CN103522431A - 一种硅片切割工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅片切割工艺，适用于太阳能光伏行业硅片单、多晶硅片切割工艺。本发明中硅片切割所使用主要辅材为砂浆，通过对废砂浆的回收，调整砂浆的配比，并在此基础上对切割工艺中的参数进行调整。本发明的优点在于：（1）将砂浆分离回收利用，生产过程中提高回收砂、回收液的使用比例，将废弃物品回收利用，既可减少环境污染，又可降低生产成本，从而推进光伏行业的前进，有效利用太阳能资源，减少非再生资源的使用量。（2）通过调整切割工艺，弥补回收砂、回收液切割能力的不足，保证切割硅片合格率在92%以上，达到降低生产成本的同时，也减少固体废弃物的排放。

Description

一种硅片切割工艺

技术领域

本发明涉及一种硅片切割工艺，属于太阳能光伏行业硅片切割技术领域。

背景技术

随着光伏行业的发展，目前硅片生产过程中普遍采用了多线切割加工工艺，它是利用高速运动的细钢线携带砂浆对硅块进行磨削切割加工，砂浆的主要成分由切割液和磨料组成，切割液主要成分为聚乙二醇及其他添加剂；磨料主要为硬度较大的碳化硅。砂浆一般配比为切割液加绿碳化硅砂粉（按1：0.90-0.95重量比）。砂浆一般经过一次或多次切割后，由于切割过程中产生的硅粉进入砂浆等因素，导致其不能继续使用，必须淘汰旧砂浆，更换新砂浆。这样在每天的生产中，将有大量的废弃砂浆产生。据不完全估计目前国内厂家每年产生废砂浆约20万吨以上。

通过研究，人们发现线切割工艺过程中，参与切削硅片作用的砂只占15%左右。其余大部分为砂之间的自磨削。但在磨削过程中，有少部分砂粒棱角受损变成微粉，而大量的硅粉、粘结剂粉、玻璃粉等进入砂浆里附着并包围在砂表面，硅粉和细颗粒度碳化硅达到一定程度时，砂浆不能满足切割工艺要求。同时切割液在砂浆中主要起到悬浮、冷却、润滑等作用，在切割过程中基本未发生化学变化，其切割所需的各项性能未发生本质的变化。故废砂浆中的砂和切割液从技术方面是可以经过分离、清洗、提纯、分级等过程加以回收利用的。

目前行业内废砂浆在线回收可得到近80%的碳化硅，切割液的回收率为60%-80%，正常情况下，每批次的回收砂、液加入20%的新砂浆就可生产再生砂浆投入切片机使用。

发明内容

为了克服上述不足，本发明旨在提供一种新的硅片切割工艺，在该工艺中，首先采用新方法对废砂浆进行回收，提高了碳化硅和切割液的回收比例，不仅减少了对环境的污染，同时通过使用回收砂、液，可节省生产成本；其次对切割过程中的一系列工艺参数进行调整，实现了低成本的硅片切割工艺。

