B01 微型喷孔片之制作技术研发

一、前言

微机电系统应用于多媒体计算机及其外围设备与3C相关产业是现阶段各产、官、学、研重视的发展领域之一，其中影像与信息输出所需之耗材与硬件亦形重要，随着全世界计算机及多媒体应用的普及，全球打印机销售量也随之增加，应用范围从商务领域快速普及至家庭及个人领域，目前激光打印机因机器技术门坎较高且转印机构较复杂，制作成本不易大幅调降，相较之下喷墨打印机的价格却可不断调降，各厂商甚至采取以极近成本的价格倾销以换取大量的市场占有率。此策略即是将销售重点放在喷墨头等高利润之耗材，故研发高功能及低成本的喷墨头更显得重要，其中微型喷孔片将是影响喷墨液滴形成之重要环节，因为其尺寸精密度将关系着液滴的大小、形状、飞行轨迹与稳定性。而除了喷墨的应用外，微型喷孔片也成功的应用于如超临界流体技术[2]、DNA印刷[3]、直接式对晶格薄膜做图案定义[4]、气体喷雾、药物注射与加速化学反应[5]等领域上。

目前微型喷孔片的制造技术约有下列三种：1、镍电铸加工技术，即是透过黄光微影技术在硅芯片上先以光阻定义较喷孔尺寸大的结构，再以电铸缩孔的方式制作出渐缩曲线形状喷孔之镍金属喷孔薄片，然而此技术在利用光阻定义每个孔洞时其间距须有一定尺寸之限制，因此使得镍电铸技术在制作更高分辨率的喷孔片时其良率将无法大幅提升；2、准分子雷射(Excimer Laser)加工技术，即是以脉冲光束对具有耐热性、耐溶剂性佳的聚亚酰胺薄膜(Polyimide)进行喷孔加工，则可制作直径约在10~50um的微细喷孔，但其单一机台造价昂贵且加工速度慢(Low Through Put)将是此制程的所面临的最大难题。3、放电加工技术，在早期喷孔片均是利用此技术生产，但随着分辨率提高、喷孔尺寸缩小、使得放电加工法之微细电极制作难度变得相当高，且在放电加工进行时，电极和工件间必须维持适当的间隙，以利稳定持续的放电才得以制作优良的喷孔片。有鉴于此，本研究即应用LIGA-like技术研发微型喷孔片并将微流道与微喷孔同时以微量射出成型，以减少喷墨头的组装程序，大幅降低其制作成本，进而取代目前国内、外以放电加工、电铸法及准分子雷射加工法生产之喷孔片，以微射出成型技术取代传统的高精度组件生产方法，故此技术对于微细组件未来市场影响甚巨。

二、微型喷孔技术

本研究系整合LIGA-like制程、微电铸技术与微射出成型技术，以制作具低量产成本、高质量打印能力之微型喷孔片，并建立以LIGA-like技术能量，以下将针各别技术细节作遂一讨论：

a、微细模仁制程

所谓微细模仁广义而言，只要特征尺寸介于数微米(~um)至1毫米(nm)，其尺寸精度在1至10微米之间均可算是微细模仁或微模具。一般微型喷孔模仁即是应用黄光制程技术分别制作微柱状结构(Core Pin)与微流道再以微电铸技术形成模仁，但通常在非平面结构基材上旋涂光阻时，将会约略产生凹陷；且当试片以加热式热平板单面加热进行软烤时，会造成热空气由微结构的余隙之间向上窜流，终至突破光阻层而产生气泡，如此对于曝光图案之定义造成无可弥补之缺失。故为避免高阶数模仁表面影响旋涂光阻的平坦性，本研究采用248nm的准分子雷射光刻制程技术，直接将高阶数的光罩图案定义于厚膜光阻(SU-8, KMPR)上，以改善因模仁表面的微结构阶梯所造成光阻旋涂不均之问题，亦解决一般微机电光刻制程技术（如：黄光制程、RIE深蚀刻制程等）无法控制制造出锥形角(taper angle)结构。目前市场上墨盒喷孔片的喷孔均有锥形角之设计，其优点可减少墨水喷出时卫星液滴的产生，故可藉由调整准分子雷射系统之光路设计，变更喷孔锥形角角度，满足微型喷孔片的设计需求如图1步骤1所示。同时，图1步骤2~4制程分别为溅镀晶种层再搭配镍\钴电铸技术，进行微细模仁的电铸制程。如表1电铸参数所示，本模仁为了获得低应力、高硬度之电铸层，且确保每一微孔内部在电铸时能有均匀的电流密度，故先以0.5 ASD开始电铸，经过60~70分钟后，再将电流密度调整至1ASD直至完成微细模仁电铸成型，再利用CMP研磨技术将模仁背面磨平抛光，使微细模仁的平行度与平面度均小于2um，以利后续精密模具之装配。其后再将试片浸入光阻移除液（Stripper）中以剥离技术分离基板与微细模仁后，再以去离子水（D.I. Water）冲洗干净，而图2步骤5所示为模仁脱离硅芯片的示意图，其中微细模仁的表面结构是和硅芯片表面贴合，故其结构表面粗糙度Ra值约为0.5um与硅芯片的规格相符，微细模仁硬度为HV值约为550，相当一般模具钢的硬度将适合应用于微射出型模具开发。图3 (a)、(b)、(c)、(d)所示为1200dpi微型喷孔片模仁全景图，经由扫描式电子显微镜(SEM)观查微细模仁中的锥形微细柱体顶面直径为24.5um，微流道深度约可达30um，如图3(e)、(f)所示。

