金刚石线锯简介

金刚石线锯晶片切割简介
传统砂浆切割设备在2010年的快速发展，由于砂浆中使用的主要原料聚乙二醇（PEG）其COD值较高，对于水体环境影响较大，环保政策逐步严苛。

国外金刚线的推广程度较快，从2010年开始，瑞士MB的DW288、日本NTC 的PV500D、东洋的T-8252B、安永的TW-320C、高鸟的MWS-4450DD等均推出了不同型号的金刚石线多线切割机。

例如日本有超过90% 金刚线切片如东洋、美国的MEMC、Sunpower ；
金刚线加工主要是静压使晶硅破碎，往复走线过程在晶硅表面形成刮擦状的非晶硅；形成脆性+塑性的独特的加工方式。

国内2012年随着环保政策的要求及金刚石线成本的降低，以及切割技术的进步，硅片厚度已经逐步从超过200um的水平逐步下降至180、160um的水平，硅片实验室切割水平硅片厚度已经可以达到140um，甚至更低的水平。

P型单晶普通电池和P型多晶PERC电池成本相当，单晶电池竞争力回升，多晶市场主导地位受到挑战。

多晶硅光伏产品行业目前也在加速推进金刚线切割多晶硅及制绒技术的研究与应用。

伴随电池技术进步，硅片薄片化是未来必然的发展趋势，通过薄片化可以降低硅片硅耗，提高硅片产量，进而降低硅片切割的硅成本。

金刚线切片技术在单晶加工领域获得了巨大的推广。

在成本和环保的双重压力下，国内多家单晶硅片生产公司如西安隆基、内蒙古中环、锦州阳光、卡姆丹克、申和热磁、晶龙等行金刚线切片。

多晶金刚线方面上海卡姆丹克、浙江昱辉、保利协鑫、晶科等公司进行传统砂浆切割设备的改造，有改造成功案例。

金刚线简介：
目前日本厂商凭借先发优势，并依靠在金刚石工具制造行业积累的技术优势，在高端市场占据较大份额，代表企业包括旭金刚石（AsahiDiamond）、中村超硬（nakamura）等。

日本的旭金刚石（AsahiDiamond）2007年6月就推出了成熟产品；美国Diamond Wire Technology (Meyer Burger AG)主要和梅耶博格公司合作。

国内主要为长沙岱勒、浙江瑞翌、杨凌美畅等厂家。

金刚石粉：其分级中SCMD-WD（金刚石线专用粉），采用高工艺、高强度MBD系列优质金刚石、经过特殊加工程序产生；产品形状较为规则，粒度分布较为集中，有效磨削颗粒集中，微粉颗粒强度高，杂质含量极低，具有良好的分散性、耐磨性。

适用于有机、无极脆性材料的切割、磨削、抛光。

树脂结合剂金刚石线锯是一种采用树脂结合剂将金刚石磨粒固结于线锯基体表面而形成的固结磨料线锯，其制作工艺简单，生产成本低，生产效率高。

在锯丝制造过程中,可以通过选择合适的添加剂种类和粒径、配比以及树脂结合剂的固化工艺来提高结合剂的强度和韧性。

树脂结合剂金刚石线锯的制造工艺分为四个主要过程：
（1）调和树脂液
（2）金刚砂固定工序（金刚石磨料与树脂配料）
①基体表面预处理、涂抹树脂液；②配料涂覆、树脂液半硬化处理；
③检测④卷线
（3）烘烤固化。

