CN102592608B - 用于近场光学换能器的热沉 - Google Patents

用于近场光学换能器的热沉 Download PDF

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Abstract

当光学NFT在HAMR头内处于工作状态时，光学NFT内产生热量。HAMR头内的热沉组件从光学NFT提取热量，并且将热量经对流传递到包围HAMR头的空气中、辐射到与HAMR头相邻的表面和/或传导到HAMR头的其它部件。光学NFT内产生的热量被传递到热沉。热沉的空气轴承表面将至少部分热量对流传递到在空气轴承表面和相邻磁性介质的表面之间通过的空气中。此外，某些热量还可以从空气轴承表面辐射地传递到磁性介质。

Description

用于近场光学换能器的热沉
发明内容
本文描述并要求保护的各个实施方式提供具有近场光学换能器(anopticalnear-fieldtransducer)和热沉组件的热辅助磁记录头。该热沉组件与近场光学换能器可导热地相接触，并且具有对流冷却表面。
本文还描述并列举了其它实施方式。
附图说明
图1图示了具有热辅助磁记录头的示例性致动器臂弯曲结构，其中在该热辅助磁记录头远端安装了封装热沉。
图2A图示了示例性写入磁极和磁轭的透视图。
图2B图示了图2A中具有示例性金属覆盖热沉的写入磁极和磁轭。
图3图示了示例性热辅助磁记录头局部透视图的剖面图，其中该热辅助磁记录头的写入磁极具有金属覆盖热沉。
图4A图示了示例性近场光学换能器的透视图。
图4B图示了图4A中具有示例性翼形热沉的近场光学换能器。
图5图示了示例性热辅助磁记录头局部透视图的剖面图，其中该热辅助磁记录头的近场光学换能器具有翼形热沉。
图6A图示了示例性环形近场光学换能器的透视图。
图6B图示了图6A中具有示例性截锥形热沉的环形近场光学换能器。
图7图示了示例性热辅助磁记录头局部透视图的剖面图，其中该热辅助磁记录头的环形近场光学换能器具有截锥形热沉。
图8图示了根据本文公开的技术将热量从近场光学换能器向外传导的示例性操作。
具体实施方式
热辅助磁记录(HAMR)技术采用聚焦光束首先加热介质而将数据磁性记录在高稳定性介质上。HAMR技术利用高稳定性磁化合物(例如铁铂合金)形成介质。在磁性介质存储中采用的传统技术受到超顺磁效应的限制，而上述材料可以将单个比特存储在小得多的区域中，不会受到相同的超顺磁效应的限制。然而，高稳定性磁化合物必须首先被加热以对介质施加磁定向变化。
在一种实施方式中，HAMR头至少包括近场光学换能器(NFT)和写入磁极。光学NFT用于将光束聚集并聚焦在介质上。聚焦光束使介质上光点的温度增高到足以允许写入磁极引发磁定向变化(例如，温度提高几百度)。然而，当光学NFT聚集并聚焦光束时产生的极高的热量严重地限制了光学NFT的工作寿命。
有限元分析表明，当聚焦足够的光束以允许介质的磁定向变化时，光学NFT的温度可以超过500摄氏度。本文公开的技术公开了用于光学NFT热量控制的热沉。然而，存在几大挑战。首先，由于光学NFT的尺寸较小(例如，宽度通常为100nm到200nm)，导致热量发散表面积较小。第二，在光学NFT附近不能显著地削弱或改变写入磁极和/或光学NFT的效率或谐振频率。在其它实施方式中，HAMR头中包括额外的微电子元件(例如，一个或多个读取器和传感器)。在光学NFT附近也不能显著地改变任一额外的微电子元件的效率或谐振频率。
因此，本文公开的热沉以及热沉组件从光学NFT中提取热量，并通过对流将热量传递到HAMR头周围的空气中、辐射到与HAMR头邻近的表面(例如磁性介质)和/或传导到HAMR头的其它部件。在其它实施方式中，光学NFT和热沉被用在记录头中，而非HAMR头中。
