DE10064806A1

DE10064806A1 - Festplattensubstrat mit Spindel

Info

Publication number: DE10064806A1
Application number: DE2000164806
Authority: DE
Inventors: Ralf Bonitz; Patrick Markschlaeger; Heinrich Ostendarp; Martin Sommer
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-18
Also published as: WO2002052562A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein mit einer Spindel zentrisch verbundenes Festplattensubstrat ohne Innenloch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Festplattensubstrat mit Spindel.

Festplattensubstrate, also Substrate für magnetische oder optische Festplatten (Hard Disks) als Datenspeicher, sind kreisrunde Scheiben mit einem zentrischen Innenloch. Dieses Innenloch dient zur Aufnahme einer Spindel, über die im Laufwerk die Rotati on der Festplatte erfolgt. Die Spindel ist mit der Festplatte über Klemmvorrichtungen verbunden.

Festplattensubstrate bestehen derzeit überwiegend aus Metallen wie Aluminium oder Metallegierungen. Auch Glas und Glaskeramiken und Kompositwerkstoffe wie AI-B-C sind für diese Verwendung literaturbekannt. Glas ist für die Verwendung als Fest plattensubstrat gegenüber Aluminium von Vorteil u. a. wegen seiner Ebenheit und geringen Oberflächenrauhigkeit, seiner höheren Steifigkeit, Härte und E-Modul und damit seines besseren Widerstands gegen Stöße und der Verringerung des Flat terns.

Die Herstellung von Glassubstraten für Festplatten besteht aus einer Vielzahl von Verfahrensschritten, bis die gewünschte Form (Außenkontur, Innenkontur), Kanten qualität und Oberflächenqualität erreicht ist.

Ein solcher Verfahrensablauf besteht beispielsweise in
dem Herstellen eines Glasbandes durch einen Zieh- oder Floatprozeß,
dem Trennen des Glasbandes in einzelne Glasscheiben mit Hilfe
einer Laser-Schneide-Einrichtung oder
einer mechanischen Schneideinrichtung,
dem Ausschneiden eines oder mehrerer Substrate, z. B. mit
der "Ritz-Brech"-Methode mittels mechanischer Schneidmittel oder
einer Laser-Schneide-Einrichtung oder
einem Hohlbohrer,
dem gleichzeitigem oder nachfolgendem Einbringen der Innenkontur mit
einer mechanischen Schneideeinrichtung oder
einer Laser-Schneide-Einrichtung oder
einem Hohlbohrer,
im Falle von nicht lasergeschnittenen Kanten einem Nachbearbeiten der Kan ten durch Läpp- und/oder Polierschritte.

Lasergeschnittene Kanten weisen eine so hohe Qualität auf, dass der Aufwand für die Kantenbearbeitung deutlich reduziert werden kann.

Glassubstrate können auch gepreßt werden. Bei üblichen Preßverfahren werden die Substrate durch Formwerkzeuge, insbesondere Unter- und Oberwerkzeug und seitli chen Begrenzungsformteilen, in die gewünschte Form gebracht und müssen an schließend kanten- und oberflächenbearbeitet werden.

Aus dünnflüssigen niedrigviskosen Gläsern, insbesondere Gläsern mit Viskositäten η < 50 dPas, können, wie in DE 100 22 932.8 der Anmelderin, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird, beschrieben, durch eine radialsymmetrische Temperatur verteilung im Formwerkzeug Substrate ohne radiale Begrenzung des Glaspostens gepreßt werden, die einen glatten und beschädigungsfreien radialen Rand aufwei sen, der den Qualitätsanforderungen für Festplattensubstrate genügt und nicht nach bearbeitet werden muß.

Trotz der letztgenannten Möglichkeiten, die Verfahrensschritte, insbesondere der Kantenbearbeitung zu verringern, ist der Gesamtherstellungsprozeß der Substrate, insbesondere des Formens der Kontur, immer noch sehr aufwendig und kostspielig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Substrat für eine Festplatte bereitzustellen, das mit wenigen Verfahrensschritten einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Substrat für eine Festplatte bereitzustellen, die in der Anordnung im Laufwerk wenig Platz benötigt, die also eine Miniaturisierung der Laufwerke ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Festplattensub strat gelöst.

Das Festplattensubstrat gemäß der Erfindung weist kein Innenloch auf. Es ist mit wenigstens einer Spindel zentrisch verbunden. Vorzugsweise ist es mit einer Spindel verbunden.

Die Spindel ist rotationssymmetrisch und besteht üblicherweise aus Stahl, insbeson dere aus legierten Stählen.

