CN100339888C - 带有扩大绝缘层的磁头结构 - Google Patents

带有扩大绝缘层的磁头结构 Download PDF

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Abstract

一种磁头结构，具有线圈和使得由线圈产生的磁通量能够穿过其传播并且形成了磁隙的磁极。绝缘层围绕着线圈，并且保护层覆盖着绝缘层和磁极。绝缘层的体积等于或大于针对保护层厚度确定的值。最好随着保护层的厚度的增大，增加绝缘层的体积。通过增加绝缘层的体积，磁头滑块的浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起得以减小。

Description

带有扩大绝缘层的磁头结构
技术领域
本发明涉及一种磁头结构。
背景技术
磁盘设备包括多个盘和设置在这些盘之间的多个磁头结构。磁头结构是设置在磁头滑块上的。磁头滑块的面对盘的表面称为浮置面。磁头结构包括线圈、使得由该线圈产生的磁通量能够穿过其传播并且形成磁隙的磁极、环绕着线圈的绝缘层和覆盖着绝缘层和磁极的保护层，通过将这些组件设置在基板上形成了磁头滑块。而且，在基板上还设置了屏蔽层(shield)和读取元件(MR元件)。
当将数据写入盘中时，向线圈供应电流。流经线圈的电流产生磁通量，并且磁极中的漏磁通量将数据写入到盘上。而且，当从盘上读取数据时，是通过MR元件读取数据的。近来，减小了磁头滑块的浮动高度(浮置量)，以增大记录密度，并且该浮动高度例如为十几个nm。
在磁头结构中，基板是由Al2O3-TiC制成的，线圈是由铜制成的，磁极和屏蔽层是由诸如NiFe之类的磁性材料制成的，保护层是由铝制成的，而绝缘层是由诸如感光树脂之类的树脂材料制成的。按照这种方式，整个磁头结构由铝制的保护层覆盖起来，并且热膨胀系数与保护层不同的线圈和绝缘层设置在磁头结构之内。
铝的热膨胀系数是5.8×10-6，铜的热膨胀系数是17.2×10-6，用作磁性材料的坡莫合金的热膨胀系数是10×10-6，而感光树脂的热膨胀系数是30-70×10-6。铜或磁性材料的热膨胀系数比铝大约大两或三倍。感光树脂的热膨胀系数比铝大约大10倍。
当磁盘设备内部的温度升高时或当由于供应电流造成温度升高时，由于磁头结构的组分材料的热膨胀系数之间的差异，会造成在磁头结构内出现热形变。这样的热形变可能会造成浮置面的形变。
考虑到浮置面的形变，包括感光树脂并且具有最大热膨胀系数的绝缘层膨胀的程度最大，并且因此，出现了这样的现象：浮置面在磁极的位置处的一部分朝向盘凸起。如果浮置面中出现了形变，磁头滑块的浮置最小量遭到了相当严重的缩减，并且可能浮置面的靠近磁极的一部分接触到盘，从而使得可靠性降低。
因此，希望减小浮置面靠近磁极的那一部分朝向盘的凸起程度。
按照传统方式，提出了通过改变绝缘层和保护层的材料来减小浮置面靠近磁极的部分朝向盘的凸起的方案。例如，将保护层分成两部分，其中使用具有较高杨氏模量的材料作为靠近浮置面的部分，而使用具有较低杨氏模量的材料作为远离浮置面的部分(例如，参见日本未审查专利申请(Kokai)第2000-306213号)。而且，还提出了使用具有较低玻璃转化温度的树脂作为绝缘层的方案(例如，参见日本未审查专利申请(Kokai)第2000-306215号)。不过，由于保护层与绝缘层之间在热膨胀系数上有很大的差距，如上面所介绍的，因此即使轻微减小了保护层和绝缘层的热膨胀系数之间的差距，也无法从根本上解决热形变的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁头结构，通过这种磁头结构，浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起能够得以减小。
