CN101745864B - 一种硅片线切割机 - Google Patents

Abstract

一种硅片线切割机，包括支撑平台、夹紧装置、升降装置、切割总成和冷却系统构成，夹紧装置设置在支撑平台上，在夹紧装置上方设有切割总成，切割总成设置在升降装置上，所述的升降装置通过下端设置的液压油缸驱动，本发明其切割效率高，该机切割辊轮挂线999根以上，一次可同时切1000片；每批次所需切割时间仅为10～15分钟(含放、取料时间)，切割效率是目前主流机型切割效率的数十倍；所切片数是目前所用线切割机的200％；切割后的硅片质量较好，而且在生产过程环保、能耗低，而且使得产品质量和精度均得到提升。

Description

一种硅片线切割机

技术领域

本发明涉及一种晶体硅切片设备，具体的说是一种硅片线切割机。

背景技术

目前，随着光伏产业的蓬勃发展，占光伏产品市场90％以上份额的主要材料晶体硅的需求量，近些年几乎以每年翻1～2番的速度增长。因此，硅片切割设备也成为了该领域市场需求的重点。目前市场销售和使用的硅片线切割机主要从国外进口，其工作原理是以高强度冷拔钢丝为切割载体，单根钢丝一头牵出缠绕于刻有螺旋槽的两滚轮上，经收线轮旋转牵拉，同时，喷以经切割液充分分散的碳化硅磨粒；通过两轮间带有一定压力钢线的直线运动，以及其运动过程所黏附、夹带的磨粒的磨削作用，把用高强胶粘剂固定在机体的晶体硅棒、锭切割成片。其切缝150～200μm，切片厚度约200μm(误差正负20μm)。上述线切割机还存在如下不足：其一生产效率低，由于钢线是以单线往复缠绕于两滚轮螺旋槽内并受力牵出，其破断力仅为4KN；因此其设计线速度较低；该机虽一次可同时切数百片，但一个切片周期在不断线的条件下至少需8个小时。其二单位重量晶体硅的切片数量、切片质量、硅损耗率等与光伏业、电子业期望的理想值仍有较大差距，由于切片过程碳化硅磨粒是在完全自由态下被钢线夹带利用，从而使切缝宽度有一定范围的不确定性，从而影响和减少了单位重量晶体硅的切片数量，是导致硅总体损耗率仍约为50％和切片表面光洁度较差的主要因素。其三物料消耗高，切片过程所用钢线一次性通过硅棒、锭后即行报废；炭化硅磨料和切割液是在自由状态下由钢丝夹带进入切缝而起磨砺作用，但由于切缝狭窄，90％以上未参与磨砺而直接排放报废，固定硅棒、锭的胶粘剂也为一次性消耗。因此，一台小型机每月仅物料消耗就在30万元以上。以上硅片切片设备的不足之处，是造成光伏发电行业建设费用和发电成本居高不下的主要原因之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅片线切割机，它不仅在生产过程环保、能耗低，而且使得产品质量和精度均得到提升，生产效率提高了200％，生产成本降低了60％。

本发明为解决上述技术问题的不足而采用的技术方案是：一种硅片线切割机，包括机架、支撑平台、升降装置、液压系统、抽真空系统、冷却系统和电机，在支撑平台上部设有切割总成、夹紧装置和张紧机构，切割总成由一个主动辊轮和两个从动辊轮及两端的固定端板构成，主动辊轮与两个从动辊轮呈三角形设置，在主动辊轮和从动辊轮上均布设有大于900个独立的线槽，每一个线槽绕辊轮圆周面一周，并垂直于辊轮的轴线，且主动辊轮与从动辊轮设置的线槽相对应，切割线环绕在主动辊轮和从动辊轮的线槽内，张紧机构设置在切割线的一个侧面上，所述的夹紧机构主要由驱动机构和夹紧平台构成，其夹紧平台呈中空结构，在夹紧平台的上板面上，均匀设有多个细孔，在夹紧平台的侧板上，设有与真空泵连接管路。

