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研究生： 王寧遠
Wang, Ning-Yuan
論文名稱： 高聚光型太陽能電池模組於熱循環測試下之壽命預測
Life Prediction of High Concentration Photovoltaic Module Subjected to Thermal Cycling Test
指導教授： 江國寧
Chiang, Kuo-Ning
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 133
中文關鍵詞： 高聚光型太陽能電池模組 、有限元素分析 、暫態熱分析 、熱循環測試 、電流循環測試 、壽命預測
外文關鍵詞： High Concentration Photovoltaic (HCPV) Module, Finite Element Analysis, Transient Thermal Analysis, Thermal Cycling Test, Power Cycling Test, Life Prediction
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    • 近年來隨著環保意識的抬頭，如何純淨地產生能源備受重視，而太陽能電池具有以零汙染方式將光能轉換成電能的能力，逐漸受到各產業的青睞。為了探討太陽能電池模組的長時可靠度與耐久度，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）於2007年針對聚光型太陽能電池（Concentration Photovoltaic, CPV）模組製定了一系列的規範。規範中的加速熱循環測試除了改變烘箱的溫度外，在烘箱溫度高於25 oC時，將輸入額定循環電流負載於試片中，以模擬實際太陽能電池之工作環境。為簡化電流負載與環境溫度改變的耦合溫度場分析，假設電流負載所產生的溫度變化可疊加於環境溫度下，再以此溫度場循環作為結構分析的溫度負載。本研究使用有限元素分析軟體ANSYS®進行熱固耦合分析，並探討此模組於熱循環測試（Thermal Cycling Test）下之長時可靠度。
    本研究將針對高聚光型太陽能電池（High Concentration Photovoltaic, HCPV）模組進行討論。首先比較二維模型於升溫段的理論解與有限元素數值解，發現銲錫之應力最大分佈皆集中在位於陶瓷基板與鋁板間之銲錫邊緣處。由三維模型於升溫段的分析可得知銲錫的厚度會影響銲錫邊緣的等效塑性應變；銲錫之塗佈厚度越小，其等效塑性應變值越大。
    本研究假設初始裂縫將由銲錫之最角落處開始成長，在計算HCPV模組之熱疲勞壽命時忽略初始裂縫循環數，換句話說即是以裂縫成長循環數作為HCPV的壽命預估依據。分析結果指出當裂縫長度為7.47 mm時，將使得晶片溫度上升且順向偏壓變化2%，進而造成試片失效，此時模組之熱疲勞壽命約為2,808循環數。

    目錄 中文摘要 i 英文摘要 iii 目錄 iv 表目錄 viii 圖目錄 ix 符號表 xv 第一章、 緒論 1 1.1 高聚光型太陽能電池簡介 1 1.2 研究動機 2 1.3 文獻回顧 4 1.4 研究目標 16 第二章、 基礎理論 17 2.1 高聚光型太陽能電池運作原理 17 2.2 接面溫度量測之基礎理論 20 2.3 熱傳遞分析理論基礎 23 2.3.1 熱傳遞行為 23 2.3.2 高聚光型太陽能電池的熱傳遞分析 26 2.4 有限元素法理論基礎 30 2.4.1 暫態熱傳導有限元素法基礎理論 30 2.4.2 線彈性有限元素法基礎理論 34 2.4.3 材料非線性有限元素法理論 39 2.5 破壞準則 41 2.5.1 最大正向應力理論 42 2.5.2 Tresca破壞準則 43 2.5.3 von Mises破壞準則 44 2.6 Chen與Nelson之二維三層板剪應力計算數學模型 45 2.7 數值方法與收斂準則 47 2.8 封裝結構可靠度之預測 50 2.8.1 韋伯分佈函數 50 2.8.2 Coffin-Manson應變法 