摘 要：分析光伏單晶硅切片加工的原理和現(xiàn)狀，金剛石線鋸母線直徑已降低至37 μm，G12半片光伏單晶硅片的切片厚度已減小到110 μm。闡述光伏硅晶體高出片率切片加工的主要技術(shù)途徑是鋸切硅片厚度減薄和金剛石線鋸直徑減小。分別討論鋸切硅片表面裂紋損傷和斷裂強(qiáng)度、金剛石線鋸間和硅片間的液橋作用以及機(jī)器視覺檢測對光伏單晶硅高出片率切片加工的影響。對光伏單晶硅高出片率切片加工面臨的關(guān)鍵技術(shù)提出展望：1） 開發(fā)低成本鎢絲金剛石線鋸；2） 研發(fā)新型冷卻潤滑液和冷卻潤滑技術(shù)；3） 研發(fā)切片加工新工藝；4） 建立電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)與切片加工性能之間的量化關(guān)系。

關(guān)鍵詞：光伏；鋸切；單晶硅；金剛石線鋸；切片厚度；鋸縫損耗

中圖分類號：TK511 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

硅晶體是性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，硅基光伏發(fā)電在全球光伏發(fā)電市場的占有率超過90%，并保持了近30%的年增長率［1］。晶體硅太陽電池具有效率高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點，在太陽電池產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位［2-3］，目前雙面硅異質(zhì)結(jié)（silicon heterojunction，SHJ）太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)26.81%［4］。隨著光伏產(chǎn)業(yè)向精細(xì)化發(fā)展，光伏單晶硅因其光電轉(zhuǎn)換效率高，市場占比一路飆升。因硅片在光伏電池組件成本構(gòu)成中超過30%［5］，為降低光伏電池成本，光伏硅晶體的切片加工呈現(xiàn)大尺寸、薄片化和細(xì)線化發(fā)展趨勢。光伏硅片的主流尺寸規(guī)格為：G1 （158.75 mm×158.75 mm）、M4（161.00 mm×161.00 mm）、M6（166.00 mm×166.00 mm）、M10 （182.00 mm×182.00 mm）、M12（210.00 mm×210.00 mm）和一部分半片規(guī)格（105.00 mm×210.00 mm）及230.00 mm×230.00 mm規(guī)格。據(jù)國際光伏技術(shù)路線圖統(tǒng)計，2022年M6及以下光伏單晶硅片的主流切片厚度為160 μm，M12光伏單晶硅片的主流切片厚度為165 μm。預(yù)計到2027年，M6及以下光伏單晶硅切片厚度將降低到140 μm，M12光伏單晶硅切片厚度將降低到150 μm ［5］。在國內(nèi)企業(yè)的實際生產(chǎn)中，G12半片光伏單晶硅片的切片厚度已減薄至110 μm。在降低成本、提高光電轉(zhuǎn)換效率的目標(biāo)驅(qū)動下，在大硅片和電池制造的技術(shù)革新背景下，光伏單晶硅切片加工技術(shù)和裝備面臨新的挑戰(zhàn)。在光伏單晶硅切片加工過程中，大量的硅晶體因鋸縫損耗而浪費(fèi)［6］，但在未來5 a內(nèi)，金剛石線鋸切片加工的鋸縫損耗將由目前的lt;60 μm降低到lt;50 μm［5］。為此，金剛石線鋸的直徑不斷減小，目前芯線直徑37 μm的電鍍金剛石線鋸已在光伏硅切片加工中得到應(yīng)用，芯線直徑35 μm的電鍍金剛石線鋸正逐漸投放市場。

基于電鍍金剛石線鋸的諸多優(yōu)點和硅片表面制絨技術(shù)的發(fā)展，從2013年開始，在光伏硅晶體切片加工領(lǐng)域，電鍍金剛石線鋸逐漸取代了砂漿線鋸。在電鍍金剛石線鋸多線切片加工中，減小硅晶體切片加工的切片厚度和鋸縫損耗，即實現(xiàn)細(xì)線薄片的切片加工，并降低硅片破片率，是提高硅晶體的出片率、降低光伏電池硅片成本的主要途徑。但是，減小切片厚度意味著線鋸間的間距減小，表面張力作用使切削液在線鋸間形成液橋，作用在線鋸上的液橋力將導(dǎo)致切片加工時硅片的厚度不均勻，甚至出現(xiàn)線鋸粘結(jié)在一起的結(jié)對現(xiàn)象，并引起斷線［7］。減小鋸縫損耗意味著線鋸直徑的減小，導(dǎo)致金剛石線鋸的破斷拉力減小，必須減小線鋸的張緊力，張緊力和液橋力的復(fù)合作用改變了線鋸對切割硅片表面的裂紋損傷機(jī)制。此外，隨著線鋸直徑和切片厚度的減小，切割硅片的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)較大的離散性，破片率增大［8-9］。因此，對金剛石線鋸表面磨粒分布的均勻性、磨粒凸露高度的一致性提出更高要求?？傊?，提高電鍍金剛石線鋸的質(zhì)量，抑制切片加工的硅片表面線痕、厚度不均勻，降低硅片的破片率，對光伏單晶硅細(xì)線薄片的高出片率切片加工具有重要價值。

