何聰華

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.096

摘 要：熱輔助磁頭（Thermal Assisted Magnetic Recording，簡(jiǎn)稱(chēng)TAMR）技術(shù)是通過(guò)激光瞬間加熱磁記錄介質(zhì)，使其局部溫度升高，矯頑力迅速下降到寫(xiě)磁頭磁場(chǎng)可寫(xiě)范圍完成寫(xiě)入動(dòng)作后，磁記錄介質(zhì)溫度快速冷卻到原來(lái)高矯頑力狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)信息保持。本文從TAMR的基本原理出發(fā)，介紹了TAMR當(dāng)前的研發(fā)狀況和生產(chǎn)TAMR的相關(guān)設(shè)備，相關(guān)技術(shù)以及所存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步加快TAMR量產(chǎn)上市提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：熱輔助磁頭 TAMR 矯頑力 磁記錄

中圖分類(lèi)號(hào)：TP333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（a）-0096-05

Abstract： TAMR（Thermal Assisted Magnetic Recording） can make the writer to record on the media by laser heating the magnetic medium to decrease its anisotropy. After cooled down， magnetic medium return to high anisotropy to made recording. This paper introduce what is TAMR， Optical system design for TAMR， TAMR assembly and discuss about the challenges during its development.

Key Words： Thermal Assisted Magnetic Recording； TAMR； Anisotropy； Magnetic Recording

機(jī)械硬盤(pán)（Hard Disk Driver，簡(jiǎn)稱(chēng)HDD）作為信息保存介質(zhì)，其具有讀寫(xiě)高速性、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存穩(wěn)定性和維護(hù)方便等特點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，包括電信、金融、商務(wù)平臺(tái)、公司企業(yè)數(shù)據(jù)保存等。近10年，硬盤(pán)存儲(chǔ)密度 （Storage Density）技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，磁化方向?yàn)榇怪庇涗洠≒erpendicular Magnetic Recording，簡(jiǎn)稱(chēng)PMR）的技術(shù)[1]使當(dāng)今硬盤(pán)存儲(chǔ)密度達(dá)到500Gbit/in2。但隨著信息存儲(chǔ)量的飛躍增長(zhǎng)，必然要求硬盤(pán)具備更高的存儲(chǔ)密度并達(dá)到Tbit/in2。

雖然每一年都會(huì)有更大容量的機(jī)械硬盤(pán)上市，但其遭遇到容量提升的瓶頸[2]。單靠增加碟片數(shù)量以增加存儲(chǔ)量并非上策，如何提高單張碟片的存儲(chǔ)密度才是正確出路。因此，希捷（Seagate）、西數(shù)（Western Digital）和日本TDK株式會(huì)社（簡(jiǎn)稱(chēng)TDK）三大廠(chǎng)商都致力于單張碟片存儲(chǔ)密度提升技術(shù)的開(kāi)發(fā)。其中，TDK已經(jīng)率先開(kāi)發(fā)出熱輔助磁頭（Thermal Assisted Magnetic Recording，簡(jiǎn)稱(chēng)TAMR）使單張碟片的存儲(chǔ)密度在當(dāng)前的基礎(chǔ)上有望提高數(shù)10倍。

1 TAMR技術(shù)

1.1 TAMR原理

信息是利用磁記錄介質(zhì)的磁性進(jìn)行存儲(chǔ)。硬盤(pán)的容量取決于磁記錄介質(zhì)的磁性顆粒的大小。磁性顆粒越小，同樣大小的碟片可以記錄更多信息。但由于熱擾動(dòng)的存在以及相鄰存磁性顆粒的相互作用會(huì)讓磁矩方向變得不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生超順磁效應(yīng)（Superparamagnetic effect）[3]，導(dǎo)致磁性顆粒的磁性反轉(zhuǎn)而破壞數(shù)據(jù)。因此，磁記錄介質(zhì)常采用高矯頑力材料，諸如FePt。當(dāng)磁記錄介質(zhì)矯頑力較高時(shí)，給信息的寫(xiě)入帶來(lái)極大的困難。但磁記錄介質(zhì)的材料矯頑力會(huì)隨著溫度的上升而減少，當(dāng)達(dá)到居里溫度（～500K）的時(shí)候[4]矯頑力趨向于零，如圖1所示。這就給信息的寫(xiě)入提供了極大的可能性。