Ihre Verbindung mit dem Festplattensubstrat in dem Bereich, in dem herkömmliche Festplatten ihr Innenloch hätten, ist mittels der verschiedensten Verbindungstechni ken möglich.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist sie mit der Festplatte verklebt. Dabei kön nen herkömmliche Kleber verwendet werden. Der Fachmann kann den geeigneten Kleber in Abhängigkeit vom Substratmaterial bzw. von der ggf. bereits aufgebrachten Beschichtung des Substrats leicht auswählen.

Für die Verbindung von unbeschichtetem Glas mit Stahl ist beispielsweise ein Epo xidharz als Kleber geeignet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Spindel durch Löten mit dem Substrat verbunden. Dabei können sowohl Glassubstrate als auch metallische Sub strate mit der metallischen Spindel verbunden werden. Der Fachmann weiß das je weils geeignete Lot auszuwählen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spindel durch Ultra schall-Schweißen, vorzugsweise durch Ultraschall-Torsionsschweißen, mit dem Sub strat verbunden. Bei der letztgenannten Variante handelt es sich um eine Art Reib schweißen, bei dem die Ultraschalleinkopplung mittels zweier Konverter geschieht, die entgegengesetzt schwingen und die Sonotrode in eine rotatorische Schwingung versetzen. Das Ultraschall-Schweißen ist sowohl als ein Punktschweißen als auch ein Rollnahtschweißen, das linienförmige Schweißnähte erzeugt, möglich.

Vorteile dieses Verfahrens sind, daß es sauber, umweltverträglich und gut automati sierbar ist und sehr feste Verbindungen hervorbringt. Es ist schneller als die Klebe verfahren.

Das Verfahren ist zum Aufschweißen dünner Werkstücke geeignet. Es können so wohl Glassubstrate als auch Aluminiumsubstrate auf die metallische Spindel ge schweißt werden. Bei einem Verbund zwischen Metall und einem spröd-amorphen Werkstoff wie dem hier bevorzugten Glas-Stahl-Verbund ist der Einsatz einer Alumi nium-Zwischenschicht nötig, die mit dem Glassubstrat und mit der Spindel verbunden ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spindel durch Laserstrahlschweißen mit dem Substrat verbunden.

Ein bevorzugte Variante dieses Verfahrens ist bei der Verwendung von Glassub straten das Durchstrahl- oder Transmissionsschweißen. Hierbei durchdringt der La serstrahl den transmissiven Fügepartner und wird vom nicht-transmissiven Fügepart ner absorbiert. Dieser wird dadurch erwärmt und gibt die Energie auch an den trans missiven Fügepartner ab. Dadurch werden die beiden Werkstücke miteinander verschweißt. Dabei wird ausschließlich die Kontaktzone erwärmt. Wegen der hohen Transmission durch Glas wird hier vorzugsweise der Nd:YAG-Laser verwendet.

Bei der Variante Wärmeleitungsschweißen wird die Laserstrahlung auf die Fügestelle fokussiert, wobei der näher beabstandete Fügepartner die Laserstrahlung absorbiert und die Wärme zur Fügezone weiterleitet. Daher ist die Dicke dieses Fügepartners begrenzt, was jedoch für Festplattensubstrate keine Einschränkung darstellt. Der ab sorbierte Strahlungsanteil reicht aus, um die Fügestelle lokal anzuschmelzen. Da durch entsteht nach dem Erstarren der Schmelze eine Verbindung der beiden zu fü genden Werkstücke. Wegen der geringen Transmission durch Glas wird bei der Ver wendung von Glassubstraten hier vorzugsweise der CO₂-Laser verwendet.

Auch Mischformen der beschriebenen Verbundtechniken können bei der Erfindung Anwendung finden, so z. B. das Laserstrahllöten, bei dem ein Zusatzmaterial aufge schmolzen wird, das die zu fügenden Werkstücke benetzt, ohne daß sie aufge schmolzen werden, das Laserstrahlschmelzkleben, bei dem ein Schmelzklebstoff als Hilfsstoff zwischen den zu fügenden Werkstücken eingesetzt wird, sowie das La serstrahlbonden, bei diesem Diffusionsschweißverfahren werden die zwei zu fügen den Werkstücke unter Anwendung stetiger Kraft und unter Einwirkung von Wärme, die durch Absorption von Laserstrahlung erzeugt wird, zusammengepreßt.

Die genannten Verfahren, einschließlich des Laserstrahlschweißens, werden zu sammenfassend als laserstrahlunterstützte Fügeverfahren bezeichnet.

