多线切割机的切割工艺及发展 (自动保存的)

多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 1Xinyu College毕业设计（论文）（ 2011 届）题 目 多晶硅切割工艺 学 号 0810022026 姓 名 刘文杰 所 属 系 太阳能科学与工程系 专 业 光伏材料加工与应用技术 班 级 08 光伏应用（2）班 指导教师 江民华 新余高等专科学校教务处制多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 2摘要介绍了多线切割机的工作原理，指出控制张力是切割工艺的重要指标。讨论了多线切割机在工作中的主要影响因素。钢线外皮 Cu 会造成 Si 片表面的金属残留，钢线的磨损会影响 Si 了钢线带动砂浆切割是切割工艺的核心，给出了 Si切割理论片的计算方法。指出了未来线片的厚度，砂浆的质量是以及在切割过程中产生的消磨热都是影响切割机的重要指标。分析切割机的发展方向。关键词：多线切割 砂浆 钢线张力 消磨热Many lines of cutting machine and development processesSummaryIntroduced how the machine works, which is cut out the control of an important marker. Discussed how the machine is in the work of the major factors influencing. Steel wire cu cause si of the skin surface of the metal of the steel wire worn on the si of the thickness, 砂浆 quality is, in the process in the heat is on the target machine. Analyze the cut steel wire cutting processes 砂浆 is the core of the si cutting theory of the way. the machine direction of the development of the line.Key word:multi-wjre eaw Shajiang Steel wire tension Kill hot多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 3目 录绪论(4)第一章 HCT 多线切割机的构成及特点 (4)1.1 设备介绍 (4)1.2 设备构成 (5)1.3 设备特点(5)第二章切割液浓度对切割的影响 (5)2.1 钢线上的 Cu 对片的影响 （8）2.2 工艺中其他的影响良品率因素和解决方法（8）2.3 切割工艺过程分析（9）第三章多线切割机的改进 （10）第四章多线切割机的发展（10）第五章工艺总结(12)参考文献(12)致谢(13)多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 4绪论第一台实用的光伏切片机台诞生于 1980 年代，它源于 Charles Hauser 博士前沿性的研究和工作。Charles Hauser 博士是瑞士 HCT 切片系统的创办人，也就是现在的应用材料公司精确硅片处理系统事业部(PWS)的前身。这些机台使用切割线配以研磨浆来完成切割动作。今天，主流的用于硅锭和硅片切割的机台的基本结构仍然源于 Charles Hauser 博士最初的机台，不过在处理载荷和切割速度上已经有了显着的提高。多线机切割晶片的弯曲度（bow）小，翘曲度（Warp）小，平行度（Tarp）好。总厚度公差小（TTV）小，片间切割损耗少，加工晶片表面损伤层浅，粗糙度小，切片加工出片率高，生产效率高，投资回报率高因此，应用多线切割机是发展规模化生产和提高生产效率的必然选择，使用多线切割机加工各类晶片是必然趋势，特别适用于太阳能光伏电池超薄机基片的批量加工。第一章 HCT 多线切割机的构成及特点1.1 设备介绍瑞士 HCT 公司成立于 1984 年，正是多线切割机酝酿期，公司主攻多线切割机，10 年磨一剑，10 世纪 90 年代中期推出 E400SD、E500SD、DNC900/G 多种大型多线切割机迅速占领晶片切割市场。E500ED-8 及 E400E-12 为 300 mm 设备。公司推出的多线切方机可同时切方晶锭 525 根，适用于太阳能光伏电池准方片的晶锭刨方加工。1.2 设备构成多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 5HCT-B5 多线切割机由切割室、一个放线室、工作台、浆料缸、配电室、气压仓6 部分组成是主要有 4 个橡胶导轮和线网构成，线网是绕在导轮上，处在基台下方。导轮长度为 1m40cm，切割时，切割室的 4 个导轮带动线网高速旋转收放线室由放线轮、收线轮和滑轮组成。浆料缸在切割机的侧面，了在机器底部形成一个回流槽.然后由机器上方的气压仓将底部的浆料抽到上方的喷嘴处，流下的浆料又回流进回流槽，再回到浆料缸。