用於減少粒子的塗層的製作方法

2023-12-03 10:14:56 1

專利名稱：用於減少粒子的塗層的製作方法
技術領域：
本發明涉及高純度裝置，例如硬磁碟驅動器，更具體地涉及用於在所述裝置中減少粒子的塗層。

背景技術：
在磁碟驅動器和其它高純度應用中，粒子汙染會引起大量機械故障。在這些應用中，非常需要使製造和應用過程中存在的粒子最小化。磁碟驅動器通常包括多個尺寸精確的操作部件，例如襯墊、磁碟夾、e-blocks、蓋板、底板、致動器、音圈、音圈板等。這些組件都可以成為粒子的潛在來源。在驅動操作過程中，磁頭通常以約100的間距掠過介質。隨著面密度的增加該間距減小，使得使產生的粒子減少和防止粒子產生變得更加關鍵。在磁頭和磁碟界面處的粒子會造成熱不均勻(thermal asperity)、飛高寫入(high fly write)和磁頭碰撞；任何這些情況對於磁碟驅動器都是有害的。
美國公開號2003/0223154A1(Yao)公開了通過用「由柔軟且強韌的材料(例如金、鉑、環氧樹脂等)製成的」塗層封裝而防止粒子產生。美國公開號2002/0093766A1(Wachtler)公開了使用粘合劑背襯的可熱收縮保角膜(conformal films)來防止粒子產生。美國專利號6,671,132(Crane等)公開了使用金屬或聚合物塗層。美國公開號2004/0070885A1(Kikkawa等)公開了使用樹脂塗層。美國專利號6,903,861(Huha等)公開了使用某種聚合物塗層作為微致動裝置組件的封裝材料。
因此需要抑制在例如磁碟驅動器的裝置中的粒子的改進塗層。


發明內容
本發明提供一種用於抑制例如從例如鋁、銅等基底中產生的粒子的改進塗層。本發明的塗層可以用簡單的技術施加(例如浸塗和熱固化)，其表現出約175℃的熱穩定性，可以在複雜形態的基底上形成基本均勻的薄層(例如約0.1～約5.0微米)。本發明的塗層是清潔的(例如低除氣性、低可萃取離子釋放)、對通常的清潔方法(例如用或不用超聲處理的水溶液和溶劑基清潔溶液)具有耐受性、是環境友好的(即釋放溶劑，例如析出的氫氟代醚或水)、具有良好的安全分布，以及與目前鎳塗層的工藝方法相比提供相對較好的性價比。本發明的塗層還可以提供腐蝕保護。
本發明的塗層包括具有活性懸掛基團的薄聚合物塗層，該活性懸掛基團具有交聯官能度和卓越的錨定到基底表面的性能以抑制粒子從基底表面脫落。這些粒子可以來自基底材料或在處理和/或不完全清潔中留下的材料。該塗層實際上在基底表面上形成了固定粒子的網狀結構，否則所述粒子可從基底上脫落。此處所用的「懸掛基團(pendant)」是指端基和側基(side group)。
簡要地說，本發明的塗層包括如下化合物的反應產物，其中所述化合物包括含氟化合物部分和活性懸掛基團，其中所述塗層在基底上至少部分地原位固化。當至少部分地原位固化時，發現這種塗層作為在基底上減少粒子的塗層，提供意料之外的優良性能。
本發明的塗層可以用於多種高純度應用，例如包括這類組件如襯墊、磁碟夾、e-block、蓋板、底板、微致動器、滑板、音圈、音圈板等的硬碟驅動裝置。這些組件均是在最終硬碟系統中所有潛在的粒子源。本發明的塗層也可以用於減少MEMS(微電機系統)、高純度工藝(用於減少潛在汙染的塗覆工藝裝置)以及半導體加工裝置(例如印刷電路板裝置上的表面安裝組件)中的粒子脫落。

具體實施例方式 簡要地說，本發明的塗層包括含氟化合物部分(即作為主鏈或側基)和活性懸掛基團。
在一些實施方式中，本發明的塗層包括選自全氟代聚醚和氟代丙烯酸酯共聚物的含氟化合物部分。
在一些實施方式中，活性懸掛基團部分選自活性矽烷基、活性環氧基和活性三聚氰胺基。
