CN106685342B - 太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒及其加工方法。提供了一种将接线盒的开发制造与半导体封装技术融为一体，提升产品自动化程度的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒及其加工方法。包括盒体、N个芯片、N个连接片和N+1个铜导体，N≥1，盒体设有至少一个容置槽，盒体上设有一个横筋；N个铜导体上设有芯片安置位，N+1个铜导体上设有位于所述横筋顶面的引出位；芯片固定焊接在所述铜导体的安置位上；N+1个铜导体通过所述芯片、连接片串联连接；所述铜导体的安置位、芯片和连接片被灌封胶浇灌固定封装在所述容置槽内。本发明使接线盒产品结构更加紧凑，物料使用更加合理，产品开发速度更快、更易实现自动化生产，更具有市场竞争力。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电组件用接线盒，尤其涉及一种太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒及其加工方法。
背景技术
太阳能发电组件用接线盒是安装在太阳能发电组件中的重要部件，它具有为组件中电池片提供旁路保护作用和将组件所发电能向外传输的作用。太阳能发电***就是通过组件中接线盒输出电缆及接插将若干块发电组件，进行串、并联连接实现大功率发电，并通过蓄电或者逆变，向用电者提供电力或并网供电的。
接线盒为电池片提供旁路保护的原理是：太阳能电站***中的太阳能发电组件在阳光的正常照射下发电，向外输出电能。但当照射发电组件中某一个部位的阳光被物体或者物体阴影所遮挡，该部位的硅电池片即由发电状态转变成为电阻状态，与其串联的其它发电组件在阳光照射下正常发电，电流通过电阻状态的电池片，产生较大的功耗发热，使电池片及组件背板烧毁，这种现象称为组件的热斑现象。为防止热斑现象的发生，采用在太阳能发电组件中的每串硅电池片组中，反向并联一只旁路二极管，当热斑条件出现时，二极管正向导通，电流通过旁路二极管向外输出，保护了硅电池片不被烧毁和发电组件的安全工作。
旁路二极管被设计安装在接线盒内，目前常用的接线盒内一般安装有三只旁路二极管，分别为太阳能发电组件中的三分之一电池片提供旁路保护。因此太阳能发电组件用接线盒同时具有旁路保护和电能输出功能。
多年来，接线盒经过了多次的改进和发展。
现有技术制造的接线盒，一般由单体二极管封装器件、接线盒盒体（盒体、盒盖）、内部铜导电散热片（铜导体）、输出电缆线和接插件组成。二极管通过卡接装配或者用贴片式二极管通过回流焊接，组装到接线盒内部的铜导电散热片上；组装好二极管的铜导电散热片再通过塑料热铆安装到接线盒盒体中。因此接线盒生产安装工艺步骤繁多，人工消耗较大。
接线盒的生产、销售有较高的准入门坎，目前按照IEC-61215标准执行，现有技术生产的接线盒在解决密封性能、温升性能和内部气体膨胀等问题，均有一定的难度。
当前市场上出现了众多用多颗二极管芯片封装的光伏模块产品。
其方案是将三只二极管芯片集成在一个注塑体内，可简化接线盒厂商焊接组装二极管的工艺步骤。但从结构和应用要求看，模块还是用安装的方法固定在接线盒内部，在太阳能组件厂商将接线盒安装到发电组件中后，对盒体内膛仍需要灌注密封胶，产品在生产和应用中无明显优势。
由于光伏模块受结构和工艺的影响，其较大的封装体体积和不同材料在工作中，受温度变化的作用，使材料膨胀对芯片产生应力，会对产品使用寿命存在着一定的影响。