电镀金刚石线：以超硬材料作为分散微粒，与金属形成的复合镀层，称为超硬材料复合镀层。

超硬材料复合镀层结构，比一般复合镀层更复杂一些，包括底镀层、上砂镀层、加厚镀层和光亮镀层四个组成部分。

优化部分例如美畅通过柔性高耐腐蚀的电镀技术降低了切割前后的拉紧、扭转等的强度，不容易发生断线。

瓦特镀液具有组成简单、镀液稳定、易于操作和维护、耐蚀性较好等优点，并在溶液中加入一些添加剂可得到光亮或者半亮的镀层，是应用最为广泛的一种镀镍液。

试验中的电镀参数如添加剂成分
、电流密度、温度、搅拌等都会对金
刚石切割线的制造产生影响。

金刚线质量提升：除了基材质量的稳定，金刚石的选型、破碎力、线密度、附着力对于晶片加工起着至关重要的作用。

金刚线对切割质量的影响：电镀线厚度的影响及金刚石颗粒密度的影响；见下图（由英利公司提供）
例如美畅提出将金刚线指标控制在：金刚石颗粒数±10％、颗粒均一性±20％、颗粒的突出量；±10％，实现ＴＴＶ控制在9μm以内的切割性能；
金刚石线的线径变化趋势（中村超硬提供），从2012年的120μm线径降低至2017年的60μm；而且随着金刚石专用切片机的改进，加工周期缩短一半。

由于金刚石选型的不同及基线的性质差异，现将等效厂家提供的金刚线信息列举如下，
品质较好的金刚线，其等效外径相对较小；破断拉力与韧性平衡，切割硅片表面线痕及TTV较好。

下一代金刚线研发方向：类似于螺旋线，其线密度金刚石的周期密度更好；
冷却液&消泡剂
金刚线晶片加工存在以下问题：
1、润滑和润湿性不佳，导致线痕加深、碎片、裂片率高；
2、泡沫高，切割中易溢出，需额外添加消泡剂；
3、使用消泡剂不当，导致切割后的硅片难清洗，易产生色差；
4、不易生物降解，使用后的COD值过高；
生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）地面水体中微生物分解有机物的过程消耗水中的溶解氧的量，称生化需氧量，通常记为BOD，常用单位为毫克/升。

水体中能被氧化的物质在规定条件下进行化学氧化过程中所消耗氧化剂的量，以每升水样消耗氧的毫克数表示，通常记为COD。

多线切割加工的微粉（例如硅粉），其中值粒径在2μm左右，微粒越小其比表面积越大；由于其悬挂键较多，表面活性较强；能够在常温下与水发生反应。

Si + 3 H2O === H2SiO3 + 2 H2生产氢气产生气泡。

随着切割的进行微粉含量的逐步增加，气泡的产生速率会升高。

冷却液：金刚线切割冷却液的主要成分是表面活性剂、分散剂、消泡剂和水等成分。

性能优良的切割液具有良好的悬浮性、分散性和易清洗性。

表面活性剂通常都能够有较好的亲水性，在硅片清洗过程中比较容易清洗掉。

这些助剂在水中不断搅拌和循环会产生大量的泡沫，导致冷却液流量下降，冷却性能受到影响，泡沫严重甚至会出现泡沫溢出等问题，严重影响使用。

例如高特、辽邦、向鼎等。

另一种冷却液采用新型的消泡剂，可以与主体成分很好的配伍，不需要补加，能够有效的定量控制其用量，可有效防止过量使用，操做起来也非常方便，配合适当的清洗工艺，其残留物可以控制到很低水平，日本和国内少数厂家采用此种
配方体系，但由于其原料成本较高，其价格优势并不明显。

国内例如常州聚鑫化工科技的高效金刚线冷却液。

1) 消泡能力强，用量小，迅速消除、高效抑泡
2) 优秀的的渗透性、分散性
3) 表面张力小、表面平衡性好
4) 化学性能稳定、耐氧化性强
5) 硅片表面无残留、易清洗、有益于后续制绒
6) 无气味、不腐蚀金刚线
安美金刚线切割液GP500，具有润湿性能好、泡沫低、易于生物降解等优点，有效提高切割良率和效率，降低生产成本。

功能性绿色表面活性剂的金刚线切割液GP500使用优势
1）泡沫低——GP500切割时无需添加消泡剂，泡沫始终保持较低的高度，去溢出风险。

2）硅片易清洗、洁净度高——硅片粘胶面无黑色残留印记迹，表面洁净度高；清洗后粘胶面无任何脏污残留。

3）切割良率高、线痕小——使用GP500能够给切割后硅片带来以下好处：提高综合良率、降低碎片率，降低TTV/线痕、降低色差/缺角。

4）极大降低切割成本。

Aquaslice-R金刚线切割液由美国PRP公司针对太阳能硅片切片应用而研发的一款金刚线切割液表面张力(Neat Dynes/cm) 25-30；COD<60mg/L，BOD<10mg/L。