浆料缸中有过滤网，可过滤出切割杂质。1.3 设备特点太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。HCT 具以下特点 （1）hct-b5 线切割设备集成了化学、物理、机械、电气等方面技术。（2）拥有高精度 4 轴排线导轮驱动装置技术。增大了切割能力。（3）切割进给伺服系统。配合线丝张力自动控制系统的作用，保证在不断丝条件下实现切割的高效性。（4）使用浆料回收系统，浆料可直接从浆料缸取出回收利用。节省了大部分的浆料成本。（5）片厚平均厚度误差小，适合大规模制造。第二章 切割液浓度对切割的影响由于在整个切割过程中，碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的，所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。1. 切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系统思维不同，因而对砂浆的浓度也不同，即要求切割液的浓度也有不同。例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于 55，而 NTC 要求 22-25，安永则低至多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 618。只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。2. 由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标，就会导致液的流动性差，不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度控制。3. 切割机对硅片切割能力的强弱，与砂浆的粘度有着不可分割的关系。而砂浆的粘度又取决于硅片切割液的粘度、硅片切割液与碳化硅微粉的适配性、硅片切割液与碳化硅微粉的配比比例、砂浆密度等。只有达到机器要求标准的砂浆粘度（如 NTC 机器要求 250 左右）才能在切割过程中，提高切割效率，提高成品率。4. 砂浆的流量在钢线在高速运动中，要完成对硅料的切割，必须由砂浆泵将砂浆从储料箱中打到喷砂咀，再由喷砂咀喷到钢线上。砂浆的流量是否均匀、流量能否达到切割的要求，都对切割能力和切割效率起着很关键的作用。如果流量跟不上，就会出现切割能力严重下降，导致线痕片、断线、甚至是机器报警2.2 钢线对切割工艺的影响硅片的切割其实是钢线带着碳化硅微粉在切，所以微粉的粒型及粒度是硅片表片的光洁程度和切割能力的关键。粒型规则，切出来的硅片表明就会光洁度很好；粒度分布均匀，就会提高硅片的切割能力。由于 HCT-B5 是属于双线走向型，所以在钢线速度上必须根据客户需求对线速要求也不同。双向走线时，钢线速度开始由零点沿一个方向用 2-3 秒的时间加速到规定速度，运行一段时间后，再沿原方向慢慢降低到零点，在零点停顿0.2 秒后再慢慢地反向加速到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中，线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高，但不能低于或超过砂浆的切割能力。如果低于砂浆的切割多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 7能力，就会出现线痕片甚至断线；反之，如果超出砂浆的切割能力，就可能导致砂浆流量跟不上，从而出现厚薄片甚至线痕片等。目前，HCT 级型可保持平均 13m/s 的线速。钢线的张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一。张力控制不好是产生线痕片、崩边、甚至断线的重要原因钢线切割线图，1 为放线轮、2 为进线口、3 为导轮、4 是基台（装有硅块） 、5是出现口、6 是收线轮1 开始布线时，线网中会留有新线和旧线打的线结；这时要开 13N 的小张多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 8力进行走线。注意在线结要进线网时我们要把线结上多余的线减去留 1CM 左右，转 23 圈，并用手跟着线速带入导轮的线槽中，慢慢的跑线当线结完全进入线网时找到线结把多余的线结留下的线压余前面线网中的一根线下，（防止断线）在线结前方贴胶布跑线，这时可以开大张力跑线，等线结离出线口还有200300m 时把出线口开小张力跑线，线速不要开的太快，在 78M 之间。2. 切割时的张力大小也会影响硅片的良品率。钢线的张力过小，将会导致钢线弯曲度增大，带砂能力下降，切割能力降低。从而出现线痕片等。钢线张力过大，悬浮在钢线上的碳化硅微粉就会难以进入锯缝，切割效率降低，出现线痕片等，并且断线的几率很大2.1 钢线上的 Cu 对 Si 片的影响钢线由于是铁线外面包一层 Cu 而组成，所以在切割过程中会将重金属杂质引入 Si 片表面的（ppbppm 级）由于离子键合作用很难被除去形成复合中心从而有影响太阳能电池的光电转换效率。