德國(guó)ARNOLD單晶硅和多晶硅錠切割液壓薄刀技術(shù)，截?cái)鄼C(jī)及自動(dòng)線

Cutting technique

切割技術(shù)

Fluid beared disc in thin blade technology

液壓薄刀技術(shù)

的切割

由于在硅片生產(chǎn)中嚴(yán)峻的成本壓力，薄刀切割技術(shù)再次走入視野。

可靠，低成本的維護(hù)，使得在多晶硅錠的全自動(dòng)加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)大量成本的節(jié)約變成可能。

光伏市場(chǎng)正處在巨大的動(dòng)蕩中。 過(guò)去幾年中高昂的硅材料價(jià)格是左右決策的標(biāo)準(zhǔn)，而今天,整個(gè)生產(chǎn)流程是決定硅片價(jià)格的關(guān)鍵。

為達(dá)到大幅降低成本的目標(biāo)，必須對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行檢驗(yàn)。高的流程安全性，可靠性， 大大降低的維護(hù)時(shí)間，低運(yùn)行成本和靈活的集成到半自動(dòng)和全自動(dòng)的生產(chǎn)線是對(duì)行業(yè)ling產(chǎn)商的zui低要求。

即使是至今為止，被認(rèn)為是低收入國(guó)家的地區(qū)也在尋找節(jié)約潛能，為減低人工成本比例和人工成本。自動(dòng)化硅錠加工的優(yōu)勢(shì)在于：高利用率，優(yōu)化利用投資，通過(guò)減低材料破損提高產(chǎn)量，特別是100%的可追溯性和質(zhì)量控制。

的硅片生產(chǎn)從硅錠加工開(kāi)始。復(fù)雜的硅片生產(chǎn)前期工序決定性地影響著后續(xù)生產(chǎn)步驟，特別是硅片的質(zhì)量及由此制造出的光伏組件的質(zhì)量。為了評(píng)估成本和費(fèi)用，首先值得瀏覽一下從砂石到硅片的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程。

在薄如紙的硅片從硅錠生成前，將經(jīng)歷很多道工序。這些步驟根據(jù)不同的加工技術(shù)而變化，并且取決于選取的初始原材料。單晶硅硅片（切克勞斯基法^（1））具有zui高的轉(zhuǎn)換效率。

首先，用于進(jìn)一步處理的圓柱型初始棒準(zhǔn)備就緒。然后去頭尾， 和用于材料和質(zhì)量檢測(cè)的測(cè)試硅片大約1到2毫米被切下，稱之為“截?cái)?rdquo;。接下來(lái)，初始棒被切成若干段，經(jīng)過(guò)切方成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格（125 x 125 或156 x 156 毫米）。

多晶硅則在通用大小（長(zhǎng) x 寬 x 高, 單位: 毫米）的方形石英坩堝，例如878 x 878 x 480 （G5） 熔化而成的。初始硅錠在 “結(jié)晶“后被放到鋸床（現(xiàn)今通常是線鋸床）上切割成硅片規(guī)格的立方體。在表面和倒角研磨后進(jìn)行截?cái)喙ば颍?/span> 通常被稱作切頭尾。由于雜質(zhì)，硅碳水化合物雜質(zhì)和降低的導(dǎo)電性，頭尾段不適合用于進(jìn)一步加工成硅片。因此， 制造商依賴于創(chuàng)新的解決方案，在上游生產(chǎn)工序中“去蕪存菁”。也就是，在硅錠加工過(guò)程中去除硅錠中受損部分， 以便只有的硅塊被進(jìn)一步加工。在這個(gè)時(shí)候，將來(lái)生產(chǎn)中的次品就已經(jīng)被避免。通過(guò)先期測(cè)試和選取材料，大大提高了機(jī)器的利用率。zui終， 生產(chǎn)成本被大大降低。 同樣質(zhì)量的硅片，價(jià)格明顯便宜。

zui高價(jià)格為500美元每公斤的高價(jià)硅時(shí)代早已經(jīng)過(guò)去。目前在現(xiàn)貨市場(chǎng)上的原材料購(gòu)買價(jià)格浮動(dòng)在每公斤20美元左右。多年來(lái)，不尋常的原材料價(jià)格影響著硅錠加工的技術(shù)。

