應用可自發熱模仁的微結構製品的成形與收縮特性

自發熱矽基模仁最初的設計主旨是為了解決垂直薄壁的脫模問題，而 成形品與矽模仁的夾持應力問題則起源於兩者材料不同的收縮率，所以本 節將針對成形收縮特性作詳細的討論。實驗條件為料溫 250℃、模溫 120

℃、射出壓力與主射出壓力皆為 60MPa、射出速度 25ccm/sec、主射出壓 力的持壓時間 60sec、鎖模力在射出階段為 100kN、主射出及保壓階段的 鎖模力皆200kN、冷卻速率 32℃/min，當塑料射出完成後，執行保壓冷卻 到 106℃固化點時，始開啟外加功率加熱矽晶模仁表面，使模仁近旁的成 形品表面維持在玻璃轉移溫度以上。為防止過高溫的熔融缺陷，其表面溫 度設定約在 140~150℃之間，各試片外加之加熱功率停止點則依照模具冷 卻參考溫度的指定開模溫度點，範圍在97~26℃之間。

圖 84 為 4 倍與 8 倍深寬比的微結構在各種開模溫度下的收縮量量測 結果。從圖84(a)深寬比 4 的微結構收縮結果，整體來看似有點紊亂，若與 第三章收縮討論比較，可發現各脫模溫度的收縮特性較為線性，也因為如 此，收縮的趨勢便有意義，而不是毫無規則的收縮率曲線；圖 84(b)是深 寬比8 的微結構的收縮結果，主要針對圖 84(a)具有較低斜率的溫度範圍進 行驗證，它提供較為詳細的開模溫度範圍，從圖上可發現60℃的量測位置 在 100~1100μm 之間有微量的膨脹(收縮為負值)，其可能的原因有二，一 為保壓鎖模力在此條件下的成形使比容略為變大，二為量測儀器解析度 (1μm)無法滿足量測精度需求(0.2~0.1μm)。不過從實驗結果中發現，65 與

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60℃在模具分模時的狀態，其脫模行為是自然分離且細部微結構無損壞，

再由收縮結果判定，初步可印證低收縮率與脫模問題兩者的關係。

圖 85 是針對 4 倍及 8 倍深寬比微結構的線性趨勢線斜率作比較；4 倍 深寬比結構在脫模溫度 97℃的收縮率比常溫 26℃收縮率小，顯示操作外 加功率直到模具冷卻到常溫才停止，不一定會有較低的收縮率，這應該是 模具從高溫降到常溫時，製品微結構表面與基部的溫度梯度太大所造成；

此外，在 69℃發現有比較低的收縮結果。為了證明其正確性，實驗以 8 倍 深寬比模仁成形針對 60~80℃的開模溫度點進行驗證，發現在 65 與 60℃

在開模時，製品完全不會與晶片黏滯而使澆口斷裂，量測收縮結果證明實 驗獲得相當低的收縮率，尤其以60℃的斜率更是逼近到 0，由此証明，以 此種加工方式可達自然脫模狀態，且其脫模溫度可能在 60~65℃之間。晶 片表面發熱的另一功能是對每一微結構具有釋除內部應力的效果，可使成 形微結構的壁厚略為變小而順利脫模。所謂自然脫模是模具在分模時，製 品與模仁彼此可正常分離，不會造成微結構或澆口的損害或變形。

另外，若以沒有外加加熱功率的微成形而言，從第三章收縮討論歸納 的問題發現，成形壓力大可使收縮較線性，然而對微結構內部應力釋除則 無特別的效果；模溫愈高，收縮量及曲線變化皆大；模溫愈接近T_g點，則 收縮量愈低，但收縮量曲線變動大且無法自然脫模；經由新型模仁外加加 熱功率的改善，可使塑膠微射出成形在較低的成形壓力和較低的模具溫度 下加工，並獲得低收縮率且可自然脫模的成形品質。

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(a)

(b)

圖84 各種開模溫度條件下的微結構的收縮量，微結構深寬比(a)4 倍，(b)8 倍。

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圖 85 深寬比 4 倍及 8 倍的成形微結構的線性收縮趨勢斜率比較。

