光伏产业中硅材料的多线切割技术研究

光伏产业中硅材料的多线切割技术研究

摘要由于国内多线切割机床处于发展阶段，所以大部分光伏行业的生产厂家使用的是国外引进的多线切割机床。本文就多线加工硅片优点、工艺与多线切割机工作原理，对影响因素与切割技术进行了简单的分析。

关键词光伏产业；硅材料；多线切割

1 多线加工硅片的工艺及优点

电子产品与光伏产品中的硅片需要很多工艺一起完成，制造硅锭时有所差异。其中，多晶硅锭属于方形体，硅锭属于圆柱体，单晶硅则由单晶炉制成[1]。在一方一圆的条件下，最终得到薄片，使用多线切割技术进行加工有很大差异。单晶硅是先切去头部与尾部，再切方，最后切片；多晶硅则是首先切方，让方形硅锭成为几十个小方，然后切去底部与颈部，最后再切成片。使用多线切割硅片和传统锯切不同的是：拥有较好的平行度，弯度更小，表层粗糙度偏低，切割损耗较小，厚度公差不大，加工后的切片出片率较大，生产效率与投资回报度较高。所以将多线切割机应用到生产，是高效生产、规模生产的趋势，尤其适合太阳能光伏电池中的批量生产[2]。

2 多线切割机的加工原理

借助钢丝线促进砂浆碳化硅微粉，不仅是切断硅的有效方式，同时也是多线切割的工作原理。加工期间，高速旋转导线利用压力对硅体进行加工，并且将砂浆喷洒在切割区域，让碳化硅微粉漂浮在钢线之上。钢线高速运作时，利用碳化硅磨削颗粒，从而切开硅体，以达成切片、切方、切断等工艺要求。从多线切割机加工硅片的工作原理示意图可以看出：放线轮、收线轮、导线轮以及排线轮都是由伺服电动机带动，而张力轮则由气缸、力矩电动机与压力传感器带动工作。

3 影响硅片加工的重要因素

3.1 导线轮的影响

在切割钢线导线轮时，对导线轮旋转有很高的要求，不可以有振动发生。导线轮中的钢线槽以及尺寸必须保持一致，同时将跳动控制在0.02mm内，另外，必须将控制温度的装置安装在支撑轴承上，所以导线轮属于高速转动。一旦运动精度与过程发生失衡，很可能让正在加工的硅片发生缺陷而报废。所以机床的工作性能，很大部分由导线轮运动精度决定，它也是判别机床质量的核心指标[3]。

3.2 钢线速度的影响

加工期间，钢线速度体现了加工效率与相关指标。确保持续钢线的背景下，应尽量提高钢线速度，但是必须和砂浆供给情况持恒，过大的砂浆供给，很可能

让钢线发生中断或者线痕；过小的砂浆供给，很可能发生线痕片与厚薄片[4]。所以，提高钢线速度，应尽量做到和配套功能相符，反之，单纯提高钢线速度将没有任何意义。

3.3 砂浆的影响

不管是切片、切方，还是切断，切割钢线时都会有砂浆参与。其中，砂浆是碳化硅微粉和聚乙二醇按照一定比例进行配置，由于切割时，砂浆通常悬浮于钢线，不仅有切割能力，还有冷却功能，所以砂浆黏度与浓度对工作性能有很大影响。切割时，碳化硅粉、钢线和硅体高速摩擦之后会产生很大的热量，一旦砂浆流动性不够、黏度较大，势必会影响加工散热能力，硅片加工中出现表面烧伤，最终沦落成次品，或者钢线因为太热发生折断。如果砂浆太稀，黏度很小，会影响钢线中的碳化硅粉悬浮力，从而影响工作效率。为了让砂浆拥有更好的工作效率，碳化硅粉会占据一定的空间，然后再进入加工范畴。反之，碳化硅粉数量不够，再大的砂浆黏度，加工效果都不会理想。

3.4 钢线张力的影响

之所以多线切割机能够实施，和钢线张力有着很大的关系。如果缺乏张力，切割将难以进行，张力过大时，钢线很可能被中断，所以在切割期间，必须实时掌握钢线变化与张力，并且采用有效措施进行控制[5]。在硅片多线切割时，导线轮有多条钢线缠绕，加工期间，张力会随之发生变化，如果一股线发生断线，那么整个加工就将陷入失败的境地。因此，断线就成了评价机床工作性能的指标之一。加工时，不同的钢线张力，都会对崩边、片痕构成很大影响。

如果钢线张力较大，那么悬浮在钢线中的碳化硅粉将很难进入切割区域。因为张力较大，所以钢线很容易发生断线的情况。切割硅片钢线的直径通常在0.1-0.18mm间，这样细的钢线，一旦张力控制不好，势必会出现断线的问题。通常，将张力控制在±1N内。钢线张力太小，弯曲度就会增加，带砂能力下降，产生跳线，甚至出现线痕等各种残次品。因此，控制与反馈张力变化，一直是多线切割的关键步骤。

3.5 进给速度的影响

被加工物品切入钢线的速度，即：多线切割机进给，进给速度直接影响着机床加工与运作，所以进给速度成为机床用户与制造商非常注重的指标。一般情况下，切片机进给在0.2～0.4mm/min内，切方机与切断在1mm/min内。如果进给速度较大，工件与钢线压力也会随之增加，线弓增加，此时钢线很容易发生断线的问题，具体加工切片如图二所示。

4 小结

对硅片加工构成影响的因素不是单方面的，一台工作性能较好的多线切割机除了要拥有上述工作性能，还应该拥有良好的可靠性、简易性、先进性与科学性。

将多线切割机应用到生产中，对国内太阳能光伏与电子行业建设与发展都发挥了重大价值，拥有很好的应用空间。

参考文献

[1]姚春燕，唐晨，裘腾威，等.线锯切割中锯丝的高梯度磁场数值和理论分析[J].现代制造工程，2016，（02）：16-21.

[2]朱广.超声波振动辅助多线锯加工设备开发及实验研究[D].杭州：浙江工业大学，2015：37-37.

[3]陶大庆.光伏多晶硅片多线切割机理与工艺的研究[D].镇江：江苏科技大学，2013：11-13.

[4]贺欢欢.硅片线锯废砂浆中硅与碳化硅分离技术研究[D].南昌：南昌大学，2012：55-59.

[5]林峰，汪建平，傅建中.太阳能硅片精密切割技术及其特性研究[J].航空精密制造技术，2010，46（01）：12-15.

王永青，1986.08.09，男，汉，内蒙古，副总经理，助理工程师，大专（本科在读），单位：内蒙古中环光伏材料有限公司。