磁头飞行高度调节器的寿命及其失效机理研究

摘要

电迁移（Electromigration）是指电流驱动的物质传输过程，它是造成电子元器件失效的主要原因之一。如今随着电子产品不断向小型化和复杂化方向发展，器件的特征尺寸急剧降低，电流密度显著上升，通过器件中的平均电流密度已达到发生电迁移的门槛值。事实上，电迁移失效并非是一个孤立的现象，在电迁移过程中往往同时伴随着热迁移（Thermomigration）失效。
　　磁头飞行高度调节器（Dynamic Flying Height, DFH）是硬盘磁头重要的组成部分，对其可靠性的评估尤其是寿命的预测显得十分重要。工程上通常采用加大应力（电流和温度）的方法促使DFH在短期内失效，用以预测其在正常硬盘工作条件下的使用寿命，这一方法称为“加速应力测试”。对DFH在加速应力实验中失效机理的研究有助于对其进行科学的寿命分析。
　　本文选取材料为Ta/W/Ta和Ta/NiCu/Ta的两款DFH，通过直流加速和交流加速应力实验，探讨在加速应力实验过程中电流和温度的作用，从而对其失效机理进行归纳和总结，并根据Black方程预测了Ta/NiCu/Ta DFH在正常硬盘工作条件下的使用寿命。
　　通过加速应力实验的研究，本文提出Ta/W/Ta DFH失效是典型的电迁移失效。直流加速应力实验中，在电迁移力的作用下，DFH导线中Au原子由阴极向阳极的发生定向的迁移，这导致在DFH线圈表面形成黄色的Au层小丘失效，在DFH左下角导线连接处形成黑色的空洞失效。交流加速应力实验中，交流电信号能够完全抑制电迁移现象的发生，即没有发现 Au层小丘和空洞失效，进一步验证了Ta/W/Ta DFH失效是典型的电迁移失效。
　　通过加速应力实验研究，本文提出Ta/NiCu/Ta DFH失效是典型的电迁移、热迁移耦合失效。直流加速应力实验中，在电迁移力和热迁移力共同作用下，DFH中Ni、Cu原子在水平和垂直方向上同时发生迁移，这导致在DFH内部形成中空结构的空洞缺陷且这些缺陷的分布具有明显的方向性，即靠近DFH负极区域产生的内部缺陷数量明显多于靠近正极区域产生的缺陷的数量。交流加速应力实验中，交流电信号能够有效的抑制电迁移现象的发生，使DFH电阻变化曲线出现了明显的延迟特性，加速寿命提高了近3倍。同样在交流加速应力实验中，在DFH内部发现了一定的空洞缺陷但其分布没有明显的方向性。根据Black方程对Ta/NiCu/Ta DFH进行了寿命预测，其寿命远远超过5年的电子产品的使用寿命标准。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景、目的及意义

1.2 相关领域研究现状

1.2.1 电迁移基本原理

1.2.2 电迁移的特性

1.2.3 电流的聚集效应

1.2.4 典型的电迁移现象研究

1.2.5 电迁移研究展望

1.3 本课题研究的主要内容

第2章 实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验过程

2.2.1 加速应力实验设计

2.2.2 直流加速应力实验试样的制备

2.2.3 交流加速应力实验试样的制备

2.2.4 光学显微镜分析

2.2.5 扫描电子显微镜分析

2.2.6 聚焦离子束技术分析

2.2.7 透射电子显微镜分析

2.3电迁移的寿命预测

第3章Ta/W/Ta DFH加速应力实验

3.1 Ta/W/Ta DFH直流加速应力实验

3.1.1 电阻变化曲线

3.1.2 失效特征

3.1.3 失效区域的分析

3.2 Ta/W/Ta DFH交流加速应力实验

3.2.1 电阻变化曲线

3.2.2 失效特征及其分析

3.3 本章小结

第4章Ta/NiCu/Ta DFH加速应力实验

4.1 Ta/NiCu/Ta DFH直流加速应力实验

4.1.1 电阻变化曲线

4.1.2 失效特征

4.1.3 失效区域的分析

4.2 Ta/NiCu/Ta DFH交流加速应力实验

4.2.1 电阻变化曲线

4.2.2 失效特征及其分析

4.3 DFH寿命分析

4.3.1 Ta/NiCu/Ta DFH寿命分析

4.3.2 加速寿命测试方法

4.3.3 加速寿命测试方法的简化推导

4.3.4 电流密度的计算

4.3.5 DFH加速寿命结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