按照本发明，一种磁头结构，包括：线圈；磁极，使得由线圈产生的磁通量能够穿过其传播，并且该磁极形成了磁隙；围绕着线圈的绝缘层；覆盖着绝缘层和磁极的保护层；其中绝缘层的体积等于或大于针对保护层厚度确定的值。
按照这种结构，通过将绝缘层的体积增加到大于某个值，能够减小浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起。按照常规，可以想到当增大了绝缘层的体积时，绝缘层的热膨胀量可能会增大，从而浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起量也将会增大。本申请的发明人已经发现，绝缘层在高温状态下的膨胀不仅会在朝向浮置面的方向上发生，而且会在浮置面的横向方向上发生。如果增大绝缘层的体积，则绝缘层沿着浮置层的横向方向膨胀的成分会局部地上压保护层位于绝缘层上方的部分，从而产生了导致保护层位于浮置面侧面上的部分发生旋转的力矩。借助这个力矩，浮置面的外边缘朝着盘形变，并且浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起受到了约束。因此，通过增大具有较大热膨胀系数的绝缘层的体积，能够减小浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起。而且，为了使保护层变形，以致减小浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起，必须随着覆盖绝缘层的保护层的厚度增大，增加绝缘层的材料的体积。
按照本发明，一种磁头结构，包括：线圈；磁极，使得由线圈产生的磁通量能够穿过其传播，并且该磁极形成了磁隙；围绕着线圈的绝缘层；覆盖着绝缘层和磁极的保护层；其中线圈具有内线圈部分和外线圈部分，并且外线圈部分的宽度大于内线圈部分的宽度的两倍。
按照这种结构，线圈具有较宽的部分(外线圈部分)，从而线圈的阻抗得以减小。由于线圈的阻抗得以减小，因此由线圈产生的热量得以减少，结果，绝缘层的膨胀量得以减小，从而磁头结构的热形变也得以减小。因此，能够减小浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起。
按照本发明，一种磁头结构，包括：线圈；磁极，使得由线圈产生的磁通量能够穿过其传播，并且该磁极形成了磁隙；围绕着线圈的绝缘层；覆盖着绝缘层和磁极的保护层；以及设置在保护层之内或之上的材料层，并且该材料层的热膨胀系数小于保护层的热膨胀系数，其中，所述绝缘层被防止在垂直于浮置面的方向上膨胀，并且浮置面在磁极附近的部分的凸起被减小。
按照这种结构，热膨胀系数小于保护层的热膨胀系数的材料层抑制了整个磁头结构的热膨胀，并且因此，能够减小浮置面在磁极附近的部分朝向盘的凸起。
附图说明
现在将参照附图对本发明进行解释说明，其中：
图1是表示按照本发明的一种实施方式的磁盘设备的一部分的示意图；
图2是表示磁头滑块的立体图；
图3是表示磁头结构的横截面图；
图4是表示磁头结构的修改例的横截面图；
图5是表示磁头结构的修改例的横截面图；
图6是表示磁头结构的修改例的横截面图；
图7是表示磁头结构的修改例的横截面图；
图8是表示磁头结构的修改例的横截面图；
图9是表示按照现有技术的磁头结构的热形变并且解释本发明的原理的示意图；
图10是表示在改变保护层的厚度的时候，绝缘层的体积与浮置面在磁极附近的部分的位移之间的关系的曲线图；
图11是表示本发明和现有技术的浮置面的部分的位移的曲线图；
图12是表示双层线圈的上层线圈的示意图；
图13是表示双层线圈的下层线圈的示意图；
