技術委員会 ESDコントロール部会 2009年5月22日（金）ワークショップより

TMR ヘッドの ESD/EOS/EMI によるハード破壊痕実験の事例

Case of Hard destruction of TMR head by ESD/EOS/EMI

仲島智秀

富士通株式会社 ストレージプロダクト事業本部

共通技術開発統括部 製造技術部

現在の磁気ディスク装置に用いられている磁気ヘッドの主流はＴＭＲヘッドであるが、素子端子にＥＳＤが印加されると、

ヘッド素子が破壊されてしまうことは周知の通りである。

一般にＴＭＲヘッドにＥＳＤが印加されると、素子抵抗値は低下する傾向にある。一方、ＧＭＲの場合は上昇する傾向に

あった。また、そのヘッド素子部の破壊状態は、ＥＳＤ痕が残るハード破壊あるいは特性のみが劣化するソフト破壊の２通り

に分かれる。これらのＴＭＲの抵抗変化と破壊状態を見比べると、興味深い結果を得ることができた。

今回は、このハード破壊に焦点を絞り、ＥＳＤのみならず、過電圧であるＥＯＳ、金属間ＥＳＤに伴うＥＭＩの印加形態により、

その抵抗値変化および破壊状態が異なってくるという知見も得られたので紹介する。

１．はじめに

弊社のＨＳＡ[Head Stack Assembly]工程において、ＱＳＴ[Quasi Static Test]で不良と判断されたＨＧＡ[Head Gimbal

Assembly]は、分解され故障解析[ＦＡ：Failure Analysis]される。その中でＴＭＲの抵抗異常となったものは、素子部のＳＥＭ

観察が行われる。

その観察の結果、不良品は痕跡の残るハード破壊と痕跡の残らないソフト破壊のものに分類されるわけだが、ハード破

壊品の中にはＥＳＤ痕ともおぼつかない状態のものも散見される場合があった。

そこで、ＴｕＭＲヘッドへの印加形態（ＥＳＤ／ＥＯＳ／ＥＭＩ）、印加電圧によって、抵抗値変化、破壊状態に違いが出るのか

実験することとなった。

２．ＥＳＤ印加実験による破壊事例

本実験を行う前に、ＨＳＡ工程内におけるＴＭＲの各ＥＳＤモデルを考慮したＥＳＤ破壊メカニズムを想定してみた。

まず、チャージド・デバイス・モデル[Charged Device Model]を考慮してみる。現在のヘッド構造は、ＴＭＲ素子の両端が数

～数十ｋΩにて下部シールド経由にてヘッドスライダーのアルチックと導通させる「シャント構造」を成している。ＨＧＡはＨＳ

Ａアクチュエータアームにカシメられ、アースされた設備／治具の金属部と常に接触することから、ＴＭＲ素子部が直に帯電

することはないため、ＣＤＭの実験は不要と判断した。

次に、人体モデル[ＨＢＭ]を考慮してみる。ＨＳＡ工程では、作業者はリストストラップによる人体アース、更にはＥＳＤ防

止のニトリル手袋を着用している為、指先がヘッド端子に触れたとしても、人体帯電圧は±１～３Ｖと低く、手袋素材の抵抗

値は高いことから、ＨＢＭによるＥＳＤ破壊はまず考えられない為、ＨＢＭの実験も不要と判断した。

一方、金属の治工具類がアースされていない状態でハンドリングされた場合は、人体帯電圧が±１～３Ｖと低くても、その

表面抵抗は０Ωに近い為、例えば、もしもヘッド端子に金属ピンセットが接触してしまった場合は、マシンモデル［ＭＭ］系統

のＥＳＤ破壊が懸念される。

以上のことから、ＥＳＤ印加実験はＭＭを使用することとした。

ちなみに、弊社では、以上のメカニズムを想定し、治工具はアース接続あるいは金属部の人体アースによりアース対策

を万全にしており、ＨＧＡのハンドリングにはセラミックピンセットか導電性バキュームピンセットを使用している。

さて、ＭＭ実験手順は次の通りである。

ＴＭＲ端子には、当然のことながら、行きＭＲ＋と帰りＭＲ－の２端子あるが、

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(a)ＭＲ－を浮かした状態

(b)ＭＲ－をアースした状態

の２条件で、ＭＲ＋にＥＳＤを印加する。

① ＴＭＲ抵抗測定専用のデジタルマルチメータ[ADVENTEST,R6552L]を用いて初期抵抗を測定しておく。

② コンデンサ 200pF の片側をアースしておく。

③ 安定化電源より定電圧を発生させ、コンデンサのもう片方の端子に接続し、チャージさせる。

④ チャージさせたコンデンサをＭＲ＋に接触させ、ＴＭＲにＭＭのＥＳＤを印加する。

⑤ ＴＭＲ抵抗を再測定する。

⑥ ＳＥＭ観察を行う。

⑦ 印加電圧を上げ、別サンプルを実験。

図１－１、２－１参照。

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その結果、ａよりもｂの方が、より低い電圧から抵抗値低下が起こり、素子部がパン！とはじけるようなＥＳＤ痕が出現した。

図１－２、２－２参照。

また、抵抗値変化が無い限りはＥＳＤ痕の出現は皆無であった。

以上をまとめると、図３のようになる。

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３．ＥＯＳ印加実験による破壊事例

本実験は、ＨＳＡ工程でのＴＭＲ導通試験や抵抗チェックを想定し、以下の２通りの実験を行ってみた。

(1)直流電圧印加

本実験は、直流電源を用い、

(c)電流制限無し[一般の安定化電源]

