金刚线切割技术仍将作为未来相当长一段时间内主流的硅片切割技术。如何不断改进金刚线切割设备和金刚线的技术性能，优化切割生产工艺，满足光伏硅片生产高效率、高质量、低成本要求，将是未来硅片竞争力的核心技术。 本文将对金刚石线行业现状，竞争格局以及金刚石线切割的16项核心技术进行分析介绍。

金刚石线综述

金刚石线是通过一定的方法，将金刚石微粉颗粒以一定的分布密度均匀地固结在高强度钢线基体上制成的。通过金刚石线切割机，金刚石线与物件间进行高速磨削运动，从而实现切割的目的。在光伏硅片切割领域，金刚石线应用的环节包括切方、截断和切片，其切割性能直接影响硅片质量及组件光电转换性能。

从切割方式对比来看，传统砂浆线存在切割损耗大、精度差、表面损伤多等缺陷，而金刚石切割线则具有切割速度快、硅片损耗小、出片量高等特点，替代优势明显。其主要优势可概括为：1）效率高：金刚线切割速度更快，单片硅片切割耗时约2小时，相当于原砂浆线耗时的1/5，每小时出片量提升约2-3倍。2）成本低：目前金刚线最小线径为0.06mm，而砂浆线则为0.12m，细线使得切割过程中硅片耗材损失更小，厚度也更均匀，每1kg准方锭的可产出硅片从48片提升到目前的60片左右，实现单次（单位方锭）出片量提高约30%。

金刚石线行业相关政策梳理

近年来国家出台了多项政策促进行业的发展。国家发改委发布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录（2016）》把“人造金刚石”列入“战略新兴产业重点产品和服务指导目录”，指出人造金刚石产业为国家鼓励发展并引导社会资源投向的产业。国家发改委发布的《产业结构调整指导目录（2019年本）》明确提出要鼓励功能性人造金刚石材料生产装备技术开发。2021年印发的《河南省“十四五”制造业高质量发展规划》明确指出要巩固人造金刚石优势，大力发展宝石级金刚石等，打造全球超硬材料产业基地。在国家积极支持人造金刚石产业发展的背景下，人造金刚石行业享受良好的政策环境，行业内自主研发能力强、有规模化生产能力的企业将更多受益于政策支持。

从进口依赖到领导全球

在2015年以前当时的金刚石线供给还把控在日系企业手里。

资料显示，金刚石线技术源于日本，早期主要用来切割蓝宝石材料，2010年开始用于晶体硅的切割。国内光伏企业使用金刚石线切割工艺则要后推到2013年，不过因为日本的金刚石线价格昂贵，产能也不大，所以金刚石线在国内的光伏行业应用并不多。

但是，由于当时硅片切割主要采用游离砂浆切割方式，线耗成本高、切割速度低、硅料损耗也比较大，种种问题使得国内对金刚石线的探索没有停止。

2015年成立时，美畅股份已经掌握金刚石线的生产技术，并且在高密度金刚石颗粒分布和单机六线（即单条生产线可同时对 6 根钢线进行电镀）方向取得技术突破。

2015-2017 年，受组件成本下降的影响，我国光伏新增装机量年复合增长率达 87.27%。2016年2月美畅股份实现量产和销售，赶上了这波热潮。并且伴随着国产化，金刚石线价格大幅下降，渗透率快速提高，近几年已达100%。这期间金刚石线的需求呈几何式增长，美畅股份借助远高于同行的产能扩张速度，于2017年底单月产能超过80万公里，规模超过主要对手之和。

2021年年报显示，美畅股份与隆基、晶科、晶澳、保利协鑫等硅片龙头保持良好合作的同时，也开拓了高景太阳能、京运通、弘元新材料等新客户。截至2021年底，美畅股份金刚石线年产能达到7000万公里，市占率达到61%，较2017年提高了41个百分点；全年销量4540.82万公里，同比增长82.8%。

金刚石线切割的16项核心技术

金刚线切割技术仍将作为未来相当长一段时间内主流的硅片切割技术。如何不断改进金刚线切割设备和金刚线的技术性能，优化切割生产工艺，满足光伏硅片生产高效率、高质量、低成本要求，将是未来硅片竞争力的核心技术。

① 高精度切割线管理技术

以金刚线切片机为例，切片机工作过程中，金钢线高速从放线辊放出，经过排线轮、张力轮、过线轮和切割轴后，收回缠绕到收线辊上；再反方向由收线辊绕回到放线辊，金刚线高速往复双向运动。

② 高精度张力控制技术

以金刚线切片机为例，切片机切割硅棒过程中，金刚线须保持稳定的切割张力，若张力过小，将导致金刚线切割力不足；若张力过大，将导致金刚线断线；若张力控制不稳定，或将导致切出的硅片存在 TTV 超标、线痕明显、硅片弯曲和翘曲等质量问题，严重时金刚线断线或将导致整根硅棒损坏。因此，精确、灵敏、稳定、无扰动的切割线张力控制技术是金刚线切割技术的关键技术之一。

