JP2010049786A - ハードディスクドライブのスライダ・ジンバル用銅残留応力緩和低減手段 - Google Patents

ハードディスクドライブのスライダ・ジンバル用銅残留応力緩和低減手段 Download PDF

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Abstract

【課題】HDDジンバル回路基板内の残留応力または残留塑性歪の大きさを低減する。
【解決手段】602は銅の残留塑性歪成分低減のために配線605を外向きに円状周回606するよう引き回す構成。603は銅の残留塑性歪成分低減のために配線605の幅を縮小607した構成。ならびに604は残留塑性歪成分低減対策としてSST支持部材を配線605の下に配置608した構成。
【選択図】図6

Description

関連出願との相互関係
本出願は、2008年8月22日に出願された米国仮特許出願No.61/091,323の優先権を主張するものであり、該仮出願はあらゆる目的に関して、すべて説明されているかのように、その全体が参照により本願に組み込まれるものとする。
本発明は一般に、ハードディスクドライブの設計工学およびプロセス最適化に関し、より詳細には、ハードディスクドライブのスライダ・ジンバルのための銅残留応力の緩和低減に関する。
ハードディスクドライブ(HDD)は通常、各種コンピュータや家庭用電化製品におけるデータ記憶装置として用いられている。一般に、HDDはデジタル化された情報を多重積層回転磁気ディスクに読み/書き込むことによって動作する。この読み/書き込みは、通常アルミニウム−チタニウムカーボン(ALTIC)から成り、「サスペンション」に搭載された「スライダ」に内蔵された磁気変換器「ヘッド」によって実現される。
この読み/書き込みヘッドアセンブリには通常、浮上ヘッドスライダによって浮上される電磁変換器が組み込まれている。このスライダは回転しているディスクにより引き込まれる空気薄層と流体力学的に協働動作し、該ヘッドアセンブリをディスク表面から僅かに離した状態で浮上させる。ヘッドアセンブリとディスクとの間に適切な浮上関係が保たれるよう、ヘッドアセンブリはヘッドサスペンションに取付け支持されている。一般に、スライダとサスペンションから成る構造全体をヘッドジンバルアセンブリ(HGA)と呼んでいる。通常設計では、ジンバルは、電磁変換器に出入りする電気信号を伝送するために、ポリイミド層および銅層から成るフレキシブルジンバル回路基板が取り付けられたステンレス鋼製ジンバル支柱を備えていることがよくある。
通常のHDDでは、電磁変換器の磁気ディスクドライブ表面上の浮上高度が安定していることがHDDの読み/書き込み動作の長期信頼性にとって極めて重要である。一方、HDDのサスペンションジンバル回路基板の銅層における残留応力はジンバルのピッチ静止姿勢の長期ドリフトを招き、磁気変換器の磁気ディスク表面上の浮上高度に悪影響を及ぼす可能性があり、これによって更にはHDDによる読み/書き込み動作の信頼性にも悪影響を及ぼす。
このため、HDDジンバル回路基板内の上記残留応力または残留塑性歪の大きさを低減するための新しい手法が求められている。
本発明の概念は、ジンバルのピッチ姿勢が時間、温度、および超音波洗浄等の処理プロセスの面で不安定であることに関連する従来技術に係る上記および他の諸問題のうち、一つ以上の問題を実質的に解消する方法およびシステムを対象とする。
本発明の一つ以上の実施形態は、HDDジンバル回路内の残留応力、より具体的には残留塑性歪の大きさを低減するための手段を提供することができる。
本発明の概念の一つの局面に従えば、残留応力または残留塑性歪の大きさが低減されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路が提供される。上記本発明の配線回路は配線構造を構成している複数の配線と、変換器を支持するように構成された支柱とを備えている。上記本発明の回路において、上記配線構造は、歪度の高い領域の近傍において、外向きに円状周回する形状、外向きに二度円状周回する形状、波型で幅が縮小する形状、外側へ湾曲する形状、長穴を有していて一部が外側へ湾曲する形状、二重湾曲、および重複内側配線(SST支柱の上へ載置されるように内側へ引き回される内側配線)から成る群の中から選ばれた独特の形状を有している。本発明の概念の他の局面に従えば、残留応力または残留塑性歪の大きさが低減されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路が提供される。上記本発明の配線回路は、配線構造を構成している複数の配線と、変換器を支持するように構成された支柱とを備えている。上記本発明の回路において、上記配線構造における上記配線は、その幅が歪度の高い領域の近傍において縮小または拡大されている。
本発明の概念の更に他の局面に従えば、残留応力または残留塑性歪の大きさが低減されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路が提供される。上記本発明の配線回路は、配線構造を形成している複数の配線と、変換器を支持するように構成された支柱と、少なくとも一つの応力抑制器とを備えている。上記本発明の回路において、上記少なくとも一つの応力抑制器は上記支柱の突起部またはアイランド構造のいずれかであり、また歪度の高い領域の近傍において上記複数の配線の下に配置されている。
