2019-HDD制造的三大危险源-文档资料

Samsung/SAEConfidentialHDD的三大危险源Preparedby:YongShengChen适用于WPO培训之用Samsung/SAEConfidential一：HDD的三大危险源包括那些？二：尘粒与污染三：ESD静电放电四：震动目录：Samsung/SAEConfidential2HDD的三大危险源包括那些？尘粒/污染Particle/Contamination静电ESD震动Slap/Shock注意：三大危险源同时也是三个生产控制点Samsung/SAEConfidential具体介绍三大危险源：从洁净的无尘室说起一般的是凭加工厂如果能够采用百万级无尘室就已经非常干净，被我们视为无菌状态了，但是我们的硬盘生产车间前工序整体需要达到100级无尘室的水平其中一些具体工位如LCA组装线，OffLineSTW，碟片检查等都需要在10级无尘室下完成。无尘室的分级标准：我们以在一立方英尺的空间内存在的微粒个数来判断无尘室的级别，其中的微粒必须均小于微米级别，10级为目前最洁净的无尘室，他的意思是在一立方英尺的空间内仅仅存在不超过10个微粒尘粒/污染Particle/ContaminationSamsung/SAEConfidential维持洁净的空间有利于任何电子产品的生产，但是10级标准恐怕当今只有航空领域的产品才可以之比拟了，为什么我们需要如此洁净的空间呢？要彻底的了解这各问题我们还必须从更基础的HDD内部结构说起：飞行高度是磁头靠旋转的碟片产生的气流而被迫悬浮的高度，此高度从硬盘生产初期到现在已经有了长足的进步。微乎其微的飞行高度NSNSNSNSNSdiskrotationmagneticlayerofthedisk飞行高度AirBearingSurfaces,气垫面的特殊设计可使磁头更容易被气流托起Read/writersensorsSamsung/SAEConfidential早在1974年的时候，磁头的飞行高度可以比拟成一架波音747的飞机飞行在距离地面15cm的地方，从2019年开始这架波音飞机已经可以在离地仅0.05cm的高度安全飞行了。Slider的载重负荷相当于机上载了100，000名乘客对于位于磁头下方的碟片其速度大于92km每小时（对于7200转的碟片来说）在直线加速度为1000Gs,垂直加速度为300Gs的情况下，磁头可以毫无损伤，而人类在9Gs的时候就会被甩出。波音747可以起停30，000次，而磁头可以安全起停100，000次以上。认识飞行高度Samsung/SAEConfidential如果想在现实生活中去比拟磁头在碟片上的飞行情况，我们只能假设如下的情景：一架飞机从中国最西端的喀布什到最东端的抚远，全程约5200km,大地就是我们的硬盘表面，这架飞机就好比我们的磁头。飞行条件如下：飞行高度必须保持在1米左右，没有任何接触。天空中没有任何的鸟类，地面没有任何的树木，河流海域没有任何的波纹，没有山岭，没有房屋……从祖国的最西端直到最东端其间的地势必须维持以上的条件，而且海拔高度的误差不得超过+/-4cm.在现实生活中认识苛刻的磁头飞行条件喀布什抚远Samsung/SAEConfidential当今的磁头飞行高度已经小于10个纳米，比一般的尘粒更小，从下面的图片我们可以更加直观的感受这种差别，可以想象尘粒对于我们的磁头是极具威胁的，对于大于飞行高度的尘粒对磁头会带来直接的冲击，对于小于飞行高度的尘粒其危害更大，可以卡在头碟之间，如果碟片飞转则会直接划伤我们的碟片。而碟片由于其特殊的要求，碟片的表面也极易受到损害，这种损害比磁头更直接更严重。飞行高度VS尘粒大小Samsung/SAEConfidential一些物理单位:1米等于10,000,000,000Å（埃）碟片数据区域~300,000,000ÅSlider的尺寸~10,000,000Å磁头与碟片的间距~100Å碟片表面的粗糙层~3Å比较:大类的头发直径~1,000,000Å细菌的大小~5000Å香烟燃烧和的颗粒直径~2500Å微生物~100Å=飞行高度!