何聪华
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.096
摘 要：热辅助磁头（Thermal Assisted Magnetic Recording，简称TAMR）技术是通过激光瞬间加热磁记录介质，使其局部温度升高，矫顽力迅速下降到写磁头磁场可写范围完成写入动作后，磁记录介质温度快速冷却到原来高矫顽力状态从而实现信息保持。本文从TAMR的基本原理出发，介绍了TAMR当前的研发状况和生产TAMR的相关设备，相关技术以及所存在的问题，为进一步加快TAMR量产上市提供技术参考。
关键词：热辅助磁头 TAMR 矫顽力 磁记录
中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：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
机械硬盘（Hard Disk Driver，简称HDD）作为信息保存介质，其具有读写高速性、数据储存稳定性和维护方便等特点，故广泛应用于计算机应用领域，包括电信、金融、商务平台、公司企业数据保存等。近10年，硬盘存储密度 （Storage Density）技术取得了突飞猛进的发展，磁化方向为垂直记录（Perpendicular Magnetic Recording，简称PMR）的技术[1]使当今硬盘存储密度达到500Gbit/in2。但随着信息存储量的飞跃增长，必然要求硬盘具备更高的存储密度并达到Tbit/in2。
虽然每一年都会有更大容量的机械硬盘上市，但其遭遇到容量提升的瓶颈[2]。单靠增加碟片数量以增加存储量并非上策，如何提高单张碟片的存储密度才是正确出路。因此，希捷（Seagate）、西数（Western Digital）和日本TDK株式会社（简称TDK）三大厂商都致力于单张碟片存储密度提升技术的开发。其中，TDK已经率先开发出热辅助磁头（Thermal Assisted Magnetic Recording，简称TAMR）使单张碟片的存储密度在当前的基础上有望提高数10倍。
1 TAMR技术
1.1 TAMR原理
信息是利用磁记录介质的磁性进行存储。硬盘的容量取决于磁记录介质的磁性颗粒的大小。磁性颗粒越小，同样大小的碟片可以记录更多信息。但由于热扰动的存在以及相邻存磁性颗粒的相互作用会让磁矩方向变得不稳定，从而产生超顺磁效应（Superparamagnetic effect）[3]，导致磁性颗粒的磁性反转而破坏数据。因此，磁记录介质常采用高矫顽力材料，诸如FePt。当磁记录介质矫顽力较高时，给信息的写入带来极大的困难。但磁记录介质的材料矫顽力会随着温度的上升而减少，当达到居里温度（～500K）的时候[4]矫顽力趋向于零，如图1所示。这就给信息的写入提供了极大的可能性。
根据材料矫顽力随温度上升而减少的特性，若能在磁头上装有加热元件，如图2所示，在磁头写入信息前瞬间提高磁记录介质局部温度，使矫顽力下降到写磁头磁场可写范围，完成写入动作后磁记录介质温度快速冷却到原来高矫顽力状态从而完成信息保持。激光二极管（Laser Diode，简称LD）具有体积小的优点，是作为磁头加热元件不二之选。
1.2 TAMR光学系统
LD封装在磁头上后，如何获得极小直径的近场光成为TAMR光学系统设计中的第一道难题。远场光学理论指出光学绕射极限的存在确定了光点直径的大小，如式（1）：
（1）
其中为聚焦镜数值孔径（Numerical Aperture），如图 3所示。因此，可以通过采用波长较短的LD以及设计合适的近场光转换器（Near Field Transducer，简称NFT）在表面等离子体共振效应下进行光的聚焦。近年来TDK已经采用波长810nm的LD作为激光光源，在激光源头部尖端曲率半径10nm并获得了直径17nm的近场光斑，如图4所示。
此外，TDK还对近场光波导（Wave Guide，简称WG） 系统做了优化，如图5所示。WG采用高折射率的Si3N4材料，通过光栅耦合器（grating coupler）和300nm∶10nm的锥形设计，使激光能量到达到激光源头部尖端由39%提高到60%。
2 TAMR装配技术
2.1 LDB技术
LDB（Laser Diode Bonding，简称LDB）指将LD封装在激光发射元件LDU（Laser Diode Unit，简称LDU）的基体上。LDU由LD和带有線路层的基体组成，基体表面绝缘层下埋有光敏二极管（Photo Diode，简称PD）。PD对光的变化非常敏感，通过探测LD发出的光的变化，将其转换成电流或者电压信号以监控LD的输出状态。如何将LD封装在LDU基体上而又不破坏基体上的绝缘层以及脆弱的LD和PD，成为LDU封装的关键因素。此外，图6中LD端面到LDU基体端面的距离Gap也直接影响着TAMR的性能。endprint
