可錄光盤CD-R加速老化壽命試驗

     刻錄在CD-R光盤上的數(shù)據(jù), 其存檔壽命是衡量CD-R光盤質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。然而目前對CD-R光盤的壽命, 制造商提供的數(shù)據(jù)是30到300年； 但有些用戶反映，錄入光盤的數(shù)據(jù)只經(jīng)過幾星期或幾個月就不能再讀出。為此對CD-R壽命的實(shí)驗測定, 應(yīng)有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

一. 影響CD-R光盤壽命的因素

1. 材料: 包括對盤基(聚碳酸酯)、染料記錄層(花菁或酞菁等)、金屬反射層(金、銀或銀合金)及保護(hù)層(UV固化膠)等原材料的選擇。例如: 染料的穩(wěn)定性, 酞菁優(yōu)于花菁, 目前已有改進(jìn)型酞菁和花菁染料。又如金屬反射層的抗衰變, 金穩(wěn)定性*好, 銀合金次之, 純銀較差。

2. 工藝: 包括盤片生產(chǎn)工藝過程的選擇。例如: 從保護(hù)記錄層染料的角度來看, 旋涂完染料層后即行洗邊的工藝優(yōu)于旋涂完染料層后先濺鍍反射層再洗邊的工藝。而先濺鍍再洗邊的工藝成品率較高。

3. 管理: 包括生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制(QC)、產(chǎn)品質(zhì)檢(含原始缺陷)、光盤存放的環(huán)境條件(諸如溫度、相對濕度和光照等)以及環(huán)境條件的驟變等。又如使用保管不當(dāng)會造成盤片表面劃傷、擦痕、污斑、手印等。切忌用圓珠筆在盤片印刷面書寫標(biāo)題或在印刷面貼標(biāo)簽，以免損傷保護(hù)層及反射層．

二. 加速老化壽命試驗的原理

  加速老化壽命試驗是將CD-R光盤置于比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的正常使用條件還苛刻的環(huán)境條件下, 強(qiáng)制老化, 獲得其加速的失效時間數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)氖Ｐ蛠硗扑愎獗P在正常使用條件下的壽命特征。它的算法遵從統(tǒng)計學(xué)規(guī)律。

  加速老化壽命試驗中使用的壽命分布有單參數(shù)指數(shù)分布、雙參數(shù)weibull分布和對數(shù)正態(tài)分布。CD-R光盤的壽命分布近似對數(shù)正態(tài)分布。對數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為: 

                                                        ⑴式中，T為失效時間，為失效時間自然對數(shù)的平均值，為失效時間自然對數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。加速老化壽命試驗中常用的反映支配失效機(jī)制動力學(xué)模型有二種，Arrhenius模型和Eyring模型。這兩種模型都分別被各種CD-R加速老化壽命試驗所采用。

1．Arrhenius模型：廣泛用于激勵或加速變量是熱（溫度）的情況。其反應(yīng)速率方程由瑞

典化學(xué)家Svandte Arrhenius于1887年提出，見下式：

                     ⑵

式中Ｒ為反應(yīng)速度，Ａ為待定非熱常數(shù)，Ｅ_A為激活能(eV)，K為玻茲曼常數(shù)(8.617×10^-5ev/k)，Ｔ是**溫度(k)。激活能是一個分子在反應(yīng)中所需的能量，是溫度對反應(yīng)影響的量度。假定壽命與過程的逆向反應(yīng)速率成正比，Arrhenius壽命與應(yīng)力關(guān)系由下式給出：

                                    ⑶

式中Ｌ表示壽命,Ｖ表示應(yīng)力水平, 用**溫度(k)表示, B和C分別為待定參數(shù)。Kodak用該模型推出在25℃、40％RH條件和暗室環(huán)境下，95％適當(dāng)刻錄的盤片存檔壽命為217年。

2．Eyring模型：它由量子力學(xué)原理導(dǎo)出，*常用于熱應(yīng)力（溫度）和濕度是加速變量的情況。其壽命表達(dá)式為：

                   ，

                  即：                ⑷

式中Ｌ表示壽命，Ｖ代表應(yīng)力水平，用**溫度k表示，Ａ和Ｂ分別為待定參數(shù)。Verbatim用該模型對其生產(chǎn)的CD-R光盤進(jìn)行老化壽命試驗，得出至少有100年的數(shù)據(jù)存檔壽命。

三.  ISO-18927 CD-R光盤加速老化壽命實(shí)驗

  ISO-18927標(biāo)準(zhǔn)制定的目的是為存儲在CD-R盤內(nèi)信息壽命的估算建立一種方法。這種方法只涉及溫度和相對濕度對信息存儲的影響。標(biāo)準(zhǔn)假定的前提是：1. 樣品壽命分布近似于對數(shù)正態(tài)分布模型；2. 支配失效機(jī)構(gòu)動力學(xué)近似于Eyring加速模型；3. 支配失效機(jī)構(gòu)在使用條件下的作用和在加速條件下的作用是相同的。