1 光伏單晶硅切片加工原理

目前，光伏單晶硅切片加工的主流技術(shù)是電鍍金剛石線鋸多線切片加工技術(shù)，其切片加工原理如圖1所示。金剛石線鋸由導(dǎo)輪將其布置成線鋸網(wǎng)，在導(dǎo)輪驅(qū)動下進(jìn)行前進(jìn)式往復(fù)運(yùn)動，并采用雙反饋控制技術(shù)，由力矩電機(jī)、張力傳感器和伺服電機(jī)對線鋸實現(xiàn)恒張力精密控制。硅晶體裝夾在切片機(jī)的夾具部件上，相對于金剛石線鋸實現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，可同時切割得到數(shù)千片硅片。由圖1可知，金剛石線鋸的直徑，決定了切片加工鋸縫寬度（鋸縫損耗），而線鋸間的間距決定了晶體的切片厚度，硅片尺寸決定了導(dǎo)輪軸距（線鋸支承跨距）。

圖1所示的光伏單晶硅多線切片加工原理表明，單片切割硅片的晶體材料消耗（硅耗）為硅片厚度和鋸縫損耗之和。因此，硅片厚度減薄和金剛石線鋸直徑的減小，均能提高光伏單晶硅晶錠的晶片產(chǎn)出率，降低硅耗［5］。以2022年ITRPV數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，即：鋸縫寬度60 μm，切割硅片的厚度165 μm，每片硅片需225 μm長度的硅錠。圖2為鋸縫寬度和晶片厚度與光伏單晶硅出片率的關(guān)系，若以鋸縫寬度60 μm、切割硅片厚度165 μm，即每片硅片消耗晶錠長度為225 μm為基準(zhǔn)，當(dāng)硅片厚度減薄至125 μm，對應(yīng)鋸縫損耗60、50和40 μm的出片率分別提高21.6%、28.6%和36.4%?？梢?，金剛石線鋸的細(xì)線化和硅片的薄片化是光伏單晶硅切片加工技術(shù)進(jìn)步的指向標(biāo)。

如圖1所示，固結(jié)在金剛石線鋸表面上的金剛石磨粒對晶體材料刻劃，利用二體磨粒磨損實現(xiàn)材料的去除加工。由于單晶硅是典型的各向異性脆性材料，當(dāng)磨粒以不同深度刻劃加工單晶硅材料時，材料的去除會呈現(xiàn)塑性域去除模式和脆性域去除模式［10-12］。在金剛石線鋸表面的磨粒切削刃與單晶硅加載刻劃接觸時，當(dāng)靜水接觸壓力達(dá)到12 GPa，則Si-Ⅰ相會轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣趩尉Ч璧乃苄粤鲃雍退苄杂虿牧先コ腟i-Ⅱ相（β-tin金屬相）［13］。在低卸載速率下，Si-Ⅱ相轉(zhuǎn)變?yōu)镾i-Ⅲ相和Si-Ⅻ相；在高卸載速率下，Si-Ⅱ相轉(zhuǎn)變?yōu)閍-Si（非晶相）［14］。當(dāng)磨粒與單晶硅法向接觸載荷較小時，單晶硅在磨粒切削刃的接觸高壓作用下產(chǎn)生Si-Ⅱ相，實現(xiàn)磨粒對單晶硅刻劃的塑性域材料去除，但隨著法向接觸載荷的增大，當(dāng)接觸區(qū)拉應(yīng)力超過晶體材料的斷裂強(qiáng)度時，單晶硅產(chǎn)生中位裂紋或側(cè)向裂紋，表現(xiàn)為脆性域材料去除模式［15］，即磨粒機(jī)械刻劃加工脆性的單晶硅時，存在材料去除模式的脆塑轉(zhuǎn)變［16-18］。在脆性域材料去除模式下，磨粒刻劃加工產(chǎn)生的微裂紋將有部分殘留在切割硅片表面，形成切片加工的微裂紋損傷［12］。硅片表面的微裂紋損傷，降低了硅片的斷裂強(qiáng)度，增大了硅片的破片概率。

除磨粒刻劃深度外，磨粒切削刃形狀、晶體的晶相結(jié)構(gòu)和切削速度也是影響單晶硅材料脆塑去除模式轉(zhuǎn)變的重要因素。金剛石線鋸大多采用破碎金剛石微粉制備，近似三棱錐形的磨粒切削刃有利于提高刻劃加工的材料去除［19］。但研究表明，尖銳的磨粒更易使單晶硅萌生裂紋，而球形磨?；蚯邢魅锈g化的磨粒更易實現(xiàn)材料的塑性域去除［20-22］。

