在線式管式PECVD上下料機(jī)的研制

肖方生

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 前言

太陽能是一種永不枯竭的清潔能源，儲(chǔ)量豐富，安全性及經(jīng)濟(jì)性等具有顯著優(yōu)勢(shì)，已成為世界各國公認(rèn)的最理想的替代能源，對(duì)其開發(fā)利用已備受各國的高度重視。太陽能的利用是積極應(yīng)對(duì)當(dāng)前嚴(yán)重的氣候變化和能源危機(jī)、落實(shí)國家節(jié)能減排要求、改善能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)新能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)的重要舉措。

光伏發(fā)電就是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是光伏電池。我國目前已經(jīng)成為光伏電池的最大生產(chǎn)國，在光伏電池生產(chǎn)工藝中，PEVCD作為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，可以在太陽能電池表面沉積深藍(lán)色減反膜-SiN膜，其具有卓越的抗氧化和絕緣性能，達(dá)到有效地減少太陽光反射的作用，提高吸收率，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)化效率。該設(shè)備在使用過程中是用石墨舟作為硅片的載體，由于人工插片速度慢、碎片率高、易污染等原因，應(yīng)用于管式PECVD鍍膜設(shè)備的自動(dòng)上下料機(jī)已成為不可或缺的設(shè)備，對(duì)于老廠改造是增加離線式設(shè)備，對(duì)于新廠擴(kuò)建往往是進(jìn)行在線式設(shè)計(jì)，減少了人工搬運(yùn)石墨舟的環(huán)節(jié)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 設(shè)備組成

在線式管式PECVD上下料機(jī)由機(jī)架、機(jī)器人抓取組件、石墨舟傳送組件、硅片中轉(zhuǎn)組件、硅片上料組件、硅片下料組件等部分組成，設(shè)備與管式PECVD爐直接相連，工藝完成后的硅片通過傳送系統(tǒng)自動(dòng)與在線式管式PECVD上下料機(jī)通訊，由機(jī)械手將石墨舟搬運(yùn)至上下料機(jī)中，然后通過機(jī)器人抓取組件完成硅片的抓取，同時(shí)將未經(jīng)工藝處理的硅片放置于石墨舟中，并傳送至管式PECVD主工藝設(shè)備中。設(shè)備整體機(jī)架采用優(yōu)質(zhì)碳鋼方管焊接而成，保證了整體的剛性，使機(jī)器人在高速運(yùn)動(dòng)中不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。各部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 管式PECVD上下料機(jī)示意圖

1.1 硅片上料組件

上料的硅片來料是根據(jù)客戶不同工藝的需求可以采用籃具裝載上料，也可以采用疊片裝載上料，本文中的設(shè)計(jì)屬于疊片上料，即從一摞400片的料盒中通過對(duì)硅片進(jìn)行吹氣以及升降運(yùn)動(dòng)，并由非接觸吸盤將硅片依次吸出來，在皮帶上傳送的過程中會(huì)有超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)，在吸附了兩片或多片的情況下報(bào)警提示，并由分揀機(jī)構(gòu)自動(dòng)剔除。吸取組件由電動(dòng)執(zhí)行器、升降氣缸以及非接觸吸盤等部件組成，非接觸吸盤可以有效地減少吸盤印的產(chǎn)生，電機(jī)執(zhí)行器完成吸盤的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2 硅片中轉(zhuǎn)組件

石墨舟的舟葉中心距為13.5 mm，而籃具的硅片間距是4.76 mm，因此需要通過中轉(zhuǎn)組件將硅片的間距轉(zhuǎn)換為13.5 mm，中轉(zhuǎn)組件內(nèi)的硅片由伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠完成升降功能，硅片在機(jī)器人抓取之前由矯正組件進(jìn)行硅片的位置矯正，從而使一組硅片在進(jìn)入到石墨舟的時(shí)候保證確定的位置，機(jī)器人從中轉(zhuǎn)組件中吸取硅片放置于石墨舟的舟葉內(nèi)。

