近几年来于光盘工业上的热门话题便是如何缩短复制的循环时间，快速的复制有赖于良好的模具与机器及母版的组合，本文中将介绍如何缩短母版制作时间，同时亦包含如何最佳化刻版的技术。

简介

在1982年，压缩盘片或称雷射盘片第一次与世人见面，其射出的复制时间超过10秒钟。往后超过十年，工程师们便致力于改善盘片复制工程循环时间的缩短；到了1990年，工程师们更倾全力缩短盘片复制时间，主要是庞大的市场需求造成；1991年间，标准的射出循环已经降低到6~7秒；1996年，已经有一些机器可以做出4秒钟的循环时间；1996年6月，我们成功使用特别制作的母版与Meiki M35B-D-DM射出成形机将复制循环时间降低到3.6秒，同年12月，我们更达成了3.4秒的新领域。尽管在测试过程中出现银线流痕与料头破断情形，我们仍证明3.4秒是可以完成一片CD光盘片的，同时此盘片完全符合红皮书所规范。

无论如何，要缩短复制循环时间一定要特别设计母版以及其记录坑的形状，虽然目前大部分的人都仅相信只要调整射出机参数便足以改变射出循环时间。

在我们的经验中，模具与射出机仅能有限度的改变复制时间，一架好的射出机搭配好的模具固然可以使得射出复制时间缩短，但是仅能使盘片的机械性质与光学性质符合规格书，至于电气特性与复制过程盘片表面的污染性则必须要完全仰赖前制过程的控制了。这结果不光只是CD盘片而已，对CD-R盘片也都相同(当时仅发展到CD-R，目前则可包括所有有关的盘片CD, CD-R, CD-RW, DVD 等都有相同情形)。

本文便是探讨母版到底如何帮助我们缩短盘片复制的循环时间。如果母版制程不良导致记录坑几何形状不好，在企图减少复制循环时间时，变化发生黏着污染、水纹状痕迹与缺陷、高BLER值、高Jitter值与低HF信号。本文便在于如何应用良好的母版技术，制做出可供快速复制盘片的母版，以期减少作业循环时间。

缩短循环时间造成机械与光学性质变化的问题

当我们减少循环时间时，首先便是面临的主要问题便是盘片的翘曲问题，这是由于冷却不均匀以致于盘片脱膜时仍处于软的状态，如果立刻施以溅镀及上保护胶等程序，盘片当然立即发生翘曲，高的翘曲值使得盘片在被雷射光读取时无法令雷射光聚焦并寻轨读取播放，在读取播回时便发生困难。

另一方面，盘片如果翘曲明显，在动态平衡上会出现大问题，光驱的主轴马达在高速运转状态下将承受过大的扭力，以物理学的计算方式，光驱中心主轴承受的扭力随读取速度倍数增加，其承受的扭力则为倍数之平方倍，意味着10X光驱需要承受的扭力是1X光驱的102=100倍！这样绝对会造成光驱寿命缩短，动态平衡也是高倍速光驱性能的指针。(然而遇到翘曲过大的盘片，那光驱即使再好也没有用。新的高倍数光驱目前都有自动降速之功能，以防止不良动态平衡之问题发生)

循环时间的缩短也会造成盘片双折射率(Birefrigence)的改变，冷却时间不足造成透明片残留应力，因而导致的双折射率变化，通常双折射率对于模具温度的改变与射出参数变化最敏感，尤其是盘片最外圈双折射率最容易变差；所以，射出成形机一定要具有再现性以及稳定性。另外，缩短循环时间以高速进给与射出时，如果模具设计的不良将导致盘片产生流痕与堆栈环状之缺陷。当我们企图减短作业时间时，水纹缺陷出现的机会大增，这种缺陷是由于记录坑形状不良或脱膜过程透明片与记录坑黏着力过大所导致。

记录坑的第一阶绕射与记录坑的体积成比例，通常以肉眼观察盘片可以发现盘片有资料之部份与无资料部份可以处分辨，便是由于第一阶绕射造成。这数值通常会因为水纹的出现突然增加超越一个限度，这个限度来自于模具、射出机与母版之间的配合。有时候，有些缺陷出现的状况是需要比第一阶绕射更高阶的光才能使其对比明显，这也是我们不一定可以看到盘片上的记录坑缺陷之原因。一个简单的方法可以分辨出盘片上产生的缺陷纹路是第一阶绕射或是反射，就是盘片上反射水纹通常比正常好的区域暗。

