西數(shù)硬盤(pán)制造過(guò)程.doc

西部數(shù)據(jù)的工廠對(duì)一名硬盤(pán)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，恐怕沒(méi)有什么比參觀硬盤(pán)廠更令人興奮的事了。2001年底，WD公司邀請(qǐng)中國(guó)內(nèi)地和香港的媒體記者參觀其有魚(yú)子醬之家（Home of the Caviar）美稱(chēng)的馬來(lái)西亞硬盤(pán)生產(chǎn)廠，本報(bào)記者將參觀見(jiàn)聞和自己積累的一些硬盤(pán)結(jié)構(gòu)知識(shí)組合成如下這篇文章，望能與同樣對(duì)硬盤(pán)感興趣的愛(ài)好者們分享。創(chuàng)立于1970年的WD公司最初以硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器控制卡為主要業(yè)務(wù)，馬來(lái)西亞工廠則從1973年開(kāi)始負(fù)責(zé)集成電路（IC）的封裝及測(cè)試。1985年已成為PC硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器控制卡領(lǐng)導(dǎo)廠商的WD受Compaq委托開(kāi)發(fā)了第一個(gè)ATA接口芯片（用于Imprimis制造第一臺(tái)ATA接口硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器），并于1988年通過(guò)購(gòu)并Tandon公司而投身于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器事業(yè)。隨著WD成為專(zhuān)業(yè)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器制造商，馬來(lái)西亞工廠自然也隨之轉(zhuǎn)向硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)，到1994年硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的累計(jì)出貨量超過(guò)了9千萬(wàn)臺(tái)，而PCBA（印刷電路板組件）的累計(jì)出貨量則在1995年超過(guò)了9千5百萬(wàn)片。2000年初，WD關(guān)閉了有11年歷史的新加坡工廠，馬來(lái)西亞工廠肩負(fù)起全部的生產(chǎn)任務(wù)。原料與加工集中的高效持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)意味著產(chǎn)能的提高，由單個(gè)工廠制造所有的產(chǎn)品也更便于管理且富于彈性，與馬來(lái)西亞政府的工業(yè)化政策和相對(duì)穩(wěn)定的政治環(huán)境、固定且有利的通貨兌換率、出口零稅率及運(yùn)輸、通訊、教育和勞動(dòng)力資源上的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，促使WD做出了上述決策。從1994年算起WD在馬來(lái)西亞的投資總額已有3億美元之多，目前當(dāng)?shù)貑T工的比例超過(guò)了65%，并占馬來(lái)西亞電子出口總額的5%以上。2001年9月初，WD在亞洲華爾街期刊的亞洲20佳雇主排名中位居第四，而在馬來(lái)西亞10佳雇主中列第三位。完成了工廠的調(diào)整之后，WD又放棄了長(zhǎng)期虧損的SCSI接口硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品線，專(zhuān)注于ATA接口硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)。進(jìn)入2001年后，WD以7200rpm產(chǎn)品為主攻方向，在60GB以上的大容量市場(chǎng)占有73%的份額，并推出了WD1000BB-SE等配備8MB緩存的得意之作。