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CN1839032A - 碟形基片的粘接方法及实现这种方法的设备 - Google Patents

碟形基片的粘接方法及实现这种方法的设备 Download PDF

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CN1839032A
CN1839032A CNA2004800237327A CN200480023732A CN1839032A CN 1839032 A CN1839032 A CN 1839032A CN A2004800237327 A CNA2004800237327 A CN A2004800237327A CN 200480023732 A CN200480023732 A CN 200480023732A CN 1839032 A CN1839032 A CN 1839032A
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T·埃森哈默
J·欧阳
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Abstract

第一基片(11a)放置在真空室内的支承面(7)上，其旋转喷涂有粘合剂的第一粘合面(12a)面朝上，第二基片(11b)通过吸力保持在盖子(3)上，其第二粘合面(12b)面朝下。当真空室内的压力抽成0.1毫巴至2毫巴时，支承销(9)延伸穿过基片(11a、11b)的中心孔口(14a、14b)，支承销(9)然后缩回，使第二基片(11b)从盖子(3)上释放，并由沿径向伸出的圆球(10)支承。支承销(9)下降到一个位置，圆球(10)作用在第一粘合面(12a)上使第一基片(11a)产生变形。于是第一粘合面(12a)略微下凹，使第一和第二粘合面(12a、12b)只能在靠近其周边处接触。缩回圆球(10)，接触区域沿径向向内扩展以覆盖第一和第二粘合面(12a、12b)，且不会包容未粘合区域。然后用带有又伸出圆球(10)的支承销(9)升起基片(11a、11b)，使其压在盖子(3)上，接着真空室充气。

Description

碟形基片的粘接方法及实现这种方法的设备
技术领域
本发明涉及一种碟形基片的粘接方法及实现这种方法的设备。所述方法和设备尤其适用于数据存储光盘如DVD碟的生产。
背景技术
DVD及类似的碟片通常包括下碟形基片和上碟形基片，都带有中心圆形开口，而且一般用类似聚碳酸酯的塑胶材料制成。至少下基片上带有薄的光学活性层，即反射或半反射层，其通常为如铝、金、银、铜或合金的金属，上面载有数据。上基片通过粘合剂，比如可被紫外线固化的树脂或热熔粘合剂，粘合到下基片上。液体粘合剂通常施加到下基片上，然后将基片接合到一起，接合步骤后进行固化。或者，采用已有人提出的柔性片形式的粘合剂。
已经有很多种不同的粘合基片的方法。在大多数情况下，粘合剂施加在下基片的上侧，平行的上基片下降或下落到粘合剂层，然后压紧在下基片上，如美国专利US 6 265 578 A和6 291 046 B所公开的。这种常规方法的主要问题是粘合剂层厚度变化，因为粘合剂层仅通过通常略微翘曲的基片施加的机械压力进行分布；当粘合剂与上基片未适当粘合时粘合区域内包容有气体，包容的气体会形成夹杂或气泡。这两种结果都会影响碟片的光学性能并可能造成存储数据的误读。
为了避免后一个问题，粘合步骤往往在真空或部分真空中进行。虽然因此可以减少包容产生气泡的问题，但是这种方法只有通过施加高真空才能实际解决问题，然而，这需要很长的循环时间以及昂贵的高性能真空泵，因此从经济实用的角度是不可接受的。而且，较长时间暴露于真空还可能导致大气压力下溶解于粘合剂的气体因为开始除气而形成气泡，但一般来说不可能等待除气过程完成，因为这将增加循环时间，使得从经济角度讲更加不可接受。
美国专利US 4 990 208 A介绍了上述方法的一个示例，通过分配器的喷嘴，紫外线固化的粘合剂施加到下基片的上侧，使其覆盖如环形区域。在下基片和上基片转移到真空室且压力下降至30托(40毫巴)以下后，上基片下降到粘合剂层上。整个过程可以在真空室中进行。然而，这需要有较大的真空室，这使上述问题更加严重。日本专利JP 2000 315 338 A也介绍了这类方法。
