機(jī)械技術(shù)論文(2)
機(jī)械技術(shù)論文
機(jī)械技術(shù)論文篇二
特種機(jī)械加工技術(shù)
摘要：太陽能級(jí)多線切割技術(shù)是一種特殊的機(jī)械加工技術(shù)，它是在傳統(tǒng)的機(jī)械加工的基礎(chǔ)上建立起來的。隨著太陽能市場的啟動(dòng)和發(fā)展，作為晶體硅太陽能電池制造過程的主要環(huán)節(jié)，越來越受到人們的重視。本文介紹了硅片切割的發(fā)展史，并從硅片切割的設(shè)備、工藝、生產(chǎn)流程和新技術(shù)等方面進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。
關(guān)鍵詞：多線切割技術(shù);硅片生產(chǎn)流程;硅片切割工藝;硅片切割新技術(shù)
中圖分類號(hào)： TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
太陽能級(jí)硅片切割的歷史
在上世紀(jì)80年代以前，人們在切割超硬材料的時(shí)候一般采用涂有金剛石粉的內(nèi)圓切割機(jī)進(jìn)行切割。然而隨著半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對已有的生產(chǎn)效率難以滿足，同時(shí)由于內(nèi)圓切割的才來損失非常大，在半導(dǎo)體行業(yè)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(shù)因此而逐步發(fā)展起來。多線切割機(jī)由于其更高效、更小的切割損失以及更高精度的優(yōu)勢，對于切割貴重、超硬材料有著巨大的優(yōu)勢，近十年來已取代傳統(tǒng)的內(nèi)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(dǎo)體行業(yè)的需求，切割技術(shù)主要掌握在歐、美、日、臺(tái)等國家和地區(qū)，國內(nèi)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)以封裝業(yè)務(wù)為主，上游的晶圓切割技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，相關(guān)的設(shè)備制造研發(fā)也難有進(jìn)展。
2003年隨著太陽能光伏行業(yè)的爆發(fā)式增長，國內(nèi)民營企業(yè)的硅片切割業(yè)務(wù)迅速發(fā)展起來。大量引進(jìn)了瑞士和日本的先進(jìn)的數(shù)控多線切割設(shè)備。這才使切割太陽能級(jí)硅片的多線切割機(jī)的數(shù)量開始在國內(nèi)爆發(fā)式增長，相關(guān)的技術(shù)交流也開始在國內(nèi)廣泛興起。
當(dāng)前國內(nèi)使用的硅片切割機(jī)的種類及特點(diǎn)
目前國內(nèi)各個(gè)硅片切割廠家基本使用國際3大多線切割機(jī)的設(shè)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(nèi)市場，并取得了不錯(cuò)的銷量。
太陽能級(jí)硅片制造的工藝流程
太陽能級(jí)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(qū)別，所以兩種硅片的制造過程會(huì)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(huán)節(jié)的區(qū)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?jīng)Q定的。
多線切割機(jī)(線鋸)的切割原理和工藝
多線切割機(jī)切割原理
多絲切割技術(shù)是近年來崛起的一項(xiàng)新型硅片切割技術(shù)，它通過金屬絲帶動(dòng)碳化硅研磨料進(jìn)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(gè)參數(shù)：切割鋼線的線速度，切割臺(tái)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行切割的。切割過程中線速過低，線網(wǎng)承受的壓力會(huì)很大，導(dǎo)致線弓變大，很容易出現(xiàn)斷線;線速過快，雖然線網(wǎng)壓力減小，但是帶砂漿能力會(huì)減弱，砂漿來不及被帶入硅塊內(nèi)，同樣會(huì)導(dǎo)致切割產(chǎn)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(tái)速
切割的工作臺(tái)速度是很重要的參數(shù)，它不但影響著整個(gè)的加工時(shí)間，也在很大程度上決定了硅片的薄厚程度。臺(tái)速設(shè)置過慢加工時(shí)間變長，這樣浪費(fèi)生產(chǎn)時(shí)間，這樣也會(huì)使生產(chǎn)成本增加;臺(tái)速設(shè)置過快，與砂漿的切割能力不匹配，會(huì)導(dǎo)致硅片在入刀、中間和出刀產(chǎn)生薄厚差距過大的情況，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)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(qū)別。入刀時(shí)流量偏低，因?yàn)榇藭r(shí)臺(tái)速一般較慢，不需要很強(qiáng)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(shí)可以降低流量也可以不降，由于切割后期碳化硅顆粒已經(jīng)在很大程度上磨損，導(dǎo)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(gè)切割過程中保持不變，而且設(shè)置砂漿溫度要根據(jù)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(guī)律，所以粘度低一些的砂漿需要將切割時(shí)的溫度設(shè)置低一些，保證其粘連性和冷卻效果，反之，將溫度設(shè)高即可。
