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【摘 要】 线锯开方是一种新型的硅棒剖方加工技术，具有加工效率高、精度高、硅料损耗小和方便后续加工等特点。本文通过提高进给速度、减少新线进给量等工艺条件达到减少加工时间和降低切割钢线的消耗量。
【关键词】 硅单晶；线锯开方；工艺控制
近些年来，太阳能光伏发电在全球迅猛发展，在以德国为首的欧洲国家，光伏电站如雨后春笋般的建设起来，全球光伏新增装机量呈现两位数的增长。光伏发电的突飞猛进，带动了国内光伏组件生产的繁荣。
目前，硬脆性材料，如晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能，在电子、光学及其它领域得到广泛应用。随着工业的发展，需求量不断增加，切割加工量也大幅增长。由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序，锯切加工成本约占加工总成本的50%以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展。从目前国内外加工的现状来看，硬脆性材料切割方法主要有：金刚石圆盘锯切割、金刚石带锯切割、电火花线切割、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等。
随着全球各国绿色能源的推广和近年来光伏产业的超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡，加工能力落后的金刚石刀具剖方技术已构成了硅片加工的瓶頸。线锯剖方技术具有加工效率高、精度高、硅料损耗小逐渐成为硅片加工企业的新宠。
线锯开方是一种新型的硅棒剖方加工技术，具有加工效率高、精度高、硅料损耗小和方便后续加工等特点。线锯剖方技术起源于多线切割技术，是一种不影响工件特性的物理加工方法，通过交错的金属丝网（线锯）的高速往复运动，把磨粒带入工件加工区域进行研磨，最终把单晶硅圆棒切割成准方棒。在整个切割过程中，主要涉及高速运动的金属丝、切割砂（绿碳化硅）、切割液和切割工件，切割过程是金属丝、切割液中的切割砂与工件相互接触的复杂过程。
切割砂在此起着刀具的作用，金属丝并不进行磨削加工而是主要起着将切割液高速带入切割区并对切割砂起载荷的作用。切割液主要起分散切割砂和冷却的作用。
1 硅片切割技术
早期的晶体硅片切割主要使用外圆切割机进行，硅片的表面质量不太好，且硅片较厚，整体性能较差。外圆切割机通常采用高强度的电镀金刚石锯片对晶体硅进行切割，线速度高达30m/s，锯齿在切割过程中反复承受脉冲式工作载荷，因此要求胎体具有高的硬度和耐磨性，使之在切割过程中与金刚石的磨损相适应。外圆切割机切割晶体硅时，由于刀片很薄且径向承受晶体的压力较大，很容易产生变形和侧向摆动，使晶体材料损耗很大，切割硅片的表面也不太平整，且切割硅片的直径也不能太大（100mm以内）。目前，金刚石外圆切割主要用于对径向偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割，而在硅片切割工艺中已基本被取代。
内圆切割是将内圆锯片的外圆部分固定在鼓形旋转体上，然后以机械张紧方式张紧外圆，给内圆以均匀的张力使刀片内圆维持圆度，刀片扩张一般控制在内径的0.8%以内，这样使得刀片整体具有较大的刚性，显著降低了刀片工作时的振动。切割硅棒时，刀盘高速旋转，刀片内圆刃口径向切入硅棒，即完成对硅棒的切割。内圆切割，其刀片稳定性好、晶向可以调节、机床技术成熟，切割的硅片表面粗糙度小、切缝可以缩小到300μm左右，切割硅料直径主要为Φ150mm-200mm，最大达到了Φ300mm。内圆切割的硅片通常会产生较大的翘曲变形，表面还会残留较大切痕和微裂纹，损伤层深度可达20-30μm。
太阳能电池的大规模发展，也促进了硅片切割技术的进步。游离磨料砂浆多线锯切割，经过多年的发展改进，技术工艺已经相当成熟，成为硅片切割技术的主流。砂浆多线切割，通常是利用一根很长的表面镀铜镍的不锈钢丝环绕
