La fabricación de discos compactos es el proceso mediante el cual los discos compactos comerciales (CD) se replican en cantidades masivas utilizando una versión maestra creada a partir de una grabación original. Puede ser en formato de audio ( CD-DA ) o en formato de datos ( CD-ROM ). Este proceso se utiliza en la masterización de discos compactos de solo lectura. Los DVD y Blu-ray utilizan métodos similares (consulte Discos ópticos § Fabricación de discos ópticos ).
Un CD puede utilizarse para almacenar audio , vídeo y datos en varios formatos estandarizados definidos en los Rainbow Books . Los CD suelen fabricarse en una sala limpia de clase 100 (ISO 5) o superior , para evitar la contaminación que podría provocar la corrupción de los datos. Se pueden fabricar con tolerancias de fabricación estrictas por solo unos pocos centavos de dólar estadounidense por disco.
La replicación se diferencia de la duplicación (es decir, la grabación utilizada para CD-R y CD-RW ) en que los hoyos y las zonas de un CD replicado se moldean en un CD en blanco, en lugar de ser marcas de grabación en una capa de tinte (en CD-R) o áreas con características físicas modificadas (en CD-RW). Además, las grabadoras de CD escriben datos de forma secuencial, mientras que una planta de prensado de CD forma el disco entero en una sola operación de estampado físico, similar al prensado de discos . [1]
Todos los CD se prensan a partir de una fuente de datos digitales , siendo las fuentes más comunes los CD-R con una tasa de error baja o los archivos de un disco duro de computadora conectado que contienen los datos terminados (por ejemplo, música o datos de computadora). Algunos sistemas de prensado de CD pueden utilizar cintas maestras digitales , ya sea en formato Digital Audio Tape , Exabyte , Digital Linear Tape , Digital Audio Stationary Head o Umatic . Se utiliza un adaptador PCM para grabar y recuperar datos de audio digital en y desde un formato de videocassette analógico como Umatic o Betamax . Sin embargo, estas fuentes solo son adecuadas para la producción de CD de audio debido a problemas de detección y corrección de errores. Si la fuente no es un CD, la tabla de contenidos del CD que se va a prensar también debe prepararse y almacenarse en una cinta o en un disco duro. En todos los casos, excepto en las fuentes CD-R , la cinta debe cargarse en un sistema de masterización de medios para crear la TOC (Tabla de Contenidos) para el CD. El procesamiento creativo de las grabaciones de audio mezcladas a menudo ocurre en sesiones de premasterización de CD convencionales. El término que se usa a menudo para esto es "masterización", pero el nombre oficial, como se explica en el libro de Bob Katz, Mastering Audio , edición 1, página 18, es "premasterización" porque todavía tiene que haber la creación de otro disco que contenga el audio premasterizado que proporcione la superficie de trabajo sobre la que se electroformará el master de metal (estampador).
La masterización de vidrio se realiza en una sala limpia de clase 100 (ISO 5) o superior o en un entorno limpio cerrado dentro del sistema de masterización. Los contaminantes introducidos durante etapas críticas de la fabricación (por ejemplo, polvo , polen , cabello o humo ) pueden causar errores suficientes para hacer que un master sea inutilizable. Una vez completado con éxito, un master de CD será menos susceptible a los efectos de estos contaminantes. [2]
Durante la masterización de vidrio, el vidrio se utiliza como sustrato para sostener la imagen maestra del CD mientras se crea y se procesa; de ahí el nombre. Los sustratos de vidrio, notablemente más grandes que un CD, son placas redondas de vidrio de aproximadamente 240 mm de diámetro y 6 mm de espesor. [2] A menudo también tienen un pequeño eje de acero en un lado para facilitar su manejo. Los sustratos se crean especialmente para la masterización de CD y un lado se pule hasta que quede extremadamente liso. Incluso los rayones microscópicos en el vidrio afectarán la calidad de los CD prensados a partir de la imagen maestra. El área adicional en el sustrato permite un manejo más fácil del master de vidrio y reduce el riesgo de dañar la estructura de hoyos y surcos cuando se retira el estampador "padre" del sustrato de vidrio.
