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光盤注塑件機(jī)器工藝程序及應(yīng)用
射鑄法(Injection Coining) 所謂射鑄法是在射料之后，先維持一段較低的鎖模力，然后再加大所模力。如表中所示，有三種注射法的比較。 7．成形(Molding) 注塑件模具溫度必須與料溫、射速與射壓一起考慮，而冷卻時間會影響到盤基品的厚度，進(jìn)而影響“循環(huán)時間”(Cycle Time)。 8．穿孔(Punching) 一般歐洲注塑件機(jī)在炮筒頂端有設(shè)計“針閥噴嘴”，當(dāng)注射、保壓結(jié)束之后，在冷卻期的初期，針閥將會關(guān)閉而噴嘴會后退，此時在冷卻期末段才施行沖頭穿孔作業(yè)，我們稱此方法為“硬切割”(Hard Cut)。 日本式注塑件機(jī)則不用此計閥噴嘴的設(shè)計而炮筒也不需要后退，因為在冷卻期前段沖頭就已施行穿孔，因此塑料還尚未完全冷卻時，穿孔作業(yè)已完成，我們稱此方法為“軟切割”(Soft Cut)。軟切割的好處是： (1) 塑料可以穩(wěn)定的流動，溫度穩(wěn)定性提高； (2) 在塑料仍很軟時穿孔，可避免硬切割在內(nèi)孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力(Stress)； (3) 此種方式在穿孔時不需要炮筒后退，因此減少機(jī)械的損耗。 一般壓模的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)孔直徑為34mm而在DVD生產(chǎn)的部份也有使用直徑22mm的壓模內(nèi)孔。 9．取出(Take-out) 以機(jī)械手臂(Robot Arm)將水日彈掉或夾出來再拋棄的兩種方式。 10．冷卻定形(Conditioning) 當(dāng)盤基自注塑件模具中取出后，溫度仍很高，這時若置放在不平衡的冷卻裝置上，冷卻不均勻?qū)?dǎo)至翹曲的產(chǎn)生，不光是冷卻要有足夠的時間，在冷卻區(qū)域的落塵量也要考慮，因為既使是1，000級的凈化區(qū)域，當(dāng)盤基在其中停留幾十分鐘仍有被污染的機(jī)會，尤其是水平置放的冷卻方式，因此多半在高效率過濾網(wǎng)(HEPA)的沉流罩下仍要有“高壓靜電吹風(fēng)器”(De-ionized Blower)，其針尖處將流過的空氣帶電，以使空氣中的灰塵因帶電而附著在墻上而不會亂飛，而機(jī)器本身的接地工作也要落實，以免累積過量的電荷而產(chǎn)生放電火花。因此，最佳的冷卻裝置是將盤基直立的邊旋邊前進(jìn)的直條形冷卻機(jī)構(gòu)(Rotation Vertical Cooling Buffer) 四、操作與問題分析 實際操作上我們都希望能有較快的產(chǎn)速，亦即短“生產(chǎn)周期”(Cycle Time)，而降低生產(chǎn)周期的因素有：(a)雙折射；(b)翹曲；(c)溝槽的幾何形化 1．線內(nèi)光學(xué)測試機(jī)(In-Line Optical Scanner) (1)測試光源(Light Source) 線內(nèi)100％檢測機(jī)是由燈泡(Lamp)、固態(tài)激光(Laser Diode)或發(fā)光二極管(LED)等光源加上一些光學(xué)濾波片(Optical Filter)與光偵測數(shù)組(Photo Array)來做穿透與反射的光強(qiáng)度(Light Intensity)測量，我們可以得到盤基上如穿透率、反射率、翹曲與缺陷等的狀況。 (2)盤片著陸后的穩(wěn)定性(Vibration Stability) 一般線內(nèi)光學(xué)測試機(jī)需要在1～2秒內(nèi)將一片盤機(jī)做完檢測，故盤基落在檢測機(jī)的“承軸”(Chuck)上要能穩(wěn)定后再開始測量，這就是延遲時間的功用。 以往于1998年CD-R剛開始大量生產(chǎn)時候，可錄式光盤復(fù)制線上會配置有三臺線內(nèi)光學(xué)檢測機(jī)，分別對盤基、染料片(Dye Disc)與成品(Finish Disc)做質(zhì)檢，但現(xiàn)在的復(fù)制線多半已取消第一臺的配置，即不線上內(nèi)測盤基，而盤基的測試多半由線外光學(xué)檢測機(jī)來擔(dān)任。 2．線外光學(xué)測試機(jī)(off-Line optical Tester) 現(xiàn)外光學(xué)檢測機(jī)與線內(nèi)的相似，差別在于可以做更復(fù)雜的光學(xué)計測，加上一些空間的計量設(shè)置與偏光片(Polarizer)的組合，我們可以經(jīng)由計量不同角度上散射光的強(qiáng)度來估算溝槽的寬度與深度，但這估計值(相對值)需要與原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)所測出的絕對值做比對才能確認(rèn)其是否達(dá)到相當(dāng)?shù)木取?(1)光學(xué)讀取頭 值得一提的是一般市售光刻的“光學(xué)讀取頭”(Pick-Up Head, PUH)與光學(xué)測試機(jī)的光源照射方式是不一樣的，線內(nèi)線外的光學(xué)測試機(jī)是采用一毫米直徑平行光束與PUH中要聚焦(NA)是不同的。 (2)透明度(穿透率/反射率) 加溫過高會將塑料燒焦而產(chǎn)生黃化的問題，塑料干燥不全盤基也會有白斑的產(chǎn)生，一般正常操作下，保持適當(dāng)?shù)摹奥輻U旋進(jìn)速度”(Screw Circumferential Velocity)與“射速”(Injection Velocity)，塑料會保持良好的透明度。 (3)翹曲度(Tilt/Dishing) 翹曲的成因主要是兩半注塑件模具的溫度差異，其次是盤基在注塑件模具中的冷卻速率，以及冷卻時的模穴壓力與開模前的吹風(fēng)(Air Blow)，當(dāng)然在開模之后所取出的盤基仍然很熱，沒有適當(dāng)?shù)睦鋮s也會產(chǎn)生翹曲，而后續(xù)的染料盤基烘干、濺射、粘合、紫外光硬化保護(hù)膠層(UV Curing)與印刷等也會影響到翹曲的大小。一般所稱翹曲多半是是指軸向“翹曲”(Radial Tilt)，而也有“切線翹曲”(Tangential Tilt)。 (4)雙折射 光學(xué)上的“雙折射”(Birefringence)又稱“后推量”(Retardation)，這是指在材料本身結(jié)構(gòu)中各方向的折射率有所不同，造成不同方向上的“偏光分量”(Polarization Component)雖然穿過相同的塑料厚度僅會有相位(Phase)上的差異。當(dāng)盤基中有雙折射的變異時，光學(xué)頭讀取信號的激光經(jīng)過光盤反射后會在各偏光分量上的相位有所不同，此干涉干擾的強(qiáng)弱作用會進(jìn)而影響到信號強(qiáng)度的讀取，因此，我們要降低雙折射量，并維持內(nèi)外徑上的雙折射的一致性。 雙折射的成因有：(a)塑料分子在成形時的冷卻快慢，是否有應(yīng)力殘留；(b)沖頭切口的時間點(diǎn)是否會造成內(nèi)圈材料上的應(yīng)力；(c)注塑件方法的選擇是否會使溶化的塑料在注塑件模具中的流動與收縮發(fā)生問題；(d)塑料的密度變異。 