一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法与流程

本发明涉及多线切割太阳能级硅片的方法，特别是一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法。

背景技术：

太阳能是一种可再生的清洁能源，其应用领域越来越广泛，光伏发电就是最重要的领域之一，根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能。硅片是太阳能电池的重要组成部分，目前硅片的制备工艺几乎都是采用一种多线切割的方法将晶体硅棒切割成所需厚度的硅片。多线切割主要分为两种：(1)游离磨粒切割，即用细丝钢线带动粒径为8-20um的sic浆液，实现对晶体硅的磨削切割，又称砂线切割；(2)固结磨粒切割，即先给细钢线上电镀一层直径8-16um或6-12um的金刚石微粒，然后用电镀好的细线切割晶体棒，又称金刚线切割。随着技术的改进，市场需求越来越大，砂线切割效率低，且切割过程中使用的油性切割液对环境造成严重的污染，因此砂线切割已经逐渐被淘汰。金刚线切割由于切割效率高，成本低，环保压力小而迅速受到市场青睐。然而，采用现有的金刚线及切割工艺，每切割一个工件，所需要的时间为3-4小时甚至更高，这无论是从企业盈利方向，还是从市场需求来看，效率还是不能满足要求。

中国专利文献cn104476686b公开了一种使用超高密度金刚石线切割太阳能级硅片的方法，其包括如下步骤：(1)粘棒固定；(2)安装超高密度金刚石线；(3)线切；(4)清洗检测。该专利采用超高密度金刚石线切割太阳能级硅片，提高硅片质量和设备产能，然而该专利切割一个工件需要3小时左右，生产效率低，难以满足目前市场快速需求的状态。

中国专利文献cn106217665a公开了一种超细钢线切割超薄硅片方法，其包括如下步骤：(1)主轴开槽；(2)粘棒；(3)配置冷却液；(4)切割；(5)下料；(6)脱胶、清洗；(7)检测。该专利采用60um母线金刚线在日本安永tv600最新切片机型上切割，线速1600m/min，主切割速度1.1-1.3mm/min，推算切割时间为2.5小时左右。同时需要指出的是，该机型的各项参数比目前行业主流机型高很多(例如线速度1200m/min低于该机型的1600m/min)，如果按该专利方法在普通机型上应用则切割时间可能会达到3.5小时左右。

目前市场上的电镀金刚线在保证产品品质不受影响的情况下，很难在2小时以内完成对8.4inch、650mm长晶体硅棒的顺利切割，更进一步说要想在1小时内顺利切割时非常困难的。本申请人在申请号201710386263.4中提供了一种将切割速度提高至现有技术的2～3倍，并采用改进的逐渐递进或先反向后正向的切割方法进行切割，并调整切割过程中冷却液在开始切割时调节到最小或者关掉，切割一定深度后再调节到合适流量，缩短切割时间，保证了切割品质。然而，该专利切割时间仅缩短到1.5～2h，还未能实现在1h内完成切割。

上述问题的主要原因是电镀金刚线高效切割必须要提高切割速度，从而带来线弓的增加。1)在切割时间＜2h时，带来线弓明显增加，到设备最大行程时(切割结束时)线弓依然较大，进而导致切不透，最终需要通过增加更多新线量供给、更多切割时间才能完成剩余切割；2)在切割时间≤1h时，带来线弓快速增加，同时带来设备负载迅速增加，从而大幅度增加了断线率与设备隐患，根本无法顺利切割。为避免上述第1种情况线弓大带来的不利，通常的做法就是采用低切割速度或者增加更多的新线供给量，带来结果为：切割时间不减反增，扩大了切割过程中发生断线的时间范围，带来硅片表观质量下降，成本增加，生产率下降。针对第2种情况，目前未了解到行业内能够实现1h内切割的相关信息，即行业内目前还没有1h内的切割方法。

