自動硅片上料機的研制

賈娟芳

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 ，030024）

自動硅片上料機的研制

賈娟芳

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 ，030024）

近年來隨著光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，自動化設(shè)備在太陽能電池片生產(chǎn)線上得到廣泛的運用。在工藝設(shè)備產(chǎn)能不斷增長的背景下，對自動化設(shè)備的產(chǎn)能要求也越來越高。本文主要結(jié)合太陽能電池設(shè)計制造過程中硅片的上下料工藝，與傳統(tǒng)上下料工藝的進行了對比。重點分析了太陽能自動化設(shè)備全自動硅片裝片上下料機的結(jié)構(gòu)、特性以及工作流程等。

自動化設(shè)備；全自動硅片上料機；控制模式；研制

隨著全球能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出，太陽能作為可再生的環(huán)保能源已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。在電池行業(yè)中，最沒有污染、市場空間最大的應該是太陽能電池，太陽能電池的研究與開發(fā)越來越受到世界各國的廣泛重視，國內(nèi)外很多大公司相繼投入到太陽能電池的研發(fā)和生產(chǎn)中。太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，使得對電池硅片的性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的硅片上下料采用的是人工上下料方式，容易造成硅片的污染，增加硅片碎片率，效率低下。

而全自動硅片上下料機能夠克服人工上下料的缺點，并且具有自動化程度高、操作方便、工藝一致性有保證、系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點。能夠極大地提高我國太陽能光伏行業(yè)電池生產(chǎn)整線的自動化水平，提升電池片的品質(zhì)，這對太陽能光伏行業(yè)的持續(xù)發(fā)展起到了推動作用。目前使用的全自動硅片上下料機每小時3600片/小時的產(chǎn)能已落后于工藝設(shè)備的發(fā)展要求，迫切需要一種工藝好、效率高、能滿足日益增長的產(chǎn)能要求的全自動硅片上下料機。

圖1　上料機設(shè)備簡圖

圖2　上料位詳圖

在此背景下，研制出了GSL-5I全自動硅片上料機，主要應用在制絨工序、刻蝕工序等多個生產(chǎn)工序中。主要目的就是減少人工操作與硅片的接觸，降低硅片的污染，提高轉(zhuǎn)換效率，從而大大降低生產(chǎn)成本。

1　設(shè)備簡介和工藝流程

1.1主要技術(shù)指標

⑴產(chǎn)能：≥4000片/小時

⑵碎片率：≤0.03%

⑶工位數(shù)：5工位（在線設(shè)備為5道滾輪設(shè)計）

⑷設(shè)備適用于156×156 （±0.5mm）規(guī)格的硅片。

⑸速度匹配功能：可按工藝的速度自動調(diào)整。

⑹稱重功能：可按定時或定量進行稱重。

⑺ Uptime: ≥98%；

1.2設(shè)備結(jié)構(gòu)

設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括：上料位、上料位升降機構(gòu)、分片結(jié)構(gòu)、傳送裝置、稱重機構(gòu)以及控制系統(tǒng)等。如圖1所示。

1.2.1上料位

上料位主要功能是將放有硅片的花籃，送到機械手的工作位置。本設(shè)備采用電缸加吸盤的方式，吸盤組件由電缸驅(qū)動，兩側(cè)供料，運動更平穩(wěn)。如圖2所示。

1.2.2傳送裝置

由于傳送裝置屬于全自動上下料設(shè)備的核心部件，整個傳送系統(tǒng)設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到整個設(shè)備運行過程的穩(wěn)定性和可靠性。在設(shè)計時必須考慮傳動設(shè)備運行的穩(wěn)定性和精確性。

圖3　控制系統(tǒng)詳圖

圖4　工作流程圖

傳送結(jié)構(gòu)主要包括緩沖結(jié)構(gòu)、一級傳輸、二級傳輸、導向結(jié)構(gòu)四個部分。硅片在放置到傳送皮帶前先接觸到緩沖結(jié)構(gòu)以減少硅片下落時受到的沖擊。運行硅片的皮帶分為一級傳輸帶與二級傳輸帶兩段，二級傳輸帶速度為一級傳輸帶三分之二，主要是起到減小硅片進入籃具所受到的沖擊力。

傳送皮帶采用質(zhì)地柔軟的圓皮帶，減少與硅片的接觸面積，避免損傷和污染硅片。導向結(jié)構(gòu)保證了硅片能順利進入籃具，導向結(jié)構(gòu)選取圓弧鋼化玻璃為主要導向材料，既減小了硅片與導向材料接觸所受的沖擊力又保證了導向結(jié)構(gòu)的耐用性。

