Пластина жёсткого диска

Диаметр пластины, наряду с другими факторами, определяет производительность жёсткого диска. Магнитная поверхность каждой пластины разделена на небольшие магнитные области субмикрометрового размера, каждая из которых используется для представления одного двоичного бита информации.

Поверхность пластины часто имеет зеркальную отделку. Покрытие наносится после механической обработки. В процессе производства используется специальный датчик для проверки поверхности пластины с целью обеспечения отсутствия дефектов^[1].

Физические основы процессов записи и воспроизведения информации на магнитных носителях заложены в работах физиков М. Фарадея (1791—1867) и Д. К. Максвелла (1831—1879).

В магнитных носителях информации цифровая запись производится на магниточувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт и его соединения, сплавы, а также магнитопласты и магнитоэласты^[3], микропорошковые магнитные материалы^[4].

Магнитное покрытие имеет толщину в несколько микрометров. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для для жёстких дисков используются алюминиевые сплавы и композиционные материалы подложки. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, то есть состоит из множества намагниченных мельчайших частиц.

Магнитный домен (с лат. — «владение») — микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделённая от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация, действовавшем магнитном поле.

При записи информации внешнее магнитное поле создаётся с помощью магнитной головки. В процессе считывания информации зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС).

Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулём. Указанный промежуток времени называется битовым элементом^[5].

Материалом основного магнитного слоя носителя обычно является кобальтовый сплав. В современных жёстких дисках каждая из этих магнитных областей состоит из нескольких сотен магнитных зёрен (англ. magnetic grain), которые являются базовым материалом, подвергающимся намагничиванию. В целом каждая магнитная область обладает намагниченностью.

Одной из причин использования магнитных зёрен вместо непрерывного магнитного материала является то, что они уменьшают необходимое пространство для магнитной области. В непрерывных магнитных материалах склонны образовываться так называемые пики Нэля (англ. Néel spikes) — участки с противоположной намагниченностью, которые возникают по той же причине, по которой стержневые магниты стремятся ориентироваться в противоположных направлениях.

Это вызывает проблемы, так как пики взаимно компенсируют магнитное поле друг друга, и на границах областей переход от одной намагниченности к другой происходит на длине пиков Нэля. Этот параметр называется шириной перехода.

Многие пластины жёстких дисков имеют слой смазки из аморфного углерода, такого как алмазоподобный углерод, называемый защитным покрытием (англ. overcoat), который наносится на диск методом распыления (англ. sputtering) или химического осаждения из паровой фазы^[6]. Также в качестве защитных покрытий использовались нитрид кремния, PFPE (перфторполиэфиры)^[7][8] и гидрированный углерод^[9][10]. В качестве альтернативы PFPE может использоваться в качестве смазки поверх защитного покрытия^[11].

Гранулированный носитель ориентирован в зависимости от того, используется ли продольная или перпендикулярная магнитная запись^[12]. Упорядоченный гранулированный носитель позволяет достичь более высокой плотности хранения по сравнению с обычным гранулированным носителем, а структурированный носитель данных может превзойти упорядоченный гранулированный носитель по плотности хранения^[13].

Зёрна помогают решить эту проблему, поскольку каждое зерно теоретически является одним магнитным доменом (хотя на практике это не всегда так). Это означает, что магнитные домены не могут расти или уменьшаться, образуя пики, и поэтому ширина перехода будет примерно равна диаметру зёрен. Таким образом, значительная часть разработок в области жёстких дисков связана с уменьшением размера зёрен^[14][15].

Пластины обычно изготавливаются на основе алюминия, стекла или керамики^[16]. Пластины жёстких дисков для ноутбуков изготавливаются из стекла, тогда как алюминиевые пластины часто используются в настольных компьютерах^[17].

В производстве дисков тонкое покрытие наносится с обеих сторон подложки, преимущественно с помощью процесса вакуумного напыления, называемого магнетронным распылением. Покрытие имеет сложную многослойную структуру, состоящую из различных металлических (в основном немагнитных) сплавов в качестве нижних слоёв, оптимизированных для контроля кристаллографической ориентации и размера зёрен фактического магнитного слоя, расположенного поверх них, то есть плёнки, хранящей биты информации. Сверху на него в том же процессе распыления наносится защитное углеродное покрытие.

Пластины обычно содержат несколько слоёв материалов, таких как затравочный слой, мягкие магнитные подслои (SUL), которые могут содержать кобальт и железо^[18][19], антиферромагнитный (A-FM) слой из оксида никеля, сплава никель-марганец или железо-марганец^[20], промежуточный слой из рутения^[20] и слой сплава кобальт-хром-палладий с оксидом^[11].

На этапе постобработки на поверхность распылённой структуры наносится нанометровый тонкий слой полимерной смазки путём погружения диска в растворитель, после чего диск полируется, чтобы устранить мелкие дефекты, и проверяется специальным датчиком на летающей головке на отсутствие оставшихся шероховатостей или других дефектов (при этом размер бита, указанный выше, примерно задаёт масштаб того, что считается значительным размером дефекта).

В жёстком диске головки летают и перемещаются радиально по поверхности вращающихся пластин для чтения или записи данных. К поверхности пластин жёсткого диска предъявляются требования к исключительной гладкости, прочности и безупречному качеству отделки.

В феврале 1991 года компания Areal Technology выпустила MD-2060 — первый жёсткий диск с использованием стеклянной подложки, заменившей алюминиевые сплавы, применявшиеся в предыдущих моделях. Он изначально был разработан для ноутбуков, для которых имеет значение большая ударопрочность стеклянных подложек^[21].

В апреле 1991 года корпорация Toshiba последовала этому примеру, выпустив модель MK1122FC; заводы компании смогли произвести значительно больше дисков, чем Areal, которая вскоре исчезла с рынка.

Начиная с 2000 года другие производители жёстких дисков начали переходить с использования алюминиевых пластин на стеклянные, поскольку стеклянные пластины обладают рядом преимуществ по сравнению с алюминиевыми^[22][23].

В 2005—2006 годах начался значительный сдвиг в технологии жёстких дисков и магнитных носителей. Изначально для записи информации традиционно использовался метод продольной записи. К 2010 году этот метод был практически вытеснен методом перпендикулярной записи. Причина этого перехода — необходимость продолжать тенденцию увеличения плотности хранения, при этом перпендикулярно ориентированные носители обеспечивают более стабильное решение при уменьшении размера бита. Ориентация намагниченности перпендикулярно поверхности диска имеет существенные последствия для структуры нанесённого покрытия и выбора магнитных материалов, а также для некоторых других компонентов жёсткого диска (таких как головка и электронный канал).