隨著電子產品的微小化及輕薄化，對具有節省生產成本、高量產性、品質穩定、與增強材料機械 強度之精密生產技術漸漸受到重視，雖然目前技術以矽基微加工技術、LIGA 等微機電相關製程為主 流，但是其複雜繁瑣的製程與昂貴的成本與材料的限制是最大的缺點，而精密車削等加工技術雖可達 到微小尺寸與高精度的要求，但無法達到快速量產的目的以供應市場需求。因此，新製造技術之研發 受到廣泛重視。
微擠製成形是製造微型金屬元件的重要技術，其複雜之材料流動行為受晶粒尺寸、溫度、摩擦與 潤滑效應等多項因素影響。然而，前述之文獻回顧發現，目前微金屬成形之研究主要考慮單一因素，
包括晶粒尺寸、製程溫度與摩擦效應等，對成形負荷、材料流動特性與成品尺寸等之影響，對於各因 素間之交互作用對微金屬成形之效應，並未有一個完整之研究。另外，國內對微金屬成形技術之相關 研究已受到廣泛的重視，但微觀尺度下的材料流動行為與如何選用適當的晶粒尺寸搭配合適的製程條 件以達到控制材料流動之目的，仍然缺乏完整之資料。
本計畫為整合型計畫「金屬微成形製程及其應用之研究」之子計畫二「純銅微擠製製程及其應用 之研究」，其目的在建構一個可控制溫度的微擠製實驗平台，針對微逆向擠製、微雙杯擠製與微前後 向擠製成形，經模擬與實驗方法，探討純銅(JIS C1100)與黃銅(JIS C2600)之製程溫度、晶粒尺寸、胚 料表面粗糙度與潤滑條件對微擠製成形之影響，進而深入瞭解金屬材料在微尺度下的流動行為，做為 微金屬元件之產品開發與模具設計之參考。
二、結晶結構與溫度效應 2.1 材料晶粒尺寸
本研究利用退火製程與等徑轉角擠製(Equal Channel Angular Extrusion, ECAE)製備不同晶粒尺寸 之純銅，在成形溫度分別為25、200 與 400 ºC 下進行微逆向擠製與微前後向擠製，以瞭解晶粒結構與 溫度效應微擠製製程之影響。將純銅(JIS C1100)棒材經由放電線切割機製備胚料後，為避免純銅在退 火過程氧化，故先施以石英真空封管，分批置入熱處理爐進行退火處理(如圖 2-1)，退火溫度分別為 580 與 800 ºC，經持溫時間為 2 小時後以爐冷冷卻。
圖2-1 真空封管實體圖與加熱爐
等徑轉角擠製是一種晶粒細化製程，將材料經L 型之等徑通道進行擠製，使材料獲得大量的塑性
應變，再搭配熱處理製程使材料達到晶粒細化的目的。其模具設計最重要的兩個部份分別為通道夾角
與外側弧角 ψ (如圖 2-2 所示)。本計畫採用之等徑轉角擠製模具通道夾角為 90°，外側弧角 ψ 為 40°，
利用BC 路徑方法在常溫下對試片進行 6 道次的擠製。累積的等效應變約為 5.88。試片經過六道次剪
應力的能量累積之後，隨即將試片進行160 ºC 持溫一小時退火處理，使試片內部的晶粒結構重新回復
與再結晶，達到晶粒細化的目的。
圖2.2 等徑轉角擠製示意圖與實體圖
經過不同處理的胚料以冷鑲埋處理，經過不同粗度砂紙研磨後，再以拋光機搭配氧化鋁粉進行拋 光，待拋光至鏡面後利用腐蝕液對胚料表面進行腐蝕。蝕刻液配方參考ASTM 規範 E407-70 配製，配 方為NH4OH：H2O2 = 49 cc.：1 cc.。最後以光學顯微鏡觀察其晶粒結構。晶粒尺寸採用 ASTM E112 之截線法(Interception Method)量測，材料經 800 與 580 ºC 退火與 ECAE 製程後，平均晶粒尺寸為 62、
36 與 4 m。金相結構如圖 2-3 所示。
7
圖2-3 不同製程之金相顯微圖
2.2 加熱系統與加熱模具
