石英舟裝片機碎片率分析及結(jié)構(gòu)改進

陳嘉榮，張 海

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

太陽能電池片生產(chǎn)線有多道工藝，雖然不同廠商工藝流程略有不同，但大致可以歸納為硅片檢測、表面制絨及酸洗、擴散制結(jié)、去磷硅玻璃、等離子刻蝕及酸洗、鍍減反射膜、絲網(wǎng)印刷、快速燒結(jié)等[1]。在擴散制結(jié)段，石英舟作為其硅片的主要載體，石英舟裝片機是實現(xiàn)石英舟傳輸及硅片插取的關(guān)鍵設(shè)備，主要完成將制絨后硅片兩兩交叉重疊插入1 200片石英舟插槽中，并將擴散制結(jié)后的硅片取出分離并插入100片籃具內(nèi)，硅片吸附機構(gòu)及硅片校正機構(gòu)作為設(shè)備的核心機構(gòu)，承擔著硅片吸附、重疊、插取等功能。

本文通過對石英舟內(nèi)硅片傳輸過程及調(diào)試流程進行分析，找出碎片率發(fā)生的主要環(huán)節(jié)，對相應(yīng)機構(gòu)進行合理性探究并提出改進辦法，解決因碎片率高導(dǎo)致的調(diào)試難度大、調(diào)試周期長等問題。

1 硅片插取機構(gòu)簡介

硅片插取機構(gòu)主要有籃具內(nèi)硅片校正機構(gòu)、籃具內(nèi)硅片托起機構(gòu)、舟內(nèi)硅片校正機構(gòu)、舟內(nèi)硅片托起機構(gòu)及硅片吸附機構(gòu)等組成。

籃具內(nèi)硅片校正機構(gòu)主要負責硅片從籃具內(nèi)取放時對硅片進行校正，它由固定立柱、垂直方向和水平方向的高精度氣缸以及特殊材料加工的硅片校正板構(gòu)成。

籃具內(nèi)硅片托起機構(gòu)主要由高精度導(dǎo)軌、無桿氣缸、特殊材料加工的硅片插槽構(gòu)成，導(dǎo)軌和無桿氣缸的組合既保證了垂直升降的精度，又降低了成本，硅片插槽則是硅片能否托入校正組件的關(guān)鍵零件，通過它能夠調(diào)整硅片在籃具內(nèi)的角度。

舟內(nèi)硅片校正機構(gòu)與籃具內(nèi)硅片校正機構(gòu)略有不同，它由兩個水平校正缸組成，在硅片進入舟時，硅片上校正氣缸伸出，校正夾齒將硅片導(dǎo)入到石英舟內(nèi)。在硅片取出舟時，硅片下校正氣缸伸出，校正夾條將硅片夾齊，吸附機構(gòu)將硅片吸出。

舟內(nèi)硅片托起機構(gòu)行程較短，它由一個帶導(dǎo)軌的小行程氣缸和托齒組成，它的主要作用是在硅片放入舟時對硅片進行導(dǎo)向，使硅片順利進入下齒槽，在硅片吸出舟時將硅片略微托起，方便對硅片的校正。

吸附機構(gòu)如圖1所示，它由一個Z軸升降機構(gòu)、兩個X軸運行機構(gòu)和兩個Y軸運行機構(gòu)組成，Z軸升降機構(gòu)負責硅片的升降，X軸運行機構(gòu)能夠調(diào)整吸盤進入籃具和舟的位置，并在吸盤吸取硅片后將硅片進行X軸方向的重疊，Y軸的兩個運行機構(gòu)能夠調(diào)整吸盤進入籃具和舟的位置，并在吸盤吸取硅片后對硅片進行Y軸方向的貼合。