粘接树脂板：
新型铝粉树脂板材由于添加了超过57%的氢氧化铝，硬度（邵氏D）可达到92~96，可以有效控制切割中崩边、亮边、硅落的产生。

而主料合成树脂采用耐高温材料，在120℃下不易变形，大大减少了切割、脱胶过程中因树脂板变形带来的硅片掉片、崩边；长板平整度<0.5mm。

膨化板：例如前海瑞昌新材料有限公司生产的专用垫板，具有
①膨化网状结构；比重轻，便于切透；
②使用过程不沾附钢线，可以提高切割速度，降低钢线消耗量；
③便于沉淀及分级回收；
粘接胶水：
双组份环氧树脂胶针对金刚线切割的特点进行了改良，具有操作时间适中，易操作，固化快，可快速上机等特点，对各种工艺均有较好的适用性;中道切割中具有硬度高（邵氏D 90~92）、柔韧性好等特点，可有效控制崩边、硅落；在后道脱胶清洗中具有易脱胶、脱胶后胶丝无残留，硅片粘胶面比较清洁等特点。

金刚石线锯专用机：
传统砂浆线切割大部分采用的是单向切割，而金刚线切割普遍采用的是双向切割。

传统砂浆线切割的线速度为12-15m/s，加速度为2-4m/s²；金刚线切割线速度为20-33m/s，加速度为5-8m/s²，金刚线切割的线磨损小，双向切割充分提高了金刚线的利用率，提高了切割效率。

高线速度、高加速度及高进给速度下线网的运转稳定性是影响切割质量的关键因素。

金刚线切割机的主辊设计更加紧凑，缩小中心距和减小主辊直径，以缩短金刚线跨距，提高线网运转稳定性。

例如日本NTC PV系列主辊间距最小做到365mm，
小于梅耶博格的主辊间距380mm。

主辊直径变小的负面影响：
（1）转速过高：线速度不变，直径变小，主辊转速就会变大，对动平衡要求高，速度过快，对主辊表面涂层寿命等都会带来负面影响；
（2）主辊变形大：主辊直径变小，对受力影响较大，主辊变形量变大，影响切割精度。

（3）主辊应力大：主辊受力不变，直径变小，会导致主辊的应力变大，主辊设计难度加大。

主辊长度对切割效果的影响：
（1）主辊受力变大，其变形量也相应增大，影响切割精度。

（2）轴承座受力变大，对轴承的承载能力提出更高要求。

需要选用较大型号的轴承，轴承座的尺寸大小会直接影响主辊的中心距。

主辊越长，其变形量相对增大；实心的主辊比空心的主辊变形有大幅降低。

但实心主辊的大惯量对频繁加减速是个不利因素。

轻量化、高刚度的主辊是未来发展的趋势。

目前国内金刚线切片专机主要供应商为大连连城、无锡上机、青岛高测、常州贝斯塔德等厂家。

加工工艺：最高线速度的设定取决于条件有以下几个主要方面：
1、设备出厂设计的最高转速(考虑设备排线精度、长时间运转精度、切割产品需求性)
2、工艺需求的匹配性(切割晶体的厚度、单双向、工艺补益)
3、设备的持续稳定性。

占市场较大份额的机型基本为NTC 、MB、大连连城、青岛高校、无锡上机，大多数厂家工艺最高线速度运行也均是按照设计最高速度70-85%之间运行；2016年金刚线专用设备最高线速度为1500-1800m/min。

常规切割工艺线速度设定的变化曲线图
1、较多厂家的使用经验来分判工艺，基本为前低后平；
2、最高线速度和最低线速度的差距保证在10-20%；
3、最低线速度只出现晶棒前端10%或者尾端20%区域。

