光盘注塑机工艺程序及应用

IsaacZ

【论坛讨论中提到，特此转贴】


作者：陈厚模


本文仅就“工艺程序、设备介绍、制程工艺、操作与问题分析、保养维修”等各项目，来介绍基本注塑机的结构与原理，包含日本东洋机械公司(Toyo)的ST50discPRO注塑机线的技术现况。

一、工艺程序

“可录式光盘”(CD-R)与“高密度可录式光盘”(DVD+R/DVD-R)对于注塑的要求是不同的，DVDR需要做双面粘合工序，因此对于翘曲(Dishing)与厚度均匀性(Thickness Uniformity)的要求较高。

1．可录式光盘的生产工序

进料验货→原材物料安全库存→塑料干燥→注塑白片→生产线(染料旋涂、金属溅镀、旋涂保护胶、硬化、线上检测)→线外检测机(质量检验)→DVDR的粘片→DVD-R的预刻→印刷→目检→出货

2．注塑系统的基本组成

塑料洁净灌入烘干机→塑料烘干→干燥塑料传输→融化→注塑进模具→凝固→冲孔→自模具中取出→冷却定形

图一、盘基生产说明图

一般的注塑系统只有“塑料干燥机”(PC Dryer)与“注塑机”(Injec-tion Molding Machine，IMM)两种机台，若是要做混料系统，则会额外添加如“螺杆式混料机”(Screw Type Resin Mixer)等机台，以将两种不同的塑料做混合，混合塑料的目的是为“着色”(Coloring)或塑料回收作业，将原本无色透明的盘基着上各种各样的颜色，但须注意适当选用有颜色的塑料与添加的份量，加入过多的比例会降低反射率，影响激光头对光盘坑洞读取能力。使用前要详看塑料供货商的说明手册，视目标要对CD-R或DVDR的盘基做混料着色的作业，因为两者的激光刻录与读取的波长不同。

关于回收料的使用，在业界普遍有两种做法直接购买己加工切割好的回收料普遍称副牌料来干燥生产，或使用螺杆式混料机在线上直接将水口料切割混合再使用。基于生产精度与工艺水平的难易顺序是自DVD-R，CD-R，CD-ROM到V-CD，以经验来说，“可录式光盘”的回收水口(Sprue)经切割再次混合可以供生产“预录光盘”(Pre-recorded Disc)来再生使用,而生产预录类中的CD-ROM的剩余水口可以供生产“蛋糕盒”(Cake Box)或其它塑料制品做再生使用。

图二、注塑机的基本结构图

二、注塑机设备介绍

1．注塑机的基本结构

如图所示，注塑机有右半部的“螺杆加热与施压系统”以及左半部的“成形模具与导轨系统”，塑料颗粒自料斗注入炮筒的螺杆中，依次序向喷嘴逐渐推进并在加热带的加温下熔化，当螺杆完成后退充填后，熔化的塑料便依循螺杆的前进而注入到模具中，定量塑料冷却成形并切除水口，此时模具打开由机械手臂(Robot)将已成形的盘基取出来，于后接的冷却盘中做适当的降温定形。

图三、螺杆前区的喷嘴(Nozzle)

图四、液压式注塑机的外形与部件

图五、ToyoST50discPRO-S全电动式注塑机的外形与部件

2．射胶螺杆

固态塑料原料“聚碳酸醉(Polycarbonate到自料漏斗进入螺杆螺槽(Screw Channel)内，经由螺杆高速旋转而与熔胶商(Barrel)产生剪切效应，使塑料混炼并沿着螺杆螺槽输送，使固态塑料受到熔胶筒外侧之电热片(Heating Band)加热与螺杆产生的剪切热作用下，使胶料受热而熔成熔体态。

射胶螺杆之功能：加料、输送、压缩、熔化、排气、均化塑化，螺杆依照其功能可分为四个区：

(1)固体输送区(Solid Conveying Zone)

此区段与进料漏斗(Hopper)相连结，塑料颗粒(PC rest)被紧密压缩形成固体床(Solid Bed)，受到熔胶筒的剪切效应作用，除了使塑料受热升温，并将塑料推往前推挤输送。