缩短循环时间的另项问题还有进胶速度，进胶速度如果太快，将容易在盘片上造成银线、流痕的缺陷，这因素必须要藉由射出机制造设计之初便要解决，好的射出机要由好的熔胶加热设计及适当压缩比的螺杆，配合好的电子伺服控制，方能去除此缺陷。

此外，料头在脱膜时过软所导致的夹料头，也是缩短循环时间所遭遇的困难。解决当然需要靠模具设计者来执行。

缩短循环时间造成的电气特性问题

当我们企图缩短循环时间时，第一个遭遇到的问题便是高频信号降低与放大推拉信号(PP, Push Pull Amplitude)的增加。下表中的一些测试结果是以同样的母版所进行之测试，测试机为CD-CATS检测机。由表可知，射出时间越短，记录坑变短且变小。

Cycle time (sec)
PP
I3
I11
Symm
D.E.F.T. Min
D.E.F.T. Max.
Pit Depth (nm)
Pit Slope Degree

3.4
0.060
0.36
0.61
-7
0.2
0.4
103
31°

3.9
0.052
0.42
0.73
-8
0.3
0.6
118
36°

4.4
0.042
0.45
0.80
-9
0.4
0.8
136
40°

盘片上不同的绕射效应则由Dr. Schenk B305检验其双折射率，记录数值为盘片的绕射效应傅立叶转换(D.E. F. T.)，由表可见缩短复制时间造成的D.E.F.T.值亦越来越低。同时可看见，记录坑的几何形状变化亦愈趋于变小。

母版记录坑的形状与射出参数的变化会导致盘片上Jitter值变动是毋庸置疑的！模具应是影响Jitter值的主要因素，因为水纹的出现改变了记录坑、沟比例导致Jitter值变高。如此可知，缩短循环时间会使工作区间的范围缩小，一但控制不良，将导致水纹等不良缺陷出现，电气特性当然就变得差了。

利用AFM的观察，可以帮助我们更了解缩短循环时间对复制盘片有啥影响。我们可以发现在径向与切线向的复制漏失，其中，径向显然有较大的复制漏失率，在缩短复制时间后，记录坑显然变得又细又窄，在某一些光驱上读取此类型之盘片将会造成无法回播(Playback)之困难，又细又窄的记录坑导致其场频率较高而使得SNR信号下降。

复制率也被射出制程以及模具所影响。通常，我们首先希望获得盘片有比较低的翘曲与较好的双折射率，然后，再藉由母版前制过程的调整来获得记录坑有好的几何形状。

有些盘片制造商会将记录坑变短以预防水纹发生，但却使得复制时间缩短不下来。无论如何，当母版上记录坑如过短，不要想藉由射出参数改变以及尝试缩短射出复制作业，因为所做出来的盘片其HF信号太弱，将无法回播导致计算机当机。

缩短复制时间的关键在于母版前制与射出复制过程的Knowhow!

前制准备母版以供缩短复制时间

如要使复制时间缩短成为可能，就必须要有不会因复制时间短造成复制漏失的母版，因为透明片在射出后脱膜过程的PC料收缩率会依复制时间长短而相异。控制母版上记录坑的几何形状可以藉由光阻剂涂布及刻版激光束调整，以3.4秒的复制时间为例，改变光阻剂旋转涂布的转速由700rpm降低到600rpm，光阻剂厚度将会由160nm改变到180nm。由于这项的改变，可以维持PP值在复制后仍保持5%以内。

为了要弥补透明片的收缩率造成之记录坑径向与切线向形变，我们改变了刻版雷射烧写点的尺寸，这倒是较为容易，在刻版机上有个机械式的NA Stop，改变其上的针孔尺寸即能达此目的。以缩短复制的时间为例子，使用调整原为0.5NA的针孔成为卵形0.4′ 0.45NA，卵形之NA可用来调整对称性与干扰。同时，使用变形后的NA可以使烧写点的能量分布不同，这使得控制记录坑的径向与切线向斜率变得容易。当刻版机有电子式对称性控制器时，采用圆形烧写点则可能可以制做出短复制时间用的母版。

如果刻版机没有机械式调整的NA，则可以利用激光束的展开器来控制展开比，因为这样会改变物镜的填充因子，藉以调整光点尺寸。因此，这样的光点其对称中心将比具有机械式可调整机型来的不好。无论如何，当记录坑斜率小时，高斯光束(常态且较稳定的激光束)有助于控制盘片水纹缺陷。

