CN101983438B - 用于减少颗粒脱落的封装涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明的各实施例涉及涂覆有精确施加到在切块期间暴露出的元件边缘的聚合物材料的封装陶瓷元件。公开了施加所述聚合物的方法、以及特别有用的特定聚合物。例如，可以使用精确施加方法施加所述聚合物材料，诸如将材料精确地直接写到特别期望的位置的喷墨印刷。在照相平版印刷方法的使用中描述了另一种方法。另外，发明人已经结合某些方面确定聚酰亚胺是特别有用的聚合物材料。
Description
技术领域
本发明一般涉及封装和涂层领域。在一个特定实施例中，本发明的某些方面可用作陶瓷的涂层，而在更特定的实施例中，可用作在硬盘驱动器中使用的陶瓷的涂层。已有文献表明当硬盘驱动器工作时，来自陶瓷的颗粒可能从大块衬底上脱离并变得可在盘壳体的内部移动，可能导致所述驱动器漏读或中断读取器的飞高(fly-height)。本发明的实施例有助于抑制那些颗粒。本发明的其它方面涉及用于涂覆该期望涂层的方法。
背景技术
保持零件和组件的清洁是盘驱动器工业中的主要挑战。已经发现的一个挑战是大多数盘驱动器零件是通过常规制备方法制备的，这些方法通常导致疏松的或从所述零件上掉落的并且成为主要污染源的颗粒。盘驱动器制造商通常具有用于确保已组装的驱动器没有内部颗粒的有效技术。某些公开的关于清洁这种构件的文章假定一旦所述构件被清洁并被置于正确位置后，在使用期间它们不会脱落颗粒。虽然对于在硬盘驱动器中使用的大多数常规材料来说该假定可能是正确的，然而随着用于硬盘驱动器的材料-尤其是脆性或易碎材料的多样性增加，这种假定开始瓦解。可能使用的较新材料的一个示例是陶瓷，诸如压电陶瓷材料。因此，对于盘驱动器工业的另一个主要挑战是控制在盘驱动器使用期间掉落的颗粒。
作为背景技术，采用微致动器的硬盘驱动器(HDD)系统使用电致动元件通过作为致动器支臂的“手腕”放置读出磁头。在悬挂级微致动器中，所述电致动元件通常是附着在致动器支臂的磁头安装块(或机座)与磁头悬挂装置之间的压电材料(通常由PZT制成，一种被称为锆钛酸铅的PbZrO3和PbTiO3的固溶体)。
由于压电材料(诸如PZT陶瓷)具有将电能转换为机械能且反之亦然的能力，其可用于诸如上述的应用中。例如，当将电压施加到PZT时，使PZT经历机械变形，这是一种称为反压电效应的现象。然而，为了使PZT表现其压电性能，必须在PZT与用于向PZT施加电压的电极之间具有良好电接触。出于此原因，通常是将PZT元件的顶部和底部表面金属化，以形成与所述PZT直接接触的电极，而通常保留各侧面裸露，以便不会短路所述陶瓷。
该文献意味着，在运行中，当将电压施加到PZT元件时，使其膨胀和收缩，以便相对致动器支臂移动悬挂装置，所述膨胀和收缩可以导致从所述PZT元件中脱出陶瓷颗粒(参见，例如，美国专利No.6,930,861)。如果这些颗粒(它们一般认为是从所述PZT元件的表面和边缘中产生的)移动到滑撬(其支撑转换磁头)和高速旋转的盘片之间的空间中，所述盘片和滑撬可能与所述颗粒交互作用而受到损伤，导致数据丢失、损伤记录磁头和磁头故障。
解决使用期间PZT颗粒脱落的方案已包括使用树脂、环氧树脂或等离子体喷射涂层来涂覆PZT构件。示范涂层包括碳氟聚合物(例如，氟丙烯或全氟聚合物)、聚对二甲苯及环氧树脂。可以使用浸泡、自流式涂覆、喷射涂覆、旋转涂覆、筛网涂覆、辊筒涂覆或蒸气沉积技术施加不同涂层。
在一种涂覆方法中，在PZT晶体或陶瓷中切出格网，以在每个PZT元件之间配置宽沟槽或空间。所述格网用于限定每个单独的PZT元件。随后使涂层树脂，诸如环氧树脂，流入到每个元件之间的沟槽并使其固化。由于以大于通常所需要的方式来形成所述沟槽，所以可以在填满环氧树脂的沟槽的中间形成切口，以便提供两侧面均被涂覆的PZT元件。例如参见美国专利No.6,393,681。
涂覆PZT元件的另一方案涉及施加围绕每个PZT元件周围的绝缘薄膜。所述薄膜可以是绝缘材料，诸如粘合剂涂覆的树脂带。例如参见美国专利No.6,661,618。涂覆方法的另一个示例是在整个元件周围施加非常薄的涂层，可以对其贯穿焊接以便建立与顶部电极的电连接。例如参见美国专利No.6,930,861。
然而，这些方法的每一个均具有缺点，并且在悬挂装置上的PZT元件一般留下未被涂覆。例如，诸如硅氧烷的涂覆材料可以导致PZT元件难于机械操控，使得将其组装到盘驱动器中成为难题。在全部暴露表面(包括金属化区域中的至少一个)上封装的PZT元件需要去除陶瓷的金属化区域上的无用涂层以便可以附着电极，或者仅施加非常薄的涂层以便不管所述涂层如何都可以附着电极。用树脂填充格网的空隙并随后加工所述树脂以分隔元件的工艺需要慎微加工，并且冒着产生所述涂层的薄屑的风险，这种薄屑潜在的损害与陶瓷颗粒一样。因此，在现有技术中仍然存在对于防止颗粒脱落且在盘驱动器制备期间能够易于操控的方法和材料的需要。