(2)熔化延迟区(Delay of Melting)

此区段为固体输送区终点到熔化池(Melt Pool)形成以前的区域，其主要特征在固体床与熔胶筒表面会形成由熔胶所构成的薄膜层，薄膜层内熔胶受到熔胶筒黏滞力(Drag Force)往前螺槽累积，此区末端所形成压力很大足以使固体床变形，而堆积在前螺槽内渐形成熔化池。此区段为固定螺杆螺沟之沟深，其功能为负责预热与塑料固体输送及推挤，必须保证塑料在进料段结束时开始熔融，也就是要预热到熔点。

(3)固馆区(Melting Zone)

此区段为渐缩螺杆螺沟牙深，其功能为塑料原料熔融、混炼、剪切压缩与加压排气，塑料在此段会完全融解，体积会缩小，所以压缩程度的设计(压缩比)很重要。固熔区又分为两部分，一为“塑化”(Plasticising)，而塑化主要来自于熔胶筒剪切(Shearing)效应作用；另一则是“熔胶输送”(Melt Conveying)，将熔胶输送至融化池中。

(4)熔胶输送区(Melt conveying zone)

当所有塑料完全融化即开始进入此区段，而结束于塑化螺杆的最末端，此区是要保持熔胶均匀温度及稳定馆融塑料之压力及流量。此区段螺杆螺有固定沟深，其主要功能混炼、熔胶输送、计量之外，还必须提供足够的压力，保持熔胶均匀温度及稳定熔融塑料之流量。

3．模具(Mold)

模具中有静模与移模两大部份，模具的压模镜面(Mirror)表面镶有一层强化金属(一般在CD-R/DVD－R为“钻石膜Diamond Like Coating, DLC)的镜面。

碳原素之相关材料从钻石，石墨及玻璃状的碳及近年倍受注目的C60等，有多种形态并广为产业界所使用，碳原素具有多种不同之化学结合形态，结合形态之不同造就了多样化之机械，电气及光学方面之特性。DLC即是藉由和半导体制造技术共同发展的真空电浆薄膜制程，所开发出来具有新特性之碳元素材料。在高真空中之电弧放电电浆将碳化氢瓦斯分解，使电浆中的离子及激发出的分子加速撞击镜面后所形成的薄膜。DLC膜有细密之构造，表面呈现黑色非常平滑而无结晶粒，其物理特性是：光滑、耐摩损、耐冲击、防粘附。具有0．1摩擦系数、450oC耐热温度、硬度4，000(HV)与耐磨性。

表一、钻石膜(DLC)与其他金属模的比较表

图六、Axxicon模具将压模装在动模

4．压模位置对注塑条件的影响

对于压模置放的位置因模具设计而异，有的模具设计是将“压货(Stamper)装在静模，也有的模具设计将压模装在动模，例如Technoplas与Axxicon的差别，两者相对的关系与影响列于表中。

图八、Technoplas模具含柱状轴承

Technoplas模具在模具旁有设计柱状轴承(BallBearing)使得合模的对位精度相对提升。

表二 AXXicon模具与Technoplas模具的比较

5．模温机

模温机内有加热器会将循环水加热至工作温度。

模具温度的设定：CD50~55oC，DVD-ROM90~95oC，CD-R110oC，DVD-R120~125oC。

6．液压与电动注塑机的差异

注塑机的精度重现是注塑机制造工厂的技术追求目标，也是注塑成型业者购买设备时考虑的重点。机器精度重现可使成型品品质稳定，尺寸标准，物性也确定，如此可减少组件装配的误差，提高生产率及良率；而且成型产品可快速更换生产，提升良品率，减少不必要的停机时间，可满足市场及时间性生产的要求；另外可易于控制成型条件，免予充填材料的过度浪费，也可以满足使用自动化设备的需求。近年来注塑机发展的动向应为高精度、高循环、省能源、低成本、高操作性、省空间及符合环保等要求；而全电式注塑机等机种即是符合未来射出成型机的动向。

全电动式精密塑料注塑机主要是以伺服马达驱动系统取代液压系统；注塑机主要具有锁模、顶出、射出、计量、调模、射座进退等六个动作单元，全电式注塑机其中射出、计量、锁模及顶出等四个单元采用伺服电机以便作位置、速度及转矩控制，调模及射座进退则采用一般电动电机即可完成。

