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线痕和断线分析2


线痕和断线分析 2011-07-27 硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。 该工艺用于处理单晶硅或者 多晶硅的固体硅锭。线锯首先把硅锭切成方块,然后切成很薄的硅片(图 1)。 这些硅片就是制造光伏电池的基板。 硅片是晶体硅光伏电池技术中最昂贵的部分, 所以降低这部分的制造成本对 于提高太阳能对传统能源的竞争力至关重要。本文将对硅片切片工艺、制造业的 挑战和新一代线锯技术

如何降低切片成本做一个概述。 1. 线锯的发展史 第一台实用的光伏切片机台诞生于 1980 年代,它源于 Charles Hauser 博士前沿性的研究和工作。Charles Hauser 博士是瑞士 HCT 切片系统的创办人, 也就是现在的应用材料公司精确硅片处理系统事业部(PWS)的前身。这些机台使 用切割线配以研磨浆来完成切割动作。今天,主流的用于硅锭和硅片切割的机台 的基本结构仍然源于 Charles Hauser 博士最初的机台,不过在处理载荷和切割 速度上已经有了显着的提高。 2. 切割工艺 现代线锯的核心是在研磨浆配合下用于完成切割动作的超细高强度切 割线。最多可达 1000 条切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成一个水平的切割 线“网“。马达驱动导线轮使整个切割线网以每秒 5 到 25 米的速度移动。切割 线的速度、直线运动或来回运动都会在整个切割过程中根据硅锭的形状进行调 整。 在切割线运动过程中, 喷嘴会持续向切割线喷射含有悬浮碳化硅颗粒的研磨 浆。 图 2. 硅块通过切割线组成的切割网 硅块被固定于切割台上,通常一次 4 块。切割台垂直通过运动的切割线 组成的切割网,使硅块被切割成硅片(图 2)。 切割原理看似非常简单,但是 实际操作过程中有很多挑战。 线锯必须精确平衡和控制切割线直径、切割速度和 总的切割面积,从而在硅片不破碎的情况下,取得一致的硅片厚度,并缩短切割 时间。 3. 减少硅料消耗 对于以硅片为基底的光伏电池来说, 晶体硅(c-Si)原料和切割成本在电

池总成本中占据了最大的部分。 光伏电池生产商可以通过在切片过程中节约硅原 料来降低成本。 降低截口损失可以达到这个效果,截口损失主要和切割线直径有 关,是切割过程本身所产生的原料损失。切割线直径已经从原来的 180-160μ m 降低到了目前普遍使用的 140-100μ m 。降低切割线直径还可以在同样的硅块长 度下切割出更多的硅片,提升机台产量。 让硅片变得更薄同样可以减少硅原料消耗。在过去的十多年中,光伏硅片的 厚度从原来的 330μ m 降低到现在普遍的 180-220μ m 范围内。这个趋势还将继 续, 硅片厚度将变成 100μ m. 减少硅片厚度带来的效益是惊人的, 330μ m 到 从 130μ m,光伏电池制造商最多可以降低总体硅原料消耗量多达 60%。 4. 制造业的挑战 在硅片切割工艺中我们需要面对多项挑战,主要聚焦于线锯的生产力, 也就是单位时间内生产的硅片数量。生产力取决于以下几个因素: 1) 切割线直径——更细的切割线意味着更低的截口损失,也就是说同一个 硅块可以生产更多的硅片,然而,切割线更细更容易断裂。 2) 荷载——每次切割的总面积,等于硅片面积 X 每次切割的硅块数量 X 每 个硅块所切割成的硅片数量 。 3) 切割速度——切割台通过切割线组成的切割网的速度,这在很大程度上 取决于切割线运动速度,马达功率和切割线拉力。 4) 易于维护性——线锯在切割之间需要更换切割线和研磨浆,维护的速度 越快,总体的生产力就越高。 生产商必须平衡这些相关的因素使生产力达到最大化。 更高的切割速度和更 大的荷载将会加大切割切割线的拉力,增加切割线断裂的风险。由于同一硅块上 所有硅片是同时被切割的, 只要有一条切割线断裂,所有部分切割的硅片都不得 不丢弃。然而,使用更粗更牢固的切割线也并不可取,这会减少每次切割所生产 的硅片数量,并增加硅原料的消耗量。 硅片厚度也是影响生产力的一个因素, 因为它关系到每个硅块所生产出的硅 片数量。 超薄的硅片给线锯技术提出了额外的挑战, 因为其生产过程要困难得多。 除了硅片的机械脆性以外, 如果线锯工艺没有精密控制,细微的裂纹和弯曲都会 对产品良率产生负面影响。 超薄硅片线锯系统必须可以对工艺线性、切割线速度

