微奈米成型模具技术

1、微奈米成型模具技术微奈米成型模具技术 本文主要针对微奈米尺寸结构之模具制作技术进行简单的介绍与比较,其中加工的对象主要是以滚轮模具主,此类模具大多应用于光学膜片/反光膜/防伪及印刷业.由于光学与印刷应用领域的差异化,对结木的要求特性不同,导致使用的技术与材料也不同,但其相关的原理是类似.模具是大量生产膜片的重要工具,凡民生用的印刷包装纸,到计算机显示器内的光学膜,都是藉由模具得以大量的生产到最具经济规模的产品.过去几十年来,滚轮模具应用最多的就是包装业,因此有许多的滚辒加工方法在包装业是很通用性的技术,将这些加工技术应用到微奈米结构上,最大差异就是精度及粗糙度的要求,对于利用转印制程生产微奈米

2、光学组件的各项技术中,最具经济效益的还是连续卷对卷(ROLL TO ROLL;R2R)制程技术,而此制程的关键就是滚轮模具的微奈米结构成型技术而此制程的关键就是滚轮模具的微奈米结构成型技术一一. .前言前言加工方法加工方法雷射雷射电子雕刻电子雕刻显影蚀刻显影蚀刻精度最小5um10um20um材料铜/铝/锌等铜铜/钢等表一 印刷业常用的滚轮加工方法二二.微米级滚轮结构加工方法微米级滚轮结构加工方法实际的应用,量产用的滚轮轮面至少300mm以上,直径150mm以上,因此本文所到的相关加工技术是以满足此类模具为主,表一是包装业中常用的滚加工方法,其中微影+灦式蚀刻算是最古老的方式,分辨率较差,不适合

3、微细图案且有环保处理问题;相对地,电子雕刻及雷射加工技术随着新的设备及技术的更新,使得精度逐渐达到10um以下在可以制作更细微的图案,电子雕刻加工技术主要是利用钻石雕刻刀,于计算机系统控制下,在铜表面进行雕刻,刻出适当的网纹及深度,作为印刷着墨的载体,其着墨的多寡是由网纹密度及深度所控制其着墨的多寡是由网纹密度及深度所控制: :图一图一为一般电子雕刻的图样,对照印刷及其滚轮图样图二图二是改良的电子雕刻方法,针对传统电子雕刻对于线的连接不良加以改善,加上具有奈米颗粒的油墨也可以印刷出10um的线路,可作为电子组件图三图三是电子雕刻滚轮应用于印刷金属线路上之结果,以10um点宽,5um的雕刻深度,

4、使用粒径50nm的奈米银浆和粒径5nm的奈米金浆所印刷的线路,在原子力扫瞄显微镜下看到的立体图案及其表粗糙度,由此可见电子雕刻技术可以作为微奈米印刷的模具制作方法雷射加工技术已广泛应用于印刷及光学上,例如光学用的网点/印刷业的凹印结构/压纹/纺业的印花图样/防伪结构或精美的包装纸图像等,都无法透过机式的加工方法来达成;图四图四所示,显示器背光模块组件中的导光,板,其生产技术之一就是使用雷射加工于金属板上制作不同直径的圆点,分布于金属板上形成射出模具中之模仁,经由射出制程转印模仁结构,形成具有导光学效果的组件,相同的技术也能应用在滚轮模具上,目前光学上所运用的雷射加工在滚轮上的工业应用尚未普及,

5、其原因之一是加工的速度过慢.图三,(a)以电子雕刻机加工于Cu滚轮上,分别金及银奈米油墨印刷线路上之AFM图及表面粗糙度;(b)印刷后之线路(10um雕刻,3.75um之间距);(c)金屬線路表面形貌 从一般的滚轮模具加工方式进微奈米级结构的加工技术,其所使用的原理都相同,差异只在于结构的尺寸较小,对应产品的粗糙度要求也较低,但是设备成本及速度却有很大的差别,表二是一般常提到的加工方法及其粗糙度的对应比较,其中自组装方式大多应用于奈米结构上,采用材料本身的特性搭配适当的制程产生结构,例如多孔性阳极氧化膜技术(AAO)或定向自组装技术,由于自组装技术尚处于研究及开发阶,因此不多做叙述. 三三.

