TWI475273B - Production method of flat workpiece with surface microstructure - Google Patents

Description

具有表面微結構之平板工件的製作方法

本發明係關於一種具有表面微結構之平板工件的製作方法，尤指一種光纖承載裝置的製作方法。

光纖(optical fibers)係一種利用光在纖維中產生全反射，而可用於遠距離光學通訊的精密纖維，其由內而外主要由一核心、纖殼及保護批覆層所組成。雖然纖殼的外徑約為125微米，但核心的外徑僅約10微米至62.5微米，致使複數光纖在進行光學連接時必需有極高的對位精準度，才能有效減少光學訊號的衰減情形，達到傳遞光學訊號之目的。

一般而言，為了提升複數光纖之組裝效率，多半係採用被動式對位(passive alignment)的組裝方式，將複數光纖先承載於光纖承載裝置上，並於光纖承載裝置或其他光學元件(如：光發射器、光接收器、光波導管等)上標示有校準記號，使複數光纖在進行光學連接時能夠經由該校準記號加以對位及固定。然而，此種組裝方式必需使用具備極高精準度的表面微結構之光纖承載裝置，才能確保複數光纖在進行光學連接時獲得所需之對位精準度。

請參閱圖6所示，兩光纖承載裝置61,62上分別具有多個V型溝槽以承載複數光纖611,621。當欲使兩光纖611,621相互光學連接時，使用兩個具備高精準度微結構(即，具有規則平行排列且形狀、尺寸一致的V型溝槽)的光纖承載裝置61,62，可確保其中一光纖承載裝置61上的光纖611與 另一光纖承載裝置62的光纖621進行光學連接時獲得所需之對位精準度，藉以大幅降低光學訊號的衰減情形。

然而，當其中一光纖承載裝置61之溝槽非相互平行排列時，偏差(misalignment)的光纖612與另一光纖622將無法獲得所需之對位精準度，導致光學訊號在兩光纖612,622之連接處產生嚴重的光學訊號衰減，而大幅降低光纖傳遞光學訊號的有效距離。

此外，即使兩光纖承載裝置上的V型溝槽係以相互平行的方式排列，倘若V型溝槽的位置產生些微偏差時，設置於不同光纖承載裝置之光纖仍然無法獲得所需之對位精準度。

請參閱圖7所示，分別設置於兩光纖承載裝置71,72上的光纖711,712,721,722皆以相互平行的方式排列，但由於兩光纖承載裝置71,72的尺寸不一致(例如：溝槽與溝槽間的間距不同)，導致光纖711與光纖721精準對位時，光纖712與光纖722會產生些微的錯位，致使兩光纖712,722傳遞之光學訊號大幅衰減，而降低光纖傳遞光學訊號的有效距離。

因此，目前試圖發展一種具有光纖承載裝置，其能用以承載複數光纖，使複數光纖能夠平行排列於該光纖承載裝置之V型溝槽中，不僅可以利用被動式對位的方式提升複數光纖之連接效率，亦可改善光學訊號在光學連接時被衰減的問題。

傳統利用壓印技術製作具有表面微結構之平板工件之方法中，包含加熱模具與預形體、壓印預形體、脫模及自 預形體周圍各面冷卻等步驟。然而，傳統製作方法具有諸多缺點，例如：(1)同時自預形體周圍各面由外而內冷卻，將使預形體之冷卻溫度場呈現圓形分佈(如圖8所示，表面微結構的中心與各外側的溫度差異大)，造成平板工件的外側表面微結構不當收縮而產生嚴重變形，而劣化其表面微結構的形狀精準度；(2)當平板工件的表面微結構之通道數目越大時，將使得平板工件的各外側表面微結構與中心表面微結構之水平溫度場變異越大，致使表面微結構中溝槽之寬度公差及溝槽與溝槽之間距公差皆超過±1微米以上，因而無法順利製得高尺寸精準度與高通道表面微結構之平板工件。

