CN110696211B - 一种大尺寸单晶硅棒切割装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大尺寸单晶硅棒切割装置及控制方法，包括切割室，所述切割室内设有夹紧部、切割部、收集部和监控部，所述夹紧部置于所述切割室中间且水平设置；所述切割部置于所述夹紧部两侧且沿所述硅棒高度方向切割；所述收集部在所述切割部下方且靠外设置，所述切割部和所述收集部相对于所述硅棒长度方向对称设置；所述监控部置于所述切割部外侧且位于所述收集部上方。本发明切割装置，设计专用的收集部保证边皮料被收集时不易碎裂，保证其完整性，便于后续分类收集，节约生产时间，减少浪费；同时用监控部对下落的边皮料做监控，及时使切割部回撤到初始切割位置准备下一道工序，提高切割效率。

Description

一种大尺寸单晶硅棒切割装置及控制方法

技术领域

本发明属于太阳能单晶硅棒切割设备用配件技术领域，尤其是涉及一种大尺寸单晶硅棒切割装置及控制方法。

背景技术

在生产单晶硅片时，需要将单晶圆棒开方去边皮后，形成单晶方棒，然后再进行线切割。但在对单晶圆棒开方时，由于同一个开方设备会切割不同规格型号的圆棒，每切割一段圆棒都会产生四个边皮料，切割后的边皮需要被收集。而随着现有单晶硅棒尺寸直径的增大，这种边皮料的重量体积都会变大，对大尺寸硅棒的边皮料的收集更具有一定的难度。现有收集箱置于切割工作台下方，每次切割后的边皮会随着自身重力下落，但因距离较远，导致下落的边皮粉碎料较多，若在同一个切割机上切割时，不同规格的边皮混放，会导致后期收集困难；增加多人跟踪监控，避免混料，导致生产工时延长，工作效率较低，无法适应现有批量生产。同时，在对硅棒一组边皮料切除后，需人员听到边皮料下落的声音并丛切割室的窗口目测确认边皮料脱落后，才能开始操作机台上的按钮进行确认，再继续进行下一刀的切割工作，这一过程使加工时间延时，导致整个切割过程的时间加长，工作效率低；有时一个人员会同时操作多个机台，每个机台上硅棒的尺寸型号不同，导致无法及时确认，使得工时浪费较多，影响设备产出。

发明内容

本发明提供一种大尺寸单晶硅棒切割装置及控制方法，尤其适用于大尺寸直径的单晶硅棒的加工，解决了现有技术中，边皮料碎料较多且无法分类，以及无法及时确认边皮料脱落的进程而导致生产工时延长、工作效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种大尺寸单晶硅棒切割装置，包括切割室，所述切割室内设有夹紧部、切割部、收集部和监控部，所述夹紧部置于所述切割室中间且水平设置；所述切割部置于所述夹紧部两侧且沿所述硅棒高度方向切割；所述收集部在所述切割部下方且靠外设置，所述切割部和所述收集部相对于所述硅棒长度方向对称设置。

进一步的，所述监控部置于所述切割部外侧且位于所述收集部上方；所述收集部包括导向段、放置段和阻挡段，所述导向段、所述放置段和所述阻挡段共同围成一开口朝外设置的凹槽；所述导向段靠近所述切割部设置，所述阻挡段远离所述切割部设置，所述放置段置于所述导向段和所述阻挡段之间。

进一步的，所述导向段朝所述硅棒中心轴线位置倾斜设置，所述放置段水平设置，所述导向段与所述放置段的夹角为钝角。

进一步的，所述导向段与所述放置段的夹角为110-135°；优选地，所述导向段与所述放置段的夹角为120°。

进一步的，所述阻挡段垂直于所述放置段或相对于所述放置段朝外倾斜设置；所述阻挡段的高度不小于所述导向段高度的2/3。

进一步的，至少在所述导向段和所述放置段内侧设有弹性垫，所述弹性垫分别与所述导向段和所述放置段结构相适配。

进一步的，所述监控部包括处理器、设置在所述切割室侧壁上的红外发射器或红外接收器、以及对应设置在所述收集槽上的红外接收器或红外发射器，所述处理器与所述红外接收器信号连接。

进一步的，设置在所述收集槽上的所述红外接收器或所述红外发射器位于所述导向段靠近所述硅棒一侧。

一种大尺寸单晶硅棒切割装置的控制方法，采用如上任一项所述的切割装置，所述切割部沿所述硅棒长度方向的两侧外壁切割，所述监控部检测所述硅棒被切边皮料下落至所述导向段时，所述切割部就开始回撤到切割时初始位置。

