硬盘巨磁电阻磁头的超精密抛光工艺

1、硬盘巨磁电阻磁头的超精密抛光工艺申儒林硬盘巨 磁电阻磁头的超精密抛光工艺中儒林中南 大 学 ，长 沙 ，410083摘要 ：硬盘 巨磁电 阻磁头的抛光可分为 自 由磨粒抛光和纳 米研磨 ，在 自 由磨粒抛光 中，精确控制 载 荷和金刚石 磨粒的粒径 ，可以避免脆性去除实现延性去除 。通过控制抛光过程中的抛光盘表面 粗糙度 、 金刚石 粒径 大小及粒径分布和载荷等进行滚动磨粒和滑动磨粒比例的调控 ，获得较好的磁头表面 质量 和较高的材料去除率 。在 自 由磨粒抛光阶段 ，先采用铅磨盘抛尤 ，然后 用 锡磨盘抛光 ，以纳米研磨作为 最后一道抛尤工序对磁头表面进行研磨 ，获得了 亚 纳 米级粗糙度的

2、磁 头表 面 。用 两 种工 艺 制 作的 纳 米 研磨盘进 行加 工 ，分 别 获得 了 0. 37 nm 和 0. 8nm 的磁 头 表 面 粗糙度 ，去 除率 分 别 为 5. 3 nm/ min 和3. 9nm/ min 。关键词 ：自由磨粒抛光；纳米研磨；磁头；去除率中图分类号 ：tg580. 6文章编号 ：1004132x( 2007 )18224105ultra precision 岛fachining techniq ue of g岛'ir rigid disk head sliders shen r ulincentral south universit y , ch

3、angsha , 410083abstract : giant magnetic resistance ( gmr ) magnetic head polishi ng process can be classified as lapping and nano grinding. the material can be removed in ductile way by controlling load and size of diamond in lappi ng. diff erent material removal mechanism can be prod uced by rolli

4、ng grains and sliding grains. the ratio of rolli ng and sliding grains was adjusted in an appropriate way by controlling the pad roughness , diamond size , diamond size distri bu tion and load to achieve an excellent magnetic head surface and high removal rate. in abrasive free lappi ng process , a

5、lead plate was used at first , and then , a tin plate was used as a lapping plate. sub nanometer roughness of sliders ' surface was achieved by using nano -grinding as the final machining process. the fabrication of nano -grinding pad is t he main factor t hat influences the surface qualit y. tw

6、o tin plates were used as nano -grinding plate and diamond abrasive was embedded in t hem in diff erent ways. in this way , the roughness rq of t he sliders ' surface is measured at an arrange of 0. 37 nm to 0. 8nm , while t he removal rate is measu red at an arrange of 5. 3nm/ min to 3. 9nm/ mi

7、n.key words: lapping; nanogrinding; disk head slider ; removal rate。引 言硬盘工作 日才 ，磁头通过飞过硬盘片表面来读收稿日期 ：2006-07-05基金项目 ：国家自然科学基金资助重大项目 c 5039006 ll取和写入盘片表面数据 。硬盘的存储面密度越 高，要求 磁 头的飞行高 度 就越 低 。对 于转 速为 loooor/ min 的硬盘片，当面密度为 31mb/ mm2 时，要求磁间距（ magnetic space ，读写头极尖与盘 片表 面 距 离 ） 小 于 12. 5nm ，当面 密 度 为 155elect

8、ronics engineers inc. , 2000 :39 40.5 mahdy a m , anis h i, ward s a. electrode rough ness effects on the breakdown of airinsulated apparatus. ieee transactions on dielect rics & electrical insulation, 1998 , 5 ( 4 ) :612.6卢寿慈工业悬浮液性能 ，调制及加工m. 北tralia : frontiers of design and manufact uring, 200

9、6 : 31 36.8 毛利尚武放 1i:加工技街 最近 展阔 jj. 楼械 之工具 ，1993(6 ) , 3539.（编辑 马尧发）京 ：化学工业出版社 ，2003. 作者简介 ：五元剧 ，男 ，1979 年生 。大连理工大学精密与特种加 7wang y g, zhao f l, wang h. a study on the工教育部重点实验室博士研究生 。研究方向为混粉电火花加工 eff ect of powder on surface qualit y in edm finish技术 。发表论文 7 篇 。现椅令 ，男 ，1945 年生 。大连理工大学精ingc/ /internatio

