應用微射出成形於微扣件之製作
黃姵薰、黃世疇*、王珉玟 國立高雄應用科技大學 機械工程系 *E-mail : [email protected]摘 要
本文主要是研究以射出成形的方式製作微小扣件以適用於微小物件上的組裝。首先設計一個微扣件的 外觀尺寸，利用 ANSYS 作靜態分析，探討不同拉力對微扣件所產生的影響。接著利用 Moldex3D 軟體分析 取得製程參數，並配合田口規劃法得到最佳翹曲量品質參數。在微射出成形實作部份，由於為一模兩穴進 行射出，因此為了兩邊都能最佳化，兩邊分別利用田口規劃法分析得到最佳組合，並探討射出成形參數的 交互作用之影響。射出成形的微模仁製作是利用 LIGA-Like 製程與厚膜光阻來完成，再以微電鑄翻模方式， 完成微模仁。 成形射出後，將兩個微扣件元件組裝，並用拉力試驗機給予拉力，得知微扣件最多可承受 1.7kgf (16.66N) 的拉力。 關鍵詞：微扣件、微射出成形、LIGA-Like 製程1. 前 言
自古以來，人們對於微小世界充滿好奇。由於微小世界中物體本身體積很小，它們所能包容的空間又 極為狹窄，人們難以直接進入內部去了解它們，有些微小物體甚至用肉眼無法觀察，對於人類來說，微小 世界與宇宙、銀河等宏偉世界一樣，是那麼的神秘莫測、充滿誘惑。 正因為如此，隨著現代科技產業的進步，各行各業幾乎都追求著微小化，包括電子、生醫、資訊、材 料、汽車、生化、通訊、航太等方面。為了製造這些微元件與微結構，研究人員發展出許多微加工製程技 術，微型製程技術成為二十一世紀的主要趨勢，微機電系統（Micro-electromechanical Systems，MEMS）製 程技術因運而生，但此製程時間過於冗長且製造成本昂貴，因此尋求發展快速且符合經濟生產之微設備製 造系統是當前重要的課題。 目前 MEMS 的研究領域大致可分為三類，即微致動器、微感測器以及微結構製造技術。雖然各領域的 發展皆相當迅速，但由於半導體製程技術只能利用堆疊的方式製作出三維的結構，因此在設計時往往會受 限於製程上的考量，且微致動器在出力與行程方面也受到先天上的限制，而使元件無法達成預定的效能， 間接限制了 MEMS 元件的應用空間。因此組合的方式也愈來愈重要，通常依照目的的差異有不同的方法， 有焊接、鉚接等，一經結合就不能再分開；在活動接合中，若利用螺栓、螺絲、螺帽以及扣件等的元件， 便可以重複的結合使用。 近年來微射出成形技術正趨成熟，精微模具所生產出的成形品已經具有體積小、成本低廉、精密度高 等諸多優點，應用之領域也相當廣泛，如生醫產品與器材、電腦 3C 產品等。運用射出成形之快速、低成本、 效率佳與精密度高的製造方法，將逐漸取代微機電系統成為快速生產之利器。 在微系統中，因為加工方式的限制，上述有列出的結合方式，並不能全部應用於微元件的組裝上，其 中以扣件最常應用於元件的結合。除了結構較簡單、製程的配合度也比較高，本研究將以微扣件為主軸， 採用類深刻模造（LIGA-Like）的製程技術，結合 SU-8 光阻及犧牲層技術製作微扣件機構，以降低成本與 ©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851提高精度。在微射出成形的部份，利用電腦輔助工程分析（Computer Aided Engineering，CAE）模擬來降低 研發及試作生產之成本，加上微電鑄之方式來製造嵌入式微模仁，使主體模具可重複使用。將翻鑄後殘留 於電鑄模仁孔隙之 SU-8 光阻去除後，形成所需要的微扣件模仁，最後利用微射出成形方式成形元件。應用 在高分子材料之微元件具有降低 MEMS 所製作之生產成本，以及可增加使用壽命等優點。
