CN113284981B - 一种硅及硅基半导体片的无损切割设备和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅及硅基半导体片的无损切割设备和工艺。先在硅片的两端通过开槽激光头切割深度大于硅片厚度30％的引导槽，再以一端的引导槽为起点沿直线方向边通过热裂激光加热、边通过去离子冷却水冷却硅片直至硅片的尾部引导槽边缘，得到多个硅片。本发明中，切割平台的水冷板采用水冷循环方式，来降低硅片的温度，使整个切割平台的温度控制在0℃左右，从而硅片本身的温度始终保持在0℃，在硅片表面激光加热形成局部高温，使硅片热裂部位和硅片其他部位形成了稳定的大幅温差，从而由于温度不均，沿着热裂的部分产生了应力不均，自动裂开，实现可靠稳定裂片，有效减轻沿分割垂直方向上的隐裂，提升光伏组件质量可靠性和发电功率。
Description
技术领域
本发明涉及硅及硅基半导体片切割技术领域，具体是一种硅及硅基半导体片的无损切割设备和工艺。
背景技术
目前在太阳能电池片组件生产中，为了提高组件的发电效率和减少内阻及隐裂，工艺上采用将单个电池片通过切割分成2片以上，再串焊的方法，提高组件的发电功率。
一般的电池片切片有两道工序，一是用激光对电池片进行中部横向划线，划线的宽度及深度都需要精确控制，二是对划过线的电池片沿划线方向进行机械切割裂片。上述电池片切片方式存在着对电池片损伤较大，隐裂及碎片率高，进而影响电池组件的效率。
在公开号为CN110854042A的中国专利文献中公开了一种太阳能电池裂片方法和系统，在刻点之后的晶硅片表面，以刻点为起点沿直线方向边加热边冷却，利用热胀冷缩原理使晶硅片自动裂开，避免了机械应力对晶硅片表面造成的损伤。但采用该方式裂片时，由于局部加热温度较高会使热量传递到整个晶硅片，造成了裂片过程中在裂片位置处形成的温度梯度值不稳定，影响裂片效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种硅及硅基半导体片的无损切割设备和工艺。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅及硅基半导体片的无损切割设备，包括：
安装底板；
安装支架，其竖直安装在所述安装底板上；
移动驱动机构，其安装在所述安装底板上；
切割平台，其安装在所述移动驱动机构的移动部件上，其包括水冷板和吸附板，待切割硅片放置在所述吸附板上；
水冷板冷却液循环系统，其用于为所述水冷板内部水路提供循环冷却液；
真空发生机构，其用于为所述吸附板提供真空吸附力；
开槽激光光路机构，其包括开槽激光头，所述开槽激光头安装在所述安装支架上，所述开槽激光头用于在硅片待切割线的首尾端上表面开设引导槽；
热裂激光光路机构，其包括热裂激光头，所述热裂激光头安装在所述安装支架上，所述热裂激光头用于在待切割硅片上表面沿切割线加热；
去离子冷却水喷水机构，其包括去离子冷却水喷头，所述去离子冷却水喷头安装在所述安装支架上，所述去离子冷却水喷头用于在待切割硅片上表面沿切割线喷射去离子冷却水。
采用本发明技术方案，先在硅片的两端通过开槽激光头切割深度大于硅片厚度30％的引导槽，再以一端的引导槽为起点沿直线方向边通过热裂激光头加热、边通过去离子冷却水喷头冷却硅片直至硅片的尾部引导槽边缘，得到多个硅片。本发明中，切割平台的水冷板采用水冷循环方式，来降低硅片的温度，使整个切割平台的温度控制在0℃左右，从而硅片本身的温度始终保持在0℃，在硅片表面激光加热形成局部高温，使硅片热裂部位和硅片其他部位形成了稳定的大幅温差，从而由于温度不均，沿着热裂的部分产生了应力不均，自动裂开，实现可靠稳定地进行裂片，有效减轻沿分割垂直方向上的隐裂，提升光伏组件质量可靠性和发电功率。
