金剛石外圓切割片制造工藝的探討

金剛石外圓切割片制造工藝的探討

0硅系太陽能電池屋頂和太陽能的商業(yè)應(yīng)用已成為世界趨勢。歐盟、日本和美國都在致力于開發(fā)可再生能源如太陽能,以提高能源供應(yīng)的安全性。中國在2008年后將成為世界上最大的太陽能利用國之一。太陽能已成為中國能源新的希望,將為解決石油和煤炭價(jià)格上漲以及電力短缺帶來契機(jī)。硅系太陽能電池包括單晶硅電池、多晶硅薄膜電池等,其中單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高,光電轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到23%,在現(xiàn)階段的大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位。由于硅材料比較昂貴,而且價(jià)格持續(xù)上漲,在硅錠鋸切過程中降低硅材料的消耗是節(jié)約成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文對單晶硅棒切方專用金剛石外圓切割片技術(shù)要求及制造金剛石外圓切割鋸片的工藝要求進(jìn)行了探討。1單晶硅棒切方技術(shù)要求1.1單晶硅切割的原因和方法1.1.1太陽能電池的硅片制作用于加工太陽能電池片的單晶硅片,其加工成型過程為:單晶生產(chǎn)(硅圓棒成型)、切方滾磨,再切成一般厚度約0.2毫米的薄片,再經(jīng)過整形、拋磨、清洗等工序,制成太陽能電池的原料硅片(如圖1)。1.1.2單晶硅棒切分方法用兩片金剛石外圓切割片同時(shí)裝在單晶硅切方裝置上(如圖2),將單晶硅圓棒加工成硅方棒,加工后的單晶硅棒成對稱矩形(如圖3)。1.2外圓切割片的使用硅單晶體具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì),是重要的半導(dǎo)體材料,在加工單晶硅太陽能電池片的過程中,硅材料的損耗特別大,從單晶硅棒到單晶硅拋光片的總損耗率:4英寸約為57.4%,5英寸約為56.7%。在硅錠鋸切過程中降低硅材料的消耗是節(jié)約成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié),因此,對專用于單晶硅棒切方用金剛石外圓切割片的要求是其刃口越薄越好;如圖2、圖3所示,金剛石外圓切割鋸片在單晶硅棒切方裝置上是兩片同時(shí)使用,將硅棒切成對稱矩形,切割面平整,單晶硅表面要求無劃道、無區(qū)域沾污、無崩邊、無裂縫、無凹坑等,故成對的切割片必須具有相同的機(jī)械物理性能。因此,基體材質(zhì)、金剛石選用與處理以及生產(chǎn)工藝都須有嚴(yán)格的特殊的要求;在單晶硅棒切方過程中,對切割片的效率和使用壽命也有一定要求。2鉆石外圓切分的制造工藝2.1低溫電沉積法單晶硅具有金剛石晶格,晶體脆而硬,很難用常規(guī)工具完成加工。金剛石外圓切割片在切割單晶硅時(shí),線速度高達(dá)30m/s,鋸齒在切割過程中反復(fù)承受脈沖式工作載荷,因此要求胎體要具有高的硬度和耐磨性,使之在切割過程中與金剛石的磨損相適應(yīng)。故選用低溫電沉積法制造金剛石外圓切割鋸片,其優(yōu)點(diǎn)是:工藝溫度低,避免了對金剛石的熱損傷;沉積金屬鎳層本身有較高的硬度(HRC≈40),加之組織致密,對金剛石具有良好的浸潤性,結(jié)合強(qiáng)度高,金剛石不易脫落;可生產(chǎn)很薄且金剛石濃度很高的切割片;設(shè)備簡單、操作方便,制造成本低。電沉積法制造金剛石工具,金剛石粒徑20%~40%裸露在外,切割片不用開刃便十分鋒利,在切削時(shí),切削工件碎屑易于排除,有更多冷卻液流通,降低了切削溫度,提高了切削效率。