HDD制造的三大危险源.ppt

Samsung/SAE Confidential HDD 的三大危险源 Prepared by: Yong Sheng Chen 适用于WPO培训训之用 Samsung/SAE Confidential 一：一：HDDHDD的三大危的三大危险险险险源包括那些？源包括那些？ 二：二：尘尘尘尘粒与粒与污污污污染染 三：三：ESDESD静静电电电电放放电电电电 四：震四：震动动动动 目录录： Samsung/SAE Confidential 2 HDD的三大危险源包括那些？ N 尘粒/污染 Particle / Contamination N 静电 ESD N 震动 Slap / Shock 注意：三大危险险源同时时也是三个生产产控制点 Samsung/SAE Confidential 具体介绍三大危险源： v 从洁净洁净 的无尘尘室说说起 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，Off Line STW， 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 尘尘粒/污污染 Particle / Contamination Samsung/SAE Confidential 维维持持洁净洁净 的空的空间间有利于任何有利于任何电电子子产产品的生品的生产产，但是，但是1010级标级标 准恐怕当今只准恐怕当今只 有有 航空航空领领域的域的产产品才可以之比品才可以之比拟拟了，了，为为什么我什么我们们需要如此需要如此洁净洁净 的空的空间间呢？呢？ 要要彻彻底的了解底的了解这这各各问题问题 我我们还们还 必必须须从更基从更基础础的的HDDHDD内部内部结结构构说说起：起： 飞飞行高度是磁行高度是磁头头靠旋靠旋转转的碟片的碟片产产生的气流而被迫生的气流而被迫悬悬浮的高度，此高度从硬浮的高度，此高度从硬 盘盘 生生产产初期到初期到现现在已在已经经有了有了长长足的足的进进步。步。 v 微乎其微的飞飞行高度 NSNSNSNSNS disk rotation magnetic layer of the disk 飞飞飞飞行高度行高度 Air Bearing Air Bearing SurfacesSurfaces, ,气垫面气垫面 的特殊设计可使的特殊设计可使 磁头更容易被气磁头更容易被气 流托起流托起 Read/writer Read/writer sensorssensors Samsung/SAE Confidential pp 早在早在19741974年的时候，磁头的飞行高度可以比年的时候，磁头的飞行高度可以比 拟成一架波音拟成一架波音747747的飞机飞行在距离地面的飞机飞行在距离地面 15cm15cm的地方，从的地方，从20042004年开始这架波音飞机年开始这架波音飞机 已经可以在离地仅已经可以在离地仅0.05cm0.05cm的高度安全飞行了的高度安全飞行了 。 pp SliderSlider的载重负荷相当于机上载了的载重负荷相当于机上载了100100，000000 名乘客名乘客 pp 对于位于磁头下方的碟片其速度大于对于位于磁头下方的碟片其速度大于92km92km每每 小时（对于小时（对于72007200转的碟片来说）转的碟片来说） pp 在直线加速度为在直线加速度为1000Gs,1000Gs,垂直加速度为垂直加速度为 300Gs300Gs的情况下，磁头可以毫无损伤，而人的情况下，磁头可以毫无损伤，而人 类在类在9Gs9Gs的时候就会被甩出。的时候就会被甩出。 pp 波音波音747747可以起停可以起停3030，000000次，而磁头可以安次，而磁头可以安 全起停全起停100100，000000次以上。次以上。 vv 认识飞认识飞认识飞认识飞 行高度行高度 Samsung/SAE Confidential 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： n 飞行高度必须保持在1米左右，没有任何接触。 n 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 n 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. v 在现实现实 生活中认识认识 苛刻的磁头飞头飞 行条件 喀布什喀布什 抚远抚远 5200km5200km Samsung/SAE Confidential 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。 