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                    鄭州華晶金剛石股份有限公司

                    硅片金剛線切割的16項核心技術

                    關鍵詞 硅片金剛線|2022-05-17 09:09:13|來源 高測股份年報
                    摘要 金剛線切割技術仍將作為未來相當長一段時間內主流的硅片切割技術。如何不斷改進金剛線切割設備和金剛線的技術性能,優化切割生產工藝,滿足光伏硅片生產高效率、高質量、低成本要求,將是未來硅...

                           金剛線切割技術仍將作為未來相當長一段時間內主流的硅片切割技術。如何不斷改進金剛線切割設備和金剛線的技術性能,優化切割生產工藝,滿足光伏硅片生產高效率、高質量、低成本要求,將是未來硅片競爭力的核心技術。 

                           綜合來看,“細線化、高速度、自動化和智能化”是光伏硅片切割生產的主要發展趨勢。本文綜述了光伏硅片切割工藝中的16項致勝核心技術,幫助行業理解金剛線切割硅片的發展方向,以及行業目前面臨的痛點、難點。

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                           ① 高精度切割線管理技術 以金剛線切片機為例,切片機工作過程中,金鋼線高速從放線輥放出,經過排線輪、張力輪、過線輪和切割軸后,收回纏繞到收線輥上;再反方向由收線輥繞回到放線輥,金剛線高速往復雙向運動。 原則上切片機工作過程中,收線、放線及排布線須同步且金剛線所受到的張力應保持穩定,然而收、放線輥上繞制的金剛線卷徑是隨時變化的,必須實時控制收、放線輥的轉速以保證高速運動的金剛線的線速度穩定且保持金剛線所受到的張力穩定;同時還需要保證排線裝置與收放線輥同步。 因此,各軸同步既是關鍵技術也是難點技術。此外,硅片切割的技術發展趨勢之一是“大尺寸、大裝載量”,這也就相應需要更長的金剛線網,但金剛線網加長,將增加金剛線工作時的扭轉圈數,且同時容易出現金剛線抖動加大的情形,進而增加金剛線斷線風險,不利于細線化切割。

                            ② 高精度張力控制技術 以金剛線切片機為例,切片機切割硅棒過程中,金剛線須保持穩定的切割張力,若張力過小,將導致金剛線切割力不足;若張力過大,將導致金剛線斷線;若張力控制不穩定,或將導致切出的硅片存在 TTV 超標、線痕明顯、硅片彎曲和翹曲等質量問題,嚴重時金剛線斷線或將導致整根硅棒損壞。因此,精確、靈敏、穩定、無擾動的切割線張力控制技術是金剛線切割技術的關鍵技術之一。 
                           ③ 高精度夾持進給技術 切割設備工作時需要夾持被加工材料與切割刀具持續、穩定、緊密接觸,被加工材料進給的穩定性直接影響到切割的質量和效率;因此,夾持進給系統須具有高定位精度、高動態響應、高穩定性等特點。

                           ④ 多主軸動態平衡控制技術 單晶硅圓棒開方時,金剛線切割線網是由一根金剛線布成的井字形線網,需要運用多主軸動態平衡控制技術來進行布線控制,以保證開方機線網的穩定運行。公司經過多年的自主研發、實踐及持續優化,率先將自主研發的多主軸動態平衡控制技術應用于金剛線單晶開方機,使得金剛線單晶開方機主軸輪使用壽命延長、斷線率降低、切割成本降低。 
                           ⑤ 高精度晶線檢測技術 晶線檢測是單晶硅棒開方的重要工序,晶線檢測的成功與否,會直接影響切割質量和切割效率。如果晶線檢測錯誤且繼續切割動作,會造成硅棒直接報廢;如果檢測用時過多,會降低切割效率。高精度晶線檢測技術,利用高精度傳感器、多層控制算法、閉環自動調整技術,可以保證硅棒誤切率趨近于零,晶線檢測成功率達 99.9%,大幅度縮短了晶線檢測時間。 
                           ⑥ 超薄片切割工藝技術 該技術是通過優化切割工藝匹配、優化切割設備部套性能,實現高硬脆材料的薄片切割,從而降低成品片所需材料用量、提升成品片柔韌性的切割工藝技術。 以光伏用單晶硅片為例,超薄片技術路線是面向光伏平價上網的主要解決方案之一,針對下一代電池技術具有明顯的性價比優勢,片厚的下降帶來硅片柔性的提高,組件的應用場景也相應提升,高轉換效率和低成本的材料有利于客戶產品提升競爭力。

                           ⑦ 基于大數據算法的切割過程工藝自適應技術 該技術通過算法、數據、切割工藝調整邏輯,使得切割類設備在一定程度上具備模擬切割工藝人員對切割過程出現的復雜問題的識別、學習和解決能力,使得切割裝備智能地針對切割過程中遇到的金剛線、輔料、裝備等出現的異常情況給出快速、精確、可重復的處理措施,從而降低斷線率、提升生產效率、提高切片良率。

                            ⑧ 超細金剛線高線速切割工藝技術 該技術是通過優化金剛線切割相關工藝參數,力求使用線徑更細的金剛線切割,從而降低制造硅片所需的材料用量、提升切片良率、提高切割生產效率、降低固定資產投資成本的切割工藝技術。 
                           ⑨ 高精度軸承箱設計制造技術 以金剛線切片機為例,切片機兩根切割主輥帶動金剛線網在硅棒表面高速往復磨削,將硅棒切削加工為硅片。兩根切割主輥由軸承支撐起來高速旋轉,軸承則安裝在兩根主輥前后四個軸承箱中。切割主輥轉動產生的軸向和徑向力將導致切片機在微米級切割狀態下出現切割精度波動,并進而影響生產效率及硅片質量。 軸承箱在上述切割主軸工作過程中起到支撐和保持精度的關鍵作用,一方面,切割主輥將高速旋轉工作時承受的軸向和徑向力傳遞到軸承箱上,由軸承箱的力學結構承載并化解;另一方面,軸承箱精度和剛度保證了金剛線網的運行精度,從而保證了硅片切割質量。

