砂浆线切割技术研究综述

翟大东 陈洁（特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 831100）摘要：本文主要从砂浆线切割原理、张力控制系统、砂浆性能和回收再利用等方面进行了阐述，指出了研究的不足，以期推进砂浆线切割技术的研究和发展，指导实际生产。关键词 砂浆 线切割 张力 回收Mortar Wire-cutting Technology ResearchZhaiDaDong Chen Jie (TBEA Sunoasis Co., LtD., Xingjiang Urumqi 831100)Abstract: This article mainly reviews the current mortar wire-cutting technology that appl-icated in PV field in mortar wire-cutting technology principle, Tension control system, Mo-rtar properties and recycling, etc.. we pointed out the deficiency of these research, in ord-er to promote development of the mortar wire-cutting technology，and thus guiding produ-ction.Keywords mortar；wire-cutting；tension；recycling 引言目前，太阳能光伏电池的主要材料为硅基材料，硅基光伏电池占世界光伏电池的 85％以上。晶体硅片作为太阳能光伏产业的前端产品，在整个光伏产业链占据重要地位。多线切割分为砂浆线切割和金刚石线切割两种，前者是目前硅片生产的主要方式，其利用碳化硅（SiC）和切削液（PEG）搅拌混合而成的砂浆，在钢线和硅棒的压力下，使硅棒表面产生塑性变形和裂纹，形成切割[1]。随着光伏产业的发展，对硅片质量要求更高，对线切割的研究必将越来越深入。本文主要从砂浆线切割的模型和原理，张力控制系统类型和发展方向，影响砂浆中性能的因素，及控制措施；砂浆回收再利用等方面进行了阐述，以期推进砂浆线切割技术的深入研究，指导实际生产。1 切割机理研究在砂浆线切割硅棒过程中，碳化硅颗粒在硅棒和钢线之间进行“滚动-压痕”作用，实现材料的去除[2]。舒继千等[3]对切割机理进行了详细阐述，包括单颗粒滚动-压痕模型、多颗粒压痕效应模型及弹性-流体效应模型。将瑜等人[4]对单颗粒模型的切割力进行模拟计算，见图1。由图得出法向切割力N的计算公式式中：ε为最大切割深度；a为接触长度；υ为泊松比；E为杨氏弹性模量；ζ=z/a，ρ=r/a；μ为摩擦系数，其它都是常数。切向切割力可以通过法相切割力计算到：式中：β=cos θ无量纲系数。图1 单颗粒碳化硅受力示意图同时，利用有限元软件模拟不同切割线速和进给对应力和应变的影响，得出切割进给与切割区最大应力和最大应变均是反比关系；切割线速与切割区最大应力和最大应变均是正比关系。2张力控制系统研究目前有重锤张力控制系统（如图2），弹簧+旋转编码器控制系统，汽缸+旋转编码器控制系统和伺服力矩控制系统（如图3）四种，第四种是使用最为广泛的机电张力控制模式。张义兵等[5]对伺服电动机张力控制系统进行了研究，并得出其张力计算公式为F为切割线张力；为轴承摩擦作用力；g为重力加速度；张力摆杆长为L0；角速度为ω；质量为m’；张力摆杆与电动机转子的等效转动惯量为I；摆杆重心距张力电动机轴心距离为L；张力电动机施加的转矩为M。改进后张力控制系统，张力波动量更小，控制精度更高，断线故障率更低。钱宏峰等[6]用有限元对切割区的受力和系统振动进行分析，得出较高的切割效率和切割质量，必须设置较大的初始张力。同时，为了减少对系统固有特性的影响，必须控制好张力的波动量。目前关于张力控制技术的研究主要是智能技术的应用，多种智能技术的结合使用(如网络控制和模糊控制结合为模糊网络控制)在未来将会是一种新的尝试和突破[7]。图2 重锤张力控制系统示意图图3 伺服力矩控制系统3 砂浆研究砂浆由碳化硅和切削液搅拌混合而成，其直接影响切割性能和硅片质量。3.1 切削液（PEG）线切割用切削液具有重要作用，兼具切削、粘滞、冷却三大功能，可以有效提高硅片质量和生产效率。因切削液功能受粘度影响，而温度又直接影响其粘度，因此，通过控制温度来控制切削液的粘度，而且要适宜[8]。因切削液状态变化需要时间，所以其升和降温曲线呈非线性。0-25℃时，粘度随温度降低迅速增大；25℃-100℃时，粘度随温度升高的变化缓慢，见图5。试验15℃、25℃ 和35℃三种温度下切割液（砂浆）对切片质量的影响，结果为25℃的TTV，Warp，Bow都较温度偏高和偏低的切割质量好，其中温度较高时，TTV与Warp都较温度低时大，但 Bow较温度低时好。切割时控制适宜的切削温度（25℃左右)，可以有效地控制晶片的几何参数[9]。此外，空间位阻和静电作用可以提高砂浆悬浮性，减少碳化硅沉淀，提高切割质量[10]。3.2 碳化硅（SiC）砂浆线切割中，分散的碳化硅颗粒自由滑动、滚动和冲击来进行微量切削，如图6。