微/次微米結構的射出成形特性暨可自發熱模仁的發展與應用

國 立 交 通 大 學

機 械 工 程 學 系

博 士 論 文

微/次微米結構的射出成形特性暨

可自發熱模仁的發展與應用

Injection Molding Characteristics of Polymer

Micro-/Sub-Micro-Structures and the Development and Application of

Heat-Generable Mold Insert

研 究 生：劉安誠

指導教授：陳仁浩 教授

微/次微米結構的射出成形特性暨

可自發熱模仁的發展與應用

Injection Molding Characteristics of Polymer

Micro-/Sub-Micro-Structures and the Development and Application of

Heat-Generable Mold Insert

研 究 生 ：劉安誠 Student ：An-Cheng Liou 指導教授 ：陳仁浩 Advisor ：Ren-Haw Chen

國 立 交 通 大 學 機械工程學系

博 士 論 文

A Thesis

Submitted to Department of Mechanical Engineering College of Engineering

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for Ph.D in

Mechanical Engineering July 2007

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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微/次微米結構的射出成形特性暨可自發熱模仁的發展與應用

研 究 生：劉安誠 指導教授：陳仁浩 國立交通大學機械工程研究所 摘 要 本論文致力於高深寬比微米/次微米塑膠結構的射出成形特性及脫模 行為研究。首先使用傳統射出成形機進行微/次微米結構充填行為探討，其 次針對傳統微射出成形的缺失，設計一新型模仁並提出新的射出成形方 法。在微結構模穴充填方面，實驗使用 PMMA、PP 及 HDPE 等材料觀察 微小模穴的特殊充填行為及成形缺陷。同時，為了避免直接脫模法對微結 構所造成的破壞，嘗試以消失模法來克服成形後的脫模問題。研究發現微 米/次微米結構的成形遠比一般尺寸者的成形困難。如果模溫在材料的玻璃 轉移溫度Tg點以下，射出壓力傳遞只能到達模具的微模穴基部，塑料無法 充填進入微結構模穴。若要完整的充填，其模具溫度需在Tg點以上，且主 射出壓力和持壓時間對微結構的可成形深寬比有很大的影響。在製品的收 縮控制上，高於 Tg 且靠近此點的模溫與高的保壓力皆能減少收縮量，其 中，保壓力提升可使收縮量曲線的變化趨於線性，然而製品與模仁彼此的 夾持力卻無法消除，此種不規則收縮的複雜問題若沒有特殊的應力釋除處 理將無法獲得良好的成形品質。 因此本研究針對微結構射出成形的收縮行為，發展一種在矽基模仁上 創建表面具有可自發熱功能的微結構模仁，以解決微/次微米元件在成形冷 卻過程的脫模問題。此種設計不僅在矽晶片製作微溝槽，並在微溝槽表面 埋植電熱線，而該電熱線係根據摻雜改質的原理，利用離子植佈法對矽基 模仁表面進行摻雜磷離子，使其具有適當的導電性，此新型模仁被設計應 用在協助解決高深寬比微結構的脫模問題。實驗結果顯示，矽基電熱線可 提供穩定的加熱功率，在射出成形的冷卻階段，以足夠的功率和適當的時 機加熱模仁表面的局部區域和近旁的成形塑料，可有效地降低微溝槽模仁 和製品彼此收縮的夾持力，獲得自然脫模的高成形精度的製品。此種模仁 實際應用於微射出成形時具有極佳的加溫與溫控效率，對節省能源、縮短 成形週期及工業化極具潛力。

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Injection Molding Characteristics of Polymer

Micro-/Sub-Micro-Structures and the Development and

Application of Heat-Generable Mold Insert

Student：An-Cheng Liou Advisors：Dr. Ren-Haw Chen

Department of Mechanical Engineering National Chiao Tung University

ABSTRACT

This dissertation is concerned with the injection molding characteristics and demolding behavior of polymer micro- and sub-micron-structures with high-aspect-ratios. The filling behavior of the polymer injected by a traditional injection molding machine into the microcavities was investigated first. Then a new injection molding strategy was proposed along with the development of a novel mold insert learned from the drawbacks of the traditional injection molding process in fabricating microstructures.

In the filling of the microcavities, distinctive mold-filling behaviors and resulting defects were observed for various types of polymers such as PMMA, PC, PP and HDPE. Here, sacrificial molds were used to overcome the demolding problems in order to prevent the microstructures from direct damage as demolding. Experimental results revealed that injection molding of micro- and sub-micro-structures are more difficult than that of products with common dimensions. If the mold temperature is lower than the glass transition temperature (Tg) of the molding polymer, the filling resistance of the polymer

in micro injection molding will be markedly high, and therefore, the polymer melt can only fill up the mold cavity of the base part of the micro-structure products and can not fill into the microcavities. To fill up the micro- and sub-micron-cavities successfully, the mold temperature must normally be above the Tg of the polymer used. Moreover, the main injection pressure and

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micro- and sub-micron-structures. As for the shrinkage control, both a mold temperature, which is above the Tg and a higher holding pressure can decrease

the shrinkage. In addition, the shrinkage curve becomes linear with the increase of the holding pressure. However, the griping force due to the difference of shrinking ratio between the polymer and the mold insert can not be released, which results in the demolding defects. Therefore, a special in-mold process of stress relief is strongly necessary for solving the demolding problem to guarantee high micro-molding quality.

This thesis, in accordance with the shrinking behavior of the injection molding of microstructure, presents a silicon-based heat-generable mold insert for micro injection molding to solve the problem of demolding destruction, as mentioned earlier. Design of this mold insert not only has micro-channels constructed on the silicon wafer as the microcavities but also includes micro electrical heating lines embedded in the wall of the microcavities. These electrical heating lines with specified resistance were fabricated by doping phosphorus ions precisely into the surface of the silicon cavity wall using the ion implanting process. The performance of the novel mold insert was studied and then the mold insert was applied to the injection molding of micro-structures with high aspect ratios for possibly resolving the demolding problem. Experimental results indicated that silicon-based electrical heating lines embedded in the novel mold insert can provide stable heating power. By heating the cavity wall and the nearby plastic with appropriate timing and sufficient power in the cooling stage, we could effectively reduce the griping force between the patterned plastic microstructures and the micro-channels of the mold insert. Consequently, defect-free demolded products with high-precision were obtained. This novel mold insert provided extremely high thermal efficiency in heating and temperature control when it was applied to the micro injection molding in practice. The above mentioned advantages can in turn result in power saving and cycle time shortening, and thus, enhancing industrial applications.

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誌 謝

首先感謝我的指導教授 陳仁浩博士，在研究所求學期間的殷切教誨與 指導，不只在論文的研究方向與寫作給予引導，同時也對我的學習態度及 觀念釋疑，讓我順利完成博士學業，在此由衷地感謝老師多年的培育。對 於交大的所有老師，非常感謝您們提供良好的學習環境；特別提出感謝的 是已故曾錦煥老師，在研讀課程中親自引導我如何分析及處理問題，並時 常關心學生。也感謝論文審查委員所賜予寶貴的意見與指正，使得論文的 修正更臻完善；感謝周長彬老師，曹友興老師及洪景華老師在研究所期間 給予的關懷與訓練，使學生有機會得知缺失和改進，提升見聞視野；另外， 感謝屏東科大機械系熊京民老師和趙志燁老師在大學時期的學術指導，讓 我踏上研究的領域。 其次是實驗室曾經一同生活的超群學長、明初、志隆、文童、俊豪、 啟弘、振銓、威宇、重凱、禮源、承德、坤宏、訓國、濬賢、沛原、忠晉、 旭昌、悅慈、春貴、振家、智翔、子敬、亞平、正剛和聰連等，感謝你們 各方面的幫助，填補研究的快樂時光；感謝交大奈米中心陳悅婷小姐提供 專利實驗的協助。在此感謝以下單位給予研究必要的協助，1)國家奈米實 驗室，2)交通大學奈米中心，3)清華大學化工所張榮語實驗室，4)台北科 大化工所蘇淵源實驗室，5)交大材料所韋光華實驗室，6)交大機械系鄭璧 瑩實驗室和 7)震保公司盧潮文先生。 最後，感謝我的母親陳月娥，父親劉邦玉給我求學的自由，謝謝大姊 美鴻，二姊美惠在生活上的照應，特別感謝我的妻子卓麗娥在研究期間默 默的支持，使我長期在新竹研究而無後顧之憂，謝謝妳!也謝謝我兩個可愛 的孩子芳羽和康廷，每次都以非常驚喜的見面方式迎接我，使我們的生活 充滿甜蜜。

