立體微組裝結果與討論

在上節已經使用簡化結構(無焊接樑)，第二個設計方案，來驗證微電阻焊在

立體微組裝的可行性。由於簡化結構有其限制，導致了結構上以及電路上的困 難。在此節將會提出成功組裝第一設計結構的實驗資料 (定性與定量)來進一步 了解這個研究所提出的組裝技術。如圖 32成功地將第一種設計方案的微元件組 裝固定在直立的角度上。

圖 32 成功將第一款結構組裝在出平面的位置上，設計的微元件有 (a) 致動器 與 (b) 曲折式結構

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藉由移動在平台下方的磁鐵，讓它靠近或者遠離試片，可以舉起鉸接的鎳微 結構在不同位置。而這兩者之間的關係，就如圖 33所示，在這裡當Xmagnet = 0 定義成磁鐵就在試片的正下方，而且在這個位置微結構是完全直立的狀態。在圖 33中，所有的數據都是針對同一個元件多次重複量測的結果。在不同磁鐵位置 的情況之下，重複三次測量舉起的角度。從結果可知，當Xmagnet 介於 +12 mm 與 -12 mm之間，旋轉角度可以在 10.5° 與 175°之間改變。若是磁鐵的位置距 離試片超過 ±12 mm的話，旋轉的角度可以分別達到 0°或者 180 º。

圖 33 在焊接程序之前，磁鐵位置與元件旋轉角度之間的關係

然而，當元件被轉到將近180º 的時候，元件會跟其他固定在基板上的結構 產生碰觸。 而且也因為結構厚度的關係，懸浮的轉軸也會被抬昇一小段距離，

因此焊接樑以及轉軸將不會完全處在同一平面的位置。如以一來就會造成焊接的 困難。更進一步說，在焊接的過程當中，致動器會施力往前推動已經旋轉了一個

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角度的轉軸，而轉軸被抬升一小段距離，會使得0°或者 180º 的焊接不容易達成。

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圖 34是電阻焊過程中經由光學顯微鏡拍攝下的圖片，在焊接區域的變化情況。

焊接過程首先將試片放置固定在壓克力平台之後，元件受到外加磁場的影響而舉 起，圖 34(a)，隨後，致動器推動焊接樑和旋轉軸，使得兩者與固定錨墊 (anchor) 接觸，圖 34(b)。當微焊接完成之後，致動器就會停止出力，放開焊接點，圖 34(c)。

為了要驗證這個研究所提出的多角度組裝的能力，因此這個實驗嘗試著將元 件固定在不同的位置上，例如圖 35是一組組裝完成之後元件的照片，三個元件 都在同一片晶片上，然後被個別地組裝在不同的角度上，個別大約是 14°、35°

以及90°。展示了這個研究所提出的微焊接技術在多角度組裝的能力。

圖 34 光學顯微鏡拍攝的照片: 立體微組裝的焊接過程 (a) 製造完成後的結構 在致動器前端、焊接樑、轉軸與固定錨墊之間都有間距 (b) 致動器推動焊接樑 與轉軸接觸，使得焊接區域 (welding site)有適當的接觸壓力 (c) 焊接完成之後 致動器停止施力放開焊接區域 。

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圖 35 經過立體微組裝之後的微元件，這三個微元件被固定在三個不同的角 度，分別是14°，35°以及 90°。這裡展示了這個研究所提出的立體微組裝技術 能夠將元件組裝在各種不同的角度。

除此之外，為了要定量地了解在焊接前後角度上是否有差異，因此另外量測 了48 個元件在焊接前後的角度變化，在定量的實驗當中，元件在被磁場舉起後 焊接前的角度將被紀錄下來，並且與焊接後的角度作一個比較，如圖 36。當磁

鐵位置Xmagnet在0、4、8 與 12 mm 時，焊接之後平均的角度是 90.3°、66.5°、

43.6°以及 15.5°，同時重複測量多次在這些位置角度的標準差是 4.1°、2.3°、3.6°

以及3.5°。再比較焊接前以及焊接之後的角度，當Xmagnet = 12 mm的時候，兩 者的差異最小，其值約2.3°。由以上數據可定性證明，這個研究所提出的組裝方 法不僅僅可以將元件作三度空間的組裝，更進一步，還可以組裝在不同的角度 上，也就是多角度組裝。

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圖 36 磁鐵位置介在 0 至 12 mm 之間，焊接前與焊接後的角度變化。

在焊接過程當中，隨著時間的焊接電壓與電流都有被紀錄下來，依據這些資 料，可以計算出每個時刻瞬間的電阻值，或者稱為焊接過程中的動態電阻。動態 電阻在此定義為某個時間點的瞬間電壓除以瞬間電流。在這個研究利用元件直立 90 度位置時的微電阻焊的測量資料來得到的動態電阻的曲線，如圖 37，它所呈

現的是一個典型的動態電阻。在傳統電阻焊中已經有許多研究針對動態電阻提出 相關的實驗與觀察，並且解釋它在焊接過程中的變化情況[30, 31]，在這個研究 當中，也觀察到動態電阻在焊接的過程當中有特定的變化，如圖 37(a)。