发明内容
本发明的实施例是基于以下前提，即对于陶瓷元件(例如，压电元件，尤其是PZT元件)颗粒脱落的主要区域不是发生在所述元件的金属化区域，而是发生在或接近所述元件的边缘，并且可以通过这里公开的工艺选择性涂覆这些区域，导致当将该元件组合到期望应用(例如盘驱动器)中时，可以容易地焊接。
结果是，本发明的各种实施例涉及涂覆有施加到在切块期间暴露出的元件边缘的聚合物材料的陶瓷材料，例如压电材料，诸如封装单块、单层或单晶材料、铅基压电多晶材料或多层陶瓷材料。这些材料中的大多数可以是PZT元件，并且在这里参照PZT元件进行了描述，但是应该理解的是，可以使用任何其它陶瓷或压电材料，并且应该认为它们也在本发明的范围内。一般来讲，可以认为，不管单层或多层的任何PZT致动器件和任何陶瓷表面，都适于在本发明的范围内使用。下面的可能材料的示例仅是用于描述，并不意图以任何方式限制本发明。
单层或单晶材料的一个示例可以是基于PMN-PT、PZN-PT或PIN-PT的固溶体，其可以包括(PbAyB(1-y)O3)(1-x)-(PbTiO3)x，其中A可以是Mg、Zn或In，B可以是Nb；x在大约0.25和0.60之间，y大约在0.333和0.5之间。铅基压电多晶材料的示例可以包括基于PbZrO3-PbTiO3、PbMg1/3Nb2/3O3-PbZrO3-PbTiO3；PbMg1/3Nb2/3O3-PbZrO3-PbTiO3的固溶体的多晶陶瓷材料。
多层陶瓷材料的示例可以是共烧多层，诸如单块多层致动器，其包括具有嵌入式金属内部电极的压电材料的薄膜的共烧、烧结迭层，所述嵌入式金属内部电极以与所述迭层交替的方式突出并且通过外部电极平行电连接。另一种多层制备可以通过配有条带的陶瓷薄板制成。可以通过丝网印刷在所述薄板上沉积银-钯电极。随后堆叠所述薄板并共烧。共烧技术帮助提供具有高硬度、低驱动电压、高容积效率和快速响应时间的紧凑器件。对于多层共烧陶瓷的较低成本的替代电极材料包括，但不限于，具有减低的钯和铜百分比的银-钯电极。
多层的另一个实施例可以是多层致动器(MLA)，其是共烧压电陶瓷薄板(通常5-100微米厚)的致密分层结构，其间交织有丝网印刷的金属电极。内部电极可以在每一个其它层中具有偏移(如多层电容器中常见的)，这种偏移在每个边缘上产生分立的正和负连接。可以通过外部电极(厚或薄的膜)将这些内部电极连接在一起，从而能够撑起致动器并使致动器能够利用任一侧面上的单个连接进行操作。最常见的多层致动器是作为多片(d33)致动器和弯折器生产的。与整块压电致动器相比，多层致动器可以在低驱动电压下提供高位移，尤其是当堆叠在一起时。
这里公开了施加聚合物的方法以及特别有用的特定聚合物。例如，可以使用精确施加方法施加所述聚合物材料，诸如将材料精确地直接写到特别期望的位置的喷墨印刷。在涂覆元件边缘的方法的另一个实施例中，使用照相平版印刷法。另外，发明人已经确定聚酰亚胺是特别有用的聚合物涂层材料。
本发明的实施例提供了一种用于制备具有在特定部分上的聚合物涂层的陶瓷元件的方法，其包括：
(a)提供在安装表面上安装的陶瓷材料，所述陶瓷材料具有金属化区域，并被切割以提供具有侧壁的一个或多个切取元件，所述切取元件通过一个或多个空间分隔开；
(b)使用喷墨印刷机将聚合物涂层施加到所述切取元件侧壁，保留所述元件的金属化区域基本未被涂覆。
在某些实施例中，所述聚合物涂层是非导电的。例如，如果将要被涂覆的材料是压电材料，比如PZT，则聚合物涂层必须是电绝缘的。在其它实施例中，通过在切取元件之间的空间中施加聚合物，而将聚合物施加到切取元件的侧面。在某些实施例中，可以以某一角度执行所述施加，以便主要将聚合物仅仅施加到切取元件的侧壁。在其它实施例中，在切取元件之间笔直向下地执行所述印刷。在其它实施例中，所述喷墨印刷机包含按需喷墨式印刷机。其可以是产生至少略微小于每个切取元件之间的宽度的墨滴尺寸或线宽度的连续型印刷机。在某些实施例中，将聚合物施加为直到大约3微米的厚度。在其它实施例中，所述喷墨印刷机能够在室温、低温或高温下有效分配所述涂层。
所述方法还包括：
(c)使所述涂层能够硬化；
(d)从所述安装表面移除所述切取元件；以及
(e)将所述切取元件组装到颗粒敏感环境中。
在某些实施例中，通过溶剂蒸发、交联或UV硬化中的一种或多种硬化所述元件。在某些实施例中，所述颗粒敏感环境是硬盘驱动器的内部。在其它实施例中，所述聚合物可以是液态聚酰亚胺溶液。