从物理单位认识头碟间距Samsung/SAEConfidential脆弱的碟片碟片表面设计了多个不同的物质层，每一层都有着各自不同的功能且都十分的重要基本的物理材质分配如下:铝：多用于3.5英寸的碟片玻璃：多用于2.5英寸的碟片目的是使碟片表面异常的平滑和稳定最重要的物理层是具由磁性材料组成的用于记录数据的磁性层最上一层是具有保护作用的保护膜，厚度约为~100Å碟片表面的硬度完全没有看上去的那么坚固，尤其是面对普遍7200转的旋转速度，在旋转的时候磁头只需要轻微的碰撞到碟片上就会留下无法修复的损伤，更加严重的是碟片是不允许存在任何砸点和刻痕的，所以比较之下，碟片比磁头更容易受到物理上的损坏，硬盘内部的尘粒此时就好比一颗颗的陨石不断冲击着硬盘的表面。Samsung/SAEConfidential小结1：由于磁头和碟片本身的脆弱性和磁头微小的体积，再加上取决于头碟读写性能而不断变小的飞行间距，使得普通的尘粒对于我们的硬盘来说显得非常的致命，尤其在高速旋转的情况下，我们不难想象尘粒是如何在气流的带动下飞速的撞向原本平滑的碟片以及磁头的，一些更加细小的尘粒则有可能被卷入穿过头碟间距的气流，卡在头碟间被迫划伤碟片，同时损害磁头，导致严重的后果。所以尘粒被视为硬盘生产的三大危险源之一，而严格控制我们的生产环境是保证生产质量绝对必要的条件。Samsung/SAEConfidentialESD静电放电1.静电放电的详细知识：ESDTraining2.静电放电的威胁3.认识磁头极尖Samsung/SAEConfidential静电的威胁静电放电对于硬盘最主要的威胁存在于磁头方面，下面我们简单介绍下静电对磁头的威胁：磁头精巧的结构使得面临静电放电时显的无所适从，无论是前后衔接的电子线路还是起决定性作用的极尖均无法避免结构复杂的磁头组合磁头组合示意图Samsung/SAEConfidential微观世界~认识Slider)Sliders在一个一分钱的硬币上的直观图Samsung/SAEConfidentialWAFER与SLIDER6.4kilometerstraveled2.7gmsofmassaddedAu,Cu,PtMn,NiFeCr,Ta,CoNiFe,Cr,AlO,Ti,Ru,NiNb,CoFe,CoPt,NiFe,CoFeN,plusvariousphoto-resists.038mmofheightadded20KHeads一块wafer只有普通水杯的杯口那么大，但是一个完成的WAFER却可以切割出大约20K个Slider，可以想象每个Slider的大小不会超过半个芝麻waferSamsung/SAEConfidential让我们清楚地认识极尖（Read/writesensors)在同样的放大倍数下蚂蚁眼睛和极尖所呈现出来的面貌Read/writersensorsslider极尖的比slider更小，可以用纳米或者微米来衡量，其内部复杂的结构在此不说明，参考下页简单的示意图极尖Samsung/SAEConfidential17典型的磁头极尖设计MRREADINGelementInductiveWRITINGelementWRITESIGNALSREADSIGNALS读写磁头（极尖）仅仅存在于Slider中间的一个可以忽略的小点，但是其中的精巧非肉眼可视，达到纳米级别。Samsung/SAEConfidential小结2：HDD内部存在很多高静电敏感度的材料，其中尤以我们的磁头为最重要的组成，磁头本身属于半导体材料又由于其非常的微小，所以即便非常微小的静电放电都无法承受。除此之外，例如PCB，磁头其他电子线路，碟片等等也都面临着静电放电的威胁，静电放电是目前电子工业行业非常重视的问题，保守估计占此行业年损失的1/3。