根据美国专利US 5 582 677 A和US 5 766 407 A，避免了大真空室的使用，因为其提供了一种较小的圆筒形真空室，刚好能够包围基片。在上下基片接合之后，利用大气压力来使基片相互压紧。
在某些现有技术的公开中，提出利用旋转喷涂使粘合剂分布在下基片的上表面，以实现恒定厚度的粘合剂层。根据美国专利US 6 136133 A，然后粘合步骤在压力大约为50帕(0.5毫巴)的真空室中进行。德国专利DE 197 15 779 A1介绍了类似的方法。虽然旋转喷涂可提供厚度基本恒定的粘合剂层，但不能解决气体夹杂的问题。
根据一略微不同的方法，在基片已经结合之后碟片进行旋转，如美国专利US 5 843 257 A所介绍的。在这种方法中，离心力导致粘合剂层的厚度沿径向增大，除非通过中心孔口的边缘抽吸才能够完全平衡。然而，这种平衡需要精确控制角速度和压力，因此难以实现。根据美国专利US 6 183 577 B1，这个问题得到减轻，因为下基片弹性变形形成中心凹陷，可容纳多余粘合剂。然而，其控制要求还是难以满足
欧洲专利EP 0 624 870 B1介绍了一种粘合方法，两包环氧树脂粘合剂沿围绕中心孔口的圆施加到下基片的上表面之后，上基片和下基片固定在相互间为锐角的位置，当上基片下降时，最初的接触位于外缘处的接触点。随着相对最初接触点的上基片边缘，如以1毫米/秒的速度，进一步下降，上基片绕接触点转动直至两个基片平行并结合，使粘合剂分布其间。然而，这种方法也会导致粘合剂层的厚度发生变化。而且，滞留的气泡不能被排除。
德国专利DE 196 51 423 A1示出了一种类似方法，其中上基片支承在保持臂，保持臂可绕位于下基片上表面的轴线作枢轴转动，使得上基片在下降到下基片的同时能够转动到与下基片平行。即使这个过程在真空中进行，也不能完全排除气体滞留，除非采用高真空。然而，这又要求昂贵的高性能真空泵和很长的循环时间。在基片结合之后，可以旋转碟片以使粘合剂更加均匀地分布，同时在中心孔口的边进行抽吸以平衡离心力。该步骤如上面介绍的存在很多问题。
根据日本专利JP 2003 006 940 A，上和下基片容纳在真空室中，上基片的外缘支承在下基片上方很短距离处的弹簧偏置的螺栓。然后用挤压垫向下压上基片的中心部分，使其与下基片的中心部分结合，同时上基片产生略微弹性变形。在真空室抽真空后，增大挤压垫的压力，于是接触区沿径向向外扩展。利用这种方法，产生气体包容的可能性确实很低，然而施加在上基片的压力从中心向外减小，这会导致粘合剂层的厚度沿径向变化。
美国专利US 6 312 549 B1介绍了另一种粘合方法，上基片通过吸力保持装置保持在变形状态，使其下表面略微凸起。当上基片下降到粘合剂层时，首先在中心孔口边缘处形成接触，然后释放上基片，使其恢复无应力的平面形态，接触下基片的整个覆盖了粘合剂的上表面。
下面提出了另一种可供选择的方法，其中上基片产生略微变形，通过吸力保持装置使其中心部分保持在外缘以上大约1.5毫米，并使其下表面略微凹进。在基片的外缘形成接触之后，通过下基片的中心孔口对基片之间的空间抽真空，直至由于真空进入上基片的中心部分与保持装置分开，于是释放的上基片的下表面与下基片的整个上表面接触。因此最初覆盖在下基片的上表面的环形区的粘合剂在两个表面之间扩展开来。由于上基片的释放是若干个不能精确控制和重复的参量的函数，比如大气压力、接触面积、吸力保持装置内的压力、上基片变形产生的弹力、以及基片之间逐渐减小的压力，所以这个步骤难以精确控制，尤其是时间控制。这使得难以完成具有规定的较短循环时间的粘合步骤。此外，保持基片之间空间的可靠密封十分困难，而且通过一个中心孔口抽真空要求有复杂的装置。
德国专利DE 100 08 111 A1介绍了一种有些类似的粘合方法，其中上和下基片放入小的真空室，并通过吸力保持装置分别固定在其顶部和底部。下基片的上表面覆盖有热熔粘合剂。当真空室抽成足够的真空时，通过将压缩空气输送至两个抽吸装置使基片相互靠近。基片之间的接触首先在中心部分形成，并从中心部分扩展到外缘，因为两个基片最初因压缩空气作用而变形。利用这种方法不能精确地控制基片的运动，因而不能精确地控制其相对位置，从而可能导致制成品缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种以可控方式进行基片结合的方法，其中粘合剂层的厚度变化很小，因而基片之间几乎不存在气体包容。
这些目的的实现是通过一种粘接碟形基片的方法，碟形基片是基本为平面的碟形第一基片11a和基本为平面的碟形第二基片11b，所述第一基片11a具有中心孔口14a及相对的第一粘合面12a和背面13a；所述第二基片11b具有中心孔口14b及第二粘合面12b，第二粘合面可通过粘合剂层粘合到所述第一粘合面12a，所述方法包括以下步骤：