10、nal conf erence on surface fin密与特种加工教育部重点实验室教授 、博士研究生导师 。ishing technology and surface engineering. aus 2241 mb/ mm2 时 ，要求磁间距小于 6. 25nmc1j 。由于 极尖沉降和 dlc 保护膜等因素的影响 ，磁头的实 际飞行高度不到 4 nm ，且随着时间的延续 ，磁头 的飞行高度可能降低至准接触飞行 。如果飞行稳 定性不好 ，或者表面粗糙峰大于飞行高度 ，都会发 生磁头和磁盘相撞的事故 ，导致数据的毁灭性破 坏汇 。而且磁头表面的粗糙峰 、划痕或黑点会使 覆盖磁头表面的薄膜

11、不完整 ，导致磁头的腐蚀 和 元素扩散 。磁头表面抛光的特点是材料非均质但平整度 要求高 ，要求磁头表面光滑且无腐蚀 。磁头表面 主要由硬脆的 altic 陶瓷基体 、al2 03 陶资材料 底层 、覆盖层及极尖部位较软的 nife/conife 延 性金属层在横向方向形成的三明治结构组成 ，在 磁头的抛光过程中 ，读写头部分会产生凹陷 ，即极 尖沉降 （ pole tip recession , ptr )l3 日。组成硬盘 巨磁电阻（giant magnetic resistance , gmr ） 头堆 ( stack ） 的 ta/ nimn/cofe/ cu/ nife 等金属或合

12、金层的厚度很薄 ，最薄的仅有 1nm 左右 ，易于被 磨粒贯穿 ，导致金属层之间的物质转移而产生短 路 ，也易于腐蚀和静电击穿 ，增加了抛光的技术难 度 1.6j 。化学机械抛光方法虽易获得好的表面粗 糙度 ，但难以控制 gmr 头堆的腐蚀 。本文针对 gmr 硬盘磁头的特点 ，采用一系列超精密机械 抛光工艺 ，获得了超光滑的抛光表面 。1实 验 方 法 与 检测gmr 磁头的整个抛光过程需要经过多道抛 光工序 ，才能达到所要求的技术指标 。这些工序 主要有两种 ，即以三体摩擦为 主的自由磨粒抛光 clapping ） 和以二体摩擦为主的纳米研磨（ nano ­ grinding）

13、。自由磨粒抛光可以实现较快的材 料 去除 ，能获得符合要求的磁头厚度；纳米研磨能达 到原子级去除 ，使被抛光零件的表面粗糙度达到 亚纳米级 。1. 1 试验材料 、设备及参数 采用修正环形浮动块研磨抛光机（ 图 1） 进行抛光试验 。将两片 rowbar 分别粘贴在抛光夹具 的两块陶瓷条上 ，每片 rowbar 的长度为 70mm 。 研磨盘旋转时 ，装有工件的调节圆环在保持架的 约束下靠摩擦力带动绕自身轴线旋转 ，并与研磨 盘相对运动 。抛光液通过喷液装 置以 0. 5ml/s 的速度每隔 25s 喷液 ls ，使盘面始终充满抛光液 。 工件和夹具质量共计 600g ，另有若干加载块（ 每

14、块 50g） ，抛光压力靠加载块的重力保持 。表面形 貌和粗糙度用扫描电镜和原子力显微镜检测 。由 2242 于材料去除率小 ，采用微量天平称量的误差较大 ， 所以采用 k noop 显微硬度计在每条 rowbar 表 面压出 4 个压痕 ，测量 rowbar 表面压痕尺寸在 抛光前后的变化 ，换算出压痕深度的变化 ，即得材 料表层的去除厚度 。抛光试验流程如图 2 所示 。抛光液图 1 抛光机示意图图 2 抛光工艺试验流程1. 2自由磨粒抛光 先后采用铅磨盘和锡磨盘进行粗 、精抛光。先在高精度数控机床上用金刚石 车刀 车削铅磨 盘 ，加工后的铅磨盘表面粗糙度 ra 可达 o. 8µ

