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CD-R盘片光盘复制生产的质量检测与控制

近两年来,CD-R盘片因其容量大(650MB)、兼容性好、刻录资料不会被篡改、价格便宜、保存寿命长等优点,日益为人们所接受,其国际和国内市场都在急速增长。目前,国内的一些厂商也看好这一领域,已经进入或准备加入到生产者的行列中来。但CD-R的生产不同于相对简单的CD生产,不仅工艺复杂,而且对生产中各环节的品质检测和控制手段有着更高、更为严格的要求。


本文着重论述CD-R生产过程中各个环节的质量检测与控制方法。CD-R生产的流程图如下:


图1 CD-R光盘的制作流程


不难看出,CD-R的生产包含了物理、化学、机械、电子及信息记录等各个专业的内容。涉及面相当广泛,要求我们用严格的质量控制手段,对产品的内外性质作出全面的监控。目前,质量控制还是通过在线和离线两大部分来实现的。可以笼统地概括一下,在线检测主要侧重于盘片的外在质量,或者说是找出有外观缺陷的产品,比如说基片的斑点、气泡、染料涂布的均匀性等,而离线检测侧重对盘片内在品质作出综合的分析考评。两者相辅相成,都为调整工艺参数、提高产品质量,提供了有力依据。


我们就生产流程来逐一加以阐述。


基片成型及冷却:


成型是CD-R生产的头道工序,基片品质好坏对后道工序都会产生影响。简单举例,基片成型时预刻槽深度达不到要求值、或不均匀,会导致后道染料涂布中染料分布不一致,影响刻录性能。


目前我们的在线Scanner和离线检测设备(Dr.Schenk MT-136)主要对基片的几大要素进行检测:基片的缺陷(Substrate defects):如黑斑、气泡、流痕等,在线CCD Scanner对光盘18~60mm半径内100%的扫描,可辨认最小20×20micron的缺陷;沟道深度及宽度(Groove Depth & Width):基片通过成型、携带有母盘上预刻槽(Pre-groove)形状,按后道工艺方法的不同要求,CD-R基片的沟道深度一般控制在180~220nm,沟道宽度控制在550~600nm之内,不管控制在哪个水平,沟道的深度及宽度应内外圈保持一致,这一点至关重要。


双折射(Birefrigence):由基片内应力的未完全消除或分布不均匀造成,在偏振光下可见。这个缺陷过大对光盘是个致命的缺陷,按橙皮书规定,双波检测规定在±100nm之间,单波检测在±50nm之间。尤其要注意的是,双折射曲线应呈现单向性。


径向偏差(Radial Deviation):主要针对基片的平整度,基片一旦有径向偏差,通过后道工序累积导致成品更大的径向偏差,最后势必影响驱动器对盘片跟踪读写能力,径向偏差的范围在-0.15~+0.5之间。图2为几个参数的大致曲线及范围。


对于基片上述参数的控制,除原材料品质控制外(包括PC、母盘),主要还是通过综合调整成型参数:如射料量、合模力、保压力、合模时间、保压时间、冷却时间等。同时,基片的质量与Stamper 、PC的质量也有关系。


基片成型取出后,为了消除内应力,并均匀冷却,防止高温对染料涂布时某些成分挥发性的影响,要通过由专门温湿度设备控制的冷却缓冲站。


图2 基片部分检测参数示意图


染料配制:


众所周知,CD-R的刻录原理是,盘片采用有机染料层作为记录层,在刻录时激光束聚焦到染料层上,染料吸收激光的能量产生热,在基片上烧出坑点。在读取时由于凹坑与原染料层的反射率不同,而达到全面性的信号识别。


目前市场上存在三大类有机染料:花菁(Cyanine)、酞菁 (Phalocyanine) 及偶氮 (AZO)。花菁是最早出现的CD-R染料,市场占有率很大,但其稳定性相对较差,在强光、高温等条件下极易降解,从而使读取性能下降。相比之下,酞菁染料的稳定性要好得多,后来者居上。各种染料凭借各自的优势占据一定的市场。


不管哪一类染料的配制,针对工艺的不同,都要求染料的充分溶解、配比恒定、性质稳定,这些不仅有利于盘片质量,也对染料的循环配比、回收提供了便利。


在我们的工艺中采用酞菁染料,经过一段时间的生产运行,已基本掌握了其特性,循环回收后性质也很稳定,控制染料配比主要使用紫外分光光度计(UV-VIS)测试吸光度,由此判断染料与溶剂的比例。为了改善CD-R的读写性能,我们引入了第二种有机溶剂,作为控制染料填充程度的手段,并采用气相色谱仪(PEKIN ELMER Gas Chromatograph)作精细的分析,以便跟踪第二种溶剂的量,保证产品质量。通过实践发现,只要严格控制染料的浓度和第二种溶剂的含量,就能确保有一个比较稳定的工艺参数,也能提高染料的循环次数。


