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按字母分类 ：超硬材料制品在新能源中的应用
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超硬材料制品在新能源中的应用
随着社会的发展，资源消耗和环境污染受到了越来越多人的重视，一些高污染高耗能的产业正在逐步被世界各国所淘汰，低碳经济被提到了一个前所未有的高度。拥有卓越性能的超硬材料制品在低碳经济中发挥着极其重要的作用，文中就超硬材料制品在光伏、LED、风力发电等新能源行业中的应用做了一些简单的阐述，希望能扩展磨友们对行业发展趋势的认知。1.超硬材料制品在光伏行业中的应用1.1晶体硅加工流程及所用超硬材料制品图1.硅片加工流程及所需超硬材料工具示意图1.2陶瓷坩埚加工用金刚石砂轮多晶硅生长用陶瓷坩埚底面和棱角处要进行铣磨和倒角加工，常用金刚石铣磨砂轮型号规格见表1、图1。表1.铣磨砂轮规格和型号型号规格尺寸粒度范围磨料浓度结合剂使用线速度6A2/9A1/9A3（150-500）×（40-150）×（40-305）80#-2000#JR150%B/V35-60m/min图1. 9A1型铣磨砂轮示意图1.3硅棒截断和开方用金刚石带锯金刚石带锯（如图2所示）一般多用来对多晶硅锭和单晶硅棒进行截断和开方，所开方锭一般都是125×125毫米或者156×156。其常用的规格型号如表2，金刚石带锯加工原理如图3所示。表2.常用金刚石带锯规格和型号规格尺寸带锯转速带锯带速切缝宽寿命（6英寸）切削单晶硅最小厚度切削单晶硅最大直径（）×（0.3-1.25）×（10-100）1500转/分1300m/min≦0.6mm600刀左右单晶硅棒1mm12英寸1.4晶体硅磨面砂轮磨面砂轮主要用于单晶硅棒割断、多晶硅锭开方后端面的磨削加工，使开方的晶体硅锭的各个面达到一定的尺寸、平面度和粗糙度要求。加工后的晶体硅两端面的平行度达到0.01mm，粗糙度达到Ra0.2μm。常用的磨面砂轮规格和型号如表3、图4、图5所示。表3.磨面砂轮规格和型号型号规格尺寸结合剂磨料粒度浓度使用范围12A2B200×38×70×5×6BJR320-12001006A2/T/C6A2P(200-225)×(25-50)×(70-190) ×（3-5） ×5BJR300-20001004-8英寸1.5倒角砂轮倒角砂轮主要用于多晶硅锭的倒角和修整圆弧。要求无崩边，以防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，同时增加磊晶层及光阻层的平坦度。常用的倒角砂轮示意图如图6所示，规格型号如表4。表4.倒角砂轮规格和型号型号规格尺寸粒度磨粒砂轮线速度研磨速度11A2100×(28-40)×(20-31.75)×6×5240#左右JR35m/s0.01-15m/min1.6滚圆砂轮滚圆砂轮用于单晶硅棒和多晶硅锭外圆表面的磨削加工，以获得较为精确的直径尺寸和圆度要求。滚圆砂轮大多采用组合粒度的砂轮。组合粒度砂轮图片和示意图分别如图7和图8所示，其规格和型号如表5。表5.滚圆砂轮规格和型号型号规格尺寸磨料粒度浓度结合剂砂轮线速度1A1（300-350）×（25-35）×127×（5-10）JRW40-120#100/150B30m/s1.7硅棒切片用切割工具硅棒切片常用外圆、内圆及线切割。外圆切割切缝比较大、浪费材料，内圆切割切缝可以达到300μm左右，但是无法切大直径的硅棒，所切硅棒直径在150mm-200mm范围[1]。随着300mm和更大直径的单晶硅棒和多晶硅铸锭出现，以及对更薄硅片的需求，单晶硅和多晶硅切片开始采用多线锯切割[2]。切硅棒所用金刚石线锯的金刚石粒径为8-20μm，线锯直径0.14-0.16mm，切割后硅片的厚度在170μm— 270μm范围（本文仅考虑金刚石线锯）。硅片的多线切割原理示意图如图9所示，多线切割和内圆切割的具体比较见表6。表6.多线锯切割于内圆切割性能的比较性能多线锯切割内圆切割切割方法研磨磨削切割表面特征线痕破碎与断裂损伤深度均匀 10-15μm变化，20-30μm生产效率cm2/hr cm2/hr每行程切割的硅片数最高32001每切的切缝损失200-300μm300-500μm切割的最小硅片厚度200μm300μm硅铸锭高度上每英寸生产的硅片数3127最大切割直径3002002.