Una vez que el sustrato de vidrio se limpia con detergentes y baños ultrasónicos , el vidrio se coloca en una máquina de recubrimiento por centrifugación . La máquina de recubrimiento por centrifugación enjuaga el vidrio en bruto con un disolvente y luego aplica un fotorresistente o un polímero colorante según el proceso de masterización. La rotación extiende el fotorresistente o el polímero colorante uniformemente sobre la superficie del vidrio. El sustrato se retira y se hornea para secar el recubrimiento y el sustrato de vidrio está listo para la masterización.
Una vez que el vidrio está listo para la masterización, se coloca en una grabadora de haz láser (LBR). La mayoría de las LBR son capaces de masterizar a una velocidad superior a 1x, pero debido al peso del sustrato de vidrio y los requisitos de un master de CD, normalmente se masterizan a una velocidad de reproducción no superior a 8x. La LBR utiliza un láser para escribir la información, con una longitud de onda y una apertura numérica (NA) de lente final elegidas para producir el tamaño de hoyo requerido en el espacio en blanco del master. Por ejemplo, los hoyos de DVD son más pequeños que los de CD, por lo que se necesita una longitud de onda más corta o una NA más alta (o ambas) para la masterización de DVD. Las LBR utilizan una de dos técnicas de grabación: masterización fotorresistente y masterización no fotorresistente. La fotorresistencia también viene en dos variaciones: fotorresistencia positiva y fotorresistencia negativa.
La masterización con fotorresistencia utiliza un material sensible a la luz (una fotorresistencia ) para crear los hoyos y las zonas de contacto en el disco original del CD. El grabador láser utiliza un láser azul profundo o ultravioleta para escribir el master. [2] Cuando se expone a la luz láser, la fotorresistencia sufre una reacción química que la endurece (en el caso de la fotorresistencia negativa) o, por el contrario, la vuelve más soluble (en el caso de la fotorresistencia positiva).
Una vez que se completa la masterización, el master de vidrio se retira del LBR y se "revela" químicamente. Luego, el área expuesta se sumerge en una solución reveladora que elimina la fotorresistencia positiva expuesta o la fotorresistencia negativa no expuesta. Una vez que se termina el revelado, el master de vidrio se metaliza para proporcionar una superficie sobre la que se formará el estampador. Luego se pule con lubricante y se limpia.
Cuando se utiliza un láser para grabar sobre el polímero colorante utilizado en la masterización sin fotorresistencia (NPR), el polímero colorante absorbe la energía del láser enfocada en un punto preciso; esto se vaporiza y forma un hoyo en la superficie del polímero colorante. Este hoyo puede escanearse con un rayo láser rojo que sigue al rayo de corte, y la calidad de la grabación puede evaluarse de manera directa e inmediata; por ejemplo, las señales de audio que se están grabando también pueden reproducirse directamente desde el master de vidrio en tiempo real. La geometría del hoyo y la calidad de la reproducción pueden ajustarse mientras se masteriza el CD, ya que el láser de escritura azul y el láser de lectura rojo suelen estar conectados a través de un sistema de retroalimentación para optimizar la grabación. Esto permite que el LBR de polímero colorante produzca hoyos muy consistentes incluso si hay variaciones en la capa de polímero colorante. Otra ventaja de este método es que la variación de la profundidad del hoyo puede programarse durante la grabación para compensar las características posteriores del proceso de producción local (por ejemplo, el rendimiento marginal del moldeo). Esto no se puede hacer con la masterización de fotorresistencia porque la profundidad de los hoyos está determinada por el espesor del revestimiento de PR, mientras que los hoyos de polímero colorante se cortan en un revestimiento más grueso que los hoyos previstos.
