JP5625213B2 - 反射性を有する二次レンズ系と半導体アセンブリ、およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子上に太陽光を集光させる反射性および／または屈折性を有する二次レンズ系に係り、本発明の二次レンズ系は、二次レンズ系を形成する本体の回りに配置された投射系により特徴付けられる。さらに本発明は、本発明の二次レンズ系を含む半導体アセンブリに係り、さらには本半導体アセンブリの製造方法に係る。特に、本半導体アセンブリは、集光式の太陽電池モジュールである。

集光式の光起電力装置は光学系を利用して太陽電池へ集光する。これは例えば、入射光を太陽電池に光束として集光させるレンズまたはフレネル集光器により行われる。複数の太陽電池が、関連する光学系（例えばレンズアレイ）、冷却部材、および電気配線部材とともに組み立てられてモジュールを成している。これらモジュールは、太陽の光路を辿ることのできる所謂トラッカの上に搭載される。

集光式の光起電力装置においては、なるべく大量の放射光を太陽電池に入射させることが大きな懸案である。これは光学系の撮像品質に左右され、他方では、光学系の太陽電池への配向精度ひいてはモジュール全体の太陽に対する配向精度の影響をも受ける。

集光式の光起電力装置ではさらに、所謂、集光係数も大きな懸案である。これは、太陽電池の活性面に対するレンズ系の光入射面の割合である。比較的高価な太陽電池はなるべく少量利用することが望ましいので、選択される集光係数がなるべく大きいほうが好適である。高集光式のシステムの場合には、二段階のレンズ系の利用が可能であり、ここで両素子は、一次レンズ系（レンズまたはフレネル集光器等のビーム経路における第１の光学素子）または二次レンズ系（二次素子）と称される。二段階コンセプトの利点は、各素子に対するビーム偏光を小さくできることである。加えて、例えば、色収差を低減させたり入射光を均質化したりするためのレンズ設計における構造上のクリアランスを顕著に大きくすることができる。

二次レンズ系は、今までのところ、内部全反射によって光ビームを太陽電池へと方向付ける屈折素子として構成されるのが通例となっている。切頭角錐形状のガラスからなる素子（米国特許第５，５０５，７８９号明細書）あるいは主に全反射を利用するより複雑な形状からなり、射出成形法により製造されるガラスからなる素子（例えばスペイン特許文献第２２３２２９９号明細書、V. Diaz, J. Alarez, J. Alonso等著「Assembly of Concentrator Modules based on Silicon Solar Cells at 300x of Concentrated Sunlight」、 Proc. of 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference、２００４年に記載されている）を参照のこと。屈折率の大きな差異に起因して起こる出口面における反射をできるだけ少なくするべく、この素子は通常、太陽電池上に直接、接着材および光透過性材料（例えばシリコーン）による接着により搭載され、時として入口孔が、反射を低減させる被膜で覆われていることもある。

同時に、反射面の反射を利用する単純な二次レンズ系も利用されている。前述の公知特許出願文献では、台形の金属本体または円形の漏斗が利用されている（例えば、欧州特許出願公開第０６５７９４８号明細書、国際公開第９１／１８４１９号パンフレット、L. M. Fraas著「Line-Focus Photovoltaic Module Using Stacked Tandem-Cells」1994年を参照のこと）。これら部材の反射を増やす目的から、金属シートに対して、再成形前に、高反射層を設けることが多い。このような構成は例えば米国特許第５，１６７，７２４号明細書または米国特許第５，５０５，７８９号明細書から公知であり、図１ａおよび図１ｂにその例を示す。本例で二次レンズ系５０は直接太陽電池２に嵌合されている。このような構成において太陽光はフレネル集光器１５によって二次レンズ系に予め集光されている。

さらに従来技術では、半導体素子とともに利用され、光の全体または一部を受発光する水平面を有するコンポーネントも公知である（国際公開第２００４／０７７５５８号パンフレット、独国特許文献第１９５３６４５４号明細書、独国特許文献第１９９４７０４４号明細書参照）。この水平方向の放射光は、ＬＥＤ半導体チップの特徴である。しかし、半導体チップ（例えば太陽電池）の上面に向けられた放射光の９５％を超えるような略排他的な受発光を行う半導体素子を利用した場合、反射器は半導体チップが上方向から反射器の窪みへと挿入するよう設計されているために水平壁および上方接触面が反射器の光路に存在してしまうので、これら特許では放射光の一部が失われる。このような構成においては、反射領域が半導体チップ全体を覆ってしまう。

また、トランスミッタおよび／またはレシーバが金属反射器により囲われている素子が、例えば独国特許文献第１９９４７０４４号明細書から公知である。この文献に開示されている、反射壁を導体ストリップ材料から一体形成する技術は、チップを反射器内に挿入する原理を用いている（チップは最小の反射器の直径／反射器の断面よりも小さい）。

半導体チップを挿入するタブ形状の構成の反射器が独国特許文献第１９５３６４５４号明細書に開示されている。

筐体本体部のメタライゼーションにより製造された反射器を有する素子が国際公開第２００４／０７７５５８号パンフレットに開示されている。この技術でも、半導体チップはメタライゼーションの第１領域に配されている。しかしこの構成は、チップの表面の一部のみを反射器の出口孔に設けることを意図している場合には適さない。