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目 錄

頁次 摘 要 ... i ABSTRACT ... ii  誌 謝 ... iv  目 錄 ... v  表 目 錄 ... vii  圖 目 錄 ... viii  一、       序論 ... - 1 -  1.1  研究背景 ... - 1 -  1.2  文獻回顧 ... - 4 -  1.3  研究動機與目的 ... - 8 -  1.4  研究方法 ... - 9 -  二、       微/次微米結構射出成形實驗... - 11 -  2.1  微/次微米結構射出成形設計概念 ... - 11 -  2.2  微射出成形實驗條件設定 ... - 13 -  2.3  實驗設計與材料 ... - 16 -  2.4  矽基微/次微米結構模仁的製作 ... - 21 -  2.5  脫模處理及成形微結構的觀測 ... - 29 -  三、       射出成形參數對微結構的射出成形特性的影響 ... - 31 -  3.1  射出成形參數對微結構的可成形深寬比的影響 ... - 34 -  3.1.1  模具溫度的影響 ... - 34 -  3.1.2  主射出壓力的影響 ... - 37 -  3.1.3  主射出壓力的持壓時間對微射出成形特性的影響 ... - 38 -  3.2  微結構射出成形時的特殊流動行為與成形特性 ... - 42 -  3.3  微結構在射出成形的時收縮特性 ... - 52 -  四、       具有快速局部加熱功能的微結構模仁的設計 ... - 59 -  4.1  可快速局部加熱的微結構模仁的目的 ... - 59 -  4.2  可自發熱的矽基微結構模仁的設計 ... - 60 - 

vi 4.3  可自發熱模仁的製程步驟 ... - 64 -  4.4  量測校正方法 ... - 76 -  4.5  成形實驗設計 ... - 79 -  五、  可自發熱模仁的特性與在微成形上的應用效果 ... - 82 -  5.1  內建微細電熱線的微結構模仁的特性 ... - 82 -  5.2  模仁自加熱功能之控制及其對微成形特性之影響 ... - 90 -  5.3  應用可自發熱模仁的微結構製品的成形與收縮特性 ... - 96 -  六、  結論 ... - 104 -  6.1  結論 ... - 104 -  6.2  未來發展方向 ... - 105 -  參考文獻 ... - 107 -  附錄一: 模具漏料問題對策 ... - 114 -  附錄二: 著作目錄 ... - 118 - 

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表 目 錄

表1 實驗採用的工程塑膠特性[43]。 ... - 17 -  表2 實驗設備以及所屬單位。 ... - 22 -  表3 微米級結構製程參數。 ... - 25 -  表4 電子束直寫對不同線寬光阻劑量值。 ... - 28 -  表5 次微米級結構製程參數。 ... - 28 -  表6 利用第一道光罩製作電極時的步驟和條件。 ... - 66 -  表7 利用第二道光罩製作微結構時的步驟和製程條件。 ... - 67 -  表8 利用第三道光罩製作加熱電路的步驟與條件。 ... - 70 -  表9 製作加熱電路保護的方法和條件。 ... - 71 -  表A1 隔絕片性能。 ... - 116 - 

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圖 目 錄

圖1 LIGA 技術的標準製程說明。... - 6 -  圖2 微成形流程圖。 ... - 12 -  圖3 微射出成形加工履歷。 ... - 13 -  圖4 理想型牛頓流體受剪切應力之變形示意圖。 ... - 15 -  圖5 非理想型牛頓流體之剪切應變率和剪應力關係。 ... - 15 -  圖6 本實驗所用的工程塑膠 PMMA 的工程性質(a)P-V-T 特性關 係，(b)剪應力-剪切率，(c) 剪切黏度-剪切率。 ... - 18 -  圖7 射出用模仁之方銷側邊抽氣道設計。 ... - 19 -  圖8 利用 UV 光源微影光阻，由於 1μm 以下的線寬具有的光學干 涉問題，導致光阻顯像不良的狀況。 ... - 23 -  圖9 濕式蝕刻設計示意圖。 ... - 23 -  圖10 晶片模仁製作流程。 ... - 26 -  圖11 40% KOH 對(110)矽晶片的蝕刻率[47]。 ... - 26 -  圖12 溝寬 10µm 矽晶模仁截面。 ... - 27 -  圖13 溝寬 2µm 矽晶模仁截面。 ... - 27 -  圖14 溝寬 300nm 矽晶模仁。 ... - 29 -  圖15 溝寬 180nm 矽晶模仁。 ... - 29 -  圖16 溝寬 160nm 矽晶模仁(a)截面圖及(b)上視圖。 ... - 29 -  圖17 微射出成形實際操作的模穴壓力及製品核心溫度曲線。 ... - 33 -  圖18 模溫 92℃，主射出壓力 140MPa 的條件下，壁厚 18µm 的 PMMA 微結構的射出成形結果。 ... - 35 -  圖19 模溫 120℃，主射出壓力 60MPa 的條件下，壁厚 18µm 的 PMMA 微結構的射出成形結果。 ... - 35 -  圖20 模溫 160℃，主射出壓力 60MPa 的條件下，壁厚 18µm 的 PMMA 微結構的射出成形結果。 ... - 35 -  圖21 模具溫度與可成形深寬比間的關係。 ... - 36 -  圖22 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 的條件下，壁厚 210nm 的 PMMA 微結構之成形結果。 ... - 36 - 

ix 圖23 模溫 150℃、持壓時間 60 秒、壁厚 10μm 和 2μm 主射出壓力 對深寬比關係。 ... - 37 -  圖24 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 15 秒的條件下，壁厚 18μm 的微結構的射出成形結果。 ... - 39 -  圖25 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 30 秒的條件下，壁厚 18μm 的微結構的射出成形結果。 ... - 39 -  圖26 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 60 秒的條件下，壁厚 18μm 的微結構的射出成形結果。 ... - 39 -  圖27 微模穴厚度 10μm 和 2μm 時，主射出壓力的持壓時間對可成 形深寬比的關係。 ... - 41 -  圖28 壁厚 10μm 的 PMMA 微結構的射出成形窗。 ... - 41 -  圖29 壁厚 1.5μm 的 PMMA 微結構的射出成形窗。 ... - 42 -  圖30 射出成形充填過程的噴水流現象[68]。 ... - 43 -  圖31 充填過程頂部無邊界限制之短射表層狀態。 ... - 44 -  圖32 在模溫 140℃，主射出壓力 140MPa 持壓 60 秒的條件下，成 形所得的 PMMA 微結構的頂部凹陷狀態。 ... - 44 -  圖33 壁厚 300nm 的 PMMA 射出成形微結構。 ... - 45 -  圖34 壁厚 280nm 的 PMMA 射出成形微結構。 ... - 45 -  圖35 壁厚 180nm 的 PMMA 射出成形微結構。 ... - 45 -  圖36 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 的條件下成形所得的壁厚 180nm 的 PMMA 微結構。 ... - 46 -  圖37 模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 的條件下成形所得的壁厚 160nm 的 PMMA 微結構。 ... - 46 -  圖38 料溫 200℃，模溫 80℃，主射出壓力 100MPa 持壓 2 秒的條件 下成形所得的壁厚 2µm 的 PP 微結構。 ... - 47 -  圖39 料溫 200℃，模溫 90℃，主射出壓力 150MPa 持壓 20 秒的條 件下，成形充填尚未飽滿的壁厚 2µm 的 PP 微結構(a)深寬比 5，(b)單一結構放大。 ... - 47 -  圖40 料溫 200℃，模溫 90℃，主射出壓力 150MPa 持壓 30 秒的條 件下，成形充填飽滿的壁厚 2µm 的 PP 微結構(a)深寬比 9，(b) 單一結構放大。 ... - 47 - 

x 圖41 料溫 200℃，模溫 90℃，主射出壓力 150MPa 持壓 30 秒的條 件下，成形充填飽滿的壁厚 10µm 的 PP 微結構(a)深寬比 12， (b)單一結構放大。 ... - 48 -  圖42 射出成形模溫 120℃，主射出壓力 180MPa 持壓 30 秒的條件 下的PP 微結構偏光顯微照片(a)一般偏光鏡(b)使用銳敏色板(c) 微結構區放大圖。 ... - 50 -  圖43 壁厚 10μm，料溫 200℃，模溫 120℃，主射出壓力 150MPa 持壓 20 秒的條件下，射出成形所得 PP 微結構的偏光顯微照 片。 ... - 50 -  圖44 模溫 90℃，主射出壓力 150MPa 持壓 20 秒的條件下，射出成 形所得 PP 微結構在充填過程產生特定間距之波前形狀態。 .... - 51 -  圖45 料溫 180℃，模溫 50℃，主射出壓力 90MPa 持壓 20 秒的條件 下，射出成形所得 HDPE 微結構的 SEM 顯微照片。 ... - 51 -  圖46 收縮量測概念示意圖。 ... - 53 -  圖47 模具溫度對壁厚 10µm 的 PMMA 微結構的收縮量分佈的影響 (料溫 250℃，主射出壓力 120MPa 持壓 30 秒)。 ... - 55 -  圖48 不同模溫條件下，壁厚 2µm 的 PMMA 微結構的收縮量分佈。 ... - 55 -  圖49 不同的主射出壓力條件下，壁厚 10µm 的 PMMA 微結構的收 縮量分佈狀況。 ... - 56 -  圖50 不同的主射出壓力條件下，壁厚 2µm 的 PMMA 微結構的收縮 量分佈狀況。 ... - 56 -  圖51 (a)邊長 300nm 方形柱，(b)壁厚 200nm 光柵結構的收縮傾倒現 象(成形條件：料溫 250℃，模溫 150℃，主射出壓力 120MPa 持壓 60 秒)。 ... - 58 -  圖52 冷卻保壓過程產生應力場和釋除應力的示意圖 ... - 59 -  圖53 可自發熱模具初始的設計概念。 ... - 60 -  圖54 可自發熱模仁的製作流程。 ... - 62 -  圖55 可自發熱模仁的光罩設計概念。 ... - 63 -  圖56 第一道光罩之設計：用以產生電極槽。 ... - 63 -  圖57 第二道光罩之設計：用以產生微溝槽陣列。 ... - 64 - 

