太陽能電池片科普系列——切片篇

:縱觀中國光伏產(chǎn)業(yè)走過的這二十年里，太陽能電池的價格一年比一年低，成本下降的同時本質是技術和產(chǎn)業(yè)鏈的革新，而這其中的一代功臣就是切片技術。眾所周知，硅料的提純是一個高耗能和高工藝水平的一道工序，也直接是硅片價格不能夠一降再降的根本原因。在太陽能電池片發(fā)展的這十幾年里，硅片的厚度一降再降，直接大幅度的拉低了太陽能電池的基礎成本價格，為這個光伏產(chǎn)業(yè)鏈做出了突出貢獻，接下來就讓我們認識一下切片工序到底是怎么進行的。

一、切片的原理

線切割是通過使用一條高速運行的金屬線攜帶砂漿，把硅塊切割成薄片的。系統(tǒng)中，金屬線纏繞一組導輪形成一個切割線網(wǎng)。硅塊被頂起推在金屬線網(wǎng)上，同時金屬線網(wǎng)向一個方向（單線切割）或來回（雙向切割）運動。SiC主要用于切割，切割液用于懸浮，鋼線用于承載。

二、三大輔料

1.剛線

鋼線是線切割中的重要耗材之一，鋼線在拉制過程中表面都會鍍上一層很薄的銅，因此新鋼線都是呈金黃色，鋼線的密度為7.8kg/L，鋼線的主要參數(shù)為鋼線直徑、鋼線長度、拉伸強度、破斷力、伸縮率等。

在多線切割加工過程中，鋼線作為實現(xiàn)對晶棒切割磨削的載體，通過高速運動，保證SIC磨料達到切削去除硅材料的基本能量，SIC磨料在研磨去除中受到鋼線壓力，此壓力來源于不斷的進給運動，由于鋼線的高速運動，帶動磨料在鋼絲和晶棒之間運動，實現(xiàn)對硅晶材料的切除，在此運動過程中，鋼絲和被去除的硅材料相互都具有磨損，然而鋼線由于不斷更新，磨損過的鋼絲不再使用，而對于被切割的晶棒破損不斷的進行，從而實現(xiàn)對硅晶棒的切削成片。

鋼線由于高壓和強烈的摩擦，以及摩擦帶來高溫，碳化硅微粒的運動切割以及大的拉力和循環(huán)往復運動使鋼線產(chǎn)生拉斷和疲勞斷裂，降低了鋼線的使用壽命。

硅片切割中通常關注鋼線兩個參數(shù)：1、橢圓度   2、磨損量

2. 碳化硅

碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內經(jīng)高溫冶煉而成。碳化硅的原子排列結構有如類似金剛石的正四面體結構，具有非常高的穩(wěn)定性，硬度很大，具有優(yōu)良的導熱和導電性能，高溫時能抗氧化，因而成為優(yōu)良的多線切割用磨料。

影響切割的碳化硅的主要特性：粒度、粒度分布、粒形和韌性，

粒度：在切割磨料中，粒度是決定硅片厚度的主要因素之一；

切割刀縫＝鋼線Ф＋3.5X粒度（D50）；

切割的效率隨著粒度的變小而降低，F(xiàn)2000以下的粒度的切割率急劇下降；

雖然大顆粒切割較快，但是它會引起表面損傷，深的線痕和高的表面粗糙度；也表現(xiàn)更高的TTV和切損，可以理解為由大粒度的高刻劃力引起的。

粒度分布：在硅片切割中，窄范圍的粒度分布是必需的，比較寬的粒度分布把對切削液的粘度提高到一個不可接受的極限。含有大顆粒的碳化硅將帶來高的TTV和切損，而超細顆粒的碳化硅存在提高了粘度，帶來高的切損、高的曲度和產(chǎn)生大塊的擦傷。所以，多線切割機的碳化硅，粒度必須比較窄，而且細粒和粗粒都應該盡可能的少。

碳化硅的?，F(xiàn)：硅片切割用的碳化硅應該是接近球狀，但是有很多棱角的。這些凸起的棱角相當于刀刃，這種形態(tài)可以用圓形度來表述。碳化硅在循環(huán)使用后（包括在線回收和離線），減少了棱角，減低了切割能力；切割硅片表面會越來越粗糙，導致比較高的TTV、線痕等異常。

顆粒韌性：好的碳化硅塊料決定了碳化硅微粉的韌性、硬度，在在參與切割過程的的破損率越低，消耗越??；

3. 切割液

太陽能級切割液是聚乙二醇（PEG）和復配組分混合而成，目前PEG仍是多線切割用切割液的主要成分。聚乙二醇(PEG)為低毒無刺激性聚合物,是由環(huán)氧乙烷與水或乙二醇為原料通過逐步加成反應而生成，其原材料主要來源于石油制品。