本发明提供的一种硅片切割工艺，是通过以下技术方案实现的：

一种硅片切割工艺，包括以下步骤：

（1）废砂浆的回收

①通过固液分离，对废砂浆进行回收，添加二甘醇（5%-10%），表面活性剂，增加砂浆粘稠度；所述的表面活性剂包括消泡剂、分散剂、渗透剂；

②砂浆过滤器中添加过滤袋，避免大颗粒混入砂浆；

③所述的废砂浆回收后切割液的性能如下：

外观(25℃)：无色无味透明液体；

色度≤40；

折光率（20℃）：1.4540~1.4640；

ph值（5%水溶液）：6.0～7.0；

水分≤0.40%，水分检测仪测得；

旋转粘度(25℃)：42.0～48.0mPa▪s；

密度(20℃)：1.100～1.130g/cm³，密度计测得；

电导率(25℃)≤10µ S/cm。

④检测碳化硅颗粒度，D50为8.2±0.2μm，D50即表示：碳化硅颗粒粒径分布中占50%比例的粒径在8-8.4μm之间。

（2）切割辅料砂浆的准备：砂浆由碳化硅和切割液组成，碳化硅：切割液按1:0.9~0.97重量比重配制；

①将碳化硅放入烘箱，在80~100℃的温度下烘干8小时，调整烘箱温度至40℃冷却；

②切割液在23±3℃条件下放置24小时以上；

③首先将切割液打入砂浆搅拌桶；

④碳化硅由80%重量的回收砂和20%重量的新砂组成，碳化硅缓慢倒入砂浆搅拌桶，平均每袋用时3分钟，每袋25kg；

⑤搅拌4小时后，砂浆密度控制在1.64-1.67kg/m³范围内；

⑥搅拌至8小时以上砂浆方可使用，使用前需再次测量砂浆密度保证在1.64-1.67kg/m³范围内；

（3）切割工艺

太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。

本工艺适用于NTC-PV800线切机，使用主辊槽距为0.33mm，钢线直径0.115mm。

砂浆配置完成后将砂浆打入NTC-PV800线切机内，砂浆打入量为500-600kg，由于碳化硅、切割液的回收再利用，砂浆切割能力减弱，相应切割工艺需做出调整，根据砂浆使用量和回收砂、回收液使用比例调整PV800线切机切割工艺。

①采用双向切割，砂浆单刀消耗量为250-300kg/刀，钢线平均使用量为240-280km；

②钢线速度：增加钢线速度，以提高切割能力，切割速度在 675-830m/min；

③新线进给：增加新线进给量，减少钢线磨损，新线进给量在300-380m/min；

④砂浆流量：砂浆流量设定在60-90L/min；

⑤钢线张力：钢线张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一，张力控制不好是产生线痕片、崩边甚至断线的重要原因，钢线张力保持在18-25N；

⑥工件的进给速度：

根据以上参数的改变，工件进给速度做出相应调整，硅片切割初期，硅棒表面光滑，需低速进刀，进刀速度控制在0.250mm/min；切割速度由0.25mm/min逐渐增加至0.31mm/min，切割至硅棒倒角处速度逐步减小至0.1mm/min；

⑦工艺调整完成，安装硅棒，检查设备进行切割，切割结束后进行脱胶清洗；

⑧清洗过程

硅片清洗使用9个清洗槽清洗，清洗槽容量为110L，纯水温度在30-50℃。

切割液略带碱性，由于回收液易附着在硅片表面，增加硅片清洗难度，最终影响硅片电池转换效率，在硅片清洗过程中，在1#、2#清洗槽加入2-3kg柠檬酸清洗，除去表面残留砂浆，增加硅片表面洁净度。

3#、4#槽添加清洗剂（清洗剂原料-TMN10、SA-9、Np-10、KOH/NaOH、丙二醇甲醚）除去表面污垢，5#、6#、7#、8#清洗槽均为纯水，每槽容量为110L，9#槽采用慢提拉脱水，清洗结束后，硅片出水槽上升速度较慢，控制表面水分，减少硅片表面水分残留量，进入烘道将硅片烘干。

通过以上调整切割工艺，弥补回收砂、回收液切割能力的不足，保证切割硅片合格率在92%以上，达到降低生产成本的同时，也减少固体废弃物的排放。

废砂浆回收的原理：（1）切割液、碳化硅回收过程中，添加二甘醇（5%-10%），表面活性剂（消泡剂、分散剂、渗透剂）化学药剂，增加砂浆粘稠度，切割过程中发生胀片，硅棒尾部需粘接玻璃块固定切割硅片，防止硅片因膨胀导致破损；（2）切割液、碳化硅回收后，碳化硅表面吸附化学药剂容易结团，形成大颗粒，硅片切割容易发生划伤，砂浆过滤器中添加过滤袋，避免大颗粒混入砂浆；（3）切割液、碳化硅回收比例增加，切割结束后砂浆易附着在硅片表面，增加硅片清洗难度，由于切割液、碳化硅略带弱碱性，碳化硅中存在少量三氧化二铁，清洗过程中加入柠檬酸，可去除硅片表面金属铁离子，同时可除去硅片表面污垢，添加清洗剂，清洗剂包括TMN10、SA-9、Np-10、KOH/NaOH、丙二醇甲醚中的一种或几种。

回收后废砂浆的要求：检测回收砂、回收液符合使用标准后进行砂浆配置；调整砂浆配置比例，回收碳化硅使用比例为80%，回收后切割液使用比例为100%；砂浆使用量以及更换量根据实际情况进行调整。

太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。

本发明切割工艺的实施原理：在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线速度、钢线的张力以及工件的进给速度等；调整切割工艺增加钢线进给量减少钢线磨损，提高钢线携砂量；增加钢线切割速度，随着钢线高速运转，砂浆切割能力增强；增加砂浆流量，降低工件进给速度，避免硅片表面产生线痕；工艺调整结束后，进行硅片切割。

