超音波振動輔助加工 ultrasonic vibration assisted …...4/21/2016 1...
TRANSCRIPT
4/21/2016
1
超音波振動輔助加工與雷射製程最佳化應用於藍寶石材料加工
Ultrasonic vibration assisted machining and laser optimal
processing for sapphire material
金屬工業研究發展中心簡瑞廷副組長
京碼公司李俊豪博士
超音波振動輔助加工Ultrasonic vibration assisted
machining
金屬工業研究發展中心簡瑞廷副組長
2
4/21/2016
2
觸控面板發展歷程2007年以前 2007年 2012~2015年 2015年
電阻面板
塑膠面板
5.5”: 3~5 USD/片
平面電容面板
強化玻璃
曲面造型
觸控面板、保護蓋
電容面板
藍寶石基板
5.5”: 5~10 USD/片
5.5”: 100~150 USD/片
2吋曲面50~100美元
保護蓋材料特性比較
3
• 目前藍寶石基板應用產品：
1. Apple Watch，錶面保護蓋。
2. Iphone5、Iphone6相機模組保護蓋、指紋辨識蓋。
3. 華為智慧手機(P7)、智慧手錶(ZT)
強化玻璃 藍寶石
莫式硬度 7 9
密度 Kg/cm^3 2420 3980
折射率 1.51 1.76
彈性係數 GPa 69.3 345
剪力係數 GPa 28.5 148
強化玻璃內外應力不平均，加工極為困難。
藍寶石加工研發聯盟架構
4
晶棒切片/成形/拋光
加工設備(超音波刀把、主軸、雷射
加工)
(丸榮、邁鑫、京碼、承澔)
刀具、耗材(台灣鑽石)
超音波主軸超音波刀把
1. 因應未來手持式與可攜式應用產品裝置的市場需求，以及解決未來藍寶石殼蓋成形技術及產能良率問題。於2015/12/01籌組研發聯盟。
2.招募國內相關從事藍寶石基板生產、加工、應用等廠商。垂直整合供應鏈資源。成為研發、技術、加工之服務平台。
鑽石研磨棒
CNC加工
預期效益
1. 加工模組設備業者：因應
每年2000萬片以上保護
蓋需求。每片加工工時
0.5小時，對應加工設備
需求6000 組/年。可創造
15億元之年產值。
2. 面板加工業者：所建立藍
寶石曲面鏡面加工技術。
市場預估，計產值新台幣
20億元/年。
3. 智慧型手機、面板業者：
2015年apple watch出貨
量1390萬台計算。約可
創造新台幣200億元/年
之產值。
4/21/2016
3
藍寶石基板切割
四吋雙拋藍寶石基板
智慧型手機相機 cover lens
(左：直徑12mm，右：直徑8mm)
Cover Screen
Cover lens
5
超音波振動輔助加工的原理
主軸切線速度(m/s)
軸向速度(m/s)
進給量(mm)
進給速度(mm/min)
最大材料移除率 (mm3/min)
時間(min)
傳統加工 565 0 0.005 1,500 3 34
超音波加工 113 1,507 0.25 20 800 13
藍寶石加工驗證比較
超音波振動輔助加工原理
6
1. 超音波具有二維方向切削效果，材料移除率高。2. 切削應力小，低應力殘留，產品良率高。
4/21/2016
4
國際領先指標與產品現況
7 資料來源：多賀電気
F=51kHz Amp=8μm or more
性能が向上しました、超硬棒4ミクロン以上焼入れ鋼棒8ミクロン以上出ます。
7
8
資料來源：多賀電気
國際領先指標與產品現況
8
4/21/2016
5
國際領先指標與產品現況
9 資料來源：多賀電気
9
藍寶石基板取片實測結果
10
20KHz超音波取片
無超音波取片
雷射取片
轉速 (rpm) 6,000 30,000 -
取片速度(秒/片)
20 20 5
刀具壽命(片/隻)
Φ6mm鑽管
100 15 燈管壽命10,000
小時
脆邊量(規範<0.05mm)
<0.01mm 0.1~0.2m
m
<0.01mm
價格比 1 6 1.5
無超音波取片 40X
20KHz, 6000rpm 超音波取片 160X
導角
脆邊量<0.01mm
脆邊量0.1~0.2mm
10
4/21/2016
6
藍寶石基板銑削實測結果