15、m , 再用微粉金刚石对铅磨盘表面进行修整 ，使盘面 粗糙度 ra 达到 o. 25µm 。抛光液采用 400ml 白油，加入 1. 6g 粒径为 200nm 的金刚石纳米粉和添加剂均匀棍合制成 。 用加工好的铅磨盘和 200nm 单晶金刚石抛光液 对磁头表面进行抛光 ，研磨盘转速为 40r/ min ，调 整工件圆环位置 ，使其转速亦为 40r/ min 左右 ，抛 光压力为 70kpa ，抛光时间为 40min 。在铅磨盘抛光的基础上 ，接着用锡磨盘进行 抛光 。先在高精度数控机床上用金刚石车刀对锡 磨盘表面进行加工 ，加工后的锡磨盘表面粗糙度 ra 达到 0. 8µm

16、 ，然后用 r 为 0. 1mm 的圆头金刚 石刀在锡磨盘表面从中心至外圆车制螺旋形槽 ，使抛光盘在径线方向形成槽（ 盘面沟谷） 与脊（盘 面凸峰） 相间的表面 ，径线长度包含若干槽和脊 ， 一个槽的宽度和相邻脊的宽度形成一个槽脊的周 期长度 。touge 等 7 的研究表明 ，在槽脊的周期 长度中 ，槽越宽 ，保留在抛光盘表面的抛光液就越 多，相应地能参与研磨的磨粒就越多 ，去除率也就 越大 。试验中 ，取抛光盘表面每个槽脊周期长为 0. 28mm ，槽脊宽度比为 7 : 3 。用由 400ml 自油 和加入 1. 6g 粒径为 150nm 的单晶金刚石纳米粉 与添加剂混合制成的抛光液修整锡

17、抛光盘 血。磁头极尖部位扫描电镜图片 、gmr 卖头 位 置扫描电镜图片和基体表面 afm 的形貌分别如 图 3图 5 所示 。用加工好的锡磨盘抛光磁头 ， 研磨盘转速为 35r/ min ，调整工件圆环位置 ，使其 转 速 亦 为 35r/ min 左 右，抛光 名 义 压 力 为 112kpa ，抛光时间为 30min 。抛光后用扫描电镜 观测磁头极尖部位 ，5000 倍的 sem 照片如图 3a 所示 ，从照 片可以看 出，磁头 表 面无明显 缺陷 ； gmr 卖头 位 置 4 万倍的 sem 照 片如图 4a 所 示 ，照片上的磁头表面组织可见明显的凹痕 、划痕 和黑点 ；用原子力显微

18、镜检测到的磁头基体部位 的表面粗糙度 rq 约为 13nm ，基体材料去除率约17. 7 nm/ mini(a） 自由磨粒抛光表面c b ） 纳米研磨表面图 3 磁头极尖部位扫描电镜图片1. 3纳米研磨先将锡磨盘表面加工出螺旋槽 ，然后对盘面 进行修整 ，把锡磨盘表面喷满抛光液 ，将陶瓷圆环 放置 于锡磨盘上并与保持架接 触 ，在圆环上加( a ） 有缺陷的自由磨粒抛光表面c b） 无缺陷的纳米研磨表面图 4 gmr 读头位置扫描电镜图片图 5 自由磨粒抛光中材料的塑形去除93n 的配重 ，抛光盘旋转时带动陶瓷圆环转动 ，陶 瓷环在 保 持 架 的约束 下 相 对 于 锡 磨 盘以 0. 5

19、ml/s的速度每隔 25s 向锡磨盘喷液 ls ，使盘面始 终充满抛光液 。陶瓷环的有效外径为 137mm ，内 径为 110mm ，质量为 72饨 ，陶瓷环底部开有 12 条 径向槽 ，每条槽的宽度为 3mm 。一个锡磨盘的磨 粒嵌入时间为 2h ，另一个锡磨盘的磨粒嵌入时间 为 仙。抛光加工完成后对盘面进行清洗 ，彻底清 除盘面上的松散磨粒 。用嵌入时间为 仙 的锡磨盘抛光磁头 。抛光 液采用自油 ，不 加任何磨粒 。抛光盘转 速为 25 r/ min ，抛光压力 为 112kpa，抛光时间为 30min 。 抛光加工完成后用扫描电镜观测磁头极尖部位的 抛光效果 ，从 5000 倍的 se