调试过程中首先保证钢线质量符合标准，优化砂浆配置，确保回收液粘度达标，保证硅片质量前提下，降低砂浆更新量；随着砂浆更换量的变化，需调整线速度、新线进给以及进刀速度，调试期间固定一台线切机进行调试，制定一套切割工艺后，切割20刀以上，硅片合格率稳定在88%以上后方可确认工艺调试成功。

本发明的有益效果：

（1）将砂浆分离回收利用，生产过程中提高回收砂、回收液的使用比例，将废弃物品回收利用，既可减少环境污染，又可降低生产成本，从而推进光伏行业的前进，有效利用太阳能资源，减少非再生资源的使用量。

①环保：切割液为有机物，废砂浆不能直接排放或倾倒，必须由有资质的专业环保公司处理，可能需要大量的环保处理费用。综上所述，废砂浆有很高的利用价值，对废砂浆的回收再利用具有很好的前景和意义。

②成本低，经济效益显著：从经济指标角度分析，目前市售的切割液价格约为0.88万/吨，碳化硅价格为1.59万/吨，折算后每公斤砂浆的价格约为13-14元/公斤，如果能够使用回收切割液和回收砂可大大降低切割成本，每片硅片成本降低0.3-0.4元/片,每吨砂浆可节省1700-2300元。

（2）通过调整切割工艺，弥补回收砂、回收液切割能力的不足，保证切割硅片合格率在92%以上，达到降低生产成本的同时，也减少固体废弃物的排放。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

1、碳化硅、切割液的再回收利用

通过固液分离，对碳化硅和切割液进行回收，回收碳化硅和切割液使用标准如下：

<1>回收碳化硅使用标准：

颗粒度：

其中D3表示碳化硅颗粒中直径大于14.5μm的颗粒所占比例为3%，D50表示碳化硅颗粒平均粒度在8-8.4μm之间，D94表示94%的碳化硅颗粒直径大于4.5μm。

<2>回收碳化硅成分要求：

<3>回收切割液的性能如下：

外观(25℃)：无色无味透明液体；

色度：35；

折光率（20℃）：1.4600；

ph值（5%水溶液）：6.5；

水分≤0.40%，水分检测仪测得；

旋转粘度(25℃)：45.0mPa▪s；

密度(20℃)：1.120g/cm³，密度计测得；

电导率(25℃)：8µ S/cm。

2、砂浆配比

切割辅料砂浆的准备：砂浆由碳化硅和切割液组成，碳化硅：切割液按1:0.92重量比配制；

①将碳化硅放入烘箱，在80-100℃的温度下烘干8小时，调整烘箱温度至40°冷却；

②切割液在23±3℃条件下放置24小时以上；

③首先将切割液打入砂浆搅拌桶；

④碳化硅由80%重量的回收砂和20%重量的新砂组成，碳化硅缓慢倒入砂浆搅拌桶，平均每袋用时3分钟，每袋25kg；

⑤搅拌4小时后，测量砂浆密度，调整砂浆密度在1.65-1.67kg/m³范围内；

⑥搅拌至8小时以上砂浆方可使用，使用前需再次测量砂浆密度保证在1.65-1.67kg/m³范围内；

3、切割工艺

本工艺适用于NTC-PV800线切机，使用主辊槽距为0.33mm，钢线直径为0.115mm。

砂浆配置完成后将砂浆打入NCT-PV800线切机内，砂浆打入量为550kg，由于碳化硅、切割液的回收再利用，砂浆切割能力减弱，相应切割工艺需做出调整，根据砂浆使用量和回收砂、回收液使用比例调整PV800线切机切割工艺。

①采用双向切割，砂浆单刀消耗量为250kg/刀，钢线平均使用量为240km。

②钢线速度：增加钢线速度，以提高切割能力，切割速度在 700m/min；

③新线进给：增加新线进给量，减少钢线磨损，新线进给量在350m/min；

④砂浆流量：砂浆流量设定在60L/min。

⑤钢线张力：钢线张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一，张力控制不好是产生线痕片、崩边甚至断线的重要原因，钢线张力保持在20N。

⑥工件的进给速度：

根据以上参数的改变，工件进给速度做出相应调整，硅片切割初期，硅棒表面光滑，需低速进刀，进刀速度控制在0.250mm/min；切割速度由0.25mm/min逐渐增加至0.31mm/min，切割至硅棒倒角处速度逐步减小至0.1mm/min。