有鑒於現有技術所面臨之問題，本發明之主要目的在於提供一種具有表面微結構之平板工件的製作方法，其能大幅提升表面微結構之精準度(即，精度)，使其作為一光纖承載裝置時，可大幅降低光學訊號在兩光纖之連接處被損耗之程度。

為達成前述目的，本發明係提供一種具有表面微結構之平板工件的製作方法，其包含：(A)提供一壓印機台，該壓印機台包括：一第一模具，其係包含有一壓印圖案，該壓印圖案係形成於該第一模具之第一表面；及一第二模具，其係面對設置於該具有壓印圖案之第一表面；(B)提供一預形體，該預形體係設置於該第一模具與該第二模具之間，且該預形體係鄰設於該第二模具；(C)加熱該第一模具該第二模具，直至足以使該預形體呈可塑性狀態之溫度；(D) 壓合該第一模具及該第二模具，藉以令該第一模具之壓印圖案壓印至該預形體上，獲得一具有壓印圖案之預形體；以及(E)冷卻該第二模具，藉以令該具有壓印圖案之預形體經由冷卻收縮而與該第一模具脫離，獲得該具有表面微結構之平板工件。

於本發明具有表面微結構之平板工件的製作方法中，由於具有壓印圖案之預形體係設置於第一模具與第二模具之間，並且鄰設於所述之第二模具，當前述步驟(E)僅對第二模具進行冷卻時，其可經由熱傳導作用以單面冷卻的方式進行均勻冷卻，使溫度場呈水平的層狀分佈，藉以提升本發明具有表面微結構之平板工件的微結構精準度。

依據本發明，所述之「壓印圖案」係為一凸設形成於第一模具之立體結構，在經過壓印步驟後，此壓印圖案將壓印至預形體上，藉以令具有壓印圖案之預形體的一表面凹設形成有對應該第一模具之壓印圖案的立體結構。

依據本發明，所述之「精準度」係指形成於預形體上之壓印圖案於步驟(E)之冷卻處理前後的偏移情形。若一形成於預形體上之壓印圖案經過冷卻處理後，最外側的表面微結構與中間表面微結構的冷卻收縮率變異值低時，可提升表面微結構之形狀、尺寸的一致性，進而獲得高精準度表面微結構的平板工件；當最外側的表面微結構與中間表面微結構之冷卻收縮率變異值過高時，則會降低平板工件上表面微結構的尺寸精準度。

較佳的，依據本發明之製作方法，於步驟(B)及步驟(C)之間，更包括一步驟(B’)令該該預形體、第一模具及該第 二模具置於一真空度低於5×10^-3 托(torr)以下的密閉空間中，以避免受熱後之預形體接觸氣體而產生熱交換現象(包括：熱傳導及熱對流現象)，藉以確保具有表面微結構之平板工件的冷卻溫度場呈水平分佈，達到提升具有表面微結構之平板工件的微結構精準度之目的。

依據本發明，所述的預形體係為一種加熱至適當溫度而可塑形之材料所製成，例如，但不限於：玻璃、光學玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)或聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、環氧樹脂或石英。較佳的，當選用之預形體為光學玻璃時，係加熱該第一模具與第二模具至350℃至700℃之間，以利於進行步驟(D)之壓印製程。於此步驟中，由於預形體係設置於第二模具上，因此，當第二模具加熱時會同時經由熱傳導作用而使預形體隨之加熱。

較佳的，依據本發明之製作方法，於步驟(D)及步驟(E)之間，更進一步包括步驟(D’)恆溫壓印該具有壓印圖案之預形體長達60秒至100秒，藉以消除具有表面微結構之平板工件受熱壓印後產生的熱應力，防止表面微結構產生變形。

較佳的，依據本發明之製作方法，該步驟(E)包括以0.5℃/秒以下之冷卻速率冷卻該第二模具，使具有壓印圖案之預形體可經由冷卻收縮順利與第一模具脫離，即獲得具有表面微結構之平板工件。較佳的，該步驟(E)更包括以0.5℃/秒以下之冷卻速率冷卻該第一模具，以利協助具有壓印圖案之預形體經由冷卻收縮與第一模具脫離。