従来技術の屈折性を有する二次レンズ系に関する欠点は以下の通りである。（１）光の一部が二次レンズ系の材料に吸収されてしまうので、太陽電池における変換に利用できなくなる。（２）吸光により材料が過熱されてしまい、特に高集光式のシステムの場合、二次レンズ系が壊れてしまうことがある。（３）屈折性を有するレンズ系の入口面では、周囲空気との屈折差が大きいことにより反射が生じる。これらは反射保護被膜を利用することで低減可能ではあるが、反射保護被膜により製造コストが上がり、反射の低減効果はあるものの完全な防止効果はない。（４）全反射の原理（全内部反射、ＴＩＲ）を用いる場合、部材の表面品質に必要な条件が非常に高くなる。製造方法は大規模製造に対応できるものが主流であり（例えば再成形または射出成形法）、且つ、製造される表面品質がしばしば不適格であることから、製造コストは上昇する傾向が高い。表面品質の維持は研磨によって可能ではあるものの、大量生産においてはこのプロセスは比較的高コストであり、集光式の光起電力装置で許容可能なコストの範囲には収まらない。（５）反射の防止を目的として、上述したように電池と二次レンズ系との間の空間に光学媒体を充填する（米国特許第５，５０５，７８９号明細書、スペイン特許文献第２２３２２９９号明細書を参照のこと）。空気の進入を最小限に抑えるべく、この媒体は通常粘性を保った状態で塗布され、二次レンズ系の組み立て後に硬化される。しかしこの結果、毛細効果あるいは湿潤効果により液状の媒体で二次レンズ系の外壁が湿ってしまい、結果としてＴＩＲの効率性が低減する。光学媒体は表面張力を有するので、二次レンズ系の端部領域には、光をアンカップリングして効率性を低減させるような特徴的な間隙が形成されてしまう。（６）二次レンズ系は、原則条件として、太陽電池の全面を覆う必要があるので、太陽電池へと方向付けられる全ての光線も予め二次レンズ系を通過する必要がある。しかしこのレンズ系がなくても電池への入射が可能な光線の場合には、これにより不要な損失が生じることになる。極良好な一次レンズ系の場合には、光線の殆どが二次レンズ系を用いずとも電池に入射する。このような場合には、二次レンズ系を一次レンズ系に加えて動作させることで、干渉を経なければ電池に入射しない部分の光線のみを検知することができるので、最適である。

前述した設計の反射性を有する二次レンズ系に関する欠点としては以下が挙げられる。（１）公知の二次レンズ系は、自動係合部材または電池への搭載を簡単にする部材がないために、搭載が難しい。（２）国際公開第９１／１８４１９号パンフレット、スペイン特許文献第２２３２２９９号明細書、あるいは国際公開第２００６／１３０５２０号パンフレットから公知である搭載方法では、幾らかの追加的な搭載を促す方策（例えば螺子、フレーム、またはクランプサドル）が利用されている。これにより、材料コストおよびプロセスコストが上がり、欠陥品を生じやすい部材の数も増えるので、システム全体が欠陥品になる確率も高くなる。（３）国際公開第２００４／０７７５５８号パンフレット、独国特許文献第１９５３６４５４号明細書、独国特許文献第１９９４７０４４号明細書に記載されている半導体チップ用の反射器に関する主な欠点は、記載された部材において、半導体チップが反射形状部分に配置されるよう設計されているということである。この結果、比較的未定義の光路しか生成されないことになり、且つ、入射する／発生した（emergent）光線角度により、水平壁または表面メタライゼーションまでも光路に位置してしまう。（４）金属板上の反射層は再成形処理で大幅な再成形を行うと破れてしまうので、特別な形状を生成することのできる可能性は非常に制限される。（５）材料により吸収されることで二次レンズ系は過熱される傾向がある。今までのところ、特殊な部材を利用することで放熱量を増やす方法を開示した文献は、国際公開第９１／１８４１９号パンフレット１つのみであり、ここでは、放熱を、生成の複雑な追加部材の利用により行っている。（６）反射層（例えば、銀を利用する層のシステム）は、非常に腐食し易い。腐食を防ぐべく、反射性を有する金属板に、パッシベーション層を設けることができる。しかし、部材は被膜準備済み（ready coated）金属板片から切り取られるので、切断端は、開口しており、反射層が不動態化されていない材料遷移箇所を有する。これらの切断端はシードセルを形成して動作中に腐食しやすい。（７）さらなる欠点も従来技術である対応する特許文献において記載されている。

本発明の目的は、光学電子部品の開発であり、特に、受発光を行い、受発光される放射光を半導体チップに導き、その結果生じる熱の放散を行うことのできる半導体素子の開発である。本発明は、ウェハ面上にある表面により、排他的な、あるいは、９０％を超える光を吸光／発光する半導体チップを利用する処理に関する。

本発明の目的の１つは、上述の欠点が克服された反射性および／または屈折性を有する二次レンズ系を提供することである。また、本発明の目的の別の１つは、本二次レンズ系を含む半導体アセンブリを提供することである。

上述の目的は、請求項１の特徴を有する二次レンズ系および請求項２３の特徴を有する半導体アセンブリにより達成される。請求項３８では、上述の半導体アセンブリの製造方法が示されている。各従属項も利点を有する。請求項の用語は明細書の記載を相互参照した解釈が意図されている。

特別な用途としては、太陽光から電流を生成するモジュールへの用途が挙げられ、好適な用途には二段階集光式のレンズ系を有するモジュールへの用途が挙げられ、特に好適な用途には、モノリシックなマルチ太陽電池（例えば好適には周期表の主群ＩＩＩおよびＶの元素を含んだ太陽電池を有するトリプル型太陽電池）を有するモジュールへの用途が挙げられる。

本発明による二次レンズ系の機能は、入口孔に放射光を入射させて、出口孔に配されている太陽電池へと導くことである。この機能を行うには、二次レンズ系は好適には以下の特徴および部材を備えるべきである。すなわち、最大効率を得るのに適した形状および表面設計、連続生産における搭載を促す部材、熱管理用の部材（つまり、対流および熱放射を向上させるためのもの）、長期的安定性を増させる部材、反射強度を増加させる部材、太陽電池の隣の重要な領域を保護する部材。

