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。了解更多漢鼎超音波加工技術   漢鼎成功案例分享：石英玻璃加工  石英玻璃：微流道擺線磨削加工圖10. 石英玻璃微流道擺線磨削加工工件原製程須使用#200、#400、#800磨棒從粗加工到精加工，搭配漢鼎超音波，僅使用#800磨棒即可達到客戶品質要求，減少加工道次，幫助提升整體製程加工效率。圖11. 漢鼎超音波輔助石英玻璃微流道擺線加工, 大幅減小脆裂邊, 僅使用#800磨棒加工即可達到客戶品質要求使用漢鼎超音波輔助擺線加工，高頻率微振動幫助降低切削阻力，（相同加工參數配置）在使用#400磨棒加工下，相較無超音波，最大脆裂邊尺寸可減小1倍；相同加工參數配置）在使用#800磨棒加工下，無超音波在加工第一槽時，刀具斷刀，無法完成加工，而搭配漢鼎超音波，脆裂邊可進一步再減小，最大脆裂邊尺寸最多可減小2倍。圖12. 漢鼎超音波輔助石英玻璃微流道擺線加工, 幫助降低切削阻力, 改善磨棒積屑問題, 有效降低刀具磨耗使用漢鼎超音波輔助擺線加工，高頻振動下，加工時，刀具反覆提刀，使切削液更容易流入，幫助排屑，刀具不易積屑；除了降低刀具磨耗之外，也減少與工件的摩擦，有效控制並降低切削阻力。在相同參數配置的無超音波加工下，刀具連續接觸工件，不易排屑，且容易出現材料回填的狀況，造成磨棒嚴重積屑，切削力減弱，加工時刀具擠壓材料，導致切削阻力增加，不僅影響工件品質，刀具也會嚴重磨耗。了解更多石英玻璃微流道擺線磨削加工案例石英玻璃：微鑽孔加工圖13. 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14. 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。了解更多石英玻璃微鑽孔加工案例 石英玻璃：深鑽孔加工圖15. 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16. 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。了解更多石英玻璃深鑽孔加工案例   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17. 漢鼎超音波加工驅動模組了解更多漢鼎超音波加工模組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18. 漢鼎超音波加工刀把改善加工效率、工件品質及刀具壽命：歡迎聯絡我們