可录光盘CD-R加速老化寿命试验

     刻录在CD-R光盘上的数据, 其存档寿命是衡量CD-R光盘质量的一项重要指标。然而目前对CD-R光盘的寿命, 制造商提供的数据是30到300年； 但有些用户反映，录入光盘的数据只经过几星期或几个月就不能再读出。为此对CD-R寿命的实验测定, 应有一个统一标准。

一. 影响CD-R光盘寿命的因素

1. 材料: 包括对盘基(聚碳酸酯)、染料记录层(花菁或酞菁等)、金属反射层(金、银或银合金)及保护层(UV固化胶)等原材料的选择。例如: 染料的稳定性, 酞菁优于花菁, 目前已有改进型酞菁和花菁染料。又如金属反射层的抗衰变, 金稳定性*好, 银合金次之, 纯银较差。

2. 工艺: 包括盘片生产工艺过程的选择。例如: 从保护记录层染料的角度来看, 旋涂完染料层后即行洗边的工艺优于旋涂完染料层后先溅镀反射层再洗边的工艺。而先溅镀再洗边的工艺成品率较高。

3. 管理: 包括生产过程的质量控制(QC)、产品质检(含原始缺陷)、光盘存放的环境条件(诸如温度、相对湿度和光照等)以及环境条件的骤变等。又如使用保管不当会造成盘片表面划伤、擦痕、污斑、手印等。切忌用圆珠笔在盘片印刷面书写标题或在印刷面贴标签，以免损伤保护层及反射层．

二. 加速老化寿命试验的原理

  加速老化寿命试验是将CD-R光盘置于比行业标准规定的正常使用条件还苛刻的环境条件下, 强制老化, 获得其加速的失效时间数据，采用适当的失效模型来推算光盘在正常使用条件下的寿命特征。它的算法遵从统计学规律。

  加速老化寿命试验中使用的寿命分布有单参数指数分布、双参数weibull分布和对数正态分布。CD-R光盘的寿命分布近似对数正态分布。对数正态分布的概率密度函数为: 

                                                        ⑴式中，T为失效时间，为失效时间自然对数的平均值，为失效时间自然对数的标准偏差。加速老化寿命试验中常用的反映支配失效机制动力学模型有二种，Arrhenius模型和Eyring模型。这两种模型都分别被各种CD-R加速老化寿命试验所采用。

1．Arrhenius模型：广泛用于激励或加速变量是热（温度）的情况。其反应速率方程由瑞

典化学家Svandte Arrhenius于1887年提出，见下式：

                     ⑵

式中Ｒ为反应速度，Ａ为待定非热常数，Ｅ_A为激活能(eV)，K为玻兹曼常数(8.617×10^-5ev/k)，Ｔ是**温度(k)。激活能是一个分子在反应中所需的能量，是温度对反应影响的量度。假定寿命与过程的逆向反应速率成正比，Arrhenius寿命与应力关系由下式给出：

                                    ⑶

式中Ｌ表示寿命,Ｖ表示应力水平, 用**温度(k)表示, B和C分别为待定参数。Kodak用该模型推出在25℃、40％RH条件和暗室环境下，95％适当刻录的盘片存档寿命为217年。

2．Eyring模型：它由量子力学原理导出，*常用于热应力（温度）和湿度是加速变量的情况。其寿命表达式为：

                   ，

                  即：                ⑷

式中Ｌ表示寿命，Ｖ代表应力水平，用**温度k表示，Ａ和Ｂ分别为待定参数。Verbatim用该模型对其生产的CD-R光盘进行老化寿命试验，得出至少有100年的数据存档寿命。

三.  ISO-18927 CD-R光盘加速老化寿命实验

  ISO-18927标准制定的目的是为存储在CD-R盘内信息寿命的估算建立一种方法。这种方法只涉及温度和相对湿度对信息存储的影响。标准假定的前提是：1. 样品寿命分布近似于对数正态分布模型；2. 支配失效机构动力学近似于Eyring加速模型；3. 支配失效机构在使用条件下的作用和在加速条件下的作用是相同的。

