JP2006351706A - 整流素子及び太陽電池モジュール用端子ボックス - Google Patents

整流素子及び太陽電池モジュール用端子ボックス Download PDF

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Abstract


【課題】 フレーム板による所定の放熱効果を損なうことなく半田層に生じる応力を緩和して良好な半田接続状態を維持する。
【解決手段】 バイパスダイオード５０は、ベアチップ５２とこのベアチップ５２を挟んだ状態でベアチップ５２に半田接続される二枚の導電性金属板材よりなるフレーム板５１，５５とを備える。両フレーム板５１，５５において板厚方向に対向する互いの対向面５９間にはベアチップ５２の他にパッド５６が介装されており、これらが半田層５７を介して一体接続されている。ヒートショック等の外的要因によって半田層５７に応力が生じたときにはその応力がそれぞれの半田層５７に分散されるから、半田層５７が疲労限界を招く事態を回避できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、整流素子及びこの整流素子を備えた太陽電池モジュール用端子ボックスに関する。
太陽光発電システムは、家屋の屋根上に敷設した太陽電池パネルからの直流電流をインバータ等を介して各電器製品に供給する構成とされる。太陽電池パネルは複数の太陽電池モジュールからなり、各太陽電池モジュールの電極を端子ボックスを介して直列または並列接続した構造となっている。
従来の端子ボックスとして、基板上に並設されて一端側が太陽電池モジュールの裏面から引き出されたプラス電極及びマイナス電極に接続されるとともに他端側が外部接続用の出力ケーブルに接続される二枚の端子板と、両端子板間に架橋される整流素子としてのバイパスダイオードとを備えたものが知られている（例えば、以下の特許文献１を参照）。バイパスダイオードは、逆負荷時の逆電流を一方から他方へ短絡するためのものであって、薄銅板からなる一対のフレーム板の対向面間にベアチップを挟み込んだ状態で両フレーム板に半田付けにて接続されている。両フレーム板は、対向面を含む領域から互いに逆方向に延出してその延出端側で対応する端子板に接続されている。
特許第３４９８９４５号公報
ところで、使用時において断続通電（通電オン・オフ）が繰り返しなされると、ベアチップとフレーム板の熱膨張係数の差に起因して両者間に介装された半田層に応力が生じることになる。そして、この半田層に生じる応力が過大になると、フレーム板が開いて導通不良となる懸念がある。そのため、フレーム板の板厚を薄くしたり、フレーム板の長さ方向途中を肉抜きするか伸縮可能に曲げ加工することにより、半田層に生じる応力を緩和してフレーム板の開きを防止した構造にすることがある（例えば、特開２００１−１３５８４７公報を参照）。しかるにこうした構造では、フレーム板がベアチップで発生した熱を放熱するのに十分な容積を確保し難くなるから、放熱効果に劣る嫌いがあった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、フレーム板による所定の放熱効果を損なうことなく半田層に生じる応力を緩和して良好な接続状態を維持することを目的とする。
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、整流機能を有するチップ状の整流素子本体と、この整流素子本体を挟んだ状態で同整流素子本体に半田付けにより接続される導電性板材よりなる二枚のフレーム板とを備えた整流素子であって、前記両フレーム板において前記整流素子本体を挟んで板厚方向に対向する互いの対向面間には、前記両フレーム板に付着する半田の半田層とは別に、この半田層に生じる応力を緩和する応力緩和部が介装されている構成としたところに特徴を有する。
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記応力緩和部は、前記両フレーム板に付着する半田の半田層とは別の半田層からなり、これら半田層が前記整流素子本体とは別体に形成された導電性板材よりなるパッドを挟んで板厚方向に積層されているところに特徴を有する。