本发明的其它方面涉及用于制备具有在特定部分元件上涂覆的聚合物的陶瓷元件的方法，其包含：
(a)提供在安装表面上安装的陶瓷材料，所述陶瓷材料具有金属化区域，并被切割以提供具有侧壁的一个或多个切取元件，所述切取元件通过一个或多个空间分隔开；
(b)使用照相平版印刷技术向所述元件施加非导电聚合物涂层；以及
(c)施加显影溶液，以便从所述元件的金属化区域移除聚合物，而保留在所述切取元件的侧壁上的聚合物。
其它方面涉及液态聚合物溶液的用途，包括对在硬盘驱动器中使用的陶瓷构件的颗粒生成部位的表面进行封装。
其它方面还涉及封装压电陶瓷，其包含金属化区域和至少一个侧部边缘表面，并且使用喷墨印刷机，以液态溶液的形式向所述至少一个侧部边缘表面施加聚酰亚胺聚合物层。
在某些实施例中，所述陶瓷是单层和单晶材料、铅基压电多晶材料、单层、共烧多层或PZT材料。在其它实施例中，通过修整、切块、或者切割所述陶瓷来形成所述侧部表面，以提供未被金属化的侧面。在其它实施例中，所述涂覆层处于或低于3微米的厚度。
附图说明
图1示出用于涂覆PZT元件的工艺流程图。
图2示出使用常规涂覆方法涂覆的PZT元件的横截面图。
图3示出使用本发明的各种精确涂覆方法涂覆的PZT元件的横截面图。
图4示出具有延伸到PZT元件的切割元件之间的空间中的涂层过流的PZT元件的示意图。
图5示出包含具有不同涂层的各种PZT元件(化学式I)的液体颗粒计数数据的图。
图6示出包含具有不同涂层的各种PZT元件(化学式II)的液体颗粒计数数据的图。
图7示出由图6的涂覆方法获得的涂覆气相沉积硅烷的PZT元件的SEM显微照片。
图8示出由图6的涂覆方法获得的涂覆聚对二甲苯的PZT元件的SEM显微照片。
图9示出根据本发明的一个实施例的涂覆聚酰亚胺的PZT元件的SEM显微照片。
图10示出在被拾起之后的涂覆聚对二甲苯的PZT元件的显微照片。
图11是示出未金属化PZT晶片与金属化PZT晶片之间的对比的示意图，两者具有施加到其上的相等量的聚酰亚胺溶液。
具体实施方式
本发明的各实施例的一个目的是通过施加用于捕获和容纳颗粒的涂层减少陶瓷构件的颗粒脱落，这些颗粒原本会在颗粒敏感环境(例如，在硬盘驱动器壳体内部、在生物活基体应用中、或在任何其它适当应用中)中发生移动。陶瓷构件的示例包括但不限于，压电材料、PZT材料、或可能经受颗粒脱落的任何其它易碎或脆性材料。通过精确施加方法来施加所述涂层，诸如通过使用将所述涂层直接施加到所述构件的期望暴露表面上的喷墨技术，并且仅施加到需要所述涂层的那些区域。其它方法包括使用照相平版印刷方法，其将所述涂层施加到整个陶瓷元件，并且从最终产品中不需要涂覆的表面上去除该涂层。最终所要涂覆的区域是所述陶瓷元件的未金属化区域，特别是所述元件的边缘或侧壁。这里描述的方法还消除对于在已经施加封装之后对切取元件之间的空间(在现有技术中也称为“截口”)进行再切割的需要。所产生的陶瓷元件将颗粒脱落减少到低于目前由其它封装获得的水平，并且这里描述的方法消除对于融化、焊接、或再切割穿过所述金属化区域上的涂层的需求。
准备元件
如上所述，由于压电材料(诸如在本示例中具体讨论的PZT陶瓷，但本发明不限于此)具有将电能转换为机械能及反之亦然的能力，其可用于硬盘驱动器中。当将电压施加到PZT时，其经历机械变形。然而，为了使PZT表现其压电性能，其必须具有与电极的良好电接触。出于这个原因，必须金属化所述PZT元件的顶部和底部表面或区域。
可以通过现有技术中公知的大多数镀敷和金属化技术实现金属化(图1所示的第一步骤“A”)。最常见的技术包括丝网印刷、电镀和无电镀、蒸气沉积和喷溅。在所述金属化工艺中，也使晶片的边缘金属化，因此通常修整所述边缘(步骤“B”)。在修整之后，通过施加用于使所述晶片表现压电效应的电压，撑起所述晶片(步骤“C”)。
继续遵循图1的流程图(其仅是用于示范；应该理解的是可以省略或者按照不同次序执行各个步骤，并且仍然认为在本发明的范围内)，随后，检查所述晶片并将其安装在晶片载体上，以便易于操控。可以将晶片安装在任何适当载体上，一个示例是在至少一个侧面上具有可UV硬化的粘合剂的条带。这种载体可以帮助从所述条带上容易地移除所述晶片，如下面详细描述的。
在安装之后，切割所述晶片。可以使用金刚石切块滚轮实现所述切割，不过任何方法都是可行的并且在本发明的范围内。在切割期间，优选所述滚轮完全切过所述晶片，并且经常部分地切过可以是安装条带的所述晶片载体。(虽然有用于将工件保持在正确位置的几种方法，本示例使用了安装条带作为用于在切割期间将晶片在正确位置的晶片载体。应该理解的是，可以认为任何其它适当方法在本发明的范围内。)其目的是将材料切割成基本上具有相同尺寸的多个工件或者提供所述晶片材料的分离工件，将称之为“切取元件”或“元件”。一般希望在此时不将所述切取元件从晶片载体上分开。切口可以是任何尺寸，并且取决于起始晶片材料的厚度，一系列切口(在现有技术中有时称为“截口”)可以将所述材料分成例如24×48个分离的切取元件。
