一种晶体硅的线切割的方法与流程

本发明涉及晶体硅太阳能电池技术领域，更具体地，涉及一种晶体硅的线切割的方法。

背景技术：

随着社会的发展，太阳能光伏产业逐步成为一种新的主导产业。在太阳能硅片线切割生产过程中，目前行业普遍使用的切割硅片的钢线主要还是横截面为圆形或椭圆形的普通直钢线，如公开号为CN103192462A、CN102275232A所述切割方法就是采用普通直钢线的砂浆切割技术。需投入大量砂浆，慢台速切割，产量低、成本高，在切割硅块时，碳化硅颗粒缺少附着力，容易从钢线表面脱落，钢线在硅块入线口会引起浆料的飞溅，进而降低砂浆携带，影响切割品质。因而采用普通直钢线的切割速度慢，砂浆单耗大，产品合格率低。

目前市场对硅片的需求持续旺盛，硅片供给侧紧张，业内硅片企业全力追赶产能，因投入设备扩产成本高、周期长，故主要还是从提升工艺台速、挖掘现有产能潜能入手，但如单方面提高台速、缩短工艺切割时间，硅片的切割品质会急速恶化、合格率严重下降，造成生产成本的上升，依然无法提高企业盈利能力。

目前金刚线切割单晶硅的工艺正在逐渐推广，但金刚线切割多晶硅的工艺几乎没有，主要原因在于现有切割机台的性能设计缺陷，如转用金刚石线切割，需投入较大的资金对现有切片设备进行全面升级改造，且改造后的设备稳定性不好，产品合格率低。

另外，多晶硅杂质高、切割难度比单晶硅大，现有金刚线切割工艺的辅料成本和切割技术相对于普通直钢线砂浆切割并无成本优势。更关键的是金刚线切割多晶硅片电池制绒技术(黑硅技术，湿法制绒)虽有突破，但需投入大量资金升级改造、淘汰现有的电池设备，目前还不具备量产推广的技术和成本优势，因而金刚线切割多晶硅片需求疲软。

基于此，业内因地制宜为改善钢线带砂能力而逐步开发出波纹钢线、螺旋钢线和结构钢线等，此类钢线对提高带砂能力有所帮助，但因这些钢线具有一定波形，如无与之匹配的切割工艺，在多线切割中极易出现间歇性线痕或TTV(总厚度偏差)异常，对提速增产降本的贡献远远达不到预期。如公开号CN103448154A所述螺旋线切割工艺技术，台速和辅料成本依然有很大改进空间。

技术实现要素：

[技术问题]

本发明致力于开发一种晶体硅的线切割方法，所述方法采用结构线进行切割，有效提高切割速度和切割效率，提高成品率，降低砂浆等辅料成本，改善切片盈利能力。

[技术方案]

根据本发明的一个方面，提供了一种晶体硅的线切割方法，所述方法通过线切割机进行，并包括以下步骤：

(1)在线砂浆的配制

配制在线砂浆，所述在线砂浆为包含聚乙二醇和碳化硅颗粒的混合砂浆，密度为1.660-1.675kg/L，粘度为220-260mPa·s；

(2)导轮加工

开槽夹角为70-80°，槽深为190±10μm，槽距补偿为7-17μm以及V或U型槽的开槽工艺加工所述线切割机的导轮；

(3)晶体硅切割

设定结构线的速度为9.5-15m/s，张力为R/L：25-20N/18-24N，待切割晶体硅的进给速度为0.255-0.500mm/min，所述在线砂浆的流量为110-150kg/min，在线砂浆的温度为17-23℃。在切割前依硅块有效切割长度和砂浆更换系数添加砂浆，即砂浆添加量＝有效切割长度*砂浆更换系数，其中所述砂浆更换系数为0.3-0.4kg在线砂浆/mm。

在本发明中，在线砂浆主要包含切割液和砂，切割液的主要成分是聚乙二醇，砂主要由1500#SiC颗粒组成。砂浆原本不含水，但聚乙二醇吸水能力强，使用过程中可能会含有约1.5重量％的水，所述砂悬浮分散在切割液中。切割液主要起悬浮分散SiC，并冷却切割过程产生的热量并润滑硅片的作用。

在本发明中，所述线切割机包括走线系统、进给系统、砂浆系统和控制系统。其中，所述走线系统主要包括放线室、收线室、导轮和大小滑轮，结构线从放线室引出，经大小滑轮到达导轮各槽组成切割线网后经滑轮返回收线室；所述进给系统包括工件平台，其负载待加工切割的晶棒按工艺程序进给下压至上述切割线网以实现晶体硅的切割；所述砂浆系统从砂浆缸抽取在线砂浆，所述在线砂浆通过冷热交换器达到工艺要求温度、流量后经喷嘴均匀喷洒到线网上，起到切割硅棒、润滑降温作用，再从切割室回流到砂浆缸；所述控制系统主要完成走线、砂浆和进给系统等的自动控制，以达到按工艺全自动切割目的。