全电式注塑机需具有将马达旋转运动转换成直线运动的传动机构，包含有正时皮带(Timing Belt)、滚珠导螺杆(Ball Screw)、及肘杆(Toggle)等组件组合，在注塑及锁模的压力控制则采“高分辨率压力传感器”(Load cell)做压力回馈，配合“编码器(Encoder)来做精确位置的测量，所反馈的电流信息在接口电路模块中转成电压后交给计算器作业，所得到的补尝信号再转给电流放大器来修正伺服电机的动作，藉此达到“死循环控制”(Closed Loop Control)，其均具有稳定且精密的性能。

由于全电式注塑机的驱动源皆异于液压致动器之射出机，传统的注塑机控制器均不适用，因此厂商多半自行研发控制器及伺服控制法则，不仅要作位置的死循环控制，更要同时作速度(Speed)与行程(Stroke)的死循环控制，使得控制稳定性及准确性大幅地提高。

例如Toyo全电动注塑机是以“肘杆”(Toggle)来推动“动模”(Moving Side)进行“合模”(Mold Closing)与“锁模施压”(Direct Clamping Force)的工作，而全液压注塑机是直接由汽缸(Cylinder)压力来驱动合模与锁模施压的工作，如图中所示，液压注塑机的汽缸冲程直接正比反应在对模具的直压冲程(Direct Pressure Stroke)上，而全电动注塑机因为有肘杆的缓冲，使得伺服电机冲程(servo Stroke)与直压冲程呈现非线性的响应，因此，原来在液压注塑机上的操控经验就无法整套转移到全电动注塑机上，操作者需要对全电动注塑机有一段新的学习经验。

三、可录式光盘盘基制程工艺

1．预录式与可录式光盘的差别

一般预录式光盘(V-CD，CD-ROM)与高密度预录式光盘(DVD-ROM)的坑形差别在于坑洞(PitWidth)，而预录式光盘与可录式光盘的坑形差别在于坑洞(Pit)与轨道(Groove)。

图十四、各世代光盘的基本结构差别

当熔化的塑料在模具中流动，可录式光盘轨道所产生的阻力比预录式的坑洞阻力大，因此可录式光盘的注塑成形以采用射压法与提高模温为准则。但使用较高的模温，则镜面镀膜的耐用等级也要相对提高，而自高温冷却的时间也要适合以避免翘曲。所谓制程工艺窗口即是在满足翘曲、双折射与复制率三者条件之下(交集)的工艺调整区域。

图十五、工艺操作范围

图十七、SEM显示CD-R沟槽几何资料与染料顶层的凹陷度(dabs)

典型的CD-R沟槽几何形状如下：

盘基厚度：1.16～1.18mm
沟槽深度：180nrn～200nrn，士5um
沟槽宽度：450nrn～550nrn，士5um
槽壁倾斜角：45o～55o，士5o

2．塑料的特性与种类

PC料的熔融与粘度高，射出耐压力大，但管内温度过高或滞留时间久时，易起热分解、变色及降低物性，须注意模温以85oC～120oC为佳。对较厚的成品不易成型，而易生残留应力，会造成日后裂缝。

3．干燥(Drying)

塑料干燥机有密闭空气循环式与对流式两种，有需要冷却水与不需要冷却水的机型，重点是要能有效的将塑料颗粒做确实的烘干。

4．输送(transporting)

使用不锈钢管与PVC管的差别在于塑料颗粒通过管路时所产生的磨擦与粉末，输料管的转角弧度与内部的抛光洁净度非常重要，而且管路不宜过长。要注意的是漏气问题，烘干四小时的塑料通过有漏气的管路，不要两分钟塑料就会被环境中的水气所潮湿。

5．塑化(Plasticising)

螺杆旋进速度愈快，剪切效应(Shearing Action)愈大，旋进速度过快则塑化程度不足，容易产生‘有色斑点”(Color Patches)。一般操作以开始设定较低的转速，再逐渐升高到目标转速。

射铸法(Injection Coining)