Este tipo de masterización se denomina lectura directa después de escritura (DRAW) y es la principal ventaja de algunos sistemas de grabación sin fotorresistencia. Los problemas con la calidad del máster en blanco de vidrio, como rayones o un revestimiento de polímero colorante irregular, se pueden detectar de inmediato. Si es necesario, se puede detener la masterización, lo que ahorra tiempo y aumenta el rendimiento.
Después de la masterización, el vidrio master se hornea para endurecer el material de la superficie desarrollado y prepararlo para la metalización. La metalización es un paso crítico previo a la fabricación electrogalvánica ( galvanoplastia ).
El vidrio maestro desarrollado se coloca en un metalizador de deposición de vapor que utiliza una combinación de bombas de vacío mecánicas y criobombas para reducir la presión total de vapor dentro de una cámara a un vacío absoluto. A continuación, se calienta un trozo de alambre de níquel en una navecilla de tungsteno a una temperatura al rojo vivo y el vapor de níquel se deposita sobre el vidrio maestro giratorio. El vidrio maestro se recubre con el vapor de níquel hasta un espesor típico de alrededor de 400 nm.
Los maestros de vidrio terminados se inspeccionan para detectar manchas, poros o cobertura incompleta del revestimiento de níquel y se pasan al siguiente paso en el proceso de masterización.
El electroformado se lleva a cabo en "Matrix", el nombre que se da a la zona de proceso de electroformado en muchas plantas; también es una sala limpia de clase 100 (ISO 5) o superior . Los datos (música, datos informáticos, etc.) del master de vidrio metalizado son extremadamente fáciles de dañar y deben transferirse a una forma más resistente para su uso en el equipo de moldeo por inyección que realmente produce los discos ópticos del producto final.
El master metalizado se sujeta en un marco de electrodeposición conductivo con el lado de datos hacia afuera y se baja a un tanque de electroformado. El agua del tanque, especialmente preparada y controlada, contiene una solución de sal de níquel (normalmente sulfamato de níquel) a una concentración particular que puede ajustarse ligeramente en diferentes plantas según las características de los pasos anteriores. La solución se tampona cuidadosamente para mantener su pH y los contaminantes orgánicos deben mantenerse por debajo de una parte en cinco millones para obtener buenos resultados. El baño se calienta a aproximadamente 50 °C.
El patrón de vidrio se hace girar en el tanque de electroformado mientras una bomba hace circular la solución de electroformado sobre la superficie del patrón. A medida que avanza el electroformado, no se electroplatea níquel sobre la superficie del patrón de vidrio, ya que eso impediría la separación. El electroplateado se evita más bien mediante la pasivación y, inicialmente, porque el vidrio no es electroconductor. En cambio, el recubrimiento de metal en el disco de vidrio, en realidad se electroplatea al revés sobre el níquel (no el mandril) que se está electrodepositando por la atracción de los electrones en el cátodo, que se presenta como el patrón de vidrio recubierto de metal, o mandril premaster. El electroplateado, por otro lado, habría implicado la electrodeposición directamente al mandril junto con la intención de que permanezca adherido. Eso, y los requisitos más rigurosos de control de temperatura y pureza del agua del baño, son las principales diferencias entre las dos disciplinas de electrodeposición. El estampador de metal que se forma primero sobre el vidrio recubierto de metal es el patrón de metal (y no deberíamos hacer un patrón a partir de otro patrón, ya que eso no seguiría la nomenclatura de la secuencia de formación que es pertinente para el electroformado). Este es claramente un método opuesto a la galvanoplastia normal. Otra diferencia con la galvanoplastia es que la tensión interna del níquel debe controlarse cuidadosamente, o el estampador de níquel no será plano. La limpieza de la solución es importante, pero se logra mediante filtración continua y sistemas de embolsado de ánodo habituales. Otra gran diferencia es que el grosor del estampador debe controlarse a ±2% del grosor final para que encaje en las máquinas de moldeo por inyección con tolerancias muy altas de anillos de gasificación y abrazaderas centrales. Este control de grosor requiere control electrónico de corriente y deflectores en la