西部數據工廠 揭開硬碟秘
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轉貼, PCPOP 作者:張廣斌)

1WD的工廠

對一名硬碟愛好者來說,恐怕沒有什麼比參觀硬碟廠更令人興奮的事了。2001年底,WD公司邀請中國內地和香港的媒體記者參觀其有魚子醬之家(Home of the Caviar)美稱的馬來西亞硬碟生產廠,本報記者將參觀見聞和自己積累的一些硬碟結構知識組合成如下這篇文章,望能與同樣對硬碟感興趣的愛好者們分享。

不管北京的冬天有多麼冷,馬來西亞首都吉隆玻還是一如既往地熱。在需要冬眠的時候來到如此靠近赤道的地方固然值得興奮,然而真正吸引我們的還是位於吉隆玻西南12公里自由貿易區的WDWestern Digital,簡稱WD)公司硬碟生產廠。

創立於1970年的WD公司最初以硬碟驅動器控制卡為主要業務,馬來西亞工廠則從1973年開始負責積體電路(IC)的封裝及測試。1985年已成為PC硬碟驅動器控制卡領導廠商的WDCompaq委託開發了第一個ATA介面晶片(用於Imprimis製造第一台ATA介面硬碟驅動器),並於1988通過購並Tandon公司而投身於硬碟驅動器事業。隨著WD成為專業的硬碟驅動器製造商,馬來西亞工廠自然也隨之轉向硬碟驅動器的生產,到1994年硬碟驅動器的累計出貨量超過了9千萬台,而PCBA(印刷電路板組件)的累計出貨量則在1995年超過了95百萬片。

2000年初,WD關閉了有11年歷史的新加坡工廠,馬來西亞工廠肩負起全部的生產任務。原料與加工集中的高效持續運轉意味著產能的提高,由單工廠製造所有的產品也更便於管理且富於彈性,與馬來西亞政府的工業化政策和相對穩定的政治環境、固定且有利的通貨兌換率、出口零稅率及運輸、通訊、教育和勞動力資源上的優勢結合在一起,促使WD做出了上述決策。從1994年算起WD在馬來西亞的投資總額已有3億美元之多,目前當地員工的比例超過了65%,並占馬來西亞電子出口總額的5%以上。20019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,而在馬來西亞10佳雇主中列第三位。

完成了工廠的調整之後,WD又放棄了長期虧損的SCSI介面硬碟驅動器產品線,專注於ATA介面硬碟驅動器市場。進入2001年後,WD7200rpm產品為主攻方向,在60GB以上的大容量市場佔有73%的份額,並推出了WD1000BB-SE等配備8MB緩存的得意之作。與IBM不同的是,WD並沒有停止5400rpm產品的發展,不僅魚子醬AB、表演家系列香火未斷,單碟片設計的Protege系列更是在微軟的X-BOX中大放異彩。

2、工廠內部概況

穿過類似機場安全門的檢測裝置就進入了WD馬來西亞工廠內部,兩個展櫃佈滿了WD的經典產品,亞洲華爾街期刊的獎項和X-BOX則擺在顯眼的位置。這座5層高的迷宮生產面積達5萬平方米,約6千人分兩班維持工廠的24×7不間斷運作。

嚴格來講我們常說的硬碟廠都是裝配廠,即來自供應商的碟片、磁頭(臂)、馬達、盤體被裝配為磁頭磁片總成(HDA),並把主控、緩存和馬達控制晶片焊貼於印刷電路板上形成PCBA,再將HDAPCBA結合在一起就得到了完整的硬碟(驅動器)。由於磁頭相對於磁片碟片表面的飛行高度只有億分之三米左右,因此硬碟驅動器的HDA必須在非常乾淨的無塵室環境中裝配--當然在運轉時更要維持同樣潔淨的環境。用於裝配HDA的無塵室等級通常為Class 100,即一立方米的空間內空氣中直徑為1埃(百億分之一米)的塵粒不得超過100顆。

