五、 結果與討論
5.3 成形視窗(Molding Window)
為了解本研究射出成形實驗所需之參數設定，將實驗中不變動之兩項重要參數進行成 形視窗探討，待成形視窗繪出，取適當之條件定為實驗固定參數。
射出成形實驗，需考量各項成形參數，例如，熔膠溫度及射出速度等，各項參數設定 皆與成形品質息息相關。實驗為得到穩定之成形參數，將射出速度、料管溫度進行成形視 窗實驗；其它參數如：冷卻時間、保壓壓力、保壓時間、螺桿計量轉速與計量背壓等，於 實驗前與實驗進行中調整後訂定。
本文為尋求成形之穩定與重現性，實驗以不超過塑料建議成形溫度範圍與射出機台之 成形穩定性為取捨界線，材料建議成形溫度230~270 ℃與射出機之成形螢幕中顯示之最大 射出壓力與螺桿位置重現性加入取捨考量。成形視窗實驗結果如圖 5-4 所示，在射出速度 15mm/sec 以及料溫 230℃以下成品容易發短射，而在 40mm/sec 以上由於因較高的剪切率 產生，使得微結構被破壞，且成品易產生氣泡。
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圖5-4 多尺度導光元件之成形視窗 5.5 四吋鍍鋁矽晶圓 PAA 模板製作結果
本實驗以鍍鋁矽晶圓做為實驗基材，使PAA孔洞成長的空間受到鍍鋁矽晶圓薄膜厚度 的限制，首先先訂立預孔洞參數，由先前研究[4]訂立出預孔洞參數的時間以及環境參數，
如表5-2所示，製作出之預孔洞如圖5-5所示，確定預孔洞參數後，接著再設計後續陽極與蝕 刻擴孔時間，製作出具抗反射結構之PAA模板。第一次陽極處理1min所得之PAA厚度為 474nm，成長速率為7.9nm/s，製作預孔洞圖案後，接著進行第二次陽極處理1min可觀察到 如圖5-6所示，PAA成長厚度分別為305nm，成長速率為5.07nm/s，由此得知，隨著陽極處 理次數越多次，成長速率也會隨之下降，推論是因為隨著鋁薄膜厚度變薄，導電度也會隨 著下降所致結果；蝕刻擴孔製程中將熱磷酸溫度維持在38℃，分別用5分鐘、8分鐘、10分 鐘的時間蝕刻PAA層，得到第二次陽極處理後蝕刻擴孔的形貌，PAA移除的情形如圖5-7所 示，其中蝕刻1~5分鐘時蝕刻速率為0.02nm/s，蝕刻5~8分鐘時蝕刻速率為0.0611nm/s，蝕刻 8~10分鐘時的蝕刻速率為0.158nm/s，蝕刻速率隨著時間而增長，並計算出平均擴孔速率為 0.0797nm/s，移除PAA的蝕刻速率如表5-3所示
表5-2 預孔洞參數
Electrolyte 0.1M (Oxalic acid) Voltage 80V
Temperature 3℃
Anodizing Time 1min Remove PAA Time 22min
圖5-5 預孔洞形貌
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圖5-6 第二次陽極處理 1mim 後 PAA 厚度
圖5-738℃磷酸移除(a)第二次陽極處理 1min 後表面，(b)5min，(c)8min，(d)10min 表5-3 實驗陽極處理 60 秒之擴孔參數
Design parameter of removal PAA time
Value Y1 Y2 Y3 Yave
5min 55nm 55nm 60nm 57nm 8min 68nm 70nm 67nm 68nm 10min 87nm 87nm 86nm 87nm 利用第一、二次陽極處理氧化速率值與移除所得蝕刻、擴孔速率值製作具抗反射結構 之4 吋 PAA 模板，模板第二次陽極處理時間為 110sec，第二次擴孔時間為 14min，由圖5-8 中可以看到柱狀(Colimnar)的抗反射結構形貌，經由影像分析軟體分析之後發現，此參數製 作之4 吋 PAA 模板的大徑(D’)為 100nm、間距(P’)為 120nm、高度(L’)為 227nm，製作 4 吋 PAA 模板使用之製程參數如表5-4所示，此4 吋 PAA 模板的抗反射柱狀結構特徵於表5-5 中做整理。
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圖5-8 具抗柱狀抗反射結構之4吋PAA模板(a)上視與(b)剖視圖
表5-4 4吋PAA模板製程參數 Design parameter of PAA template
Anodization parameters
60s,80v,0.1M Oxalic acid 3℃
First Anodization
time 60sec Removal PAA
time 22min Second
Anodization time 110sec Second pore
