折 飞，薛珺天

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

太阳能作为一种可持续利用的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力。随着全球能源形势趋紧，太阳能光伏发电作为一种可持续发展的能源，于近年来得到迅速发展。光伏自动化行业竞争也日趋激烈，降本增效，提高设备稳定性及产品合格率成为各自动化企业努力的方向[1]。多晶硅片由于自身的物理结构特性，在经过制绒、清洗和扩散以后，到达刻蚀下料时，不可避免地会出现隐裂片甚至碎片，给刻蚀下料机的平稳运行增加了难度[2]。本文分析了下料翻转机构改进前后的结构对比，以及造成返工片数量的对比。

1 现有的翻转机构分析

刻蚀下料翻转机构是将刻蚀后的硅片翻转180°后经下料机装入花篮。现有翻转机构的翻转杆为直杆型，如图1所示。现有的翻转机构与刻蚀机台交接处没有收片盒，当吸盘出现漏吸时，气缸将翻转机构顶起，硅片直接通过下料机皮带流入收片盒。现有的结构主要有两个缺点：1) 刻蚀机中流出的碎片流到下料机时容易造成卡片；2) 五道中任何一张硅片遮挡到对接传感器，气缸会顶起翻转机构，导致一排硅片流入收片盒，造成不必要的返工片。

1.1 碎片分析

硅片在经过多道工序流入刻蚀机时，会有许多隐裂片，经过刻蚀机出来后就很有可能变成碎片，现有的下料机在与刻蚀机对接处没有收片盒，只能将碎片流入下料机，如果操作人员没有及时发现，就会造成堵片，从而影响机台稳定性。

图1 现有翻转机构

1.2 返工片分析

当隐裂片从刻蚀机中流出时，如果吸盘吸片过程中造成了碎片，剩下漏吸的半张硅片就会遮挡对接处传感器，触发气缸顶起翻转机构，刻蚀机内硅片直接流入下料机收片盒，造成大量返工片，不仅浪费了人力物力，也增加了企业生产成本。因此，改进下料翻转机构，减少返工片数量，就显得很有必要了。

2 下料翻转机构的优化设计

针对下料返工片多的情况，我们在刻蚀机和下料机中间加装一个收片盒，用来收集从刻蚀机中流出的碎片，并在刻蚀机出口位置加装5组(每组2个)漫反射传感器，用来检测是否为碎片，如果是碎片，该道吸盘不吸片，碎片自然流入收片盒，其他4道正常翻片，这样就减少了不必要的返工。

2.1 结构优化

现有翻转机构的翻转杆为直杆型，碎片在流入下料机与翻转机构对接处加装的收片盒时，有时候硅片会卡在翻转杆下沿，不能顺利掉落到收片盒中，而卡住的硅片又会影响后一排正常吸片，由此恶性循环，造成刻蚀机内堵片。因此，需要重新设计一种翻转杆结构，不影响硅片掉落的过程，从而能够正常吸片，减少了碎片和返工片的数量。

经过分析，将直杆型翻转杆改为U型杆，可以有效地避开硅片滑落到收片盒的轨迹。

2.2 尺寸确定

在大致的结构外形确定后，需要进一步确定U型翻转杆的尺寸，以保证翻转杆尺寸最优的情况下能够让硅片顺利滑落。我们定义翻转杆的总长为L，突起部分长度为L1，突起高度为H，如图2所示。

图2 U型翻转杆尺寸定义

我们定义硅片自身重量为Mg，硅片与滚轮的静摩擦系数为μ，滚轮垂直于硅片的支持力为F，硅片与水平方向的夹角为a，重力可以分解为垂直于硅片的正压力Fn和平行于硅片的拉力F1，做出的受力分析如图3所示。

图3 受力分析

已知=F1Mg·sina，Fn=Mg·cosa，根据受力平衡，可以得出以下公式：

Mg·sina=Mg·cosa·μ.

H=d/2·sina.

由公式计算得出H约为58 mm，翻转杆尺寸L1至少要大于d/2，硅片才能顺利掉落，结合设备设计情况，我们取L1为142 mm，取L为329 mm。借鉴之前做过的翻转杆最长为380 mm，因此这次L为329 mm的翻转杆不存在转动惯量过大的情况。

3 优化前后对比

下料翻转机构经过优化改造后，硅片能够顺利地滑落到收片盒中，减少了返工片和碎片的数量，节约了人力时间，提高了产能。优化后的下料翻转机构如图4所示。

图4 优化后碎片滑落过程

优化后的翻转机构应用于某客户现场，表1为优化前单台一个班统计的返工片数据，表2为优化后单台一个班统计的返工片数据。

表1 优化前返工片统计表

表2 优化后返工片统计表

由表1和表2中数据得知，翻转杆优化前硅片返工率为0.70%，优化后返工率为0.41%，优化后返工片数量比优化前减少了41.4%，达到了预期的效果。

4 结论

本文通过对现有的翻转机构进行分析，得出硅片的碎片和返工片较多的原因，并对翻转杆的结构进行了优化，通过计算得出翻转杆的精确尺寸。优化后的翻转机构相对于未优化前，硅片返工率有了大幅度的降低，节约了企业成本，提高了设备产能以及设备稳定性，为后续设备的运用提供了良好的借鉴。