一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法與流程
2024-03-23 13:00:05
本發明涉及多線切割太陽能級矽片的方法，特別是一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法。
背景技術：
太陽能是一種可再生的清潔能源，其應用領域越來越廣泛，光伏發電就是最重要的領域之一，根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉化為電能。矽片是太陽能電池的重要組成部分，目前矽片的製備工藝幾乎都是採用一種多線切割的方法將晶體矽棒切割成所需厚度的矽片。多線切割主要分為兩種：(1)游離磨粒切割，即用細絲鋼線帶動粒徑為8-20um的sic漿液，實現對晶體矽的磨削切割，又稱砂線切割；(2)固結磨粒切割，即先給細鋼線上電鍍一層直徑8-16um或6-12um的金剛石微粒，然後用電鍍好的細線切割晶體棒，又稱金剛線切割。隨著技術的改進，市場需求越來越大，砂線切割效率低，且切割過程中使用的油性切割液對環境造成嚴重的汙染，因此砂線切割已經逐漸被淘汰。金剛線切割由於切割效率高，成本低，環保壓力小而迅速受到市場青睞。然而，採用現有的金剛線及切割工藝，每切割一個工件，所需要的時間為3-4小時甚至更高，這無論是從企業盈利方向，還是從市場需求來看，效率還是不能滿足要求。
中國專利文獻cn104476686b公開了一種使用超高密度金剛石線切割太陽能級矽片的方法，其包括如下步驟：(1)粘棒固定；(2)安裝超高密度金剛石線；(3)線切；(4)清洗檢測。該專利採用超高密度金剛石線切割太陽能級矽片，提高矽片質量和設備產能，然而該專利切割一個工件需要3小時左右，生產效率低，難以滿足目前市場快速需求的狀態。
中國專利文獻cn106217665a公開了一種超細鋼線切割超薄矽片方法，其包括如下步驟：(1)主軸開槽；(2)粘棒；(3)配置冷卻液；(4)切割；(5)下料；(6)脫膠、清洗；(7)檢測。該專利採用60um母線金剛線在日本安永tv600最新切片機型上切割，線速1600m/min，主切割速度1.1-1.3mm/min，推算切割時間為2.5小時左右。同時需要指出的是，該機型的各項參數比目前行業主流機型高很多(例如線速度1200m/min低於該機型的1600m/min)，如果按該專利方法在普通機型上應用則切割時間可能會達到3.5小時左右。
目前市場上的電鍍金剛線在保證產品品質不受影響的情況下，很難在2小時以內完成對8.4inch、650mm長晶體矽棒的順利切割，更進一步說要想在1小時內順利切割時非常困難的。本申請人在申請號201710386263.4中提供了一種將切割速度提高至現有技術的2～3倍，並採用改進的逐漸遞進或先反向後正向的切割方法進行切割，並調整切割過程中冷卻液在開始切割時調節到最小或者關掉，切割一定深度後再調節到合適流量，縮短切割時間，保證了切割品質。然而，該專利切割時間僅縮短到1.5～2h，還未能實現在1h內完成切割。
上述問題的主要原因是電鍍金剛線高效切割必須要提高切割速度，從而帶來線弓的增加。1)在切割時間＜2h時，帶來線弓明顯增加，到設備最大行程時(切割結束時)線弓依然較大，進而導致切不透，最終需要通過增加更多新線量供給、更多切割時間才能完成剩餘切割；2)在切割時間≤1h時，帶來線弓快速增加，同時帶來設備負載迅速增加，從而大幅度增加了斷線率與設備隱患，根本無法順利切割。為避免上述第1種情況線弓大帶來的不利，通常的做法就是採用低切割速度或者增加更多的新線供給量，帶來結果為：切割時間不減反增，擴大了切割過程中發生斷線的時間範圍，帶來矽片表觀質量下降，成本增加，生產率下降。針對第2種情況，目前未了解到行業內能夠實現1h內切割的相關信息，即行業內目前還沒有1h內的切割方法。