进一步的，还包括用所述收集部对所述硅棒被切边皮料的收集。

本发明切割装置，尤其适用于大尺寸直径的单晶硅棒的加工，设计专用的收集部保证边皮料被收集时不易碎裂，保证其完整性，便于后续分类收集，节约生产时间，减少浪费；同时用监控部对下落的边皮料做监控，及时使切割部回撤到初始切割位置准备下一道工序，提高切割效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的一种大尺寸单晶硅棒切割装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例的A部的放大图；

图3是本发明一实施例的B部的放大图；

图4是本发明一实施例的切割装置的侧视图；

图5是本发明另一实施例的阻挡段的结构示意图；

图6是本发明一实施例的弹性垫的结构示意图；

图7是本发明另一实施例的弹性垫的结构示意图。

图中：

10、切割室 20、夹紧部 21、顶尖头

22、固定卡轴 30、切割部 31、丝杠

32、导线轮 40、收集部 41、导向段

42、放置段 43、阻挡段 44、连接段

45、弹性垫 46、凹槽 50、监控部

51、处理器 52、红外线发射器 53、红外线接收器

54、控制面板 55、安装架

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出一种大尺寸单晶硅棒切割装置，如图1-4所示，尤其适用于大尺寸直径的单晶硅棒的加工，硅棒直径为280-320mm，包括切割室10，在切割室10内设有用于夹紧硅棒的夹紧部20、用于切割硅棒的切割部30、用于收集硅棒边皮料的收集部40和用于监控硅棒边皮料是否下落的监控部50。夹紧部20固定设置在切割室10的中间位置且水平设置；切割部30固定设置在夹紧部20的两侧且沿硅棒的竖直高度方向切割，即切割部30沿硅棒长度的外壁面竖直向下切割；收集部40在切割部30的下方且靠外设置，切割部30和收集部40都相对于硅棒的长度方向对称设置；监控部50设置在切割部30的外侧且位于收集部40的上方。

如图4所示，硅棒水平固定在夹紧部20上，夹紧部20包括两端设置的顶尖头21，在顶尖头21两侧设有由固定卡轴22连接的顶点头，顶点头21与硅棒的端面中心原点配合，目的是保证硅棒放置的水平度，进而可保证在开方硅棒的过程中，两侧对位面均平行于硅棒长度的中心轴线上，进而可保证切割后的方棒的侧边平面的平整度，当一对侧面加工完成后，再通过控制固定卡轴22旋转进而使顶尖头21带动硅棒进行旋转90度，使硅棒未被切割面与切割部30对位设置，准备进行下一步加工。

如图1和4所示，切割部30包括一组对称设置且可竖直上下移动的丝杠31和用于绕设金刚线并将金刚线固定的导向轮32，其中，丝杠31竖直固定在切割室10的顶部，每一丝杠31上均设有导向轮32且导向轮32固定安装在丝杠31靠近收集部40一侧。丝杠31对称设置在硅棒两端外即位于硅棒长度方向的两侧外，如图4所示，导向轮32固定安装在丝杠31靠近硅棒一侧且垂直于丝杠31安装设置，导向轮32与硅棒长度方向并行设置，金刚线水平绕设在导向轮32上，即导向轮32的轴线与金刚线垂直设置，在整个切割过程中，导向轮和金刚线均固定安装不动。每一组同侧的两个丝杠31均由一个外设的同步电机带动(图省略)，即两侧的四个丝杠31可同步带动导向轮32和金刚线进行下行或上行移动，丝杠31可由市面上购买的任一丝杠都行，只要能满足强度及固定安装要求即可。圆形硅棒的外壁有四条棱线，即四条晶线，切割任一直径的硅棒都是沿晶线所在位置开始入刀进行切割并从同侧的正下方的另一晶线所在位置出刀切割结束。硅棒水平放置平稳后，开始切割硅棒第一组对位侧面时，同步电机控制丝杠31向下移动，进而带动导向轮32和金刚线沿硅棒的长度外壁一起竖直向下移动，金刚线沿硅棒上方两侧且同一水平位置的两条晶线的长度方向竖直向下切割，从上方晶线开始入刀切割再从下方晶线出刀结束，进而完成一组对位侧面的切割。切割后，边皮料与硅棒分开，边皮料随自身重量下落。然后再控制丝杠31使其上升回撤到初始位置，再旋转固定卡轴22使其带动硅棒旋转90°，使另一组未被切割的对位侧面垂直于金刚线并位于金刚线正下方的位置设置，并准备该组对位侧面的切割。再控制丝杠31开始下行移动，进而使导向轮32带动金刚线开始切割，直至完成这一组对位侧面的切割，进而完成从硅棒到方棒的切割，被切割掉的边皮料落入收集部40内，此切割过程不再重复。