所谓射铸法是在射料之后，先维持一段较低的锁模力，然后再加大所模力。如表中所示，有三种注射法的比较。

7．成形(Molding)

模具温度必须与料温、射速与射压一起考虑，而冷却时间会影响到盘基品的厚度，进而影响“循环时间”(Cycle Time)。

8．穿孔(Punching)

一般欧洲注塑机在炮筒顶端有设计“针阀喷嘴”，当注射、保压结束之后，在冷却期的初期，针阀将会关闭而喷嘴会后退，此时在冷却期末段才施行冲头穿孔作业，我们称此方法为“硬切割”(Hard Cut)。

日本式注塑机则不用此计阀喷嘴的设计而炮筒也不需要后退，因为在冷却期前段冲头就已施行穿孔，因此塑料还尚未完全冷却时，穿孔作业已完成，我们称此方法为“软切割”(Soft Cut)。软切割的好处是：

(1) 塑料可以稳定的流动，温度稳定性提高；
(2) 在塑料仍很软时穿孔，可避免硬切割在内孔边缘产生应力(Stress)；
(3) 此种方式在穿孔时不需要炮筒后退，因此减少机械的损耗。

一般压模的标准内孔直径为34mm而在DVD生产的部份也有使用直径22mm的压模内孔。

9．取出(Take-out)

以机械手臂(Robot Arm)将水日弹掉或夹出来再抛弃的两种方式。

10．冷却定形(Conditioning)

当盘基自模具中取出后，温度仍很高，这时若置放在不平衡的冷却装置上，冷却不均匀将会导至翘曲的产生，不光是冷却要有足够的时间，在冷却区域的落尘量也要考虑，因为既使是1，000级的净化区域，当盘基在其中停留几十分钟仍有被污染的机会，尤其是水平置放的冷却方式，因此多半在高效率过滤网(HEPA)的沉流罩下仍要有“高压静电吹风器”(De-ionized Blower)，其针尖处将流过的空气带电，以使空气中的灰尘因带电而附着在墙上而不会乱飞，而机器本身的接地工作也要落实，以免累积过量的电荷而产生放电火花。因此，最佳的冷却装置是将盘基直立的边旋边前进的直条形冷却机构(Rotation Vertical Cooling Buffer)

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四、操作与问题分析

实际操作上我们都希望能有较快的产速，亦即短“生产周期”(Cycle Time)，而降低生产周期的因素有：(a)双折射；(b)翘曲；(c)沟槽的几何形化

1．线内光学测试机(In-Line Optical Scanner)

(1)测试光源(Light Source)

线内100％检测机是由灯泡(Lamp)、固态激光(Laser Diode)或发光二极管(LED)等光源加上一些光学滤波片(Optical Filter)与光侦测数组(Photo Array)来做穿透与反射的光强度(Light Intensity)测量，我们可以得到盘基上如穿透率、反射率、翘曲与缺陷等的状况。

(2)盘片着陆后的稳定性(Vibration Stability)

一般线内光学测试机需要在1～2秒内将一片盘机做完检测，故盘基落在检测机的“承轴”(Chuck)上要能稳定后再开始测量，这就是延迟时间的功用。

以往于1998年CD-R刚开始大量生产时候，可录式光盘复制线上会配置有三台线内光学检测机，分别对盘基、染料片(Dye Disc)与成品(Finish Disc)做质检，但现在的复制线多半已取消第一台的配置，即不线上内测盘基，而盘基的测试多半由线外光学检测机来担任。

2．线外光学测试机(off-Line optical Tester)

现外光学检测机与线内的相似，差别在于可以做更复杂的光学计测，加上一些空间的计量设置与偏光片(Polarizer)的组合，我们可以经由计量不同角度上散射光的强度来估算沟槽的宽度与深度，但这估计值(相对值)需要与原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)所测出的绝对值做比对才能确认其是否达到相当的精度。

(1)光学读取头

值得一提的是一般市售光刻的“光学读取头”(Pick-Up Head, PUH)与光学测试机的光源照射方式是不一样的，线内线外的光学测试机是采用一毫米直径平行光束与PUH中要聚焦(NA)是不同的。

(2)透明度(穿透率/反射率)