以下の要件が、この部材の製造プロセスでは主流である。すなわち、低材料コストおよびプロセスコスト、反射器の形状に関する高い製造精度、粗度の低い表面の生成、バリおよび溝の生成を最小限に抑えること、反射を増加させ、良好な光学特性および高い粘着力を実現するべく、なるべく均質に層を塗布すること、透光性および接着力に優れた、できるだけ厚みのある保護層の塗布。

従って本発明の主題は、実際の反射器の部材（二次レンズ系）のみならず二次レンズ系を含む半導体部材全体あるいはアセンブリに関する。特に、半導体部材は、所謂太陽電池アセンブリ（一般的にＳＣＡとして知られている）である。このＳＣＡは、通常太陽電池、反射器、および、さらなる素子を備え、このＳＣＡを製造する方法も含まれる。

従来技術で一般的な太陽電池アセンブリは、米国特許第5,167,724号明細書、J. Jaus, U. Fleischfresser, G. Peharz等著「Heat Sink Substrates for Automated Assembly of Concentrator Modules」、 Proc. of 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference、2006年、2120〜2123ページ、A. W. Bett, C. Baur, F. Dimroth等著「FLATCON^TM modules; Technology and Characterisation」、Proc. of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion、２００３年、６３４〜６３７ページに記載されており、太陽電池、熱伝導基板（例えば銅製）、接触性を高める複数の金属層、半田付けまたは接着され、太陽電池の裏側に接触する層、および、太陽電電池の上側に接合または溶接されるコンタクトからなる。以下の記載で熱伝導基板はしばしば、「チップキャリア」と称される。このチップキャリアはしばしば導体フレーム（リードフレーム）として設計される。

本発明による反射性および／または屈折性を有する二次レンズ系の利用により、半導体アセンブリを、特に、A. W. Bett, C. Baur, F. Dimroth等著「FLATCON^TM modules; Technology and Characterisation」Proc. of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, ２００３年、６３４〜６３７ページに記載されている種類の構造の太陽電池モジュールを、実質的に向上させることができる。このように、集積された二次レンズ系を有する太陽電池アセンブリは、従来技術に比して以下の利点を有する。つまり利点とは、太陽電池から生じる熱を良好に放散させることができること、太陽電池で重要な領域（実際の層の端部、接合パッド等）の腐食、熱応力、および／または、光放射による損傷から守ることができること、集光により太陽放射に利用される全ての部材の抵抗が１０，０００倍にまで達すること、構造全体が長期的耐性を有すること、経済的な出発材料を利用することのできる可能性があること、動作中に生じる熱応力および／または機械的応力を防止すること、および／または、補償することができること等である。

本発明による半導体部材（特に、反射性を有する二次レンズ系を有する太陽電池アセンブリ）の製造方法は、以下の利点を有する。つまり利点とは、材料コストおよびプロセスコストが低く抑えられること、太陽電池と比して二次レンズ系は高い位置精度を有すること、嵌合プロセスにおける太陽電池、二次レンズ系あるいは太陽電池アセンブリ上に存在する他の部材への損傷を避けることができること、利用される部材の不可避な品質欠陥を補償することができる結果、製造プロセスにおける全効率が上がること等である。

本発明の主題は、反射性および／または屈折性を有する二次レンズ系、および、集積された反射性を有する二次レンズ系からなり、特定の設計および特定の製造方法によって、従来技術で公知の構成に比して多大な利点を有する。

組み立てにおいては、二段階の方法が提唱される。この二段階の方法では、反射器を実際に接続することで機械的に連結する（つまり、電池に対する摩擦によるのではなく、チップキャリアに対して直接連結される）。加えて、本発明による二次反射器を先に嵌合されたカバーの成形部分に組み込む方法が提唱される。

このような向上点は、全てオプションであると理解されるべき有利な実施形態として後述する。

＜有利な実施形態＞
二次レンズ系は以下の通りである。
・反射器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。特に好適なものとしては、高純度のアルミニウム（９９％を超えるアルミニウム）、および９９％を超えるアルミニウムにマグネシウムを０．５％未満追加したアルミニウム合金が挙げられる。さらに有利な出発材料としてはステンレス鋼および真鍮が上げられる。
・反射器の外側には、４０００ｎｍを越える波長の赤外線を放射する能力の高い層が設けられる。
・アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる反射器の場合、この層は、特別に設けられた酸化アルミニウム層から形成すると好適である。この層により、反射器の温度を下げることができ、全ての点で有利となる。
・反射器の内側には、銀を含有する高反射層を設け、且つ、この高反射層を保護する保護層を設ける。この高反射層は、４００から８００ｎｍの波長範囲において反射強度ρが７０％を超える特徴、および、９００から２，５００ｎｍの波長範囲において反射強度ρが８０％を超える特徴の少なくとも一方を含んでいてよい。酸化アルミニウムまたは酸化シリコンを用いると好適である。
・反射器の内側に、超純粋なアルミニウム（９９％を超える純度）高反射層を設け、且つ、この高反射層を保護する保護層を設ける。酸化アルミニウムまたは酸化シリコンを利用すると好適である。

反射器のリング（突起）は以下の通りである。
・太陽電池と、ヒートシンクと、接触用材料と、ボンディングワイヤと、反射器およびおそらくは保護ダイオードと、端末パッドと厚手のワイヤボンド脚部とからなるアセンブリが、例えばカプセル化材料（例えばエポキシ、シリコーン、またはカーボネートプラスチック材料）を有する反射器のアセンブリの後に設けられる。このカプセル化材料により、上述の部材が腐食から保護される。
・上部領域の反射器は、リング状に構成された突起を有する。リングにより、反射器の組み立てに利用される上述したカプセル化材料あるいはプラスチック材料へと放射光が入射することがなくなる。強力な光強度を受けるとカプセル化材料が壊れることがある。このため本発明の主題は、少なくともその下の充填化合物が太陽放射の入射を受けない程度の大きさを有するリングまたは別の平坦部に関する。
・このリングは、組み立て時に、ピックアンドプレース法による把持可能な面として機能することができるので好適である。この結果、通常敏感な反射器の表面のひっかきを防ぐことができる。この目的達成のためにリングは平坦に構成されると好適であり、入口孔と平行に構成されると好適である。反射器形状の好適な形成方法である深絞り加工法を利用することで、リングを複雑性なく、最小限の材料の利用により製造することができる。
・反射器の上端部のリングまたは別の平坦部により、反射器の余分な熱をより大きな領域に分散させることができる。この余分な熱は、反射器に入射する太陽光線の吸収から、または、太陽電池から反射器へ熱伝導された熱から生じる。リングにより利用可能となる拡大表面により、モジュール内部の空気の放射または対流により熱を除去する効果が高まる。こうしてモジュール内部の空気は、モジュールの外壁から環境へと排出される。

