Rouault de Coligny, Pierre (2002) Analyse et optimisation du procédé de découpe de plaques de silicium. PhD thesis, ENSMP - CEMEF Centre de Mise en Forme des Matériaux, ENSMP p.183.

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Abstract

Cette étude s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le Centre de Mise en Forme des Matériaux, l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie et la société Photowatt et concerne l’une des étapes de la fabrication des modules photovoltaïques: la découpe de plaques minces de silicium multicristallin par sciage à fil.
Une étude bibliographique associée à l’observation des plaques brutes montre que le sciage à fil produit de l’abrasion trois corps et que l’enlèvement de matière se fait de manière ductile par formation de micro-copeaux. La profondeur d’indentation à laquelle se produit la transition ductile-fragile mise en évidence par l’étude bibliographique n’est donc pas franchie. L’abrasion produite peut être décrite par la loi classique d’Archard. La profondeur de la zone endommagée par la découpe a été estimée à 2,5 µm.
Une étude thermique a montré que la température de la découpe ne dépasse pas 50°C environ et qu’elle dépend de la capacité d’évacuation de la chaleur par le fil. L’analyse des défauts des plaques a permis d’identifier leur origine et de dégager des solutions. La mesure de l’usure du fil a montré que la réduction de son diamètre n’est envisageable que si son régime de défilement est rendu continu. Le gain de silicium, d’énergie sur plusieurs plans et l’amélioration de l’état de surface des plaques plaident également pour la suppression du régime alternatif (back & forth). Le recyclage de l’abrasif est envisageable, nous avons montré que son efficacité n’est en effet pas affectée par la découpe.
Un dispositif de simulation tribologique a été mis en place, il permet d’étudier l’abrasion du silicium dans les mêmes conditions que dans le sciage à fil. Un modèle mécanique reliant la courbure du fil aux paramètres issus du sciage et de la tribologie permet de prédire la hauteur de la nappe de fil, sa flèche en régime transitoire et permanent, la pression de contact et l’usure du fil.
Une simulation numérique de l’enlèvement de matière par des essais de rayure bidimensionnels a été réalisée. La concordance des ordres de grandeurs des constantes de vitesse d’usure obtenues par ce biais, par la simulation tribologique et par la déduction des mesures effectuées sur le procédé valide cette démarche. Elle a permis de dégager des orientations qui permettront de rendre la découpe plus performante en modifiant les abrasifs et le fluide.