                            ⑩ 高穩定性液路技術 在金剛線切片機工作過程中,金剛線切割硅片時會持續產生大量的熱量,若大量熱聚集則會使高精度軸承箱和硅棒發生熱變形,進而降低切片機的工作精度、降低硅片的質量。因此,軸承箱和硅棒所在的切割區域需進行循環冷卻,以帶走切割硅棒產生的熱量,并保證切割區域溫度恒定。 
                           ? 低張力高效上砂技術 

                           “低張力高效上砂技術”主要是指“分段張力系統”和“單機十二線設計技術(原單機六線設計技術)”?!胺侄螐埩ο到y”是指在金剛線生產線主要工藝段設置驅動電機和張力電機,中間工藝段電機為主軸電機,其他電機為從軸跟隨主軸同步,金剛線生產線各工藝段的鋼線張力控制是獨立的,從而可以實現低張力上砂,減少鋼線因大張力磨損而導致的脫砂情況,有利于高質量上砂。 

                           通過全新的產線結構設計,將每條金剛線生產線由同時生產 6 根金剛線提升至同時生產 12 根金剛線,且各金剛線單獨進行張力、電流、砂量等生產參數控制。通過升級改造,各條產線中同時生產的 12 根金剛線既可共用電鍍液及各種金剛線原材料,又可獨立控制各根金剛線的生產,可以極大地提升金剛線的生產效率、降低金剛線生產線的固定資產投資成本。 

                           ? 機器視覺圖像識別技術 

                           “機器視覺圖像識別技術”是指通過算法、數據、傳感器、精密驅控技術使得機器在一定程度上具備模擬人類強大、復雜的視覺感官的能力,結合計算機的快速性、精確性和可重復性,使機器具備在線、快速、精確的工業檢測任務。 

                           “機器視覺圖像識別系統”通過高速工業像機在線實時拍攝固結在鋼線基體上單位視野內的金剛石微粉顆粒的顯微圖像,圖像信號實時傳送給圖像處理系統并轉換為數字化信號,數字化的圖像信號被金剛線生產線檢測控制系統實時接收,并實時計算鋼線基體上單位視野內的金剛石微粉顆粒數量、分布均勻性的分析數據,從而實現對金剛線上固結的金剛石微粉顆粒數量、分布均勻性的實時在線檢測,并將實時在線檢測數據與生產工藝設定數據比較,實時調整金剛線生產線的生產工藝參數,進而實現對金剛線上固結的金剛石微粉顆粒數量、分布均勻性的實時控制。 

                           ? 砂量模糊控制技術 

                           “上砂量”(固結在金剛線母線上的單位視野內的金剛石微粉顆粒數量)直接決定金剛線的切割力,是評價金剛線質量的最關鍵技術指標之一。影響上砂量的主要因素有電鍍電流、電鍍液pH 值、電鍍液溫度、電鍍液中金剛石微粉顆粒濃度、母線運行速度等,影響變量非常之多,且難以精確量化控制參數。 

                           “砂量模糊控制系統”以金剛線生產大數據為基礎,建立各影響因素與砂量的模糊控制規則,采用模糊推理、模糊判斷、數學仿真分析等技術解析控制量,從而實現對上砂量的精確控制,無需人工干預上砂量。 

                           ? 電鍍液高效添加劑技術 

                           上砂過程是金剛線生產的核心工藝流程,上砂的效率(速度)直接影響金剛線的生產速度;上砂過程中金剛石微粉顆粒在母線上分布的均勻性直接影響金剛線的質量一致性。因此為了保證高速上砂和均勻上砂(不團聚、不疊砂),上砂槽中添加劑和使用方法非常重要。 

                           ? 金剛石微粉鍍覆技術 

                           金剛石微粉顆粒本身不導電,為使得金剛石微粉顆粒能夠在電鍍的機理下固結在母線上,一般是采用化學鍍的方法在金剛石顆粒表面包覆金屬鎳進行表面金屬化處理。但金剛線生產過程中的電鍍液環境是酸性的,會腐蝕金剛石顆粒表面的金屬鎳層,使得金剛石顆粒表面的金屬鎳層脫落或金剛石顆粒與母線基體結合力減弱,進而降低金剛線的質量以及改變電鍍液的成分。 

                           因此,金剛石顆粒鍍層必須保證在上砂槽電鍍液中的穩定性。在微粉鍍覆時,需要驗證不同添加劑的種類、用量,以及對金屬包覆層的外形貌和力學性能的影響;還要優化金剛石微粉的表面金屬化鍍覆工藝和鍍覆裝備,提高金剛石與母線的結合力。 

                           ? 金剛石微粉后處理技術 

                           金剛線生產過程中,在金剛石微粉顆粒固結到鋼線基體表面后,鍍液中的鎳離子將在電鍍作用下持續移向鋼線基體獲得電子還原為金屬鎳,并同時將金剛石微粉顆粒固結在鋼線基體表面,因此金剛線外表層的金屬鎳鍍層是決定了金剛石顆粒在鋼線基體上的固結能力,進而決定了金剛線的切割能力,金剛石顆粒在鋼線基體上的固結能力是金剛線最重要的技術指標之一。

                     

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