本発明に係る更なる局面は一部が以下の説明において示され、一部が説明から明らかとなるか、または本発明の実施により知得されてもよい。本発明の局面は、以下の詳細な説明および添付の請求の範囲において特に指摘された要素および種々の要素と局面との組合わせにより実現されてもよい。
上記および下記の説明はいずれも例示・説明に過ぎず、いかなる方法においても請求の範囲に記載された本発明またはその適用を限定するものではない。
本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は本発明の実施形態を例示するものであり、説明と共に本発明の技術の原則を明らかにし、また例証する役割を果たす。具体的に、
アクチュエータ・アームの上方から見たディスクドライブサスペンションのt典型的な構成要素を示している。 磁気ディスクドライブの表面側から見たディスクドライブサスペンションの構成要素を示している。 ジンバル剛性のうちの大部分を供するフレクシャ舌片、銅配線回路、およびSST支柱の部分半対称モデルを示している。 保護カバー層が隠れていることを除いては、図3と同様の構造を示している。 サスペンションアセンブリに関連する必要な製造工程を示しており、そのうち少なくとも一つの工程は銅配線に塑性変形を生じさせる。 アウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成、残留塑性歪成分低減のために配線を外向きに円状周回するよう引き回した本発明の一実施形態、残留塑性歪成分低減のために配線の幅を縮小した本発明の一実施形態、ならびに残留塑性歪成分低減対策としてSST支持部材を配線の下に配置した本発明の一実施形態を示している。 アウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成、残留塑性歪成分低減のために配線を外向きに二度円状周回するよう引き回した本発明の一実施形態、残留塑性歪成分低減のために配線の幅を縮小し、またその形状を波型とした本発明の一実施形態、ならびに残留塑性歪成分低減対策として2つのSST支持部材を配線の下に配置した本発明の一実施形態を示している。 アウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成、ならびに残留塑性歪成分低減対策として5つのSST支持部材を配線の下に配置した本発明の一実施形態を示している。 SST支柱を有する種々のアウトリガ配線回路を示している。 塑性歪対適用されたSST支柱成形モーメントについて実施した種々のFEM法の結果を示している。 成形後の残留塑性歪に関する種々のFEM法の結果を示している。 SST支柱部材およびその位置に関し、本発明の種々の実施形態と従来技術とを対比させて示している。
以下の詳細な説明において添付の図面を参照する。図中、同一の機能要素は同様の名称によって示される。上記添付の図面は、限定、具体的な実施形態および本発明の原則に反しない実施態様のためにではなく、例として示している。これらの実施態様は当業者による本発明の実施を可能とするに足るよう詳述されるが、他の実施態様を用いてもよいこと、ならびに本発明の範囲および精神から逸脱することなく種々の要素の構造を変更および/または代替してもよいことは言うまでもない。よって、以下の詳細な説明を限定的に解釈してはならない。
本発明の局面の一つは、HDDジンバルのピッチ姿勢が時間、温度、および処理の面で不安定となることを克服することに向けられている。HDDジンバルのピッチ姿勢が上記したように不安定であると電磁変換器の磁気ディスク表面上の浮上高さが不安定となり、その結果HDDが行う読み/書き込み動作の信頼性が低下する。よって、HDD性能の信頼性向上のためには、上記のごとくジンバルピッチ姿勢を安定させることが極めて重要である。
本発明の概念の一実施形態によれば、応力緩和のためのシミュレーション法が開発され、ジンバル回路基板構造における塑性歪の特定位置を解明するために用いられている。次いで、ジンバルを構成するステンレス鋼層、銅層、およびポリイミド層のうちのいずれかまたは全てにおける変更を含めるように設計スペースを空けて、局所的に形状を設計することによって、上記塑性歪を回避するいくつかの方法が着想された。第3に、上記シミュレーションツールを行使してどのジンバルの設計による解決策が残留応力の問題を克服するのに最も有効であるかを見出した。これにより、残留応力状態を克服するのに最も効果的なジンバルが設計された。以下、これらの結果を改良されたジンバル形状の特定の例示的実施形態を参照して説明し、また添付の図面に示す。
本発明の一つ以上の局面を用いて、残留応力の問題の影響を軽減し、またスライダおよび読み/書き込み変換器の浮上高さをより安定させることができる。また、ジンバルのピッチ静止姿勢は頻繁に計測(検査)されるパラメータであることから、ジンバルアセンブリに固有の向上した安定性によりHDDの歩留まりを改善することができる。
