石英舟装片机碎片率分析及结构改进

陈嘉荣，张 海

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

太阳能电池片生产线有多道工艺，虽然不同厂商工艺流程略有不同，但大致可以归纳为硅片检测、表面制绒及酸洗、扩散制结、去磷硅玻璃、等离子刻蚀及酸洗、镀减反射膜、丝网印刷、快速烧结等[1]。在扩散制结段，石英舟作为其硅片的主要载体，石英舟装片机是实现石英舟传输及硅片插取的关键设备，主要完成将制绒后硅片两两交叉重叠插入1 200片石英舟插槽中，并将扩散制结后的硅片取出分离并插入100片篮具内，硅片吸附机构及硅片校正机构作为设备的核心机构，承担着硅片吸附、重叠、插取等功能。

本文通过对石英舟内硅片传输过程及调试流程进行分析，找出碎片率发生的主要环节，对相应机构进行合理性探究并提出改进办法，解决因碎片率高导致的调试难度大、调试周期长等问题。

1 硅片插取机构简介

硅片插取机构主要有篮具内硅片校正机构、篮具内硅片托起机构、舟内硅片校正机构、舟内硅片托起机构及硅片吸附机构等组成。

篮具内硅片校正机构主要负责硅片从篮具内取放时对硅片进行校正，它由固定立柱、垂直方向和水平方向的高精度气缸以及特殊材料加工的硅片校正板构成。

篮具内硅片托起机构主要由高精度导轨、无杆气缸、特殊材料加工的硅片插槽构成，导轨和无杆气缸的组合既保证了垂直升降的精度，又降低了成本，硅片插槽则是硅片能否托入校正组件的关键零件，通过它能够调整硅片在篮具内的角度。

舟内硅片校正机构与篮具内硅片校正机构略有不同，它由两个水平校正缸组成，在硅片进入舟时，硅片上校正气缸伸出，校正夹齿将硅片导入到石英舟内。在硅片取出舟时，硅片下校正气缸伸出，校正夹条将硅片夹齐，吸附机构将硅片吸出。

舟内硅片托起机构行程较短，它由一个带导轨的小行程气缸和托齿组成，它的主要作用是在硅片放入舟时对硅片进行导向，使硅片顺利进入下齿槽，在硅片吸出舟时将硅片略微托起，方便对硅片的校正。

吸附机构如图1所示，它由一个Z轴升降机构、两个X轴运行机构和两个Y轴运行机构组成，Z轴升降机构负责硅片的升降，X轴运行机构能够调整吸盘进入篮具和舟的位置，并在吸盘吸取硅片后将硅片进行X轴方向的重叠，Y轴的两个运行机构能够调整吸盘进入篮具和舟的位置，并在吸盘吸取硅片后对硅片进行Y轴方向的贴合。

图1 硅片插取机构示意图

2 工作流程介绍

石英舟装片机工作模式有装片模式、卸片模式及装卸一体模式，前两种模式调试难度较小，碎片率较低，因此本文着重分析装卸一体工作流程，图2为装卸一体流程图。

图2 装卸一体流程图

3 问题描述及原因分析

通过现场的生产调试，插取硅片并不能按工作流程介绍的那样稳定运行，在以下几种情况下最容易发生碎裂：

1) 从篮具内顶起硅片时，硅片容易发生错齿，多张硅片插入到校正组件的一个槽中，硅片因此发生变形，在校正组件横向夹紧时，一个槽内的硅片会被夹碎，这种情况一旦发生，机器会被迫暂停，需要操作人员拿镊子捏出碎片，这种情况会使吸盘被碰碎的几率大大增加，而耽误的时间一旦过长，硅片接触空气的时间也会变长，必然会影响硅片的质量，而碎硅片在托齿上有时清理不干净，残留的碎片会在下一次顶起时导致硅片顶起不平整，硅片被吸盘压碎，同时操作人员在清理碎硅片时也会划伤临近的几张硅片。

如图3，校正组件的插槽严格按照篮具的间距4.76设计加工，并且进出口都有一定的张口导向，保证硅片能顺利进入插槽，然而实际使用过程中却发现这种顶错齿的情况时有发生，经过反复测量观察，错齿一般集中在一块特定区域，前后调整托齿并不能避免错齿的情况，这是由于校正组件的插槽在加工时只加工一个面，而且插槽加工深度大，插槽密集，容易造成材料凹向变形，因变形导致某些插槽加工精度达不到要求，实际使用中暴露问题。

图3 校正组件插槽示意图

2) 校正组件对硅片进行横向校正时，常有硅片被夹碎，这种情况在装篮时和卸篮时都有发生，小部分碎片的情况同上原因，是因为硅片在顶起时就顶错齿，因而被夹碎，在实际的观察中，装篮时也常常被夹碎，装篮顺序为吸盘从舟内吸取硅片，放入篮具内，这种情况并不需要将硅片托起，而是直接从吸盘放下硅片到托齿上，校正组件进行校正。反复观察，发现夹碎实际是因为碎片在托起或放置时，由于只在中间顶起，硅片容易左右倒，有角或者整边掉出夹齿，而在夹齿夹合时直接夹碎。