图14是表示本发明和现有技术的浮置面的部分的位移的曲线图；
图15是表示按照本发明的另一种实施方式的磁头结构的横截面图；
图16是表示磁头结构的修改例的横截面图；
图17是表示磁头结构的修改例的横截面图；和
图18是表示本发明和现有技术的浮置面的部分的位移的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明的优选实施方式加以解释说明。图1是表示按照本发明的一种实施方式的磁盘设备的局部的示意图。图2是表示磁头滑块的立体图。
磁盘设备10包括磁盘12和磁头滑块14。磁头滑块14具有浮置面16和浮轨(未示出)。在操作过程中，盘沿着箭头X所示的方向旋转，并且磁头滑块14以浮置量Y和仰俯角Z相对于盘14浮置。浮置量Y例如大约为10nm。
磁头滑块14包括形成滑块主体的基板18和设置在基板18上的磁头结构20。磁头结构20是通过层叠数种材料的薄膜而形成的。磁头结构20具有形成在基板18端部上的线圈22，和使得由线圈22产生的磁通量能够穿过其进行传播并且形成磁隙24的磁极26。而且，在基板18上设置有屏蔽层28和读取元件(MR元件)30。
当将数据写入到盘12中时，向线圈22供应电流。流过线圈22的电流产生磁通量，并且磁极26的磁隙24中的漏磁通量在盘12上写入数据。而且，当从盘12上读取数据时，数据是通过读取元件30进行读取的。近来，减小了磁头滑块14的浮置量，以增大记录密度，并且该浮置量例如为十几个nm。
图3是表示磁头结构20的横截面图。基板18仅相当于图1和2中所示的基板18的一部分。磁头结构20具有线圈22和磁极26。线圈22具有双层结构，包括上层线圈22U和下层线圈22L，并且上层线圈22U和下层线圈22L的中央部分彼此连接在一起。而且，两层屏蔽层28设置在基板18上，并且读取元件(MR元件)30设置在两层屏蔽层28之间。
而且，磁头结构20包括围绕着线圈22的绝缘层32，和覆盖着绝缘层32和磁极22的保护层34。绝缘层32包括与双层线圈22(22U和22L)相对应的双层结构。这些元件是通过层叠各种材料的薄膜形成的。保护层34具有相当大的厚度并且也形成在上述几个层之间。
基板18是由Al2O3-TiC制成的，线圈22是由铜制成的，磁极26和屏蔽层28是由诸如NiFe之类的磁性材料制成的，保护层34是由铝制成的，而绝缘层32是由诸如感光树脂之类的树脂材料制成的。整个磁头结构20由诸如铝之类的保护层34覆盖起来，并且热膨胀系数与保护层34不同的线圈22和绝缘层32设置在磁头结构20之内。形成保护层34的铝的热膨胀系数是5.8×10-6，形成线圈22的铜的热膨胀系数是17.2×10-6，形成磁极26和屏蔽层28的用作磁性材料的坡莫合金的热膨胀系数是10×10-6，而形成绝缘层32的感光树脂的热膨胀系数是30-70×10-6。铜或磁性材料的热膨胀系数比铝大约大两或三倍。感光树脂的热膨胀系数比铝大约大10倍。
绝缘层32具有等于或大于一个针对保护层34的厚度确定的值的体积，从而使得浮置面16上磁极26所处的位置上的部分的凸起得以减小。在图3中，绝缘层32具有均匀厚度，并且形成得比图3的横截面内设置线圈22的区域长。就是说，绝缘层32所具有的体积要比对线圈22进行绝缘所需的体积大得多。
图9是表示按照现有技术的磁头结构的热形变并且解释本发明的原理的示意图。磁头结构的组元是使用与图3相同的附图标记标示的。图9的绝缘层32的体积小于图3的绝缘层32的体积。图9是这样一个图：其中使用有限元法计算了热形变。在图9中，将会了解到，热形变主要是由于绝缘层32的热膨胀系数与保护层34的热膨胀系数之间的差异造成的。具体来说，形变的发生使得浮置面16靠近磁极26的部分16A朝向盘12凸起到了最大的程度，如箭头A所示。磁头滑块14的浮置量为大约十几个nm，并且如果部分16A的凸起量变大，则可以说，磁头滑块14的最小浮置量实质上减小，并且浮置面16在线圈22所处的位置上的部分16A可能会接触到盘12。
