M6硅片金剛線切割工藝優(yōu)化研究

周美辰

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011)

引 言

2005年光伏發(fā)電悄然崛起，開(kāi)始逐漸進(jìn)入人們的視野。經(jīng)過(guò)十年的跌宕起伏，到2016年硅片端金剛線切割和拉晶連續(xù)投料帶來(lái)了一場(chǎng)技術(shù)革命，而PERC技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)讓光伏產(chǎn)品看到可以和傳統(tǒng)能源一較高下的曙光。目前，光伏降本的主要方向是提升有效產(chǎn)出，硅片環(huán)節(jié)采取的方式就是增加硅片的尺寸。而硅片尺寸的增加對(duì)金剛線切割硅片工藝提出的要求更高，切割線速、張力等參數(shù)對(duì)硅片質(zhì)量影響非常明顯。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)當(dāng)前行業(yè)主流產(chǎn)品M6硅片的主要切割參數(shù)進(jìn)行分析，探討其變化對(duì)硅片質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

電鍍金剛線，Φ50 μm，楊凌美暢新材料股份有限公司；切割液，JH-2526，常州君合科技股份有限公司；線切機(jī)，GC-700，青島高測(cè)科技股份有限公司；硅片分選機(jī)，TF-3000，無(wú)錫南亞科技有限公司；表面粗糙度測(cè)試儀，SJ-210，日本三豐；

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)選用高測(cè)GC-700金剛線切片機(jī)，切割機(jī)理為單晶硅棒通過(guò)粘接固定在工作臺(tái)，通過(guò)機(jī)臺(tái)程序設(shè)定垂直下行，金剛線由兩根主輥帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速往復(fù)運(yùn)行。通過(guò)金剛線附著的金剛石的磨削作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅棒的切割。在整個(gè)切割過(guò)程中，通過(guò)循環(huán)泵由噴嘴噴注切割液溶液，起到冷卻、攜帶硅粉等作用[2]。單晶硅片切割生產(chǎn)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 單晶硅片切割生產(chǎn)示意圖[1]

M6硅片由于尺寸規(guī)格與M2存在明顯差別，尤其是目前鋼線母線逐漸變細(xì)的情況下，工藝的變化對(duì)硅片品質(zhì)的影響非常明顯。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整金剛線線速(平均線速)、張力以及切割進(jìn)給速度(平均速度)分別驗(yàn)證參數(shù)變化對(duì)M6硅片質(zhì)量的影響變化，實(shí)驗(yàn)中用以表征硅片質(zhì)量的指標(biāo)選擇崩邊和線痕，這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)下游電池環(huán)節(jié)的制程影響也十分顯著。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為有效層別各參數(shù)變化對(duì)品質(zhì)指標(biāo)的影響，因此實(shí)驗(yàn)的整體思路為變化一項(xiàng)參數(shù)，固定其他兩項(xiàng)。參數(shù)設(shè)定的基準(zhǔn)依據(jù)目前量產(chǎn)工藝確定，線速1 550 m/min，張力9 N，切割進(jìn)給速度1 850 μm/min。

3.1 實(shí)驗(yàn)1

固定張力等三項(xiàng)參數(shù)，將線速分別調(diào)整至1 350、1 480、1 550、1 600、1 650 m/min，分別切割一刀，每刀硅片數(shù)約為2 600片，通過(guò)分選機(jī)對(duì)每刀的崩邊以及線痕進(jìn)行分選，統(tǒng)計(jì)比例。

3.2 實(shí)驗(yàn)2

固定線速等三項(xiàng)參數(shù)，將張力分別調(diào)整至8.5、8.7、9.0、9.2、9.5 N/min，分別切割一刀，每刀硅片數(shù)約為2 600片，通過(guò)分選機(jī)對(duì)每刀的崩邊以及線痕進(jìn)行分選，統(tǒng)計(jì)比例。

3.3 實(shí)驗(yàn)3

固定進(jìn)刀速度等三項(xiàng)參數(shù)，將切割進(jìn)給速度分別調(diào)整至1 500、1 650、1 850、1 900、1 950 μm/min，分別切割一刀，每刀硅片數(shù)約為2 600片，通過(guò)分選機(jī)對(duì)每刀的崩邊以及線痕進(jìn)行分選，統(tǒng)計(jì)比例。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及影響分析

4.1 線速調(diào)整對(duì)硅片質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)1的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，具體如表1、圖2。

