第一章 緒論
1-1 前言
微型孔或陣列微型孔使用範圍非常廣，如微型噴油器(Miniature oil sprayer)[1]、CPU散熱器、紡紗機導紗噴嘴(Nozzle structure) [2]、微油霧器 (Miniature oil atomizer)[3]及微霧化器(Micro-Droplet Spray)[4-6]等微型製 品，都需應用微型孔。微型孔製作，最常使用黃光微影製程[7]，不過由於 設備投資昂貴，適合大量製造，對少樣多量產品並不適合。傳統加工製作 陣列孔，利用鑽頭進行鑽削，能夠快速逐孔製造。但鑽削孔徑受限於鑽頭 直徑及被鑽削材，鑽頭細長比(Aspect ratio)低為其製作瓶頸，對於高深寬 比之工作物並不適用，製作大量微孔陣列，無法一次多孔，加工效率較低。 當犧牲材(Sacrificial material)，進行擠出，形成陣列式精密蠟模；輔以金屬 沉積法，對蠟模進行精密金屬沉積或複合沉積，最後將犧牲層(蠟)去除，
即告完成。此法製造速度快，設備費用低，模具可依實際需求做設計，適 合具有高細長比微結構製品，如微流道之製作[12]。金屬沉積方法改變，
增加陣列孔成品應用，如複合沉積完成品，耐摩耗度提高，適用於高摩耗 率微孔產品，如紡紗噴嘴。此項研究雖僅以介觀尺度(Meso scale)呈現，但
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其觀念可延伸至微米，甚至奈米等級，亦非常適合中、小量的製品之製作。
圖1-1為陣列微孔製作流程比較。表1-1為微細加工與微影製程技術比較。
圖1-1 陣列微孔製作流程比較 表1-1 微細加工與微影製程技術比較 特性 微細加工 微影製程 加工能量 熱能、機械能 光能、化學能 加工材料 不限 矽基材料 加工成本 成本低 成本高 加工維度 1—3D 1—2.5D 加工孔徑 0.1—3 mm 0.005—0.05 mm
深寬比 不受限 1/100 細長比 不受限 不受限
1-2 研究動機
隨著科技的急速發展，半導體、電腦、通訊、光電、醫療器材與生物 科技等產業，急需達到零件微小化、產能最大化及降低生產成本需求。微 型孔廣泛應用於紡織、光電及各種精密產業，如前所述，精密零組件所需 微型孔，無論幾何精度、尺寸精度或表面粗糙度，需求公差也將愈嚴謹，
因此，製作微型孔技術必然朝向微細化、自動化與精密化方向發展。如何
3 技術，對微陣列孔製品做開發，如微型噴油器(Miniature oil sprayer)、微金 屬沉積油霧化器(Miniature oil atomizer)、印表機噴嘴[13]、精密微細噴嘴 [14]及微霧化器(Micro-Droplet Spray)等。研究主要目的以精密填蠟製作陣 列微孔，製作過程中，導入微放電鑽孔、精密擠蠟與金屬沉積等技術，最
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柱狀蠟模。最後輔以精密電鑄技術進行金屬沉積，再將試片投入熱水中去 除蠟模，便完成陣列微孔製品。沉積層厚度視實際需要可改變沉積時間，
而獲得新複合製程多方面應用於微孔、微流道等微產品，可達高效率與低 成本各方面優勢。圖1-2為陣列微孔製作流程。
圖1-2 陣列微孔製作流程
1-5 文獻回顧
微孔陣列製作有許多方法，針對不同需求選定最適製程，如黃光微影 技術、雷射加工、放電加工、沖床沖製與機械鑽孔等，這些加工方法各有 優缺點，加工效果不盡相同，針對陣列微孔加工技術做相關文獻探討。
黃光微影蝕刻技術，主要係利用UV 光、光阻及蝕刻，於矽基材料上 製作陣列微孔，有學者在n-type 及鍍氧化鋁的矽基材上，利用電化學及微 影蝕刻方式，製作陣列微孔[15-16]，另有研究於砷化鎵基板上進行微影蝕 刻，製作直徑大小在200nm 陣列微孔[17]。如此微細的陣列微孔，可應用 於各類微細產品，如微陣列孔透鏡及細胞微陣列計數盤[18-19]。微影蝕刻 製程除了利用UV 光及電化學法之外，在 2006 年 C. Y. Chang 等人，利用