本研究加熱器選用陶瓷電熱片之加熱系統，其優點具有隔熱效果佳、最小熱損失、加熱溫度分佈 均勻，並且也建立一組能運用於加熱系統的加熱模具，其表面皆作拋光處理。加熱系統與加熱模具實 際組立如圖2-4 所示。其中加熱模具須注意三項要點：(a)為了能承受 400 ºC 高溫和高溫下的高塑性韌 性狀態，將所有模具都進行高溫回火熱處理；(b)加熱時，陶瓷電熱片須與加熱模具緊密貼合，使用時 勿與油、塑膠接觸以防止產生漏電現象。
圖2-4 加熱系統 2.3 材料機械性質
本研究為了得到更精確的模擬結果，利用簡單壓縮試驗取得材料的真實應力-真實應變曲線，作為 有限元素軟體DEFORM 2D 模擬逆向微型擠製成形之材料數據。試片尺寸依據 ASTM E9-89a1規範製 作[29]，採用胚料直徑為 2 mm，胚料高度為 3 mm (如圖 2-5)，其試片之直徑與高度比為 2:3。簡單壓 縮試驗參數如表2-1 所示。
20m 20m 20m
(a) 純銅經 800ºC 退火 (b) 純銅經 580ºC 退火 (c) 純銅經 ECAE 製程
(a) 加熱模座 (b) 溫度控制器
壓縮試驗模具由平板沖頭、壓縮模仁和加熱模座所組成，材料為 SKD61 經過調質熱處理與拋光 處理，如圖2-6 所示。
圖2-6 壓縮試驗實體圖
從三種不同成形溫度對三種晶粒尺寸之真實應力-應變結果顯示，成形溫度愈高則純銅真實應力-應變曲線愈低。圖2-7(a)顯示，在常溫下，經 ECAE 細化之真實應力應變明顯大於未晶粒細化材料，
但當溫度提高到400 ºC 時，如圖 2-7(c)所示，三種晶粒真實應力應變曲線即差異性不大。圖 2-8 為不 同晶粒尺寸對不同成形溫度之試片壓縮後的結果。資料顯示，在常溫下，退火後之純銅晶粒尺寸粗大
化後其結果會使得壓縮後之外緣變得較不規則，但是經過ECAE 晶粒細化後的壓縮外形明顯較圓滑。
當成形溫度的提高，材料更均勻的向外流動，可明顯改善大晶粒尺寸的不規則外形。
圖2-5 壓縮試驗試片
平板沖頭 壓縮模仁
(a) 沖頭與壓縮模仁 (b) 壓縮試驗靜態情況
表2-1 簡單壓縮實驗參數
試片材料 純銅C1100 (1/2H 棒材) Ø 2 × 3 mm
直徑與高度比 2：3
沖頭速度 0.01 mm/sec 壓縮深度 60%、90%
潤滑劑 二硫化鉬(MoS2) 晶粒尺寸(m) 62、36、 4
壓縮溫度 25ºC、200ºC 與 400ºC
9
圖2-7 不同晶粒尺寸與成形溫度之真應力-應變曲線
(a) 成形溫度 25 ºC (b) 成形溫度 200 ºC
(c) 成形溫度 400 ºC
1mm
11
2.4 微擠製實驗
本研究分別利用直徑為 2 mm 與高度為 1.5 mm 之純銅胚料，進行微逆向擠製，並以直徑為 2 mm、
高度為 2.5 mm 之純銅胚料，進行微前後向擠製，探討製程溫度與晶粒尺寸對成品之影響。本研究利
用800 ºC 和 580 ºC 退火與等徑轉角擠製製程製作三種晶粒尺寸分別為 62、36 與 4 m 之純銅胚料，
並利用不同直徑沖頭，製作不同圓杯壁厚之微型成品(圖 2-9)。另外考慮製程溫度對材料流動之影響，
分別以25、200 與 400 ºC 進行擠製。
圖2-9 微擠製成品特徵尺寸(單位：mm) 杯緣
高度 沖頭
直徑
壁厚(0.2、0.1、0.05)
Ø2.0
杯緣 高度
前擠 長度 Ø 1.0
沖頭直徑 壁厚(0.2、0.1)
Ø 2.0
(a) 微逆向擠製成品特徵 (b) 微前後向擠製成品特徵
2.4.1 微逆向擠製
微逆向擠製模具設計概念為沖頭放置母模內，利用電子壓床擠壓沖頭使材料在模穴中受到沖頭的 向下擠壓，導致材料往沖頭與模穴之間隙流動而形成圓杯。其優點是不用擔心沖頭與母模定位問題與
校對時間，整體模具架構如圖2-10 所示。其模具架構包含沖頭、母模、頂出沖頭、頂出銷等元件。實
