JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف هذا البروتوكول كيفية تثبيت كاميرا الأشعة تحت الحمراء في فرن الحزام الناقل ، وإجراء تصحيح العملاء من كاميرا الأشعة تحت الحمراء معايرة المصنع ، وتقييم توزيع درجة حرارة السطح المكاني لكائن من الفائدة. الكائنات على سبيل المثال هي الخلايا الشمسية السيليكون الصناعية.

Abstract

قياس درجة حرارة سطح الكائنات التي تتم معالجتها في أفران الحزام الناقل هو أداة هامة في مراقبة العملية وضمان الجودة. حاليا، يتم عادة قياس درجة حرارة سطح الأجسام المعالجة في أفران الحزام الناقل عن طريق الحرارية. ومع ذلك، فإن التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (IR) يقدم مزايا متعددة مقارنة بقياسات الثيرموبل الحراري، حيث أنه أسلوب غير ملامس، وفي الوقت الحقيقي، وحل مكاني. هنا ، كمثال تمثيلي لإثبات المفهوم ، يتم تثبيت نظام ثيرمغرافي مضمن بنجاح في فرن الطاقة الشمسية تعمل بالطاقة مصباح الأشعة تحت الحمراء ، والذي يستخدم في عملية إطلاق الاتصال للخلايا الشمسية Si الصناعية. يصف هذا البروتوكول كيفية تثبيت كاميرا الأشعة تحت الحمراء في فرن الحزام الناقل، وإجراء تصحيح عميل لكاميرا الأشعة تحت الحمراء معايرة المصنع، وإجراء تقييم توزيع درجة حرارة السطح المكاني على كائن الهدف.

Introduction

مراقبة العملية وضمان الجودة للأجسام المعالجة في أفران الحزام الناقل1 أمر مهم وإنجازه من خلال قياس درجة حرارة سطح الجسم. حاليا، يتم عادة قياس درجة الحرارة بواسطة1الحرارية . كما تتطلب القياسات الحرارية الاتصال مع الكائن، ثيرموكوبل لا محالة تلف الكائن. ولذلك، فمن الشائع لاختيار عينات تمثيلية من دفعة لقياسات درجة الحرارة، والتي لا يتم معالجتها أكثر من ذلك لأنها تصبح معطوبة. ثم تعمم درجات الحرارة المقاسة لهذه الأجسام التالفة على العينات المتبقية من الدفعة، التي تتم معالجتها بشكل أكبر. وبناء على ذلك، يجب أن توقف الإنتاج لقياسات الحرارية. وعلاوة على ذلك، فإن جهة الاتصال المحلية، تحتاج إلى تعديل بعد كل قياس، ويؤثر على درجة الحرارة المحلية.

الأشعة تحت الحمراء (IR)2 لديها عدد من المزايا على القياسات الحرارية الكلاسيكية ويمثل طريقة قياس درجة الحرارة غير تلامسية، في الموقع، في الوقت الحقيقي، توفير الوقت، وحل مكاني. باستخدام هذه الطريقة، يمكن قياس كل عينة من المجموعة، بما في ذلك تلك التي تتم معالجتها بشكل أكبر، دون مقاطعة الإنتاج. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن قياس توزيع درجة حرارة السطح، مما يوفر نظرة ثاقبة على تجانس درجة الحرارة أثناء العملية. ميزة في الوقت الحقيقي يسمح تصحيح إعدادات درجة الحرارة على ذبابة. حتى الآن، والأسباب المحتملة لعدم استخدام التصوير الحراري IR في أفران الحزام الناقل هي 1) المعلمات البصرية غير معروف من الأجسام الساخنة (وخاصة بالنسبة لغير الفلزات3)و 2) الإشعاع البيئي الطفيلي في الفرن (أي، منعكس الإشعاع الكشف عن كاميرا الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى الإشعاع المنبعث من الجسم)، مما يؤدي إلى إخراج درجة الحرارةكاذبة 2.