b、准分子雷射加工技术

准分子雷射很适合加工多种高分子材料，如光阻、polyimide、polycarbonate、 polyester等材料，在雷射钻孔、Laser-LIGA、快速成型与各种微结构的加工也多所应用。剥蚀是准分子雷射加工的特点之一，当准分子雷射打在高分子的表面时，材料会吸收雷射之能量，打断高分子之间的化学键而产生剥蚀，因此可以在低热影响区之下对厚膜光阻等高分子材料进行准确的加工。本研究之厚膜光阻剥蚀系利用Exitech 8000型准分子雷射加工机（Lambda Physik COMPex -100），波长248nm的KrF准分子雷射、最大脉冲能量(pulse energy)为400 mJ、最高脉冲重复频率(repetition rate) 为100 Hz与脉冲时间(pulse time)为25 ns；加工模式为光罩投影法(mask projection)，从光罩到工件的缩小倍率为4:1，因此若光罩上之激光束尺寸为11 cm2，则工件上之激光束尺寸为0.250.25 cm2，随着光罩与工件4:1的同步移动，光罩上的图案可经由来回扫描准确的定义在厚膜光阻上。

准分子雷射剥蚀厚膜光阻之基本参数，包括脉冲次数从5～80 shots、能量密度0.2～0.8 J/cm2、脉冲重复频率1～100 Hz。首先在芯片上涂布80 m厚膜光阻(型号SU-8, KMPR)并经软烤固化，将芯片平置于工作平台上，调整适当之焦距(投影镜组到工件表面的距离)，改变各项加工参数以静态方式进行加工(光罩与工件都不移动)，待调整到最佳之加工参数后，再进行动态之扫描加工。其加工之表面特性由显微镜与扫描式电子显微镜观察，剥蚀之深度可由表面轮廓仪量测。

图3是能量密度(Fluence)对剥蚀速率的关系图，加工之脉冲重复频率与脉冲次数分别为40 Hz与50 shots，能量密度愈大，剥蚀速率也愈大；图4则是脉冲重复频率对剥蚀速率的影响，能量密度与脉冲次数固定在0.455 J/cm2与50 shots，当频率大于10 Hz之后，剥蚀速率(ablation rate)并没有很明显的变化；图5是脉冲次数与剥蚀深度的关系图，脉冲重复频率与脉冲能量分别为40 Hz与0.455 J/cm2，经由此图可以知道需要多少脉冲次数才能控制厚膜光阻的加工深度。

由实验数据推知，高脉冲能量会增加剥蚀之速率，但能量太高会破坏光罩上的Cr薄膜；增加脉冲重复频率与脉冲能量会增加工件扫描的速率，并降低整个加工的时间，但频率与能量太高会增加累积热(cumulative heat)的效应[11]，而造成热应力影响厚膜光阻的加工质量；而加工之侧壁倾斜角度亦相关于能量密度与脉冲重复频率，因此基于实验之结果，选择较适当之加工参数为脉冲重复频率40 Hz与能量密度0.455 J/cm2，根据图5所示，加工80 m厚的原膜光阻最少需要脉冲次数640次，为确保加工完全，实作上则选择以680次为锥形微柱的加工参数，图6是以准分子雷射加工微型喷孔片之微结构并以Olympus OLS3000雷射共轭对焦显微镜，量测其结构外观与孔径深度图。