目前，光伏產(chǎn)業(yè)中金剛石線鋸的走絲速度已達(dá)到40 m/s，磨粒切削刃高速刻劃引起的高應(yīng)變率會影響晶體材料的相變和去除模式。隨著走絲速度的增大，作用在單顆磨粒切削刃上的法向力和切向力呈減小的趨勢，較高的走絲速度有利于實現(xiàn)材料的塑性域去除［23］。單顆圓錐形尖端磨?？虅潌尉Ч璞砻娴牟牧舷嘧儗嶒炑芯勘砻?，在較高的刻劃速度下（25 m/s），劃痕區(qū)除非晶硅a-Si相外，還存在產(chǎn)生于兩孿晶間交叉的Si-Ⅳ相［24］，a-Si與Si-Ⅳ的拉曼強(qiáng)度比隨刻劃速度的增大而增大。單顆磨粒高速刻劃實驗表明，在圓錐形磨粒的刻劃速度為40 m/s、刻劃深度24 nm時，刻劃單晶硅的材料相變區(qū)將為完全a-Si相，即實現(xiàn)了單晶硅的完全非晶化材料去除［25］，不產(chǎn)生微裂紋等其他損傷。

目前，關(guān)于磨粒刻劃單晶硅的研究僅局限在理想形狀磨粒切削刃對單晶硅表面的刻劃實驗，而金剛石線鋸表面的磨粒位置隨機(jī)分布，磨粒切削刃形狀及凸露高度不一致。當(dāng)金剛石線鋸的芯線直徑很小時，由于張緊力的減小，一般采用錯槽布線等措施抑制硅片厚度偏差，將導(dǎo)致金剛石線鋸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，使磨粒刻劃運(yùn)動軌跡變化。因此，通過仿真、實驗等手段，對金剛石線鋸表面磨粒運(yùn)動軌跡和磨粒沿不同晶向刻劃單晶硅的材料去除和損傷機(jī)理開展深入研究，有助于充分認(rèn)識單晶硅切片加工的硅片表面裂紋損傷和線痕等質(zhì)量缺陷的形成機(jī)制。

2 切片加工表面裂紋損傷和硅片的斷裂強(qiáng)度研究

單晶硅切片加工時，殘留在硅片表面、亞表面的微裂紋損傷降低了硅片的斷裂強(qiáng)度，在切片加工應(yīng)力場的作用下，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致硅片破碎。隨著硅片厚度的減薄，裂紋損傷層深度與硅片厚度的比值增大，硅片剛度減小，硅片表面任意微小裂紋都可能導(dǎo)致超薄硅片的破碎，使硅片的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)較大的離散性，破片率增加，從而制約了超薄切片技術(shù)的工程應(yīng)用。

2.1 切片加工的硅片表面裂紋損傷

金剛石磨粒切削刃在單晶硅表面刻劃加工時，接觸區(qū)附近產(chǎn)生較高的壓應(yīng)力，引起材料的相變和塑性變形，塑性變形區(qū)附近晶體受拉應(yīng)力作用萌生裂紋并向晶體內(nèi)部擴(kuò)展，形成中位裂紋?？虅澬遁d過程由塑性變形區(qū)的應(yīng)力場引起側(cè)向裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，側(cè)向裂紋擴(kuò)展至晶體自由表面形成材料的脆性域去除［26-27］。裂紋的成核位置和尺寸與載荷大小、晶體材料屬性和磨粒切削刃形狀等有關(guān)。

金剛石線鋸切片加工裂紋損傷的形成原理如圖3所示［28］，當(dāng)金剛石線鋸表面磨粒所在位置角[θ]（[θ∈[0， π/2]]）值較大時，由磨?？虅澮鸬牧鸭y損傷位于晶體的待加工區(qū)，裂紋會在后續(xù)的切片加工中去除，不會殘留在切片加工創(chuàng)成表面；而當(dāng)磨粒位置θ值較小，該區(qū)域的磨粒脆性去除引起的橫向裂紋和中位裂紋將擴(kuò)展到創(chuàng)成表面內(nèi)部，從而導(dǎo)致硅片表面的裂紋損傷。

利用透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）觀察金剛石線鋸切片加工創(chuàng)成的單晶硅片表層形貌，發(fā)現(xiàn)硅片的表面損傷形式從自由表面向材料內(nèi)部依次為相變、位錯和裂紋損傷［29］。硅片的表面裂紋損傷形式可分為側(cè)向裂紋損傷和中位裂紋損傷，裂紋損傷的深度由裂紋的尺寸和偏角決定，裂紋尺寸近似服從韋布爾分布［30］。