較佳的，依據本發明之製作方法，於步驟(E)之後，更進一步包括步驟(E’)以1.5℃/秒至2℃/秒之冷卻速率二次冷卻該第二模具。

較佳的，步驟(E)及/或步驟(E’)包含使用一氣體對該第二模具之第二表面吹氣，藉以均勻地冷卻該第二模具，使本發明具有表面微結構之平板工件可經由與第二模具之熱傳導作用，以單面冷卻的方式進行均勻冷卻。較佳的，該氣體包含氮氣、氧氣或其組合，例如：空氣。

較佳的，本發明具有表面微結構之平板工件的微結構係與該第一模具之壓印圖案互補。較佳的，具有表面微結構之平板工件包含有複數溝槽，該等溝槽係凹設形成於該具有表面微結構之平板工件之上表面，且該等溝槽係朝向一延伸方向彼此平行延伸。

較佳的，各溝槽係由呈銳角之兩平面所構成，形成一如V字型之剖面結構。

較佳的，所述之壓印機台更包括二固定部件，其係設置於該第二模具上及該預形體之相對應的兩側，並且平行設置於該等溝槽之延伸方向，藉以提升平板工件的外側表面微結構之精準度。於此，該等溝槽之延伸方向的末端係不再設置有固定部件，以利具有表面微結構之平板工件的熱應力能由此釋放。

較佳的，該等溝槽之平均寬度係介於105微米至196微米之間，且該等溝槽之寬度公差係介於±0.2至±0.35微米之間。較佳的，兩溝槽間之間距係介於127微米至250微米之間，且該等溝槽與溝槽間之間距公差係介於±0.2微米至±0.5 微米之間。

較佳的，所述壓印機台之第一模具及第二模具係由一熱傳導材料所製得，例如：碳化鎢或工具鋼，所述該等固定部件之鍍膜材料可為鉑銥合金或類鑽碳。較佳的，該第一模具之第一表面的中心線平均粗糙度(R_a )係低於20奈米以下。

較佳的，本發明具有表面微結構之平板工件可作為一光纖承載裝置，其能將複數光纖設置於溝槽中，藉以承載複數光纖。由於所述之具有表面微結構之平板工件可具備高精準度，且該等溝槽係以設定的角度設置；較佳的，其等係相互平行設置，因而能夠於光學連接時有效降低光纖的損耗。

據此，本發明具有表面微結構之平板工件的製作方法可達成之具體功效包括：1.於壓印步驟後直接進行冷卻步驟，利用冷卻收縮使預形體順利自第一模具脫離，藉以確保具有表面微結構之平板工件的微結構精準度，提升本發明之製作方法的製程良率；2.由第二模具之第二表面進行單面水平冷卻，藉以使溫度場呈水平的層狀分佈，進而提升平板工件的表面微結構精準度；3.於真空之密閉環境中完成加熱、壓印、冷卻及脫模等步驟，可避免具有表面微結構之平板工件的外側表面與密閉空間之氣體接觸而發生熱交換現象，藉以有效降低水平溫度場變異性及維持溫度場呈水平的層狀分佈，同時避免第一模具及第二模具被氧化，進而提升平板工件的表面微結構精準度； 4.利用二固定部件增加預形體與第二模具的摩擦力，避免第一模具升抬時預形體產生位移，藉以提升本發明平板工件的外側表面微結構精準度；5.所述之具有表面微結構之平板工件可作為一種光纖承載裝置，其能確保複數光纖於光學連接之對位精準度，藉以大幅降低複數光纖光學連接處產生衰減的情形。

實施例1

請參照圖1所示，本發明具有表面微結構之平板工件的製作方法係如下所述：請參閱圖2A所示，於步驟(A)中係先提供一壓印機台1，該壓印機台1包括一第一模具11、一第二模具12及二固定部件13。其中，第一模具11具有一第一表面112及一背對於第一表面112之第二表面111，其中該壓印圖案14係形成於該第一模具11之第一表面112上；且第二模具12係面對設置於第一模具11具有壓印圖案14之第一表面112，而二固定部件13係設置於該第二模具12上以及第一模具11之兩側。