图1图示了具有HAMR头106的示例性致动器臂弯曲结构102，在该HAMR头106远端安装了封装热沉112。所示坐标轴的y-方向为沿弯曲结构102的纵向向弯曲结构102的远端延伸，x-方向为沿着与相应磁性介质(未示出)平行的方向穿过弯曲结构102向前延伸，以及z-方向为朝向磁性介质向下延伸。致动器臂弯曲结构102连接到沿y-方向延伸的悬臂式致动器臂(未示出)，该致动器臂弯曲结构102可以在z-方向上调整以跟踪磁性介质上一条或多条磁性比特轨迹。具有HAMR头106的空气轴承(air-bearing)滑块(ABS)104安装在弯曲结构102的远端，在弯曲结构102面对磁性介质(未示出)的表面上。滑块104使HAMR头106在磁性介质相应表面上以相当近的距离飞行。电线(例如，线108)沿着弯曲结构102大致沿y-方向延伸，并且连接到滑块104上的接触焊盘(例如，焊盘110)，其中这些焊盘最终连接到HAMR头106。读取/写入信号以及其它电信号经电线和接触焊盘传送到HAMR头106的处理电子元件(未示出)，以及从该元件向外传送。
图1中还以截面放大地及旋转地示出了HAMR头106。该HAMR头106被放大，并关于x-轴旋转90度以及关于z-轴旋转90度，并且该HAMR头106关于穿过HAMR头106中部的y-z平面被截面，使得HAMR头106内各个元件的定向更明显。衬底124作为HAMR头106元件的安装表面，并将HAMR头106连接到ABS104。衬底124上安装的波导芯114将光波传送到光学NFT116，该光学NFT116聚焦光束并将其引导至磁性介质(未示出)上的点。
典型地，光学NFT(例如，光学NFT116)被Al2O3包围，Al2O3用作HAMR头的光波导包覆材料。虽然Al2O3的光学属性适于作为光波导，然而Al2O3的导热性非常低(例如，1.35W/m/K)。这显著地限制了光学NFT吸收的热量能量，严重地限制了光学NFT的工作寿命。
克服Al2O3这一缺陷的一种方式是在光学NFT四周包围或封装一块光学性能电介质作为热沉。该热沉必须比Al2O3的导热性更高，并且足够大以允许从光学NFT有效的热传递。此外，热沉应该足够小和/或位于HAMR头内，从而不会显著地影响光学NFT的谐振和/或导致波导损失。在一种实施方式中，光学NFT元件的直径为200nm。热沉应当具有适当的尺寸以与光学NFT良好接触。另外，热沉应该足够小和/或位于HAMR头内，从而不会显著地影响HAMR头内任何其它微电子元件(例如，一个或多个读取器和传感器)。在一种实施方式中，热沉可以由在晶相中可生产的各种金属化合物(例如，MgO、MgF2、LiF、CaF2、BaF2、BeO、ZnO、Si3N4和/或AlN)制造。
图1中，示出的光学NFT116被热沉112(粗体所示)包围。该热沉112沉积在波导芯114上，而光学NFT116沉积在热沉112内。远离光学NFT116，采用了传统的光波导包覆材料118(例如，Al2O3)。写入磁极120位于热沉112和/或包覆材料118上。
在一种实施方式中，热沉112从光学NFT116传导地提取热量，并将热量传导地传递到周围的HAMR头106元件(例如，波导芯114、包覆材料118和/或写入磁极120)。在另一实施方式中，热沉112将热量辐射地从热沉112面对大致位于z-方向上的邻近磁性介质(未示出)的空气轴承表面122传递到该磁性介质。在又一实施方式中，热沉112将热量对流地传递到与空气轴承表面相邻的移动的空气中。在又一实施方式中，热沉112采用传导、辐射及对流热量传递相结合的方式控制光学NFT116的温度。
在HAMR头内的光学NFT不具有热沉的示例性实施方式中，光学NFT的温度在HAMR头工作期间上升超过500℃。当加入热沉时，热沉的导热性与光学NFT工作期间的温度上升之间的反比关系显而易见。在示例性实施方式中，图1所示的热沉在反向z-方向上从空气轴承表面122延伸0.5微米，且在跨轨方向(即，x-方向)上延伸0.5μm。当热沉的导热性为5W/m/K，HAMR头工作期间光学NFT的温度上升大约275℃。当热沉的导热性为20W/m/K，HAMR头工作期间光学NFT的温度上升大约150℃。
图2A图示了示例性写入磁极220和磁轭226的透视图。写入磁极220(实线所示)连接到磁轭226(虚线所示)，并沿z-方向和反向y-方向向远离磁轭226的方向延伸。磁轭226连接到从离头(off-head)处理电子元件(未示出)接收写入信号的磁性线圈(未示出)。磁轭226从磁性线圈向写入磁极220传送写入信号，该写入磁极220向介质施加写入信号以改变介质上比特的磁性极化，从而根据写入信号向介质写入数据。