20、m 照片（图 3b） 可以看 出，加工表面光滑平整；用扫描电镜观测 gmr 读 头位置 ，放大 4 万倍的 sem 照片（图 4 b ） 显示 ，读 头位置表面光滑无划痕 ；用原子力显微镜观测磁 头基体表面的 afm 形貌 ，得到的磁头基体表面 粗糙度 rq 约为 0. 37nm；试验得到的基体表面的2243硬盘巨磁电阻磁头的超精密抛光工艺申儒林材料去除率约为 5. 3nm/ mi口。用嵌入时间为 2 h 的锡磨盘抛光磁头 ，抛光参 数同前 ，测出的磁头表面粗糙度约为 0. 8nm ，去 除率约为 3. 9nm/ min o2结果分析在自由磨粒抛光中 ，磨粒以、滚动为主，兼有滑 动 ，分别构成

21、兰体摩擦和二体摩擦 。相应地 ，材料 的去除方式主要有表面疲劳和微切削方式变 。硬 脆材料易于以疲劳方式去除 ，而延展性材料易于 以微切削方式去除 。当载荷和金刚石的粒径大到 一定值时 ，陶瓷脆性材料还容易以压痕破坏模式 去除飞这是磁头抛光中要避免的 。金刚石的粒 径大小 、分布与抛光盘表面粗糙度的不同匹配，使 抛光过程中二体摩擦和兰体摩擦的比例不同 ，从 而使得材料的去除机理有所区别 。取最佳匹配值 时 ，既可获得较高的材料去除率 ，又能得到良好的 表面质量 。xie 等 10：在研究 ni -z口铁氧体和金二体研磨以微切削的方式去除前道工序产生的磁 头表面缺陷 ，较小磨粒可以产生较浅的切入

22、深度 ， 因而表面划痕也较浅 。此阶段的主要目的是在去 除前道工序加工缺陷的同时 ，获得较高的材料去 除率和较好的表面加工质量 。在获得快速材料去除的同时 ，要避免材料的 脆性断裂去除 。bifano 等 12 对脆性材 料 的延性 域去除研究表明 ，当磨粒引起的临界去除深度d 二三 0. 15( £./ hw )( k,c/ h.) 2(1)式中 ，d 为金刚石磨粒切削深度 ，µm ; h w 为 al, 03 tic 的 维氏 显 微 硬 度；e. 为 al, 0., - tic 的弹 性 模 量；k ,c 为 al, 03 tic 的断裂韧性 。时 ，发生脆性断裂去除

23、 ，小于临界深度时 ，发生延 性去除 。磁头基体材料的物理机械性能如表 1所 示 ，表中的上标 a 为试 验测定值 ，b 为参考文献 13 的测定值。表 1 磁头基体材料物理机械性能硬度 hv i 弹性模量 e l 断裂韧性 k ,c材料( gpa)i(gpa)i ( mpa m112 )属 cu 的自由磨粒抛 光时 ，根据微切削模型的计al2 01 tic23. 7'3901,3. 77'算结果得出的 cu 的去除率约比ni 一 z口铁氧体的 去除率高 23 倍 ，但试验结果证明 cu 只比 ni -z口 铁氧体的去除率高 23 倍 ，文献 10 认为 ，造成 这种差别的原因

24、是 ni 一 z口铁氧体材料易于在滚 动磨粒的作用下发生疲劳去除 ，而微切削模型没 有考虑这一因素 。willia ms 等 11 的研究表明 ，磨粒与两接触表 面是形成三体研磨还是二体研磨 ，取决于磨粒粒 径和工件与抛光盘之间的间隙大小 。当磨粒的粒径和粒径的分布 为确定值时 ，间 隙越大 ，三体摩擦行为的磨粒越多 ；间隙越小，则 二体摩擦行为的磨粒也越多 。由此需要研究自由 磨粒抛光中工件和抛光盘的间隙值 ，该值与磨粒 的平均粒径 、抛光盘的物理机械性能 、抛光液的流 体动力学行为等相关 。在本文的研究中 ，先采用质地较硬 、磨粒嵌入 能力较弱的铅合金抛光盘及粒径较大的金刚石磨 粒对磁头进

