电池线碎片分析

电池片碎片分析报告随着光伏市场逐渐回暖，公司的发展又迎来了新一轮的机遇，碎片率作为太阳能电池生产的一项重要指标对生产成本起着举足轻重的作用，因此控制好碎片率实际上也是在为公司追求更多的利润。晶体断裂：碎片其实就是晶体断裂，晶体的断裂是指晶体在应力作用下应变大于其临界断裂应变时发生的结构上的解离。从微观角度讲，即是在应力的作用下，晶体内部的原子偏离了平衡位置且超出了原子间结合力的范围，晶格发生了断裂。硅材料为典型的金刚石型晶体结构，各原子间通过共价键结合，是典型的脆性材料，易发生脆断。在单晶硅的生长过程中可能会由于尺寸大，原料纯度不高，生长工艺条件不合理等原因，而具有较大的内应力，甚至局部已突破断裂应变产生了微型隐裂。晶体的内应力越大，就越容易在较小的冲击力作用下发生解理断裂。下面就我司碎片情况做具体分析，下图是5月份我司采购的不同厂商的硅片制作电池片所产生的碎片统计图：图1 一线不同片源碎片情况统计(5.2-5.31) （来源：生产日报表，下同）从图1可以看出单晶硅片中芯能的碎片率较其他厂商的碎片率有明显偏高，做了五批芯能的片子，平均碎片率为0.94%，而昱辉、晟纳吉、金太阳、双鸽各只做了一批，明显比芯能的碎片率低。图2 二线不同片源碎片情况统计(5.2-5.31) 从图2可以看出多晶片中金太阳做的很多，一共七批，平均碎片率为1.54%，而雷迪做了四批，平均碎片率为1.4%，山晟仅做了一批不具代表性暂不考虑。通过一、二线不同片源的碎片率对比可以发现，片源对电池片生产过程中产生的碎片有很大的影响，其影响主要体现在硅片厚度、尺寸、崩边、线痕、隐裂等方面。硅片厚度的影响不言而喻，比较薄的片子在人为操作，设备运行过程中所能承受的机械力会更小，发生碎片的几率更大；而厚薄不均的片子，会在等离子体刻蚀和印刷工序产生更多的碎片，在刻蚀前夹紧片子的时候由于片子厚薄不均，在拧紧夹具时可能由于某一边比另一边薄而拧得更紧造成碎片，而在印刷工序，厚薄不均的片子很容易造成印刷碎片，或者是由于厚薄不均导致烧结翘曲度比较大而产生更多的碎片。硅片尺寸不一致也是导致碎片增加的一个重要原因。主要体现在印刷工序，由于单晶印刷设备ASYS传送的特殊构造，所以传送带两边会加上矫正硅片位置的校正器，但是硅片尺寸不一致会导致硅片与校正器的碰撞导致碎片的增加。崩边、线痕和隐裂片本身就是存在缺陷的硅片，在任何一道工序经过轻微的机械力作用都可能产生碎片。 图3 一线各工序碎片统计(5.2-5.31)从图3可以看出一线碎片主要是PECVD、印刷和分选测试产生的。图4 二线各工序碎片统计(5.2-5.31)从图4可以看出二线的碎片主要是一洗、PECVD、印刷和分选测试产生的。下面就各个工序产生的碎片做一一分析：一次清洗（一线）现状：下图是5月份一线一洗的碎片统计，可以看出清洗碎片占据近50%，而其他碎片都只占据很小的一部分。图5 一线一洗碎片统计一线一洗产生碎片的主要原因是：a)人为操作手法不对造成的碎片，比如插片碎片、甩干后取篮时撞到片子等。b）设备故障造成的问题，比如砸篮。c）来料本身存在质量问题，比如隐裂、线痕、崩边、硅晶脱落等。d) 制绒时间过长，绒面过大，使硅片太薄也会增加碎片的几率。改善措施：（1）来料方面的原因，我们应该及时找品控确认，以便对来料厂商进行投诉。（2）在生产过程忠，人员要不断的对机器巡视，发现异常及时处理。班与班交接一定要把问题及时告知下个班。以便下个班在生产中对问题跟踪巡视。组长在生产前首先应检查机器有无异常，确认后方可生产。（3）人为碎片主要表现在上料手法不对，插片造成碎片。