雙折射的影響為：(a)改變激光的極化偏振相位，使反回光學(xué)讀取頭的信號變異：(b)PUH循軌力量減弱；(c)容易產(chǎn)生散射(scattering)；(d)可錄式光盤成品的刻錄效果不佳，燒孔成形變異，自然對碟機(jī)的兼容性減弱。 雙折射的調(diào)整如圖所示，增加料溫或加大鎖模力會使內(nèi)外徑的雙折射一同降低，而其它參數(shù)(降低射速、降低模溫、延長冷卻時間、延后沖頭切口時間等)的調(diào)整可以促使內(nèi)外徑上的雙折射量達(dá)到一致。 (5)復(fù)制率 將模溫、炮筒溫度、注射速度或鎖模力提高皆會增加盤基溝槽的復(fù)制率，但鎖模力要達(dá)到某個值以上且維持時間足夠才能有較佳的復(fù)制率，但高鎖模力的維持時間又不可以過久，以避免因為“塑料盤基”(PC substrate)與“鎳質(zhì)壓?！?Nickel Stamper)的收縮率不同，造成外圈收縮率差異過高而成型不佳。 (6)對溝槽幾何形狀的要求 針對可錄式光盤的刻錄與注塑件條件比較，刻錄方面希望要有清楚的溝槽輪廓，但實際注塑件卻無法達(dá)到此理想值，為了解決水紋等問題，溝槽幾何誤差的容許率必須適度的放寬。 (7)穿透率 盤基的穿透率可直接線上外檢測機(jī)上測出，而有關(guān)盤基的缺陷也可以經(jīng)由直接濺射金屬層來觀察，要注意的是各種染料工藝所需的溝槽寬深會不同，因在一厘米直徑的平行光束照射之下會有不同的散射量，因此所測得的穿透率會不一樣，故以線外信號測試機(jī)(如CATS Pulstec等)來測真正有考慮到“數(shù)值孔徑”(NA)的反射率才正確。 (8)收縮率 對于收縮率的計算，我們必須借助如原子力顯微鏡的觀察，來計算內(nèi)外徑溝槽的幾何尺寸變化，基本上以垂直距離比來表示，但也有人加上水平上的資料，甚至以溝槽而積來計算。 一般塑料的收縮率約在95％到98％之間，不同的參數(shù)大小對收縮率的影響不同，請參考圖說。 3．問題分析 (1)機(jī)械特性(Mechanical Properties) A．水紋多云霧(Cloud /Release Mark) 水紋的產(chǎn)生多半發(fā)生在開模(Mold Opening)的瞬間，基本上是因為“水平的收縮差異”與“翹曲”的加成因素所造成的，在盤基的內(nèi)外徑上各處皆有發(fā)生的可能性，但出現(xiàn)在內(nèi)圈的機(jī)率偏高。 如同開新車一樣要照顧引擎的初期磨損狀況，建議每張壓模使用之初100～200片注塑件，應(yīng)先用較小的鎖模力與較長的注塑件周期，待生產(chǎn)平順后再開始加高鎖模力與加快產(chǎn)速做量產(chǎn)的工作。 B．重量與厚度(weight/Thickness) 保壓壓力愈大則盤基厚度愈厚，其它影響盤基厚度的因素有鎖模力、模溫與料溫。基本概念是當(dāng)開機(jī)溫機(jī)之后開始注塑件約60片盤基后的才會趨于穩(wěn)定，而既使在量產(chǎn)中有任何的短暫停機(jī)，也會在覆機(jī)時約會有先期的5～20片盤基的厚度與尺寸不穩(wěn)定。 評鑒注塑件機(jī)的好壞與是否達(dá)到注塑件控制調(diào)整的最優(yōu)化，可由在量產(chǎn)時盤基重量變異最大值6δ)的大小來決定。 C．內(nèi)孔大小、偏心與平衡 壓模沖孔偏差與盤基沖孔偏差等會造成軌道讀取時的搖晃，尤其光盤在做52X高速旋轉(zhuǎn)時，使得循軌(Tracking)不易。另外在注塑件盤基所造成密度的變異與各方向上不同厚度等問題，會使盤基的質(zhì)量中心偏移物理的尺寸中心，造成在旋轉(zhuǎn)時的“不平衡”(Unbalance)與“聚焦”(Focus)的問題，這常見于高速旋轉(zhuǎn)下光盤所產(chǎn)生的噪音。 (2)外觀缺陷(Cosmetic Defects) 在外觀的缺陷方面有包含拉絲(Threads)、盤基塑料內(nèi)的污染(潮濕、雜質(zhì)…)、刮傷(Scratches)、表面污染、成形不全、過度飽和與流痕等等。基本上我們要注意壓模的內(nèi)環(huán)碼位置，用來鑒定缺陷的發(fā)生方位與內(nèi)徑距，若是發(fā)生在相同位置，則多半是注塑件模具的問題，若發(fā)生位置不在同一方位，則有可能是材料、污染與周邊供應(yīng)的不穩(wěn)定所造成，依序做推理的作業(yè)直到找出原因，而一般塑料供貨商有提供一個問題解決的手冊做參考。 4．原子力顯微鏡與高線光學(xué)測試機(jī)的比對 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)的工作原理是以一個極細(xì)的探針(Probe)在溝軌中以原子間的斥力(凡得瓦力)而懸浮一小段距離，探針的微小上下起幅會使翹板背后所反射激光做很大振幅的擺動，因此這微小的高低變化會反應(yīng)到光偵測數(shù)組中做記錄，當(dāng)探針針尖連續(xù)走過幾道溝槽后累積起來一個立體的影像，這直接測試的數(shù)值會比光學(xué)測試機(jī)用光學(xué)繞射測量來的準(zhǔn)確，但AFM只能針對小區(qū)域做測量，而繞射測試可以在幾秒內(nèi)做完整張溝身溝寬的測量，前者是絕對式后者是相對式，兩者間要做比對校正才有意義。 圖三十九、AFM圖像顯示DVD-R在平臺(Land)上也有信號坑五、Toyo注塑件機(jī)的演進(jìn) 目前東洋機(jī)械全電動式注塑件機(jī)最流行的機(jī)型是ST50discPRO，現(xiàn)在己添名為S機(jī)型，代表“標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型(Standard)的意思。除了承襲以往的設(shè)計在注塑件頂端有凈化沉流罩外，注塑件機(jī)有附自己的注塑件模具凈化罩，噴嘴上也有屏蔽的設(shè)計，采取單一化的真空泵與額外的潤滑油泵。除了此等貼心的設(shè)計之外，最重要的是其有50頓的鎖模出力；最堅固的鋼體機(jī)身；而在動模中還有添加一片張力板，用來更均勻地將鎖模力導(dǎo)入注塑件模具中：沖頭的控制也是隨著一具伺服電機(jī)而獨(dú)力驅(qū)動，如此可以達(dá)到軟切割作業(yè)上做到更完美的切口，保持內(nèi)孔的均一性。 隨著高質(zhì)量市場的發(fā)展所需，東洋有發(fā)展在ST50discPRO-S的四支拉桿末端上各加上一個伺服電機(jī)的注塑件機(jī)稱為“ST50discPRO－H”，此四具伺服電機(jī)加上在注塑件模具內(nèi)的高精密度四象限式壓力偵測器做循環(huán)控制，可以精確地單獨(dú)調(diào)校每個拉桿上的力量，使得鎖模力更均勻落在盤基的各放射方向上，徹底減少盤基的不平衡問題，非常適合高速(48X以上)可錄式光盤CD-R與DVD-R(4X以上)的盤基生產(chǎn)。 另外，Disc BOX直立式注塑件機(jī)有占地面積最小、能避免重力造成塑料的密度變異與直立施展鎖模力的簡易性優(yōu)點(diǎn)，而循環(huán)周期可以加快到2．8s/DVD。 DiscPRO-V注塑件機(jī)采用雙螺桿雙注塑件模具的設(shè)計，與其它工注塑件加工所設(shè)計的單螺桿雙注塑件模具不同，因為單炮筒要負(fù)責(zé)兩個注塑件模具的注射，在“注道襯套”(Sprue Bush)不對稱的情況下，會有充填(Filling)不均勻的情況發(fā)生，很容易產(chǎn)生光盤的不平衡問題。因此只有雙螺桿雙注塑件模具才能做到中心對稱式的注塑件。
