DISCOS ÓTICOS

Paulo Marcelo Barbosa Coelho
Telemática S2 – Tarde
Professor: Elias

PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO CD

Fabricação do Stamper  Para se fabricar a Matriz do CD deve-se passar por dois estágios descritos a seguir:

MASTERIZAÇÃO

1. OBJETIVO

	Fabricar, a partir de um substrato de vidro e produtos químicos, uma matriz contendo a informação a ser reproduzida de maneira que seja possível a fabricação de um “stamper”.

2. DESCRIÇÃO  DO PROCESSO

O processo é realizado utilizando-se o equipamento AM-100 de fabricação da TOOLEX/ODME que possui, na realidade, vários subprocessos ocorrendo em uma única câmara limpa (classe 100) com temperatura e umidade controlados. Estes subprocessos são identificados como: entrada, RMP, pré-cozimento, LBR, revelação e saída.

Entrada:
Inicialmente os substratos de vidro são colocados em um cartucho específico. Em seguida, abre-se a janela de entrada da câmara e se introduz o referido cartucho, sem a tampa, no suporte do sistema AM-100. Fecha-se a janela. De acordo com a entrada de ordens de fabricação vindas do provedor (interface), o robô vem buscar neste setor o substrato e o leva para o subprocesso RMP.

RMP (Preparação do fotossensível do master):
Este subprocesso é na realidade composto de três fases: limpeza do vidro, aplicação do silano e aplicação do fotossensível. 
Na limpeza do vidro, inicialmente, o substrato é colocado em um disco com rotação controlada. Uma umidificação do vidro com água pura é realizada e em seguida uma escova realiza a limpeza na superfície do disco. A rotação da escova e sua tensão são controladas. Em seguida a escova é retirada e, após determinado tempo, o fluxo d’água é interrompido, secando-se o vidro. A fase de aplicação do silano é iniciada derramando-se a solução de silano (1%). A rotação do disco é controlada, bem como o fluxo de silano é ajustável. Após o tempo necessário, é encerrada a aplicação do silano e iniciada a aplicação da substância fotossensível. Controla-se também a rotação do disco e o fluxo do fotossensível é regulado através de ajustes no painel de controle da bomba de diafragma. Após o tempo necessário, o fluxo de fotossensível é interrompido e espera-se o tempo para que se atinja a espessura de fotossensível necessária, já que a rotação do disco elimina excessos. Após este processo, o robô retira o substrato e o encaminha para o pré-cozimento.

Pré-cozimento:
Este processo tem como finalidade realizar a secagem (volatização) do solvente fotossensível. 
Neste processo o substrato é colocado em um disco giratório com velocidade controlada com fluxo de ar quente laminar tangenciando a superfície superior do vidro, de modo que a temperatura desta superfície atinja um pico de 70oC. Após passado o tempo de secagem do solvente o processo é concluído. A partir deste momento, o robô, de acordo com a disponibilidade do LBR, pode encaminhar o substrato para este subprocesso.

LBR (Gravação através de feixe de laser):
Neste subprocesso a camada de fotossensível é sensibilizada através de um feixe de laser modulado de acordo com as informações a serem reproduzidas que são enviadas pelo data processor.
O disco é colocado em um prato giratório para onde o feixe do laser  é direcionado através de prismas, lentes e espelhos e percorre o disco de um raio mais interno até suas extremidades. O feixe percorre o disco com velocidade linear constante perfazendo uma espiral. O modulador, dispositivo de estado sólido presente no caminho do feixe do laser interrompe ou não o feixe de acordo com os dados enviados pelo data processor efetuando, desta forma, uma modulação ON/OFF. O feixe do laser ao incidir na camada fotossensível, a sensibiliza, baixando seu pH, tornando-a ácida. Após se ter toda a informação gravada, inclusive a trilha de teste, o robô leva o substrato para a revelação.