為了提高金剛石外圓切割片的使用壽命,經(jīng)過長期的市場調(diào)研和專家組分析采用了新型的雙層金剛石電沉積工藝。2.2基本組合的選擇要求2.2.1外圓切割鋸片的制作基體是金剛石外圓切割片的一部分,作為金剛石及胎體的承載部件,它對切割片的切割質(zhì)量、使用壽命具有重要的作用。在電沉積時(shí),基體為陰極?；w從力學(xué)性能的要求及電化學(xué)特性方面的要求主要都體現(xiàn)在材質(zhì)上。金剛石外圓切割鋸片的基體材質(zhì)應(yīng)符合GB1222規(guī)定的65Mn鋼或機(jī)械性能不低于65Mn的鋼材。而鋼號標(biāo)準(zhǔn)為75Cr1鋼,為合金工具鋼,從其化學(xué)成分(見表1)可以看出,其中高碳、硅、錳、鉻均有一定的含量,硫、磷的含量很低,具有較高的硬度、強(qiáng)度、淬透性和耐磨性,較強(qiáng)的抗腐蝕能力和抗氧化能力,適宜做金剛石切割片的基體。2.2.21細(xì)胞切割片帶封片用于切割單晶硅切方的外圓切割片,其半徑必須大于單晶硅棒的直徑。直徑一般約為100~300mm的單晶硅錠,為滿足切割要求,切割片的直徑在Φ300~Φ700mm,鋸片刀口的厚度從1.8mm~3.4mm之間。選用的基體尺寸規(guī)格如表2。2.2.3應(yīng)力集中集中在加工基體的過程中,基體材料會由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。為了消除在生產(chǎn)基體過程中產(chǎn)生的不規(guī)則的應(yīng)力集中,在電沉積前將切割片基體用應(yīng)力調(diào)整機(jī)進(jìn)行調(diào)整和碾壓,使其應(yīng)力均勻地重新分布,從而消除因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的變形,減少基體的偏擺,提高基體的強(qiáng)度。2.2.4采取特殊處理技術(shù)以減少切割片質(zhì)量為了保證切割片切割面平整、切縫小,對專用于單晶硅棒切方的金剛石外圓切割片的要求是鋸片偏擺度低。良好鋼板材質(zhì)加上特殊處理技術(shù),使鋸片旋轉(zhuǎn)時(shí)偏擺度減小,從而使被切削材料切削損耗減小,減少材料成本。用偏擺檢查儀檢測切割片的徑向跳動及端面跳動,控制切割片偏擺度如表2所示。2.3加工對金相砂基表面粗糙度的影響基體表面粗糙度直接影響沉積層與基體的實(shí)際接觸面積和接觸狀態(tài),是影響金剛石沉積層附著強(qiáng)度的重要因素,基體經(jīng)加工后,需要通過機(jī)械加工進(jìn)行表面整平,經(jīng)多次試驗(yàn)表明,控制基體表面粗糙度應(yīng)在Ra0.8~1.6范圍內(nèi);為減小電沉積時(shí)的尖端效應(yīng)和邊緣效應(yīng),基體邊棱應(yīng)當(dāng)?shù)箞A(如圖4)。2.4選擇和處理鉆石2.4.1金剛石粒度大小及強(qiáng)度金剛石外圓切割片在工作過程中,起切削作用的是金剛石,因此,金剛石是影響切割片質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。一般情況下,金剛石的品級越高,切割片的耐磨性能越好,但相應(yīng)地鋸齒的鋒利度降低,且制造成本也高,因此,應(yīng)合理選用金剛石的品級。金剛石的粒度大小是影響切割片鋸切效率和使用壽命的重要因素。金剛石粒度粗且單一粒度時(shí),鋸齒就鋒利,鋸切效率高。但粒度越粗,粒徑越大,切割鋸片的鋸齒就寬,切縫就大,不僅材料浪費(fèi)大,而且切割面粗糙,并在切割脆性單晶硅材料時(shí)極易造成“崩邊”現(xiàn)象。為了克服以上缺點(diǎn),保證鋸切效率及切割面的光滑平整,選用粒徑為125~212μm的金剛石。為了使金剛石粒度達(dá)到單一性,我們用精密電成型試驗(yàn)篩在電磁振篩機(jī)上對金剛石進(jìn)行精選,保證金剛石粒度大小基本一致。