與IBM不同的是，WD并沒(méi)有停止5400rpm產(chǎn)品的發(fā)展，不僅魚(yú)子醬AB、表演家系列香火未斷，單盤(pán)片設(shè)計(jì)的Protg系列更是在微軟的X-BOX中大放異彩。工廠內(nèi)部概況穿過(guò)類(lèi)似機(jī)場(chǎng)安全門(mén)的檢測(cè)裝置就進(jìn)入了WD馬來(lái)西亞工廠內(nèi)部，兩個(gè)展柜里布滿了WD的經(jīng)典產(chǎn)品，亞洲華爾街期刊的獎(jiǎng)項(xiàng)和X-BOX則擺在顯眼的位置。這座5層高的迷宮生產(chǎn)面積達(dá)5萬(wàn)平方米，約6千人分兩班維持工廠的247不間斷運(yùn)作。嚴(yán)格來(lái)講我們常說(shuō)的硬盤(pán)廠都是裝配廠，即來(lái)自供貨商的盤(pán)片、磁頭（臂）、馬達(dá)、盤(pán)體被裝配為磁頭磁盤(pán)總成（HDA），并把主控、緩存和馬達(dá)控制芯片焊貼于印刷電路板上形成PCBA，再將HDA與PCBA結(jié)合在一起就得到了完整的硬盤(pán)（驅(qū)動(dòng)器）。由于磁頭相對(duì)于磁盤(pán)盤(pán)片表面的飛行高度只有億分之三米左右，因此硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的HDA必須在非常干凈的無(wú)塵室環(huán)境中裝配-當(dāng)然在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更要維持同樣潔凈的環(huán)境。用于裝配HDA的無(wú)塵室等級(jí)通常為Class 100，即一立方米的空間內(nèi)空氣中直徑為1埃（百億分之一米）的塵粒不得超過(guò)100顆。WD馬來(lái)西亞工廠有三個(gè)7千平方米的Class 100無(wú)塵室，工人們井然有序地坐在里面，工位上方支架上一排風(fēng)扇向下吹出的風(fēng)簾橫亙?cè)诠と伺c操作臺(tái)之間，HDA的裝配工作就在備有各種輔助工具的操作臺(tái)上進(jìn)行。出于可以理解的原因，我們不能進(jìn)入無(wú)塵室，只能在玻璃墻外面參觀，陪同的WD公司人員介紹說(shuō)工廠的日產(chǎn)量可達(dá)10萬(wàn)片，分?jǐn)偟矫棵鸋DA裝配工身上的任務(wù)也就幾十片而已-對(duì)于熟練工來(lái)說(shuō)并非難事，所以在我們看來(lái)無(wú)塵室內(nèi)的工人們可謂忙碌而不緊張。進(jìn)不了無(wú)塵室，又不允許拍照，要想圖文并茂地給大家介紹硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的裝配過(guò)程，WD公司提供的WD1200BB樣品盤(pán)不失為一種替代方法-按照裝配的逆順序拆開(kāi)即可。當(dāng)然，馬來(lái)西亞并不缺硬盤(pán)工人，幫助讀者對(duì)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為深入的了解才是我們的最終目標(biāo)。魚(yú)子醬硬盤(pán)全解剖我們的深入介紹建立在如下的生產(chǎn)工序簡(jiǎn)圖之上：部件清洗/傳送主軸馬達(dá)安裝盤(pán)片安裝盤(pán)片平衡磁頭（臂）組/音圈馬達(dá)安裝磁頭（臂）組與盤(pán)片結(jié)合過(guò)濾組件安裝頂蓋安裝伺服信號(hào)寫(xiě)入安裝PCBA及后續(xù)工作部件清洗/傳送：來(lái)自供貨商的零部件怎樣以清白之身進(jìn)入無(wú)塵室呢？這要分為兩種情況區(qū)別對(duì)待：金屬質(zhì)地的基座（Base Plate，即常說(shuō)的盤(pán)體）、頂蓋和塑料制成的磁頭限位桿等附件難免會(huì)附著一些碎屑或顆粒，本身又沒(méi)有任何電氣線路，符合走水路的條件，因此要用水清洗并干燥后才進(jìn)入無(wú)塵室；磁頭（臂）組件、馬達(dá)和盤(pán)片等顯然不宜水洗，它們運(yùn)來(lái)的時(shí)候具有兩層包裝，撕下外層包裝后通過(guò)一排類(lèi)似食品柜臺(tái)的窗口-上方吹下的高速氣流形成一道阻擋塵粒的風(fēng)簾-送進(jìn)無(wú)塵室，而里層的防靜電包裝則在無(wú)塵室內(nèi)拆開(kāi)。