機械技術論文(2)
機械技術論文
機械技術論文篇二
特種機械加工技術
摘要：太陽能級多線切割技術是一種特殊的機械加工技術，它是在傳統的機械加工的基礎上建立起來的。隨著太陽能市場的啟動和發展，作為晶體硅太陽能電池制造過程的主要環節，越來越受到人們的重視。本文介紹了硅片切割的發展史，并從硅片切割的設備、工藝、生產流程和新技術等方面進行了較詳細的闡述。
關鍵詞：多線切割技術;硅片生產流程;硅片切割工藝;硅片切割新技術
中圖分類號： TU74 文獻標識碼： A
太陽能級硅片切割的歷史
在上世紀80年代以前，人們在切割超硬材料的時候一般采用涂有金剛石粉的內圓切割機進行切割。然而隨著半導體行業的飛速發展，人們對已有的生產效率難以滿足，同時由于內圓切割的才來損失非常大，在半導體行業成本的摩爾定律的作用下，人們對于降低切割陳本，提高效率的要求歐越來越高。多線切割技術因此而逐步發展起來。多線切割機由于其更高效、更小的切割損失以及更高精度的優勢，對于切割貴重、超硬材料有著巨大的優勢，近十年來已取代傳統的內圓切割成為硅片切割加工的主要方式。
在2003年以前，多線切割主要滿足于半導體行業的需求，切割技術主要掌握在歐、美、日、臺等國家和地區，國內半導體業務以封裝業務為主，上游的晶圓切割技術遠遠落后于發達國家和地區，相關的設備制造研發也難有進展。
2003年隨著太陽能光伏行業的爆發式增長，國內民營企業的硅片切割業務迅速發展起來。大量引進了瑞士和日本的先進的數控多線切割設備。這才使切割太陽能級硅片的多線切割機的數量開始在國內爆發式增長，相關的技術交流也開始在國內廣泛興起。
當前國內使用的硅片切割機的種類及特點
目前國內各個硅片切割廠家基本使用國際3大多線切割機的設備。也就是，瑞士的HCT、M+B、日本的NTC，另外近兩年日本的TMC(東京制綱)線鋸也開始打入國內市場，并取得了不錯的銷量。
太陽能級硅片制造的工藝流程
太陽能級硅片制造目前分為兩種：一是多晶硅片的制造流程，一是單晶硅片的制造流程。由于硅片的外觀有區別，所以兩種硅片的制造過程會有不同，下面以圖表的形式作以說明。
多晶硅片的制造加工流程
單晶硅片的制造加工流程
由以上的流程圖可以看出，兩種硅片的制造加工環節的區別主要在晶棒粘接前，這是由單晶棒和多晶硅錠的制造方式決定的。
多線切割機(線鋸)的切割原理和工藝
多線切割機切割原理
多絲切割技術是近年來崛起的一項新型硅片切割技術，它通過金屬絲帶動碳化硅研磨料進行研磨加工來切割硅片。下圖可以說簡單說明其切割原理。
切割工藝簡介
切割工藝主要涉及到以下幾個參數：切割鋼線的線速度，切割臺速，砂漿流量和溫度。下面分別作以說明。
4.2.1鋼線的線速度
鋼線的高速運動是砂漿的載體，碳化硅就是通過粘連在鋼線周圍的懸浮液對硅塊進行切割的。切割過程中線速過低，線網承受的壓力會很大，導致線弓變大，很容易出現斷線;線速過快，雖然線網壓力減小，但是帶砂漿能力會減弱，砂漿來不及被帶入硅塊內，同樣會導致切割產生鋸痕等不良品。所以線速度要適中，既要保證一定的線弓，又要能夠最大限度的將砂漿帶入被切割的硅塊中。
4.2.2切割臺速
切割的工作臺速度是很重要的參數，它不但影響著整個的加工時間，也在很大程度上決定了硅片的薄厚程度。臺速設置過慢加工時間變長，這樣浪費生產時間，這樣也會使生產成本增加;臺速設置過快，與砂漿的切割能力不匹配，會導致硅片在入刀、中間和出刀產生薄厚差距過大的情況，嚴重的會產生不合格硅片。
4.2.3砂漿的流量和溫度