Table of content

Introduction générale: 6
A)GÉNÉRALITÉS: 6
B)LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES: 7
C)LE PROCÉDÉ DE SCIAGE À FIL: 10
D)LES OBJECTIFS DE LA THÈSE: 12
E)DÉMARCHE DE L’ÉTUDE: 13
CHAPITRE 1: L’USINAGE PAR ABRASION DU SILICIUM: 16
1.1. DESCRIPTION DES PARAMÈTRES ET CONDITIONS DU SCIAGE À FIL: 16
1.2. INFORMATIONS APPORTÉES PAR LA LITTÉRATURE: 17
1.3. L’ENLÈVEMENT DE MATIÈRE PAR ABRASION: 19
1.3.1. Les deux types d’abrasion: 19
1.3.2. Les interprétations de l’abrasion par des abrasifs libres: 21
1.3.3. Les modèles d’abrasion: 25
1.4. LE MODE D’ENLÈVEMENT DE MATIÈRE: 27
1.4.1. Etude de la fissuration par l’indentation: 27
1.4.2. La plasticité des matériaux fragiles: 30
1.4.3. Les origines possibles de cette plasticité: 36
1.5. LES MÉCANISMES DE DÉCOUPE DU SILICIUM PAR SCIAGE À FIL: 37
1.6. CONCLUSION PARTIELLE: 40
CHAPITRE 2: IDENTIFICATION DES PHÉNOMÈNES ET MÉCANISMES: 42
2.1. L’INFLUENCE DU COMPORTEMENT DU SLURRY: 42
2.1.1. Estimation du débit de slurry: 43
2.1.2. La rugosimétrie par palpage mécanique: 45
2.1.3. Les stries régulières: 46
2.1.4. Les copeaux de silicium: 51
2.2. ETUDE DE LA ZONE ENDOMMAGÉE PAR LA DÉCOUPE PAR DES ATTAQUES CHIMIQUES: 52
2.2.1. Dispositifs expérimentaux: 53
2.2.2. Résultats: 54
2.2.3. Mécanisme de dissolution du silicium: 57
2.2.4. Rugosimétrie: 58
2.2.5. Etude de la résistance mécanique des plaques par des essais de flexion: 60
2.3. ETUDES THERMIQUES DU PROCÉDÉ DE SCIAGE À FIL: 62
2.3.1. Mesures de températures: 62
2.3.2. Constantes physiques des différents composants du système: 65
2.3.3. Effet de l’échauffement du fil sur sa tension: 66
2.3.4. Evolution de la température du fil entrant dans le bloc: 67
2.3.5. Capacités d’évacuation de la chaleur: 68
2.4. CONCLUSION PARTIELLE: 69
CHAPITRE 3: ETUDE DES LIMITES DU PROCÉDÉ: 72
3.1. LE MATÉRIAU: DÉFAUTS STRUCTURAUX ET LIÉS AU SCIAGE: 72
3.1.1. Le silicium multicristallin: POLIX“: 72
3.1.2. Les inclusions: 75
3.1.3. Les principaux défauts de sciage: 78
3.1.4. Les défauts créés au cours des étapes ultérieures: 81
3.2. LE FIL: RÉSISTANCE, USURE ET LIMITES: 81
3.2.1. Mesures de résistance par des essais de traction: 82
3.2.2. Calcul de l’usure du fil: 83
3.3. ETUDE DE L’ABRASIF: 84
3.3.1. Généralités: 84
3.3.2. Caractéristiques de l’abrasif neuf: 85
3.3.3. Evolution de l’abrasif à l’usage: 86
3.3.4. Etude par tribométrie de l’efficacité de l’abrasif: 87
3.3.5. Influence de l’évolution de l’abrasif sur l’usure du fil: 87
3.4. LE BACK & FORTH: AVANTAGES, INCONVÉNIENTS ET LIMITES: 88
3.4.1. Les motivations de ce régime: 89
3.4.2. Les inconvénients du back & forth: 89
3.4.3. Les limites de cette technique: 90
3.5. DÉCOUPE EXPÉRIMENTALE DE PLAQUES ULTRA-MINCES: 91
3.5.1. Conditions de découpe et résultats: 91
3.5.2. Influence des paramètres sur les états de surface: 92
3.5.3. Analyse des difficultés rencontrées: 93
3.6. CONCLUSION PARTIELLE: 95
CHAPITRE 4: SIMULATION EXPÉRIMENTALE ET THÉORIQUE DU PROCÉDÉ: 96
4.1. LE DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL DE TRIBOMÉTRIE: 96
4.1.1. Principe et différents types: 96
4.1.2. Le tribomètre utilisé dans cette étude: 98
4.1.3. La pression de contact: 103
4.1.4. Frottement et usure des pièces antagonistes: 106
4.1.5. Etude par tribométrie de l’abrasif: 109
4.1.6. Mesures de constantes de vitesse d’usure de différents pions: 110
4.2. LE MODÈLE MÉCANIQUE: 112
4.2.1. Cas d’un assemblage en régime permanent: 112
4.2.2. Approche simplifiée: 117
4.2.3. Cas de deux assemblages en régime permanent: 117
4.2.4. Etude du régime transitoire: 118
4.3. EVOLUTION DE LA TENSION DU FIL DANS LA NAPPE: 120
4.3.1. Tension d’un brin de fil: 120
4.3.2. Condition d’indépendance des brins: 121
4.3.3. Analyse d’un incident de sciage: 122
4.4. SYNTHÈSE DES CONNAISSANCES ET PRÉDICTIONS POSSIBLES: 124
4.4.1. Résumé des principales valeurs numériques connues: 124
4.4.2. Explications et confirmations: 125
4.4.3. Prédictions: 125
4.5. CONCLUSION PARTIELLE: 127
CHAPITRE 5: SIMULATION NUMÉRIQUE MICROSCOPIQUE DE L’ABRASION: 130
5.1. CONTEXTE, MÉTHODE ET OUTIL UTILISÉS: 130
5.1.1. Présentation théorique de l’enlèvement de matière modélisé: 130
5.1.2. Différents régimes de frottement et d’usure: 132
5.1.3. L’approche développée: 134
5.2. LA DÉMARCHE DE NOS SIMULATIONS: 137
5.2.1. Le principe: 137
5.2.2. Les paramètres et conditions des calculs: 137
5.2.3. L’influence de la géométrie sur le mode d’écoulement ( ): 140
5.3. L’INFLUENCE DU FROTTEMENT LOCAL: 143
5.3.1. L’effet du frottement local sur le mode d’écoulement: 143
5.3.2. L’effet du frottement local sur le frottement apparent: 145
5.4. CONSÉQUENCES PRATIQUES DE CES SIMULATIONS: 146
5.4.1. Estimation des constantes de vitesse d’usure engendrées par chacun des cas: 146
5.4.2. Etendue et valeurs des contraintes: 148
5.5. CONCLUSION PARTIELLE: 150
CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES: 152
References bibliographiques: 158
Annexe 1: Surfaces de plaques attaquees: 166
Annexe 2: Precisions sur les mesures d’efforts de coupe: 168
Annexe 3: Resultats des mesures sims effectuees sur les inclusions: 172
Annexe 4: Evaluation de la répartition de l'abrasif dans le slurry: 176
Annexe 5: Description du tribomètre avant modifications: 178
Annexe 6: Valeurs numériques déduites des simulations 180

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