於步驟(B)中，一預形體21係設置於第一模具11與第二模具12之間及二固定部件13之間，並且鄰設於該第二模具12之第一表面121上。於此，所述之預形體係由光學玻璃所製成，以利於經由後續之壓印步驟在預形體之一表面壓印形成有如第一模具之壓印圖案。

如圖2A所示，於本發明具有表面微結構之平板工件的製作方法中，所述之預型體21、第一模具11及第二模具 12係設置於一密閉空間內(圖未示)。如圖3所示，在進行加熱(步驟(C))、壓印(步驟(D))、冷卻(步驟(E))及脫模(步驟(E’))等步驟前，係先進行一步驟(B’)將密閉空間內的真空度控制5×10^-3 托以下，以避免密閉空間內的氣體產生熱交換現象，提升預形體單面冷卻的穩定性，並且達到防止第一模具及第二模具被氧化之目的。

之後，於步驟(C)中，係以5℃/秒之加熱速率加熱該第一模具11至約540℃，再恆溫加熱約100秒；同時以3.86℃/秒之加熱速率加熱該第二模具12至約540℃，再恆溫加熱約80秒，使設置於第二模具12上的預形體21呈可塑性狀態。於本實施例中，所述之第一模具及第二模具係由熱傳導材料之碳化鎢所形成，且該第一模具之第一表面的中心線平均粗糙度係低於20奈米以下。

然後，請進一步參閱圖2B及圖3所示，待預形體21受熱呈可塑性狀態後，於步驟(D)中該預形體21係夾置於第一模具11以及第二模具12之間，並以150N之壓力及1.5微米/秒之速率下壓該第一模具11約86.4微米，藉以令形成於第一模具11之第一表面112上的壓印圖案14壓印至預形體21之一表面上，獲得一具有壓印圖案的預型體21。於此，形成於預形體21上之壓印圖案中包含有複數溝槽211，各溝槽211之寬度約105.8微米，且該等溝槽211與溝槽211間係相距約128微米。

接著，於步驟(D’)中，繼續以相同下壓高度恆溫壓印約100秒，藉以消除具有表面微結構之平板工件受熱壓印後產生的熱應力。

之後，請進一步參閱圖3所示，於步驟(E)中係包含使用空氣分別均勻地對第一模具11之第二表面111及第二模具12之第二表面122吹氣，藉以0.5℃/秒之冷卻速率分別單面冷卻該第一模具11之第二表面111及第二模具12之第二表面122，使第一模具冷卻至約460℃，且第二模具亦冷卻至460℃。

據此，如圖2C所示，在使用空氣對第二模具12之第二表面122吹氣後，經由第二模具12與具有壓印圖案的預形體21間的熱傳導作用，具有壓印圖案的預形體21可由下至上隨之冷卻收縮，且當第一模具11冷卻至約490℃，預形體21與第一模具11之接觸力趨近於0，而得以順利與第一模具11之第二表面112及設置於兩側之固定部件13脫離。

接著，於步驟(E’)中，可再進一步以1.5℃/秒之冷卻速率對該第二模具12之第二表面122進行二次冷卻，並同時以小於5℃/秒之冷卻速率對第一模具11進行冷卻步驟，藉以使第一模具11及第二模具12之溫度降至室溫。於此步驟中，亦同時將第一模具11回復至原始高度。

最後，待第一模具11與第二模具12冷卻完成後，破除密閉空間之真空度，即可獲得如圖4所示之具有表面微結構之平板工件4。於此，所述之具有表面微結構之平板工件4即為冷卻後具有壓印圖案之預形體。

