专利名称：高性能计算机硬盘驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机存储设备，且更具体地涉及一种高性能硬盘驱动器及方法。
背景技术：
硬盘驱动器将数字编码数据储存在被称为磁盘的圆盘上。磁盘安装在主轴上，并协调地高速旋转通过读写磁头。该磁头在非常靠近磁盘的磁性层的滑动块上飞快地移动。传感器写入(记录)并读取(检索)存储在磁性层上的数字化数据。磁性层通过薄的碳涂层加以保护。 磁盘驱动器安装在密封壳内，以保护它们以防尘、防湿以及其他污染物。浮动磁头支撑在气垫上，仅在磁盘以上数纳米处(浮动高度)。磁盘必须保持无污染和缺陷，以保持磁盘和磁头之间极靠近的间距(浮动高度)。新式硬盘驱动器的浮动磁头高度大约为5nm至lj 15nm。 由功率损失或者一般在海拔10， 000英尺以上的低压引起的磁头撞击(碰撞)磁盘可能是惨重的，因为重要的记录可能永久丢失。因此，为保护数据需要经常性地做费时的备份记录，从而增加业务经营成本。进行备份记录是对有价值技术人员的低效使用。碰撞还会造成需要更换昂贵的驱动器。 压力、温度和湿度会影响硬盘驱动器的工作。如果驱动器内的气压过高，将不能正确地读写数据。气压受温度影响。当前驱动器的工作条件非常苛刻，以至于需要提供温度补偿来适应环境变化。长时间受潮会加速部件的腐蚀。如果碳涂层的密度或厚度不足以提供完全覆盖，磁性层将会受到腐蚀的不利影响。当磁头长时间不活动时，粘滞可能会导致硬盘驱动器故障并丢失数据。如果硬盘驱动器长时间没有使用，尤其会产生粘滞。在驱动器通电时，浮动磁头会剌入盘的润滑层，这可能阻碍盘转动。 磨损、腐蚀、生产缺陷以及磁头碰撞是硬盘驱动器故障的主要原因。当发生碰撞时，磁头刮擦并破坏磁盘。当前的做法是防止磁头与磁盘的数据部分发生接触。在停电和供电故障期间可能会发生碰撞和接触。硬盘驱动器生产商已经采取了一些行动来解决这些问题从而延长驱动器寿命。 —种措施是加入无数据停放区("LZ")，该停放区一般靠近断电期间磁头所接触的磁盘的内径。该停放区防止磁头在启动和断电期间与数据存储区接触。停放区减小存储空间，增加成本并使机械公差更加难以控制。 在更新的驱动器中，在意外电力损失期间，旋转磁盘的弹力和惯性使浮动磁头停留在停放区内。用到的其它技术包括激光区织构化(laserzone texturing) ("LZT")和磁头卸载(head unloading) ( "HUT")。在激光区织构化中，通过在停放区内加入平滑激光产生的纳米级"隆起"阵列来减小粘滞和磨损。在磁头卸载中，在停放期间，磁头被从磁盘移至靠近磁盘外缘的塑料"斜坡"上，从而降低启动和断电期间的冲击力并消除粘滞。这两种技术都增加生产硬盘驱动器的成本、复杂程度和难度。 市场竞争压力和软件的需求迫使硬盘生产商不断增加驱动器容量并降低寻道时间(数据率)。驱动器容量，通常以每平方英寸千兆位来表示，取决于盘的面密度。降低寻道时间要求减少摩擦并提高旋转速度。旋转速度与磁盘的润滑剂紧密相关，并且润滑剂是限制旋转速度的因素之一。各种缺陷，诸如驱动电动机主轴轴承非圆和倾斜，都限制面密度的增加和寻道时间的降低。生产商已通过加入流体动态轴承(fluid dynamic bearing)降低了寻道时间。鉴于流体轴承没有金属到金属的接触，所以它们对盘的加载没有影响，并可以应对较高的盘旋转速度。 为提高面密度和数据率，必须防止浮动磁头意外碰撞。磁盘表面必须非常平滑且没有缺陷。为提高面密度，保护磁数据记录层的碳涂层必须较薄，但是，由于引线孔的缘故，较薄的涂层可能使磁性层暴露而腐蚀。面密度可以通过减小记录传感器或读/写磁头与磁性记录盘的磁性层之间的间距来提高。磁性间距是磁性记录磁头和盘的磁性介质层之间的有效距离。