金刚石线锯截断机的设计与应用

杜红文，席珍强

（1.浙江机电职业技术学院 现代制造工程系，杭州 310053；2.浙江理工大学 材料研究中心，杭州 310051）

0 引言

硅片是半导体工业的基础，也是构成太阳能光伏电池的核心元件,它的制造工艺和质量直接影响到成品太阳能电池发电转换效率、使用寿命等性能。硅片的制造主要包括晶体生长—截断—磨外圆—切片—倒角—研磨—腐蚀—抛光—清洗等工序。其中，截断工序的目的是切除硅锭（棒）的头部、尾部及超出客户规格的部分，将硅锭（棒）分段成客户切片设备可以处理的长度，或切取试片测量硅锭（棒）的电阻率、含氧率。

近年来，随着太阳能工业的迅猛发展,硅材料的需求量不断增加,切割加工量大幅增长。目前的硅片切割技术研究方向主要在于硅锭（棒）截断、切片时如何减小切缝损失、增大切割尺寸及提高切割效率等方面。现有的硅锭截断（包括头尾切割）设备大多采用金刚石外圆切割、带锯切割等方法来解决。外圆切割方法简单，但刀片刚性差，易产生侧向摆动，切缝大，材料浪费大。特别是对于切割大尺寸的单晶棒或铸成多晶硅块，为保证刀片刚性需要其自身厚度大，切缝更大，材料浪费尤为明显，很不经济。这种切割方法已逐步淘汰。目前较常用的方法是带锯切割。带锯切割解决了外圆切割切缝大的问题，但由于锯片薄了以后也存在稳定性的问题。切割过程中容易产生偏斜或产生波浪形。同样也产生材料的浪费。且带锯切割也只能单件切割，效率低。国外现在虽有一些硅锭金刚石线锯截断机设备生产，但由于机床的机构设计复杂、体积较大、价格昂贵等因素，在国内推广受到局限。本文针对上述现有加工技术和设备存在的不足，着手研究切割加工材料浪费大、效率低，表面质量差等问题的解决方法，设计并研制了硅锭固结磨粒金刚石线锯截断机。

1 硅锭（棒）金刚石线锯截断机的结构方案

根据硅片材料的特点，以及实现硅锭截断的工艺要求，同时考虑经济效益和生产效率，经过分析计算，截断机采用图1所示的结构形式。

图1 截断机结构示意图

截断机主要由固结磨粒金刚石线网运动系统，截断进给系统和电器控制系统等组成。启动机床，金刚石线网运动系统驱动固结磨粒金刚石线高速运动，同时截断系统通过工作台带动硅锭向上进给，硅锭得到多线同时切割，截断成等距多段工件。当储丝系统运行到接近线的尾断时，限位器控制系统同步反向运行。循环往复。工件切割完成自动停机。

2 固结磨粒金刚石线网运动系统的设计

储丝筒：主要用于储存金刚石钢丝。金刚石钢丝均匀地绕在储丝筒上，不重叠，不挤压。为了避免重叠或挤压造成金刚石线自身摩擦而使金刚石颗粒脱落缩短线的使用寿命，储丝节距必须大于线径以防止叠丝。同时，储丝筒应有良好的动平衡性，两端轴承轴向位移小。

线架与导线轮：线架用于固定导轮、过渡轮及驱动电机等。调整线架上相邻导轮组的间距可得到所需的截断长度。导轮使线精确定位并随线的高速运动而转动。要求其材料耐磨性要好，刚度要高，在切割张紧时不变形，材料一般取40Cr,淬火。

驱动电机：主要驱动线的高速运动并与储丝系统运行保持同步。驱动系统设置于线架上，由电机带动驱动轮组成。丝线缠绕在驱动轮上在张紧力的作用下，驱动轮转动带动丝线运动。电机采用130S204直流伺服电机。驱动轮直径（φ140）与储丝筒直径相同，以保持与储丝筒同步。驱动轮表面应涂聚氨酯涂层，以免金刚石钢丝切入驱动轮表面，涂聚氨酯涂层还具有良好的弹性减少对钢丝的冲击。

张紧系统：使线保持一定的张紧力并可按需要调整。张紧系统采用垂直重锥式，在系统运行过程保持张紧力恒定。金刚石线只有始终保持在张紧的状态下才能运行切割，线的张力一般控制在25～30N。走线速度500～1000m/min（可以调节）。重锥同时又起到断线紧急停车的作用；重锥下方设有开关，当线断时，重锥落下，接触到开关，切断电源、机器停车。

3 硅锭（棒）截断进给系统及电器控制系统的设计

截断进给系统包括截断工具、工作台及其上下垂直运动系统、切入量的控制系统等。

截断工具（金刚石线）的选用：本设备的截断工具采用固结磨粒金刚石线，选用日本进口产品（ASAHI DIAMOND），电镀金刚石线，φ0.25～30～40，裸线直径0.25mm，金刚石当量直径30～40um，电镀后线的直径约φ0.33mm。其线芯专门按该公司技术要求拉制而成, 并经热处理与预拉伸, 抗拉强度超过180000 kg。先电镀一层铜护层,将20～120μm金刚石浸渍,采用大电流电镀其外层,以牢固把持住金刚石。采用微型计数器计控环绕线芯分布的金刚石数量以保证其均匀一致。如图2,3所示。

图2 金刚石线示意图

图3 金刚石线实物照片

工作台及其上下垂直运动系统：用于固定硅锭并使截断过程保持进给。工作台用来安置工件并在工作过程中使工件进给。进给方式可采用液压控制系统。工作台下方设置液压油缸和两个导柱，液压油缸使工作台上下移动，切入速度以0.5～1mm/min为宜。导柱保持台面精确定位，使切割过程保持截面的平整度。

硅锭（棒）金刚石线锯截断机的电器控制部分主要包括了储丝筒与驱动筒的同步控制，保证运行过程不断线；走丝行程控制，当储丝筒钢丝走到头时，系统反向运行，保证反向运行软启动、无冲击；切割行程控制，当工件切割线完成时，进给系统停止不切入工作台；断线停车控制，当出现断线时系统能自动停车，以免乱丝损坏工件与设备；线速度控制，可调节线的走丝速度。

4 设备研制后的应用比较：（见表1）

表1 几种切割方式的比较

5 结束语

实践证明研制的设备与外圆切割、带锯切割相比较，具有切缝小（当线径采用0.23mm时，切缝只有0.24 ～0.25mm），截面平整的特点，可大幅减少材料的浪费，具有较好的经济性。当用于多件切割时，由于多线对多个工件同时切割，具有带锯切割无法比拟的效率。同时，截断工具采用进口金刚石线，与现在国内使用的游动磨粒（砂浆）线锯相比，切割速度可提高3倍。

[1] P.O.Hahn.The 300mm silicon wafer- A cost and technology challenge[J],Microelectronic Engineering,2001(56):3-13.

[2] Shayne La Force.Meeting market Requirements through innovation[J].The new DBC Process,TAP technology,2001:71-73.

[3] Clark W I,Shih A J,Lemaster R L,et al.Fixed abrasive diamond wire machining-part II:experiment design and results.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2003,43(5).

[4] John,Wohlgemuth H,Stephen,et al.PVMaT Improvements in BP Solar Large-Scale PV Module ManufacturingUsing Ultra-thin Multicrystalline Silicon Solar CellsIn:NCPV and Solar Program Review Meeting,2003.

[5] 闫占辉.硅晶片超精密加工的研究现状.半导体技术,2005,30(11):31-34.

[6] Diamond WireTechnology公司产品手册.