一种金刚石线线切割用水性切割液及其制备和使用方法与流程

本发明涉及一种线切割用水性切割液，尤其涉及一种金刚石线线切割硬脆材料用水性切割液。

背景技术：

太阳能光伏电池片用硅片的生产过程依次经历了以下几个阶段：内圆切割工艺阶段、砂浆直钢线多线切割工艺阶段、砂浆结构线多线切割工艺阶段、金刚石线多线切割工艺阶段，2010年后就有硅片生产企业进行金刚石线多线切割试验研究，2015年后开始陆续由企业进行批量投入金刚石线多线切割单晶硅片，2016年由于金刚石线切割多晶硅片制绒工艺(湿法黑硅制绒工艺)的突破，金刚石线切割工艺得到了爆发式发展，替换了砂浆多线切割工艺。金刚石线多线切割工艺的全面推广由于其具备的特定优势：①切割工艺时间短，较砂线切割工艺时间缩短了3～7倍；②切割线缝细，单公斤硅棒出片数高，硅料损失减小；③环保，使用水性金刚线切割液代替聚醚类悬浮液，使用浓度仅为砂线切割的0.1％～0.5％，废液cod低，而且回收的硅粉可以用于回收制作冶金级硅；④切割成本低；⑤切割硅片表面质量高。

同时金刚石线多线切割不仅仅局限于太阳能光伏电池片用硅材料的切割，还广泛应用于半导体晶圆、蓝宝石、玻璃、磁材等硬脆材料的切割。

随着金刚石线切割工艺出现，金刚石线多线切割液的发展也就孕育而生。早期金刚石线切割液是采用有机硅类乳液消泡剂为控泡体系的表面活性剂复配体系，后来由于切割过程堵塞滤袋、线网断线影响增加、造成脏污以及废水压滤影响滤布使用寿命等缺点。逐步发展到了不使用有机硅消泡剂的纯水性体系，消泡剂也被一些水性组分代替，发泡表面活性剂选取方面，也朝向低泡表面活性剂发展，多数为环氧乙烷-环氧丙烷嵌段聚醚、脂肪醇环氧乙烷环氧丙烷嵌段聚醚、炔醇乙氧基化合物、含阴离子螯合基团的共聚物分散剂等。但仍有一些缺点，如嵌段聚醚的泡沫性能优异，低浓度下表面活性弱，对切割环境下硅粉的润湿能力差、分散性不佳；脂肪醇聚醚虽然有低泡类型，但是溶液体系微泡难消除，容易产生硅粉团聚脏污和泡沫积聚而发生溢缸；炔醇乙氧基化合物在动态表张和控泡方面都有较大优势，但是分子量太低，产生的润滑膜层强度低，辅助切割能力差，硅片表面切割线痕加剧、ttv增大等；含阴离子螯合基团的共聚物分散剂在水中溶解会电离，使切割环境下水溶液电导率增加，容易造成切割设备因电导率升高产生闭合电流回路，造成断线误报警，而停机，造成断线或切割线痕、色差。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，针对现有金刚石线细线径化、高切割线速度、硅片大尺寸化等更加苛刻的切割工艺，切割过程中硅粉粒径更细小、硅粉分散越困难，更容易造成脏污的产生，同时切割硅片线痕、ttv、崩边等良率指标也越来越差。

本发明采用由硅改性剂和聚醚经过加成合成反应制备得到硅改性聚醚，并且该类型聚醚可以在切割界面温度和压力环境下发生水解吸热反应，在硅改性聚醚链端形成强吸附性的硅羟基基团。水解吸热反应可以带走切割界面的热量，避免金刚石线在切割过程中因为循环喷淋液浸润不足，而发生摩擦热量过高造成断线；同时硅改性聚醚链端水解后的强吸附性硅羟基基团，可有以下作用：①吸附在金刚石线表面，形成金刚石线保护膜，起到润滑作用；②吸附在切割界面新产生的硅粉表面，形成空间位阻膜，阻碍硅粉团聚，起到优异分散效果；③吸附在硅片表面，形成吸附膜层，保护硅片表面硅粉脏污积聚，造成难以清洗的硅片脏污。抑制硅烷水解稳定剂为多元醇类或多糖类化合物，通过多元醇类或多糖类化合物含有较多的羟基，和水能形成氢键作用，可抑制硅氧烷在水中的水解。

对本发明中各实施例共同采用的硅改性聚醚做一些具体说明：所述的硅改性聚醚，是采用下述制备方法得到的：在聚四氟乙烯为内衬的高压反应釜中，加入聚醚，再加入催化剂氯铂酸，催化剂用量为脂肪酸的0.01％～0.5％(重量百分数)，搅拌均匀，再加入三烷氧基硅烷，关闭反应釜釜盖和与外界联通的管路，保持反应釜在反应过程中属于密闭状态，在10℃～80℃下保温搅拌反应1～4小时，既得硅改性聚醚。

本发明实施例提供了一种金刚石线线切割用水性切割液，该一种金刚石线线切割用水性切割液包括以下重量份：硅改性聚醚8～33重量份；抑制硅烷水解稳定剂3～7重量份；水余量；且总重量份为100。其中硅改性聚醚结构式如下：

x＝ch3，ch2ch3；ri＝ch2,c2h4；r2＝ch2,c2h4；r3＝c2h4,c4h8

其中，m为1～10之间的整数，n为0～10之间的整数。

其中，所述硅改性聚醚由硅改性剂和聚醚经过加成合成反应制备得到，并且该类型聚醚能在切割界面温度和压力环境下发生吸热水解反应，在硅改性聚醚链端形成强吸附性的硅羟基基团。