砂漿的流量一般在入刀、中間和出刀過程中有所區別。入刀時流量偏低，因為此時臺速一般較慢，不需要很強的切割能力;中間階段流量最大，需要保證砂漿的切割能力;出刀時可以降低流量也可以不降，由于切割后期碳化硅顆粒已經在很大程度上磨損，導致切割能力下降，所以可以不降流量的完成切割。
砂漿的溫度最好在整個切割過程中保持不變，而且設置砂漿溫度要根據懸浮液的粘度來定。由于懸浮液是一種醇類液體，有一定的粘度，符合粘溫曲線的規律，所以粘度低一些的砂漿需要將切割時的溫度設置低一些，保證其粘連性和冷卻效果，反之，將溫度設高即可。
以上只是切割過程中需要工藝人員合理設定的主要參數，真正能不能切割出良率較高的硅片，還跟原材料的品質，操作人員的操作水平等有較大關系，所以多線切割是一個多種因素交織在一起的生產模式，在實際的生產控制中需要把基礎工作做牢，才能發揮工藝參數設置的合理作用。
硅片切割的最新技術及發展方向
多線切割設備和技術到目前為止也有30多年的發展時間了，這項技術也較產生初期有了相當大的發展。就當前太陽能硅片切割領域來看，出現了不少新設備、新技術、新材料，這些有的已經應用到實際生產中，有的屬于研發和小規模應用階段。下面可以舉幾個例子。
砂漿在線回收系統
國內太陽能級切片廠家剛起步的時候，基本采用人工配料，操作環境比較惡劣，工人勞動強度很大，砂漿制備過程中經常由于人為原因導致碳化硅添加不均勻，漿料攪拌不充分，從而對線鋸切割產生較大影響。針對此種情況，近幾年一些廠家開始設計并應用了砂漿回收和在線供給系統。砂漿的回收和供給通過管道來實現，加料攪拌通過機器設備來替代人工，并且系統中配有熱交換子系統，可以保證客戶需要的砂漿溫度，從而更好的控制砂漿的粘度值。整個系統可以實現全自動化控制和運行。此種系統雖然投資較大，工程施工較復雜，但系統運行后節省了大量人力，并極大程度的保證了砂漿的供應質量。目前比較專業的廠家有德國賽錫公司、日本IHI公司和美國CRS系統。
金剛線切割技術
傳統的多線切割技術是靠高速運動的鋼線帶動由懸浮液和碳化硅微粉混合配置的砂漿來進行切割的。參與切割的碳化硅在鋼線上處于游離狀態，砂漿在鋼線圓周方向上包裹著，對硅塊起到研磨的作用。這種傳統的方式，砂漿需要較長時間的制備并且必須始終處于攪拌狀態，其用量會隨著切割硅塊面積的增大而增大，切割的臺速也不會太快。
目前有一種新的金剛現切割技術，其特點是將參與切割的砂粒鍍到鋼線上，切割時靠噴嘴中噴出的水進行冷卻，完全不用再配置砂漿。這種方式可以完全拋棄砂漿，切割速度可以加快。但是鋼線價格很高，鋼線鍍砂的均勻性技術也有待提高。雖然目前HCT和M+B等線鋸廠家已經推出相應的金剛線設備進行開方甚至切片，但是在實際應用中還不甚理想，要想完全替代砂漿方式的線切割機還需要進一步研發和應用，并進行切割成本的降低工作。
結論
太陽能級硅片切割技術是特定領域的一種特殊的機械加工方式，它不同于傳統的機械加工，但又是在其基礎之上發展衍生而來的。這種技術有其本身的獨特性，但同時也遵循著傳統機械加工的規律。對于切片工藝的一些說明很多都是在生產實踐中總結出來的， 只要符合多線切割的基本規律，就可以利用這些經驗發現并解決實際生產中遇到的問題。當然，理論在不斷地發展，經驗也是需要不斷地獲取，只有針對各自工廠的實際情況并結合以往的理論和經驗才能真正解決實際問題。
參考文獻：
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