可以优化切割程序，以提供最佳边缘质量，同时保持刀刃冷却和尽可能地冲洗切割碎屑。通过切割形成的空间可以是任何期望尺寸，而所产生的切取元件也可以是任何期望尺寸。在某些实施例中，切取元件之间的空间可以是在大约25-200微米之间的宽度，和在大约75-500微米之间的深度。在任何情况下，所述切口的深度通常是所述晶片的深度，以便将晶片划分成切取元件，但是，如讨论的，优选所述切口不延伸贯穿所述晶片载体。
在特定实施例中，所述空间的宽度可以是大约25-100微米宽，在更加特定的实施例中，是大约25-80微米宽，而在更加特定的实施例中，是大约40微米宽。在其它实施例中，所述空间的深度可以是在大约100和250微米之间的深度，在更加特定的实施例中，是大约100-150微米深，而在更加特定的实施例中，是大约125微米深。同样，所述切口的深度取决于所述材料的厚度(或深度)。切取元件范围可以从大约0.5-3毫米宽×1.5-5毫米长×晶片材料深度(例如，125微米深)。在更加特定的实施例中，所述切取元件尺寸范围可以从大约1-3毫米宽×2-5毫米长×晶片材料深度。仅是为了说明而提供上述示例，并不意图用它们以任何方式限制本发明。提供这些示范范围仅仅是作为切取元件的可能尺寸(长度、宽度和深度)。预期的是，可以为不同的用途、并且也将会为不同的用途使用改变的尺寸。
在切割之后，如果将所述晶片安装在具有UV敏感粘合剂的条带上，为了“硬化”所述条带上的粘合剂以便减小其粘着性，可以将条带暴露于UV光线。通过在切割工艺之后使所述条带降低粘性，减少了条带和晶片(也就是切取元件)之间的粘着性，从而允许更加容易地从条带上“拾取”所述元件，如下所述。可以使用任何适当方法实现UV曝光，例如，通过将UV光线施加到所述条带的背侧。(通常使用同样也允许将UV光线暴露到所述切取元件侧面的机器来执行所述曝光。)虽然该步骤是可选的，但已经发现如果没有UV曝光，切取元件将过于粘附于条带载体，不易于拾起。接下来，清洁所述晶片。
在该点，现在将在所有暴露的侧面(即，至少五个侧面)上对常规PZT元件进行涂覆。然而，对于微致动器，必须保持与PZT元件的顶部表面的电接触。因此，对于覆盖全部暴露表面(包括元件的顶部表面，如图2所示)的常规封装，这意味着为了允许所述电连接，随后需要从所述顶部表面去除足够量的不导电封装。与之相比，本发明提供允许直接将所述封装或涂层仅施加到需要封装的那些表面上的精确施加方法，如图3所示。由此，这保留PZT元件的金属化顶部区域基本暴露。
喷墨方法
可以实现这种精确涂覆的一种方式是通过使用喷墨印刷机。在这种喷墨应用中，印刷头直接写入到所述空间(即，在相邻元件或“切取元件”之间的区域)内部。这涂覆了暴露原始陶瓷处的元件侧壁，而保留金属化区域未涂覆。
返回参考图1的流程图，描述的涂覆步骤进入到步骤“I”中。在清洁之后，将晶片安装到用于喷墨印刷的印刷位置。可以将多种商业可用的喷墨印刷机用于施加封装。特别优选的印刷机包括按需喷墨式印刷机，诸如MicroFab公司的MicroJet II型或Litrex公司的80L IIJ型印刷机。虽然这些类型的喷墨印刷机的制造商主要关注于印刷导电聚合物，本应用使用所述印刷机来施加全部类型的聚合物，特别是不导电聚合物。而且，常规上仅将这些印刷机用于在平坦表面上印刷-然而，本发明的实施例使用这些印刷机来向三维、有边结构施加材料。
另外，取代印刷点(如正常应用那样)，本应用优选使用印刷线。(在Cooley等人的文章，Applications of Ink-jet Printing Technology to BioMEMS and5 Microfludic Systems，Proc.SPIE Conference on Microfludics and BioMEMS，2001年10月，中描述了根据本发明的不同实施例可以使用的各种其它喷墨印刷机的示例。)本喷墨技术有意地将所述涂层仅施加到需要的位置。聚合物厚度可以是任何适当的厚度，不过已经在某些情况中发现，小于3微米的厚度是特别有益的。在更加特定的实施例中，可以提供在大约0.1-3微米之间的涂层，而在更加特定的实施例中，可以使用在大约0.1-1微米之间的涂层。在某些实施例中，优选所述涂层是薄的，以便防止元件的扭曲或收缩。