6、.微奈米级滚轮加工方法微奈米级滚轮加工方法加工方法加工方法微影微影+蚀刻蚀刻+电铸电铸/PDMS钻石刀加工钻石刀加工微雷射加工微雷射加工喷墨喷墨+电铸电铸自组装自组装结构特性可局部不规则性大部分为规则性可不规则性大部分为规则性材料特性而定表面粗糙度加工面平滑加工面为镜面加工面粗糙表面平滑材料特性而定大面积可行性低高高中低结构再现性中很高高高低表二 微奈米结构制作方法之比较图五(a)日本综研化学于2012年展出看不的拚接线及(b)由奈米压印制程经周拚接形成R2R模具所生產的光學膜微影技术是利用光阻在不同光照射下,经显影后产生光罩图案转印的技术,其尺寸精度可由光阻材料及曝光光源的不同而变化,几乎所

7、有的微影技术都是随着晶圆制作的发展而进步,透过高解的能量束(如电子束/聚集电子束等)加工方式,在光阻上刻画出线宽小于1um的图形,再透过离子蚀刻方法增加图案的深宽比,做成微奈米级的结构图案,配合压印成软膜或电铸方法形成膜,这类技术的大多使用于平面加工基材上,再卷绕于滚轮上生产,或直接使用软膜方式进行卷对卷生产,所以从平面平面成型转为滚轮模具的方式都还有一定面积限制且会成型转为滚轮模具的方式都还有一定面积限制且会有接缝的存在有接缝的存在, ,为了解决接缝的问题为了解决接缝的问题, ,亦有许多公司投入研发无缝滚轮的制作亦有许多公司投入研发无缝滚轮的制作技术技术,据了解对于深宽比1的结构仍不是非常成

8、功;2012年日本FPD展会上,综研化学公司展出解决奈米压印无法形成大面积模具的接缝技术,图五(a)显示其接缝段差小于1um,无法直接以肉眼检视,同时该公司也展示具MothEye结构/R2R生产之光学膜(图五(b),其模具制作方式即是采用微影+電鑄+拚接等技術合成微雷射加工法可以取代上述微影技术中的能量束,(1)直接在光阻上刻划出结构,或(2)直接加工于滚轮材料上产生;前者可以配合湿式/干式蚀刻技术制成滚轮结构模具,但如何在滚轮上涂上均滚轮上涂上均匀的光阻层便是制程的一大挑战匀的光阻层便是制程的一大挑战,由于涂布光阻层的厚度均匀性会严重影响涂布光阻层的厚度均匀性会严重影响加工的精度加工的精度,

9、是目前极待突破的关键技术;后者则是有接加工于滚轮材料上,由于生产的寿命考虑,多半使用陶瓷材料或陶瓷材料或金属材料金属材料,因此所产生的结构粗糙度较大,不如雷射光作用于光阻材料上光滑.其粗糙度大的原因是雷射直接加工于材料时,材料本身受激光束瞬间汽化产材料本身受激光束瞬间汽化产生凹孔生凹孔,藉由雷射光照射的位置精度变化或将结构堆积而成,因此结构表面易产生因位置精度差异及未完全汽化之溶渣残留而导致加工面的粗糙;图六图六是雷射直接加工于镍上的图案雷射直接加工于镍上的图案,以显微镜观察线条的四周会有部份的金属残渣,造成表面的粗糙度过大,不利于后续的转印或压印制程.残渣的问题可残渣的问题可藉由模具的后处理

10、方式藉由模具的后处理方式( (例如电解抛光或酸浸蚀例如电解抛光或酸浸蚀) )解决解决,而图案精度与位置控制精度由车床的移动精度来控制,当然精度控制越高的精密车床,其设备价格就相对提高许多.微雷射加工最大的优点是可编排不规则的图案及深浅变化大雷射加工最大的优点是可编排不规则的图案及深浅变化大, ,同时对结构的再现性也比蚀刻制程高同时对结构的再现性也比蚀刻制程高.目前在激光技术的发展下也已经具备了高功率(500W),/短脉冲(例如飞秒雷射)/最小有效光班(5微米)等條件,搭配數控工具機的發展,軸向最小步進單位已可在5微米以上,使得在金屬滾輪面以雷射直接加工微結構成為主流,其加工示意圖如圖七所示在技

