金剛線切割工藝對硅片表觀質量影響研究

賈艷飛

(山西機電職業技術學院，山西 長治 046200)

引 言

根據最新全球市場分析，晶體硅電池由于工藝控制穩定，轉換效率優勢明顯，始終占據著80%以上的份額[1]。當前，光伏產品并網發電的趨勢越來越明顯，導致市場競爭日趨激烈，下游對上游的產品品質要求愈發嚴格。產業鏈各環節都通過工藝提升及現場控制等策略提高產品品質，以滿足市場要求。晶體硅電池的原材料是硅片，現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在硅片生產環節全面推廣，而金剛線硅片的表觀質量95%以上都與金剛線切割工藝息息相關。通過對照硅片表觀質量不良，分析改進切割工藝參數，是當前硅片生產技術提升的主要方向,預計到2020年金剛線切片將全面代替傳統的砂漿切割工藝，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 金剛線切割技術特點

相對于傳統的砂漿切割，金剛線切割技術具有切割速度快、硅料損耗低、環保處理難度低等優勢[3]。金剛線切割技術的推廣使切片環節的產能增加到原來的2.5倍，據不完全統計，全國目前硅片生產產能達到50 GW。同時，金剛線切割技術將硅材料的利用率提升了25%，有效降低了生產環節的主材及輔材的消耗。參照單晶硅片的生產成本核算，硅片成本從2016年上半年的6元/片下降到現今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。其結構對比見圖1。

圖1 電鍍金剛線及樹脂金剛線結構對比

金剛線切割方式是一種固粒式切割，而傳統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

通過調整金剛線切割中的工藝參數線速、張力、切割液流量，對照硅片表觀質量不良的比例數據，確定金剛線切割參數變化對硅片表觀質量的影響。

2.2 實驗條件

設備：國產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

通過調整工藝參數的線速、入刀進給速度、張力、切割液流量，每種參數調整按照5次切割實驗進行，調整過程中其他兩種參數維持不變，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設定分別完成一刀切割。對單刀硅片表觀不良情況進行統計。

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計。

2.4 工藝參數對表觀質量影響分析

1) 線速變化的影響分析

通過完成實驗一，并對數據進行匯總，見表1。

表1 線速變化下硅片表觀不良的比例統計

對表1中數據變化趨勢進行分析，當線速增加的情況，崩邊的比例出現明顯的下降，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整關系不大。

結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，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，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境維持穩定，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，并對數據進行匯總，見表2。

表2 張力變化下硅片表觀不良的比例統計

對表2中數據變化進行分析，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性，但是由于切割過程更多與鋼線的切割能力有關，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，并對數據進行匯總，見表3。

表3 切割液流量變化下硅片表觀不良的比例統計

對表3中數據變化進行分析，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境，局部區域切割液中硅粉含量不會增加；而污片比例則出現明顯的下降，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 結語

通過對切割工藝中的關鍵參數進行調整，同時結合切割數據進行分析，能夠明確工藝變化對于硅片表面質量的指向性。對于生產過程中硅片的質量控制，能夠根據產品不良的特征針對性對生產工藝參數進行調整，在最短時間內解決過程中不良品的大范圍出現。