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2018年中国金刚线行业发展现状及切割技术分析(图)

       一、金刚线介绍
       金刚线是金刚石切割线的简称,还被称为之位钻石切割线或者钻石线。工业上许多硬质材料都是用切割钢线或者更高质量的金钢线来切割的,比如光伏领域的多晶切片,单晶硅,晶棒,蓝宝石,磁性材料,陶瓷材料。由于具备效率高,成本低,低 TTV,无污染等诸多优点,近年来正在逐渐代替国内传统的砂浆切割手段,并且替代速度逐年升高。

       由于目前国内光伏建设发展迅猛,对单晶、多晶硅片的需求量不断提升的同时,也在单位成本、环境保护等多方面提出了更高的要求。以单晶为例,金刚线切割成本较传统砂浆切片可降低约 20%,按照 2016-2017 的硅料及硅片价格,金刚线切割单晶较砂浆加工单片成本约降低 0.6-0.8 元,单晶与多晶硅价差一度下降至 0.6 元左右的性价比“阈值”。多晶在解决了新型“制绒”技术如干法黑硅技术、湿法黑硅技术等等问题后,金刚线切割多晶影响电池效率的主要障碍得到了解决,同样能大幅降低单位生产成本,因此,金刚线在国内光伏制造领域的大范围应用已经全面铺开,并且将在 2020 年前全面普及。

 
图表:金刚石线实物图

       二、硅片切割技术
       硅材料是一种脆性非常高的材料,切割的时候很容易发生断裂,加工过程中产生缺陷的原因非常复杂,比金属材料更难加工,硅材料在实际的多线切割过程中容易产生微裂纹,微裂纹的产生将减少的硅材料的强度,随着切割过程中的机械振动,很容易在切割的部位发生断裂破坏,严重影响到硅片最终的质量。
图表:常见材料的莫氏硬度表
 

       1、 切割原理
       硅材料的切割过程不单纯是简单的切削过程,其中包括非常复杂的物理变化过程,比如硅晶粒的剥落过程、塑性变形的过程、硅晶粒碎裂等相关过程。有研究表明,在硅材料的切割过程中,主要有两种去除方式,一种是脆性断裂切除,一种是塑性变形切除。脆性断裂切除在硅材料的切割顶端会产生裂纹,产生的裂纹会使硅片表面损伤增加;而塑性变形切除是将硅棒在塑性区域内切除,同时在被切割的过程中,硅材料形成塑性切割,这也就产生了切削。 游离磨料多线切割以两种方式除去硅材料:去除脆性断裂和塑性流动的去除。脆性断裂前端以颗粒形式裂纹移除,晶片表面裂纹会受到严重的伤害;除去塑性流动形成在硅棒切塑性区域,塑性流动的形成过程中被切割,由此产生切割。

       简单来说:对超硬材料的切割的过程就是用硬度比较高的材质去切除硬度较低的材料的过程。俗语“没有金刚钻,就别揽瓷器活”说的就是这个道理。我们从莫氏硬度表上得知金刚石硬度为 10,是目前已知天然形成的最高硬度的材料。由莫氏硬度表可知能用于硅材料切割的磨料只有金刚石,碳化硅,和蓝宝石。由于金刚石硬度最高所以其切除效率最高并且效果最好。
图表:金刚线切割示意图
 
       2、 传统的硅片切割方式——砂浆切割
       从 20 世纪 90 年代中期开始,由于线锯加工的切缝窄、厚度均匀、翘曲度较低,而被广泛应用于单晶硅等贵重硬脆材料的加工。线锯主要分为游离磨料和固结磨料两类。游离磨料线切割加工在工业切割领域表现稳定,在光伏产业的大尺寸硅片切割领域广泛应用,但其存在加工效率较低且不利于加工更硬的材料、磨浆污染环境严重等问题,因而严重制约了该技术的进一步发展。
       3、 新型的硅片切割方式——金刚线切割
       由于碳化硅为磨料的砂浆切割具有较多的缺点,其逐渐被电镀磨料线锯切割技术所替代,而其磨料一般采用金刚石。电镀金刚石线锯是一种在镀液中添加一定的金刚石磨料,当镀液中的金属离子在阴极还原成金属,沉积在线锯基体上时,金刚石微粒被包覆进入镀层而制成的线性锯切工具。其比原来的游离磨粒线锯具有更高的耐磨性,同时能够承受较大的切削力和较长的切削时间。
图表:金刚线实物图片
 

       参考观研天下发布《2018-2023年中国金刚石线产业市场竞争现状调研与投资前景规划预测报
图表:砂浆切割磨料碳化硅颗粒 SEM 电子显微镜照片
 

       4、 硅片金刚线切割与砂浆切割对比优势
图表:两种切割方式示意图
 
       1)切割效率高
       切割效率高主要来源于其技术特点:第一,金刚线采用固定方式结合金刚石,相比砂浆线处于游离状态的磨料,不仅参与磨削切割的金刚石更多(漏损少),而且减少了磨料之间的相互磨损。第二,金刚石硬度高,耐磨损能力强,从而切削和使用寿命更长。第三,金刚线固着的金刚石的运行速度与切割线一致,而游离状态的砂浆运行速度低于切割线。
       2) 材料损耗少、出片率高
       切割线线径越大造成切割时刀缝越大从而导致材料损耗越多,而切割线的线径是裸线径与磨料/刃料直径之和。金刚线因切割能力强,其镀层比切割液与碳化硅混合形成的砂浆要小薄,从而造成的刀缝损耗较小。另外,金刚线切割造成的硅片损伤层小于砂浆线切割,有利于切割更薄的硅片。更细的线径、更薄的切片有利于降低材料损耗,提高硅片的出片率。2015 年的硅片厚度多为 180μm,砂浆切割的刀缝损耗大约为 150μm,金刚线切割的刀缝损耗约为 125μm,因此,金刚线切割能较大幅度提高出片率。
       3) 环境污染较小
       砂浆切割会产生大量晶硅切割废砂浆,废砂浆含碳化硅、聚乙二醇、硅粉和金属粉末成分,环境威胁较大,其中部分粒径小于 0.15μm 的硅粉与水或潮湿空气接触时会快速反应并释放出易燃气体 H2(氢气)和热量,如不进行妥善利用、处置会造成严重污染。金刚线使用水基磨削液(主要是水),有利于改善作业环境,同时简化洗净等后道加工程序。
       4) 产品质量提升
       金刚线切割减少了加工损伤层(deteriorated layer),而且精度保持稳定,产生 TTV 小(总厚度变化,硅片表面特定测量点的最大值和最小值之差)。
图表:不同切割方式产生的 TTV(硅片厚度变化量)
 
       5) 运营成本下降
       金刚线切割的设备占用资本、空间占用、人力和电力占用均有下降,整个生产流程更加简化,从而降低运营成本。

       正是因为有上述优势,而且销售价格最近几年持续下降,金刚线切割对传统砂浆切割的替代正在快速推进,尤其是单晶硅新增产能,基本是使用金刚线切割工艺。金刚线主要用于蓝宝石开方和切片,硅芯切割,硅锭(含多晶硅锭、单晶硅锭)开方和截断、硅切片等领域,各细分领域的替代程度存在一定差异。
图表:金刚线切割与砂浆切割的对比
 

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