乳剂和膜片都应充分干燥，以保证曝光效果。工作室应保证良好的净化条件：温度（T）23±3，湿度（H）55±10%，净化等级为10000100000级。曝光 照度均匀稳定的光源，准确的曝光时间，是保证曝光质量的条件。在实践中，应根据选用感光胶膜的曝光参数，确定具体的曝光条件，并严格操作。显影冲洗 显影时应控制水压和喷雾微粒的大小、水温、喷嘴与掩膜的距离以及冲洗时间。采用自动显影冲洗设备有助于提高显影质量。质量检验 采用专用放大检查装置进行检查，如发现局部显影余胶点，可采用小型喷枪喷射修

16、版溶剂进行局部处理。按照上述程序制作好的网版应置于符合技术规定的房间贮存备用。B丝网印刷技术采用制作好的丝网版，用一定的方法使丝网待印刷基片接触，使浆料在丝网版上均匀流动，按照掩膜图形注入网孔，当丝网脱开基片时，浆料就以掩膜图形的形状从网孔转移到基片的相应位置上，完成浆料的图形印刷。完成这一过程需要借助一定的机械设备，这就是丝网印刷机。1.自动丝网印刷机由印刷台（基片夹持机构）、机架、网版和印刷头组件等组成。自动丝网印刷机的印刷台带有自动装、卸片、自动校准定位装置和真空吸盘，印刷时可以将基片固定在确定的位置。印刷头组件是自动应刷机上最复杂的运动机构，它由刮板叶片和夹持把，速度压力控制器、溢流板

17、等组成。刮板叶片用具有弹性的聚氨基甲酸脂制成。它必须具有高摩擦阻力和耐溶剂清洗的性能。其硬度是影响印刷质量的重要因素。叶片在夹持把上要完全平整，否则它与丝网接触布齐，压力不匀，引起不规则的印刷，浆料厚度不匀甚至出现无浆料区域。溢流板通常用金属作成。2.丝网印刷原理 实际丝网印刷时，印刷头组件将进行溢流行程和印刷行程两个操作。在溢流行程中，溢流板推动浆料在整个丝网印刷面积上扩展开成为均匀的一层。在溢流行程时，溢流板与丝网的间距、溢流板运行速度要适当。溢流板位置过低时会与丝网接触并产生印刷效果，甚至会损坏丝网；位置过高、速度不合适则不能均匀展开浆料。印刷行程中，刮板叶片以一定的速度和角度向前移动，

18、对浆料产生一定的压力，推动浆料前进在刮板前滚动，产生将浆料注入网孔的压力。由于浆料是触变流体，浆料中的粘性摩擦力使其层流之间产生切变。在在刮板凸缘附近与丝网接触处，浆料切变速率最大，这一方面产生了浆料注入网孔所需的压力，另外切变速率的提高也使浆料的粘度下降，有利于注入网孔。因此，当刮板角度、速度适当时，浆料会顺利地进入丝网网孔。当刮板完成压印动作后，丝网回弹离开基片表面，在基片上产生一低压区，由于丝网上方的大气压与这一低压区存在压差，所以浆料就被从网孔中推向基片，形成印刷的浆料图形。如果不形成低压区，浆料仍留在网孔中，就不能形成基片上的印刷图形。实际上对于成功的印刷，刮板速度和浆料粘度之间遵循一定的关系。刮板速度v和浆料粘度的乘积应遵循下列关系：v某一恒定值该恒定值由具体的印刷条件决定，与丝网型号、丝网与基片的间距等参数有关。对于某一给定粘度的浆料，刮板速度超过某一数值时，就不能够顺利进行印刷，所以给定粘度的浆料，在特定的印刷条件下