例如，我們已經發現，由具有矽烷端基的全氟聚醚製成的塗層能有效減少例如來自例如鋁和銅的粒子脫落。物質的通式結構為 (RO)3Si-(CH2)b-NHC(O)CXF-(O(CFR1)a)p(O(CFR1CF2)a)q-OCFXC(O)NH-(CH2)b-Si(OR)3 其中R可以為甲基或乙基，R1為F或CF3，X為F或CF3，a為1～4的整數，b為1～10的整數，p為1～145的整數，q為0～145的整數，該聚合物的數均分子量可以在約500～約10,000的範圍內。下標p和q的基團可以在鏈中任意分布。
在其它的一些實施方式中，物質的通式結構為 (RO)3Si-(CH2)b-NHC(O)CXF(OC3F6)yO(CF2)zO(C3F6O)xCFXC(O)NH-(CH2)b-Si(OR)3 其中R可以為甲基或乙基，X為F或CF3，x和y可以相同或不同，各自為0～10的整數，條件是其中至少之一不為0，z為2～10的整數。
如果最終塗層的分子量太低，所形成的塗層容易過於易碎。通常優選該塗層表現出一定程度的柔性，以使得該塗層保持固定，並避免在裝置的操作過程中隨著塗覆設備的彎曲、膨脹和或收縮而產生脆性破裂。
在本發明其它的一些實施方式中，該塗覆材料的通式結構為 (RO)3Si-(CH2)3-NHC(O)CX1F-(O(CFR1)a)p(O(CFR2CF2)a)q-OCFX2C(O)NH-(CH2)3-Si(OR)3 其中R可以為甲基或乙基，R1和R2可以相同或不同地為F或CF3，X1和X2可以相同或不同地為F或CF3，a為1～4的整數，b為1～10的整數，p為1～145的整數，q為0～145的整數，該聚合物的數均分子量可以在約500～約10,000的範圍內。下標p和q的基團可以在鏈中任意分布。
一種適宜材料的示例性實例如下
其可作為3MTM Easy Clean Coating ECC-1000獲自3M Company。下標x和y的基團可以在鏈中任意分布。在美國專利6,613,860(Dams等)中公開了這些材料，其整體引入此處作為參考。
優選該基底和塗層的選擇使得該塗層可通過共價鍵固定到基底表面上。分子中的活性懸掛基團，即在該例中的矽烷基有助於該所需的鍵合性能。此外，儘管我們不希望被該理論限制，但據認為由於所述矽烷基與所述基底上的鍵合位發生反應，從而該塗層可以提供卓越的防腐蝕性，否則所述基底容易受到腐蝕反應的影響。
所述塗層的厚度可以約為或基本小於固定在基底中的粒子尺寸，例如與約0.1～大於5μm範圍內的平均粒徑相比，塗層厚度在0.01～1.0μm範圍內。
在存在水的情況下，OR基將在聚合物上進行反應形成矽烷醇基。該矽烷醇基將與其它矽烷醇基反應，由此使該聚合物交聯，在氧化物表面(例如鋁、銅、矽和陶瓷材料)的情況下，將該聚合物共價鍵合到所述表面上。
根據活性基團、基底參數、所需的加工條件等，可以通過添加有效量的適當催化劑而提高塗覆材料的固化速度。例如，對於使用全氟聚醚矽烷製成的塗層，可以使用例如獲自DuPont的KRYTOXTM 157FSL的試劑來催化。
在其它實施方式中，其中所述聚合物具有活性羥基或羧酸基懸掛基團，並與三聚氰胺進行交聯，可以添加酸催化劑(例如NACURETM2558，一種嵌段酸催化劑)。
在一些實施方式中，優選使用兩段固化方法。在第一段中，該塗覆組合物部分地固化到第一狀態，在該第一狀態下其不再具有粘性，但在組合物中仍有活性懸掛基團，例如游離矽烷基。在該狀態下，所述塗覆的製品便於操作。在隨後的製品(例如「原位形成的襯墊」，如可固化的環氧基組合物)放置之後，將該塗層和製品接觸固化並實現良好的粘合。
同樣觀察到，如果通過在相對較低的溫度下加熱較長的時間進行固化比在較高的溫度下加熱較短時間進行固化通常會實現更好的效果，例如在120℃而不是150℃。
本發明的塗層的另一優點在於其在簡短接觸過程中表現出較小的吸收或「獲得(pick up)」有機物質的傾向，例如在清潔過程中的汙染物和其它試劑，因此本發明的塗層與很多替代材料相比更不容易除氣。
通過在即將粘結前用含氟化合物溶劑擦拭，可以改進本發明的塗層與製品隨後的粘附。
實施例 將通過以下的非限制性實施例對本發明進行說明。用於測試的基底是由指明的材料製成的試樣。從原材料上剪切出試樣，在接近角落處鑽孔，使在測試過程中可以懸掛該試樣。