  標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用80個用相同刻錄裝置、相同軟件、在相同環(huán)境下(15-35℃、45%-75%)采用單期次(single session)一次刻完(disc-at-once)的CD-R盤片, 將它們分成5組，每組作為一個測試單元，分別經(jīng)過5個不同溫度和相對濕度組合的試驗環(huán)境，每隔500小時取出，測定每盤片在各時間間隔內(nèi)的塊錯誤率(BLER)，用于決定該盤片壽命。盤片壽命結(jié)束的標(biāo)志是BLER_MAX >220。(也有不采用此數(shù)值的，例如Kodak 加速老化壽命實(shí)驗采用BLER_MAX >50)。

                   表1  盤片加速老化循環(huán)實(shí)驗條件

  在孵化期結(jié)束，取出盤片檢測之前，必須使老化箱腔體內(nèi)的溫度和相對濕度緩慢回升到常溫常濕（23℃，45%RH）．溫度的轉(zhuǎn)換變化在給定期間內(nèi)不應(yīng)超過規(guī)定溫度的±2^οC，相對濕度變化不應(yīng)超過規(guī)定相對濕度的±3%。溫度和相對濕度與時間的關(guān)系如下圖．

                   圖1  溫度和相對濕度與時間的關(guān)系

  在25^οC，50％的條件下，盤片在暗室存儲壽命的數(shù)據(jù)處理和外推估算過程可概括為以下10個步驟：

1. 確定每個樣品盤片的失效時間；
2. 對每種應(yīng)力條件，確定每個樣品的中值秩，并把與失效時間相對的中值秩標(biāo)在對數(shù)正態(tài)圖上；
3. 驗證每種應(yīng)力條件中值序相對失效時間所標(biāo)出的直線相互平行；使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)計算或從對數(shù)正態(tài)圖上的直線估計各種應(yīng)力條件的對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差；
4. 計算每種應(yīng)力條件的對數(shù)平均值；
5. 使用簡化的Eyring方程 ，其中t_50％是50%失效的時間，A為時間常數(shù)，△H為每個分子的激活能，k為玻茲曼常數(shù)（1.38×10^-23焦耳/分子·度），T為**溫度，B為相對濕度常數(shù)，RH為相對濕度。代入各應(yīng)力條件的對數(shù)平均值、溫度和相對濕度，計算在標(biāo)準(zhǔn)溫度（25℃）和相對濕度（50%）下估算的對數(shù)平均值；
6. 確定各應(yīng)力條件的加速因子；
7. 用各種應(yīng)力條件的加速因子乘以每個樣品的失效時間，歸一化所有失效時間；
8. 把所有歸一化失效時間和經(jīng)過檢查的數(shù)據(jù)組成一個數(shù)據(jù)集；并將整個數(shù)據(jù)集合成一個對數(shù)正態(tài)圖；
9. 從這個標(biāo)圖上或組合的數(shù)據(jù)，估計在使用條件下的對數(shù)平均值和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差；
10. .計算生存函數(shù)的可靠區(qū)間。

ISO-18927標(biāo)準(zhǔn)的附錄中有試驗計劃及數(shù)據(jù)分析處理的實(shí)例可供加速老化壽命實(shí)驗實(shí)施及CD-R光盤壽命估算的參考。依照ISO-18927標(biāo)準(zhǔn)對CD-R光盤作溫度濕度加速老化壽命實(shí)驗要耗費(fèi)長達(dá)半年的時間，并有相當(dāng)大量的測試工作量和數(shù)據(jù)處理工作量。但它能給出CD-R光盤的存檔壽命的定量估算。

四. 橙皮書標(biāo)準(zhǔn)中的其它方法

橙皮書標(biāo)準(zhǔn)中提出了包括干熱和循環(huán)濕熱的環(huán)境實(shí)驗和耐光實(shí)驗。干熱實(shí)驗是按IEC68-2-2 Ba 標(biāo)準(zhǔn)，將盤片放置在溫度55℃和相對濕度50%(在35℃時)的環(huán)境條件下存放96小時。循環(huán)濕熱實(shí)驗是按IEC68-2-30 Db標(biāo)準(zhǔn)，將盤片存放在*高溫度40℃，*低溫度25℃和相對濕度95%的環(huán)境下，循環(huán)6次，每次24小時，其中12小時高溫，12小時低溫。待測盤片可以是未記錄的空白盤片，也可以是已記錄的盤片。通過上述干熱和循環(huán)濕熱環(huán)境實(shí)驗后，盤片的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合橙皮書標(biāo)準(zhǔn)。耐光實(shí)驗是按ISO-105-B02標(biāo)準(zhǔn)將裸盤放置在黑板溫度< 40℃相對濕度為70%-80%的環(huán)境下，用氣冷氙燈正入射盤片的染料面。氙燈符合European Woll Reference #5標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過實(shí)驗的盤片技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合橙皮書標(biāo)準(zhǔn)。橙皮書標(biāo)準(zhǔn)給出的是CD-R光盤必須滿足的環(huán)境技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它沒有給出CD-R光盤壽命的定量估計。

清華大學(xué)光盤國家工程研究中心與深圳鋼先科數(shù)字光盤有限公司合作，共同建立    CD-Ｒ加速老化壽命試驗聯(lián)合實(shí)驗室。合作研究CD-R光盤的存檔壽命和影響光盤壽命的主要因素；研究新材料、新工藝對CD-R光盤存檔壽命的影響．以促進(jìn)我國光盤行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。