如图1所示，收集部40包括导向段41、放置段42、阻挡段43和连接段44，其中，导向段41、放置段42和阻挡段43共同围成一开口朝外设置的凹槽，以收集硅棒被切割掉的边皮料；两侧的导向段41之间用连接段44连接设置，以使两侧的收集部40连接于一体，保证两侧收集部40的稳固固定。具体地，导向段41靠近切割部30一侧设置，阻挡段43远离切割部30一侧设置，放置段42位于导向段41和阻挡段43之间，连接段44固定设置在导向段41远离放置段42的一侧且水平固定在切割室10下方的平台上。在本实施例中，导向段41、放置段42、阻挡段43和连接段44均为平面铁板结构，相互焊接固定连接且均焊接固定在切割室10下方的平台上。在收集部40的横截面上，导向段41是朝硅棒的中心轴线位置倾斜设置，放置段42是水平设置，导向段41与放置段42的夹角为钝角。切割后的边皮料是一个整块，经自身重量而下落，先下落至导向段41再经导向段41落入放置段42中，阻挡段43的设置是使边皮料置于收集部40内防止其被甩出或崩出收集部40内。

进一步的，导向段41与放置段42的夹角α为110-135°，若夹角α的角度小于110°，则边皮料在导向段41上斜向下滑速度较快，边皮料受自身重力以及斜向下滑动的冲力，会加速向下滑落，冲击到放置段42，使边皮料被粉碎的风险加大。若夹角α的角度大于135°，则边皮料下滑的速度较慢，不仅容易堆积在导向段41上，而且还会影响监控部50对边皮料监控的时长，进而会影响后续加工操作的时间控制，优选地，导向段41与放置段42的夹角α的角度为120°。

进一步的，阻挡段43固定在放置段42远离导向段41的一侧面上，阻挡段43可垂直于放置段42固定连接，如图1所示；也可以相对于放置段42朝外倾斜设置，如图5所示，阻挡段43与放置段42的夹角β为90-120°。不论阻挡段43是垂直设置还是倾斜设置，阻挡段43的高度都不小于导向段42高度的2/3。目的是防止硅棒的边皮料飞出收集部40，保证边皮料的放置安全。连接段44的水平宽度不大于方棒的端面宽度，目的是防止切掉的边皮料在下落时会直接落到连接段44上，再反弹到导向段41上，使边皮料增加被粉碎的风险。

进一步的，如图1和5所示，至少在导向段41和放置段42的内侧设有弹性垫45，优选地，弹性垫45为橡胶垫，弹性垫45分别与导向段41和放置段42的结构相适配。弹性垫45的设置可减少边皮料向下滑动的冲击力和与导向段41、放置段42所在面的摩擦力，进一步降低边皮料被粉碎的风险，保证边皮料的整体完整度，便于后续收集分类，且提高后续分类时间，节约工时，提高工作效率，降低生产成本。从而也提高后续复投使用边皮料的纯度，最大限度地降低边皮料的金属杂质。此外，在收集部40的两端侧面以及在阻挡段43的内侧壁上也可以固定一层弹性垫45，如图6和7所示，可防止边皮料与收集部40两端侧壁和阻挡段43磕碰或直接接触，避免有铁杂质粘在边皮料上，保证边皮料的纯度。

如图1-4所示，监控部50包括处理器51、若干设置在切割室10侧壁上的红外发射器52或红外接收器53、以及对应设置在收集槽40上的红外接收器53或红外发射器52，处理器51与红外接收器53为信号连接，设置在收集槽40上的红外接收器53或红外发射器52位于导向段41靠近硅棒一侧。具体地，处理器51设置在切割室10外侧的控制面板54内部上，同时在控制面板54上设有报警灯，处理器51与报警灯电连接。在切割室10的内侧壁上设有安装架55，安装架55与导向段41倾斜对位设置，在安装架55上安装红外发射器52或红外接收器53，相应地在导向段41的一侧设有凹槽46，用于固定放置红外接收器53或红外发射器52。也即是，若在安装架55上都安装的是红外发射器52，则在凹槽46内安装的都是红外接收器53；若在安装架55上都安装的是红外接收器53，则在凹槽46内安装的都是红外发射器52。虽然在安装架55与凹槽46上的每一组红外接收器53或红外发射器52是可以互换的，但置于硅棒两侧的红外接收器53或红外发射器52的位置是一致的且固定的，即均在两侧的凹槽46上固定同一类型的红外接收器53或红外发射器52。凹槽46垂直于导向段41的斜面设置，凹槽46为长条形结构且贯穿弹性垫45设置，避免阻碍置于凹槽46内的红外接收器53或红外发射器52工作，向处理器51发出错误的信号。相应地，安装架55固定在切割室10的内侧壁上，位置与凹槽46并排设置，在此不对安装架55做具体限制，图省略，只要是能安装固定即可红外发射器52或红外接收器53。在本实施例中，设有三组红外红外发射器52或红外接收器53，分别位于在导向段41的长度方向中心位置处以及靠近导向段41长度方向的两端处，至少可以保证边皮料在下落时，无论是经过哪一位置处的红外红外发射器52或红外接收器53，都可以监控到是否有边皮料经过。