清潔方法1 在塗覆之前，通過用3MTM NOVECTM HFE-72DA(可獲自3M Co.，St.Paul，MN)進行蒸汽脫脂而清潔基底。在獲自Branson UltrasonicsCorporation of Danbury，Connecticut的型號為B452R的雙池蒸汽脫脂器中進行清潔，使用以下的操作參數 30秒初始蒸汽衝洗， 在衝洗池中操作3分鐘(無超聲)，和 30秒最後蒸汽衝洗。
清潔方法2 在塗覆之前通過在丙酮中浸漬10分鐘而清潔基底。然後將基底放平，用2-丙醇(對於20個基底使用約100mL)進行噴射。然後通過擦拭除去剩餘的2-丙醇，使基底乾燥過夜。
清潔方法3 在塗覆之前通過用CMOS級2-丙醇(可獲自JT Baker，Phillipsburg，New Jersey)和VWR Spec-Wipe 4擦拭器(可獲自VWR International ofWest Chester，Pennsylvania)擦拭清潔基底。然後將試樣(coupon)浸漬在18.2MΩ的水中，並用40瓦特每加侖電能的68kHz超聲波超聲90秒鐘，所述18.2MΩ的水經0.2微米(絕對)過濾器過濾。用VWRSpec-Wipe4擦拭器擦拭使試樣乾燥。
塗覆方法 通過浸漬塗覆施加所有塗層。用於這些研究的拉伸速率範圍為1.7～3.6mm/s(4～8.5in/min)。通過基底上的孔使用紙夾將基底懸掛起來並在浸漬塗覆過程中完全浸漬。固化條件根據聚合物而改變，下面討論了各聚合物的具體情形。
化格法粘附(crosshatch adhesion) 利用ASTM D3359-95a、測試方法B使用兩種變體測定化格法粘附或橫切帶(cross-cut tape)粘附。首先，與推薦的11×11切不同，使用4×4切用於使塗層小於2密耳。第二，除目測之外，使用Sharpie標記物指示塗層的存在。含氟化合物塗層排斥該標記物。如果去除塗層，可以容易地標記基底。
萃取 使用基於IDEMA Microcontamination Standards M9-98的方法進行LPC萃取。將基底完全浸漬在18.3MΩ的水中，並暴露於超聲(40瓦特/加侖，40或68kHz)30秒。用液體粒子計數器分析水中的粒子水平。
在1000級淨化室環境中進行LPC萃取。過濾到0.1微米的18.3MΩ水用於本測試的所有部分。測試裝置由固定在超聲池中的1000ml的KIMAXTM燒杯(獲自VWR International)構成。使用28規格的可軟焊的聚氨酯定子線(獲自MWS Wire Industries of Westlake Village，CA；零件號28 SSPN)將待測試的部分浸漬在燒杯中。使用HIACROYCOTM，Micro Count 100(獲自Hach Ultra Analytics，Grants Pass，OR)測定液體中的粒子水平。
在各測試取樣之前，運行空白測試來測定燒杯和水的清潔度。用水衝洗燒杯，然後充滿1000ml的水。
一旦確定了良好的空白，將試樣浸入水中。懸掛試樣使其完全浸沒且不接觸燒杯壁。使用超聲30秒。去除50ml的液體樣品用於LPC分析。如下計算試樣單位表面積的粒子數
對各塗覆條件分別測試三個單獨的試樣。其平均結果示於表中。在大多數情況中，對各試樣進行多組萃取，通常為三組。
塗覆材料 用ECC-1000(一種具有矽氧烷端基的全氟聚醚，獲自3M Co.of St.Paul，MN)塗覆實施例1和2，FCI的通式結構為
該聚合物是從3MTM NOVECTM Hydrofluoroether HFE-7100中獲得的。以總聚合物固體2％添加獲自Dupont of Wilmington，Delaware的全氟聚烷基醚羧酸混合物KRYTOXTM 157 FSL(即在90g HFE-7100中的0.2g的KRYTOXTM 157 FSL和9.8g的ECC-1000)。