碳化硅形状可以近似圆锥、球，若其分布按等高、正态分布或均匀分布时，可推算出切削加工的单位体积为式中：σs为屈服点(MPa)；A为接触面积(mm2)；p为接触压力(MPa)；L为相对移动距离(mm)；α为顶角(°)。加工表面粗糙度与最大切削深度αpmax成正比，最大切削深度为式中：μ为体积率，dg为平均直径(mm)；G为磨粒率。 由上式可知，影响硅片切割效率的因数很多，而随着切割时间的增长，磨粒钝，导致切割效率下降，在生产中要控制好砂浆配比、更换系数和频次[11]。此外，冯萍等[12]研究表明，砂浆pH对硅片质量影响较大，需要加以控制。3.3配比、流量和成膜砂浆的配比是一个很重要的工艺参数，只有达到机器要求的粘度，才能提高切割效率和硅片合格率。MB、HCT和NTC等切割机要求切削液和碳化硅的配比为1:0.92-0.95，密度1.63-1.635kg.L-1即可达到要求。只要将粘度控制200-250Pa.s，即使密度达到1.67kg.L-1左右也不会出现异常。而永安切割机则需要更低的密度和粘度[13]。砂浆流量对硅片质量影响较大，切割过程中实际值与设定值容易造成偏差。党兰焕等[14]研究发现通过调整PID参数，可将流量波动控制在±2L.min-1以内，确保硅片质量，见图7。通过高数摄像机拍摄到砂浆成膜和不成膜的两种状态，这取决于砂浆喷嘴与线网夹角，而成膜的切割效果明显优于未成膜[15]。3.4 砂浆回收和再利用由于钢线直径和硅片厚度很接近，按理论计算会有44％的多晶硅被切磨为高纯硅粉进入到切割液，而实际切割过程中会有高达50％～52％的多晶硅以硅粉的形式进入到切割液中而损失[16]。在切割过程中，随着硅粉和金属杂质进入砂浆，导致砂浆不能满足切割要求而成为废砂浆，为了保证切割质量，必须控制硅粉等杂质。陈志军等[17]通过模拟计算硅粉含量公式为式中：C为硅粉含量；ρ为砂浆配置密度；δ为槽距；α为更换系数。通过公式8可以计算出砂浆中的硅粉含量，并掌握砂浆更换量和更换频次，保证砂浆切割质量。废料砂浆的主要成分为：30％左右的高纯硅、35％左右的碳化硅、28％左右的切削液和水、5％左右的铁氧化物。切割废料浆的COD(化学需氧量)值超过废水排放标准，按环保要求是禁止排放的。为了回收废砂浆中的硅粉、碳化硅和切削液，满足政策性要求，各切割辅材厂家加大了这方面的投入和研究[18]。4 结论综上所述，对砂浆线切割技术研究还存在以下不足：(1)目前，主要的研究方向集中在金刚线方面，忽略了砂浆线切割技术的研究，没有对其理论模型进行深入研究。(2)在切割工艺与切割力关系研究方面，还没有给出切割进给、切割线速、张力等工艺参数与切割力的关系式，造成工艺设置有科学理论作指导。(3)张力控制系统无法对加工区域内进行实时调节，对切割效率和切割质量控制较差。参考文献1潘慧,黄国华,施钰川,等.固着磨粒切割线研究进展[J].金刚石与磨料磨具工程，2012, 32(3):59-63.2檀柏梅,牛新环,赵青云,等.单晶硅线切割技术及切削液的分析研究[C].第十四届全国半导体集成电路、硅材料学术会议,中国,珠海,2005:385-3883舒继千,魏昕,袁艳蕊.单晶硅游离磨粒线切割技术研究[J].工具技术,2009,43(1):3l-35. 4蒋瑜,马春翔.硅材多线切割应力场的计算机仿真分析[J].机械设计与制造,2010,2(12):95-97.5张义兵,戴瑜兴,袁巨龙,等.多线切割机线张力控制系统设计实现[J].机械工程学报,2009,45(5):295-300.6钱宏峰,林财兴,赵懿峰.多丝切割机加工过程与钢丝振动[J].机床设备,2006,35 (6):40-42.7汪世益,刘艳艳.多线切割金属丝张力控制技术的研究现状[J].机械设计与制造,2012,45(7):179-181.8池丽婷.切削液的现状和发展趋势[J].山西科技,2006,35(3):98-99.9栾国旗.多线切割中温度对悬浮液的影响[J].电子工业专用设备,2012,15(205):15-16.10陈志军,张华,刘振淮,等.多线切割用砂浆悬浮机理研究[C].第十一届中国光伏大会展会暨会议论文集第四部,光伏组件、制造设备及辅料.2010:1006-1009. 11贺敬良,王学军,童亮,等.太阳电池用Si片切割过程中浆料作用研究[J].工艺技术与材料,2010,35(10):976-979.12冯萍,张华,姚敏,等.砂浆pH对硅片切割性能的研究[C].第十一届中国光伏大会展会暨会议论文集第四部,光伏组件、制造设备及辅料.2010:1028-1030. 13侯贺,李金杰.线切割单、多晶硅机床砂浆液调配的研究[J].工艺与检测,2011,25(9)119-121.14党兰焕,贺敬良,王学军,等.多线切割机砂浆控制系统研究[J].制造业自动化,2010,32(6):68-70.15李保军,冯涛.硅单晶锭多线切割中砂浆作用的研究[J].工艺技术与材料,2007,32(6):512-515.16刘加富.线锯切割单晶硅的应力场及损伤层研究[D].济南:山东大学,2006.17陈志军,刘振淮,夏发义,等.多线切割砂浆密度变化规律及其主要影响因素研究[C].第十一届中国光伏大会展会暨会议论文集第四部,光伏组件、制造设备及辅料.2010:1003-1005.18邢鹏飞,赵培余,郭菁,等.太阳能级多晶硅切割废料浆的综合回收[J].材料导报A:综述片.2011:1(25):75-79.