هنا، كمثال تمثيلي إثبات مفهوم من الأشعة تحت الحمراء الرمغرافيا في فرن الحزام الناقل، ونحن بنجاح تثبيت نظام حرارية مضمنة في مصباح الأشعة تحت الحمراء فرن اطلاق النار بالطاقة الشمسية (الشكل 1)، والذي يستخدم أثناء عملية اطلاق النار الاتصال من الخلايا الشمسية Si الصناعية(الشكل 2A، B)4،5. عملية اطلاق النار هو خطوة حاسمة في نهاية إنتاج الخلايا الشمسية الصناعية6. خلال هذه الخطوة، يتم تشكيل اتصالات الخلية7،8، ويتم تنشيط التخميل السطحي9. لتحقيق هذا الأخير بنجاح، يجب أن يتحقق بدقة في الوقت درجة الحرارة خلال عملية اطلاق النار(الشكل 2C). ولذلك، يتطلب التحكم في درجة الحرارة بما فيه الكفاية والكفاءة. يصف هذا البروتوكول كيفية تثبيت كاميرا الأشعة تحت الحمراء في فرن الحزام الناقل، وإجراء تصحيح العميل لكاميرا الأشعة تحت الحمراء معايرة المصنع، وتقييم توزيع درجة حرارة السطح المكاني لكائن الهدف.

Protocol

1. تركيب كاميرا الأشعة تحت الحمراء في فرن الحزام الناقل

  1. تقرر أي جزء من الفرن ينبغي أن تقاس بواسطة الكاميرا الأشعة تحت الحمراء.
    ملاحظة: هنا، يتم اختيار منطقة الذروة لعملية إطلاق النار (انظر المنطقة البرتقالية المميزة في منطقة إطلاق النار من الشكل 1أ).
  2. تحديد مدى درجة الحرارة من الفائدة التي يجب أن الكاميرا IR الكشف عن (على سبيل المثال، 700-900 درجة مئوية، ومدى درجة الحرارة الذروة النموذجية لعملية اطلاق النار).
  3. تحديد، أو على الأقل تقدير (من خلال التجارب أو الأدب)، ودرجة الحرارة، والانبعاثات تعتمد الطيفية والزاوي من الكائن (ق) من الفائدة (على سبيل المثال، الخلية الشمسية السيليكون) لتحديد مدى الطول الموجي (ق) من أعلى الانبعاثات لمدى درجة الحرارة من الفائدة (تحت زاوية كاميرا محددة).
    ملاحظة: هنا، يقدر الانبعاثات استناداً إلى المؤلفات السابقة3 وبرمجية تسمى RadPro10،والتي تحسب الادعة الطيفية والزاويّة والدرجة الحرارة المعتمدة على المواد ذات الأهمية.
  4. البت في نوع كاميرا الأشعة تحت الحمراء
    ملاحظة: هنا، يتم استخدام كاميرا الأشعة تحت الحمراء (MWIR) إنديوم (InSb)(جدول المواد)
    1. اختر كاميرا يمكنها اكتشاف مدى درجة الحرارة التي تثير اهتمامك.
    2. حدد كاميرا يطابق نطاق طول الموجة الكشف عنها نطاق الطول الموجي من أعلى الانبعاثات من الكائن من مصلحة في نطاق درجة الحرارة من الفائدة.
    3. تجنب أكبر قدر من الكشف عن الإشعاع الطفيلي بواسطة الكاميرا قدر الإمكان عن طريق تجنب الأجسام التي تنبعث منها الإشعاع أو تعكسه في مجال الرؤية للكاميرا (مثل مصابيح الأشعة تحت الحمراء في الفرن).
    4. اتخاذ قرار بشأن الدقة المكانية والزمانية اللازمة للكاميرا (على سبيل المثال، 640 بكسل × 512 بكسل و 125 هرتز [الصورة الكاملة] للكاميرا المستخدمة هنا).
  5. تحقيق مسار بصري كاف من كاميرا الأشعة تحت الحمراء إلى كائن (انظر الشكل 1B).
    1. تجنب الأشياء المزعجة في المسار البصري (على سبيل المثال، مصابيح الأشعة تحت الحمراء التي تسبب الضوء المباشر أو المنعك).
    2. ضع الكاميرا خارج غرفة الفرن، إن أمكن.
      ملاحظة: معظم الكاميرات لديها درجات حرارة تشغيل منخفضة (على سبيل المثال، تصل إلى 50 درجة مئوية). تأكد من أن موضع الكاميرا يمكن تغييره، إذا رغبت في ذلك.
    3. إزالة جدار الفرن والعزلة في الموقع حيث يجب أن يكون المسار البصري واستبدال الثقب مع نافذة IR عازلة.
      1. اختيار المواد المناسبة للنافذة التي تلبي المطالب التالية: 1) شفافة قدر الإمكان لمدى الطول الموجي للكشف (λ) من الكاميرا (على سبيل المثال، كوارتز زجاج نافذة ل ~0.2 ميكرومتر < λ < 3 μm, نافذة الياقوت ل ~ 0.4 ميكرومتر < λ < 4.2 μm) و 2) قادرة على عزل غرفة الفرن حراريا.
        ملاحظة: قد تؤثر درجات الحرارة الناتجة من النافذة على انتقال النافذة.
      2. تجنب تلف إطار الأشعة تحت الحمراء. لا تشديد النافذة لتجنب الكسر أثناء توسيع الحرارة.
        ملاحظة: يجب أن يكون مادة الإطار مقدار مساحة كافية لتوسيع عند تسخينها.
  6. تحقق من مجال الرؤية الناتج (FOV) من كاميرا الأشعة تحت الحمراء عن طريق فحص صورة الرسم باستخدام برنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء. تحديد الجسم المستهدف ودرجة حرارته في صورة الرسم الحراري. ضبط FOV، إذا لزم الأمر.