以上只是切割過程中需要工藝人員合理設(shè)定的主要參數(shù)，真正能不能切割出良率較高的硅片，還跟原材料的品質(zhì)，操作人員的操作水平等有較大關(guān)系，所以多線切割是一個(gè)多種因素交織在一起的生產(chǎn)模式，在實(shí)際的生產(chǎn)控制中需要把基礎(chǔ)工作做牢，才能發(fā)揮工藝參數(shù)設(shè)置的合理作用。
硅片切割的最新技術(shù)及發(fā)展方向
多線切割設(shè)備和技術(shù)到目前為止也有30多年的發(fā)展時(shí)間了，這項(xiàng)技術(shù)也較產(chǎn)生初期有了相當(dāng)大的發(fā)展。就當(dāng)前太陽能硅片切割領(lǐng)域來看，出現(xiàn)了不少新設(shè)備、新技術(shù)、新材料，這些有的已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，有的屬于研發(fā)和小規(guī)模應(yīng)用階段。下面可以舉幾個(gè)例子。
砂漿在線回收系統(tǒng)
國內(nèi)太陽能級(jí)切片廠家剛起步的時(shí)候，基本采用人工配料，操作環(huán)境比較惡劣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大，砂漿制備過程中經(jīng)常由于人為原因?qū)е绿蓟杼砑硬痪鶆?，漿料攪拌不充分，從而對線鋸切割產(chǎn)生較大影響。針對此種情況，近幾年一些廠家開始設(shè)計(jì)并應(yīng)用了砂漿回收和在線供給系統(tǒng)。砂漿的回收和供給通過管道來實(shí)現(xiàn)，加料攪拌通過機(jī)器設(shè)備來替代人工，并且系統(tǒng)中配有熱交換子系統(tǒng)，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(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制和運(yùn)行。此種系統(tǒng)雖然投資較大，工程施工較復(fù)雜，但系統(tǒng)運(yùn)行后節(jié)省了大量人力，并極大程度的保證了砂漿的供應(yīng)質(zhì)量。目前比較專業(yè)的廠家有德國賽錫公司、日本IHI公司和美國CRS系統(tǒng)。
金剛線切割技術(shù)
傳統(tǒng)的多線切割技術(shù)是靠高速運(yùn)動(dòng)的鋼線帶動(dòng)由懸浮液和碳化硅微粉混合配置的砂漿來進(jìn)行切割的。參與切割的碳化硅在鋼線上處于游離狀態(tài)，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(tǒng)的方式，砂漿需要較長時(shí)間的制備并且必須始終處于攪拌狀態(tài)，其用量會(huì)隨著切割硅塊面積的增大而增大，切割的臺(tái)速也不會(huì)太快。
目前有一種新的金剛現(xiàn)切割技術(shù)，其特點(diǎn)是將參與切割的砂粒鍍到鋼線上，切割時(shí)靠噴嘴中噴出的水進(jìn)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(jià)格很高，鋼線鍍砂的均勻性技術(shù)也有待提高。雖然目前HCT和M+B等線鋸廠家已經(jīng)推出相應(yīng)的金剛線設(shè)備進(jìn)行開方甚至切片，但是在實(shí)際應(yīng)用中還不甚理想，要想完全替代砂漿方式的線切割機(jī)還需要進(jìn)一步研發(fā)和應(yīng)用，并進(jìn)行切割成本的降低工作。
結(jié)論
太陽能級(jí)硅片切割技術(shù)是特定領(lǐng)域的一種特殊的機(jī)械加工方式，它不同于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，但又是在其基礎(chǔ)之上發(fā)展衍生而來的。這種技術(shù)有其本身的獨(dú)特性，但同時(shí)也遵循著傳統(tǒng)機(jī)械加工的規(guī)律。對于切片工藝的一些說明很多都是在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的， 只要符合多線切割的基本規(guī)律，就可以利用這些經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題。當(dāng)然，理論在不斷地發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)也是需要不斷地獲取，只有針對各自工廠的實(shí)際情況并結(jié)合以往的理論和經(jīng)驗(yàn)才能真正解決實(shí)際問題。
參考文獻(xiàn)：
[1]萬志峰.中國太陽能硅片線切割設(shè)備國產(chǎn)化的現(xiàn)狀和趨勢
[2]靳永吉.線鋸切割失效機(jī)理.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006,142：24-27
[3] 樊瑞新，盧煥明.線切割單晶硅表面損傷的研究[J].材料科學(xué)與工程，1999,17,(2):55-57
[4] PEI Z J,STRASBAUGH A. Fine grinding of silicon wafers[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2001,41(5):659-672
看了“機(jī)械技術(shù)論文”的人還看：