光伏旁路二极管模块与接线盒盒体通过塑料托盘固定卡接，使有限的接线盒内部散热空间不能得到有效的利用，从而限制了工作电流通过能力。在接线盒生产应用中需要较复杂的生产设备，才能进行自动化装配。
光伏模块产品在实际生产和应用中会存在以下缺陷：
1、大多数光伏模块产品采用图35所示的超声波铝丝键合工艺，超声波焊头10将铝丝连接至二极管芯片上和光伏模块的导体上。这种方式存在两点问题，一、光伏二极管均采用肖特基工艺芯片，该工艺的二极管PN结位于芯片的表面铝金属层下方，超声波键合应力会作用在二极管芯片上，其压力和震幅稍大，即容易使PN结受到伤害，影响产品使用寿命，偏小则容易出现假性连接。因此，需要采用非常额昂贵的工艺设备，才能满足工艺要求及稳定性；二、由于采用铝丝作为焊接材料，其导电性和导热性均低于铜、银等金属材料，造成光伏模块产品的压降较高，在工作时，光伏模块产品发热量较高，功耗较高，散热差。
2、采用高压注射的工艺，如图36所示，将热固性树脂材料包裹到焊接好的芯片周围。这种注射工艺在注塑过程中，塑料在注塑头的作用下，以极高的射流速度和压力，喷射到模具腔体内，会直接作用在二极管芯片及连接铝带上，造成芯片受到来自来自树脂材料的压应力，以及铝带的拉应力。由于注塑过程中的应力集中，引起模块内部结构形变，降低了模块的可靠性能。
3、现有光伏模块产品普遍采用将三只二极管芯片分布在铜导体一侧，用热固性树脂材料将该侧密封。在光伏组件局部产生热斑效应时，其中一个或两个芯片开始工作产生热量，由于外封装材料和铜铜导体的导热性，发热芯片的温度会迅速传替到附近芯片上，使其温度上升。而此时光伏组件未出现热斑效应的局部还在正常发电，其发电电压反向作用于对应的二极管芯片上。基于肖特基二极管芯片的高温特性，此时反向漏电流增加，由于漏电流不会饱和,会引起芯片PN结的结温进一步升高，从而使得反向漏电流再次增加，此时形成二极管芯片发热恶性循环，严重时超过平衡点，二极管芯片会被击穿，光伏模块产品失效。
4、现有光伏模块产品的二极管芯片集中一起，并采用热固性树脂包裹。在工作状态下二极管芯片产生的热量无法快速散开，使接线盒的工作电流受到限制。
5、现有技术生产的接线盒对半导体器件均存在二次加工的过程：单体封装二极管需要通过压接或者回流焊接与铜导体连接；光伏模块需要通过压装与接线盒盒体内的塑料托盘固定卡接；回流焊的高温对不同材料引起不同膨胀，会影响器件的内应力和致密性；压接会使器件受外部压力影响，光伏模块容易出现塑料体崩裂和断裂，以及受压带来的质量隐患；
6、光伏模块需要较高的开发费用，且与接线盒型号对应关系单一，无法适应接线盒的开发和发展，两者之间的安装配合要求较高，增加了双方的开发配合难度。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种解决光伏模块应力大，局部温度高，散热不均匀、接线盒内部散热空间利用率低、产品开发投入较大的问题。将接线盒的开发制造与半导体封装技术融为一体，有效提升产品性能同时降低产品成本和开发成本，提升产品自动化程度的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒及其加工方法。
本发明的技术方案是：包括盒体、N个芯片、N个连接片和N+1个铜导体，N≥1，
所述盒体设有至少一个容置槽，所述盒体上设有一个顶面高度高于所述容置槽槽底的横筋；
N+1个铜导体中N个铜导体与N个芯片一一对应，N个铜导体上设有芯片安置位，N+1个铜导体上设有位于所述横筋顶面的引出位；
所述芯片固定焊接在所述铜导体的安置位上、且通过连接片连接在相邻的铜导体的连接位上；
N+1个铜导体通过所述芯片、连接片串联连接，形成具有输出端的旁路电路；