本發明對金剛線多線切割的切割機理、線弓形成、鍍層特徵、金剛線疲勞損傷的新穎觀點設計快速切割方法，所述快速切割方法是將開始切割、結束切割的切割速度提高為現在的2-3倍，目的是快速形成線弓，以便能夠發揮金剛線切割力；所述切割方法主要是對金剛線單位時間內的供給分配，採用先正後反的方式切割，增加切割工藝總需求線量，同時多用舊線切割，目的是減少了單位長度金剛線的有效加工時間，從而降低金剛線疲勞損傷；同時要求金剛石顆粒鍍層厚度具有薄、易破損特徵，便於切割時快速露出金剛石切割刃。採用本發明切割方法能夠大幅提高產能，改善品質，降低成本，能夠在1h內完成對8.4inch、650mm長矽棒的加工。
技術實現要素：
針對現有技術中電鍍金剛線切割矽片效率低的問題，本發明提供一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法。採用本發明切割方法能夠在1h以內完成對8.4inch、650mm晶體矽棒的順利切割。
術語解釋：
ttv：totalthicknessvariation縮寫，單張矽片上各個測試點厚度的最大厚度值與最小厚度值的差值。
破斷張力：金剛線在靜態拉力試驗機上，被拉斷時的力。
切割張力：金剛線以螺旋方式纏繞在切割主輥上，切割時給張力控制器設定一定的力，且切割張力＜破斷張力。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法，包括如下步驟：(1)粘棒，(2)上料，(3)配製切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脫膠、清洗，(7)檢測、包裝；
所述步驟(1)粘棒：將燕尾與樹脂板、樹脂板與矽棒用粘膠粘接；
所述步驟(2)上料：將步驟(1)中粘接成的整體通過燕尾裝到上下料工裝上，送入切片機；
所述步驟(3)配製切割液：將切割液、消泡劑、水按照質量比為1∶1∶200～1∶0.5∶350混合均勻後，倒入切割液缸中；
所述步驟(4)切割：所述切割由切割機架帶動矽棒向電鍍金剛線網移動，同時主輥帶動電鍍金剛線網作往復運動實現切割，切割過程中，電鍍金剛線的線速度為1300-1500m/min，工件切割速度為1-4.5mm/min，所述電鍍金剛線上金剛石顆粒鍍層厚度為3-5um，切割過程中，電鍍金剛線採用先正向進給後反向進給的方式，每個工件開始加工時，先向收線輪進給3-5km電鍍金剛線。
進一步，所述電鍍金剛線上金剛石鍍層厚度為2-4um，更優選為2-2.5um。
進一步，所述工件切割速度分為三部分：進刀切割速度為1.5-3.5mm/min，主切割速度為3-4.5mm/min，出刀切割速度為1.0-1.5mm/min。
進一步，所述工件切割速度分為三部分：進刀切割速度為1.5mm/min；主切割速度為3mm/min；出刀切割速度為1.5mm/min。
進一步，所述先正向進給後反向進給的方式為電鍍金剛線以往復切割方式從主輥的頭端向著末端先行走，當電鍍金剛線切入工件位置100～140mm後，電鍍金剛線又以往復切割方式從主輥的末端向著頭端行走，所述每個往復過程電鍍金剛線在主輥的槽裡都是螺旋行進，所述正向進給所需電鍍金剛線總量(切割一定深度所需要的總線量)≥反向進給所需電鍍金剛線總量(切割剩餘深度所需要的總線量)，更優選為正向進給所需電鍍金剛線總量＝反向進給所需電鍍金剛線總量。
進一步，正向進給切割時，新線供給量90-120m/min，每個循環中新線供給600-700m，舊線返回500-600m。
進一步，反向進給切割時，舊線供給量130-200m/min，每個循環中新線供給500-700m，舊線返回700-850m。
進一步，正向進給切割與反向進給切割交接的切深位置按照程序切割位置劃分，位置選為切割深度100-140mm，優選為切割深度120-140mm，所述程序切割位置是指總的切割深度，為161-168mm。
進一步，所述步驟(4)切割過程中，切割設備中採用直徑為70-80um的電鍍金剛線作為切割線，電鍍金剛線的破斷張力為16-23n，所述電鍍金剛線上金剛石顆粒密度300-450顆/mm，金剛石顆粒直徑為5-16um，金剛石顆粒出刃高度為4-7um，切割過程中，電鍍金剛線的切割張力為11-14n，切割液溫度為18-20℃。
