熱輔助磁頭TAMR技術的開發現狀

何聰華

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

摘 要：熱輔助磁頭（Thermal Assisted Magnetic Recording，簡稱TAMR）技術是通過激光瞬間加熱磁記錄介質，使其局部溫度升高，矯頑力迅速下降到寫磁頭磁場可寫范圍完成寫入動作后，磁記錄介質溫度快速冷卻到原來高矯頑力狀態從而實現信息保持。本文從TAMR的基本原理出發，介紹了TAMR當前的研發狀況和生產TAMR的相關設備，相關技術以及所存在的問題，為進一步加快TAMR量產上市提供技術參考。

關鍵詞：熱輔助磁頭 TAMR 矯頑力 磁記錄

中圖分類號：TP333 文獻標識碼：A 文章編號：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

機械硬盤（Hard Disk Driver，簡稱HDD）作為信息保存介質，其具有讀寫高速性、數據儲存穩定性和維護方便等特點，故廣泛應用于計算機應用領域，包括電信、金融、商務平臺、公司企業數據保存等。近10年，硬盤存儲密度 （Storage Density）技術取得了突飛猛進的發展，磁化方向為垂直記錄（Perpendicular Magnetic Recording，簡稱PMR）的技術[1]使當今硬盤存儲密度達到500Gbit/in2。但隨著信息存儲量的飛躍增長，必然要求硬盤具備更高的存儲密度并達到Tbit/in2。

雖然每一年都會有更大容量的機械硬盤上市，但其遭遇到容量提升的瓶頸[2]。單靠增加碟片數量以增加存儲量并非上策，如何提高單張碟片的存儲密度才是正確出路。因此，希捷（Seagate）、西數（Western Digital）和日本TDK株式會社（簡稱TDK）三大廠商都致力于單張碟片存儲密度提升技術的開發。其中，TDK已經率先開發出熱輔助磁頭（Thermal Assisted Magnetic Recording，簡稱TAMR）使單張碟片的存儲密度在當前的基礎上有望提高數10倍。

1 TAMR技術

1.1 TAMR原理

信息是利用磁記錄介質的磁性進行存儲。硬盤的容量取決于磁記錄介質的磁性顆粒的大小。磁性顆粒越小，同樣大小的碟片可以記錄更多信息。但由于熱擾動的存在以及相鄰存磁性顆粒的相互作用會讓磁矩方向變得不穩定，從而產生超順磁效應（Superparamagnetic effect）[3]，導致磁性顆粒的磁性反轉而破壞數據。因此，磁記錄介質常采用高矯頑力材料，諸如FePt。當磁記錄介質矯頑力較高時，給信息的寫入帶來極大的困難。但磁記錄介質的材料矯頑力會隨著溫度的上升而減少，當達到居里溫度（～500K）的時候[4]矯頑力趨向于零，如圖1所示。這就給信息的寫入提供了極大的可能性。

根據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，在磁頭寫入信息前瞬間提高磁記錄介質局部溫度，使矯頑力下降到寫磁頭磁場可寫范圍，完成寫入動作后磁記錄介質溫度快速冷卻到原來高矯頑力狀態從而完成信息保持。激光二極管（Laser Diode，簡稱LD）具有體積小的優點，是作為磁頭加熱元件不二之選。

1.2 TAMR光學系統

LD封裝在磁頭上后，如何獲得極小直徑的近場光成為TAMR光學系統設計中的第一道難題。遠場光學理論指出光學繞射極限的存在確定了光點直徑的大小，如式（1）：

（1）

其中為聚焦鏡數值孔徑（Numerical Aperture），如圖 3所示。因此，可以通過采用波長較短的LD以及設計合適的近場光轉換器（Near Field Transducer，簡稱NFT）在表面等離子體共振效應下進行光的聚焦。近年來TDK已經采用波長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的近場光斑，如圖4所示。

此外，TDK還對近場光波導（Wave Guide，簡稱WG） 系統做了優化，如圖5所示。WG采用高折射率的Si3N4材料，通過光柵耦合器（grating coupler）和300nm∶10nm的錐形設計，使激光能量到達到激光源頭部尖端由39%提高到60%。

2 TAMR裝配技術

2.1 LDB技術

LDB（Laser Diode Bonding，簡稱LDB）指將LD封裝在激光發射元件LDU（Laser Diode Unit，簡稱LDU）的基體上。LDU由LD和帶有線路層的基體組成，基體表面絕緣層下埋有光敏二極管（Photo Diode，簡稱PD）。PD對光的變化非常敏感，通過探測LD發出的光的變化，將其轉換成電流或者電壓信號以監控LD的輸出狀態。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LDU封裝的關鍵因素。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：當激光穿過WG中心時，Gap越大，激光的利用效率越低。當Gap=1μm時，光利用率接近60%。當Gap=2μm時候，光的利用率降低到40%以下，當Gap=7μm時，光利用率僅為10%多點。另外，若LD端面相對基體端面向前突出，會直接影響到LDU與磁頭 （Slider）的封裝性能，造成LDU脫落導致碟片損毀。