在生产过程中坚持一定的ESD防御是非常有必要的，更重要的则是加强人们的ESD意识，因为普遍的静电放电人们都无法察觉，也就没有更多直观的感受来指导自己的工作，加强意识培养才是重中之重。Samsung/SAEConfidential震动一：组装精度在整个制造过程中我们都必须非常注意这个问题，微小的震动都有可能导致硬盘内部的不协调，严重的导致零部件的严重偏位，轻微则会影响组装的公差，一个零件的微小误差可能不会导致整体的失败但是由于HDD高度的集成性，当带有微小误差的装配组合在一起的时候，整体就出现了较大的误差，导致最后的失败。震动的影响主要集中在三个方面：一：组装精度的影响二：头碟的影响三：STW最容易受到震动的危害Samsung/SAEConfidential二：头碟的影响在整个HDD内部有两个部件是具有柔韧性的，一个是我们大部分人都熟知的FOC软线带，一个则是HGA中，位于SLIDER上方，紧贴Suspension下方的磁头折片，通常我们称之为：LIMTER.这个具有良好柔韧性的部件是磁头读写运作的必须条件，但也因其柔韧的特性在受到外力冲击时会受迫颤动，从而撞击到碟片并给自己带来毁灭性的打击。折片在那里？BaseplateLoadbeamFlexureCL折片磁头折片示意图折片sliderSamsung/SAEConfidential在磁头正常工作时，折片会轻微受力并随之摆动，这给磁头一个缓冲可以保护磁头的作用，另外一方面是读写的必须在不便赘述，但是如果受到外力的震动，尤其是垂直方向的震动，磁头会因为惯性定理的缘故，突然猛烈的砸向碟片，导致碟片受损，轻微的时候产生SLAP(拍击砸点），严重的时候磁头稍微陷入碟片，高速旋转的碟片充斥着巨大的冲量带动磁头从而划伤碟片，此时磁头也会被刮花。DiskSCRATCH磁头陷入碟片后划出一圈划痕AB二：头碟的影响Samsung/SAEConfidentialSlapMap（磁头拍击碟片产生的刻痕）以下为磁头受到震动砸点的实例，一般来说由于极尖处在磁头前端，使得磁头前端略重于后端所以受力后前端的冲击力大于后端的冲击力，加上磁头本身稍稍向前微倾，在触及碟片的时候产生锋利的斜角，从而出现如下左深右浅的痕迹。Samsung/SAEConfidential三：STW最容易受到震动的危害写伺服的过程是整个HDD制造过程中最容易因震动而受到伤害的流程，只需要轻微的震动就可能会使写入的数据偏离原来的轨道，比如：clockhead写入同步信号的时候重叠，使同步信号失去同步特性，导致整个伺服系统失败，又或者常常出现datahead在录入伺服信号的时候突然间断，使伺服不连续或者偏移……更加深远的影响则是，由于在C/R里面为力求缩短Leadertime,采用以空间换取时间的策略牺牲测试精度，故而HT测试没有深入检查伺服，很多问题伺服只有在后工序才被发觉，浪费生产成本…为勉STW受到震动的影响，通常都使用独立的空间摆放STW设备，地板也有别于C/R其他地方，并以缝隙隔开以免被其他空间的震动波及到；设备本身也架构于厚重的大理石,减少震动的影响Samsung/SAEConfidentialCSTW设备Off-line更加容易被震动所影响由于11个datahead串在一起，整个结构的稳定性非常依赖于起固定作用的中间主轴，一旦受到震动，11张碟片都会被波及，严重的导致伺服写入失败，轻微的则是出现诸如TNU（tracknon-uniformity磁轨不均）等误差。DataheadE-BlockDA主轴Off-LineSTWdatahead组合示意图机箱上面固定着一块厚重的花岗岩（Granite)Samsung/SAEConfidentialDatahead受震动影响导致伺服间断、错位STW在伺服写入的过程中所遭受到的震动冲击，情形和头碟间的影响如出一辙，震动迫使磁头首先拍击碟片然后急剧弹起出现伺服间隙，偏移使定位出现错误，伺服跟着出错……在此过程中，所有的定位都依赖于具有连动效用的装置