【漢鼎超聲波刀柄】半導體及光學產業中的石英玻璃加工

 

 石英玻璃的材料特性與常見應用 

石英玻璃材料特性

石英玻璃（Quartz glass），如名字一般，是一種成分只含二氧化硅（SiO2）的特種工業技術玻璃，也經常被稱作熔融石英（Fused Silica）。由于石英玻璃膨脹系數低、耐高溫，即便在溫度劇變的環境下，仍可維持材料的穩定性。且石英玻璃的化學穩定性和電絕緣性良好，對一般酸有較好的耐酸性，即便是濃度高的酸性化學藥物，也不易受到侵蝕。石英玻璃抗壓強度高，也因此具備高硬度、易碎等特性。

 

石英玻璃常見應用

由于石英玻璃具備良好的光穿透特性，不僅限于可見光，從紫外光到紅外光范圍的波長光，都能表現出良好的穿透性。這樣的特性使石英玻璃在光學產業中，作為光纖陀螺儀（fiber optic gyroscope）、棱鏡、鏡片等的理想材料。另外，石英玻璃的耐熱、耐酸、抗壓等優良特性，也廣泛應用在半導體產業多道制程中，如清洗用的石英清洗槽（quartz cell）、擴散制程的石英管（quartz tube）、刻蝕制程固定用的石英刻蝕環（quartz ring），以及石英坩堝（quartz crucible）等。


圖1. 放置矽晶圓片的塑膠制晶舟 (石英晶舟也適用)
 

 如何加工石英玻璃？ 

石英玻璃：銑削加工

圖2. 工業材料銑削加工過程
 

可使用專門設計來加工陶瓷，且硬脆度類似石英玻璃的高精度CNC銑削加工機來加工石英玻璃。由于石英玻璃自身的硬脆特性，若施加的加工能量超過其強度極限，容易形成微細裂紋和崩碎缺陷，影響加工工件表面質量，因此很難通過常規方式來加工，且在銑削過程中，須謹慎使用適當的工藝步驟及參數選擇。


 

石英玻璃：切割加工

圖3. 使用高壓水刀切割工業材料

由于石英玻璃硬脆的特性，需要使用鉆石切割刀，且須使用優化后的加工工藝參數來做加工。較常見的石英玻璃切割刀，包括鉆石線和線鋸、切鋸、二氧化碳激光器、水刀等。


 

石英玻璃：鉆孔加工

圖4. 在銑床進行工業材料鉆孔加工

石英玻璃也可以使用鍍鉆鉆頭或鉆具做鉆孔加工。可利用聚焦透鏡直接打小孔，或是使用切割機打大孔。由于材料的硬脆性，造成在打孔時，較不易控制孔內壁光潔度及精度。另外，為了預防刀具磨耗過快，必須在加工過程中，使用適當的冷卻系統。

 

 石英玻璃加工難點 

石英玻璃加工：加工工件質量的挑戰

圖5. 次表面裂紋的產生是石英玻璃加工的一大加工難點 (示意圖)

雖然石英玻璃有著高抗壓強度，它仍屬典型的硬脆性材料。表面出現小瑕疵，即可能對整體材料強度造成嚴重影響。尤其在石英玻璃鉆孔加工時，若控制好施加的切削能量，工件很容易產生嚴重的次表面裂紋（sub-surface damage）或崩碎。另外，在加工石英玻璃時，會產生大量粉塵，容易填塞鍍鉆鉆頭縫隙。這不僅會影響刀具壽命的穩定性，也會嚴重破壞工件鉆孔質量。

 

石英玻璃加工：加工效率的挑戰

圖6. 為維持好的加工工件質量, 有時難以兼顧加工效率

雖然石英玻璃相對有較良好的加工性質，但其硬脆性仍為加工帶來莫大的挑戰。在加工石英玻璃時，針對切削力的控制非常重要。若對工件施加過度的切削能量，容易造成材料的碎裂或崩碎，因此經常導致加工過程較為費時。

 

 漢鼎超聲波能為石英玻璃加工帶來哪些助益呢？ 

漢鼎的超聲波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，每秒超過20,000次的縱向微振動。這樣類似快速啄鉆、抬刀的機制應用在鉆削上，可幫助刀具掌控定位精度，並有效降低鉆削時的扭矩；同時配合中心出水的功能，達到有效潤滑、冷卻，使鉆削過程更容易斷屑，排屑過程更順暢。


圖7. 漢鼎超聲波加工技術帶來高頻縱向振動輔助排屑過程

超聲波提供刀具的高頻縱向振動，其高頻率且快速地啄鉆下刀、抬刀，能使刀具穩定控制鉆孔時孔的位置精度，大幅降低刀具打滑造成擴孔的情況，有效維持加工工件鉆孔質量。

另外，超聲波提供的高頻微振動可有效降低鉆削時的推力（thrust force）和扭矩（torque），減少刀具與工件之間的磨擦。另外，鉆削時更容易斷屑的情況下，能夠降低纏屑的發生，切屑形狀變小，達到有效延長、穩定刀具壽命。


圖8. 漢鼎超聲波加工技術幫助降低切削力, 帶來更穩定的刀具壽命

這項技術應用在微鉆孔以及深鉆孔加工占有*的優勢，特別是針對硬脆性的先進材料加工，包括工業陶瓷、石英玻璃、硬質合金等。


圖9. 漢鼎超聲波加工技術在石英微鉆孔與深鉆孔加工都得到良好的結果

超聲波的高頻率微振動能夠穩定控制切削力，大幅降低次表面裂紋與脆裂的發生。透過有效提升加工效率、加強刀具壽命的穩定性，以及產出更高質量的工件，超聲波輔助加工技術提供了一個改善加工過程的解決方案。

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 石英玻璃加工常見問題 

Q1  加工石英玻璃時，通常會有大量粉塵的產生。積累的粉塵可能會填塞鉆石鉆頭上顆粒的縫隙，而嚴重影響刀具壽命及加工工件鉆孔質量。漢鼎的超聲波加工技術如何處理這樣的問題呢？

A1  漢鼎超聲波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，每秒超過20,000次的縱向微振動。這樣的機制可有效降低鉆削時的推力和扭矩，且漢鼎標準配置的高壓中心出水（70bar）能幫助排屑過程更順暢。漢鼎超聲波的高頻率微振動可以讓切削液更容易進入工件，達到有效冷卻與潤滑并順利排出切屑，降低刀具填塞發生率，穩定刀具壽命。


圖14. 漢鼎超聲波加工驅動模組

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Q2  欲使用漢鼎超聲波加工模組系統進行石英玻璃加工時，如何適當調整進給率及超聲波振幅等加工工藝參數呢？

A2  漢鼎擁有堅強的研發與技術團隊，期望提供客戶所需服務，并幫助客戶克服加工石英玻璃的難點。針對技術服務，其中包括提供優化后的加工工藝參數及其他相關服務，來確保客戶端在使用漢鼎超聲波輔助加工產品時，能獲得最佳的使用體驗。讓客戶了解到，這不僅是購買一項產品，更重要的是團隊合作間知識與技術的交流。


圖15. 漢鼎超聲波加工刀柄



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