德國ARNOLD單晶硅和多晶硅錠切割液壓薄刀技術，截斷機及自動線

德國ARNOLD單晶硅和多晶硅錠切割液壓薄刀技術，截斷機及自動線

Cutting technique

切割技術

Fluid beared disc in thin blade technology

液壓薄刀技術

的切割

由于在硅片生產(chǎn)中嚴峻的成本壓力，薄刀切割技術再次走入視野。

可靠，低成本的維護，使得在多晶硅錠的全自動加工過程中，實現(xiàn)大量成本的節(jié)約變成可能。

光伏市場正處在巨大的動蕩中。 過去幾年中高昂的硅材料價格是左右決策的標準，而今天,整個生產(chǎn)流程是決定硅片價格的關鍵。

為達到大幅降低成本的目標，必須對整個生產(chǎn)流程進行檢驗。高的流程安全性，可靠性， 大大降低的維護時間，低運行成本和靈活的集成到半自動和全自動的生產(chǎn)線是對行業(yè)ling產(chǎn)商的zui低要求。

即使是至今為止，被認為是低收入國家的地區(qū)也在尋找節(jié)約潛能，為減低人工成本比例和人工成本。自動化硅錠加工的優(yōu)勢在于：高利用率，優(yōu)化利用投資，通過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)從硅錠加工開始。復雜的硅片生產(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。為了評估成本和費用，首先值得瀏覽一下從砂石到硅片的復雜生產(chǎn)過程。

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，用于進一步處理的圓柱型初始棒準備就緒。然后去頭尾， 和用于材料和質(zhì)量檢測的測試硅片大約1到2毫米被切下，稱之為“截斷”。接下來，初始棒被切成若干段，經(jīng)過切方成標準規(guī)格（125 x 125 或156 x 156 毫米）。

多晶硅則在通用大小（長 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行截斷工序， 通常被稱作切頭尾。由于雜質(zhì)，硅碳水化合物雜質(zhì)和降低的導電性，頭尾段不適合用于進一步加工成硅片。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，在硅錠加工過程中去除硅錠中受損部分， 以便只有的硅塊被進一步加工。在這個時候，將來生產(chǎn)中的次品就已經(jīng)被避免。通過先期測試和選取材料，大大提高了機器的利用率。zui終， 生產(chǎn)成本被大大降低。 同樣質(zhì)量的硅片，價格明顯便宜。

zui高價格為500美元每公斤的高價硅時代早已經(jīng)過去。目前在現(xiàn)貨市場上的原材料購買價格浮動在每公斤20美元左右。多年來，不尋常的原材料價格影響著硅錠加工的技術。

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

在決策將來的硅錠生產(chǎn)中運用哪項技術時，建議將通用的切割技術和新的薄刀片技術進行比較及研討，將其集成到自動化生產(chǎn)流程的可能性。因為如果沒有流程自動化和機器人，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測試

不重要的切割損耗

外徑切割技術，新的薄刀片技術的前身， 是zui老的切割技術之一。幾十年來，配備了一個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。這項技術不僅提供zui大工藝穩(wěn)定性，而且其簡單而且結(jié)實的運用使人信服。特別在光伏方面，無需任何復雜的夾持技術，工件可以放在一個V型支架上，這可以確保無應力和沒有崩邊的切割。德國阿諾德集團是世界范圍內(nèi)這項技術的之一。在20世紀80年代初期，已經(jīng)根據(jù)硅生產(chǎn)商的要求設計并生產(chǎn)了不同的切割設備。1995年*個自動的， 機器人輔助裝卸載的切割中心就已經(jīng)出廠了。

但是， 在硅料價格高的時期，由于切割片造成的略微高的材料損失，這項幾乎免維護， 非常堅固耐用的外徑切割技術在幾年間失去了它的重要性。其他的一些更加復雜的技術， 因為更少的材料損失，取代了外徑切割技術。

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

舉個例子，對于帶鋸，固定件是一個很大的挑戰(zhàn)。帶鋸的轉(zhuǎn)軸運行時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)過程中也并非少見。

雖然可以進行簡單的和快捷的維修，但是生產(chǎn)流程的可靠性和工藝的穩(wěn)定性將會受到嚴重的影響。帶有金剛石涂層的切割帶，必須平均每8小時更換。在不間斷的每天生產(chǎn)（24/7）和切割帶鋸價格在很低的（100歐元每條）的情況下，每年的工具費用仍需要11萬歐元，并且停產(chǎn)，人工和物流等產(chǎn)生的費用還沒有被計算進去。

