中国太阳能硅片线切割设备国产化的现状和趋势

1 硅片切割设备的现状和发展趋势一、光伏产业链作为硅片上游生产的关键技术，切割的质量与规模直接影响到整个产业链的后续生产，切割过程中需要用到 刃料（创业板新大新材的产品） 、研磨液、切割机床设备 等。二、硅片切割的常用方法：硅片加工工艺流程一般经过晶体生长、切断、外径滚磨、平边、切片、倒角、研磨、腐蚀、抛光、 清洗、 包装等阶段。近年来光伏发电和半导体行业的迅速发展对硅片的加工提出了更高的要求 (图 1.1)：一方面为了降低制造成本，硅片趋向大直径化。另一方面要求硅片有极高的平面度精度和极小的表面粗糙度。 所有这些要求极大的 提高了硅片的加工难度 ， 由于硅材料具有脆、硬等特点，直径增大造成加工中的翘曲变形，加工精度不易保证。厚度增大、芯片厚度减薄造成了材料磨削量大、效率下降等。图 1.1 晶片发展趋势2 硅片切片作为硅片加工工艺流程的关键工序， 其加工效率和加工质量直接关系到整个硅片生产的全局。 对于切片工艺技术的原则要求是： ①切割精度高、 表面平行度高、 翘曲度和厚度公差小。②断面完整性好，消除拉丝、刀痕和微裂纹。③提高成品率，缩小刀 (钢丝 )切缝，降低原材料损耗。④提高切割速度，实现自动化切割。目前，硅片切片有两种加工方法： 1、内圆切割； 2、自由磨粒的多丝切割， 大连连城的产品属于后者 。内圆切割是传统的加工方法（图 1.2a） ，材料的利用率仅为 40％～ 50％左右；同时，由于结构限制，内圆切割无法加工 200mm 以上的大中直径硅片。图 1.2 内圆切割与多丝切割原理示意图多丝切割技术是近年来崛起的一项新型硅片切割技术， 它通过金属丝带动碳化硅研磨料进行研磨加工来切割硅片（图 1.2b） 。和传统的内圆切割相比，多丝切割具有切割效率高、材料损耗小、成本降低 (例如日进 NWS6X2 型 6” 多丝切割加工 07 年较内圆切割每片省 15元 )、硅片表面质量高、可切割大尺寸材料、方便后续加工等特点 (见表 1.1)。3 表 1.1：内圆切割与多丝切割的对比特点 多丝切割 内圆切割切割方法 研磨 磨削硅片表面特征 丝痕 断裂 & 碎片破坏深度 (um) 5--15 20--30 生产效率（ cm2/hr） 110--200 10--30 每次加工硅片数 200--400 1 刀损 (um) 180--210 300--500 硅片最小厚度 (um) 200 350 可加工硅碇直径 (mm) >300 Max 200 多线切割的基本原理是通过一根高速运动的 钢线带动附着在钢丝上的切割刃料 对硅棒进行摩擦， 从而将硅棒等硬脆材料一次同时切割为数千片薄片的一种切割加工方法。 多线切割由于其更高效、 更小切割损失以及更高精度的优势， 对于切割贵重、 超硬材料有着巨大的优势。作为一种先进的切割技术， 多丝切割已经逐渐取代传统的内圆切割 成为目前硅片切片加工的主要切割方式，目前，瑞士 HCT 公司， Meyert Burger( 梅耶博格 )公司，日本 Takatori（高鸟） 等少数著名制造厂商先后掌握了该项关键技术， 并推出了相应的多丝切割机床产品，尤其是大尺寸的切割设备。三、多线切割设备的国产化道路在 2003 年以前， 多线切割主要满足于半导体行业的需求， 切割技术主要掌握在欧、 美、日、 台等国家和地区， 国内半导体业务以封装业务为主， 上游的晶圆切割技术远远落后于发达国家和地区，相关的设备制造研发也难有进展。2003 年随着太阳能光伏行业的爆发式增长，国内民营企业的硅片切割业务迅速发展起来。 大量引进了瑞士和日本产的先进的数控多线切割设备。 国内设备制造企业也看到了这个巨大的商机，纷纷投入资金和人力物力进行技术研发。 但大多数都是仍以仿制为主 。2009 年开始有一些厂家开始尝试将在其他行业比如蓝宝石切割使用的金钢线切割技术引入到硅片切割领域来。4 目前全球的多线切割设备主要为瑞士的 HCT 、 Meyer Burger(梅耶博格 )和日本的 NTC所统治。瑞士的 HCT、梅耶博格最早在上世纪 80 年代就推出了线切割机，主要为半导体行业所用。