粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究(3)-solarbe文库

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第 36卷第２期2015 年２月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAVol. 36, No. 2Feb., 2015文章编号 0254-0096（ 2015） 02-0387-05粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究王文昌，陆春，顾浩（常州大学石油化工学院，常州 213164）摘要通过在以聚乙二醇为基础液的切割液中添加不同含量及类型的 4种非离子黏度调节剂和 6种非离子表面活性剂考察其对 SiC砂在切割液体系中的分散稳定性。结果表明所选取的非离子黏度调节剂及表面活性剂在一定加入量范围内，均可提高 SiC砂在切割液中的分散稳定性，且此两种方法均可用于提高成本相对较低的二甘醇新液体系悬浮稳定性。关键词碳化硅；切割液；黏度调节剂；表面活性剂；悬浮稳定性；硅片中图分类号 N34 文献标识码 A0 引言切片是硅单晶由晶棒加工成硅片的一个重要步骤，目前硅单晶的切片工艺多采用网线切割。网线切割的切割液必须兼具分散、粘滞悬浮、切削、润滑、冷却、去损、易清洗等作用［ 16］。需在切割液中加入研磨砂（主要成分为 SiC）后称砂浆。随着太阳能利用的开发，该行业的竞争日趋激烈。从切片工序看，目前硅片切割企业降低生产成本的工作集中于以下三方面［ 712］ 1）回收、再生、再利用切割液是当前各企业采取的主要措施，已有不少文献和专利； 2）开发新的、低成本的切割液。已有企业在研发，因涉及商业秘密而报道极少； 3）切割液中的磨料 SiC 回收利用率低，且回收的 SiC 砂棱角磨损较严重，导致磨削效率下降。因此砂的形态恢复和废砂的综合利用（特别是前者），是研发大幅度降低生产成本、降低能耗和改善三废排放的重大研究课题。目前硅片网线切割液大多以 PEG 为基础液，成本较高且切割液的价格受 PEG 价格波动影响较大。目前已有企业着手研发以二甘醇代替部分PEG 的配方，因为二甘醇的价格远低于 PEG，具有一定的市场潜力。本课题组已就剖析和分析切割液中的二甘醇的方法发表论文［ 13］，在此基础上，本文就文献［ 13］所提方案进行基础性研究。当向线切割液中添加二甘醇后会使体系黏度和密度下降。根据 Stokes定律，砂浆的稳定性和切割液的黏度、密度之间正相关。根据切割液的相关企业标准，对切割液的密度要求相对严格且增加密度和增加成本正相关。因此，维持产品密度在一定范围内，适当添加黏度调节剂，可提高切割液的承载 SiC砂的能力从而提高砂浆的分散稳定性。切割液的表面张力与切割液在钢丝表面和 SiC 表面的铺展系数负相关，适当添加表面活性剂也可提高切割液在和钢丝表面和 SiC 表面上的铺展系数，提高挂线性能和对 SiC 表面的湿润性能，因此也是提高切割液性能的潜力所在。依据上述分析，本文考虑到黏度调节剂与体系的相溶性、可操作性和稳定性等问题研究 4 种与以PEG 为基础的切割液体系匹配性较好的黏度调节剂。基于光伏行业对硅片表面质量的要求与非离子表面活性剂的优点，本文研究 6 种非离子表面活性剂对切割液体系性能的影响，旨在通过添加适量黏度调节剂和表面活性剂来提高体系黏度、降低表面张力，从而提高切割液的分散稳定性能。1 实验1.1 试剂与仪器PEG 200、 A-1、 A-2、 A- 3、 A-4（均为分析纯，国药集团）；非离子表面活性剂 B-1、 B-2、 B-4、 B-3、 B-5、 B-6（均为分析纯，海安石化）；实验所用 SiC砂由镇江九收稿日期 2012 -12-20通信作者顾浩（ 1932 ）男，学士、副研究员，主要从事应用化学方面的研究。 gh118163.com388 太阳能学报 36卷天太阳能新材料有限公司提供；实验用水均为去离子水。数显电导率仪（ DDS-11A 型）；精密数显酸度计（ PHS-2C 型）均来自上海康宁电光技术有限公司；奥氏黏度计内径为 1.5 mm，黏度计常数 0.3291 mm2/s（上海申谊玻璃制品有限公司）；滴容法表面张力测定仪（本实验室自制、经纯水校正）；振荡器（ SHA-CA 型，金坛杰瑞尔电器有限公司）。1.2 实验样品黏度测定在 30±1 ℃ 恒温水浴中进行；在25 ±1℃ 恒温条件下，用最大容滴法测定样品表面张力，实验所测得数据均为 5 次以上平均值。2 结果与讨论2.1 黏度调节剂用量对体系黏度的影响黏度是流体粘滞性的一种量度，液体的粘性是流体分子间摩擦力的宏观度量，是流体动力学对其内部摩擦现象的一种表示［ 14］。文献［ 15］分析了切割液的黏度过高和过低对切割液切割性能的影响，提出切割液的黏度应适中。本文在 PEG200 基础液中分别选取 10 组不同添加量的 A-1、 A-2、 A-3 和 A-4 来考察它们对体系黏度的影响，如图 1 所示，因硅片线切割液的黏度标准要求高于 PEG 200，因此本文中未涉及降低黏度的调节剂筛选。0 10 20 30 40 503638404244A -1A -2A -3A-4/mm2cs1/图 1 体系黏度随黏度添加剂加入量的变化关系Fig. 1 The relationship betweensystemviscosity and addingamountof viscosity regulator由上述黏度曲线可见，随着 A-1、 A-2、 A-3 质量分数的增加体系的黏度也随之增加，这是因为体系黏度表现为分子内摩擦力大小，分子质量（ M）越大，碳氢结合越多黏度越大。