按照本发明，通过将绝缘层的体积增大得超过某个值，使得保护层34以图9中虚线所示的方式发生形变，并且能够在箭头A所示的方向上减小浮置面16在磁极26附近的部分16A的凸起。因此，磁头结构20的工作可靠性进一步得到了改善。
按照常规，可以想到当增大了绝缘层32的体积时，绝缘层32的热膨胀量可能会增大，从而浮置面16在磁极26附近的部分16A的凸起量也将会增大。本申请的发明人已经发现，绝缘层32在高温状态下的膨胀不仅会在朝向浮置面16的方向上发生，而且会在浮置面16的横向方向上发生。
如果增大绝缘层32的体积，则绝缘层32沿着浮置层16的横向方向膨胀的成分会局部地上压保护层34位于绝缘层32上方的部分，从而产生了导致保护层34位于浮置面16侧面上的部分发生旋转的力矩M。借助这个力矩M，浮置面16的外边缘(图9中保护层34的左上端)朝着盘12形变，并且浮置面16在磁极26附近的部分16A朝向盘12的凸起受到了限制。
因此，通过增大具有较大热膨胀系数的绝缘层32的体积，能够减小浮置面16在磁极26附近的部分16A朝向盘12的凸起。而且，为了使保护层34变形，以致减小浮置面16在磁极26附近的部分16A朝向盘12的凸起，必须随着覆盖着绝缘层32的保护层34的厚度增大，增加绝缘层32的材料的体积。
图10是表示在改变保护层34的厚度的时候，绝缘层32的体积(绝缘体体积)与浮置面16在磁极26附近的部分16A的位移(点A的位移)之间的关系的曲线图。部分16A的位移是沿着图9中的箭头A的方向测得的凸起量。保护层34的厚度为6.25μm、12.5μm和25μm。从图10所示的结果中，可以了解到，部分16A的凸起量在保护层34的体积的某一值下具有局部最小值。而且，随着保护层34的厚度变大，部分16A的凸起的局部最小值向保护层34变得较大的那一侧移动。
因此，本发明的特征的目标在于，使用这种机制减小部分16A的凸起量。不过，如果绝缘层(感光树脂)32的体积过大，就不要指望得到减小部分16A的凸起量的效果了，因此依据保护层34的厚度，将绝缘层32的体积设定在包括局部最小值的特定范围之内是很重要的一点。
作为对图10的结果进行分析的结果，我们发现，最好，绝缘层32的体积处于由L的立方定义的值的10倍到40倍的范围之内，其中L是保护层34的厚度并且小于25μm。在这种情况下，厚度L是保护层34在磁极26上方的部分的厚度，如图3所示。注意，这一结果在保护层34的厚度小于25μm的磁头结构20中是最佳的。
图11是表示本发明和现有技术的浮置面的部分的位移的曲线图。将本发明的磁头结构20构造为，保护层34的厚度是12.5μm，而绝缘层32的体积是3.26E-05mm3。传统的磁头结构构造为，保护层34的厚度是12.5μm，而绝缘层32的体积是2.85E-06mm3(设置在线圈22周围的绝缘层的标准体积)。按照本发明，部分16A的凸起量减小了大约30％。
在增大绝缘层32的体积的过程中，没有必要将绝缘层32的材料集中设置在一个部分上，而是可以将绝缘层32的材料设置成多个分开的部分。图4到8表示有差别地设置了绝缘层32的材料并且增大了绝缘层32的体积的磁头结构的实例。
图4是磁头结构的横截面图。在图4中，围绕着上层线圈22U的绝缘层32的上层部分的体积增大，而围绕着下层线圈22L的绝缘层32的下层部分相对于传统的下层部分而言体积未变。
图5是磁头结构的横截面图。在图5中，围绕着上层线圈22U的绝缘层32的上层部分相对于传统的上层部分而言体积保持不变，而围绕着下层线圈22L的绝缘层32的下层部分的体积增大。