xi 圖58 第三道光罩之設計：用以定義電熱線。 ... - 64 -  圖59 完成摻雜的晶片模仁在兩個方向觀測的照片。 ... - 74 -  圖60 潻包線球狀端部。 ... - 75 -  圖61 晶片與模具組合的上視及側視圖。 ... - 75 -  圖62 晶片與導線組合後塗佈絕緣層示意圖。 ... - 76 -  圖63 晶片與導線接合完成圖。 ... - 76 -  圖64 晶片發熱的溫度校正裝置(a)實際量測的設置狀態，(b)拆下熱 電偶觀測矽膠位置的狀態。 ... - 77 -  圖65 壓力對阻值關係的量測設計概念。 ... - 78 -  圖66 實際晶片壓應力對電阻值關係的測試裝置。 ... - 78 -  圖67 收縮量測 CCD 顯微鏡。 ... - 79 -  圖68 實施模仁發熱的射出成形加工時序圖。 ... - 81 -  圖69 內建電熱線的自發熱模仁的應用概念。 ... - 83 -  圖70 為二次離子質譜儀分析磷離子在矽基表層的濃度分佈。 ... - 84 -  圖71 不同植佈劑量條件的矽基電熱線電阻的變化。 ... - 84 -  圖72 矽基電熱線分別在(a)固定溫度 170℃和(b)固定壓應力 12.5 MPa 下的阻值對時間之變化。 ... - 85 -  圖73 (a)溫度(b)壓力的變化對矽基電熱線的電阻的影響。 ... - 86 -  圖74 週期性的(a)溫度和(b)壓應力變化對阻值的影響。 ... - 87 -  圖75 使用矽基電熱線模仁進行電流-電壓測試時的(a)電流-電壓和 (b)功率-時間關係圖。 ... - 89 -  圖76 矽基電熱線的原始阻值與產生電氣崩潰後達穩態時的功率關 係。 ... - 90 -  圖77 未使用新型模仁技術在微成形所導致的各種缺陷(a)側傾，(b) 撕裂，(c)塑膠微結構頂部被拔斷，(d)底切剪斷，(e)塑膠微結 構斷裂在模仁凹槽內和(f)模仁斷裂嵌入成形微結構。 ... - 91 -  圖78 應用新型模仁的微射出成形製程的模仁發熱操作(a)成形加工 時序示意圖，(b)實際成形的模穴壓力及製品表面溫度曲線。 .. - 92 -  圖79 模具冷卻過程中，矽基電熱線的各種發熱功率所導致的微結構 模仁表面的溫度變化。 ... - 93 -  圖80 (a)為一壁厚 2μm 深寬比 8 的微米成形結構，(b)為(a)圖之局部

xii 放大，(c)為頂部 300nm 圓柱結構，(d)為壁厚 180nm 光柵成形 品應用新型模仁的成功轉印且順利脫模案例。 ... - 94 -  圖81 自發熱模仁加熱後正常脫模的微結構製品基部發生海灘紋。 .. - 95 -  圖82 自發熱模仁加熱後正常脫模製品高度 1/3 位置壁厚收縮。 ... - 95 -  圖83 矽基電熱線加熱功率太大造成脫模後微結構軟化傾倒。 ... - 96 -  圖84 各種開模溫度條件下的微結構的收縮量，微結構深寬比(a)4 倍，(b)8 倍。 ... - 98 -  圖85 深寬比 4 倍及 8 倍的成形微結構的線性收縮趨勢斜率比較。 .. - 99 -  圖86 在模溫 82℃開模所得的成形微結構，在距中心 2200µm 位置 處其結構根部被剪斷的收縮破壞。 ... - 99 -  圖87 距中心 2200µm 位置在 64℃開模溫度下獲得完全無收縮剪斷 的製品。 ... - 100 -  圖88 新型模仁位置標定圖(左圖)，右圖是冷卻過程中運用自發熱功 能在不同位置所得的微成形轉印結果。 ... - 101 -  圖89 運用新型模仁於微成形時的適當發熱條件操作窗，微結構壁厚 為 2μm 其(a)深寬比 2，(b)深寬比 4，(c)深寬比 8。 ... - 102 -  圖A1 晶片在模具內部截面圖。 ... - 114 -  圖A2 隔絕片在模具內部的位置上視圖。 ... - 114 -  圖A3 金屬模具照片。 ... - 117 - 

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微/次微米結構的射出成形特性暨

可自發熱模仁的發展與應用

一、 序論

1.1 研究背景 自 1960 年代以來，電子元件的研究開始往電路微小化、集積化的方 向發展，至今所謂的積體電路技術已有很大的進步，它使得生活中的各項 電子元件的體積愈變愈小，功能愈來愈多，深植於人類日常生活中。由於 元件微小化的需求，促成微元件、微機電系統的發展。 1980 年 代 前 後 ， 微 機 電 系 統 (micro-electro-mechanical system; MEMS) 的發展在世界各地備受矚目，其發展理念是利用半導體製程技術 改進傳統的加工方式，試圖將各種機械和電子整合的元件微小化，以應用 於流體混合、生物醫學等技術，由於應用層面生活化被期望能成為繼半導 體工業之後的另一項革命性技術。近幾年，更由於奈米技術觀念的興起， 微機電系統有更朝向微/奈米機電系統發展的趨勢。 發展微/奈米元件或系統的基礎，乃在於必須具有妥適的微/奈米結構 創製技術。在微/奈米科技的領域中，能達到將系統結構微小化的製程有很 多種。從加工製造技術層面而言，其主要微製造技術有四：半導體製程技 術(semi conductive process) 、 光 刻 電 鑄 模 造 技 術 ( 德 文 ： lithographie gavanoformung Abformung; LIGA)、微機械加工技術(micromachining)以及 掃瞄探針顯微鏡操縱技術(manipulation of scanning probe microscopy)。

矽基微加工技術源自於半導體積體電路(integrated circuit; IC)製程，在 微加工元件之厚度、時間、製程環境與成本，會受到極大的限制。例如沉 積薄膜厚度問題，當超過 3µm 的沉積厚度時，容易因應力而造成薄膜破 裂。為了改善矽基加工技術的高溫製程、材料選擇、結構深寬比等限制， 故發展出非矽基微加工技術，包括LIGA 製程、微機械加工技術、高分子 微加工技術及低溫製程之特殊材料技術。 微/奈米元件除了強調特有的結構性能，如光學性質、導電性及導熱性

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外，為了支援結構強度或增加元件的物理特性，結構體必須朝著高深寬比 (high aspect ratio)、奈米尺度等三維形狀發展，致使微系統 LIGA 製程日益 受到重視。此製程結合了光刻術、電鍍鑄模及微成形模造量產技術，可應 用於微致動器、微熱交換器、微感測器及微光學系統等元件開發，使得微 結構創製技術更實際的結合到工業批量生產。 LIGA 製程使用波長 0.2~0.6nm 的同步幅射 X 光進行深光刻術，由於 波長短、繞射現象小、功率大及穿透力強等優點，使得X 光 LIGA 製程所 製作的結構深度、精度、表面粗糙度皆遠超過微機械加工的範疇，主要製 程為 X 光深刻(lithography)、電鑄(electroforming)和微成形(micromolding) 三項工程所構成。在這主要的三項工程中，X 光深刻技術可以製造出高深 寬比且高精度的微細元件；電鑄技術則能將矽晶片上各種形狀的結構進行 翻製，使尺寸微細化、精度高、強度大的模具之製作成為可行；量產則需 依靠微成形技術來達成，所以微成形嚴格的品質控制，是 LIGA 製程應用 於工業的重要環結。然而，同步幅射光源龐大且昂貴，因此考慮製品品質 等級的要求，在沒有相當的必要性需求下，引導出類LIGA 製程的發展。 類LIGA 製程與 LIGA 製程的差別在於使用不同於同步幅射 X 光的光 源進行光刻微細加工，主要是利用紫外光微影(UV lithography)，準分子雷 射 微 加 工(excimer laser micromachining) 及 反 應 離 子 蝕 刻 (reaction ion etching, RIE)等，成本雖遠低於同步幅射光源，但加工精度則由次微米降到 微米，其可獲得之最大深寬比也相對降低。

上述微/奈米結構創製的方法，基本上製程複雜、成本高，難以大量生 產品質均勻的微/奈米結構，欲大量且快速的生產微/奈米結構最可行的方 法乃是利用成形模造的方式，即所謂的微成形製程。

微成形(micro molding)是泛指利用模具(mold, die)來進行微結構的創 形或複製。實際上，必須依據成形對象的材料種類、尺寸與形狀上的特徵， 採用適當的成形方法，才能以最經濟的成本獲得品質符合要求的微成形 品 。 目 前 在 塑 膠 微 結 構 的 成 形 方 面 ， 主 要 的 方 法 有 熱 壓 成 形(hot embossing)、射出成形(injection molding)，其他如輥壓(rolling)以及光聚合 法(photopolymerization)等工業應用例。當這些具有微/奈米結構的塑膠成形 品完成後，可直接用為微/奈米系統的零組件，如光學模組，生物醫療元件， 或者經由二次電鑄轉印得到金屬結構。

