國立台灣科技大學國立台灣科技大學 機 械 工 程 系機 械 工 程 系 碩士學位論文碩士學位論文 學號：學號：M9203229 快速模具技術應用於導光板製作研究快速模具技術應用於導光板製作研究 Application of Rapid Tooling Technology on the fabrication of Light Guide Plate 研研 究究 生：陳冠宇生：陳冠宇 指導教授：鄭正元指導教授：鄭正元 博士博士 中華民國九十四年六月三十日中華民國九十四年六月三十日 I 摘要 本研究是利用快速模具技術，搭配發光二極體(Light Emitting Diode)封裝時之 Epoxy Molding 製程，在導光板設計完成後，可快速的製作出導光板實體，由於矽膠快速模具製作簡單，微特徵的轉寫性良好，因此可完整複製出以動態光罩製作之微透鏡結構，相較於使用加工時間較長之電鑄模仁，矽膠快速模具可於一天便完成成型用模具。實驗中並使用光學軟體作導光板微特徵分佈的模擬，以減少後續成型模具的修改。 一般所見到的發光二極體為封裝成 Lamp 型式之點光源 ， 但在實際應用上有時需要的卻是線狀光源，目前以側入光與導光管架構之線光源，於介面處會有光反射而造成損失，本研究藉由改變傳統 Lamp 式 LED 封裝外型為具有角度變化之楔型 LED，使 LED 晶片射出的光線在碰到楔型反射面後，導由出光面射出而近似線狀光源；實驗中更進一步使用矽蝕刻反射杯，在矽基板上形成線狀排列之 LED 陣列光源，此 LED 陣列線光源可依需求，自由調整長度尺寸。 II Abstract This research is to utilize Rapid Tooling technology and Epoxy Molding process to make Light Guide Plate, after designing has been finished. Silicon Mold is made simply, and it can exactly duplicate micro structures. Comparing with electroforming process, Silicon Mold can be finished in one day. Use the optics software to simulate that the pattern of LGP distribution, modifying the mould in follow-up could be reduced. General LEDs are packaging in Lamp type, but it is a linear light source that needs sometimes in practical application. Current side emitting systems that use a light guide with light source at one end, this structure will lead to optical loss in the interface. This research is by changing traditional Lamp type LED to wedge type LED, in order to approximate linear light source. Furthermore to use silicon etching reflector to form linear LED array light source that arranges on the silicon substrate. This LED array light source can depend on the demand, adjusts the size of length in freedom. III 致謝 本論文之完成，首先由衷感謝指導教授鄭正元博士在研究期間對於論文的指導和建議，在此致上最誠摯的謝意。此外感謝口試委員鄭逸琳教授、汪家昌教授之蒞臨指導提供眾多寶貴意見與指正，使本論文更趨於完整，謹以致上最深之謝意。 研究期間感謝陳昭先博士、陳政寰教授，及蔡邵瑜、洪天民等同學，在光學知識上的教導及幫忙。感謝郭啟全學長於快速模具技術上的建議。感謝學長鄭子威、楊國輝、同學王群智於半導體製程上的協助。學弟劉韋志於光學量測上的協助。尤其要感謝立碁電子周俊仰先生、游智豪先生在發光二極體材料提供及封裝技術上的協助，才使實驗得以順利的完成。 感謝實驗室學長蘇志賢、蔡正彬、黃育嘉、呂至浩、葉劉育恩，同學趙志豪、黎坤瓚、陳佳斌、蔡昆霖、歐士輔，及感謝學弟蕭為凱、李箕峰、左偉宗、許芳豪於生活上的相互照顧。 最後，謹將本論文獻給我的家人陳海平先生、楊萍女士、陳奕涵、陳冠婷，及女友王婉如，感謝你們的照顧與鼓勵，使我能無後顧之憂的完成課業。 IV 目錄 中文摘要I 英文摘要. 誌謝. 目錄. 圖索引. 表索引.I 第一章 緒論.1 1.1 前言.1 1.2 研究背景.2 1.3 研究目的及動機.3 第二章 文獻探討4 2.1 快速模具技術.4 2.1.1 直接造模法.4 2.1.2 間接造模法.4 2.1.3 真空注型.5 2.2 背光板光源與導光技術.6 2.2.1 線光源背光模組.6 2.2.2 LED點光源背光模組.8 2.2.3 面光源背光模組.10 2.2.4 導光板光學設計.12 2.3 發光二極體技術.13 2.3.1 LED發光原理.13 V 2.3.2 白光LED製作方式.14 2.3.3 高亮度發光二極體.15 2.3.4 LED側光源照明.18 2.4 動態光罩製作微透鏡陣列技術.20 2.5 光度學與輻射度學.21 第三章 矽膠模具技術應用於導光板製作之研究.25 3.1 矽膠模具與Epoxy Molding製程.25 3.2 矽膠模具轉寫性測試.21 3.3 導光板光學模擬與分析.33 3.4 微特徵陣列導光板製作.37 3.4.1 動態光罩式顯微鏡微影系統.37 3.4.2 動態光罩式曝光微影系統.38 3.4.3 導光板輝度量測.42 第四章 導光板之楔型LED光源封裝研究.45 4.1 LED光源模擬.46 4.2 線光源LED封裝外型設計.49 4.3 楔型LED光源均勻化.53 4.3.1 光均勻化改善.53 4.3.2 具角度變化之楔型LED製作.59 4.3.3 楔型LED輝度量測.61 4.4 楔型LED溫度量測.61 VI 第五章 導光板之LED陣列光源封裝製作.64 5.1 LED陣列光學模擬.64 5.2 矽蝕刻反射杯製作.69 5.3 LED陣列輝度及溫度量測.75 第六章 結論與未來展望.78 6.1 結論.78 6.2 未來展望.79 參考文獻.82 VII 圖索引 圖 2.1 真空注型製作程序.5 圖 2.2 側光式背光模組示意圖.7 圖 2.3 直下式背光模組示意圖.7 圖 2.4 RGB LED 與彩色濾光片頻譜比較.8 圖 2.5 LED 背光源主要問題.9 圖 2.6 直下式 LED 背光排列方式比較.10 圖 2.7 PLANON結構示意圖.11 圖 2.8 PLANON工作原理示意圖.11 圖 2.9 PLANON散熱方式.11 圖 2.10 入射光與折、反射光之角度關係.13 圖 2.11 白光 LED 示意圖(藍光 LEDYAG 螢光粉).15 圖 2.12 Escape Cone 示意圖.16 圖 2.13 TIP 結構之 LED 晶片.18 圖 2.14 DR-LED 結構 .18 圖 2.15 傳統側入光型導光管.