Revelação:
Neste processo, os pits serão confeccionados através da revelação da camada fotossensível. 
O substrato é inicialmente colocado sobre um disco com rotação controlada onde uma solução a base de NaOH é adicionada. Esta solução dissolve a parte sensível da camada fotossensível formando os pits. Um monitoramento sobre a faixa de teste é realizado neste momento, medindo-se o parâmetro I1/Io até que se atinja o nível desejado como critério de parada (~ 1%). Em seguida, uma limpeza com água pura é realizada. Luz ultra violeta é aplicada de modo a prevenir a formação de crosslink no fotossensível durante a metalização. A secagem é feita através de centrifugação. Após o tempo de secagem, o subprocesso é finalizado e o robô encaminha a matriz para a metalizadora.

Metalização:
Neste subprocesso, uma camada de níquel é colocada sobre a superfície do fotossensível. 
A matriz é colocada pelo robô na entrada da anticâmara da metalizadora. Esta é fechada e a matriz é encaminhada para a câmara de metalização. Na matriz aplica-se um potencial positivo enquanto que em um alvo de níquel maciço é aplicado um potencial negativo, na presença de um campo magnético. No interior da câmara está presente gás argônio a baixa pressão (~1 x 10-3 mBar). Uma reação em cadeia provocada pelos íons de argônio presentes no gás é desencadeada possibilitando a migração e depósito de níquel em uma camada fina e uniforme sobre a matriz. Após o processo a matriz já acabada é encaminhada para fora da câmara através da porta de sua anticâmara e o robô encaminha a matriz para a pilha de buffer de saída.
ELETROFORMAÇÃO

1. OBJETIVO

Produzir stampers para serem usados na replicação a partir de uma matriz oriunda da masterização.

2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO

Início:
Recebe-se o master da masterização em uma caixa de proteção, retira-se com cuidado, evitando tocar, falar ou respirar próximo ao mesmo. Caso o master tenha sido estocado por um certo tempo, deve-se colocar ácido sulfâmico (25 g/l) para ativação da superfície de níquel. Em um master novo, esse procedimento não é aplicado.

Colocação do Master:
Encaixa-se o master no catodo do banho de eletroformação (sulfamato de níquel), coloca-se o anel de contato, fecha-se o banho, escolhe-se o tipo de rampa a ser usado e inicia-se o processo de galvanização. O banho leva em torno de 70 minutos, tempo necessário para que a camada de níquel cresça de 60 nm para 0,3 mm.

Retirada do Master do Banho:
Finalizando o processo, separa-se o vidro do stamper (contendo a camada de níquel e fotossensível). O vidro é levado para um equipamento onde será lavado e recuperado para ser utilizado novamente.

Retirada do Fotossensível:
O stamper é levado para um equipamento contendo lâmpadas U.V., onde recebe uma radiação ultravioleta para a sensibilização do fotossensível. Em seguida, lava-se com uma solução de NaOH (10%) para a retirada do fotossensível sensibilizado. Seca-se o stamper em uma centrífuga (1.000 rpm) e o leva para o equipamento de geração de ozônio para a retirada dos resíduos de fotossensível (O3 + fotossensível          H2O + CO2). Está pronto o stamper “father”.

Passivação:
Banha-se o stamper “father” em um banho de dicromato de potássio (1,5 g/ litro) para a sua passivação. Essa passivação consiste na oxidação do níquel superficial e evita que durante a formação da família haja a colagem do stamper “father” com “mother” ou do “mother” com o “son”. 

Aplicação da Camada Protetora:
Em uma centrífuga aplica-se uma camada protetora de ECOPEL sobre o stamper. Inicia-se a centrifugação com uma rotação baixa e aumenta-se gradativamente até 500 rpm, de modo a controlar espessura da camada. Depois leva-se para uma estufa à 70ºC durante 10 minutos para sua secagem.

Polishing e Punching:
Efetua-se um polimento na parte traseira do stamper utilizando as seguintes lixas: 30 m (1min), 15 m (1min), e 9 m (1min). Em seguida lava-se o stamper lixado com propanol-2 para a retirada de resíduos. Então, checa-se a rugosidade em um rugosímetro, que deve estar entre 0,13 m e 1,3 m.
Depois leva-se o stamper para o “puncher” onde são realizados os cortes interno e externo de acordo com as especificações.
Finalizando esse processo o stamper está pronto para ser enviado para a replicação. 

REPLICAÇÃO

1.	OBJETIVO

Replicar informações multimídia em policarbonato a partir de uma matriz de níquel (stamper).