用包含活性含氟化合物共聚物(如下所述合成)、UD350W(獲自King Industries of Norwalk，CT的聚氨基甲酸酯二醇)、RESIMENETM747(獲自Solutia，Inc.of St.Louis，MO的甲基化三聚氰胺)、NACURETM2558(獲自King Industries of Norwalk，CT的嵌段酸催化劑)和SILWETTTM L-77(獲自Helena Chemical Co.of Fresno，CA的矽酮聚醚共聚物)的水溶液塗覆實施例3～5。



(氨基甲酸酯二醇)UD350W 使用以下組分合成活性含氟共聚物FC II 60gHFPOMA(六氟環氧丙烷甲基丙烯酸酯) 27gHEMA(甲基丙烯酸羥乙酯) 10gMAA(甲基丙烯酸) 3g ME(丙烯酸甲酯) 300g IPA(2-丙醇) 1g VAZOTM 67(可獲自DuPont的自由基引發劑) 10.3g DMEA(二甲基氨基乙醇) 233g 去離子水。
將HFPOMA、HEMA、MAA、ME和IPA加到燒瓶中，然後添加VAZOTM 67。攪拌該材料形成溶液。用氮氣淨化該溶液7分鐘。將該溶液加熱到65℃保持18小時。在此之後，添加DMEA。將形成的溶液攪拌3分鐘，添加去離子水。反應混合物變成泡沫狀，在約2分鐘之後形成溶液。在低壓下從溶液中蒸餾出IPA，得到水溶液。
按照如下方法製備表1中所列的組合物，在攪拌下將UD350W添加到包含去離子水的燒杯中。在UD350W溶解之後，添加RESIMENETM747。在所形成的溶液中添加NACURETM 2558，並在2分鐘後添加活性FC II，然後添加SilwetTM L-77。
沒有實施例6。
用帶有矽氧烷端基的六氟環氧丙烷聚合物塗覆實施例7。
對於實施例7，如下製備矽烷(C2H5O)3SiC3H6NHCOCF(CF3)[OCF(CF3)CF2O]nC4F8O[CF(CF3)CF2O]mCF(CF3)CONHC3H6Si(OC2H5)3的塗層。
通過在氟化銫(15.5g)存在下，於-20℃使全氟琥珀醯氟(FCOC2F4COF；24g，51％純度；0.064摩爾)和六氟環氧丙烷(109g；0.65摩爾)在四乙二醇二甲基醚溶劑(341g；在約40小時內添加)中發生反應，製備矽烷產物的甲酯前體。在該反應完成後，用大量過量的甲醇在環境溫度下處理形成的二醯基氟混合物，將醯基氟轉化為下式的標稱結構的二甲基酯(m+n約為5～7)，將下部的產物相與上部的甲醇/四乙二醇二甲醚相分離，用水洗滌下部的相，得到111g酯產物MeO2CCF(CF3)[OCF(CF3)CF2O]nC4F8O[CF(CF3)CF2O]mCF(CF3)CO2Me(122g)。
將該酯與以類似方式製備的物質相結合，蒸餾兩次，將範圍為38℃～198℃/0.7mm Hg的蒸餾餾分除去，將剩餘的蒸餾餘液用於矽烷的合成。通過氣液色譜法得到最終產物中m+n的平均和為7.6。
用不含溶劑的氨基丙基三乙氧基矽烷(4.5g，0.02摩爾)處理該
材料(14.9g)。在約24小時之後添加少量矽烷，以將剩餘的酯官能團轉化為產物矽烷。氨基矽烷的IR波段出現在1709cm-1。
用含氟氨基甲酸酯矽烷醇，FCIV分散體的水溶液塗覆實施例8。如下製備FCIV
將30g ODA(丙烯酸辛基癸酯)、30g UMA、20g A-174(獲自OSi Specialties，Inc.，Danbury CT)、10g KF-2001(巰基矽酮)、10gMPTS(巰基丙基三甲氧基矽烷)，以及9.5g甲基異丁基酮(MIBK)和0.5g VAZOTM 67的預混物(當放置在熱帽水浴中為清澈溶液)在具有Teflon襯墊帽的玻璃罐中化合。用氮氣向該混合物噴射，密封，在65℃的耐洗試驗器中翻滾24小時。將所形成的MIBK溶液在60℃下攪拌，同時用聲波處理，在60℃時還添加去離子水/TWEEN 20(總固含量為5％)溶液。將所形成的乳狀液用聲波處理3分鐘。通過減壓蒸餾除去MIBK，得到穩定的含水乳狀液。添加SILWETTTM L-77以改善成膜性能。