进一步地，所述水冷板和吸附板的温度维持在0-4℃。
采用上述优选的方案，使硅片维持在低温状态，能与硅片热裂位置形成较大的温度梯度。
进一步地，所述热裂激光光路机构包括两个热裂激光发生器和两个热裂激光头，两个热裂激光头的出射激光分别与两条切割线位置对应；
所述去离子冷却水喷水机构包括两个去离子冷却水喷头，两个去离子冷却水喷头的喷淋水柱分别与两条切割线位置对应；
所述开槽激光光路机构包括一个开槽激光发生器、一个光源切换器、第一激光反射组件、第二激光反射组件、第三激光反射组件、第一开槽激光头和第二开槽激光头；在所述光源切换器处于第一光路接通状态时，所述开槽激光发生器的激光依次经光源切换器、第一激光反射组件反射，最后从第一开槽激光头射出；在所述光源切换器处于第二光路接通状态时，所述开槽激光发生器的激光依次经光源切换器、第二激光反射组件、第三激光反射组件反射，最后从第二开槽激光头射出；所述第一开槽激光头和第二开槽激光头分别与两条切割线位置相对应，且在与切割线相垂直的方向所述第一开槽激光头和第二开槽激光头交错分布。
采用上述优选的方案，开槽激光光路机构只用一个开槽激光发生器通过光源切换器来控制两个开槽激光头的光路切换，大大节约了成本。
进一步地，所述切割平台包括两个相互独立动作的第一切割平台和第二切割平台，所述移动驱动机构包括双动子直线电机，在所述双动子直线电机的前侧面和后侧面分别安装有第一平移块和第二平移块，所述双动子直线电机的两动子分别带动第一平移块和第二平移块沿硅片切割线方向直线平移，在第一平移块上安装有第一升降板，第一升降板由第一升降驱动机构驱动沿第一平移块上下升降动作，所述第一切割平台安装在所述第一升降板的顶端，在第二平移块上安装有第二升降板，第二升降板由第二升降驱动机构驱动沿第二平移块上下升降动作，所述第二切割平台安装在所述第二升降板的顶端。
采用上述优选的方案，采用双动子直线电机，结构更紧凑，速度更快，精度高达5μm；采用双切割平台上下交互切换方式，硅片切割生产节拍提高一倍。
进一步地，所述吸附板包括条状吸附板和吸附垫块，所述条状吸附板与硅片切割线平行设置，所述条状吸附板和吸附垫块位于硅片切割线的不同侧。
进一步地，所述条状吸附板上设有多个沿直线分布的第一吸附孔；所述吸附垫块包括第一直角垫块、中间条形垫块和第二直角垫块，所述中间条形垫块位于所述第一直角垫块和第二直角垫块的中间，所述中间条形垫块与硅片切割线垂直设置，在所述第一直角垫块、中间条形垫块和第二直角垫块中的任意一个垫块或者任意两个垫块或者全部垫块上设有第二吸附孔；在硅片切割过程中，所述第一吸附孔内持续供给真空吸附力，所述第二吸附孔内仅在硅片被切断瞬间开始提供真空吸附力。
采用上述优选的方案，通过条状吸附板真空吸附硅片定位，保证硅片精确定位的同时无压痕；而吸附垫块在裂片时不接通真空气源，可以使硅片一侧顺利进行裂片变形移位，在裂片完成后接通真空吸附住分割开的硅片，防止硅片脱离切割平台。
一种硅及硅基半导体片的无损切割工艺，包括以下步骤：
步骤1，将硅片放置在切割平台的吸附板上，通过水冷板冷却液循环系统将切割平台和硅片温度控制在0-4℃；
步骤2，通过移动驱动机构带动切割平台沿硅片待切割线平移；
步骤3，通过开槽激光光路机构在硅片待切割线的首尾端上表面开设引导槽；
步骤4，从首端引导槽位置开始，通过热裂激光光路机构在硅片上表面沿切割线加热，随后通过去离子冷却水喷水机构在硅片上表面沿加热处喷射水柱，直至到达末端引导槽，将硅片分割成多个条状小硅片。