红外线发射器52的输出端与红外线接收器53的输入端连接，红外线接收器53的输出端与处理器51的输入端连接，处理器51的输出端分别与红外线发射器52、报警灯的输入端连接。

以在安装架55上安装红外发射器52、凹槽46安装的是红外接收器53为例，如图1所示，在切割过程中，每当一组边皮料被金刚线切割完后，边皮料与硅棒分开脱落，边皮料先下落至导向段41的上段部，再经过凹槽46向下翻转滚落。当边皮料经过设置在凹槽46内的红外接收器53时，此时红外接收器53、边皮料和红外发射器52处于同一个轴线上，即边皮料位于红外发射器52和红外接收器53之间，边皮料阻挡着红外发射器52所发射给红外接收器53中的红外线，使得红外发射器52与红外接收器53之间的红外光路被阻断，红外接收器53无法接收到红外光路，则红外接收器53向处理器51发出红外光路被阻断的信息，处理器51接收到该阻断信息后并获知发生被阻断信息时表示边皮料到达导向段41上，即表述边皮料已完全脱离硅棒，处理器51便将处理后的数据发送给控制面板54上的报警器，则人员便知第一刀切割完毕，可以进行下一刀切割的工作，就可以操作控制面板54上的按钮，使丝杠31带动导线轮32和金刚线一起向上移动，再旋转固定卡轴22使顶尖头21与硅棒一起旋转90°，然后开始进行下一刀的切割工作。安装架55、凹槽46、处理器51、红外发射器52、红外接收器53、控制面板54和报警器一起相互配合，可监控边皮料与硅棒完全脱落，达到及时监控的优点，解决了现有技术中需人员听到边皮料下落声音后再丛切割室10的窗口目测确认边皮料脱落的进程问题，这一方法不仅提高判断边皮料切割脱落的准确性，而且还能降低人员劳动强度，及时回撤丝杠31，再继续进行下一刀的切割工作，进而缩短了中间的延时时间，提高切割效率，增加设备的产出量，进而提高工作效率。

当安装架55上安装的是红外接收器53，相应地凹槽46安装的是红外发射器52，此时监控部50的工作原理与上述相同，在此不再详述。

本发明切割装置，尤其适用于大尺寸直径的单晶硅棒的加工，设计专用的收集部40保证边皮料被收集时不易碎裂，保证其完整性，便于后续分类收集，节约生产时间，减少浪费。同时用监控部50对下落的边皮料做监控，及时使切割部30回撤到初始切割位置准备下一道工序，提高切割效率。

一种大尺寸单晶硅棒切割装置的控制方法，采用如上所述的切割装置，步骤包括：

第一步：将硅棒水平固定在夹紧部20上。

具体地，将硅棒水平放置在切割室10的夹紧部20上，并使夹紧部20上的顶点头21与硅棒的端面中心原点配合，保证硅棒放置的水平度。固定安装好后，调整固定卡轴22使硅棒旋转并使硅棒的外壁晶线与金刚线竖直上下对正，即保证晶线位于金刚线的正下方。

第二步：控制切割部30，使切割部30沿硅棒长度方向的两侧外壁切割。

硅棒水平放置平稳后，开始切割硅棒第一组对位侧面时，同步电机控制丝杠31向下移动，进而带动导向轮32和金刚线沿硅棒的长度外壁一起竖直向下移动，金刚线沿硅棒上方两侧且同一水平位置的两条晶线的长度方向竖直向下切割，按照设定的加工参数进行线切加工，从上方晶线开始入刀切割再从下方晶线出刀结束，进而完成一组对位侧面的切割。

第二步：用收集部40对硅棒被切的边皮料进行收集。

切割后的边皮料是一个整块，经自身重量而下落，先下落至位于导向段41上方的弹性垫45上，再经导向段41落入放置段42上方的弹性垫45中，阻挡段43的设置是使边皮料置于收集部40内防止其被甩出或崩出收集部40内。