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熱壓法是在熱壓機的上下兩壓板間置入微結構模仁與塑膠板材或覆 膜，並在該塑膠材料的玻璃轉換溫度(glass transition temperature)以上的高 溫，由上下壓板對塑膠材料施予壓力迫使熔融塑膠流入模仁的模穴內，而 使模仁上的微結構得以賦形在塑膠板上的一種成形方法。基本上熱壓成形 可分成封閉式與開放式兩種。開放式由於材料在加工過程中會有大量的側 向流動，容易形成中央部分高而邊緣附近低的壓力分佈，造成微結構賦形 性和收縮不均勻的情況，尺寸控制較為困難。封閉式為上下壓板的側向周 圍設有模板來限制材料的側向流動，整個材料是在一個封閉的狀態下受到 壓縮，過程中材料少有大位移流動發生，各部分材料皆受到相同的壓應 力，因此冷卻脫模後的微成形品較能獲得均勻分佈的收縮率和品質。為了 避免空氣殘留在微結構模穴中無法排出而產生成形缺陷，工作區必須維持 在真空中進行熱壓。 射出成形是利用巨大的壓力將熔融塑膠以高速充填進入模穴內，經過 保壓、冷卻以補償體積的收縮，待其冷卻固化後獲得均質製品的大量成形 法。用在製作微結構的射出成形機，基本上必須能相當準確地控制每次的 射膠量。模具設計是微射出成形與傳統射出成形的主要差異之處，且模穴 內必須有真空排氣的設計，目的為使模仁的微結構模穴內的空氣能確實被 排出，以避免發生微結構模穴充填不良等現象。此外為因應製程中所需的 模溫高低之變化，良好的溫度調節設計對於模具亦非常重要。由於微結構 模穴的尺寸很小，充填過程中熔膠材料表面的溫度梯度所造成的表面材料 黏度增加甚或固化層的成長將會降低材料對微模穴的充填能力，因此有必 要適當的提高充填過程中的模具溫度，通常此溫度至少需設定在材料的玻 璃轉移溫度以上為宜。此種高溫充填的設定使得充填完畢後進行冷卻時的 保壓措施益形重要，以補充因巨大的冷卻收縮所造成的模穴內材料量之不 足。然而，若無良好的保壓策略並配合適當的澆口截斷設計，容易造成整 體模穴內的壓力分佈不均，因而導致微成形品各部分的收縮率不一致，降 低微成形的精度。 輥壓成形是把塑膠薄片穿過相對旋轉的一對平行輥子之間的間隙 時，受到高溫輥子的加熱而使表面軟化，同時藉此輥子所施加的壓力而使 附於高溫輥子表面的微結構轉印賦形於塑膠薄板上。而由於通過輥子間隙 後的塑膠薄板的表面仍具有較高的溫度，為避免其上剛形成的微結構受到

- 4 - 表面張力的影響而破壞，通常會以低溫的空氣流來對輥子間隙出口附近的 塑膠薄板施予冷卻。輥子除了須具備足夠的剛性以抑制由輥壓負荷造成的 撓曲變形外，表面設有微結構的輥子，其軸向溫度分佈的均勻控制亦非常 重要。其主要的操作條件為輥子溫度、轉速及壓力。由於塑膠材料自身的 熱傳導性通常不佳，所以利用高溫輥子來軟化塑膠薄板表面層的輥壓製程 通常僅適用於高度1µm 以下的微結構之成形。 在所有的微成形方法之中，射出成形製程因模穴為封閉性空間，可得 材料流動率高(high flow rate)、流動距離長、低的功率損失、各項量測準確、 循環時間短、壓力高等特點，特別適合用在高深寬比的微細結構的成形。 此外，以傳統的射出成形機配合微結構模具來執行微結構成形，其生產性 極高，對於批量複製微結構之目的，不僅可降低其生產成本，且成形品質 相當穩定，是大幅提升工業應用性的關鍵技術。 然而由於(1)微/奈米結構的特徵尺寸厚度(或寬度、直徑)極其微小，在 射出成形過程中模具對於成形材料的冷卻效應遠較一般尺度的成形品者 為大；(2)微/奈米結構特徵尺寸的深寬比依需求而不斷的提高；以及(3)微/ 奈米結構經常是一大片密集地垂直矗立於一基板上而各自的結構都不具 有(不被允許有)脫模傾斜角。這些因素使得微/奈米結構的射出成形遠較一 般尺寸塑膠製品的射出成形困難。此外，成形材料的均勻性亦是微/奈米射 出成形必須密切注意的問題，特別是成形過程中結晶性塑膠、聚摻物等的 內部構造的形成，對於微/奈米射出成形特性的影響至為複雜。 1.2 文獻回顧

自 1978 年德國 Karlsruhe Nuclear Research Center 的 Institut für

Mikrostrukturtechnik (IMT)發展出用以製造微結構的 LIGA 技術[1]，因其基 礎及應用涵蓋工程、科學、生物醫學之應用，引起科學研究各界的注目。 LIGA 技術的標準製程如圖 1 所示，首要步驟是在晶片上形成導電的種子 層，隨後在表面塗佈光阻(PMMA)，以 X 光穿過光罩(mask)對光阻曝光後， 使 光 阻 產 生 交 鏈(cross linking) 或 解 離 (decomposition) 的 結 構 ， 在 顯 影 (development)後，可得含有結構圖形(pattern)之塑膠模板。第二步驟是使用 電鑄技術使金屬以離子的形式沈積在具微結構模板內，移除模板後，即可 得所需的金屬微結構模仁。第三步驟是利用微成形技術，如射出成形、熱

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壓成形等技術大量轉印，形成塑膠微結構[2]。

由於 LIGA 製程是一種整合性技術，其各步驟皆屬複雜且獨立的製

程，H. Guckel 等人對 X 光深刻技術各步驟參數做深入的研究，以電鑄技 術製作數件組合件，形成微致動器系統[3]。在溝槽蝕刻深度方面，A. A. Ayón 等人使用深反應式離子蝕刻系統(Deep Reactive Ionic Etching, Deep RIE)在(100)矽晶片上製作垂直溝槽，線寬 30µm 深度在 120µm 以內，蝕 刻率呈線性下降，側壁垂直性尚可；但是深度120~500µm 蝕刻率呈緩慢非 線性變化，且側壁漸呈V 型，為 RIE 在深寬比提出建議[4]。K.Ohwada 等 人使用(110)矽晶片，做 KOH 非等向性濕蝕刻，為了達到深度均勻，開發 動態震盪超音波輔助蝕刻，利用在不同頻率下的震動，促進溝槽深度的均 勻性，其穩定深度約在160µm，約 15 倍深寬比[5]。S. W. Watson 與 R. P. Walters 研究鉻與鎳複合電鍍的特性，針對使用和不使用鉻在鎳基材的特 性，詳細說明電壓和電流濃度的控制技術，對微結構電鑄翻製品質控制提 供有效的方法[6]。

- 6 - 圖 1 LIGA 技術的標準製程說明。 微成形技術方面，Karlheinz Dunkel 等人說明微成形製程可能產生的缺 陷，如翹曲(warpage)、未完成充填(unfilling)及表面粗糙度(surface roughness) 問題，並提出射出速度越快，對V 型溝槽成形品的轉印有明顯的成效；在 收縮率(shrinkage)方面，結晶型比不定型高分子要大[7]。R. Ruprecht 等人 則研究在塑膠內加入金屬充填物，經射出成形得到導電性種子層模仁，以 利電鑄金屬微結構。他們的論文中提到較高深寬比(> 4)的結構的充填適合

- 7 - 使用射出成形，比較小深寬比者則可用熱壓成形。此外，還敘及在封閉模 內的排氣、模溫、保壓、冷卻、脫模溫度以及移除微結構模仁等的控制事 項。射出成形部分亦提到，脫模溫度依材料種類及微結構特徵而定，唯有 遵循嚴格的溫度公差，成形品才能完美地脫模[8-11]。R. Wimberger-Friedl 等人以次微米光柵元件為主題，探討不定形(amorphous)高分子 PMMA 及 PC 的射出成形特性，指出高的模溫的影響和收縮所造成的破壞；若要減 低這些影響，模溫要儘可能的接近玻璃轉移溫度(Tg)；在製作次微米線寬 約100 nm 的塑膠成形品時，發現深寬比高達 8 以上的成形有相當的困難， 因為在次微米尺度時表面粗度的效應異常明顯[12-16]；次微米成形品在試 片處理時，為防止截面劈裂時的應力破壞，以集中離子束(FIB, focus ion beam)的加工可完美的切割截面[17]。使用熱壓成形製作深寬比約 4 的大面 積塑膠元件，在模溫高於Tg點時可完整地轉印微米尺度結構[18-24]。但是 J. Taniguchi 等人曾在鑽石膜基板上建構 2µm 寬的鋁微結構，用於對 PMMA 做微壓印。在溫度 150 ℃，65 MPa 條件下，只能轉印出小於 1 的 深寬比，可見尚有其它參數未掌握[25]。 在微成形分析方面，有關分子定向之分析論述，Broyer 等提出，對非 晶 質 材 料 而 言 ， 高 分 子 在 流 動 過 程 中 ， 即 會 產 生 分 子 定 向(molecular orientation)，使得原先呈現捲曲之分子鏈受剪力作用而拉直，加上快速的 凝結作用致使高分子無法恢復捲曲之形狀，此時即會發生分子定向情形。 但若將其置於高溫下，則較高的能量成為分子鏈回復捲曲狀之動力，即造 成射出件的翹曲，所以對精度需求高的射出件而言，定向性的改善與避免 是不可或缺的[26,27]。N. Huber 及 C. Tsakmakis 利用 ABAQUS 軟體以有 限元素法模擬微細尺寸下之大變形的脫模應力分佈，發現應力受殘餘層 (residual layer)厚度所左右[28]。Y. K. Shen 使用焓的觀念解釋材料流的波前 (flow front)表面兩相流問題，並模擬非牛頓流體的非等溫二維暫態溫度場 進行分析，以符合薄流路基本設計[29]。 在量測方面，J. Dininger 探討射出成形的模穴壓力、塑料流速、料溫 及冷卻速率等4 個變數，其中提到高的塑料流速，可使塑料分子的黏度下 降，有助於充填微結構[30-32]。R. C. Luo 在矽晶微結構上附加壓電晶體 (PZT)及白金溫度感測器，用以線上監測塑膠充填時的實際狀態履歷，形 成一個閉迴路控制系統，可有效的改善成形品質[33,34]。C. Yan 製作 V 型

