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精密製造實驗室Precision Manufacturing Lab.(PML) 學校名稱(系所) 負責教授 國立台灣科技大學 機械工程系所 陳炤彰 教授 E – Mail：[email protected] 聯絡方式 聯絡電話：(02) 2737-6447 所屬位置：第三教學大樓T3-101、T3-604、工程一館E1-170 實驗室 網址：http://www.me.ntust.edu.tw/pml/ 主要研究方向 Wafer Processing and Planarization (CMP) Precision Molding Process for Aspheric and LED Optics CAD/CAM/CAE for Mold Design and Manufacturing Bio CAD/CAE for Prosthesis Applications 日本FANUC ROBOSHOT α15-ίA射出成形機，為全電式射出成形 機，具有射壓成形功能，具伺服馬達控制射出、螺桿旋轉、 頂出以及開合模動作，齒輪馬達控制模具厚度及噴嘴前進後 退之動作。射出速度最多可調整達十段，最多可設置六段保 壓段數，螺桿直徑為16 mm，最大射出壓力240 MPa，最大 射出速度200 mm/s，最大鎖模力為15噸。用於精密光學元件 射出，如導光板、繞射元件等 研究設備 臥式射出成形機 直立式射出成形機 立式射出成形機為台灣所生產，型號為YH-25V，螺桿直徑為22 mm，最大射出量為36 cm3，射出機最大行程為95 mm，最大鎖模 力可達25噸；在充填階段控制器提四段射出速度控制，每段最高 可達33 cc/s；可設置四段保壓段數，每段最高可達209 MPa。 拋光機 英國Logitech公司製造，轉速可達70 RPM，可拋3吋晶圓，可供研 磨(LAPPING)與拋光(POLISHING)使用，LAPPING依試片大小有兩種 規格的鑄鐵盤，研拋之後表面可達粗糙度5奈米鏡面，平坦度可達 3 微米以下。 粒徑分析儀 Mastersizer 2000E 濕式粒徑分析儀，He-Ne光可檢測粒徑範圍 100nm~1,000,000nm。 影像光彈儀 與智泰公司建教開發射出件殘留應力檢測系統，原始機台為JSM 2500 光學影像檢測儀，其影像功能可放大120X，最小分析尺寸 0.05mm，搭載光彈影像檢測硬體與軟體，可觀察、取像與分析 光學鏡片之殘留應力。 實驗室特色 研究成果 近年來研究領域包含：光學元件射出、模流分析、製造分析、 精密量測、晶圓加工以及精密拋光等方面。在整個精密製造領 域中，本實驗室定位於前段技術研發為主，並在台科大堅強實 務技術支援下期許能在研究及實務領域提出貢獻。 非球面鏡片模具與模仁加工誤差分析設計 非球面塑膠鏡片收縮誤差補償研究 雙面微溝槽薄件射出成形研究 微調式射壓成形之研究 軟式鏡片設計變焦鏡頭 大面積次波長抗反射結構模造製程 相關計畫 (研究及產學) 光學元件射出與模流分析 鏡片量測與誤差分析 非球面鏡片射出模仁之形狀誤差分析 微米結構模造技術 多層圓柱多孔組織可降解骨頭支架之模造製程分析研究 LED二次光學元件設計與射出成型模具分析 精密磨拋光加工 人工關節分析 矽晶圓拋光平坦化加工 藍寶石晶圓之拋光平坦化加工 LAO之拋光平坦化加工 電化學機械拋光 多層異質薄膜晶圓平坦化加工分析研究 成果說明 (含得獎紀錄) 精密模造製程研發成果請詳見P4~13 A. Molding : 射出成形之可取料料管與螺桿設計 主要研究成果有下列項目: 1.可取料料管設計與研發（中華民國發明專利申請案號 88122974）。 2.料管中纖維排向與螺桿設計參數之關係。 非球面鏡片模具與模仁加工誤差分析設計 此部份研究係針對非球面鏡片模具之加工形狀誤差以模擬退火法（Simulated Annealing ， SA)及 NURBS 曲線和曲面方法求估算。由於非球面鏡模具製作及量測不易， 同時射出成 形要求嚴格，加上厚度變化問題，一直是國內技術瓶頸所在，研究成果已在 國內外研討會 發表，目前正在研發射出成形收縮率與非球面模仁之加工誤差之關係。 連接器模具設計 此部份研究係針對連接器模具之射出成形精度以及模流分析作回饋補償分析收縮翹曲 方法。由於連接器射出成形模具製作及精度控制不易，同時在產品內含有金屬端子 之射出 成形，加上厚度變化問題，且尺寸要求嚴格，一直是國內技術瓶頸所在，已協助合作廠商 建立模流分析應用在連接器之相關技術。 