根据本发明的一个实施方式，步骤(1)中，优选地，作为硅片切割液的聚乙二醇的粘度为45-50mPa·s，碳化硅颗粒的粒度为1500#，即D₅₀为9.8-10.5μm，所述在线砂浆的砂液质量比(即，碳化硅颗粒与聚乙二醇的质量比)为1.02。

所述在线砂浆可采用75-85重量％的再生砂浆和25-15％重量％的新砂浆来制备。其中，所述再生砂浆为通过回收系统回收分离的废旧砂浆，密度为

1.660-1.675kg/L，粘度为220-240mpa·s，所述新砂浆为新配制的砂浆，其密度为1.660-1.675kg/L，粘度为220-240mpa·s，二者混合后的砂浆即为步骤(1)所用的在线砂浆。

优选地，配制所述再生砂浆和所述新砂浆所用的切割液(聚乙二醇)可包含0-100重量％的回收液(回收系统回收分离的聚乙二醇)，剩余的可为新切割液。其中，所述回收液是从废砂浆中压滤、净化处理，检验合格的液体。

优选地，所述结构线具有近似垂直正弦波型且镀有抗氧化层的结构线。

根据本发明的一个实施方式，步骤(3)中，所述结构线的母线的直径为0.115±0.005mm，优选0.110mm或0.115mm，所述砂浆更换系数为依切割硅棒长度核算对应砂浆的换算系数，便于生产实际操作

根据本发明的一个实施方式，步骤(3)中，晶体硅切割的具体过程为：将晶体硅块粘在光伏玻璃上，然后固定在线切割机进给台上，将结构线依序缠绕至切割机的导轮上(设定、确认各项工艺参数达标)，启动线切割机(按工艺程序)进行切割直到结束。切割结束后提棒，提升速度为50-100mm/min，待硅棒完全脱离线网后用专用下棒车将硅棒取下，放在下棒推车上，转至清洗车间进行清洗处理。

其中，在提棒过程中如遇结构线的线网夹线，可以0.01-0.03m/s的线速走线或剪开线网完成提棒。

其中，切割结束后还需确认硅块是否切透，如未切透则打开砂浆循环继续进行自动切割，直至确认硅块倒角完全被切透，确认切透后再操作提棒作业。其中，所述倒角的目的在于降低制程、下游电池工序的碎片率，故多晶锭开方后需对四条楞进行倒角处理。

其中，所述线切割机开机进行热机5-10分钟后，点检各项参数指标正常时，进行切割。

[有益效果]

本发明因其具有较强的带砂能力，切割多晶硅块过程中能降低切割产生的硬质点线痕1.0％-1.5％，同时减少杂质断线。

本发明在提升切片产能的同时，降低了砂浆单耗，即同等产能下能够降低废水的化学需氧量(COD)，能耗同时也大大降低，比直钢线切割更环保、高效。

与金刚石线切割相比，结构钢线切割的硅片可正常制绒，不影响下游电池片生产正常开展，同时避免了如利用金刚石线切割的硅片遇断线时线网瞬间崩断抽打硅片引起大面积线痕硅落或崩缺的弊端，其硬质点线痕、TTV、切割线痕等各项切割核心指标还优于传统直钢线切割的硅片(如下表所示)，从而切割合格率可提升3％以上。

其中，A％表示一等品的合格率，A+B％表示一等品和等外品的合格率，等外品即二等品，比一等略差，价格通常低于一等品，TTV％表示总厚度偏差率。

附图说明

图1示意性图示了根据本发明的一个实施方式的结构线的示意图。

图2示意性图示了根据本发明的一个实施方式的加工后的导轮槽型微观检测图。

具体实施方式

下文中，将参照附图和具体实施例来描述本发明，但应当注意的是，本发明所提供的附图和实施例仅用作示例说明，而非旨在限制本发明的技术精神和核心元素和操作。在不脱离本发明的技术精神和范围的前提下，本发明的示例性实施例可作出各种形式的改变。

根据本发明，提供了一种晶体硅的结构线切割方法，所述方法通过线切割机进行，并包括以下步骤

(1)在线砂浆的配制

将作为切割液的低粘度聚乙二醇与碳化硅颗粒混合以制得混合砂浆，为保证切割效果，所述在线砂浆的密度需控制在1.660-1.675kg/L，粘度需控制在220-260mPa·s。

