太阳能硅片电火花电解高效切割研究

棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈[16 ] 暋 Mohamed G H.T he ME MS Handbook [ M ] .Washi ngt onD. C . : CRCP ressL I C , 2002 .( 编辑 暋袁兴玲 )作者简介 : 赵江铭 , 男 ,197 2年生 。 郑 州 大 学 机 械 工 程 学 院 讲 师 、博士 。 主要研究方向为ME MS设 计 、 仿 真 与 试 验 。 发 表 论 文10余篇 。 杨杰伟 , 男 ,197 7年 生 。 郑 州 大 学 机 械 工 程 学 院 讲 师 、 博士 。 孙俊杰 , 男 , 19 65 年 生 。 郑 州 大 学 机 械 工 程 学 院 副 教 授 。吴晓铃 , 男 ,19 46年生 。 郑 州 大 学 机 械 工 程 学 院 教 授 、 博 士 研 究生导师 。 陈晓阳 , 男 ,1 96 0 年生 。 上海 大 学 机 械 与 自 动 化 学 院 教授 、 博士研究生导师 。太阳能硅片电火花电解高效切割研究刘志东 汪 炜 田宗军 邱明波 黄因慧南京航空航天大学 , 南京 ,210016摘要 : 提出了一种基于复合工作液的 、 以电火花电解复合加工技术对太阳能硅片进行切割的工艺方法 。 试验表明 , 高速走丝电火花线切割对太阳能硅片切割具有效率高 、 切缝窄 、 厚度薄且表面微裂纹很少甚至没有等特性 。 该工艺方法可为探索降低硅片的切割成本 , 提高硅材料的利用率 , 促使太阳能电池成本的显著降低 , 形成具有我国自主知识产权的太阳能硅片切割技术提供一些帮助 。关键词 : 太阳能硅片 ; 电火花电解 ; 高效切割 ; 复合工作液中图分类号 :暋暋暋文章编号 :1004 — 132 X (2008 )14 — 1673 — 05Resear cho nH i ghE f f iciency Sli ci ng ofE D Ma n dE C Mo nS ol arW af er Slici ngLi uZ hi do ng Wang Wei Ti anZ on gj un Qi u Mi ngbo H uang Yi nh uiNanji ng Uni versit y ofA er o nauti cs andA st r o naut i cs , Nanji ng ,210016Abst r act: As ol arw af er sli ci ng met hodw ass t udi ed , whic h wasb asedo nc o mpl exd i el ect ric f l ui dand eff ici ency el ect ricd ischar gem achi ni ng (E D M ) an de l ect ri c che mi calm achi ni ng (EC M ) t ec hni que .T he r esult s s ho wt hatw i r e c ut el ect ri c di schar gem achi ni ng wit hh i gh t r aveli ng speed ( WE DM-H S )pr ocessi ng onw af er has good c har act eri st icso f hi ghe ff i ci ency ,t hi n t hic k ness ,nar r o w gap and f ewo rnos ur f ace mi cr o-c r ac ks . Thet ec hni que gi vesa p ot ent i al way t o r educes l ici ng cost , i mpr oveuti lizat i ono f si li con , an d pr ovi dea t heor eti cal an d pr acti cal basi so nC hi na 暞 s i nt ell ect ual pr opert y ofs ol arw af er sli ci n g .Key wor ds:s ol arw af er ;E D Ma ndE C M ;hi ghe f fi ci enc y sli ci ng ;co mplexd iel ect ri c fl ui d0 暋引言太阳能电 池 成 本 的 一 半 左 右 来 自 硅 材 料 本身 , 由于太阳能硅片制作工艺的限制 , 大幅度降低制作成本非常困难 , 因此 , 采用更薄的硅片以降低材料成本和提高转换效率就成为太阳能电池制造技术发展的主要目标 [1飊 4 ] 。 