2017-12-25
太阳能电池片科普系列——切片篇

纵观中国光伏产业走过的这二十年里,太阳能电池的价格一年比一年低,成本下降的同时本质是技术和产业链的革新,而这其中的一代功臣就是切片技术。众所周知,硅料的提纯是一个高耗能和高工艺水平的一道工序,也直接是硅片价格不能够一降再降的根本原因。在太阳能电池片发展的这十几年里,硅片的厚度一降再降,直接大幅度的拉低了太阳能电池的基础成本价格,为这个光伏产业链做出了突出贡献,接下来就让我们认识一下切片工序到底是怎么进行的。

一、切片的原理

线切割是通过使用一条高速运行的金属线携带砂浆,把硅块切割成薄片的。系统中,金属线缠绕一组导轮形成一个切割线网。硅块被顶起推在金属线网上,同时金属线网向一个方向(单线切割)或来回(双向切割)运动。SiC主要用于切割,切割液用于悬浮,钢线用于承载。

 

二、三大辅料

1.刚线

钢线是线切割中的重要耗材之一,钢线在拉制过程中表面都会镀上一层很薄的铜,因此新钢线都是呈金黄色,钢线的密度为7.8kg/L,钢线的主要参数为钢线直径、钢线长度、拉伸强度、破断力、伸缩率等。

在多线切割加工过程中,钢线作为实现对晶棒切割磨削的载体,通过高速运动,保证SIC磨料达到切削去除硅材料的基本能量,SIC磨料在研磨去除中受到钢线压力,此压力来源于不断的进给运动,由于钢线的高速运动,带动磨料在钢丝和晶棒之间运动,实现对硅晶材料的切除,在此运动过程中,钢丝和被去除的硅材料相互都具有磨损,然而钢线由于不断更新,磨损过的钢丝不再使用,而对于被切割的晶棒破损不断的进行,从而实现对硅晶棒的切削成片。

钢线由于高压和强烈的摩擦,以及摩擦带来高温,碳化硅微粒的运动切割以及大的拉力和循环往复运动使钢线产生拉断和疲劳断裂,降低了钢线的使用寿命。

硅片切割中通常关注钢线两个参数:1、椭圆度   2、磨损量

2. 碳化硅

 

碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。碳化硅的原子排列结构有如类似金刚石的正四面体结构,具有非常高的稳定性,硬度很大,具有优良的导热和导电性能,高温时能抗氧化,因而成为优良的多线切割用磨料。

影响切割的碳化硅的主要特性:粒度、粒度分布、粒形和韧性,

粒度:在切割磨料中,粒度是决定硅片厚度的主要因素之一;

切割刀缝=钢线Ф+3.5X粒度(D50);

切割的效率随着粒度的变小而降低,F2000以下的粒度的切割率急剧下降;

虽然大颗粒切割较快,但是它会引起表面损伤,深的线痕和高的表面粗糙度;也表现更高的TTV和切损,可以理解为由大粒度的高刻划力引起的。

粒度分布:在硅片切割中,窄范围的粒度分布是必需的,比较宽的粒度分布把对切削液的粘度提高到一个不可接受的极限。含有大颗粒的碳化硅将带来高的TTV和切损,而超细颗粒的碳化硅存在提高了粘度,带来高的切损、高的曲度和产生大块的擦伤。所以,多线切割机的碳化硅,粒度必须比较窄,而且细粒和粗粒都应该尽可能的少。

碳化硅的粒现:硅片切割用的碳化硅应该是接近球状,但是有很多棱角的。这些凸起的棱角相当于刀刃,这种形态可以用圆形度来表述。碳化硅在循环使用后(包括在线回收和离线),减少了棱角,减低了切割能力;切割硅片表面会越来越粗糙,导致比较高的TTV、线痕等异常。

颗粒韧性:好的碳化硅块料决定了碳化硅微粉的韧性、硬度,在在参与切割过程的的破损率越低,消耗越小;

3. 切割液

太阳能级切割液是聚乙二醇(PEG)和复配组分混合而成,目前PEG仍是多线切割用切割液的主要成分。聚乙二醇(PEG)为低毒无刺激性聚合物,是由环氧乙烷与水或乙二醇为原料通过逐步加成反应而生成,其原材料主要来源于石油制品。