雖然長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)人們遵循著降低昂貴的原材料損失為原則，但今天人們又開(kāi)始重新使用久經(jīng)考驗(yàn)的方法。長(zhǎng)時(shí)間被忽略，現(xiàn)在重新被發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用創(chuàng)新的薄刀片技術(shù)的外徑切割機(jī)成為了新的潮流。其他的方法如帶鋸，內(nèi)徑切割和線鋸也被外徑切割機(jī)床所取代。

在決策將來(lái)的硅錠生產(chǎn)中運(yùn)用哪項(xiàng)技術(shù)時(shí)，建議將通用的切割技術(shù)和新的薄刀片技術(shù)進(jìn)行比較及研討，將其集成到自動(dòng)化生產(chǎn)流程的可能性。因?yàn)槿绻麤](méi)有流程自動(dòng)化和機(jī)器人，擁有優(yōu)化的生產(chǎn)流程和質(zhì)量穩(wěn)定的生產(chǎn)是不太可能的。

硅錠的IR測(cè)試

不重要的切割損耗

外徑切割技術(shù)，新的薄刀片技術(shù)的前身， 是zui老的切割技術(shù)之一。幾十年來(lái)，配備了一個(gè)3.5毫米厚的金剛石刀片的鋸床被用于切割脆性材料，如玻璃， 陶瓷和金屬。這項(xiàng)技術(shù)不僅提供zui大工藝穩(wěn)定性，而且其簡(jiǎn)單而且結(jié)實(shí)的運(yùn)用使人信服。特別在光伏方面，無(wú)需任何復(fù)雜的夾持技術(shù)，工件可以放在一個(gè)V型支架上，這可以確保無(wú)應(yīng)力和沒(méi)有崩邊的切割。德國(guó)阿諾德集團(tuán)是世界范圍內(nèi)這項(xiàng)技術(shù)的之一。在20世紀(jì)80年代初期，已經(jīng)根據(jù)硅生產(chǎn)商的要求設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了不同的切割設(shè)備。1995年*個(gè)自動(dòng)的， 機(jī)器人輔助裝卸載的切割中心就已經(jīng)出廠了。

但是， 在硅料價(jià)格高的時(shí)期，由于切割片造成的略微高的材料損失，這項(xiàng)幾乎免維護(hù)， 非常堅(jiān)固耐用的外徑切割技術(shù)在幾年間失去了它的重要性。其他的一些更加復(fù)雜的技術(shù)， 因?yàn)楦俚牟牧蠐p失，取代了外徑切割技術(shù)。

帶鋸的傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)自于木材加工。除了德國(guó)公司Jaespa外，亞洲的制造商也提供帶鋸。相對(duì)于其他類型的切割技術(shù)，購(gòu)買帶鋸床雖然便宜， 但是后續(xù)成本更高。

舉個(gè)例子，對(duì)于帶鋸，固定件是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。帶鋸的轉(zhuǎn)軸運(yùn)行時(shí)接觸到高腐蝕的硅水混合物。由于固定件的磨損，必須定期更換。 除此之外，焊接在一起的切割帶鋸承受著很高的張力，帶鋸撕裂在生產(chǎn)過(guò)程中也并非少見(jiàn)。

雖然可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的和快捷的維修，但是生產(chǎn)流程的可靠性和工藝的穩(wěn)定性將會(huì)受到嚴(yán)重的影響。帶有金剛石涂層的切割帶，必須平均每8小時(shí)更換。在不間斷的每天生產(chǎn)（24/7）和切割帶鋸價(jià)格在很低的（100歐元每條）的情況下，每年的工具費(fèi)用仍需要11萬(wàn)歐元，并且停產(chǎn)，人工和物流等產(chǎn)生的費(fèi)用還沒(méi)有被計(jì)算進(jìn)去。

雖然更換帶鋸和重新調(diào)試相對(duì)而言所需時(shí)間較少， 但是切割帶鋸使運(yùn)行成本顯著增高，產(chǎn)品質(zhì)量上的弱勢(shì)也不可小視。在高的進(jìn)刀速度下（大于40毫米/分鐘），切割質(zhì)量將受到影響。相對(duì)不的切割導(dǎo)致需要外加一步額外的加工工序。

通常情況下，硅錠的端面需要重新研磨。這不僅意味著要在額外的磨床上投資，而且還會(huì)產(chǎn)生其他費(fèi)用，如能耗，材料損耗， 維護(hù)和人工費(fèi)用。帶鋸可以被集成到自動(dòng)化生產(chǎn)線中去。然而頻繁的停機(jī)就要求更多的人力投入來(lái)保證中斷時(shí)間zui小化。

