具有表面微结构的平板工件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有表面微结构的平板工件的制作方法，包含：提供压印机台，其包括：第一模具及第二模具，第一模具包含有压印图案，压印图案形成于第一模具的第一表面，第二模具面对设置于具有压印图案的第一表面；提供预形体，预形体设置于第一模具与第二模具之间；加热第一模具第二模具，直至足以使预形体呈可塑性状态的温度；压合第一模具及第二模具，以令第一模具的压印图案压印至预形体上，获得具有压印图案的预形体；冷却第二模具，以令具有压印图案的预形体经由冷却收缩而与第一模具脱离，获得具有表面微结构的平板工件。本发明能提升制程优良率与表面微结构的形状、尺寸与精度的一致性，进而顺利获得具有高精准度表面微结构的平板工件。
【专利说明】具有表面微结构的平板工件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种具有表面微结构的平板工件的制作方法，尤指一种光纤承载装置制造方法。
【背景技术】
[0002]光纤(optical fibers)是一种利用光在纤维中产生全反射，而可用于远距离光学通讯的精密纤维，其由内而外主要由一核心、纤壳及保护批覆层所组成。虽然纤壳的外径约为125微米，但核心的外径仅约10微米至62.5微米，致使复数光纤在进行光学连接时必需有极高的对位精准度，才能有效减少光学信号的衰减情形，达到传递光学信号的目的。
[0003]一般而言，为了提升多条光纤的组装效率，多半是采用被动式对位(passivealignment)的组装方式，将多条光纤先承载于光纤承载装置上，并于光纤承载装置或其他光学元件(如:光发射器、光接收器、光波导管等)上标示有校准记号，使多条光纤在进行光学连接时能够经由该校准记号加以对位及固定。然而，此种组装方式必需使用具备极高精准度的表面微结构的光纤承载装置，才能确保多条光纤在进行光学连接时获得所需的对位精准度。
[0004]请参阅图6所示，两光纤承载装置61，62上分别具有多个V型沟槽以承载多条光纤611，621。当欲使两光纤611，621相互光学连接时，使用两个具备高精准度微结构(即，具有规则平行排列且形状、尺寸一致的V型沟槽)的光纤承载装置61，62，可确保其中一光纤承载装置61上的光纤611与另一光纤承载装置62的光纤621进行光学连接时寸获得所需的对位精准度，借以大幅降低光学信号的衰减情形。
[0005]然而，当其中一光纤承载装置61的沟槽非相互平行排列时，偏差(misalignment)的光纤612与另一光纤622将无法获得所需的对位精准度，导致光学信号在两光纤612，622的连接处产生严重的光学信号衰减，而大幅降低光纤传递光学信号的有效距离。
[0006]此外，即使两光纤承载装置上的V型沟槽以相互平行的方式排列，倘若V型沟槽的位置产生些微偏差时，设置于不同光纤承载装置的光纤仍然无法获得所需的对位精准度。
[0007]请参阅图7所示，分别设置于两光纤承载装置71，72上的光纤711，712，721，722皆以相互平行的方式排列，但由于两光纤承载装置71，72的尺寸不一致(例如:沟槽与沟槽间的间距不同)，导致光纤711与光纤721精准对位时，光纤712与光纤722会产生些微的错位，致使两光纤712，722传递的光学信号大幅衰减，而降低光纤传递光学信号的有效距离。
[0008]因此，目前试图发展一种具有光纤承载装置，其能用以承载多条光纤，使多条光纤能够平行排列于该光纤承载装置的V型沟槽中，不仅可以利用被动式对位的方式提升复数光纤的连接效率，亦可改善光学信号在光学连接时被衰减的问题。