2. تصحيح درجة حرارة العملاء العالمية من صنع معايرة IR الكاميرا

تنبيه: يفترض أن يكون تلفيق كاميرا الأشعة تحت الحمراء يتضمن معايرة إشعاعية.

  1. بقعة التحف البصرية المحلية، مثل انعكاس وخلفية الإشعاع.
  2. إجراء قياسات حرارية كلاسيكية للكائن أثناء تسجيل الرقاقة في نفس الوقت بما في ذلك الكوبل الحراري مع كاميرا الأشعة تحت الحمراء.
    1. تحقق من صحة الحرارية المستخدمة. البحث عن نقاط درجة حرارة مميزة معروفة في ملف درجة حرارة الجسم المجهزة التي يمكن الكشف عنها بوضوح (على سبيل المثال، تعطيل في خط سلس). إذا كان قياس الحرارة هذه النقاط درجة الحرارة بشكل صحيح، هو على الأرجح معايرة الحرارية بشكل صحيح.
    2. مثال باستخدام الخلايا الشمسية السيليكون
      1. وضع الحرارية على الجانب الألومنيوم الخلفي من رقاقة. اتخاذ لمحة درجة الحرارة لعملية اطلاق النار القياسية11.
      2. التحقق من صحة الحرارية من خلال تحديد ما إذا كان هناك خلل في ملف الحرارة من الخطوة 2.2.2.1 حول درجة الحرارة الوتكتيك Si من 577 درجة مئوية في شكل منحنى تملق (كما هو الحال في الشكل 2دال).
        ملاحظة: إذا حدث الاضطراب في درجة الحرارة حول 577 درجة مئوية، بل هو علامة على أن قياس درجة الحرارة بواسطة ثيرموكوبو هـو دقيق. استخدم فقط ثيرموكوبلوليس التحقق من صحة للخطوات التالية.
    3. إجراء قياسات حرارية في نطاق درجة الحرارة من الفائدة في نفس بقعة الكائن (عدة مرات لأسباب إحصائية)، ثم في مختلف البقع العشوائية مكانيا (لأسباب إحصائية) للحصول على ملامح الوقت ودرجة الحرارة.
  3. تحديد درجة حرارة جسم الرسم الحراري غير المصححة المحلية تحت اللواء الحراري من قياسات الزخرف الحراري من الخطوة 2.2.3 أثناء وضع الغشاء الحراري على الجانب العلوي من الكائن.
    1. تحقق من احتمال انخفاض درجة الحرارة المحلية حول ثيرموكوبل الاتصال (بسبب تبديد الحرارة والتظليل). تحمل درجة الحرارة في محيط الحرارية كدرجة حرارة الكائن مباشرة تحت ثيرموكوب، إذا كان انخفاض درجة الحرارة المحلية غير موجود.
    2. تنفيذ الخطوات التالية إذا كان انخفاض درجة الحرارة المحلية موجودة.
      1. تحديد التدرج درجة الحرارة المكانية من انخفاض درجة الحرارة الحالية في الجزء الذي لا يغطيها الحرارية.
        ملاحظة: يوصى بتحديد التدرج في نقاط متعددة حول انخفاض درجة الحرارة (شعاعيًا) وتحديد متوسط التدرج.