如图7所示，TDK的大量研究表明：当激光穿过WG中心时，Gap越大，激光的利用效率越低。当Gap=1μm时，光利用率接近60%。当Gap=2μm时候，光的利用率降低到40%以下，当Gap=7μm时，光利用率仅为10%多点。另外，若LD端面相对基体端面向前突出，会直接影响到LDU与磁头 （Slider）的封装性能，造成LDU脱落导致碟片损毁。
因此，LD封装对设备的定位精度以及测量精度均提出了严格要求。TDK已经开发出了相关设备，采用激光作为测量工具以控制Gap，外加CW类型激光源辐射到LDU基体上，使基体上的焊料熔化并将LD封装在基体上。TDK于2011年开发的第一代设备LDB-1，Gap可以控制在0.5～2.0μm，2013年开发的第二代设备LDB-2，Gap可以控制在0.3～1.8μm，UPH（Units Per Hour）则可以达到700Unit。
2.2 BIT技术
LDU制备后，需要对其进行坏品筛选，防止坏品流入下工序。LDU的性能测试主要是短路检测和老化测试（Burn In Test，简称BIT）。短路主要发生在LDB过程中，LDU基体上的焊料发生溢流并破坏LDU表面绝缘层从而造成LD与PD导通发生短路。老化测试则是模拟恶劣环境，考察LDU在恶劣环境下的工作状态。目前，TDK开发的LDU在85°C的环境中加载60mA的电流，经过5h的BIT合格率已经达到98%。
BIT对夹具的精度要求以及探针的要求也比较高。如图8所示，由于LD只有几十微米宽，通电线路下针点与LD之间的距离也同样只有几十微米。这就要求夹具必须有比较高的定位精度，否则探针无法正确接触到LD上表面造成开路。由于BIT是接触性测试，如何延长探针的寿命，以及在测试过程中避免如图9的LD和线路的镀金层损伤，也是BIT测试中的有待解决的难题。
2.3 TAAM技术
TAAM（TAMR slider Alignment Assemble Machine，简称TAAM）是TDK开发的一款具有超高定位精度的热辅助激光焊接设备，其各主轴丝杠重复定位精度可达到0.1μm，悬浮工作台上搭载的Nano-positioning Motion Control DSP controller更可以保证+/-10nm的超高定位精度。该设备通过光学定位系统，使LD激光束准确无误地落在宽度只有0.4μm的WG中心上，保证激光束直径中心与WG中心重合时，使碟片表面更有效获得激光能量的照射，达到瞬间加热碟片的目的。
在光学定位系统的设计中，Slider上的WG分成了SWG （Satellite Wave Guide，简称SWG）和CWG（Center Wave Guide，简称CWG），它们之间有着固定的相对位置。其定位原理是：Nano-positioning Motion Control DSP controller负责控制装载Slider的平台在CT（X）/DT（Y）方向上微移动，如图10所示。SWG处的激光束透过目镜（Objective lens）进入带有PD的检测元件（PD Unit） 并捕捉激光束的最亮点，Nano-positioning Motion Control DSP controller控制装载Slider的平台直接定位CWG的位置，让激光束准确无误地照射在CWG中心上。另外有两个CCD来观测光点的位置以及形状，为捕捉激光束最亮点提供位置参考。
3 TAMR存在的问题
虽然TAMR量产已经成为可能，但仍然存在一些极难解决的问题有待深入研究。譬如LDU基体上的焊料层和Slider用于焊接LDU的焊料层的设计，包括形状、不同材料之间结合力、热传递性能等有待更深入的研究；Slider与LDU焊接在一起后所产生的应力，会使Slider ABS（Air Bearing Surface）變形，如图11所示，从而影响飞行高度，造成飞行高度的调节一致性差；LD与LDU基体焊接，LDU与Slider焊接，焊料层熔化形成合金后出现的气孔和虚焊现象，如图12所示，容易造成LDU脱落损毁碟片；TAMR寿命短等等。上述TAMR存在的棘手技术难点还有待专家与学者们来解决。
4 结语
TAMR通过瞬间加热磁记录介质，迅速降低其矫顽力以实现信息写入，当磁记录介质快速冷却时恢复高矫顽力状态以达到信息保持。基于该原理，TDK已经开发出TAMR和相关生产设备并使TAMR量产成为极大的可能性。虽然当前TAMR还面临着诸多挑战，但相关研究开发人员一直致力于设备与新材料的开发与新工艺的尝试，一旦TAMR寿命测试超过1000h，那么就可以真正实现量产上市。
参考文献
[1]张晨辉.磁头/磁盘表面保护膜及抗吸附分子膜研究[J].数字制造科学，2007，5（2）：35.
[2]双刃.热辅助磁记录机械硬盘的救星[J].微型计算机， 2012（16）：128
[3]陈进才，陈明，谢长生.热辅助磁记录技术[J].记录媒体技术，2010（4）：23-26，66.
[4]黄致新.SmTbCo系光磁混合记录薄膜机构与特性研究[D].华中科技大学，2004.endprint
