主射出壓力的持壓時間對微射出成形特性的影響

前人的研究報告中曾提到塑料 PMMA 在模溫 260℃，射出壓力 230MPa 極高壓的狀態下，線寬 50µm 薄流路的充填形態並非快速充填，

而是必須持以長時間的射出壓力，使其緩慢地進入模穴[67]。在此提到的 射出壓力實為本研究定義的主射出壓力，此意味著主射出壓力的持壓時間 是微成形另一個重要參數，厚度在50µm 以下的微結構必須以高模溫、高 射出壓力及長的持壓時間來完成充填。

在高於 T_g的模溫及強大的射出壓力下，主射出壓力持壓時間的長短在 微結構成形具有主要充填微模穴的效果。由於高分子材料流入側壁所受的 剪切應力隨著深度逐漸的加大，所以充填深度與時間的曲線應為漸逐平穩 的結果。圖24 所示為 PMMA 壁厚 18µm 的結構，在料溫 250℃，模溫 150

℃，主射出壓力 120MPa 持壓時間 15 秒的充填結果。從圖上明顯可觀察結 構中心嚴重的收縮，造成兩側壁面聳立，中間區形成特別明顯的凹槽空洞 等現象，這種結構在脫模後，結構兩旁薄的側壁容易形成頂形變形的V 形 缺口，這是因為在比較短的持壓時間條件，充填在薄流路結構內部的高分 子密度不足，即進行冷卻保壓過程，使得接觸模仁側壁的高分子表層快速 固化，結構基部因為分子順向性，使得熱收縮行為在密度不足的條件下特 別明顯。圖25 為相同條件下，主射出持壓時間增長到 30 秒，可看出 V 形 缺口收縮明顯減少，取而代之為山脊頂部，結構密度已明顯提升，只是結 構頂部尚未充飽；圖 26 為同樣情況下，主射出持壓達 60 秒，觀察深寬比 12 倍結構的頂部發現，在完整的主射出壓力傳遞條件下，幾乎可完全地轉 印矽基模仁溝槽底部造形。這種持壓時間不同於一般傳統成形，因為本實 驗以相同的射出投影面積及厚度比較，一般成形持壓時間很少超過 5 秒。

此外，針對前述 V 形缺口瑕疪，唯有在厚度為 20~10µm 之間的微米尺度 結構特別明顯，在10µm 以下直到次微米尺度，皆未有此現象發生。

- 39 -

圖24 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 15 秒的條件下，壁厚 18μm 的微結構的射出成形結果。

圖25 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 30 秒的條件下，壁厚 18μm 的微結構的射出成形結果。

圖26 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 60 秒的條件下，壁厚 18μm 的微結構的射出成形結果。

圖 27 是主射出壓力的持壓時間對於微結構的可成形深寬比的關係。

條件為料溫 250℃，模溫 150℃，主射出壓力 120MPa，持壓時間在 30 秒 以內者，隨著持壓時間的增長，微結構的可成形深寬比略呈線性成長，惟 結構密度不足；然而當主射出壓力持壓超過 30 秒以後，微結構的可成形

- 40 -

深寬比的增加比例迅速減緩漸呈水平趨勢，但分析內部的結構密度則是隨 時間而增長的。此乃因經過約 30 秒的持壓後，材料對模具的熱傳效果已 使微模穴內的材料溫度降低許多，黏度大幅增大，如欲再提高深寬比，則 愈形困難。顯然，實行主射出壓力操作對於提昇微結構的可成形深寬比有 很大的幫助，足夠的持壓時間長度可使微結構的可成形深寬比達最大值，

該最大值約為沒有施行持壓操作(保壓 1~2 秒以內者)的可成形深寬比的 8~12 倍。

另外，在相同深寬比條件下，模穴厚度縮小到 2µm，則持壓時間有增 加趨勢。當提高持壓時間超過 60 秒以上時，其深寬比並無明顯改善，這 是因為側壁剪切摩擦力可能已達剪切流動平衡點，深寬比不易再加深。

本研究亦探討了其他成形參數例如射出速度等對於微結構成形特性 的影響，在可操作的參數值範圍內，它們的影響並不明顯。整體而言，能 否成功的以射出成形製作所要的微結構，若依其重要性排列，主要是受模 具溫度、其次為主射出壓力及主射出持壓時間長度所影響。圖 28 和圖 29 顯示出壁厚 10µm 及 1.5µm 的 PMMA 微結構射出成形的操作窗。很明顯 地，若要成形製作深寬比大於4 以上的微結構，高於玻璃轉移溫度的模溫 設定是必要的，且為了確保沒有殘留氣泡在成形微結構內，模溫最高不應 超過 155℃。對於壁厚 10µm 等級的微結構之射出成形而言，當模溫設定 低過 120℃時，若要維持深寬比 4 以上，其所需主射出壓力必須設定在 60MPa 以上，其成形窗如圖 28 所示，因此 120℃是一關鍵模具溫度。當成 形對象的壁厚減小至 1.5μm，深寬比同樣要達到 4 以上，則關鍵的模具溫 度就會提高至 130℃，如圖 29 所示。因此，針對 PMMA 工程塑膠，微成 形時可依據所要求成形的深寬比值和微結構壁厚等級選定適當的模具溫 度，這對於減小所需的射出成形機動力以及減短成形週期具有很重大的影 響。

- 41 -

Main Injection Time (sec)

Aspect Ratio Mold Temperature (℃)

Main Injection Pressure (MPa)

AR 0~2 Tg of PMMA hole

圖28 壁厚 10μm 的 PMMA 微結構的射出成形窗。

- 42 - Mold Temperature(℃)

Main Injection Pressure (MPa) AR 0~2

AR 2~4