磁头可靠性分析与寿命预测研究

发布时间：2020-09-28 11:09

　　现代固态存储和光存储的高度发展和工业生产的迫切需求给磁存储技术提出了新的更具挑战性的要求。分布式磁存储技术为航天等保密工业存储开辟了一条新的有效途径,受到了工程技术人员和学者的广泛关注。磁存储设备元件的可靠性和寿命是存储技术的关键。由于磁存储元件的尺寸都十分小,针对磁存储设备及其元件的研究主要集中在美国和日本,并且几乎都只针对整个存储设备的寿命,对单个元件、单个关键因素进行寿命分析的研究甚少。本文以ansys和matlab为主要工具,结合生产实践,深入研究了磁头内置DFH控制元件、磁头臂连接钎料焊点的寿命和可靠性,并且详细分析了影响磁头寿命和可靠性的润滑油的饱和厚度,建立了一种磁头故障信号传输的改进马尔科夫开关模型。论文主要研究的内容如下:详细研究了磁头内置DFH(Dynamic Flying Height,动态飞行高度)控制元件的有限元寿命预测模型,该模型解决了采用Matlab软件模拟评估的误差迭加失效问题。结合实际产品验证,文章运用该模型进一步分析了磁头内置DFH控制元件的设计可靠性问题,并且得出以下结论:在50Ω的新型DFH计算结果中,其热效应强度比传统的屏蔽层要大10%以上;实际的寿命失败样品,其出现问题的区域都是在线路的转角处,转角越多则意味着最早失败点越多,拐角处电流拥挤效应是电流密度、电流方向改变频率以及材料本身综合影响的结果。研究了磁头内置DFH控制元件的过载荷可靠性,同时提出了一种改进的磁头温升实验设计方案。结合原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)测试方法,从形变的性质和大小角度来评估磁头内置DFH控制元件,结果表明,即使在长时间过流的情况下,磁头内置DFH控制元件的突起性质仍然属于弹性形变,未发生永久塑性形变;静止空气冷却条件下,磁头内置DFH控制元件的结构变形量的大小和能量呈线性关系。采用脉冲式电场的破坏性测试方法,对磁头内置DFH控制元件进行过压击穿测试,测试结果表明,实际产品的击穿电压在安全区以外。同时论证了静止碟面加冷却膏法的可行性,进一步简化了磁头温升的实验过程。提出了一种磁头内置DFH控制元件和磁头臂连接钎料焊点的寿命预测模型。磁头无铅微焊点是由铁,铬,镍,铱,锰等材料组成,极易腐蚀,如无保护措施,在短短十几个小时里就会氧化,腐蚀和失效,金属化和物的生长可以有效解决上述问题。由于AuSn4在生长时可以有效降低连结钎料的机械特性,本文主要对AuSn4生长时对焊点的影响做研究,并建立了一种针对磁头连接钎料的改进IMC(Intermetallic Compounds,金属间化合物)生长模型。模型预测结果表明,IMC方法适用于预测焊点寿命,并且可以得到如下结论:在工作温度为60℃时,扩散常数是0.015354,此时焊点的寿命是14.46年。分析了磁头无铅微焊点的可靠性,磁头焊点可靠性分析包括焊点前期液滴飞溅的防护和后期焊点失效性分析,在实际生产中,应用钎料球喷射连接技术时,钎料液滴飞溅时有发生,本文融合激光加热和氮气压力技术,建立了一种新的用于计算磁头内置DFH控制元件连接钎料液滴冲击速度的双液滴模型,同时,采用正交试验法对比了不同激光加热参数和氮气压力条件下磁头内置DFH控制元件连接钎料液滴飞溅的情况,并进一步融合可控扫描式磁场和偏置两种方法,研究了磁头微焊点的失效情况。试验结果表明:下落前,激光脉冲能量是决定液滴温度的主要因素;下落后,对钎料液滴温度影响最大的是钎料液滴的初始温度。磁头焊点失效是焊点液滴飞溅和金属间化合物共同作用的结果。提出并证明了磁头油膜厚度与碟面中心距成线性关系的条件。为了解决生产过程中需反复测量磁头润滑油饱和厚度的问题,文章结合原子力学显微镜,进行反复的动态测试,测试表明,在2.5纳米以内,磁头读写磁盘数据处,润滑油饱和厚度与该处距磁盘中心长度成良好的线性关系。2.5纳米以外到磁盘边缘,采用改进欧拉算法进行处理数据,发现润滑油饱和厚度的计算值和实际值的差值与该处距磁盘中心长度也成线性关系。文中还对实验结果误差进行了理论分析和实际验证,结果表明,由于空气流压力以及磁盘边缘磁隙引发的局部磁泄,磁头边缘润滑油饱和厚度很难预测。提出了一种磁头故障信息传输的改进马尔科夫模型。磁头一旦发生故障,其信号传输频率必然升高,传输过程会造成信道堵塞,如何反应堵塞以及磁头故障是很多学者研究的课题,工业生产上一般采用经验数据查询法,该种方法会造成漏判和错判,论文研究了一种马尔科夫开关模型,该模型结合了强度转移法则,使得故障信号的前诉定位成为可能。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

磁存储,行控制,磁头,飞行高度

是逆空气流的旋转，主要受范德华力的影响，与俯仰角大小有关，动态飞行逡逑高度（ＤＦＨ）与其驱动音圈马达的具体设计对航空研究有一定的借鉴作用。硬盘信逡逑息的读写如图２．１所示，磁头从高速旋转的盘片上不断寻找磁道道而读取相关的逡逑信号，所示硬盘盘片的多层膜组成从下到上依次为盘基底层衬层磁层、保护层、逡逑润滑层。逡逑ＩＢＭ的硬盘新技术逡逑臂突起逦＾逡逑／逦，逦载入方向逡逑？邋１逡逑？ＭＭｔ邋ｍｍｍｍ逡逑？ｍ？邋＿邋丨＿丨＿逡逑图２．１磁头加载／载出磁盘逡逑飞行高度随磁存储密度的增大会迅速下降，但是可以看到，此时磁头的飞逡逑行控制精度却不断提高。我们可以做这样的比喻，就像我们眼睛看字一样，离字逡逑越近，看得越清楚，所以飞得越低，字就必须写得更密，对应轨道越小，字要写逡逑１２逡逑

情况,平均幅值,轨道,磁头

头内置ＤＦＨ控制元件通过获得的轨道平均幅值（ＴＡＡ）起程度，从而决定如何调节功率的大小，最终实现调节述分析可以看出，影响磁头飞行高度的因素主要是磁头角和控制元件感知的轨道平均幅值。磁头一旦制作成功变化，即使变化也是极微小的，或者是由于外界条件如极限值，此时，整个硬盘已经失效，己经失去了研究的能好坏与元件的轨道平均幅值密切相关。逡逑幅值对ＤＦＨ的影响逡逑值（Ｔｒａｃｋ邋Ａｖｅｒａｇｅ邋Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）是在确定轨道上，磁头度值，在实际情况中信号幅度是不稳定的，信号的平均络曲线的平均值而得出正向轨道平均幅值（ＴＡＡ＋）和负。具体在第７章会详细讲解。所提到的Ｗａｌｌａｃｅ间隔方化的方程式，它给出了计算飞行高度所需要的参数，测信号频率，以及轨道平均幅值。这里我们介绍几个和

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【参考文献】