PEG主要性能：無毒、無刺激性，具有良好的水溶性，并與許多有機物組份有良好的相溶性。具有優(yōu)良的潤滑性、保濕性、分散性、粘接劑、抗靜電劑及柔軟劑等。用于硅片切割的切割液中聚乙二醇（PEG）的平均分子量通常為200-400，這一級別的PEG具有適宜的粘度指標，既有良好的流動性，又對碳化硅微粉具有良好的分散穩(wěn)定性能，帶砂能力強。

液體的密度：由于承載磨料的液體密度越大，其與磨料顆粒的混合性能就越強，所以在選擇砂漿的主要液體時，主要選擇液體密度高于1.0g/cm3的液體。

液體的揮發(fā)性：在線切割工藝中，切割瞬間散發(fā)出的熱量較大，如果液體的沸點較低（或揮發(fā)度較高），則切割過程損耗較大，需要不斷補充液體，難以保證切割出的產(chǎn)品質量。

液體的粘度：砂漿中液體必須具有高于水的粘度，這既可以保證磨料微粉的懸浮效果、又可以保證液體在線鋸上的適度附著，增強砂漿的熱傳導效率。

表面張力：液體的表面張力越低，在固體表面的鋪展性越好。這一性能決定了砂漿在線鋸及硅晶體表面的附著量。

切割液粘度與溫度的關系：液體的粘度來自分子引力，溫度升高，分子間的距離加大，分子引力減小，內摩擦減弱，粘度就降低。溫度在17~30℃變化時，砂漿粘度隨溫度的變化呈線性關系?？山普J為降溫時，每降低1 ℃，砂漿粘度提高10.0mpa.s;升溫時，每升高1 ℃，砂漿粘度降低10.5mpa.s。

水分對切割液（砂漿）的影響：如果砂漿里面混入了水分, 水分子為強極性分子，H2O更容易和PEG之間形成氫鍵，在PEG量一定的情況下,如果氫鍵部分被H2O占據(jù),那么SiC吸附的量就減小了,引起砂子懸浮能力不足而大量沉降，從而影響切割過程中的穩(wěn)定性和硅片的質量，因而如何防止水進入砂漿成為總多切片企業(yè)的關鍵控制點。

三、切片工藝流程

硅錠開方→制程檢驗→硅塊切磨→硅塊粘膠→硅塊切片→硅片清洗→硅片分選包裝

多晶開方是將粘膠在工作臺上的多晶硅錠加工成符合檢測要求的多晶硅塊的過程。開方的工作內容包括單晶棒及多晶錠的粘接、加工、清洗、稱重、檢測等。

切磨主要是將已開方的多晶硅塊通過去頭尾及平面、倒角、滾圓操作加工成符合各項檢測要求的硅塊及準方棒。

粘膠工作就是將硅塊使用粘膠劑粘結到工件板上，為線切工序做準備。

砂漿是用碳化硅微粉和懸浮液按一定比例混合而成，砂漿是決定硅片切割質量的主要因素之一，漿料區(qū)域的主要工作就是為線切機配置及更換砂漿。

目前碳化硅微粉主要為1200#和1500#為主，其呈綠色，晶體結構，硬度高，切削能力較強，化學性質穩(wěn)定，導熱性能好，莫氏硬度為9.2，密度一般認為是3.20g/mm3。碳化硅中硅的含量決定碳化硅的硬度。碳化硅的粒徑大小對線切割影響很大， 但最重要的是碳化硅的顆粒形狀。因為線切割時碳化硅為游離狀態(tài)切割 顆粒的形狀變化對切割效率及切割質量要重要影響。切割液的作用1. 懸浮能力：可以有效懸浮碳化硅顆粒，提高切割效率，降低切割消耗。2. 分散能力：可以使碳化硅顆粒在與切割液混合時分布更均勻。3.潤滑性能：可在硅片表面形成保護膜，降低切割阻力，并保證切割出來的成品表面光滑。4.冷卻性能：可以有效的散發(fā)熱量，降低切割應力。

線切的作用就用多線切割機將硅棒切割成符合要求的硅片的過程。線切割方式對切割脆性晶體切片的加工表面機械損傷層較淺；加工溫度較低，適于切割易脆裂材料；切割絕緣體不會引起崩碎；可切割精密窄縫；適宜大尺寸切片，因此，線切割在硬脆材料的切割方面獲得廣泛應用，

線切割是由導輪帶動細鋼線高速運轉，由鋼線帶動砂漿形成研磨的切割方式。在線切割機的切割過程中，懸浮液夾裹著碳化硅磨料噴落在細鋼線組成的線網(wǎng)上，依賴于細鋼線的高速運動，把研磨液運送到切割區(qū)，對緊壓在線網(wǎng)上的工件進行研磨式切割，