模具冷卻速度對微射出成形影響研究 本研究完成含銅模仁（如圖1-1）與矽模仁（如圖1-2）之微溝槽射出成形技術研發， 除模具設計外並考慮模具冷卻速度對微溝槽射出成形之影響。並且運用模流分析軟 體分析 微溝槽之成形，如圖1-3 所示。圖1-4為白光干涉儀所量測之33μm寬度之微溝槽充填成品及 微溝槽充填之計算方式。圖 9-5 是階梯式微溝槽示意圖及單晶矽晶圓以光蝕刻所製作的階梯 式微溝槽，此部份成果已發表為研討會論文。 圖1-1 含微溝槽之銅模仁 圖1-2 含微溝槽之矽模仁 圖1-3 50μm寬度之微溝槽在不同模溫下的成形 圖1-4 33μm寬度之微溝槽充填成形 圖1-5 階梯式微微溝槽 非球面塑膠鏡片收縮誤差補償研究 本研究完成對非球面塑膠光學鏡片在Z軸向之收縮誤 差補償進行回饋式之平均量補償，研究結果顯示誤差補 償後對Z軸向之收縮誤差改善率達85%，此收縮誤差補 償方法可以作為非球面鏡片射出成形模具設計之參考依 據。 雙面微溝槽薄件射出成形研究 本研究目的在探討雙面V型微溝槽射出成形之轉寫性， 即微溝槽成形率的影響。研究成果可應用於雙面微結構 之導光板等產品模造技術。圖1-6 所示為雙面平行微溝 槽之成品短射比較圖。 Moldflow analysis Injection part(螺桿位置) t=1.983s 100% 31.0mm, 100% t=1.811s 85% 31.5mm 85% t=1.728s 50% 32.0mm 50% t=1.474s 10% 32.7mm 10% 圖1-6 雙面平行微溝槽成品短射與模流分析較 微調式射壓成形之研究 針對精密光學元件之非球面繞射鏡片模造技術研發微調式射出壓縮成型(Micro Injection Compression Molding， μ-ICM)模具設計與實驗測試成形參數之影響，建立多尺度精密模造成 形(Multi-scale precision molding， MSPM)技術。圖1-7 為微調式射壓模具之設計，而圖1-8 為微 調式射壓成型成品圖，目前已完成相關模具設計與實驗驗證，研究成果已投稿至 APCOM2007 。 可微調式射壓成形技術(μ-Injection Compression Molding， μ-ICM)， 研究之結論如下： 1.由球面鏡之結果可發現，射壓成形與微射壓成形製程改善鏡片之重量，使成品重量提高，亦 即成品密度增加。 2.由射出成形、射壓成形及微射壓成形射出球面鏡之曲面光彈實驗結果，發現射壓成 形與微 射壓成形可改善鏡片之變形情形。 3.菲涅耳鏡片之成品，其模流分析之 3D solid 充填結果與實際進行射出成形短射實驗之流動波 前比對相近。 4.微射壓成形較傳統射出成形以及射壓成形對微溝槽之成形性有較佳之複製轉寫高度。 5.在微射壓成形製程中，微溝槽之成形性受模溫影響最大，第二段微壓縮行程及第二段微壓縮 時間次之。 6.在確認實驗中，經變異數分析後之微溝槽成形率預測值與實際實驗值誤差僅有 0.54%。 圖1-7 微調式射出壓縮成型光學繞射鏡片初步模具設計圖 圖1-8 微調式射出壓縮成型成品圖 軟式鏡片設計變焦鏡頭 以PDMS製作軟式鏡片，目前完成與製作設計相關變焦鏡頭，如圖1-9所示，並已獲得中 華民國及美國發明專利。 主要分為光欄、外層保護鏡片、外套筒、固定環、BK7玻璃鏡片、內部支撐套環、PDMS 軟鏡片及氣壓迴路接頭等。 本研究使用氣壓當控制源，設計上必須考慮到是否會有漏氣之可能，因此於BK7玻璃鏡 片與外套筒交接處車了一條溝槽，利用O形密封橡膠環增加密閉性。內部支撐套筒主要用來 侷限 PDMS軟鏡片與BK7玻璃中心距離，與拘束PDMS軟鏡片在受氣壓後，鏡片是否會脫落與 是否會漏氣。另外於外套筒與內部支撐套環鑽兩個M5螺絲孔供鎖氣壓迴路接頭。光欄部分主 要限制進光量以及進光角度。焦距儀測試結果顯示以PDMS球面鏡片來取代變焦機構會得到 較好變焦效果，於製程參數中以固化溫度100℃固化時間60分鐘較佳，其在0 ~ 0.02MPa焦距 變化可以從33.44mm變化至39.717mm。而PDMS平面薄膜鏡片測試結果顯示，雖然鏡片曲率 改變但是焦距變化較不明顯，此應為鏡片厚度與形狀關係所造成。 圖1-9 軟式鏡片變焦鏡頭與設計設計圖 結合多種用途的Homogenizer 原理主要是利用透鏡陣列將光束聚焦後分散(Split)成許多的小光束， 而這些小光束會在設定距離之投影面上重疊(Overlap)在一起。用意在 於所有的光源皆為不均勻光，如果我們欲達到輸出的結果為均勻的光， 勢必要結合多項的光學元件，在此，結合了透鏡陣列、全反射結構及 投影透鏡的功能，分別為準直器(Collimator)、光學均勻器(Homogenizer)與投影透鏡(Projection lens)三項光學元件整合在一起，如圖 1-10所示。 