圖1圖2主軸馬達(dá)安裝：最先擺上操作臺(tái)的是用于固定硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器各個(gè)組件的基座（看看它身上遍布的窟窿就知道了，如圖1），把主軸馬達(dá)上的缺口對(duì)準(zhǔn)基座底部的弧形窗口（圖2），擰緊三顆固定螺絲就完成了裝配工作的第一個(gè)環(huán)節(jié)。所有的盤(pán)片都將固定在主軸上，而三點(diǎn)形成的平面保證了馬達(dá)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，至于弧形窗口的用途我們將在伺服信號(hào)寫(xiě)入部分介紹。你知道3.5英寸硬盤(pán)盤(pán)片的尺寸嗎？盤(pán)片安裝：圖3圖4在工具的配合下把盤(pán)片套在主軸上，盤(pán)片之間靠墊圈（圖3）保持距離，最后放置軸轂并擰上螺絲壓緊（圖4）。圖5安裝盤(pán)片時(shí)當(dāng)然不能劃傷其表面，但此處特別為您介紹的是盤(pán)片尺寸的相關(guān)知識(shí)。對(duì)于常說(shuō)的3.5英寸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，大家知道那是指盤(pán)片的直徑，而盤(pán)體的寬度自然要大一些-正好4英寸（101.6毫米）。然而需要澄清的是目前3.5英寸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器所用盤(pán)片的直徑卻并非3.5英寸：7200rpm及以下轉(zhuǎn)速產(chǎn)品的盤(pán)片直徑略大，為3.74英寸（95毫米），正如我們拆開(kāi)的這塊WD1200BB（圖5）；10000rpm產(chǎn)品從功耗、尋道時(shí)間和盤(pán)片剛性等角度考慮，一開(kāi)始就采用3英寸直徑的盤(pán)片，現(xiàn)在也有部分產(chǎn)品采用3.3英寸盤(pán)片；15000rpm轉(zhuǎn)速在這方面的要求就更高了，因此希捷兩代捷豹X15都將盤(pán)片直徑定為2.5英寸，而富士通MAM系列的盤(pán)片直徑也不過(guò)才2.75英寸。換句話說(shuō)，各種3.5英寸硬盤(pán)的共同點(diǎn)早已從盤(pán)片直徑轉(zhuǎn)為基座的長(zhǎng)度和寬度。盤(pán)片平衡：盤(pán)片、墊圈與主軸之間難免會(huì)存在配合問(wèn)題，而且會(huì)隨著盤(pán)片數(shù)量的增加而變得愈發(fā)明顯，因此盤(pán)片安裝好之后需要進(jìn)行平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)。盤(pán)片的形狀和重量肯定是不能改變的，改變軸轂上個(gè)別螺絲的重量是較為常見(jiàn)的做法（何況WD1200BB在主軸上還留有6個(gè)可供利用的空位）?？崴剖中g(shù)刀的硬盤(pán)磁頭部分磁頭（臂）組/音圈馬達(dá)安裝：圖6磁頭小，頭臂長(zhǎng)，磁頭位于頭臂上。所有的磁頭臂共軸且投影重合，兩兩一組對(duì)應(yīng)每張盤(pán)片的上下兩面（圖6）?，F(xiàn)在的硬盤(pán)都采用音圈馬達(dá)（Voice Coil Motor，VCM），馬達(dá)線圈與磁頭驅(qū)動(dòng)臂連成一體，轉(zhuǎn)軸位于兩者之間。馬達(dá)線圈處在兩塊永久磁鐵生成的磁場(chǎng)中，當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí)就會(huì)在磁場(chǎng)的影響下經(jīng)轉(zhuǎn)軸的杠桿作用推動(dòng)磁頭臂進(jìn)行尋道操作。圖7連接磁頭的線路貼著磁頭臂遠(yuǎn)離主軸馬達(dá)的一側(cè)連接到軸孔旁的讀/寫(xiě)前置放大器（圖7中Agere出品的那顆芯片），經(jīng)放大處理的信號(hào)再通過(guò)帶狀傳輸線延伸至HDA外部與PCBA的接口上。在固定音圈馬達(dá)的永久磁鐵之前，注意要先安裝好磁頭限位桿-它馬上就要派上用場(chǎng)了。