作者 ■臺(tái)灣科技大學(xué) / 陳炤彰 教授（ACMT 技術(shù)月刊 ）

前言

近年來(lái)光學(xué)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，LED 照明元件需求大增，由于注塑成型制程的成型均一性、生產(chǎn)快速和精密度高之優(yōu)勢(shì)，在各種光學(xué)元件上已有廣泛應(yīng)用。固態(tài)發(fā)光二極體 (LED) 在照明應(yīng)用上扮演著重要的角色，現(xiàn)今LED 已逐漸取代傳統(tǒng)光源，為使光源能夠受控制，以及增加光的均勻性，二次光學(xué)元件，如全反射二次光學(xué)元件 (Total Internal Reflection, TIR)，已多應(yīng) 用在提升 LED 照明系統(tǒng)的光學(xué)性能。

以注塑生產(chǎn)的光學(xué)元件設(shè)計(jì)原則并非只考慮產(chǎn)品厚度之均一性，必須滿足光學(xué)性質(zhì)之特殊設(shè)計(jì)，所以僅能從模具設(shè)計(jì)和注塑參數(shù)調(diào)整，才能得到良好的產(chǎn)品。此例之 TIR Lens 為具有相當(dāng)厚度的產(chǎn)品，使得制程參數(shù)設(shè)定不易，產(chǎn)品在實(shí)際注塑前，可先藉由模流分析軟體Moldex3D 得到優(yōu)化參數(shù)，依照此優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行實(shí)際注塑及微調(diào)。由分析結(jié)果得知，產(chǎn)品因厚度較厚，導(dǎo)致產(chǎn)品表面溫度 (219℃ )。與內(nèi)部溫度 (80℃ ) 差異大，造成熱殘留應(yīng)力累積，因而導(dǎo)致光源進(jìn)入光學(xué)元件時(shí)發(fā)生雙折射，造成光學(xué)性能不佳。

噴流 / 包封問(wèn)題改善

一般在鏡片產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，為了不影響光學(xué)導(dǎo)光效能，澆口尺寸會(huì)盡量縮小，但會(huì)造成注塑時(shí)噴流痕及包封產(chǎn)生，在不修改澆口尺寸的前提下，僅能調(diào)整注塑參數(shù)避免噴流發(fā)生，調(diào)整方法有二：一是在充填流道時(shí)，使用較高射速充填，然后進(jìn)入澆口時(shí)，降低注塑速度；二則是提高模具溫度及塑料溫度，以降低噴流痕發(fā)生。其原理為延長(zhǎng)熔膠冷卻固化時(shí)間，降低凝固層生成速率，減緩噴流效應(yīng)。

除上述噴流痕與包封問(wèn)題，殘留應(yīng)力也是影響鏡片光學(xué)質(zhì)量的重要因素，利用 Moldex3D 模擬工具，探討保壓壓力對(duì)殘留應(yīng)力的影響程度，發(fā)現(xiàn)在超過(guò)特定保壓壓力下，殘留應(yīng)力會(huì)大幅增加，對(duì)鏡片的光學(xué)性質(zhì)造成不良影響。綜觀以上，TIR Lens 之設(shè)計(jì)須考量澆口尺寸、分模線等限制，由注塑成型實(shí)驗(yàn)得知，元件之成型優(yōu)劣取決于熔膠進(jìn)入澆口之速度與方向。高質(zhì)量TIR 元件須留意殘留應(yīng)力影響的效應(yīng)，利用 Moldex3D分析工具，可協(xié)助產(chǎn)品設(shè)計(jì)與成型參數(shù)最適化之驗(yàn)證。而在噴痕與包封之研究中，實(shí)際上還須留意三維充填效應(yīng)，以減少二次包封及降低翹曲。

圖 1：Moldex3D 分析結(jié)果之溫度分布剖面

精密光學(xué)元件制程中最重要的就是要應(yīng)用到精密元件的注塑成型制作技術(shù)，目前對(duì)光學(xué)元件注塑成型技術(shù)的研發(fā)，著重精密微注塑成型設(shè)備與微光學(xué)模具的開(kāi)發(fā)制造。其中尤以微光學(xué)模具的開(kāi)發(fā)制造最為關(guān)鍵與缺乏。綜合來(lái)說(shuō)，光學(xué)精密元件在精密制程方面待開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵議題，在于微注塑成型機(jī)的光學(xué)模仁之設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；不僅比傳統(tǒng)注塑成型模具復(fù)雜，精度要求也較高，目前較缺乏深入而有系統(tǒng)的研究。唯有在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面共同努力，以求更深入的探討，進(jìn)而建立應(yīng)用的通則，支援未來(lái)光電產(chǎn)業(yè)界對(duì)相關(guān)元件制作技術(shù)的掌握，俾可加速臺(tái)灣光電產(chǎn)業(yè)之技術(shù)提升。

注塑成型光學(xué)鏡片近來(lái)已大量應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，然而厚度變化大與低殘留應(yīng)力之要求，提高了鏡片制造的困難度。光學(xué)元件在 3C 產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，無(wú)論是成像或非成像，光學(xué)元件在手機(jī)的相機(jī)、平面顯示器的背光模組及 LED 照明等產(chǎn)業(yè)需求非常明確，因此光學(xué)元件之注塑成型模具設(shè)計(jì)與分析有其必要性，而且是相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之關(guān)鍵技術(shù)。在此產(chǎn)業(yè)里不乏老字號(hào)的光學(xué)廠商。由于近年數(shù)位影像產(chǎn)品的市場(chǎng)崛起，光學(xué)元件產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)方有嶄新的風(fēng)貌，尤其是數(shù)位相機(jī)與影像手機(jī)的市場(chǎng)快速發(fā)展，讓光學(xué)元件與鏡頭產(chǎn)業(yè)欣欣向榮，呈現(xiàn)有史以來(lái)的榮景。

結(jié)語(yǔ)

自從高分子工業(yè)發(fā)展迅速，各種塑膠特性往往都能超越傳統(tǒng)材料，舉凡機(jī)械性質(zhì)、電氣性質(zhì)、加工性、耐候性等，都是傳統(tǒng)材料難以與之匹敵的優(yōu)點(diǎn)。由于塑膠具有加工容易、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、用途廣泛等優(yōu)越的特性，使得塑膠在目前的各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)科技中，已大量地取代其他工業(yè)用材料。

而近年來(lái)，更由于光的資訊和通訊等科技神速進(jìn)步與被廣泛的應(yīng)用，光電產(chǎn)品及其零組件更是不斷地推陳出新，并迅速成為市場(chǎng)上需求龐大的消費(fèi)性產(chǎn)品。而在此光電革命中，居于關(guān)鍵性地位的光電零組件，更是影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，其中光學(xué)鏡片更可說(shuō)是光資訊與光電系統(tǒng)中不可或缺的零組件。■

此文章摘錄自2020年11月技術(shù)月刊