驗分別以直徑1.6、1.8 與 1.9 mm 三種沖頭進行擠製，以得到不同壁厚之圓杯成品。
圖2-10 微逆向擠製實驗模具
實驗試片為JIS C1100 純銅，直徑與高度為 2 mm 與 1.5 mm 圓柱胚料如圖 2-10(c)，利用不同製 程製備三種不同晶粒尺寸材料進行實驗。實驗中添加水性石墨潤滑劑，沖頭下壓速度為 0.01 mm/s、
壓縮行程分別為1.0 mm(直徑 1.9 mm 沖頭)、1.1 mm(直徑 1.8 mm 沖頭)與 1.2 mm(直徑 1.6 mm 沖頭)，
搭配加熱系統分別進行25、200 與 400 ºC 三種加工溫度的微逆向擠製實驗。
胚料
頂出沖頭 模仁 沖頭
(a) 微逆向擠製模具示意圖 (b) 微逆向擠製模具實體圖 (c) 微逆向擠製實驗胚料
13
2.4.2 微前後向擠製
微前後向微型擠製之模具設計方法與逆向擠製相同，採用沖頭放置母模內，利用平板擠壓沖頭。
完成程序後，再將成品頂出。整體模具架構如圖2-11 所示。此實驗主要改變沖頭直徑、成形溫度與不
同晶粒尺寸之胚料，以探討這些參數變化對成形之影響。
本實驗沖頭直徑分別為1.8 與 1.6 mm，可完成壁厚分別為 0.1 與 0.2 mm 之成品。沖頭使用材質 為SKH9 高速鋼，母模材質之選用方式為主要為嵌入式母模，將碳化鎢模塊嵌入模具鋼 SKD61 內部，
其嵌入式母模原理主要先給予碳化鎢模塊預應力，當鍛造時，模仁承受向外的應力，此時應力互相抵 消，可有效降低整體應力，提高模具壽命。實驗試片為JIS C1100 純銅，直徑與高度為 2 與 2.5 mm，
搭配三種不同晶粒尺寸材料進行實驗。實驗中添加水性石墨潤滑劑，沖頭下壓速度為 0.01 mm/s、壓 縮行程1.45 mm，搭配加熱系統分別進行 25、200 與 400 ºC 三種加工溫度的前後向擠製實驗。
圖2-11 微前後向擠製實驗模具 模仁
胚料 沖頭
頂出銷
三、摩擦與潤滑效應 3.1 微雙杯擠製
微雙杯擠製係將試片置於母模內孔及兩支對向沖頭之間，並以上沖頭向下擠壓試片，下沖頭為靜
止，使材料在模具內產生塑性流動，最後製作具有雙圓杯之成品，如圖3-1 所示。由於下部材料是靜
止，因此材料承受之摩擦力比較趨近於靜摩擦，而上半部之杯部由於沖頭與材料之間有相對速度，其 摩擦現象比較趨近於動摩擦，因此上杯深度會大於下杯。利用上與下杯高度比值(HU/HL)和進給行程與 原試片高比值的關係，將可瞭解摩擦效應對微擠製成形之影響。
本研究針對C1100 純銅線材，經 800、580 ºC 退火製程與 ECAE 技術製作平均晶粒尺寸為 62、
36 與 4 m、直徑與高度為 2 與 2.5 mm 之純銅胚料(如圖 3-1 所示)，胚料表面以 1000 號砂紙進行研磨 其平均表面粗糙度為 Ra 0.144 m，進行無潤滑與有潤滑條件下的微雙杯擠製成形實驗，觀察製程溫 度為25、200 與 400ºC 下的杯高變化。本研究也利用有限元素模擬微雙杯擠製成形，測量上下杯高比 與行程之關係，建立校正曲線，作為評估摩擦因子之參考依據。
圖3-1 微雙杯擠製成品尺寸特徵
3.2 微雙杯擠製模擬
雙杯擠製模擬採用三種不同晶粒尺寸之純銅材料，搭配三種成形溫度下簡單壓縮試驗所測得之真 實應力應變曲線(如圖 2-7 所示)，試片直徑與高度分別為 2 mm 與 2.5 mm，利用 DEFORM 軟體，進
雙杯擠製模擬採用三種不同晶粒尺寸之純銅材料，搭配三種成形溫度下簡單壓縮試驗所測得之真 實應力應變曲線(如圖 2-7 所示)，試片直徑與高度分別為 2 mm 與 2.5 mm，利用 DEFORM 軟體，進