一、概述

多线切割是一种通过金属丝的高速往复运动，把磨料带入半导体加工区域进行切割、研磨，将半导体等硬脆材料一次同时切割为多块甚至数百片薄片的一种新型切割加工方法。目前超过80%的太阳能电池产品需要通过对大块晶体硅进行切割来生产，而多丝线切割晶片具有弯曲度（bow）小、翘曲度（Warp）小、平行度（Tarp）好、总厚度公差小（TTV）小、片间切割损耗少、加工晶片表面损伤层浅、粗糙度小、切方（片）加工成品率高、生产效率高、投资回报率高等优点。多线切割机已逐渐取代了传统的内圆切割，成为硅片切割加工的主要方式。因此，应用多线切割机是发展规模化生产和提高生产效率的必然选择，使用多线切割机加工各类晶片是必然趋势，特别适用于太阳能光伏电池超薄机基片的批量加工。

 高威科集团长期致力于运动控制技术、多丝线切割技术的研发、伺服产品的推广，为设备制造厂家提供整体自动化解决方案。成功研发的这套切方机系统支持多种规格的产品生产，支持金刚线/砂浆线两种切割方式，正常切割线速度可高达800m/min，升降台切割进给速度范围0.1~5mm/min，回线率可高达99%以上。相对于国内其它厂家切方机设备而言，该项目的切方机有切割效率高、切割尺寸精度高、断线率低、人机操作简便等优势。

二、设备及工艺说明

硅片切割时太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分，该工艺用于处理单晶硅或多晶硅的固体硅锭（硅棒），如下图所示，先将固体硅锭（硅棒）截断，然后切成方块，然后切成很薄的硅片（厚度100um~200um）。这些切割工序都有用到多线切割，即：截断机、切方机、切片机。本文主要讨论其中的切方机研发与应用。

 图1 硅片切割工序示意图：硅棒（锭）->截断->切方->切片

切方机主要由切割室、两个收放线室、基台、浆料缸、配电室、气压仓共六大部分组成。

切割室是主要有4组橡胶导轮和线网构成，线网是绕在导轮上，处在基台下方。切割时，切割室的4组导轮带动线网高速往返旋转。

收放线室由收放线轮、滑轮组以及张力控制器组成。

浆料缸是在机器后部，为了在机器底部形成一个回流槽，然后由机器上方的气压仓将底部的浆料抽到上方的喷嘴处，流下的浆料又回流进回流槽，再回到浆料缸。浆料缸中有过滤网，可过滤出切割杂质。

设备结构示意图及外形图如下各图所示。

图2 切方机结构示意图（斜视图）

图3 切方机结构示意图（俯视图）

图4 切方机结构示意图（正视图）

  图5 切方机设备外观图

三、硬件系统架构

切方机上各传动全部采用BeckHoff AX5000系列的双轴驱动器，伺服网络采用高速以太网EtherCAT通讯。主要控制切割轴1~4、收放线桶A/B、线桶排丝A/B、切割线网升降以及工作台等运动部件的高速、高精度联动。

自动化控制采用BeckHoff CX1020 高性价比、嵌入式控制器。IO采用拼接组合便捷的EtherCAT端子模块（E-bus）。

人机界面采用九思易PowerView高性能触摸屏，与主控制器CX1020的通讯方式为以太网OPC通讯。整个控制系统硬件框架如下图所示。

四、软件系统设计

程序设计采用符合IEC 61131-3标准的TwinCAT PLC Control编程，整个软件控制系统基于开放式、模块化、可重构和智能化的原则科学合理开发。

系统运行过程中，主要分为如下几大工作模式，详细的状态转移图如下图所示： 

1）运行模式：包含单向正转、单向反转、往返循环几种运动方式。 

2）切割模式：具备各种外围环境下，进行硅锭或硅棒切割。 

3）绕线模式：用于自动、定量卷绕A、B线桶上的切割丝。 

4）穿丝模式：用于自动穿丝、绕织切割室内纵横线网。 

5）调试模式：用于调试设备各项手动操作功能。 

6）待机模式。 

7）故障模式：发生异常故障时，针对具体故障原因，采取相应的故障自诊断、安全保护、报警提示等措施。

 图7 控制系统状态转移图

如下面的控制系统任务规划总图所示，为实现上述7大工作模式的具体运作，软件控制系统中构建了条理清晰、内容全面的10组功能块：

图8 控制系统任务规划总图

五、结束语

该项目研发的切方机属于高速多丝线切割机床，具有广泛的用途，在单（多）晶硅、人造宝石、石英、水晶、陶瓷、磁性材料等硬脆材料的切割加工行业中都有广泛的影响和很大的效益。项目中软硬件系统均符合当前自动化系统开放式、模块化、可重构和智能化等发展趋势，把我国当今制造业中的数字加工技术、计算机技术、自动控制技术、高速实时网络通讯等高新技术应用到光伏等行业，攻克和掌握了多丝线切割领域的诸多核心技术，打破了国外进口设备垄断我国内光伏加工产业的局面，大大提升了中国先进加工制造的市场竞争力。开发这类设备具有重大的研究意义，可为后续发展提供典型案例，积累经验，开辟新型产业的广阔前景。