所述铜导体的安置位、芯片和连接片被灌封胶浇灌固定封装在所述容置槽内，所述铜导体的引出位位于所述横筋之上、高于所述灌封胶的顶面。
相邻铜导体之间设有工艺连接条。
当N＞1时，至少两个铜导体之间设工艺连接环。
当N＞1时，第一个和最后一个铜导体上还设有连接输出端的连接位。
当N＞2时，所述芯片分设在所述横筋的两侧。
在所述横筋上设有汇流带穿导孔，所述汇流带穿导孔由所述盒体的背面贯穿所述横筋；所述汇流带穿导孔的下口大、上口小；
所述铜导体的引出位上设有汇流带穿导孔相对应的穿线孔。
太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒的加工方法，包括以下步骤：
1）、铜导体加工，将铜片冲切成型，形成相邻铜导体通过工艺连接结构连为一体、且相互之间具有间隙的铜导体框架；
2）、芯片连接，将芯片通过连接片焊接在铜导体上，形成具有旁路电路结构的铜导体框架；
3）、灌封，将上步骤所述的铜导体框架放置在盒体内，往容置槽内浇灌环氧树脂胶，将芯片和连接片封装在环氧树脂胶之内，固化；
4）、切断，切断工艺连接结构，制得。
步骤1)中的工艺连接结构为工艺连接条，所述工艺连接条位于横筋上，
步骤4）中，通过冲切机切断相邻铜导体之间的工艺连接条。
步骤1)中的工艺连接结构为工艺连接环；
步骤3）中，所述盒体的容置槽内设有定位柱，所述定位柱设在工艺连接环内，所述盒体的底面设有与定位柱中心线一致的锥形盲孔；
步骤4）中，通过钻削，穿过锥形盲孔，去除相邻铜导体之间的工艺连接环。
还包括散热片，所述散热片封装在环氧树脂胶之内。
本发明将接线盒的盒体部分，设计成带有一个或多个上部敞开储胶槽（即容置槽）的塑料体；根据接线盒各种型号的要求和散热分布要求，设置容置槽的个数。设有两个或两个以上容置槽的盒体，其容置槽设置为两排分布，两排容置槽之间设置横筋，横筋上设有汇流带穿导孔，铜导体的引出位上设有穿线孔，便于根据客户应用放置汇流带，这样的分布结构方式可以使二极管工作时发热的热源分散，充分利用接线盒内部有限的散热空间，减小相互之间的影响。
本发明中的铜导体上设有芯片安置位和设于横筋顶面的引出位，使得将焊接承载二极管芯片的局部铜导体，通过折弯进行下沉处理，使芯片和部分铜导体得以嵌入到相应的容置槽内。再用高导热、高机械强度环氧树脂胶浇灌至容置槽内，固化后，二极管芯片得到了密封保护，铜导体亦被固定在接线盒盒体上，形成接线盒；
本发明使用高导热、高机械强度环氧树脂胶通过低压浇灌，静态温度固化，实现对二极管芯片进行封装保护、铜导体与盒体的高强度结构固定，生产过程中避免了高压注塑材料射流对芯片产生的机械冲击，以及高压注塑材料射流使铜导体变形，而产生对芯片的拉扯力；
本发明中的铜导体不仅为接线盒提供电路通道，更重要的是为二极管芯片提供散热条件，铜导体的折弯进行下沉处理，增加了其展开面积，为二极管芯片工作，提供了更加充分的散热条件；
同时，容置槽内充填有氧化铝粉、硅微粉等导热介质的环氧树脂固化后，从平面方向和立面方向充分与铜导体接触，快速降低芯片的工作温度，提高了30%电流通过能力，更加高效的提升了接线盒的产品性能。
N+1个铜导体通过芯片、连接片串联连接，为了消除制造过程中，铜导体之间相对移动，给芯片造成的拉扯应力。本发明在冲制铜导体时，在各铜导体之间设计了工艺连接环或工艺连接条，使多个铜导体暂时形成一个整体。在完成芯片焊接和灌封固化后，用钻削或冲切方式，去除工艺连接环或工艺连接条。