所述的升降装置，主要由固定框架、导轨和电机吊篮构成，固定框架设置在导轨之间，在固定框架下端设有液压油缸，电机吊篮与固定框架连接。

所述的固定端板，由连接杆固定连接，主动辊轮和从动辊轮设在两个固定端板之间。

所述的切割总成上还设有主动辊轮导轨和从动辊轮导轨。

所述的固定框架上设有导向槽，其导向槽的凹陷面与导轨的凸起面相贴合。

所述的张紧机构，由张紧辊轴、支撑架和张紧弹簧组成。

所述的张紧辊轴，为一个金属辊，其金属辊的基体表面设有橡胶覆层。

所述的电机，设在电机吊篮上。

所述的电机通过传动带与主动辊轮连接。

所述的电机与电机吊篮底板之间还设有减震板，减震板由一个支撑杆支撑，其减震板的一个端面与电机吊篮的底板连接，减震板的另一端悬空，在电机吊篮底板外端的支撑杆上还设有弹簧组件。

所述冷却系统中设有冷却水泵，冷却水泵通过连接管与切割总成连接。

所述的切割线，其基体为冷拔钢线，在基体上镀有金刚石层。

本发明的有益效果是：

1、单位重量晶体硅切片数量多。以断面100×100mm的硅锭为例：晶体硅比重2.33，每mm硅锭可切3片，1kg的硅锭长度约为43mm，可切出129片合格硅片，所切片数是目前所用(光)线切割机的200％。

2、切割效率高。在切割机构上的主动辊轮和从动辊轮上分别对应设置多个环形槽，如有效切割长度为333.3mm的辊轮，可设置环形槽999个，环形槽的深、宽为0.2×1.33mm，两个环形槽之间间隔为0.2mm。此辊轮可挂切割线999根，一次可同时切1000片，需时仅为10～15分钟；切割效率是目前主流机型的数十倍。

3、运转过程稳定，切片质量高。一种硅片线切割机采用多项技术措施以保证切割设备的平稳运行，如固定框架上设置的个导轨保证了切割机构在可控范围只能上下移动；采用主动辊轮导轨和从动辊轮导轨的使用，可有效防止辊轮轴向位移和径向跳动；电机底板轴和电机吊篮与固定框架连接处均采用橡胶减震模块和弹簧结构固定连接，最大程度限制和防止电机运转产生的震动、噪声对设备平稳运行和切片质量的影响。同时，由于金刚石线是在具有高表面光洁度模具的夹持下电镀而成，其亦有很高的表面光洁度。在高稳定性和高质量机械设备和切割线的共同作用下，切出的硅片薄厚误差不大于正负5μm，切片质量相当于抛光片；对于电子业用硅片而言，完全可以省却切片抛光工序。

4、物料消耗低。由于所用磨料金刚石是通过电沉积法固定在钢线上，几乎100％参与摩檫切割，同时，仅用可循环使用的无离子水作切割冷却液，而不用目前主流机型所使用的、价格昂贵的切割液和固定硅材料所用的胶粘剂；另外，因采用封闭切割，其过程产生的未经任何污染的纯净硅晶体磨屑，经沉淀回收亦是一笔不菲的收入，总体算下来，该机每片切割物料消耗(或成本)平均不到目前主流机型的30％。

5、生产过程洁净环保能耗低。该机在切片过程未使用任何对环境有害的化学品和价格较贵的碳化硅磨料，除金刚石和部分镀层是一次性消耗外，余均可回收再循环利用；即使磨耗的金刚石(成分为C)和镀层(成分为金属Ni、Co)以及磨屑(Si)均为冶炼优质钢不可或缺的添加剂。因此可说其产生过程是零排放。同时，该机电耗按片计算亦不到目前主流机型的5％。

6、夹紧装置采用真空夹紧和机械夹紧两种手段相结合，下端面采用真空夹紧，原有设备中通常使用高强胶粘剂固定的方法，使用后的胶粘剂要么随废料抛洒在车间外，污染严重；或者进入收集程序，从而使得企业内回收碳化硅磨粒时处理工艺复杂，回收难度大。该技术创新不仅为企业省去购买高强胶粘剂的资金，又减少了污染，还为后序的回收处理提供了方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A向剖视图。

图3是本发明中升降装置的结构示意图。

图4是本发明中切割总成的结构示意图。

图5是本发明中固定框架与切割总成得连接示意图。

图6是本发明中夹紧装置的结构示意图。

图中标记：1、支撑平台，2、夹紧装置，3、升降装置，4、切割总成，5、固定框架，6、导轨，7、电机吊篮，8、电机，9、机座，10、固定端板，11、主动辊轮，12、从动辊轮，13、切割线，14、连接杆，15、主动辊轮导轨，16、从动辊轮导轨，17、弹簧组件，18、张紧辊轴，19、夹紧平台，20、手轮，21、冷却水泵，22、真空泵，23、油泵，24、液压油缸，25、活塞杆，26、紧固螺钉，27、水箱，28、泄水面板，29、集水槽，30、齿轮传动副，31、顶紧板，32、手柄，33、锁紧装置，34、张紧机构，35、减震板，36、支撑杆。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种硅片线切割机主要由支撑平台1、夹紧装置2、升降装置3、切割总成4、冷却系统和液压系统构成，在支撑平台1下部设有机座9，夹紧装置2设置在支撑平台1上，在夹紧装置2上方设有切割总成4，切割总成4设置在升降装置3上，并通过升降装置3下端设置的液压系统带动，所述的液压系统主要由油泵23、液压油缸24和活塞杆25构成。

如图1、图2和图3所示，所述升降装置3主要由固定框架5、导轨6和电机吊篮7构成，固定框架5设置在导轨之间，在固定框架5下端设有液压油缸24和活塞杆25，电机吊篮7与固定框架5连接，在切割过程中升降装置3依靠其自身的重力下落压在物料上，不需要另外提高动力，降低了能耗。且其固定框架5上设有V形导向槽，其独特形状可以保证导轨6的凸出面与导向槽的凹陷面相贴合，两者之间不会发生晃动，使升降装置3平稳下降，保证切片精度和质量，切出的硅片表面薄厚误差仅为5μm。

如图4所示，所述的切割总成4主要由固定端板10、主动辊轮11、从动辊轮12、切割线13和连接杆14构成，所述的主动辊轮11和从动辊轮12上对应设置多个独立的环形槽，切割线13环绕在主动辊轮11和从动辊轮12的环形槽内，固定端板10为一个三角形的整板，由四个连接杆14将独立的左右端板固定于主动辊轮11和从动辊轮12的两端，并使左右端板与辊轮连接为一个整体，其中的两个连接杆14为中空结构，主要用于储存冷却液，在切割过程中用于冷却切割线13和冲洗粉末状颗粒。

所述的主动辊轮11通过电机8驱动。

如图5所示，固定框架5与切割总成4的连接示意图，所述的固定框架5上设有梯形槽，其形状、角度与固定端板10相匹配，便于迅速对位装配和固定，将切割总成4的固定端板10设置在固定框架5的梯形槽内，并通过紧固螺钉26固定即可，进一步说明其连接方法：固定框架5为两个框架，同时将左固定端板和右固定端板分别设置在固定框架5的梯形槽内，并通过紧固螺钉26固定，从而使得固定框架5与切割总成4呈一个整体，在固定框架5上还设有张紧机构34。

本发明，所述的切割总成4上还设有主动辊轮导轨15和从动辊轮导轨16，主动辊轮导轨15设置在主动辊轮11的一端，因此，主动辊轮11在电机8带动下，沿主动辊轮导轨15运动，有效防止主动辊轮11的轴向位移和径向跳动，为切片的精度提供了保证，从动辊轮导轨16设置在从动辊轮12的一端，防止从动辊轮12的轴向位移和径向跳动，同样保证了切片的质量，所述的主动辊轮导轨15和从动辊轮导轨16均与固定端板10连接。

本发明，所述的的主动辊轮11，在其外表面沿轴向等距离设置多个环形槽，每个环形槽尺寸、间隔相等，与其对应的从动辊轮12亦设置相同数量的环形槽，所述的环形槽，深、宽度与电镀金刚石线相匹配，两个环形槽之间的间隔与期望切割的片厚一致。举例说明：所述的的主动辊轮11，在其外表面沿轴向等距离设置999个环形槽，每个环形槽相互平行且绕主动辊轮11一周，在从动辊轮12上对应设置999个环形槽，每个环形槽相互平行且绕从动辊轮12一周，所述的环形槽，其深度为0.2mm，环形槽的宽度可以刚好放进切割线为最好，两个环形槽之间的间隙为0.2mm。

本发明，所述的从动辊轮12可以设置两个，主动辊轮11和从动辊轮12呈等边三角形布置，而且两个从动辊轮呈水平方向设置在固定端板10之间。

本发明，所述的切割线13为闭合的环状线，其环绕在由主动辊轮11和从动辊轮12构成等边三角形的框架上，并设置在主动辊轮11和从动辊轮12上的环形槽内，切割线13的数量和主动辊轮11上的环形槽数量相等，因此在从动辊轮的下边缘带构成切割线群，在该切割总成上如设置999根切割线，则每次切割可同时切出1000片，生产效率是目前主流机型切割效率的数十倍。

本发明，所述的切割线13，其基体为高强度冷拔钢线，在基体上镀有金刚石层，所述的金刚石镀层通过电沉积法将金刚石固定在钢线上。

本发明，所述的升降装置3由下端设置的液压系统带动，由油泵23提供动力，通过液压油缸24带动活塞杆25动作，因为活塞杆25上端球头部设置在固定框架5下端的球形槽内，因此可提升升降装置3，并通过升降装置3带动切割总成4，提升稳定，切割过程中，依靠升降装置3和切割总成4的自身重力下落，实施对硅棒、锭的切割。

本发明，所述的切割总成4，可选用电机8通过皮带轮带动主动辊轮11高速转动，利用旋转运动产生的摩擦力带动切割线群作圆周运动，并利用其底面群线对晶体硅棒、锭进行切割，且在主动辊轮11的一端设有主动辊轮导轨15，在从动辊轮12的一端设有从动辊轮导轨16，从而在运转过程中可有效防止其轴向位移和径向跳动，保证切片的质量。

本发明，所述的张紧机构34由支撑架、张紧辊轴18、棘轮轴和扭簧构成，棘轮轴设置在支撑架上，张紧辊轴18通过扭簧与棘轮轴连接，在切割线群的一侧设有张紧辊轴18，由于切割线是在松弛状态下装配入槽的，而切割时各切割线需要一定的张紧度才能工作，因此，在切割线的一侧设有张紧辊轴18，为了防止切割线和辊轮槽制造误差造成各线张紧度松紧不一，所述的张紧辊轴18金属基体上敷有橡胶层，橡胶层的厚度为8-15mm，邵氏硬度为70-90度。该张紧机构利用橡胶的物理特性消除上述制造误差使各切割线均有基本一致的张紧度，因此，张紧辊轴18压紧切割线时，橡胶层与切割线接触，张紧辊轮对切割群线的张紧力的松紧的调节，是通过安装在固定框架棘轮轴上的扭簧实现的，扭簧一端压在张紧辊轴两端的轴柄上，一端卡在棘轮齿上，转动棘轮就可实现对张紧力的调节。

本发明，所述的电机8设置在电机吊篮7上，电机吊篮7通过连接杆与升降装置3的固定框架5连接，且电机吊篮7与固定框架5连接处均采用橡胶减震模块，电机吊篮7随升降装置3上下移动，在电机8转动过程中，电机自身的所发出的运转震动和噪声易通过电机底板、电机吊篮和传动带传导到固定框架和主动辊轮，引起切割机构发生颤动，进而影响硅片切割精度和质量。因此，在电机8的底板下端设有减震板35，减震板35的一端与电机吊篮7的底板以销轴连接，减震板35的另一端为自由端，在其自由端的下端面设有支撑杆36和弹簧组件17，借此最大限度减轻电机震动、噪声对切割机平稳运转的影响，提高了切片的综合质量。

如图6所示，本发明中的夹紧装置2，所述的夹紧装置2采用机械夹持摩擦力和真空吸附力两种复合力，该机构主要由手轮20、齿轮传动副30、顶紧板31、夹紧平台19和真空泵22构成，通过转动手轮带动齿轮传动副旋转并将顶紧板移动至所需位置，与夹紧平台19另一端的竖板将物料两端夹紧，利用两板平面与物料两端面形成的摩擦力对物料进行固定，并拉动手柄32利用锁紧装置33对齿轮传动副进行锁紧，防止顶紧板31受震动而松动，所述的锁紧装置33由锁紧偏心轴和锁紧环构成；物料底面紧贴夹紧平台19的上平面，夹紧平台为中空结构，其上板面均匀设有数百个φ6mm的细孔，侧板面上设置的管嘴通过管线与真空泵22连接，真空泵22动作，夹紧平台19内部形成负压，利用此负压力将物料下平面紧紧吸附在夹紧平台上。利用这两种力的共同作用，保证了物料在切割过程中不会松动、脱落。采用此种手段改进了原有设备中使用高强胶粘剂固定的方法，从而该设备省去了购买胶粘剂和资金和设置胶粘剂的工序，不仅节约了金钱，还提高了生产速度。换句话说：也就是提高了企业的竞争力。

本发明，所述的冷却系统由冷却水泵21、水箱27、泄水面板28、集水槽29、沉淀水箱和两根中空结构连接杆14构成。冷却水泵21进水口与水箱27连接，出水口通过连接管与中空结构连接杆14连接，水泵开启后，无离子水通过连接杆上的小孔均匀喷洒在切割线与硅材料上对其进行冷却，防止切割线高速运转产生的摩擦热烧损金刚石磨料和融蚀硅材料；冷却后的无离子水和磨屑经泄水面板和集水槽流入沉淀水箱，磨屑经重力沉淀于箱的下部，上层清水经溢流孔流入水箱后经泵抽出，往复循环使用。因此本发明可循环使用的无离子水作切割冷却液，而不用目前主流机型所使用的、价格昂贵的切割液；另外，因是闭环切割，其过程产生的未经任何污染的纯净硅晶体磨屑，经沉淀回收亦是一笔不菲的收入。总体算下来，该机每片切割物料消耗(或成本)平均不到目前主流机型的30％。

由于现有设备为：钢线一头牵出缠绕于刻有螺旋槽的两滚轮上，经收线轮的旋转牵拉，同时，喷以含有大量碳化硅磨粒和一定粘度的切割液，通过两轮间带有一定压力钢线的直线运动，以及其运动过程所黏附、夹带的磨粒的磨削作用，把用高强胶粘剂固定的晶体硅棒、锭切割成片。所以其使用的钢线为一整条，当运行一段时间后，由于磨损原因，使得切片的厚薄不一，质量不稳定，其次，当一处磨损严重时，将无法使用；从本发明可看出，在主动辊轮和从动辊轮上设有若干个环形槽，将整条钢线断开使用，分别将钢线设置在若干个环形槽内，可以设置几百根以上，每次切割，可同时切出几百片，提高其生产效率，而且该发明所使用的切割线可以为新的钢线，亦可以选择现主流机-(光)线切割机使用过的废弃钢线，使用时将其等长断开后镀上金刚石层，将其焊接成环状并环绕在主动辊轮和从动辊轮上再次使用，100％回收利用，节约资源。

本发明，所使用环状切割线的线径与目前主流机型所用的线径相同，其抗拉强度和破断力分别为4000N/mm²和45N，但由于是环状结构其各强度较之单线提高了一倍，加上电镀后的镍钴镀层所增加的至少30％的强度，就单切割线而言，其各种强度至少提高了130％；由于辊轮上的999根线是协同受力，其总抗拉强度和破断力较之单线受力至少提高1000倍。这就大大增强和保证了主机长周期连续作业的能力，避免或减少了目前主流机型因频繁断线而停机的弊端。

本发明，本项目产品主要用于多、单晶硅棒、锭切片，以及其他贵重非金属硬脆材料，如各类宝石、玉石、翡翠等切割成型用。

本发明，其切割效率高，该机切割辊轮挂线999根以上，一次可同时切1000片；每批次所需切割时间仅为10～15分钟(含放、取料时间)，切割效率是目前主流机型切割效率的数十倍；所切片数是目前所用(光)线切割机的200％；以切硅片为例：切割后的硅片质量较好，传统上使用的切割载体为无镀层钢线，其采用的方法是钢线运动中夹带碳化硅磨粒使得物料被切割，从而使得切片光洁度较差，而且其薄度达不到要求，本发明通过将升降装置设置在滑动导轨之间，并在主动辊轮的一端设置主动辊轮导轨，使得线切割机切出的硅片表面薄厚误差仅为5μm，切片质量相当于抛光片；对于电子业用硅片而言，完全可以省却切片抛光工序。

综上说明，证明本发明在技术上具有很大的先进性、可靠性和可行性；因此，在全球可再生能源、绿色能源蓬勃发展，尤其是光伏产业高速发展的形式下，在低碳经济快速取代传统经济发展模式的大势所趋下，本发明具有美好的大规模产业化前景。

Claims (11)

1.一种硅片线切割机，包括机架(9)、支撑平台(1)、升降装置(3)、液压系统、抽真空系统、冷却系统和电机(8)，其特征是：在支撑平台(1)上部设有切割总成(4)、夹紧装置(2)和张紧机构(34)，切割总成(4)由一个主动辊轮(11)和两个从动辊轮(12)及两端的固定端板(10)构成，主动辊轮(11)与两个从动辊轮(12)呈三角形设置，在主动辊轮(11)和从动辊轮(12)上均布设有大于900个独立的线槽，每一个线槽绕辊轮圆周面一周，并垂直于辊轮的轴线，且主动辊轮(11)与从动辊轮(12)设置的线槽相对应，切割线(13)环绕在主动辊轮(11)和从动辊轮(12)的线槽内，张紧机构(34)设置在切割线(13)的一个侧面上，所述的夹紧机构(2)主要由驱动机构和夹紧平台(19)构成，其夹紧平台(19)呈中空结构，在夹紧平台(19)的上板面上，均匀设有多个细孔，在夹紧平台(19)的侧板上，设有与真空泵(22)连接管路；

所述的切割线(13)，其基体为钢线，在基体上镀有金刚石层。

2.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的升降装置(3)，主要由固定框架(5)、导轨(6)和电机吊篮(7)构成，固定框架(5)设置在导轨(6)之间，在固定框架(5)下端设有液压油缸，电机吊篮(7)与固定框架(5)连接。

3.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的固定端板(10)，由连接杆(14)固定连接，主动辊轮(11)和从动辊轮(12)设在两个固定端板(10)之间。

4.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的切割总成(4)上还设有主动辊轮导轨(15)和从动辊轮导轨(16)。

5.根据权利要求2所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的固定框架(5)上设有导向槽，其导向槽的凹陷面与导轨(6)的凸起面相贴合。

6.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的张紧机构(34)，由张紧辊轴(18)、支撑架和张紧弹簧组成。

7.根据权利要求6所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的张紧辊轴(18)，为一个金属辊，其金属辊的基体表面设有橡胶覆层。

8.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的电机(8)，设在电机吊篮(7)上。

9.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的电机(8)通过传动带与主动辊轮(11)连接。

10.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述的电机(8)与电机吊篮(7)底板之间还设有减震板(35)，减震板(35)由一个支撑杆(36)支撑，其减震板(35)的一个端面与电机吊篮(7)的底板连接，减震板(35)的另一端悬空，在电机吊篮(7)底板外端的支撑杆(36)上还设有弹簧组件(17)。

11.根据权利要求1所述的一种硅片线切割机，其特征在于：所述冷却系统中设有冷却水泵(21)，冷却水泵(21)通过连接管与设置在切割总成(4)上的喷水管相连接。

Images