      2. تقدير مساهمة القطع الأثرية البصرية الممكنة التي يسببها ثيرموكوبل (مثال بروتوكول لحالة يفترض فيها درجة حرارة متجانسة على طول اتجاه عمق الخلية، كما هو الحال في الخلايا الشمسية Si).
        1. ضع الكوبل الحراري على السطح المقابل للسطح المقاس وكرر قياس الثيرمغرافي الحراري في هذا التكوين (كما هو موضح في الشكل 3أ). بدوره الكائن، بما في ذلك ثيرموكوب، حول بحيث الحرارية ليست في المسار البصري بين الكاميرا وكائن.
          ملاحظة: إذا كان تدرج انخفاض درجة الحرارة المحلية هو نفسه بالنسبة للثيرموبل داخل وخارج المسار البصري (أي، تعلق على السطح المقاس أو المقابل)، فهي علامة على أن الثركوسوب على الأرجح لا يحفز التحف البصرية.
        2. استقراء تدرج انخفاض درجة الحرارة في حالة الغشاء الحراري الذي يتصل بالسطح المقاس (أي داخل المسار البصري) إلى المنطقة التي يغطيها السطح الحراري للحصول على درجة حرارة الجسم تحت الكوبل الحراري.
        3. كرر 2.3.2.2.2 لكل قياس من الخطوة 2.2.3.
  4. بديل لـ 2.3: تحديد درجة حرارة جسم الرمغرافيا غير المصححة المحلية تحت البلورات الحرارية من قياسات اللواء الحراري من الخطوة 2.2.3 أثناء وضع الغشاء الحراري على الجانب السفلي من الكائن. لتحديد درجة حرارة الخلايا الحرارية الشمسية المحلية غير المصححة تحت الكوبل الحراري، استخراج درجة الحرارة المحلية في موقف من ثيرموبل.
    ملاحظة: إن الحفاظ على الثيرموكوب على الجانب الخلفي يمنع الثيرموكوب من منع الرؤية على الكائن بواسطة الكاميرا. لذلك ، من ناحية ، تصحيح درجة الحرارة هو أبسط بكثير. من ناحية أخرى، عادة لا يتم وضع ثيرموكوبليس على الجانب السفلي من الجسم أثناء عملية إطلاق النار، وبالتالي قد يؤدي إلى تعقيدات التشغيلية، وهذا هو السبب في هذا البديل يحتاج إلى أن تنفذ بعناية إضافية.
  5. صحح صورة الرسم الحراري غير المصححة فيما يتعلق بدرجات الحرارة المقسة مع البيانات المتولدة من الخطوتين 2.3 أو 2.4.
    1. رسم درجات الحرارة المقاسة عن طريق الحرارية ضد درجات الحرارة المحددة عن طريق التهجم IR غير المصححة. إجراء منحنى المناسب.
    2. تطبيق احتواء منحنى تم الحصول عليها كـ صيغة تصحيح عمومية موحدة عامة لصورة الرسم البياني غير المصححة.
  6. كرر تصحيح درجة الحرارة لكل نوع كائن جديد أو تكوين، خاصة عندما تختلف المعلمات البصرية.

3. تقييم توزيع درجة حرارة السطح المكاني عن طريق التصوير الحراري IR

ملاحظة: شروط إطلاق المفترض أن تكون متطابقة لهذا المقطع.