vv 飞飞飞飞行高度行高度 VSVS 尘尘尘尘粒大小粒大小 Samsung/SAE Confidential u 一些物理单位: 1米等于 10,000,000,000（埃） 碟片数据区域 300,000,000 Slider的尺寸 10,000,000 磁头与碟片的间距 100 碟片表面的粗糙层 3 u 比较: 大类的头发直径 1,000,000 细菌的大小 5000 香烟燃烧和的颗粒直径 2500 微生物 100 = 飞行高度 ! v 从物理单单位认识头认识头 碟间间距 Samsung/SAE Confidential v脆弱的碟片 uu 碟片表面设计了多个不同的物质层，每一层都有着各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自不同的功能且都十分的重要 uu 基本的物理材质分配如下基本的物理材质分配如下: : n n 铝：多用于铝：多用于3.53.5英寸的碟片英寸的碟片 n n 玻璃：多用于玻璃：多用于2.52.5英寸的碟片英寸的碟片 n n 目的是使碟片表面异常的平滑和稳定目的是使碟片表面异常的平滑和稳定 uu 最重要的物理层是具由磁性材料组成的用于记录数据最重要的物理层是具由磁性材料组成的用于记录数据 的磁性层的磁性层 uu 最上一层是具有保护作用的保护膜，厚度约为最上一层是具有保护作用的保护膜，厚度约为 100100 碟片表面的硬度完全没有看上去的那么碟片表面的硬度完全没有看上去的那么坚坚固，尤其是面固，尤其是面 对对普遍普遍72007200转转的旋的旋转转速度，在旋速度，在旋转转的的时时候磁候磁头头只需要只需要 轻轻 微的碰撞到碟片上就会留下无法修复的微的碰撞到碟片上就会留下无法修复的损伤损伤 ，更加，更加严严重重 的是碟片是不允的是碟片是不允许许存在任何存在任何砸砸点和刻痕的，所以比点和刻痕的，所以比较较之之 下，碟片比磁下，碟片比磁头头更容易受到物理上的更容易受到物理上的损损坏，硬坏，硬盘盘内部的内部的 尘尘粒此粒此时时就好比一就好比一颗颗颗颗 的的陨陨石不断冲石不断冲击击着硬着硬盘盘的表面。的表面。 Samsung/SAE Confidential 小结1： 由于磁由于磁头头头头和碟片本身的脆弱性和磁和碟片本身的脆弱性和磁头头头头微小的体微小的体积积积积，再加上取决于，再加上取决于头头头头碟碟读读读读写性能写性能 而不断而不断变变变变小的小的飞飞飞飞行行间间间间距，使得普通的距，使得普通的尘尘尘尘粒粒对对对对于我于我们们们们的硬的硬盘盘盘盘来来说显说显说显说显 得非常的致命得非常的致命 ， 尤其在高速旋尤其在高速旋转转转转的情况下，的情况下，我我们们们们不不难难难难想象想象尘尘尘尘粒是如何在气流的粒是如何在气流的带动带动带动带动 下下飞飞飞飞速的撞速的撞 向向 原本平滑的碟片以及磁原本平滑的碟片以及磁头头头头的，一些更加的，一些更加细细细细小的小的尘尘尘尘粒粒则则则则有可能被卷入穿有可能被卷入穿过头过头过头过头 碟碟间间间间 距距 的气流，卡在的气流，卡在头头头头碟碟间间间间被迫划被迫划伤伤伤伤碟片，同碟片，同时损时损时损时损 害磁害磁头头头头，导导导导致致严严严严重的后果重的后果。所以。所以尘尘尘尘 粒粒 被被视为视为视为视为 硬硬盘盘盘盘生生产产产产的三大危的三大危险险险险源之一，而源之一，而严严严严格控制我格控制我们们们们的生的生产环产环产环产环 境是保境是保证证证证生生产产产产 质质质质量量 绝对绝对绝对绝对 必要的条件。必要的条件。 Samsung/SAE Confidential ESD 静电放电 u1. 静电电放电电的详细详细 知识识： ESD TrainingESD Training u2. 静电电放电电的威胁胁 u3. 认识认识 磁头头极尖 Samsung/SAE Confidential 静电的威胁 静静电电放放电对电对 于硬于硬盘盘最主要的威最主要的威胁胁存在于磁存在于磁头头方面，下面我方面，下面我们简单们简单 介介绍绍下下 静静电对电对 磁磁头头的威的威胁胁： 磁磁头头精巧的精巧的结结构使得面构使得面临临静静电电放放电时显电时显 的无所适从，无的无所适从，无论论是前后是前后衔衔接的接的 电电子子线线路路还还是起决定性作用的极尖均无法避免是起决定性作用的极尖均无法避免 结结结结构复构复杂杂杂杂的磁的磁头组头组头组头组 合合 磁磁头组头组头组头组 合示意合示意图图图图 Samsung/SAE Confidential 微观世界认识Slider) SlidersSliders在一个一分钱的硬币上的直观图在一个一分钱的硬币上的直观图 Samsung/SAE Confidential WAFER与SLIDER 6.4 kilometers traveled 2.7 gms of mass added Au, Cu, PtMn, NiFeCr, Ta, CoNiFe, Cr, AlO, Ti, Ru, NiNb, CoFe, CoPt, NiFe, CoFeN, plus various photo- resists .038 mm of height added 20K Heads 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 waferwafer Samsung/SAE Confidential v让让我们们清楚地认识认识 极尖（Read/write sensors) 在同在同样样的放大倍数下的放大倍数下 蚂蚁蚂蚁 眼睛和眼睛和极尖极尖所呈所呈现现出来的面出来的面 貌貌 Read/writer Read/writer sensorssensors sliderslider 极尖的比极尖的比sliderslider更小，可以用更小，可以用 纳纳米或者微米来衡量，其内部复米或者微米来衡量，其内部复杂杂 的的结结构在此不构在此不说说明，参考下明，参考下页简单页简单 的的 示意示意图图 极尖 Samsung/SAE Confidential 典型的磁头极尖设计 MR READING element Inductive WRITING element WRITE SIGNALS READ SIGNALS 读读写磁头头（极尖）仅仅仅仅 存在于 Slider中间间的一个可以忽略的 小点，但是其中的精巧非肉眼 可视视，达到纳纳米级别级别 。 