染料涂布清边烘干:


染料层是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上影响到CD-R反射率(Reflectivity)、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。


在线检测主要控制涂布的均匀性、起始位置。为保证记录的完整性,染料的涂布位置,内圈应小于Start Lead-in的直径(小于46mm),大于End Lead-out直径(大于117mm)。内圈染料的位置由染料涂布参数控制,而外圈染料的位置是由清边工艺控制的,清边的作用是把盘片最外圈约1.5mm的染料层用溶剂冲洗掉,清边位置过小,银层不完全覆盖染料,容易引起盘片最外围性能不稳定;清边太多,又破坏盘片的最大数据容量。清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。另外也要注意清边溶剂回溅,污染染料层,目前,日本一些制造商采用先溅镀、后清边的工艺来避免这个问题。


离线检测仍采用Dr.Schenk对涂布厚度(Optical Density)和染料填充程度(Groove filling)作检测,见图3所示,厚度所取的是Dgroove 和Dland的平均值,而染料填充程度则表明了留在groove和land上染料量的差异。在旋涂机、温湿度控制、染料溶剂种类配比等条件固定时,调整这两项参数主要还是在涂布参数上下功夫,包括旋涂的下料量、下料时间、旋涂速度等,见图4所示。


染料涂布、清边后,需经过烘干、保证染料中溶剂的充分挥发。


图3 CD-R染料填充结构图 图4 染料涂布程序示意图


溅镀:


金或银作为反射层,溅镀到涂过染料的CD-R盘片上,是为了获得70%以上的反射率(橙皮书标准),控制的要点在于反射率和透射率,以保证取得合适的银层厚度及控制均匀性。过厚的银层也会得到近似的反射率,这是因为反射率与银层厚度呈非线性关系,如图5所示,因此我们采用控制透射率的方法来估算银层厚度,凭借Dr.Schenk检测,通过调节溅镀功率和时间来调整,银层应完全覆盖染料的涂布区域。


图5 银层反射率与染料厚度关系图


保护胶涂布:


涂保护胶是隔绝空气、防止银层被氧化、增加盘片稳定性的一项措施,因此,控制保护胶的下料量,使之完全覆盖银层是关键。保护胶旋涂检测还侧重于旋涂后盘片外观性能,有无气泡、灰尘或缺口。此外要注意UV固化后CD-R盘片的边缘不能有过多的残留,否则会引起盘片外圈折射,影响外观,通常采用调整下料量和改变旋转加速度来控制。UV固化后的所有片子都将经过Scanner,任何有翘曲、针孔、污点等缺陷的片子都将被丢弃掉。


成品质检:


经过上述步骤后, 我们就得到了CD-R的成品,其检测又分为两大块:未刻录检测和刻录后检测。


我们拥有CD-CATS盘片性能分析仪、Pulstec刻录分析仪以及多台不同品牌、以不同倍率刻录的Writer来监督成品质量。


未刻录检测可在CD-CATS和Pulstec上进行。其中Pulstec还可以变换检测速度对空白CD-R作质检,侧重于盘片刻录前的SPD、MID、Track Pitch、 Wobble信号径向对比性能;用Pulstec测试得到的不同倍速下P0值(最佳写入功率值),降低该值有利于提高产品的使用成功率;


刻录:可以用一般各种品牌的Writer刻录,用软件控制不同速度写入,Pulstec更能实现选位、选时、选功率、选刻录速度的写入,对染料特性分析提供了方便。刻录过程有利于及时掌握CD-R产品的兼容性能,市场反馈表明,这一性能对于品牌产品的推广是至关重要的。 刻录后检测:同样在CD-CATS和Pulstec上进行,侧重于刻录后块错误率(BLER)、对称性(Symmetry)、推挽(Push Pull)、Jitter(Land Jitter, Pit Jitter)的性能分析。


目前我们CD-R光盘的质量指标(刻录前后)都严格控制在橙皮书标准范围内,有些甚至远远优于橙皮书指标。如刻录后的块错误率(BLER),标准范围应小于220,而我们的盘片该指标平均值小于10;影响信号跟踪能力的对称性(SYM)指标控制在-5~3之间,且变化幅度不超过5%。检测控制数据图表如图6所示。


图6 CD-R刻录后部分参数示意图


根据我们的生产实践,在CD-R的质量检测中,除以上各项外,老化实验对进一步提高CD-R产品的性能也是必不可少的。该实验将产品长时间放置在高温高湿的设备中,根据产品的表现来检查工艺控制中的各个环节。


综上所述,只有严格地控制生产中的每一个环节,及时根据测试结果调整工艺参数,才能保证最终产品质量。当然,按照全面质量管理的法则,严格对产品的原材料如PC、dye、溶剂等检测把关,保持生产设备处于稳定良好的运行状态,以及加强对操作人员的质量意识教育是生产出好的产品必不可少的条件。

2006-9-3

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