用于半導(dǎo)體行業(yè)的內(nèi)徑切割機(jī)在70年代被瑞士公司Meyer Burger 研發(fā)并在后來(lái)被用在光伏行業(yè)。內(nèi)徑切割技術(shù)也是用于切割脆性材料的特殊切割工藝。

它可以進(jìn)行非常的切割， 非常細(xì)的0.5毫米或更少的切割縫隙，因此硅料損失非常少。相比于傳統(tǒng)的鋸床，內(nèi)徑鋸床的區(qū)別在于它位于內(nèi)部的切割面。簡(jiǎn)而言之，內(nèi)徑切割是一個(gè)特殊的環(huán)形鋸技術(shù)。切割刀片在外邊緣像鼓膜一樣被夾緊。刀片的中間有一個(gè)洞，涂有金剛石顆粒的內(nèi)緣形成切割區(qū)域。

根據(jù)不同的進(jìn)刀速度和所要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，硅錠規(guī)格為156x156毫米的，每刀切割需要7 分鐘。大約在1000刀以后，刀片需要人工進(jìn)行更換。

即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工也需要幾個(gè)小時(shí)來(lái)更換和調(diào)試。切割刀片的材料費(fèi)用大約500歐元，每年總計(jì)3萬(wàn)5千歐元。除此之外，停產(chǎn)的損失也必須被計(jì)算進(jìn)去。

幾年前， 當(dāng)時(shí)非常高的硅料價(jià)格還主宰著市場(chǎng)， 盡管復(fù)雜和昂貴的技術(shù)，內(nèi)徑切割還是非常有優(yōu)勢(shì)的。維護(hù)密集型的切割工藝在生產(chǎn)量不斷增大的情況下，不適合集成到自動(dòng)化生產(chǎn)方案中。

在線截?cái)鄼C(jī)床領(lǐng)域，幾年前被美國(guó)的Applied Materials接手的瑞士專家HCT是世界的。線鋸zui明顯的優(yōu)勢(shì)就是在切割過(guò)程中硅料損失很小。

在這項(xiàng)切割技術(shù)中，你必須預(yù)期到非常高的后續(xù)處理費(fèi)用。 首先把zui多35塊硅錠放在線鋸的線場(chǎng)下面。一次能把所有硅錠的頭和尾都切下來(lái)，也就是總共70刀。實(shí)際分離硅塊的是由所謂的漿料完成。昂貴的聚乙二醇（PEG）和碳化硅混合物， 它附著在切割線上。如果切割線斷裂，整個(gè)切割線場(chǎng)必須重新繞線。費(fèi)時(shí)的停產(chǎn)和昂貴的生產(chǎn)損失將不可避免。

人工加載的操作時(shí)間非常高。每刀后對(duì)切割臺(tái)的必要清洗也是非常費(fèi)時(shí)的。用帶有金剛石的切割線來(lái)代替價(jià)格昂貴的漿料仍處在研發(fā)階段。不管是否使用銀漿，這套工藝非常不靈活。金剛線的成本也是非常高的。將線切這一步驟整合到全自動(dòng)工藝中去，理論上是非常昂貴的，需要很高的投入。從中期來(lái)看，因?yàn)榫€切技術(shù)的高成本問(wèn)題，將不再被應(yīng)用于截?cái)喙に嚒?/span>

薄刀片鋸設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)

隨著新一代產(chǎn)品“薄刀片技術(shù)” ，zui老的切割工藝在硅錠加工行業(yè)中正在復(fù)蘇。這項(xiàng)老的，但同時(shí)又是新的外徑切割技術(shù)被阿諾德集團(tuán)用于切割多晶硅錠。

除此之外， 阿諾德還提供用于截?cái)嗪颓蟹絾尉Ч璧脑O(shè)備。包括手動(dòng)，半自動(dòng)和全自動(dòng)流程。新的切割片技術(shù)雖然是在成熟的，已被人熟悉的圓型切割技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的， 但是它還帶有其他的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使更經(jīng)濟(jì)的硅錠加工成為可能。這種鋸床帶有1.5毫米的薄刀片而不是通常的3.5毫米厚的刀片，這使得硅料損失減少了大約50%。這項(xiàng)技術(shù)的核心部分是經(jīng)過(guò)特殊處理的1.2毫米鋼板。刀片的邊緣焊接了金剛石金屬合金。厚度為6.5毫米，可以切割1萬(wàn)5千刀。