③ 高精度夹持进给技术

切割设备工作时需要夹持被加工材料与切割刀具持续、稳定、紧密接触，被加工材料进给的稳定性直接影响到切割的质量和效率；因此，夹持进给系统须具有高定位精度、高动态响应、高稳定性等特点。

④ 多主轴动态平衡控制技术

单晶硅圆棒开方时，金刚线切割线网是由一根金刚线布成的井字形线网，需要运用多主轴动态平衡控制技术来进行布线控制，以保证开方机线网的稳定运行。公司经过多年的自主研发、实践及持续优化，率先将自主研发的多主轴动态平衡控制技术应用于金刚线单晶开方机，使得金刚线单晶开方机主轴轮使用寿命延长、断线率降低、切割成本降低。

⑤ 高精度晶线检测技术

晶线检测是单晶硅棒开方的重要工序，晶线检测的成功与否，会直接影响切割质量和切割效率。如果晶线检测错误且继续切割动作，会造成硅棒直接报废；如果检测用时过多，会降低切割效率。高精度晶线检测技术，利用高精度传感器、多层控制算法、闭环自动调整技术，可以保证硅棒误切率趋近于零，晶线检测成功率达 99.9%，大幅度缩短了晶线检测时间。

⑥ 超薄片切割工艺技术

该技术是通过优化切割工艺匹配、优化切割设备部套性能，实现高硬脆材料的薄片切割，从而降低成品片所需材料用量、提升成品片柔韧性的切割工艺技术。 以光伏用单晶硅片为例，超薄片技术路线是面向光伏平价上网的主要解决方案之一，针对下一代电池技术具有明显的性价比优势，片厚的下降带来硅片柔性的提高，组件的应用场景也相应提升，高转换效率和低成本的材料有利于客户产品提升竞争力。

⑦ 基于大数据算法的切割过程工艺自适应技术

该技术通过算法、数据、切割工艺调整逻辑，使得切割类设备在一定程度上具备模拟切割工艺人员对切割过程出现的复杂问题的识别、学习和解决能力，使得切割装备智能地针对切割过程中遇到的金刚线、辅料、装备等出现的异常情况给出快速、精确、可重复的处理措施，从而降低断线率、提升生产效率、提高切片良率。

⑧ 超细金刚线高线速切割工艺技术

该技术是通过优化金刚线切割相关工艺参数，力求使用线径更细的金刚线切割，从而降低制造硅片所需的材料用量、提升切片良率、提高切割生产效率、降低固定资产投资成本的切割工艺技术。

⑨ 高精度轴承箱设计制造技术 以金刚线切片机为例，切片机两根切割主辊带动金刚线网在硅棒表面高速往复磨削，将硅棒切削加工为硅片。两根切割主辊由轴承支撑起来高速旋转，轴承则安装在两根主辊前后四个轴承箱中。切割主辊转动产生的轴向和径向力将导致切片机在微米级切割状态下出现切割精度波动，并进而影响生产效率及硅片质量。

⑩ 高稳定性液路技术

在金刚线切片机工作过程中，金刚线切割硅片时会持续产生大量的热量，若大量热聚集则会使高精度轴承箱和硅棒发生热变形，进而降低切片机的工作精度、降低硅片的质量。因此，轴承箱和硅棒所在的切割区域需进行循环冷却，以带走切割硅棒产生的热量，并保证切割区域温度恒定。

⑪ 低张力高效上砂技术

“低张力高效上砂技术”主要是指“分段张力系统”和“单机十二线设计技术（原单机六线设计技术）”。“分段张力系统”是指在金刚线生产线主要工艺段设置驱动电机和张力电机，中间工艺段电机为主轴电机，其他电机为从轴跟随主轴同步，金刚线生产线各工艺段的钢线张力控制是独立的，从而可以实现低张力上砂，减少钢线因大张力磨损而导致的脱砂情况，有利于高质量上砂。

⑫ 机器视觉图像识别技术

      “机器视觉图像识别技术”是指通过算法、数据、传感器、精密驱控技术使得机器在一定程度上具备模拟人类强大、复杂的视觉感官的能力，结合计算机的快速性、精确性和可重复性，使机器具备在线、快速、精确的工业检测任务。

⑬ 砂量模糊控制技术

“上砂量”（固结在金刚线母线上的单位视野内的金刚石微粉颗粒数量）直接决定金刚线的切割力，是评价金刚线质量的最关键技术指标之一。影响上砂量的主要因素有电镀电流、电镀液pH 值、电镀液温度、电镀液中金刚石微粉颗粒浓度、母线运行速度等，影响变量非常之多，且难以精确量化控制参数。

⑭ 电镀液高效添加剂技术

上砂过程是金刚线生产的核心工艺流程，上砂的效率（速度）直接影响金刚线的生产速度；上砂过程中金刚石微粉颗粒在母线上分布的均匀性直接影响金刚线的质量一致性。因此为了保证高速上砂和均匀上砂（不团聚、不叠砂），上砂槽中添加剂和使用方法非常重要。