(2)导轮加工

根据最终制造的晶体硅片厚度，依据结构线直径、自身磨损、波形的衰减、在线砂浆所含SiC的D₅₀值和线网长度等综合确定导轮的槽距、槽深和夹角等参数，例如，槽距＝片厚+线径+(3～4)*D₅₀，并且槽距补偿和钢线磨损量相当，均为约7-10μm。结构线的导轮需采用大角度、浅槽深开槽，具体地，根据本发明的导轮的槽夹角为70-80°，槽深为190±10μm，槽距补偿为7-17μm，且为V或U型槽。例如，图2所示为根据本发明的一个实施方式的采用0.115mm结构线\1500#SiC，且最终制造的晶体硅片厚度为190μm的导轮槽型微观检测图，其槽夹角为78.917°，槽深为180.5964μm，槽距为344.3931μm。

(3)晶体硅切割

设定工艺参数：结构线的速度为9.5-15m/s，张力为R/L：25-20N/18-24N，其中，所述张力依结构线的线径粗细进行选择，通常线径越细张力越低。工作台进给速度(即待切割晶体硅的进给速度)为0.255-0.500mm/min，在线砂浆的流量为110-150kg/min，在线砂浆的温度为17-23℃。在切割前依硅块有效切割长度和砂浆更换系数添加砂浆，即砂浆添加量＝有效切割长度×砂浆更换系数，其中所述砂浆更换系数为0.3-0.4kg在线砂浆/mm，所述有效切割长度(单位mm)大于等于线网长度，如一次加工棒有效总长度1010mm，但因分线网等导致线网实际长度可能只有1000mm。

在本发明中，术语“结构线”是指以传统直钢线为母线，通过预变形器在直钢线表面形成近似垂直正弦波的均匀、稳定的波形结构，从而提高其带砂能力的切割线。结构线的结构示意如图1所示。

其中，本发明所用的结构线为镀有抗氧化层(例如，镀Cu合金)的结构线，所述结构线可在不增加设备投入的前提下，通过优化切割工艺，缩短工艺耗时，在普通直钢线的基础上提升20％-30％的切片产能。

此外，相比直钢线切割，本发明可降低砂浆单耗10％-20％，同时能更好的利用在线砂浆的回收系统，延长回收系统的置换周期，普通钢线对在线砂浆的圆度要求苛刻，结构线因其带砂能力强，对砂浆的品质要求相对较低，即，可在降低切割辅料成本的情况下，同时提升硅片切割品质。

根据本发明的一个实施方式，步骤(1)中作为硅片切割液的聚乙二醇的粘度为45-50mPa·s，碳化硅颗粒的粒度为1500#，所述在线砂浆的砂液的质量比为1.02。

此外，步骤(1)中的在线砂浆可采用75-85重量％的再生砂浆和25-15重量％的新砂浆来制备。其中，所述再生砂浆为回收系统离心分离的废旧砂浆，其密度为1.660-1.675kg/L，粘度为220-240mpa·s，所述新砂浆为配制的全新砂浆，其密度为1.660-1.675kg/L，粘度为220-240mpa·s，二者混合后的砂浆即为步骤(1)所用的在线砂浆，配制所述再生砂浆和所述新砂浆所用的切割液可包含0-100重量％的回收系统离心分离的回收液，剩余的可为新切割液。

根据本发明的一个实施方式，步骤(3)中，设定在线砂浆量的更换为：单刀砂浆的更换量＝硅块有效切割长度×砂浆更换系数，其中，单刀砂浆为机器每加工一个周期的晶体硅晶砖所需砂浆量，砂浆更换系数为0.3-0.4kg在线砂浆/mm。此外，切割过程中流回砂浆缸(切割机的一部分，用于盛装砂浆，切割过程从缸底抽取砂浆喷到线网上，而后砂浆归集到切割室，最终流回底仓的砂浆缸)底的砂浆温度应控制在55℃以下，否则需及时清洗热交换器、调整切割工艺控制温度。

此外，步骤(3)中，所述切割的具体过程为：先将光伏玻璃粘在导轨上固定，再将打磨合格的晶砖粘在玻璃上固定，接着将粘有晶砖的导轨安装到切片机的进给台上，将结构线依序缠绕至切割机的导轮上，设定、确认各项工艺参数达标，启动切割，负载晶砖的工作台按工艺程序切割直到结束。切割结束后提棒(即提升切好的硅片)，提升速度为50-100mm/min，待硅棒完全脱离线网后用专用下棒车将硅棒取下、放在下棒推车上，转至清洗车间进行脱胶清洗处理。