磁性间距由磁头的浮动高度、磁头极部的凹陷、磁头上碳(DLC)膜的厚度以及盘表面上碳和润滑剂涂层的厚度组成。 Vi jayen的美国专利第6， 537， 668号公开了一种用于磁性记录介质的金刚石类碳材料，其包含无定形碳，该材料包括原子百分数在72到92的范围内的碳和原子百分数在8到18的范围内的氢。 图2是当前硬盘驱动器的示意图，示出了面密度，或称为存储密度接近100Gb/in2的磁盘与浮动磁头之间的关系。盘驱动器壳IOO包封磁盘和浮动磁头。浮动磁头由滑动块101和磁性元件102组成，并带有一般厚度为3nm到5nm的碳涂层103。浮动高度104是将浮动磁头和磁盘表面分隔开的物理距离。要达到接近100Gb/in、浮动高度的范围在5nm到15nm。 磁盘的硬盘基底108可以由多种材料制成，具有用碳涂层106保护的磁记录层107。在当前驱动器中，碳涂层106的范围在3nm到5nm。在碳涂层106上沉积有全氟聚醚(PFPE)润滑剂膜105。润滑剂膜105和碳涂层106的组合保护磁数据记录层107不受腐蚀以及与记录磁头意外接触产生的机械损伤。
发明概述 本发明是对2005年5月16日提交的序列号为10/969,667的未决的申请的改进，其通过引用并入本文。序列号为10/969,667的申请涉及将一种接近无摩擦且超低磨损的结构无定形碳涂层(structurally amorphouscarbon coating)应用于美国专利第6， 548， 173号中公开的计算机驱动器，第6， 548， 173号美国专利在此通过参考完全并入。通过参考并入的无定形涂层的特征是其包含原子百分数在52到80之间的范围内的碳和原子百分数在20到48之间的范围内的氢。 本发明的主要目的是改进硬盘驱动器的耐用性、提高储存容量并降低寻道时间。这些目的通过以下一种或多种措施来实现(l)提高磁盘数据记录磁性涂层的面密度；(2)减小磁头和磁盘之间的(磁性间距)工作间隔；(3)取消停放区；以及(4)用美国专利第6， 548， 173号的"接近无摩擦"或类似的涂层涂覆磁头和磁盘；以及(5)将驱动器安装在充有惰性气体的密封壳中。这些改进进一步消除了磁头碰撞，消除了腐蚀，消除了粘滞，降低了成本并提高了可靠性。取消磁头卸载技术("HUT")和激光织构化技术("LT")进一步降低成本并改善可靠性。如此处所用的，术语硬盘驱动器旨在囊括光盘和磁盘驱动器。
在本发明的第一方面，通过用处于惰性气体环境中的超低摩擦且超低磨损的结构无定形碳涂层取代硬盘磁盘上的涂层提高了硬盘驱动器的面密度并减小了寻道时间。盘上没有润滑剂层，且浮动高度减小到0nm(完全接触)至5. 0nm。以类似方式，硬盘驱动器主轴 电动机内的配合轴承部件受益于这种处于惰性气体环境中的超低摩擦且超低磨损的结构 无定形碳涂层的应用。特别地，主轴电动机的轴承杆和轴衬或者轴套都涂覆有这种超低摩 擦的无定形碳涂层。 图4是硬盘驱动器轴承组件的截面图，显示了涂有NFC涂层的轴承轴套401和轴 承杆400 ;402为轴承密封件，403为硬盘磁盘，404为驱动器底座，而405为轴承壳。
在本发明的第二方面，通过取消停放区、磁头卸载技术("HUT")以及激光织构化 技术("LT")提高了硬盘驱动器容量并降低了成本。 在本发明的第三方面，由于使盘存储达到兆兆位/每平方英寸级而实质上减小了 存储介质的体积。还可以降低较大的硬盘驱动器和服务器中的盘重复性以及其复杂性。
在使用本发明的教导时，可以提供多个替代结构来实现所希望的结果和能力。在 本公开内容中，为了公开我们的发明，只给出了几个实施方式。但是，这些实施方式预期为 仅仅是示例，而不应被认为限定了我们的发明的范围。 前述特征、益处、目的和实践本发明的最佳模式以及另外的益处和目的将从接下 来的优选实施方式的详细描述中变得明显，并且在附到优选实施方式的详细描述的编号的 权利要求中阐述了所主张的排他性专有权的主题。 参照附图和紧接着的优选实施方式的详细描述，本发明的进一步的特征和益处将 变得明显，优选实施方式公开了实现本发明所考虑的最佳模式。在优选实施方式的详细描 述之后的每一条编号的权利要求中阐述了所主张的专有权。