25、行抛光 。这种组合有两方面的特点 ： 一是磨粒不易压入抛光盘表面 ，因而磁头和抛光 表面的间隙相对较大 ，便于磨粒自由翻攘 ，形成三 体研磨 ，形成去除率较大的低周疲劳效应 ；二是较 大磨粒易于形成较深的切入深度 ，使微切削磨损 去除率较高 。由此可见，此阶段的主要目的是获 得快速的材料去除速率 。然后改用锡磨盘和较小 的金刚石磨粒对磁头进行抛光 。这种组合的特点 相反 ：一方面磨粒易于压入抛光盘表面 ，因而工件 和抛光表面的间隙相对较小 ，便于形成二体研磨 ；将 al2 03 -tic 的值代入式 (1） ，计算得 d =62. 5nm 。理论上单磨粒引起的划痕深度不超过62. 5口m 时

26、，磁头 表 面 不会产生 脆性 裂 纹破坏。 因 5 所示为在 900kpa 抛光压力下 ，用200口m 磨 粒抛光后的表面 ，尽管该表面存在明显的划痕和 压痕 ，但没有出现脆性裂纹 。在纳米研磨阶段（ 图 6 ） ，抛光时使用不含磨 粒的抛光攘 ，材料的去除是依靠预先嵌入抛光盘 的磨粒对磁头表面微凸峰的切除 ，磨粒的摩擦状 态可控性强 ，随机性小 ，因而可以使复合表面更加 平整和光滑 14 ，纳米研磨表面如图 6 b 所示 ；而在 自由磨粒阶段，磨粒随机运动 ，材料的去除有多种 方式 ，且容易在凹陷处发生聚集 ，形成极尖凹陷或' ew , hw e 工件”( a） 自由磨粒抛光( b

27、） 纳米研磨图 6 gmr 磁头自由磨粒抛光和纳米研磨示意图塌边等缺陷 ，自由磨粒抛光如图 6a 所示 。纳米研 磨的关键是控制磨粒在抛光盘表面的嵌入强度 ， 使其与磁头表面微凸峰的切除阻力匹配 。当磨粒 在抛光盘表面的镶嵌强度小于切除阻力时 ，磨粒 有可能被刮出抛光盘表面 ，同时也可能有少数磨 粒在抛光中破碎 。抛光盘表面的螺旋沟槽有利于 抛光中脱落或破碎的磨粒随抛光液顺着 沟槽 冲 走 。纳米研磨中采用的纳米多晶金刚石 ，能尽量 避免破碎后的金刚石在磁头表面产生划痕 。但纳 米研磨的材料去除效率较低 。3结论(1） 采用自由磨粒抛光和纳米研磨相结合的 方式 ，能获得较高的材料去除率和良好的

28、磁头表 面质量 。在自由磨粒抛光阶段 ，材料的去除效率 较高 ，但易形成表面缺陷 。通过控制载荷和磨粒 粒径的参数及分阶段使用铅抛光盘和锡抛光盘 ， 磁头基体材料去除率达到 17. 7nm/ min ，同时获 得了 rq 为 13nm 的表面粗糙度；扫描电镜检测发 现磁头表面无重大缺陷；纳米研磨加工工艺能获 得亚纳米级的磁头表面粗糙度 ，并消除了磁头表 面的 黑 点 等 缺 陷，磁头 表 面 粗 糙 度 rq 可 达 0. 37nm0. 8nm ，但纳米研磨抛光的材料去除率 低于自由磨粒抛光 。(2） 在自由磨粒抛光中磨粒有攘动和滑动两种 运动方式 ，分别构成三体摩擦和二体摩擦 ，材料去 除以

29、表面疲劳和微切削方式为主；纳米研磨过程中 的材料去除主要以微切削方式为主 。估算了磁头 基体表面以塑形方式去除的材料临界去除深度 ，比 较了自由磨粒抛光和纳米研磨的磨粒运动优劣 。参考文献 ：1 j inag m , hao s, komanduri r. on the advanced lapping process in the precision finishing of thm- film magnetic recording heads for rigid disc drives. applied physics a , 2003, 77 :923-932.2 蒋致诚硬盘驱动器巨 磁

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