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紫外線滾壓花製程，快速滾壓出微孔陣列[20]。黃光微影製程，需大量設 備投資、且侷限於 2D 架構及矽基材料，故此製程適用於大量產品開發，
多樣少量者並不適用。
放電加工常應用於微孔製造，1770 年英國化學家 Joseph Priestly 發現 放電腐蝕(Erosion)現象，到 1940 年蘇聯科學家 B. R.與 Lazarenko 進一步推 展，同年美國S. Harding 發現電極與工件接觸會產生火花，1943 年莫斯科 大學 Lazarenko 建立電阻電容放電加工電路系統[21-22]。放電加工係利用 電能轉換成熱能，此製程屬非接觸式加工，有學者利用線切割機製作矩陣 式陣列，用於陣列微孔加工[23]。當放電迴路改變，能量降低，可用於微 細陣列孔之製作 [24-27]，2001 年 W. Meeusen 等人利用微線(鎢線)切割放 電加工出直徑為150µm 鎢電極，利用旋轉夾頭及陶瓷眼模固定電極，讓電 極晃動降低，利用此方式加工出陣列微孔模具[28]。放電加工也可與不同 製程做結合， Ken’ichi Takahata 等人利用 LIGA 製程製作陣列電極，對金 屬板做放電加工，製作陣列微孔[29-30]。放電加工排渣效果不好與放電間 [34]，2000 年 Todd E. Lizotte 以準分子雷射微細加工技術，利用光罩定義 圖形，擊發雷射加工出100µm 陣列盲孔，用於球面軸承上，可加強潤滑效 果[35]。由於雷射為熱能加工，材料會產生變質層及燒焦等問題，且微孔
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會因雷射能量衰減，產生錐孔現象且幾何精度不良等問題。
機械式加工有鑽孔與沖製，兩者皆為接觸式加工，利用機械力對材料 去除。鑽削微孔須採用微鑽頭，X. Chaud等人利用機械鑽削的方法，加工 出直徑0.8mm陣列微孔，應用於鑽石成長基座[36]。機械鑽孔受限於鑽削 刀具，無法加工高深寬比微孔，且逐孔製作效率低。衝製加工是利用衝頭 對材料進行衝孔成型，郭佳儱教授以放電加工製作陣列圓柱衝頭，再輔以 自行開發之微沖壓複合加工機，對銅箔片進行沖壓，製作矩陣微孔[37]。
2005年S. H. Rhim等人於矽聚合物基材上製作沖頭，在銅箔上進行沖製加 工，製作出直徑8µm的陣列孔，可應用於噴嘴上[38]。衝壓加工成型快速，
但衝頭強度低，無法對高厚度及高強度金屬進行衝製，容易造成衝頭斷 裂，加工製程受到限制。
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微放電加工原理(Micro Electrical Discharge Machining 簡稱 Micro EDM) 應用於本研究的微孔模具製造，與雕模放電加工(Die Sinking Electric Discharge Machining)原理相同，都利用金屬導電的特性，在兩端給予工作 電壓，將兩極靠近至一臨界間距，極間因電場(Electrical Field)作用而產生 放電行為。相較於雕模放電加工，微放電加工主要用於微模具開發，兩者 放電能量及放電迴路亦有所不同，如表2-1 所示[39]。
表2-1 微放電加工與一般雕模放電加工之特性比較[39]
放電比較 微 細 放 電 加 工 (Die Sinking EDM)
雕模放電加工 (Die Sinking