清洗區(qū)域的主要工作就是將線切工序生產(chǎn)的硅片進行脫膠、清洗掉硅片表面的砂漿。包括三項工作內容：預清洗、插片、超聲波清洗。

分檢區(qū)主要工作是對清洗好的硅片，按照分選標準對硅片進行分級并進行包裝入庫。通過分檢將硅片分為A1、A2、B級和報廢四個等級。

四、影響切片工藝的七大因素

1.切割液（PEG）的粘度

由于在整個切割過程中，碳化硅微粉是懸浮在切割液上而通過鋼線進行切割,所以切割液主要起懸浮和冷卻的作用。切割液的粘度是碳化硅微粉懸浮的重要保證。

1）、切割液的粘度是碳化硅微粉懸浮的重要保證。由于不同的機器開發(fā)設計的系統(tǒng)思維不同，因而對砂漿的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士線切割機要求切割液的粘度不低于55，要求22-25，安永則低至18。只有符合機器要求的切割標準的粘度，才能在切割的過程中保證碳化硅微粉的均勻懸浮分布以及砂漿穩(wěn)定地通過砂漿管道隨鋼線進入切割區(qū)。由于帶著砂漿的鋼線在切割硅料的過程中，會因為摩擦發(fā)生高溫，

2）、由于帶著砂漿的鋼線在切割硅料的過程中，會因為摩擦發(fā)生高溫，所以切割液的粘度又對冷卻起著重要作用。如果粘度不達標，就會導致液的流動性差，不能將溫度降下來而造成灼傷片或者出現(xiàn)斷線，因此切割液的粘度又確保了整個過程的溫度控制。

2.碳化硅微粉的粒型及粒度

太陽能硅片的切割其實是鋼線帶著碳化硅微粉在切，所以微粉的粒型及粒度是硅片表片的光潔程度和切割能力的關鍵。粒型規(guī)則，切出來的硅片表明就會光潔度很好；粒度分布均勻，就會提高硅片的切割能力。

3.砂漿的粘度

線切割機對硅片切割能力的強弱，與砂漿的粘度有著不可分割的關系。而砂漿的粘度又取決于硅片切割液的粘度、硅片切割液與碳化硅微粉的適配性、硅片切割液與碳化硅微粉的配比比例砂漿密度等。只有達到機器要求標準的砂漿粘機器要求250左右）才能在切割過程中，提高切割效率，提高成品率。

4.砂漿的流量

鋼線在高速運動中，要完成對硅料的切割，必須由砂漿泵將砂漿從儲料箱中打到噴砂咀，再由噴砂咀噴到鋼線上。砂漿的流量是否均勻、流量能否達到切割的要求，都對切割能力和切割效率起著很關鍵的作用。如果流量跟不上，就會出現(xiàn)切割能力嚴重下降，導致線痕片、斷線、甚至是機器報警。

5.鋼線的速度

由于線切割機可以根據(jù)用戶的要求進行單向走線和雙向走線，因而兩種情況下對線速的要求也不同：單向走線時，鋼線始終保持一個速度運行（MB和HCT可以根據(jù)切割情況在不同時間作出手動調整），這樣相對來說比較容易控制。目前，單向走線的操作越來越少，僅限于MB和HCT機器。雙向走線時，鋼線速度開始由零點沿一個方向用2-3秒的時間加速到規(guī)定速度，運行一段時間后，再沿原方向慢慢降低到零點，在零點停頓0.2秒后再慢慢地反向加速到規(guī)定的速度，再沿反方向慢慢降低到零點的周期切割過程。在雙向切割的過程中，線切割機的切割能力在一定范圍內隨著鋼線的速度提高而提高，但不能低于或超過砂漿的切割能力。如果低于砂漿的切割能力。如果低于砂漿的切割能力，就會出現(xiàn)線痕片甚至斷線；反之，如果超出砂漿的切割能力，就可能導致砂漿流量跟不上，從而出現(xiàn)厚薄片甚至線痕片等。目前MB的平均線速可以達到13米/秒，NTC達10.5-11米/秒。

6.鋼線的張力

鋼線的張力是硅片切割工藝中相當核心的要素之一。張力控制不好是產(chǎn)生線痕片、崩邊、甚至短線的重要原因。鋼線的張力過小，將會導致鋼線彎曲度增大，帶砂能力下降，

1）、鋼線的張力過小，將會導致鋼線彎曲度增大，帶砂能力下降，切割能力降低。從而出現(xiàn)線痕片等。

2）、鋼線張力過大，懸浮在鋼線上的碳化硅微粉就會難以進入鋸縫，切割效率降低，出現(xiàn)線痕片等，并且斷線的幾率很大。

3）、如果當切到膠條的時候，有時候會因為張力使用時間過長引起偏離零點的變化，出現(xiàn)崩邊等情況。

MB、NTC等線切割機一般的張力控制在送線和收線相差不到1，只有安永的相差7.5。

7.工件的進給速度

工件的進給速度與鋼線速度、砂漿的切割能力以及工件形狀在進給的不同位置等有關。工件進給速度在整個切割過程中，是由以上的相關因素決定的，也是最沒有定量的一個要素。但控制不好，也可能會出現(xiàn)線痕片等不良效果，影響切割質量和成品率?？傊柲芄杵€切割機的操作片線切割機的操作，是一個經(jīng)驗大于技術流程與標準的精細活。只有在實際操作中，不斷總結。

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原創(chuàng)：北極星（每天不定量更新）