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金屬微模仁，藉由在模仁背面加裝PZT 元件來達成射出壓縮成形(injection

press molding)，並且在 20 MPa 到 34 MPa 的施力範圍下，控制溫度、壓力 及施與模仁的熱通量。作者發現成形品尖點部分的均一性不佳，可能是降 溫過程的控制問題[35]。M. Kobayashi 等人製作多模光纖連接器，研究對 合時的光傳輸損失問題。研究發現，若要完美的傳輸訊號，必須非常嚴謹 地控制成形品在位置精度方面的加工參數 [36,37]。 成形缺陷方面，K. M. B. Jansen 等人研究射出成形的收縮，認為最有 影響的是保壓力及料溫，提升這些參數可有效改善收縮品質；流速及模溫 對收縮的影響比較小；並說明不定形材料收縮曲線的重現性較半結晶形態 者精準之結果[38-41]。在脫模技術上，R. H. Chen 利用消失模技術製作陶 瓷微結構，研究使用塑膠當模仁，進行陶瓷粉末的射出成形轉印，再以有 機溶劑去除高分子模仁，使成形品在無應力下順利脫模並獲得模具表面的 原始特徵[42]。 綜合以上所述，可發現各主要工業國家的研究者對 LIGA 製程所投入 的研究，其中多屬製程的開發與應用，至於在高深寬比的塑膠微細結構加 工的參數對成形特性的影響以及缺陷形成的原因，目前尚缺乏較深入的研 究。 1.3 研究動機與目的 迄今為止，有關微結構射出成形的研究，大部分著重在模仁的製程技 術與微成形產品的應用開發，偶有對於成形缺陷的討論，亦都僅止於成形 參數對缺陷改善結果的影響。尚未有研究者針對微射成形的成形特性，從 成形材料在微模穴內的變形與流動行為的直接觀察與分析來進行系統性 的探討。 從塑膠微/奈米結構元件的發展趨勢來看，為了強調特有的結構所表現 的優良性能，結構體朝向奈米尺度、高深寬比等三維形狀設計，若要大量 的製造，則必需以成形模造進行。然而微/奈米結構的幾何外形乃受限於模 具對塑膠的加工可能性。歸納所有的成形加工設計，幾何外形最終將歸於 基礎的垂直突出薄流路的充填問題。所以，了解基本薄流路微成形的問 題，進而修正模具的設計與製造技術，乃是建立優秀的微成形技術的重要 關鍵。

- 9 - 在加工技術上，射出成形的模穴屬全封閉邊界，加工速度快、成形壓 力大。惟當加工微/次微米塑膠元件時，其深寬比大於 8 以上的微細結構若 以傳統的射出成形技術加工是無法輕易達成的。此乃由於模仁上的微模穴 厚度極小，且多為垂直矗立於製品表面而不具有外形上的傾斜角。如此的 幾何外形，不僅使材料充填的抵抗變大，模具對於充填進入的塑料之冷卻 效果亦大增。此外，塑料與模仁兩者熱膨脹係數的差異所導致不同的收縮 率，會因而在微結構基部形成夾模應力，這種應力的破壞效應隨著塑料冷 卻固化而漸形明顯。所以模具對於充填中塑料的特殊加工技術和脫模處理 是影響成功成形的技術要點。 因此本研究藉由製作和應用矽晶模仁，以對微成形加工進行有系統的 實驗，調查微結構薄流路射出成形時可能的成形問題及內部結構缺陷，同 時探討各種成形參數與外在條件對材料的變形流動行為以及缺陷生成所 造成的影響。期望藉此了解塑膠材料在微模穴中的成形機制，以釐清成形 條件與產品特性之關係，提供為將來的模具設計與規劃的參考。 此外，為了減緩甚至於消除塑膠微結構基部的收縮應力，加工時必須 以成形材料的熱和力學等性質為基礎，並考慮成形品的形狀、尺寸和微結 構在模具內的位置，隨著成形過程而在適當的地區局部施予力和熱作用， 以求獲得形狀完好且位置精準的成形元件；因此本研究亦嘗試開發一種在 模仁表面可快速局部發熱的模仁，它是利用在矽晶表層縱深方向植佈磷離 子的改質技術，使在模仁的表面下形成具有特定電路圖案和阻值的導電迴 路，當通以電流時，這些迴路即變成電熱線，可在成形加工過程，在指定 時間區段對成形品微結構區做各種功率波形的局部加熱，使塑料內部必要 的位置形成適當的溫度梯度，以精微控制成形材料各部分的冷卻速度和固 化先後順序，達到避免產生或釋除應力的目的。 1.4 研究方法 微/奈米結構成形的應用趨勢主要可分為微/奈米光學元件成形，如微 透鏡、微繞射元件等；微機械元件成形，如薄壁結構、電鑄模仁、微型轉 動元件等；積體電路的封裝成形、微電路整合元件等。本研究歸納這些應 用元件生產時可能產生的核心問題，在於基礎的微/奈米尺寸的薄流路充填 問題，所以設計一個以半導體製程製作的矽基微/奈米結構之薄流路模仁，

- 10 - 並將其設置在特殊設計的模座內，配合可獨立控制溫度和量測模穴壓力的 感測器安置在模座內，以射出成形機進行微成形實驗。模具設計原則上特 別注意到熱對稱，如熱通量、熱阻隔等以利分析。量測方法採直接在成形 品表面做即時壓力監測及材料內部溫度量測，並配合使用各式顯微鏡觀察 成形後的微結構，以探討微結構射出成形可能造成之缺陷與問題，並嘗試 予以解決。實驗分為兩部分，第一部分為設計不同線寬陣列之微/次微米結 構矽晶模仁，用來當作薄流路成形的模仁，然後進行微結構射出成形實 驗，針對不同的工程塑料調查其在模穴內的充填行為與缺陷生成，並且探 討成形條件的極限範圍和最佳值。第二部分為開發新型模仁，在矽晶模仁 上除了製作出陣列微結構外，並應用摻雜改質原理而設計製作有可瞬時控 制的加熱線在模仁表面，期能解決收縮夾模問題。

- 11 -

二、 微/次微米結構射出成形實驗

2.1 微/次微米結構射出成形設計概念 微/次微米結構射出成形與傳統的射出成形製程在基本上並無太大的 差異，主要是由(1)材料混練與計量、(2)射出充填、(3)冷卻保壓及(4)脫模 等步驟所構成，其製程設備可沿用傳統射出成形用的精密射出成形機來與 微成形專用的模仁、模具系統配合使用。近年亦有特別針對微成形之目的 的射出成形機被開發出來，其特點在高速射出、精準的計量控制和多段射 出壓縮定位等。本研究乃是以較先進的精密射出成形機來進行微成形實 驗。相較於傳統的射出成形，微射出成形製程有幾項必須有的特殊考量。 第一：必須製備微/次微米結構模仁，置於模具內使用；第二：澆口前必須 設有防止熔融塑料回流機構；第三：射出充填結束前，必須持續對模內進 行抽真空處理；第四：必須具備高溫的模具加熱，以及快速的冷卻能力； 第五：必須有特殊設計的脫模處理方法。 滿足了以上的要求後，始可進行微/次微米尺度射出成形實驗，圖 2 為 本微成形實驗的流程。模具充填完成後，矽基模仁與成形品被一同取出， 再用消失模法只針對矽基模仁進行蝕刻去除，以維持微/次微米結構成形品 在無外力條件下順利脫模；所得成形品利用光學顯微鏡(OM)或電子顯微鏡 (SEM)量測收縮特性和觀察成形缺陷。另外，為了能夠完整的充填微/次微 米結構模穴，在本研究中提出射出充填過程應將射出壓力分成兩個階段的 方法：第一階段射出壓力(injection pressure)主要在充填微結構模穴的基 部；第二階段射出壓力稱為“主射出壓力” (main injection pressure)，是在固 定溫度和壓力的條件下，維持一段數十秒長的時間，目的在充填微/次微米 結構的部分；隨後進行保壓、冷卻至開模溫度，並以高的鎖模力來維持材

- 12 - 圖 2 微成形流程圖。 矽晶片 半導體製程: 薄膜，微影，乾/濕式蝕刻 晶片切割 微結構陣列製品 微射出成形 消失脫模法 量測 收縮/結晶分析 OM/POM 內部構造 TEM 表面形態 SEM

- 13 -

圖 3 微射出成形加工履歷。

2.2 微射出成形實驗條件設定

粘度的量測對於流體的變形、流動行為的掌握是非常重要的，對簡單 流體(simple fluid)而言其粘度決定於溫度及靜壓(hydrostatic pressure)；而本 研究所使用的是高分子材料，它 的流體表現為非理想型行為(nonideal behavior)，其流變行為複雜，除了有複剪切粘度(complex shear viscosity) 行為外，也表現彈性性質、正應力(normal stress)現象與顯著的伸張粘度 (tensile viscosity)。所有的高分子材料熔體的流變性質均決定於剪切率

Time

main injection holding pressure injection Pressure Temperature Demolding temperature Mold temperature Time Demolding

- 14 - (shear rate)、分子量、結構及溫度。流變行為會影響最後物品的機械性質， 如分子順向(orientation)改變模造物性、薄膜與纖維的機械性質。高分子的 流變行為與製造程序中流動的方式將明顯地改變順向種類與順向度。 本文的流變力學基礎將以標準的理想型流體牛頓型(Newtonian)為基 礎，其定義粘度不隨剪切率而改變，如圖4 所示。在剪切應力對剪切應變 率(τ-γ&)作圖為一直線，可根據(1)(2)(3)式推得彼此的關係。 A F = τ (1) θ γ Tan DS = = (2) γ τ γτ η & = = dt d (3)