目前對切片加工裂紋損傷的研究多基于壓痕實驗或準(zhǔn)靜態(tài)刻劃實驗，在金剛石線鋸切片加工時，磨粒的高速刻劃運(yùn)動對裂紋損傷產(chǎn)生一定的影響?；诖嘈圆牧峡虅澕庸さ牧鸭y損傷理論，建立金剛石線鋸切片加工過程的分析模型，可得到硅片表面裂紋損傷分布和最大裂紋損傷深度。采用球形磨粒、增大走絲速度和降低進(jìn)給速度，均能有效減小裂紋損傷深度值［31］。由于裂紋損傷對超薄硅片破碎的影響更加顯著，因此，基于動態(tài)斷裂力學(xué)理論和高速刻劃實驗，進(jìn)一步研究切片加工裂紋的動態(tài)擴(kuò)展機(jī)理和裂紋分布規(guī)律，提出降低裂紋損傷的切片加工工藝條件，是實現(xiàn)超薄硅片切片加工所必須面對的問題。

2.2 切片加工應(yīng)力場分析

磨粒切削刃刻劃單晶硅去除材料的過程，伴隨著磨粒切削刃與晶體接觸應(yīng)力場的變化。在壓痕應(yīng)力場研究的基礎(chǔ)上，可獲得磨粒刻劃應(yīng)力場的理論模型，將刻劃的塑性變形區(qū)等效為嵌入自由表面的半球形膨脹腔，得到塑性變形區(qū)引起的Blister應(yīng)力場，將該解與由法向力引起的Boussinesq應(yīng)力場和切向力引起的Cerruti應(yīng)力場疊加，即可得到刻劃加工應(yīng)力場的理論模型［32-33］。磨粒切削刃對單晶硅刻劃過程的材料相變會影響應(yīng)力場分布，因此，建立基于單晶硅相變的材料本構(gòu)模型，可采用有限元仿真分析單顆磨粒刻劃應(yīng)力場［34］。如圖4a所示，通過建立尺寸為20 mm×20 mm×40 mm的KDP晶體有限元分析模型，鋸縫位置距離端面24.6 mm，鋸縫寬度0.4 mm?？紤]鋸切加工中的熱力耦合作用，用有限元法的單元生死法，可分析得到圖4b所示的ABCD截面切片加工主應(yīng)力場［35］。同時，在切片加工過程中，硅片的振動也會導(dǎo)致硅片的破碎［36］。因此，在金剛石線鋸切片加工過程中，作用在硅片上的應(yīng)力場是磨?？虅澕庸さ臒?、力作用并耦合硅片振動的動態(tài)耦合應(yīng)力場，對于超薄硅片切片加工，動態(tài)耦合應(yīng)力場導(dǎo)致的硅片破碎問題有待深入研究。

2.3 硅片的斷裂強(qiáng)度

硅片的斷裂強(qiáng)度取決于硅片厚度和線痕、表面的損傷缺陷，特別是磨?？虅澬纬傻奈⒘鸭y和凹坑損傷。光伏產(chǎn)業(yè)中測量硅片斷裂強(qiáng)度的常用方法為三點彎曲試驗和四點彎曲試驗，兩種測量方法對光伏硅片斷裂強(qiáng)度測量結(jié)果的影響較小［37］。切片加工獲得的光伏硅片的斷裂強(qiáng)度具有離散和隨機(jī)分布特點，韋布爾強(qiáng)度是描述硅片斷裂強(qiáng)度的常用方法。利用彎曲試驗測量光伏硅片斷裂強(qiáng)度時，根據(jù)硅片彎曲方向與劃痕方向可分為兩類：平行于線痕彎曲和垂直于線痕彎曲。

關(guān)于光伏硅片的斷裂強(qiáng)度實驗研究表明［9，38-39］：1）由于沿線痕方向存在的微裂紋和凹坑等加工損傷，導(dǎo)致鋸切硅片垂直于線痕彎曲的斷裂強(qiáng)度值明顯高于平行于線痕彎曲的斷裂強(qiáng)度值；2）磨粒切削刃鈍化的磨損后電鍍金剛石線鋸（舊線）和磨粒切削刃鋒利的新啟用線鋸（新線）相比，舊線切片得到的硅片斷裂強(qiáng)度明顯高于新線切片得到的硅片斷裂強(qiáng)度；3）切片加工前，對晶體的塊體表面精密拋光能有效降低邊緣缺陷引起的硅片破碎，可提高硅片的斷裂強(qiáng)度；4）使用直徑較小的電鍍金剛石線鋸切片加工時，不僅使硅片的斷裂強(qiáng)度降低，且使硅片斷裂強(qiáng)度的離散性更大，在較薄硅片的切片加工時尤為明顯；5）由于細(xì)線的破斷拉力減小，鋸切加工時的張緊力也減小，因此，細(xì)線切片加工過程中可能因線鋸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動導(dǎo)致硅片表面刻劃損傷。