在HAMR头中，光学NFT(未示出)的位置与所示写入磁极220和磁轭226相邻。在一种实施方式中，从写入磁极220传导地提取热量有助于从光学NFT提取热量。
图2B图示了图2A中具有示例性金属覆盖热沉228的写入磁极220和磁轭226。热沉228(粗体所示)覆盖写入磁极220，并沿x-方向和远离写入磁极220的反向x-方向延伸。在一种实施方式中，热沉228沿x-方向和反向x-方向(即跨轨方向)延伸几微米(例如，4μm-20μm)，且沿y-方向和z-方向的厚度仅仅为十分之几微米。在这一实施方式中，热沉228的尺寸和表面积足以将光学NFT的温度降低25％到30％。在实施方式中，导热性能良好的一种或多种金属可以用于形成金属覆盖(例如，Cr、Ru、Cu、Au、Ag、Al、Ni、Ir、Pt、W、Ti、Mo、Zr、Rh、Pd、V以其合金或掺杂混合物)。
图3图示了示例性HAMR头300局部透视图的剖面图，其中该HAMR头300的写入磁极320具有金属覆盖热沉328。图3是图2B所示的写入磁极220和热沉228之间界面的详细视图。热沉328从写入磁极320沿x-方向和y-方向延伸。此外，在所示实施方式中，热沉328实际上并未接触光学NFT316。从光学NFT316传递到热沉228的热量经过写入磁极320及任何周围的包覆材料318。
热沉328通过利用空气轴承表面322处的对流热量传递使光学NFT316发散的热量达到最大化。优选地，热沉328由非磁性金属制造，从而使侧轨迹擦除和/或写入磁极320干扰的风险达到最小。在一种实施方式中，热沉328与沉积后滑块处理(例如，压片分块、块堆叠、块抛光、在块上模制流线型结构、在块上施加保护层等)相兼容。此外，热沉328不会越过写入磁极320向介质突出(当加热器开启，使写入磁极320向介质推进时以及当加热器关闭时都不会发生向介质突出时情况)。因此，热沉328不会导致HAMR头300的后缘的拓扑图(topography)问题。
在一种实施方式中，热沉328可以结合本文公开的一个或多个其它热量发散装置。特别地，当热沉328与图4B和图5所示的翼形热沉432、532结合应用时尤其有效。本文公开的一个或多个热沉的组合称为热沉组件。
图4A图示了示例性光学NFT416的透视图。光学NFT416用于将光束聚集并聚焦在介质上(未示出)。聚焦光束使介质上光点的温度增高到足以允许写入磁极(未示出)引发磁定向变化。
图4B图示了图4A中具有示例性翼形热沉432和434的近场光学换能器416。热沉432和434(粗体所示)局部覆盖光学NFT416并沿x-方向和y-方向向远离光学NFT416的方向延伸。在一种实施方式中，热沉432和434沿x-方向和反向x-方向(即，跨轨方向)延伸几微米(例如，4μm-20μm)，且在y-方向的厚度比光学NFT416更大。
因此，如果彼此结合使用，则热沉432和434可以接触图2B和图3的热沉228和328。这种结合几乎不会对光学NFT的光效率产生影响。一起使用时，热沉228、328以及热沉432、434的尺寸和表面积足以将光学NFT的温度降低高达50％。在一种实施方式中，导热性能良好的一种或多种金属可以用于形成热沉432和434(例如，Cr、Ru、Cu、Au、Ag、Al、Ni、Ir、Pt、W、Ti、Mo、Zr、Rh、Pd、V及其合金或掺杂混合物)。在某些实施例中，热沉432和434的构成材料可与光学NFT416相同。
图5图示了示例性HAMR头500局部透视图的剖面图，其中该HAMR头500的光学NFT516具有翼形热沉532。图5是光学NFT516、翼形热沉532和写入磁极520之间界面的详细视图。热沉532从光学NFT516沿x-方向和y-方向延伸。热量传导地从光学NFT516传递到热沉532。之后，热量从热沉532向外传导到任何周围的包覆材料518、波导芯514和/或写入磁极520。此外，在空气轴承表面522处的对流热量传递将热量从热沉532携带走。