2. 微扣件之設計與分析
本文所設計的微小扣件，是用來加強微小物件的使用性和更換性，微扣件的尺寸大小依本實驗室所製 作的微夾持器[1]為依據。圖 1 為微扣件的尺寸圖，圖 2 為微扣件組合的示意圖，其中 A 體積經 Pro/E 繪圖 軟體計算得到為 5.454mm3，B 體積為 2.295mm3。 圖 1 微扣件尺寸圖(單位：mm) 圖 2 微扣件組合示意圖 本文以聚甲醛樹脂（POM）塑膠材料的微扣件作為分析模型，透過有限元素分析軟體 ANSYS 做靜態 分析，藉由分析觀察微扣件相扣後受拉力時，會產生多少的位移量、最大應變及最大應力。2.1 有限元素分析 利用 ANSYS 進行有限元素分析有下列步驟： (1) 建立有限元素模型，採一體成形分析，如圖 3 所示。 圖 3 微扣件模型 (2) 材料設定 在建構模型後，針對元件上進行材料性質的設定，材料係數如表一。 表一 微扣件材料係數 性質 材料 楊氏係數 E(MPa) 蒲松比 POM 1740 0.406 (3) 選用適當元素類型 本研究的主體材料是 POM，選用元素為 SOLID95[2]，它是 3D 結構實體元素，它有四個邊，也 稱為四邊形（quadrilateral）結構元素。 (4) 給定負載及邊界條件 分析中假設底端被固定，並在固定端施加邊界條件 UX=UY=UZ=0，且施加 1N~17N 拉力於扣件 頂端，圖 4 為邊界條件與負載給定位置圖。
圖 4 施加於微扣件之邊界條件 (5) 靜態分析 微扣件元件組合時，固定底部，施加拉力 1N~17N 的拉力，經過有限元素分析後，可以得知結構 位移變化和應力、應變圖，如圖 5、及圖 6 所示。因為分析是假設凸件的末端施於一個拉力，故最大 的應力應變發生在端點，圖 5 可以看到扣件端點的位移隨著施加拉力的增加而產生最大的應變。從圖 6 得知，這兩個地方會產生較大的變形量，這可能會影響元件翹曲量變更大，而產生錯位，使得微扣 件緊密性降低。另外，表二和圖 7 為施加拉力時，微扣件所產生的變化，發現隨著拉力的增加結構位 移也隨之變大。 圖 5 結構位移變化(17N)
圖 6 等效應力(17N) 表二 拉力與位移、應力關係 施加拉力(N) 位移(mm) 等效應力(Pa) 1 0.051 1.2x108 3 0.154 3.4x108 5 0.256 5.8x108 7 0.358 8.1x108 9 0.461 1.0x109 11 0.563 1.3x109 13 0.665 1.5x109 15 0.768 1.7x109 17 0.870 2.0x109 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 拉力(N) 位移量(mm) 位移 圖 7 拉力與位移關係圖
2.2 模流分析
由於一副模具通常只能生產一種固定形狀的產品，而製造模具成本很高，因此事前的模擬分析就顯得 十分重要。本研究以 Moldex3D 模流分析軟體了解在射出的過程中，是否會發生短射、翹曲等問題。
(1) 模流分析流程