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の整流素子を備えてなる太陽電池モジュール用端子ボックスであって、太陽電池モジュールのプラス電極及びマイナス電極と両電極に対応する外部接続用の出力ケーブルとの間を電気的に中継する複数の端子板が基板上に並設され、前記整流素子が対応する二枚の端子板間に架橋されており、逆負荷がかかったときにはこの整流素子を介して前記対応する二枚の端子板同士が短絡され、かつ、前記整流素子の前記両フレーム板のうちの少なくとも一方が、前記端子板からなるところに特徴を有する。
＜請求項１の発明＞
二枚のフレーム板において整流素子本体を挟んで板厚方向に対向する互いの対向面間には両フレーム板に付着する半田の半田層とは別に応力緩和部が介装されているから、ヒートショック等の外的要因によって半田層に応力が生じたときにはその応力が応力緩和部にも分散される。結果、半田層に疲労限界が生じる事態を回避でき、良好な半田接続状態を維持することができる。
また、応力緩和部を設けるにあたってフレーム板の構造変形を伴うことがないから、フレーム板による所定の放熱効果を確保することができる。さらに場合によっては、フレーム板の板厚を増したり板幅を増したりすることも可能であるから、放熱効果のさらなる向上を図れる。
＜請求項２の発明＞
応力緩和部が両フレーム板に付着する半田の半田層とは別の半田層からなり、これら複数の半田層が整流素子本体とは別体に形成された導電性板材からなるパッドを挟んで板厚方向に積層されているから、この導電性板材からなるパッドが介在する分、放熱効果の向上を図れる。しかもパッドの大きさが変更自在であるから、放熱効率の調整を図れる。さらにパッドを介することで複数の半田層が板厚方向に積層されるから、所望の半田高さに設定できる。
＜請求項３の発明＞
整流素子の両フレーム板のうちの少なくとも一方が端子板からなるため、整流素子本体で発生する熱が端子板を通して効率良く放熱される。この場合に、両フレーム板間に応力緩和部が介装されることにより、両フレーム板のうちの少なくとも一方を端子板の如く高剛性なものに容易に設定できる。
＜実施形態＞
本発明の一実施形態を図１及び図３によって説明する。本実施形態にかかる太陽電池モジュール用端子ボックスは、直列接続された多数の太陽電池セルを配した太陽電池モジュール（図示せず）の裏面側に取り付けられるものであって、ボックス本体１０と、このボックス本体１０内に並設された複数の端子板３０と、隣接する端子板３０間に架橋された複数のバイパスダイオード５０（本発明の「整流素子」に相当する）とを備えている。
ボックス本体１０は、合成樹脂材によって上面開放の箱型に形成されており、その内部に絶縁樹脂が充填され、かつ、上方からカバー（図示せず）が被せられるようになっている。詳しくはボックス本体１０は、図１に示すように、複数の端子板３０が横並びで載置された略矩形状の基板１１と、この基板１１の周縁部から立ち上げられて周囲を取り囲む側板１２と、基板１１の所定位置から立ち上げられて端子板３０間を区画する仕切り壁１３とを備える。
基板１１には略全幅に亘って開口部１４が開設されており、この開口部１４に各端子板３０の先端部が臨んでいる。そして、基板１１の開口部１４には各太陽電池セル群と対応するリード（図示せず）が通され、通された各リードが対応する端子板３０の先端部に半田付け等により接続される。また、基板１１には上方から別体として形成された固定部材８０が端子板３０上を横切るように組み付けられ、この固定部材８０によって端子板３０が基板１１との間に押さえ付けられた状態で固定される。
側板１２には左右一対の切り欠き部１７が設けられ、ここに上方から外部接続用の出力ケーブル９０が嵌め込まれ、さらにケーブル押さえ部材２０が嵌着されて出力ケーブル９０が固定されるとともに、ケーブル押さえ部材２０と側板１２とが一体に連なるようになっている。仕切り壁１３は端子板３０の外縁に沿うような態様で区画されており、この仕切り壁１３の案内によって端子板３０が位置決めされた状態で組み付けられる。また、仕切り壁１３によって区画された内側空間の端子板３０上に絶縁樹脂が充填され、絶縁樹脂の使用量が少なく済むようにしてある。