送线距离和回线距离(供线、回线或前进、后退)送线距离和回线距离其实是与线速度想密切相关的数值，送线距离和回线距离决定可以决定周期数、新线供给量等其他参数。

新线供给量与周期数：周期数=60/((送线距离+回线距离)/线速度*60+主轴加速+主轴减速+主轴停止时间*2))每分钟新线供给量=送线距离-返现距离*周期数；往复切割导致平均线速达不到最高线速，通过增加走线量实现提高平均线速的目的。

周期数只针对对双向切割来说的一个参数，即使单次运行时间或者大多数人的1min运行几个往返次数。

新线供给量：根据切割位置变化和需要适量提高切割能力的需要，所增加的钢线耗量。

前进回退百分比：送线距离和返回距离之间值接近50%，切割效果越好。

平均速度：平均掉周期运数下导致频繁加减速及其停止时间降低和的时间后的平均速度，平均速度才是切割过程的重要参数。

硅片线切割的工艺的一个不断需要积累经验，并在试验过程中做好各项数据的收集工作，不断总结。

二、工艺参数的调整把握程度。

参数设置上下限范围较大：
1、台速的设定可0.1mm/min-400mm/min；
2、线速度从0.1m/s到31m/s。

3、流量从10-240L；
4、周期数2.5-0.7回/min；
5、切割位置的设定，步骤的多少。

工艺步骤设定原则：一般考虑后期线弓较高需要进行调整，在120-150mm 切割高度，工艺分段较细便于工艺调整。

进给速度也就是决定影响单刀切割时间的关键数据。

影响最大进给速度主要三项：（1）切割晶体的差异(单晶、多晶等)；（2）钢线类型。

(树脂金刚线、电镀金刚线) 及质量（线径、金刚砂的粒径及密度）；（3）机台硬件结构（主辊间距、导轮直径）示例：
不同进给位置时设定进给速度的曲线基本是先低中高尾低，如下图所示：
在机台硬件固定的情况下，切割的加工速度取决于金刚线的质量；缩短加工周期的主要途径为：（1）切割末期进给速度根据线弓及色差进行微调，尽可能降速的距离较短；（2）调整新旧线用量（距离）、回线比例（平均线速），平衡用线量及切割周期。

在机台硬件固定的情况下，切割的加工速度取决于金刚线的质量；对于单晶而言：电镀金刚线最快的加工周期小于2小时，多晶的加工周期在2.5小时。

树脂线2015年降低至单片3m以内；加工周期小于4个小时；
金刚线还会越来越细，梅耶博格公司负责金刚线切割机开发的切片产品经理Christoph Eggimann解释道避免金刚线之间直接摩擦，确保线耗量最低。

金刚线价格昂贵，占去了大部分的运行成本。

当金刚石磨损后，金刚线的切割效率会降低。

在传统线匝上，金刚线层层缠绕，这无疑会加快金刚石的损耗。

Christoph Eggimann表示：“在专门设计的工作线匝上，金刚线只在同一层中并排缠绕（金刚线管理系统（DWMS）。

这样不仅避免了金刚线之间直接摩擦，金刚
线的性能也提高了超过50%。

众所周知，锋利的金刚线切割效果更好，速度也更快。

”
进一步提升加工速度主要为：设备硬件的升级例如最大走线速度提升至33-35m/s，导轮使用复合材料（轻质化，强度更高），轴间距更近例如小于360mm。

设备导轮径向跳动小于15微米，整体稳定性更高。

金刚线加工质量相对砂浆的：
硅片表面质量调整：
崩边调整：
率相关
加⼯后的切割液：切割液(纯⽔ & 添加剂) 分析 : 参考铜含量 < 3 mg/kg 、铁含量 < 3 mg g /k 、镍含量 3 mg/kg 。