为了改进热量从翼形热沉532向外的传导传递，热沉532可以与图2A和图3的热沉228和328结合使用。由于热沉228和328在空气轴承表面522处的表面积相对较大，因此与单独使用热沉532的实施方式相比，对流热量传递大得多。在其它实施方式中，热沉532与本文公开的一个或多个其它热发散装置结合使用。
图6A图示了示例性环形光学NFT636的透视图。环形光学NFT636用于将光束聚集并聚焦在介质(未示出)上。聚焦光束使介质上光点的温度增高到足以允许写入磁极(未示出)引发的磁定向变化。
图6B图示了图6A中具有示例性截锥形热沉638的环形光学NFT636。热沉638(粗体所示)覆盖光学NFT636，并沿着y-方向向远离光学NFT636的方向延伸，形成截锥形。在一种实施方式中，热沉636沿y-方向延伸若干分之一微米(例如，50nm-250nm)。
图7图示了示例性HAMR头700局部透视图的剖面图，其中该HAMR头700的环形光学NFT736具有截锥形热沉738。热沉738在光学NFT736和写入磁极720之间沿y-方向延伸。热量从光学NFT736传导地传递到热沉738。之后，热量从热沉738向外传导到写入磁极720和任一周围的包覆材料718。在其它实施方式中，热沉738可以与文本公开的一个或多个其它热沉结合使用。
在一种实施方式中，导热性能良好的一种或多种金属可以用于形成热沉738(例如，Cr、Ru、Cu、Au、Ag、Al、Ni、Ir、Pt、W、Ti、Mo、Zr、Rh、Pd、V及其合金或掺杂混合物)。在某些实施例中，形成热沉738所选的材料还适于保持光学NFT736的耦合效率。等离子金属(例如，Au、Ag、Cu、Al、Pd、V及其合金或掺杂混合物)对于保持光学NFT736的耦合效率特别有效。在某些实施方式中，热沉738的构成材料与光学NFT736相同。在一种实施方式中，在压片处理期间，热沉738沿薄膜生长方向(即y-方向)连接光学NFT736和写入磁极720。
光学NFT736周围包围着包覆材料718和热沉738。波导芯714限制包覆材料718的一侧。热沉738被光学NFT736、包覆材料718和写入磁极720限制。在一种实施方式中，热沉738的基座与光学NFT736环形部分的截面直径相同。虽然示出了热沉738的截锥延长部，然而热沉可以以圆柱截面或其它形状延伸。
通常地，热沉足以从光学NFT传导足够热量传递的x-z截面积大于光学NFT的理想x-z截面积。在图6B和图7的实施方式中，光学NFT636、736被制造得比匹配截锥形热沉638、738基座的截面形状所需的尺寸更大。虽然这使得光学NFT636、736的效率降低大约30％，然而由于与较小的光学NFT(参见例如图5的光学NFT516)相比从光学NFT636、736到热沉638、738和写入磁极620、720的传导热量传递增大，因此从光学NFT636、736发散的能量可增大大约55％。此外，热沉638、738的x-z截面积与光学NFT636、736工作期间温度上升之间存在反向关系，其它都是相同的。
使热沉738的x-z截面积与光学NFT736的x-z截面积相匹配而引发的热量传递增大可导致与不具有热沉738的理想尺寸的光学NFT相比光学NFT736的整体温度降低大约50％。在本实施方式中，与不具有热沉738的实施方式相比，写入磁极720可以多吸收50％的能量。这额外的能量吸收降低了光学NFT的工作温度，从而可以延长光学NFT的工作寿命。
如果图2B和图3中所示的热沉228、328与热沉738结合应用，则热沉228、328的体积可以将传导到写入磁极720的大多数额外热量发散。因此，在磁记录头700工作期间，写入磁极720的温度可以与应用小热沉或无热沉情况下写入磁极的温度相同或相似。写入磁极的工作寿命还受到其工作温度的显著影响。允许从热沉738传递到写入磁极720的热量从写入磁极720向外传递到热沉228或328可以帮助保持写入磁极720所需的工作温度和工作寿命。
图8图示了根据本文公开的技术从近场光学换能器向外传导热量的示例性操作800。在产生操作步骤805中，当光学NFT在HAMR头内处于工作状态时，光学NFT内产生热量。光学NFT使光束聚集并聚焦在磁性介质上。因此，光学NFT变热。本文公开的一个或多个热沉可以用于发散在光学NFT内产生的热量。