2.2 工艺中其他的影响良品率因素和解决方法1、导轮的工作情况一定要注意。导轮上一旦出现杂质，就会在线网中引起跳线，断线。所以在布线前一定要用气枪吹干净导轮表面。若布线完成后没开砂浆时检查发现有跳线时，检查是否有杂质或导轮是否有损坏，进一步排除问题。若砂浆后的热机过程中发现跳线，检查回流缸中的过滤网是否损坏或没有及时清洗。2、滑轮切割前一定得检查好，做好切完两次就换滑轮。若检查时发现有切透的滑轮时及时更换，滑轮处的轴承是否松动；滑轮的凹槽是否有杂质或沙子。一旦发现立即更换。3、切割室的过滤网、上下层的浆料喷嘴、回流缸中的过滤网都需要在切割完成后及时的清洗。清除那些掉下来的碎硅片，除去过滤的杂质。清洗后一定要吹干。因为水会和浆料反应，使浆料会变硬，变成一些硬的小颗粒。影响切割质量。甚至引起断线事故。4、切割前一定要对硅块表面和托板进行检查，去除硅块表面的粘胶和污垢（硅块上有多余粘胶的地方最好用刀片刮去），保证无杂质后检查托板中凹槽内是否堵塞。一切正常后方可上硅块。多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 95、切割中冷却水不足或气压不足引起报警时，除了开启补水装置或加压装置外，对于切割中的浆料供给也要先打开。保证钢线上的浆料密度。6、停机事故排除后，不要立即去开启切割。先让切割线低速走几秒，再开始切割。2.3 切割工艺过程分析多线切割机的控制方式是工业控制计算机加运动控制卡或大型的 plc，整个过程以张力为核心控制放线电机，收线电机，主轴电机。以切割线张力控制电机放线收线倒向移动电机，启动和停止运转工作台驱动电机调节。从张力传感器取样，测试，计算，比较后输出指令控制各路电机运转。设定切割模式，检测切割条件，调节各电机运转情况及砂浆流量和温度。理论分析切割过程主要涉及槽距和理论片数两个方面，计算公式为D=dn+ds+T+f多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 10式中：D 为槽距；dn 为钢线直径；ds 为金刚砂直径；T 为 SI 片厚度 f 为游移量。用单位质量的单晶的有效长度除以槽距就得到了理论切片数量为N=L/D式中：N 为理论切片数；L 为单晶有效长度。切割工艺的各种参数对 Si 片的规格和质量都有不同程度影响。第三章 多线切割机的改进多线切割机所采用的技术可以概括为以下几方向： （1）高精度三轴或四轴排线导轮驱动装置技术。 （2）线丝张紧力自动控制系统技术。线丝张紧力保持一定张力，是保证切割表面质量的主要因素。 （3）切割进给伺服系统。配合线丝张力自动控制系统的作用，保证在不断丝条件下实现切割的高效性。 （4）排线导轮的制造、翻新及耐用度技术。 （5）磨料的混合供给及分离技术。旨在提高磨料的适用寿命，降低生产成本。 （6）自动排线功能。以节约人工手动布线的时间，减小布线错误，降低劳动强度，提高切割效率。 以上技术的采用，力求使线切割机以合理的结构设计，较高的运动及位置精度，有效的控制及监控功能，较大的适应性，来实现较高的切割效率和效益。第四章 多线切割机的发展多线切割机经过多年的发展已经成熟，但任何事物都不会一劳永逸，今后的发展方向应该是大型、快速、高精度、高效益。多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 11(1) 大型是指体积适度加大，质量适度加大。以便一次加工更多材料，增加质量以提高机器稳定度，使晶片加工过程稳定性更好。(2) 切割线行走速度的提高，有利于加快切割速度提高工作效率。带入砂浆速度的加快可以使砂浆配比改变，使其流动性、滲透性、研磨性更好，从而减少碳化硅、碳化硼、金刚石粉的消耗量，降低生产成本，同时砂浆稀释流动加快使冷却效果更好，使砂浆对热交换器的依赖程度减低。(3) 机器精度提高使切割线无效磨擦减少，切割线径减小会使加工材料损耗减少，切割晶片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差变好，加工晶片表面损伤层浅,粗糙度小，出片率高。(4) 主轴绕线轮一般采用树脂材料，其耐磨性、散热性较差，商家给出单件最长寿命800 h 线槽磨损深度超过1 mm，必须送专业厂家磨平重新开槽，工艺复杂费用高，近来用陶瓷材料制作的绕线轮表现出较高的散热性和抗磨损特性，有望最终取代树脂绕线轮。(5) 镀金刚砂的切割线使用，可使用水冷却，减少了庞大的热交换系统，又可减少磨料的使用，可谓一举多得。(6) 切削液对多线切割机是非常重要的一环，尤其对大直径、超薄片的切割。首先切削液本身具有不污染环境和被加工材料，对后道工序不构成影响，低黏度、高带沙量、低杂质含量、易于清洗。切削液有专一化的倾向。(7) 砂浆回收装置系统的应用可使昂贵的金刚石粉、碳化硅粉和碳化硼粉得到充分利用，从而降低生产成本，减少废弃物保护环境。多线切割机的切割工艺及发展2010 年 12 月 7 日 12(8) 人们一直在试验其它硬脆材料的更高效更简捷更高精度的切割方法如高压水刀，激光水刀。激光水刀划片机的成功应用似乎已经为激光水刀切割机开创了一条新的途径第五章 工艺总结多线切割技术工艺不断向前发展，为保证良品率不断提高，成本下降。光伏领域，线锯技术的进步缩小了硅片厚度并降低了切割过