高硬度多晶硅棒金刚线切割技术的研究-李飞龙

李 飞龙 ， 熊震 ， 朱军 ， 邢国强 阿特斯阳光电力集团有限公司 洛阳阿特斯光伏科技有限公司 2018年 11月 10日 CSIQ NASDAQ 高硬度多晶硅棒金刚线切割技术的研究 2018第十四届 中国太阳 能级硅 及光 伏发电 研讨会 2Canadian Solar Inc. 目录 阿特斯金刚线切片业务介绍 金刚线多晶切片的优势、挑战 高硬度多晶硅棒的切割研究进展 多晶切片未来发展趋势及小结 3Canadian Solar Inc. 72 120 180 220 260 280 320 400 400 4000 5000 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 单位： 兆瓦 硅片年产能（ 2008-2018） 2016年开始导入 金刚线切片  2018年，阿特斯实现了金刚线切片产能 5GW。 金刚线切片产能增长趋势图 4Canadian Solar Inc.  首家 GW级金刚线多晶切片工厂；  首创维氏硬度评估硅棒。  主要辅料自主开发；  定制化开发多晶专用电镀金刚线。  多晶“快切化“；  无 杂棒与单晶持平；  杂质棒 90-100分钟 /刀。  多晶“省线化“；  单片线耗与单晶 差异 保持在 0.3米 /片。 阿特斯金刚线多晶切片亮点 5Canadian Solar Inc. 目录 阿特斯金刚线切片业务介绍 金刚线多晶切片的优势、挑战 高硬度多晶硅棒的切割研究进展 多晶切片未来发展趋势及小结 6Canadian Solar Inc. 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 砂浆 金刚线 金刚线切片与砂浆切片对比 金刚线切片砂浆切片 Silicon Moving wire fracture zone 单刀切割时间 (h) 7-9h 1-2h 48% 33% 30万 3千 0.8-0.9 0.4 Kerfloss COD 切片成本 (￥ /pcs) 7Canadian Solar Inc. 金刚线切片 +黑硅技术是多晶降本的“法宝” 10% 20% 30% 40% 50% 与砂浆切片 成本对比 硅棒成本 切片加工成本 硅片全成本 -22% -32% -50% 黑硅技术 +金刚线切片 ，是兼顾 高效率和 低成本的多晶解决方案！ 8Canadian Solar Inc. 单晶硅棒 多晶硅锭 维氏硬度 900-1000； 碳 含量＜ 1ppma； 无需 Si3N4； 无位错，低应力。 维氏硬度 1150-1200； 碳 含量＞ 8ppma， SiC析出； 高纯 Si3N4涂层， N含量高； 高位错，高应力。 多晶切片需要克服“ 硬度高 ”、“ 硬质点多 ”、“ 碎片率高 ”三大技术难题。 单、多晶晶体质量差异分析 9Canadian Solar Inc. d 硅棒硬度差异大  单晶棒显微硬度值 HV0.1约 900~1000；  多晶棒的显微硬度 值 HV0.1介于 1150~1200。 杂质含量差异大  单晶棒基本无 SiC杂质点（单晶棒碳含量比多晶棒 低 1个数量级）；  多晶硅棒中杂质棒占比 ≥30%；  多晶硅棒内杂质点加剧金刚线磨损，线耗增加。 单晶切片 VS 多晶切片 用线差异 0.5m/p，影响成本 0.04元 /片  单晶： 切割周期平均 75-80min， 单片耗线量 0.85-0.9m；  多晶： 切割周期平均 85-120min， 单片耗线量 1.3-1.4m。 多晶切片挑战： 降低单片耗线量 10Canadian Solar Inc. 单晶切片 VS 多晶切片 线径 差一代（ 5μm） ， 出片数差异 3-4pcs/kg。 图 1 多晶硅片切割示意图 图 2 单晶硅片切割示意图 图 3 单晶、多晶硅片切割槽距、线径对比示意图  单晶 切割 无需 分线网 ，有效切割长度比多晶每刀增 加 10~15mm；  单晶硅片易于加工薄片，电镀金刚线线径更细， 出 片数相差 3-4pcs/kg；  当前主流机型，多晶单刀理论产出硅片约 2518片， 单晶为 2725片，单刀硅片 产出量差异约 4.8%。 多晶切片挑战： 提升公斤出片数 11Canadian Solar Inc. 目录 阿特斯金刚线切片业务介绍 金刚线多晶切片的优势、挑战 高硬度多晶硅棒的切割研究进展 多晶切片未来发展趋势及小结 12Canadian Solar Inc. 金刚线多晶切片技术思路 应力大 杂质多 硬度高  工艺匹配（硅棒与金刚线）；  230＜ 出刃率＜ 400（颗 /mm)；  出刃高度＞ 5.5μm。  超 硬金刚石；  高出刃率 (300-470)；  镀层气孔率低。  