在驱动轮和张紧轮上，形成一排成百的锯带，过程中保持20N左右的张紧力，在高速运转驱动轮的带动下，以5-15m/s的速度进行高速切割。切割线的长度一般为600-800km，线径为Φ80-180μm，切缝宽度为100-200μm。
切割过程中，使用碳化硅微粉作为研磨浆料，悬浮于磨削液中的磨粒在高速运动的金属切割线的带动下进入加工区域，在切割线和工件加工表面间的液体薄膜中滚动，在切割线的压力作用下压入工件使工件表面产生破碎和裂纹，继而结合磨粒的滚动将碎片剥离工件，实现材料的去除。在该过程中，切割线并不进行切削加工，而是主要起着将磨削液高速带入切割区域并对磨料施加载荷的作用。切割液是以聚乙二醇为主体，添加多种助剂复配而成，具有适宜的粘度指标，有良好的流动性和热传导性，对碳化硅微粉具有良好的分散稳定性和悬浮作用。切割液的添加使得混有碳化硅的砂浆保持良好的流动性，有效分散碳化硅颗粒，使其在切割线的高速运动中均匀平稳的作用于硅材料表面，同时及时带走热量，杂质颗粒和锯屑，保证切割硅片的质量。在游离磨料多线锯的切割过程中浆料首先供应到切割线上，然后被带到切割工作区域，因此浆料会对切割效率起决定性作用。
2 工艺方案
工艺方案明细表见表1且每次工艺方案运行次数大于16刀。方案0指现场成熟工艺，工艺参数为：进给速度为0.50mm/min、新线进给量为40m/min、砂浆流量为130kg/L、砂浆密度为1.725kg/L。在此工艺条件下生产出的硅方棒几何尺寸满足公差要求，相邻面垂直度小于10°，后续平磨滚磨加工无质量异常反馈。方案1：进给速度提高到0.55mm/min，新线进给量从40m/min减少至37m/min。方案2：在方案1成功后提高进给速度0.60mm/min、新线进给量37m/min。方案3：进给速度0.65mm/min、新线进给量37m/min。工艺和检测设备：日本NTC-MBS1000线锯开方机，游标卡尺，多功能角度尺，密度计。
3 结果与分析
表2是三次工艺方案运行后的结果，从表中可得：当进给速度提高到0.55mm/min时加工时间减少60分钟，加工效率提高8%；当进给速度提高到0.6mm/min时，加工时间减少120分钟，当进给速度提高到0.65mm/min时加工时间减少160分钟，加工效率提高21%。每刀耗线量从31km减少到22km，耗线减少率为29%。
数据采集的规范是：每刀25支单晶棒中任意抽取5支，用精度为0.02mm的游标卡尺测量开方后准方棒相对面的边长，抽取最小值作为分析数据。从分析数据可得，在进给速度为0.60mm/min，砂浆流量为130kg/min，新线供给量为37m/min时，开方后准方棒的边长都处于受控状态，且从开方后平磨、滚磨工序的情况反馈，直径在167mm以上无扭曲的圆棒在此工艺下无线痕、无未磨到情况。同理，在进给速度为0.55mm/min，砂浆流量为130kg/min，新线供给量为37m/min时，开方后准方棒的边长都处于受控状态。
在进给速度为0.65mm/min，砂浆流量为130kg/min，新线供给量为37m/min时，开方后准方棒的边长都处于非受控状态，经质检核查，该组准方棒开方开偏，且从开方后平磨、滚磨工序的情况反馈，对于直径在167mm以上非扭曲棒，在砂浆使用次数达十刀以上在出刀口出现分散深线痕和密集线痕情况，其具体原因还在进一步确定中。
日本NTCMBS-1000开方机从进给速度550um/min、新线进给量40km/min、砂浆流量130kg/L调整为进给速度到600um/min，新线进给量为37m/min，砂浆流量为130kg/min，砂浆密度为1.725-1.75kg/L时，作业时间减少至646分钟，与原工艺相比加工效率提高15%；钢线消耗量减少到24km/刀，与原工艺相比钢线消耗量减少了23%；且开方后准方棒质量处于受控状态。
参考文献：
[1]程志华，黄伟，裴仁清.多丝切割技术及其关键[J].工具技术，2010，44（6）
[2]王琮.半导体材料加工设备的新秀—多线切割机[J].电子工业专用设备，2004.
[3]舒继千，魏昕，袁艳蕊.单晶硅游离磨粒线切割技术研究[J].工具技术，2009.