本发明对金刚线多线切割的切割机理、线弓形成、镀层特征、金刚线疲劳损伤的新颖观点设计快速切割方法，所述快速切割方法是将开始切割、结束切割的切割速度提高为现在的2-3倍，目的是快速形成线弓，以便能够发挥金刚线切割力；所述切割方法主要是对金刚线单位时间内的供给分配，采用先正后反的方式切割，增加切割工艺总需求线量，同时多用旧线切割，目的是减少了单位长度金刚线的有效加工时间，从而降低金刚线疲劳损伤；同时要求金刚石颗粒镀层厚度具有薄、易破损特征，便于切割时快速露出金刚石切割刃。采用本发明切割方法能够大幅提高产能，改善品质，降低成本，能够在1h内完成对8.4inch、650mm长硅棒的加工。

技术实现要素：

针对现有技术中电镀金刚线切割硅片效率低的问题，本发明提供一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法。采用本发明切割方法能够在1h以内完成对8.4inch、650mm晶体硅棒的顺利切割。

术语解释：

ttv：totalthicknessvariation缩写，单张硅片上各个测试点厚度的最大厚度值与最小厚度值的差值。

破断张力：金刚线在静态拉力试验机上，被拉断时的力。

切割张力：金刚线以螺旋方式缠绕在切割主辊上，切割时给张力控制器设定一定的力，且切割张力＜破断张力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法，包括如下步骤：(1)粘棒，(2)上料，(3)配制切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脱胶、清洗，(7)检测、包装；

所述步骤(1)粘棒：将燕尾与树脂板、树脂板与硅棒用粘胶粘接；

所述步骤(2)上料：将步骤(1)中粘接成的整体通过燕尾装到上下料工装上，送入切片机；

所述步骤(3)配制切割液：将切割液、消泡剂、水按照质量比为1∶1∶200～1∶0.5∶350混合均匀后，倒入切割液缸中；

所述步骤(4)切割：所述切割由切割机架带动硅棒向电镀金刚线网移动，同时主辊带动电镀金刚线网作往复运动实现切割，切割过程中，电镀金刚线的线速度为1300-1500m/min，工件切割速度为1-4.5mm/min，所述电镀金刚线上金刚石颗粒镀层厚度为3-5um，切割过程中，电镀金刚线采用先正向进给后反向进给的方式，每个工件开始加工时，先向收线轮进给3-5km电镀金刚线。

进一步，所述电镀金刚线上金刚石镀层厚度为2-4um，更优选为2-2.5um。

进一步，所述工件切割速度分为三部分：进刀切割速度为1.5-3.5mm/min，主切割速度为3-4.5mm/min，出刀切割速度为1.0-1.5mm/min。

进一步，所述工件切割速度分为三部分：进刀切割速度为1.5mm/min；主切割速度为3mm/min；出刀切割速度为1.5mm/min。

进一步，所述先正向进给后反向进给的方式为电镀金刚线以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，当电镀金刚线切入工件位置100～140mm后，电镀金刚线又以往复切割方式从主辊的末端向着头端行走，所述每个往复过程电镀金刚线在主辊的槽里都是螺旋行进，所述正向进给所需电镀金刚线总量(切割一定深度所需要的总线量)≥反向进给所需电镀金刚线总量(切割剩余深度所需要的总线量)，更优选为正向进给所需电镀金刚线总量＝反向进给所需电镀金刚线总量。

进一步，正向进给切割时，新线供给量90-120m/min，每个循环中新线供给600-700m，旧线返回500-600m。

进一步，反向进给切割时，旧线供给量130-200m/min，每个循环中新线供给500-700m，旧线返回700-850m。

进一步，正向进给切割与反向进给切割交接的切深位置按照程序切割位置划分，位置选为切割深度100-140mm，优选为切割深度120-140mm，所述程序切割位置是指总的切割深度，为161-168mm。

进一步，所述步骤(4)切割过程中，切割设备中采用直径为70-80um的电镀金刚线作为切割线，电镀金刚线的破断张力为16-23n，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度300-450颗/mm，金刚石颗粒直径为5-16um，金刚石颗粒出刃高度为4-7um，切割过程中，电镀金刚线的切割张力为11-14n，切割液温度为18-20℃。