在判定操作步骤810，如果在HAMR头内存在具体如图1所讨论的封装热沉，则继续到传导操作步骤815。如果在HAMR头内不存在封装热沉，则返回到产生操作步骤805。
在传导操作步骤815，在光学NFT内产生的热量传导到封装热沉。此外，在光学NFT内产生的热量还可以被传导到HAMR头与光学NFT相邻的其它部件(例如，波导包覆和/或另一热沉)。另外，传导到封装热沉的热量还可以进一步被传导到HAMR头与封装热沉相邻的其它部件(例如，写入磁极、波导芯、波导包覆和/或另一热沉)。然而，由于与光学NFT和/或封装热沉的热接触面积不足，到写入磁极、波导芯和/或波导的传导热量传递可能受到限制。同样地，写入磁极、波导芯和/或波导的材料结构可能不是特别适于热量传递。
在判定操作步骤820，如果在HAMR头内存在具体如图4B和图5所讨论的翼形热沉，则继续到传导操作步骤825。如果在HAMR头内不存在翼形热沉，则返回到产生操作步骤805。
在传导操作步骤825，在光学NFT内产生的热量传导到翼形热沉。此外，在光学NFT内产生的热量还可以被传导到HAMR头与光学NFT相邻的其它部件(例如，波导包覆和/或另一热沉)。另外，传导到翼形热沉的热量还可以进一步被传导到HAMR头与翼形热沉相邻的其它部件(例如，写入磁极、波导芯、波导包覆和/或另一热沉)。
在判定操作步骤830，如果在HAMR头内存在具体如图6B和图7所讨论的截锥形热沉，则继续到传导操作步骤835。如果在HAMR头内不存在截锥形热沉，则返回到产生操作步骤805。
在传导操作步骤835，在光学NFT内产生的热量传导到截锥形热沉。此外，在光学NFT内产生的热量还可以被传导到HAMR头与光学NFT相邻的其它部件(例如，波导包覆和/或另一热沉)。另外，传导到截锥形热沉的热量还可以进一步被传导到HAMR头与截锥形热沉相邻的其它部件(例如，写入磁极、波导芯、波导包覆和/或另一热沉)。
在判定操作步骤840，如果在HAMR头内存在具体如图2B和图3所讨论的金属覆盖圆锥热沉，则继续到传导操作步骤845。当发现在HAMR头内存在截锥形热沉、翼形热沉或封装热沉中的一个或多个时，则进行判定操作步骤840。
在传导操作步骤845，在光学NFT内产生的热量经波导包覆、圆锥热沉、翼形热沉或封装热沉(如果存在的话)传导到金属覆盖热沉。此外，在光学NFT内产生的热量还可以被传导到HAMR头与光学NFT相邻的其它部件(例如，波导包覆和/或另一热沉)。另外，传导到金属覆盖热沉的热量还可以进一步被传导到HAMR头与金属覆盖热沉相邻的其它部件(例如，写入磁极、波导芯、波导包覆和/或另一热沉)。
在存在金属覆盖热沉的情况下在传导操作步骤845之后，或者在不存在金属覆盖热沉的情况下在判定操作步骤840之后，进行对流/辐射操作步骤850。在对流/辐射操作步骤850，HAMR头形成对流冷却表面(例如，HAMR头上的空气轴承表面)的一个或多个元件(例如，一个或多个热沉、写入磁极、光学NFT、波导芯和/或波导包覆)内的热量被对流地传递至在HAMR头上的空气轴承表面和磁性介质的表面之间通过的空气中。在各个实施方式中，HAMR头和/或磁性介质表面发生移动，形成空气涡流，增大对流热量传递。此外，对流/辐射操作步骤850还包括从HAMR头上的空气轴承表面直接到磁性介质的辐射热量传递。
热沉暴露于空气轴承表面的表面积越大，对流热量传递越大，其它都是相同的。此外，热沉接触光学NFT的表面积越大，对流热量传递越大，其它都是相同的。因此，金属覆盖热沉可以与圆锥热沉、翼形热沉或封装热沉结合使用，以改进从光学NFT向外的热量传导以及在空气轴承表面处的对流/辐射热量传递。本文公开的一个或多个热沉的组合称为热沉组件。
以上说明、示例和数据提供了对本发明的示例性实施例的结构和应用的完整说明。由于本发明可以做出不脱离其精神和范围的多种实施例，因此本发明的主旨在于后附的权利要求书。此外，不同实施例的结构特征可以在再另一个实施例中相结合，这不脱离所述权利要求的范围。