在焊接尚未發生的時候，表面上有許多微觀的粗糙突起。當焊接樑與轉軸的 焊接處開始接觸的時候，這些微小的突起互相接觸，因而形成可能的電流路徑。

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然而在一般情況之下，金屬表面上存在氧化物或者細微的污染物，這些物質會對 電流產生很高的電阻。因此在電阻焊剛開始的期間 (圖 37(a))，動態電阻曲線會 有一個很高的值。隨著電壓逐漸增加，電流會穿破這層絕緣層，讓表面氧化物崩 潰，使得電流得以通過微小的接觸點。當電流通過這些接觸點時，會產生焦耳熱，

局部的溫度也隨之上升，可以進一步軟化這些細微突起，因而增加接觸的面積，

導致電阻下降。然而由於金屬的電阻係數隨著溫度增加而增加，這個效應又會使 得電阻升高。在這個階段，電阻的上升或者下降就是倚賴這兩個互相抵抗的效應 所決定，其結果就是在這階段的電阻會有一個局部最小值。隨後由於電阻係數隨 溫度增加而上升的效應比較明顯，因此電阻會從局部最小值開始往上增加。隨著 焊接過程繼續進行，熱量持續產生，更多的材料逐漸被熱量熔融，也就是焊接過 程中的熔核逐漸成長擴大，導致更多的材料接觸。當溫度逐漸穩定之後，動態電 阻會從局部的高峰往下降，此時熔核成長的效果主宰了這個部分的動態電阻曲 線，所以導致電阻下降，到最後電阻會達成一個平衡沒有變化的狀態，完成電阻 焊的整個過程，如圖 37(a)所示，焊接完成時間約 22 秒。

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圖 37 三種不同焊接樑寬度微元件的動態電阻曲線:(a) WC = 30 μm (b) WC = 11 μm 以及 (c) WC = 4 μm。

在這個研究中設計了三種不同寬度的焊接樑，除了WC = 30 μm 已如前述說 明之外，圖 37(b)(c)也顯示了另外兩種元件的動態電阻曲線。從結果發現，三種

寬度的元件在焊接時都有類似的動態曲線的變化。在同一個焊接電壓1.5 伏特的 情況下，從結果數據可以發現局部最大值A1、A2與A3 隨著寬度的縮小而降低。

比較寬的焊接樑有比較大的彈簧常數，這代表了抵抗致動器的阻力也比較大。致

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動器輸出的力量必須要先抵抗焊接樑的阻力，之後的力量才提供焊接時所需要的 接觸壓力。在相同的致動器出力情況下，比較窄的焊接樑，阻力比較小，因此接 觸壓力比較大，可以使得接觸面比較緊密地接觸，如此一來，可有比較低的局部 最高電阻。先前微電阻焊的可行性評估研究當中，可以知道接觸電阻越小，將有 助於提高焊接的接合力。然而，太窄的焊接樑卻會受到焊接過程當中的熱量影響 產生不必要的熱變形，如圖 38。在WC = 11 μm的元件當中，可以觀察到明顯的 熱變形。相對來說， WC = 30 μm 的焊接樑在經歷過焊接過程之後依舊可以保

持原來的幾何外型。綜合以上，焊接樑的寬度這兩者的妥協。過寬的焊接樑不利 於焊接的接合強度，過細的焊接樑無法承受焊接電流而產生熱變形。

圖 38 掃描式電子顯微鏡所拍攝的照片，在焊接之後焊接樑的熱變形: (a) WC = 30 μm (b) WC = 11 μm

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對於相同寬度的焊接樑來說，不同角度的焊接對於動態電阻並沒有明顯的差 異。設計焊接樑以及旋轉軸時，橫剖面理想的形狀應是矩形，但是由於製程上的 誤差，黃光微影製程的光阻橫剖面往往都是梯形，導致最後製造出的焊接樑以及 旋轉軸是具有倒梯形的橫剖面。因此兩者在焊接時，受到致動器推擠後的接觸容 易是線的接觸，而不容易是面與面的接觸。更進一步說明，即使在不同的角度，

接觸的面積不會有劇烈的變化，因為都是線的接觸。例如在90 度位置不會是面 與面接觸而與45 度位置的接觸面積有所不同。因此，這可能導致在不同的焊接 角度有類似的動態電阻曲線。

另外，在這個研究中，鉸鏈結構的間隙設計得足夠讓旋轉軸在其中自由轉 動，以避免產生卡住的情況[9]，實驗過程當中也沒有發現鉸鏈結構有卡住的現 象。然而在製造過程當中，釋放結構過程當中的粘黏現象卻是經常發生，按照這 個實驗的製程能力，在同一個晶粒上的八個元件，至少有六個能夠成功被釋放。

一但微結構可以成功地被懸浮，後續的磁場致動都可以可靠地被順利驅動產生出 平面的旋轉。因此只要鉸鏈結構設計的安全裕度夠大，將不會是實驗過程的瓶頸。

在這個實驗當中，另外還磁性舉起、組裝並且測試一個主動的微元件，例如 一個電熱式致動器。並且給予這個已經組裝過後元件所需的電力，在 0.56 瓦特 的電源供應之下，這個組裝過後的元件可以達到27.7 μm 出平面的位移量，如

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圖 39。如此，在這個立體微組裝技術當中，可以更進一步確認焊接處在焊接完

成之後的導電能力。將可以實現各種微致動器以及微感測器的立體微組裝應用 上。

圖 39 測試已經組裝完成的微致動器 (a) 原來狀態 (b) 在供應 0.56 瓦特的電 力之後，前端向上位移了27.7 μm。

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