本发明中，切割平台的水冷板采用水冷循环方式，来降低硅片的温度，使整个切割平台的温度控制在0℃左右，从而硅片本身的温度始终保持在0℃，在硅片表面激光加热形成局部高温，使硅片热裂部位和硅片其他部位形成了稳定的大幅温差，从而由于温度不均，沿着热裂的部分产生了应力不均，自动裂开，实现可靠稳定地进行裂片，有效减轻沿分割垂直方向上的隐裂。
进一步地，在硅片上沿第一切割线和第二切割线将硅片分成3小片，步骤3中引导槽的开设步骤包括：
步骤31，先在硅片上对应于第一切割线头部的位置开引导槽；
步骤32，再在硅片上对应于第二切割线头部的位置开引导槽；
步骤33，然后在硅片上对应于第一切割线尾部的位置开引导槽；
步骤34，最后在硅片上对应于第二切割线尾部的位置开引导槽。
采用上述优选的方案，开槽激光光路机构用一个开槽激光发生器通过光源切换器来控制两个开槽激光头的光路切换，即能可靠完成四个引导槽的开设，节约了设备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明设备的结构示意图；
图2是本发明设备的主视图；
图3是移动驱动机构和双切割平台的局部结构示意图；
图4是切割平台的结构示意图；
图5是开槽激光光路机构的结构示意图；
图6是开槽激光光路机构的俯视图；
图7是硅片的结构示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件的名称：
10-安装底板；20-安装支架；30-移动驱动机构；301-双动子直线电机；302-第一升降板；303-第二升降板；40-切割平台；401-水冷板；402-吸附板；4021-条状吸附板；4022-第一直角垫块；4023-中间条形垫块；4024-第二直角垫块；403-冷却液进入口；404-冷却液循环口；405-真空接口；410-第一切割平台；420-第二切割平台；50-开槽激光光路机构；501-开槽激光发生器；502-光源切换器；503-第一激光反射组件；504-第二激光反射组件；505-第三激光反射组件；506-第一开槽激光头；507-第二开槽激光头；60-热裂激光头；70-去离子冷却水喷头；80-硅片；801/802/803/804-引导槽；805-热裂激光和离子水喷淋轨迹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便对技术特征进行描述，在本发明中，“切割线”“第一切割线”“第二切割线”并不是在切割裂片前事先存在的线条，是指预想的将硅片切割分开的位置线，也是热裂激光和离子水喷淋轨迹。
如图1所示，本发明的一种实施方式为：一种硅及硅基半导体片的无损切割设备，包括：
安装底板10；
安装支架20，其竖直安装在安装底板10上；
移动驱动机构30，其安装在安装底板10上；
切割平台40，其安装在移动驱动机构30的移动部件上，其包括水冷板401和吸附板402，待切割硅片放置在吸附板402上；
水冷板冷却液循环系统，其通过冷却液进入口403和冷却液循环口404为水冷板401内部水路提供循环冷却液；
真空发生机构，其通过真空接口405为吸附板402提供真空吸附力；
开槽激光光路机构50，其包括开槽激光头，所述开槽激光头安装在安装支架20上，所述开槽激光头用于在硅片待切割线的首尾端上表面开设引导槽；
热裂激光光路机构，其包括热裂激光头60，热裂激光头60安装在安装支架20上，热裂激光头60用于在待切割硅片上表面沿切割线加热；
去离子冷却水喷水机构，其包括去离子冷却水喷头70，去离子冷却水喷头70安装在安装支架20上，去离子冷却水喷头70用于在待切割硅片上表面沿切割线喷射去离子冷却水。