进一步，所述电镀金刚线上金刚石颗粒直径为8-16um，进一步为6-12um，更进一步为6-8um。

进一步，所述步骤(6)中脱胶是将切割后的硅片浸泡在热水或草酸或乳酸溶液中进行脱胶。

本发明与申请号为201710386263.4中的观点一致，认为多线切割硬脆材料，对于切割工具—金刚线来说，如果要形成切入深度，那么线弓的存在正是金刚线发挥切割能力的必须条件，换句话说对于金刚线切割过程中，当没有线弓存在时，也就没有切割能力，也就不存在去除材料的过程。所以本发明同样认为要想切割的快，需要让金刚线从切割一开始(进刀)形成较大的线弓，以及切割即将结束具有较大线弓(出刀)，即进刀速度与出刀速度至少是现在的2倍。

同时，本发明认为引起线弓增加的原因除了通常认为的金刚线上金刚石脱落与磨损带来的切割力下降外，还应该考虑到金刚线切割属于柔性刀具，连续工作时间越长，带来的疲劳损伤也越大，尤其适用更细的金刚线，如线径≤70um时，本身的设定切割张力就会比粗线小，如果加上长时间的工作疲劳，将进一步增加切割中的线弓，表现出的结果就是看似切割过的旧线上金刚石很多，但就是切不动。为此，基于这种理论，金刚线切割工件也需要缩短切割时间。

本发明除提高进刀速度和出刀速度的改进外，还有以下两方面的改进，一方面本发明所选用金刚线要求金刚石镀层厚度具有薄、易破损特征，所述镀层薄的条件是金刚石能够被牢固的镀在母线基体上；所属易破损指的是金刚石表面包裹的镍层具有“龟裂”形貌，在切割受力瞬间容易因应力集中而将包裹的镍层磨损掉，便于迅速发挥出金刚石的切割力。另一方面本发明所述切割方法是通过大幅增加工艺用线量，同时多用旧线切割，目的是减少了单位长度金刚线的有效加工时间，从而整体降低金刚线磨损量。所述工艺用线量指每个循环中，新线供给量与旧线返回量均很大，差值也大；所述每个工件的整个切割过程中，正向进给的总的新线需求量与返回总的旧线量均很大，但差值很小。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的切割方法依据金属疲劳损伤原理，通过大幅增加切割过程中工艺用线量，让更多的旧线参与切割，能够降低单个工件的新线需求量，也能够减少单位长度金刚线切割硅材料的量，从而降低单位长度金刚线疲劳度。

(2)本发明所选用金刚线的金刚石镀层厚度具有薄、易破损特征，金刚石表面包裹的镍层具有“龟裂”形貌，在切割受力瞬间因应力集中而容易将包裹的镍层磨损掉，便于迅速发挥出金刚石的切割力。

(3)本发明采用直径为70-80um的电镀金刚线作为切割线，在切割过程中，进刀切割速度为1.5mm/min；主切割速度为3mm/min；出刀切割速度为1.5mm/min，能够实现在1h内顺利完成切割。

附图说明

图1为本发明硅棒切割示意图；

图2为本发明实例1中所用80um电镀金刚线的电子显微照片；

图3为本发明实例2和3中所用70um电镀金刚线的电子显微照片；

图4为本发明实例2切割出来的硅片照片；

图5为本发明实例3切割出来的硅片照片；

图中：1-燕尾，2-树脂板，3-硅棒，4-电镀金刚线网，5-主辊。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例中所用切割液为常州高特新材料有限公司生产的硅片切割液，所用消泡剂为东莞市德丰消泡剂有限公司生产的消泡剂，也可以选用巴索国际贸易(上海)有限公司生产的切割液，所用环氧树脂ab胶为市购产品。

一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法，包括如下步骤：(1)粘棒，(2)上料，(3)配制切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脱胶、清洗，(7)检测、包装；

将燕尾1与树脂板2、树脂板2与硅棒3用环氧树脂ab胶粘接；将粘接成的整体通过燕尾装到上下料工装上，送入切片机；将购买的高特切割液、德丰消泡剂、水按照质量比例1∶0.5∶350混合均匀后，倒入切割液缸中，备用。