c、微成型模具装配

微型喷孔的模具装配是以成型分离模式组装设计而成如图7所示，即是当模仁制作完成后，微细模仁则采用内置(Insert)组合方式嵌入块至模具内，此内置装配模仁的优点是容易在适当位置制作逃气孔，使成品气孔减少或消失，且当模仁表面若有损坏，则容易更换。一般塑料模之模仁与模具是整体式，其加工精度及表面粗度较难控制，更不能在适当位置安排上逃气孔，容易造成短射或气孔。因此对于微细尺寸与精密度高的工件，其模具的制作难度与成本皆很高，若在加工过程有任何失误，则整组模具就会报废。故本案将以LIGA-like方式制作微细模仁，再利用模仁内置装配技术完成微型喷孔薄片的模具制作。本模具模座采用FUTABA塑模底座，再以LIKING不锈钢材料制作可动侧与固定侧，其固定侧模仁装配面积为长150 mm、寛150 mm、厚200mm。对于喷孔薄片模仁外部尺寸、微孔坐标及孔数是以型号C6656A的1200 dpi墨盒微喷孔薄片为主。图8所示为公、母模加工完成的实体模具展开图，微结构模仁放置于公模本体内，其底部背面与模仁承块平面接触，四周由四块公模镶块由微结构模仁正面压住后，由螺丝从公模镶块底部固定其微结构模仁正面以2支M4螺丝固定；塑料流道部分则是以模流分析之建议结论，采用扇形流道以减少塑料进浇时之阻力，浇口深度0.8mm、成品深度则为80μm。

d、微细成型模拟分析

微型喷孔片在精密微细射出成型技术中是属薄件范畴，其中所谓薄件是指其流动长度(L)与壁厚(T)之比值，流长比(L/T)大于150以上或成型组件厚度小于1mm。至于精密微细成型是指需具微米尺寸与精度的成型组件且每次射出量仅有毫立方公分或几十立方公分之成品。

由于塑料于极薄件成型时，热的塑料充填入模穴，即碰到冷的模具表面，使塑料于接触模具表面，随即冷却形成固化层，一旦固化层完全阻碍充填流通的任一截面时，熔胶就无法将模穴完全充填，而形成短射现象。故若选定传统射出机台与模温建议值，将因射速过慢(≦300mm/sec)与模温过低为而使熔胶极速冷却产生短射，此时聚合物在非等向、不均匀的快速冷却中变化，使材料成为非等向性的收缩（Shrinkage），产生残留热应力(Residual Thermal Stress)，容易造成产品的翘曲变形（Warpage），降低产品良率。再者，微型喷孔片模仁微结构之节距甚密且模壁厚度（含流道）仅80μm，当塑料进入模穴时不仅会快速凝固，且流动时会先绕过微结构往较易充填处流动，造成流动波前的栅栏效应，导致充填不完全。因此由(1)式得知，解决之道只有提高射出充填速度，利用超高瞬间充填来避免固化层阻塞流道，达到薄件成型之目的。在确定相关成型温度如Tm是熔胶温度、Tw是模壁温度、T是顶出时塑料温度；材料参数如τ是塑料黏度参数N/m2、α是塑料热传导率(mm2/sec)后，即得知冷却时间(tc)与成型厚度(h)为平方成正比之关系。故推算其充填时间应比固化时间短才能完全充填模穴，以避免短射现象。

(1)

以1200dpi微型喷孔片为例，其成品体积为10.8mm × 2.7mm × 80um系属薄件射出范畴，其中料头占成品总体积约0.6cm3，成品体积仅有0.02cm3(一模两穴共2片)，约占整个料头3.37﹪。其中每一微型喷孔片成品有416支-ψ25μm锥形微细柱状结构。在成型过程中，材料流动易受阻挡，不易充填，此外成品特性要求能耐200℃高温变形，有靱性耐磨耗。因此本研究选用BASF的Ultrason - E1010可耐高温的热塑性材料。通常在耐高温的要求下，其料温与模温均需提高相对温度，故成型后的泠却时间亦需拉长，使整体的成型时间亦相对增加。另外，成品孔径精度要求ψ25±2μm、微型喷孔片厚度为80±2μm，因此成型设备需选用计量准确、机器枱面精度，高稳定性与高洁净度等条件，因此以小型、高速、具独立射出腔体的微射出成型机为最佳。

所以精密微细射出成型除微模具设计、制造及检测外，尚需充分的掌握适当之成型条件如射出速度（Injection Speed）、射出压力（Injection Pressure）、模具温度（Mold Temperature）、保压压力与保压时间（Holding Pressure/Time）、冷却时间（Cooling Time）。在此则需利用微模流理论与计算机辅助工程(Computer Aided Engineering, CAE)，针对不易实测的射出成型参数如模穴内塑料流动情形、温度与压力的分布等进行模拟分析，CAE系将产品的原型设计在计算机上，以迅速便捷之方式协助工程师完成模型设计、网格建立及数值模拟分析，寻求优化设计，以改善传统的试误法，进而减少实际试模次数，并快速累积工程经验。