附图简述 参照仅通过非限制性例子示出本发明的具体实施方式
的附图，将更好地理解本发
明，且本发明的进一步目的、特征、细节以及优点将更清晰地显现。
图1是典型硬盘驱动器的透视图。
图2是显示当前驱动器的磁头_磁盘间距的剖面图。 图3是显示依照我们的发明的磁头_磁盘间距的剖面图。 图4是硬盘驱动器轴承组件的剖面图。 图5是处于干氮环境中的硬盘磁盘上的CNX与NFC无定形碳涂层的摩擦特性曲线。
优选实施方式详述 现在参照附图，其中在几幅图中，相同的数字表示相同以及相应的部件，如图l所 示，硬盘驱动器由容纳圆形磁盘110的壳100组成，磁盘协调地高速旋转通过读写磁头109。 磁头109支撑在磁盘110上方的气垫上。它们把数字化数据写(记录)到薄磁性涂层上， 而数据通过读写磁头109上的传感器读出(检索)。 驱动器的信噪比与每位的磁性粒子数与二分之一功率的比值成比例，并且增大每 一代硬盘驱动器的面密度都要求具有较高盘矫顽力的渐进式的较小晶粒。间隔法则要求随 着面密度的增加逐渐减小磁头与磁盘之间的磁性间距。这牵涉到减小的磁头浮动高度以及 较薄的保护涂层。 为使接触记录界面可靠，存在两个主要挑战，即(i)磁盘和记录磁头的磨损，特别 是假如磁头接触的话，以及(ii)摩擦导致的记录磁头跳动。为了优化滑动接触力，当前的 滑动块小心地被预加载。与常规浮动滑动块一起使用的坚硬的空气轴承会在磁头发生接触的情况下造成过大的接触力。很少预加载的较弱的空气轴承产生大量不希望的跳动。
从减小位误差率("BER")且大大增加当前以每平方英寸千兆位表示的面密度的 观点来看，磁头与磁盘的滑动接触是有利的。对接触记录而言，记录磁头在磁盘上的平滑滑 动是达到尽可能最好记录性能的决定性因素。滑动块后缘的跳动受到润滑剂存在的不利影 响，润滑剂往往积累在磁头_磁盘界面的接触粗糙面周围。 对作用于记录磁头的法向接触力的控制决定滑动磁头和磁盘的磨损率，并且这种 相互作用的摩擦特征限制了一定时段内接触记录的性能。 在目前的驱动器中，l兆兆位/每平方英寸的记录密度(即面密度)要求磁头的 浮动高度在大约0nm(完全接触)到5nm。磁头-磁盘界面必须极为光滑，并且相对表面的 RMS值的数量级只能是几埃。在这一浮动高度低限下，超平滑的界面具有强大的吸引力，其 导致磁头_磁盘界面碰撞。这样，配合的超光滑磁头_磁盘表面上的分子间吸引力阻碍记 录密度(面密度)的提高。 事实上，由于界面上的动摩擦，磁头的碰撞会随着磁头和磁盘的表面光洁度变得 较平滑而增加。开启和断电时的压力随着RMS粗糙度降低而升高。无论是在润滑还是在非 润滑介质上，阻力因素都以粘滞来表征。粘滞主要由通常涂覆在传统碳涂层上的厚度差不 多l-3nm的PFPE(全氟聚醚)润滑剂所造成。这种薄层润滑剂还易于形成波纹状、池状和 其他形式的再分布。当滑动/浮动磁头受到润滑剂异常的干扰时，滑动/浮动磁头受到粘 滞。去除轴承表面上和盘上的润滑剂，能阻止这种情况发生。已经认识了磁盘驱动器需要 有超低摩擦和耐磨涂层，但是，迄今为止，还没有可用的这种涂层。 美国专利第6，548， 173号，在这里通过引用并入，公开了一种超低摩擦(这里有时 称为近似无摩擦碳"NFC"涂层)、耐腐蚀且超低磨损的无定形碳金刚石类涂层。金刚石，金 刚石类和无定形碳涂层在本领域已知用于防机械磨损、磨蚀以及化学腐蚀。虽然它们非常 坚硬且耐磨，但是其中大多数显示出高摩擦特性，特别是在干的惰性环境中(缺乏湿度和 氧)。当在滑动磨损条件下使用时，它们在配合表面上产生高摩擦损耗和严重的磨损。