当系统的对称性是以电子式补偿系统时，那就更需要改变刻版雷射烧写点的尺寸，唯有如此改变才可以让又细又窄的记录坑之高场频率不会降低SNR播放、译码与伺服循环的控制。从我们的经验来看，我们发现记录坑的HHFW如在600nm左右，盘片在一般市售的碟机都能够被播放，这当然是以最佳化光点尺寸作为其基本的指针，如果HHFW降低到450nm时，有些碟机将发生寻轨困难与不能回播的情形。 缩短复制时间的其它困难尚包括复制过程透明片的水纹与Jitter值，水纹的出现通常与伴随着Jitter值变高，这样的缺陷是由于母版上的记录坑边缘过于尖锐与表面粗糙，透明片脱膜困难所造成。众所周知，Jitter质变高使得此盘片在播放时呈现不稳定，如果要消除，就是要有平坦度较高、记录坑壁斜率适当的母版。在我们的经验里，利用曝光不足及过度显影可以有效的控制上述条件，例如以秒的显影时间取代原来的20秒，记录坑壁的斜率由45° 降为40° ，此斜率可以很容易藉由多段显影、降低曝光功率与激光束外形来达到控制目的。除了上述因素，在玻璃基版的前制作业中不同的光阻剂以及烘烤条件也会做出性质不同的母版，但是以显影时间为最主要的控制变因，它的影响往往覆盖其它影响因素之效果。 后烘烤制程我们并不建议采用它来作为控制记录坑几何形状的制程，因为光阻剂与化学残留剂会于烘烤时产生的强大机械键结力与后来的镍层结合紧密，导致母版生成后表面缺陷。

电铸成形与拋光

这两个程序与母版得平整度有绝对的关系，母版的厚度误差必须控制到2μm以内，以其防止厚度不均产生的残留应力。同时，母版的背面尽可能要平坦，如果没有平坦，在复制过程时射出机对模具加热的传导能力变差导致均匀性不佳，水纹或其它缺陷便会相对产生。 正常来说，电铸一片母版大约需要1小时15分钟，母版的硬度大概是HV180~200(维克氏硬度计指针)，但这样的母版并不足以好到供缩短复制时间制程使用，同时，要让母版够坚硬、耐久，热传效率要好，就必须使母板材质的密度越接近100%，如此，母版的硬度必须要增大(硬度更高意味材料变得更致密化)，基本上的做法便是降低电铸的电流密度以求得，但却伴随着电铸时间的拖长，然而及使用此法，也无法有效的改善残留应力之问题。

为了彻底解决问题，我们必须加入某些特别的添加剂以提升硬度以及降低残留应力，当加入这些添加剂后，可以同样是1小时30分的电铸时间却可以得到硬度达HV 350的母版，添加剂A用来在使母版于低电流密度电铸时仍保有高硬度；添加剂B则是相反的在高电流密度电铸过程提高材料硬度的，添加剂调整到一种适合的比例时，可以获得状况最好的母版。

母版背拋是另一个重要的关键，好而恰当的背拋能够提高母版与镜面的接触性以提高热传导率。我们改用湿式背拋取代原有的干式背拋。母版被固定在拋光机的头部前后移动，拋光盘则以旋转方式背拋，以去离子水加入带走被拋光后的镍颗粒与杂物。背拋的时间大概要花45min才能得到平均粗糙度达0.03μm、最大粗糙度低于0.4μm；如以干式背拋，则仅能得到平均粗糙度达0.07μm、最大粗糙度低于1μm。我们并不推荐使用拋光研磨粉末，因为这些粉末有可能跑到母版上面，导致母版对称性值。拋光完成后，母版只要冲孔即完成制母版制程。(注：本文中并未提及冲孔对母版性质的重要性，最主要的影响是在于ECC值)

最佳化的复制制程有赖于设备的正确选择

复制制程的成功在于射出成形机与模具设计，此关键便是制造设备的选择。事实上，光盘制造业者很少有注意到此点的，其实他们应该要多拨一些时间、小心翼翼的来作这样事情。我个人认为，射出机应拥有三段的关模高压与多点射速改变的功能，进料的料管设计必须在提高加热效率前提下又能防止材料过度加热，这样才能有缩短复制时间的可能。另外，冷却缓冲也是复制时间缩短的重要控制因素，设计必须快速带走脱模后透明片的热量，又能保持模具温度以利下一模次射出之进行，同时也有利于金属反射层溅镀制程。须多目前市场上的专用机就是没有办法提供如此功能，导致盘片非常容易翘曲 (同仁注意，此文章属1997年所写，目前大部分CD用射出机都已经有能力克服此些问题) 。试想，这样想要缩短复制时间，将是非常有限的。