図1はアクチュエータ・アームの上方から見たハードディスクドライブサスペンションの典型的な構成要素を示している。本図において変換器(図示せず)は下向きで、隠れている。サスペンションの典型的な構成は四つの構成要素、つまりベースプレート101、ヒンジ102、ロードビーム103、および配線/ジンバル(またはフレクシャ回路)104を備えている。デザインによっては図示されるように、ヒンジとロードビームとを組合わせて一つの構成要素とした三つの構成要素を備えている場合もある。このような構成は下向きドーム状突起部を有するロードビーム窪部105およびリフトタブ106を備えることも可能である。
図2は磁気ディスクの表面側から見たハードディスクドライブサスペンションの構成要素を示している。スライダ201はヘッド浮上面(ABS:Air Bearing Surface)の後縁202において読み/書き込み変換器を収容する。フレクシャ溶接部は回路基板をロードビーム103に取り付けた。点線204およびジンバル支柱205(好ましくはステンレス鋼から成る)は本発明の種々の実施形態の注目領域を示している。
図3はジンバルの総剛性のうちの大部分を供し、支持ポリイミド支柱304およびSST支柱305を有するフレクシャ舌片301および銅配線回路の部分半対称モデルを示している。露出した銅パッドおよび配線303はスライダ/ヘッド(図示せず)への半田接続部を受ける。銅配線上のポリイミドカバー層302は保護用である。
図4は保護カバー層が隠れていることを除いては、図3と同様の構成を示している。また、機械的調整工程のシミュレーション用に用いられ、窪部の高さが限られていることから必要とされる成形治具401も図示されている。ジンバルフレクシャ舌片はロードビームから窪部の高さと等量分、通常は50乃至70ミクロンの距離を隔て、角度を成して配置されている。これによってスライドが接合されるフレクシャ舌片の自然ピッチ角が画成される。成形治具401のうちの一方は固定され、他方は図3のSST支柱305を恒久的に屈曲させるよう回転する。
図5は、銅配線の塑性変形を引き起こす、サスペンションアセンブリの関連する必要な製造工程を示している。まず、平坦なフレクシャをロードビーム501上に載置する。この工程中、フレクシャ舌片には自然ピッチ角が付く。次いで、フレクシャをロードビーム502にスポット溶接する。その後、SST支柱を機械的に粗調整して自然ピッチ角503を無くすと、銅はいくらかの恒久的な塑性作用を示す。最終的な最適ピッチ/ロール角度504を設定するためにレーザでSST支柱を微調整すると、銅の残留応力/歪が優勢となる。この工程以降、ピッチおよびロール静止姿勢(PSA/RSA)はハンドリング、温度、時間に関して安定していなければならない。次いで、フレクシャに対して超音波洗浄505を行う。
SST支柱に対して機械的成形を行うと、ジンバルは極めて局所的な塑性歪作用を示す。この作用を調査するためのシミュレーションの詳細は本明細書の範囲外にある。ジンバルの機械的成形処理に対し有限要素法(FEM)を実施して自然ピッチ角を無くす。その目的は、ピッチ角の緩みが局所領域の形状から受ける影響を軽減することである。
CUのPSAの安定性に対する貢献を低減するという基本概念を以下のプロセスによって概説する。まず、銅の塑性変形箇所をシミュレーションによって突き止める。次に、配線の幅を状況に応じて局所的に縮小するかまたは拡大する。その後、銅の塑性作用を低減するために配線を外向きのループ状あるいは他の形状に引き回す必要性が生じる可能性がある。
調査したところ、歪の塑性成分は非弾性であり、望ましくない、ハンドリングに対するピッチ角の緩和、超音波洗浄、温度、および時間に寄与する有限残留歪成分となることがわかった。
図6はアウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成601、銅の残留塑性歪成分低減のために配線605を外向きに円状周回606するよう引き回した本発明の一実施形態602、銅の残留塑性歪成分低減のために配線605の幅を縮小607した本発明の一実施形態603、ならびに残留塑性歪成分低減対策としてSST支持部材を配線605の下に配置608した本発明の一実施形態604を示している。これらの構成は例示的なものであり、用いられ得る材料の範囲、または本発明の精神において可能な形状を限定すべきではない。これらの構成は個別に、または数多くの組み合わせにおいて併せて実現されてもよい。
図7はアウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成701、残留塑性歪成分低減のために配線を外向きに二度円状周回するように引き回した本発明の一実施形態702、銅の残留塑性歪成分低減のために配線705の幅を縮小し、またその形状を波型707とした本発明の一実施形態703、ならびに銅の残留塑性歪成分低減対策として二つのSST支持部材708を配線705の下に配置した本発明の一実施形態704を示している。
図8はアウトリガ配線回路およびSST支柱800の典型的な従来構成、ならびに残留塑性歪成分低減対策として5つのSST支持部材を配線の下に配置した本発明の一実施形態801を示している。銅の歪度が高い領域下に配置されるSSTアイランドの数が何個でも、たとえば4、5、6またはそれ以上でも、本発明の種々の実施形態の概念および精神に反するものではない。