在涉及到人为操作时手法一定要轻。（4）要控制好减薄量，确保绒面不要太大。一次清洗（二线）现状：5月份二线一洗的碎片数据统计如下图，可以看出下料碎片和机械故障导致的碎片占据绝大部分碎片。图6 二线一洗碎片统计产生这些碎片的主要原因有a）员工操作手法不对，导致上下料碎片。b）设备故障导致碎片，比如卡片、叠片等。c）来料质量本身就有问题，比如线痕、崩边、隐裂等。d) 制绒时间过长，绒面过大，使硅片太薄也会增加碎片的几率。改善措施：（1）来料方面的原因，我们应该及时找品控确认，以便对来料厂商进行投诉。（2）在生产过程忠，人员要不断的对机器巡视，发现异常及时处理。班与班交接一定要把问题及时告知下个班。以便下个班在生产中对问题跟踪巡视。组长在生产前首先应检查机器有无异常，确认后方可生产。（3）人为碎片主要表现在上料手法不对，在生产过程忠尽量做到硅片与滚轮的无声接触。接触声音大了，造成的隐裂的几率变大。（4）要控制好减薄量，确保绒面不要太大。扩散（一线、二线）现状：从5月份的统计数据来看，对于一线，扩散工序是产生的碎片最少的工序，占所有工序总碎片的7.7%；对于二线，扩散工序产生的碎片也比较少，占所有工序总碎片的9.8%。5月份扩散碎片分类统计如下图：图7 一线扩散碎片统计(5.2-5.31) 图8 二线扩散碎片统计(5.2-5.31) 这些碎片又大体可以分成三大类：（1）、扩散前碎片，包括扩散前测少子寿命碎片和插片碎片。产生测量少子寿命碎片的原因有：a）来料有微型隐裂，在突然性的真空吸力的作用下隐裂扩大并导致碎片；b）放片和取片时，硅片易磕碰到测试仪导致崩边、缺角；c）测试完成后，系统会在2秒钟后才解除真空吸力，在此之前去取片极易产生碎片。产生插片碎片的原因有：a）来料有隐裂，真空吸笔吸持受力后产生碎片；b）插片入石英舟时，硅片与石英舟磕碰而产生崩边、缺角；c）插入石英舟时，因角度不正而受力形变导致碎片。（2）扩散碎片。在扩散过程中产生的碎片一般与硅片的质量和热应力有关。硅片在进炉管过程中急剧升温，由于边缘比中心部分温度升得快，在硅片径向产生很大温度梯度，并由此产生很大的热应力。如果硅片本身存在微型隐裂或内应力较大（如位错密度过高），那么在这个过程中极易导致晶格断裂，出现碎片。硅片在出炉过程中急剧冷却，也容易受到和强的热应力冲击而产生碎片。（3）扩散后碎片，包括卸片碎片、测量碎片和后工序退回碎片。产生卸片碎片的原因有：a）扩散过程中热应力导致的隐裂；b）卸片时角度不正使硅片受力形变导致碎片；c）卸片时力度过大导致碎片，特别是薄片在这种情况下极易发生碎片。测量碎片的原因参考扩散前测少子寿命的原因。后工序退回的碎片一般以崩边片、缺角片居多。产生的原因主要是来料缺角和插片手法不当造成。以上三类碎片中，以扩散后碎片的比例最高，占该工序碎片的3/4强。改善措施：根据以上对碎片状况和原因的分析，我们认为应从以下几点加于改善：（1） 测量硅片时手法要轻柔，避免与测试设备发生碰撞。待设备对硅片解除约束后方可取出硅片。（2） 插片和卸片时动作要轻柔，角度要正，在生产不紧的情况下应降低作业速度。插片时，避免硅片与石英舟发生磕碰，硅片入舟时无碰撞声，并要注意检查来料崩边、缺角。（3） 进舟前要检查舟在桨上是否放平稳，尽量不要修改进出舟的速度。出舟时，应等舟停止移动后再下舟。二洗（一线、二线）现状：二洗是产生碎片较少的工序，5月份数据显示，一、二线二洗碎片占所有工序总碎片的比例为8.6%、6.9%。5月份二洗碎片分类统计如下图：图9 一线二洗碎片统计(5.2-5.31)图10 二线二洗碎片统计(5.2-5.31)图9、图10表明，插片碎片在该工序的碎片占最大比重，分别达55%（一线）和53%（二线）。