因此，LD封裝對設備的定位精度以及測量精度均提出了嚴格要求。TDK已經開發出了相關設備，采用激光作為測量工具以控制Gap，外加CW類型激光源輻射到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年開發的第一代設備LDB-1，Gap可以控制在0.5～2.0μm，2013年開發的第二代設備LDB-2，Gap可以控制在0.3～1.8μm，UPH（Units Per Hour）則可以達到700Unit。

2.2 BIT技術

LDU制備后，需要對其進行壞品篩選，防止壞品流入下工序。LDU的性能測試主要是短路檢測和老化測試（Burn In Test，簡稱BIT）。短路主要發生在LDB過程中，LDU基體上的焊料發生溢流并破壞LDU表面絕緣層從而造成LD與PD導通發生短路。老化測試則是模擬惡劣環境，考察LDU在惡劣環境下的工作狀態。目前，TDK開發的LDU在85°C的環境中加載60mA的電流，經過5h的BIT合格率已經達到98%。

BIT對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，通電線路下針點與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，否則探針無法正確接觸到LD上表面造成開路。由于BIT是接觸性測試，如何延長探針的壽命，以及在測試過程中避免如圖9的LD和線路的鍍金層損傷，也是BIT測試中的有待解決的難題。

2.3 TAAM技術

TAAM（TAMR slider Alignment Assemble Machine，簡稱TAAM）是TDK開發的一款具有超高定位精度的熱輔助激光焊接設備，其各主軸絲杠重復定位精度可達到0.1μm，懸浮工作臺上搭載的Nano-positioning Motion Control DSP controller更可以保證+/-10nm的超高定位精度。該設備通過光學定位系統，使LD激光束準確無誤地落在寬度只有0.4μm的WG中心上，保證激光束直徑中心與WG中心重合時，使碟片表面更有效獲得激光能量的照射，達到瞬間加熱碟片的目的。

在光學定位系統的設計中，Slider上的WG分成了SWG （Satellite Wave Guide，簡稱SWG）和CWG（Center Wave Guide，簡稱CWG），它們之間有著固定的相對位置。其定位原理是：Nano-positioning Motion Control DSP controller負責控制裝載Slider的平臺在CT（X）/DT（Y）方向上微移動，如圖10所示。SWG處的激光束透過目鏡（Objective lens）進入帶有PD的檢測元件（PD Unit） 并捕捉激光束的最亮點，Nano-positioning Motion Control DSP controller控制裝載Slider的平臺直接定位CWG的位置，讓激光束準確無誤地照射在CWG中心上。另外有兩個CCD來觀測光點的位置以及形狀，為捕捉激光束最亮點提供位置參考。

3 TAMR存在的問題

雖然TAMR量產已經成為可能，但仍然存在一些極難解決的問題有待深入研究。譬如LDU基體上的焊料層和Slider用于焊接LDU的焊料層的設計，包括形狀、不同材料之間結合力、熱傳遞性能等有待更深入的研究；Slider與LDU焊接在一起后所產生的應力，會使Slider ABS（Air Bearing Surface）變形，如圖11所示，從而影響飛行高度，造成飛行高度的調節一致性差；LD與LDU基體焊接，LDU與Slider焊接，焊料層熔化形成合金后出現的氣孔和虛焊現象，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存在的棘手技術難點還有待專家與學者們來解決。

4 結語

TAMR通過瞬間加熱磁記錄介質，迅速降低其矯頑力以實現信息寫入，當磁記錄介質快速冷卻時恢復高矯頑力狀態以達到信息保持。基于該原理，TDK已經開發出TAMR和相關生產設備并使TAMR量產成為極大的可能性。雖然當前TAMR還面臨著諸多挑戰，但相關研究開發人員一直致力于設備與新材料的開發與新工藝的嘗試，一旦TAMR壽命測試超過1000h，那么就可以真正實現量產上市。

參考文獻

[1] 張晨輝.磁頭/磁盤表面保護膜及抗吸附分子膜研究[J].數字制造科學，2007，5（2）：35.

[2] 雙刃.熱輔助磁記錄機械硬盤的救星[J].微型計算機， 2012（16）：128

[3] 陳進才，陳明，謝長生.熱輔助磁記錄技術[J].記錄媒體技術，2010（4）：23-26，66.

[4] 黃致新.SmTbCo系光磁混合記錄薄膜機構與特性研究[D].華中科技大學，2004.endprint