图6是磁头结构的横截面图。在图6中，围绕着上层线圈22U的绝缘层32的上层部分和围绕着下层线圈22L的绝缘层32的下层部分相对于传统的上层部分和下层部分而言体积保持不变，而是在与绝缘层32的平面基本共面的平面内设置了附加的绝缘层32A。
图7是磁头结构的横截面图。在图7中，围绕着上层线圈22U的绝缘层32的上层部分和围绕着下层线圈22L的绝缘层32的下层部分相对于传统的上层部分和下层部分而言体积保持不变，而是在绝缘层32之上设置了附加的绝缘层32B。附加绝缘层32A或32B并不直接对线圈22进行绝缘，而是由与绝缘层32相同的材料制成的，并且具有与增大了绝缘层32的体积时的效果相同的效果。
图8是磁头结构的横截面图。在图8中，设置了单层线圈22，并且围绕着线圈22U的单层绝缘层32的体积增大。在单层线圈22的情况下也一样，得到了与多层线圈22相同的效果。
图12是表示双层线圈的上层线圈的示意图，而图13是表示双层线圈的下层线圈的示意图。上层线圈22U的内端和下层线圈22L的内端彼此连接在一起。图12和13的上层线圈22U和下层线圈22L可以用作图3到7的上层线圈22U和下层线圈22L，或者它们可以用作传统的双层线圈。
上层线圈22U和下层线圈22L中的每一个都具有连接线22a和线圈部分22b。线圈部分22b具有内线圈部分22i和外线圈部分22o。上层线圈22U和下层线圈22L都形成为，外线圈部分22o的宽度W大于内线圈部分22i的宽度w的两倍。
而且，连接线22a在外线圈部分22o附近的部分22n的宽度大于外线圈部分22o的宽度。特别是，在上层线圈22U中，连接线22a在外线圈部分22o附近的部分22n的宽度大于连接线22a的另一部分22p的宽度。
按照这种结构，线圈22具有较宽的部分(外线圈部分22o)，从而线圈22的阻抗得以减小。由于线圈22的阻抗得以减小，因此由线圈22产生的热量得以减少，结果，绝缘层32的膨胀量得以减小，从而磁头结构20的热形变也得以减小。因此，能够减小浮置面16在线圈22所处的位置上的部分16A的凸起(见图9)。
按照这种方式，当为线圈22供应电流时，线圈22由于其阻抗的作用而产生热量，温度升高，并且结果，部分16A凸起。在向线圈22供应电流的时候部分16A的凸起量与所产生的热量(温度升高)成正比。因此，线圈22阻抗的减小促成了所产生的热量的减少，即，促成了凸起量的减小。按照本发明，通过采用将连接线22a和线圈22的外线圈部分22o展宽这样的结构，使得线圈22的阻抗得以减小。
按照本发明的实施方式，外线圈部分22o的宽度大于内线圈部分22i的宽度的两倍，并且连接线22a从其前端到与外线圈部分22o的连接点附近的位置上的尺寸基本保持恒定，并且连接线22a的尺寸恰在与外线圈部分22o的连接点之前的位置上得到了扩大。
图14是表示本发明和现有技术的浮置面的部分的位移的曲线图。当供应了DC 60mA的电流时，与线圈22没有得到扩大的现有技术相比，线圈22得到了扩大的本发明的实施方式的最大温度减小了21％。进行了实验，并且所得到的结果在下面的表1中给出。
表1
                            线圈没有扩大    扩大了线圈
阻抗(Ω)                    3.0             2.4
所产生的热量(mW)            10.8            8.6
最大温升(℃)                13.0            10.3
