金剛石線鋸截?cái)鄼C(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

杜紅文，席珍強(qiáng)

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代制造工程系，杭州 310053；2.浙江理工大學(xué) 材料研究中心，杭州 310051）

0 引言

硅片是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，也是構(gòu)成太陽能光伏電池的核心元件,它的制造工藝和質(zhì)量直接影響到成品太陽能電池發(fā)電轉(zhuǎn)換效率、使用壽命等性能。硅片的制造主要包括晶體生長—截?cái)唷ネ鈭A—切片—倒角—研磨—腐蝕—拋光—清洗等工序。其中，截?cái)喙ば虻哪康氖乔谐桢V（棒）的頭部、尾部及超出客戶規(guī)格的部分，將硅錠（棒）分段成客戶切片設(shè)備可以處理的長度，或切取試片測(cè)量硅錠（棒）的電阻率、含氧率。

近年來，隨著太陽能工業(yè)的迅猛發(fā)展,硅材料的需求量不斷增加,切割加工量大幅增長。目前的硅片切割技術(shù)研究方向主要在于硅錠（棒）截?cái)唷⑶衅瑫r(shí)如何減小切縫損失、增大切割尺寸及提高切割效率等方面?，F(xiàn)有的硅錠截?cái)啵ò^尾切割）設(shè)備大多采用金剛石外圓切割、帶鋸切割等方法來解決。外圓切割方法簡單，但刀片剛性差，易產(chǎn)生側(cè)向擺動(dòng)，切縫大，材料浪費(fèi)大。特別是對(duì)于切割大尺寸的單晶棒或鑄成多晶硅塊，為保證刀片剛性需要其自身厚度大，切縫更大，材料浪費(fèi)尤為明顯，很不經(jīng)濟(jì)。這種切割方法已逐步淘汰。目前較常用的方法是帶鋸切割。帶鋸切割解決了外圓切割切縫大的問題，但由于鋸片薄了以后也存在穩(wěn)定性的問題。切割過程中容易產(chǎn)生偏斜或產(chǎn)生波浪形。同樣也產(chǎn)生材料的浪費(fèi)。且?guī)т徢懈钜仓荒軉渭懈睿实?。國外現(xiàn)在雖有一些硅錠金剛石線鋸截?cái)鄼C(jī)設(shè)備生產(chǎn)，但由于機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積較大、價(jià)格昂貴等因素，在國內(nèi)推廣受到局限。本文針對(duì)上述現(xiàn)有加工技術(shù)和設(shè)備存在的不足，著手研究切割加工材料浪費(fèi)大、效率低，表面質(zhì)量差等問題的解決方法，設(shè)計(jì)并研制了硅錠固結(jié)磨粒金剛石線鋸截?cái)鄼C(jī)。

1 硅錠（棒）金剛石線鋸截?cái)鄼C(jī)的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)硅片材料的特點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)硅錠截?cái)嗟墓に囈螅瑫r(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率，經(jīng)過分析計(jì)算，截?cái)鄼C(jī)采用圖1所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 截?cái)鄼C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

截?cái)鄼C(jī)主要由固結(jié)磨粒金剛石線網(wǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，截?cái)噙M(jìn)給系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)等組成。啟動(dòng)機(jī)床，金剛石線網(wǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)固結(jié)磨粒金剛石線高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)截?cái)嘞到y(tǒng)通過工作臺(tái)帶動(dòng)硅錠向上進(jìn)給，硅錠得到多線同時(shí)切割，截?cái)喑傻染喽喽喂ぜ．?dāng)儲(chǔ)絲系統(tǒng)運(yùn)行到接近線的尾斷時(shí)，限位器控制系統(tǒng)同步反向運(yùn)行。循環(huán)往復(fù)。工件切割完成自動(dòng)停機(jī)。

2 固結(jié)磨粒金剛石線網(wǎng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

儲(chǔ)絲筒：主要用于儲(chǔ)存金剛石鋼絲。金剛石鋼絲均勻地繞在儲(chǔ)絲筒上，不重疊，不擠壓。為了避免重疊或擠壓造成金剛石線自身摩擦而使金剛石顆粒脫落縮短線的使用壽命，儲(chǔ)絲節(jié)距必須大于線徑以防止疊絲。同時(shí)，儲(chǔ)絲筒應(yīng)有良好的動(dòng)平衡性，兩端軸承軸向位移小。

