天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 ■ 陳仁芳鄧寶祥 王晴晴

硅晶體線鋸切削液的應(yīng)用與發(fā)展

天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 ■ 陳仁芳*鄧寶祥 王晴晴

切削液是硅晶體線鋸切割過程中必不可少的附材，切削液組分隨切割方式的不同而發(fā)生變化來滿足對(duì)線鋸切割的需求。本文對(duì)硅晶體切削液的分類及近年來切削液組分的研究狀況進(jìn)行了綜述，分析了黏度、表面張力、pH值對(duì)切削液性能的影響，并預(yù)測(cè)了未來切削液的發(fā)展趨勢(shì)。

切削液；硅晶體；線鋸切割；性能

0　引言

硅片是光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中最基礎(chǔ)最重要的原材料，約90%的太陽電池板都要使用到硅片［1］。

在硅片加工過程中，硅錠的切片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這道工序中，硅片的晶向、厚度、斜度、翹曲度都被確定下來；同時(shí)，由于機(jī)械作用，這一工序也是造成損傷、刀痕、應(yīng)力，以及因應(yīng)力產(chǎn)生錯(cuò)位問題的主要工序［2］。

早期的硅片切割工藝為內(nèi)圓切割，此切割方法生產(chǎn)效率低下且生產(chǎn)出的硅片表面質(zhì)量和光電轉(zhuǎn)化能力較差。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)硅片的需求加大，硅片大直徑、超薄化已成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。線鋸切割工藝因其高效率、高質(zhì)量、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，逐步取代內(nèi)圓切割工藝，成為目前大直徑硅片(Φ≥200 mm)加工的常用方法，而切削液在這其中發(fā)揮著重要作用［3］。性能優(yōu)良的切削液具有高懸浮、高分散、高潤(rùn)滑、高冷卻性的特點(diǎn)，能有效降低硅片生產(chǎn)成本，提高硅片表面質(zhì)量和成品率。

1　硅晶體切削液組分的發(fā)展

隨著硅晶體切片工藝的不斷升級(jí)，切削液的組分也在不斷變化。早期的切削液是以礦物油為主體，在其中加入油溶性防腐蝕劑、分散劑、極壓添加劑所構(gòu)成的復(fù)合油基切削液［4］。此類切削液不溶于水，冷卻效果不理想。此外，當(dāng)硅晶體切片完成后，切削液殘留在硅晶片和設(shè)備表面，需要大量含氯有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，這造成了對(duì)人體的損害和環(huán)境污染，現(xiàn)已很少使用。

目前使用較為廣泛的硅晶體多線鋸切削液主要分為兩類［5,6］。第一類是由聚乙二醇(PEG)或聚醚類為主要成分，同時(shí)添加了潤(rùn)滑劑、螯合劑、消泡劑等添加劑所構(gòu)成的水溶性切削液，此類切削液適用于游離磨料線鋸切割方式(三體切割)［7］；第二類是以去離子水為基礎(chǔ)，添加了少量表面活性劑、緩蝕劑、極壓劑、pH調(diào)節(jié)劑等組分所構(gòu)成的水基切削液，此類切削液適用于固結(jié)磨料線鋸切割方式(二體切割)。

20世紀(jì)90年代，隨著線鋸切割技術(shù)的發(fā)展，日本、美國(guó)和一些歐洲國(guó)家率先展開了對(duì)水溶性線鋸切削液的研究，申請(qǐng)了諸多專利，同時(shí)研制出多種成型產(chǎn)品，但具體切削液配方屬于商業(yè)秘密，鮮有報(bào)道。

我國(guó)較早研究水溶性硅晶體線鋸切削液的機(jī)構(gòu)是河北工業(yè)大學(xué)，該校的劉玉嶺等［8］認(rèn)為切削液的關(guān)鍵作用是降低摩擦、降低磨損層、減小應(yīng)力和微裂、提高效率與延長(zhǎng)刀具壽命、防止設(shè)備生銹；在研究和分析切片工藝的基礎(chǔ)上，研制出性能優(yōu)良的FA/O型水溶性合成切削液。但水溶性切削液作為一種成熟產(chǎn)品仍存在以下缺點(diǎn)：SiC磨粒在切削液中易沉降，在切割過程中易產(chǎn)生泡沫，切割后的硅片表面吸附嚴(yán)重。針對(duì)以上問題，唐博合金等［9］在2012年提出了一種水溶性切削液，其具有極佳的抗極壓潤(rùn)滑性，較大的分散性能和流平性能，提高了SiC磨料在切削液中的分散穩(wěn)定性，同時(shí)有效解決了切屑的再沉積問題。范成力等［10］在2013年提出了一種硅晶體切削液，該切削液擁有優(yōu)越的金屬抗腐蝕能力和強(qiáng)大的抑泡能力。在使用過程中，液體能夠保持清澈透明，表面無廢渣和泡沫，幾乎可以做到無論起多少泡沫下一秒全部消完，大幅降低了因硅片表面殘留泡沫而產(chǎn)生“白斑”的現(xiàn)象。

近年來，固結(jié)磨料線鋸切割技術(shù)因其生產(chǎn)效率高、回收成本低［11］的特點(diǎn)引起了人們的極大關(guān)注，水基切削液成為其必不可少的耗材。水基切削液具有良好的冷卻性能，能帶走大量的切削熱，充分降低硅片表面溫度；流動(dòng)性能好，具有優(yōu)異的清洗性，提高了硅片的光潔度；廢液易回收，減少了環(huán)境污染［12］。