雖然更換帶鋸和重新調(diào)試相對而言所需時間較少， 但是切割帶鋸使運行成本顯著增高，產(chǎn)品質(zhì)量上的弱勢也不可小視。在高的進刀速度下（大于40毫米/分鐘），切割質(zhì)量將受到影響。相對不的切割導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，而且還會產(chǎn)生其他費用，如能耗，材料損耗， 維護和人工費用。帶鋸可以被集成到自動化生產(chǎn)線中去。然而頻繁的停機就要求更多的人力投入來保證中斷時間zui小化。

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

它可以進行非常的切割， 非常細的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。簡而言之，內(nèi)徑切割是一個特殊的環(huán)形鋸技術。切割刀片在外邊緣像鼓膜一樣被夾緊。刀片的中間有一個洞，涂有金剛石顆粒的內(nèi)緣形成切割區(qū)域。

根據(jù)不同的進刀速度和所要求的質(zhì)量標準，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，刀片需要人工進行更換。

即使是經(jīng)驗豐富的操作工也需要幾個小時來更換和調(diào)試。切割刀片的材料費用大約500歐元，每年總計3萬5千歐元。除此之外，停產(chǎn)的損失也必須被計算進去。

幾年前， 當時非常高的硅料價格還主宰著市場， 盡管復雜和昂貴的技術，內(nèi)徑切割還是非常有優(yōu)勢的。維護密集型的切割工藝在生產(chǎn)量不斷增大的情況下，不適合集成到自動化生產(chǎn)方案中。

在線截斷機床領域，幾年前被美國的Applied Materials接手的瑞士專家HCT是世界的。線鋸zui明顯的優(yōu)勢就是在切割過程中硅料損失很小。

在這項切割技術中，你必須預期到非常高的后續(xù)處理費用。 首先把zui多35塊硅錠放在線鋸的線場下面。一次能把所有硅錠的頭和尾都切下來，也就是總共70刀。實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，整個切割線場必須重新繞線。費時的停產(chǎn)和昂貴的生產(chǎn)損失將不可避免。

人工加載的操作時間非常高。每刀后對切割臺的必要清洗也是非常費時的。用帶有金剛石的切割線來代替價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工藝中去，理論上是非常昂貴的，需要很高的投入。從中期來看，因為線切技術的高成本問題，將不再被應用于截斷工藝。

薄刀片鋸設立標準

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

除此之外， 阿諾德還提供用于截斷和切方單晶硅的設備。包括手動，半自動和全自動流程。新的切割片技術雖然是在成熟的，已被人熟悉的圓型切割技術的基礎上設計的， 但是它還帶有其他的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使更經(jīng)濟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%。這項技術的核心部分是經(jīng)過特殊處理的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1萬5千刀。

更換刀片zui多大約需要半個小時。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，甚至可以長期不間斷的加工尺寸為156*156的硅錠。

這項切割技術不僅包括低消耗，維護和維修成本，而且達到高流程穩(wěn)定性和高設備利用率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可達百分之八十的節(jié)省潛能。

智能自動化

特別是在危機的時期，有必要去看一看其他成功的行業(yè)。時刻處在競爭和業(yè)績壓力下的汽車行業(yè)就是很好的*。他們成功的要素是無可挑剔的質(zhì)量，嚴格遵守研發(fā)周期，而*的流程和按“Just-in-Time”原則準時交貨。供應商須提供“*策略”。這些只能通過非常高的自動化程度來達到。

回到光伏行業(yè)，如果沒有類似的高程度自動化，是無法達到類似目標的。自動化不僅僅只是將機器人安裝到子流程中去，而更多的是，每臺機器必須不僅有高的流程穩(wěn)定性， 而且要提供先進的傳感技術， 高智能的控制技術和相應的接口如MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）。

硅錠加工線

全自動多晶硅錠加工線 – 研磨， 切割和粘貼

以全自動研磨，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。三個按順序排好的加工中心用傳輸帶連接起來，每個加工中心帶有一個工業(yè)機器人。機器人和機器控制系統(tǒng)之間的交流由更別的生產(chǎn)和質(zhì)量控制系統(tǒng)（PQS）來控制。