52 2.8.3 Darveaux 能量密度法 53 第三章、 研究方法 56 3.1 研究流程 58 3.2 有限元素模擬與接面溫度量測實驗之驗證 60 3.2.1 接面溫度量測實驗 60 3.2.2 接面溫度量測實驗流程與結果 60 3.2.3 暫態熱分析之有限元素模型建立 65 3.2.4 暫態熱分析之有限元素模型負載設定 68 3.2.5 暫態熱傳分析模擬結果 69 3.2.6 有限元素分析與溫度量測實驗之驗證 71 3.3 二維與三維模型之模擬分析與驗證 72 3.3.1 二維模型之有限元素分析與驗證 72 3.3.2 三維模型介紹 76 3.3.3 三維模型之幾何尺寸、材料參數及邊界條件 77 3.3.4 三維模型之分析與驗證 81 3.4 HCPV有限元素負載與模型設定 82 3.4.1 熱固耦合循環分析之負載設定 83 3.4.2 溫度場負載設定 84 3.4.3 電流負載設定 89 3.4.4 計算時間步長之設定 92 3.4.5 HCPV模型建立 94 3.4.6 HCPV模型之材料參數設定 95 第四章、 有限元素分析結果 97 4.1 不同銲錫厚度之效應 97 4.2 HCPV封裝之分析結果 99 4.2.1 HCPV封裝結構之應力分析 99 4.2.2 HCPV封裝結構之銲錫應力分析 100 4.2.3 HCPV封裝結構之銲錫應變分析 102 4.3 HCPV銲錫之熱固耦合循環分析結果 104 4.4 HCPV熱循環疲勞壽命計算方式 107 4.4.1 疲勞壽命模型預估驗證 110 4.4.2 裂縫成長速率之計算 116 4.4.3 裂縫形狀之預估 117 4.4.4 銲錫失效準則 119 4.5 HCPV封裝結構之熱疲勞壽命 120 第五章、 結論與未來展望 123 參考文獻 129 表目錄 表3-1、IEC熱循環實驗不同狀態之溫度對應 57 表3-2、校準量測實驗結果 63 表3-3、核能所高聚光型太陽能電池封裝結構尺寸表 66 表3-4、暫態熱分析之材料參數設定 66 表3-5、線性三層板結構材料參數 73 表3-6、三維三層板基準模型材料參數 79 表3-7、銲錫之雙線性材料參數[42] 79 表3-8、偏壓值對應溫度表 91 表3-9、不同溫度下對應之電流-電壓表 91 表3-10、高聚光型太陽能電池封裝之材料參數 96 表4-1、IGBT模組之材料參數 113   圖目錄 圖1-1、高聚光型太陽能電池（HCPV）模組 4 圖1-2、高聚光型鉮化鎵太陽能電池[4] 5 圖1-3、鉮化鎵太陽能電池可靠度實驗負載及失效試片數[4] 5 圖1-4、HCPV 橫剖面圖 6 圖1-5、不同硬度之銲錫材料複合結構示意圖[6] 7 圖1-6、無導線晶片電阻(Leadless Chip Resistor)[9] 8 圖1-7、LCR疲勞破壞裂縫成長示意圖[8] 8 圖1-8(a)、2512晶片電阻上視圖[10] 9 圖1-8 (b)、2512晶片電阻橫剖面圖[10] 9 圖1-9、2512晶片電阻熱循環測試載板[10] 9 圖1-10(a)、錫球破壞模式[11] 10 圖1-10(b)、錫球破壞模式[11] 10 圖1-11、扇入型堆疊式封裝體之錫球橫剖面圖[12] 10 圖1-12(a)、扇入型堆疊式封裝(Fan-in PoP)之錫球破壞模式[12] 11 圖1-12(b)、扇入型堆疊式封裝(Fan-in PoP)之錫球破壞模式[12] 11 圖1-13、無鉛銲錫元件熱循環測試載板[13] 11 圖1-14、塑封球柵陣列封裝之銲錫接點之破壞模式圖[13] 11 圖1-15、塑封球柵陣列封裝之銲錫破壞模式圖[13] 12 圖1-16、黏晶接合之銲錫裂縫破壞方向 12 圖1-17、全應變與壽命方程式對應圖[16] 13 圖1-18、塊狀銲錫[19] 15 圖1-19、接點形狀銲錫[19] 15 圖2-1、半導體能帶（Energy Band Diagram）表示圖 18 圖2-2、p-n接面（p-n junction）之結構示意圖與能帶圖 19 圖2-3、二極體電壓電流特性曲線圖 20 圖2-4、二極體電壓電流溫度特性曲線圖 20 圖2-5、高聚光型太陽能電池之散熱途徑 27 圖2-6、(a) 