[4]陈志军，张华，刘振淮，丁国建.多线切割用砂浆悬浮机理研究[Z].2008.
【关键词】 硅单晶；线锯开方；工艺控制
近些年来，太阳能光伏发电在全球迅猛发展，在以德国为首的欧洲国家，光伏电站如雨后春笋般的建设起来，全球光伏新增装机量呈现两位数的增长。光伏发电的突飞猛进，带动了国内光伏组件生产的繁荣。
目前，硬脆性材料，如晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能，在电子、光学及其它领域得到广泛应用。随着工业的发展，需求量不断增加，切割加工量也大幅增长。由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序，锯切加工成本约占加工总成本的50%以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展。从目前国内外加工的现状来看，硬脆性材料切割方法主要有：金刚石圆盘锯切割、金刚石带锯切割、电火花线切割、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等。
随着全球各国绿色能源的推广和近年来光伏产业的超常规发展，硅片市场的供需已极度不平衡，加工能力落后的金刚石刀具剖方技术已构成了硅片加工的瓶頸。线锯剖方技术具有加工效率高、精度高、硅料损耗小逐渐成为硅片加工企业的新宠。
线锯开方是一种新型的硅棒剖方加工技术，具有加工效率高、精度高、硅料损耗小和方便后续加工等特点。线锯剖方技术起源于多线切割技术，是一种不影响工件特性的物理加工方法，通过交错的金属丝网（线锯）的高速往复运动，把磨粒带入工件加工区域进行研磨，最终把单晶硅圆棒切割成准方棒。在整个切割过程中，主要涉及高速运动的金属丝、切割砂（绿碳化硅）、切割液和切割工件，切割过程是金属丝、切割液中的切割砂与工件相互接触的复杂过程。
切割砂在此起着刀具的作用，金属丝并不进行磨削加工而是主要起着将切割液高速带入切割区并对切割砂起载荷的作用。切割液主要起分散切割砂和冷却的作用。
1 硅片切割技术
早期的晶体硅片切割主要使用外圆切割机进行，硅片的表面质量不太好，且硅片较厚，整体性能较差。外圆切割机通常采用高强度的电镀金刚石锯片对晶体硅进行切割，线速度高达30m/s，锯齿在切割过程中反复承受脉冲式工作载荷，因此要求胎体具有高的硬度和耐磨性，使之在切割过程中与金刚石的磨损相适应。外圆切割机切割晶体硅时，由于刀片很薄且径向承受晶体的压力较大，很容易产生变形和侧向摆动，使晶体材料损耗很大，切割硅片的表面也不太平整，且切割硅片的直径也不能太大（100mm以内）。目前，金刚石外圆切割主要用于对径向偏转大的长晶体进行定向切割和大尺寸材料整形切割，而在硅片切割工艺中已基本被取代。
内圆切割是将内圆锯片的外圆部分固定在鼓形旋转体上，然后以机械张紧方式张紧外圆，给内圆以均匀的张力使刀片内圆维持圆度，刀片扩张一般控制在内径的0.8%以内，这样使得刀片整体具有较大的刚性，显著降低了刀片工作时的振动。切割硅棒时，刀盘高速旋转，刀片内圆刃口径向切入硅棒，即完成对硅棒的切割。内圆切割，其刀片稳定性好、晶向可以调节、机床技术成熟，切割的硅片表面粗糙度小、切缝可以缩小到300μm左右，切割硅料直径主要为Φ150mm-200mm，最大达到了Φ300mm。内圆切割的硅片通常会产生较大的翘曲变形，表面还会残留较大切痕和微裂纹，损伤层深度可达20-30μm。
太阳能电池的大规模发展，也促进了硅片切割技术的进步。游离磨料砂浆多线锯切割，经过多年的发展改进，技术工艺已经相当成熟，成为硅片切割技术的主流。砂浆多线切割，通常是利用一根很长的表面镀铜镍的不锈钢丝环绕
在驱动轮和张紧轮上，形成一排成百的锯带，过程中保持20N左右的张紧力，在高速运转驱动轮的带动下，以5-15m/s的速度进行高速切割。切割线的长度一般为600-800km，线径为Φ80-180μm，切缝宽度为100-200μm。