反射器の製造方法は以下の通りである。
・厚みが５０μｍから１ｍｍの平坦なストリップ材料を利用する。
・複数のスタンピングおよび再成形工程を含むことで反射器の形状およびリングひいては特定の取り付け部材を平坦ストリップ材料から直接形成することのできる段階的深絞り加工法（stepped deep-drawing）により、反射器形状を成形する。
・方法では、成形、深絞りおよび再成形プロセスの後に個々の反射部材が完全に分離されず、ウェブ状の接続部材により帯状ストリップの形状で残る。このようにして製造された半完成品のオブジェクトは、後工程（例えば、反射器内部の表面処理としての湿式化学処理）にただちに回される。ウェブ状の接続部材のおかげで個々の反射器はストリップ合成物において定義された形状および位置に留まるので、後処理を最適に行うことができる。特に、個々の部材を１つずつスリップ状に加工する処理が不要となり、この処理に伴う内面の損傷ひいてはこれにより表面処理加工が困難になったり不可能になったりすることが防止される。加えて、ストリップ材料の全ての反射器間に存在する接続部のために後の処理で初めて電気化学プロセスを利用する電気コンタクトが利用可能になる。
・最初の成形、深絞りおよび再成形プロセスの結果形成された、成形された反射器を含むストリップ材料に対して、オプションとして、湿式化学処理を行うことができる。この処理工程は洗浄（例えば界面活性剤による洗浄、酸洗浄、アルカリ洗浄）、化学または電気化学研磨、化学または電気化学デバリング、さらに、酸化物層の化学または電気化学的な塗布を含む。
・酸化物層は、反射性を有する内面を、周囲空気の影響から守る。
・次に、スタンピング処理により反射器をストリップから分離させる。
・反射器の湿式化学処理の後で、例えば銀製の層あるいはアルミニウム含有反射層といった更なる層を塗布して、反射強度を上げることができる。この場合さらに、例えばスパッタリング、ＣＶＤ法または湿式化学法により、保護層（例えば、酸化アルミニウム、窒化シリコン、または二酸化シリコン）を塗布する。露呈された材料が遷移しないように、これらの保護層を塗布する前にウェブを分離することで反射器を合成物から切り離してもよい。その後、反射器に対して適切なマガジンデバイスにより更なる処理を行う。
・深絞り加工法を利用することで、文献から公知なあらゆる最適な形状（例えば円錐状、放物線状、ハイパー放物線状、または複数の放物線を組み合わせた形状）を生成することができる。保護層を再成形が終わってから塗布することによって、結果物に対してこれ以上の余計な応力がかからず、再成形は重要なパラメータ（例えばアスペクト比）の範囲内で、基本材料の延伸処理による影響のみを受ける。

反射器を含む半導体アセンブリは以下の通りである。
・半導体アセンブリはＳＣＡであると好適である。
・反射器の出口孔の下側を、第１の接着層により太陽電池の上側に接続させる。この接着膜は非常に粘着力および／または接着力が弱い。従って、反射器の熱膨張時にも太陽電池の上側には応力がかからない（太陽電池のコンタクトメタライゼーションが分離する危険性）。この第１の接着層は、反射器の最初の膨張時に動作中に破壊する予め定められた破壊点の一種を表す。
・この第１の接続層に加えて、第２の接着または充填化合物を塗布して、これにより、チップキャリアの一部さらに反射器の一部を封止する。この第２の接着剤により、反射器とチップキャリアとが、機械ロード可能に、且つ平坦に接続される。反射器の外壁への接触面は、反射器の下端の表面と比して非常に大きい。こうすることにより、この第２の接着剤は、熱膨張中に生じる応力を非常に良好に吸収することができる。加えて、吸収により反射器が生じる熱をチップキャリアへとより良好に放散することができる。
・これを達成する目的上、熱伝導性の良好な材料（例えばＳｉＯＨ−、ＳＩＯ_２、またはＴｉＯ_２粒子、あるいはセラミック粒子）を充填することによって、第２の接着剤の熱伝導性を向上させることができる。
・第２の充填化合物で、太陽電池の端部およびボンディングワイヤを封止することができる。この結果、カプセル効果が得られて、これらの特に重要な領域が風化から守られる。
・第２の充填化合物に利用される材料（例えば熱可塑性プラスチック材料）は、通常、強力な集光に対する永続的な耐性を有さない。従ってこの充填化合物を動作中に放射光の入射による損傷から守る目的上、反射器の上側の突起（例えばリング、または、これに準じる平坦部）が非常に重要となる。集光式のモジュールの場合には、例えばトラッカの位置不良によって、集光されたビーム全体が充填化合物へと導かれることがある。
・この構成の代わりに、反射器を接着層で直接チップ表面（例えば、太陽電池の表面）に連結させてもよい。熱機械的応力を起こさないよう、接着層は非常に可撓性のあるプラスチック材料から形成されてよく、および／または、銀または銅の粒子等の特に良好な導電性を有する粒子を充填されてもよい。
・さらなる代替例として、国際公開第９１／１８４１９号パンフレット等から公知な搭載サドルを利用することもできる。この出願から、実際の反射器の中央受け入れ開口を有するサドルの利用が公知である。好適には、この搭載サドルは冷却深絞り加工法により二次レンズ系を有するモノリシック合成物として単一の方法ステップにより平坦ストリップ材料から（平坦金属ストリップから）直接成形することができる。この統合された解決法により、搭載工程が省かれることで工程が単純化され、且つ、必要な部材数が低減することにより処理の複雑性が低減するという利点が生じる。搭載サドルはこの場合、保護用の突起またはリングの機能を担う。
・さらに、チップキャリアが、チップキャリア平面から突出するロック機能（locking possibilities）（例えばクリップ）を有する代替的な方法が提唱されている。二次レンズ系は、クリップの付属物として適切な形状の部分を有する。チップキャリアの上のクリップは、二次レンズ系上の対応する形状の部分を広げる機能を持つガイド領域を有する。さらに、ロック機能は、これに加えてまたはこの代わりに、二次レンズ系の成形部の対応する開口が係合するための***した部分を有する（例えば、成形マンドレルまたはカップ）。クリップがさらに二次レンズ系上に成形され、対応する逆受け入れ手段（counter-receiving means）をチップキャリア上に成形する。本実施形態により、接着剤を広範に塗布でき、半導体部材合成物全体の二次レンズ系の信頼性高い可逆固定機能（reversible fixing possibility）が可能となる。
・太陽電池の上側には、反射器の支持表面の領域に適切な層が設けられ、搭載プロセスにおけるメタライゼーションまたはその下の半導体層への損傷を防ぐ。この層は、例えば酸化物層、金属層、または、プラスチック材料層（ポリイミドまたはＰＴＦＥ）として設計されてよい。
・二次レンズ系はさらに、太陽電池の上側の電気接続として利用されうる。この目的上、反射器の上側の拡大成形部分は、絶縁されている第１の領域を形成するチップキャリアの第２の導電領域上の太陽電池の隣に導電性を持つよう接続されている。