圖 86 為製品在模仁的微電熱線加熱後，仍持續冷卻到 82℃的開模溫 度所形成的剪切破壞，其位置距中心 2000~2200µm，原因應該是開模溫度 太高。當開模溫度降到 64℃開模，量測距中心 2000~2200µm 位置，其收 縮破壞明顯改善，由圖 87 證明了在合適的開模溫度，可有效的控制收縮 品質。另外一提的是，為了達到 P-V-T 控制，冷卻階段的鎖模力也是成形 中必備的條件，它使得 Tg 點以下的固化製品產生預壓應力(prestress)，並 使模具開模後的溫度直到常溫之間的微量收縮得到平衡。

圖86 在模溫 82℃開模所得的成形微結構，在距中心 2200µm 位置處其結 構根部被剪斷的收縮破壞。

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圖87 距中心 2200µm 位置在 64℃開模溫度下獲得完全無收縮剪斷的 製品。圖 88 是使用本研究所開發的新型模仁，並於冷卻過程中運用其發 熱功能所得深寬比6~8 的微成形結果。在 8×8mm²的矩形成形面積內，9E 是距離中心最遠的位置，局部放大照片顯示它在95℃開模溫度受到冷卻收 縮的變形結果，由圖可清楚的看出外加的加熱功率使高分子微結構軟化，

但是沒有底部收縮剪切或拔斷的成形缺陷。5Ｃ及 1A 的局部放大照片顯示 在 60℃合適的開模溫度所得的成形品其中心與邊界區域都能完好的脫 模，甚至如密集區 1E 也能獲得極佳的成形微結構。不過，冷卻過程中如 果模仁的發熱條件不當，除了無法避免如圖 77 中所發生的成形缺陷，過 度的發熱也會招致如圖 83 的結果，可藉由調整冷卻過程中模仁的加熱時 間點或以不同的波形頻率來予以改善。

本研究以微結構深寬比分別為 2、4 和 8 倍，模仁尺寸與微結構配置 皆如圖 88 左側所示的模仁為例，進行探討所開發的新型模仁的適當發熱 條件，並設定模仁的發熱功率範圍在 4.4~12 瓦之間，得到圖 89 應用自發 熱模仁所獲得的成形操作窗。圖中顯示在微結構壁厚相同的情況下，2 和 4 倍深寬比的成形微結構自然脫模範圍顯然比較大，應該是微結構較能承 受收縮力；8 倍深寬比由於結構脆弱，控制收縮的條件變得非常嚴謹，因 為它很容易受到平行側壁的脫模剪切力而斷裂，或者是垂直側壁的收縮剪 切造成的底切破壞或軟化變形，所以深寬比越大則模仁的適當發熱條件越 嚴苛。

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圖88 新型模仁位置標定圖(左圖)，右圖是冷卻過程中運用自發熱功能在 不同位置所得的微成形轉印結果。

1E

9E

1A

5C

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(a)

(b)

(c)

圖89 運用新型模仁於微成形時的適當發熱條件操作窗，微結構壁厚為 2μm 其(a)深寬比 2，(b)深寬比 4，(c)深寬比 8。

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實驗結果得知，微/次微米結構成形加工時，於冷卻階段利用外加加熱 功率使晶片模仁表層局部快速的發熱，對於冷卻固化中的高分子材料表 層，可有效的釋除熱收縮應力，獲得高精度、穩定的微結構製品，本研究 的實驗證實在特定的功率範圍條件下加工可獲得8 倍深寬比高度的完美脫 模結果。相對於一般沒有特殊發熱機制的成形結果，本實驗以精微控制成 形材料各部分的冷卻速度和先後順序，可正確的達到避免產生或釋除應力 的效果；從量測製品與模仁的收縮結果，得知獲得收縮量變化小且呈線性 的良好品質，對於控制收縮率有正面的效果；在嚴謹的發熱條件與執行壓 力-比容-溫度的控制下，可穩定獲得面積 8×8mm²、可自然脫模的高精度高 深寬比的塑膠微結構製品。

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