而且，虽然通常优选上述按需喷墨式印刷机，但也可以使用连续或连续型印刷机，只要线宽度足够小以防止封装流出到金属化区域上并且印刷机的速度足够高以防止封装液滴的束流过于紧密的堆积在一起。(典型连续印刷机产生大约150微米的线宽度，相对本应用中的优选空间尺寸(该空间尺寸通常小于200微米)这可能是太大。然而，如果连续印刷机可以以足够高的速度产生匹配所述优选空间尺寸的线宽度，就可以使用。)还优选使用可以在不同温度(诸如室温、低温或高温)下有效分配涂层的印刷机(并且尤其是喷墨印刷机)。
本步骤的主要目的是用期望的涂层涂覆在各切取元件(和/或切取元件的各侧面)之间的空间，同时保留所述元件的金属化区域未涂覆。如果墨滴尺寸或线宽度太大，那么所述涂层将过流到金属化区域，而这是不需要的。在图4中示出这种过流的示例。(在形成所示出的样本的实验中，认为对准误差也是导致所述墨水过流的因素。一旦优化参数后，执行在图5中反映的聚合物示例。)因此，对于大多数期望的和有效的涂层，优选墨滴尺寸或线宽度小于(虽然可能仅需要略微小于)空间尺寸。在一个示例中，当墨滴尺寸或线宽度是空间尺寸的大约68％到87％时获得了有益结果。假定对于相似应用，在空间尺寸的55％到97％之间的墨滴尺寸或线宽度将提供良好结果。
照相平版印刷方法
用于在所述涂覆工艺中使用的一个替代精确施加方法是使用照相平版印刷方法。这包括使用化合物(诸如光敏聚酰亚胺)全面涂覆陶瓷元件，该化合物在暴露于特定波长辐射时改变溶度特性。涂覆技术包括，但不限于，旋涂、喷射或浸泡方法。可以通过使用掩模或通过无掩模方法实现精确显影。随后使用显影溶液来从金属化区域去除所述化合物，由此在元件边缘(例如，仅在切取元件的空间或侧面中)上留下封装。所述喷墨和照相平版印刷方法两者均消除了对于从不需要涂层的区域(例如，从金属化层)融化、焊接或者再切割贯穿所述涂层的需要。
在沉积之后，不管使用哪种方法，硬化所述晶片，如步骤“J”所示。依据所用的封装，可以使用任何适当方法硬化所述晶片，诸如空气硬化、UV硬化、热硬化等等。在硬化之后，清洁所述晶片(步骤“K”)以去除来自所述印刷工艺的任何残余污染物(一般为轻表面污染物)。在检查(步骤“L”)之后，现在PZT元件遵循与未封装晶片相同的工艺路径。例如，将元件从晶片载体(例如，条带)上拾起，安装到悬挂装置上，并组装到硬盘驱动器中，或者无论任何终端应用都是适当的。这里描述的涂覆方法的一个潜在有益特征是不需要用于将元件与安装面分离开的特定工艺。也可以与这里描述的技术一起使用用于移除未涂覆工件的典型拾起和放置机械。
聚酰亚胺涂层
本发明的第二方面是认识到聚酰亚胺溶液特别适于作为用于硬盘驱动器(HDD)应用中的陶瓷构件的涂层或封装剂。发明人已经发现与以前已经使用的其它涂层相比，聚酰亚胺溶液提供增强特征和益处。在特定实施例中，使用了在N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中的聚酰亚胺或光敏聚酰亚胺。可以将聚酰亚胺溶解在NMP中，并且通过上述精确施加方法直接施加到需要提供封装的位置。其结果是当溶剂挥发时留下的聚酰亚胺聚合物涂层。
通常不将聚酰亚胺作为陶瓷构件的涂层用于硬盘驱动器(HDD)应用中，而是由生物医学工业使用，这是由于其为生物医学设备提供良好保护，是生物兼容的，具有良好粘附力，是弹性适应的，并且可以经受住“极端”条件(高湿度、大温度变化等等)。虽然在本应用中将聚酰亚胺用于减少硬盘驱动器应用中的颗粒脱落，应该理解的是，也可以在其它应用中(诸如生物医学设备)将聚酰亚胺用于减少在其中使用的陶瓷的颗粒脱落。精确施加技术的使用允许使用液态涂层，以便可以使用聚合物涂层(这种聚合物涂层的非限制性示例包括液态聚酰亚胺、氰丙烯酸脂、丙烯酸脂、环氧树脂和酚醛树脂)。虽然已经发现对于本应用而言液态聚酰亚胺涂层起到特别好的作用，然而，应该理解的是，还存在在本应用中没有明确提及的可以与上述施加方法一起使用的其它可行涂层，但是仍然认为它们在本发明的方法的范围内。
对于液态聚酰亚胺涂层且不想被任何理论束缚，由于聚酰亚胺是高度极化的，发明人相信，聚酰亚胺涂层与本发明的某些方面相结合，起到特别好的作用。由于PZT陶瓷也是高度极化的，因此发明人相信高度极化溶液或涂层(即，具有高偶极矩的材料)具有湿润PZT陶瓷的亲合力。例如，PZT单胞是立方体的，并且可以认为在立方体的各顶角处包含铅原子。在所述立方体的每个面心处是氧原子，而在所述立方体自身的中心(体心)处是锆或钛原子。因此，PZT结构包含给予氧的大电子亲合力的强偶极矩(虽然整个结构是中性的)。可以认为中性金属(如金属化层中的那些)是浸在电子云中的正离子。虽然存在将涂层吸引到特定衬底的多个原因，这些因素中的一个是衬底的电负性或偶极矩。