首先繪出微扣件形狀建構出幾何模型、注道（Sprue）、流道（Runner）、澆口（Gate）及模座（Mold base）等部分的網格建構，接著定義網格大小輸入網格檔（Mesh），最後匯入 Moldex3D 模流分析軟體， 經由材料選擇及設定成形參數後進行分析。 (2) 材料選擇 射出成形所採用的塑膠材料為達鋼（Duracon）之聚甲醛塑酯（Polyformaldehyde，簡稱 POM）其 型號為 M270[3]。POM 為純高分子的等向性材料，POM 對塑料來說是一種堅韌有彈性的材料，耐鹼 性佳、耐藥品性也佳，即使在低溫下仍有很好的抗衝擊特性，並且具有很低的摩擦係數和極佳的幾何 穩定性及耐高溫特性。 (3)澆口設計 在微模具中澆口種類選用之準則與一般傳統射出模具選用之不同為必須考慮到成形品十分微 小，導致模具加工時可能遭遇困難度。由於扇形澆口（fan gate）是厚度逐漸變大的寬邊澆口，具有大 充填面積，可以讓熔膠迅速地充填塑件。本研究重點在元件的翹曲問題和尺寸穩定性，使用扇形澆口 可以讓塑件的熔膠波前均勻地充填模穴[4]。經由田口設計[5]得到的最佳因子組合為模溫 70℃、料溫 190℃、射出速度 200mm/s、保壓壓力 80%，用這個組合的成形參數再進行確認實驗的模流分析，得 到的翹曲量為 0.002384 mm~ -0.002277 mm 是所有因子組合中最小的，如圖 8 所示。 圖 8 模流分析最佳因子組合所得之翹曲量
2.3 模仁製作 微模仁設計完成後，將利用厚膜光阻 SU-8 作為結構材料來製作微扣件的模仁。 (1) 光罩設計 在光罩圖形的設計上，必須考慮製程所使用到的光阻的特性、光源的需求等因素。因此當光阻選 定後，即可進行光罩的設計，利 AutoCAD 繪圖軟體繪製微扣件模仁之光罩圖案，本實驗的光罩是委 製民曜科技有限公司製作，圖 9 及圖 10 分別為微扣件模仁的光罩圖和光罩局部放大與尺寸圖。 圖 9 微扣件模仁光罩圖 圖 10 光罩局部放大與尺寸圖(單位：mm) (2)微扣件模仁製程步驟 本文微扣件是以 SU-8 厚膜光阻作為結構翻鑄的材料，所設計的微扣件結構厚度為 200µm，為了 獲得較佳的平坦度，文中採取兩層塗佈來達到此厚度為製程的參數。圖 11 為製程的流程圖。配合製 程說明如下： 晶圓先以丙酮清洗，再以去離子水沖洗乾淨，最後置於加熱板烘乾冷卻。 使用自動塗佈機在晶圓上塗佈厚度 100µm 之 SU-8 厚膜光阻，軟烤部分使用自動加熱機，軟烤完成後 靜置於室溫一段時間。 塗佈第二層厚度 100µm 的 SU-8 厚膜光阻，軟烤完成後仍靜置冷卻到室溫。 使用雙面曝光機（Double side）進行曝光，之後進行曝後烤，使光阻完全鏈結，再進行顯影，曝光方式 是使用 UV 光源接觸式曝光方式。 在完成顯影後的晶圓上，使用金屬濺鍍機濺鍍一層厚度約 30nm 的鈦(Ti)及 300nm 的白金(鉑 Pt)作為導 電層，濺鍍過程加熱到 150℃以增加鈦與晶圓上光阻的附著力，而白金則是為了能導電。 將 SU-8 厚膜光阻所製之微結構利用電鑄翻模成鎳鈷模仁。微扣件結構厚度為 200µm，模仁厚度為 550µm。 將電鑄翻模的鎳鈷模仁取下，去除殘留於鎳鈷模仁內之 SU-8 光阻，以 RemoverPG 去除殘餘之光阻。
圖 11 微扣件模仁製作流程圖
3. 微扣件射出製作
微扣件射出成形的製作如下： (1)微模仁 將電鑄好的微模仁進行線切割裁切成適合公模的十字形狀，圖 12 為微模仁切割尺寸圖，圖 13 為切割 後的十字模仁圖。 步驟 1 步驟 2 步驟 3 步驟 4 步驟 5 步驟 6 第一層 SU-8 光阻 第二層 SU-8 光阻 鈦 Ti 鎳鈷 白金 Pt 晶圓單位：mm 圖 12 微模仁切割尺寸圖 圖 13 十字模仁圖 (2)實驗設備 本實驗所使用的微量射出成形機，如圖 14 所示，為奧地利 Battenfeld 公司產品，型號為 Microsystem 50[6]。 圖 14 微量射出成形機
