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CD-R光盘复制原理及环境对CD-R生产的影响

一、 CD-R盘片的原理


1.基本结构


CD-R标准是飞利浦公司于1990年制定的,被称作橙皮书PartⅡ。
CD-R盘片的片基与传统的 CD 盘片基本一样,但表层的"刻痕"不同。在传统CD片上有螺旋状的轨道(Track),而这些轨道又是由很多不连续的凹槽所组成,这些凹槽是用激光"雕刻"成的,又称之为"坑"(Pits),坑与坑之间的地方称为"台"(Land)。在CD-R盘片上以连续的槽沟(Groove)取代"坑",并组成螺旋状的轨道(Track),而"坑"就被记录在这些槽沟内。在空白的盘片上,槽沟有几个重要的用途,包括转速控制、寻道控制及时间指示等。在槽沟上面是感光层(有机染料,Organic dye material)及反射层(黄金或银),最后再加上保护层及印刷层(见图1)。
当刻录CD-R盘片的时候,光盘刻录机发出高功率的激光,聚焦在CD-R盘片某特定部位上,


图1 CD-R盘片结构示意图


使这个部位的有机染料层产生化学反应,因而这个部位就不能反射CD光盘机所发出的激光,相当于传统CD盘片上的"坑";没有被高功率激光照到的地方可以依靠黄金层反射激光,相当于传统CD片上的"台",这与普通CD-ROM的读取原理基本相同。


2.分类


CD-R盘片使用有机染料作为记录层的主要材料。目前,市场上最常见的是绿盘和金盘,它们分别是用青蓝色与金黄色两种有机染料制作的。另外,市场上还出现了一种蓝盘,它使用了一种叫AZO的有机染料,用银作为反射层。到底哪种盘片好呢?很多人认为使用金盘效果好,质量高,其实这种看法很片面,每种盘都有各自的特点:
金盘:这种CD-R盘片呈现金黄的颜色,是因为制作金盘的有机染料本身是接近透明的浅黄色,记录方式与绿盘完全一样。此外,金盘的反射层是以黄金作为原料,但极薄,没有回收价值。其实,在CD-R空白片上,最贵的部分不是黄金而是有机染料层。
绿盘:绿盘在市场上非常普遍,价格也很便宜。制作绿盘的有机染料叫Cyanine,非常怕强光,制作盘片时要加入适当的铁金属来降低对光的敏感程度。绿盘的颜色有翡翠绿、蓝绿、深蓝色等颜色,这是与黄金反射层组合成的不同颜色。许多公司都建议使用绿盘,原因是这种材料可以接受较广泛的激光读取范围,兼容性较好。目前,很多光盘刻录机都用绿盘来进行测试。
蓝盘:蓝盘是使用金属化AZO有机染料加上低价银材料作为反射层的光盘片,写入与读取数据有较高的准确性,可以保存100年。


3. 容量的计算


常见的CD-R盘片有两种时间长度,刻录设置时,分为三种格式,相应地,刻录的容量也就相差较大。具体的容量计算方法如下:


63分钟CD-R盘片


格式
容量计算


ISO格式
63(分)×60(秒)×75(格)×2048bytes/1024/1024=553MB


Audio格式
63(分)×60(秒)×75(格)×2352bytes/1024/1024=635MB


XA格式
63(分)×60(秒)×75(格)×2336bytes/1024/1024=631MB


?