图5是根据阿贡国家实验室对在干氮环境(无湿度和氧，或极少)中硬盘磁盘上 的CNX与NFC无定形碳涂层的摩擦特性的试验所推导出的曲线图。典型的DLC涂层产生 0. 17的摩擦系数，而NFC涂层产生O. 005的摩擦系数。该试验仅有代表性的，且并未在实际 工作条件下进行。 美国专利第6， 548， 173号中的无定形碳和金刚石类涂层替代了当前的磁盘保护 性涂层，且非常光滑且坚硬，在惰性气体环境中在无润滑剂的情况下近似无摩擦，而且具有 高的耐腐蚀性。不使用润滑剂消除了由围绕滑动和浮动磁头的润滑剂的积聚引起的错误， 该错误是导致磁头碰撞的主要因素。在惰性气体环境中，相对的磁头和磁盘表面上的正氢 离子产生相反的分子间力，其防止粘滞而不是产生粘滞。 惰性气氛中的摩擦试验显示，美国专利第6，548， 173号的涂层的摩擦系数在 0.001至IJ0.007范围内。下限值比特氟隆或抛光细粒金刚石涂层小约20-100倍。使用其它 已知涂层，磁头接触记录短时间内就引起磁头碰撞及硬盘驱动器丢失数据的惨重故障。
适合于本发明的磁头和盘的美国专利第6，548， 173号中的涂层固有的低摩擦系 数提供超低摩擦的磁头-盘界面。密封壳中的惰性气体，例如氮或氩保持了无氧和无潮气 的气氛中的低摩擦并防止了驱动器部件的腐蚀。
本发明通过降低浮动高度以达到大于1Tb/in2的面密度修改了浮动磁头和硬盘之 间的一般关系，从而可观地提升了当前的存储容量。在图3描述的该实施方式中，硬盘壳 109永久地密封并注入有惰性气体117。包括滑动块IIO和磁性元件111的浮动磁头涂有高 度氢化的碳涂层112，其厚度范围在0. 3nm至5. Onm之间。浮动高度113被减小到Onm(完 全接触)至5. Onm，这样，相对于当前可达到的设计容量，将面密度提高一个数量级。硬盘基 底116可以由许多材料中的任意一种材料制成，具有任意一种常用磁记录层115，并且接着 涂覆有提议的高度氢化的碳涂层114。在这种情况下，碳涂层114的厚度从O. 5nm到5. Onm。 在本实施方式中，不需要使用润滑剂。 在本发明的第一个实施方式中，硬盘驱动器安装在充有例如氮或氩的惰性气体 的密封壳内。增加了磁盘数据记录磁性涂层的面密度；覆盖涂层和润滑剂用美国专利第 6， 548， 173号的薄的超低摩擦、超低磨损的结构无定形碳涂层取代；并且磁头的浮动高度 在Onm(完全接触)到5. Onm的浮动高度范围内。 在第二个实施方式中，硬盘驱动器包括第一个实施方式的特征的描述特征，且另
外地取消了停放区、激光区织构化("LZT")和磁头卸载("HUT")特征。 根据以上内容，应理解，我们的发明相比现有技术提供了许多重要的益处。 一个益
处是增加了硬盘驱动器的存储容量。另一个益处是縮短了硬盘的寻道时间。再一个益处是
减少了硬盘驱动器碰撞。再一个益处是消除了硬盘驱动器部件的腐蚀。再一个益处是降低
了硬盘驱动器的成本。 尽管只描述了我们的发明的两个实施方式，但我们的意图并不是要把我们的发明 局限于这些实施方式，因为本领域技术人员可通过明显的改动，例如材料替换而发展许多 其它实施方式，而不背离本发明的精神。
权利要求
一种针对具有多个磁盘和磁头以记录和检索数字化编码数据的类型的计算机硬盘驱动器的改进，所述改进包括所述磁头具有范围在0nm(完全接触)到5nm之间的浮动高度；且所述磁盘具有碳涂层，该碳涂层含有原子百分数在大约52到80之间的范围的碳和原子百分数在大约20到48之间的范围的氢。
2. 如权利要求1所述的改进，其中，所述磁头具有从等离子体生成的涂层，该等离子体 包含大约25-95 %的氢和大约75-5%的含碳源。