模具的选择恐怕是母版之后次重要的，单模穴的射出用模具绝对要优于双模穴射出模具(目前已经没有人提出双模穴能够作好CD盘片的说法，DVD盘片制作上更不可能用)，模具要最好也能有真空与机械压力同时具备的夹模系统，母版的挟持器在内圈与外环则亦是必须兼具的。同时，模具的母版压缩环必须够深与锐利，以便压紧母版使得射出透明片不会有流痕状的缺陷发生。

除了机器与模具，PC料当然不能背排除在控制因素之外，希望要有更短的复制时间时，伴随的缺陷可能为料头断裂留在射出口、射嘴溢料与流痕缺陷发生，选择PC料成为一门学问。短的复制时间都希望PC料的玻璃转化点变高(PC料或是所有的塑料都像玻璃一样，非纯物质没有一定的熔点，所以用玻璃转化点来定义其融化状与固体状之分野，注意，玻璃转化点则是一个平均值，真正塑料与玻璃转化的温度点每次都不会固定)，同时模穴愈薄愈好，因为玻璃转化点越高其流动性越好，越容易流入模穴中，而薄的模穴不容易产生流痕缺陷。我们都控制盘片厚度在1.1~1.3mm之间，甚至我们相信1.0mm厚度的盘片在商用碟机也都能被播放。较薄的模穴有助于复制时间的缩短。

射出参数最佳化

在复制过程中，我们用的是Meiki名机制作所的射出参数经验值，并配合实验进行调整以符合缩短时间要求，控制重点为盘片的翘曲与双折射率。第一、二段关模高压降低以使PC料进入模穴时容易流动，基于同理，我们也用较宽的进料入口(Gate)。同时，尽可能降低熔胶温度与模具温度，以使透明片射出后冷却时间缩短。以我们的测试为例，可以将原为80℃、4.4秒的模温与复制时间降成49℃、3.4秒。第三段关模高压必须提高，以使热传效果好增进复制能力与预防翘曲发生。

盘片外圈的双折射率亦须要加以控制。我们的经验指出，由于缩短复制时间会让射出的各种参数变得非常敏感，射出机必须能够提供稳定的复制能力，如要控制盘片外圈的双折射率，就必须使用短射出冲程，以使射后持压过程不至过压造成透明片残留应力；增加射出速度也可以改善PC料在模穴中的流动率；同时我们亦控制进料管的温度由340℃降至300℃，以防止过度的热量藉由射嘴传递进入模具中，影响料头的冷却。

以下的表所列为我们实验后的CD盘片性质与最佳化后的参数：

CD盘片性质
最佳化参数

射出参数
双折射率
翘曲
射出参数
设定值

内圈
外环
射出时间
0.20秒

射出速度
较低
较高
较差
熔胶进料时间
1.5秒

模具温度
较低
较高
较差
冷却时间
1.6秒

熔胶温度
较低
较高
较差
机械手取出时间
0.20秒

射后持压
较低
较高
较好
模具温度
50℃

射出冲程
较高
较高
--
进料管温度
300℃

当然，上表所列之盘片仍合于规格书规范且为量品。PC料使用GE OQ1020C盘片用聚碳酸脂。

模具的热传递要能均匀与正确有赖保养的工夫，冷却水循环管路系统是经常被忽略的，水管中的沉积物会阻碍温度传递，导致冷却时间不足，所以在保养模具过程不可忽略水路系统，模具设计上最好有过滤器同时使用干净的水，如蒸馏水。我们的实验中，也有尝试去加大冷却水管之尺寸，希望使模具内的匹配阻抗降低，但是并没有得到预期之结果，不过，我们仍相信良好的冷却回路设计对模具中的匹配阻抗有降低的作用，可以让PC料流动更平滑而容易射出成形、复制完整与脱模。

结论

从我们的研究中可知，缩短复制时间必须要从两个制程的改善－母版前制与复制工程。实验证实，3.4秒的复制循环时间在调整、改良射出机参数后确实生产可行，但主要难以控制的因素为银线流痕与料头容易断裂残留于模具中。如果要以3.4秒设定为循环时间时，熔胶进料的时间必须要降低到1.5秒以下，母版的信号对称性控制与连续展开率都是重要的控制因素。

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