[0009]传统利用压印技术制作具有表面微结构的平板工件的方法中，包含加热模具与预形体、压印预形体、脱模及自预形体周围各面冷却等步骤。然而，传统制作方法具有诸多缺点，例如:(1)同时自预形体周围各面由外而内冷却，将使预形体的冷却温度场呈现圆形分布(如图8所示，表面微结构的中心与各外侧的温度差异大)，造成平板工件的外侧表面微结构不当收缩而产生严重变形，而劣化其表面微结构的形状精准度；(2)当平板工件的表面微结构的通道数目越大时，将使得平板工件的各外侧表面微结构与中心表面微结构的水平温度场变异越大，致使表面微结构中沟槽的宽度公差及沟槽与沟槽的间距公差皆超过±1微米以上，因而无法顺利制得高尺寸精准度与高通道表面微结构的平板工件。
【发明内容】
[0010]有鉴于现有技术所面临的问题，本发明的目的在于提供一种具有表面微结构的平板工件的制作方法，其能大幅提升表面微结构的精准度(即，精度)，使其作为一光纤承载装置时，可大幅降低光学信号在两光纤的连接处被损耗的程度。
[0011]为达成前述目的，本发明提供一种具有表面微结构的平板工件的制作方法，其包含:A提供一压印机台，该压印机台包括:一第一模具，其包含有一压印图案，该压印图案形成于该第一模具的第一表面；及一第二模具，其面对设置于该具有压印图案的第一表面；B提供一预形体，该预形体设置于该第一模具与该第二模具之间，且该预形体邻设于该第二模具；C加热该第一模具该第二模具，直至足以使该预形体呈可塑性状态的温度；D压合该第一模具及该第二模具，借以令该第一模具的压印图案压印至该预形体上，获得一具有压印图案的预形体；以及E冷却该第二模具，借以令该具有压印图案的预形体经由冷却收缩而与该第一模具脱离，获得该具有表面微结构的平板工件。
[0012]于本发明具有表面微结构的平板工件的制作方法中，由于具有压印图案的预形体设置于第一模具与第二模具之间，并且邻设于所述的第二模具，当前述步骤E仅对第二模具进行冷却时，其可经由热传导作用以单面冷却的方式进行均匀冷却，使温度场呈水平的层状分布，借以提升本发明具有表面微结构的平板工件的微结构精准度。
[0013]依据本发明，所述的压印图案为一凸设形成于第一模具的立体结构，在经过压印步骤后，此压印图案将压印至预形体上，借以令具有压印图案的预形体的一表面凹设形成有对应该第一模具的压印图案的立体结构。
[0014]依据本发明，所述的精准度指形成于预形体上的压印图案于步骤E的冷却处理前后的偏移情形。若一形成于预形体上的压印图案经过冷却处理后，最外侧的表面微结构与中间表面微结构的冷却收缩率变异值低时，可提升表面微结构的形状、尺寸的一致性，进而获得高精准度表面微结构的平板工件；当最外侧的表面微结构与中间表面微结构的冷却收缩率变异值过高时，则会降低平板工件上表面微结构的尺寸精准度。
[0015]较佳的，依据本发明的制作方法，于步骤B及步骤C之间，更包括一步骤B’:令该该预形体、第一模具及该第二模具置于一真空度低于5X10-3托(torr)以下的密闭空间中，以避免受热后的预形体接触气体而产生热交换现象(包括:热传导及热对流现象)，借以确保具有表面微结构的平板工件的冷却温度场呈水平分布，达到提升具有表面微结构的平板工件的微结构精准度的目的。
[0016]依据本发明，所述的预形体为一种加热至适当温度而可塑形的材料所制成，例如，但不限于:玻璃、光学玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)或聚碳酸酯(polycarbonate, PC)、环氧树脂或石英。较佳的，当选用的预形体为光学玻璃时，加热该第一模具与第二模具至350°C至700°C之间，以利于进行步骤D的压印制程。于此步骤中，由于预形体设置于第二模具上，因此，当第二模具加热时会同时经由热传导作用而使预形体随的加热。
[0017]较佳的，依据本发明的制作方法，于步骤D及步骤E之间，更进一步包括步骤D’:恒温压印该具有压印图案的预形体长达60秒至100秒，借以消除具有表面微结构的平板工件受热压印后产生的热应力，防止表面微结构产生变形。
[0018]较佳的，依据本发明的制作方法，该步骤E包括以小于或等于0.5°C /秒的冷却速率冷却该第二模具，使具有压印图案的预形体可经由冷却收缩顺利与第一模具脱离，即获得具有表面微结构的平板工件。较佳的，该步骤E更包括以小于或等于0.5°C /秒的冷却速率冷却该第一模具，以利协助具有压印图案的预形体经由冷却收缩与第一模具脱离。