雖然上述研究是針對電鍍金剛石線鋸的芯線直徑較大或切片厚度較大開展的研究，但仍具有借鑒意義。一般認(rèn)為金剛石磨粒具有尖銳切削刃，有利于材料去除，但不利于超薄硅片的斷裂強(qiáng)度；隨著電鍍金剛石線鋸直徑的減小，線鋸的張緊力減小，在液橋力復(fù)合作用下，切片加工過程中線鋸的運(yùn)動形式和磨粒的刻劃運(yùn)動軌跡將出現(xiàn)新的變化；線鋸表面磨粒的粒度范圍越大，對鋸切硅片表面產(chǎn)生隨機(jī)刻劃損傷的可能性越大。

目前，關(guān)于硅片斷裂強(qiáng)度方面的相關(guān)研究結(jié)論均是針對具體的工況條件、在實驗研究中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，但要解釋上述現(xiàn)象，還需要系統(tǒng)深入地基礎(chǔ)研究，特別應(yīng)系統(tǒng)開展細(xì)線鋸切薄硅片的表面裂紋損傷形式和尺寸及對其硅片斷裂強(qiáng)度影響的定量表征研究。

3 超薄硅片切片加工的液橋作用研究

3.1 液橋及其對切片加工的影響

關(guān)于液橋形成及液橋力作用的研究，多以兩球體或平行板為研究對象，對液橋力一般采用Young-Laplace方程進(jìn)行定量描述，液橋力受液體表面張力、球體直徑和間距等影響［40-41］。在兩端固定并張緊的柔性平行線材之間，施加液體時也會產(chǎn)生液橋作用。如圖5a所示的兩端固定的平行線材，當(dāng)間距逐漸減小并澆注液體時，在線材之間會形成液橋。液橋的液柱形態(tài)和液橋截面形態(tài)將隨柔性線材間距不同表現(xiàn)為圖5b和圖5c的形式［42］。線材受液橋作用力和彈性力作用并處于受力平衡狀態(tài)，當(dāng)液橋作用力相對較弱時，會引起線材的偏移，隨著液橋作用力的加強(qiáng)，線材偏移逐漸增大，最終會粘結(jié)在一起，形成線材結(jié)對。液橋的液柱形態(tài)和液橋力與線材的表面性質(zhì)、液體表面張力、線材直徑和力學(xué)性能等密切相關(guān)。

為提高光伏單晶硅切片加工的出片率，需要持續(xù)減小切片厚度和線鋸直徑，實現(xiàn)細(xì)線超薄硅片的切片加工。當(dāng)切片厚度減小時，線鋸間可能形成切削液液橋。在液橋力的作用下，使線鋸產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致切片加工的硅片厚度不均勻，產(chǎn)生圖6a所示的“厚薄片”現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)因液橋力導(dǎo)致的線鋸結(jié)對，產(chǎn)生圖6b所示的硅片被切除的現(xiàn)象［8］。另外，液橋力還將引起線鋸與導(dǎo)輪線槽接觸狀態(tài)的變化。因切片加工必須施加切削液，切削液具有一定的表面張力，液橋力作用、“厚薄片”和線鋸結(jié)對等是超薄切片加工面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)于金剛石線鋸切片加工液橋作用的前期研究，僅限于解釋特定工況下切片加工實驗出現(xiàn)的現(xiàn)象，認(rèn)為線鋸結(jié)對是在切入晶體前，兩線鋸間形成切削液的液橋，當(dāng)線鋸間距小于某一臨界值時，液橋力作用將強(qiáng)大到將兩線鋸粘結(jié)在一起［7］，形成線鋸結(jié)對。相關(guān)的理論分析將電鍍金剛石線鋸簡化為靜態(tài)、理想光滑表面、兩端固定、忽略張緊力的彈性固定弦，并局限于研究線鋸切入晶體前形成結(jié)對的臨界條件，既不能定量分析切片加工出現(xiàn)的“厚薄片”現(xiàn)象，也不能指導(dǎo)切片加工工藝的確定。