3. 如权利要求1所述的改进，其中，所述磁盘上的所述涂层是近似无摩擦、超低磨损的 结构无定形碳涂层，并具有从0. 5nm到5nm的厚度。
4. 如权利要求2所述的改进，其中，所述磁头上的所述无摩擦、超低磨损的结构无定形 碳涂层的厚度大约为0. 3nm到5nm。
5. 如权利要求1所述的改进，其中，所述磁盘中的每个磁盘具有面密度大于1Tb/in2的 磁性层。
6. 如权利要求1所述的改进，其中，所述磁盘和所述磁头之间的磁性间距小于6. 5nm。
7. 如权利要求1所述的改进，其还包括在所述驱动器内部的惰性气氛。
8. 如权利要求7所述的改进，其中，所述惰性气氛是氢和氮气的混合物。
9. 一种用于记录和检索数字化编码数据的高性能硬盘驱动器，其包括密封壳；轴承 主轴和轴套；多个磁盘，其安装成随所述壳中的所述主轴旋转；多个磁头，其靠近所述磁 盘，以从所述磁盘记录和检索数字化编码数据；所述磁头中的每个磁头具有从0nm(完全接 触)到少于10nm的浮动高度；以及结构无定形碳涂层，其位于所述磁头和所述磁盘中的每 一个上，并具有包含原子百分数在52到80的范围内的碳和原子百分数在20到48的范围 内的氢的涂层。
10. 如权利要求11所述的高性能硬盘驱动器，其还包括在所述轴承主轴和轴套上的 0. 5 ii m到3 ii m厚的结构无定形碳涂层。
11. 如权利要求9所述的方法，其中，超低磨损的结构无定形碳涂层赋予相对的涂层表 面正电荷，使该相对的涂层表面在驱动器工作过程中相互排斥。
12. 如权利要求9所述的高性能硬盘驱动器，其还包括在所述磁盘上的磁性层，该磁性 层的面密度大于1Tb/in2。
13. 如权利要求9所述的高效能硬盘驱动器，其中，磁性间距小于6. 5nm。
14. 一种用于提高硬盘驱动器性能的方法，其包括以下步骤将超低摩擦、超低磨损的结构无定形碳涂层应用到所述驱动器的磁盘和磁头表面，所 述超低摩擦、超低磨损的结构无定形碳涂层包含原子百分数在约52到80的范围内的碳和 原子百分数在约20到48的范围内的氢；在所述驱动器内部提供惰性气氛；以及将所述磁头的浮动高度降低到0nm(完全接触)至5nm。
15. 如权利要求14所述的用于提高硬盘驱动器性能的方法，其还包括以下步骤将所 述超低摩擦、超低磨损的结构无定形碳涂层应用到主轴和轴套，所述磁盘安装在该主轴和 轴套上以便旋转。
16. 如权利要求14所述的用于提高硬盘驱动器性能的方法，其还包括从所述磁盘取消用于所述磁头的停放区的步骤。
17. 如权利要求14所述的用于提高硬盘驱动器性能的方法，其还包括取消激光织构化 的步骤。
18. 如权利要求14所述的用于提高硬盘驱动器性能的方法，其还包括取消所述磁盘的 所述涂层上的润滑剂的步骤。
19. 如权利要求14所述的用于提高硬盘驱动器性能的方法，其还包括将所述磁盘的磁 性层的面密度提高至大于1Tb/in2的步骤。
全文摘要
公开了一种高性能硬盘驱动器，其中浮动读/写磁头与旋转磁盘一起以接触或近似于接触的方式运转。在这种设计中，硬盘磁盘或浮动磁头都没有磨损，这是因为磁头和磁盘都涂有无定形碳，该无定形碳在密封的惰性气体环境中摩擦系数极低。涂层含有原子百分数在大约52到80之间的范围内的碳和原子百分数在大约20到48之间的范围内的氢。在这种设计中不需要润滑剂，从而消除了润滑剂氧化、润滑剂粘滞和起皱导致硬盘驱动器故障的重要因素。这种接触方法在鲁棒性的密封环境中实现了高面密度且无磨损。
文档编号G06F12/00GK101730884SQ200880021529
公开日2010年6月9日 申请日期2008年3月26日 优先权日2007年5月22日
发明者奥斯曼·埃伊尔梅兹, 弗兰克·斯科拉, 艾利·埃尔德米尔, 马克·A·多尔贝克 申请人:马克·A·多尔贝克;弗兰克·斯科拉;艾利·埃尔德米尔;奥斯曼·埃伊尔梅兹