74分钟CD-R盘片


格式
容量计算


ISO格式
74(分)×60(秒)×75(格)×2048bytes/1024/1024=650MB


Audio格式
74(分)×60(秒)×75(格)×2352bytes/1024/1024=746MB


XA格式
74(分)×60(秒)×75(格)×2336bytes/1024/1024=741MB


此外,盘片的容量还与CD-R制作中的"预刻沟槽的绝对时间"(Absolute Time In Pregroove)有关。74分钟的盘片比63分钟的盘片摇摆的频率少,盘片转得慢,由激光烧成的坑(Pit)自然就比较短;相反地,转得快的片子由激光烧成的坑(Pit)就比较长。


二、CD-R的工艺流程


CD-R的生产流程基本上和CD的生产流程是一样的(如图2),只是中间多了一套涂复及烘干染料的工位。其流程为:PC料干燥—>注塑成型—>透明片—>在线检测—>涂复—>在线检测—>染料烘干—>反射层溅镀—>保护膜涂布—>线上检测—>印刷—>外观检查—>成品。


图2 CD/CD-R盘片的制造流程


三、环境对CD-R生产的影响


1. 温度


温度分为多种:机台温度、烘料温度、炮筒温度、模具温度、染料烘干温度。


1). 机台温度


机台温度对质量有一定的影响,正常温度在22.5度左右比较合适,若温度过高,会加快有机溶剂的挥发,使得溶质沉淀过快,其结果是造成染料厚度不均匀,废品增加。


2). 烘料温度


烘料温度不是直接影响CDR质量的因素,但会影响白片的外形及参数,造成基片的合格率下降。若烘料温度不够高(小于125摄氏度)或干燥时间不够长(小于3小时)造成塑料干燥不够,注塑成型出来的基片会出现爆炸、气泡、银纹或脱模困难等现象。


3). 炮筒温度


炮筒温度对基片的物理参数及电参数的影响很广泛,最主要是影响到基片的双折射、高频信号、反射率、翘曲、复制性、黑点、爆炸、拉丝、银纹及脱模困难等问题。熔料温度提高,相当于黏度降低,会减少双折射(但最佳的I11 讯号是在熔料温度的中间值得到),其他电讯号例如推挽式(Push Pull)的讯号几乎保持不变,但温度的提高最大的不利是令加工条件的范围收窄,会有产生注塑缺陷的危险(如:黑点、拉丝、银纹、翘曲等),或者由于流延而引致产生冷料头和增加住塑周期。根据作者在生产中的经验,炮筒温度的设置控制在如下温度(五级)较适宜:280、290、310、300、295。


4). 模具温度


模具温度是减少冷却时间的最有效的方法,但同时亦对双折射和高频信号影响很大。两边镜面的温差对盘片的翘曲、脱模影响很大。在较高模温时,Push Pull 会减弱,Groove变好,双折射和高频信号减弱;减低模具温度对注塑周期效应很大,可能也会较大地影响高频讯号。因此模具温度的调节只是在狭窄的范围之内有效。一些由于模温低而引起的盘片质量下降的问题可以通过提高注射速度和熔料温度或调整锁模力来补偿。根据作者在生产中的经验,模具温度的设置如下较适宜:定模:113℃,动模:110℃。


5).染料烘干温度


染料的烘干温度及烘干时间虽然不怎么影响CDR的质量,但完全不经过烘干对CDR的保存时间及寿命会造成影响。同时也会使刻录以后的电参数误码率(BLER)数值提高。根据作者在生产中的经验,染料烘干温度的设置如下较适宜:45℃。


2. 湿度


湿度对CDR质量的影响是致命的,过高或过低都不利涂复工艺的成功。因为染料对水是特别敏感的,且极易吸收空气中的水分,故湿度是控制涂复工艺的关键。相对湿度越高,就越加快染料的沉淀,使得涂料在未完全甩平以前就沉淀了,会造成染料层厚度不均匀或形成白圈,从作者自己生产中总结出来的经验,相对湿度应控制在53%以下,保持在50%—53%较为理想,另若用压缩空气来推动染料,必须保证压缩空气的质量(除油、除水),否则涂复工艺很难控制:一是染料罐子里悬浮固体颗粒会增加,会增加过滤芯的损耗;二是涂复的合格率会明显下降。主要缺陷有:慧尾及颗粒。