図9はSST支柱を有する種々のアウトリガ配線回路の形状を示している。形状901はアウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成を示している。形状902はアウトリガ配線回路およびSST支柱の典型的な従来構成をより単純化した図で示している。形状903は、残留塑性歪成分低減のためにカバー層開口窓部908を有する本発明の一実施形態を示している。形状904は、銅の残留塑性歪成分低減のために配線を外側へ湾曲909するよう引き回した本発明の一実施形態を示している。形状905は、銅の残留塑性歪成分低減のために一部の配線を外側へ湾曲910するよう引き回した本発明の一実施形態を示している。ポリイミド層窓部911はこれらの配線を内側の配線から隔てる役割を果たしている。形状906は、銅の残留塑性歪成分低減のために配線の幅を縮小912した本発明の一実施形態を示している。図に示すように、SST支柱913の幅を拡大してから徐々に縮小して寸法を狭めることも可能である。形状907は、銅の残留塑性歪成分低減のために一部の配線を外側へ湾曲するよう引き回す一方で、内側の配線を内方914へSST支柱上まで引きまわした本発明の一実施形態を示している。ポリイミド層窓部915はこれらの配線を内側の配線から隔てる役割を果たしている。
図10は塑性歪対適用されたSST支柱成形モーメントについて実施した種々のFEM法の結果を示している。右側のy軸は4段階の時系列における適用されたモーメントの大きさを示している。図4の治具401はこの負荷モーメントの受け手であり、複数の三角形付き実線1001はこのモーメントがゼロからある値まで増加した後、またゼロまで減少して行く様子を示している。左側のy軸1002は図3の銅配線303における最大塑性歪成分を示しており、よって性能指数はいかなる設計についてもモーメント荷重の緩和時すなわちゼロ時、あるいは第4荷重段階後の残留塑性歪となる。2つの例が与えられている。
図11は成形後の銅の残留塑性歪に関する種々のFEM法の結果を集約的に示している。y軸1101は図10において説明されたものと同じである。
図12は本発明の種々の実施形態をSST支柱部材およびその位置について示している。構造1201は、残留塑性歪成分低減対策として、歪度の高い領域の配線の下に配置された一つの円形状SST支持部材1205を有する本発明の一実施形態を示している。構造1202は、残留塑性歪成分低減対策として、歪度の高い領域の銅配線の下に配置された一つの矩形状SST支持部材1206を有する本発明の一実施形態を示している。構造1203は、残留塑性歪成分低減対策として、歪度の高い領域の配線の下に配置された一つの矩形状SST支持部材1207を有する本発明の一実施形態を示している。この矩形状アイランドは、1202の孤立分離したアイランドとは異なり、内側のSST支柱とつながっている。構造1204は、残留塑性歪成分低減対策として、歪度の高い領域の配線間にまたがって配置された二つの矩形状SST支持部材1208を有する本発明の一実施形態を示している。これらの矩形状アイランドは孤立分離しておらず、内側のSST支柱とつながっている。この形状の変形例として、一方のアイランドが支柱につながっており、もう一方はつながっていない形状があることは言うまでもない。
当業者によって理解されるように、本発明の他の実施態様はここに開示した本発明の明細書と実施とを考察することによって明らかである。説明した実施形態の種々の局面および/または構成要素を、ジンバル配線回路内の残留応力を低減するための構造において単独でまたはいかようにも組み合わせて用いてもよい。明細書および実施例は例示としてのみ捉えられるべきであり、本発明の真の範囲と精神は以下の請求の範囲とその同等物によって示される。

Claims (20)

  1. 残留応力または残留塑性歪の大きさが低減されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路であって、
    配線構造を構成している複数の配線と、
    変換器を支持するように構成された支柱とを備え、
    上記配線構造は、歪度の高い領域の近傍において、外向きに円状周回する形状、外向きに二度円状周回する形状、波型で幅が縮小する形状、外側へ湾曲する形状、長穴を有していて一部が外側へ湾曲する形状、二重湾曲、および重複内側配線から成る群の中から選ばれた独特の形状を有していることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  2. 更に少なくとも一つの応力抑制器を備えており、上記少なくとも一つの応力抑制器は、上記歪度の高い領域の上記近傍において上記複数の配線の下に配置された少なくとも一つのアイランド構造を備えており、またステンレス鋼から成ることを特徴とする、請求項1に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  3. 上記少なくとも一つの応力抑制器は円形状であることを特徴とする、請求項2に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  4. 上記少なくとも一つの応力抑制器は矩形状であることを特徴とする、請求項2に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  5. 