τ : shear stress γ : shear strain

γ& : shear strain rate η: shear viscosity

上面的數學模式同樣的可解釋非牛頓流體，差別只在粘度為函數形式，而 高分子正屬非牛頓型流體，剪切應力對剪切應變率作圖為一曲線，如 圖 5 所示。然而，在非常低的剪切應變率時，液體可視為牛頓型，由 初始斜率可得極限粘度(limiting viscosity ηo)；本實驗為了完整的充填，在 定溫的條件下，以非常低的充填速率使粘度在主射出壓力階段近似為定 值，使得高分子流體接近牛頓流體。在此，當τ-γ& 曲線在非線性區域時， 可由剪切應變率相對應的點得知不同定義的粘度。

- 15 - 圖4 理想型牛頓流體受剪切應力之變形示意圖。 圖 5 非理想型牛頓流體之剪切應變率和剪應力關係。 微射出成形與一般的射出成形最基本的差異為微模穴的材料流道的 厚度遠較一般模具的模穴者小，其差異在102 至 103 倍以上。根據(4)式， 如果欲達到與一般射出成形相當的模穴充填速率，則微射出成形時材料在 模穴內所受到的平均剪切作用將會較一般射出成形者遽增百倍以上

( )

2 / h v_av av = γ& (4) 在此，γ&_av為平均剪切應變率，v_av為平均充填速率，h 為模穴內的流路 厚度。其產生的變形抵抗亦因此大增，如(5)式所示。

γ

η

τ

=

_&

(5)

γ

_&

γ

τ

η

&

d

d

=

τ

F F A θ S D

- 16 - 式中τ為剪切應力，是單位面積材料對於剪切變形的抵抗，η是材料的 黏度，為溫度的函數。故射出成形機所必須提供的動力因此大為增加。而 實際上為了以有限的機器功率來達到微射出成形的目的，適度的降低微模 穴充填過程中材料的變形抵抗乃是必要的。最直接的方法之一，就是提高 流動充填中的材料的溫度，以降低其黏度。然而由於進入模穴內的材料對 於模壁的傳熱行為，模壁與材料間的溫差會主宰模穴內材料的溫度變化狀 況，進而左右材料在模穴內的流動性，此模溫的影響在流路厚度僅為微米 等級或其以下的微射出成形時特別顯著。另外，在射出成形機的有效輸出 功率範圍內，提高射出壓力可增大成形材料的變形速率，因此延長該壓力 下的充填時間亦可達到模穴充填更完全之目的。所以為了順利充填微模 穴，本論文提出適當的模溫、主射出壓力值與主射出壓力維持時間為充填 微結構的主要參數。 2.3 實驗設計與材料 本實驗設計具有基礎外型的垂直溝槽列微結構模仁，針對成功的高深 寬比微/次微米尺度射出成形探討具有決定性影響的參數，以及這些參數的 變化對於微結構的成形性、特殊充填行為的影響。為了探討塑膠微/次微米 結構的可成形(充填)性和成形特性，本研究設計多種長、寬皆為 8mm 的模 仁，每片模仁表面各有特定規格的高深寬比微/次微米溝槽列，以供射出成 形實驗使用。溝寬規格在10~1μm 之間的微米結構模仁是使用(110)的矽晶 片，利用半導體製程加工均勻的微米結構陣列，並控制其微結構的深寬比 在 8 左右。而具有次微米(奈米尺度)寬的深溝列之模仁尺寸線寬則在 700~160nm，是以(100)矽晶片配合薄膜技術，再以電子束直描技術將圖案 定義，最後利用乾式蝕刻製作出次微米溝槽列，其深寬比約在 6。這些製 好的晶片待切割成小塊模仁後，將以真空吸附方式固定在模具內設有吸氣 通道的頂出銷之端面，且模仁表面上方的模穴厚度設為可調，最大可達 2.5mm 厚。模仁對面的模穴壁面並埋設有壓力感測器與熱電偶，以監視成 形過程中模穴內的平均壓力和成形品(塑料)基部的中心溫度。為了消除充 填的排氣壓縮問題，模穴從噴嘴接觸澆道後直到充填結束之前，都持續抽 空真維持在1mbar 以下。模具內並設有循環水路與電熱管，可依製程的進 行來對模穴壁面做適當的溫度控制。當每一射出充填完畢時，模具打開，

- 17 -

頂出銷便將模仁與附於其上的成形品一同頂出。再利用 KOH 水溶液將矽

模仁蝕刻移除，以獲得塑膠微/次微米結構成形品。 2.3.1 實驗材料

本 實 驗 中 使 用 的 成 形 材 料 有 ： 聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (poly[methyl

methacrylate] ， PMMA) 、 聚 碳 酸 酯 (polycarbonate ， PC) 、 聚 丙 烯 (polypropylene，PP)和高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)。其

中 PMMA 和 PC 為不定形(amorphous)，而 PP 和 HDPE 則為半結晶形

(semi-crystallization)。在射出成形前這些材料都在環境相對濕度近 45%、 烘烤溫度85℃經過 6 小時以上的乾燥處理，以去除材料內所含的水氣，隨 即進行射出成形。PMMA 為本實驗主要的工程塑膠，由日本 MITSUBISHI RAYON 公司製造的 MD001 型，玻璃轉移溫度為 105℃，熔化溫度約為 250℃，屬光學等級之工程塑膠，由於物理和化學性能較其它材料穩定， 對於製作微/次微米結構的形狀精度和光學特性研究具有較優良的指標 性；PC 為德國 Bayer 公司生產，玻璃轉移溫度為 140℃，熔化溫度約為 260~320℃；PP 為福聚公司 6331 型，玻璃轉移溫度為-10℃，熔點約為 165 ℃；HDPE 為台聚公司 LH901 型，密度 0.953g/cm，玻璃轉移溫度為-30~-128 ℃，熔化溫度約為127~134℃；特性規格如表 1 所示。圖 6 為本實驗所用 的工程塑膠PMMA 的性質(a)為 P-V-T(壓力-比容-溫度)特性圖，(b)和(c)是 使用平板流變儀量測在不同溫度下的剪應力、剪切黏度和剪切率的關係。 表1 實驗採用的工程塑膠特性[43]。

Engineering Plastics PMMA PC PP HDPE

Tensile strength (MPa) 47~77 55~70 21~40 18~33

Hardness (Rockwell) M85~105 R115~125 R50~110 R55~70

Heat conductivity (Wm-1℃-1) 0.50 0.46 0.28

Thermal expansion (*10-5℃-1) 5.0~9.0 6~7.0 11.0 13

- 18 - (a) (b) (c) 圖6 本實驗所用的工程塑膠 PMMA 的工程性質(a)P-V-T 特性關係，(b) 剪應力-剪切率，(c) 剪切黏度-剪切率。 MPa

- 19 - 2.3.2 模具設計 由於本實驗所需使用的壓力範圍大約在 10~230MPa，超過一般成形模 具使用範圍甚多，而且模溫的變化範圍在 30~170℃之間，操作環境極為嚴 苛，為了滿足這樣的微成形所需條件，模具設計要求有以下幾點：(1)熱傳 對稱性，(2)模具剛性需足夠大，(3)獨立的溫控系統，(4)模穴抽真空，(5) 模穴壓力和溫度量測等要點。實際完成後的模座設計，在公母模板採用相 同的厚度60mm，背面各有一片隔熱板，兩模板內各鑽有 4 孔 ø12 的貫穿 電熱管及4 孔 ø10 的貫穿水路孔，其分佈皆採弧形配置，主要目的在增進 熱分佈的均勻性。公模板背面除了隔熱板外，另加一厚度50mm 的承板， 以增加整體剛性。至於真空系統的設計，抽氣軟管連接下頂針板，孔洞通 往模穴的兩支方形頂出銷頂端，用以吸附微結構模仁定位；該方銷頂部四 邊各置有凸出塊，用來將模仁定位。此外，每支頂出銷的頂部四側各設有 一深度 20µm 的凹穴通到頂端，另一端通往圓孔達抽氣流道，用以持續對 模穴抽真空，方銷頂部如圖7 所示。 圖 7 射出用模仁之方銷側邊抽氣道設計。 在澆道設計上，模具橫澆道(runner)截面採 U 型通道，目的在使塑料 的熱傳導可近似圓形輻射，熱分佈較為均勻。當熔融塑料導入模穴時，利 用三斜面的扇形澆口(fan gate)，降低澆口剪切應力引起的壓力降，避免聚 合物在薄流路前段產生特殊流場之現象。 模穴的狀態的感測方面，目前設計呈對稱分佈的一模兩穴，其中一個 模穴設有壓力感測器，另一模穴則裝有為電熱偶；感測器採與塑料直接接 Vacuum direction

- 20 - 觸，以正確獲得實際值，兩者皆固定在母模側。壓力感測器使用 Dynisco 製造之 PT-449 型，前端具有直徑 6mm 的感測面積，量測位置在成形品基 部表面，壓力標準範圍可達 140MPa，最大容許壓力上限為 206 MPa，直 接接觸材料之容許溫度可達 315℃，用以記錄成形過程中的模穴基部平均 壓力。熱電偶採 K type 非接地型，端部直徑 1mm，長度 100mm，材質為 SUS316 外殼，最高使用溫度為 500℃，素線阻抗值 52Ω/m，電線耐熱 200 ℃，玻璃纖維編織。為了可正確地記錄溫度和成形溫度變化，熱電偶端部 位置被設計伸入成形品厚度的中心。兩者感測器皆連接到數據擷取盒，並 連接到電腦以記錄成形履歷及進行分析。模溫控制部分，在公母模板中心 近旁各設有一支熱電偶，連接到自製的數位電熱管控溫器，可分別控制 公、母模板的模穴在相同的溫度；成形保壓階段的快速降溫，則利用循環 水式模溫機進行控溫，它與電熱管控溫器之間，設有一功能為互斥的手動 切換開關，啟動時機設定在保壓起始點。

