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1、金刚线切割技术调研报告1 引言在太阳能硅片切割工艺中，最重要的技术之一就是砂浆切割技术。砂浆切割技术是利用切割刃料碳化硅与切割液混合的砂浆喷落在切割钢丝组成的线网上，通过高速运动使砂浆中的碳化硅压嵌入紧压在线网上的硅棒即硅锭表面，形成三体磨料磨损，从而产生切割作用。目前国内外尤其是日本太阳能厂家试用在蓝宝石切割使用的金刚线切割技术引入到硅片线切割领域中。金刚线切割技术也被称为固结磨料切割技术。它是利用电镀或树脂粘结的方法将金刚石磨料附着在钢线表面，将金刚线直接作用于硅棒或硅锭表面产生磨削，达到切割的效果。金刚线切割具有切割速度快，切割精度高，材料损耗低等特点。切割线的技术突破是硅片加工成本下降
2、的最重要途径。金刚石线切割速度是普通钢线的2 倍，因此单位产量的折旧、人工和能源成本将降低一半。金刚石线的价格已大幅下降，应用前景大大增强。2 技术路线与优缺点2.1 设备的引进或改造2.1.1 设备的引进基于金刚线本身性能与普通钢线的差异，金刚线切割对切片机的设备提出了更高的要求。据了解，Meyer Burger最新推出DW288金刚线切割机在内蒙古调试试验，年底出试用报告。日本安永公司已有成熟的金刚线切割设备，型号为：TW-320C。日本NTC公司推出PV 500D/600D为金刚线切割设备，设备处于调试阶段。日本其他公司也有金刚线切割机产品。现有的主流设备在不进行改造的前提下，不能使用金
3、刚线切割。而MB,HCT在设计没有重点考虑双线切割问题,改造非常困难，当然MB也进行过设备改造后使用金刚线切割。NTC与PV800本身能进行双向切割，设备改造有一定的优势。2.1.2对切片设备改造主要有以下几个方面的难点。2.1.2.1切割供给系统的调整在金刚线切割的过程中，不需要高粘度、高密度的切割液。所以金刚线切割技术需要改善切割中的冷却液的供给方向。2.1.2.2 钢线排线系统和普通钢线相比，金刚线抗扭曲能力较差。因此需要根据导轮间距、主辊槽距等因素设计和改善线切割机钢线排线系统。2.1.2.3 软件控制系统相对于砂浆切割，金刚线切割可以实现更高的切割效率，这就需要通过对软件控制系统进行
4、升级。2.2 金刚线切割优缺点由于切割速度快，水基切割工艺切损硅料可回收等特性，金刚线切割是一个重点关注的切片技术。图1是Meyer Burger提供的传统锯线和金刚线的切片数据。对于传统金属线切片，切割速度为0.42mm/min，加工一块156*156的多晶硅块的切割时间为6.8小时，每天一台切割机能切6500片156*156的硅片；而金刚线切片，切割速度提高到1mm/min，加工一块156*156的多晶硅块的切割时间为3.6小时，一台切割机每天的产能提高到13800片。图1：Meyer Burger提供的传统线和金刚线的切片数据与传统的砂浆切割比较，主要有以下优缺点；2.2.1省去了砂浆
5、大大降低了用切割液的成本，对绿色生态能源与环境保护起到革命性变化。2.2.2更高的切割性能 使用金刚线切割后，单位产能非常大的提升，使单刀能耗降低。2.2.3与普通钢线切割相比更低的钢丝磨损 与普通钢线切割相比更低的钢丝磨损，单刀耗线量降低。2.2.4 金刚线切割后硅片与传统硅片比较图2：金刚线切割单晶8寸硅片图3：金刚线切割多晶8寸硅片与传统硅片相比，金刚线切割出来的硅片有以下特性：2.2.4.1 硅片表面布满锯痕，如图2与3所示；2.2.4.2 硅片的破裂强度降为浆液切割硅片的一半，浆料切割硅片能够承受150Mpa的应力，而金刚线切割硅片只能承受90Mpa；2.2.4.3 硅片微裂纹密度比
6、浆液切割硅片低很多。图4：（A)金刚线切割后硅片表面裂纹情况 (B)砂浆切割后硅片表面裂纹情况 与使用砂浆切割的硅片比较，使用金刚线切割的硅片具有低很多的裂纹密度。这是Meyer Burger在2010年西班牙瓦伦西亚举行的EU PVSEC 上报告的结果。2.2.4.4 切割后的硅片TTV更小。2.2.5 金刚线切割的缺点金刚线切片技术的推广，目前面临两大问题：一是金刚线制作成本太高，目前大约是每公里200美元，比大约1.5-2美元的标准浆液锯线要贵很多倍；二是目前金刚线切割更容易地用于单晶硅片的切割，切割杂质、位错密度较多的多晶硅块，断线的风险会增大，而光伏应用中，多晶硅片占主导地位。三是目
7、前国内金刚石线市场主要被国外公司垄断，中国制造相对空白。2.3电池工艺技术的变更图5为金刚线切割与砂浆切割的硅片SEM对比图。根据图片显示，金刚线切割与砂浆切割的损伤有较大差异。电镀金刚线切割以部分小深孔损伤为主，砂浆切割则是在整个硅片便面凹凸不平的损伤，金刚线切割的损伤更严重。需要电池工艺中硅片清洗制绒工艺做出相应的调整。 图5：（A）砂浆切割硅片表面显微图 （B）树脂金刚线切割硅片表面显微图3 金刚线切割机台3.1 TW320C日本安永公司研制的TW-320C型金刚石多线切割机,见图6。该机最高线速度900m/min,生产能力比游离丝切割机提高2倍以上，实现单晶TTV100um工件架620