其中，所述抑制硅烷水解稳定剂为多元醇类或多糖类化合物，具体为山梨糖醇、木糖醇、葡萄糖醇、果糖、麦芽糖、葡萄糖、脱水葡萄糖中的一种或多种。

其中，所述聚醚为丙烯基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、丁烯基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、甲基烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、甲基烯戊基聚氧乙烯聚氧丙烯醚、乙烯基乙二醇醚聚氧乙烯醚聚氧丙烯醚、乙烯基丁二醇醚聚氧乙烯醚聚氧丙烯醚中的一种或多种；聚醚的具体结构如下：

ri＝ch2,c2h4；r2＝ch2,c2h4；r3＝c2h4,c4h8

其中，m为1～10之间的整数，n为0～10之间的整数。

其中，所述硅改性剂为三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷中的一种或多种。硅改性剂的结构是如下：

x＝ch3，ch2ch3

其中，该制备的步骤中包含有：1)将水加入反应釜中；2)开启搅拌，在室温环境中，加入多元醇类或糖类化合物，使其溶解完全；3)加入聚醚，搅拌至完全溶解后，反应温度为20℃至60℃，搅拌时间为1小时至5小时，然后停止搅拌，进行陈化，陈化时间为0.5小时至4小时，制得金刚石线线切割用水性切割液。

其中，该金刚石线线切割用水性切割液与水的比例为1:200～1000(重量比)。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明产品中包含可以在切割界面温度和压力环境下发生吸热水解反应，水解形成强吸附性的硅羟基基团和小分子醇。会有以下优势：1)吸热水解反应可以带走切割界面的热量，避免金刚石线在切割过程中因为循环喷淋液浸润不足，而发生摩擦热量过高造成断线；2)水解后形成的强吸附性硅羟基基团，可有以下作用：①吸附在金刚石线表面，形成金刚石线保护膜，起到润滑作用；②吸附在切割界面新产生的硅粉表面，形成空间位阻膜，阻碍硅粉团聚，起到优异分散效果；③吸附在硅片表面，形成吸附膜层，保护硅片表面硅粉脏污积聚，造成难以清洗的硅片脏污；3)小分子醇类由于其分子量小，迁移速度快，就有较高的润湿作用，可以快速润湿切割界面的固体表面。抑制硅烷水解稳定剂为多元醇类或多糖类化合物，通过多元醇类或多糖类化合物含有较多的羟基，和水能形成氢键作用，可抑制硅氧烷在水中的水解，同时富含大量氢键的多元醇或多糖类化合物，可以在切割界面形成水化的润滑膜层，产生界面润滑膜，辅助润滑并能及时带出切割产生的硅粉和热量。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

配方的重量份如下(总重量份为100)：

硅改性聚醚：22.5

木糖醇：4.5

水：余量

上述硅改性聚醚的硅改性剂为三乙氧基硅烷，聚醚为丙烯基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(m＝4，n＝4)。

实施例2

配方的重量份如下(总重量份为100)：

硅改性聚醚：18

山梨糖醇：6

水：余量

上述硅改性聚醚的硅改性剂为三乙氧基硅烷，聚醚为甲基烯戊基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(m＝4，n＝6)。

实施例3

配方的重量份如下(总重量份为100)：

硅改性聚醚：18.5

葡萄糖醇：5.5

水：余量

上述硅改性聚醚的硅改性剂为三乙氧基硅烷，聚醚为乙烯基丁二醇醚聚氧乙烯醚聚氧丙烯醚(m＝8，n＝6)。

实施例4

配方的重量份如下(总重量份为100)：

硅改性聚醚：17

葡萄糖醇：4

水：余量

上述硅改性聚醚的硅改性剂为三甲氧基硅烷，聚醚为乙烯基丁二醇醚聚氧乙烯醚聚氧丙烯醚(m＝6，n＝8)。

实施例5

配方的重量份如下(总重量份为100)：

硅改性聚醚：27

葡萄糖醇：7

水：余量

上述硅改性聚醚的硅改性剂为三乙氧基硅烷，聚醚为丙烯基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(m＝5，n＝5)。

对以上实施例1～5的样品和市售竞品1～3分别进行金刚石线切割单晶硅棒和多晶硅棒，每个样品各切割100刀，多线切割机选择同一厂家同型号机型，所有辅料厂家均相同，切割工艺保持一致，切割金刚线线径选用(用于单晶硅棒切割)、(用于多晶硅棒切割)，硅棒尺寸相同，棒源厂家相同，对切割完成的硅片，进行良品率统计如表1所示。

表1不同切割液的良率统计对比

根据表1数据可知，单晶硅棒和多晶硅棒金刚石线切割数据比较，实施例1～5配方样品较市售竞品1～3，在a品良率、b线痕、b崩边、bttv、脏污等数据都占明显优势，优于市售竞品，其中实施例3样品为单晶硅棒和多晶硅棒切割液最优实验配方。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

附图说明

图1为硅改性聚醚的红外光谱图。