widened time 14min 表5-5 4吋PAA模板形貌尺寸 4 inch PAA template with columnar shape
anti-reflection structure
Diameter 110nm Pitch 122nm Length 226nm Aspect ratio of d” 2.3
5.6 光學性質量測結果 (1). 照度量測結果
經由成形模流分析配合視窗實驗及完成PAA 模板製作後，本實驗依照模溫、
料溫、射速、保壓時間制定出六組參數進行實際具抗反射微結構之多尺度導光元件 成品射出，所制定的參數如表5-6所示。
表5-6 具抗反射微結構之多尺度導光元件成品射出參數
No. Mold temperature Melt temperature velocity Packing time Cooling time
1 60 235 15 4 35
2 60 245 20 6 35
3 60 255 25 10 35
4 80 235 20 10 35
(a) (b)
PAA Al
12
5 80 245 25 4 35
6 80 255 15 6 35
而在表5-7內所示的為透過以上六組參數進行實際射出後的具抗反射微結構之多尺度 導光元件成品，並經由如圖5-9所示的量測方法所得到之光照度值，由表中數值可得知組別 1至5組所製作的具抗反射微結構之多尺度導光元件所測得之光照度不但沒有增加反而低於 未加微結構之多尺度導光元件，造成此種現象的原因為在此五組成品表面皆有明顯的收縮 形貌，而在光學產品中收縮會造成光路的改變進而改變本實驗所設計之多尺度導光元件的 導光集光效益，並且表面之收縮亦會造成微結構的複製率降低甚至無法複製之情形，導致 相較於無結構之多尺度光學元件之光照度不增反減之現象，再經觀察第6組的成品後可發現，
因為此組的入光面表面收縮現象極為鮮少幾乎無法以肉眼判斷，在經過光照度實驗後可得 到其導光後之光照度為403lux相較於無結構之多尺度導光元件的266lux上升了137lux，相對 提升了約34%的光照度，經由上述方式判斷力用第6組參數所製作之多尺度導光元件表面會 有具抗反射功能之微結構，為印證此推斷正確性隨後將會以SEM進行表面微結構的觀察，
結過將於5.7節作闡述。
表5-7 多尺度導光元件光照度量測數據 No. Illumination(lux) Ref. 266 1 220 2 170 3 235 4 257 5 260 6 403
(2). 殘留應力量測分析
藉由數位應力光彈儀搭配先前實驗室自行開發之殘留應力檢測軟體量測成品殘留應力 值，其量測位置如圖5-10所示，光彈量測結果如表5-11所示，由結果可知因成品外型厚度 變化差異甚大，故導致殘留應力變化劇烈。圖5-12為各組殘留應力量測結果。
圖5-10 實際光彈測量位置圖
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表5-11 多尺度導光元件光彈量測結果 組
別 量測照片 組
別 量測照片
1 4
2 5
3 6
圖5-12 各組實際條紋階級與殘留應力量測結果
14
5.7 次波長結構轉寫率量測結果
將完成的4吋PAA模板以雷射切割成41mm×43mm之矩形，並於表面鍍上約30nm的鋯基 金屬玻璃，幫助在做微結構射出成形時能順利脫模，最後將裁切好的PAA模板置入模具內 同時配合先前以模流分析軟體所制定的成形參數進行具抗反射微結構之多尺度導光元件的 實際射出，4吋PAA模板、鍍上金屬玻璃之矩形PAA模板及製作出的具抗反射微結構之多尺 度導光元件外觀如圖5-13(a)至圖5-13 (c)所示。
經過 SEM 觀察多尺度光學元件成品表面後期表面複製之微結構形貌如圖5-14 所示，
以影像分析軟體分析多尺度光學元件成品表面微結構的直徑、間距與高度的估算值並與 PAA 模板做形貌比對並整理成表5-10，可觀察到反向壓製後AR Lens 的大徑、間距及高度 與 4 吋 PAA 模板無太大差別，其中誤差較大的為高度，誤差達 8.8%，原因推測是因為在 射出成形中的熔膠為高溫的黏彈體，當熔膠進入模穴後與溫度較低的模壁接觸後會使黏度 增高導致不易充填入PAA 模板之微結構孔洞，同時在結構內含有空氣在充填時會使融膠無 法充填至最尾端，推測以上兩原因為造成微結構高度複製上產生較大誤差的主因。
圖5-11 (a)4 吋 PAA 模板(b)經切割和鍍上 30nm 金屬玻璃之 PAA 模板(c)表面具抗反射微結 構之多尺度導光元件
圖5-14 (a)4 吋 PAA 模板與(b)多尺度導光元件表面抗反射微結構之 SEM 圖 表5-10 4 吋 PAA 模板與多尺度導光元件表面抗反射微結構形貌比對