主要与线径及磨损量、耗线量相关。

金刚线切割硅粉回收
金刚线切片的废水回收使用符合环保趋势，能够降低切割液及水的消耗；便于后期的硅粉处理。

无锡宝德金独立研发的BDJ----8金刚线硅片切割液在线回收系统具有以下几大特点：
1. 全自动，可实现无人值守。

独特的系统设计，将传统的压滤系统中需要人工操作的部分全部采用机械操作，且稳定性高。

2. 避免了传统压滤机的人工卸料、卸料时间长。

宝德金采用独特的技术，使硅粉可以自动从过滤机中传送出来，且滤布无残留。

3. 滤布可以在线清洗，且更换只需2分钟。

4. 硅粉含水量低至27%以下。

5. 硅粉分离温度低，硅粉氧化程度低，硅含量提升。

采用独特分离技术，避免
了传统压滤过程中温度过大，造成硅粉氧化，不易更深层次利用。

6. 采用大循环系统，有效提高切片刀数，切片合格率，降低断线率。

7. 搭配国内顶级陶瓷膜系统，切片更无忧。

金刚线切割多晶硅主要存在两大难点：一方面，铸锭晶体中存在的硬点可能会在切割过程中造成断线；另一方面，损伤层浅，难以沿用现行酸性湿法制绒技术制备减反射绒面，硅片表面反射率偏高。

随着多晶硅锭杂质控制技术提升、树脂线质量提升和金刚线价格下降，断线问题及相应的额外成本可以得到解决。

金刚线切割多晶硅片表面反射率偏高可以通过黑硅制绒技术解决，目前接近产业化的黑硅制绒技术主要有湿法和干法两种。

制绒工艺匹配：
由于单多晶的差异：晶向、晶界、位错密度，涉及到切割速率和碎片率；杂质含量涉及到硬质点及切割稳定性（非均质、孔洞）；
不同工艺对于绒面的处理，表面质量的兼容度不同；金刚石线切割多晶硅在富HNO3溶液中腐蚀最先会出现在机械损伤严重地带，最终在多晶硅片表面产生不同的腐蚀坑；其形状和分布沿着划痕方向条状分布且存在粗糙区、凹坑、平行断续线痕等不同形貌。

常规酸制绒工艺表面反射率在远大于砂浆切割方式的硅片，导致光学吸收损失较大。

多晶片加工裸片反射率常规酸制绒
砂浆28-32% 21-24%
金刚线45-52% 28-33% 较为成熟的处理方案包括：反应离子刻蚀和金属辅助催化腐蚀法。

此外是针对金刚线的制绒添加剂——使用添加剂来改善多晶硅腐蚀后硅片表面形貌，以降低腐蚀量并实现硅片表面腐蚀结构均匀致密。

三种多晶制绒添加剂的优劣对比见下表：
主流的几款多晶制绒添加剂产品，目前来看，市面上的多晶制绒添加剂大致可分为以下三种：（1）电离平衡型：利用弱酸或者附加氧化剂，利用电离平衡原理，控制制绒液中H+浓度或NO2-浓度，一般为抑制作用，通过降低反应速度速度的方式来提高绒面均匀性，这些物质可以是CH 3COOH 、H 3PO 4和H 2SO 4等。

（2）表
面张力型：利用表面活性剂能降低制绒液表面张力，提高制绒液在硅片表面的铺展性，从而使制绒反应更加均匀；代表企业有：三峰、润阳。

（3）有机模板型：利用表面活性剂在硅片表面的吸附特性，表面活性剂在改善绒面均匀性的同时起到模板剂的作用，形成大绒面嵌套小绒面的复式绒面；代表企业有：时创、道乐、合德丰。

SCHMID的DW PreTex设备采用氟化氢／硝酸（HF/HNO3）化学溶剂取代离子制绒技术（plasma etching）来进行金刚线切多晶硅片的表面制绒工艺，用于硅片的表面粗化工艺；或者也可与其他制绒设备组合成整体产线；具体而言，采用DW PreTex设备进行表面制绒工艺后，金刚线切多晶硅片的表面反射率可降低到23%以下。

具体效果需要设备量产稳定性来验证。

不同技术绒面比较：协鑫提供
技术方案比较
（1）RIE技术成熟，成本投入大，性能增益大；
（2）MACE成本投入次之，性能增益次之，缺乏产业化数据；（3）直接添加剂方案无设备投入，只增加添加剂成本，见效快；比较理想的表面：。