图15是表示按照本发明的另一种实施方式的磁头结构的横截面图。与此前的实施方式的磁头结构20一样，本实施方式的磁头结构20具有线圈22、使得由该线圈22产生的磁通量能够穿过其传播并且形成磁隙24的磁极26、环绕着线圈22的绝缘层32和覆盖着绝缘层32和磁极26的保护层34。而且，在基板18上设置了双层屏蔽层28，并且在屏蔽层28的两层之间设置了读取元件(MR元件)30。线圈22是经由屏蔽层28和保护层34的一部分形成在基板18上的。
此外，磁头结构20包括至少一个设置在保护层34之内或之上的材料层36，并且该材料层36具有小于保护层34的热膨胀系数。具有较小热膨胀系数的材料层36最好设置成一个连续层，而不是间断地设置成一个层。在图15中，在基板18的表面上设置了一个具有较小热膨胀系数的材料层36。在这种情况下，保护层34的一部分形成在热膨胀系数较小的材料层36上，而屏蔽层28形成在保护层34的该部分上。而且，在保护层34的表面上设置了另一个热膨胀系数较小的材料层36。例如，具有较小热膨胀系数的该材料层36包括不胀钢(Invar)。按照另外一种可选方案，具有较小热膨胀系数的材料层36包括诸如氮化铝(AlN)之类的热膨胀系数较小的材料，或者绝缘材料和不胀钢的组合结构。
因为热膨胀量很小，所以当温度升高时，热膨胀系数较小的材料层36的热膨胀很小，从而抑制了绝缘层32在垂直于浮置面16的方向上的热膨胀，由此能够减小浮置面16在磁极附近的部分16A的凸起。就是说，通过设置热膨胀系数较小的材料层36，防止了热膨胀量较大的绝缘层32在垂直于浮置面16的方向上膨胀到较大的程度，从而浮置面16在磁极附近的部分16A的凸起得以减小。绝缘层32能够在平行于浮置面16的方向上膨胀。
图18是表示本发明和现有技术的浮置面的部分的位移的曲线图。按照本发明的实施方式，与现有技术相比，浮置面16在磁极附近的部分16A的位移(凸起量)大大减小。
图16是表示磁头结构的修改例的横截面图。图16的磁头结构与图15类似，只是具有较小热膨胀系数的材料层36有所不同。在图16中，热膨胀系数较小的材料层36设置在保护层之内。这个例子的操作和效果与图15的例子相同。
图17是表示磁头结构的修改例的横截面图。图17的磁头结构与图15类似，只是具有较小热膨胀系数的材料层36有所不同。在图17中，热膨胀系数较小的材料层36设置在磁极26与上层屏蔽层28之间。这个例子的操作和效果与图15的例子相同。
按照这种方式，具有较小热膨胀系数的材料层36设置在保护层34的表面上。按照另外一种可选方案，具有较小热膨胀系数的材料层36设置在保护层34之内。按照另外一种可选方案，具有较小热膨胀系数的材料层36设置在保护层34的表面上和基板18与保护层34之间。按照另外一种可选方案，具有较小热膨胀系数的材料层36设置在保护层34的表面上和磁极26与屏蔽层28之间。按照另外一种可选方案，将具有较小热膨胀系数的材料层36在保护层34之内的任何位置上设置为与绝缘层32平行的层。

Claims (6)

1.一种磁头结构，该磁头结构包括：
线圈；
磁极，使得由线圈产生的磁通量能够穿过其传播，并且该磁极形成了磁隙；
围绕着线圈的绝缘层；
覆盖着绝缘层和磁极的保护层；以及
设置在保护层之内或之上的材料层，该材料层的热膨胀系数小于保护层的热膨胀系数，
其中，所述绝缘层被防止在垂直于浮置面的方向上膨胀，并且浮置面在磁极附近的部分的凸起被减小。
2.按照权利要求1所述的磁头结构，其中材料层设置在保护层之上。
3.按照权利要求1所述的磁头结构，其中材料层设置在保护层之内。
4.按照权利要求1所述的磁头结构，其中材料层设置在磁极与一屏蔽层之间。
5.按照权利要求1所述的磁头结构，其中材料层设置在保护层之上、保护层之内以及磁极与一屏蔽层之间。
6.按照权利要求1所述的磁头结构，其中材料层设置在基板与一屏蔽层之间。
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