[0019]较佳的，依据本发明的制作方法，于步骤E之后，更进一步包括步骤E’以1.5°C /秒至2V /秒的冷却速率二次冷却该第二模具。
[0020]较佳的，步骤E及/或步骤E’包含使用一气体对该第二模具的第二表面吹气，借以均匀地冷却该第二模具，使本发明具有表面微结构的平板工件可经由与第二模具的热传导作用，以单面冷却的方式进行均匀冷却。较佳的，该气体包含氮气、氧气或其组合，例如:空气。
[0021]较佳的，本发明具有表面微结构的平板工件的微结构与该第一模具的压印图案互补。较佳的，具有表面微结构的平板工件包含有多个沟槽，该等沟槽凹设形成于该具有表面微结构的平板工件的上表面，且该等沟槽朝向一延伸方向彼此平行延伸。
[0022]较佳的，各沟槽由呈锐角的两平面所构成，形成一如V字型的剖面结构。
[0023]较佳的，所述的压印机台更包括二固定部件，其设置于该第二模具上及该预形体的相对应的两侧，并平行设置于该等沟槽的延伸方向，借以提升平板工件的外侧表面微结构的精准度。于此，该等沟槽的延伸方向的末端不再设置有固定部件，以利具有表面微结构的平板工件的热应力能由此释放。
[0024]较佳的，该等沟槽的平均宽度介于105微米至196微米之间，且该等沟槽的宽度公差介于±0.1至±0.35微米之间，更佳介于±0.2至±0.35微米之间。较佳的，两沟槽间的间距介于127微米至250微米之间，且该等沟槽与沟槽间的间距公差介于±0.2微米至±0.5微米之间。
[0025]较佳的，所述压印机台的第一模具及第二模具由一热传导材料所制得，例如:碳化钨或工具钢，所述该等固定部件的镀膜材料可为钼铱合金或类钻碳。较佳的，该第一模具的第一表面的中心线平均粗糙度(Ra)低于20纳米以下。
[0026]较佳的，本发明具有表面微结构的平板工件可作为一光纤承载装置，其能将复数光纤设置于沟槽中，借以承载复数光纤。由于所述的具有表面微结构的平板工件可具备高精准度，且该等沟槽以设定的角度设置；较佳的，其等相互平行设置，因而能够于光学连接时有效降低光纤的损耗。
[0027]据此，本发明具有表面微结构的平板工件的制作方法可达成的具体功效包括:
[0028]1.于压印步骤后直接进行冷却步骤，利用冷却收缩使预形体顺利自第一模具脱离，借以确保具有表面微结构的平板工件的微结构精准度，提升本发明的制作方法的制程优良率；
[0029]2.由第二模具的第二表面进行单面水平冷却，借以使温度场呈水平的层状分布，进而提升平板工件的表面微结构精准度；
[0030]3.于真空的密闭环境中完成加热、压印、冷却及脱模等步骤，可避免具有表面微结构的平板工件的外侧表面与密闭空间的气体接触而发生热交换现象，借以有效降低水平温度场变异性及维持温度场呈水平的层状分布，同时避免第一模具及第二模具被氧化，进而提升平板工件的表面微结构精准度；
[0031]4.利用二固定部件增加预形体与第二模具的摩擦力，避免第一模具升抬时预形体产生位移，借以提升本发明平板工件的外侧表面微结构精准度；
[0032]5.所述的具有表面微结构的平板工件可作为一种光纤承载装置，其能确保多条光纤于光学连接的对位精准度，借以大幅降低复数光纤光学连接处产生衰减的情形。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中:
[0034]图1为本发明制作具有表面微结构的平板工件的流程图。
[0035]图2A为尚未进行压印步骤前，压印机台与预形体的结构示意图。
[0036]图2B为进行压印步骤时，压印机台与预形体的结构示意图。
[0037]图2C为进行冷却 步骤后，压印机台与本发明具有表面微结构的平板工件的结构示意图。
[0038]图3为本发明制作具有表面微结构的平板工件的过程中，真空度、第一、第二模具的温度及应力对时间的关系图。
[0039]图4为本发明具有表面微结构的平板工件的结构示意图。
[0040]图5为本发明的制作方法所制得的具有表面微结构的平板工件内部温度场分布图。