表1 實(shí)驗(yàn)1相關(guān)數(shù)據(jù)

圖2 切割線速對(duì)硅片質(zhì)量的影響變化

從崩邊以及線痕的比例變化可以看出，當(dāng)切割線速出現(xiàn)變化時(shí)，在1 350 m/min～1 550 m/min區(qū)間段，崩邊比例有顯著上升，而線痕比例略有下降，當(dāng)超過(guò)1 550 m/min時(shí)增加線速對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)影響相對(duì)較小。主要原因是切割線速的增加在一定程度體現(xiàn)出單位時(shí)間內(nèi)參與切割的SiC顆粒比例相應(yīng)增加，鋼線的切割能力增強(qiáng)。而硅棒屬于脆性材料，表面并不光滑平坦，過(guò)程為不連續(xù)切割過(guò)程。[3]當(dāng)線速與硅棒固有頻率相接近時(shí)，硅片表面粗糙度下降，線痕比例減少。當(dāng)增加到一定程度時(shí)這兩方面的作用不再明顯，因此崩邊和線痕比例呈平穩(wěn)狀態(tài)。

4.2 張力調(diào)整對(duì)硅片質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)2的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，具體如表2和圖3。

從圖3比例變化可以看出，當(dāng)張力出現(xiàn)變化時(shí)，崩邊基本隨著張力的增加而逐漸降低，而線痕則隨張力的變化呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。主要原因在于張力的增加，能夠顯著減小切割線弓，從而保證在鋼線進(jìn)刀位置同步性增強(qiáng)，另外，張力增加鋼線切割過(guò)程中抖動(dòng)的幅度進(jìn)一步降低，因此崩邊比例出現(xiàn)下降。張力的變化對(duì)切割能力基本沒(méi)有影響，因此硅片的線痕基本沒(méi)有變化。另外，從硅片外觀觀察，張力變大時(shí)在硅片表面呈現(xiàn)的紋路弧度較小。圖4為單晶硅片不同張力下線痕對(duì)比圖。

表2 實(shí)驗(yàn)2相關(guān)數(shù)據(jù)

圖3 張力對(duì)硅片質(zhì)量的影響

圖4 單晶硅片不同張力下線痕對(duì)比示意圖

4.3 切割進(jìn)給速度調(diào)整對(duì)硅片質(zhì)量的影響

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)3的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，具體如表3和圖5。

表3 實(shí)驗(yàn)3相關(guān)數(shù)據(jù)

圖5 切割進(jìn)給速度對(duì)硅片質(zhì)量的影響

從圖5比例變化可以看出，當(dāng)切割進(jìn)給速度出現(xiàn)變化時(shí)，崩邊和線痕比例均隨著速度的增大而呈上升趨勢(shì)，主要原因在于切割進(jìn)給速度的增大，導(dǎo)致鋼線的切割壓力增大，在切割能力不變的情況下，硅片邊緣兩側(cè)由于受到鋼線高速運(yùn)行的撞擊導(dǎo)致出現(xiàn)硅晶粒脫落，進(jìn)而崩邊比例出現(xiàn)上升。另外，硅棒下行速度增加導(dǎo)致鋼線線弓增大，局部的切割能力相對(duì)變小，導(dǎo)致硅片表面粗糙度上升。除了線痕比例外，對(duì)各進(jìn)給速度下的線痕片進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)線痕深度也有明顯增加，1 500 μm/min時(shí)線痕片的線痕深度約為12 μm，而1 900 μm/min時(shí)線痕深度達(dá)到17 μm～19 μm，存在降為C級(jí)片的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析了切片各工藝參數(shù)變化對(duì)硅片質(zhì)量的影響，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1) 為了保證硅片質(zhì)量，需要根據(jù)切割情況摸索適合最優(yōu)的工藝參數(shù)，增大或者減小均對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響；

2) 線速和張力在達(dá)到一定數(shù)值后對(duì)硅片質(zhì)量影響較小，工藝設(shè)定的范圍相對(duì)較寬，但是在實(shí)際生產(chǎn)中不能一直增加，否則有斷線和機(jī)臺(tái)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；

3) 切割進(jìn)給速度對(duì)硅片質(zhì)量的影響呈一定的持續(xù)性，因此在產(chǎn)能和硅片質(zhì)量?jī)煞矫嫘枰骖?，找出最佳?shù)值。