電鍍金剛石線鋸是表面隨機(jī)分布磨粒的粗糙表面、柔性線材，在切片加工過程中，線鋸處于恒力張緊狀態(tài)，在鋸切力作用下，線鋸沿鋸縫產(chǎn)生一定撓度的撓曲。研究表明，恒張力撓曲狀態(tài)的線鋸，在晶體各向異性產(chǎn)生的微弱力作用下，將會使線鋸偏移并導(dǎo)致鋸切晶片產(chǎn)生面形偏差［43］。粗糙的電鍍金剛石線鋸表面會引起切削液接觸角的滯后性，并影響液橋的形成和液橋力大?。?4］。切片加工過程中線鋸必然存在振動現(xiàn)象［45］，線鋸的振動會引起液橋形成條件和液柱形態(tài)的動態(tài)變化，此時需要考慮切削液的黏性以及接觸角的滯后性對液橋的形貌和液橋力的影響［46］。液橋力作用是導(dǎo)致切片加工“厚薄片”和線鋸結(jié)對現(xiàn)象的主要原因，開展與切片加工實際工況相符合的、可用于指導(dǎo)工程實際的、系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，是細(xì)線超薄切片加工所必須面對的研究課題。

3.2 電鍍金剛石線鋸間液橋作用研究

盡管在涉及大尺度物體間的流固耦合中通常不考慮液橋作用的影響，但在亞毫米尺度下液橋力將占主導(dǎo)地位，特別是當(dāng)物體的剛度不足以抵消液橋作用時，其產(chǎn)生的變形和粘附將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［42，47-48］。在金剛石線鋸網(wǎng)系統(tǒng)中，由于鋸絲的長徑比極高，在兩端張緊力不足的情況下，其易受到外界擾動發(fā)生橫向位移。且為降低鋸縫損耗和切片厚度，金剛石線鋸直徑以及鋸絲間距進(jìn)一步降低，使得被切削液潤濕的鋸絲在液橋作用下會產(chǎn)生相互吸引甚至互相粘附，制約了低鋸縫損耗下的超薄切片加工［7］。研究發(fā)現(xiàn)，液橋可在初始線網(wǎng)間隙較小的鋸絲表面間自發(fā)形成，使得鋸絲間距降低以至發(fā)生粘附。但是，當(dāng)金剛石線鋸的初始線網(wǎng)間隙超過一定的閾值后，線網(wǎng)不會自發(fā)粘附［49］。在鋸切過程中，金剛石線鋸的橫向振動會在某些時刻瞬時降低其表面間隙［50］。在這種情況下，來自液橋的毛細(xì)力和振動過程中的鋸絲張緊力之間的相互作用將改變鋸絲的運(yùn)動狀態(tài)，在一定條件下提高了鋸絲粘附的風(fēng)險［51］，如圖7所示。通過雙鋸絲系統(tǒng)動力學(xué)模型對存在液橋作用的線網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋸絲初始表面間隙處于自發(fā)粘附臨界間隙和最大粘附間隙之間時，在靜態(tài)雙鋸絲系統(tǒng)中金剛石線鋸不會自發(fā)相互粘附。支承激勵會使鋸絲產(chǎn)生橫向振動位移，這會提高自發(fā)粘附臨界間隙，使鋸絲間更易發(fā)生粘附。自發(fā)粘附臨界間隙隨導(dǎo)輪制造誤差，即線槽軸線跳動的增加和線槽直徑的減小而增大。當(dāng)導(dǎo)輪制造誤差提高一倍，自發(fā)粘附臨界間隙會增大到該誤差增量的兩倍以上。在使用芯線直徑36 μm的細(xì)徑金剛石線鋸鋸切80 μm超薄晶片時，導(dǎo)輪的制造誤差范圍需要控制在±15 μm以內(nèi)才能最大程度地避免鋸切加工過程中鋸絲間的粘附。適當(dāng)增加線槽直徑和鋸絲張緊力以及降低鋸絲跨距也可降低鋸絲振動位移。這些改進(jìn)除了可提高晶圓的切割質(zhì)量外，還能增加鋸絲間自發(fā)粘附臨界間隙，限制液橋的形成和擴(kuò)展，減少鋸絲粘附的風(fēng)險，有助于實現(xiàn)鋸縫損耗和切片厚度的進(jìn)一步降低。但是，當(dāng)前的研究尚未明確線槽磨損與液橋相互作用的機(jī)制和切削液沖擊對線網(wǎng)振動的影響，因此，對電鍍金剛石線鋸間液橋作用深入研究具有重要的工程意義。