solución para controlar la distribución. La corriente debe comenzar bastante baja, ya que la capa metalizada es demasiado delgada para soportar grandes corrientes, y aumenta de manera constante. A medida que aumenta el grosor del níquel en el "señor" de vidrio, se puede aumentar la corriente. La densidad de corriente de electroformado total es muy alta y el espesor total, que suele ser de 0,3 mm, se obtiene en aproximadamente una hora. La pieza se retira del tanque y la capa de metal se separa cuidadosamente del sustrato de vidrio. Si se produce un enchapado, el proceso debe comenzar de nuevo, desde la fase de masterización del vidrio. La pieza de metal, ahora llamada "padre", tiene los datos deseados como una serie de protuberancias en lugar de hoyos. El proceso de moldeo por inyección funciona mejor al fluir alrededor de los puntos altos en lugar de dentro de los hoyos de la superficie del metal. El padre se lava con agua desionizada y otros productos químicos como peróxido de hidrógeno amoniaco, hidróxido de sodio o acetona.Para eliminar todo rastro de resina u otros contaminantes. El vidrio master puede enviarse para su recuperación, limpieza y revisión antes de su reutilización. Si se detectan defectos, se desechará o se volverá a pulir para reciclarlo .
Una vez que se ha limpiado el níquel suelto y la resina, la superficie madre se lava y se pasiva, ya sea eléctrica o químicamente, lo que permite que la siguiente capa revestida se separe de la madre. Esta capa es una capa atómica de oxígeno absorbido que no altera la superficie física. La madre se sujeta nuevamente en un marco y se devuelve al tanque de revestimiento. Esta vez, la parte metálica que se cultiva es la imagen reflejada de la madre y se llama "madre"; como ahora está formada por hoyos, no se puede utilizar para moldear.
El sándwich madre-padre se separa cuidadosamente y luego se lava la madre, se la pasiva y se la devuelve a los baños de electroformado para que se produzca una imagen especular sobre ella llamada hijo. La mayoría de los CD moldeados se producen a partir de hijos.
Las plantas madre pueden regenerarse a partir de plantas padre si se dañan o si se trata de una producción muy larga. Si se manejan correctamente, no hay límite en la cantidad de plantas estampadoras que se pueden cultivar a partir de una sola planta madre antes de que la calidad de la planta se reduzca de manera inaceptable. Las plantas padre pueden usarse como plantas estampadoras, directamente, si se requiere una producción muy rápida o si el rendimiento es del 100%, en cuyo caso se almacenaría la planta padre de manera desperdiciada. Al final de una producción, la planta madre seguramente se almacenará.
Un padre, una madre y un grupo de estampadores (a veces llamados "hijos") se conocen colectivamente como una "familia". Los padres y las madres tienen el mismo tamaño que un sustrato de vidrio, normalmente de 300 μm de espesor. Los estampadores no requieren espacio adicional alrededor del exterior del área del programa y se perforan para eliminar el exceso de níquel del exterior y el interior del área de información para que encajen en el molde de la máquina de moldeo por inyección (IMM). Las dimensiones físicas del molde varían según la herramienta de inyección que se utilice.
Las máquinas de moldeo de CD son máquinas de moldeo por inyección de policarbonato de alta temperatura diseñadas específicamente . Tienen una capacidad de producción promedio de 550 a 900 discos por hora, por línea de moldeo. Primero, los gránulos de policarbonato transparente se secan a unos 130 grados Celsius durante tres horas (nominal; esto depende de la resina de grado óptico que se utilice) y se introducen mediante transporte de vacío en un extremo del cilindro de la máquina de moldeo por inyección (es decir, la garganta de alimentación) y se mueven hacia la cámara de inyección a través de un gran tornillo dentro del cilindro. El cilindro, envuelto con bandas calefactoras que varían en temperatura de aproximadamente 210 a 320 grados Celsius, derrite el policarbonato. Cuando el molde está cerrado, el tornillo avanza para inyectar plástico fundido en la cavidad del molde. Cuando el molde está lleno, el agua fría que corre por las mitades del molde, fuera de la cavidad, enfría el plástico para que se solidifique un poco . Todo el proceso desde el cierre del molde, la inyección y la nueva apertura demora aproximadamente de 3 a 5 segundos.