1.2.3稱重機構(gòu)

為了增加光子的吸收率、去除硅片表面的玷污和機械損傷層等，需要對硅片進行制絨處理。在制絨工序和刻蝕工序中硅片減重量是一個非常重要的參考指標。

在線稱重系統(tǒng)可以將硅片原重、硅片腐蝕后重、以及腐蝕量數(shù)據(jù)上傳至電腦，并以X-Bar控制圖的SPC模式顯示；腐蝕量超出規(guī)格時，鏈式制絨自動化設(shè)備會給出相應報警信息。稱重單元選擇日本A&D在線式稱重單元，稱重機架要單獨出來，具有抗變形能力和防振能力，稱體需要嚴格密封，外面氣流會對稱重結(jié)過有影響。含稱重單元上下料系統(tǒng)控制圖，如圖3所示。

1.3設(shè)備工藝流程

設(shè)備主要工作流程主要包括：

⑴把四個裝滿硅片的專用籃具分別放到兩側(cè)上料位；

⑵伺服電機帶動硅片向上移動到指定位置；

⑶兩組電缸分別帶動兩組吸盤組件運動到吸片位置；

⑷吹氣分離裝置開始工作；

圖5　步導向系統(tǒng)示意圖

⑸四組吸盤同時吸取硅片，一次共吸取四組硅片，并輪流把硅片放于皮帶上；

⑹兩組電缸繼續(xù)吸取硅片，通過程序控制硅片傳送，保證與工藝設(shè)備對應的⑺傳送料道上只有5組硅片；

⑻硅片傳送過程中，如檢測到有雙片，設(shè)備暫停并報警，提示人工干預；

⑼傳送帶開始工作，把硅片送入到5道在線工藝設(shè)備中。

2　設(shè)備結(jié)構(gòu)特點

2.1速度匹配功能

進口工藝設(shè)備的速度匹配，需要工藝設(shè)備開放通訊端口，上下料設(shè)備與其進行數(shù)據(jù)交換和通訊，采集當前速度信號來進行匹配。但進口工藝設(shè)備一般不提供二次開發(fā)的平臺，導致通訊無法實現(xiàn)。

經(jīng)過實驗，采集工藝設(shè)備轉(zhuǎn)軸角速度信息來匹配速度。通過光電傳感器檢測速度碼盤的信號，在一個采樣周期內(nèi)計數(shù)，計算出工藝設(shè)備的角速度值，再根據(jù)上下料機和工藝設(shè)備旋轉(zhuǎn)半徑比值關(guān)系，最后計算出上下料設(shè)備的匹配速度值。

2.2硅片吸取結(jié)構(gòu)

硅片吸取結(jié)構(gòu)是負責將硅片由疊片盒抓取到傳輸皮帶的結(jié)構(gòu)。它包含電動執(zhí)行器、吸盤氣缸、緩沖器、真空吸盤、固定架。真空吸盤采用非接觸吸盤減少與硅片接觸用于硅片吸取，緩沖器可以減小真空吸盤吸取硅片時對硅片作用力，電動執(zhí)行器與吸盤氣缸用于吸取硅片的左右與上下運動。在設(shè)計過程中充分考慮到了硅片裝片效率與碎片率：采用較小的真空吸附力吸取硅片；采用緩沖方式減少對硅片沖擊損傷；采用高速運行機構(gòu)電動執(zhí)行器提高裝片效率。

2.3籃具升降機構(gòu)

籃具升降機構(gòu)采用高精度、高速、低慣量交流伺服電機控制籃具直線系統(tǒng)精確移動，同時由編碼器提供反饋信息，形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)既高速又精確的移動。花籃在籃具托盤上的定位采用斜面或者圓孔定位，可加裝可調(diào)限位塊和定位銷，穩(wěn)定可靠。對不同規(guī)格籃具只需簡單的調(diào)整定位銷即可。

2.4同步導向系統(tǒng)

同步導向系統(tǒng)如下圖所示，驅(qū)動滑輪直接帶動硅片傳送皮帶傳送硅片，同時驅(qū)動滑輪通過轉(zhuǎn)向圓皮帶的正交傳送驅(qū)動導向平皮帶，確保導向與硅片傳送的同步。平皮帶之間的距離可通過導向調(diào)整板調(diào)節(jié)。同步導向系統(tǒng)真正實現(xiàn)了導向與硅片的同步，既保證了硅片傳送過程中無損傷，又大大延長了導向的更換周期。且調(diào)節(jié)更換方便。