在对于PZT和金属化层的上述模型下，看起来与湿润金属化层相比，具有强偶极子的涂层更有可能湿润PZT。可以通过引入氧和氮，实现聚合物中的强偶极子。碳和氢具有相似的电子亲合力，因此不能形成高负电性键。直接键合到氧或氮的氢形成最极化共价键(导致某些最强范德瓦尔力)。
具有强偶极矩的和具有相当高百分比的氧和氮(即具有强电子供给和电子接收根)的涂层更有可能优先湿润PZT，并“吸入”到PZT衬底的微裂缝和表面缺陷中。例如，图11示出当将相等量的聚酰亚胺施加到未金属化PZT晶片10和喷金金属化PZT晶片12时，两者的湿润特性之间的对比。金层的厚度大约为0.2微米。特定地，将聚酰亚胺的NMP溶液的20微升液滴施加到每个晶片表面10、12。(本示例使用了比典型应用中使用的更大的液滴尺寸，并且仅是为了阐明湿润中的差异。)为了观察，其标有图11中的晶片的每一个都被测量了大约2”×3”的注释。发现对于裸露的、未涂覆的晶片10，聚酰亚胺的NMP溶液的液滴具有较强的亲合力。
如图所示，聚酰亚胺的NMP溶液的第一滴液滴14湿润未金属化表面10(裸露的、未涂覆PZT表面)，如通过围绕其所扩展开的区域的虚线所示，而第二滴液滴16在金属化表面或层12上形成液珠，如围绕该液珠的区域的虚线所示。这表明，对于高极化PZT陶瓷10，所述聚酰亚胺溶液具有固有亲合力，允许其吸入到由这里描述的切割工艺产生的沟槽边缘。同样，相信这种活性是由于聚酰亚胺溶液的极性(大概与用于溶解聚酰亚胺的NMP的极性相结合)，并且预期，具有强偶极矩的其它涂层应该具有相似行为并且可以根据这里描述的方法使用它们。(需要指出的是，虽然使用相对大的平坦表面执行本实验，根据本发明的实施例实际涂覆的表面是在切取元件之间的空间，如图3所示。这种表面可能比图11所示平坦表面更光滑或更粗糙，但是无论如何，预计会得到相同结果。)作为对比，参考图5，已经气相沉积在陶瓷上的聚对二甲苯涂层(聚对二甲苯不具有明显的偶极矩，且不像上述聚酰亚胺那样溶于NMP溶液)不太可能渗透PZT衬底，而且与湿润PZT相比更可能湿润金属化层。因此，相信由于聚对二甲苯与陶瓷之间的极性差异，以及由于聚对二甲苯涂层不是最佳的(例如，元件侧面没有被特别地涂覆)，因此聚对二甲苯涂层易于剥落成碎片，在图10中示出了其示例。在各种实验中使用的其它物质是氰丙烯酸脂和酚醛树脂，并且发现在涂覆PZT衬底方面与聚酰亚胺相比，这些物质也是低效的。另一方面，由于在其化学式中的氮和氧根，与金属化层相比，液态聚酰亚胺溶液更易于附着到PZT表面。参见图11。因此，相信对于这里描述的方法，聚酰亚胺溶液(以及具有强偶极矩的其它涂层溶液)是较好的候缺物。
由于上述精确涂覆方法直接将涂层施加到相邻元件的空间中，有效涂覆在切块期间暴露的表面，因此经常使用液体，不过并不是必须的。在沉积工艺期间，随着溶剂蒸发，聚酰亚胺涂覆暴露的边缘。这在需要提供封装的区域中留下共形涂层。
示例
已经测试涂覆有聚酰亚胺的PZT元件，并将其与涂覆有聚对二甲苯(和其他涂层)的元件进行比较，已经发现其脱落更少的颗粒。在每种情况中，将PZT晶片附着到安装条带，随后用金刚石切块滚轮切割成单独的PZT元件，随后进行超声波清洁。在干燥之后，在仍然留在安装条带上的位置的同时，如上所述，使用喷墨印刷机以液态聚酰亚胺溶液涂覆各切取元件之间的空间。在涂覆之后，从安装条带上移除单独的PZT元件并进行评估。
用于测量硬盘驱动器构件的清洁度的最常用方法之一是使用构件部分的液体颗粒计数(LPC)。在清洁所述构件之后，将它们在固定体积的去离子水中以固定时间量进行超声波频率的声波处理(即，以接近元件将要侵蚀的功率的高功率设置来进行超声波清洁，以便“摇晃掉”原本在正常工作期间要脱落的颗粒)。以此用作最终产品清洁程度的度量。随后通过激光散射计算所述液体中收集的颗粒数量。需要控制的关键参数包括水纯度级别(不仅指水的电阻，而且指溶解的气体和其它非离子杂质的级别)、水温等等。在本示例中，由于在减少颗粒脱落方面的重大改进，使用了更加严格的参数(导致更高颗粒计数)。
图5和图6所示的图表示出对于施加到PZT元件的不同涂层所采集的LPC数据。在每种情况中，将原始计数归一化为未涂覆元件的计数(将之设为100％)。这两个不同图表表示所测试的PZT元件的两种不同化学式。图5示出化学式I的PZT(5H2)而图6示出化学式II的PZT(508)。下面给出所述两个衬底的描述：
在本示例中，两个化学式都是PZT-5的不同化学式，并且都被认为是高灵敏性软材料。因此，预期对于包括软或硬PZT的其它陶瓷化学式可以获得相似结果。