超硬材料制品在LED制造中的应用2.1 LED芯片的制作工艺和所用超硬材料工具蓝宝石晶片（见图10）在LED芯片的制作中占有重要的地位，它的的好坏决定了整个芯片的质量。芯片的整个制作工艺和所用超硬材料工具见图11。2.2滚圆金刚石砂轮在LED中的应用蓝宝石单晶棒两端需要切除直径不足的晶冠和晶尾，晶棒外径也需要修正，以达到所需要的尺寸和边缘形貌。加工晶棒所需滚圆砂轮和光伏行业的相似，只是粒度、硬度方面稍有差异，不再重复。2.3金刚石线锯和切割片在LED中的应用经过滚圆处理后的晶棒按要求切割成厚度为0.2mm-0.8mm的晶片，晶片的切割目前有内圆切割和线切割。内圆切割主要加工中小直径晶棒，技术比较成熟。一般刀片刃口厚度在280-340μm之间。内圆切割切缝比较宽，材料损失较大，加工效率低。内圆锯切的主要优点是成本低，每片都可以进行晶向调整[3]。内圆切割片示意图和实物图片如图12和图13所示，具体规格见表7。表7.内圆切割片的规格尺寸金刚石粒度结合剂厚度切割直径外径mm最大线速度内径mm240#-1200#M0.1-0.12mm﹤200mm206-4225000m/s左右83-153金刚石线锯（如图14）主要用在大直径和小厚度晶体加工中，金刚石线锯丝主要有三种：电镀金刚石线锯、树脂粘结金刚石线锯、机械镶嵌金刚石线锯。这三种锯丝都是以0.1-0.2mm钢丝为基体，金刚石为切割刃，只是金刚石与钢丝的固结方法不同。LED行业所用金刚石线锯和光伏行业所用线锯的差别在于金刚石的粒度、线锯直径以及结合剂的硬度方面，LED行业线锯所用金刚石粒度为30-40μm，线锯直径为0.22-0.26mm。线锯切割一次可以完成多片晶圆切割，锯痕损失小，损伤层厚度薄，效率高，质量好。线切割缺点是：片厚不均风险大、成本高，切割过程中智能检测控制难度大。金刚石线锯的具体规格和使用性能见表8。表8.LED用线锯的规格和使用性能线锯种类疲劳寿命金刚石丝直径切割厚度金刚石粒度μm切割速度m/s电镀线锯树脂线锯机械镶嵌线锯1×105-106次0.22mm-0.26mm﹤0.3mm30-4010-20晶片切条、切粒主要用高精度超薄金刚石切割砂轮(图15)，有金属结合剂、树脂结合剂和陶瓷结合剂，陶瓷结合剂超薄片（如图16）使用效果最好，该产品的型号和种类见表9，常用的切割砂轮示意图见图17和图18。表9.超薄金刚石砂轮规格型号结合剂外径mm内径mm厚度mm磨料磨粒浓度%M/V/B30-15312.7-88.90.08-0.5JR/CBN#280-#300050-1502.4倒角砂轮在LED中的应用切割后的晶圆片，需要修边棱、外形、倒角加工，使晶片边缘呈一定的曲面，便于研磨和外延。晶圆外周的倒角加工用金属结合剂磨轮来进行，磨轮的金刚石粒度为10-30μm，胎体有电镀型和烧结金属两种，形状如图19所示。2.5减薄砂轮在LED中的应用由于蓝宝石材料导热性较差，为了防止LED有源区过高的温差对其光输出特性和寿命产生影响，在完成电极制备等工艺后，必须对衬底进行减薄，以提高器件的散热性，增加LED产品的稳定性。同时，由于蓝宝石的莫氏硬度超过9.0，为了满足划片、裂片等后继工艺的要求，同样需要将衬底减薄到一定尺寸。晶底材料减薄，必须保证基板的平行度和表面粗糙度，同时晶圆不能有任何细微的裂纹。所用减薄砂轮图片和示意图如图20所示，具体型号规格见表11。表11.减薄砂轮型号型号规格尺寸磨料粒度结合剂浓度寿命Ra6A2B/T/P（150-175）×（30-35）×80×5×5JR600V/B100-1503000左右0.00812A2B240/250×45×28×12×5/8JR230/270V150/1006A9175/335×20/30×76/130JR300-2000#V/B1002.6研磨抛光液在LED中的应用减薄后的衬底背面存在表面损伤层，其残余应力会导致减薄后的外延片弯曲变形，甚至在后续加工中破裂，从而影响成品率，因此减薄后必须对衬底背面进行抛光，去除损伤层，消除残余应力[4]。常利用单面或双面研磨机对晶片表面进行精整加工，以去除切割的刀痕和表面的损伤，改进晶片厚度和平行度，提高表面的平整度。