根據(jù)材料矯頑力隨溫度上升而減少的特性，若能在磁頭上裝有加熱元件，如圖2所示，在磁頭寫(xiě)入信息前瞬間提高磁記錄介質(zhì)局部溫度，使矯頑力下降到寫(xiě)磁頭磁場(chǎng)可寫(xiě)范圍，完成寫(xiě)入動(dòng)作后磁記錄介質(zhì)溫度快速冷卻到原來(lái)高矯頑力狀態(tài)從而完成信息保持。激光二極管（Laser Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LD）具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，是作為磁頭加熱元件不二之選。

1.2 TAMR光學(xué)系統(tǒng)

LD封裝在磁頭上后，如何獲得極小直徑的近場(chǎng)光成為T(mén)AMR光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的第一道難題。遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)理論指出光學(xué)繞射極限的存在確定了光點(diǎn)直徑的大小，如式（1）：

（1）

其中為聚焦鏡數(shù)值孔徑（Numerical Aperture），如圖 3所示。因此，可以通過(guò)采用波長(zhǎng)較短的LD以及設(shè)計(jì)合適的近場(chǎng)光轉(zhuǎn)換器（Near Field Transducer，簡(jiǎn)稱(chēng)NFT）在表面等離子體共振效應(yīng)下進(jìn)行光的聚焦。近年來(lái)TDK已經(jīng)采用波長(zhǎng)810nm的LD作為激光光源，在激光源頭部尖端曲率半徑10nm并獲得了直徑17nm的近場(chǎng)光斑，如圖4所示。

此外，TDK還對(duì)近場(chǎng)光波導(dǎo)（Wave Guide，簡(jiǎn)稱(chēng)WG） 系統(tǒng)做了優(yōu)化，如圖5所示。WG采用高折射率的Si3N4材料，通過(guò)光柵耦合器（grating coupler）和300nm∶10nm的錐形設(shè)計(jì)，使激光能量到達(dá)到激光源頭部尖端由39%提高到60%。

2 TAMR裝配技術(shù)

2.1 LDB技術(shù)

LDB（Laser Diode Bonding，簡(jiǎn)稱(chēng)LDB）指將LD封裝在激光發(fā)射元件LDU（Laser Diode Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)LDU）的基體上。LDU由LD和帶有線(xiàn)路層的基體組成，基體表面絕緣層下埋有光敏二極管（Photo Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)PD）。PD對(duì)光的變化非常敏感，通過(guò)探測(cè)LD發(fā)出的光的變化，將其轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)以監(jiān)控LD的輸出狀態(tài)。如何將LD封裝在LDU基體上而又不破壞基體上的絕緣層以及脆弱的LD和PD，成為L(zhǎng)DU封裝的關(guān)鍵因素。此外，圖6中LD端面到LDU基體端面的距離Gap也直接影響著TAMR的性能。endprint

如圖7所示，TDK的大量研究表明：當(dāng)激光穿過(guò)WG中心時(shí)，Gap越大，激光的利用效率越低。當(dāng)Gap=1μm時(shí)，光利用率接近60%。當(dāng)Gap=2μm時(shí)候，光的利用率降低到40%以下，當(dāng)Gap=7μm時(shí)，光利用率僅為10%多點(diǎn)。另外，若LD端面相對(duì)基體端面向前突出，會(huì)直接影響到LDU與磁頭 （Slider）的封裝性能，造成LDU脫落導(dǎo)致碟片損毀。

因此，LD封裝對(duì)設(shè)備的定位精度以及測(cè)量精度均提出了嚴(yán)格要求。TDK已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了相關(guān)設(shè)備，采用激光作為測(cè)量工具以控制Gap，外加CW類(lèi)型激光源輻射到LDU基體上，使基體上的焊料熔化并將LD封裝在基體上。TDK于2011年開(kāi)發(fā)的第一代設(shè)備LDB-1，Gap可以控制在0.5～2.0μm，2013年開(kāi)發(fā)的第二代設(shè)備LDB-2，Gap可以控制在0.3～1.8μm，UPH（Units Per Hour）則可以達(dá)到700Unit。

2.2 BIT技術(shù)

LDU制備后，需要對(duì)其進(jìn)行壞品篩選，防止壞品流入下工序。LDU的性能測(cè)試主要是短路檢測(cè)和老化測(cè)試（Burn In Test，簡(jiǎn)稱(chēng)BIT）。短路主要發(fā)生在LDB過(guò)程中，LDU基體上的焊料發(fā)生溢流并破壞LDU表面絕緣層從而造成LD與PD導(dǎo)通發(fā)生短路。老化測(cè)試則是模擬惡劣環(huán)境，考察LDU在惡劣環(huán)境下的工作狀態(tài)。目前，TDK開(kāi)發(fā)的LDU在85°C的環(huán)境中加載60mA的電流，經(jīng)過(guò)5h的BIT合格率已經(jīng)達(dá)到98%。

