1. Inledning
Dubbelsidig polering (DSP) är det sista och viktigaste steget i den mekaniska bearbetningen av skivor av smält kvartsglas. Det är också det längsta bearbetningssteget och spelar en avgörande roll för slutproduktens kvalitet.
Under denna process är vanliga ytdefekter bland annat gropar, repor, kantflisning, sprickor och fullständiga skivbrott. Av dessa kan gropar och repor ofta minimeras eller till och med repareras genom processoptimering och miljökontroll. Kantflisning, sprickor och skivbrott är dock irreversibla defekter som direkt leder till att skivorna kasseras.
När det gäller ultratunna skivor av smält kvarts är sprickrelaterade defekter fortfarande den största utmaningen för att uppnå hög avkastning och stabil produktion.
2. Olika typer av frakturdefekter
Frakturdefekter i glasplattor omfattar i allmänhet tre kategorier:
- Kantflisning (kantbrott)
Definieras vanligtvis som synliga skador på kanterna eller saknade fragment som är längre än 0,3 mm. - Sprickutbredning
Sprickor uppstår ofta vid flisade kanter och breder sig gradvis in i skivans inre. - Fullständig fraktur (brott)
Om sprickorna sprider sig under belastning i samband med vidare bearbetning eller hantering uppstår ett katastrofalt fel på skivan.
I industriell praxis klassificeras en kiselplatta vanligtvis som en defekt produkt och tas bort från vidare bearbetning så snart kantflisning upptäcks, eftersom risken för fel i efterföljande steg är stor.
3. Frakturens uppkomst vid dubbelsidig polering
Under DSP-processen genomgår kiselskivan en komplex rörelse som styrs av:
- Rotation av den övre plattan
- Rotation av den nedre plattan
- Solhjulets rotation
- Rörelse hos drivhjulet (planethjulet)
Under dessa förhållanden utsätts skivan för en kombinerad rörelse bestående av rotation och egenrotation, vilket gör en exakt spänningsanalys mycket komplex.
Produktionsstatistiken visar dock en tydlig trend: sprickor uppstår nästan alltid vid kanten av kiselskivan. Detta tyder på att kiselskivans kantstyrka är den avgörande faktorn för sprickbeteendet.
4. Kantstyrka som den avgörande felorsaken
Hur motståndskraftig en skiva av smält kvarts är mot sprickbildning beror främst på dess kantstyrka.
För att förbättra den mekaniska stabiliteten utsätts skivorna vanligtvis för kantfasning (avfasning), vilket bidrar till att minska spänningskoncentrationen vid kanterna. En korrekt utformad fas förbättrar brottmotståndet avsevärt.
Men även med kantskydd kan felaktiga bearbetningsparametrar eller alltför stor mekanisk belastning fortfarande leda till att skador uppstår i det fasade området.
5. Spänningsanalys vid kanten av kiselskivan
Under DSP utsätts kanten på kiselskivan för en kombination av krafter:
- F₁: Vertikal tryckkraft
Orsakas främst av poleringstrycket från den övre plattan. - F₂: Horisontell kraft
Orsakas främst av centrifugalkrafter under rotation och reaktionskraften från bärarsystemet.
Vid den avfasade kanten kan dessa krafter delas upp i följande:
- Normalkrafter vinkelräta mot fasytan
- Tangentiella krafter parallella med fasytan
Det sammansatta spänningstillståndet kan uttryckas som en superposition av:
- Normal spänning (tryck- och dragkomponenter)
- Skjuvspänning (glidkomponenter)
När dessa spänningar överskrider den mekaniska hållfasthetsgränsen för smält kvarts uppstår sprickbildning, som vanligtvis börjar vid kanten och sprider sig inåt.
6. Felmekanismer i ultratunna skivor
För ultratunna skivor av smält kvarts (vanligtvis med en tjocklek på < 0,3 mm) ökar risken för brott avsevärt på grund av flera faktorer:
6.1 Minskad konstruktionshållfasthet
När tjockleken minskar minskar skivans totala mekaniska styvhet avsevärt, vilket gör den mer känslig för yttre påfrestningar.
6.2 Minskat skyddsområde för fasning
Ultratunna skivor har en betydligt mindre fasvolym och kontaktyta. Detta leder till att den skyddande effekten av kantfasningen försvagas.
6.3 Ökad spänningskoncentration
Under samma poleringsförhållanden:
- Kontaktytan minskar
- Den lokala spänningen per ytenhet ökar
- Spänningskoncentrationen vid kanten blir betydligt högre
Detta leder till en snabb ökning av både normal- och skjuvspänningen vid kanten.
7. Slutsatser
Sprickbildning i skivor av smält kvartsglas under dubbelsidig polering orsakas främst av för hög spänning vid skivans kant. När de sammanlagda normal- och skjuvspänningarna överskrider materialets mekaniska hållfasthetsgräns uppstår kantflisning, sprickutbredning och slutligen brott.
Ultratunna skivor är särskilt känsliga på grund av sin minskade tjocklek, försvagat kantskydd och ökad spänningskoncentration.
För att förbättra utbytet av kiselskivor krävs därför ett starkt fokus på:
- Optimering av kantstyrka
- Förbättring av fasutformningen
- Reglering av poleringstrycket
- Optimering av rotationshastigheten
- Förbättring av processstabiliteten
Genom att noggrant kontrollera dessa faktorer kan risken för sprickbildning minskas avsevärt, vilket leder till högre utbyte och förbättrad tillverkningssäkerhet vid tillverkningen av skivor av smält kvarts.