磨料的种类、粒度及均匀性，研磨液的分散性和研磨压力等将决定研磨速度、晶片表面的粗糙度和机械损伤层的深度。常用研磨液性能见表12。表12.加工LED用研磨液的规格要求和使用性能粒度磨粒种类种类研磨速率表面粗糙度6μm多晶JR、碳化硼油性水溶性1-2.5μm∕min70nm3μm500-600nm3.超硬材料制品在风电行业中的应用3.1风电叶片的主要结构、制造工艺和性能风机主要有叶片、桨毂、主轴、整流罩、塔架、等组成[5]，具体结构见图21，超硬工具主要应用在风电叶片和桨毂的加工中。具体叶片的制造工艺见图22。目前1MW以上的风机叶片根部都需要采用下图的结构方式，然后通过圆螺母和双头螺栓相连后，螺栓的另一端和风力发电机的桨毂相连接，如下图23所示。3.2金刚石工具在风电叶片加工中的主要应用目前，叶片根部加工工具主要是聚晶金刚石刀片以及直径为450mm的金刚石电镀锯片(图24)。所使用的聚晶金刚石刀片及金刚石电镀锯片的主要规格及所加工的叶片尺寸如表13所示。叶片根部被锯切后，表面不太平整，需要应用金刚石面铣刀(图25)对风电叶片根部端面进行铣削加工。表13 风叶加工所使用的金刚石刀具及金刚石锯切工具主要规格刀片名称整体金刚石刀片单刃金刚石刀片四刃金刚石刀片金刚石电镀锯片刀片规格WCMT06T302WCMT090508SEET120404450*5*9.8*32加工尺寸（部位）轴向孔32mm径向孔64mm端面端部锯切铣削完成后，最后用聚晶金刚石刀片对叶片根部进行轴向孔和径向孔的加工，具体刀杆形状和刀具见图26、图27。另一种加工方式采用电镀金刚石磨盘对锯切后的叶片端面进行磨削，叶片根部打孔时，不加工径向孔，仅加工轴向孔，轴向孔的加工首先采用前一种工艺，然后采用金刚石电镀铰刀（见图30）把叶片根部铰钻成如图28所示形状，螺栓通过树脂胶被粘结在风电叶片的轴向锥孔中，实现叶片和桨毂的连接。3.3 PCBN刀具在桨毂加工中的应用对于轴承安装部位采用整体聚晶CBN刀具进行精镗，实现其安装部位表面粗糙度Ra0.8和其配合公差H7的要求。桨毂主要形状见上图31，所使用的PCBN刀具型号为CCMT120408。3.4国产超硬工具和进口超硬工具的对比上述风电关键部件的加工中所用工具90%依赖国外进口，郑州磨料磨具磨削研究所承接了风电领域包括风电叶片、转子、壳体等使用的超硬加工工具的优化解决方案，实现了金刚石和PCBN刀具、电镀金刚石锯片、电镀磨盘、电镀铰刀的国产化，国产超硬工具和进口专用工具的使用性能进行对比（见表14）表14 国内外风电行业专用超硬工具性能对比性能工具名称使用寿命（加工数量）产品单价RMB交货周期(天)肯纳威士三磨肯纳威士三磨肯纳威士三磨轴向打孔刀具WCMT0679612001400900707010径向打孔刀具WCMT09121510280030001800707010锯切工具450*5*9.8*32202510045005000400030305PCD铣削工具SEEW12405010015001800120050507电镀磨盘￠125304080250025001500606015金刚石电镀铰刀￠38202015400045003000909030专用打孔刀杆￠32100100120600065004000906030PCBN刀具CCMT12040850504040045020020205虽然金刚石砂轮在光伏产业、LED行业和风能产业中发挥了比较重要的作用，但是一些技术和领域亟待完善，因此还需要从事超硬材料工具研究的同仁不断努力，进一步提高金刚石工具在更多领域中的应用。免责声明：本文摘自陈锋、黎克楠、魏军、孙茹芳、吴磊涛的《超硬材料制品在新能源中的应用》，爱锐网本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的摘录，为网友免费提供，并已尽力标明作者与出处，如有著作权人或出版方提出异议，将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们，以便我们及时纠正。
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