PEG主要性能:无毒、无刺激性,具有良好的水溶性,并与许多有机物组份有良好的相溶性。具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接剂、抗静电剂及柔软剂等。用于硅片切割的切割液中聚乙二醇(PEG)的平均分子量通常为200-400,这一级别的PEG具有适宜的粘度指标,既有良好的流动性,又对碳化硅微粉具有良好的分散稳定性能,带砂能力强。

液体的密度:由于承载磨料的液体密度越大,其与磨料颗粒的混合性能就越强,所以在选择砂浆的主要液体时,主要选择液体密度高于1.0g/cm3的液体。

液体的挥发性:在线切割工艺中,切割瞬间散发出的热量较大,如果液体的沸点较低(或挥发度较高),则切割过程损耗较大,需要不断补充液体,难以保证切割出的产品质量。

液体的粘度:砂浆中液体必须具有高于水的粘度,这既可以保证磨料微粉的悬浮效果、又可以保证液体在线锯上的适度附着,增强砂浆的热传导效率。

表面张力:液体的表面张力越低,在固体表面的铺展性越好。这一性能决定了砂浆在线锯及硅晶体表面的附着量。

切割液粘度与温度的关系:液体的粘度来自分子引力,温度升高,分子间的距离加大,分子引力减小,内摩擦减弱,粘度就降低。温度在17~30℃变化时,砂浆粘度随温度的变化呈线性关系。可近似认为降温时,每降低1 ℃,砂浆粘度提高10.0mpa.s;升温时,每升高1 ℃,砂浆粘度降低10.5mpa.s。

水分对切割液(砂浆)的影响:如果砂浆里面混入了水分, 水分子为强极性分子,H2O更容易和PEG之间形成氢键,在PEG量一定的情况下,如果氢键部分被H2O占据,那么SiC吸附的量就减小了,引起砂子悬浮能力不足而大量沉降,从而影响切割过程中的稳定性和硅片的质量,因而如何防止水进入砂浆成为总多切片企业的关键控制点。

三、切片工艺流程

硅锭开方→制程检验→硅块切磨→硅块粘胶→硅块切片→硅片清洗→硅片分选包装

多晶开方是将粘胶在工作台上的多晶硅锭加工成符合检测要求的多晶硅块的过程。开方的工作内容包括单晶棒及多晶锭的粘接、加工、清洗、称重、检测等。

切磨主要是将已开方的多晶硅块通过去头尾及平面、倒角、滚圆操作加工成符合各项检测要求的硅块及准方棒。

粘胶工作就是将硅块使用粘胶剂粘结到工件板上,为线切工序做准备。

砂浆是用碳化硅微粉和悬浮液按一定比例混合而成,砂浆是决定硅片切割质量的主要因素之一,浆料区域的主要工作就是为线切机配置及更换砂浆。

目前碳化硅微粉主要为1200#和1500#为主,其呈绿色,晶体结构,硬度高,切削能力较强,化学性质稳定,导热性能好,莫氏硬度为9.2,密度一般认为是3.20g/mm3。碳化硅中硅的含量决定碳化硅的硬度。碳化硅的粒径大小对线切割影响很大, 但最重要的是碳化硅的颗粒形状。因为线切割时碳化硅为游离状态切割 颗粒的形状变化对切割效率及切割质量要重要影响。切割液的作用1. 悬浮能力:可以有效悬浮碳化硅颗粒,提高切割效率,降低切割消耗。2. 分散能力:可以使碳化硅颗粒在与切割液混合时分布更均匀。3.润滑性能:可在硅片表面形成保护膜,降低切割阻力,并保证切割出来的成品表面光滑。4.冷却性能:可以有效的散发热量,降低切割应力。

线切的作用就用多线切割机将硅棒切割成符合要求的硅片的过程。线切割方式对切割脆性晶体切片的加工表面机械损伤层较浅;加工温度较低,适于切割易脆裂材料;切割绝缘体不会引起崩碎;可切割精密窄缝;适宜大尺寸切片,因此,线切割在硬脆材料的切割方面获得广泛应用,

线切割是由导轮带动细钢线高速运转,由钢线带动砂浆形成研磨的切割方式。在线切割机的切割过程中,悬浮液夹裹着碳化硅磨料喷落在细钢线组成的线网上,依赖于细钢线的高速运动,把研磨液运送到切割区,对紧压在线网上的工件进行研磨式切割,