Max. chipping<0.01mm
11
藍寶石基板銑削實測結果
加工條件:
試片尺寸：直徑50.8mm x1.2t
轉速：6000rpm
進給速度(mm/min)：F160
進給量 (mm)：0.01 面銑刀具：直徑3mm平頭,柄徑3mm
#200中空鑽管超音波強度：6
加工條件:
試片尺寸：直徑50.8mm x1.2t
轉速：6000rpm
進給速度(mm/min)：F100
進給量 (mm)：0.01 銑溝刀具：直徑1mm圓頭,
柄徑6mm #400
超音波強度：6
刀具磨耗情形
刀具磨耗情形
12
4/21/2016
7
藍寶石基板銑削實測結果
加工條件:
試片尺寸：直徑50.8mm x1.2t
轉速：6000rpm
進給速度(mm/min)：F100
進給量 (mm)：0.01 銑溝刀具：直徑1mm圓頭,柄徑6mm #200
超音波強度：6
刀具磨耗情形
13
藍寶石基板銑削實測結果
14
脆邊量< 0.01mm傳統銑削 20KHz超音波
銑削
轉速 (rpm) 30,000 6,000
進給速度(mm/min)
20 1,500
材料移除率(um/rpm)
3 800
鑽石號數 #500 #500
Cycle time (min) 34 13
刀具壽命 (pcs/支) 1 3
20KHz超音波銑削與傳統銑削比較，速度提升2.6倍
160X
160X
14
4/21/2016
8
橢圓超音波振動輔助加工Ellipitical ultrasonic vibration
assisted machining
15
橢圓超音波振動加工原理簡介
資料來源：名古屋大學
16
4/21/2016
9
製程周邊設備介紹
Precitech
Nagase-i
超音波刀頭 超音波控制器
波型產生器
雷射Sensor
17
橢圓超音波路徑補正模組開發
橢圓軌跡模擬 過切量分析 加工路徑計算
加工速度評估 振幅大小評估 綜合誤差分析
18
4/21/2016
10
橢圓超音波振動輔助加工應用
19
項次 曲率半徑 (mm) 轉速 (rpm) 進給 (㎜/min) 深度 (㎛) 加工次數
1
3.8 150 0.95
4 3
2 2 2
3 1 3
中心表面粗糙度 Ra 8.968㎚(理論值Ra 5nm)
整體Ra值 35.920㎚石英切削試加工
石英玻璃加工測試Quartz，HardnessHV1100~1200，Diamond turning
20
4/21/2016
11
Processing of Soda-lime Glass
資料來源：多賀電気
21
Processing of optical glass lens
資料來源：多賀電気
22
雷射製程最佳化用於藍寶石材料加工
Laser optimal processing for sapphire device
李俊豪 博士 Dr. Li (Owen) 京碼股份有限公司負責人 Hortech company
雷射加工 Laser micromachining
公司簡介
• 京碼股份有限公司自1995開始，從事雷射激光精密機械及智能製程產
業創新開發，研發有關綠色製造技術，使用雷射激光乾式蝕刻智能精
密機台及製程最佳化應用之相關技術。
• 專利佈局在雷射高良率精密機械結構、等能量脈波同步運動之雷射加
工控制、雷射加工製程最佳化、及雷射精密掃描或切割聚焦光路等技
術產品，提供整體方案在機構、電控、製程、及光路。 期待使用綠色
技術及環保觀念之夥伴共同創造新商機。
服務內容
產 品 介 紹 /雷射精微加工系統 /大功率雷射工具機
• 雷射精微加工系統
上下/翻面載台 機械手臂 加工系統
專利機台
• ..\影片\T2M1-1單平台全流程.avi
• ..\影片\DITO雷射圖案.wmv
• ..\影片\雷射玻璃切割.avi
藍寶石案例(I)實績-試製程之樣品 厚度0.4mm
藍寶石晶圓划線切割
藍寶石案例(II)實績- Sapphire 棒
藍寶石元件精微加工-A
藍寶石元件精微加工-B
整合技術服務-光、機、電、控制、軟體、製程
雷射加工製程最佳化
您長期夥伴-雷射製程方案整合提供者
• 提出需求及品質標準
• 雷射製程設計
• 雷射加工可行性測試
• 雷射量產機台設計或代工設計
• 交貨安裝及製程技服
• 持續精進協同未來發展需求