特种机械加工技术

摘要：太阳能级多线切割技术是一种特殊的机械加工技术，它是在传统的机械加工的基础上建立起来的。随着太阳能市场的启动和发展，作为晶体硅太阳能电池制造过程的主要环节，越来越受到人们的重视。本文介绍了硅片切割的发展史，并从硅片切割的设备、工艺、生产流程和新技术等方面进行了较详细的阐述。

关键词：多线切割技术；硅片生产流程；硅片切割工艺；硅片切割新技术

中图分类号： TU74 文献标识码： A

太阳能级硅片切割的历史

在上世纪80年代以前，人们在切割超硬材料的时候一般采用涂有金刚石粉的内圆切割机进行切割。然而随着半导体行业的飞速发展，人们对已有的生产效率难以满足，同时由于内圆切割的才来损失非常大，在半导体行业成本的摩尔定律的作用下，人们对于降低切割陈本，提高效率的要求欧越来越高。多线切割技术因此而逐步发展起来。多线切割机由于其更高效、更小的切割损失以及更高精度的优势，对于切割贵重、超硬材料有着巨大的优势，近十年来已取代传统的内圆切割成为硅片切割加工的主要方式。

在2003年以前，多线切割主要满足于半导体行业的需求，切割技术主要掌握在欧、美、日、台等国家和地区，国内半导体业务以封装业务为主，上游的晶圆切割技术远远落后于发达国家和地区，相关的设备制造研发也难有进展。

2003年随着太阳能光伏行业的爆发式增长，国内民营企业的硅片切割业务迅速发展起来。大量引进了瑞士和日本的先进的数控多线切割设备。这才使切割太阳能级硅片的多线切割机的数量开始在国内爆发式增长，相关的技术交流也开始在国内广泛兴起。

当前国内使用的硅片切割机的种类及特点

目前国内各个硅片切割厂家基本使用国际3大多线切割机的设备。也就是，瑞士的HCT、M+B、日本的NTC，另外近两年日本的TMC(东京制纲)线锯也开始打入国内市场，并取得了不错的销量。

太阳能级硅片制造的工艺流程

太阳能级硅片制造目前分为两种：一是多晶硅片的制造流程，一是单晶硅片的制造流程。由于硅片的外观有区别，所以两种硅片的制造过程会有不同，下面以图表的形式作以说明。

多晶硅片的制造加工流程

单晶硅片的制造加工流程

由以上的流程图可以看出，两种硅片的制造加工环节的区别主要在晶棒粘接前，这是由单晶棒和多晶硅锭的制造方式决定的。

多线切割机（线锯）的切割原理和工艺

多线切割机切割原理

多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术，它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片。下图可以说简单说明其切割原理。

切割工艺简介

切割工艺主要涉及到以下几个参数：切割钢线的线速度，切割台速，砂浆流量和温度。下面分别作以说明。

4.2.1钢线的线速度

钢线的高速运动是砂浆的载体，碳化硅就是通过粘连在钢线周围的悬浮液对硅块进行切割的。切割过程中线速过低，线网承受的压力会很大，导致线弓变大，很容易出现断线；线速过快，虽然线网压力减小，但是带砂浆能力会减弱，砂浆来不及被带入硅块内，同样会导致切割产生锯痕等不良品。所以线速度要适中，既要保证一定的线弓，又要能够最大限度的将砂浆带入被切割的硅块中。

4.2.2切割台速

切割的工作台速度是很重要的参数，它不但影响着整个的加工时间，也在很大程度上决定了硅片的薄厚程度。台速设置过慢加工时间变长，这样浪费生产时间，这样也会使生产成本增加；台速设置过快，与砂浆的切割能力不匹配，会导致硅片在入刀、中间和出刀产生薄厚差距过大的情况，严重的会产生不合格硅片。

4.2.3砂浆的流量和温度

砂浆的流量一般在入刀、中间和出刀过程中有所区别。入刀时流量偏低，因为此时台速一般较慢，不需要很强的切割能力；中间阶段流量最大，需要保证砂浆的切割能力；出刀时可以降低流量也可以不降，由于切割后期碳化硅颗粒已经在很大程度上磨损，导致切割能力下降，所以可以不降流量的完成切割。

砂浆的温度最好在整个切割过程中保持不变，而且设置砂浆温度要根据悬浮液的粘度来定。由于悬浮液是一种醇类液体，有一定的粘度，符合粘温曲线的规律，所以粘度低一些的砂浆需要将切割时的温度设置低一些，保证其粘连性和冷却效果，反之，将温度设高即可。

以上只是切割过程中需要工艺人员合理设定的主要参数，真正能不能切割出良率较高的硅片，还跟原材料的品质，操作人员的操作水平等有较大关系，所以多线切割是一个多种因素交织在一起的生产模式，在实际的生产控制中需要把基础工作做牢，才能发挥工艺参数设置的合理作用。

硅片切割的最新技术及发展方向

多线切割设备和技术到目前为止也有30多年的发展时间了，这项技术也较产生初期有了相当大的发展。就当前太阳能硅片切割领域来看，出现了不少新设备、新技术、新材料，这些有的已经应用到实际生产中，有的属于研发和小规模应用阶段。下面可以举几个例子。

砂浆在线回收系统

国内太阳能级切片厂家刚起步的时候，基本采用人工配料，操作环境比较恶劣，工人劳动强度很大，砂浆制备过程中经常由于人为原因导致碳化硅添加不均匀，浆料搅拌不充分，从而对线锯切割产生较大影响。针对此种情况，近几年一些厂家开始设计并应用了砂浆回收和在线供给系统。砂浆的回收和供给通过管道来实现，加料搅拌通过机器设备来替代人工，并且系统中配有热交换子系统，可以保证客户需要的砂浆温度，从而更好的控制砂浆的粘度值。整个系统可以实现全自动化控制和运行。此种系统虽然投资较大，工程施工较复杂，但系统运行后节省了大量人力，并极大程度的保证了砂浆的供应质量。目前比较专业的厂家有德国赛锡公司、日本IHI公司和美国CRS系统。

金刚线切割技术

传统的多线切割技术是靠高速运动的钢线带动由悬浮液和碳化硅微粉混合配置的砂浆来进行切割的。参与切割的碳化硅在钢线上处于游离状态，砂浆在钢线圆周方向上包裹着，对硅块起到研磨的作用。这种传统的方式，砂浆需要较长时间的制备并且必须始终处于搅拌状态，其用量会随着切割硅块面积的增大而增大，切割的台速也不会太快。

目前有一种新的金刚现切割技术，其特点是将参与切割的砂粒镀到钢线上，切割时靠喷嘴中喷出的水进行冷却，完全不用再配置砂浆。这种方式可以完全抛弃砂浆，切割速度可以加快。但是钢线价格很高，钢线镀砂的均匀性技术也有待提高。虽然目前HCT和M+B等线锯厂家已经推出相应的金刚线设备进行开方甚至切片，但是在实际应用中还不甚理想，要想完全替代砂浆方式的线切割机还需要进一步研发和应用，并进行切割成本的降低工作。

结论

太阳能级硅片切割技术是特定领域的一种特殊的机械加工方式，它不同于传统的机械加工，但又是在其基础之上发展衍生而来的。这种技术有其本身的独特性，但同时也遵循着传统机械加工的规律。对于切片工艺的一些说明很多都是在生产实践中总结出来的， 只要符合多线切割的基本规律，就可以利用这些经验发现并解决实际生产中遇到的问题。当然，理论在不断地发展，经验也是需要不断地获取，只有针对各自工厂的实际情况并结合以往的理论和经验才能真正解决实际问题。

参考文献：

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