上記応力抑制器は少なくとも二つのアイランド構造を備えていることを特徴とする、請求項2に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  6. 上記応力抑制器は少なくとも5つのアイランド構造を備えていることを特徴とする、請求項2に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  7. 更にカバー層窓部を備えていることを特徴とする、請求項1に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  8. 更に少なくとも一つの応力抑制器を備えており、上記少なくとも一つの応力抑制器は、上記歪度の高い領域の上記近傍において上記複数の配線の下に配置された上記支柱の少なくとも一つの突起部を備えていることを特徴とする、請求項1に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  9. 残留応力または残留塑性歪の大きさが低減されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路であって、
    配線構造を構成している複数の配線と、
    変換器を支持するように構成された支柱とを備え、
    上記配線構造における上記配線は、その幅が歪度の高い領域の近傍において縮小または拡大されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  10. 上記配線構造は、上記歪度の高い領域の上記近傍において、外向きに円状周回する形状、外向きに二度円状周回する形状、波型で幅が縮小する形状、外側へ湾曲する形状、長穴を有していて一部が外側へ湾曲する形状、二重湾曲、および重複内側配線から成る群の中から選ばれた独特の形状を有していることを特徴とする、請求項9に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  11. 残留応力または残留塑性歪の大きさが低減されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路であって、
    配線構造を形成している複数の配線と、
    変換器を支持するように構成された支柱と、
    少なくとも一つの応力抑制器とを備え、
    上記少なくとも一つの応力抑制器は上記支柱の突起部またはアイランド構造のいずれかであり、また歪度の高い領域の近傍において上記複数の配線の下に配置されていることを特徴とするハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  12. 更に第2の応力抑制器を備え、上記第2の応力抑制器は上記支柱の突起部であって、上記複数の配線の下に配置されていることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  13. 上記少なくとも一つの応力抑制器は円形形状を有する上記アイランド構造であることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  14. 上記少なくとも一つの応力抑制器は矩形形状を有する上記アイランド構造であることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  15. 上記応力抑制器が上記複数の配線の下に配置された上記アイランド構造である場合に、上記応力抑制器は更に少なくとも一つの第2のアイランド構造を備えていることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  16. 上記応力抑制器が上記複数の配線の下に配置されたアイランド構造である場合に、上記応力抑制器は更に少なくとも四つの追加アイランド構造を備えていることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  17. 更にカバー層窓部を備えていることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  18. 上記歪度の高い領域の上記近傍における上記配線構造は、外向きに円状周回する形状、外向きに二度円状周回する形状、波型で幅が縮小する形状、外側へ湾曲する形状、長穴を有していて一部が外側へ湾曲する形状、二重湾曲、および重複内側配線から成る群の中から選ばれた独特の形状を有していることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  19. 上記配線構造における上記配線は、その幅が上記歪度の高い領域の上記近傍において縮小または拡大されていることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
  20. 上記少なくとも一つの応力抑制器はステンレス鋼から成る上記アイランド構造であることを特徴とする、請求項11に記載のハードドライブ(HDD)ジンバル配線回路。
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