各类碎片的产生原因分析如下：（1）造成插片碎片的主要原因有：a）片子偏薄（主要是制绒过度的返工片），手持片时用力过大导致碎片；b）硅片插入片盒时，因角度不正而受力产生碎片；c）硅片插入片盒过程中与片盒发生磕碰导致崩边、缺角。（2）刻蚀碎片主要原因有：a）垫板不平整，导致硅片受力不均匀引起碎裂；b）硅片偏薄，受力过度时发生碎裂。c）另外，硅片过薄时刻蚀容易发生崩边现象，我们认为在硅棒（或硅锭）的切割过程中会在硅片的边缘留下损伤，这些损伤边缘在等离子体的冲击下容易发展成崩边。（3）清洗和甩干碎片应该主要是插片时留下的隐裂片，当然机械臂砸篮、甩干时操作不当也会产生大量碎片。改善措施：（1） 控制返工片的减薄厚度，操作薄片时一定要仔细，轻拿轻放。（2） 装夹硅片前要检查刻蚀垫板是否平整，如果有问题应及时更换。（3） 硅片插入片盒时，手用力要得当，角度要正，避免与片盒发生碰撞。（4） 时刻关注机械臂的运行情况，避免机械砸篮。（5） 操作甩干机时，操作要规范。（6） 在生产不紧的情况下，应尽量放慢操作速度。PECVD（一线）现状：PECVD是一线各工序中产生碎片较多的工序，从5月份的数据来看，该工序碎片占所有工序总碎片的比例为24.5%，仅次于分选。5月份该工序碎片分类统计如下图：图11 一线PECVD碎片统计(5.2-5.31)从上图可以看出，上料和下料碎片占该工序总碎片的绝大部分，比例都分别达到35%以上。我们认为，造成上、下料碎片的主要原因有：a）硅片在前面的工艺处理过程中产生隐裂，在真空吸笔吸持受力后碎裂；b）真空吸笔操作过程中，片子未吸持稳定而掉落在石墨框上碎裂，或是片子未放置到石墨框指定位置却松开吸笔，导致片子掉落石墨框而冲击受力导致碎裂；c）下片过程中，用真空吸笔吸持硅片时，硅片与石墨框发生碰撞，引起硅片碎裂。另外，设备碎片也占有相当一部分比重，设备碎片的主要原因为石墨框在腔室内发生卡板或跳板，造成硅片与石墨框或腔室盖板发生强烈冲撞，导致大量碎片。5月份发生卡板的次数相对较多，故而造成设备碎片较多。改善措施：针对当前的碎片情况，我们认为可以从以下几点加以改善：（1）控制返工片的减薄厚度，对于薄片尽量不返工，操作薄片时一定要仔细，轻拿轻放。（2）吸持硅片时要稳，待片子放置到指定位置后再松开吸笔，确保片子与石墨框接触时无声。（3）下片时，硅片应垂直吸离石墨框，避免硅片与石墨框发生碰撞。（4）关注导轨条的磨损情况，发现导轨条磨损严重应及时更换。（5）在生产允许的情况下，尽量放慢上下片速度。PECVD（二线）现状：从5月份的数据结果来看，二线PECVD是整条生产线产生碎片最多的工序，占生产线碎片总数的31%。5月份该工序的碎片分类统计如下：图12 二线PECVD碎片统计(5.2-5.31)该工序的各类碎片中，设备碎片占的比例最高达46%。导致设备的主要原因有：a）插片时，硅片未与舟壁贴合，未被三个定位柱固定住，硅片在工艺气流的冲击下从石墨舟上振动掉落而碎裂；b）硅片本身有隐裂或有较大的内应力，在热应力和高频电场的冲击下产生碎裂。上料碎片和下料碎片的原因除了来料隐裂外，主要是操作不当，硅片与定位柱或石墨舟体发生碰撞造成崩边、缺角。而且后工序退回的碎片也都是这类缺角碎片。改善措施：（1）在能达到预期产量目标时，尽可能的降低上下片的速度。（2）装片时，把硅片放在石墨舟内，要避免与定位柱相撞，并防止硅片夹在舟槽内。（3）插满一舟硅片时，检查硅片是否与舟壁贴合，是否被三个定位柱夹住。