Die für Festplattensubstrate verwendeten Gläser sollen, um in ihrer thermischen Ausdehnung an die Beschichtungsmaterialien und an das Spindelmaterial angepaßt zu sein, hohe thermische Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 von wenigstens 7 × 10^-6/K, vorzugsweise wenigstens 9 × 10^-6/K, aufweisen. Sie werden aber dennoch niedrigere Ausdehnungen besitzen als die für die Spindeln verwendeten Stähle mit α_20/300 von wenigstens 10 × 10^-6/K. Mechanische Spannungen, die bei dem Verbund zwischen Festplatte und Spindel aufgrund dieser unterschiedlichen thermischen Dehnung auf treten würden, können zumindest vermindert werden, indem der Verbund nicht ganz flächig ausgeführt wird, sondern zentrisch über eine möglichst kleine Fläche, die ge rade groß genug ist, um die mechanischen Haltekräfte aufzunehmen.

Auf dem Weg vom Substrat zur Festplatte wird das Substrat beidseitig beschichtet, bespielsweise als magnetisches Aufzeichnungsmedium z. B. mit folgender Schich tenfolge: einer Unterschicht aus Cr, einer ferromagnetischen, dünnen Magnetschicht aus einer CoNiCr-Legierung und einer Schutzschicht aus C, alle drei beispielsweise durch ein Magnetron-Spritzverfahren aufgebracht, weiter einer Schmiermittelschicht, beispielsweise mittels eines aufgetropften Schmiermittels in einem Spin-Überzugs verfahren gebildet.

Insbesondere bei den Verbundtechniken Ultraschallschweißen und Laserstrahl schweißen ist es bevorzugt, das Glas oder einen anderen Werkstoff, aus dem das Substrat besteht, direkt mit dem Spindelmaterial zu verbinden.

In diesen Fällen können Beschichtungen nach dem Verbund aufgebracht werden, vorzugsweise mit Sputter-Verfahren, oder vor dem Verbund durch übliche Be schichtung des separaten Substrats, mittels einer Maske derart, daß die zu verbin dende Fläche unbeschichtet bleibt.

Das mit der Spindel zu verbindende Festplattensubstrat ohne Innenloch kann nach den üblichen Herstellverfahren für Festplattensubstrate, jedoch mit deutlich verein fachter Prozeßfolge hergestellt werden, da die Schritte zur Erzeugung des Innen lochs gemäß der Erfindung nicht erforderlich sind.

Substrate aus Aluminium werden beispielsweise druch Pressverfahren hergestellt.

Substrate aus Glas werden beispielsweise in Zieh-, Float- oder Preßverfahren herge stellt.

Bei den Zieh- oder Floatverfahren besteht der Verfahrensablauf beispielsweise in dem Herstellen des Glasbandes, dem Trennen des Glasbandes in einzelne Glas scheiben mit Hilfe einer Laser-Schneide-Einrichtung oder einer mechanischen Schneideinrichtung, dem Ausschneiden eines oder mehrerer Substrate, z. B. mit der "Ritz-Brech"-Methode mittels mechanischer Schneidmittel oder einer Laser- Schneide-Einrichtung oder einem Hohlbohrer.

Im Falle der Erzeugung der Außenkontur durch andere Verfahren als dem Laser schneiden ist ein anschließendes Nachbearbeiten der Kanten durch Läpp- und/oder Polierschritte nötig.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Festplattensubstrates fällt also nicht nur der kostenintensive Schritt des Einbringens der Innenkontur weg, sondern damit auch die Nachbearbeitungsschritte, die für die Innenkante möglicherweise nötig wä ren.

Um den Nachbearbeitungsaufwand und den Aufwand im Gesamtprozeß möglichst gering zu halten, sind für die Herstellung der erfindungsgemäßen Festplattensubstrate Verfahren bevorzugt, bei denen auch für die nunmehr einzige Kontur, die Au ßenkontur, auf Nachbearbeitungsschritte weitgehend verzichtet werden kann.

So besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einem Festplattensub strat, dessen Außendurchmesser durch Laserstrahlschneiden des kreisförmigen Substrats aus der aus dem Glasband vereinzelten Glasscheibe hergestellt ist.

Vorzugsweise geschieht dies mittels eines Laserschneid-Verfahrens, wie es in der DE 100 01 292.2 der Anmelderin beschrieben ist, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Dabei wird ein Laserstrahl mit nachlaufendem Kühlspot entlang einer Trennlinie mit vorgegebener, in sich geschlossener Kontur bewegt, wobei in einem ersten Schritt die relevanten Prozeßparameter wie Laserleistung, Laserstrahlprofil, Vorschubge schwindigkeit so eingestellt werden, daß die Glasscheibe entlang der Trennlinie bis zu einer bestimmten Tiefe geritzt wird, und daß in einem zweiten Schritt die Prozeß parameter so verändert werden, daß der im ersten Schritt erzeugte Riß durch den Aufbau einer weiteren thermomechanischen Spannung in die Tiefe des Glases bis zur vollständigen Durchtrennung getrieben wird. Zum Freilegen der getrennten Kon tur durch Aufbringen einer mechanischen Kraft wird eine Temperaturdifferenz zwi schen den Bereichen diesseits und jenseits der Trennlinie erzeugt.