1.3 機(jī)器人抓取組件

機(jī)器人選型所選機(jī)器人參數(shù)：負(fù)載10 kg，重復(fù)精度0.08 mm，機(jī)器人抓取組件由六軸機(jī)器人、吸盤組件組成。

吸盤組件由吸盤支架、吸嘴、彈簧、氣管，吸盤固定架組成。吸盤采用PEEK[1]或防靜電尼龍材質(zhì)，前者具良好的韌性和剛性，且能夠耐高溫，多用于在線式，后者在靜電比較高的場(chǎng)合下能夠有效地消除靜電，可以保證其在運(yùn)行過程中不會(huì)吸附灰塵及細(xì)小的碎硅片，多用于離線式，吸嘴表面加工完后人工要用金相砂紙進(jìn)行打磨，從而保證表面的光潔度，提高吸附作用力。彈簧的作用是在吸盤組件吸附硅片時(shí)接觸面可以發(fā)生較小的形變，從而能夠增大吸盤與硅片的接觸面積，從而更好地將硅片吸附起來。

吸盤支架的材料對(duì)于吸附組件的性能非常重要，通過試驗(yàn)鋁板、尼龍板以及碳素纖維板等材料，最后選擇了碳素纖維材料，其具備重量輕，韌性好，厚度薄、可加工性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，吸盤組件間距的一致性對(duì)于吸取片效果的好壞至關(guān)重要。

1.4 設(shè)備各部分精度的保證

要保證以下幾方面的精度：石墨舟固定立板與石墨舟導(dǎo)軌的平行度不大于0.05 mm，石墨舟導(dǎo)軌的平面度不大于0.05 mm，精度的保證均采用百分表進(jìn)行測(cè)量達(dá)到。吸盤組件每片之間的間距公差不大于±0.05 mm。

2 電氣控制方案

2.1 電氣方案架構(gòu)(見圖2)

圖2 電氣方案架構(gòu)圖

2.2 電氣主要配置表(見表1)

表1 電氣主要配置表

2.3 電氣解決方案

2.3.1 操作界面

通過人機(jī)界面可以進(jìn)行設(shè)備的手動(dòng)/自動(dòng)模式切換，界面交互簡(jiǎn)單易操作，功能全面。

手動(dòng)模式下可以對(duì)伺服進(jìn)行JOG調(diào)試，并將調(diào)試好的伺服電機(jī)位置進(jìn)行保存。

2.3.2 手動(dòng)、自動(dòng)模式的切換

手動(dòng)模式下，可以進(jìn)行整機(jī)各部件的手動(dòng)測(cè)試操作、伺服調(diào)試操作，可以設(shè)置客戶使用的工藝參數(shù)及速度參數(shù)，可以根據(jù)客戶需要設(shè)置不同操作權(quán)限。

自動(dòng)模式下，將設(shè)備初始化后，人工只需要放入花籃及石墨舟，本機(jī)可以執(zhí)行PECVD工藝后石墨舟的硅片自動(dòng)上下料流程，由機(jī)器人一次吸取26張硅片進(jìn)行裝卸，無需人工插取片，操作簡(jiǎn)潔方便。

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡造成的硅片表面劃傷的解決

硅片的劃傷可以造成硅片等級(jí)下降，通過跟蹤硅片EL檢測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：在PECVD工序，機(jī)器人舟內(nèi)插取硅片的動(dòng)作是造成電池片背面Al2O3鈍化層劃傷的最主要原因。

因機(jī)器人插片與取片是兩個(gè)逆過程，所以這里以機(jī)器人插片動(dòng)作為例，闡述一下機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中造成的硅片表面劃傷。

機(jī)器人插片動(dòng)作之所以會(huì)造成硅片表面劃傷，是因?yàn)樵诓迤倪^程中有硅片貼緊石墨舟旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，硅片表面與石墨舟的摩擦造成了劃傷。因此為了解決劃傷問題，就要減少硅片表面與石墨舟的摩擦。

