摘要本文主要从砂浆线切割原理、张力控制系统、砂浆性能

摘要:本文主要从砂浆线切割原理、张力控制系统、砂浆性能和回收再利用等方面进行了阐述,指出了研究的不足,以期推进砂浆线切割技术的研究和发展,指导实际生产。
引言
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目前,太阳能光伏电池的主要材料为硅基材料,硅基光伏电池占世界光伏电池的85%以上。晶体硅片作为太阳能光伏产业的前端产品,在整个光伏产业链占据重要地位。多线切割分为砂浆线切割和金刚石线切割两种,前者是目前硅片生产的主要方式,其利用碳化硅(SiC)和切削液(PEG)搅拌混合而成的砂浆,在钢线和硅棒的压力下,使硅棒表面产生塑性变形和裂纹,形成切割[1]。随着光伏产业的发展,对硅片质量要求更高,对线切割的研究必将越来越深入。
本文主要从砂浆线切割的模型和原理,张力控制系统类型和发展方向,影响砂浆中性能的因素,及控制措施;砂浆回收再利用等方面进行了阐述,以期推进砂浆线切割技术的深入研究,指导实际生产。
1切割机理研究
在砂浆线切割硅棒过程中,碳化硅颗粒在硅棒和钢线之间进行“滚动-压痕”作用,实现材料的去除[2]。舒继千等[3]对切割机理进行了详细阐述,包括单颗粒滚动-压痕模型、多颗粒压痕效应模型及弹性-流体效应模型。将瑜等人[4]对单颗粒模型的切割力进行模拟计算,见图1。由图得出法向切割力N的计算公式
(1)式中:ε为最大切割深度;a为接触长度;υ为泊松比;E为杨氏弹性模量;ζ=z/a,ρ=r/a;μ为摩擦系数,其它都是常数。
(2)
(3)
车载影院切向切割力可以通过法相切割力计算到:
(4)式中:β=cosθ无量纲系数。
图1单颗粒碳化硅受力示意图
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同时,利用有限元软件模拟不同切割线速和进给对应力和应变的影响,得出切割进给与切割区最大应力和最大应变均是反比关系;切割线速与切割区最大应力和最大应变均是正比关系。
2张力控制系统研究
目前有重锤张力控制系统(如图2),弹簧+旋转编码器控制系统,汽缸+旋转编码器控制系统和伺服力矩控制系统(如图3)四种,第四种是使用最为广泛的机电张力控制模式。
张义兵等[5]对伺服电动机张力控制系统进行了研究,并得出其张力计算公式为
(5)
F为切割线张力;为轴承摩擦作用力;g为重力加速度;张力摆杆长为L0;角速度为ω;质量为m’;张力摆杆与电动机转子的等效转动惯量为I;摆杆重心距张力电动机轴心距离为L;张力电动机施加的转矩为M。
改进后张力控制系统,张力波动量更小,控制精度更高,断线故障率更低。
钱宏峰等[6]用有限元对切割区的受力和系统振动进行分析,得出较高的切割效率和切割质量,必须设置较大的初始张力。同时,为了减少对系统固有特性的影响,必须控制好张力的波动量。
目前关于张力控制技术的研究主要是智能技术的应用,多种智能技术的结合使用(如网络控制和模糊控制结合为模糊网络控制)在未来将会是一种新的尝试和突破[7]。
图2重锤张力控制系统示意图
图3伺服力矩控制系统
3砂浆研究
砂浆由碳化硅和切削液搅拌混合而成,其直接影响切割性能和硅片质量。
3.1切削液(PEG)
线切割用切削液具有重要作用,兼具切削、粘滞、冷却三大功能,可以有效提高硅片质量和生产效率。因切削液功能受粘度影响,而温度又直接影响其粘度,因此,通过控制温度来控制切削液的粘度,而且要适宜[8]。因切削液状态变化需要时间,所以其升和降温曲线呈非线性。0-25℃时,粘度随温度降低迅速增大;25℃-100℃时,粘度随温度升高的变化缓慢,见图5。
试验15℃、25℃和35℃三种温度下切割液(砂浆)对切片质量的影响,结果为25℃的TTV,Warp,Bow都较温度偏高和偏低的切割质量好,其中温度较高时,TTV与Warp都较温度低时大,但Bow较温度低时好。切割时控制适宜的切削温度(25℃左右),可以有效地控制晶片的几何参数[9]。此外,空间位阻和静电作用可以提高砂浆悬浮性,减少碳化硅沉淀,提高切割质量[10]。
安全监控图4改进前后张力下降百分比曲线图图5切削液的升温降温曲线
3.2碳化硅(SiC)
砂浆线切割中,分散的碳化硅颗粒自由滑动、滚动和冲击来进行微量切削,如图6。碳化硅形状可以近似圆锥、球,若其分布按等高、正态分布或均匀分布时,可推算出切削加工的单位体积为
(6)
式中:σs为屈服点(MPa);A为接触面积(mm2);p为接触压力(MPa);L为相对移动距离(mm);α为顶角(°)。
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图6磨粒在晶体切削中的状态
加工表面粗糙度与最大切削深度αpmax成正比,最大切削深度为
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(7)
式中:μ为体积率,dg为平均直径(mm);G为磨粒率。
由上式可知,影响硅片切割效率的因数很多,而随着切割时间的增长,磨粒钝,导致切割效率下降,在生产中要控制好砂浆配比、更换系数和频次[11]。此外,冯萍等[12]研究表明,砂浆pH对硅片质量影响较大,需要加以控制。
3.3配比、流量和成膜
砂浆的配比是一个很重要的工艺参数,只有达到机器要求的粘度,才能提高切割效率和硅片合格率。MB、HCT和NTC等切割机要求切削液和碳化硅的配比为1:0.92-0.95,密度1.63-1.635kg.L-1即可达到要求。只要将粘度控制200-250Pa.s,即使密度达到1.67kg.L-1左右也不会出现异常。而永安切割机则需要更低的密度和粘度[13]。

本文发布于:2024-09-21 21:49:43,感谢您对本站的认可!

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