[0041]图6为现有技术中使用两光纤承载装置光学连接多个光纤的对接示意图。
[0042]图7为现有技术中使用两光纤承载装置光学连接多个光纤的另一对接示意图。
[0043]图8为现有技术中自预形体周围各面由外而内冷却的预形体内部温度场分布图。
[0044]主要元件标号说明:
[0045]I压印机台11第一模具
[0046]111第二表面112第一表面
[0047]12第二模具121第一表面
[0048]122第二表面13固定部件
[0049]14压印图案21预形体
[0050]211沟槽4具有表面微结构的平板工件
[0051]41沟槽D延伸方向
[0052]61,62光纤承载装置 611,612光纤
[0053]621，622光纤71，72光纤承载装置
[0054]711，712 光纤 721，722 光纤
【具体实施方式】[0055]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】
【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0056]实施例1
[0057]请参照图1所示，本发明具有表面微结构的平板工件的制作方法如下所述:
[0058]请参阅图2A所示，于步骤A中先提供一压印机台1，该压印机台I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及一背对于第一表面112的第二表面111,其中该压印图案14形成于该第一模具11的第一表面112上；且第二模具12面对设置于第一模具11具有压印图案14的第一表面112，而二固定部件13设置于该第二模具12上以及第一模具11的两侧。
[0059]于步骤B中，一预形体21设置于第一模具11与第二模具12之间及二固定部件13之间，并且邻设于该第二模具12的第一表面121上。于此，所述的预形体是由光学玻璃所制成，以利于经由后续的压印步骤在预形体的一表面压印形成有如第一模具的压印图案。
[0060]如图2A所示，于本发明具有表面微结构的平板工件的制作方法中，所述的预型体21、第一模具11及第二模具12设置于一密闭空间内(图未示)。如图3所示，在进行加热(步骤C、压印(步骤D、冷却(步骤E及脱模(步骤E’等步骤前，先进行一步骤B’将密闭空间内的真空度控制5X10-3托以下，以避免密闭空间内的气体产生热交换现象，提升预形体单面冷却的稳定性，并且达到防止第一模具及第二模具被氧化的目的。
[0061]之后，于步骤C中，是以5°C /秒的加热速率加热该第一模具11至约540°C，再恒温加热约100秒；同时以3.860C /秒的加热速率加热该第二模具12至约540°C，再恒温加热约80秒，使设置于第二模具12上的预形体21呈可塑性状态。于本实施例中，所述的第一模具及第二模具是由热传导材料的碳化钨所形成，且该第一模具的第一表面的中心线平均粗糙度低于20纳米以下。
[0062]然后，请进一步参阅图2B及图3所示，待预形体21受热呈可塑性状态后，于步骤D中该预形体21夹置于第一模具11以及第二模具12之间，并以150N的压力及1.5微米/秒的速率下压该第一模具11约86.4微米，借以令形成于第一模具11的第一表面112上的压印图案14压印至预形体21的一表面上，获得一具有压印图案的预型体21。于此，形成于预形体21上的压印图案中包含有多个沟槽211，各沟槽211的宽度约105.8微米，且该等沟槽211与沟槽211间相距约128微米。
[0063]接着，于步骤D’中，继续以相同下压高度恒温压印约100秒，借以消除具有表面微结构的平板工件受热压印后产生的热应力。
[0064]之后，请进一步参阅图3所示，于步骤E中包含使用空气分别均匀地对第一模具11的第二表面111及第二模具12的第二表面122吹气,该第二表面122背对于该第一表面121，借以0.5°C /秒的冷却速率分别单面冷却该第一模具11的第二表面111及第二模具12的第二表面122，使第一模具冷却至约460°C，且第二模具亦冷却至460°C。