本发明跨越了单体封装二极管接线盒、光伏模块接线盒的封装制作过程，省略了二次焊接、二次装配等工作内容。将接线盒的设计制造与半导体二极管的封装技术合二为一，避免了二次焊接和安装给接线盒产品带来的质量隐患；大大提高了接线盒的开发速度；省略了接线盒制造厂商与半导体二极管封装厂商的相互磨合和调整过程；使接线盒产品结构更加紧凑，物料使用更加合理，产品开发速度更快、更易实现自动化生产，产品制造成本更低，更具有市场竞争力。
附图说明
图1是本发明第一种实施方式的结构示意图，
图2是图1中盒体的结构示意图，
图3是图2中A-A面的剖视图，
图4是图1中铜导体框架的结构示意图，
图5是图4是左视图，
图6是图1中铜导体框架与芯片的连接结构示意图，
图7是图1中铜导体与芯片的连接结构示意图，
图8是图7的俯视图，
图9是本发明中盒体内灌封的结构示意图，
图10是本发明中的优化实施方式的结构示意图，
图11是图1中盒体引出端的结构示意图一，
图12是图1中盒体引出端的结构示意图二，
图13是本发明第二种实施方式的结构示意图，
图14是图13中盒体的结构示意图，
图15是图14中B-B面的剖视图，
图16是图13中铜导体框架的结构示意图，
图17是图16的左视图，
图18是图13中铜导体与芯片的连接结构示意图，
图19是本发明第三种实施方式的结构示意图，
图20是图19中盒体的结构示意图，
图21是图20中C-C面的剖视图，
图22是图19中铜导体框架的结构示意图，
图23是图22的左视图，
图24是图19中盒体引出端的结构示意图一，
图25是图19中盒体引出端的结构示意图二，
图26是图19中铜导体框架和芯片的连接结构示意图，
图27是本发明第四种实施方式的结构示意图，
图28是图27中盒体的结构示意图，
图29是图28中D-D面的剖视图，
图30是图27中铜导体框架的结构示意图，
图31是图30的左视图，
图32是图27中盒体引出端的结构示意图一，
图33是图27中盒体引出端的结构示意图二，
图34是图27中铜导体框架和芯片的连接结构示意图，
图35是现有技术中超声波铝丝键合的结构示意图，
图36是现有技术中高压注射工艺的结构示意图；
图中1是盒体，11是容置槽，12是横筋，120是汇流带穿导孔，13是定位柱，14是锥形盲孔，2是芯片，3是连接片，4是铜导体，41是安置位，42是引出位，420是穿线孔，43是连接位，5是灌封胶，6是工艺连接条，7是工艺连接环，8是散热片，9是铜导体框架，10是超声波焊头。
具体实施方式
本发明如图1-34所示，包括盒体1、N个芯片2、N个连接片3和N+1个铜导体4，N≥1，N取整数，所述盒体设有至少一个容置槽11，所述盒体上设有一个顶面高度高于所述容置槽槽底的横筋12；
容置槽的形状可根据产品要求设计为方形、椭圆形和多边形状；
容置槽在接线盒中的分布为：含有一个容置槽的接线盒，容置槽分布在接线盒的一侧；含有两个或两个以上容置槽的接线盒，容置槽分布在接线盒两侧或四周；其目的是最大限度的分散发热源、利用有限的接线盒散热空间；
N+1个铜导体4中N个铜导体与N个芯片一一对应，N个铜导体上设有芯片安置位41，N+1个铜导体上设有位于所述横筋顶面的引出位42；使得所述铜导体具有至少两个不等高的面；
这样，焊有二极管芯片铜导体中的二极管芯片和铜导体下沉部位嵌入到盒体容置槽内，通过高导热、高机械强度环氧树脂胶浇灌，密封并固定在盒体内；
每个容置槽内可嵌入并密封、固定一颗芯片或多颗芯片；可嵌入并密封、两个铜导体的下沉部位或多个铜导体的下沉部位；含有多个下沉部位的铜导体，其下沉部位分别被嵌入到接线盒中不同的容置槽内。
下沉式铜导体由紫铜、黄铜或合金铜通过冲切折弯形成。折弯后的低位平面为下沉部位，每个铜导体含一个或多个下沉部位；下沉部位分布在铜导体的一侧或几侧、或中间位置。
如图19、27所示，在只有一个芯片时，两个铜导体，其中，一个铜导体上设有芯片安置位，两个铜导体上均设有引出位；