3.3 鋸切硅片間液橋作用研究

在金剛石線鋸切片加工過程中，鋸縫寬度由鋸絲直徑?jīng)Q定。由于鋸縫寬度gt;60 μm，被切削液潤濕的硅片間也會形成液橋。而且，硅片的厚度與其長、寬方向的尺寸相比小得多，這使得其沿在厚度方向上的彎曲剛度極小。因此，金剛石線鋸鋸切加工系統(tǒng)中，液橋作用除了會破壞線網(wǎng)結(jié)構(gòu)外，也會使得被切割硅片發(fā)生彎曲變形并產(chǎn)生互相粘附［39］。在金剛石線鋸切片厚度薄型化的趨勢下，其斷裂強(qiáng)度也大幅度下降［30， 52］，同時晶片彎曲剛度和鋸縫寬度減小使得粘附硅片數(shù)量增加［53］。在生產(chǎn)現(xiàn)場，利用34線切割厚度為150 μm的G12光伏單晶硅片，單刀總切割硅片數(shù)4000片時，目測最多會有1/4的切割硅片相互粘附在一起，從而導(dǎo)致切割硅片的最大彎曲應(yīng)力增大，在切片加工過程中更易產(chǎn)生硅片破碎。如圖8所示，通過建立多硅片分級粘附模型，對金剛石線鋸切片加工過程中硅片系統(tǒng)的狀態(tài)分析［54］，發(fā)現(xiàn)硅片間的毛細(xì)粘附隨鋸切深度的增加而增大，即鋸切210 mm×210 mm尺寸的硅片斷裂風(fēng)險較156 mm×156 mm更大。此外，毛細(xì)粘附對于細(xì)徑金剛石線鋸薄片鋸切過程的制約更加顯著。對于210 mm×210 mm尺寸的單晶硅片切片加工，當(dāng)切片厚度小于100 μm，硅片斷裂概率開始顯著增加。當(dāng)切片厚度減小到50 μm，其破片概率將提高到6%以上。切片加工實驗表明，較細(xì)的金剛石線鋸切割薄硅片的斷裂強(qiáng)度分布更加離散［9］。在鋸縫損耗和硅片厚度不斷減小的趨勢下，硅片的斷裂強(qiáng)度將進(jìn)一步降低。為抑制毛細(xì)粘附對切片加工硅片破片率的影響，可嘗試改進(jìn)切片加工的冷卻潤滑方法，以降低粘附片數(shù)，或降低鋸切硅片表面的裂紋損傷以提高其斷裂強(qiáng)度。另外，在光伏單晶硅切片加工系統(tǒng)中，單晶硅棒粘接在機(jī)床夾具上，切割后的硅片相互粘附、貼合，導(dǎo)致切片加工后的鋸絲難以退刀，進(jìn)一步增大了切割硅片的破片風(fēng)險，此乃當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的技術(shù)難題。

4 電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)機(jī)器視覺檢測技術(shù)

在電鍍金剛石線鋸切片加工過程中，線鋸表面的金剛石磨?？虅潌尉Ч璨崿F(xiàn)材料去除，創(chuàng)成硅片的表面、亞表面，對于脆性的單晶硅材料，磨?？虅澕庸な构杵砻妗啽砻娈a(chǎn)生裂紋損傷。硅片的表面裂紋損傷層深度在很大程度上取決于電鍍金剛石線鋸表面的磨粒分布狀態(tài)。因此，隨著光伏單晶硅片厚度減薄和尺寸的增大，對電鍍金剛石線鋸的磨粒分布均勻性和凸露高度一致性有更高的要求，因此，必須對電鍍金剛石線鋸表面的磨粒分布狀態(tài)進(jìn)行檢測，并建立電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)與切片加工質(zhì)量的量化關(guān)系。

機(jī)器視覺技術(shù)主要利用計算機(jī)來提取和理解圖像中的目標(biāo)信息，并將這些信息用于實際的檢測、測量或控制。該技術(shù)首先應(yīng)用于電鍍金剛石線鋸表面的金剛石磨粒分布狀態(tài)的離線檢測。得益于3D共焦顯微鏡采集的高質(zhì)量電鍍金剛石線鋸圖像，基于機(jī)器視覺的離線檢測方法已經(jīng)實現(xiàn)了對磨粒密度及磨粒出刃高度一致性等磨粒分布狀態(tài)的檢測與分析［55］。在電鍍金剛石線鋸制造過程中，為了實現(xiàn)對其表面磨粒分布狀態(tài)的實時檢測及控制，機(jī)器視覺技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用到了磨粒分布狀態(tài)的在線檢測過程中。其中，利用圖像拼接［56］獲取電鍍金剛石線鋸的全圓柱表面圖像［57］，在此基礎(chǔ)上，基于連通域標(biāo)記算法［58］對圖像中的磨粒信息進(jìn)行提取及分析，可有效提升磨粒密度的在線檢測精度。以金剛石線鋸全圓柱表面圖像中的磨粒重心為種子點對圖像進(jìn)行維諾細(xì)分［59］，可實現(xiàn)磨粒分布均勻性的定量表征，150 μm的電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布均勻性定量表征結(jié)果如圖9所示［60］。磨粒在線鋸圓柱表面上的分布位置差異會導(dǎo)致磨粒在成像過程中發(fā)生不同程度的畸變，這是磨粒出刃高度在線檢測領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)。近期，一種考慮磨粒成像畸變校正的機(jī)器視覺在線檢測方法，實現(xiàn)了電鍍金剛石線鋸表面磨粒出刃高度的高精度在線檢測［61］。當(dāng)前，基于機(jī)器視覺的在線檢測技術(shù)基本實現(xiàn)了對電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)的在線檢測，但建立金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)與切片加工性能和切片加工質(zhì)量之間的對應(yīng)關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究。