⑮ 金刚石微粉镀覆技术

金刚石微粉颗粒本身不导电，为使得金刚石微粉颗粒能够在电镀的机理下固结在母线上，一般是采用化学镀的方法在金刚石颗粒表面包覆金属镍进行表面金属化处理。但金刚线生产过程中的电镀液环境是酸性的，会腐蚀金刚石颗粒表面的金属镍层，使得金刚石颗粒表面的金属镍层脱落或金刚石颗粒与母线基体结合力减弱，进而降低金刚线的质量以及改变电镀液的成分。

⑯ 金刚石微粉后处理技术

金刚线生产过程中，在金刚石微粉颗粒固结到钢线基体表面后，镀液中的镍离子将在电镀作用下持续移向钢线基体获得电子还原为金属镍，并同时将金刚石微粉颗粒固结在钢线基体表面，因此金刚线外表层的金属镍镀层是决定了金刚石颗粒在钢线基体上的固结能力，进而决定了金刚线的切割能力，金刚石颗粒在钢线基体上的固结能力是金刚线最重要的技术指标之一。

金刚石线行业市场竞争格局

从全球市场竞争格局来看，国产厂商逐步实现进口替代，美畅股份为金刚线行业的龙头企业。2014年之前金刚石线主要从日本进口，以旭金刚石和中村超硬为主的日本企业占据了金刚石线市场的大部分份额，日本在电镀金刚线市场长期处于垄断地位。中国以美畅股份等为代表的国内企业通过多年研发，在2014年和2015年实现了技术的突破，打破了日本电镀金刚石线“卡脖子”的局面，并在国内实现了规模化的生产，产品性价比上对日本产品实现了完全的进口替代。2020年美畅股份金刚线出货量市场份额占比44%，位居全球第一，其次是高测股份、三超新材、岱勒新材、恒星科技与东尼电子。

从国内市场竞争格局来看，国内厂商在技术和研发方面的追赶以及国家政策支持，如今已基本实现全面国产化。目前行业的主要企业包括旭金刚石（日企）、美畅股份、高测股份、岱勒新材、三超新材、东尼电子、恒星科技等。近年来金刚石线价格下降加速出清小企业，行业集中度提升明显，2021年，行业CR5跃升至92%。

金刚石线行业未来发展趋势

1、薄片化推动金刚石线细线化，切割线耗材将加速增长

2021年以来，受下游需求旺盛的影响，硅料供给偏紧，价格呈现持续上涨态势。国内硅料价格自2021年1月至2022年7月涨幅高达228.9%。由于硅片减薄可以在面积不变的前提下节省用料，直接降低单GW硅耗，因此硅料价格的上涨加速了硅片薄片化的进程。

硅片虽然可以通过薄片化降低硅耗，但碎片率也随之提升，金刚石线的细线化可以减少加工时对硅片的损伤、提高产品良率，所以更薄的硅片意味着更细的金刚石线线径。但细线化会导致破断力下降、切割能力不足，使得切割相同数量的硅片线耗数量增加。目前行业主流产品直径在38μm~42μm之间，并逐步向更细的线径渗透。基于硅片的薄片化趋势，预计未来金刚石线的需求有望在光伏装机增长的基础上进一步加速，金刚石线的需求增速将大于光伏装机的增速。

2、细线化导致破断力下降，金刚石线线径逐渐接近极限

金刚石线基本以每年0-15μm的速度在细线化，2017年市场金刚石线产品主要为70μm级别，2017-2021年，金刚石线线径以每年5-10μm的速度减小。根据相关数据，为保证切割所需的张力以及切割过程中的张力波动余量，可用于光伏硅片切割的常规高碳钢丝极限线径约35µm，而目前用于切割的钢线已经接近35µm，进一步细线化困难。

3、钨丝替代碳钢丝可以解决“细线化”问题，并且不会对现存工艺流程造成影响

钨丝具有较高的破断力，其抗拉强度更高，且破断拉力系数是同规格碳钢丝的1.2-1.3倍，所以钨丝金刚石线具有抗拉强度高、韧性佳、破断力高、耐疲劳、耐腐蚀、耐高温和寿命长等特点，钨丝替代碳钢丝可以解决“细线化”问题，提高出片率降成本，推进硅片薄片化。此外，钨丝主要是替代 母线材料中的高碳钢丝，对金刚石线的整体工艺并不造成影响，只涉及简单工艺流程的调整，因此不需要对金刚石线现存生产流程进行大规模升级改造，在工艺上节约了行业转换成本。

当前钨丝替代碳钢丝仍存在制约因素，主要是钨丝成本较高，钨丝金刚石线的价格基本是碳钢丝金刚石线的2-3倍左右，目前还不具有经济性。在薄片化进程加速的背景下，钨丝成本的控制是影响钨丝金刚石线未来发展的关键因素。

文章来源： 光伏见闻，华经周泉，英才元