2 . DESCRIÇÃO  DO PROCESSO

Uma matriz de níquel  contendo informações multimídia (stamper) é recebida do setor de eletroformação e colocada em um molde que está fixado na injetora. 
Esta informação é replicada em policarbonato e em seguida é transferida por um braço eletropneumático para a máquina de metalização e laqueação (Miniliner), onde na mesma é depositado camadas de alumínio e resina sobre o policarbonato. Ás cópias, após passarem por um scanner, são removidas manualmente através de contentores  específicos para a máquina de impressão em silkscreen, onde são impressas sobre a camada de verniz (laquer) a arte visual.

•	Tratamento do Policarbonato

Secagem do policarbonato a 120 °C por 2-3 horas para retirada da umidade. 

O policarbonato por ser um polímero higroscópico, sofre uma reação de hidrólise que provoca sensíveis alterações em suas propriedades devido a quebra da cadeia macromolecular.

•	Moldagem por injeção 

A moldagem por  injeção consiste fundamentalmente no aquecimento do policarbonato até um estado relativamente fluido , injetar nas cavidades de um molde uma quantidade controlada desse material, sob condições especificadas de temperatura, pressão, velocidade e tempo. Em seguida, essa massa moldada é resfriada até a sua completa solidificação.
A moldagem por injeção pode ser dividida  em várias fases que se complementam.

	(Fechamento do molde)  O início do ciclo de moldagem por injeção começa com o fechamento do molde, o qual é realizado através de cilindros hidráulicos.
	(Avanço da unidade de injeção) A unidade de plastificação (parafuso, rosca ou extrusor) avança até que o bico de injeção entre em contato com o “sprue bush” do molde.
	(Enchimento) Nesta fase, policarbonato fundido por aquecimento externo (através de resistências elétricas) e interno (atrito da rosca), é injetado sob velocidade e  pressão controladas no molde de canais frios, sobre uma matriz postiça de níquel (stamper) cuja fixação no molde é feita à vácuo.
	(Compactação) Após a fase de enchimento, o material fundido é forçado dentro do molde sob baixa pressão para compensar a contração térmica do policarbonato. Esta fase tem grande influência no peso e dimensional da peça, além de afetar propriedades óticas (Birrefringência) e Dishing (empenamento).
	(Resfriamento) O resfriamento se inicia simultaneamente com a fase de enchimento. O formato final do substrato é atingido pelo controle da temperatura e do fluxo de água de resfriamento, o qual deve ser mantido teoricamente em torno de 60°C com uma vazão de 7/8 l/min. Durante o resfriamento o canal de injeção (sprue) é rompido pelo “punch”.
	(Recuo da unidade de injeção) Após a compactação e durante o resfriamento, ocorre o recuo da unidade de injeção.
	(Abertura do molde e ejeção da peça) Após o resfriamento quando da abertura do molde, o canal de injeção é removido através de um pino ejetor. Ao mesmo tempo, o substrato é retirado do molde através de um robô eletropneumático e transferido para a Miniliner.

•	Metalização

O processo de metalização é o primeiro processo da Miniliner. Um braço de transferência recebe o substrato da injetora e transfere para a câmara de metalização, onde sob alto vácuo um “target” de alumínio é submetido a uma voltagem de 400- 500 volts. Essa voltagem ioniza átomos de argônio formando um plasma entre o “target” e o substrato a ser revestido. Íons carregados positivamente removem partículas de alumínio do target que são depositadas na superfície do substrato.
•	Laqueação

Aproximadamente 1,5g de verniz de cura rápida é aplicado sob o substrato logo após a metalização com o objetivo de proteger o alumínio contra oxidação e facilitar a aderência da tinta durante a fase de impressão.