- 21 - 2.4 矽基微/次微米結構模仁的製作 為了製造具有基本特徵且線寬在微米及次微米尺度的薄流路模仁，必 須使用微影並配合蝕刻的製程方可獲得符合要求的表面粗糙度。矽晶基材 在潔淨度及結晶定向性上非常適合用來製作微細尺寸結構。開始之前，必 須先了解不同方法製作線寬的能力極限，以方便設計製程。在矽晶模仁的 設計方面，結構側壁採垂直，溝槽線寬與深度呈倍數比值在2~8 倍之間， 節距一般定為線寬的3~10 倍距離。線寬設計上，以鉻膜製作的光罩來說， 1µm 以下的微結構模仁須改以電子束直寫加工方式製作次微米模仁，其製 程設備如表2，這是因為線寬尺寸達到 1µm 以下時，光罩尺寸的解析度已 達極限，光罩圖形的邊界以顯微鏡 1000 倍放大觀測實為鋸齒狀，這種線 寬用UV 光源對正光阻(FH-6400)顯影時，入射波與反射波因為光學干涉作 用而產生的駐波現象，無法正確的轉移圖形[44]，會造成顯影後以大小不 均的圓孔分佈在圖案上，狀態如圖8 所示。 在溝槽蝕刻深度方面，本研究取(110)矽晶片，使用 KOH 做非等向性 濕式蝕刻，對不同線寬尺寸的模仁進行加工，目標深寬比 8~12 倍。文獻 提到KOH 濃度大約在 4M(莫耳)時蝕刻率可最大，濃度越大，對應的表面 粗糙度(Surface roughness, Ra)越佳，在 80℃濃度 8M 時，表面粗糙度可低 到100nm 以下[45,46]，此為本實驗所使用的濃度。在實際的濕式蝕刻過程 中，微溝槽的蝕刻均勻性是一個棘手的問題，因此本研究中亦針對蝕刻均 勻性做了相關的研究，曾使用單一頻率超音波進行蝕刻，發現其蝕刻深度 並不均勻，所以本研究改用攪拌子輔助流體的流動。實驗時晶片結構平面 朝下浸入液中，蝕刻液體則藉由攪拌作用促進濃度均勻，同時驅使反應產 生的氣泡與微結構表面分離，反應物則因重力作用沉落，如此可有效解決 蝕刻深度不均等問題，說明如圖 9 所示。模仁的詳細製作過程如下所述。

- 22 - 表2 實驗設備以及所屬單位。 No. 設備名稱 型號 所屬單位 1. 無塵室操作工作台(Wet bench)  交通大學 奈米中心 2. 高溫氧化爐管擴散系統(Oxidation & Diffusion Furnaces Systems) 

3. 低壓化學氣氣相沈積系統

(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)  4. 薄膜測厚儀(Surface Profile)  Dektak Ⅱ A

5. 橢圓測厚儀(Ellipsometer)  RUDOLPH RESEARCH Auto ELR-11

6. 真空烤箱(Vacuum Bake, Vapor Prime Processing System) 

Yield Engineering Systems YES-5

7. 光阻塗佈機(Spinner Coater)  Synrex 1-PM101D-R790

8. 光罩對準曝光機(Mask

Aligner) 

Karl Suss MJB-3

9. 四點探針(4-Point Probe) NAPSON RT-7

10. 介電薄膜活性離子蝕刻系統 (Dielectric RIE) 瑞典Vacutec AB 1500-series 11. 電子束直寫系統 Leica- WEPRINT200 行政院國科 會國家奈米 實驗室

12. 活性離子氧化矽乾式蝕刻 TEL 公司 model TE-5000

13. 集結式電漿輔助化學氣相沈 積系統(Muti-Chamber PECVD)  SurfaceTechnology system(STS) Mutiplex Cluster CVD 14. 場發射掃描式電子顯微鏡 FESEM  HITACHI S-4000

15. 濺鍍機(Sputter) 英國 Ion Tech Microvac 450CB 

16 射出成形機 ARBURG-270s 交通大學

機械所

- 23 - 圖8 利用 UV 光源微影光阻，由於 1μm 以下的線寬具有的光學干涉問題， 導致光阻顯像不良的狀況。 heating Die Holder

40%wt KOH solution with a temperature of 70 °C Agitator In front of the ground 圖 9 濕式蝕刻設計示意圖。 2.4.1 微米級模仁 本研究在製作微米級尺度的模仁時使用直徑 4 吋，厚 525µm，(110) 方向，P 型的矽晶圓為模仁胚料，其電阻率為 1-100Ω/cm，表面粗糙度低 於10nm。選用（110）晶片的主要目的是，這型晶片在定位邊平行的方向

- 24 - 上利用濕式蝕刻時其縱深對側壁方向的選擇比約為 100:1，且側壁為垂直 的，非常適合做為基本薄流路所要求的特徵。實際製作時，首先利用RCA 製程清洗晶片，再置於乾式熱氧化爐以1050℃的溫度經過 180 分鐘，使生 長緻密的二氧化矽(SiO2)層達 1500Å 厚，作為矽與氮化矽(Si3N4)的附著介 面。然後置於低壓氣相沉積爐管(LPCVD)，沉積出密實無孔洞的氮化矽 2000Å 厚，用以當作圖形的保護層。 微 影 製 程 時 首 先 在 氮 化 矽 上 沉 積 一 層 非 常 薄 的 六 甲 基 二 矽 胺 烷 (hexamethyldisilazane, HMDS)預濕潤劑再塗佈正光阻(FH-6400)，可防止光 阻因為張力與密度因素，造成塗佈不完全、傾斜或駐波狀曲面，致使後續 製程良率受到表面厚度不均的影響而下降。隨後使用UV 光源微影技術將 圖案定義在晶圓上，隨即進行反應離子蝕刻(RIE)，直接對氮化矽轉移圖 形。在此所使用的乾式蝕刻系統為瑞典Vacutec 公司製造的 AB 1500-series 型介電薄膜反應離子蝕刻機(Dielectric RIE)，可加工材料有二氧化矽、氮 化矽，本實驗所使用的蝕刻氣體為CF4 = 40%，O2 = 5%，射頻(RF)功率為 100W，對氮化矽蝕刻率約為 1000Å/min，對光阻與氮化矽的選擇比為 1： 15。乾式蝕刻後再使用 BOE 溶液對 SiO2進行等向性濕式蝕刻 120 秒，使 於線寬露出矽基表層。以硫酸移除光阻後，即完成濕式蝕刻前步驟。晶片 模仁製作流程如圖10，製程參數如表 3 所示。 最後將含有圖案的矽晶片置於 80℃，重量百分濃度 40％的 KOH 溶液 中進行非等向性濕式蝕刻，蝕刻速率為 1.2~1.4µm/min，蝕刻率如圖 11。 蝕刻過程中氮化矽與矽在 KOH 溶液的選擇比約在 1：2500 以上。蝕刻過 程為避免矽的蝕刻反應物堆積在高深寬比垂直溝槽內無法排放出來，造成 蝕刻速率減緩，本實驗採晶片結構面朝下，並以攪拌子 120 rpm 擾動流體。 蝕刻時間必須依據線寬尺寸適度調整，結果可得均勻的蝕刻深度。當完成 微結構時，可利用 RIE 去除矽表層的氮化矽，再以 BOE 去除二氧化矽保 護層，此時表面具有微溝槽的晶片模仁即完成。圖12 及圖 13 分別為線寬 10µm 和 2µm 的微米矽晶模仁的加工結果。

- 25 -

表 3 微米級結構製程參數。

Clean wafer RCA process

Procedure Temp (℃) Time(min) Thickness(Å) Equipment

SiO2(dry O2) 1050 90 2200 Furnace(CVD)

Si3N4 821 26 2000 LPCVD*

Photolithograph

Prupose Material Parameter Time

Removal mist HMDS 150℃ 40min

Spin Coat FH-6400 1000rpm 12sec

5000rpm 25s

Soft Bake Hot plate 90℃ 60s

UV Exposure No filter (7.5MW/cm2_{) 45s(10µm)}

PostExposureBake Hot plate 90℃ 60s

Development FHD-5 Tg 20s

Fixing D.I.Water Rinse 30s

Hard back Hot plate 120 ℃ 180s Si3N4 etching RIE etching

CF4 40sccm*

160s(100W)

O2 5sccm

SiO2 etching Wet etching BOE Tg 150s

Removal PR* Wet etching H2SO4 80℃ 7min

Etching Si Wet etching KOH(40%wt) 70℃/100rpm min *SCCM( standard cubic centimeter, cm3 )

*PR( positive photoresist )

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圖10 晶片模仁製作流程。

- 27 - 圖12 溝寬 10µm 矽晶模仁截面。 圖13 溝寬 2µm 矽晶模仁截面。 2.4.2 次微米級模仁 次微米模仁主要以 RIE 對 SiO2加工製得，其溝槽尺寸設計有 700、 600、500、400、300、280、260~140nm 等多種寬度，深寬比在 4~6 倍以 上。由於蝕刻源RIE 即為非等向性加工，所以可採較便宜的 6 吋(100)晶圓 作基材，但是側壁的斜度會隨深度而變大為一缺點，其製程如下所述： 首先在(100)矽晶片上以熱氧化爐管生長 10000Å 的 SiO2，再塗佈正型 光阻劑 DSE 達 570nm 厚，然後以電子束直寫光阻形成圖案。電子束直寫 系統採用Leica 公司製造之 WEPRINT200 型電子束系統，最大直寫晶片規