太陽電池アセンブリの搭載方法は以下の通りである。
・幾らかの有利な搭載方法が考えられる。本発明による標準的な搭載方法では、先ず、結合力および粘度が低く、および／または、接着力が低く、および／または、弾性が非常に高い第１の接着剤を、インクジェット法、スタンピング法等により塗布する。次に、二次レンズ系を、把持具（例えば真空把持具）により適切なマガジンデバイスから取り外し、下側から視覚システムにより計測する。視覚システムの修正情報を考慮に入れて、二次レンズ系を、先に塗布された第１の接着剤の上に配置する。こうするための最大配置力をバネ張力により定義し、あるいは、チップから１０から２００μｍの間に定義された間隔を、搭載ヘッドに組み込まれているスペーサまたは高さセンサにより維持する。この代わりに反射器上に搭載してもよい。適宜、第１の接着剤を、次の工程の前に硬化させることもできるが、これは特に低粘度の接着剤では不要である。次に、固定された二次レンズ系の一部を第２の接着剤で覆う。第１の接着剤は、毛細効果により第２の接着剤が実際の太陽電池領域に移動してしまうことを防止する。次に、第２の材料を硬化させる。
・さらに好適な搭載方法は以下のシーケンスを有する。太陽電池と、ヒートシンクと、太陽電池に接触する下側および上側と、またおそらくは、コンタクトを有する保護ダイオードと、またおそらくは、コンタクトを有するコンタクトパッドとを備えるアセンブリに、充填化合物を充填する。充填剤はアセンブリが部分的に、または全体的に充填化合物で囲まれるように充填される。太陽電池領域内の充填領域は、二次レンズ系の外形に適合する窪みを有する。反射器をこの窪みに挿入して、摩擦により、または、さらに接着剤を加えることにより永久固定することができる。本実施形態は、太陽電池をカプセル化することで環境の影響から保護することができる、という利点を有し、反射器の熱膨張中に生じる応力は大きな領域に広がり、ひいては充填化合物へと加えられ、さらに、吸収された放射光が生成する熱は、充填化合物を有する大面積のコンタクトを介して容易に放散する。
・さらに好適な実施形態では、上述した搭載サドルにより反射器を搭載する方法が示される。同様に好適な実施形態では、酸化シリコン、水酸化シリコン、銀等の粒子を含む伝導性の良好な材料を有する接着剤を利用してサドルを搭載する方法、あるいは、直接結合（例えば溶接、半田付け、ボンディング）により搭載する方法が示される。
・反射器は、好適には、太陽電池から間隔を置いて設けられ、該間隔は、反射器の下側の孔から太陽電池の上側の格子まで、垂直に計測した長さが２０から３００μｍである。
・反射器は、エポキシ、シリコーン、またはカーボネートプラスチック材料等の空気よりも屈折率の高い光透過性領域、および、側面領域を覆う反射層を備える反射性部材として構成することができる。こうすることで、２つの重要な利点が生じる。第一に、光透過性領域の（空気に比した）屈折率を高めることで、一次レンズから対角線状に光透過領域へと入射するビームをさらに太陽電池の方向へと偏向させることができ、第二に、太陽電池の表面が光透過性領域により、環境の影響からスクリーニングされる。二次レンズ系は、反射特性に加えて、好適に補完された屈折特性を有する。
・この部材は例えば、エポキシ、シリコーン、またはカーボネートプラスチック材料といった透光性材料で深絞り型の反射器を充填することで生成することができる。
・好適な実施形態では、高い濡れ角（９０度を超える角度）を有する光透過性材料を酸化アルミニウムの上に利用する。この場合には凸型のレンズ形状をした表面が生成されると好適であり、これは、動作中の温度による影響でさらに拡大する。凸型の表面により、エッジビームが効果的に破壊され、反射数が減ることで損失が最小限に抑えられる。このように、表面の凸型の形状は、集光型のモジュールでは角度許容の観点から有利であり、さらなる光学パラメータ（傾斜許容差、集光増加）の観点からも有利である。
・反射器への光透過性材料の充填は、太陽電池への搭載の前、その間、あるいはその後に行うことができる。好適な実施形態では、太陽電池への搭載の前に反射器を充填する。この目的上、反射器の内部または内部の一部には、透光性材料が出口孔まで実質的に充填されて硬化される。出口孔の平面は、好適には透光性領域と２０から３００μｍ重なる。この結果、出口孔のサイズまたは太陽電池の活性化領域のサイズに相当する領域が生成される。この領域は、光透過性接着剤により太陽電池に直接二次レンズ系を搭載する際に利用される。
・さらなる好適な搭載方法では、太陽電池の領域への搭載前に太陽電池アセンブリ上に移動型の光透過性材料を塗布する。そして反射性を有する二次レンズ系をこの材料内に挿入して、材料を硬化させて固定する。二次レンズ系の内部に位置している充填化合物の部分は、このようにして、太陽電池の活性面の保護層の役割を果たし、同時に、空気と比して密度が高いことから、光ビーム偏向器としての役割も果たす。反射器に透光性を有する充填化合物をさらに充填することで、この効果を高めることができる。同時に、充填化合物の、反射器で硬化する部分は、電池の端部および表面のコンタクトへの接続部（ボンディングワイヤ等）を風化の影響から守る。

