德国ARNOLD单晶硅和多晶硅锭切割液压薄刀技术，截断机及自动线
Cuttingtechnique
切割技术
Fluidbeareddiscinthinbladetechnology
液压薄刀技术
高效的切割
由于在硅片生产中严峻的成本压力，薄刀切割技术再次走入视野。
可靠，低成本的维护，使得在多晶硅锭的全自动加工过程中，实现大量成本的节约变成可能。
国际光伏市场正处在巨大的动荡中。过去几年中高昂的硅材料价格是左右决策的标准，而今天,整个生产流程是决定硅片价格的关键。
为达到大幅降低成本的目标，必须对整个生产流程进行检验。高的流程安全性，可靠性，大大降低的维护时间，低运行成本和灵活的集成到半自动和全自动的生产线是对行业领先生产商的最低要求。
即使是至今为止，被认为是低收入国家的地区也在寻找节约潜能，为减低人工成本比例和人工成本。自动化硅锭加工的优势在于：高利用率，优化利用投资，通过减低材料破损提高产量，特别是100%的可追溯性和质量控制。
高效的硅片生产从硅锭加工开始。复杂的硅片生产前期工序决定性地影响着后续生产步骤，特别是硅片的质量及由此制造出的光伏组件的质量。为了评估成本和费用，首先值得浏览一下从砂石到硅片的复杂生产过程。
在薄如纸的硅片从硅锭生成前，将经历很多道工序。这些步骤根据不同的加工技术而变化，并且取决于选取的初始原材料。单晶硅硅片(切克劳斯基法(1))具有最高的转换效率。
首先，用于进一步处理的圆柱型初始棒准备就绪。然后去头尾，和用于材料和质量检测的测试硅片大约1到2毫米被切下，称之为“截断”。接下来，初始棒被切成若干段，经过切方成标准规格(125x125或156x156毫米)。
多晶硅则在通用大小(长x宽x高,单位:毫米)的方形石英坩埚，例如878x878x480(G5)熔化而成的。初始硅锭在“结晶“后被放到锯床(现今通常是线锯床)上切割成硅片规格的立方体。在表面和倒角研磨后进行截断工序，通常被称作切头尾。由于杂质，硅碳水化合物杂质和降低的导电性，头尾段不适合用于进一步加工成硅片。因此，制造商依赖于创新的解决方案，在上游生产工序中“去芜存菁”。也就是，在硅锭加工过程中去除硅锭中受损部分，以便只有完美的硅块被进一步加工。在这个时候，将来生产中的次品就已经被避免。通过先期测试和选取材料，大大提高了机器的利用率。最终，生产成本被大大降低。同样质量的硅片，价格明显便宜。
最高价格为500美元每公斤的高价硅时代早已经过去。目前在现货市场上的原材料购买价格浮动在每公斤20美元左右。多年来，不寻常的原材料价格影响着硅锭加工的技术。
虽然长时间以来人们遵循着降低昂贵的原材料损失为原则，但今天人们又开始重新使用久经考验的方法。长时间被忽略，现在重新被发现，运用创新的薄刀片技术的外径切割机成为了新的潮流。其他的方法如带锯，内径切割和线锯也被外径切割机床所取代。
在决策将来的硅锭生产中运用哪项技术时，建议将通用的切割技术和新的薄刀片技术进行比较及研讨，将其集成到自动化生产流程的可能性。因为如果没有流程自动化和机器人，拥有优化的生产流程和质量稳定的生产是不太可能的。
硅锭的IR测试
不重要的切割损耗
外径切割技术，新的薄刀片技术的前身，是最老的切割技术之一。几十年来，配备了一个3.5毫米厚的金刚石刀片的锯床被用于切割脆性材料，如玻璃，陶瓷和金属。这项技术不仅提供最大工艺稳定性，而且其简单而且结实的运用使人信服。特别在光伏方面，无需任何复杂的夹持技术，工件可以放在一个V型支架上，这可以确保无应力和没有崩边的切割。德国阿诺德集团是世界范围内这项技术的先驱之一。在20世纪80年代初期，已经根据硅生产商的要求设计并生产了不同的切割设备。1995年第一个自动的，机器人辅助装卸载的切割中心就已经出厂了。
但是，在硅料价格高的时期，由于切割片造成的略微高的材料损失，这项几乎免维护，非常坚固耐用的外径切割技术在几年间失去了它的重要性。其他的一些更加复杂的技术，因为更少的材料损失，取代了外径切割技术。
带锯的传统技术来自于木材加工。除了德国著名公司Jaespa外，亚洲的制造商也提供带锯。相对于其他类型的切割技术，购买带锯床虽然便宜，但是后续成本更高。
举个例子，对于带锯，固定件是一个很大的挑战。带锯的转轴运行时接触到高腐蚀的硅水混合物。由于固定件的磨损，必须定期更换。除此之外，焊接在一起的切割带锯承受着很高的张力，带锯撕裂在生产过程中也并非少见。