（4）检查完毕后，将石墨舟连同小车的托盘扶正过程中，速度一定要慢，避免硅片和定位柱相撞造成片子裂纹。 （5）卸片时，把硅片从石墨舟上方的一个定位柱移开后，方可取出。（6）把硅片放入卸片盒时一定要轻，最大程度的减小硅片与卸片盒撞击得声音。丝网印刷（一线）：现状：从5月份的统计数据来看，丝网印刷的碎片是整条线中比较多的一道工序。5月份该工序的碎片分类统计图如下：图13 一线丝印碎片统计(5.2-5.31)该工序中翻转和印刷碎片占据总碎片的绝大部分，其实翻转碎片记录并不真实，只是碎片在翻转附近产生的。翻转碎片产生的主要原因有：a）由于ASYS设备的烘干炉与印刷机导轨传送的脱节，二号烘干炉出来的片子在翻转前产生叠片，后面出来的片子不断与停在缓冲前的片子碰撞导致碎片的产生。b）翻转出来的片子很容易传歪，传歪后容易与导轨边上的校准器发生碰撞导致隐裂或碎片。印刷碎片产生的主要原因有：a）片子偏薄或是隐裂，印刷时受力容易导致碎片。b）印刷参数不合适导致碎片的增加，如印刷压力过大等。 c）台面或是网版上面粘有异物导致印刷时碎片。改善措施：（1） 后道的印刷机停机后要通知前面的印刷机也相应的停下来，不然后面发生叠片的几率就会大大增加。（2） 在上料时发现某些批次的片子整体偏薄时可是适当调整印刷机的参数，如减小压力等。（3） 注意及时清理台面和网版。（4） 注意检查隐裂，避免不必要的连续碎片。丝网印刷（二线）：现状：从5月份统计来看，二线印刷翻转碎片一直独秀，其他碎片分布比较平均，5月份该工序的碎片统计图如下：图14 二线丝印碎片统计(5.2-5.31)该工序中翻转碎片很多，产生翻转碎片的主要原因先分析如下：a）翻转吸嘴破损，造成吸力不均，翻转过程中可能出现掉片导致碎片。b)翻转速度不合适。速度太快，翻转后片子与导轨接触过于激烈，会产生“啪啪”声；速度太慢，翻转容易掉片导致碎片。c）片薄或是隐裂，在翻转过程中薄片和隐裂片很容易翻碎。其他碎片产生的主要原因有：a）上料吸双片或是多片，在导轨上传送产生碎片。b)来料有隐裂，在传送导轨上被校准夹具夹碎。c)台面或是网版上有异物导致印刷碎片。d）印刷参数设置不合理。如压力模式下印刷压力过大或是位置模式下刮刀下压距离太大等。改善措施：（1） 发现翻转吸嘴破损要及时更换。（2） 将翻转速度调整到合适值，既不能有“啪啪”声，也不能出现掉片现象。（3） 发现某些批次片子整体偏薄，适当更改印刷参数，如减小压力等。（4） 一号机操作员一定要随时注意前面吸片情况，出现吸双片或是多片一定要停机取出。（5） 及时清理台面和网版。（6） 注意检查隐裂，避免不必要的连续碎片。测试分选（一线）：现状：从5月份统计来看，测试分选的主要碎片是流入碎片、隐裂、重测和缺角碎片。此工序碎片统计图如下：图15 一线分选测试碎片统计(5.2-5.31)从上图可看出流入、隐裂、重测和缺角碎片占据了测试分选的绝大部分碎片，造成这些碎片的原因现分析如下：a）印刷隐裂没有及时发现流到分选产生流入碎片。b)片薄、铝浆印得太厚或是烧结温度过高造成电池片出现翘曲，在传送过程中易与翻转、导轨和导轨上的校准器发生碰撞产生碎片。c）后面取片时设备停止，但是前面看机的操作员没有发现导致烧结炉流出的片子发生叠片产生碎片。d）错误档中出现的重测碎片比较多，一种可能是片子传歪了，被吸起分选到相应档位的时候与盒子边缘碰撞导致碎片，还有一种可能就是这些片子本身就是隐裂的所以导致并联很低被分到错误档。e）缺角碎片可能是探针下压深度太大造成隐裂后被分选到各个档位，然后在取出后外观分级时发现，还有一种可能就是片子传歪了在吸起分选到相应档位时与盒子边上碰撞导致隐裂，取出后外观分级时发现