近年来 , 随着太阳能技术的应用需求不断扩大和晶硅原料供应的严重短缺 [5 ] , 大尺寸超薄硅片切割技术日益成为 缓 解 和解决这一矛盾的重要途径之一 。 开展大尺寸超薄硅片切割方法的创新研究 , 是当前太阳能晶硅电池工业降低生产成本和提高生产效率的迫切需求并成为国际研究热点 。太阳能硅片是采用掺杂后的单晶硅棒或多晶硅锭切割而成 , 其电阻率大多数在数欧姆 · 厘米范围内 [6 ] 。 这 对 于 电 火 花 线 切 割 加 工 (WE D M )来说是比较适合的 。WED M是利用工件和工具收稿日期 :2 00 7 — 07 — 12电极丝之间的脉冲性火花放电 , 产生瞬间高温使工件材料局部熔化或气化 , 从而实现加工工件的一种加工方式 。 这是一种与晶向无关 、 非接触 、 宏观加 工 力 很 小 的 加 工 方 式 , 从 理 论 上 讲 采 用WED M切割工件的厚度可以做到很薄 , 因此研究大尺寸超薄太阳能硅片的电火花加工技术 , 形成一种超薄太阳能 ( 单晶 、 多晶 ) 硅片高效切割的低成本新工艺 , 具有重要的理论和现实意义 。1太阳能硅片切割WED M机床类型的选择电火花线切割机床分为低速走丝 (WED M-LS ) 与高速走丝 ( WE D M-H S ) 两大类 。 近年来 ,国外针对硅片切割技术的应用需求 , 采用放电切割作为一种技术手段 , 也进行了一些研究 , 并证明用线切割 放 电 加 工 法 所 获 得 的 硅 片 总 厚 度 变 化(T T V ) 和弯曲程度 ( War p ) 与多线切割结果几乎一样 , 切缝造成的硅材料损失与多线切割法得到的数值相当 [7 ,8 ] 。 但国外的相关研究中均采用去·3761·太阳能硅片电火花电解高效切割研究 — — — 刘志东 汪 炜 田宗军等离子水作为工作介质 , 放电能量较大 , 硅片表面存在明显的显微裂纹 , 加工效率不高 ( 最高切割效率小于100 m m2 /mi n ) 。笔者所在的课题组在国内率先开展了太阳能硅片高效电火花电解复合切割研究 , 采用WED M-H S , 通过研究切割方式 、 工作液类型 、 电源及控制策略等因素对太阳能硅表面质量和加工效率的影响 , 以掌握减少切割表面显微裂纹及热影响区等关键技术为研究目标 , 进行了太阳能硅片 ( 材料电阻率为0灡 03 毟 · c m ) 的 低 成 本 高 效 切 割 的 前 期研 究 工 作 ( 目 前 最 高 切 割 效 率 小 于600 mm2/ mi n ) , 并通过 WED M-L S 进行切割对比试验 , 初步试验结果表明 :WED M-H S在太阳能硅片切割方面具有比WEDM-L S更明显的优势 ,切割后硅片表面对比显微照片见图1 、 图 2 。图 1 暋 WE D M-L S 硅片切割表面形貌图 2 暋 WED M-H S 硅片切割表面形貌由图1可 看 出 ,WED M-L S切 割 后 硅 片 的表 面 粗 糙 、 松 散 并 存 在 显 微 裂 纹 , 这 是 因 为WE D M-L S采用去离子水作为工作介质而使放电脉冲具有较高的峰值电压和电流造成的 。 图2所示的表面 是WE D M-H S采 用 具 有 较 高 电 导率的复合工作液作为工作介质切割的 , 硅片表面的完整性较好 , 无显微裂纹 。 这主要是由于工作介质具有较高的电导率 , 可以在切割的同时对表面形成较强的电化学腐蚀作用 , 从而可达到提高表面 平 整 性 , 减 少 热 影 响 区 及 再 铸 层 的 目 的 。WE D M-L S和WE D M-H S对太阳能硅片的切割效果如表1所示 。暋暋上述结果表明 , 基于复合工作液的WED M-HS太 阳 能 硅 片 切 割 方 法 可 逐 渐 成 为 一 种 新 型的 、 实用的 、 低成本的高效太阳能硅片切割方法 。