圖1 硅片插取機構(gòu)示意圖

2 工作流程介紹

石英舟裝片機工作模式有裝片模式、卸片模式及裝卸一體模式，前兩種模式調(diào)試難度較小，碎片率較低，因此本文著重分析裝卸一體工作流程，圖2為裝卸一體流程圖。

圖2 裝卸一體流程圖

3 問題描述及原因分析

通過現(xiàn)場的生產(chǎn)調(diào)試，插取硅片并不能按工作流程介紹的那樣穩(wěn)定運行，在以下幾種情況下最容易發(fā)生碎裂：

1) 從籃具內(nèi)頂起硅片時，硅片容易發(fā)生錯齒，多張硅片插入到校正組件的一個槽中，硅片因此發(fā)生變形，在校正組件橫向夾緊時，一個槽內(nèi)的硅片會被夾碎，這種情況一旦發(fā)生，機器會被迫暫停，需要操作人員拿鑷子捏出碎片，這種情況會使吸盤被碰碎的幾率大大增加，而耽誤的時間一旦過長，硅片接觸空氣的時間也會變長，必然會影響硅片的質(zhì)量，而碎硅片在托齒上有時清理不干凈，殘留的碎片會在下一次頂起時導(dǎo)致硅片頂起不平整，硅片被吸盤壓碎，同時操作人員在清理碎硅片時也會劃傷臨近的幾張硅片。

如圖3，校正組件的插槽嚴格按照籃具的間距4.76設(shè)計加工，并且進出口都有一定的張口導(dǎo)向，保證硅片能順利進入插槽，然而實際使用過程中卻發(fā)現(xiàn)這種頂錯齒的情況時有發(fā)生，經(jīng)過反復(fù)測量觀察，錯齒一般集中在一塊特定區(qū)域，前后調(diào)整托齒并不能避免錯齒的情況，這是由于校正組件的插槽在加工時只加工一個面，而且插槽加工深度大，插槽密集，容易造成材料凹向變形，因變形導(dǎo)致某些插槽加工精度達不到要求，實際使用中暴露問題。

圖3 校正組件插槽示意圖

2) 校正組件對硅片進行橫向校正時，常有硅片被夾碎，這種情況在裝籃時和卸籃時都有發(fā)生，小部分碎片的情況同上原因，是因為硅片在頂起時就頂錯齒，因而被夾碎，在實際的觀察中，裝籃時也常常被夾碎，裝籃順序為吸盤從舟內(nèi)吸取硅片，放入籃具內(nèi)，這種情況并不需要將硅片托起，而是直接從吸盤放下硅片到托齒上，校正組件進行校正。反復(fù)觀察，發(fā)現(xiàn)夾碎實際是因為碎片在托起或放置時，由于只在中間頂起，硅片容易左右倒，有角或者整邊掉出夾齒，而在夾齒夾合時直接夾碎。

如圖4為硅片放置在托齒內(nèi)的情況，不管是托齒頂起硅片，還是硅片放在托齒上，都有可能左右發(fā)生偏移，硅片左右倒，而夾齒的距離在設(shè)計時為155，硅片的尺寸為156×156，按照理論分析，硅片 即使貼緊一邊，也不會從另一個夾齒中掉出，但實際情況并不是這樣，通過現(xiàn)場測量，發(fā)現(xiàn)夾齒的每個槽深度并不同，深淺最大有0.1 mm的誤差，和上面的原因一樣，這是由于變形導(dǎo)致的加工誤差。

圖4 硅片在插槽中的示意圖

3) 在校正組件夾緊硅片，吸盤準備吸附硅片時，常有漏片的情況發(fā)生，根據(jù)現(xiàn)場試驗，吸盤在單獨只吸一張硅片時也可以吸起，吸附的硅片越多，吸盤吸力越大，而即使是這樣，也容易發(fā)生漏片，根據(jù)現(xiàn)場觀察，漏片并不是每臺設(shè)備都有出現(xiàn)，而是集中于單獨某臺設(shè)備，通過觀察，在校正組件夾緊硅片后，硅片并非整齊排列，有幾張硅片會被擠壓成凹形，使吸盤在吸附時并不能接觸到硅片，所以吸起時必然漏片。

如圖5為夾齒夾緊后的仿真圖，設(shè)計之初，夾齒夾緊硅片后，齒槽間距為156.2，略大于硅片，硅片在齒槽內(nèi)可以輕松上下，但是在現(xiàn)場中，呈現(xiàn)的是一部分硅片非常寬松，容易掉出齒槽，而另一部分則被夾的很緊，容易變形而漏片，分析加工變形圖可以看出，夾齒在加工時朝加工面發(fā)生彎曲，而刀具在零件變形的情況下繼續(xù)加工，導(dǎo)致兩邊的齒槽深度大，中間的齒槽深度淺，在裝配時用螺釘強行拉平，但是齒槽深度卻不同，在現(xiàn)場調(diào)試中導(dǎo)致不管如何調(diào)試夾齒的間距，總有漏片碎片的發(fā)生，夾齒調(diào)緊，兩邊不會掉出硅片，硅片不會被夾碎，中間卻容易漏吸，而如果將夾齒調(diào)松，硅片不會漏吸，但是夾齒兩端容易夾碎硅片。