虽然可以进行简单的和快捷的维修，但是生产流程的可靠性和工艺的稳定性将会受到严重的影响。带有金刚石涂层的切割带，必须平均每8小时更换。在不间断的每天生产（24/7）和切割带锯价格在很低的（100欧元每条）的情况下，每年的工具费用仍需要11万欧元，并且停产，人工和物流等产生的费用还没有被计算进去。
虽然更换带锯和重新调试相对而言所需时间较少，但是切割带锯使运行成本显著增高，产品质量上的弱势也不可小视。在高的进刀速度下(大于40毫米/分钟)，切割质量将受到影响。相对不精确的切割导致需要外加一步额外的加工工序。
通常情况下，硅锭的端面需要重新研磨。这不仅意味着要在额外的磨床上投资，而且还会产生其他费用，如能耗，材料损耗，维护和人工费用。带锯可以被集成到自动化生产线中去。然而频繁的停机就要求更多的人力投入来保证中断时间最小化。
用于半导体行业的内径切割机在70年代被瑞士公司MeyerBurger研发并在后来被用在光伏行业。内径切割技术也是用于切割脆性材料的特殊切割工艺。
它可以进行非常精确的切割，非常细的0.5毫米或更少的切割缝隙，因此硅料损失非常少。相比于传统的锯床，内径锯床的区别在于它位于内部的切割面。简而言之，内径切割是一个特殊的环形锯技术。切割刀片在外边缘像鼓膜一样被夹紧。刀片的中间有一个洞，涂有金刚石颗粒的内缘形成切割区域。
根据不同的进刀速度和所要求的质量标准，硅锭规格为156x156毫米的，每刀切割需要7分钟。大约在1000刀以后，刀片需要人工进行更换。
即使是经验丰富的操作工也需要几个小时来更换和调试。切割刀片的材料费用大约500欧元，每年总计3万5千欧元。除此之外，停产的损失也必须被计算进去。
几年前，当时非常高的硅料价格还主宰着市场，尽管复杂和昂贵的技术，内径切割还是非常有优势的。维护密集型的切割工艺在生产量不断增大的情况下，不适合集成到自动化生产方案中。
在线截断机床领域，几年前被美国的AppliedMaterials接手的瑞士专家HCT是世界领先的。线锯最明显的优势就是在切割过程中硅料损失很小。
在这项切割技术中，你必须预期到非常高的后续处理费用。首先把最多35块硅锭放在线锯的线场下面。一次能把所有硅锭的头和尾都切下来，也就是总共70刀。实际分离硅块的是由所谓的浆料完成。昂贵的聚乙二醇（PEG）和碳化硅混合物，它附着在切割线上。如果切割线断裂，整个切割线场必须重新绕线。费时的停产和昂贵的生产损失将不可避免。
人工加载的操作时间非常高。每刀后对切割台的必要清洗也是非常费时的。用带有金刚石的切割线来代替价格昂贵的浆料仍处在研发阶段。不管是否使用银浆，这套工艺非常不灵活。金刚线的成本也是非常高的。将线切这一步骤整合到全自动工艺中去，理论上是非常昂贵的，需要很高的投入。从中期来看，因为线切技术的高成本问题，将不再被应用于截断工艺。
薄刀片锯设立标准
随着新一代产品“薄刀片技术”，最老的切割工艺在硅锭加工行业中正在复苏。这项老的，但同时又是新的外径切割技术被阿诺德集团用于切割多晶硅锭。
除此之外，阿诺德还提供用于截断和切方单晶硅的设备。包括手动，半自动和全自动流程。新的切割片技术虽然是在成熟的，已被人熟悉的圆型切割技术的基础上设计的，但是它还带有其他的优势，这些优势使更经济的硅锭加工成为可能。这种锯床带有1.5毫米的薄刀片而不是通常的3.5毫米厚的刀片，这使得硅料损失减少了大约50%。这项技术的核心部分是经过特殊处理的1.2毫米钢板。刀片的边缘焊接了金刚石金属合金。厚度为6.5毫米，可以切割1万5千刀。
更换刀片最多大约需要半个小时。工业上所要求的平行度公差，即刀片和工件之间平行度小于0.2毫米，角度公差小于0.3毫米和崩边小于0.6毫米，甚至可以长期不间断的加工尺寸为156*156的硅锭。
这项切割技术不仅包括低消耗，维护和维修成本，而且达到高流程稳定性和高设备利用率97%（SEMIE10）。降低的消耗成本，更低的能源成本和非常低的工具成本（少于8000欧元/年）及尚未提到的人力成本，这些提供了相比其他的切割技术可达百分之八十的节省潜能。
智能自动化
特别是在危机的时期，有必要去看一看其他成功的行业。时刻处在竞争和业绩压力下的汽车行业就是很好的典范。他们成功的要素是无可挑剔的质量，严格遵守研发周期，完美而无故障的流程和按“Just-in-Time”原则准时交货。供应商须提供“零缺陷策略”。这些只能通过非常高的自动化程度来达到。
回到光伏行业，如果没有类似的高程度自动化，是无法达到类似目标的。自动化不仅仅只是将机器人安装到子流程中去，而更多的是，每台机器必须不仅有高的流程稳定性，而且要提供先进的传感技术，高智能的控制技术和相应的接口如MES(生产执行系统)。
硅锭加工线