如图5所示，测试了下述类型的涂层：喷墨施加的聚酰亚胺和气相沉积的聚对二甲苯(厚度0.3微米)。如图6所示，测试了下述类型的涂层：厚度为1微米和0.3微米的喷墨施加的聚酰亚胺、气相沉积的硅烷、气相沉积的聚对二甲苯。
使用聚酰亚胺的测试
一般来讲，发现聚酰亚胺涂层优于测试的其它涂层。下面列出了用于以聚酰亚胺涂层获得优异结果的参数，但是应该理解的是这些仅是可能参数的示例，也可以使用其它参数来优化结果：
●来自Nissan化学电子材料分公司(Nissan Chemical，ElectronicMaterial Division)的聚酰亚胺(等级：7492，型号：062M，批次#：4J21LT)
●溶剂：NMP(6％聚酰亚胺(“PI”))
●MicroFab印刷机(条带移动同时喷头固定)
●电压：65V
●脉冲宽度：6.5微秒
●斜度：40/40V/微秒
●液滴体积：30pL，标称
●液滴频率：42滴/毫米
●印刷速度：32毫米/秒
●喷嘴尺寸：25-30微米
●通过次数：1
用6％的聚酰亚胺的NMP溶液执行印刷。可以独立设定升起时间和落下时间(如果印刷较高粘性材料是有用的)，并且优化设定是基于墨水的粘性、喷嘴和墨水湿润特性。例如：
当液滴离开印刷机管口时，形成拖尾。理想地，所述拖尾应该“抓”回到所述液滴中。如果其回到管口中，那么所述液滴尺寸小于预期尺寸，并且存在在管口上堆积的可能性。然而，某些时候，当所述拖尾“抓”时，其形成卫星液滴。卫星液滴可能导致衬底的不均匀覆盖。因此，通常通过减少从最大电压到零电压的时间或者使用负电压，来解决卫星液滴的问题。另外，还可以设定回波停留时间，以允许转换器推回任何(小)卫星。在本示例中，将升起和落下时间设定为3微秒，这将根据不同印刷机而改变。
在直接印刷到PZT上之前，可能希望在安装条带上进行测试运行，以确保在相邻液滴之间有足够的交叠。可以调整印刷头速度和分配频率，直到获得基本均匀的聚酰亚胺溶液线为止。然而，由于PZT和条带湿润程度不同，为了可视地观察PZT表面上的效果以便按照需要进一步优化参数，在切取元件的表面上进行分配也可以是有益的。
为了确保印刷适当的空间，可以在锯切口(在安装条带上)之前开始所述印刷，并在条带的另一侧上的切口之后结束。优选地，印刷完整的行或列。随后可以检查元件之间的空间，以确保聚酰亚胺溶液被印刷到所述空间内部，或者是否需要重新对准。在本实验中，在所述空间被“错过”或者对准不理想或精确的情形中，所述过流不会显著到足以引起关注。如果印刷机阻塞，已经发现，用NMP返回冲刷转换器并将其在丙酮中超声波清洁和漂洗可以是有效的。
在一个实施例中，在喷墨期间，可以填充在切取元件之间的整个空间。在硬化期间，溶剂挥发，留下聚酰亚胺聚合物固体。随后，这些固体附着到切取元件侧壁和安装表面(例如，条带)。由于聚酰亚胺溶液对于条带的湿润角度很高，因此大多数聚酰亚胺溶液迁移到裸露的PZT表面。相信这种直到表面中的迁移提供了期望的优化封装。
使用其它涂层的测试
如图6所示，本发明人已经发现，硅烷和聚对二甲苯的涂层增加了颗粒脱落(与未涂覆样品相比)。作为对比，聚酰亚胺涂层显著减少颗粒脱落。为了理解为什么使用这些其它涂层导致颗粒脱落增加，采用了代表在图6中执行的测试中使用的元件的某些涂覆样品元件的SEM图像，并在图7、图8和图9中示出。图7示出用气相沉积的硅烷处理涂覆的元件，在其中，所述硅烷涂层在所述元件的顶部上形成并保留，但是没有出现在所述元件的切割侧面上，或者很难渗入到各个元件之间的空间中。能够出现这种情况是因为未金属化的PZT表面不能用硅烷充分湿润，或者因为由于在安装条带上的相邻元件的遮蔽阻碍了蒸汽流到达元件侧面。用聚对二甲苯涂覆图8的元件。已知对于大多数表面，聚对二甲苯具有差的粘附力。在本情况中，在超声波处理期间，聚对二甲苯可能简单地剥落，导致高LPC计数。根据本发明的实施例，用聚酰亚胺涂覆图9中的元件。由于仅将该涂层施加到元件之间的空间，因此仅在元件的未金属化垂直侧壁上发现涂层。本示例中聚酰亚胺涂层非常薄(小于0.3微米每俄歇深度压形测量)，并且与所述元件垂直侧壁共形。一般相信，最佳涂层厚度是小于大约3微米。
当制备PZT元件时应该考虑的另一个参数是可拾起性(即，是否可以通过机械工具无裂纹地拾起元件)。由于破裂，试图拾起图8所示类型的涂覆聚对二甲苯的元件证明是困难的，使得涂覆聚对二甲苯的元件不适合用于微致动器，如图10所示。
如前面所述，PZT仅在可以保持其压电性能的应用中是有用的。在PZT元件的全部侧面上的完整涂层限制了机械变形，并导致夹紧(clamping)。为了确保根据本发明的各种实施例制备的PZT元件不存在夹紧，在印刷有聚酰亚胺溶液的PZT元件及未涂覆元件上执行电测量。统计上比较性能参数(诸如d31)。已发现，使用这里描述的涂覆方法和材料以聚酰亚胺溶液进行涂覆的PZT元件在性能方面与未涂覆元件相比并不是统计不同的。这一系列测试证明，本发明的涂覆方法和材料可以用于硬盘驱动器应用中的微致动器，并且与使用未涂覆元件相比它们是优越的解决方法。