其中，切割机开机进行热机5-10分钟后，点检各项参数指标正常时，进行切割。

其中，在提棒过程中如遇结构线网被硅片夹线，可辅助以0.01-0.03m/s的线速走线或剪开线网完成提棒，确保最终制得的硅片万无一失。

其中，切割结束后还需确认硅块是否切透，如未切透则打开砂浆循环继续进行自动切割，直至确认硅块倒角完全被切透，确认切透后再提棒，其中，所述倒角的意义在于为减少下游电池组件生产时硅片的碎裂，需要对晶砖四个角进行倒角处理，即打磨圆点，俗称倒角。

实施例

以下实施例中，所用结构线为市售普通结构钢线，如贝尔卡特、青岛晓星、高丽制钢、宝钢等厂家所产结构线。

实施例1

按以下步骤来生产晶体硅片。

(1)配制新砂浆：将聚乙二醇(粘度45mPa·s与新的1500#碳化硅颗粒以1.02的砂液质量比混合制得新砂浆，所述新砂浆的密度为1.675kg/L，粘度为240mpa·s；

(2)配制再生砂浆：将废砂浆经离心分离装置将其中细粉颗粒去除，对废液进行压滤净化处理，再将处理后的砂液混合调制成密度约1.675Kg/L的再生砂浆，因其处理过程基本是物理方法，液体的粘度(240mPa·s)基本维持不变。

(3)配制在线砂浆：取20％重量比新砂浆+80％重量比再生砂浆混合搅拌均匀待用，确保密度在1.675kg/L，粘度为240mPa·s。

(4)加工导轮：以槽夹角为75±5°，槽深为190±10μm，槽距补偿为7μm以及V型槽的开槽工艺加工线切割机的导轮；

(5)晶体硅切割：

将1100mm光伏玻璃粘接在导轨上固定，再将1020mm长的晶体硅晶砖粘在玻璃上固定后(约4小时以上)，接着将导轨安装到线切割机的进给台上；将0.115mm线径的结构线从放线轮经滑轮布满槽距为0.347mm的导轮，再经滑轮到收线轮上。

切割机开机进行热机5分钟，设定结构线的速度为13.5m/s，张力为R/L：22N/18N，待切割晶体硅的进给速度为0.25-0.49mm/min(均速0.45/mm)，在线砂浆的流量为130kg/min，温度为19-21℃，以及砂浆更换系数为0.353kg在线砂浆/mm。

添加360kg在线砂浆，按机器操作规程点检工艺参数合格后开启自动切割模式直到结束。切割结束后提棒，提升速度为50-100mm/min，待硅棒完全脱离线网后用专用下棒车将硅棒取下、放在下棒推车上，转至清洗车间进行脱胶清洗处理，然后送到检验工序，经自动分选机按设定检验标准菜单分选判定各等级归属。

其中，所用结构线为高丽制钢公司所产0.115mm结构线，编号D16221423；新砂为浩博新材所产，编号XSYZRD20140914；切割液为奥克所产，编号16207319A07A。

对比实施例1

直钢线切割采用普通钢线而非结构线，并且除了以下具有明显差异的参数之外，以与实施例1基本相同的方式进行切割。

(1)直钢线所用在线砂浆中新砂浆和再生砂浆重量占比同结构线，但砂浆的密度为1.675kg/L，粘度为240mPa·s，砂浆更换系数为0.5Kg/mm；

(2)加工导轮：以槽夹角为45±5°，槽深为200±10μm，槽距补偿为10μm以及V型槽的开槽工艺加工线切割机的导轮；

(3)设定直钢线的平均速度为13.3m/s，张力为R/L：24N/22N，待切割晶体硅的进给速度为0.25-0.38mm/min(均速0.35mm/min)，在线砂浆的流量为140kg/min，温度为17-20℃且砂浆更换系数为0.40kg在线砂浆/mm。

其中，所用直钢线为贝尔卡特公司所产0.115mm结构线，编号1015630845；新砂为浩博新材所产，编号XSYZRD20140914；切割液为奥克所产，编号16207319A07A。

相比于对比实施例1的直钢线切割，根据本发明实施例1的结构线所切硅片合格率约高3％(整体合格率可达93％)，主要是其带砂能力好，对铸锭过程产生的硬质点破碎能力强，即硬质点线痕可下降约1.1％，切割线痕、崩边和TTV等可降低约2％，其余硅片电性能、尺寸等参数一致。除品质优势外，结构线加工时间比直钢线快20-30％，可极大提升现有机台产能，提高公司盈利能力。