更換刀片zui多大約需要半個(gè)小時(shí)。工業(yè)上所要求的平行度公差 ，即刀片和工件 之間平行度小于0.2毫米， 角度公差小于0.3毫米和崩邊小于0.6 毫米，甚至可以長(zhǎng)期不間斷的加工尺寸為156*156的硅錠。

這項(xiàng)切割技術(shù)不僅包括低消耗，維護(hù)和維修成本，而且達(dá)到高流程穩(wěn)定性和高設(shè)備利用率97%（SEMI E10）。降低的消耗成本，更低的能源成本和非常低的工具成本（少于8000歐元/年）及尚未提到的人力成本，這些提供了相比其他的切割技術(shù)可達(dá)百分之八十的節(jié)省潛能。

智能自動(dòng)化

特別是在危機(jī)的時(shí)期，有必要去看一看其他成功的行業(yè)。時(shí)刻處在競(jìng)爭(zhēng)和業(yè)績(jī)壓力下的汽車行業(yè)就是很好的*。他們成功的要素是無(wú)可挑剔的質(zhì)量，嚴(yán)格遵守研發(fā)周期，而*的流程和按“Just-in-Time”原則準(zhǔn)時(shí)交貨。供應(yīng)商須提供“*策略”。這些只能通過(guò)非常高的自動(dòng)化程度來(lái)達(dá)到。

回到光伏行業(yè)，如果沒(méi)有類似的高程度自動(dòng)化，是無(wú)法達(dá)到類似目標(biāo)的。自動(dòng)化不僅僅只是將機(jī)器人安裝到子流程中去，而更多的是，每臺(tái)機(jī)器必須不僅有高的流程穩(wěn)定性， 而且要提供先進(jìn)的傳感技術(shù)， 高智能的控制技術(shù)和相應(yīng)的接口如MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）。

硅錠加工線

全自動(dòng)多晶硅錠加工線 – 研磨， 切割和粘貼

以全自動(dòng)研磨，薄刀切割和多晶硅錠粘膠為例子，能突顯出生產(chǎn)商的優(yōu)勢(shì)。三個(gè)按順序排好的加工中心用傳輸帶連接起來(lái)，每個(gè)加工中心帶有一個(gè)工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人和機(jī)器控制系統(tǒng)之間的交流由更別的生產(chǎn)和質(zhì)量控制系統(tǒng)（PQS）來(lái)控制。

在加工步驟研磨和切割之間設(shè)有帶3個(gè)屏幕的人工檢測(cè)站。操作工可以提取單個(gè)流程數(shù)據(jù)和每個(gè)流程步驟的機(jī)器參數(shù)， 并根據(jù)需要進(jìn)行更改。ARPAT, 帶有開(kāi)放接口的研磨和切割機(jī)的流程分析工具，用于收集，分析，存儲(chǔ)和可視化流程和設(shè)置。在其他的2個(gè)屏幕上可以看到少子壽命和電阻測(cè)量數(shù)據(jù)。

所有設(shè)備都配有自己的安全區(qū)域和額外的安全鎖。即使在生產(chǎn)運(yùn)作中，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和修理工作也同樣暢通。

研磨，切割和粘膠

每塊通過(guò)全自動(dòng)生產(chǎn)線的硅錠都會(huì)在開(kāi)始前被貼上一個(gè)識(shí)別號(hào)碼。因此， 每個(gè)加工完的硅錠都有相對(duì)應(yīng)的流程和測(cè)量數(shù)據(jù)。研磨中心由對(duì)著傳輸帶圍成半圓的表面研磨和倒角機(jī)組成。

機(jī)器人完成所有的搬運(yùn)工作。工件被夾緊并被激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。在此測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 研磨砂輪將自動(dòng)運(yùn)作。然后機(jī)器人根據(jù)提示裝載每臺(tái)機(jī)器。在每次研磨之間進(jìn)行第二次激光測(cè)量， 并記錄所有操作過(guò)程。同樣，在隨后進(jìn)行的倒角過(guò)程中，加工前后的數(shù)據(jù)也通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)器內(nèi)被*記錄。

在完成研磨工序后，硅錠被機(jī)器人運(yùn)到紅外線測(cè)量站。每塊硅錠都會(huì)被檢測(cè)，所有雜質(zhì)如碳化硅雜質(zhì)都將被發(fā)現(xiàn)。然后在傳輸帶上進(jìn)行少子壽命和電阻測(cè)量。在此，硅錠的質(zhì)量被全面的檢測(cè)。在所有前面進(jìn)行的測(cè)量和檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，具體的切割部位被自動(dòng)計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)到硅錠識(shí)別號(hào)碼下。