Neben der nicht mehr nötigen Kantenbearbeitung bzw. maximal einem einfachen Verrunden liegt ein weiterer Vorteil von mittels Laserschneiden erzeugten Kanten darin, daß sie gegenüber konventionell erzeugten Kanten eine höhere Bruchfestigkeit aufweisen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in einem Festplat tensubstrat, das durch ein spezielles Preßverfahren, nämlich durch Pressen in die Endkontur, hergestellt ist.

Aus dünnflüssigen niedrigviskosen Gläsern, insbesondere Gläsern mit Viskositäten η < 50 dPas, werden, wie in DE 100 22 932.8 der Anmelderin, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird, beschrieben, durch eine radialsymmetrische Temperatur verteilung im Formwerkzeug Substrate ohne radiale Begrenzung des Glaspostens gepreßt. Diese weisen eine glatten und beschädigungsfreien radialen Rand auf, der nicht nachbearbeitet werden muß.

Sind Kantenbearbeitungsschritte am Festplattensubstrat erforderlich, beispielsweise weil es durch Ritzen (Ritz-Brech-Methode) oder Bohren hergestellt wurde, ist es vorteilhaft, wenn diese erst nach dem Verbinden mit der Spindel durchgeführt wird, da so eine höhere Konzentrizität erzielt wird, die es ermöglicht, auf das sonst nach Kantenbearbeitung nötige Auswuchten des Substrats zu verzichten.

Auch in diesen Fällen weist das erfindungsgemäße Substrat in seinem Herstellpro zeß also Vereinfachungen auf, die über das Weglassen des Schrittes Innenloch- Erzeugung hinausgehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Festplattensubstrat ohne Innenloch mit zentrischer Spindel kann die Festplatte aufgrund der bei gleichem Außendurchmesser auf einer Seite größeren zur Verfügung stehenden Fläche mehr Informationen speichern.

Dies ist von Vorteil, da der Trend in der Computertechnik, insbesondere bei mobilen Anwendungen wie Lap-Tops, dahin geht, pro Festplattenlaufwerk nur noch eine Festplatte einzusetzen, um so die Laufwerke und damit auch die Computer miniaturi sieren zu können.

Es kann aber auch bevorzugt sein, auch auf der "spindelfreien" Seite nur die gleiche Fläche zur Informationsspeicherung zu benutzen, da dann der gleiche Lesekopf ver wendet werden kann.

Auch so ist die erfindungsgemäße Anordnung von Festplattensubstrat und Spindel vorteilhaft, da sie im Laufwerk platzsparend ist und so auch einen Beitrag zur Minia turisierung von Laufwerk und Computer liefert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Festplattensubstrat mit zwei gegenüberliegenden Spindeln kraftschlüssig verbunden. Der Kraftschluss wird durch eine definierte Anpresskraft erzeugt.

Ebenfalls unter den Begriff des Verbunds zwischen Festplattensubstrat und Spindel gemäß dieser Erfindung soll eine weitere Ausführungsform der Erfindung fallen, bei der das Festplattensubstrat mit der Spindel dadurch verbunden ist, daß es schon im Herstellungsprozeß als ein Werkstück mit der entsprechenden Form erzeugt worden ist, beispielsweise als gesinterter Keramikkörper. Der Körper kann dann in den ge wünschten Bereichen auf übliche Weise beschichtet werden.

Claims

1. Mit wenigstens einer Spindel zentrisch verbundenes Festplattensubstrat ohne Innenloch.

2. Festplattensubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Glas ist.

3. Beschichtetes Festplattensubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es vor dem Verbinden mit der Spindel beschichtet worden ist.

4. Beschichtetes Festplattensubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Verbinden mit der Spindel beschichtet worden ist.

5. Festplattensubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Kleben mit der Spindel verbunden ist.

6. Festplattensubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Löten mit der Spindel verbunden ist.

7. Festplattensubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Ultraschall-Schweißen mit der Spindel verbunden ist.

8. Festplattensubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein laserstrahlunterstütztes Fügeverfahren mit der Spindel ver bunden ist.

9. Festplattensubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat durch Pressen in die Endkontur hergestellt ist.

10. Festplattensubstrat nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Substrats durch Laserstrahlschneiden herge stellt ist.