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金刚线切割工艺对硅片表观质量影响研究

引言

根据最新全球市场分析，晶体硅电池由于工艺控制稳定，转换效率优势明显，始终占据着80％以上的份额。当前，光伏产品并网发电的趋势越来越明显，导致市场竞争日趋激烈，下游对上游的产品品质要求愈发严格。产业链各环节都通过工艺提升及现场控制等策略提高产品品质，以满足市场要求。晶体硅电池的原材料是硅片，现今主要的工艺方法是采用金刚线切割方式。从2016年下半年开始，金刚线硅片切割技术在硅片生产环节全面推广，而金刚线硅片的表观质量95％以上都与金刚线切割工艺息息相关。通过对照硅片表观质量不良，分析改进切割工艺参数，是当前硅片生产技术提升的主要方向，预计到2020年金刚线切片将全面代替传统的砂浆切割工艺，完成革命性的进步。

1 金刚线硅片切割工艺特点及原理

1.1 金刚线切割技术特点

相对于传统的砂浆切割，金刚线切割技术具有切割速度快、硅料损耗低、环保处理难度低等优势。金刚线切割技术的推广使切片环节的产能增加到原来的2.5倍，据不完全统计，全国目前硅片生产产能达到50ＧＷ。同时，金刚线切割技术将硅材料的利用率提升了25％，有效降低了生产环节的主材及辅材的消耗。参照单晶硅片的生产成本核算，硅片成本从2016年上半年的6元／片下降到现今3.15元/片，降幅达到50％。

1.2 金刚线切割工艺原理

金钢线切割是将金刚石采用粘接和电镀的方式固定在直拉钢线上进行高速往返切削，根据金刚石固定方式的差异分为树脂金钢线和电镀金钢线两种。其结构对比见图１。

金刚线切割方式是一种固粒式切割，而传统的砂浆切割则是一种游离式切割方式。其原理对照如图２所示。

2 实验方法

2.1 实验思路

通过调整金刚线切割中的工艺参数线速、张力、切割液流量，对照硅片表观质量不良的比例数据，确定金刚线切割参数变化对硅片表观质量的影响。

2.2 实验条件

设备：国产高测金刚线专用切片机GC－630；

材料：电镀金刚线，Φ65μm，破断张力18Ｎ，卷螺距0.6ｍｍ；

切割液，双组份，添加比例1:350，ｍ（切割液）：ｍ（消泡剂）＝100:1。

切割负载，单刀装载长度为650mm～660mm，满载切割。

其他：导轮槽距0.265mm，单刀工艺用线量为3.5km，硅片切割理论厚度（200±20）μｍ。

2.3 实验方法及过程

通过调整工艺参数的线速、入刀进给速度、张力、切割液流量，每种参数调整按照５次切割实验进行，调整过程中其他两种参数维持不变，对每次切割完成后硅片表观类型崩边、色差、污片的比例进行统计对照。

实验一：在张力以及切割液流量维持不变的情况下，将线速按照1100、1150、1200、1250、1300m/min分别完成一刀切割。对单刀硅片表观不良情况进行统计。

实验二：在线速以及切割液流量维持不变的情况下，将张力按照9.5、10.0、10.5、11.0、１12Ｎ 设定分别完成一刀切割。对单刀硅片表观不良情况进行统计。

实验三：在张力以及线速维持不变的情况下，将切割液流量按照170、180、190、200、210L/min分别完成一刀切割。对单刀硅片表观不良情况进行统计。

2.4 工艺参数对表观质量影响分析

１）线速变化的影响分析

通过完成实验一，并对数据进行汇总，见表１。

对表１中数据变化趋势进行分析，当线速增加的情况，崩边的比例出现明显的下降，当线速达到1200m/min以上，崩边比例基本维持在２％左右，趋于稳定；色差比例略有下降，幅度较小，达到1250m/min以上时基本在1.6%左右；而污片基本与线速调整关系不大。

结合金刚线切割原理进行分析，切割的作用主要通过金刚石颗粒实现，当线速增加时单位时间参与切割的金刚石颗粒比例增大，钢线切割能力增强，在硅片边缘部位钢线行走更为平稳，因此崩边比例下降。同时，切割能力增加也使得在切割后期钢线切割环境维持稳定，有助于对色差的改善。

２）张力变化的影响分析

通过完成实验二，并对数据进行汇总，见表２。

对表２中数据变化进行分析，在钢线张力增加情况下，崩边和色差比例略微有所下降，但整体幅度都不大。其根本原因在于，张力的增加能够减小切割中线弓，保证切割进刀及出刀的平稳性，但是由于切割过程更多与钢线的切割能力有关，因此改善效果不明显。另外，污片比例变化不大。

３）切割液流量变化的影响分析

通过完成实验三，并对数据进行汇总，见表３。

对表３中数据变化进行分析，当切割液流量增加情况下，崩边比例基本维持不变；色差比例有所下降，主要原因在于，流量增大后，在一定程度上能够降低出刀阶段硅粉在切割面堆积而影响切割环境，局部区域切割液中硅粉含量不会增加；而污片比例则出现明显的下降，这也主要是因为，切割液增大流速后，对于硅片切割过程中出现的硅粉能够及时进行分散，硅片表面的残留物难易附着。

３结语

通过对切割工艺中的关键参数进行调整，同时结合切割数据进行分析，能够明确工艺变化对于硅片表面质量的指向性。对于生产过程中硅片的质量工作面巷道的支护提供一定的技术参考。

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