准备所述第一基片11a和所述第二基片11b，
将液体粘合剂施加到所述第一粘合面12a和/或所述第二粘合面12b上，
将所述第一基片11a和所述第二基片11b放置在真空室内，使所述第二粘合面12b相对所述第一粘合面12a一定距离，
使所述第一基片11a弹性变形，所述第一粘合面12a呈弯曲形状，并通过作用在所述第一基片11a的机械装置维持所述变形，
所述真空室抽真空，
移动所述第一基片11a和所述第二基片11b相互靠近，在所述第一粘合面12a和所述第二粘合面12b的周边相接触处形成小的接触区，
释放所述第一基片11a使其恢复无应力的基本平面的形状，于是所述接触区扩展到整个第一和第二粘合面12a、12b，
然后真空室的压力提升到大气压力。
根据本发明的方法能够精确控制粘合过程，其周期短、产量高而且质量稳定。
本发明的还有一个目的是提供适用于实现本发明方法的设备。这一目的的实现是通过一种可实现所述方法的设备，所述设备包括真空室，其中设有：
支承所述第一基片11a的支承机构，所述支承机构可作为周边机械装置，作用在所述第一基片11a的从所述基片中心孔口14a朝基片外缘偏移的位置，
使所述第二基片11b保持在与所述第一基片11a相对位置的保持装置，其中，所述第二粘合面12b面对所述第一粘合面12a，
支承销9，可延伸穿过所述第一基片11a和所述第二基片11b的所述中心孔口14a、14b，并带有可沿径向伸缩的中心机械装置，其可作用在所述第一基片11a的中心孔口14a边缘，或是作用在靠近中心孔口14a的第一粘合面12a上。
根据本发明的设备简单、便宜、而且可靠。
附图说明
下面将参考有关本发明实施例的附图，更加详细地介绍本发明，
附图中：
图1a是实现本发明方法的设备的轴向剖视图；
图1b是沿图1a的设备B-B剖面的水平剖视图；和
图2a-2f示意性地示出了在本发明方法的各个步骤的所述设备和基片的轴向截面图。
符号表
1      底板
2      侧壁
3      盖子
4      孔
5      吸气管
6      支座
7      支承面
8      抽真空管道
9      支承销
10     圆球
11a，b 第一和第二基片
12a，b 第一和第二粘合面
13a，b 背面
14a，b 中心孔口
15     碟片
具体实施方式
这种设备包括具有底板1、圆周侧壁2和可拆卸盖3的圆筒形真空室。孔4分布在盖子3的内表面上，通过吸气管5连接到抽气泵(未示出)，因此盖子3可以起到吸力保持装置的作用。底板1设有支座6，是与侧壁2同心的金属薄板，其朝上的环形支承平面7略微倾斜(向着图1a的右边)，与盖子3内侧形成的倾角在1°和3°之间，优选是大约为2°。抽气管道8从真空室的底部，即穿过底板1，通向真空泵(未示出)。中心支承销9延伸穿过底板1。其位置可在下限位置和上限位置之间变化，当处于下限位置时其顶端位于支承面7以下，而当处于上限位置时其顶端接触或差不多接触盖子3。在紧靠支承销9顶端的下面位置设有若干个(比如四个)圆球10，容纳在分布于支承销圆周面的孔中。圆球10能够在支承销9的表面下沿径向伸出或缩回。装有致动器的这种类型的支承销用于便携式CD播放器，因而是公知的。
图2a-2f所示的本发明方法可按以下步骤进行：
在根据本发明方法的第一步骤，准备可用透明聚碳酸酯制成并包含载有数据的金属层的第一碟形基片11a，其朝上的粘合面12a已经预先旋转喷涂可用紫外线固化的粘合剂。然后将第一基片11a作为下基片放置到敞开真空室中的支座6上，使其背面13a的与外缘靠近的环形部分放在支承面7上。与第一基片11a具有基本上相同结构的第二基片11b作为上基片设置在盖子3上，并通过吸力保持，也就即背面13b紧靠盖子3的内侧，其位置在第一基片11a上方并基本上与之平行，相互之间只有很小的倾角。其朝下的表面构成第二粘合面12b。然后关闭真空室(图2a)。
第二步，使支承销9延伸穿过基片11a、11b的中心孔口14a、14b，并处于顶端靠近盖子3的上限位置。然后使圆球10沿径向向外伸出并使结合到盖子3的吸力保持装置停止工作。于是第二基片11b由圆球10支承，第二粘合面12b的中心孔口14b附近的部分落在圆球10上。同时，通过抽气管道8开始对真空室抽真空(图2b)。