用如下通式的含氟丙烯酸酯共聚物塗覆實施例9
其是從HFE-7200(可獲自3M Company of St.Paul，MN)中得到(delivered)的。通過將47.6g低聚甲基丙烯酸六氟環氧丙烷氨基乙酯(其通式為C3F7O(CF(CF3)CF2O)nCF(CF3)CONHC2H4OCOC(CH3)＝CH2，其中n為3或更大)、0.95g A174(甲基丙烯酸3-三甲氧基矽烷丙酯)、1.4g MPTS(3-巰基丙基三甲氧基矽烷)和220g HFE 7200添加到1升的燒瓶中合成所述共聚物。該燒瓶裝配有機械攪拌器，並在攪拌下置於N2吹掃下10分鐘。在此階段之後，添加2克LUPEROXTM 26M50引發劑(獲自Arkema，Inc.，of Philadelphia，Pennsylvania)的溶液(含1克固體)，將該反應混合物加熱到70℃並保持18小時。
用具有下述通式的含氟丙烯酸酯共聚物塗覆實施例10
其是從HFE-7200中得到的。通過將40g低聚甲基丙烯酸六氟環氧丙烷氨基乙酯(其通式為C3F7O(CF(CF3)CF2O)nCF(CF3)CONHC2H4OCOC(CH3)＝CH2，其中n為3或更大)、5g甲基丙烯酸3-縮水甘油氧丙酯、5g甲基-3-巰基丙酸酯和230g HFE 7200添加到1升的燒瓶中。該燒瓶裝配有機械攪拌器，在攪拌下置於N2吹掃下10分鐘。在此階段之後，添加2克LUPEROXTM 26M50引發劑的溶液(含1克固體)，並將該反應混合物加熱到70℃並保持18小時。從共聚物溶液中過濾出痕量的不溶沉澱。
實施例1和2 對於實施例1，所有的試樣都用清潔方法1清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切帶實驗方法測試一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。通過LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表3。表中的各數據均為各條件下三個試樣的平均值。
對於實施例2，所有的試樣都用清潔方法2清潔。將兩個試樣塗覆，將兩個試樣保持未塗覆作為對照樣。通過LPC萃取測試這些試樣。結果示於表4。各點均為各條件下兩個試樣的平均值。
實施例3、4和5 對於實施例3，所有的試樣都用清潔方法1清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切帶測試方法測試其中一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。用LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表6。表中的各數據均為各條件下的三個試樣的平均值。
對於實施例4，將三個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用LPC萃取測試所有塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表7。表中的各數據點均為各條件下的三個試樣的平均值。
對於實施例5，所有的試樣都用清潔方法1清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切帶測試方法測定一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。用LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表8。表中的各數據均為各條件下的三個試樣的平均值。