端子板３０は、導電性の金属板材を切断して略帯状に形成され、基板１１の幅方向に並設されている。端子板３０のうち、並び方向の両端側に配された二枚の端子板３０には各太陽電池セル群からの起電力を取り出すための出力ケーブル９０が圧着接続されている。出力ケーブル９０の端末は被覆９２の剥離によって芯線９１が露出しており、この芯線９１に対して端子板３０の端部に形成されたバレル部３２がかしめ付けられる。以下の説明では、この出力ケーブル９０に接続された端子板３０をケーブル接続端子３０Ａという。
端子板３０のうち、ケーブル接続端子３０Ａを除いた残余のものは、両側縁部（並び方向の両端部）にバイパスダイオード５０との接続部３１を備えた中間接続端子３０Ｂとされる。中間接続端子３０Ｂは、両ケーブル接続端子３０Ａの間に二枚並設されており、両者共に、リードとの接続領域を除いてケーブル接続端子３０Ａよりも幅広に形成され、さらに、図示する左側のもの（以下、「大型端子３０Ｌ」という）は右側のもの（以下、「中型端子３０Ｒ」という）よりも幅広に形成されている。
バイパスダイオード５０は、中間接続端子３０Ｂの接続部３１上に直接載置されて半田付け等により接続されるベアチップ５２（本発明の「整流素子本体」に相当する）と、このベアチップ５２を接続部３１との間に挟み込みつつ隣接する端子板３０上に延出され、その端子板３０上に半田付け等により接続される薄板状のフレーム板５１とからなる。本実施形態におけるバイパスダイオード５０は、フレーム板５１が端子板３０の並び方向（幅方向）に沿って延出する形態とされ、四枚の端子板３０間に架け渡されるようにして全部で三つ配設されている。なお、バイパスダイオード５０のより詳細な構造については、後に説明する。
中間接続端子３０Ｂのうちの大型端子３０Ｌは、両側縁部にバイパスダイオード５０との接続部３１を備えている。両接続部３１のそれぞれは、端子板３０の並び方向に沿った一直線上の位置からずれて配されている。大型端子３０Ｌにおける両接続部３１のうち右側に位置するものには、メサ型のベアチップ５２のＮ側領域（カソード側）が載せられて半田付け等により接続され、左側に位置するものには、ベアチップ５２のＰ側領域（アノード側）が載せられて半田付け等により接続される。したがって、逆負荷がかかったときには、大型端子３０Ｌを介してアノード側からカソード側（左側から右側）へ電流が流れることになり、この大型端子３０Ｌと隣接する端子板３０上にベアチップ５２を載置接続しなくて済むようになっている。
なお、大型端子３０Ｌが中型端子３０Ｒよりも大型に形成される理由は、上述したように大型端子３０Ｌに二つのベアチップ５２が接続されることでこれらの発熱に起因する温度上昇を無視できないからであり、良好な放熱効果を保つためのである。また、両接続部３１のそれぞれを端子板３０の並び方向に沿った一直線上の位置からずらす理由は、並び方向に関する中間接続端子３０Ｂの幅寸法を増大させることなく、両接続部３１に接続されたバイパスダイオード５０相互の熱干渉を抑えるためである。
中間接続端子３０Ｂのうちの中型端子３０Ｒは、同じく両側縁部において端子板３０の並び方向に沿った一直線上の位置からずれた位置に接続部３１を備えている。中型端子３０Ｒにおける両接続部３１のうち右側に位置するものには、ベアチップ５２のＮ側領域が載せられて半田付け等により接続され、左側に位置するものには、大型端子３０Ｌ側から延出するフレーム板５１が載せられて半田付け等により接続される。中型端子３０Ｒにおける両接続部３１のうち左側に位置するものは、大型端子３０Ｌにおける両接続部３１のうち右側に位置するものと隙間を挟んで対向する位置関係にあり、両者間で一つのバイパスダイオード５０を共有している。