⑦工艺调整完成，安装硅棒，检查设备进行切割，切割结束后进行脱胶清洗。

⑧清洗过程

硅片清洗使用9个清洗槽清洗，清洗过程全部采用纯水清洗，纯水温度在30℃。

切割液略带碱性，由于回收液易附着在硅片表面，增加硅片清洗难度，最终影响硅片电池转换效率，在硅片清洗过程中，在1#、2#清洗槽加入2.5kg柠檬酸清洗，除去表面残留砂浆，增加硅片表面洁净度。

3#、4#槽添加清洗剂TMN10和SA-9，除去表面污垢，5#、6#、7#、8#清洗槽均为纯水，每槽容量为110L，9#槽采用慢提拉脱水，清洗结束后，出水槽上升速度较慢，控制表面水分，减少硅片表面水分残留量，进入烘道将硅片烘干。

本实施例的切割硅片合格率达到了93%，降低生产成本由2.9元/片降低至2.5元/片，每片降低0.4元/，每吨废砂浆可生产硅片5852片，节约生产成本0.4*5852=2340元。同时减少了固体废弃物的排放。

实施例2：

1、碳化硅、切割液的再回收利用

通过固液分离，对碳化硅和切割液进行回收，回收碳化硅和切割液使用标准如下：

<1>回收碳化硅使用标准：

颗粒度：

<2>碳化硅成分要求：

<3>回收切割液的性能如下：

外观(25℃)：无色无味透明液体；

色度：30；

折光率（20℃）：1.4620；

ph值（5%水溶液）：6.8；

水分%≤0.40，水分检测仪测得；

旋转粘度(25℃)：43.0mPa▪s；

密度(20℃)：1.115g/cm³，密度计测得；

电导率(25℃)：6.5µ S/cm。

2、砂浆配比

切割辅料砂浆的准备：砂浆由碳化硅和切割液组成，碳化硅：切割液按1:0.97重量比配制；

①将碳化硅放入烘箱，在80-100℃的温度下烘干8小时，调整烘箱温度至40°冷却；

②切割液在23±3℃条件下放置24小时以上；

③首先将切割液打入砂浆搅拌桶；

④碳化硅由80%重量的回收砂和20%重量的新砂组成，碳化硅缓慢倒入砂浆搅拌桶，平均每袋用时3分钟，每袋25kg；

⑤搅拌4小时后，测量砂浆密度，调整砂浆密度在1.64-1.67kg/m³范围内；

⑥搅拌至8小时以上砂浆方可使用，使用前需再次测量砂浆密度保证在1.65-1.67kg/m³范围内；

3、切割工艺

本工艺适用于NTC-PV800线切机，使用主辊槽距为0.33mm，钢线直径为0.115mm。

砂浆配置完成后将砂浆打入NCT-PV800线切机内，砂浆打入量为600kg，由于碳化硅、切割液的回收再利用，砂浆切割能力减弱，相应切割工艺需做出调整，根据砂浆使用量和回收砂、回收液使用比例调整PV800线切机切割工艺。

①采用双向切割，砂浆单刀消耗量为300kg/刀，钢线平均使用量为280km。

②钢线速度：增加钢线速度，以提高切割能力，切割速度在 830m/min；

③新线进给：增加新线进给量，减少钢线磨损，新线进给量在380m/min；

④砂浆流量：砂浆流量设定在90L/min。

⑤钢线张力：钢线张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一，张力控制不好是产生线痕片、崩边甚至断线的重要原因，钢线张力保持在25N。

⑥工件的进给速度：

根据以上参数的改变，工件进给速度做出相应调整，硅片切割初期，硅棒表面光滑，需低速进刀，进刀速度控制在0.250mm/min；切割速度由0.25mm/min逐渐增加至0.31mm/min，切割至硅棒倒角处速度逐步减小至0.1mm/min。

⑦工艺调整完成，安装硅棒，检查设备进行切割，切割结束后进行脱胶清洗。

⑧清洗过程

硅片清洗使用9个清洗槽清洗，清洗过程全部采用纯水清洗，纯水温度在38℃。

切割液略带碱性，由于回收液易附着在硅片表面，增加硅片清洗难度，最终影响硅片电池转换效率，在硅片清洗过程中，在1#、2#清洗槽加入3kg柠檬酸清洗，除去表面残留砂浆，增加硅片表面洁净度。

3#、4#槽添加清洗剂Np-10和丙二醇甲醚，除去表面污垢，5#、6#、7#、8#清洗槽均为纯水，每槽容量为110L，9#槽采用慢提拉脱水，清洗结束后，出水槽上升速度较慢，控制表面水分，减少硅片表面水分残留量，进入烘道将硅片烘干。