表 1 WED M- LS 和 WED M-H S 对太阳能硅片切割效果WE D M-L S W ED M-H S切割效率 (m m2 / mi n ) 8 0 40 0表面金属残留有锌 、 锡等电极丝材料元素没有电极丝材料元素钼表面形貌存在明显的显微裂纹黑色较平整的绒面凹坑适合材料 单晶和多晶 单晶和多晶暋暋观察单晶硅多线切割表面 ( 图3 ) 发现 , 表面呈现组织撕裂的痕迹 , 而WED M-H S切割表面则呈现熔化或 气 化 后 的 孔 洞 结 构 。 对 比WED M-H S切割后单晶硅片的侧面显微照片 ( 图4 ) 与 多 线 切割后的侧面显微照片 ( 图5 ) 可以发现 , 前者呈 现出较明显的孔洞结构 , 并且孔洞较深 , 而后者表面则较平整 , 这些特征都将为太阳能硅片的后续工艺处理提供有益的参考 。图 3 暋 单晶硅多线切割表面图 4 单晶硅电火花电解复合加工侧面图 5 单晶硅多线切割侧面2太阳能硅 片WE D M-H S切 割 的 基 本条件2 .1 暋 提高 WED M-H S 运丝的平稳性要满足太阳能电池硅片切割要求 , 首 先 须 保证WED M-H S切 割 所 获 得 的 硅 片 总 厚 度 变 化和弯曲程度可以满足太阳能电池的制作要求 。 试·4761·中国机械工程第19卷第14期2008年7月下半月验证明 ,WED M-L S进行硅片切割 , 总厚度变化和弯曲程度与多线切割结果几乎一样 [6 ,7 ] 。因此采用WED M-H S进 行 硅 片 切 割 时 运 丝 系 统 须与WE D M-L S类 似 , 应 采 用 电 极 丝 导 丝 器 及 增加电极丝恒张力装置以提高电极丝在空间位置的平稳性 ( 图6 ) , 以 获 得 尽 可 能 薄 的 硅 片 及 尽 可 能窄的切缝 , 同时避免出现传统WE D M-H S电极丝空间位置平稳性不够及来回换向所产生的空间位置变化导致的切割面换向条纹的产生 。图 6 暋 改进 WED M-H S 运丝系统机构示意图2 .2 暋 采用洗涤性良好且导电率高的复合工作液传统WE D M-H S工 作 介 质 一 般 采 用 含 油5 % ( 质量分数 ) 左右的乳化液 , 由于 WE D M放电加工时伴随着放电通道内10000 曟以上的高温 ,乳化液将分解产生大量的高分子化合物 , 并与蚀除产物反应生成胶体状物质 , 如图7所示 。 这些物质黏附在切缝内严重影响新鲜乳化液进入切缝及电蚀产物的排出 , 并使两极间乳化液不能正常流动 , 导 致 切 割 效 率 下 降 , 工 件 表 面 加 工 质 量 恶化 , 电极丝损伤 , 耐用度下降 , 严重时引起钼丝烧断 。 一旦断丝后 , 将在硅片表面形成痕迹 , 造成硅片报废 , 这在硅片切割过程中是不允许的 , 因此在切割时必须保证极间具有均匀地冷却状态 。图 7 洗涤性较差的乳化液切缝状态示意图为克服使用乳化液在太阳能硅片切割时引起的上述问题 , 已经研发出具有良好洗涤能力的复合工作液 [9 ] , 该工作液能在切割时使放电 间 隙 内均匀地充满工作介质 , 其极间切缝状态示意如图8所示 。 使用复合工作液不仅可以维持极间冷却的均匀性 , 还可以进一步提高切割效率和切割高度并保证在正常使用寿命范围内不断丝 。此外 , 该类复合工作液具有较高的电导率 , 在质量配比为1 暶 15时其电导率 为1灡 5 mS/ c m , 而 乳化液在同配比时电导率为0灡 18 mS/ c m , 采用复合工作液由于极间可以保持较好的冷却及介质流动状态 , 因此相对乳化液而言 , 选用复合工作液可以图 8 洗涤性良好的复合工作液切缝状态示意图在放电切割的同时利用放电及空载脉冲对硅片表面进行更显著的电解复合加工作用 , 从而达到通过电解作用减少热影响区及再铸层 , 提高表面平整性的目的 。 采集到的使用乳化液与复合工作液切割时极间加工波形如图9 、 图 10所示 , 在图10中可观察到5个脉冲中3个空载脉冲起到了明显电解加工作用 。