清洗区域的主要工作就是将线切工序生产的硅片进行脱胶、清洗掉硅片表面的砂浆。包括三项工作内容:预清洗、插片、超声波清洗。

分检区主要工作是对清洗好的硅片,按照分选标准对硅片进行分级并进行包装入库。通过分检将硅片分为A1、A2、B级和报废四个等级。

四、影响切片工艺的七大因素

1.切割液(PEG)的粘度

由于在整个切割过程中,碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割,所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。

1)、切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系统思维不同,因而对砂浆的粘度也不同,即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于55,要求22-25,安永则低至18。只有符合机器要求的切割标准的粘度,才能在切割的过程中保证碳化硅微粉的均匀悬浮分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中,会因为摩擦发生高温,

2)、由于带着砂浆的钢线在切割硅料的过程中,会因为摩擦发生高温,所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标,就会导致液的流动性差,不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线,因此切割液的粘度又确保了整个过程的温度控制。

2.碳化硅微粉的粒型及粒度

太阳能硅片的切割其实是钢线带着碳化硅微粉在切,所以微粉的粒型及粒度是硅片表片的光洁程度和切割能力的关键。粒型规则,切出来的硅片表明就会光洁度很好;粒度分布均匀,就会提高硅片的切割能力。

3.砂浆的粘度

线切割机对硅片切割能力的强弱,与砂浆的粘度有着不可分割的关系。而砂浆的粘度又取决于硅片切割液的粘度、硅片切割液与碳化硅微粉的适配性、硅片切割液与碳化硅微粉的配比比例砂浆密度等。只有达到机器要求标准的砂浆粘机器要求250左右)才能在切割过程中,提高切割效率,提高成品率。

4.砂浆的流量

钢线在高速运动中,要完成对硅料的切割,必须由砂浆泵将砂浆从储料箱中打到喷砂咀,再由喷砂咀喷到钢线上。砂浆的流量是否均匀、流量能否达到切割的要求,都对切割能力和切割效率起着很关键的作用。如果流量跟不上,就会出现切割能力严重下降,导致线痕片、断线、甚至是机器报警。

5.钢线的速度

由于线切割机可以根据用户的要求进行单向走线和双向走线,因而两种情况下对线速的要求也不同:单向走线时,钢线始终保持一个速度运行(MB和HCT可以根据切割情况在不同时间作出手动调整),这样相对来说比较容易控制。目前,单向走线的操作越来越少,仅限于MB和HCT机器。双向走线时,钢线速度开始由零点沿一个方向用2-3秒的时间加速到规定速度,运行一段时间后,再沿原方向慢慢降低到零点,在零点停顿0.2秒后再慢慢地反向加速到规定的速度,再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中,线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高,但不能低于或超过砂浆的切割能力。如果低于砂浆的切割能力。如果低于砂浆的切割能力,就会出现线痕片甚至断线;反之,如果超出砂浆的切割能力,就可能导致砂浆流量跟不上,从而出现厚薄片甚至线痕片等。目前MB的平均线速可以达到13米/秒,NTC达10.5-11米/秒。

6.钢线的张力

钢线的张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一。张力控制不好是产生线痕片、崩边、甚至短线的重要原因。钢线的张力过小,将会导致钢线弯曲度增大,带砂能力下降,

1)、钢线的张力过小,将会导致钢线弯曲度增大,带砂能力下降,切割能力降低。从而出现线痕片等。

2)、钢线张力过大,悬浮在钢线上的碳化硅微粉就会难以进入锯缝,切割效率降低,出现线痕片等,并且断线的几率很大。

3)、如果当切到胶条的时候,有时候会因为张力使用时间过长引起偏离零点的变化,出现崩边等情况。

MB、NTC等线切割机一般的张力控制在送线和收线相差不到1,只有安永的相差7.5。

7.工件的进给速度

工件的进给速度与钢线速度、砂浆的切割能力以及工件形状在进给的不同位置等有关。工件进给速度在整个切割过程中,是由以上的相关因素决定的,也是最没有定量的一个要素。但控制不好,也可能会出现线痕片等不良效果,影响切割质量和成品率。总之,太阳能硅片线切割机的操作片线切割机的操作,是一个经验大于技术流程与标准的精细活。只有在实际操作中,不断总结。