和压力、以及切割冷却液进行精密控制。 无论硅片的厚薄,晶体硅光伏电池制造商都对硅片的质量提出了极高的要 求。硅片不能有表面损伤(细微裂纹、线锯印记),形貌缺陷(弯曲、凹凸、厚 薄不均)要最小化,对额外后端处理如抛光等的要求也要降到最低。 5. 新一代线锯产品 为了满足市场对于更低成本和更高生产力的要求, 新一代线锯必须提升切割 速度, 使用更长的硅块从而提高切割荷载。更细的切割线和更薄的硅片都提升了 生产力,同时,先进的工艺控制可以管理切割线拉力以此保持切割线的牢固性。 使用不止一组切割线是在保持速度的前提下提高机台产量的一个创新方法。 应用材料公司最新的 MaxEdge 系统(图 3)采用了独特的两组独立控制的切割组 件(图 4)。 MaxEdge 是业界第一个专门设计使用细切割线的线锯系统 ,最低可达 到 80μ m。相对于业界领先的应用材料公司 HCT B5 线锯系统,这些改进减少了 硅料损失使产量提高多达 50%。 更高生产力的线锯系统在同样的硅片产量下可以减少机台数量。因此, 制造商可以大幅降低设备、操作人员和维护的成本。 降低硅片的消耗量也就是直接降低了太阳能电力的每瓦成本。 MaxEdge 系统结合了更细的切割线和更薄的硅片,提升了线锯技术,有 望于 2011 年以前使太阳能电力的每瓦成本降低 0.18 美元。 (图 5,注意:该图 表的前提是太阳能电池效率保持不变;硅原料成本为 55 美元/公斤。). 前面已经谈到,维护方便与否对总体生产力有着很大的影响。MaxEdge 系统的机械布局在设计上考虑到了维护的方便, 使切割线替换和研磨浆喷头清洗 等普通维护工作能够非常容易和快速地进行。

应用材料公司副总裁、精确硅片切割系统事业部总经理 Stefan Schneeberger 先生表示:“同业界领先的应用材料公司 HCT B5 系统相比, MaxEdge 系统提高了硅片产量并降低了运营成本,使我们实现了对业界最佳线锯 产品的超越。MaxEdge 系统结合了我们在线锯产品上 25 年的创新历史和来自客 户的重要反馈。 硅片是晶体硅光伏电池制造中最昂贵的部分,降低硅片制造成本

对于太阳能电力达到电网平价至关重要。” 6. 线锯产品市场 硅片供应商和希望自己控制切片工艺的整合晶体硅光伏组件生产商都 需要使用线锯设备。单晶硅和多晶硅光伏技术都需要使用到它。 大多数光伏线锯设备是硅片供应商购买的。他们一般生长硅锭或者硅块、将 硅原料切割处理成硅片, 最终销售给光伏电池制造商用于制造电池。业界最成功 的应用材料公司 HCT B5 线锯系统的装机量超过 500 台,是光伏切片领域名副其 实的标杆产品。 7. 结论 在光伏领域, 线锯技术的进步缩小了硅片厚度并降低了切割过程中的材 料损耗,从而减少了太阳能电力的硅材料消耗量。目前,原材料几乎占了晶体硅 太阳能电池成本的三分之一, 因此,线锯技术对于降低太阳能每瓦成本并最终促 使其达到电网平价起到了至关重要的作用。 最新最先进的线锯技术带来了很多创 新,提高了生产力并通过更薄的硅片减少了硅材料的消耗 钢线有两个参数,一个是椭圆度,一个是磨损量。 你可以从这两个方面考虑, 钢线经过一次切割后会磨损变形,这是多次切割就会 对硅片表面造成影响。 单向切割表面粗糙度一般在 5 微米内,双向切割表面粗糙度会增加 3——5 倍。 这个也关系到你们的客户是否接受的问题。 关于双向切割,我们有两种工艺: 一种是将整轴钢线进多次切割, 每次为单向切割,这种工艺我们使用在 NTC 机型 上; 一种是一段线进行多次切割,这种工艺我们使用在 MBDS264 机型上。