•	Cura - UV

Após a aplicação do verniz, o substrato é exposto a radiação UV por um tempo de 1,6 seg para cura da resina. Fatores que são influenciados pela cura da resina.
-	Dureza; 
-	Tempo de vida do CD;
-	Adesão entre o verniz e o policarbonato;
-	Facilidade na Impressão

•	Scanner

Para garantia da qualidade óptica do disco, um sistema de inspeção (scanner) é instalado após a instação de cura UV
Três tipos de defeitos são inspecionados :
	Defeitos do processo de injeção Ex. bolhas, pontos pretos etc
	Defeitos no manuseio Ex. riscos , batidas, impressão digital etc
	Defeitos na metalização Ex. pontos sem metalização

CARACTERÍSTICAS DE QUALIDADE DO DISCO INJETADO

 Os seguintes parâmetros são inspecionados periodicamente para garantir que o processo opere satisfatoriamente. São utilizadas para os testes amostras recém injetadas e um tempo de repouso de 05 min para resfriamento do disco.

a) Stress:  O disco quando posto em luz polarizada deve apresentar a área de  informação disposta uniformemente com a coloração preta.

b) Espessura:  A espessura do disco é medida utilizando-se um micrômetro ou equipamento similar (panametrics), e deve ser uniforme ao longo do disco.
Disco muito espesso  excesso de material injetado na cavidade.
Disco pouco espesso  pouco material injetado na cavidade.
	
c) Birrefringência:  Indica o grau de tensionamento (orientação e/ou tensão residual) no policarbonato e deve ficar  situado entre –50 nm e +50 nm. Valores fora desse intervalo resultam em um disco cuja informação não pode ser lida em conseqüência do CD player não poder focar os “pits”.
	
d) Dishing.:  O valor do Dishing deve se situar entre – 10mrad e +10mrad.
Valores fora desse range indicam que o processo está fora de controle e necessita de ajustes.
Ex:
-	Redução da temperatura do molde
-	Redução da velocidade de injeção
-	Aumento do tempo de resfriamento

e)	Peso.:  O valor do peso do disco deverá ser mantido constante ao longo do processo. Alterações no peso indicam que o processo está fora de controle e necessita de ajustes.

ANALÓGICO - DIGITAL

Quando o CD foi introduzido nos anos 80 sua única função era armazenar músicas em formato digital.
No CD e em qualquer outra tecnologia digital, a solução é criar uma gravação digital com uma alta fidelidade da onda analógica com uma perfeita reprodução (não importa quantas vezes você toque o som, a qualidade deve ser a mesma). Para atingir estas duas metas, a gravação digital transforma a onda analógica em uma cadeia de números e grava estes números no lugar da onda. Este conversão é feita por um dispositivo chamado “Conversor analógico para Digital” (CAD). Para reproduzir a música , as “cadeias de números” são convertidos de volta na onda analógica utilizando-se o “Conversor Digital Analógico” (CDA), esta onda analógica é amplificada e mandada para os alto-falantes para se produzir o som.
A onda analógica produzida pelo CDA deverá ser a mesma sempre que for gerada, tendo em vista que os números não estão corrompidos. Esta onda também deverá ser similar com a onda analógica original se o CAD atuou com uma alta taxa de amostragem e com números precisos.
Fica fácil entender por que os CDs tem uma alta fidelidade se entendermos o processo de conversão Analógico-Digital.
Quando você tira amostragem com um CAD você tem controle sobre duas variáveis. A primeira é a taxa de amostragem e controla a taxa por segundo. A Segunda é a taxa de precisão. A precisão controla quantas diferentes gradação são possíveis quando estão sendo colhidas as amostras.