BIT對(duì)夾具的精度要求以及探針的要求也比較高。如圖8所示，由于LD只有幾十微米寬，通電線(xiàn)路下針點(diǎn)與LD之間的距離也同樣只有幾十微米。這就要求夾具必須有比較高的定位精度，否則探針無(wú)法正確接觸到LD上表面造成開(kāi)路。由于BIT是接觸性測(cè)試，如何延長(zhǎng)探針的壽命，以及在測(cè)試過(guò)程中避免如圖9的LD和線(xiàn)路的鍍金層損傷，也是BIT測(cè)試中的有待解決的難題。

2.3 TAAM技術(shù)

TAAM（TAMR slider Alignment Assemble Machine，簡(jiǎn)稱(chēng)TAAM）是TDK開(kāi)發(fā)的一款具有超高定位精度的熱輔助激光焊接設(shè)備，其各主軸絲杠重復(fù)定位精度可達(dá)到0.1μm，懸浮工作臺(tái)上搭載的Nano-positioning Motion Control DSP controller更可以保證+/-10nm的超高定位精度。該設(shè)備通過(guò)光學(xué)定位系統(tǒng)，使LD激光束準(zhǔn)確無(wú)誤地落在寬度只有0.4μm的WG中心上，保證激光束直徑中心與WG中心重合時(shí)，使碟片表面更有效獲得激光能量的照射，達(dá)到瞬間加熱碟片的目的。

在光學(xué)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Slider上的WG分成了SWG （Satellite Wave Guide，簡(jiǎn)稱(chēng)SWG）和CWG（Center Wave Guide，簡(jiǎn)稱(chēng)CWG），它們之間有著固定的相對(duì)位置。其定位原理是：Nano-positioning Motion Control DSP controller負(fù)責(zé)控制裝載Slider的平臺(tái)在CT（X）/DT（Y）方向上微移動(dòng)，如圖10所示。SWG處的激光束透過(guò)目鏡（Objective lens）進(jìn)入帶有PD的檢測(cè)元件（PD Unit） 并捕捉激光束的最亮點(diǎn)，Nano-positioning Motion Control DSP controller控制裝載Slider的平臺(tái)直接定位CWG的位置，讓激光束準(zhǔn)確無(wú)誤地照射在CWG中心上。另外有兩個(gè)CCD來(lái)觀(guān)測(cè)光點(diǎn)的位置以及形狀，為捕捉激光束最亮點(diǎn)提供位置參考。

3 TAMR存在的問(wèn)題

雖然TAMR量產(chǎn)已經(jīng)成為可能，但仍然存在一些極難解決的問(wèn)題有待深入研究。譬如LDU基體上的焊料層和Slider用于焊接LDU的焊料層的設(shè)計(jì)，包括形狀、不同材料之間結(jié)合力、熱傳遞性能等有待更深入的研究；Slider與LDU焊接在一起后所產(chǎn)生的應(yīng)力，會(huì)使Slider ABS（Air Bearing Surface）變形，如圖11所示，從而影響飛行高度，造成飛行高度的調(diào)節(jié)一致性差；LD與LDU基體焊接，LDU與Slider焊接，焊料層熔化形成合金后出現(xiàn)的氣孔和虛焊現(xiàn)象，如圖12所示，容易造成LDU脫落損毀碟片；TAMR壽命短等等。上述TAMR存在的棘手技術(shù)難點(diǎn)還有待專(zhuān)家與學(xué)者們來(lái)解決。

4 結(jié)語(yǔ)

TAMR通過(guò)瞬間加熱磁記錄介質(zhì)，迅速降低其矯頑力以實(shí)現(xiàn)信息寫(xiě)入，當(dāng)磁記錄介質(zhì)快速冷卻時(shí)恢復(fù)高矯頑力狀態(tài)以達(dá)到信息保持?；谠撛?，TDK已經(jīng)開(kāi)發(fā)出TAMR和相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備并使TAMR量產(chǎn)成為極大的可能性。雖然當(dāng)前TAMR還面臨著諸多挑戰(zhàn)，但相關(guān)研究開(kāi)發(fā)人員一直致力于設(shè)備與新材料的開(kāi)發(fā)與新工藝的嘗試，一旦TAMR壽命測(cè)試超過(guò)1000h，那么就可以真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上市。

參考文獻(xiàn)

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