上表面散熱；(b)下表面散熱；(c)垂直表面散熱 29 圖2-7、水平平板與垂直平板 29 圖2-8、等向硬化法則 40 圖2-9、動態硬化法則 41 圖2-10、二維三層板結構示意圖 45 圖2-11、二維三層板自由體圖 46 圖3-1、研究流程圖 59 圖3-2、泛用型實驗用烘箱 61 圖3-3、以絕熱塊隔絕模組與烘箱接觸圖 62 圖3-4、熱電偶於模組上之位置圖 62 圖3-5、校準量測實驗結果 63 圖3-6、接面溫度量測實驗之電壓輸出波形 64 圖3-7、接面溫度與熱電偶之溫度歷程變化圖 65 圖3-8、HCPV結構材料示意圖 67 圖3-9、HCPV局部結構材料示意圖 67 圖3-10、HCPV二分之一對稱模型圖 68 圖3-11、積分球 69 圖3-12、HCPV暫態熱分析溫度分佈圖（單位：oC） 70 圖3-13、HCPV對稱橫切面溫度分佈圖（單位：oC） 71 圖3-14、接面溫度量測實驗與模擬之溫度變化歷程 72 圖3-15、線性三層板結構示意圖 73 圖3-16、線性三層板有限元素模型 74 圖3-17、線性三層板之變形圖（單位：mm） 75 圖3-18、線性三層板銲錫之von Mises 應力圖（單位：MPa） 75 圖3-19、層間剪應力比較圖 76 圖3-20、三層板結構示意圖 77 圖3-21、三維三層板基準結構幾何尺寸之上視與側視圖 78 圖3-22、三維三層板四分之一基準模型之網格密度 80 圖3-23、三維三層板四分之一基準模型之銲錫網格密度 80 圖3-24、銲錫之元素尺寸示意圖 80 圖3-25、三維三層板四分之一基準模型邊界條件設定 81 圖3-26、基準模型之等效塑性應變分佈圖 81 圖3-27、三次元量測儀 82 圖3-28、高聚光型太陽能電池側剖面及剖面方向圖 83 圖3-29、高聚光型太陽能電池剖面圖及剖面方向圖 83 圖3-30、不同環境溫度對應接面溫度-時間圖 85 圖3-31、不同環境溫度之變化對應接面溫度-時間圖 86 圖3-32、55 oC與線性內插結果比較圖 86 圖3-33、有限元素邊界條件設定 87 圖3-34、溫度循環變化示意圖 88 圖3-35、晶片平均溫度與疊代次數對應圖（85°C） 91 圖3-36、晶片平均溫度與疊代次數對應圖（25°C） 92 圖3-37、25°C時之時間步長比較 93 圖3-38、85°C時之時間步長比較 94 圖4-1、不同厚度之銲錫等效塑性應變梯度分佈圖 98 圖4-2、不同厚度之銲錫最大等效塑性應變圖 98 圖4-3、陶瓷基板第一主軸應力分佈圖 100 圖4-4、陶瓷基板自由體圖 100 圖4-5、HCPV模組銲錫之von Mises應力圖 101 圖4-6、HCPV模組銲錫之等效塑性應變圖 102 圖4-7、HCPV模組等效塑性應變最大處 103 圖4-8、鍺晶片與陶瓷基板間升溫段之銲錫應變圖 104 圖4-9、陶瓷基板與鋁板間之銲錫應變圖 105 圖4-10、鍺晶片與陶瓷基板間之銲錫應變圖 106 圖4-11、裂縫成長長度 108 圖4-12、塑性應變增量對應疲勞循環數[19] 108 圖4-13、最大等效塑性應變增量對應循環數 109 圖4-14、IGBT模組側視示意圖[43] 111 圖4-15、IGBT模組之模型與邊界設定 112 圖4-16、IGBT模組結構尺寸圖 113 圖4-17、銲錫處之元素尺寸 113 圖4-18、IGBT最大等效塑性應變增量對應圖 113 圖4-19、IGBT模組側視示意圖[44] 114 圖4-20、裂縫成長實驗結果[44] 114 圖4-21、IGBT模組之結構模型與邊界設定 115 圖4-22、IGBT結構尺寸示意圖 116 圖4-23、IGBT最大等效塑性應變增量對應圖 116 圖4-24、銲錫von Mises應力分佈圖（單位：MPa） 118 圖4-25、銲錫之溫度分佈圖（單位：°C ） 118 圖4-26、銲錫裂縫成長示意圖 119 圖4-27、基準模型之穩態熱傳分析溫度分佈圖（單位：°C） 121 圖4-28、裂縫長度為7.42 mm之溫度分佈（單位： oC） 122

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