8、/2*310mm金刚线直径100um线速25m/S切割液型号水（可选乙二醇）导轮直径270Mm台面面积包操作范围1.74m23.2.3闭路循环系统图8：闭路过滤系统 金刚线切割使用闭路循环过滤系统，使用水作为切割冷却液，使切割硅损回收成为一种可能。与没有过滤的金刚线切割工艺比较，成本至少降低六成半。4 金刚线切割主要辅料4.1 金刚线金刚石锯线是一种固态研磨工具，金刚石颗粒用电镀或者环氧基方式粘接在基线上，见图9。金刚石锯线分为电镀金刚石锯线和树脂结合剂锯线。树脂结合剂金刚石锯线是一种采用树脂作为结合剂,将金刚石磨粒固结于锯丝基体表面而形成的固结磨料锯线。树脂结合剂锯线制造方法与树脂结合剂砂轮
9、的制造类似,直接将含有金刚石磨料的树脂混合物涂敷在金属丝表面,经过干燥后再固化。相比电镀金刚石锯线,树脂涂层的剪切模量较低,锯丝的扭切强度基本不变,更重要的是树脂结合剂金刚石锯丝制作工艺简单,生产成本低,生产效率高。树脂结合剂金刚石锯线的制造工艺分为四个主要过程: （1）金刚石磨料与树脂配料；（2）基体表面预处理；（3）配料涂覆；（4）固化1。树脂结合剂锯线的耐磨性和耐热性不如电镀金刚石锯线好。电镀金刚石锯线是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒通过电镀的方式牢固地把持在钢丝基体上而制成的一种切割工具。电镀金刚石锯线具有切割效率高、锯切力小、锯缝整齐、切面光整、出材率高、噪音低，对环境污染小等优点2
10、。图9：金刚石锯线横向显微结构金刚线切割主要使用电镀金刚线，电镀金刚线由结构芯线、镀层、金刚石颗粒组成，其中芯线主要是切割钢丝，镀层主要是耐磨金属与树脂线的结合，如图10为Bekaert电镀金刚线截面示意图。 图10：Bekaert电镀金刚石锯线截面示意图Bekaert有多种规格型号的电镀金刚线，具体见表4。其中MD-100的外径已经达到普通切割钢丝的的外径为1203微米，但是金刚线根本无法变得更薄，主要受到芯线限制，芯线决定张力大小与金刚石难于镀细薄的锯线上4。金刚线切片现在主要是处于试用阶段。表4：Bekaert各种电镀金刚线规格型号参数项目MD-100MD-175MD-250单位芯线直径
11、100117512501m平均金刚线粒径 102030404050m破断拉力3038631703N外径120324053605m切割时，金刚石颗粒与硅体摩擦，使表面硅体以碎片形式被去除掉，对硅体形成切割作用，如图11所示。图11：游离磨料线锯和金刚石锯线切割原理比较图12：金刚石线锯磨削过程Meyer Burger公司使用示意图形式阐述金刚线切割原理图，见图12，金刚线高速运动，带动金刚石尖角磨削硅块，硅粉被带出硅块外面。图13：切割过程中金刚线变化不同的金刚石特性，镀层特性以及切割过程中的钢丝受力状态都会对切割性能产生影响，图13。4.2 切割液金刚线切割使用的切割液主要作用是冷却，所以主要
12、采取冷却水或油基冷却。使用水做切割液可以混合部分粘合剂，减轻清洗工序工作强度；另一个作用是切损硅料容易回收。油基冷却主要是乙二醇做切割液，原理上乙二醇基的切割方法也有助于硅料的回收，但是需要相对复杂的化学方法处理，提高了回收成本。5 金刚线切割未来发展趋势金刚线切割生产硅片市场前景广阔，常州天合、苏州协鑫、赛维LDK等国内大厂都进行了少量金刚线切割机台试验，但是目前国内还没有一家以金刚线切割技术作为硅片切割的生产工艺。其主要原因在于两点。一，金刚线切割工艺的引进还需要国外设备厂商对设备的改造；二，金刚线本身仍然需要进口。而进口金刚线价格高，造成生产成本的昂贵。随着MB.NTC等切片设备厂商技术
13、上的进步，同时国内金刚石企业如豫金刚石浙江昱辉等公司正在建设金刚石线项目，中国金刚线切割技术的普及还需要23年的时间。根据应用材料在西安峰会上的报告，预计在2013年国内部分公司可初步实现金刚线切割的量产。研发技术部刘凌云2012-7-31参考文献1 丛明辉,徐冬梅,齐 维,仝 宇. 树脂结合剂金刚石线锯研究进展. 金刚石与磨料磨具工程,2011,02(31):62-652 高伟，窦百香，李艳红，刘伟.电镀金刚石线锯的制造工艺研究. 工具技术,2009,43（7）：56-593 太阳电池硅片切割技术J中国太阳能光伏,2012(04)4 金刚石锯线J Photon international ,2011,5:258-263