在全自動(dòng)切割中心里，每塊硅錠都會(huì)由機(jī)器人直接從傳輸帶提取放到切割機(jī)里的確切的切割位置。切下的截段， 無(wú)論從一個(gè)硅錠切下多少個(gè)截段，都會(huì)透過(guò)激光或噴墨打印機(jī)附上相應(yīng)的額外標(biāo)識(shí)號(hào)。因此使得后面的數(shù)據(jù)可追溯得以*實(shí)現(xiàn)。

粘膠作為硅片生產(chǎn)的前期工序有非常重要地位。大約百分之九十的粘膠工作至今仍由人工來(lái)完成。因此，這項(xiàng)個(gè)體的加工工序還是非常依賴操作工的。相對(duì)于人工操作，自動(dòng)化粘膠可以降低膠料需求zui少百分之三十。僅在這個(gè)區(qū)域，人為錯(cuò)誤率還是非常的高。每個(gè)小錯(cuò)誤可以大大增加硅片的破損率 – 無(wú)論是在切片時(shí)還是在后續(xù)去膠時(shí)。

只有通過(guò)自動(dòng)化粘膠工序標(biāo)準(zhǔn)化，才可以不僅減少硅片的壞損率， 而且明顯降低相關(guān)成本。

測(cè)量報(bào)告（研磨） 無(wú)流程優(yōu)化

測(cè)量報(bào)告（研磨） 有流程優(yōu)化 - 零錯(cuò)誤策略

全自動(dòng)流程

全自動(dòng)生產(chǎn)線的核心部分是內(nèi)部開(kāi)發(fā)的研磨和切割機(jī)的流程自動(dòng)化。為了確保并提高流程的穩(wěn)定性，“閉環(huán)流程開(kāi)發(fā)”創(chuàng)建。具體操作: 收集，可視化和分析當(dāng)前的生產(chǎn)和流程數(shù)據(jù)， 在這些數(shù)據(jù)的幫助下改變流程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

配備流程分析工具可以搜集和記錄每臺(tái)設(shè)備的當(dāng)前流程數(shù)據(jù)。包括如幾何工件數(shù)據(jù)，客戶*的工件信息，流程參數(shù)和根據(jù)SEMI10的設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)被記錄和評(píng)估。設(shè)備有能力在智能軟件的幫助下進(jìn)行自動(dòng)的更正，如調(diào)整研磨砂輪。測(cè)量到有尺寸偏差時(shí)， 比如在受外界溫度的影響下，能進(jìn)行自動(dòng)流程誤差補(bǔ)償。通過(guò)全面的數(shù)據(jù)收集可以達(dá)到并保持一個(gè)非常好的流程能力， 如在研磨工序中，公差能達(dá)到并保持在+/- 0,05毫米內(nèi)的前提下，流程能力cpk小于1.67.

流程自動(dòng)化確保競(jìng)爭(zhēng)能力

自動(dòng)化是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，是用于優(yōu)化加工同時(shí)確保適合生產(chǎn)硅片的材料進(jìn)入到下一步工序。在光伏市場(chǎng)，薄刀片切割技術(shù)在中小型的產(chǎn)能并且大批量生產(chǎn)中有的機(jī)會(huì)。除了已知的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，薄鋸片簡(jiǎn)單的，后續(xù)可以升級(jí)集成到自動(dòng)化生產(chǎn)線中去，都可以說(shuō)明為什么這項(xiàng)技術(shù)被重新發(fā)現(xiàn)。

企業(yè)投資的決策需要有前瞻性。不是看單臺(tái)設(shè)備的價(jià)格或是在加工過(guò)程中硅料的消耗， 而是要看連同所有生產(chǎn)成本的總共投資。配有全自動(dòng)流程的成熟的設(shè)備結(jié)合自動(dòng)裝卸系統(tǒng)和全面的數(shù)據(jù)收集，這才是成功的因素。

在所有的生產(chǎn)工序中，創(chuàng)造了同樣的可復(fù)制的前提條件，如不斷的重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)化不受人為影響，特別是的質(zhì)量監(jiān)測(cè)。如果考慮到所有成本因素，高價(jià)的自動(dòng)化設(shè)備被證明是zui有利可圖的投資。降低成本并同時(shí)不斷改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，只有通過(guò)整個(gè)生產(chǎn)流程的高度自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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