本研究是采用Moldex-3D商用软件针对微型喷孔片进行充填分析，以充分了解微型喷孔片充填时其塑料流动行为，此模拟分析将有助于取得微型喷孔片射出成型的最佳成型参数条件，如图9所示为模拟时，本研究所选用的微射出机种是射度高达760mm/sec的Battenfeld Microsystem50型、成型塑料为BASF的Ultrason-E1010、射出速度为760mm/sec、成型压力为165MPa、最大射出压力为250MPa、模具温度为100℃、保压压力与保压时间各为250MPa与0.5sec、冷却时间为20sec，整体成型时间约为22sec。如图10所示，为使用上述成型条件在不同时间的流动波前图，以观察塑料在模穴中各时刻的充填情形，亦可预测缝合线及包封位置，以判断是否会有短射现象发生，此定性之模拟结果可提供模具设计时排气孔位置的安排与塑料进浇口的设计参考。经模流分析结果，在模具设计可采用扇形进浇口阻少进料阻力，浇口深度为0.8mm与一模两穴的设计将可以满足微喷孔薄片的成型。

模具表面因温度差异而产生的固化层，将随着其厚度的增加相对的减少有效熔胶流通截面，进而增加其流动阻力，故在充填时需提高充填压力以解决短射现象。图11(a)为充填压力与成型时间关系图、(b)为充填结束瞬间各处的压力值，当充填时间进入0.2~0.22sec期间时，充填压力将迅速上升至165MPa，此现象显示微型喷孔片模仁的微细锥形柱其节距甚密且成品厚度极薄而产生栅栏效应，故需在微型喷孔片成型时间的后段，快速增加其充填压力以避免短射现象。，在塑料填充结束瞬间模穴各处剪切应力分布情形均在0.6~1Mpa之间，其中剪切应力代表塑料在加工过程中由于剪切流动造成的应力分布，由结果可知以目前的射出条件所得的剪切应力较小且分布较为平均，可符合目前喷孔片剪切应力的条件规范。

e、微喷孔片成型技术

由模流模拟分析时所采用的参数条件推断，对于微型喷孔片薄件须使用较高的模具温度或可变模温之方法，利用高分子材料的剪切稀薄特性（Shear Thinning），以高速射出将塑料充填置模穴内，才能避免短射等现象。故本研究选用Battenfeld Microsystem50型的微射出机种，其采用预塑、计量、射出分离式设计，除可精准控制预塑计量外，更可有效控制射出速度，改善传统射出单元充填之压力损失及保压刚性不足等问题。其次对于高黏滞系数、高成型温度的塑料而言，则采用热浇道系统直接进料，以减少温度与压力的损耗。Microsystem50即是搭配变模温系统与热浇道系统，以减少传统熔融塑料经过冷浇道之热传损耗，减缓固化层的快速凝聚，降低射出阻力，使塑料在模穴中温度及压力分布均匀、塑件应力小、密度均匀，使产品的复制性越高。该机台性能特点锁模力为5 吨、最大射出量1.1cc、最大射出压力2500bar、计量精度0.001g属微射出计量精度、最高射速760mm/sec。

在固定成型参数如射出压力为165MPa、保压为155MPa、模温为120℃、料管温度为340℃-339℃-320℃时。当采用低射速时，因塑料的固化时间比填充时间快，故塑料依不同低射速(≦350mm/sec)分别固化于模仁的浇道、扇形流道与微锥形柱结构间距之处，当射速在400~500mm/sec之期间时，因为微结构的栅栏效应而产生短射之现象。当射速提升至550mm/sec后，微型喷孔片虽仍处于短射现象，但成型百分比已遂渐提升至80~90%，故当持续增加射出速度至650mm/sce时，使填充时间远大于固化时间后，即达成100%的产品充填率，如图12(a)所示为射速与充填比例关系图，而图12(b)所示为射出成型实体图。

以Battenfeld Microsystem-50微射出成型机进行微型喷孔片射出成型，且固定侧与可动侧模温分别为100℃、120℃，射出成品1200dpi微型喷孔片之成品图如图13所示，其体积为10.8mm × 2.7mm × 80um的超薄件，料头及成品总体积约0.6cm3，其中成品体积仅有0.02cm3，约占整个料头3.37﹪，模仁设计成一模两穴共2片微型喷孔片，整体成型时间约为22秒。其中，每一微型喷孔片成品包含有微流道深度约30um；锥形微细深孔结构有416支-顶面直径为25μm的锥形微细深孔结构。