進一步，所述電鍍金剛線上金剛石顆粒直徑為8-16um，進一步為6-12um，更進一步為6-8um。
進一步，所述步驟(6)中脫膠是將切割後的矽片浸泡在熱水或草酸或乳酸溶液中進行脫膠。
本發明與申請號為201710386263.4中的觀點一致，認為多線切割硬脆材料，對於切割工具—金剛線來說，如果要形成切入深度，那麼線弓的存在正是金剛線發揮切割能力的必須條件，換句話說對於金剛線切割過程中，當沒有線弓存在時，也就沒有切割能力，也就不存在去除材料的過程。所以本發明同樣認為要想切割的快，需要讓金剛線從切割一開始(進刀)形成較大的線弓，以及切割即將結束具有較大線弓(出刀)，即進刀速度與出刀速度至少是現在的2倍。
同時，本發明認為引起線弓增加的原因除了通常認為的金剛線上金剛石脫落與磨損帶來的切割力下降外，還應該考慮到金剛線切割屬於柔性刀具，連續工作時間越長，帶來的疲勞損傷也越大，尤其適用更細的金剛線，如線徑≤70um時，本身的設定切割張力就會比粗線小，如果加上長時間的工作疲勞，將進一步增加切割中的線弓，表現出的結果就是看似切割過的舊線上金剛石很多，但就是切不動。為此，基於這種理論，金剛線切割工件也需要縮短切割時間。
本發明除提高進刀速度和出刀速度的改進外，還有以下兩方面的改進，一方面本發明所選用金剛線要求金剛石鍍層厚度具有薄、易破損特徵，所述鍍層薄的條件是金剛石能夠被牢固的鍍在母線基體上；所屬易破損指的是金剛石表面包裹的鎳層具有「龜裂」形貌，在切割受力瞬間容易因應力集中而將包裹的鎳層磨損掉，便於迅速發揮出金剛石的切割力。另一方面本發明所述切割方法是通過大幅增加工藝用線量，同時多用舊線切割，目的是減少了單位長度金剛線的有效加工時間，從而整體降低金剛線磨損量。所述工藝用線量指每個循環中，新線供給量與舊線返回量均很大，差值也大；所述每個工件的整個切割過程中，正向進給的總的新線需求量與返回總的舊線量均很大，但差值很小。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
(1)本發明的切割方法依據金屬疲勞損傷原理，通過大幅增加切割過程中工藝用線量，讓更多的舊線參與切割，能夠降低單個工件的新線需求量，也能夠減少單位長度金剛線切割矽材料的量，從而降低單位長度金剛線疲勞度。
(2)本發明所選用金剛線的金剛石鍍層厚度具有薄、易破損特徵，金剛石表面包裹的鎳層具有「龜裂」形貌，在切割受力瞬間因應力集中而容易將包裹的鎳層磨損掉，便於迅速發揮出金剛石的切割力。
(3)本發明採用直徑為70-80um的電鍍金剛線作為切割線，在切割過程中，進刀切割速度為1.5mm/min；主切割速度為3mm/min；出刀切割速度為1.5mm/min，能夠實現在1h內順利完成切割。
附圖說明
圖1為本發明矽棒切割示意圖；
圖2為本發明實例1中所用80um電鍍金剛線的電子顯微照片；
圖3為本發明實例2和3中所用70um電鍍金剛線的電子顯微照片；
圖4為本發明實例2切割出來的矽片照片；
圖5為本發明實例3切割出來的矽片照片；
圖中：1-燕尾，2-樹脂板，3-矽棒，4-電鍍金剛線網，5-主輥。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明實施例中所用切割液為常州高特新材料有限公司生產的矽片切割液，所用消泡劑為東莞市德豐消泡劑有限公司生產的消泡劑，也可以選用巴索國際貿易(上海)有限公司生產的切割液，所用環氧樹脂ab膠為市購產品。
一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法，包括如下步驟：(1)粘棒，(2)上料，(3)配製切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脫膠、清洗，(7)檢測、包裝；
將燕尾1與樹脂板2、樹脂板2與矽棒3用環氧樹脂ab膠粘接；將粘接成的整體通過燕尾裝到上下料工裝上，送入切片機；將購買的高特切割液、德豐消泡劑、水按照質量比例1∶0.5∶350混合均勻後，倒入切割液缸中，備用。