HCT 简介：HCT 在 1983 年推出第一台线切割机后 14 年里才累计卖出了 100 台设备，在随后的 6年里又累计卖出了 150 台。 太阳能光伏市场在 2003 年启动以后， HCT 针对市场需要在 2005年推出了世界上最大的太阳能硅片线切割机 B5 。而 HCT 在 2006 年里一年的销售量就突破了 100 台。 HCT 在 2007 年被美国的应用材料收购。HCT 在 2000 年进入中国市场， 主要的客户来自半导体行业的包括北京有研、 济宁港湾、宁波晶元等。 HCT 在太阳能行业应用的主流机型是 B5，双工作台 4 个导轮满载可以一次切割硅棒长达到 2 米，非常适合大规模生产。国内主要用户包括 LDK 、保定英利、成都天威新能源、浙江昱辉、江阴海润等公司。针对市场新的需求和变化，在 2009 年推出了新机型 MaxEdge B6，主要特点是将原有的一个线网拆分为 2 个独立控制的线网， 这样有助于使用更细的切割线从而提高出片率降低生产成本。但是目前该设备还处于推广阶段，工艺还有待进一步成熟。梅耶博格简介：成立于 1953 年， 早期主要生产研发外圆和内圆切割机。 在 1980 年启动线切割技术的研究， 1991 年正式推出了第一台线切割机 DS260。 2000 年推出了针对太阳能光伏市场需求的双工作台 4 导轮的 DS262 机型，该机型理论上切割负载可以达到 2 米，但实际上根据国内客户的使用情况反馈， DS262 并不是一个非常成功的机型， 一般切割负载在 1.2 米左右比较合适，切割硅片的合格率相比较低。根据市场的变化，梅耶博格在 2004 年推出了小型机 DS265。该机型只有一个工作台可以同时切割 2 个 300 毫米长的硅棒。和 NTC MWM442D 机型非常的类似。该设备在国内使用的客户较少，客户反映设备稳定性不够，维护费用过高。梅耶博格在 2005 年推出了最为成功的单工作台的新机型 DS264，该机型可以切割一根棒长达 820 毫米的硅棒， 针对多晶硅片市场比例迅速的提高情况下， 非常好的满足了市场新的需求。国内主要用户包括浙江昱辉、常州天合、镇江辉煌 /环太、 LDK 、江苏林洋、无锡高佳等。 在 2009 年又针对市场的变化推出了 DS264 的升级型 DS271， 切割单根负载可以增加到 1020 毫米。目前该机型国内主要有镇江辉煌和无锡高佳在使用，切割效果和 DS264 差不多。5 NTC 简介：1984 年由富山机械和日平工业和并成立 NTC。上世纪 90 年代推出了针对半导体行业的 MWM 系列线切割机2008 年被小松收购，改名为 Komatsu NTC NTC 最为畅销的机型是 MWM442D ，由于其投资小、维护费用低、适合使用细直径切割钢丝，深受国内很多新进入切片领域小公司的欢迎。在 2003 年后受光伏行业的飞速发展刺激， NTC 在中国的销售量快速增长，尤其在 2008 年取得了 400 多台线切割机的销售量，即使在收经济危机影响的 2009 年也卖出了 300 多台各类型的线切割机。在国内的主要用户晶龙集团、江苏顺达、江阴海润、西安隆基、浙江昱辉、江西晶科等。受多晶硅片市场发展影响，于 2008 年推出了新的设备类型单工作台面的 PV600 和 PV800，这些设备借鉴了梅耶博格 DS264 的设计理念， 切割最大负载棒长分别达到 630 毫米 （ 3 根 210 毫米， 单根棒最大负载 600 毫米）和 840 毫米（ 4 根 210 毫米，单根棒最大负载 800 毫米） 。这些设备非常好的适应的多晶硅片的生产技术发展趋势。线切割设备国产化开发的第一个高潮随着中国光伏产业以令全世界震惊的讯速崛起， 国外三大多线切割设备厂家的设备生产能力远远不能满足中国硅片加工企业的购买需求，在 2008 年市场火热的设备交货期最少半年以上，有的甚至一年以上。于是很多相关的设备制造企业纷纷介入， 比如日本的高鸟、安永专门推出了针对太阳能硅片切割的机型。国内最早从事太阳能多线切割机开发的为上海日进。 