C H1 : 电压 暋暋C H2 : 电流图 9 采用乳化液时硅片切割波形图C H1 : 电压 暋暋C H2 : 电流图 10 采用复合工作液时硅片切割波形图3太阳能硅片放电切割工艺规律试验选用电阻率为0灡 03 毟 · c m的N型单晶硅材料和Cr 12淬火钢进行切割对比试验 , 对硅片切割效率 、 切缝宽度 、 硅片切割厚度进行了初步的工艺探讨 。3 .1 暋 切割效率在目前试验条件下 , 平均切割电流为1 A时 ,硅片切割效 率 正 比 于 脉 宽 ( 图11 ) , 而 Cr 12在 脉宽达到一定宽度后切割效率几乎不再提高 ; 同样 ,·5761·太阳能硅片电火花电解高效切割研究 — — — 刘志东 汪 炜 田宗军等硅片切割效率也随着平均切割电流的增大呈现正比增大的趋 势 , 而Cr12 , 当 切 割 电 流 增 大 到 一 定程度后由于极间状态的恶化 , 切割效率不再增加甚至有减小的趋势 , 如图12所示 。 这说明在硅片切割过程中由于复合工作液的使用以及硅材料本身电火花电解复合切割的特性 , 其极间可以维持较好的间隙状态 , 在本试验条件下 , 切割效率与投入的能量呈正比关系 。图 11 脉宽与切割效率关系图 12 暋 平均切割电流与切割效率关系经初步试验获得的硅片切割效率最高已达到600 mm2/mi n , 而 传 统 的 多 线 切 割 在 单 片 切 割 时其切割效率一般为30 ~ 60 m m2 /mi n[7 ], 因此电火花电解复合加工是一种具有很大潜力及实用性的硅片高效切割方法 。3 .2 暋 切缝宽度采用多线切割方法 , 切缝宽度之和线 锯 直 径与2毮 1 (毮 1为磨削间隙 ) 之和 , 通常情况下根据使用的磨料的差异 毮1 = 0灡 025 ~ 0灡 04 m m ; 采 用 电 火 花电解 复 合 加 工 时 ( 试 验 采 用 的 电 极 丝 直 径 为0灡 175 mm ) , 切 缝 宽 度 等 于 电 极 丝 直 径 与 2毮 2 (毮 2为放电间隙 ) 之和 , 试验发现硅材料的切缝宽度在试验条件下均小于Cr 12金属的切缝宽度 , 这主要与硅材 料 的 物 理 特 性 有 关 。 在 平 均 切 割 电 流 为1 A条件下 ( 图13 ) 切缝的宽度随脉宽的增大呈正比关系 ; 同时切缝宽度随切割能量的增大也呈正比关系 ( 图14 ) 。 根据放电能量的不同 ,毮 2值的范围为0灡 01 ~0 灡 05 m m, 与 多 线 切 割 法 相 当 。 如 果进一步提高电极丝空间位置的平稳性 , 调整放电切割参数 , 切缝宽度将有可能进一步减小 , 从而降低太阳能硅片切割过程中硅材料的损耗 。3 .3 暋 切割厚度由于电火花电解复合加工属于宏观无力切割图 13 暋 脉宽与切缝宽度的关系图 14 暋 平均切割电流与切缝宽度关系加工 , 因此理论上切割材料厚度可以很薄 , 在目前试验条件下 , 硅片切割厚度已经可以控制在0灡 12 mm以内 ( 图15 ) , 这一指标是采用多线切割无法达到的 。并且切割的厚度随着切割能量的减小及运丝系统稳定性的提高 , 将有可能进一步降低 。图 15 暋 电火花电解复合加工硅片厚度截面4结论本文提出了一种以电火花电解复合加工对太阳能 硅 片 进 行 切 割 的 新 方 法 , 初 步 研 究 表 明 :WED M-H S比WE D M-L S更适合太阳能硅片的切割 。WED M-H S对太阳能硅片切割具有效率高 , 表面基本无显微裂纹 , 具有较窄的切缝宽度且可以获得较薄的切割厚度等特性 。 该方法可以显著降低太阳能硅片的切割成本 , 提高材料的利用率 , 促使太阳能电池成本的降低 , 为形成具有我国自主知识产权的太阳能硅片切割技术提供了理论及实践依据 。参考文献 :[1 ] 暋 张 凤 鸣 . 多 晶 硅 薄 膜 太 阳 电 池[J ] .太 阳 能 学 报 ,2003 ,24 (4 ) :555飊 562 .[2 ] 暋M 昳 l l eHJ , Funk eC , Ri ni oM ,et al . Mul ti Cr ystalli neSili con f orS ol arC ell s [J ] . Thi nS oli dF il ms ,2005 ,487 :179飊 187 .