金刚石分布集中；  镍层晶粒尺寸细而均匀；  工艺匹配（收刀工艺优化）。 13Canadian Solar Inc. 金刚线切割机理的研究 （ PPc） 脆性 切割 Pc= 𝜆0⨉𝐾𝑐⨉(𝐾𝑐/𝐻)3 金刚石 金刚石 ------Pc：临界载荷 14Canadian Solar Inc. 多晶硅棒的表征 -硅 棒硬度 检测 d  显微硬度的压痕测试方法，与金刚 线切片机理类似；  用硅棒的维氏硬度值来表征多晶硅 棒可切割加工的难易 程度， 硬度值 越大，单片耗线量越大 。HV=0.102⨉2⨉𝐹⨉sin⁡(136 °/2)/𝑑2 HV0.1 单 片耗线量与多晶硅棒硬度关系 多晶硅棒硬度测试原理示意图 1.23 1.23 1.39 1.70 1.85 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 1156 1158 1170 1221 1251 单片耗线（米 /片） 0.62 15Canadian Solar Inc. 多晶硅 棒的表征 -硅 块杂质 检测 S i l i c o n b l o c k C a m e r a I R s o u r c e 注：以上为同供应商硅棒采用相同 切割 工艺对比结果 多晶硅棒中的杂质点加剧电镀线磨 损，导致单片耗线量增加 0.4~0.5米 /片。 69% 55% 1.88 1.42 0.5 1 1.5 2 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0-2mm杂质棒 无杂质正常棒 金刚石磨损率 单片耗线（米 /片） 硅棒中检测出的小杂质点 16Canadian Solar Inc. 硬质 点硅棒解决方案 情形 1： NG 电镀金刚线绕过杂质点，线痕 TTV比例增加； 情形 2： NG 电镀金刚线切割杂质点时断线； 情形 3： OK 电镀金刚线强度更高，直接切过杂质点。  开发符合情形 3的电镀金刚线（颗粒数更多，镀层结合力更强，金刚石更耐磨）。 17Canadian Solar Inc. 高硬度多晶硅棒 切割 方案 -定制化电镀线 88.37% 95.81% 78.90% 93.92%17.28% 2.42% 0.00% 2.00% 4.00% 6.00% 8.00% 10.00% 12.00% 14.00% 16.00% 18.00% 20.00% 60.00% 65.00% 70.00% 75.00% 80.00% 85.00% 90.00% 95.00% 100.00% 普通电镀线 定制电镀线 直通率 A合计 线痕 &TTV合计  针对高硬度“难切”硅棒，定制金刚线， 良率提升 5-6% 18Canadian Solar Inc. 高硬度多晶硅棒 切割方案 -定制 化切割液 94.85% 97.19% 91.94% 96.86%1.54% 0.55% 0.00% 0.20% 0.40% 0.60% 0.80% 1.00% 1.20% 1.40% 1.60% 1.80% 80.00% 82.00% 84.00% 86.00% 88.00% 90.00% 92.00% 94.00% 96.00% 98.00% 100.00% 普通冷却液 定制化冷却液 直通率 A合计 线痕 &TTV合计  在定制金刚线的基础上，匹配相应的定制冷却液， 良率再提升 2-3% 19Canadian Solar Inc. 目录 阿特斯金刚线切片业务介绍 金刚线多晶切片的优势、挑战 高硬度多晶硅棒的切割研究进展 多晶切片未来发展 趋势及小结 20Canadian Solar Inc. 多晶切片技术发展趋势 -“四化”降低加工成本 细线化 省线化 薄片化 智能 化 70um 65um 60um 单 片线耗 (m/pcs) 190um 180um 170um 线 速 台 速 张 力 扭 矩 2.0m/pcs 1.5m/pcs 1.0m/pcs ↓10um=↑2pcs/kg 21Canadian Solar Inc. 高效多晶 低碳高效 &类单晶  高硬度  高碳含量  中高位错  常规电阻  中低硬度  中低碳含量  中低位错  低阻  类单晶 多晶切片技术发展趋势 -低碳少杂高质量晶体 22Canadian Solar Inc. 总结 根据目前光伏产能与平价上网趋势，多晶硅片价格仍有下 降压力，需加快细线、薄片等技术的推进； 针对当前多晶铸锭高硬度、杂质含量高等特点，应定制相 应的金刚线和冷却液进行改善； 未来多晶不仅考虑效率的提升，也需考虑切割性能的改 善，低碳低应力是未来的方向之一。 23Canadian Solar Inc. 谢 谢 ! 2018年 11月