線架與導(dǎo)線輪：線架用于固定導(dǎo)輪、過渡輪及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。調(diào)整線架上相鄰導(dǎo)輪組的間距可得到所需的截?cái)嚅L度。導(dǎo)輪使線精確定位并隨線的高速運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。要求其材料耐磨性要好，剛度要高，在切割張緊時(shí)不變形，材料一般取40Cr,淬火。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)：主要驅(qū)動(dòng)線的高速運(yùn)動(dòng)并與儲(chǔ)絲系統(tǒng)運(yùn)行保持同步。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置于線架上，由電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組成。絲線纏繞在驅(qū)動(dòng)輪上在張緊力的作用下，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲線運(yùn)動(dòng)。電機(jī)采用130S204直流伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)輪直徑（φ140）與儲(chǔ)絲筒直徑相同，以保持與儲(chǔ)絲筒同步。驅(qū)動(dòng)輪表面應(yīng)涂聚氨酯涂層，以免金剛石鋼絲切入驅(qū)動(dòng)輪表面，涂聚氨酯涂層還具有良好的彈性減少對(duì)鋼絲的沖擊。

張緊系統(tǒng)：使線保持一定的張緊力并可按需要調(diào)整。張緊系統(tǒng)采用垂直重錐式，在系統(tǒng)運(yùn)行過程保持張緊力恒定。金剛石線只有始終保持在張緊的狀態(tài)下才能運(yùn)行切割，線的張力一般控制在25～30N。走線速度500～1000m/min（可以調(diào)節(jié)）。重錐同時(shí)又起到斷線緊急停車的作用；重錐下方設(shè)有開關(guān)，當(dāng)線斷時(shí)，重錐落下，接觸到開關(guān)，切斷電源、機(jī)器停車。

3 硅錠（棒）截?cái)噙M(jìn)給系統(tǒng)及電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

截?cái)噙M(jìn)給系統(tǒng)包括截?cái)喙ぞ?、工作臺(tái)及其上下垂直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、切入量的控制系統(tǒng)等。

截?cái)喙ぞ撸ń饎偸€）的選用：本設(shè)備的截?cái)喙ぞ卟捎霉探Y(jié)磨粒金剛石線，選用日本進(jìn)口產(chǎn)品（ASAHI DIAMOND），電鍍金剛石線，φ0.25～30～40，裸線直徑0.25mm，金剛石當(dāng)量直徑30～40um，電鍍后線的直徑約φ0.33mm。其線芯專門按該公司技術(shù)要求拉制而成, 并經(jīng)熱處理與預(yù)拉伸, 抗拉強(qiáng)度超過180000 kg。先電鍍一層銅護(hù)層,將20～120μm金剛石浸漬,采用大電流電鍍其外層,以牢固把持住金剛石。采用微型計(jì)數(shù)器計(jì)控環(huán)繞線芯分布的金剛石數(shù)量以保證其均勻一致。如圖2,3所示。

圖2 金剛石線示意圖

圖3 金剛石線實(shí)物照片

工作臺(tái)及其上下垂直運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：用于固定硅錠并使截?cái)噙^程保持進(jìn)給。工作臺(tái)用來安置工件并在工作過程中使工件進(jìn)給。進(jìn)給方式可采用液壓控制系統(tǒng)。工作臺(tái)下方設(shè)置液壓油缸和兩個(gè)導(dǎo)柱，液壓油缸使工作臺(tái)上下移動(dòng)，切入速度以0.5～1mm/min為宜。導(dǎo)柱保持臺(tái)面精確定位，使切割過程保持截面的平整度。

硅錠（棒）金剛石線鋸截?cái)鄼C(jī)的電器控制部分主要包括了儲(chǔ)絲筒與驅(qū)動(dòng)筒的同步控制，保證運(yùn)行過程不斷線；走絲行程控制，當(dāng)儲(chǔ)絲筒鋼絲走到頭時(shí)，系統(tǒng)反向運(yùn)行，保證反向運(yùn)行軟啟動(dòng)、無沖擊；切割行程控制，當(dāng)工件切割線完成時(shí)，進(jìn)給系統(tǒng)停止不切入工作臺(tái)；斷線停車控制，當(dāng)出現(xiàn)斷線時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)停車，以免亂絲損壞工件與設(shè)備；線速度控制，可調(diào)節(jié)線的走絲速度。

4 設(shè)備研制后的應(yīng)用比較：（見表1）

表1 幾種切割方式的比較

5 結(jié)束語

實(shí)踐證明研制的設(shè)備與外圓切割、帶鋸切割相比較，具有切縫?。ó?dāng)線徑采用0.23mm時(shí)，切縫只有0.24 ～0.25mm），截面平整的特點(diǎn)，可大幅減少材料的浪費(fèi)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)用于多件切割時(shí)，由于多線對(duì)多個(gè)工件同時(shí)切割，具有帶鋸切割無法比擬的效率。同時(shí)，截?cái)喙ぞ卟捎眠M(jìn)口金剛石線，與現(xiàn)在國內(nèi)使用的游動(dòng)磨粒（砂漿）線鋸相比，切割速度可提高3倍。

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