先在硅片的两端通过开槽激光头切割深度大于硅片厚度30％的引导槽，引导槽的宽度在25um内，长度在1.5mm左右，再以一端的引导槽为起点沿直线方向边通过热裂激光头加热、边通过去离子冷却水喷头冷却硅片直至硅片的尾部引导槽边缘，得到多个硅片。本发明中，切割平台的水冷板采用水冷循环方式，来降低硅片的温度，使整个切割平台的温度控制在0℃左右，从而硅片本身的温度始终保持在0℃，在硅片表面激光加热形成局部高温，使硅片热裂部位和硅片其他部位形成了稳定的大幅温差，从而由于温度不均，沿着热裂的部分产生了应力不均，自动裂开，实现可靠稳定地进行裂片，有效减轻沿分割垂直方向上的隐裂。
本发明适用于目前所有种类的以硅为主材料的光伏电池片，单晶、多晶、PERC、TOPCON、HJT、钙钛矿等类型电池片，对于光伏电池片的长宽尺寸范围为156.78-220，厚度范围为0.1-0.2mm的单面或双面电池片；也适用于晶圆和芯片的切割。
在本发明的另一些实施方式中，水冷板401和吸附板402的温度维持在0-4℃。采用上述技术方案的有益效果是：使硅片维持在低温状态，能与硅片热裂位置形成较大的温度梯度。
如图1、5、6所示，在本发明的另一些实施方式中，所述热裂激光光路机构包括两个热裂激光发生器和两个热裂激光头，两个热裂激光头的出射激光分别与两条切割线位置对应；
所述去离子冷却水喷水机构包括两个去离子冷却水喷头，两个去离子冷却水喷头的喷淋水柱分别与两条切割线位置对应；
开槽激光光路机构50包括一个开槽激光发生器501、一个光源切换器502、第一激光反射组件503、第二激光反射组件504、第三激光反射组件505、第一开槽激光头506和第二开槽激光头507；在光源切换器502处于第一光路接通状态时，开槽激光发生器501的激光依次经光源切换器502、第一激光反射组件反射503，最后从第一开槽激光头506射出；在光源切换器502处于第二光路接通状态时，开槽激光发生器501的激光依次经光源切换器502、第二激光反射组件504、第三激光反射组件505反射，最后从第二开槽激光头507射出；第一开槽激光头506和第二开槽激光头507分别与两条切割线位置相对应，且在与切割线相垂直的方向第一开槽激光头506和第二开槽激光头507交错分布。采用上述技术方案的有益效果是：开槽激光光路机构用一个开槽激光发生器通过光源切换器来控制两个开槽激光头的光路切换，大大节约了成本。
如图3所示，在本发明的另一些实施方式中，切割平台40包括两个相互独立动作的第一切割平台410和第二切割平台420，移动驱动机构包括双动子直线电机301，在双动子直线电机301的前侧面和后侧面分别安装有第一平移块和第二平移块，所述双动子直线电机的两动子分别带动第一平移块和第二平移块沿硅片切割线方向直线平移，在第一平移块上安装有第一升降板302，第一升降板302由第一升降驱动机构驱动沿第一平移块上下升降动作，第一切割平台410安装在第一升降板302的顶端，在第二平移块上安装有第二升降板303，第二升降板303由第二升降驱动机构驱动沿第二平移块上下升降动作，第二切割平台420安装在第二升降板303的顶端。采用上述技术方案的有益效果是：采用双动子直线电机，结构更紧凑，速度更快，精度高达5μm；采用双切割平台上下交互切换方式，硅片切割生产节拍提高一倍。
在本发明的另一些实施方式中，为了最大程度地提高裂片效率，减少隐裂和碎片，通过大量实验得出下列较优技术参数：开槽激光光路机构的功率为30-50W，光斑大小为5-30um；热裂激光光路机构的功率200-500W，光斑大小1-3mm；直线电机速度600-1000mm/s，热裂激光头和去离子冷却水喷头的距离为50-150mm。