従来技術を例示する。 従来技術を例示する。 本発明による二次レンズ系を含むＳＣＡの特定の実施形態の平面図である。 図２ａの接続ラインＡ−Ａにおける断面図を示す。 図２ａの接続ラインＢ−Ｂにおける断面図を示す。 二次レンズ系１００を有する構成２００のさらなる有利な実施形態を示す。 二次レンズ系１００を有する構成２００のさらなる有利な実施形態を示す。 二次レンズ系１００のチップキャリア１０への機械的固定の代替的な実施形態を示す。 二次レンズ系１００のチップキャリア１０への機械的固定の代替的な実施形態を示す。 コンタクト１２および１２'で配線された複数のＳＣＡ２００を有するモジュール３００を示す。

以下に、本発明の主題を図面を参照しながら説明するが、本発明の主題は図面に特に示されているパラメータに制限されない。

図２ａは、本発明による二次レンズ系を含むＳＣＡの特定の実施形態の平面図であり、図２ｂおよび図２ｃは、図２ａの接続ラインＡ−ＡまたはＢ−Ｂにおける断面図を示す。このように図２ａ、図２ｂ、および図２ｃは、二次レンズ系１００が半導体部材２００（このケースではＳＣＡ）に集積され、半導体部材を固定するべく複数の接着接続部が設けられた特定の実施形態を示している。ＳＣＡ２００の全ての部材はチップキャリア１０上に設けられている。太陽電池２および配線パッド１３（ＳＣＡ２００が生じる電流をコンタクトを介して配線１２および１２'にタッピングすることができる）は、それぞれ接着剤または半田１６によりチップキャリア１０へ接続される。このように太陽電池２から配線パッド１３への電流線はボンディングワイヤ１４により敷設される。本発明による二次レンズ系１００は、内面が光に対する特に高い反射性を有する（３５０から２，０００ｎｍの波長範囲）金属基本材料により主に構成される反射器３として構成される筐体を含み、表面では、モノリシックに成形された突起６が構成されて搭載を促し、また、太陽電池アセンブリの重要な領域を太陽光から保護する役割も果たす。これはとりわけ図２ａから明らかである。加えて、反射器３の外面には、２，０００から１０，０００ｎｍの波長範囲で特に好適な発光性能を有する層（例えば酸化アルミニウム製の層）が設けられている。チップキャリア１０は、冷却基板の役割を果たし、チップキャリアの大きな面積を有する構成により、効果的に放熱が行われる。好適な構成により、二次レンズ系１００の光軸は太陽電池構成２００の活性面の幾何学的中心からできるだけ遠くへ伸びる。二次レンズ系１０の入口孔４は、関連する波長範囲で透光性を有する窓８により閉じられる。太陽電池２の二次レンズ系１００は、第１の接着剤１１により出口孔５の領域で固定される。二次レンズ系の回りにさらに結合材料１７を塗布することにより二次レンズ系１００のＳＣＡ２００への固定を強固なものとする。結合材料１７は、ＳＣＡ２００の幾つかの部材（例えば太陽電池、配線パッド１３およびボンディングワイヤ１４等）を封止することもできる。突起６により、少なくとも結合材料およびその下のＳＣＡ２００の部分が、強烈に集中する太陽放射光から守られる。従って、結合材料１７がエージング（脆化等）から効率的に保護されるようにすることができる。

図２ｃは、二次レンズ系１００を示す図２ａおよび図２ｂの示すＳＣＡ２００の代替的な実施形態であり、二次レンズ系１００の内部が略全体的に光透過性充填材料７で充填されている。この充填材料７が高い屈折率を有する場合、二次レンズ系１００内における太陽光の反射集光に加えて、またはその代わりに、さらなる屈折集光が行われる。従って充填材料の表面は好適には凸部構成を有する。