图2为本实施例中所用电镀金刚线的电子显微照片，本实施例中采用直径为80um的电镀金刚线作为切割线，如图2所示，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度为300±20颗/mm，金刚石颗粒直径为10±1um，金刚石颗粒出刃高度6.5um，金刚石镀层厚度为3.5um。

在工件开始加工时，先向收线轮进给3.8km电镀金刚线。切割过程中，电镀金刚线的切割张力为14n，电镀金刚线的线速度为1300m/min，进刀切割速度为1.5mm/min；主切割速度为3mm/min；出刀切割速度为1.5mm/min，切割液温度为20±1℃，如图1b所示，切割过程中，燕尾1与硅棒3形成的整体在切割机架的带动下向电镀金刚线网4移动，同时主辊5带动电镀金刚线网4作往复运动实现切割，切割过程中电镀金刚线网4以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，当电镀金刚线切入工件位置120mm后，电镀金刚线又以往复切割方式从主辊的末端向着头端行走，所述每个往复过程电镀金刚线在主辊的槽里都是螺旋行进，所述正向进给所需电镀金刚线总量(切割0-120mm深度所需要的总线量)＞反向进给所需电镀金刚线总量(切割120-165mm深度所需要的总线量)，具体的是，正向进给切割时，新线供给总量3.8km，正向进给切割中的每个循环中新线供给650m/min，反向进给切割时，新线供给总量3.7km，反向进给切割中的每个循环中反线供给700m/min。

本实施例中，总的切割深度为164mm。

在本实施例中，所述脱胶、清洗：将切割后的硅片浸泡在热水中脱胶；将硅片经过不同的酸碱工艺槽进行清洗，清除附着的杂质、金属离子、硅粉等，保持硅片表面的洁净，清洗工艺为本领域的现有技术。

在本实施例中，所述切割设备中的主辊圆周表面涂覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，弹性材料上设置有细微的槽子，金刚线就绕在这些槽内。

利用本实施例的切割方法加工尺寸为8.4inch、长650mm的硅棒，加工时间为60min，比现有技术的切割效率有很大的提高。本实施例的切割用线分配表、切割实验数据如表1和2所示：

表1实施例1切割用线分配表

表2实施例1切割数据表

实施例2

一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法，包括如下步骤：(1)粘棒，(2)上料，(3)配制切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脱胶、清洗，(7)检测、包装；

将燕尾1与树脂板2、树脂板2与硅棒3用环氧树脂ab胶粘接；将粘接成的整体通过燕尾装到上下料工装上，送入切片机；将购买的高特切割液、德丰消泡剂、水按照质量比例1∶1∶300混合均匀后，倒入切割液缸中，备用。

图3为本实施例中所用电镀金刚线的电子显微照片，本实施例中采用直径为70um的电镀金刚线作为切割线，如图3所示，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度为430±20颗/mm，金刚石颗粒直径为8±1um，金刚石颗粒出刃高度5.8um，金刚石镀层厚度为3.5um。

在工件开始加工时，先向收线轮进给3.5km电镀金刚线。切割过程中，电镀金刚线的切割张力为11.5n，电镀金刚线的线速度为1400m/min，进刀切割速度为1.6mm/min；主切割速度为3mm/min；出刀切割速度为1.2mm/min，切割液温度为18±1℃，如图1b所示，切割过程中，燕尾1与硅棒3形成的整体在切割机架的带动下向电镀金刚线网4移动，同时主辊5带动电镀金刚线网4作往复运动实现切割，切割过程中电镀金刚线网4以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，当电镀金刚线切入工件位置130mm后，电镀金刚线又以往复切割方式从主辊的末端向着头端行走，所述每个往复过程电镀金刚线在主辊的槽里都是螺旋行进，所述正向进给所需电镀金刚线总量(切割0-130mm深度所需要的总线量)等于反向进给所需电镀金刚线总量(切割130-165mm深度所需要的总线量)，具体的是，正向进给切割时，新线供给总量4km，正向进给切割中的每个循环中新线供给700m/min，反向进给切割时，新线供给总量4km，反向进给切割中的每个循环中反线供给750m/min。