さて、図３に示すように、バイパスダイオード５０において、フレーム板５１と中間接続端子３０Ｂ（以下、相手のフレーム板５５という）とが板厚方向で重なり合う対向面５９間には、既述したベアチップ５２とは別に、銅板等の導電性の金属板材よりなるパッド５６が介装されている。そして、ベアチップ５２と相手のフレーム板５５との間、及びパッド５６とフレーム板５１との間には、半田による半田層５７が形成され、さらにベアチップ５２とパッド５６との間にも別の半田層５７が形成されている。したがって、両フレーム板５１，５５相互の対向面５９間には、半田層５７、ベアチップ５２、半田層５７、パッド５６、半田層５７が下から順に積層配置されることになり、これにより、両フレーム板５１，５５、ベアチップ５２、パッド５６が半田層５７を介して導通可能に一体接続されることになる。なお、ベアチップ５２とパッド５６との間に形成された半田層５７により本発明の応力緩和部が構成される。
パッド５６は、全体として円盤状をなし、平面視するとフレーム板５１の対向面５９から側方へはみ出る程度の径寸法をもって形成されている。本実施形態のパッド５６は、フレーム板５１と同じ銅材よりなるが、好ましくはフレーム板５１とベアチップ５２（主としてシリコンよりなる）の両者の膨張係数に近い膨張係数を備えた材質であるとよい。
使用時において断続通電（通電オン・オフ）が繰り返しなされると、ベアチップ５２と両フレーム板５１，５５の膨張係数の差に起因して両者間に介装された半田層５７に応力が生じることになるが、このとき、ベアチップ５２と両フレーム板５１，５５の相対変位に応じて半田層５７が弾力的に変形するとともにパッド５６が追従変位するから、半田層５７に過剰な応力が生じることはない。なお、パッド５６をなくして半田層５７のみで応力緩和を実現しようとすると、半田高さが大きくなるように半田を盛らざるを得ないから、製造が極めて困難となる。その点、本実施形態のようにパッド５６を介在させれば、半田層５７を幾重にも積層させることが可能となるから、所望の半田高さに容易に設定することが可能となる。
次に、本実施形態の製造方法及び作用効果を説明する。まず、相手のフレーム板５５に半田を供給し、そこに対応するベアチップ５２を載せるとともに両面に半田を供給したパッド５６をベアチップ５２上に載せ、さらにフレーム板５１を被せて、これらをリフロー半田付けにより接続する。この工程は、リフロー半田に依らず手半田により接続しても構わない。また、フレーム板５１の延出端部を対応する端子板３０上に載せ、これらを同じくリフロー半田もしくは手半田により半田接続する。これと前後して、端子板３０を仕切り壁１３に嵌め込むようにして基板１１上に載せる。このとき、ケーブル接続端子３０Ａは出力ケーブル９０にかしめ付けられたあと仕切り壁１３に嵌め込まれ、さらに出力ケーブル９０にはケーブル押さえ部材２０が被着される。
その後、ボックス本体１０を太陽電池モジュールの裏面側に接着材、両面テープ、もしくはボルトで固着する。取り付けの過程で太陽電池モジュールの電極に接続されたリードを基板１１の開口部１４を通してボックス本体１０内に引き込み、該リードを端子板３０の先端部に半田接続する。それからシリコン樹脂等の絶縁樹脂をボックス本体１０内における仕切り壁１３の内側空間に充填し、さらにカバーを被せて蓋締めをする。絶縁樹脂により、かしめ接続部分、半田接続部分等の各接続部分が気密に封止される。
ところで、このものが使用に供されると、ベアチップ５２の発熱によりベアチップ５２と両フレーム板５１，５５とが膨張収縮を繰り返すことになり、それに伴って半田層５７に応力が生じることになる。しかるに本実施形態によれば、両フレーム板５１，５５相互の対向面５９間に三層の半田層５７が介装されているから、それぞれに応力が分散されることになって半田層５７が疲労限界を招く事態を回避できる。その結果、半田層５７による半田接続状態が長期間に亘って良好に維持されるから、耐用寿命の延長を図ることができる。また、フレーム板５１の構造変形を伴うことがないから、フレーム板５１による所定の放熱効果を確保することができる。