本实施例的切割硅片合格率达到了95%，降低生产成本由2.9元/片降低至2.6元/片，每片降低0.3元/，每吨废砂浆可生产硅片5852片，节约生产成本0.3*5852=1755.6元，同时减少了固体废弃物的排放。

Claims (8)

1.一种硅片切割工艺，切割过程中的切割辅料为砂浆，砂浆由碳化硅和切割液组成，其特征在于：所述的砂浆是经回收利用的废砂浆，碳化硅：切割液按1:0.9~0.97重量比配制；其中切割液是由100%的回收液组成，碳化硅是由80%重量的回收砂和20%重量的新砂组成。

2.根据权利要求1所述的硅片切割工艺，其特征在于：包括以下步骤：

（1）废砂浆的回收

①通过固液分离，对废砂浆进行回收，添加化学药剂，增加砂浆粘稠度；

②砂浆过滤器中添加过滤袋，避免大颗粒混入砂浆；

（2）切割辅料砂浆的准备：砂浆由碳化硅和切割液组成，碳化硅：切割液按1:0.9~0.97重量比配制；

①将碳化硅放入烘箱，在80-100℃的温度下烘干8小时，调整烘箱温度至40°冷却；

②切割液在23±3℃条件下放置24小时以上；

③首先将切割液打入砂浆搅拌桶；

④碳化硅由80%重量的回收砂和20%重量的新砂组成，碳化硅缓慢倒入砂浆搅拌桶，平均每袋用时3分钟，每袋25kg；

⑤搅拌4小时后，测量砂浆密度，砂浆密度控制在1.64-1.67kg/m³范围内；

⑥搅拌至8小时以上砂浆方可使用，使用前需再次测量砂浆密度保证在1.64-1.67kg/m³范围内；

（3）切割过程

①采用双向切割，砂浆单刀消耗量为250-300kg/刀，钢线平均使用量为240-280km；

②钢线速度：增加钢线速度，以提高切割能力，切割速度在 675-830m/min；

③新线进给：增加新线进给量，减少钢线磨损，新线进给量在300-380m/min；

④砂浆流量：砂浆流量设定在60-90L/min；

⑤钢线张力：钢线张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一，张力控制不好是产生线痕片、崩边甚至断线的重要原因，钢线张力保持在18-25N；

⑥工件的进给速度：

根据以上参数的改变，工件进给速度做出相应调整，硅片切割初期，硅棒表面光滑，需低速进刀，进刀速度控制在0.250mm/min；切割速度由0.25mm/min逐渐增加至0.31mm/min，切割至硅棒倒角处速度逐步减小至0.1mm/min；

⑦工艺调整完成，安装硅棒，检查设备进行切割，切割结束后进行脱胶清洗；

⑧清洗过程

硅片清洗使用9个清洗槽清洗。

3.根据权利要求2所述的硅片切割工艺，其特征在于：所述（1）废砂浆的回收过程中，所述的化学药剂包括5%-10%二甘醇和表面活性剂，表面活性剂包括消泡剂、分散剂、渗透剂。

4.根据权利要求2所述的硅片切割工艺，其特征在于：所述的废砂浆回收后切割液的性能如下：

外观：无色无味透明液体；

色度≤40；

折光率：1.4540~1.4640；

ph值：6.0～7.0；

水分≤0.40%；

旋转粘度：42.0～48.0mPa▪s；

密度：1.100～1.130g/cm³；

电导率≤10µ S/cm。

5.根据权利要求2所述的硅片切割工艺，其特征在于：所述的废砂浆回收后碳化硅的性能如下：碳化硅的颗粒度：D50为8.2±0.2μm，即表示碳化硅颗粒粒径分布中占50%比例的粒径在8-8.4μm之间。

6.根据权利要求2所述的硅片切割工艺，其特征在于：所述的切割工艺采用NTC-PV800线切机，使用主辊槽距为0.33mm，钢线直径为0.115mm。

7.根据权利要求2所述的硅片切割工艺，其特征在于：所述（3）切割过程的⑧清洗过程中，清洗槽容量为110L，在1#、2#清洗槽加入2-3kg柠檬酸清洗，除去表面残留砂浆；3#、4#清洗槽添加清洗剂除去表面污垢，5#、6#、7#、8#清洗槽均为纯水，纯水温度在30-50℃；9#槽采用慢提拉脱水，减少硅片表面水分残留量，进入烘道将硅片烘干。

8.根据权利要求7所述的硅片切割工艺，其特征在于：所述清洗剂包括TMN10、SA-9、Np-10、KOH/NaOH混合物、丙二醇甲醚中的一种或几种。