WD馬來西亞工廠有三個7千平方米的Class 100無塵室,工人們井然有序地坐在面,工位上方支架上一排風扇向下吹出的風簾橫亙在工人與操作臺之間,HDA的裝配工作就在備有各種輔助工具的操作上進行。出於可以理解的原因,我們不能進入無塵室,只能在玻璃牆外面參觀,陪同的WD公司人員介紹說工廠的日產量可達10萬片,分攤到每名HDA裝配工身上的任務也就幾十片而已--對於熟練工來說並非難事,所以在我們看來無塵室內的工人們可謂忙碌而不緊張。

進不了無塵室,又不允許拍照,要想圖文並茂地給大家介紹硬碟驅動器的裝配過程,WD公司提供的WD1200BB樣品盤不失為一種替代方法--按照裝配的逆順序拆開即可。當然,馬來西亞並不缺硬碟工人,幫助讀者對硬碟驅動器的結構進行更為深入的瞭解才是我們的最終目標。

3、魚子醬硬碟全解剖

我們的深入介紹建立在如下的生產工序簡圖之上:

部件清洗/傳送→主軸馬達安裝→碟片安裝→碟片平衡→磁頭(臂)組/音圈馬達安裝→磁頭(臂)組與碟片結合→過濾元件安裝→頂蓋安裝→伺服信號寫入→安裝PCBA及後續工作

部件清洗/傳送:來自供應商的零部件怎樣以"清白之身"進入無塵室呢?這要分為兩種情況

區別對待:

金屬質地的基座(Base Plate,即常說的盤體)、頂蓋和塑膠製成的磁頭限位元杆等附件難免會附著一些碎屑或顆粒,本身又沒有任何電氣線路,符合走"水路"的條件,因此要用水清洗並乾燥後才進入無塵室;

磁頭(臂)元件、馬達和碟片等顯然不宜水洗,它們運來的時候具有兩層包裝,撕下外層包裝後通過一排類似食品櫃檯的視窗--上方吹下的高速氣流形成一道阻擋塵粒的風簾--送進無塵室,而層的防靜電包裝則在無塵室內拆開。

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主軸馬達安裝:最先擺上操作的是用於固定硬碟驅動器各個元件的基座(看看它身上遍佈的窟窿就知道了,如圖1),把主軸馬達上的缺口對準基座底部的弧形視窗(圖2),擰緊三顆固定螺絲就完成了裝配工作的第一個環節。所有的碟片都將固定在主軸上,而三點形成的平面保證了馬達平穩的轉動,至於弧形視窗的用途我們將在伺服信號寫入部分介紹。

4、你知道3.5英寸硬碟碟片的尺寸嗎?

碟片安裝:

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在工具的配合下把碟片套在主軸上,碟片之間靠墊圈(圖3)保持距離,最後放置軸轂並擰上螺絲壓緊(圖4)。

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安裝片時當然不能劃傷其表面,但此處特別為您介紹的是碟片尺寸的相關知識。對於常說的3.5英寸硬碟驅動器,大家知道那是指碟片的直徑,而盤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英寸硬碟驅動器所用碟片的直徑卻並非3.5英寸:7200rpm及以下轉速產品的碟片直徑略大,為3.74英寸(95毫米),正如我們拆開的這塊WD1200BB(圖5);10000rpm產品從功耗、尋道時間和碟片剛性等角度考慮,一開始就採用3英寸直徑的碟片,現在也有部分產品採用3.3英寸碟片;15000rpm轉速在這方面的要求就更高了,因此希捷兩代捷X15都將碟片直徑定為2.5英寸,而富士通MAM系列的碟片直徑也不過才2.75英寸。換句話說,各種"3.5英寸硬碟"的共同點早已從碟片直徑轉為基座的長度和寬度。

碟片平衡:

