金剛線切割工藝對硅片表觀質(zhì)量影響研究

賈艷飛

(山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046200)

引 言

根據(jù)最新全球市場分析，晶體硅電池由于工藝控制穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢明顯，始終占據(jù)著80%以上的份額[1]。當前，光伏產(chǎn)品并網(wǎng)發(fā)電的趨勢越來越明顯，導(dǎo)致市場競爭日趨激烈，下游對上游的產(chǎn)品品質(zhì)要求愈發(fā)嚴格。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都通過工藝提升及現(xiàn)場控制等策略提高產(chǎn)品品質(zhì)，以滿足市場要求。晶體硅電池的原材料是硅片，現(xiàn)今主要的工藝方法是采用金剛線切割方式。從2016年下半年開始，金剛線硅片切割技術(shù)在硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面推廣，而金剛線硅片的表觀質(zhì)量95%以上都與金剛線切割工藝息息相關(guān)。通過對照硅片表觀質(zhì)量不良，分析改進切割工藝參數(shù)，是當前硅片生產(chǎn)技術(shù)提升的主要方向,預(yù)計到2020年金剛線切片將全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂漿切割工藝，完成革命性的進步[2]。

1 金剛線硅片切割工藝特點及原理

1.1 金剛線切割技術(shù)特點

相對于傳統(tǒng)的砂漿切割，金剛線切割技術(shù)具有切割速度快、硅料損耗低、環(huán)保處理難度低等優(yōu)勢[3]。金剛線切割技術(shù)的推廣使切片環(huán)節(jié)的產(chǎn)能增加到原來的2.5倍，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國目前硅片生產(chǎn)產(chǎn)能達到50 GW。同時，金剛線切割技術(shù)將硅材料的利用率提升了25%，有效降低了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的主材及輔材的消耗。參照單晶硅片的生產(chǎn)成本核算，硅片成本從2016年上半年的6元/片下降到現(xiàn)今3.15元/片，降幅達到50%。

1.2 金剛線切割工藝原理

金鋼線切割是將金剛石采用粘接和電鍍的方式固定在直拉鋼線上進行高速往返切削[4]，根據(jù)金剛石固定方式的差異分為樹脂金鋼線和電鍍金鋼線兩種。其結(jié)構(gòu)對比見圖1。

圖1 電鍍金剛線及樹脂金剛線結(jié)構(gòu)對比

金剛線切割方式是一種固粒式切割，而傳統(tǒng)的砂漿切割則是一種游離式切割方式。其原理對照如圖2所示。

圖2 金剛線切割與砂漿切割原理對照

2 實驗方法

2.1 實驗思路

通過調(diào)整金剛線切割中的工藝參數(shù)線速、張力、切割液流量，對照硅片表觀質(zhì)量不良的比例數(shù)據(jù)，確定金剛線切割參數(shù)變化對硅片表觀質(zhì)量的影響。

2.2 實驗條件

設(shè)備：國產(chǎn)高測金剛線專用切片機GC-630；

材料：電鍍金剛線，Φ65 μm，破斷張力18 N，卷螺距0.6 mm；

切割液，雙組份，添加比例1∶350，m(切割液)：m(消泡劑)=100∶1。

切割負載，單刀裝載長度為650 mm～660 mm，滿載切割。

其他：導(dǎo)輪槽距0.265 mm，單刀工藝用線量為3.5 km，硅片切割理論厚度(200±20)μm。

2.3 實驗方法及過程

通過調(diào)整工藝參數(shù)的線速、入刀進給速度、張力、切割液流量，每種參數(shù)調(diào)整按照5次切割實驗進行，調(diào)整過程中其他兩種參數(shù)維持不變，對每次切割完成后硅片表觀類型崩邊、色差、污片的比例進行統(tǒng)計對照。

實驗一：在張力以及切割液流量維持不變的情況下，將線速按照1 100、1 150、1 200、1 250、1 300 m/min分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進行統(tǒng)計。

實驗二：在線速以及切割液流量維持不變的情況下，將張力按照9.5、10.0、10.5、11.0、12.0 N設(shè)定分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進行統(tǒng)計。

實驗三：在張力以及線速維持不變的情況下，將切割液流量按照170、180、190、200、210 L/min分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進行統(tǒng)計。

2.4 工藝參數(shù)對表觀質(zhì)量影響分析

1) 線速變化的影響分析

通過完成實驗一，并對數(shù)據(jù)進行匯總，見表1。

表1 線速變化下硅片表觀不良的比例統(tǒng)計

對表1中數(shù)據(jù)變化趨勢進行分析，當線速增加的情況，崩邊的比例出現(xiàn)明顯的下降，當線速達到1 200 m/min以上，崩邊比例基本維持在2%左右，趨于穩(wěn)定；色差比例略有下降，幅度較小，達到1 250 m/min以上時基本在1.6%左右；而污片基本與線速調(diào)整關(guān)系不大。

結(jié)合金剛線切割原理進行分析，切割的作用主要通過金剛石顆粒實現(xiàn)，當線速增加時單位時間參與切割的金剛石顆粒比例增大，鋼線切割能力增強，在硅片邊緣部位鋼線行走更為平穩(wěn)，因此崩邊比例下降。同時，切割能力增加也使得在切割后期鋼線切割環(huán)境維持穩(wěn)定，有助于對色差的改善。

2) 張力變化的影響分析

通過完成實驗二，并對數(shù)據(jù)進行匯總，見表2。

表2 張力變化下硅片表觀不良的比例統(tǒng)計

對表2中數(shù)據(jù)變化進行分析，在鋼線張力增加情況下，崩邊和色差比例略微有所下降，但整體幅度都不大。其根本原因在于，張力的增加能夠減小切割中線弓[5]，保證切割進刀及出刀的平穩(wěn)性，但是由于切割過程更多與鋼線的切割能力有關(guān)，因此改善效果不明顯。另外，污片比例變化不大。

3)切割液流量變化的影響分析

通過完成實驗三，并對數(shù)據(jù)進行匯總，見表3。

表3 切割液流量變化下硅片表觀不良的比例統(tǒng)計

對表3中數(shù)據(jù)變化進行分析，當切割液流量增加情況下，崩邊比例基本維持不變；色差比例有所下降，主要原因在于，流量增大后，在一定程度上能夠降低出刀階段硅粉在切割面堆積而影響切割環(huán)境，局部區(qū)域切割液中硅粉含量不會增加；而污片比例則出現(xiàn)明顯的下降，這也主要是因為，切割液增大流速后，對于硅片切割過程中出現(xiàn)的硅粉能夠及時進行分散，硅片表面的殘留物難易附著。

3 結(jié)語

通過對切割工藝中的關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，同時結(jié)合切割數(shù)據(jù)進行分析，能夠明確工藝變化對于硅片表面質(zhì)量的指向性。對于生產(chǎn)過程中硅片的質(zhì)量控制，能夠根據(jù)產(chǎn)品不良的特征針對性對生產(chǎn)工藝參數(shù)進行調(diào)整，在最短時間內(nèi)解決過程中不良品的大范圍出現(xiàn)。