  1. إنشاء خريطة توزيع درجة حرارة الذروة ثنائية الأبعاد (انظر الشكل 4ألف)
    1. اكتب برنامجًا نصيًا بلغة برمجة مناسبة لتتبع درجة حرارة الكائن السطحي لكل بقعة سطح جسم على طول الكاميرا بأكملها FOV ، أي بمثابة "ثيرموكوبل افتراضي" يوضع في جميع بقع الكائن في وقت واحد.
      ملاحظة: هنا، هو مكتوب في السيناريو MATLAB.
    2. استخراج القيمة القصوى، أي درجة الحرارة القصوى، لكل بقعة جسم، واستخلاص هذه درجات الحرارة في خريطة توزيع 2D المقابلة.
  2. متوسط توزيع درجة الحرارة في وتعامد اتجاه الإنتاجية الكائن (انظر الشكل 4باء)
    1. في اتجاه الإنتاجية: متوسط توزيع درجة الحرارة 2D في البعد الذي هو عكس اتجاه الإنتاجية. ما تبقى، هو متوسط توزيع درجة الحرارة 1D في اتجاه الإنتاجية.
    2. عمودي على اتجاه الإنتاجية: متوسط توزيع درجة الحرارة 2D في البعد الذي هو في اتجاه الإنتاجية. ما تبقى، هو متوسط توزيع درجة الحرارة 1D عمودي على اتجاه الإنتاجية.
      ملاحظة: من المستحسن أن تترك خارج سنتيمتر الأخير (على الأقل) من الحافة للمتوسط منذ القطع الأثرية البصرية في حافة الكائن قد تزوير متوسط درجة الحرارة الناتجة.

النتائج

كما هو مبين في الشكل 3B−D، المثال الكائن (هنا ، خلية شمسية السيليكون ؛ بالمعنى الدقيق ل الأكثر تخمة ، باعث وخلية خلفية [PERC]12؛ الشكل 2A، B) يمكن الكشف عنها بوضوح بواسطة كاميرا الأشعة تحت الحمراء في تكوينات مختلفة4. تشك...

Discussion

عادة، يتم تصحيح درجة حرارة الرسم الحراري عن طريق قياس وتكييف المعلمات البصرية للكائن، ونافذة مهاجمة والمسار، ودرجة الحرارة البيئية للكائن ونافذة2. وكطريقة بديلة، يرد وصف لتقنية تصحيح درجة الحرارة القائمة على قياسات الكوبل الحراري في هذا البروتوكول. وبالنسبة للأسلوب الأخير?...

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

هذا العمل تدعمه الوزارة الاتحادية الألمانية للشؤون الاقتصادية في إطار مشروع "Feuerdrache" (0324205B). يشكر المؤلفون زملاء العمل الذين ساهموا في هذا العمل وشركاء المشروع (InfraTec، Rehm Thermal Systems، Heraeus Noblelight، Trumpf Photonic Components) على المشاركة في التمويل وتقديم الدعم المتميز.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Datalogger incl. Thermal barrierDatapaq Ltd.
IR thermography camera "Image IR 8300"InfraTec GmbH
IR thermography software "IRBIS Professional 3.1"InfraTec GmbH
Solar cellsFraunhofer ISE
Solar firing furnace "RFS 250 Plus"Rehm Thermal Systems GmbH
Sheath thermocouples type KTMH GmbH
Thermocouple quartzframeHeraeus Noblelight GmbH

References

  1. Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. . Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , (2018).
  2. Breitenstein, O., Warta, M. W. . Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , (2010).
  3. Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures. Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).
  4. Ourinson, D., et al. In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography. Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270 (2019).
  5. Ourinson, D., et al. In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography. AIP Conference Proceedings. 2156, 020013 (2019).
  6. Cooper, I. B., et al. Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells. IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).
  7. Schubert, G., Huster, F., Fath, P. Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).
  8. Rauer, M., et al. Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells. IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).
  9. Pawlik, M., Vilcot, J. -. P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches. Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21 (2015).
  10. Lee, B. J., Zhang, Z. M. RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing. 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , (2005).
  11. . Temperature Measurements Available from: https://meettechniek.info/measuring/temperature.html (2020)
  12. Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. 22.8% efficient silicon solar cell. Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).
  13. Dullweber, T., et al. PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).
  14. Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC. AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

159

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved