CN102285654B

CN102285654B - 一种硅片切割刃料的生产方法

Info

Publication number: CN102285654B
Application number: CN2011101464457A
Authority: CN
Inventors: 王彭; 李宏; 王祎
Original assignee: JIANGSU TAYAL PHOTOVOLTAIC AUXILIARY MATERIAL CO Ltd
Current assignee: JIANGSU TAYAL PHOTOVOLTAIC AUXILIARY MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: CN102285654A

Abstract

本发明涉及一种硅片切割刃料的生产方法。该方法以高纯度绿碳化硅为原料，经由颚式破碎并过筛、自动循环式湿法球磨和水力旋流分级、自动溢流式除碳、磁选自动除铁、碱洗、清洗、PLC自动控制溢流分级、离心脱水、烘干、混配、精筛等步骤而制成的硅片切割刃料。用该方法制备的碳化硅刃料为等积形且保持尖锐的棱角，切割能力强；刃料颗粒具备大的比表面积和清洁的外表，与聚乙二醇等切削液有很强的适配性；采用自动循环湿法球磨和旋流分级进行粉碎的产品等积形多，粒型好且产量高，避免了过粉碎；采用自动磁选无酸除铁效率高且环保，自动化程度高，非常适合大规模生产。用该方法粉磨后的产品粒径集中度高且粒型好，可以达到更好的切割效果。

Description

一种硅片切割刃料的生产方法

技术领域

本发明涉及多线切割领域，具体涉及一种太阳能光伏硅片线切割用刃料碳化硅的制备方法。

背景技术

随着太阳能光伏行业的快速发展，高品质硅晶片的需求与日俱增。硅晶片的加工是太阳能电池组制造中的重要环节，而有效的硅片切割技术是获得高质量硅晶片的基本保证。近年来异军突起的多线切割机(Multi-Wire Saw)以其高产效率和出片率，在大尺寸硅片加工领域占据绝对的市场领导地位，而多线切割中使用的混合切削剂一砂浆，其作用非常重要，在切割过程中起主要作用。碳化硅微粉作为切割刃料在太阳能晶硅片和半导体晶圆片的生产领域有着广泛的应用，是晶硅片线切割生产过程中不可或缺的专用切割刃料。

国内目前光伏线切割用刃料质量参差不齐，与国外的同类产品相比，存在纯度较低、粒度不均、切割效率差等缺点。国内的企业生产设备和工艺方法落后，粉碎效果差，微粉粒度分布过宽，产品缺乏市场竞争力。目前国内碳化硅切割刃料的生产加工方式主要有以下几种：气流磨粉碎的生产工艺，生产出的产品等积形较多达到90％以上，产率也较高，但气流磨的总体产量低，产出的颗粒形状较圆，锋利度较差，而且存在隐性裂纹，不利于切割；雷蒙磨粉碎的生产工艺，虽然产量高，但是产率低，产出的产品等积形较少，只占50％左右，且针状、片状等形状颗粒较多，切割效率低且切割持久性差；现有技术中还有采用传统湿法球磨机进行粉碎的，其产品颗粒中虽然等积形多，锋利度好，但产量低，产率低，过粉碎严重，另外现有的酸洗除铁工艺酸消耗量大，经济性差，污染大，不符合环保的趋势。

发明内容

本发明旨在提供一种高度自动化、高产率、高环保、低能耗的硅片线切割用刃料碳化硅的制备方法，其制得的碳化硅微粉粒度集中、等级形多、锋利度好、清洁度高，与切削液的适配性强、切割能力强以及切得的晶圆片的TTV较低；且该方法成品率高，自动化程度高，污染小，能耗低，经济效益好，非常适合大规模生产的硅片切割刃料的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第一步原料破碎，选取纯度≥98％的绿碳化硅块料进行颚式破碎，破碎后筛选出粒度≤3mm的碳化硅砂粒；

第二步湿法球磨研磨、水力旋流分级，对第一步得到的碳化硅砂粒进行湿法球磨研磨，并进行水力旋流分级，得到所需粒度范围的碳化硅粉体料浆；

第三步溢流自动除碳，向溢流自动除碳设备中引入第二步得到的碳化硅粉体料浆，调节其质量浓度至30～50wt％，再加入30～50ml浮选油和50～70ml的水玻璃，充分搅拌0.5～1小时后溢流去除游离碳；

第四步磁选除铁，向磁选设备中引入第三步得到的碳化硅粉体料浆，控制浆料流量为16m³/h～20m³/h，磁选去除含铁杂质；

第五步碱洗，向反应池中引入第四步得到的碳化硅粉体料浆，按浆料质量的10％～25wt％加入NaOH溶液，控制反应池温度为40℃～50℃，充分反应2～3小时后去除游离硅和二氧化硅；

第六步颗粒表面清洗，采用电导率≤10μs/cm的纯水对脱水后原料进行造浆、搅拌、清洗，用于进一步去除颗粒表面的金属离子杂质；

第七步溢流分级，将清洗后的料浆引入自动溢流分级装置，根据不同的粒度分级要求，设定分级程序并调节料浆浓度，进行水力溢流分级，分级用水为电导率≤10us/cm的纯水；

第八步离心脱水，对第七步得到的料浆进行离心脱水处理，使所得粉料的含水率≤10％；

第九步烘干，将离心脱水后的粉料进行干燥，使其含水率＜0.05％；

第十步混配，将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混1～2小时；

第十一步精筛，用超声波振动筛精筛选第十步得到的粉料，去除结团和大颗粒杂质后得到硅片切割刃料。

所述第二步中的湿法球磨研磨是选用立式变频湿法球磨机研磨，所述立式变频湿法球磨机包括立式球磨筒体及匹配地安装于所述筒体内的搅动杆，所述搅动杆由变速电机驱动，在所述筒体的下部沿切线方向设有进料口，在所述筒体的上部设有出料口，所述出料口通过水泵与水力旋流器的进料口相连接；在所述水力旋流器的中上部设有进料口，上部设有旋流出料口，下部设有粗料收集口，所述中上部的进料口与收集所述立式变频湿法球磨机出料的料浆池通过水泵相连接。

所述立式变频湿法球磨机与水力旋流器进行研磨、分级时，按介质球∶碳化硅粒度砂为2～3.5∶1的重量比加入介质球，立式变频湿法球磨机球磨头的转速为100～300rpm，水力旋流器的进水流量为100L/h～500L/h。

所述第三步中的自动除碳设备包括有竖直设置的溢流桶，在溢流桶的下端设置有进气阀，溢流桶的上端通过管路与隔膜泵连接，在溢流桶的上端还设有外溢流槽与内溢流槽，外溢流槽设置在溢流桶壁的外侧，在溢流桶壁上还连接有进水管与出水管，内溢流槽设置在溢流桶内的中部，在外溢流槽与内溢流槽之间设有连接管路，连接管路还与收碳池连接。

在所述第四步中的磁选设备包括磁选机本体和PLC控制单元，在所述磁选机本体上部设有出料口和清洗用进气进水口，下部设有进料口、中矿排出口和磁性物排出口。

在所述第五步中所用试剂为NaOH水溶液。

在所述第六步6中，用电导率小于10μs/cm的纯水对脱水料进行反复洗3次以上，使得料浆中的Fe₂O₃质量百分比＜0.10％，其它重金属总含量＜0.005％。

在所述第七步中自动控制溢流分级装置包括溢流缸、PLC控制单元、电控阀门和流量传感器；溢流分级时进水流量按照溢流粒度控制为500～1200L/h，并使料浆质量浓度达到15～25wt％，得到所需要的粒度范围集中的料浆。

在所述第八步中，采用离心机进行浓缩脱水，采用500～2500目滤布，离心机的转速为800～2500rpm；在所述第十一步中，将所述超声波振动筛能量档位调整为50～80％之间，所用筛网为200～500目。

在所述第九步中，所述烘干采用闪蒸机进行烘干；所述闪蒸机包括烘干筒，分级筒和细粉收集装置；烘干筒设有热风进气口及内部的分散扇叶，该分散扇叶由变速电机控制；分级筒包括进料口、分级叶轮和出料口，进料口和烘干筒相连接，分级叶轮有变速电机控制；细粉收集装置包括引风口和布袋收集器；所述烘干筒进气口热风温度控制为200～300℃，分散扇叶转数为100～500rpm；所述分级筒内分级叶轮转数为500～1500rpm。

本发明具有积极有益的效果：

1、本发明制备出的碳化硅刃料为等积形，且保持尖锐的棱角(参见图1)，保证了碳化硅微粉作为切割刃料的均衡自锐性，切割能力强，使被切割硅晶圆片的TTV最小化，具有硬度高、耐磨性强、抗高温性能好、热导率高等特性，其性能指标见表1；

2、产品颗粒具备大的比表面积和清洁的外表，与聚乙二醇等常用的切削液有很强的的适配性；

3、采用电导率小于10μs/cm的纯水对脱水料进行反复洗脱，使得料浆中金属杂质含量极低，降低了半导体晶圆片切割时金属杂质对晶圆片的影响，对提高晶圆片的质量有着重要的作用；

4、采用溢流自动除碳系统，大大提高了产率，降低了人力成本；

5、采用无酸自动除铁系统，大大降低了用酸的生产成本，降低了排放污染，符合节能环保的理念；

6、采用湿法球磨机和水力旋流器组合的自动化系统进行粉碎的产品具有等积形多，锋利度好等优点，避免了成品率低，过粉碎严重等缺点；本发明制备方法的成品率达到80％以上，且采用该工艺粉磨后的产品颗粒大小分布更均匀，可以达到更好的晶圆片切割效果，行业内采用一般磨粉工艺的成品率(适用于晶圆片切割的粒度段)约为50％。

附图说明

图1为用本发明方法生产出的硅片切割刃料的扫描电镜照片；

图2为本发明方法中改进的湿法球磨机的结构示意图；

图3为本发明方法中使用的水力旋流器的结构示意图；

图4为本发明方法中使用的自动除碳设备的结构示意图。

图2中：1、变速电机；2、出料口；3、搅动杆；4、转轴；5、筒体；6、进料口；7、圆锥形缓冲过渡段。

图3中：1、旋流器细料出料口；2、进料口；3、出料口与筒体连接阀；4、筒体；5、锥形缓冲过渡段，6、粗料出料口。

图4中：1、溢流桶；2为进气阀；3、隔膜泵；4、外溢流槽；5、内溢流槽；6、进水管；7、出水管；8、管路；9、收碳池；10、连杆；11、端盖。

具体实施方式

一种光伏线切割用刃料碳化硅的制备方法，包括以下步骤：

第一步原料破碎，选取纯度≥98％的绿碳化硅块料进行颚式破碎并过筛，收集粒度≤3mm的碳化硅粒度砂；

第三步溢流自动除碳，向溢流自动除碳设备中引入第二步得到的碳化硅粉体料浆，调节其质量浓度至30～50wt％，再加入30～50ml的浮选油和50～70ml的水玻璃，充分搅拌0.5～1小时后溢流去除游离碳；

第七步溢流分级，将清洗后的料浆引入自动溢流分级装置，根据不同的粒度分级要求，设定分级程序并调节料浆浓度，进行水力溢流分级，分级用水为电导率≤10μs/cm的纯水；

所述第二步中的湿法球磨研磨是选用立式变频湿法球磨机研磨，如图2所示，所述立式变频湿法球磨机包括立式球磨筒体5及匹配地安装于所述筒体内的搅动杆3，所述搅动杆3通过转轴4由变速电机1驱动，在所述筒体5的下部沿切线方向设有进料口6，在所述筒体的上部设有出料口2，所述出料口通过水泵与水力旋流器的进料口相连接；在所述水力旋流器的中上部设有进料口，上部设有旋流出料口，下部设有粗料收集口，所述中上部的进料口与收集所述立式变频湿法球磨机出料的料浆池通过水泵相连接。

上述立式变频湿法球磨机由传统的立式变频湿法球磨机改制而成，即在立式球磨筒体5上部设置圆锥形缓冲过渡段7，可使未达到研磨要求的大颗粒微粉返回筒体内研磨区，并在圆锥缓冲区顶端安装出料管；立式球磨筒体5下部沿切线处加装进料口6，可使进料时沿筒壁产生旋流，把大颗粒带向研磨区，而小颗粒随旋流溢出出料口2。采用变频球磨可以根据粉碎的情况调节转速以提高研磨效率；在立式球磨筒体下部设置有进水管道，可以通过调节进水量及时地将达到粒度要求的微粉从研磨体系中分离出去；倒圆锥形缓冲过渡段7形成的缓冲斜坡可使未达到研磨要求的大颗粒微粉返回筒体5内研磨区中进一步粉碎，避免了产品中大颗粒过多的情况出现。

如图3所示，与立式变频湿法球磨机的出料口6相连接的水力旋流分级器中上部设有进料口2通过水泵相连接，把研磨后的浆料沿旋流器筒壁切线注入旋流器内，使浆料在旋流器内形成旋流，符合设定粒度要求的细颗粒从上部旋流出料口溢出，不符合粒度要求的粗颗粒从下部粗料收集口返回研磨原料收集池进行进一步研磨。通过水泵和流量控制器调节旋流器进料口的水流量，以及出料口的筒体口径可以控制旋流器的预设分级范围，进而分选出符合粒度要求的碳化硅微粉。该研磨、分级一体化装置可以使达到粒度要求的料浆及时地分离，进入下一道工序。可以具有以下优势：①球磨机下部旋流进料避免料浆沉底提高研磨效率，细颗粒随旋流溢出，避免过粉碎；②采用圆锥形缓冲过渡段，粗细颗粒易于分级，减少了大颗粒溢出；③采用水力旋流器，研磨和分级循环自动进行，避免了过粉碎。在所述湿法变频球磨机和旋流分级器进行研磨、分级时，按介质球∶碳化硅为2～3.5∶1的重量比加入介质球，立式变频湿法球磨机磨头的转速为100～300rpm，水力旋流分级器的进水流量为100L/h～500L/h。控制球磨机进料口的进水量，使得达到粒度要求的微粉能够及时地被分离出来，避免或减少微粉过度研磨以及微粉的棱角被磨平等不良情况发生，通过球磨机变频器的调节，可以提高生产效率和产品质量。此步为一次分级，浆料浓度可根据生产要求控制在20～50％即可。

所述水力旋流器按照图3所示中上部设有旋流器细料出料口1、进料口2、出料口与筒体连接阀3，进料口2与收集湿法变频球磨机出料的料浆池通过水泵相连接，中部为筒体4，下部设有粗料收集口6，在筒体4与粗料收集口6之间设有锥形缓冲过渡段5。

在所述第三步的除碳，在自动除碳设备中进行时，浆料浓度调整为50％，再加入40ml的浮选油和60ml的水玻璃，充分搅拌反应1小时后溢流去除游离碳。该装置按照图4所示，包括有竖直设置的溢流桶1，在溢流桶1的下端设置有进气阀2，在溢流桶1的上端通过管路与隔膜泵3连接，在溢流桶1的上端的端盖11上还设有外溢流槽4与内溢流槽5，外溢流槽4设置在溢流桶壁的外侧，在溢流桶壁上还连接有进水管6与出水管7，内溢流槽5设置在溢流桶1内的中部，在外溢流槽4与内溢流槽5之间设有连接管路8，该连接管路8还与收碳池9连接，在端盖11与内溢流槽5之间设有连杆10。

在所述第四步除铁时引入上述除碳后的浆料，在高梯度磁选设备中进行除铁，控制料浆浓度为50％，流量为16m³/h。

在所述第五步碱洗时引入上述除铁后的浆料，控制NaOH浓度为整个浆料的20％，控制反应池温度为45℃，充分反应3小时后去除游离硅和二氧化硅。

在所述第六步，颗粒表面清洗采用电导率小于10μs/cm的纯水对上述反应后料浆进行清洗，进一步去除颗粒表面的金属离子等杂质。

在所述第七步溢流分级在自动控制溢流分级系统中进行时，料浆质量浓度控制为20％，根据自动控制系统中程序的设定，进水流量按照溢流粒度在500～1200L/h之间变化，可得到1500目，1200目和1000目料浆，该系统包括溢流缸、PLC控制单元、电控阀门和流量传感器。

在所述第八步脱水在离心机中进行时，离心速度为调整为1200rpm，所得粉料的含水率≤10％。

在所述第九步脱水后烘干在闪蒸机中进行烘干时，热风温度控制为200℃，分散扇叶转数为100rpm；所述分级筒内分级叶轮转数为700rpm。该闪蒸机包括烘干筒，分级筒和细粉收集装置。烘干筒设有热风进气口及内部的分散扇叶，该分散扇叶由变速电机控制；分级筒包括进料口、分级叶轮和出料口，进料口和烘干筒相连接，分级叶轮有变速电机控制；细粉收集装置包括引风口和布袋收集器。

在所述第十步混配将烘干后的同一粒度段的不同批次的粉料送入干混机干混2小时。

在所述第十一步精筛以超声波振动筛精筛上步所得粉料，去除结团和大颗粒杂质后即得半导体晶圆片切割刃料，超声波振动筛的能量档位设置为80％，采用的筛网为300目，投料量为1500kg/h。

所得光伏线切割用碳化硅刃料的性能指标见表2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第三步溢流自动除碳，向溢流自动除碳设备中引入第二步得到的碳化硅粉体料浆，调节其质量浓度至30～50wt％，再加入30～50ml的浮选油和50～70ml的水玻璃，充分搅拌0.5～1小时后溢流去除游离碳；所述自动除碳设备包括有竖直设置的溢流桶，在溢流桶的下端设置有进气阀，溢流桶的上端通过管路与隔膜泵连接，在溢流桶的上端还设有外溢流槽与内溢流槽，外溢流槽设置在溢流桶壁的外侧，在溢流桶壁上还连接有进水管与出水管，内溢流槽设置在溢流桶内的中部，在外溢流槽与内溢流槽之间设有连接管路，连接管路还与收碳池连接；

2.根据权利要求1所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，所述第二步中的湿法球磨研磨是选用立式变频湿法球磨机研磨，所述立式变频湿法球磨机包括立式球磨筒体及匹配地安装于所述筒体内的搅动杆，所述搅动杆由变速电机驱动，在所述筒体的下部沿切线方向设有进料口，在所述筒体的上部设有出料口，所述出料口通过水泵与水力旋流器的进料口相连接；在所述水力旋流器的中上部设有进料口，上部设有旋流出料口，下部设有粗料收集口，所述中上部的进料口与收集所述立式变频湿法球磨机出料的料浆池通过水泵相连接。

3.根据权利要求2所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，所述立式变频湿法球磨机与水力旋流器进行研磨、分级时，按介质球∶碳化硅粒度砂为2～3.5∶1的重量比加入介质球，立式变频湿法球磨机球磨头的转速为100～300rpm，水力旋流器的进水流量为100L/h～500L/h。

4.根据权利要求1所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述第四步中的磁选设备包括磁选机本体和PLC控制单元，在所述磁选机本体上部设有出料口和清洗用进气进水口，下部设有进料口、中矿排出口和磁性物排出口。

5.根据权利要求1所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述第六步6中，用电导率小于10μs/cm的纯水对脱水料进行反复洗3次以上，使得料浆中的Fe₂O₃质量百分比＜0.10％，其它重金属总含量＜0.005％。

6.根据权利要求1所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述第七步中自动控制溢流分级装置包括溢流缸、PLC控制单元、电控阀门和流量传感器；溢流分级时进水流量按照溢流粒度控制为500～1200L/h，并使料浆质量浓度达到15～25wt％，得到所需要的粒度范围集中的料浆。

7.根据权利要求1所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述第八步中，采用离心机进行浓缩脱水，采用500～2500目的滤布，离心机的转速为800～2500rpm；在所述第十一步中，将所述超声波振动筛的能量档位调整为50～80％之间，所用筛网为200～500目。

8.根据权利要求1所述硅片切割刃料的生产方法，其特征在于，在所述第九步中，所述烘干采用闪蒸机进行烘干；所述闪蒸机包括烘干筒，分级筒和细粉收集装置；烘干筒设有热风进气口及内部的分散扇叶，该分散扇叶由变速电机控制；分级筒包括进料口、分级叶轮和出料口，进料口和烘干筒相连接，分级叶轮有变速电机控制；细粉收集装置包括引风口和布袋收集器；所述烘干筒进气口热风温度控制为200～300℃，分散扇叶转数为100～500rpm；所述分级筒内分级叶轮转数为500～1500rpm。