[3 ] 暋W ill ek eGP . Thi nC r ystalli neS ili conS olarC ell s·6761·中国机械工程第19卷第14期2008年7月下半月棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈[J ] .Sol ar Ener gy Mat eri al s 干摩擦 ; 稳定性 ; 黏-滑振动 ; 非线性振动中图分类号 :T H113灡 1 ; O322 暋暋暋文章编号 :1004 — 132 X (2008 )14 — 1677 — 04Nonli nearA nal ysis of Fri cti onal Chatt erM ec hanis mi n Mechani cal Syst e msHuang Yi 暋W ang Tai y ong Zhang Yi ng Jiang Yo ngxi angTianji nU ni versit y , Ti anji n ,300072Abst r act: Chat t er i nducedb y dr y -f ri cti ono fat ypical2-D OF bl ock-o n-b elt modelw asst udi ed . The st abili t y of t he syst e me quili bri u m poi ntw as anal y zed . T he anal ytical s ol uti onu n der pure- sli p condit i o n waso bt ai nedu si n g t hea ver age met hods . Then onl i neard y na micb ehavi or so ft hes yst e m wer e nu meri call y an d anal yti call y i nvesti gat ed . The mec hani s m off ri cti o nalc hat t er wasdi scussed . The result ss ho wt hatw it ht hed ecr easeo fb eltv el ocit y t hes yst e ml oses i t se quili br i u mst abi lit y an d t he chat t er ,cont ai ni ngp ur e - sli p and sti ck - sl i p t ypes , ar e i nduced .Key wor ds:c hat t er ;dr y - fr ict i on ;st abilit y ;sti ck - sli p ;nonli near vi brati on0 暋引言研究摩擦颤振 [1 ,2 ] 的关键是建立适当的摩 擦模型 。 目前 , 质量弹簧及类似系统主要采用的摩擦力模型包括库仑模型和速度依赖动摩擦模型 。库仑模型的动摩擦因数为常数 , 而静摩擦力则可取不大于最大静摩擦力的任何值 , 对此 , 一些学者进行了研究 , 并取得了一些成绩 [3飊 7 ] 。收稿日期 :2 00 7 — 06 — 29基金项目 : 国 家8 63高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目(20 06 A A04 Z1 46 ,20 07 A A04 20 05 ) ; 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科研基金资助项目 (20 06 005 60 16 )暋暋干摩擦系统向量场的非光滑性给动力学解析分析带来了很大困难 , 对此类问题的研究主要采用数值分析和实验 [8 ] 。 但在一定条件下 , 进行解析和半解析半数值分析还是必要和可能的 [9飊 11 ] 。本文针对一类摩擦颤振中具有代表性的双质体 — 传输带干摩擦系统进行研究 , 旨在揭示干摩擦系统的非线性动力学现象和摩擦颤振的发生机理 。1 暋摩擦颤振模型分析研究机床 / 导轨 、 刀具 / 工件 、 钻井过程中结构间摩擦颤振的动力学问题时 , 可以将其简化成质体 — 传输带干摩擦系统模型 , 如图1所示 。 传·7761·机械系统中摩擦颤振机理的非线性分析 — — — 黄暋毅 王太勇 张暋莹等