圖8圖9磁頭（臂）組與盤(pán)片結(jié)合：將馬達(dá)線圈尾部的突起對(duì)準(zhǔn)磁頭限位桿上的凹槽，同時(shí)小心地將成對(duì)的磁頭滑入盤(pán)片上/下方。磁頭限位桿凹槽的塑料一側(cè)用于阻止磁頭脫離盤(pán)片所在區(qū)域，而另一側(cè)的圓柱形磁鐵則可以牢牢吸住馬達(dá)線圈尾部的金屬突起（圖8）-保證電源切斷時(shí)磁頭乖乖?？吭诒P(pán)片最內(nèi)圈的CSS（Contact Start/Stop，接觸啟/停）區(qū)（圖9）。CSS區(qū)不存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)，也沒(méi)有盤(pán)片上的數(shù)據(jù)區(qū)那樣光滑。在運(yùn)輸或關(guān)機(jī)等狀態(tài)下磁頭停泊在這里，即使遇到震動(dòng)和沖擊也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)造成破壞。通電之后主軸馬達(dá)帶動(dòng)盤(pán)片旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后磁頭在空氣升力的作用下脫離盤(pán)片表面浮起，此時(shí)音圈馬達(dá)動(dòng)作使線圈尾部突起脫離磁頭限位桿上的磁鐵，磁頭就可以自由地在盤(pán)片上空飛翔了；而當(dāng)電源被切斷之后，馬達(dá)線圈尾部又會(huì)轉(zhuǎn)向磁鐵并被其吸附，磁頭則在逐漸減速的CSS區(qū)上著陸。這種接觸啟/停方式無(wú)疑是有磨損的，通常廠家標(biāo)稱(chēng)的壽命是數(shù)萬(wàn)次啟/停循環(huán)。與傳統(tǒng)的CSS方式相比，IBM研究的磁頭加載/卸載（Load/UnLoad，L/UL）技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)：取消了盤(pán)片最內(nèi)圈的CSS區(qū)，在盤(pán)片外設(shè)立固定磁頭的支架，這樣無(wú)論盤(pán)片是否在轉(zhuǎn)動(dòng)磁頭都可停泊于該支架上，在提高盤(pán)片有效存儲(chǔ)空間的同時(shí)改善了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的抗沖擊能力，不但為2.5英寸筆記本電腦硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器所廣泛采納，IBM最新的桌面型和企業(yè)級(jí)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器也使用了該技術(shù)的簡(jiǎn)化版。兩個(gè)重要部件的安裝過(guò)濾組件安裝：HDA并非密封的金屬盒子，因?yàn)榇蓬^在真空環(huán)境下飛不起來(lái)，但同時(shí)也沒(méi)有填充惰性氣體的必要-潔凈的空氣就可以；HDA也不能是密封的金屬盒子，因?yàn)閮?nèi)外的氣壓要保持平衡，無(wú)論內(nèi)部工作時(shí)的溫度有多高。這樣一來(lái)，通氣孔和過(guò)濾組件就是HDA不可或缺的組成部分了。圖10通氣孔開(kāi)設(shè)在頂蓋上，有些廠家用較為醒目的標(biāo)示提示用戶不要將其覆蓋（圖10）。采用迷宮式進(jìn)氣道的空氣過(guò)濾器靠雙面膠粘在頂蓋下方通氣孔所在位置。頂蓋安裝：圖11頂蓋朝向基座這面的邊緣有起密封作用的墊圈（圖11），扣合在基座上之后擰緊所有的螺絲-包括固定主軸馬達(dá)和磁頭（臂）組/音圈馬達(dá)轉(zhuǎn)軸的那兩顆。到此為止整個(gè)HDA的裝配工作算是完成了，但還不能把它拿出無(wú)塵室，因?yàn)轫斏w和基座上還開(kāi)著兩大一小共三個(gè)天窗呢。伺服信號(hào)寫(xiě)入硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器在進(jìn)行尋道操作的時(shí)候，要根據(jù)磁道在盤(pán)片上的伺服（Servo）信號(hào)計(jì)算磁頭所到位置的確切情況，而伺服信號(hào)的寫(xiě)入工作是在工廠內(nèi)完成的。