格 150 mm，燈絲採用 LaB6，功率為 40keV，真空度>10-3 Pa，劑量範圍

0.1~1000µC/cm2。實驗中設計的不同線寬例所使用的劑量如表 4 所示。

當以電子束直寫完成光阻圖案後，使用反應離子氧化矽乾式蝕刻(RIE) 對二氧化矽加工到矽基表層，使形成微細溝渠，即可以鑽石鋸片切割成小 片的成形用模仁或利用劈裂形式得到所要的方形模仁，最後再利用硫酸去 除光阻後，就完成次微米模仁的製作。其中所用活性離子氧化矽乾式蝕刻

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機(Oxide Etcher)為日本 TEL 公司製造的 TE-5000 型，使用在潔淨室 10 級

的無塵室，可用的反應氣體有CHF3, CF4, Ar, O2 ，晶片操作溫度在-25℃ ~10℃，壓力操作範圍在 1 到 0.1 Torr 之間，操作功率 1000 W 以內。本研 究所使用的蝕刻氣體為 CHF3，正光阻與二氧化矽的選擇比約為 1：6，對 二氧化矽蝕刻率為380nm/min，製程參數如表 5。 次微米矽晶模仁加工結果中，線寬 300nm 者如圖 14，線寬 180nm 者 如圖 15，其中 160nm 以下的結構其線形會產生局部斷線的狀況，溝槽截 面略呈 V 型，單側傾角約 5 度，且當深寬比超過 6 倍以上時傾角漸大，圖 16 為其截面圖及上視圖。 表4 電子束直寫對不同線寬光阻劑量值。 Pattern width (nm) 700 600 500 400 300 240 200 160 Dose (µC/cm2) 8 10 12 14 15 17 18 20 表5 次微米級結構製程參數。

Clean wafer RCA process

Development Temperature(℃)  Time(min) Thickness(Å) Equipment

SiO2 1050(set 1036) 210 10000

Wet O2(CVD)

Photolithograph

Procedure material Parameter Time

Removal mist HMDS 150℃ 40min

Spin Coat DSE thickness 570nm

1000rpm 12sec 5000rpm 25s

Soft Bake Hot plate 90℃ 60s

E-beam writing WEPRINT200 8~20µC/cm2 380nm/min Hard back Hot plate 120 ℃ 180s RIE etching CHF3 40sccm 160s (100W)

O2 5sccm

- 29 - 圖 14 溝寬 300nm 矽晶模仁。 圖 15 溝寬 180nm 矽晶模仁。 (a) (b) 圖16 溝寬 160nm 矽晶模仁(a)截面圖及(b)上視圖。 2.5 脫模處理及成形微結構的觀測 當成形品與矽基模仁一同取出後，由於熱收縮應力，兩者是相互嵌合 的，為了獲得沒有夾持應力的翻製微結構成品，本實驗採消失模仁法 (sacrificial mold)去除矽晶模仁，其方法係利用 20%wt KOH 溶液，在 75℃

- 30 - 後，即獲得塑膠微結構成形品。其中蝕刻溫度75℃在塑料 PMMA 的 Tg點 之下，塑膠的分子鏈彼此尚不會移動，若蝕刻溫度超過Tg點，則在表層軟 化的情狀下微結構基部的應力，可能造成塑膠微結構相對位置變形。另外 太高的溫度也會軟化微結構，導致結構內部的氣體因高溫體積增加並造成 外形膨脹。本實驗的每一模仁在成形前，皆事先量測過微結構的基準，在 成形、蝕刻移除模仁後，製品可直接利用光學顯微鏡(Optical Microscope, OM)進行試片的收縮量量測，以及非破壞分析，若要做破壞分析，SEM 試 片處理如濺鍍，劈裂觀測截面等；TEM 有劈裂、鑲埋、外型加工、超薄切 割和鍍碳等處理，則放在後處理。 在觀測試片的前處理方面，SEM 試片是先在微結構兩側用刀片刻出 V 形軌跡，但是不能碰到微結構，再用鉗子夾持固定，一同放入液態氮中冷 凍片刻，取出後即予破片，以露出欲觀察面。在此，使用液態氮冷凍的， 目的在於防止常溫破片之拉伸變形。因為待試片降溫到沸騰狀況穩定後， 此時溫度應在-100℃以下，在受劈裂時，分子彼此不會移動。為了去除回 溫後吸附的水氣，試片需置於常溫乾燥箱24 小時後，再予取出鍍 Pt/Pa 合 金約 90sec，此步驟主要用來分散電子顯微鏡之電子束攻擊時所產生的熱 積聚，避免引起塑料的劣解。完成試片處理後，即可用電子顯微鏡(SEM) 觀察其外觀剖面及缺陷。

有關 TEM 試片的製作可使用聚焦離子束(focused ion beam;FIB)直接

對成形品進行超薄試片切割，或者將成形冷鑲埋在環氧樹脂後進行超薄切 割；俟完成切片後，取出進行染色再鍍碳，即可作穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy;TEM)觀測分析。在此，必須考慮試片材 料與染色劑的結合機制，一般是利用分子鏈上的官能基來與重金屬染色劑 鍵結以形成暗點，否則將無法獲得清晰的圖像。另外，若要辨別微結構與

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三、 射出成形參數對微結構的射出成形特性的

影響

大多數高分子材料的粘度會隨著溫度而急遽地改變。溫度與遠高於玻 璃轉移溫度(Tg) 或熔點的高分子流體之粘度(η)，係遵循 Andrade 方程式， 如(6)式： ) exp( RT E K = η (6) K 為常數 E 為固定剪切應力時所估計的流動活化能 R 為氣體常數 T 為絕對溫度 數種理論建議流體的粘度係決定於其自由體積[48-52]。自由體積可以 不同方式來定義，但普通的定義是真實體積與分子發生緊密堆積而不能運 動時的體積之差。自由體積越大，越容易發生流動。因為熱膨脹，所以自 由體積會隨著溫度而增加，不過大部份直接影響自由體積的應該是壓力， 增加靜壓會減少自由體積，而增加液體的粘度。Litovitz[48]和 Macedo[49] 等人認為只有溫度對粘度效應的 Andrade 方程式在加入壓力因素時，必須 修正為下(7)式 ) exp( 0 f V CV RT E K + = η (7) 其中 V0為緊密堆積的體積；而Vf 為自由體積，定義為(V- V0)，且 V 為觀察的體積；常數C 一般介於 0.5~1.0 之間。緊密堆積的體積 V0與玻璃 轉移溫度(Tg)時的體積相似如(8)式。

(

g

)

f T T V ≅αV0 − (8) α:熱膨脹係數 射出成形機和毛細管流變計內的壓力皆相當高且加工形式相近，毛細 管流變計所量測出來的粘度一般比錐鈑流變計量測的粘度高。可見壓力可 能存在較高的粘度，但因為高分子在裝置中的粘性發熱(Viscous heating)會 抵消部份的壓力粘度增加量，且無法計測其中差異，所以壓力所增加的粘

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度時常不受重視[53]。高分子在裝置中的剪切發熱(shear heating)會使得溫 度高於指示值，以致於粘度的降低量和因壓力所增加的粘度變化量相當， 因為粘度的高切變率效應也使得壓力效應不很清楚。當模口膨脹以通過毛

細管的時間 Buchdahl, Nielsen 與 Merz 首先指出高分子流過毛細管的時

間，對模口膨脹有重要的影響。高分子在毛細管內耗用時間越短，則模口 膨脹越大[54-56]。當模口膨脹以通過毛細管的時間函數作圖時，在不同溫 度所得到的所有毛細管長度與數據，大略地得到一單一曲線。在固定切變 率時，因為較高溫度使分子順向的緩和較快，所以昇高溫度，經常導致模 口膨脹的降低，相對的可推測其內部的分子順向排列應力變小，則塑料易 於充填，內部的分子結構殘存應力較低。不過模口膨脹可能為剪切率函 數，當溫度增加時，其極大值變得較大，與較低溫度的條件比較，較高溫 度的最大模口膨脹將在較高的剪切率發生[57]，所以在本實驗的充填速度 範圍宜採低射速為宜。 增加高分子融體剪切模數的因素，也會使模口膨脹增加[58]。因此， 如果切變率與溫度均維持定值，而分子量增加時，一般模口膨脹會增加 [56,59]。降低模口膨脹的因素，也有降低模造物品的非均向性(anisotropy) 與雙折射性(birefringence)的趨勢[60]。 結構對高分子流變學的影響方面，高分子可有相當多種類的分枝 (branching)結構，能為長的或短的分枝，分枝可沿著主鏈雜亂地隔開或數 個分枝由單一點開始而得到星狀分子(star-shaped)。一般而言，短分枝不太 影響熔融態高分子的粘度，而長分枝則有相當大的影響。當分子量相同的 分枝高分子與線型高分子相比較時，大部分的分枝為短於交纏所需長度而 會降低粘度[61-63]，因為分枝分子比線型分子緊密，所以此種分枝會降低 粘度。因此使分枝分子的分子間之交互作用較小。不過，如果分子太長以 致於其參與交纏作用，在低剪切應變率時，分子量相同的分枝高分子粘度 會比線型高分子粘度大[64-66]，這種結果在微/次微米結構的低剪切充填時 將特別明顯。 由前人在高分子流變加工基礎的研究得知，影響微/次微米結構成形特 性的主要因子有模具溫度、射出壓力、射出速度及充填流動的時間等。本 研究將個別對這些因子進行最佳化實驗參數探討，以取得微/次微米線寬的 成形條件範圍。為了正確的獲得射出成形實驗結果，有幾項重要步驟必須