El "disco" moldeado (denominado disco "verde", que carece de procesamiento final) se extrae del molde mediante manipulación al vacío ; brazos robóticos de alta velocidad con ventosas de vacío. Se trasladan a la cinta transportadora de entrada de la línea de acabado, o a la estación de enfriamiento, para prepararlos para la metalización. En este punto, los discos son transparentes y contienen toda la información digital deseada; sin embargo, no se pueden reproducir porque no tienen una capa reflectante.
Los discos pasan, uno a la vez, al metalizador, una pequeña cámara a un vacío de aproximadamente 10 −3 Torr (130 mPa ). El proceso se llama " sputtering ". El metalizador contiene un "objetivo" metálico, casi siempre una aleación de (principalmente) aluminio y pequeñas cantidades de otros metales. Hay un sistema de bloqueo de carga (similar a una esclusa de aire ) para que la cámara de proceso pueda mantenerse a alto vacío mientras se intercambian los discos. Cuando el disco se gira a la posición de procesamiento mediante un brazo giratorio en la cámara de vacío, se inyecta una pequeña dosis de gas argón en la cámara de proceso y se aplica una corriente eléctrica de CC de 700 voltios a hasta 20 kW al objetivo. Esto produce un plasma a partir del objetivo, y el vapor de plasma se deposita sobre el disco; es una transferencia de ánodo-cátodo. El metal recubre el lado de datos del disco (superficie superior), cubriendo el hoyo y las pistas. Esta capa de metal es la superficie reflectante que se puede ver en el reverso (lado que no tiene etiqueta) de un CD. Esta fina capa de metal está expuesta a la corrosión por diversos contaminantes y, por lo tanto, está protegida por una fina capa de laca.
Después de la metalización, los discos pasan a una máquina de recubrimiento por centrifugación, donde se aplica una laca curable por UV sobre la capa recién metalizada. Mediante un centrifugado rápido, la laca recubre todo el disco con una capa muy fina (aproximadamente de 5 a 10 μm [3] ). Después de aplicar la laca, los discos pasan por una lámpara UV de alta intensidad que cura la laca rápidamente. La laca también proporciona una superficie para una etiqueta, generalmente serigrafiada o impresa en offset . La(s) tinta(s) de impresión deben ser químicamente compatibles con la laca utilizada. Los marcadores que utilizan los consumidores para escribir sobre superficies en blanco pueden provocar roturas en la capa de laca protectora, lo que puede provocar la corrosión de la capa reflectante y el fallo del CD.
Para el control de calidad , tanto la matriz como los discos moldeados se prueban antes de cada tirada de producción. Se toman muestras del disco (prensado de prueba) durante tiradas de producción largas y se prueban para comprobar la consistencia de la calidad. Los discos prensados se analizan en una máquina de análisis de señales. La matriz de metal también se puede probar en una máquina de análisis de señales especialmente adaptada (mayor diámetro, más frágil, etc.).
La máquina escaneará el disco o la matriz y medirá varios parámetros físicos y eléctricos. Se pueden introducir errores en cada paso de la producción, pero el proceso de moldeo es el menos sujeto a ajustes. Las fuentes de errores se identifican y compensan más fácilmente durante la masterización. Si los errores son demasiado graves, se rechaza la matriz y se instala una de repuesto. Un operador de máquina experimentado puede interpretar el informe del sistema de análisis y optimizar el proceso de moldeo para hacer un disco que cumpla con la especificación Rainbow Book requerida (por ejemplo, Red Book for Audio de la serie Rainbow Books ).
Si no se encuentran defectos, el CD continúa con la impresión para que se pueda serigrafiar o imprimir una etiqueta en la superficie superior del disco. Luego, los discos se cuentan, se empaquetan y se envían.