さらに、導電性の金属板材よりなるパッド５６自体が放熱板として機能するから、放熱効果のさらなる向上を図れる。しかもパッド５６の大きさが変更自在であるから、放熱効率の調整を図れる。さらにまた、相手のフレーム板５５が中間接続端子３０Ｂからなることでフレーム板５１よりも肉厚となっているから、ベアチップ５２で発生した熱が相手のフレーム板５５を通して基板１１側ひいては太陽電池モジュール側へ効率良く放熱される。このとき、ベアチップ５２のＮ側領域（カソード側）が相手のフレーム板５５に直接載置されているものが含まれているから、放熱効率が格段に向上する。
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）本発明によれば、両フレーム板相互の対向面間に複数のパッドを介装させることにより、半田層をさらに多層化して構成してもよい。
（２）本発明によれば、両フレーム板がいずれも端子板とは別体に形成された導電性板材によって構成されていてもよい。逆に、両フレーム板がいずれも端子板から構成されていてもよい。
（３）本発明によれば、基板上に５つ以上の端子板を並設し、このうちの２つをケーブル接続端子とした上でこれらをバイパスダイオードで短絡可能に連結しても構わない。
（４）半田層に応力が生じる要因は、上述したヒートショックに限らず、例えば、作業時に両フレーム板同士をねじった場合等の機械的な要因も含まれる。
本発明の実施形態におけるボックス本体の内部構造を示す平面図 整流素子の使用状態を示す要部拡大平面図 同じく要部拡大断面図
符号の説明
３０…端子板
３０Ｂ…中間接続端子
５０…バイパスダイオード（整流素子）
５１…フレーム板
５２…ベアチップ（整流素子本体）
５５…相手のフレーム板
５６…パッド
５７…半田層
５９…対向面

Claims (3)

  1. 整流機能を有するチップ状の整流素子本体と、この整流素子本体を挟んだ状態で同整流素子本体に半田付けにより接続される導電性板材よりなる二枚のフレーム板とを備えた整流素子であって、
    前記両フレーム板において前記整流素子本体を挟んで板厚方向に対向する互いの対向面間には、前記両フレーム板に付着する半田の半田層とは別に、この半田層に生じる応力を緩和する応力緩和部が介装されていることを特徴とする整流素子。
  2. 前記応力緩和部は、前記両フレーム板に付着する半田の半田層とは別の半田層からなり、これら半田層が前記整流素子本体とは別体に形成された導電性板材よりなるパッドを挟んで板厚方向に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の整流素子。
  3. 請求項１または請求項２に記載の整流素子を備えてなる太陽電池モジュール用端子ボックスであって、
    太陽電池モジュールのプラス電極及びマイナス電極と両電極に対応する外部接続用の出力ケーブルとの間を電気的に中継する複数の端子板が基板上に並設され、前記整流素子が対応する二枚の端子板間に架橋されており、逆負荷がかかったときにはこの整流素子を介して前記対応する二枚の端子板同士が短絡され、かつ、
    前記整流素子の前記両フレーム板のうちの少なくとも一方が、前記端子板からなることを特徴とする太陽電池モジュール用端子ボックス。
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CN104124222A (zh) * 2013-04-24 2014-10-29 太仓天宇电子有限公司 一种微型超薄单向整流桥器件及其加工工艺
WO2015148178A1 (en) 2014-03-28 2015-10-01 Dow Global Technologies Llc Device and method for forming solder joints in photovoltaic components
WO2016095859A1 (zh) * 2014-12-19 2016-06-23 上海锐吉电子科技有限公司 太阳能电池片、太阳能电池组件和旁路二极管的组装方法

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