碟片、墊圈與主軸之間難免會存在配合問題,而且會隨著碟片數量的增加而變得愈發明顯,因此碟片安裝好之後需要進行平衡狀態的調節。碟片的形狀和重量肯定是不能改變的,改變軸上個別螺絲的重量是較為常見的做法(何況WD1200BB在主軸上還留有6個可供利用的空位)。(待續)

5、酷似手術刀的硬碟磁頭部分

磁頭(臂)組/音圈馬達安裝:

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磁頭小,頭臂長,磁頭位於頭臂上。所有的磁頭臂共軸且投影重合,兩兩一組對應每張碟片的上下兩面(6)。現在的硬碟都採用音圈馬達Voice Coil MotorVCM),馬達線圈與磁頭驅動臂連成一體,轉軸位於兩者之間。馬達線圈處在兩塊永久磁鐵生成的磁場中,當線圈中有電流通過時就會在磁場的影響下經轉軸的杠杆作用推動磁頭臂進行尋道操作。

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連接磁頭的線路貼著磁頭臂遠離主軸馬達的一側連接到軸孔旁的讀/寫前置放大器(圖7Agere出品的那顆晶片),經放大處理的信號再通過帶狀傳輸線延伸至HDA外部與PCBA的介面上。

固定音圈馬達的永久磁鐵之前,注意要先安裝好磁頭限位元杆--它馬上就要派上用場了。

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磁頭(臂)組與碟片結合:將馬達線圈尾部的突起對準磁頭限位元杆上的凹槽,同時小心地將成對的磁頭滑入碟片上/下方。磁頭限位元杆凹槽的塑膠一側用於阻止磁頭脫離碟片所在區域,而另一側的圓柱形磁鐵則可以牢牢吸住馬達線圈尾部的金屬突起(圖8--保證電源切斷時磁頭乖乖停靠在碟片最內圈的CSSContact Start/Stop,接觸啟/停)區(圖9)。

CSS區不存儲任何資料,也沒有碟片上的資料區那樣光滑。在運輸或關機等狀態下磁頭停泊在這,即使遇到震動和衝擊也不會對資料區造成破壞。通電之後主軸馬達帶動碟片旋轉,達到一定轉速後磁頭在空氣升力的作用下脫離碟片表面浮起,此時音圈馬達動作使線圈尾部突起脫離磁頭限位元杆上的磁鐵,磁頭就可以自由地在碟片上空飛翔了;而當電源被切斷之後,馬達線圈尾部又會轉向磁鐵並被其吸附,磁頭則在逐漸減速的CSS區上著陸。這種接觸啟/停方式無疑是有磨損的,通常廠家標稱的壽命是數萬次啟/圈。

與傳統的CSS方式相比,IBM研究的磁頭載入/卸載(Load/UnLoadL/UL)技術更具優勢:取消了碟片最內圈的CSS區,在碟片外設立固定磁頭的支架,這樣無論碟片是否在轉動磁頭都可停泊於該支架上,在提高碟片有效存儲空間的同時改善了硬碟驅動器運轉時的抗衝擊能力,不但為2.5英寸筆記本電腦硬碟驅動器所廣泛採納,IBM最新的桌面型和企業級硬碟驅動器也使用了該技術的簡化版。

6、兩個重要部件的安裝

過濾組件安裝:

HDA並非密封的金屬盒子,因為磁頭在真空環境下飛不起來,但同時也沒有填充惰性氣體的必要--潔淨的空氣就可以;HDA也不能是密封的金屬盒子,因為內外的氣壓要保持平衡,無論內部工作時的溫度有多高。這樣一來,通氣孔和過濾組件就是HDA不可或缺的組成部分了。

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通氣孔開設在頂蓋上,有些廠家用較為醒目的標示提示用戶不要將其覆蓋(圖10)。採用迷宮式進氣道的空氣篩檢程式靠雙面膠粘在頂蓋下方通氣孔所在位置。

頂蓋安裝:

