光伏硅片金刚石线多线切割机切割参数优化研究

【摘要】：太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源,光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。硅材料必须经过切片,研磨,制绒等一整套复杂的工序才能制成太阳能电池,切片作为第一道工序,在太阳能电池的制作中至关重要,所以必须对硅片的切割过程中的加工参数进行深入研究。 本文主要研究金刚石线多线切割硅片的过程中,工艺参数的优化问题。金刚石线切割相比于传统的砂浆线锯切割有切割效率高,切割硅屑更容易回收,综合成本低等优势,有大规模应用的广阔前景。 本文完成的主要工作和取得的成果如下： (1)对JKEDWS500多线切割机运行时的三项主要参数的适用范围进行了研究。通过对压痕试验理论和断裂力学理论的研究,建立了单颗金刚石颗粒的最大切削深度的数学模型,结合最大临界切深的公式,得出达到塑形切割时金刚石线走线速度和工件进给力应满足的关系式,通过金刚石线的强度计算线上允许的最大张紧力,依据最大张紧力和对线弓量的测量,计算工件进给力的最大范围。 (2)通过金刚石线的强度和实际切割中断线的分析确定张紧力的合适范围。对不同加工参数导致的切割效率和加工质量等的变化进行了研究,设定不同的走线速度和进给力进行正交试验,得出加工参数对加工效率的影响。对硅片的表面粗糙度进行观测,研究加工参数和加工质量的关系,并通过观察电镜扫描下加工前后的金刚石线的微观形貌,来判断加工参数对金刚石线磨损的影响,通过以上分析,对加工参数进行优化,选择最优组合。 (3)利用ANSYS对单颗金刚石颗粒作用于硅片微小面积上的应力场和变形量进行分析。使用三组走线速度和进给力进行仿真,对比仿真结果和上文中数学模型计算的结果,误差较小,验证了数学模型的准确性。运用断裂力学理论对单根金刚石线切割硅棒进行有限元仿真,得出切割裂纹尖端的应力强度因子,提供了预测切割时硅片表面是否产生微裂纹的方法。 【关键词】：金刚石线 多线切割 工艺参数优化 有限元仿真
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN305
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 本课题研究背景9-10
• 1.2 光伏硅片切割技术综述10-12
• 1.3 金刚石线多线切割技术在国内外发展现状12-16
• 1.4 本课题的研究内容16-17
• 第2章 JKEDWS500金刚石线多线切割机简介17-21
• 2.1 金刚石线多线切割机的设计要求17-18
• 2.2 金刚石线多线切割机各组成部分的功能介绍18-20
• 2.2.1 切割机机械结构的组成部分18-19
• 2.2.2 切割机控制部分的硬件配置19
• 2.2.3 切割机关键工艺参数的确定19-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第3章 金刚石线多线切割机切割硅片的切除机理21-35
• 3.1 单晶硅的基本力学特性21-22
• 3.2 硬脆材料的切除机理22-23
• 3.3 金刚石线切割机JKEDWS500加工硅片的切除机理23-33
• 3.3.1 单颗金刚石颗粒最大加工深度的研究24-27
• 3.3.2 金刚石线上颗粒数和面积的数据统计27-29
• 3.3.3 单颗金刚石颗粒切割的深度分析29-30
• 3.3.4 单根金刚石线能承受的最大张紧力分析30-31
• 3.3.5 工件最大恒进给力的确定31-33
• 3.4 本章小结33-35
• 第4章 金刚石多线切割机切割硅棒的试验研究35-47
• 4.1 硅棒切割的试验条件35-37
• 4.2 硅棒切割的试验方法37-39
• 4.2.1 加工参数的取值范围37
• 4.2.2 试验方案和结果分析37-39
• 4.3 加工参数与金刚石线磨损的关系39-42
• 4.3.1 金刚石线的磨损形式40-41
• 4.3.2 加工参数对金刚石线磨损的影响41-42
• 4.4 加工参数与硅片表面质量的关系42-44
• 4.5 本章小结44-47
• 第5章 金刚石线切割硅棒的有限元分析47-63
• 5.1 单颗金刚石颗粒锯切力的计算公式47-50
• 5.2 单颗金刚石颗粒的锯切力与总锯切力的关系50-51
• 5.3 单颗金刚石颗粒切割硅棒的应力与变形量的有限元分析51-57
• 5.3.1 有效金刚石颗粒锯切力的确定51-52
• 5.3.2 单根金刚石线切割硅棒的有限元模型52-56
• 5.3.3 仿真结果分析56-57
• 5.4 运用断裂力学对单根金刚石线切割硅棒的有限元分析57-61
• 5.4.1 基于断裂力学的硅棒形成过程57-58
• 5.4.2 硅棒裂纹形成的有限元分析58-61
• 5.5 本章小结61-63
• 第6章 总结与展望63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-68

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