11、术的处理上,由于雷射加工路径必须透过前置的图像处理来获得,也就是将所要加工的图样或结构,先以3D扫描仪进行图象扫描,并以图像处理软件进行大面积重复组合后,将影像转为记录分辨率可达1200-7600dpi影像点位,由加工机读取点位以纤维雷射进行重复加工,加工深度一般已可达5-30微米范围,透过雷射加工技术的运用,更是大幅增加模具细微加工的宽阔性目前应用于卷对卷生产所使用的模具制作技术,最具量产化的莫过于钻石刀机械加工方法,它也是用来生产目前量产化光学膜的结构模具,此光电组件用成型模具已朝微米微米级尺寸精密及奈米级的表面粗糙级尺寸精密及奈米级的表面粗糙方向发展;例如在TFT-LCD薄膜式液晶显示器

12、中负责出光控制的背光模块,是由许多不同功能的光学膜组合而成,大尺寸的光学膜系由刻有功能性之微结构模具在光学级UV树脂上,以Roll to Roll制程的压印方式与光固化(UV Curing)技术制作成形,所以模具表面须进行微结构加工(如V-grooving/ Pyramid Array/Lenticular等),其主要制程为藉由超精密加工机雕刻出微细结构之滚轮,之后搭配Rollto Roll製程并结合UV树脂涂布技术,针对微结构来进行连续转印,主要制程诉求重点有连续式的光学膜制程主要制程诉求重点有连续式的光学膜制程/UV的材料与固化技术的材料与固化技术/高精密高精密度的薄膜涂布与转写度的薄膜涂

13、布与转写,模具长度一般均为1,400-2,500mm/ 外径200-300mm,属于中小尺吋制程属于中小尺吋制程; UV送料速度可控制范围为送料速度可控制范围为0.1-5m/min,并强调其制程可针对次微米以下之微结构作转印,简要制程示意图如图八所示:在滚筒式模具的表面进行加工时,由于须制作出光学级的镀面与尺寸精度,达微米级等要求,所以在模具的被切削材料选用上,均使用无氧铜或镍磷酸作为加工无氧铜或镍磷酸作为加工层层,因为这些材料延展性良好延展性良好,所以利用超精密加工机搭配钻石刀具切削技术,即可加工出光学级模具所需的微结构,同时随着科技发展与人类需求的改变,光学膜成型用模具加工技术也同步在进化

14、.例如超精密加工机上导入快刀伺服机构(fast Tool Servo;FTS)后,可利用压电材料所产生的高频震荡,让刀具在切削过程中进行緃向或横向的进给变化,使得微结构切削有更多变化,同时也透过钻石刀具的外型设计与运用超精密加工机的轴运动功能变化,可加工出不同光学功能的微结构,光学膜结构加工技术如图九所示;ULR则是针对Rollto Roll製程所需之滚筒型模具加工为主,其设备能力须包括超精密液静压主轴(可承重达2,000kg以上)/直线定位精度分辨率达10nm/旋转定位精度分辨率为0.00001度/高刚性V-V作业平台,最大可加工模具幅宽可超过2,000mm,附属功能可搭配Fly-cutting及FTS进行特殊结构加工;加工实例与应用范围如图十所示十余年来由于微机电/电子/光学及生医组件等产业的蓬勃发展,各类组件中所需的成型模具也基于不同的需求与功能而开发出来,特别是光学组件用之成型模具,为了提升光学效果与使用稳定性,其微结构的形状精度/表面粗糙度要求及规格必须不断提升,所以各类微结构加工技术的发展也持续进行中四四.结论结论传统机械的滚轮超精密加工方式碍于轮运动的限制,除了较为规律且大面积的结构加工仍为技术主流外,其他已无法满足模