元件各結構說明如下：光線首先會透過前端的透鏡陣列結構將光 能量分 散，之後在經由中間的全反射(Total Internal Reflection)結構將折射後角度過大的光線， 反射成較小的光線角度，增加光效率，最後利用投影透鏡將光線投影到均勻投影面上。 本研究目的為設計與製造一光源之光學均勻器(Homogenizer)，並探討不同的射出成形 製程參數對於體積收縮、光軸高度收縮與光學均勻性之影響。結果如下幾點所示： 1.本研究成功驗證光學上之設計想法，並以射出成形技術製造出此光學均勻器。 2.由圓柱件之三維收縮實驗得知，增加保壓壓力可以獲得較佳的幾何外形尺寸，但會 增加產品 之殘留應力，增加冷卻時間反之。 3.射出實驗與模流收縮分析之結果一致，增加保壓壓力可降低體積之收縮，增加冷卻 時間反之。 4.微溝槽成形性必須在70%以上，才能保有原光學設計特性 5.增加保壓壓力與冷卻時間有助於微溝槽成形性 圖1-10 光學均勻器之幾何外形與光線路徑 射出成形應用於 TIR Lens 以射出成形技術製作TIR Lens，目前完成與製作設計相關光學模組， 如圖1-11所示。 光學元件最重要的是其光學特性，光學特性不佳或未達到要求，即 便是成品尺寸再精準，表面精度再高也無法使用。光在光學元件中傳播 前進時，並非人眼所能見，因此難以掌握，只能藉由公式計算、程式模 擬來估算最後結果；雖然，目前已有許多商業化的光學模擬軟體可作為 輔助，但是在實際製造時，因為公差上的問題、製程的變異，都有可能 造成模擬結果與實際不符。 本研究設計開發目標發光角30度Collimator Lens，實品開模後之發 光角為28.6度，誤差值1.4度，無LED晶粒成像問題；若採用高功率白光 當光源會 有黃圈問題，可將TIR Lens出光面進行噴砂技術來進行微結構隨機 製作，打亂光線消除此現象。 Collimator Lens結合合適的高功率LED光源，可將其應用於建築照明 ，例如牆面藝術的大面積照明與高亮度手電筒…等，都可應用此 Collimator Lens光學元件，如圖1-12所示。且根據不同光學商品所需的 配光曲線來設計不同發光角度的Collimator Lens。成果發表展示為 Collimator Lens成形元件將與高功率LED光原結合並組裝作為實際照明 使用。 圖1-11 TIR Lens成品圖 圖1-12 高功率白光+TIR Lens 鍍鋁矽晶圓之多孔質陽極氧化鋁結構製作大面積抗反射結 構 首先以等效介質理論(Effective Medium Theory, EMT)、等效折射率 理論(Effective Refractive Index Theory)及多層膜干涉理論(MultiLayerInterference Film)建立次波長微奈米結構之光學設計方法，估算 反射率及穿透率理論值，並利用多孔質陽極氧化鋁(Porous Anodic Alumina, 簡稱PAA)模板法以2 吋及4 吋鍍鋁矽晶圓(Wafer Based Aluminum)為基板，製作大面積 (直徑100mm)之漸進式抗反射結構 (Gradient Index Anti-reflection Structure)PAA 模板如圖1-13所示，其孔 洞結構之大徑為120nm、小徑為63nm、間距為146nm 和高度為302nm， 再以反向模造(Reverse Molding, RVM)法將4 吋PAA 模板製作聚甲基丙 烯酸甲脂(Polymethylmethacrylate, PMMA)材料上，所得到大面積抗反 射鏡片(Anti-Reflection Lens, AR Lens)之次波長結構之大徑117nm、小 徑為63nm、間距為146nm 和高度為272nm如圖1-14所示，此大面積抗 反射鏡片於波長400nm~700nm 區段可提升穿透率2%~2.5%，並降低 反射率3%~3.5%，於PMMA 材料添加次波長結構後，可將太陽能電池 之發電效率提升2.2%；其接觸角從無結構PMMA 之70.54° 提升至 90.66 °，增加了疏水性如圖1-15所示，此研究未來可應用於太陽能電 池模組表面改質及顯示器螢幕之抗反射應用等產業。 圖1-13 PAA4”_27863 模板(a)上視與(b)剖視圖 圖1-14(a)PAA4”_31063 模板、(b)AR4”_27863 模板之SEM 圖 圖1-15 (a)Ref-PMMA, (b)AR4”_27863接觸角示意圖