圖12單碟容量40GB的盤(pán)片在徑向1厘米的長(zhǎng)度上就分布有超過(guò)2萬(wàn)個(gè)磁道，這意味著伺服信號(hào)必須在HDA裝配好且盤(pán)片處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)寫(xiě)入-預(yù)先寫(xiě)入伺服信號(hào)的做法對(duì)裝配精度的要求實(shí)在太高了（多張盤(pán)片更是如此）。由于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁頭只能讀出而不能寫(xiě)入伺服信號(hào)，因此要使用伺服道寫(xiě)入機(jī)（Servo Track Writers，STW）從Servo口（也就是前面提到的三個(gè)天窗，圖12）下手?；拷蓬^一側(cè)正對(duì)主軸的位置有一個(gè)長(zhǎng)圓形（或圓形）窗口，STW的寫(xiě)入臂就從這里伸進(jìn)去工作。出于強(qiáng)度等考慮這個(gè)窗口的高度（或直徑）不能太大，因此向最上/下的盤(pán)片表面寫(xiě)入伺服信號(hào)的工作要通過(guò)頂蓋和基座底部遙相呼應(yīng)的兩個(gè)弧形窗口進(jìn)行。盤(pán)片數(shù)越多，側(cè)面寫(xiě)入的難度也就越大。寫(xiě)入伺服信號(hào)的過(guò)程與其實(shí)就是我們常說(shuō)的低級(jí)格式化（即用戶已不能自行真正的低格了），所用的時(shí)間也像格式化一樣隨容量增長(zhǎng)-不同之處在于是單碟容量（磁道數(shù)目）而非整個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的容量。根據(jù)WD提供的資料，單碟容量從20GB提高至40GB使寫(xiě)入伺服信號(hào)的時(shí)間延長(zhǎng)了50%，這就對(duì)STW的處理能力提出了更高的要求。我們所見(jiàn)到的STW橫截面是個(gè)邊長(zhǎng)1米左右的正方形，可以容納9個(gè)HDA，據(jù)說(shuō)還可以加高一層達(dá)到12個(gè)，而在此之前WD使用的STW容量只有4個(gè)。STW對(duì)一批（9個(gè)）HDA的操作用時(shí)20余分鐘，讀者若有興趣的話可以估算整個(gè)工廠的需求量。圖13HDA從STW中取出之后，用膠紙封上Servo口后無(wú)塵室內(nèi)的操作就算結(jié)束了。封Servo口的膠紙（圖13）很容易被揭下或破壞，從而影響HDA內(nèi)部的密封，因此在使用中一定要注意保護(hù)。安裝PCBA及后續(xù)工作PCBA（圖14）的安裝工作主要由機(jī)器完成，至此一塊硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器就裝配好了。在相對(duì)簡(jiǎn)單的完好性測(cè)試之后，每一塊硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器都被記錄在冊(cè)并貼上標(biāo)簽，進(jìn)行基本環(huán)境壓力測(cè)試。圖14基本環(huán)境壓力測(cè)試儀就像一個(gè)大型磁盤(pán)陣列柜，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器排列的密度遠(yuǎn)高于STW，每個(gè)柜子都可以容納數(shù)百塊。與溫度203、相對(duì)濕度50%10%的無(wú)塵室相比，基本環(huán)境壓力測(cè)試儀內(nèi)的環(huán)境就嚴(yán)酷多了-硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器在不同的溫/濕條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其中溫度可以高達(dá)55，測(cè)試時(shí)間上百小時(shí)。經(jīng)一系列的測(cè)試檢驗(yàn)合格之后，硬盤(pán)才被包裝出廠。雖然硬盤(pán)的生產(chǎn)過(guò)程中手工裝配的工序很多，但對(duì)于廠家來(lái)說(shuō)那些機(jī)器操作的工序也并不省心。譬如