図３ａおよび図３ｂは、二次レンズ系１００を有する構成２００のさらなる有利な実施形態であり、これら図面ではＳＣＡ２００の幾らかの部材（例えばボンディングワイヤ１４）が明瞭化のために省かれている。図３ａおよび図３ｂの実施形態において、図３ａではＳＣＡ２００の斜視図が示され、図３ｂでは図３ａのラインＡ−Ａにおける断面図が示され、主にチップキャリア１０上の二次レンズ系１００の代替的な固定例に関している。チップキャリア１０はそれぞれサドルとしてスタンピングされる機械的取り付け部材９および９'を固定する役割を果たす溝をそれぞれ有するロック機能１８または１８'を有する。取り付け部材９および９'は、このように、二次レンズ系１００にフォームフィット接続され、突起６の機能を担う。この代わりに、取り付け部材９および９'がモノリシックに反射器３に接続されると特に好適であり、これは例えば二次レンズ系１００を深絞り加工法で生成する際に可能である。このような実施形態における特別な利点は、簡単な機械的手段により、接着剤なしに二次レンズ系１００の太陽電池２への永久固定が可能となることである。好適には金属から形成されるサドル９および９'が大きな面積を占めることから、この下に設けられる部材（例えば配線パッド１３）の全スクリーニングが確保される。また、サドル９および９'を介したチップキャリア１０への熱エネルギーの放熱も良好となる。

二次レンズ系１００のチップキャリア１０への機械的固定の代替的な実施形態を図４ａおよび図４ｂに示し、図４ｂは、前の図面同様に、図４ａのラインＡ−Ａにおける断面図を示す。サドル部材９および９'はチップキャリア１０に対して接着１６により機械的に固定される。これら代替的な実施形態は、図３ａおよび図３ｂの特徴と同一である。

図５は、コンタクト１２および１２'で配線された複数のＳＣＡ２００を有するモジュール３００を示す。さらに、このケースではフレネル集光器である集光式一次レンズ系１５の配置も示されている。

Claims (41)