2.5吹氣分離結(jié)構(gòu)

如果在上料位的硅片不能輕易的分開，這樣幾塊硅片就會粘在一起，吸盤不能把硅片吸起來，導致效率降低；而如果粘在一起的幾個硅片被吸起來，在高速的運動過程中，又有可能造成處在下面的硅片脫落，產(chǎn)生碎片。

為了把上料位的硅片輕易的分開，上料位采用了兩側(cè)加裝吹氣分離裝置，潔凈壓縮空氣經(jīng)過調(diào)壓、節(jié)流，進入一個末端是細縫的吹氣柱，并且細縫方向和硅片是垂直的。這樣從細縫里產(chǎn)生的氣流是垂直的、有層次的，就能把最上面的硅片有層次的、輕易的吹開，便于硅片吸取結(jié)構(gòu)中的真空吸盤對硅片吸附，既提高了設(shè)備的效率又降低了硅片的碎片率。

圖6　氣路示意圖

2.6電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是整個設(shè)備的核心部分，控制系統(tǒng)的硬件主要由觸摸屏、PLC、伺服電機、電動執(zhí)行器、氣缸、電磁閥、按鈕和傳感器組成。

利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），按照相應的工藝要求進行設(shè)計和編程，控制上料機整個設(shè)備系統(tǒng)，實現(xiàn)垂直方向的精確、高速運行，而且移動速度和方向可以根據(jù)實際情況調(diào)整等功能。

在具體操作過程中，通過在觸摸屏上輸入相應的工藝參數(shù)，設(shè)備即可按照預設(shè)程序運行。與傳統(tǒng)的人工控制操作相比，具備著控制性好，可靠性高，運行穩(wěn)定；模塊化設(shè)計；自動化程度高；具備良好的設(shè)備自診斷模塊，故障分析模塊；具備良好的人機界面等優(yōu)點。從而大大提高電池片的成品率和生產(chǎn)效率。

3　結(jié)語

太陽電池產(chǎn)業(yè)的競爭歸根到底是成本的競爭，國產(chǎn)裝備的發(fā)展符合降低成本的大方向，本項目研制的全自動硅片上料機有以下特點：

⑴運行穩(wěn)定性好，不但能滿足裝片效率需求，同時大大降低人工裝片的碎片率， 減少手指與硅片的接觸，避免硅片受到污染。

⑵操作簡單，維護方便，適用于太陽能電池生產(chǎn)線中多個工序，兼容單晶和多晶硅片，可滿足不同尺寸硅片的上下料要求。

背靠全球增長最為迅猛的地區(qū)，擁有巨大的本土市場。國內(nèi)一流光伏企業(yè)真正認識到?jīng)]有國產(chǎn)設(shè)備的支撐，中國的光伏企業(yè)將喪失最主要的成本競爭優(yōu)勢。國內(nèi)裝備制造商也清醒的認識到作為技術(shù)要求要略低一些的光伏設(shè)備也正是國內(nèi)企業(yè)可大有作為的中低端設(shè)備領(lǐng)域。

本項目利用現(xiàn)有成熟的硅片上下料工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)，制造適用于大規(guī)模生產(chǎn)的，滿足各工序間周轉(zhuǎn)和傳遞的全自動硅片上下料機，隨著性能的不斷提高，前景會更加美好。

（References）

［1］ 吳洪坤，張瑾，孫曉波.全自動硅片裝片機工藝設(shè)備研制［J］.電子元器件資訊，2010，（3）:11-13.

［2］邱燕. 多晶硅太陽電池的制絨工藝及安全生產(chǎn)［J］. 無線互聯(lián)科技，2014（5）:185.

［4］王云峰. IGBT全自動裝片機工藝方法研究［J］. 電子與封裝，2012（9）:14-17+23.

in recent years， with the development of photovoltaic industry， automation equipment in the solar cell production line has been widely used. Under the background of the continuous increase of production capacity， the production capacity of the equipment is also higher and higher. In this paper， the design and manufacture of solar cells in the process of silicon wafer processing， compared with the traditional feeding process. Focus on the analysis of the solar energy automation equipment automatic coading wafer cutting machine on the structure， characteristics and work flow etc..

automation equipment； automatic silicon wafer feeding machine； control mode； development

賈娟芳（1980-），女，山西太原人，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第二研究所，主要從事太陽能自動化設(shè)備及其工藝研究。