与10年前相比,采用砂浆的切片技术在单根晶棒上可以实现1000片的,今天,采用金刚线的切片技术可以使得这个数字发展到高达3500片,这意味着,仅在这个环节,单晶硅晶片的成本就达到了大幅度的下降,然而,这意味着更高的控制需求。
图1-多线切割基本原理图
通过放卷张力控制、经过多个辊(双或三主辊)的排线、棒料的进给、收卷,并且通过金刚线的往复实现切割,以提高金刚线的利用率。整个金刚线切片系统要达到非常高精度、稳定的张力控制,机器才能确保切割的稳定,高效,达到高品质的生产,并较之以往的浆料切片更高的产出。
为了降低成本,大尺寸、薄片是未来的发展方向,对于金刚线的切割而言,更细的金刚线才能切出更多的片,并降低表面粗糙度,进而更好的成片质量,而对于线速度而言,则意味着更大产能带来的成本下降,但这都对控制系统包括恒张力控制、高精度排线、高精度进给等提出了更高的要求。
图2-贝加莱光伏切片系统解决方案硬件架构
图2是贝加莱为多线切割系统提供的解决方案,ACOPOSmulti提供了共直流母线驱动技术,通过POWERLINK实时以太网提供百微秒级的高精度同步。
切片系统的功能性设计
在晶棒拉制后,经过切方,进入多线切割,这是至关重要的一环,每个晶棒都价值不菲,如果不能高品质的生产出产品,那就会成为“成本”的构成,随着金刚线变得更细,这也使得对于切片的过程控制更为“精细”的要求,切片过程必须能够控制非常精准,且同步精度高,才能确保晶片裁切过程的高品质,整体的方差最小。
图3-多线切割系统的功能需求
张力控制技术
卷径与张力是贝加莱控制系统的基本工艺控制模块,借助于在印刷、塑料、包装众多领域数十年的积累,对于各种张力场景的张力控制贝加莱均可应对自如,自动排线、平台控制、掉电停车功能是多线切割行业所特殊的需求,贝加莱为此专门进行了大量的测试验证,成熟的技术确保了拿来即用。
图4-基本的张力控制模型
图5-贝加莱张力控制的特点
对于贝加莱的张力控制来说,可以实现扭矩前馈,这确保了在加减速阶段也可以实现稳定的张力控制,不仅对于光伏金刚线,对于其它材料的张力控制同样如此,因为,这可以大幅降低开机浪费,通常在生产中被认为是必然的。另外张力的自适应、多组张力的解耦等,都是贝加莱张力控制领先的技术特性。
自动排线
由于金刚线经过主和从辊必须要排线,而辊子是加工辊、主/从辊的排列使得在整个排线过程中,特别是在加减速过程和排线换向过程中,其张力处于一种变化的状态,因此,需要高精度电子凸轮曲线轮廓,高阶曲线来实现更高的精度控制,这对于机器来说,只有如此,才能确保排线精度高,切片的单片均方差最小。
主辊控制
切割室主辊,在绕线和切割过程时,可以在线实现电流环和位置环模式切换,电流同步可以保证两个主辊出力同步,有效的保证切割区内的金刚线张力稳定,同时也能很好的保证切割线弓最小,切割力最大,以获得更高的切片质量。
审计追踪
mappAudit是贝加莱系统中的mapp功能组件,它为系统提供了审计追踪能力,从生产的可追溯性角度,生产需要了解谁在什么时间做了什么,并对其进行记录,以不可篡改的形式保存数据,这样就确保质量、工艺的可追溯性,以为生产工艺人员的质量调整与优化带来数据依据。
图6-审计追踪原理
对于光伏晶片制造商而言,审计追踪是提升其工艺质量管控水平的关键,系统具有该项功能,将会使得这一实现变得简单,来自于在制药领域的mappAudit功能,贝加莱同样将其可用于光伏晶片生产的追溯。
图7-通过mapp模块组合实现审计追踪与数据应用
在审计追踪的管理中,机器的各种参数以mappData模块进行收集应用,并通过mappUser的用户管理,以及mappAudit的审计追踪模块对其进行记录,通过mappCom来实现软件之间的连接。
掉电停车功能
对于光伏切片而言,无论是突发的急停开关被按下或者突然的掉电情况下,同步停车都是必要的,否则,对于生产的浪费是巨大的,除了晶棒材料的损失,再恢复机器所需的成本也是高昂的,因此,掉电停车功能对于光伏切片是必选项。
图8-基于ACOPOSmulti的掉电停车功能
采用ACOPOSmulti共直流母线驱动技术,当系统主轴在制动时产生的电流通过再生线圈回到直流母线,并经过DC/AC转换,提供给其它轴的同步停车。
数据驱动的预测性维护技术
将硅棒切割成厚薄均匀、切壁光滑的硅片,依赖于多线切割机的稳定运行。但在实际的生产中,难免会有设备出现故障的情况。在切割状态下,设备的突发故障导致的突然停机,对于昂贵的硅棒会造成不可修复的损伤,导致直接报废。这样的突发停机带来的材料损失及停机检修的停产损失等是巨大的。所以,如何能够在故障发生之前就进行预警,使得工程师们能够在工作间隙对设备进行及时的干预、维修,就成为了避免经济损失、保障生产的关键。
图9-基于聚类分析的预测性维护
如图9所示,基于多年积累的行业专家知识,首先对多台设备的数据进行恰当的特征提取,以提炼出数据中与设备健康状况最相关的信息。之后,使用人工智能算法对数据进行自动聚类,使得特征相似的数据聚成一簇,而不相似的数据聚类成不同的簇。可以很自然的推断,在多台相似类型的设备中,大部分设备是健康的,数据特征是类似的。所以,聚类结果中有着大量样本点的簇可以视为健康簇。而那些游离于健康簇之外的样本、少量点组成的小簇,则指征着设备的异常工作状态。