如图4所示，在本发明的另一些实施方式中，吸附板402包括条状吸附板4021和吸附垫块，条状吸附板4021与硅片切割线平行设置，条状吸附板4021和吸附垫块位于硅片切割线的不同侧。条状吸附板4021上设有多个沿直线分布的第一吸附孔；所述吸附垫块包括第一直角垫块4022、中间条形垫块4023和第二直角垫块4024，中间条形垫块4023位于第一直角垫块4022和第二直角垫块4024的中间，中间条形垫块4023与硅片切割线垂直设置，在第一直角垫块4022和第二直角垫块4024上设有第二吸附孔；在硅片切割过程中，所述第一吸附孔内持续供给真空吸附力，所述第二吸附孔内仅在硅片被切断瞬间开始提供真空吸附力。采用上述技术方案的有益效果是：通过条状吸附板真空吸附硅片定位，保证硅片精确定位的同时无压痕；而吸附垫块在裂片时不接通真空气源，可以使硅片一侧顺利进行裂片变形移位，在裂片完成后接通真空吸附住分割开的硅片，防止硅片脱离切割平台。
如图7所示，一种硅及硅基半导体片的无损切割工艺，包括以下步骤：
步骤1，将硅片放置在切割平台的吸附板上，通过水冷板冷却液循环系统将切割平台和硅片温度控制在0-4℃；
步骤2，通过移动驱动机构带动切割平台沿硅片待切割线平移；
步骤3，通过开槽激光光路机构在硅片待切割线的首尾端上表面开设引导槽801/802/803/804；
步骤4，从首端引导槽位置开始，沿热裂激光和离子水喷淋轨迹805，通过热裂激光光路机构在硅片上表面沿切割线加热，随后通过去离子冷却水喷水机构在硅片上表面沿加热处喷射水柱，直至到达末端引导槽，将硅片分割成多个条状小硅片。
切割平台的水冷板采用水冷循环方式，来降低硅片的温度，使整个切割平台的温度控制在0℃左右，从而硅片本身的温度始终保持在0℃，在硅片表面激光加热形成局部高温，使硅片热裂部位和硅片其他部位形成了稳定的大幅温差，从而由于温度不均，沿着热裂的部分产生了应力不均，自动裂开，实现可靠稳定地进行裂片，有效减轻沿分割垂直方向上的隐裂。
如图7所示，在本发明的另一些实施方式中，在硅片80上沿两条热裂激光和离子水喷淋轨迹805将硅片分成3小片，步骤3中引导槽的开设步骤包括：
步骤31，先在硅片上对应于第一切割线头部的位置开引导槽801；
步骤32，再在硅片上对应于第二切割线头部的位置开引导槽802；
步骤33，然后在硅片上对应于第一切割线尾部的位置开引导槽803；
步骤34，最后在硅片上对应于第二切割线尾部的位置开引导槽804。
采用上述技术方案的有益效果是：开槽激光光路机构用一个开槽激光发生器通过光源切换器来控制两个开槽激光头的光路切换，即能可靠完成四个引导槽的开设，节约了设备成本。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种硅及硅基半导体片的无损切割设备，其特征在于，包括：
安装底板；
安装支架，其竖直安装在所述安装底板上；
移动驱动机构，其安装在所述安装底板上；
切割平台，其安装在所述移动驱动机构的移动部件上，其包括水冷板和吸附板，待切割硅片放置在所述吸附板上；所述水冷板和吸附板的温度维持在0-4℃；
水冷板冷却液循环系统，其用于为所述水冷板内部水路提供循环冷却液；
真空发生机构，其用于为所述吸附板提供真空吸附力；
开槽激光光路机构，其包括开槽激光头，所述开槽激光头安装在所述安装支架上，所述开槽激光头用于在硅片待切割线的首尾端上表面开设引导槽；
热裂激光光路机构，其包括热裂激光头，所述热裂激光头安装在所述安装支架上，所述热裂激光头用于在待切割硅片上表面沿切割线加热；
