硅晶體線鋸切削液的應用與發展

天津工業大學環境與化學工程學院 ■ 陳仁芳鄧寶祥 王晴晴

硅晶體線鋸切削液的應用與發展

天津工業大學環境與化學工程學院 ■ 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生變化來滿足對線鋸切割的需求。本文對硅晶體切削液的分類及近年來切削液組分的研究狀況進行了綜述，分析了黏度、表面張力、pH值對切削液性能的影響，并預測了未來切削液的發展趨勢。

切削液；硅晶體；線鋸切割；性能

0　引言

硅片是光伏發電產業中最基礎最重要的原材料，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環節。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，由于機械作用，這一工序也是造成損傷、刀痕、應力，以及因應力產生錯位問題的主要工序［2］。

早期的硅片切割工藝為內圓切割，此切割方法生產效率低下且生產出的硅片表面質量和光電轉化能力較差。隨著光伏產業的迅速發展，對硅片的需求加大，硅片大直徑、超薄化已成為一種必然的發展趨勢。線鋸切割工藝因其高效率、高質量、低損耗的優點，逐步取代內圓切割工藝，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揮著重要作用［3］。性能優良的切削液具有高懸浮、高分散、高潤滑、高冷卻性的特點，能有效降低硅片生產成本，提高硅片表面質量和成品率。

1　硅晶體切削液組分的發展

隨著硅晶體切片工藝的不斷升級，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、極壓添加劑所構成的復合油基切削液［4］。此類切削液不溶于水，冷卻效果不理想。此外，當硅晶體切片完成后，切削液殘留在硅晶片和設備表面，需要大量含氯有機溶劑進行清洗，這造成了對人體的損害和環境污染，現已很少使用。

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，同時添加了潤滑劑、螯合劑、消泡劑等添加劑所構成的水溶性切削液，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，添加了少量表面活性劑、緩蝕劑、極壓劑、pH調節劑等組分所構成的水基切削液，此類切削液適用于固結磨料線鋸切割方式(二體切割)。

20世紀90年代，隨著線鋸切割技術的發展，日本、美國和一些歐洲國家率先展開了對水溶性線鋸切削液的研究，申請了諸多專利，同時研制出多種成型產品，但具體切削液配方屬于商業秘密，鮮有報道。

我國較早研究水溶性硅晶體線鋸切削液的機構是河北工業大學，該校的劉玉嶺等［8］認為切削液的關鍵作用是降低摩擦、降低磨損層、減小應力和微裂、提高效率與延長刀具壽命、防止設備生銹；在研究和分析切片工藝的基礎上，研制出性能優良的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品仍存在以下缺點：SiC磨粒在切削液中易沉降，在切割過程中易產生泡沫，切割后的硅片表面吸附嚴重。針對以上問題，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定性，同時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，該切削液擁有優越的金屬抗腐蝕能力和強大的抑泡能力。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生“白斑”的現象。

近年來，固結磨料線鋸切割技術因其生產效率高、回收成本低［11］的特點引起了人們的極大關注，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；流動性能好，具有優異的清洗性，提高了硅片的光潔度；廢液易回收，減少了環境污染［12］。

針對當前因水基切削液水含量高而產生的潤滑性差、抗腐蝕性差和產生氫氣的問題，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、潤濕性、水與硅的反應抑制性、抑泡性均有良好表現。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，添加了一種濁點為40～80 ℃的聚烷二醇(PAG)，當切削液進入切割區域，工作溫度高于濁點溫度，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，從而起到良好的潤滑作用。同時，硅錠表面的油膜可以提供保護層以抑制新產生的硅片表面與水反應生成氫氣。

2　影響切削液性能的因素分析

2.1黏度對切削液性能的影響

在固結磨料線鋸切割中，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隨鋼線一起運動，所以對切削液的粘滯性有一定的要求［15］。切削液黏度越高，攜帶SiC的數量越大，掛線性能越好，但黏度過高會導致切削液的流動性下降，SiC與切屑粘結在一起，大量的切削熱不能被及時排出；反之，切削液黏度降低，其會具有良好的冷卻性能和抑泡性能，但黏度過低會造成攜砂量減少SiC分散穩定性差，切割效率降低。因此，只有切削液黏度控制在合理的范圍，才能獲得優良的掛線性能、冷卻性能及攜砂能力。

2.2表面張力對切削液性能的影響

在液-氣界面，液體表層分子受到兩側氣體和液體對其不平等的拉力而產生向液體內部收縮的作用力稱為液體表面張力。由于表面張力的作用，切削液具有自動收縮到最小的趨勢，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，增強切削液的滲透能力，在進行切削過程中切削液能夠快速滲透到接觸區域，在鋼線和硅錠表面形成潤滑膜，從而減小摩擦力，降低硅片表面損傷、裂紋等缺陷［16］。

2.3pH值對切削液性能的影響

pH值是衡量切削液性能的一個重要指標，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備腐蝕的重要因素之一，切削液pH值過低會加快生產設備的腐蝕過程，且切削液中的陰離子乳化劑會被酸化成相應的酸，降低其乳化能力。在堿性切削液中，OH-與新產生的硅表面會發生反應［17］，造成硅片表面損傷，不利于硅晶體的切割。特別是對于水溶性切削液而言，切削液的pH值會直接影響SiC磨粒在切削液中的懸浮穩定性，SiC的等電位(IEP)在pH值約為3.5，根據DLVO理論，在等點位附近粒子易發生沉聚現象，遠離等電位點才具有很好的靜電穩定性［18］。綜上所述，當切削液的pH值控制在6～8范圍內時，可顯著提高硅片切割質量。

3　線鋸切削液的發展趨勢

現階段游離磨料線鋸切割工藝在光伏產業切割領域仍占主導地位，水溶性切削液仍是人們關注的重點。但由于水溶性切削液和SiC磨料的生產成本高、消耗量大，使用過的廢液難以回收利用，限制了其線切割領域的進一步發展。固結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，有望成為光伏產業切割領域的發展方向；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熱點。因此，不斷改進切削液中的各種添加組分，研制出具有出色的潤滑、冷卻、防銹、清洗性能的水基切削液，對提高切割效率，促進光伏產業的快速發展起到了巨大的推動作用。

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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配方面的研究。807082964@qq.com