請參閱圖4所示，本發明具有表面微結構之平板工件4之上表面係形成有複數溝槽41，該等溝槽41係凹設形成於具有表面微結構之平板工件4之上表面，且該等溝槽41係 朝向一延伸方向D彼此平行延伸。如圖4所示，該等溝槽41之剖面係呈V形，但並非僅限於此。

於本實施例中，經過冷卻步驟後，該等溝槽之平均寬度係為105微米，溝槽之寬度公差係為±0.1微米，且該等溝槽與溝槽間係相距127微米，該等溝槽與溝槽間的間距公差係為±0.3微米，證實經由本發明之方法可順利製得具備高精準度及高通道比率的具有表面微結構之平板工件。

請進一步參閱圖2C及圖4所示，於步驟(D)中，由於呈可塑性狀態的預形體21受到第一模具之下壓力後，會往四周擴散，因此，本發明之製作方法係於預形體21相對應的左、右兩側且平行該等溝槽之延伸方向D設置二固定部件13，藉以達到固定預形體之外側形狀及提升表面微結構之精準度之目的。

於本實施例中，二固定部件係由一熱絕緣材料所形成，且該絕緣材料之一表面係塗佈有厚度約100奈米之鉑銥合金，以提供防黏之效果。此外，於本發明之製作方法中，預形體之前後兩側(即，該等溝槽之延伸方向的末端)係不再設置有二固定部件，以利受熱壓印後產生的熱應力能經由具有表面微結構之平板工件的前後兩側釋放。

請參閱圖5所示，本發明經由步驟(E)及(E’)之單面冷卻步驟後，可確保冷卻溫度場呈現水平的層狀分佈，進而有效控制且降低表面微結構之水平溫度場變異性，因而能夠獲得具有高精準度的表面微結構之平板工件。

實施例2

本發明實施例2主要係經由如同實施例1所述之方法 製作具有表面微結構之平板工件，其不同之處在於該第一模具之壓印圖案係與實施例1之壓印圖案不同，於步驟(D)中該預形體係夾置於第一模具以及第二模具之間，並以280N之壓力及2.5微米/秒之速率下壓該第一模具約170微米，形成於預形體上之壓印圖案中，各溝槽之寬度約198微米，且該等溝槽與溝槽間係相距約252微米。

經由如同實施例1之製作方法，經過冷卻步驟後，具有表面微結構之平板工件中，該等溝槽之平均寬度係為196微米，溝槽之寬度公差係為±0.1微米，且該等溝槽與溝槽間係相距250微米，該等溝槽與溝槽間的間距公差係小於±0.35微米，證實本發明之方法可順利製得具備高精準度及高通道比率的具有表面微結構之平板工件。

綜上所述，本發明於壓印步驟後直接對第二模具之第二表面進行單面水平冷卻，使預形體經由冷卻收縮順利由第一模具脫離，因而能夠有效提升製程良率，並且順利製得高精準度特性的具有表面微結構之平板工件。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧壓印機台

11‧‧‧第一模具

111‧‧‧第二表面

112‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二模具

121‧‧‧第一表面

122‧‧‧第二表面

13‧‧‧固定部件

14‧‧‧壓印圖案

21‧‧‧預形體

211‧‧‧溝槽

4‧‧‧具有表面微結構之平板工件

41‧‧‧溝槽

D‧‧‧延伸方向

61,62‧‧‧光纖承載裝置

611,612‧‧‧光纖

621,622‧‧‧光纖

71,72‧‧‧光纖承載裝置

711,712‧‧‧光纖

721,722‧‧‧光纖

圖1係為本發明製作具有表面微結構之平板工件的流程圖。

圖2A係為尚未進行壓印步驟前，壓印機台與預形體之結構示意圖。

圖2B係為進行壓印步驟時，壓印機台與預形體之結構 示意圖。

圖2C係為進行冷卻步驟後，壓印機台與本發明具有表面微結構之平板工件的結構示意圖。

圖3係為本發明製作具有表面微結構之平板工件的過程中，真空度、第一、第二模具之溫度及應力對時間之關係圖。

圖4係為本發明具有表面微結構之平板工件的結構示意圖。

圖5係為本發明之製作方法所製得之具有表面微結構之平板工件內部溫度場分佈圖。

圖6係為現有技術中使用兩光纖承載裝置光學連接複數光纖的對接示意圖。

圖7係為現有技術中使用兩光纖承載裝置光學連接複數光纖的另一對接示意圖。

圖8係為現有技術中自預形體周圍各面由外而內冷卻之預形體內部溫度場分佈圖。

Claims (13)