  标准规定选用80个用相同刻录装置、相同软件、在相同环境下(15-35℃、45%-75%)采用单期次(single session)一次刻完(disc-at-once)的CD-R盘片, 将它们分成5组，每组作为一个测试单元，分别经过5个不同温度和相对湿度组合的试验环境，每隔500小时取出，测定每盘片在各时间间隔内的块错误率(BLER)，用于决定该盘片寿命。盘片寿命结束的标志是BLER_MAX >220。(也有不采用此数值的，例如Kodak 加速老化寿命实验采用BLER_MAX >50)。

                   表1  盘片加速老化循环实验条件

  在孵化期结束，取出盘片检测之前，必须使老化箱腔体内的温度和相对湿度缓慢回升到常温常湿（23℃，45%RH）．温度的转换变化在给定期间内不应超过规定温度的±2^οC，相对湿度变化不应超过规定相对湿度的±3%。温度和相对湿度与时间的关系如下图．

                   图1  温度和相对湿度与时间的关系

  在25^οC，50％的条件下，盘片在暗室存储寿命的数据处理和外推估算过程可概括为以下10个步骤：

1. 确定每个样品盘片的失效时间；
2. 对每种应力条件，确定每个样品的中值秩，并把与失效时间相对的中值秩标在对数正态图上；
3. 验证每种应力条件中值序相对失效时间所标出的直线相互平行；使用标准技术计算或从对数正态图上的直线估计各种应力条件的对数标准偏差；
4. 计算每种应力条件的对数平均值；
5. 使用简化的Eyring方程 ，其中t_50％是50%失效的时间，A为时间常数，△H为每个分子的激活能，k为玻兹曼常数（1.38×10^-23焦耳/分子·度），T为**温度，B为相对湿度常数，RH为相对湿度。代入各应力条件的对数平均值、温度和相对湿度，计算在标准温度（25℃）和相对湿度（50%）下估算的对数平均值；
6. 确定各应力条件的加速因子；
7. 用各种应力条件的加速因子乘以每个样品的失效时间，归一化所有失效时间；
8. 把所有归一化失效时间和经过检查的数据组成一个数据集；并将整个数据集合成一个对数正态图；
9. 从这个标图上或组合的数据，估计在使用条件下的对数平均值和对数标准偏差；
10. .计算生存函数的可靠区间。

ISO-18927标准的附录中有试验计划及数据分析处理的实例可供加速老化寿命实验实施及CD-R光盘寿命估算的参考。依照ISO-18927标准对CD-R光盘作温度湿度加速老化寿命实验要耗费长达半年的时间，并有相当大量的测试工作量和数据处理工作量。但它能给出CD-R光盘的存档寿命的定量估算。

四. 橙皮书标准中的其它方法

橙皮书标准中提出了包括干热和循环湿热的环境实验和耐光实验。干热实验是按IEC68-2-2 Ba 标准，将盘片放置在温度55℃和相对湿度50%(在35℃时)的环境条件下存放96小时。循环湿热实验是按IEC68-2-30 Db标准，将盘片存放在*高温度40℃，*低温度25℃和相对湿度95%的环境下，循环6次，每次24小时，其中12小时高温，12小时低温。待测盘片可以是未记录的空白盘片，也可以是已记录的盘片。通过上述干热和循环湿热环境实验后，盘片的技术指标应符合橙皮书标准。耐光实验是按ISO-105-B02标准将裸盘放置在黑板温度< 40℃相对湿度为70%-80%的环境下，用气冷氙灯正入射盘片的染料面。氙灯符合European Woll Reference #5标准，经过实验的盘片技术指标应符合橙皮书标准。橙皮书标准给出的是CD-R光盘必须满足的环境技术标准，它没有给出CD-R光盘寿命的定量估计。

清华大学光盘国家工程研究中心与深圳钢先科数字光盘有限公司合作，共同建立    CD-Ｒ加速老化寿命试验联合实验室。合作研究CD-R光盘的存档寿命和影响光盘寿命的主要因素；研究新材料、新工艺对CD-R光盘存档寿命的影响．以促进我国光盘行业的技术进步。