Claims (20)

1.一种热辅助磁记录头，包括：
近场光学换能器；以及
热沉组件，与所述近场光学换能器导热地接触，并且具有对流冷却表面，其中所述热沉组件至少部分地封装所述近场光学换能器。
2.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件沿远离磁介质的方向至少部分地封装所述近场光学换能器。
3.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件包括从所述近场光学换能器延伸的一对翼形延长部。
4.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件包括从所述近场光学换能器延伸的截锥形延长部。
5.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，还包括：
写入磁极，其中所述热沉组件包括在所述写入磁极上的金属覆盖。
6.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件包括第一热沉和第二热沉，其中所述第一热沉与所述第二热沉导热地接触。
7.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件占据所述热辅助磁记录头的空气轴承表面。
8.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件包括光学性能电介质。
9.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述热沉组件包括非磁性金属。
10.如权利要求1所述的热辅助磁记录头，其中所述对流冷却表面是面对磁记录介质的空气轴承表面。
11.一种用于发散近场光学换能器内热量的方法，包括：
所述近场光学换能器内产生热量；
将所述近场光学换能器内的至少部分热量传导到与所述近场光学换能器传导地相接触的热沉组件，其中所述热沉组件至少部分地封装所述近场光学换能器；以及
将传导到所述热沉组件的至少部分热量对流传递到对流冷却表面处的空气轴承表面。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述热沉组件包括第一热沉和第二热沉，其中所述第一热沉与所述第二热沉导热地相接触。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述热沉组件占据热辅助磁记录头的所述空气轴承表面。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述对流冷却表面面对磁记录介质。
15.一种用于发散近场光学换能器内热量的系统，包括：
第一热沉，与所述近场光学换能器传导地接触；以及
第二热沉，与所述第一热沉传导地接触，其中所述第一热沉和所述第二热沉中的一个或两个包括对流冷却表面，其中所述第一热沉和所述第二热沉中的一个或两个至少部分地封装所述近场光学换能器。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述第一和第二热沉中的一个或两个沿远离磁介质的方向至少部分地封装所述近场光学换能器。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述第一和第二热沉中的一个或两个包括从所述近场光学换能器延伸的一对翼形延长部。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述第一和第二热沉中的一个或两个包括从所述近场光学换能器延伸的截锥形延长部。
19.如权利要求15所述的系统，还包括：
写入磁极，其中所述第一和第二热沉中的一个或两个也与所述写入磁极传导地接触，并且包括在所述写入磁极上的金属覆盖。
20.如权利要求15所述的系统，其中所述对流冷却表面是面对磁记录介质的空气轴承表面。
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