石英玻璃加工：在半導體及光學產業中，如鑽石般閃亮的存在

2022年07月19日


 

 石英玻璃的材料特性與常見應用 


材料特性

石英玻璃（Quartz glass），如同名字一般，是一種成分只含二氧化矽（SiO2）的特種玻璃，經常也被稱作熔融石英（fused quartz）。由於石英玻璃熱膨脹係數小，耐高溫，即便處在溫度劇烈變化的環境下，仍能維持其材料的穩定性。且石英玻璃的化學特性極其安定，是良好的耐酸材料，即使是濃度極高的酸性化學藥物，也不易受到侵蝕。石英玻璃抗壓強度高，但同時也因此具備了高硬度、易脆等特性。


常見應用

由於石英玻璃具備良好的光穿透特性，不僅限於可視光，從紫外線到紅外線範圍的波長光，都能表現出很好的穿透性。這樣的特性使得石英玻璃在光學產業中，作為光學陀螺儀、稜鏡、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，也讓它廣泛地被應用在半導體產業的許多製程中，像是清洗時用的石英清洗槽、擴散時用的石英擴散管、固定用的石英環，以及石英坩堝等。


圖1. 放置矽晶圓片的塑膠製晶舟 (石英晶舟也適用)
 
 

 如何加工石英玻璃？ 


銑削

圖2. 工業材料銑削加工過程

可以使用專門設計來加工陶瓷等，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。雖然石英玻璃也是一種硬脆材料，但是相對來說較容易加工。


切割

圖3. 使用高壓水刀切割工業材料

由於石英玻璃硬脆的特性，需要使用鑽石切割刀具，且須使用優化後的加工參數來做加工。較常見的石英玻璃切割刀具，包括鑽石線和線鋸、切鋸、二氧化碳雷射器，以及水刀等。


鑽孔

圖4. 在銑床進行工業材料鑽孔加工

石英玻璃也可以使用鍍鑽鑽頭或鍍鑽刀具做鑽孔加工。為了預防刀具磨耗過快，必須在加工過程中，使用適當的冷卻機制。
 
 

 石英玻璃加工困難點 

 

石英玻璃加工：工件品質的挑戰


圖5. 次表面裂紋的產生是石英玻璃加工的一大加工痛點 (示意圖)

雖然石英玻璃的抗壓強度高，它還是一種非常硬脆的材料。表面即使只是小小的瑕疵，也可能會對整體材料強度造成嚴重的影響。尤其在石英玻璃的鑽孔加工，若切削力沒有做適當控制，很容易產生嚴重的次表面裂紋（sub-surface damage）。另外，在加工石英玻璃時，通常會產生大量粉塵，容易填塞住鍍鑽刀具。這不僅會影響刀具壽命的穩定性，也會嚴重地破壞工件鑽孔的品質。

 

石英玻璃加工：加工效率的挑戰


圖6. 為維持好的工件品質, 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，但它的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。過度的切削力容易造成材料的碎裂，而產生崩裂邊（edge-cracks），因此經常導致加工過程較為費時。
 
 

 漢鼎超音波加工能為石英玻璃加工帶來哪些助益呢？ 


漢鼎的超音波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，且每秒超過20,000次的縱向微振動。這樣的機制可有效降低切削力，並且幫助排屑過程更順暢。


圖7. 漢鼎超音波加工技術帶來高頻縱向振動輔助排屑過程

降低切削力不僅能減少刀具和工件之間的摩擦，還能有機會提升進給率。如此一來，大幅提升了工件的品質以及刀具壽命的穩定性；進給率的提高也進而節省了加工時間，有效提升加工效率。


圖8. 漢鼎超音波加工技術幫助降低切削力, 帶來更穩定的刀具壽命

排屑過程變得順暢能同時減少過量的切屑在刀具和工件上產生摩擦。漢鼎超音波輔助加工帶來的高頻率微振動，能更容易排除切屑，並降低刀具填塞發生的情況。這也為工件品質及刀具壽命的穩定性帶來很大的助益。


圖9. 漢鼎超音波加工技術在石英微鑽孔與深鑽孔加工都得到絕佳的結果

這項技術在於微鑽孔以及深鑽孔加工佔有強大的優勢，特別是針對硬脆性的先進材料，包括工業陶瓷、石英玻璃、超合金等。超音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的發生機率。透過有效提升加工效率、加強刀具壽命的穩定性，以及產出更高品質的工件，超音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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 漢鼎成功案例分享：石英玻璃加工 

 

石英玻璃：微鑽孔加工



圖10. 石英玻璃微鑽孔加工工件

漢鼎在一塊60x30x20mm的石英玻璃工件上，進行Φ0.3x5.4mm的微鑽孔加工。使用漢鼎的HSKE40超音波刀把，並整合中心出水、自動換刀及CNC自動化系統。漢鼎完成共300孔的微鑽孔加工，每孔加工時間約在40秒以內。就加工效率而言，漢鼎超音波加工的結果勝過刀具商以及客戶端提供的數據資料。在工件品質上，也維持優良的精度重複性，且孔壁並無顯著脆裂邊或次表面裂紋。


圖11. 石英玻璃微鑽孔超音波輔助加工過程

這個特徵被廣泛應用在半導體產業及光學產業，特別用作石英板、石英環、石英基板的透鏡板等。

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石英玻璃：深鑽孔加工



圖12. 石英玻璃深鑽孔加工工件

漢鼎在一塊100x100x30mm的石英玻璃工件上，進行Φ3x65mm的深鑽孔加工。使用漢鼎的HSKA63超音波刀把，並整合中心出水、自動換刀及CNC自動化系統。漢鼎成功將材料移除率（Material Removal Rate，MRR）從原本的65.54 mm3/min，提升至533.64 mm3/min。整體加工效率提升超過85%，總加工時間從原本的26分44秒，降低至3分17秒。除了加工效率的改善外，工件品質也合乎客戶標準。


圖13. 石英玻璃深鑽孔超音波輔助加工過程

這個特徵被廣泛應用在光學產業以及國防航太產業，特別是用作石英鏡片、石英反射器鏡片、陀螺儀石英鏡片等。

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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住鑽石刀具上顆粒的隙縫，而嚴重影響刀具壽命及工件品質。漢鼎的超音波加工技術會如何處理這樣的問題呢？

A1  漢鼎超音波輔助加工技術提供刀具一個高頻率，且每秒超過20,000次的縱向微振動。這樣的機制可有效降低切削力，且漢鼎標配的高壓中心出水（70bar）能幫助排屑過程更順暢。漢鼎超音波的高頻率微振動可以更容易排出切屑，降低刀具填塞發生率，有效穩定刀具壽命。


圖14. 漢鼎超音波加工驅動模組

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Q2  欲使用漢鼎超音波加工模組系統進行石英玻璃加工時，如何適當地調整進給率及超音波振幅等加工參數呢？

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，並幫助客戶克服加工石英玻璃時的痛點。針對技術服務，其中包括提供優化後的加工參數及其他相關服務，來確保客戶端在使用漢鼎超音波輔助加工產品時，能獲得最佳的使用體驗。讓客戶了解到，這不僅僅是購買一項產品，更重要的是合作間知識、技術的交流。


圖15. 漢鼎超音波加工刀把


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參考資料
1. Top-Seiko - Fused silica : Key properties & popular applications
2. AZO Materials - Fused Silica/Quartz Glass : Properties and Applications of Fused Silica/Quartz Glass by Goodfellow Ceramic & Glass Division
3. Heraeus - Properties of fused silica