如图1、13所示，在有三个芯片时，四个铜导体，其中，三个铜导体上设有芯片安置位，四个铜导体上设有均引出位；
所述芯片固定焊接在所述铜导体的安置位上、且通过连接片连接在相邻的铜导体的连接位43上；
N+1个铜导体通过所述芯片、连接片串联连接，形成具有输出端的旁路电路；接线盒中二极管芯片的N面焊接在铜导体上，二极管芯片的P通过焊接连接片与旁边铜导体跨接连接，实现串接连接，并以铜导体作为节点导出，供客户焊接汇流带和连接输出电缆之用。
当N=1时，形成一个节点；或当N＞1时，形成N+1个节点；
所述铜导体的安置位、芯片、连接片以及相邻的铜导体的连接位被灌封胶5浇灌固定封装在所述容置槽内，所述铜导体的引出位位于所述横筋之上、高于所述灌封胶的顶面。
相邻铜导体之间设有工艺连接条6，使多个铜导体暂时形成一个整体，为了消除制造过程中，铜导体之间相对移动，给芯片造成的拉扯应力。
当N＞1时，至少两个铜导体之间设工艺连接环7，使多个铜导体暂时形成一个整体，为了消除制造过程中，铜导体之间相对移动，给芯片造成的拉扯应力。
当N＞1时，第一个和最后一个铜导体上还设有连接输出端的连接位。如图19、27所示，当N=1时，一个铜导体上设有连接输出端的连接位；在只有一个芯片时，需要几个芯片组合使用。
相邻铜导体之间设有间隙、且通过芯片和连接片进行电相连，当N＞1时，第一个和最后一个铜导体上还设有连接输出端（即引出端）的连接位，即第一个铜导体具有正极线缆引出端，最后一个铜导体具有负极线缆引出端，正极线缆引出端和负极线缆引出端均设置在盒体的外部；
如图11、12所示，正极线缆连接引出端和负极线缆连接引出端的设置，其方向为垂直于盒体；
正极线缆连接引出端和负极线缆连接引出端的设置，其方向为平行于盒体；
正极线缆连接引出端和负极线缆连接引出端的设置，其方向与盒体为任意角度；
当N＞2时，所述芯片分设在所述横筋的两侧。这样的分布结构方式可以使二极管工作时发热的热源分散，充分利用接线盒内部有限的散热空间，减小相互之间的影响。
在所述横筋12上设有汇流带穿导孔120，所述汇流带穿导孔由所述盒体的背面贯穿所述横筋；所述汇流带穿导孔的下口大、上口小，起到导向作用，便于汇流带放置；
所述铜导体的引出位42上设有汇流带穿导孔相对应的穿线孔420。
下沉式铜导体的上层阶梯平面（即引出位）设有供客户安装焊接汇流带的穿线孔和焊接盘；含有一个下沉部位的铜导体，其供客户安装焊接汇流带的穿线孔和焊接盘设置在铜导体的一侧；含有两个或两个以上下沉部位的铜导体，其供客户安装焊接汇流带的穿线孔和焊接盘设置在铜导体中间部位。
太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒的加工方法，包括以下步骤：
1）、铜导体加工，将铜片冲切成型，形成相邻铜导体通过工艺连接结构连为一体、且相互之间具有间隙的铜导体框架9；
各铜导体之间设有工艺连接环或工艺连接条，使各铜导体暂时连接为整体，在完成芯片焊接、浇灌、固化后，去除工艺连接环或工艺连接条；
2）、芯片连接，将芯片通过连接片焊接在铜导体上，形成具有旁路电路结构的铜导体框架；
3）、灌封，将上步骤所述的铜导体框架放置在盒体内，往容置槽内浇灌环氧树脂胶，将芯片和连接片封装在环氧树脂胶之内，固化；
4）、切断，切断工艺连接结构，制得。
如图1-6所示，步骤1)中的工艺连接结构为工艺连接条，所述工艺连接条位于横筋上，工艺连接条连接在相邻导体的引出位之间，
步骤4）中，通过冲切机切断相邻铜导体之间的工艺连接条。
本发明在盒体横筋上留出空间，以方便接线盒上容置槽内环氧树脂固化后，进行工艺连接条的冲切去除。