去离子冷却水喷水机构，其包括去离子冷却水喷头，所述去离子冷却水喷头安装在所述安装支架上，所述去离子冷却水喷头用于在待切割硅片上表面沿切割线喷射去离子冷却水；
所述热裂激光光路机构包括两个热裂激光发生器和两个热裂激光头，两个热裂激光头的出射激光分别与两条切割线位置对应；
所述去离子冷却水喷水机构包括两个去离子冷却水喷头，两个去离子冷却水喷头的喷淋水柱分别与两条切割线位置对应；
所述开槽激光光路机构包括一个开槽激光发生器、一个光源切换器、第一激光反射组件、第二激光反射组件、第三激光反射组件、第一开槽激光头和第二开槽激光头；在所述光源切换器处于第一光路接通状态时，所述开槽激光发生器的激光依次经光源切换器、第一激光反射组件反射，最后从第一开槽激光头射出；在所述光源切换器处于第二光路接通状态时，所述开槽激光发生器的激光依次经光源切换器、第二激光反射组件、第三激光反射组件反射，最后从第二开槽激光头射出；所述第一开槽激光头和第二开槽激光头分别与两条切割线位置相对应，且在与切割线相垂直的方向所述第一开槽激光头和第二开槽激光头交错分布。
2.根据权利要求1所述的硅及硅基半导体片的无损切割设备，其特征在于，所述切割平台包括两个相互独立动作的第一切割平台和第二切割平台，所述移动驱动机构包括双动子直线电机，在所述双动子直线电机的前侧面和后侧面分别安装有第一平移块和第二平移块，所述双动子直线电机的两动子分别带动第一平移块和第二平移块沿硅片切割线方向直线平移，在第一平移块上安装有第一升降板，第一升降板由第一升降驱动机构驱动沿第一平移块上下升降动作，所述第一切割平台安装在所述第一升降板的顶端，在第二平移块上安装有第二升降板，第二升降板由第二升降驱动机构驱动沿第二平移块上下升降动作，所述第二切割平台安装在所述第二升降板的顶端。
3.根据权利要求1所述的硅及硅基半导体片的无损切割设备，其特征在于，所述吸附板包括条状吸附板和吸附垫块，所述条状吸附板与硅片切割线平行设置，所述条状吸附板和吸附垫块位于硅片切割线的不同侧。
4.根据权利要求3所述的硅及硅基半导体片的无损切割设备，其特征在于，所述条状吸附板上设有多个沿直线分布的第一吸附孔；所述吸附垫块包括第一直角垫块、中间条形垫块和第二直角垫块，所述中间条形垫块位于所述第一直角垫块和第二直角垫块的中间，所述中间条形垫块与硅片切割线垂直设置，在所述第一直角垫块、中间条形垫块和第二直角垫块中的任意一个垫块或者任意两个垫块或者全部垫块上设有第二吸附孔；在硅片切割过程中，所述第一吸附孔内持续供给真空吸附力，所述第二吸附孔内仅在硅片被切断瞬间开始提供真空吸附力。
5.一种硅及硅基半导体片的无损切割工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将硅片放置在切割平台的吸附板上，通过水冷板冷却液循环系统将切割平台和硅片温度控制在第一温度值；第一温度值为0-4℃；
步骤2，通过移动驱动机构带动切割平台沿硅片待切割线平移；
步骤3，通过开槽激光光路机构在硅片待切割线的首尾端上表面开设引导槽；步骤3中引导槽的开设步骤包括：
步骤31，先在硅片上对应于第一切割线头部的位置开引导槽；
步骤32，再在硅片上对应于第二切割线头部的位置开引导槽；
步骤33，然后在硅片上对应于第一切割线尾部的位置开引导槽；
步骤34，最后在硅片上对应于第二切割线尾部的位置开引导槽；
步骤4，从首端引导槽位置开始，通过热裂激光光路机构在硅片上表面沿切割线加热，随后通过去离子冷却水喷水机构在硅片上表面沿加热处喷射水柱，直至到达末端引导槽，将硅片分割成多个。
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