[0065]据此，如图2C所示，在使用空气对第二模具12的第二表面122吹气后，经由第二模具12与具有压印图案的预形体21间的热传导作用，具有压印图案的预形体21可由下至上随之冷却收缩，且当第一模具11冷却至约490°C，预形体21与第一模具11的接触力趋近于0，而得以顺利与第一模具11的第二表面112及设置于两侧的固定部件13脱离。
[0066]接着，于步骤E’中，可再进一步以1.5°C /秒的冷却速率对该第二模具12的第二表面122进行二次冷却，并同时以小于5°C/秒的冷却速率对第一模具11进行冷却步骤，借以使第一模具11及第二模具12的温度降至室温。于此步骤中，亦同时将第一模具11回复至原始高度。
[0067]最后，待第一模具11与第二模具12冷却完成后，破除密闭空间的真空度，即可获得如图4所示的具有表面微结构的平板工件4。于此，所述的具有表面微结构的平板工件4即为冷却后具有压印图案的预形体。
[0068]请参阅图4所示，本发明具有表面微结构的平板工件4的上表面形成有多个沟槽41，该等沟槽41凹设形成于具有表面微结构的平板工件4的上表面，且该等沟槽41朝向一延伸方向D彼此平行延伸。如图4所示，该等沟槽41由呈锐角的两平面所构成，例如该沟槽的剖面呈V形，但并非仅限于此。
[0069]于本实施例中，经过冷却步骤后，该等沟槽的平均宽度为105微米，沟槽的宽度公差为±0.1微米，且该等沟槽与沟槽间相距127微米，该等沟槽与沟槽间的间距公差为±0.3微米，证实经由本发明的方法可顺利制得具备高精准度及高通道比率的具有表面微结构的平板工件。
[0070]请进一步参阅图2C及图4所示，于步骤D中，由于呈可塑性状态的预形体21受到第一模具的下压力后，会往四周扩散，因此，本发明的制作方法于预形体21相对应的左、右两侧且平行该等沟槽的延伸方向D设置二固定部件13，借以达到固定预形体的外侧形状及提升表面微结构的精准度的目的。
[0071]于本实施例中，二固定部件是由一热绝缘材料所形成，且该绝缘材料的一表面涂布有厚度约100纳米的钼铱合金，以提供防黏的效果。此外，于本发明的制作方法中，预形体的前后两侧(即，该等沟槽的延伸方向的末端)不再设置有二固定部件，以利受热压印后产生的热应力能经由具有表面微结构的平板工件的前后两侧释放。
[0072]请参阅图5所示，本发明经由步骤E及E’的单面冷却步骤后，可确保冷却温度场呈现水平的层状分布，进而有效控制且降低表面微结构的水平温度场变异性，因而能够获得具有高精准度的表面微结构的平板工件。
[0073]实施例2
[0074]本发明实施例2主要是经由如同实施例1所述的方法制作具有表面微结构的平板工件，其不同之处在于该第一模具的压印图案与实施例1的压印图案不同，于步骤D中该预形体是夹置于第一模具以及第二模具之间，并以280N的压力及2.5微米/秒的速率下压该第一模具约170微米，形成于预形体上的压印图案中，各沟槽的宽度约198微米，且该等沟槽与沟槽间相距约252微米。
[0075]经由如同实施例1的制作方法，经过冷却步骤后，具有表面微结构的平板工件中，该等沟槽的平均宽度为196微米，沟槽的宽度公差为±0.1微米，且该等沟槽与沟槽间相距250微米，该等沟槽与沟槽间的间距公差小于±0.35微米，证实本发明的方法可顺利制得具备高精准度及高通道比率的具有表面微结构的平板工件。
[0076]综上所述，本发明于压印步骤后直接对第二模具的第二表面进行单面水平冷却，使预形体经由冷却收缩顺利由第一模具脱离，因而能够有效提升制程优良率，并且顺利制得高精准度特性的具有表面微结构的平板工件。