有些生产车间安装的是中央空调,故机台外的湿度也必须控制在一定的范围之内,否则机台的恒温恒湿的空调机(清洁度为100级)的调节能力有限,很难保证工艺要求,会造成合格率下降。


3. 清洁度


生产CD-R空气中的尘埃特别敏感,故生产车间的清洁度要求能达到1万级,机台清洁度为100级,为做到这一样,要求工作人员入车间做到穿衣着帽,着鞋,风淋,保证与外界空气隔绝,否则清洁度达不到要求,造成废品增多,特别是装版区要求更严,否则会损坏模版,并且电参数BLER、RN都会升高,且不可能在较短的时间内改变。故平时一定注意保持车间干净,这对稳定产品的总合格率有很大的帮助。


4. 注塑参数


在CDR生产中,注塑参数是一个关键工艺,它直接关系到基片物理参数及电参数的好坏,注塑参数很多,这里只讨论一些比较关键的参数。


1) 注塑速度


注塑速度对基片的物理性能及电参数的影响较大,太快会造成外观缺陷:皱纹、流延、飞边、角形纹痕等。对电参数的影响:使得双折射数值减少,高频讯号及不对称性及都会提高,推换式讯号(Push-Ppull)会有所下降。注塑速度太低,造成的外观缺陷:充模不全,有冷接缝,电参数的影响外径BLER偏高,Groove偏低,双折射数值上升,高频信号及不对称性会稍下降,Push-pull升高,同时会使得生产周期加长。若使用ARBURG注塑机,建议把注塑速度设置如下:V1=20mm/s, V2=50㎜/s,V3=90mm/S,V4=60mm/s。


2) 锁模力、保压力


锁模力、保压力对基片的性能影响都较大,主要是对是参数的影响:如双折射、Groove、高频信号等。锁模力,保压力不够会使上述三个参数性能偏离正常值越严重。


3) 冷却时间


冷却时间是改变生产周期的关键参数,但它对基片的电参数会产生较大的影响,冷却时间过短时,会出现变形、翘曲,同时高频讯号太弱,脱模困难或易形成云彩。在实际生产中冷却时间通常是和模具温度综合来调整的。作者建议冷却时间控制在5秒~6秒之间较适宜。


4) 冲孔时间


冲孔时间太迟:易出现冲孔尘,中心孔粗糙光盘破碎,中心孔径变大,同时对双折射都有影响。建议把冲孔时间控制在0.2~0.5秒之间。


5.染料的涂布和洗边


染料层(0.2um厚)是CD-R基片工作的核心部分,控制的关键在于染料涂布的位置、厚度与均匀性,这两个参数均会在不同程度过上影响到CD-R反射率(Reflec-tivity)、推挽信号(Push-Pull)、径向对比(Radial Contrast)和不同速率刻录时CD-R的表现。盘片的沟槽形貌,染料的配置控制染料涂布的厚度和均匀性。为了使染料能均匀涂布在盘基表面,其旋转速度应严格控制,旋转速度及加速度的大小将影响到染料层的厚度及均匀度,直接影响到电参数。


洗边的作用是把盘片最外圈约1.5mm的染料层用溶剂冲洗掉。这种处理主要是使反射层能完全覆盖盘片的边缘,使得染料完全与空气隔绝,以防止大气从边缘对染料薄膜起化学作用。洗边的位置和圆整性是靠调节清边的终结位置,溶剂量以及时间转速来实现的。若洗边的位置不好,造成洗边液体反弹到碟片上,破坏染料层,形成废品。


6. 其他因素


在CD-R生产中还有很多内外因素影响盘片的质量。如机台排气的大小及速度、反射层溅镀、涂布保护胶、机台的清洁保养等,作者在这里就不再详细论述。


7. 总结


可记录光盘系统是一个非常复杂的系统,从盘片的标准和结构、到生产、刻录及使用。作者在这里只论述其中的几点,希望能起到抛砖引玉的作用。

2006-9-3

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