金剛石強(qiáng)度是保證切割性能的重要指標(biāo)。強(qiáng)度過高,晶體不易破碎,磨粒在使用時(shí)被拋光,鋒利度下降,導(dǎo)致工具性能惡化;而強(qiáng)度不夠時(shí),受沖擊后易破碎,難以擔(dān)當(dāng)切割重任。因此選擇強(qiáng)度在90N左右的金剛石。2.4.2金剛石親水性沉積為了使金剛石在電沉積層中結(jié)合牢固,對金剛石晶粒表面要進(jìn)行凈化處理。由于金剛石結(jié)構(gòu)的碳原子呈sp3雜化狀態(tài),表面層中的碳原子剩有余鍵,有一未成對的價(jià)電子,它很容易與氧或其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)吸附,電沉積時(shí)金剛石顆粒就會出現(xiàn)下面現(xiàn)象:易漂浮在電解液表面而不能沉積到基體上去;上砂困難,當(dāng)金剛石在電沉積中被埋入10%左右時(shí),金剛石仍能自行脫落。因此在電沉積時(shí),金剛石先要經(jīng)過親水化處理。一般是用酸處理。方法有:①用鹽酸或稀硝酸,將金剛石放進(jìn)酸溶液中煮沸10~30min,用水沖洗至中性,然后放進(jìn)電解液中浸泡。②用王水,將配好的王水小心倒入盛有金剛石的玻璃器皿中,浸泡1~2小時(shí),再用水沖洗至中性,然后放進(jìn)電解液中浸泡。2.5上砂的切割效果新型的雙層金剛石電沉積工藝,是需要進(jìn)行兩次上砂和加厚的金剛石電沉積工藝。當(dāng)?shù)谝粚拥慕饎偸宦袢?0%~80%時(shí),再進(jìn)行第二層上砂。經(jīng)過試用將金剛石第一層埋入率達(dá)到約70%時(shí)外圓切割片的切割效果為最佳。這是因?yàn)榈谝粚拥慕饎偸惶ンw金屬鎳包裹牢固,有良好的出刃(如圖5),第二層金剛石又能分布均勻致密(如圖6)。第一層金剛石的埋入率低于60%時(shí),進(jìn)行第二次上砂,第二層金剛石就分布較少,工作時(shí)切削點(diǎn)就小,切割效率低,隨著第二層金剛石使用的逐漸脫落,第一層金剛石也容易脫落,從而使鋸片的使用壽命降低;當(dāng)?shù)谝粚咏饎偸袢氤^80%時(shí)再進(jìn)行第二層的上砂,第一層金剛石被埋入過多,工作時(shí),在第二層金剛石脫落后第一層金剛石不能很好出刃,同樣使鋸片的切割效率下降,而且隨著工作臺給進(jìn)壓力的不斷增大,容易出現(xiàn)“跑偏”現(xiàn)象,造成切割材料的浪費(fèi)及切割片的提前報(bào)廢。2.5.1過濾、落料機(jī)械整平處理后的金屬基體,在電沉積前進(jìn)行表面絕緣,再經(jīng)過:濃鹽酸浸蝕→清水洗→電化學(xué)除油→熱水洗→清水洗→稀鹽酸浸蝕,直接帶電入槽。前處理工藝參數(shù)見表3。2.5.2金融硬脆材料的分離純化電沉積過程:預(yù)沉積→埋砂法上砂→加厚→再上砂→加厚?；w入槽后,先在基體刃部表面沉積一層鎳,再用埋砂法將金剛石顆粒均勻分布在刃口上,加厚2~3h,再用埋砂法將第二層金剛石分布其上。第二層金剛石出刃在25%~35%時(shí),出槽。電沉積過程的工藝參數(shù)見表4。2.5.3處理后加厚終了,去掉絕緣物,經(jīng)過除油除銹,將金剛石切割片在光亮槽中進(jìn)行整體光亮。然后在200℃~250℃的溫度的烘箱里進(jìn)行去氫處理。3切割工藝參數(shù)電沉積金剛石外圓切割片(如圖7),必須在專用設(shè)備上使用。設(shè)備是型號為QGM600-8XB的單晶硅棒切方滾磨機(jī)床(如圖2)。每次切割時(shí),兩鋸片為一組,同時(shí)切割在圓硅棒上。在切割直徑為6″,長為600的圓柱形硅棒時(shí),必須保證整個(gè)長度的鋸切面平行。采用的切割工藝參數(shù)如下:鋸口寬度為100mm左右時(shí),線速度20~30m/s