[0077]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种具有表面微结构的平板工件的制作方法，其包含: (A)提供一压印机台，该压印机台包括: 一第一模具，具包含有一压印图案，该压印图案形成于该第一模具的第一表面；及一第二模具，其面对设置于该具有压印图案的第一表面； (B)提供一预形体，该预形体设置于该第一模具与该第二模具之间； (C)加热该第一模具该第二模具，直至足以使该预形体呈可塑性状态的温度； (D)压合该第一模具及该第二模具，借以令该第一模具的压印图案压印至该预形体上，获得一具有压印图案的预形体；以及 (E)冷却该第二模具，借以令该具有压印图案的预形体经由冷却收缩而与该第一模具脱离，获得该具有表面微结构的平板工件。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，于步骤B及步骤(C)之间，更包括一步骤(B’ ):令该该预形体、第一模具及该第二模具置于一密闭空间中，且该密闭空间的真空度低于5X10-3托以下。
3.如权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，于步骤⑶及步骤(E)之间，更进一步包括步骤Φ’ ):恒温压印该具有压印图案的预形体长达60至100秒。
4.如权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，该预形体的材料为光学玻璃，且该步骤(C)包括加热该第一模具与第二模具至350°C至700°C之间。
5.如权利要求1或2`所述的制作方法，其特征在于，该第二模具包括一第一表面及一第二表面，其中该第二模具的第一表面面对该第一模具具有压印图案的表面，且该第二表面背对于该第二模具的第一表面，且该步骤(E)包括自该第二模具的第二表面冷却该第二模具。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，该步骤(E)包括以小于或等于0.5°C /秒的冷却速率冷却该第二模具。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，该步骤(E)更包括以小于或等于0.50C /秒的冷却速率冷却该第一模具。
8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，于步骤(E)之后，更进一步包括步骤(E’ ) 二次冷却该第二模具，其中二次冷却的冷却速率为1.5°C /秒至2V /秒之间。
9.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，该步骤(E)包括使用一气体对该第二模具的第二表面吹气，借以冷却该第二模具，其中该气体为氮气、氧气或其组合。
10.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该具有表面微结构的平板工件包含有多个沟槽，该等沟槽凹设形成于该具有表面微结构的平板工件的一表面，且该等沟槽朝向一延伸方向彼此平行延伸，且各所述沟槽由呈锐角的两平面所构成。
11.如权利要求10所述的制作方法，其特征在于，该等沟槽的平均宽度介于105微米至196微米之间，且该等沟槽的宽度公差介于±0.1微米至±0.35微米之间。
12.如权利要求11所述的制作方法，其特征在于，该等沟槽与沟槽间的间距介于127微米至250微米之间，且该等沟槽与沟槽间的间距公差介于±0.2微米至±0.5微米之间。
13.如权利要求10所述的制作方法，其特征在于，该压印机台更包括二固定部件，其设置于该第二模具上及该预形体的相对应的两侧，并且平行设置于该等沟槽的延伸方向。
14.如权利要求13所述的制作方法，其特征在于，该第一模具及该第二模具的材料为碳化钨或工具钢，且该等固定部件的镀膜材料为钼铱合金或类钻碳。
15.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，该第一模具的第一表面的中心线平均粗糙度低于20 纳米。
【文档编号】B81C1/00GK103787267SQ201210420712
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年10月29日 优先权日:2012年10月29日
【发明者】廖永源, 廖兆炜 申请人:兆炜金属工业有限公司