(3)實驗方法 首先，將十字模仁放於公模鑲入塊上，利用兩支 M2 螺絲先固定模仁，將模仁精準對位後，再鎖緊 M2 螺絲固定好。因為微模仁經電鑄後會因內應力的關係，產生翹曲的關係，所以組裝好模仁後，利用固定側 模板和活動側形模板的壓合鎖模，可將翹曲的模仁壓平貼合於模具中，圖 15、圖 16 分別為公模、母模圖。 圖 15 公模 圖 16 母模 完成以上模具安裝後，將開始試模射出，由於成形品十分微小，實際射出成形過程中，會因為不適當 的成形參數設定造成短射、毛邊及翹曲等不同的缺陷產生，如圖 17 為成形短射現象、圖 18 為毛邊現象。
圖 17 成形品短射 圖 18 成形品毛邊 (4)田口參數實驗 本研究以 Moldex3D 模擬分析結果為實際射出參數的基本組，依照模擬之參數進行實驗印證。由於模流 分析射出速度為 100 mm/s、150 mm/s、200mm/s，其中 100 mm/s、150mm/s 實際射出時皆會發生短射現象， 故射出速度故調高速度為 200 mm/s ~300 mm/s，為使微扣件元件置於平台上時能互相緊密扣合，因此規劃 所要探討的品質目標為降低微扣件的翹曲量，故為望小特性。 表三為微射出田口實驗參數規劃表。在進行田口參數實驗時，依照所規劃的水準表與 L9 直交表中各成 形參數水準之組合，確認射出機成形參數設定。本實驗機台之保壓是以保壓速度 0 ~ 33 mm/s 進行保壓動作， 故保壓參數依照保壓壓力分析之設定在此選定 11 mm/s、22 mm/s、33 mm/s 為保壓成形參數。為確保射出 機與模具之間達到一定之熱平衡及穩定狀態，須先由多次試模後再進行取樣。 由以上推定最佳因子組合和交互作用因子組合，凹端和凸端兩個組合皆為相同，為顯示田口實驗分析 正確性，將參數代回實驗驗證，以最佳交互作用 A3B2C1D3 組合與推定最佳因子組合 A3B3C1D3 兩組因子 組合進行微射出參數成形。進行實作射出時，依舊先試模多次再進行取樣，以確保射出機與模具之間達到 一定之熱平衡及穩定的狀況，才能得到最佳參數組合驗證實驗 S/N 比的結果。 經白光干涉儀量測扣件翹曲量所得的翹曲值如表四所示，由量測結果可以得知凹端部分的交互作用最 佳化組合所得翹曲量與 L9 直交表第八組相近，這兩個部分由推定最佳參數組合所得實驗結果翹曲量最小，
與之前實驗翹曲量結果比較，推定最佳參數組合的確可降低翹曲量。故由實驗可得知田口實驗規劃法最佳 因子組合是可以降低翹曲量。圖 19 為推定最佳參數組合 A3B3C1D3 所射出的成品。 表三 控制因子及其水準值 控制因子 A B C D 因子水準 模具溫度(℃) 塑料溫度(℃) 射出速度 (mm/s) 保壓速度(mm/s) Level 1 70 180 200 11 Level 2 80 190 250 22 Level 3 90 200 300 33 表四 翹曲量實驗值 翹曲量(mm) 凹端 凸端 最佳水準組合 1 2 3 1 2 3 交互 A3B2C1D3 (模溫 90℃、 料溫 190℃、 射速 200mm/s、 保壓速度 33mm/s) 0.0452 0.0448 0.0428 0.0462 0.0431 0.0451 推定 A3B3C1D3 (模溫 90℃、 料溫 200℃、 射速 200mm/s、 保壓速度 33mm/s) 0.0388 0.0401 0.0394 0.0397 0.0408 0.0393 圖 19 微扣件射出成品