實施例7 對於實施例7，所有的試樣都用清潔方法1清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切帶測試方法測定一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。用LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表10。表中的各數據點均為各條件下的三個試樣的平均值。
實施例8 對於實施例8，所有的試樣都用清潔方法1清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切帶測試方法測定一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。用LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表12。表中的各數據點均為各條件下的三個試樣的平均值。
實施例9 對於實施例9，所有的試樣都用清潔方法3清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切粘附測試方法測定一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。用LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表14。表中的各數據點均為各條件下的三個試樣的平均值。
實施例10 對於實施例10，所有的試樣都用清潔方法3清潔。將四個試樣塗覆，將三個試樣保持未塗覆作為對照樣。使用橫切粘附測試方法測定一個塗覆的試樣。沒有觀察到塗層除去。用LPC萃取測試剩餘三個塗覆和未塗覆的試樣。結果示於表16。表中的各數據點均為各條件下的三個試樣的平均值。

權利要求
1.一種基底，包括在所述基底的至少一部分上的塗層，其中所述塗層包括含有含氟化合物部分和活性懸掛基團的物質的反應產物。
2.如權利要求1所述的基底，其中所述塗層包括具有如下通式結構的物質的反應產物
(RO)3Si-(CH2)b-NHC(O)CX1F-(O(CFR1)a)p(O(CFR2CF2)a)q-OCFX2C(O)NH-(CH2)b-Si(OR)3
其中R為甲基或乙基，R1和R2可以相同或不同，為F或CF3，X1和X2可以相同或不同，為F或CF3，其中a為1～4的整數，b為1～10的整數，p為1～145的整數，q為0～145的整數，其數均分子量為約500～約10,000。
3.如權利要求1所述的基底，其中所述塗層包括具有如下通式結構的物質的反應產物
其中x為0～150的整數，y為0～85的整數，條件是x和y不都為0。
4.如權利要求1所述的基底，其中所述塗層包括具有如下通式結構的物質的反應產物
(RO)3Si-(CH2)b-NHC(O)CXF(OC3F6)yO(CF2)zO(C3F6O)xCFXC(O)NH-(CH2)b-Si(OR)3
其中R可以為甲基或乙基，X為F或CF3，x和y可以相同或不同，各自為0～10的整數，條件是其中至少一個不為0，z為2～10的整數。
5.如權利要求1所述的基底，其中所述塗層包括選自具有如下通式結構的物質的反應產物
和
6.如權利要求1所述的基底，其中所述活性懸掛基團選自活性矽烷、活性環氧化物、活性羧酸和活性羥基。
7.如權利要求1所述的基底，其中所述基底為硬碟驅動器組件，其包括至少一個用於在所述盤上磁存儲計算機數據的、與盤表面相連的磁頭。
全文摘要
本發明提供了用於抑制粒子的塗層。這種塗層包括含氟化合物部分和活性懸掛基團。
文檔編號G11B5/62GK101133099SQ200580048847
公開日2008年2月27日 申請日期2005年12月30日 優先權日2004年12月30日
發明者賈森·M·克倫, 格利高裡·D·克拉克, 麥可·A·洛基特, 理察·M·弗林 申請人:3M創新有限公司