第三步：监控部50检测硅棒被切边皮料下落至导向段41时，切割部30就开始回撤到切割时初始位置。

在切割过程中，每当一组边皮料被金刚线切割完后，边皮料与硅棒分开脱落，边皮料先下落至导向段41的上段部，再经过凹槽46向下翻转滚落。当边皮料经过设置在凹槽46内的红外接收器53时，此时红外接收器53、边皮料和红外发射器52处于同一个轴线上，即边皮料位于红外发射器52和红外接收器53之间，边皮料阻挡着红外发射器52所发射给红外接收器53中的红外线，使得红外发射器52与红外接收器53之间的红外光路被阻断，红外接收器53无法接收到红外光路，则红外接收器53向处理器51发出红外光路被阻断的信息，处理器51接收到该阻断信息后并获知发生被阻断信息时表示边皮料到达导向段41上，即表述边皮料已完全脱离硅棒，处理器51便将处理后的数据发送给控制面板54上的报警器，则人员便知第一刀切割完毕，可以进行下一刀切割的工作。

第四步：旋转硅棒90°，进行下一刀的切割。

具体地，当人员看到报警器的报警时，就可以操作控制面板54上的按钮，使丝杠31带动导线轮32和金刚线一起向上移动，再旋转固定卡轴22使顶尖头21与硅棒一起旋转90°，然后开始进行下一刀的切割工作，直至切割完毕。切割硅棒的过程和收集边皮料的过程如第二步和第三步所述，在此不再详述。

当工作人员再次看到报警器报警时，表示方棒加工完成，工作人员可操作控制面板54，使丝杠31带动导向轮32和金刚线向上移动回撤到初始位置，然后停止机器运行。

采用本发明设计的控制方法，首先，提高边皮料的完整收集，降低边皮料被粉碎的风险，便于后续收集分类，且提高后续分类时间，节约工时，提高工作效率，降低生产成本。其次，也提高后续复投使用边皮料的纯度，最大限度地降低边皮料的金属杂质。再次，不仅提高判断边皮料切割脱落的准确性，而且还能降低人员劳动强度，及时回撤丝杠，再继续进行下一刀的切割工作，缩短了中间的延时时间，提高切割效率，增加设备的产出量，进而提高工作效率。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，包括切割室，所述切割室内设有夹紧部、切割部、收集部和监控部，所述夹紧部置于所述切割室中间且水平设置；所述切割部置于所述夹紧部两侧且沿所述硅棒高度方向切割；所述收集部在所述切割部下方且靠外设置，所述切割部和所述收集部相对于所述硅棒长度方向对称设置；所述监控部置于所述切割部外侧且位于所述收集部上方；

所述收集部包括导向段、放置段和阻挡段，所述导向段、所述放置段和所述阻挡段共同围成一开口朝外设置的凹槽；所述导向段靠近所述切割部设置，所述阻挡段远离所述切割部设置，所述放置段置于所述导向段和所述阻挡段之间；

至少在所述导向段和所述放置段内侧设有弹性垫，所述弹性垫分别与所述导向段和所述放置段结构相适配；

所述监控部包括处理器、设置在所述切割室侧壁上的红外发射器或红外接收器、以及对应设置在所述凹槽上的红外接收器或红外发射器，所述处理器与所述红外接收器信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，所述导向段朝所述硅棒中心轴线位置倾斜设置，所述放置段水平设置，所述导向段与所述放置段的夹角为钝角。

3.根据权利要求2所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，所述导向段与所述放置段的夹角为110-135°。

4.根据权利要求3所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，所述导向段与所述放置段的夹角为120°。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，所述阻挡段垂直于所述放置段或相对于所述放置段朝外倾斜设置；所述阻挡段的高度不小于所述导向段高度的2/3。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，设置在所述凹槽上的所述红外接收器或所述红外发射器位于所述导向段靠近所述硅棒一侧。

7.根据权利要求5所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置，其特征在于，设置在所述凹槽上的所述红外接收器或所述红外发射器位于所述导向段靠近所述硅棒一侧。

8.一种大尺寸单晶硅棒切割装置的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的切割装置，所述切割部沿所述硅棒长度方向的两侧外壁切割，所述监控部检测所述硅棒被切边皮料下落至所述导向段时，所述切割部就开始回撤到切割时初始位置。

9.根据权利要求8所述的一种大尺寸单晶硅棒切割装置的控制方法，其特征在于，还包括用所述收集部对所述硅棒被切边皮料的收集。

Images