1. 一種具有表面微結構之平板工件的製作方法，其包含：(A)提供一壓印機台，該壓印機台包括：一第一模具，其係包含有一壓印圖案，該壓印圖案係形成於該第一模具之第一表面；及一第二模具，其係面對設置於該具有壓印圖案之第一表面；(B)提供一預形體，該預形體係設置於該第一模具與該第二模具之間；(C)加熱該第一模具及該第二模具，直至足以使該預形體呈可塑性狀態之溫度；(D)壓合該第一模具及該第二模具，藉以令該第一模具之壓印圖案壓印至該預形體上，獲得一具有壓印圖案之預形體；以及(E)以0.5℃/秒以下之冷卻速率冷卻該第二模具，再以1.5℃/秒至2℃/秒之間的冷卻速率二次冷卻該第二模具，藉以令該具有壓印圖案之預形體經由冷卻收縮而與該第一模具脫離，獲得該具有表面微結構之平板工件。
2. 如請求項1所述之製作方法，其於步驟(B)及步驟(C)之間，更包括一步驟(B’)令該預形體、該第一模具及該第二模具置於一密閉空間中，且該密閉空間之真空度低於5×10^-3 托(torr)以下。
3. 如請求項1或2所述之製作方法，其於步驟(D)及步驟(E)之間，更進一步包括步驟(D’)恆溫壓印該具有壓印圖 案之預形體長達60至100秒。
4. 如請求項1或2所述之製作方法，其中該預形體之材料係為光學玻璃，且該步驟(C)包括加熱該第一模具與該第二模具至350℃至700℃之間。
5. 如請求項1或2所述之製作方法，其中該第二模具包括一第一表面及一第二表面，其中該第一表面係面對該第一模具具有壓印圖案之表面，且該第二表面係背對於該第一表面，且該步驟(E)包括自該第二模具之第二表面冷卻該第二模具。
6. 如請求項1所述之製作方法，其中該步驟(E)更包括以0.5℃/秒以下之冷卻速率冷卻該第一模具。
7. 如請求項5所述之製作方法，其中該步驟(E)包括使用一氣體對該第二模具之第二表面吹氣，藉以冷卻該第二模具，其中該氣體係為氮氣、氧氣或其組合。
8. 如請求項1所述之製作方法，其中該具有表面微結構之平板工件包含有複數溝槽，該等溝槽係凹設形成於該具有表面微結構之平板工件之一表面，且該等溝槽係朝向一延伸方向彼此平行延伸，且各溝槽係由呈銳角之兩平面所構成。
9. 如請求項1所述之製作方法，其中該等溝槽之平均寬度係介於105微米至196微米之間，且該等溝槽之寬度公差係介於±0.2微米至±0.35微米之間。
10. 如請求項9所述之製作方法，其中該等溝槽與溝槽間之間距係介於127微米至250微米之間，且該等溝槽與溝槽間之間距公差係介於±0.2微米至±0.5微米之間。
11. 如請求項1所述之製作方法，其中該壓印機台更包括二固定部件，其係設置於該第二模具上及該預形體之相對應的兩側，並且平行設置於該等溝槽之延伸方向。
12. 如請求項11所述之製作方法，其中該第一模具及該第二模具之材料係為碳化鎢或工具鋼，且該等固定部件之鍍膜材料係為鉑銥合金或類鑽碳。
13. 如請求項5所述之製作方法，其中該第一模具之第一表面的中心線平均粗糙度(R_a )係低於20奈米。