在需时大约2700毫秒的抽真空过程中，支承销9缩回。大约2650毫秒之后圆球10接触第一基片11a，靠到第一粘合面12a紧靠中心孔口14a的部分，其起到机械限位装置的作用。支承销9又缩回大约2毫米，于是将远离第二基片11b方向的力施加在第一基片11a的中心。于是第一基片11a轻微弹性变形，第一粘合面12a呈下凹形状，其中心位于其周边下大约2毫米，周边基本上保持在原先位置，因为支承面7对靠近周边的背面13a起到机械限位装置的作用(图2c)，并向第一基片11a上施加指向第二基片11b的力。第一粘合面12a和第二粘合面12b在图2c左边的很小周边接触区相接触。同时，真空室内的压力已经达到设定值如1毫巴。
现在，在抽真空过程开始后的2700毫秒，圆球10缩回。释放的第一基片11a迅速恢复至其无应变的平面形状。结果，接触区迅速延伸至靠近第一粘合面12a和第二粘合面12b外缘的狭窄环形区，然后沿径向向内扩展至中心孔口14a、14b的边缘。通过这种方式，基片粘合的接触面积从很小的区域扩展到整个第一粘合面12a和第二粘合面12b，不会包含未粘合的部分(图2d)。接触区域的边界构成结合前沿，朝粘合面的边界连续移动。因此能够可靠地防止在粘合面之间包容气体。
当支承销9缩回很短的距离之后，圆球10又沿径向伸出(图2e)。接着支承销9延伸，圆球10托起已结合的基片11a、11b离开支座6并上升到盖子3，这一过程大约需时180毫秒，然后支承销9将基片压到盖子3上(图2f)，从而完成第一基片11a和第二基片11b之间的粘合，形成碟片15。120毫秒之后，真空被破坏，压力迅速上升至大气压力，帮助挤压碟片。吸气装置起动使碟片15保持在盖子3上。然后打开真空室取出碟片15。
由于紧密包围基片的真空室的体积很小，而且上述将真空室抽成真空的步骤与导致基片结合的机械操作步骤同时进行，因此粘合过程总共只需几秒的时间，这不仅从经济方面来说十分有利，而且还可以防止粘合剂在真空状态下除气。
所属领域的技术人员显然可以对上述方法和设备作出各种修改，这未脱离本发明的精神。例如，基片可以用任何适当的材料制成，且第一基片可以包含两个数据层。粘合剂可以是热熔粘合剂或两包型的。粘合剂可以涂敷在第二粘合面，而不是涂敷在第一粘合面，或施加到两个粘合面上。中心机械限位装置可以具有不同的形状比如楔形，而周边机械限位装置可以用间隙隔断。而且，除了中心机械限位装置和周边机械限位装置之外，还可以采用分别作用在中心孔口边缘或圆周边缘的机械摩擦装置。
支承面不一定是倾斜的。在这种情况下接触区将是靠近粘合面周边的狭窄环形区，除非其中一个基片或两个基片存在轻微的翘曲，如果是那样的话，接触区域可能限制在所述环形区域的子集。
与上述实施例有更多差别的情况也是可以的。举例来说，通过适当改变的机械装置第一基片可以不同的方式弯曲，比如使第一粘合面呈凸起形状，在这种情况下接触区域将是靠近中心孔口的环形区域或者是其子集。而且，过程的时间以及其它参数也可以不同。

Claims (17)

1.一种粘接碟形基片的方法，碟形基片是基本为平面的碟形第一基片(11a)和基本为平面的碟形第二基片(11b)，所述第一基片(11a)具有中心孔口(14a)及相对的第一粘合面(12a)和背面(13a)；所述第二基片(11b)具有中心孔口(14b)及可通过粘合剂层粘合到所述第一粘合面(12a)的第二粘合面(12b)，所述方法包括以下步骤：
准备所述第一基片(11a)和所述第二基片(11b)，
将液体粘合剂施加到所述第一粘合面(12a)和/或所述第二粘合面(12b)上，
将所述第一基片(11a)和所述第二基片(11b)放置在真空室内，使所述第二粘合面(12b)相对所述第一粘合面(12a)一定距离，
使所述第一基片(11a)弹性变形，所述第一粘合面(12a)呈弯曲形状，并通过作用在所述第一基片(11a)的机械装置维持所述变形，
所述真空室抽真空，
移动所述第一基片(11a)和所述第二基片(11b)相互靠近，在所述第一粘合面(12a)和所述第二粘合面(12b)的周边相接触处形成小的接触区，
释放所述第一基片(11a)使其恢复无应力的基本平面的形状，于是所述接触区扩展到整个第一和第二粘合面(12a、12b)，