如图4为硅片放置在托齿内的情况，不管是托齿顶起硅片，还是硅片放在托齿上，都有可能左右发生偏移，硅片左右倒，而夹齿的距离在设计时为155，硅片的尺寸为156×156，按照理论分析，硅片 即使贴紧一边，也不会从另一个夹齿中掉出，但实际情况并不是这样，通过现场测量，发现夹齿的每个槽深度并不同，深浅最大有0.1 mm的误差，和上面的原因一样，这是由于变形导致的加工误差。

图4 硅片在插槽中的示意图

3) 在校正组件夹紧硅片，吸盘准备吸附硅片时，常有漏片的情况发生，根据现场试验，吸盘在单独只吸一张硅片时也可以吸起，吸附的硅片越多，吸盘吸力越大，而即使是这样，也容易发生漏片，根据现场观察，漏片并不是每台设备都有出现，而是集中于单独某台设备，通过观察，在校正组件夹紧硅片后，硅片并非整齐排列，有几张硅片会被挤压成凹形，使吸盘在吸附时并不能接触到硅片，所以吸起时必然漏片。

如图5为夹齿夹紧后的仿真图，设计之初，夹齿夹紧硅片后，齿槽间距为156.2，略大于硅片，硅片在齿槽内可以轻松上下，但是在现场中，呈现的是一部分硅片非常宽松，容易掉出齿槽，而另一部分则被夹的很紧，容易变形而漏片，分析加工变形图可以看出，夹齿在加工时朝加工面发生弯曲，而刀具在零件变形的情况下继续加工，导致两边的齿槽深度大，中间的齿槽深度浅，在装配时用螺钉强行拉平，但是齿槽深度却不同，在现场调试中导致不管如何调试夹齿的间距，总有漏片碎片的发生，夹齿调紧，两边不会掉出硅片，硅片不会被夹碎，中间却容易漏吸，而如果将夹齿调松，硅片不会漏吸，但是夹齿两端容易夹碎硅片。

图5 硅片在插槽中夹弯的示意图

这一组件的碎片问题，成为了现场碎片的主要原因，增加了调试时间和调试难度，也导致了设备使用过程中碎片率居高不下的首要原因。

4 改进方法

4.1 改进篮具校正组件

从上述分析中可以看出，夹齿在原有结构中承担了导向与校正的作用，但由于加工精度以及加工变形等问题，夹齿在实际使用中并不能满足使用的要求，这是因为夹齿在设计之初承担了太多的功能，致使后期调试需要兼顾的条件太多，调节需要耗费大量时间。

因此，在原有结构上，考虑将导向与校正功能分离，夹齿的加工需要保证如图两个面的加工精度，然而实际中加工效果并不好，将两种功能分开，夹齿只起导向作用，增加一个细长夹条，用来单独整理硅片[2]。

上述问题中，夹齿夹碎硅片与硅片漏吸皆因为夹齿问题，改进后的结构不论硅片是从篮具中顶起还是从吸盘上放下，夹齿起一个导向作用，硅片被插入夹齿中后，细长夹条横向夹紧，由于夹条单独加工，加工只需保证平面度即可，夹紧的硅片不会出现松紧不一的情况，通过调试保证硅片被夹紧后整齐而不变形，这样硅片既不会被夹碎，也不会变形导致吸盘漏吸，缩短了调试时间和调试难度。

4.2 改进篮具托起组件

在上述问题描述中，托齿容易将硅片托起到同一插槽且由于居中，顶起后的硅片容易左右倒，硅片左右倒后在篮具中的位置发生偏转，既容易掉出插槽被夹碎，又容易致使吸盘吸附后的硅片不整齐，续舟的装卸带来困难。

因此，在原有托起结构的基础上，将托齿改为左右两个托齿，这样硅片在托齿上能够平稳放置，不会发生硅片顶起后左右倒的问题，而托齿部分因为加工材料的原因，之前的设计托齿并不起导向作用，只是负责分离硅片，使其托起到对应的插槽中，但实际托齿由于不能准确导向，偶见几张硅片进入同一插槽，因此在改进的设计中托齿改为组装托齿，加工两片托齿，通过长圆孔现场调节两边托齿间隙，直到正好卡入硅片但硅片能略微松动，保证硅片在托起时呈固定角度进入夹齿，这样就不会出现之前的几张硅片进入同一插槽。

5 改进后的效果

在现场调试运行后，校正组件与托起组件能够稳定运行，上述的问题没有出现，此处发生的碎片情况明显降低。

6 结语

在对原有设备的改进中，通过对设备运行流程分析，找出碎片集中发生的区域，通过对结构以及零件进行分析，找出因结构不合理或加工装配的误差导致的碎片问题，合理的提出改进办法，并降低加工成本，增加组件可调试度以及运行稳定性。

从客户的现场生产以及大量的试验验证可知，改进后的校正组件与托起组件，从根本上解决了硅片在此处的顶碎、夹碎、漏吸等情况，极大的提高了设备稳定性可运行效率，得到了客户的认可和好评。