圖5 硅片在插槽中夾彎的示意圖

這一組件的碎片問題，成為了現(xiàn)場碎片的主要原因，增加了調(diào)試時間和調(diào)試難度，也導(dǎo)致了設(shè)備使用過程中碎片率居高不下的首要原因。

4 改進方法

4.1 改進籃具校正組件

從上述分析中可以看出，夾齒在原有結(jié)構(gòu)中承擔了導(dǎo)向與校正的作用，但由于加工精度以及加工變形等問題，夾齒在實際使用中并不能滿足使用的要求，這是因為夾齒在設(shè)計之初承擔了太多的功能，致使后期調(diào)試需要兼顧的條件太多，調(diào)節(jié)需要耗費大量時間。

因此，在原有結(jié)構(gòu)上，考慮將導(dǎo)向與校正功能分離，夾齒的加工需要保證如圖兩個面的加工精度，然而實際中加工效果并不好，將兩種功能分開，夾齒只起導(dǎo)向作用，增加一個細長夾條，用來單獨整理硅片[2]。

上述問題中，夾齒夾碎硅片與硅片漏吸皆因為夾齒問題，改進后的結(jié)構(gòu)不論硅片是從籃具中頂起還是從吸盤上放下，夾齒起一個導(dǎo)向作用，硅片被插入夾齒中后，細長夾條橫向夾緊，由于夾條單獨加工，加工只需保證平面度即可，夾緊的硅片不會出現(xiàn)松緊不一的情況，通過調(diào)試保證硅片被夾緊后整齊而不變形，這樣硅片既不會被夾碎，也不會變形導(dǎo)致吸盤漏吸，縮短了調(diào)試時間和調(diào)試難度。

4.2 改進籃具托起組件

在上述問題描述中，托齒容易將硅片托起到同一插槽且由于居中，頂起后的硅片容易左右倒，硅片左右倒后在籃具中的位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既容易掉出插槽被夾碎，又容易致使吸盤吸附后的硅片不整齊，續(xù)舟的裝卸帶來困難。

因此，在原有托起結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將托齒改為左右兩個托齒，這樣硅片在托齒上能夠平穩(wěn)放置，不會發(fā)生硅片頂起后左右倒的問題，而托齒部分因為加工材料的原因，之前的設(shè)計托齒并不起導(dǎo)向作用，只是負責分離硅片，使其托起到對應(yīng)的插槽中，但實際托齒由于不能準確導(dǎo)向，偶見幾張硅片進入同一插槽，因此在改進的設(shè)計中托齒改為組裝托齒，加工兩片托齒，通過長圓孔現(xiàn)場調(diào)節(jié)兩邊托齒間隙，直到正好卡入硅片但硅片能略微松動，保證硅片在托起時呈固定角度進入夾齒，這樣就不會出現(xiàn)之前的幾張硅片進入同一插槽。

5 改進后的效果

在現(xiàn)場調(diào)試運行后，校正組件與托起組件能夠穩(wěn)定運行，上述的問題沒有出現(xiàn)，此處發(fā)生的碎片情況明顯降低。

6 結(jié)語

在對原有設(shè)備的改進中，通過對設(shè)備運行流程分析，找出碎片集中發(fā)生的區(qū)域，通過對結(jié)構(gòu)以及零件進行分析，找出因結(jié)構(gòu)不合理或加工裝配的誤差導(dǎo)致的碎片問題，合理的提出改進辦法，并降低加工成本，增加組件可調(diào)試度以及運行穩(wěn)定性。

從客戶的現(xiàn)場生產(chǎn)以及大量的試驗驗證可知，改進后的校正組件與托起組件，從根本上解決了硅片在此處的頂碎、夾碎、漏吸等情況，極大的提高了設(shè)備穩(wěn)定性可運行效率，得到了客戶的認可和好評。