1. 半導体素子上に太陽光を集光する反射性および屈折性の少なくとも一方を有する二次レンズ系（１００）であって、
   前記太陽光の方向を向く入口孔（４）と半導体部材（２）の方向を向く出口孔（５）とを有する反射器（３）を備え、
   前記反射器（３）は前記反射器（３）を囲む突起（６）を有し
   前記反射器（３）の内側には少なくとも１つの保護被膜が設けられており、前記少なくとも１つの保護被膜は、酸化アルミニウム、シリコンカーバイド、および、酸化シリコンを含む、または、これらからなり、
   前記出口孔（５）側の前記反射器（３）の外側には、当該反射器（３）を前記半導体部材（２）と結合する結合材料（１７）が設けられ、
   前記突起（６）は、前記太陽光が当該結合材料に入射しないようにリング状に前記反射器（３）に設けられる、二次レンズ系。
2. 前記突起（６）は、前記反射器（３）の長手方向に、前記入口孔（４）の高さに設けられる、請求項１に記載の二次レンズ系。
3. 前記突起（６）は前記反射器（３）に、モノリシックに、またはフォームフィットに接続される、請求項１または２に記載の二次レンズ系。
4. 前記突起（６）は、前記入口孔（４）の面と平行に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
5. 前記突起（６）の輪郭は、矩形、正方形、円形、楕円形、または不規則な形状である、請求項１から４のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
6. 前記反射器（３）の材料の少なくとも一部は、アルミニウムおよびアルミニウム含有合金からなる群から選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
7. 前記反射器（３）の壁厚は５０μｍから１ｍｍである、請求項１から６のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
8. 前記反射器（３）の内側には、４００から８００ｎｍの波長範囲において反射強度ρが７０％を超える特徴、および、９００から２，５００ｎｍの波長範囲において反射強度ρが８０％を超える特徴の少なくとも一方を含む少なくとも１つの高反射性被膜が設けられている、請求項１から７のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
9. 前記高反射性被膜は、金属を含み、または前記金属からなり、前記金属は高純度（９９重量％を超える）形態のアルミニウム、銀、屈折率ｎ^２０ _Ｄが互いに異なる複数の材料層、および、これらの合金または組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載の二次レンズ系。
10. 前記少なくとも１つの高反射性被膜上には、前記少なくとも１つの保護被膜が設けられている、請求項８または９に記載の二次レンズ系。
11. 空洞の少なくとも一部には、３００から２，５００ｎｍの波長範囲で光透過性を有する光透過性材料（７）が充填されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
12. 前記光透過性材料（７）は、空気より高い屈折率ｎ^２０ _Ｄを有する、請求項１１に記載の二次レンズ系。
13. 液体凝集状態の前記光透過性材料（７）は、酸化アルミニウム上で９０度を超える濡れ角を有する、請求項１１または１２に記載の二次レンズ系。
14. 前記光透過性材料（７）は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ガラス、石英ガラス、および、熱可塑性プラスチック材料からなる群から選択される、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
15. 前記入口孔および前記出口孔（５）の少なくとも一方は、３００から２，５００ｎｍの波長範囲で光透過性を有する窓（８）で閉じられる、請求項１から１４のいずれか一項に記載の二次レンズ系。
16. 前記光透過性を有する窓（８）は、ガラス、プレキシガラス、酸化シリコン、シリコンカーバイド、および酸化アルミニウムからなる群から選択される、請求項１４または１５に記載の二次レンズ系。
17. 吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体アセンブリであって、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の二次レンズ系と、
    前記半導体部材（２）とを備え、
    前記半導体部材（２）は、吸光性および発光性の少なくとも一方を有し、
    前記二次レンズ系（１００）は、前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）に前記出口孔（５）を介してフォームフィット接続されている、半導体アセンブリ。
18. 前記接続は、接着剤（１１）および取り付け部材（９）の少なくとも一方によるものを含む、請求項１７に記載の半導体アセンブリ。
19. 前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）の前記二次レンズ系（１００）は、１から５，０００μｍの間隔で配置され、少なくとも前記二次レンズ系（１００）と前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）との間には前記接着剤（１１）が充填されている、請求項１８に記載の半導体アセンブリ。
20. 少なくとも前記突起（６）の１つの側面にはフォームフィット成形された取り付け部材（９）が隣接しており、前記取り付け部材（９）を介して前記二次レンズ系が半導体素子およびチップキャリア（１０）の少なくとも一方に接続可能である、請求項１７に記載の半導体アセンブリ。
21. 前記突起（６）には、前記反射器の外側に向かって、前記取り付け部材（９）が隣接している、請求項２０に記載の半導体アセンブリ。
22. 前記取り付け部材（９）は、前記突起（６）にモノリシック成形されている、請求項２０または２１に記載の半導体アセンブリ。
23. 前記チップキャリア（１０）は、少なくとも１つのフォームフィット可逆ロック機構（１８）を有し、
    前記少なくとも１つのフォームフィット可逆ロック機構（１８）には、前記取り付け部材（９）が接続可能である、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
24. 少なくとも１つのさらなる部材を備え、
    前記少なくとも１つのさらなる部材は、前記半導体アセンブリを少なくとも１つのさらなる半導体アセンブリに電気的に配線するためのコンタクト（１２、１２'）、前記チップキャリア（１０）、配線パッド（１３）、前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）を前記配線パッド（１３）に電気的に配線するためのボンディングワイヤ（１４）、少なくとも１つの保護ダイオード、前記二次レンズ系（１００）に集光するためのフレネル集光器、レンズ、および、ミラーの少なくとも１つを含む、少なくとも１つの一次レンズ系（１５）からなる群から選択される、請求項２０から２３のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
25. 前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）および前記配線パッド（１３）の少なくとも一方は、前記チップキャリア（１０）上に、接着（１６）により固定される、請求項２４に記載の半導体アセンブリ。
26. 前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）と前記二次レンズ系（１００）とは、前記チップキャリア（１０）と前記結合材料（１７）により更に固定され、前記結合材料（１７）は、少なくとも前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）と前記二次レンズ系（１００）とを少なくとも部分的に封止する、請求項２４または２５に記載の半導体アセンブリ。
27. 前記結合材料（１７）は、熱可塑性プラスチック材料、エポキシ樹脂、シリコーン、アクリレート、および、シアノアクリレートからなる群から選択される、請求項２６に記載の半導体アセンブリ。
28. 前記結合材料（１７）は、
    銀粒子、銅粒子である金属チップまたは金属粒子を含む熱伝導性材料、セラミック粒子およびシリカゲル、ならびに、これらの組み合わせの少なくとも１つである、請求項２６または２７に記載の半導体アセンブリ。
29. 前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）の少なくとも前記二次レンズ系（１００）に接続されている側面には、少なくとも１つの保護被膜が設けられており、前記少なくとも１つの保護被膜は、金属層、酸化アルミニウム等の酸化物層、ポリイミドおよびＰＴＦＥ等のプラスチック材料層からなる群から選択される、請求項２４から２８のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
30. 前記二次レンズ系（１００）は、前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）に電気的に接触している、請求項２４から２９のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
31. 前記半導体アセンブリは、少なくとも１つの前記コンタクトを介して少なくとも１つのさらなる半導体アセンブリに、直列および並列の少なくとも一方で電気的に配線されている、請求項２４から３０のいずれか一項に記載の半導体アセンブリ。
32. 請求項２０から３１のいずれか一項に記載の半導体アセンブリの製造方法であって、
    請求項１から１６のいずれか一項に記載の二次レンズ系が、前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）、および、前記チップキャリア（１０）の少なくとも一方の上に固定される、半導体アセンブリの製造方法。
33. 前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）上に接着剤（１１）を塗布する工程ａと、
    前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）上に前記二次レンズ系（１００）を押圧し、且つ、前記二次レンズ系（１００）と前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）との間に、１から５，０００μｍの間隔を維持する工程ｂと、
    工程ａおよび工程ｂで生成された合成物を、前記結合材料（１７）で覆い硬化させる工程ｃと、
    を備える、請求項３２に記載の半導体アセンブリの製造方法。
34. 前記接着剤（１１）を塗布する工程ａは、インクジェット法およびスタンピング法の少なくとも一方により行われる、請求項３３に記載の半導体アセンブリの製造方法。
35. 前記結合材料（１７）を前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）の周りに塗布し、且つ、窪みには塗布しない工程ａと、
    前記二次レンズ系（１００）を前記窪みに挿入して固定する工程ｂと、
    を備える、請求項３２に記載の半導体アセンブリの製造方法。
36. 前記結合材料は、前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）が設けられている前記チップキャリア（１０）の上に塗布される、請求項３５に記載の半導体アセンブリの製造方法。
37. さらに、ボンディングワイヤ（１４）、配線パッド（１３）、および、少なくとも１つの保護ダイオードの少なくとも１つが、少なくとも部分的に前記結合材料により封止される、請求項３６に記載の半導体アセンブリの製造方法。
38. 前記二次レンズ系（１００）を前記窪みに挿入して固定する工程ｂは、接着摩擦すること、および、さらなる接着剤を前記二次レンズ系（１００）と前記結合材料の前記窪みとの間のコンタクト表面上に塗布することの少なくとも一方をすることにより行われる、請求項３５から３７の何れか１項に記載の半導体アセンブリの製造方法。
39. 前記二次レンズ系（１００）は、少なくとも取り付け部材（９）により、前記チップキャリア（１０）上に固定される、請求項３２から３８のいずれか一項に記載の半導体アセンブリの製造方法。
40. 前記固定は、前記取り付け部材（９）を前記チップキャリア（１０）に接着させる、螺子止めさせる、リベット留めさせる、溶接させる、半田付けさせる、および、結合させる、の少なくとも１つのこと、および、成形マンドレルまたはカップ等のロック機能（１８）の少なくとも一方により直接固定させることにより行われる、請求項３９に記載の半導体アセンブリの製造方法。
41. 接着剤（１１）を前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）上に塗布して、前記二次レンズ系（１００）を当該部材上に押圧して、前記吸光性および発光性の少なくとも一方を有する半導体部材（２）を前記接着剤（１１）で被膜した後に、前記接着剤を硬化させる、請求項３２に記載の半導体アセンブリの製造方法。