切割过程中，使用碳化硅微粉作为研磨浆料，悬浮于磨削液中的磨粒在高速运动的金属切割线的带动下进入加工区域，在切割线和工件加工表面间的液体薄膜中滚动，在切割线的压力作用下压入工件使工件表面产生破碎和裂纹，继而结合磨粒的滚动将碎片剥离工件，实现材料的去除。在该过程中，切割线并不进行切削加工，而是主要起着将磨削液高速带入切割区域并对磨料施加载荷的作用。切割液是以聚乙二醇为主体，添加多种助剂复配而成，具有适宜的粘度指标，有良好的流动性和热传导性，对碳化硅微粉具有良好的分散稳定性和悬浮作用。切割液的添加使得混有碳化硅的砂浆保持良好的流动性，有效分散碳化硅颗粒，使其在切割线的高速运动中均匀平稳的作用于硅材料表面，同时及时带走热量，杂质颗粒和锯屑，保证切割硅片的质量。在游离磨料多线锯的切割过程中浆料首先供应到切割线上，然后被带到切割工作区域，因此浆料会对切割效率起决定性作用。
2 工艺方案
工艺方案明细表见表1且每次工艺方案运行次数大于16刀。方案0指现场成熟工艺，工艺参数为：进给速度为0.50mm/min、新线进给量为40m/min、砂浆流量为130kg/L、砂浆密度为1.725kg/L。在此工艺条件下生产出的硅方棒几何尺寸满足公差要求，相邻面垂直度小于10°，后续平磨滚磨加工无质量异常反馈。方案1：进给速度提高到0.55mm/min，新线进给量从40m/min减少至37m/min。方案2：在方案1成功后提高进给速度0.60mm/min、新线进给量37m/min。方案3：进给速度0.65mm/min、新线进给量37m/min。工艺和检测设备：日本NTC-MBS1000线锯开方机，游标卡尺，多功能角度尺，密度计。
3 结果与分析
表2是三次工艺方案运行后的结果，从表中可得：当进给速度提高到0.55mm/min时加工时间减少60分钟，加工效率提高8%；当进给速度提高到0.6mm/min时，加工时间减少120分钟，当进给速度提高到0.65mm/min时加工时间减少160分钟，加工效率提高21%。每刀耗线量从31km减少到22km，耗线减少率为29%。
数据采集的规范是：每刀25支单晶棒中任意抽取5支，用精度为0.02mm的游标卡尺测量开方后准方棒相对面的边长，抽取最小值作为分析数据。从分析数据可得，在进给速度为0.60mm/min，砂浆流量为130kg/min，新线供给量为37m/min时，开方后准方棒的边长都处于受控状态，且从开方后平磨、滚磨工序的情况反馈，直径在167mm以上无扭曲的圆棒在此工艺下无线痕、无未磨到情况。同理，在进给速度为0.55mm/min，砂浆流量为130kg/min，新线供给量为37m/min时，开方后准方棒的边长都处于受控状态。
在进给速度为0.65mm/min，砂浆流量为130kg/min，新线供给量为37m/min时，开方后准方棒的边长都处于非受控状态，经质检核查，该组准方棒开方开偏，且从开方后平磨、滚磨工序的情况反馈，对于直径在167mm以上非扭曲棒，在砂浆使用次数达十刀以上在出刀口出现分散深线痕和密集线痕情况，其具体原因还在进一步确定中。
日本NTCMBS-1000开方机从进给速度550um/min、新线进给量40km/min、砂浆流量130kg/L调整为进给速度到600um/min，新线进给量为37m/min，砂浆流量为130kg/min，砂浆密度为1.725-1.75kg/L时，作业时间减少至646分钟，与原工艺相比加工效率提高15%；钢线消耗量减少到24km/刀，与原工艺相比钢线消耗量减少了23%；且开方后准方棒质量处于受控状态。
参考文献：
[1]程志华，黄伟，裴仁清.多丝切割技术及其关键[J].工具技术，2010，44（6）
[2]王琮.半导体材料加工设备的新秀—多线切割机[J].电子工业专用设备，2004.
[3]舒继千，魏昕，袁艳蕊.单晶硅游离磨粒线切割技术研究[J].工具技术，2009.
[4]陈志军，张华，刘振淮，丁国建.多线切割用砂浆悬浮机理研究[Z].2008.