圖2為本實施例中所用電鍍金剛線的電子顯微照片，本實施例中採用直徑為80um的電鍍金剛線作為切割線，如圖2所示，所述電鍍金剛線上金剛石顆粒密度為300±20顆/mm，金剛石顆粒直徑為10±1um，金剛石顆粒出刃高度6.5um，金剛石鍍層厚度為3.5um。
在工件開始加工時，先向收線輪進給3.8km電鍍金剛線。切割過程中，電鍍金剛線的切割張力為14n，電鍍金剛線的線速度為1300m/min，進刀切割速度為1.5mm/min；主切割速度為3mm/min；出刀切割速度為1.5mm/min，切割液溫度為20±1℃，如圖1b所示，切割過程中，燕尾1與矽棒3形成的整體在切割機架的帶動下向電鍍金剛線網4移動，同時主輥5帶動電鍍金剛線網4作往復運動實現切割，切割過程中電鍍金剛線網4以往復切割方式從主輥的頭端向著末端先行走，當電鍍金剛線切入工件位置120mm後，電鍍金剛線又以往復切割方式從主輥的末端向著頭端行走，所述每個往復過程電鍍金剛線在主輥的槽裡都是螺旋行進，所述正向進給所需電鍍金剛線總量(切割0-120mm深度所需要的總線量)＞反向進給所需電鍍金剛線總量(切割120-165mm深度所需要的總線量)，具體的是，正向進給切割時，新線供給總量3.8km，正向進給切割中的每個循環中新線供給650m/min，反向進給切割時，新線供給總量3.7km，反向進給切割中的每個循環中反線供給700m/min。
本實施例中，總的切割深度為164mm。
在本實施例中，所述脫膠、清洗：將切割後的矽片浸泡在熱水中脫膠；將矽片經過不同的酸鹼工藝槽進行清洗，清除附著的雜質、金屬離子、矽粉等，保持矽片表面的潔淨，清洗工藝為本領域的現有技術。
在本實施例中，所述切割設備中的主輥圓周表面塗覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，彈性材料上設置有細微的槽子，金剛線就繞在這些槽內。
利用本實施例的切割方法加工尺寸為8.4inch、長650mm的矽棒，加工時間為60min，比現有技術的切割效率有很大的提高。本實施例的切割用線分配表、切割實驗數據如表1和2所示：
表1實施例1切割用線分配表
表2實施例1切割數據表
實施例2
一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法，包括如下步驟：(1)粘棒，(2)上料，(3)配製切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脫膠、清洗，(7)檢測、包裝；
將燕尾1與樹脂板2、樹脂板2與矽棒3用環氧樹脂ab膠粘接；將粘接成的整體通過燕尾裝到上下料工裝上，送入切片機；將購買的高特切割液、德豐消泡劑、水按照質量比例1∶1∶300混合均勻後，倒入切割液缸中，備用。
圖3為本實施例中所用電鍍金剛線的電子顯微照片，本實施例中採用直徑為70um的電鍍金剛線作為切割線，如圖3所示，所述電鍍金剛線上金剛石顆粒密度為430±20顆/mm，金剛石顆粒直徑為8±1um，金剛石顆粒出刃高度5.8um，金剛石鍍層厚度為3.5um。
在工件開始加工時，先向收線輪進給3.5km電鍍金剛線。切割過程中，電鍍金剛線的切割張力為11.5n，電鍍金剛線的線速度為1400m/min，進刀切割速度為1.6mm/min；主切割速度為3mm/min；出刀切割速度為1.2mm/min，切割液溫度為18±1℃，如圖1b所示，切割過程中，燕尾1與矽棒3形成的整體在切割機架的帶動下向電鍍金剛線網4移動，同時主輥5帶動電鍍金剛線網4作往復運動實現切割，切割過程中電鍍金剛線網4以往復切割方式從主輥的頭端向著末端先行走，當電鍍金剛線切入工件位置130mm後，電鍍金剛線又以往復切割方式從主輥的末端向著頭端行走，所述每個往復過程電鍍金剛線在主輥的槽裡都是螺旋行進，所述正向進給所需電鍍金剛線總量(切割0-130mm深度所需要的總線量)等於反向進給所需電鍍金剛線總量(切割130-165mm深度所需要的總線量)，具體的是，正向進給切割時，新線供給總量4km，正向進給切割中的每個循環中新線供給700m/min，反向進給切割時，新線供給總量4km，反向進給切割中的每個循環中反線供給750m/min。