其实心得谈不上,我认为这是行业发展的必然结果。 要降低光伏发电成本,提高其竞争力,降低硅片成本是必须的。 硅片成本主要包括:1、硅料成本; 2、 加工成本, 加工成本中又以浆料成本和钢线成本为最高, 2——3 为 元/片

双向切割用线量为单向切割的一半,即降低成本 1——1.5 元/片,这对切片企业 是相当诱人的, 我们公司年产硅片 2 亿片,那光这一项就可创造利润 2——3 亿。 硅料:分单晶和多晶。切割过程中,我认为硅棒对钢线的作用主要是力的作用, 径向的压力(工件平台始终向下运动),摩擦力(阻碍钢线横向移动); 浆料: 切割过程中, 我认为浆料对钢线的伤害是很大的, 也存在很多不确定因素。 主要表现为磨损,降低钢线的极限拉升强度。

综上, 硅棒对钢线的作用力越大, 浆料对钢线的磨损越严重 (极限拉伸强度越小) , 钢线越易断线。 注:多晶比单晶易断线,因为多晶存在晶界,晶界的组成很复杂,由于硬度等关 系,对钢线的作用力是变化,瞬间超出极限拉伸强度的可能性较大。 浆料中杂质较多,颗粒不均匀,钢线断线的几率也会提高。 断线主要分布在 1、收放线部分。 1-1、滑轮磨损过大或被割穿,这个时候也许不会断线!但是钢线会缠在滑轮上! 所以滑轮品质的稳定性非常重要。 1-2、钢丝的磨损过大也容易引起收线端断线。 1-3、象楼上的兄弟所定义:拉伸强度超出了钢线的极限拉伸强度,造成拉伸断 裂。所以滑轮的材质要选对,不能太硬 硅片表面偶尔出现单一的一条阴刻线(凹槽)或一条阳刻线(凸出),并不是由 于碳化硅微粉的大颗粒造成的, 而是单晶硅、多晶硅在拉制或浇筑过程中出现的 硬质点造成线网波动形成的; 2. 硅片表面在同一位置带有线痕,很乱且不规则,我认为是导轮或机床震动过 大或者是多晶硅铸锭的大块硬质点造成的; 3. 重启机床后第一刀出现线痕——机床残留水分或液体,造成砂浆粘度低,钢 线粘附碳化硅微粉量下降,切削能力降低。 4. 调整新工艺、更换新型耗材后出现线痕: ① 砂、液比例不合适,或液体粘度太大,造成砂浆粘度太大或太小,砂浆难以 进入线缝或碳化硅含量较低。

② 碳化硅切割能力差,无法与切割速度相适应。 ③ 钢线圆度不好,进入锯缝砂浆量不稳定。 ④ 钢线的张力太大或太小,造成钢线携带砂浆能力差或线弓太小砂浆无法正常 进入锯缝。 ⑤ 钢线速度过快或过慢,造成砂浆无法粘附或切割效率下降,影响切割效果。 ⑥ 各参数适配性差。 5. 硅片切割到某一段出现偏薄或偏厚的废片,分界非常明显,一般是由于跳线 引起的,跳线的原因: ① 导轮使用时间太长,严重磨损引起的跳线。 ② 砂浆的杂质进入线槽引起的跳线。 ③ 导轮表面脏污。 ④ 晶棒端面从切割开始到切割结束依次变长,造成钢线受侧向力而跳出槽外。 ⑤ 晶棒存在硬质点,造成钢线偏移距离过大跳出槽外。


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