17 Samsung/SAE Confidential 小结2： HDDHDD内部存在很多高静内部存在很多高静电电电电敏感度的材料，其中尤以我敏感度的材料，其中尤以我 们们们们的磁的磁头为头为头为头为 最重要的最重要的组组组组成，磁成，磁头头头头本身属于半本身属于半导导导导体材料又由于其非常的体材料又由于其非常的 微微 小，所以即便非常微小的静小，所以即便非常微小的静电电电电放放电电电电都无法承受。除此之外，例如都无法承受。除此之外，例如PCBPCB， 磁磁头头头头其他其他电电电电子子线线线线路，碟片等等也都面路，碟片等等也都面临临临临着静着静电电电电放放电电电电的威的威胁胁胁胁，静，静电电电电放放电电电电 是是 目前目前电电电电子工子工业业业业行行业业业业非常重非常重视视视视的的问题问题问题问题 ，保守估，保守估计计计计占此行占此行业业业业年年损损损损失的失的1/31/3 。 在生在生产过产过产过产过 程中程中坚坚坚坚持一定的持一定的ESDESD防御是非常有必要的，更重要的防御是非常有必要的，更重要的则则则则是加是加 强强 人人们们们们的的ESDESD意意识识识识，因，因为为为为普遍的静普遍的静电电电电放放电电电电人人们们们们都无法察都无法察觉觉觉觉，也就没有更，也就没有更 多多 直直观观观观的感受来指的感受来指导导导导自己的工作，加自己的工作，加强强意意识识识识培养才是重中之重。培养才是重中之重。 Samsung/SAE Confidential 震动 一：一：组组装精度装精度 在整个制造在整个制造过过程中我程中我们们都必都必须须非常注意非常注意这这个个问题问题 ，微小的震，微小的震动动都有可能都有可能导导 致致 硬硬盘盘内部的不内部的不协调协调 ，严严重的重的导导致零部件的致零部件的严严重偏位，重偏位，轻轻微微则则会影响会影响组组装的装的 公公 差，一个零件的微小差，一个零件的微小误误差可能不会差可能不会导导致整体的失致整体的失败败但是由于但是由于HDDHDD高度的集成高度的集成 性，当性，当带带有微小有微小误误差的装配差的装配组组合在一起的合在一起的时时候，整体就出候，整体就出现现了了较较大的大的误误差，差， 导导致最后的失致最后的失败败。 震震动动的影响主要集中在三个方面：的影响主要集中在三个方面： 一：一：组组装精度的影响装精度的影响 二：二：头头碟的影响碟的影响 三：三：STWSTW最容易受到震最容易受到震动动的危害的危害 Samsung/SAE Confidential 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？ Base plateBase plate LoadbeamLoadbeam FlexureFlexure CLCL 折片折片 磁磁头头折片示意折片示意图图 折片折片 sliderslider Samsung/SAE Confidential 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。 Disk SCRATCH 磁磁头头陷入碟片后划出一圈划痕陷入碟片后划出一圈划痕 A B 二：头碟的影响 Samsung/SAE Confidential Slap Map（磁头拍击碟片产生的刻痕） 以下以下为为磁磁头头受到震受到震动砸动砸 点的点的实实例，一般来例，一般来说说由于极尖由于极尖处处在磁在磁头头前端，使得磁前端，使得磁头头 前前 端略重于后端所以受力后前端的冲端略重于后端所以受力后前端的冲击击力大于后端的冲力大于后端的冲击击力，加上磁力，加上磁头头本身稍稍本身稍稍 向向 前微前微倾倾，在触及碟片的，在触及碟片的时时候候产产生生锋锋利的斜角，从而出利的斜角，从而出现现如下左深右浅的痕迹。如下左深右浅的痕迹。 Samsung/SAE Confidential 三：STW最容易受到震动的危害 写伺服的过程是整个写伺服的过程是整个HDDHDD制造过程中最容易因震动而受到伤害的流程，只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：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：clock clock headhead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，又或者常常出现系统失败，又或者常常出现data head data head 在录入伺服信号的时候突然间断，在录入伺服信号的时候突然间断， 使伺服不连续或者偏移使伺服不连续或者偏移更加深远的影响则是，由于在更加深远的影响则是，由于在C/RC/R里面为力求缩里面为力求缩 短短Leader time,Leader time,采用以空间换取时间的策略牺牲测试精度，故而采用以空间换取时间的策略牺牲测试精度，故而HTHT测试没测试没 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 为勉为勉STWSTW受到震动的影响，通常都使用独立的空间摆放受到震动的影响，通常都使用独立的空间摆放STWSTW设备，地板也设备，地板也 有