上海日进引进日本技术， 早在 2006年就推出了第一台多线切割样机，样机类似 NTC MWM442D 。样机在日进内部切割试验结果良好，切除的硅片质量完全合格。但是在客户实际试用的时候，还是遇到了很多的问题，比如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差。国内陆陆续续推出多线切割样机的厂家还有上海汉虹、电子集团 45 所、兰州瑞德、无锡开源、大连连城、北京京联发、湖南宇晶等。从样机来看，技术原理和设计主要都是借鉴了日本 NTC MWM442D 机型的很多理念，样机基本都属于小型机。 北京京联发尝试开发类似 HCT B5 机型的样机， 但是在市场上没有看到试用的设备。 国内目前开发出的多线切割机样机都面临着类似的问题，成品率低、断线率高、控制精度差等。加上硅料价格高昂，客户尝试新机器的成本非常高，每次的损失可能动则几万元到几十万元，这也限制了设备制造企业很难获得更多的生产性试验数据来改进设备。6 湖南宇晶在 2006 年左右开始研制多线切割机，主要针对水晶切割市场。经过几年的实验和改进后， 目前在国内也已经销售出了几十台多线切割机， 取得了长足的进步。 但是该公司还没有开发出适应太阳能硅片切割的多线切割机。线切割设备国产化意外的收获——开方机虽然国内很多厂家在多线切割机的开发上投入了很大的人力、 物力， 但是实际进展却并不如人意。在 2008 年 PV 行业爆发式增长之际，不仅多线切割机交货期大大延长，连硅锭开方机也变得非常紧张。 由于开方机使用的钢丝直径较粗， 一般 250 微米到 300 微米， 较切片常用的直径 120 微米的钢丝不容易发生断丝。 另外，开方完成后， 一般还要对硅锭打磨。因此对切割的精度要求比硅片大大降低。国内厂家中上海日进首先抓住了这个机遇，目前已经在国内市场有了不错的销售业绩。另一家 大连连城的开方机 也于 2009 年取得重大突破，在 2010 年有望取得不错的销售业绩。2010 年更多国内企业有望在线开方设备制造取得突破。四、下游产业展望目前国内主要晶硅片制造企业产能及扩产计划如下表：7 2009 年以来多晶硅价格下降，降低了单位发电成本，光伏发电并网应用有望实现：受全球金融危机和多晶硅供求关系的影响， 至 2009 年末， 国际市场多晶硅价格由 2008 年上半年的 460 美元 /千克下跌至目前 60 美元 /千克左右，多晶硅价格的下跌将带动晶体硅太阳能电池生产成本的下降， 从而降低单位太阳能发电量的成本。 在欧洲电价高、 日照时间长的地区比如意大利南部、 西班牙等， 光伏的发电成本已经低于上网电价。 太阳能光伏发电安装在这些地域将迎来爆炸式的增长。多晶硅价格下降将使目前基于补贴的太阳能项目发电成本下降，使太阳能与风能、天然气等能源比较有较强的竞争力。 2005 年以前，我国太阳能发电成本约为 40 元 /千瓦时左右， 国家补贴方面难以承受。 随着国内洛阳中硅高科技有限公司、 四川新光硅业科技有限责任公司、峨嵋半导体材料厂、江苏顺大半导体发展有限公司、江西赛维 LDK 太阳能高科技公司、大全集团有限公司等 6 家主导企业新增多晶硅产能的投产，多晶硅价格有望进一步下跌，太阳能发电成本可降低至 2.5 元 /千瓦时。 2009 年 1 月，包括无锡尚德、江西赛维LDK 、常州天合、江苏林洋等在内的太阳能电池生产企业将“ 1 元 /千瓦时”太阳能发电成本的方案上交给科技部。 该方案预测， 2012 年实现太阳能发电成本降至 1 元 /千瓦时完全可行，之前预测的 3～ 5 年达到 1 元 /千瓦时的太阳能发电成本有望在两年后即可实现。按照最新的市场预测，中国 2-3 年后，或者在 2015 年前，光伏发电成本将逐步降低接近目前的风力发电成本， 0.5-0.6 元 /度电，到那时，中国的光伏安装将迎来爆炸式增长。国内光伏企业在制造环节的成本优势将获得空前的发展机遇， 尤其是硅片切割环节。 随着更多更有实力的国有企业进入到这个行业，更多的人力、物力投入，更多的经验积累， 以及大大降低的实验成本，中国的线切割设备将步入新一轮增长周期。