然后真空室的压力提升到大气压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述第一基片(11a)变形，使得所述第一粘合面(12a)呈下凹或凸起的形状，所述变形由作用在所述第一基片(11a)的靠近所述中心孔口(14a)处的中心机械装置和作用在所述第一基片(11a)的朝其外缘偏移位置处的周边机械装置维持。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中心机械装置向所述第一基片(11a)施加方向远离所述第二基片(11b)的力，所述周边机械装置向所述第一基片(11a)施加朝向所述第二基片(11b)的力，从而维持所述第一基片(11a)的变形，使所述第一粘合面(12a)呈下凹形状。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中心机械装置包括作用在所述第一粘合面(12a)的机械限位装置，而所述周边机械装置包括作用在所述第一基片(11a)的背面(13a)的机械限位装置。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，由于所述第一基片(11a)弹性变形，所述第一粘合面(12a)靠近所述中心孔口(14a)的区域偏离与所述第一粘合面(12a)圆周边相交的平面1至3毫米。
6.根据权利要求3至5中任何一项所述的方法，其特征在于，所述接触区域是靠近所述第一粘合面(12a)和第二粘合面(12b)或其子集外缘的狭窄环形区域。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，形成接触时，所述第一基片(11a)保持相对所述第二基片(11b)略微倾斜，不大于3°，的位置，从而确保所述接触区域最初只限于所述环形区域的预定部分。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，真空室抽真空，其压力处于0.01毫巴和100毫巴之间，在0.05毫巴和10毫巴之间更好，优选是在0.1毫巴和2毫巴之间。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于，所述液体粘合剂，通过旋转所述第一基片(11a)和/或所述第二基片(11b)，可涂布于所述第一基片(11a)和/或所述第二基片(11b)。
10.一种实现权利要求1至9中任一项所述方法的设备，所述设备包括真空室，其中设有：
支承所述第一基片(11a)的支承机构，所述支承机构可作为周边机械装置，作用在所述第一基片(11a)的从所述基片中心孔口(14a)朝基片外缘偏移的位置，
使所述第二基片(11b)保持在与所述第一基片(11a)相对位置的保持装置，其中，所述第二粘合面(12b)面对所述第一粘合面(12a)，
支承销(9)，可延伸穿过所述第一基片(11a)和所述第二基片(11b)的所述中心孔口(14a、14b)，并带有可沿径向伸缩的中心机械装置，其可作用在所述第一基片(11a)的中心孔口(14a)边缘，或是作用在靠近中心孔口(14a)的第一粘合面(12a)上。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述真空室包括设有所述支承机构和支承销(9)的底板(1)，及设有所述保持装置的盖子(3)。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述中心机械装置包括作用在所述第一粘合面(12a)的机械限位装置，所述周边机械装置包括作用在所述第一基片(11a)的背面(13a)的机械限位装置。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的设备，其特征在于，所述支承机构适用于使所述第一基片(11a)保持在一个位置，使所述第一粘合面(12a)处于基本水平的第一平面；而所述保持装置适用于使所述第二基片(11b)保持在一个位置，使所述第二粘合面(12b)处于所述第一平面上方的基本水平的第二平面。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面是平行的。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述第一平面相对于所述第二平面略微倾斜。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述第一平面和所述第二平面之间的倾斜角度在1°和3°之间。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述保持装置是吸力保持装置。
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