本实施例中，总的切割深度为164mm。

在本实施例中，所述脱胶、清洗：将切割后的硅片浸泡在草酸中脱胶；将硅片经过不同的酸碱工艺槽进行清洗，清除附着的杂质、金属离子、硅粉等，保持硅片表面的洁净，清洗工艺为本领域的现有技术。

在本实施例中，所述切割设备中的主辊圆周表面涂覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，弹性材料上设置有细微的槽子，金刚线就绕在这些槽内。

利用本实施例的切割方法加工尺寸为8.4inch、长650mm的硅棒，加工时间为60min，比现有技术的切割效率有很大的提高，且如图4所示，为本实施例切割成品的硅片照片，表面平整。本实施例的切割用线分配表、切割实验数据如表3和4所示：

表3实施例2切割用线分配表

表4实施例2切割实验数据

实施例3

一种超高效电镀金刚线快速切割硅片的方法，包括如下步骤：(1)粘棒，(2)上料，(3)配制切割液，(4)切割，(5)下料，(6)脱胶、清洗，(7)检测、包装；

将燕尾1与树脂板2、树脂板2与硅棒3用环氧树脂ab胶粘接；将粘接成的整体通过燕尾装到上下料工装上，送入切片机；将购买的高特切割液、德丰消泡剂、水按照质量比例1∶1∶300混合均匀后，倒入切割液缸中，备用。

如图3所示，为本实施例中所用电镀金刚线的电子显微照片，本实施例中采用直径为70um的电镀金刚线作为切割线，如图3所示，所述电镀金刚线上金刚石颗粒密度为430±20颗/mm，金刚石颗粒直径为8±1um，金刚石颗粒出刃高度5.8um，金刚石镀层厚度为3.5um。

在工件开始加工时，先向收线轮进给4.5km电镀金刚线。切割过程中，电镀金刚线的切割张力为12n，电镀金刚线的线速度为1400m/min，进刀切割速度为2mm/min；主切割速度为4.5mm/min；出刀切割速度为1mm/min，切割液温度为18±1℃，如图1b所示，切割过程中，燕尾1与硅棒3形成的整体在切割机架的带动下向电镀金刚线网4移动，同时主辊5带动电镀金刚线网4作往复运动实现切割，切割过程中电镀金刚线网4以往复切割方式从主辊的头端向着末端先行走，当电镀金刚线切入工件位置135mm后，电镀金刚线又以往复切割方式从主辊的末端向着头端行走，所述每个往复过程电镀金刚线在主辊的槽里都是螺旋行进，所述正向进给所需电镀金刚线总量(切割0-135mm深度所需要的总线量)＞反向进给所需电镀金刚线总量(切割135-165mm深度所需要的总线量)，具体的是，正向进给切割时，新线供给总量4.5km，正向进给切割中的每个循环中新线供给750m/min，反向进给切割时，新线供给总量4.4km，反向进给切割中的每个循环中反线供给850m/min。

本实施例中，总的切割深度为165mm。

在本实施例中，所述脱胶、清洗：将切割后的硅片浸泡在乳酸中脱胶；将硅片经过不同的酸碱工艺槽进行清洗，清除附着的杂质、金属离子、硅粉等，保持硅片表面的洁净，清洗工艺为本领域的现有技术。

在本实施例中，所述切割设备中的主辊圆周表面涂覆有厚度15mm、邵氏硬度90-98的聚氨酯材料，弹性材料上设置有细微的槽子，金刚线就绕在这些槽内。

利用本实施例的切割方法加工尺寸为8.4inch、长650mm的硅棒，加工时间为60min，比现有技术的切割效率有很大的提高，且如图5所示，为本实施例切割成品的硅片照片，表面平整。本实施例的切割用线分配表、切割实验数据如表5和6所示：

表5实施例3切割用线分配表

表6实施例3切割实验数据

上述实施例中切割数据可以根据实际需要进行调整，本领域技术人员应当了解，一切基于本发明技术内容所做的修改、变化或者替代技术特征，皆应包含在本发明的范围内。