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頂蓋朝向基座這面的邊緣有起密封作用的墊圈(圖11),扣合在基座上之後擰緊所有的螺絲--包括固定主軸馬達和磁頭(臂)組/音圈馬達轉軸的那兩顆。

到此為止整個HDA的裝配工作算是完成了,但還不能把它拿出無塵室,因為頂蓋和基座上還開著兩大一小共三個天窗呢。

7、伺服信號寫入

硬碟驅動器在進行尋道操作的時候,要根據磁軌在碟片上的伺服(Servo)信號計算磁頭所到位置的確切情況,而伺服信號的寫入工作是在工廠內完成的。

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單碟容量40GB的碟片在徑向1米的長度上就分佈有超過2萬個磁軌,這意味著伺服信號必須在HDA裝配好且碟片處於運轉狀態時寫入--預先寫入伺服信號的做法對裝配精度的要求實在太高了(多張碟片更是如此)。由於硬碟驅動器的磁頭只能讀出而不能寫入伺服信號,因此要使用伺服道寫入機(Servo Track WritersSTW)從Servo口(也就是前面提到的"三個天窗",圖12)下手。

基座靠近磁頭一側正對主軸的位置有一個長圓形(或圓形)視窗,STW寫入臂就從這伸進去工作。出於強度等考慮這個視窗的高度(或直徑)不能太大,因此向最上/下的碟片表面寫入伺服信號的工作要通過頂蓋和基座底部遙相呼應的兩個弧形視窗進行。碟片數越多,側面寫入的難度也就越大。

寫入伺服信號的過程與其實就是我們常說的低級格式化(即用戶已不能自行"真正的低格"了),所用的時間也像格式化一樣隨容量增長--不同之處在於是單碟容量(磁軌數目)而非整個硬碟驅動器的容量。根據WD提供的資料,單碟容量從20GB提高至40GB使寫入伺服信號的時間延長了50%,這就對STW的處理能力提出了更高的要求。我們所見到的STW橫截面是個邊長1米左右的正方形,可以容納9HDA,據說還可以加高一層達到12個,而在此之前WD使用的STW容量只有4個。STW對一批(9個)HDA的操作用時20分鐘,讀者若有興趣的話可以估算整個工廠的需求量。

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HDASTW中取出之後,用膠紙封上Servo口後無塵室內的操作就算結束了。封Servo口的膠紙(圖13)很容易被揭下或破壞,從而影響HDA內部的密封,因此在使用中一定要注意保護。

8、安裝PCBA及後續工作

PCBA(圖14)的安裝工作主要由機器完成,至此一塊硬碟驅動器就裝配好了。在相對簡單的完好性測試之後,每一塊硬碟驅動器都被記錄在冊並貼上標籤,進行基本環境壓力測試。

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基本環境壓力測試儀就像一個大型磁碟陣列櫃,硬碟驅動器排列的密度遠高於STW,每櫃子都可以容納數百塊。與溫度20℃±3℃、相對濕度50%±10%的無塵室相比,基本環境壓力測試儀內的環境就嚴酷多了--硬碟驅動器在不同的溫/濕條件下運轉,其中溫度可以高達55℃,測試時間上百小時。經一系列的測試檢驗合格之後,硬碟才被包裝出廠。

雖然硬碟的生產過程中手工裝配的工序很多,但對於廠家來說那些機器操作的工序也並不省心。譬如說單碟容量的增長非但不會影響工人生產硬碟驅動器的數量,還同步提高了容量產出能力,卻對STW和後期測試(單碟容量從20GB提高到40GB使測試時間延長65%)提出了更高的要求。另一個例子是介面升級--從工人裝配的角度來看Ultra ATA/133Ultra ATA/33沒有什麼不同,可測試設備就要提前更新以提供支援。總之,建設一個硬碟工廠、維持其正常運轉並隨著產品的更新換代而做出相應的調整,對任何公司來說都非常具有挑戰性。