最初我們采用的方法是調(diào)整機(jī)器人的校點(diǎn)，校點(diǎn)時(shí)使吸盤不要太緊貼硅片，讓吸盤彈簧的形變盡量最小，降低硅片表面與石墨舟的接觸。但校點(diǎn)太松又會(huì)導(dǎo)致硅片進(jìn)入卡點(diǎn)后，入扣不徹底，經(jīng)過PECVD工藝高溫后，硅片一邊太容易脫離卡點(diǎn)，導(dǎo)致更多的掉片。這種方法雖然能暫時(shí)緩解一下劃傷，卻又面臨著掉片、碎片帶來了的嚴(yán)重?fù)p失，因此劃傷的解決陷入了需要權(quán)衡的尷尬局面。

為了從根本上解決劃傷的問題，我們仔細(xì)分析了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。想要達(dá)到消除劃傷的目的，就必須去掉硅片貼著石墨舟旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，同時(shí)又不能發(fā)生掉片。通過在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量反復(fù)的試驗(yàn)，跟蹤EL檢測(cè)結(jié)果，我們最終找到了解決劃痕的有效辦法。

我們對(duì)機(jī)器人的插片動(dòng)作做了部分修改，具體步驟如下：

1) 將機(jī)器人貼緊石墨舟的動(dòng)作，修改為移動(dòng)至距離石墨舟0.5 mm。

這時(shí)機(jī)器人再沿RX方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，是脫離石墨舟進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的，沒有接觸必然沒有劃傷。這個(gè)調(diào)整是基于機(jī)器人吸盤和機(jī)械已經(jīng)做了精調(diào)的前提下進(jìn)行的，機(jī)器人吸上硅片進(jìn)入石墨舟后，硅片和舟是保持平行的。這樣硅片脫開石墨舟旋轉(zhuǎn)時(shí)，才能有效解決劃傷。

2) 脫離石墨舟0.5 mm旋轉(zhuǎn)完成后，再貼緊石墨舟。

這樣修改的目的是保證真空關(guān)閉時(shí)，硅片是完全進(jìn)入卡點(diǎn)內(nèi)部的，這時(shí)再關(guān)閉真空，是不會(huì)導(dǎo)致硅片掉落的。

3) 機(jī)器人關(guān)閉真空后，旋轉(zhuǎn)擺正脫離石墨舟，修改為先脫離石墨舟，再擺正。

這樣修改的原因是：原有的動(dòng)作，機(jī)器人在關(guān)閉真空后旋轉(zhuǎn)擺正時(shí)，會(huì)蹭到硅片，導(dǎo)致硅片和石墨舟的摩擦。將機(jī)器人旋轉(zhuǎn)擺正的動(dòng)作修改為先脫離石墨舟，再旋轉(zhuǎn)擺正。

經(jīng)過大量反復(fù)的測(cè)試后，我們將機(jī)器人的動(dòng)作軌跡做了上述修改。 EL檢測(cè)結(jié)果表明，劃傷比率由80%降低到1%以內(nèi)，滿足客戶的使用要求。

4 結(jié)束語

管式PECVD上下料機(jī)有效地解決了人工插片速度慢、效率低、碎片率高等缺點(diǎn)，目前在光伏行業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)對(duì)于智能制造的需求，碎片檢測(cè)、掉片檢測(cè)、色差檢測(cè)、與AGV自動(dòng)對(duì)接等功能均已融入到了管式PECVD上下料機(jī)的各項(xiàng)配置中，并且能夠與MES進(jìn)行通訊，提升了產(chǎn)品的品質(zhì)，為光伏電池整線自動(dòng)化、智能化提供了保障。

[1] 岳軍.石墨舟上下料機(jī)的研制[J].電子工藝技術(shù),2015,36(6):361-363.