4. 微扣件組合測試
(1)拉力實驗設備 本研究採用 Algol 公司所出產的小型拉力試驗機，如圖 20 所示。量測範圍為 0~2kgf(19.6N)，由於拉力 試驗機需要載台裝置，故設計一組壓力克載台，如圖 21 所示，放置拉力試驗機和微扣件。 (2)實驗方法 由於微扣件組合很微小，將凹端的扣件固定於載台上，凸端的扣件黏上一條 0.2mm 的細線，使用的黏 劑重量，在拉力實驗上忽略不計。與拉力試驗機的連接線，需平行於平面上，所以連接線的筆直性很重要。 圖 22 為整個實驗的架構，每次作拉力試驗前，需先確認連接線是否平行於載台上。拉力實驗從 0.1kgf(0.98N) 開始實驗起，接下來 0.2kgf(1.96N)、0.3kgf(2.94N)、0.4kgf(3.92N)，一直到 2.0kgf(19.6N)，每個力量實驗五 次以上，以確保實驗的準確性，觀察其微扣件的變化，圖 23 為實驗操作示意圖。 (3)實驗結果 經由拉力實驗的操作，發現當拉力為 1.7kgf(16.66N)時，可以完全承受拉力，但當拉力為 1.8kgf(17.64N) 時，並非每次實驗都成功抗拉，微扣件的兩個元件會產生錯位的現象，使得微扣件不再那麼緊密扣接，將 影響其扣件的拉力強度。造成錯位的可能，除了拉力過大之後，也有可能是微扣件翹曲量所造成的結果。 圖 20 拉力實驗機 圖 21 實驗載台圖 22 實驗架構 台 載 端 定 固 F = 0.1kgf~2.0kgf 施力 圖 23 實驗操作示意圖
5. 結 論
本研究利用 ANSYS 有限元素分析軟體進行微扣件結構強度分析，得知等效應力、應變及最大位移量， 分析結構在承受 1N~17N 的拉力狀況下所發生的位移和應力關係。而在微扣件射出成形部分是先行利用 Moldex3D 模流分析軟體，評估模具設計的可行性，使用翹曲量為品質特性，探討射出速度、保壓壓力、塑 料溫度、模具溫度等參數對微扣件成形品質之影響，得到初步最佳成形參數條件。微影製程部分，利用 LIGA-like 製造技術配合厚膜光阻 SU-8 製作微扣件光阻結構，結合微電鑄成形技術翻鑄微模仁，得到所需之模仁外型。微射出成形實作部分，與模流分析比較結果可發現模流分析在預測影響翹曲量與實際射出的 因子不同，可能的原因為模流軟體受到尺寸微小效應的影響，對於微小產品的模擬效果較不佳，但在充填 模擬部分，卻可得到一個參數預測，因此模流分析依然可作先前基本成形參數組的預測分析，以減少實際 射出時尋找參數浪費的時間和成本。在實際射出時，配合模擬分析參數與模擬參數定義田口實驗參數，依 照欲降低的翹曲量為品質特性，進行實作，並找出影響翹曲主要因子，並進行最佳化分析計算各因子間的 交互作用影響，以得到最佳成形的條件。最後經由拉力試驗，得知微扣件最大可承受 1.7kgf(16.66N)的拉力， 符合現今微小物件承受拉力的需求。
參考文獻
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[4] 黃俊欽，2010，塑膠射出模具設計與分析，國立高雄應用科技大學模具工程系，課程講義。
[5] 周志宏，陳信宏，2006，品質工程講義，國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究所，課程講義。 [6] Gregor Goel, 2001, MICROSYSTEM 50(CD), Battenfeld.
