第三章热压实验规划.PDF

第三章 熱壓實驗規劃 3.1 實驗目的 微熱壓或微射出製程乃是將高分子以極大壓力充填至模仁內，脫 模後之製品即為在矽基材上製作之結構形狀的複製品。成形品質可由 成形過程中控制參數來掌握，但矽基模仁所製作之結構外型尺寸，例 如高深寬比等也會影響到高分 子所展現之流變特性，進而影響到成 形。 常見的微成形技術有微射出與微熱壓成 形，相比較而言微熱壓技 術其設備較為簡易，工作溫度與壓力不高，原理是將一模仁固定在兩 相互平行之模具間，其模具具有加熱功能與提供降溫之循環水路。將 塑膠平板置於模仁上，施壓於兩模具，使之相互擠壓將材料擠壓至模 仁內，其示意圖如圖 3-1[37]所示。微射出成形之相關設備製作較為 困難，所受之應力也較為複雜，所以微熱壓技術便成為產學各界極欲 發展的領域。 微熱壓成形是將塑膠加熱至玻璃轉移溫度上使材料軟化，而後施 予壓力將模仁壓印至塑膠上，執行結構轉印之目的。雖然在成形階段 中只是完成「複製」的動作，但在過程中會因為高分子的物理或化學 性質，產生微成形品收縮、應力集中等問題，使得在工程上所要求的 精度產生了誤差。因此不管是在微熱壓或是微射出技術，所要去克服 之問題會因為材料、轉印之輪廓與結構，甚至是成形後元件功能而有 所不同。所以在成形技術上，極須更為完整深入之研究，以完成元件 之發展或是其他相關技術之開發。 本研究在結合微結構模仁的製作及微熱壓成形，從增加模仁功 能、成形條件等各方面整體地 探討高深寬比的微結構在成形時的問 題。在模仁方面的製作是讓模仁本身具有加熱的效果，除了可瞭解在 熱壓成形脫模處理的影響外，並可藉此建立大面積高深寬比的微結構 的成形技術。進行微成形實驗選擇屬於非結晶性的 PMMA 為熱壓材 料試片：Mitsubishi Rayon 製造，型號為 MD-001 ，等級為VH 。利用 41 前章所得的模仁和實驗室自行組裝之精 密熱壓機，在各種不同的設定 溫度、壓力控制曲線、對模仁施予加熱功能等成形條件下進行微結構 的熱壓成形，以驗證本研究所開發的模仁在解決傳統的微成形的問題 上的有效性。 3.2 實驗設備 3.2.1 微機電系統化模仁 製作完成之矽基模仁將如圖 3-2所示，受曝光機曝光範圍之限 制，每一矽晶圓可製作 16片面積為 15mmX15mm之微機電系統化之 模仁，將各模仁分割開來之後導電區域 兩端連接導線，以便於量測電 阻與施加電壓、電流。接導線的方法是先利用真空離子濺鍍機在導電 區域兩端的接線區鍍上一層金屬， 此舉在避免導電區域產生自然氧化 層而接觸不良。固定方面則使用銀膠做為導線與導電區域連接處之接 著劑，置於 90℃加熱板ㄧ個小時，待銀膠固化後以三用電表量測試 其接線是否正常作用，即完成接線的工作，如圖 3-3所示。 3.2.2 實驗裝置 -熱壓機 熱壓機 [38]為實驗室自行開發組裝，其實體如圖 3-4 、3-5所示， 而其系統示意圖如圖3-6所示。以下依熱壓機之操作軟體與硬體之 分，簡述其工作原理。 軟體部分為力量與溫度控制程式：由於熱壓過程中，輸出的力量 會因為機構傳送中之摩擦力與模具重量等因素之影響，而喪失其精確 度。所以在系統設計上加裝一負荷計隨時地傳送訊息回電腦，架構成 一個閉迴路狀態，可隨時偵測誤差並且做補償之動作，以確定精確之 力量輸出。所以力量與溫度控制由圖控式軟體 LabView 架構之程式 監控，透過數據擷取系統送出、擷取類比訊號，壓力可依時間做多階 段保壓變化，而力量控制過程為回饋補償之機制，如此循環以達到我 們所需要的保壓、保溫與變化之目的。 硬體主要分力量控制系統、溫度控制系統及熱壓模具。力量控制 42 方面擷取系統送出之類比訊號透過馬達控制器進而放大與編碼，傳送 至伺服馬達輸出扭矩並驅動皮帶輪，經由滾珠導螺桿之傳遞轉為下壓 力，而下壓力經由負荷計之量測與動態應變放大計之處理後，送至電 腦進行力量補償。 溫度之控制係藉由控制程式之電壓訊號輸送，透過達林頓電路放 大電流進而推動繼電器。若熱電偶所量測之溫度到達預定溫度時，繼 電器之電路則會關閉；相反的，溫度不足時則會打開繼續加熱，如此 反覆以達到恆溫控制之要求。而溫度訊號會經過溫度處理模組，經由 濾波放大後送