Comparison Table 4 inch PAA
template(nm) Anti-reflection structure
on the surface(nm) Error(%)
Diameter 110 106 3.6%
(a)
(b) (c)
(a) (b)
PAA Al
15 冷卻時間，導致成形週期甚長，未來可針對模具進行修改，結合變模溫技術(Varithermo Mold Temperature, VMT)，以減少成形週期、收縮及翹曲的發生。
七、 參考文獻
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計畫查核點自評表
重要工作項目 查核內容概述（力求量化表示）
實驗規劃與設計 設計實驗流程以及相關儀器找尋
導光元件流澆道設計 進行導光元件之流澆道設計
導光元件網格製作 將導光元件3D圖檔匯入Rhino製作網格 導光元件模擬分析 進行初步模擬分析，訂定成型參數
導光元件模具設計
設計符合機台規格之模具 晶圓放置方式設計
水路設計 射出成形模具設計與
發包 與模具廠討論開模及模具材質等事宜
射出成形實驗
(無微結構) 進行無微結構之導光元件射出
PAA模板製作 製作結構模板
SEM拍攝 將PAA模板進行SEM拍攝 射出成形實驗
(有微結構)
將晶圓放置模具內進行有微結構之導光 元件射出實驗
實驗數據整理 射出實驗數據整理
SEM拍攝 導光元件進行SEM拍攝(微結構)
穿透率量測 導光元件進行穿透率拍攝並比較
(有、無微結構)
光彈量測 導光元件進行光彈量測(微結構)
量測數據整理 整理所有量測數據並比較
結案 撰寫結案報告
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表C012A-3 共 頁 第 頁
附錄 A 全電式射出成形機
FANUC ROBOSHOT α-15iA
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附錄 B Asahi Kasei Delpet 80NH PMMA 物性表
Analysis on Injection-Compression Molding for Aspheric Optical Lens
Chao-Chang A. Chen1, Shao-Hua Chang2
1. Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei 106, Taiwan
2. Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University of Science and Technology, Taipei 106, Taiwan
NSC: 100－2221－E－011 －028 ABSTRACT
Currently most polymer optical lenses can be manufactured by injection molding(IM) or injection compression molding(ICM) to achieve high throughput and low cost. However, the residual stress induced by IM/ICM is a critical problem for obtaining a stable dimension, especially for reducing warpage and desired optical property. This paper is to investigate the
Currently most polymer optical lenses can be manufactured by injection molding(IM) or injection compression molding(ICM) to achieve high throughput and low cost. However, the residual stress induced by IM/ICM is a critical problem for obtaining a stable dimension, especially for reducing warpage and desired optical property. This paper is to investigate the