其中 MPEG 200 B-6B-5B-3B-2B-1。表面张力和黏度是影响悬浮液挂线性的两个主要因素，在黏度基本一致的情况下，表面张力过低会明显减少切割液的携带量从而影响切割效率，所以悬浮液的表面张力应适中。根据生产实践的经验和前期的探索，本实验所调节的表面张力约为 35.0 mN/m。0 1 2 3 4 5 6 7 82530354045B-1B-2B-3B-4B-5B-6M/mNcm1/图 3 体系表面张力随表面活性剂加入量的变化关系Fig. 3 The relationship betweensurfacetension of thesystemand adding amountof surfactant2.4 表面张力对砂沉降性能的影响加入渗透性很好的表面活性剂，一方面通过表面活性剂的渗透作用使团聚的碳化硅在悬浮液中得到有效分散，提高悬浮液的均匀性可减少花片的发生，防止硅片表面产生短粗的划痕；另一方面渗透性良好的表面活性剂可提高切割液的分散稳定性，并可减弱碳化硅和网线的机械磨损与损伤作用，同时由于其良好的渗透性可有效防止切割区硅片的局部过热而发生变形或应力集中。用上述 6 种表面活性剂将各体系的表面张力调节至约 35.0 mN/m 时，各体系的黏度无明显变化， B- 1B- 6 黏度依次为 38.1、 38.0、 38.0、 39.0、38.8、 38.4 mm2/s。在此黏度为 38.139.0 mm2/s 的条件下考察不同表面活性剂在同一表面张力下对砂沉降的影响，如图 4 所示。从图 4 可看出，加入不同表面活性剂的体系均显著提高了沉降高度，效果最为突出的是B-3，而 B-1 的效果相对较差，其他几种表面活性剂的砂沉降交果表现大致相当，所以本文选取非离子表面活性剂 B-3，来考察不同表面张力下的砂沉降效果。从图 5 可看出随着 B-3 在所添加范围内增加时，体系的表面张力下降，砂的沉降体积逐渐增大，即降低体系的表面张力有利于悬浮液体系的稳定性。390 太阳能学报 36卷非离子表面活性剂是以分子状态存在，稳定性高、与 PEG 200 为基础液的切割液体系有较好相容性，还可能是因为非离子表面活性剂不受电解质、 pH值的影响，易在碳化硅表面形成致密的吸附层，有效阻止颗粒的二次团聚，提高了切割液体系的分散稳定性有关。 1. 基础液 2. 表面活性剂 B-1 3. 表面活性剂 B-24. 表面活性剂 B-3 5.表面活性剂 B-46. 表面活性剂 B-5 7.表面活性剂 B-6图 4 基础液中加入不同表面活性剂在同一表面张力下SiC 砂沉降效果图Fig. 4 Effect of different surfactantswith the samesurfacetension in the basic solution on the setting of SiC slurry 1. 表面张力为 42.3 mN/m 2. 表面张力为 39.5 mN/m3. 表面张力为 35.1 mN/m 4. 表面张力为 32.3 mN/m图 5 基础液中加入不同量的表面活性剂 B-3后SiC 砂沉降效果图Fig. 5 Effect of content of Surfactant B-3 in thebasic solution on the setting of SiC slurry从上述研究结果可看出，在切割液体系中添加非离子表面活性剂对切割液体稳定性的提高有显著作用，此项研究结果本课题组已应用于二甘醇低成本新液体系的开发。3 结论对于以 PEG 200 为基础液的切割液的硅片线切割液可通过加入非离子黏度调节剂和非离子表面活性剂来提高切割液的性能。研究结果表明，通过添加 4 种非离子黏度调节剂均可显著提高体系黏度，增加线切割液的悬浮稳定性，其中以 A-3 的效果最为显著；通过添加 6 种非离子表面活性剂可显著降低体系的表面张力，提高线切割液的悬浮稳定性，其中以 B-3 效果最为显著。本研究工作结果也为研究低成本的切割提供了基础数据和研究方向，如以二甘醇为基础的切割液。［参考文献］［ 1］刘玉岭，檀柏梅，孙光英，等 . 硅单晶片研磨液的研究［ J］ . 稀有金属， 2001， 25（ 6） 43l 433.［ 1］ Liu Yuling， Tan Baimei， Sun Guangying， et al. 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The results indicate that all the chosen non-ionic viscosity regulators andsurfactants in a certain range of quantity can improve the dispersion stability of SiC slurry in cutting fluids. Moreover， thetwo methods can be used to improve the suspension stability of the diethylene glycol systemwith relatively low cost.Keywords SiC； cutting fluid ； viscosity regulator； surfactant； dispersion stability ； silicon wafer2期王文昌等粘度与表面张力对硅片切割液稳定性能影响的研究 391