本實施例中，總的切割深度為164mm。
在本實施例中，所述脫膠、清洗：將切割後的矽片浸泡在草酸中脫膠；將矽片經過不同的酸鹼工藝槽進行清洗，清除附著的雜質、金屬離子、矽粉等，保持矽片表面的潔淨，清洗工藝為本領域的現有技術。
在本實施例中，所述切割設備中的主輥圓周表面塗覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，彈性材料上設置有細微的槽子，金剛線就繞在這些槽內。
利用本實施例的切割方法加工尺寸為8.4inch、長650mm的矽棒，加工時間為60min，比現有技術的切割效率有很大的提高，且如圖4所示，為本實施例切割成品的矽片照片，表面平整。本實施例的切割用線分配表、切割實驗數據如表3和4所示：
表3實施例2切割用線分配表
表4實施例2切割實驗數據
實施例3
一種超高效電鍍金剛線快速切割矽片的方法，包括如下步驟：(1)粘棒，(2)上料，(3)配製切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脫膠、清洗，(7)檢測、包裝；
將燕尾1與樹脂板2、樹脂板2與矽棒3用環氧樹脂ab膠粘接；將粘接成的整體通過燕尾裝到上下料工裝上，送入切片機；將購買的高特切割液、德豐消泡劑、水按照質量比例1∶1∶300混合均勻後，倒入切割液缸中，備用。
如圖3所示，為本實施例中所用電鍍金剛線的電子顯微照片，本實施例中採用直徑為70um的電鍍金剛線作為切割線，如圖3所示，所述電鍍金剛線上金剛石顆粒密度為430±20顆/mm，金剛石顆粒直徑為8±1um，金剛石顆粒出刃高度5.8um，金剛石鍍層厚度為3.5um。
在工件開始加工時，先向收線輪進給4.5km電鍍金剛線。切割過程中，電鍍金剛線的切割張力為12n，電鍍金剛線的線速度為1400m/min，進刀切割速度為2mm/min；主切割速度為4.5mm/min；出刀切割速度為1mm/min，切割液溫度為18±1℃，如圖1b所示，切割過程中，燕尾1與矽棒3形成的整體在切割機架的帶動下向電鍍金剛線網4移動，同時主輥5帶動電鍍金剛線網4作往復運動實現切割，切割過程中電鍍金剛線網4以往復切割方式從主輥的頭端向著末端先行走，當電鍍金剛線切入工件位置135mm後，電鍍金剛線又以往復切割方式從主輥的末端向著頭端行走，所述每個往復過程電鍍金剛線在主輥的槽裡都是螺旋行進，所述正向進給所需電鍍金剛線總量(切割0-135mm深度所需要的總線量)＞反向進給所需電鍍金剛線總量(切割135-165mm深度所需要的總線量)，具體的是，正向進給切割時，新線供給總量4.5km，正向進給切割中的每個循環中新線供給750m/min，反向進給切割時，新線供給總量4.4km，反向進給切割中的每個循環中反線供給850m/min。
本實施例中，總的切割深度為165mm。
在本實施例中，所述脫膠、清洗：將切割後的矽片浸泡在乳酸中脫膠；將矽片經過不同的酸鹼工藝槽進行清洗，清除附著的雜質、金屬離子、矽粉等，保持矽片表面的潔淨，清洗工藝為本領域的現有技術。
在本實施例中，所述切割設備中的主輥圓周表面塗覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，彈性材料上設置有細微的槽子，金剛線就繞在這些槽內。
利用本實施例的切割方法加工尺寸為8.4inch、長650mm的矽棒，加工時間為60min，比現有技術的切割效率有很大的提高，且如圖5所示，為本實施例切割成品的矽片照片，表面平整。本實施例的切割用線分配表、切割實驗數據如表5和6所示：
表5實施例3切割用線分配表
表6實施例3切割實驗數據
上述實施例中切割數據可以根據實際需要進行調整，本領域技術人員應當了解，一切基於本發明技術內容所做的修改、變化或者替代技術特徵，皆應包含在本發明的範圍內。