COMO É FEITO A LEITURA DO CD

Um CD é simplesmente um pedaço de plástico, com cerca de 1,2 centímetros de espessura. Durante sua manufatura no processo de injeção, o CD é impresso com microscópicas depressões alinhado em um contínuo e extremamente longo espiral de trilhas contendo dados. Uma vez que o pedaço de policarbonato está formado, uma fina camada refletora de alumínio é metalizada sobre o disco, cobrindo as microcavidades. Por último a camada de verniz é inserida.
 Um CD contém um espiral de trilhas contendo os dados. Partindo do centro do disco para sua extremidade. O fato do das trilhas começarem no centro significa que o CD pode ser menor do que 12 centímetros caso se deseje. De fato existem cartões de visita que podem ser inseridos nos drives de CD players com aproximadamente 2 a 16 MB de informação dependendo do corte final do CD.
A informação dos dados é dado em aproximadamente 0,5 micrometro de largura com 1,6 micrometro separando uma trilha de outra. Por curiosidade, se esticássemos todo o espiral em uma linha reta, teriamos uma caminho com 0,5 micrometro de espessura com um comprimento de 5.600 metros.
O Cd Player tem a funçao de achar e ler a informação guardada no CD. Considerando o quanto pequenos são as microdepressões, tem-se que CD player é um equipamento preciso e excepcional. O drive consiste de três fundamentais componentes.
•	Um motor para girar o disco. Este motor é precisamente controlado para uma rotação entre 200 e 500 rpm dependendo que trilha está sendo lida.
•	Um laser e um sistema de lentes para focalizar na informação para ser efetuada a leitura.
•	Um mecanismo para movimentar a cabeça do laser, para que o raio do laser possa seguir todo o espiral. Este mecanismo deve ser de tal precisão capaz de mover o laser com resoluções microscópicas.
Dentro do CD Player, existe um bom conjunto de tecnologia computacional envolvido para transformar as microdepressões do CD em bloco de dados legíveis e mandá-los para o “Conversor Digital Analógico” (no caso de um CD de áudio) ou para o computador (no caso de um CD ROM).
O trabalho fundamental de um CD Player é focalizar o laser nas trilhas que contém os dados. O raio do laser passa através do policarbonato, reflete no alumínio e atinge um dispositivo ótico-eletrônico que detecta mudanças na luz. As depressões (pits)  refletem a luz diferentemente das elevações (lands), e o sensor ótico-eletronico detecta a mudança na reflectividade.
A parte mais  complicada é manter o raio de laser centralizado nas trilhas dos dados. Este alinhamento é realizado pelo “tracking system” (sistema que movimenta a cabeça do laser). O tracking system, de acordo que o CD vai sendo lido, deve continuar movendo-se continuamente para a parte externa do CD. Ao mesmo tempo que o laser move para a parte externa do disco, as microdepressões passam pelo laser rapidamente. Isto acontece porque a velocidade linear, ou tangencial das microdepressões é igual a velocidade radial com que o CD está girando (rpm). Isso é possivel pois, ao mesmo tempo  que a cabeça do laser vai se movimentando para o exterior do disco, o motor de rotação deve ir diminuindo sua velocidade. Desta forma, as mircrodepressões passam pelo laser a uma velocidade constante e os dados que são mandados pelo disco a uma taxa de transmissão constante
FORMATO DOS DADOS EM UM CD

Para entender como os dados estão armazenados dentro de um CD, é preciso entender todas as suas diferentes condições de metodologia da codificação.

•	Porque o laser tem como característica seguir o espiral de dados usando as microdepressões para se guiar, a trilha não poderá ter espaços vazios durante muito tempo. Para resolver este problema, os dados são codificados usando EFM (eight – fourteen modulation). No EFM, 8 bits são convertidos em 14 bits.
•	Porque o laser deve estar habilitado a se mover entre as canções, dados precisam ser codificados dentro da musica informando ao drive onde o laser se encontra no disco. Este problema é resolvido usando-se o que nós conhecemos como “subcode data”. Subcode data pode codificar a posição absoluta e relativa do laser no disco e pode também codificar dados semelhantes, como por exemplo, os títulos das canções.
•	Porque o laser pode não ler corretamente uma determinada informação (pit), deve existir correções de erro para cuidar de “bits error”. Para resolver este problema, bits contendo dados extras são adicionados para permitir que o drive detecte o “single bit error” e corrija-os. 
•	Porque um arranhão ou uma mancha  sobre o CD pode causar a perda de um bloco de bytes, o drive precisa ser hábil a se recuperar de tal evento. Este problema é solucionado por atuais intercalação de dados no disco, assim os dados são estocados em posições não seqüenciais ao redor do disco. De modo que um mesmo bloco que foi perdido pode ser lido em outra posição do disco. 
•	Se uns poucos bytes foram lidos incorretamente em uma musica, a pior coisa que pode acontecer é um pouco de ruído durante o playback. No entanto quando dados são armazenados no CD (gravação), qualquer erro nos dados pode significar algo catastrófico. Existem códigos para correções de erros adicionais que são armazenados nos dados quando ocorre gravação em um CD-ROM.