加温过高会将塑料烧焦而产生黄化的问题，塑料干燥不全盘基也会有白斑的产生，一般正常操作下，保持适当的“螺杆旋进速度”(Screw Circumferential Velocity)与“射速”(Injection Velocity)，塑料会保持良好的透明度。

(3)翘曲度(Tilt/Dishing)

翘曲的成因主要是两半模具的温度差异，其次是盘基在模具中的冷却速率，以及冷却时的模穴压力与开模前的吹风(Air Blow)，当然在开模之后所取出的盘基仍然很热，没有适当的冷却也会产生翘曲，而后续的染料盘基烘干、溅射、粘合、紫外光硬化保护胶层(UV Curing)与印刷等也会影响到翘曲的大小。一般所称翘曲多半是是指轴向“翘曲”(Radial Tilt)，而也有“切线翘曲”(Tangential Tilt)。

(4)双折射

光学上的“双折射”(Birefringence)又称“后推量”(Retardation)，这是指在材料本身结构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)虽然穿过相同的塑料厚度仅会有相位(Phase)上的差异。当盘基中有双折射的变异时，光学头读取信号的激光经过光盘反射后会在各偏光分量上的相位有所不同，此干涉干扰的强弱作用会进而影响到信号强度的读取，因此，我们要降低双折射量，并维持内外径上的双折射的一致性。

双折射的成因有：(a)塑料分子在成形时的冷却快慢，是否有应力残留；(b)冲头切口的时间点是否会造成内圈材料上的应力；(c)注塑方法的选择是否会使溶化的塑料在模具中的流动与收缩发生问题；(d)塑料的密度变异。

双折射的影响为：(a)改变激光的极化偏振相位，使反回光学读取头的信号变异：(b)PUH循轨力量减弱；(c)容易产生散射(scattering)；(d)可录式光盘成品的刻录效果不佳，烧孔成形变异，自然对碟机的兼容性减弱。

双折射的调整如图所示，增加料温或加大锁模力会使内外径的双折射一同降低，而其它参数(降低射速、降低模温、延长冷却时间、延后冲头切口时间等)的调整可以促使内外径上的双折射量达到一致。

(5)复制率

将模温、炮筒温度、注射速度或锁模力提高皆会增加盘基沟槽的复制率，但锁模力要达到某个值以上且维持时间足够才能有较佳的复制率，但高锁模力的维持时间又不可以过久，以避免因为“塑料盘基”(PC substrate)与“镍质压模”(Nickel Stamper)的收缩率不同，造成外圈收缩率差异过高而成型不佳。

(6)对沟槽几何形状的要求

针对可录式光盘的刻录与注塑条件比较，刻录方面希望要有清楚的沟槽轮廓，但实际注塑却无法达到此理想值，为了解决水纹等问题，沟槽几何误差的容许率必须适度的放宽。

(7)穿透率

盘基的穿透率可直接线上外检测机上测出，而有关盘基的缺陷也可以经由直接溅射金属层来观察，要注意的是各种染料工艺所需的沟槽宽深会不同，因在一厘米直径的平行光束照射之下会有不同的散射量，因此所测得的穿透率会不一样，故以线外信号测试机(如CATS Pulstec等)来测真正有考虑到“数值孔径”(NA)的反射率才正确。

(8)收缩率

对于收缩率的计算，我们必须借助如原子力显微镜的观察，来计算内外径沟槽的几何尺寸变化，基本上以垂直距离比来表示，但也有人加上水平上的资料，甚至以沟槽而积来计算。

一般塑料的收缩率约在95％到98％之间，不同的参数大小对收缩率的影响不同，请参考图说。

3．问题分析
(1)机械特性(Mechanical Properties)

A．水纹多云雾(Cloud /Release Mark)

水纹的产生多半发生在开模(Mold Opening)的瞬间，基本上是因为“水平的收缩差异”与“翘曲”的加成因素所造成的，在盘基的内外径上各处皆有发生的可能性，但出现在内圈的机率偏高。

如同开新车一样要照顾引擎的初期磨损状况，建议每张压模使用之初100～200片注塑，应先用较小的锁模力与较长的注塑周期，待生产平顺后再开始加高锁模力与加快产速做量产的工作。