一旦制备、涂覆并硬化元件后，可以从安装表面移除并组装到颗粒敏感环境中，诸如硬盘驱动器的内部。可以将每个切取元件单独地结合到悬挂装置。
在不偏离本发明的范围或精神及附属权利要求的前提下可以对上面描述的和附图中示出的结构和方法作出改变和修改、添加和删减。
Claims (19)
1.一种用于制备陶瓷元件的方法，该陶瓷元件具有在特定部分上的聚合物涂层，该方法包括：
(a)提供在安装表面上安装的陶瓷材料，所述陶瓷材料具有金属化区域，并被切割以提供一个或多个具有侧壁的切取元件，该切取元件通过一个或多个空间分隔开；
(b)使用喷墨印刷机向所述切取元件侧壁施加聚合物涂层，留下所述元件的金属化区域基本未被涂覆，其中在施加所述聚合物涂层之后，所述切取元件之间的一个或多个空间保持在最终产品中，
其中施加所述涂层使得所述聚合物涂层直接施加到所述切取元件侧壁，而不完全填充所述切取元件之间的一个或多个空间，从而能够除去所述切取元件，而不需要特别的处理来分离所述切取元件与所述安装表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物涂层是非导电的。
3.如权利要求1所述的方法，其中以液态形式施加所述聚合物。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述聚合物是液态聚酰亚胺溶液。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物具有高偶极矩。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物是与金属化区域相比更趋向于湿润压电材料的聚合物。
7.如权利要求1所述的方法，其中通过在所述切取元件之间的所述空间中施加所述聚合物，而将所述聚合物施加到所述切取元件的侧壁。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述喷墨印刷机包括按需喷墨式印刷机。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述喷墨印刷机包括连续印刷机，该连续印刷机产生的线宽至少略微小于所述切取元件之间的空间的宽度。
10.如权利要求1所述的方法，其中将所述聚合物施加为直到大约3微米的厚度。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述喷墨印刷机在室温、低温或高温下有效分配所述涂层。
12.如权利要求1所述的方法，其还包括：
(c)使所述涂层能够硬化；
(d)从所述安装表面移除所述切取元件；以及
(e)将所述切取元件组装到颗粒敏感环境中。
13.如权利要求12所述的方法，其中通过溶剂蒸发、交联或UV硬化中的一种或多种来硬化所述元件。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述颗粒敏感环境是硬盘驱动器的内部。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷包括压电转换器元件、单层或单晶材料、铅基压电多晶材料、单层、或共烧多层。
16.一种硬盘驱动器，其整合了通过权利要求1所述的方法制备的封装压电陶瓷。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物涂层是聚酰亚胺涂层。
18.如权利要求1所述的方法，其中施加的所述聚合物涂层的厚度小于所述一个或多个空间的宽度。
19.一种用于制备陶瓷元件的方法，该陶瓷元件具有在特定部分上的聚合物涂层，该方法包括：
(a)提供在安装表面上安装的陶瓷材料，所述陶瓷材料具有金属化区域，并被切割以提供一个或多个具有侧壁的切取元件，该切取元件通过一个或多个空间分隔开；
(b)使用喷墨印刷机向所述切取元件侧壁施加聚合物涂层，留下所述元件的金属化区域基本未被涂覆，其中在施加所述聚合物涂层之后，所述切取元件之间的一个或多个空间保持在最终产品中，
其中施加所述涂层使得所述聚合物涂层完全填充所述切取元件之间的一个或多个空间，其中所述涂层中的溶剂挥发，留下不完全填充所述切取元件之间的一个或多个空间的聚合物涂层。
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