5 展 望

光伏行業(yè)是中國為數(shù)不多的、可同步參與國際競爭并在產(chǎn)業(yè)化方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)，但降低光伏硅片成本，實現(xiàn)光伏單晶硅“細(xì)線”、“薄片”的高出片率切片加工，是中國光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展并保持國際領(lǐng)先優(yōu)勢的重大需求。光伏單晶硅細(xì)線、薄片的切片加工面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：

1）金剛石線鋸在鋸切加工過程中通過張力控制系統(tǒng)張緊在導(dǎo)線輪上，為保證切片加工質(zhì)量，需要足夠的張緊力并嚴(yán)格限制金剛石線鋸的最大撓度。母線為35 μm的電鍍金剛石線鋸，其破斷拉力要求≥5.3 N，已接近高碳鋼線的強(qiáng)度極限。鎢絲線力學(xué)性能明顯優(yōu)于高碳鋼線，工程界已實現(xiàn)母線32 μm的鎢絲金剛石線鋸的切片加工，但其成本較高，未來需要降低鎢絲成本并進(jìn)一步減小金剛石線鋸直徑。

2）光伏單晶硅切片加工的“細(xì)線化”和“薄片化”使金剛石線鋸間、鋸切硅片間的液橋作用愈加顯著，工程實際中最多可出現(xiàn)500片以上的鋸切硅片粘附在一起的現(xiàn)象。金剛石線鋸間的液橋作用將導(dǎo)致線鋸結(jié)對和鋸切硅片厚度不均勻等現(xiàn)象，鋸切硅片間的液橋作用將使鋸切硅片粘附導(dǎo)致破片率升高、切片加工完成后退刀困難等問題。為抑制液橋作用，需要開發(fā)新型冷卻潤滑液、冷卻潤滑技術(shù)和切片加工工藝。

3）鈣鈦礦太陽能電池是新一代光伏技術(shù)，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低等優(yōu)點，鈣鈦礦晶硅疊層電池適用于主流光伏電站，而涂布式鈣鈦礦疊層電池對硅片機(jī)械強(qiáng)度要求低，但對表面質(zhì)量要求高，可進(jìn)一步減小鋸切硅片厚度，樂山高測新能源科技有限公司已小批量試切60 μm厚度的半片（105.0 mm×210.0 mm）單晶硅片。但為節(jié)省貴重材料，需要研發(fā)新型切片加工工藝及工具，進(jìn)一步降低切片加工表面損傷層深度、表面粗糙度和線痕深度。

4）利用機(jī)器視覺檢測技術(shù)對電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)進(jìn)行全面檢測，建立電鍍金剛石線鋸表面磨粒分布狀態(tài)與切片加工性能和切片加工質(zhì)量之間的量化關(guān)系，為光伏單晶硅細(xì)線、薄片切片加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對提高中國光伏行業(yè)技術(shù)水平和國際競爭力具有重要意義。

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REVIEW ON ULTRATHIN WAFER SLICING OF PHOTOVOLTAIC MONOCRYSTALLINE SILICON WITH THINNER DIAMOND WIRE SAW

Ge Mengran1，Zhao Guili1，Zheng Jintao2，Zhao Yukang2，Xing Xu3，Ge Peiqi2

（1. School of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Jianzhu University， Ji’nan 250101， China；

2. School of Mechanical Engineering， Shandong University， Ji’nan 250061， China；

3. Qingdao Gaoce Technology Co.， Ltd.， Qingdao 266114， China）

Abstract：The principle and state-of-art of PV monocrystalline silicon slicing processing are reviewed herein. The core wire diameter of the diamond wire saw has been reduced to 37 μm. The as-cut half G12 wafer thickness of PV monocrystalline silicon has been reduced to 110 μm. It is elaborated that the main technical approaches for high wafer yield slicing are to reduce the as-cut wafer thickness and the diameter of diamond wire saw. The effects of surface crack damage and fracture strength of sliced silicon wafer， liquid bridge interaction at diamond wire saws and as-cut silicon wafers， and machine vision detection on the high wafer yield slicing processing of PV monocrystalline silicon are discussed. The key technologies faced in the high wafer yield slicing processing of PV monocrystalline silicon are proposed： 1） to develop low-cost tungsten core wire diamond wire saw； 2） to develop new coolants and lubricating technologies； 3） to develop new slicing processing technology； 4） to establish a quantitative relationship between the distribution of abrasives and the machining performance of electroplated diamond wire saw.

Keywords：photovoltaics； sawing； monocrystalline silicon； diamond wire saw； as-cut wafer thickness； kerf loss