B．重量与厚度(weight/Thickness)

保压压力愈大则盘基厚度愈厚，其它影响盘基厚度的因素有锁模力、模温与料温。基本概念是当开机温机之后开始注塑约60片盘基后的才会趋于稳定，而既使在量产中有任何的短暂停机，也会在覆机时约会有先期的5～20片盘基的厚度与尺寸不稳定。

评鉴注塑机的好坏与是否达到注塑控制调整的最优化，可由在量产时盘基重量变异最大值6δ)的大小来决定。

C．内孔大小、偏心与平衡

压模冲孔偏差与盘基冲孔偏差等会造成轨道读取时的摇晃，尤其光盘在做52X高速旋转时，使得循轨(Tracking)不易。另外在注塑盘基所造成密度的变异与各方向上不同厚度等问题，会使盘基的质量中心偏移物理的尺寸中心，造成在旋转时的“不平衡”(Unbalance)与“聚焦”(Focus)的问题，这常见于高速旋转下光盘所产生的噪音。

(2)外观缺陷(Cosmetic Defects)
在外观的缺陷方面有包含拉丝(Threads)、盘基塑料内的污染(潮湿、杂质…)、刮伤(Scratches)、表面污染、成形不全、过度饱和与流痕等等。基本上我们要注意压模的内环码位置，用来鉴定缺陷的发生方位与内径距，若是发生在相同位置，则多半是模具的问题，若发生位置不在同一方位，则有可能是材料、污染与周边供应的不稳定所造成，依序做推理的作业直到找出原因，而一般塑料供货商有提供一个问题解决的手册做参考。

4．原子力显微镜与高线光学测试机的比对

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)的工作原理是以一个极细的探针(Probe)在沟轨中以原子间的斥力(凡得瓦力)而悬浮一小段距离，探针的微小上下起幅会使翘板背后所反射激光做很大振幅的摆动，因此这微小的高低变化会反应到光侦测数组中做记录，当探针针尖连续走过几道沟槽后累积起来一个立体的影像，这直接测试的数值会比光学测试机用光学绕射测量来的准确，但AFM只能针对小区域做测量，而绕射测试可以在几秒内做完整张沟身沟宽的测量，前者是绝对式后者是相对式，两者间要做比对校正才有意义。

图三十九、AFM图像显示DVD-R在平台(Land)上也有信号坑

五、Toyo注塑机的演进

目前东洋机械全电动式注塑机最流行的机型是ST50discPRO，现在己添名为S机型，代表“标准机型(Standard)的意思。除了承袭以往的设计在注塑顶端有净化沉流罩外，注塑机有附自己的模具净化罩，喷嘴上也有屏蔽的设计，采取单一化的真空泵与额外的润滑油泵。除了此等贴心的设计之外，最重要的是其有50顿的锁模出力；最坚固的钢体机身；而在动模中还有添加一片张力板，用来更均匀地将锁模力导入模具中：冲头的控制也是随着一具伺服电机而独力驱动，如此可以达到软切割作业上做到更完美的切口，保持内孔的均一性。

随着高质量市场的发展所需，东洋有发展在ST50discPRO-S的四支拉杆末端上各加上一个伺服电机的注塑机称为“ST50discPRO－H”，此四具伺服电机加上在模具内的高精密度四象限式压力侦测器做循环控制，可以精确地单独调校每个拉杆上的力量，使得锁模力更均匀落在盘基的各放射方向上，彻底减少盘基的不平衡问题，非常适合高速(48X以上)可录式光盘CD-R与DVD-R(4X以上)的盘基生产。

另外，Disc BOX直立式注塑机有占地面积最小、能避免重力造成塑料的密度变异与直立施展锁模力的简易性优点，而循环周期可以加快到2．8s/DVD。

DiscPRO-V注塑机采用双螺杆双模具的设计，与其它工厂所设计的单螺杆双模具不同，因为单炮筒要负责两个模具的注射，在“注道衬套”(Sprue Bush)不对称的情况下，会有充填(Filling)不均匀的情况发生，很容易产生光盘的不平衡问题。因此只有双螺杆双模具才能做到中心对称式的注塑。

(end)