【汉鼎超声波刀柄】半导体及光学产业中的石英玻璃加工

 

 石英玻璃的材料特性与常见应用 

石英玻璃材料特性

石英玻璃（Quartz glass），如名字一般，是一种成分只含二氧化硅（SiO2）的特种工业技术玻璃，也经常被称作熔融石英（Fused Silica）。由于石英玻璃膨胀系数低、耐高温，即便在温度剧变的环境下，仍可维持材料的稳定性。且石英玻璃的化学稳定性和电绝缘性良好，对一般酸有较好的耐酸性，即便是浓度高的酸性化学药物，也不易受到侵蚀。石英玻璃抗压强度高，也因此具备高硬度、易碎等特性。

 

石英玻璃常见应用

由于石英玻璃具备良好的光穿透特性，不仅限于可见光，从紫外光到红外光范围的波长光，都能表现出良好的穿透性。这样的特性使石英玻璃在光学产业中，作为光纤陀螺仪（fiber optic gyroscope）、棱镜、镜片等的理想材料。另外，石英玻璃的耐热、耐酸、抗压等优良特性，也广泛应用在半导体产业多道制程中，如清洗用的石英清洗槽（quartz cell）、扩散制程的石英管（quartz tube）、刻蚀制程固定用的石英刻蚀环（quartz ring），以及石英坩埚（quartz crucible）等。


图1. 放置矽晶圆片的塑胶制晶舟 (石英晶舟也适用)
 

 如何加工石英玻璃？ 

石英玻璃：铣削加工

图2. 工业材料铣削加工过程
 

可使用专门设计来加工陶瓷，且硬脆度类似石英玻璃的高精度CNC铣削加工机来加工石英玻璃。由于石英玻璃自身的硬脆特性，若施加的加工能量超过其强度极限，容易形成微细裂纹和崩碎缺陷，影响加工工件表面质量，因此很难通过常规方式来加工，且在铣削过程中，须谨慎使用适当的工艺步骤及参数选择。


 

石英玻璃：切割加工

图3. 使用高压水刀切割工业材料

由于石英玻璃硬脆的特性，需要使用钻石切割刀，且须使用优化后的加工工艺参数来做加工。较常见的石英玻璃切割刀，包括钻石线和线锯、切锯、二氧化碳激光器、水刀等。


 

石英玻璃：钻孔加工

图4. 在铣床进行工业材料钻孔加工

石英玻璃也可以使用镀钻钻头或钻具做钻孔加工。可利用聚焦透镜直接打小孔，或是使用切割机打大孔。由于材料的硬脆性，造成在打孔时，较不易控制孔内壁光洁度及精度。另外，为了预防刀具磨耗过快，必须在加工过程中，使用适当的冷却系统。

 

 石英玻璃加工难点 

石英玻璃加工：加工工件质量的挑战

图5. 次表面裂纹的产生是石英玻璃加工的一大加工难点 (示意图)

虽然石英玻璃有着高抗压强度，它仍属典型的硬脆性材料。表面出现小瑕疵，即可能对整体材料强度造成严重影响。尤其在石英玻璃钻孔加工时，若控制好施加的切削能量，工件很容易产生严重的次表面裂纹（sub-surface damage）或崩碎。另外，在加工石英玻璃时，会产生大量粉尘，容易填塞镀钻钻头缝隙。这不仅会影响刀具寿命的稳定性，也会严重破坏工件钻孔质量。

 

石英玻璃加工：加工效率的挑战

图6. 为维持好的加工工件质量, 有时难以兼顾加工效率

虽然石英玻璃相对有较良好的加工性质，但其硬脆性仍为加工带来莫大的挑战。在加工石英玻璃时，针对切削力的控制非常重要。若对工件施加过度的切削能量，容易造成材料的碎裂或崩碎，因此经常导致加工过程较为费时。

 

 汉鼎超声波能为石英玻璃加工带来哪些助益呢？ 

汉鼎的超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，每秒超过20,000次的纵向微振动。这样类似快速啄钻、抬刀的机制应用在钻削上，可帮助刀具掌控定位精度，並有效降低钻削时的扭矩；同时配合中心出水的功能，达到有效润滑、冷却，使钻削过程更容易断屑，排屑过程更顺畅。


图7. 汉鼎超声波加工技术带来高频纵向振动辅助排屑过程

超声波提供刀具的高频纵向振动，其高频率且快速地啄钻下刀、抬刀，能使刀具稳定控制钻孔时孔的位置精度，大幅降低刀具打滑造成扩孔的情况，有效维持加工工件钻孔质量。

另外，超声波提供的高频微振动可有效降低钻削时的推力（thrust force）和扭矩（torque），减少刀具与工件之间的磨擦。另外，钻削时更容易断屑的情况下，能够降低缠屑的发生，切屑形状变小，达到有效延长、稳定刀具寿命。


图8. 汉鼎超声波加工技术帮助降低切削力, 带来更稳定的刀具寿命

这项技术应用在微钻孔以及深钻孔加工占有强大的优势，特别是针对硬脆性的先进材料加工，包括工业陶瓷、石英玻璃、硬质合金等。


图9. 汉鼎超声波加工技术在石英微钻孔与深钻孔加工都得到良好的结果

超声波的高频率微振动能够稳定控制切削力，大幅降低次表面裂纹与脆裂的发生。透过有效提升加工效率、加强刀具寿命的稳定性，以及产出更高质量的工件，超声波辅助加工技术提供了一个改善加工过程的解决方案。

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 石英玻璃加工常见问题 

Q1  加工石英玻璃时，通常会有大量粉尘的产生。积累的粉尘可能会填塞钻石钻头上颗粒的缝隙，而严重影响刀具寿命及加工工件钻孔质量。汉鼎的超声波加工技术如何处理这样的问题呢？

A1  汉鼎超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，每秒超过20,000次的纵向微振动。这样的机制可有效降低钻削时的推力和扭矩，且汉鼎标准配置的高压中心出水（70bar）能帮助排屑过程更顺畅。汉鼎超声波的高频率微振动可以让切削液更容易进入工件，达到有效冷却与润滑并顺利排出切屑，降低刀具填塞发生率，稳定刀具寿命。


图14. 汉鼎超声波加工驱动模组

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Q2  欲使用汉鼎超声波加工模组系统进行石英玻璃加工时，如何适当调整进给率及超声波振幅等加工工艺参数呢？

A2  汉鼎拥有坚强的研发与技术团队，期望提供客户所需服务，并帮助客户克服加工石英玻璃的难点。针对技术服务，其中包括提供优化后的加工工艺参数及其他相关服务，来确保客户端在使用汉鼎超声波辅助加工产品时，能获得最佳的使用体验。让客户了解到，这不仅是购买一项产品，更重要的是团队合作间知识与技术的交流。


图15. 汉鼎超声波加工刀柄



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