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

所有設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)運作中，現(xiàn)場維護和修理工作也同樣暢通。

研磨，切割和粘膠

每塊通過全自動生產(chǎn)線的硅錠都會在開始前被貼上一個識別號碼。因此， 每個加工完的硅錠都有相對應的流程和測量數(shù)據(jù)。研磨中心由對著傳輸帶圍成半圓的表面研磨和倒角機組成。

機器人完成所有的搬運工作。工件被夾緊并被激光測量系統(tǒng)測量。在此測量數(shù)據(jù)的基礎上， 研磨砂輪將自動運作。然后機器人根據(jù)提示裝載每臺機器。在每次研磨之間進行第二次激光測量， 并記錄所有操作過程。同樣，在隨后進行的倒角過程中，加工前后的數(shù)據(jù)也通過測量系統(tǒng)在機器內(nèi)被*記錄。

在完成研磨工序后，硅錠被機器人運到紅外線測量站。每塊硅錠都會被檢測，所有雜質(zhì)如碳化硅雜質(zhì)都將被發(fā)現(xiàn)。然后在傳輸帶上進行少子壽命和電阻測量。在此，硅錠的質(zhì)量被全面的檢測。在所有前面進行的測量和檢測得出的數(shù)據(jù)的基礎上，具體的切割部位被自動計算出來并存儲到硅錠識別號碼下。

在全自動切割中心里，每塊硅錠都會由機器人直接從傳輸帶提取放到切割機里的確切的切割位置。切下的截段， 無論從一個硅錠切下多少個截段，都會透過激光或噴墨打印機附上相應的額外標識號。因此使得后面的數(shù)據(jù)可追溯得以*實現(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完成。因此，這項個體的加工工序還是非常依賴操作工的。相對于人工操作，自動化粘膠可以降低膠料需求zui少百分之三十。僅在這個區(qū)域，人為錯誤率還是非常的高。每個小錯誤可以大大增加硅片的破損率 – 無論是在切片時還是在后續(xù)去膠時。

只有通過自動化粘膠工序標準化，才可以不僅減少硅片的壞損率， 而且明顯降低相關成本。

測量報告（研磨） 無流程優(yōu)化

測量報告（研磨） 有流程優(yōu)化 - 零錯誤策略

全自動流程

全自動生產(chǎn)線的核心部分是內(nèi)部開發(fā)的研磨和切割機的流程自動化。為了確保并提高流程的穩(wěn)定性，“閉環(huán)流程開發(fā)”創(chuàng)建。具體操作: 收集，可視化和分析當前的生產(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)進行優(yōu)化。

配備流程分析工具可以搜集和記錄每臺設備的當前流程數(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的設備狀態(tài)等參數(shù)被記錄和評估。設備有能力在智能軟件的幫助下進行自動的更正，如調(diào)整研磨砂輪。測量到有尺寸偏差時， 比如在受外界溫度的影響下，能進行自動流程誤差補償。通過全面的數(shù)據(jù)收集可以達到并保持一個非常好的流程能力， 如在研磨工序中，公差能達到并保持在+/- 0,05毫米內(nèi)的前提下，流程能力cpk小于1.67.

流程自動化確保競爭能力

自動化是一個封閉的系統(tǒng)，是用于優(yōu)化加工同時確保適合生產(chǎn)硅片的材料進入到下一步工序。在光伏市場，薄刀片切割技術在中小型的產(chǎn)能并且大批量生產(chǎn)中有的機會。除了已知的產(chǎn)品優(yōu)勢，薄鋸片簡單的，后續(xù)可以升級集成到自動化生產(chǎn)線中去，都可以說明為什么這項技術被重新發(fā)現(xiàn)。

企業(yè)投資的決策需要有前瞻性。不是看單臺設備的價格或是在加工過程中硅料的消耗， 而是要看連同所有生產(chǎn)成本的總共投資。配有全自動流程的成熟的設備結(jié)合自動裝卸系統(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)造了同樣的可復制的前提條件，如不斷的重復性，標準化不受人為影響，特別是的質(zhì)量監(jiān)測。如果考慮到所有成本因素，高價的自動化設備被證明是zui有利可圖的投資。降低成本并同時不斷改進產(chǎn)品質(zhì)量，只有通過整個生產(chǎn)流程的高度自動化來實現(xiàn)。

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