針對(duì)當(dāng)前因水基切削液水含量高而產(chǎn)生的潤(rùn)滑性差、抗腐蝕性差和產(chǎn)生氫氣的問題，2014年，福島剛等［13］在公開的專利中介紹了一種適用于硅錠切片的水基切削液。此切削液添加了一種聚氧亞烷基加成物，在硅錠切削過程中，切削熱的冷卻性、潤(rùn)濕性、水與硅的反應(yīng)抑制性、抑泡性均有良好表現(xiàn)。2015年，Y?朱等［14］在公開的專利中提出了一種基于水的切削液，添加了一種濁點(diǎn)為40～80 ℃的聚烷二醇(PAG)，當(dāng)切削液進(jìn)入切割區(qū)域，工作溫度高于濁點(diǎn)溫度，聚烷二醇將從切削液中析出形成新相，在硅錠和金剛石線表面形成一層油膜，從而起到良好的潤(rùn)滑作用。同時(shí)，硅錠表面的油膜可以提供保護(hù)層以抑制新產(chǎn)生的硅片表面與水反應(yīng)生成氫氣。

2　影響切削液性能的因素分析

2.1黏度對(duì)切削液性能的影響

在固結(jié)磨料線鋸切割中，金剛石磨粒被固定在鋼線上，無需切削液輸送，所以黏度對(duì)水基切削液的影響較小。水溶性切削液在游離磨料線鋸切割中需攜帶游離的SiC隨鋼線一起運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)切削液的粘滯性有一定的要求［15］。切削液黏度越高，攜帶SiC的數(shù)量越大，掛線性能越好，但黏度過高會(huì)導(dǎo)致切削液的流動(dòng)性下降，SiC與切屑粘結(jié)在一起，大量的切削熱不能被及時(shí)排出；反之，切削液黏度降低，其會(huì)具有良好的冷卻性能和抑泡性能，但黏度過低會(huì)造成攜砂量減少SiC分散穩(wěn)定性差，切割效率降低。因此，只有切削液黏度控制在合理的范圍，才能獲得優(yōu)良的掛線性能、冷卻性能及攜砂能力。

2.2表面張力對(duì)切削液性能的影響

在液-氣界面，液體表層分子受到兩側(cè)氣體和液體對(duì)其不平等的拉力而產(chǎn)生向液體內(nèi)部收縮的作用力稱為液體表面張力。由于表面張力的作用，切削液具有自動(dòng)收縮到最小的趨勢(shì)，不利于其在硅片和鋼線表面的鋪展。通常采用添加少量表面活性劑的方法來降低切削液的表面張力，增強(qiáng)切削液的滲透能力，在進(jìn)行切削過程中切削液能夠快速滲透到接觸區(qū)域，在鋼線和硅錠表面形成潤(rùn)滑膜，從而減小摩擦力，降低硅片表面損傷、裂紋等缺陷［16］。

2.3pH值對(duì)切削液性能的影響

pH值是衡量切削液性能的一個(gè)重要指標(biāo)，它表示溶液中氫離子的濃度。切削液中的氫離子是引起硅晶體切片設(shè)備腐蝕的重要因素之一，切削液pH值過低會(huì)加快生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕過程，且切削液中的陰離子乳化劑會(huì)被酸化成相應(yīng)的酸，降低其乳化能力。在堿性切削液中，OH-與新產(chǎn)生的硅表面會(huì)發(fā)生反應(yīng)［17］，造成硅片表面損傷，不利于硅晶體的切割。特別是對(duì)于水溶性切削液而言，切削液的pH值會(huì)直接影響SiC磨粒在切削液中的懸浮穩(wěn)定性，SiC的等電位(IEP)在pH值約為3.5，根據(jù)DLVO理論，在等點(diǎn)位附近粒子易發(fā)生沉聚現(xiàn)象，遠(yuǎn)離等電位點(diǎn)才具有很好的靜電穩(wěn)定性［18］。綜上所述，當(dāng)切削液的pH值控制在6～8范圍內(nèi)時(shí)，可顯著提高硅片切割質(zhì)量。

3　線鋸切削液的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段游離磨料線鋸切割工藝在光伏產(chǎn)業(yè)切割領(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位，水溶性切削液仍是人們關(guān)注的重點(diǎn)。但由于水溶性切削液和SiC磨料的生產(chǎn)成本高、消耗量大，使用過的廢液難以回收利用，限制了其線切割領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。固結(jié)磨料線鋸切割擁有更高的切割效率，更加適合大尺寸超薄硅片的加工，有望成為光伏產(chǎn)業(yè)切割領(lǐng)域的發(fā)展方向；而與其配套使用的水基切削液將成為以后人們研究的一個(gè)熱點(diǎn)。因此，不斷改進(jìn)切削液中的各種添加組分，研制出具有出色的潤(rùn)滑、冷卻、防銹、清洗性能的水基切削液，對(duì)提高切割效率，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。

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2016-04-08

陳仁芳(1991—)，男，在讀研究生，主要從事化工助劑的剖析與復(fù)配方面的研究。807082964@qq.com