如图13-18所示，步骤1)中的工艺连接结构为工艺连接环；
步骤3）中，所述盒体的容置槽内设有定位柱13，所述定位柱设在工艺连接环内，所述盒体的底面设有与定位柱中心线一致的锥形盲孔14；
步骤4）中，通过钻削，穿过锥形盲孔，去除相邻铜导体之间的工艺连接环。
本发明在盒体容置槽内设置了与铜导体工艺连接环相配合的定位柱，并在盒体背面与定位柱对应的位置设置锥形盲孔，起导向作用，以方便精确地通过钻削去除工艺连接环。
还包括散热片8，所述散热片封装在环氧树脂胶之内，起到散热的作用，散热片可为铜片、铝片等。
Claims (8)
1.太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒，包括盒体、N个芯片、N个连接片和N+1个铜导体，N≥1，其特征在于，
所述盒体设有至少一个容置槽，所述盒体上设有一个顶面高度高于所述容置槽槽底的横筋；
N+1个铜导体中N个铜导体与N个芯片一一对应，N个铜导体上设有芯片安置位，N+1个铜导体上设有位于所述横筋顶面的引出位；
所述芯片固定焊接在所述铜导体的安置位上、且通过连接片连接在相邻的铜导体的连接位上；
N+1个铜导体通过所述芯片、连接片串联连接，形成具有输出端的旁路电路；
所述铜导体的安置位、芯片和连接片被灌封胶浇灌固定封装在所述容置槽内，所述铜导体的引出位位于所述横筋之上、高于所述灌封胶的顶面。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒，其特征在于，相邻铜导体之间设有工艺连接条。
3.根据权利要求1所述的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒，其特征在于，当N＞1时，至少两个铜导体之间设工艺连接环。
4.根据权利要求1所述的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒，其特征在于，当N＞1时，第一个和最后一个铜导体上还设有连接输出端的连接位。
5.根据权利要求1所述的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒，其特征在于，当N＞2时，所述芯片分设在所述横筋的两侧。
6.根据权利要求1所述的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒，其特征在于，在所述横筋上设有汇流带穿导孔，所述汇流带穿导孔由所述盒体的背面贯穿所述横筋；所述汇流带穿导孔的下口大、上口小；
所述铜导体的引出位上设有汇流带穿导孔相对应的穿线孔。
7.太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、铜导体加工，将铜片冲切成型，形成相邻铜导体通过工艺连接结构连为一体、且相互之间具有间隙的铜导体框架；
2）、芯片连接，将芯片通过连接片焊接在铜导体上，形成具有旁路电路结构的铜导体框架；
3）、灌封，将上步骤所述的铜导体框架放置在盒体内，往容置槽内浇灌环氧树脂胶，将芯片和连接片封装在环氧树脂胶之内，固化；
4）、切断，切断工艺连接结构，制得；
步骤1)中的工艺连接结构为工艺连接条，所述工艺连接条位于盒体的横筋上，
步骤4）中，通过冲切机切断相邻铜导体之间的工艺连接条。
8.根据权利要求7所述的太阳能发电组件用芯片低压封装式接线盒的加工方法，其特征在于，还包括散热片，所述散热片封装在环氧树脂胶之内。
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