(d)電流制限 0.5mA [ソースメータ電源]

の２条件で、ＥＯＳを印加した。

① ＴＭＲ初期抵抗を測定しておく。

② 電源より直流電圧を発生させておく。

③ －端子をＭＲ－へ接触させる。

④ ＋端子をＭＲ＋へ接触させ、ＴＭＲへ直流電圧を印加する。

⑤ ＴＭＲ抵抗を再測定する。

⑥ ＳＥＭ観察を行う。

⑦ 印加電圧を上げ、別サンプルを実験。

図４－１、５－１参照。

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その結果、ｃの場合は、ＥＳＤとは反対に抵抗値上昇し、素子部がモコモコと盛り上がるようなＥＯＳ痕が出現した。

図４－２、４－３参照。

一方、ｄの場合は、ＥＳＤと同様に抵抗値低下し、素子部が腫れ上がるようなＥＯＳ痕が出現した。図５－２参照。

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(2)ハンディタイプデジタルマルチメータでの抵抗測定時のＥＳＤ＋ＥＯＳ印加

本実験は、ハンディタイプデジタルマルチメータの測定端子の取扱いについて、次の３条件で、ＥＳＤ＋ＥＯＳを印加した。

(e)最初に＋端子をアースされたＨＧＡ固定治具に接触しておいて、－端子をＭＲ－に接続した後、＋端子をＭＲ＋に接続す

る。図６参照。

(f)＋端子，－端子をそれぞれ同時にＭＲ＋，ＭＲ－に接続する。図７参照。

(g)測定リードを摩擦した後、ｆの接続。

図８参照。

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その結果、ｅの場合はＴＭＲ抵抗低下はあるものの、ＥＯＳ痕は無かった。ｆの場合は、ＴＭＲ抵抗値低下し、ＥＳＤ痕が発生。

ｇの場合は、ＴＭＲ抵抗値が更に低下し、素子部が溶断爆発し、飛び散ってしまっている。図６～８参照。

以上をまとめると、図９のようになる。

４．ＥＭＩ印加実験による破壊事例

本実験は、ＨＳＡ工程でのＴＭＲ端子へのプロービング中のＥＭＩノイズ影響を想定してみた。

① 接地されたＨＧＡ固定治具にＨＧＡをセットする。

② ＨＧＡテスト端子にＴＭＲ抵抗測定用デジタルマルチメータの測定リードを接続したまま、抵抗値をモニター。

③ チャージプレートモニタ[CPM : Charge Plate Monitor]のチェージプレート[CP : Charge Plate 10pF]にソースメータ

[KEITHLEY,2400]の印加電圧端子を接続しておき、電圧を印加してから、同端子を外す。

④ ＣＰをＨＧＡ固定治具に接触し、金属間ＥＳＤを発生させ、ＥＭＩノイズを印加。

⑤ ＴＭＲ抵抗を確認し、ＳＥＭ観察。

⑥ ＣＰへの印加電圧を上げ、別サンプルを実験。

図１０参照。

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その結果、ＣＰ１０ｐＦへの印加電圧が、５０ＶではＴＭＲ抵抗変化は無く、ＥＭＩ痕も無い。１００ＶではＴＭＲ抵抗値低下し、

微小ＥＭＩ痕が出現した。２００ＶでもＴＭＲ抵抗値低下し、更にＥＭＩ痕が大きくなりＥＳＤ痕と同等な痕となった。図１１参照。

５．まとめ

これらの実験を通して、ＥＳＤ/ＥＯＳ/ＥＭＩの各印加形態により、その抵抗値変化および破壊状態をまとめると、以下のよ

うになる。

(1)ＥＳＤ/ＥＯＳ/ＥＭＩの印加において、抵抗値変化の次に、ハード破壊痕が出現する。従って、抵抗値変化が無ければ破壊

痕跡は皆無と見てよい。

(2)一瞬のＥＳＤ/ＥＯＳ/ＥＭＩの場合、その強度が高くなるにつれて、

・その抵抗値は低下する傾向にあり、

・そのハード破壊痕は、抵抗値が低くなるほど大きくなる傾向にある。

(3)ある一定時間のＥＯＳの場合は、その電圧が高くなるにつれて、

・その抵抗値は上昇(O.L.)する傾向で、

・そのＥＯＳ痕は４Ｖ位まではモコモコと大きくなり、

・５Ｖ以上では一気にパン！と破壊されるせいか、痕の成長は見られない。

これらは、一瞬の場合と全く異なる。

(4)これらのＴＭＲヘッド抵抗変化およびハード破壊痕の状態は、ＦＡに活用できると考える。

６．今後の課題

今回は、ＭＲ＋に＋電圧を印加したが、次回は、電流観測も含めて、－電圧を印加した場合のＴＭＲ抵抗値変化および

ハード破壊痕の実験を試みたい。

７．参考文献

[1]本田昌實:"ESD に起因する EMI 問題の変遷”、2003 第 13 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ

[2]本田昌實:"金属間放電における単極性電磁界について”、2003 第 13 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ 13E-10

[3]本田昌實:"微小ﾙｰﾌﾟｱﾝﾃﾅによる ESD の測定”、2004 第 14 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ 14E-03

[4]早田裕、小池志郎、本田昌實:"微小ﾃﾞﾊﾞｲｽからの放電現象の検討”、2004 第 14 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ 14E-08

[5]本田昌實:"衝突 ESD の発生とその電磁妨害作用”、2005 第 15 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ 15E-05

[6] 本田昌實:"帯電極性と放電時のｲﾝﾊﾟﾙｽ極性の関係”、2008 第 18 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ 18E-12

[7]仲島智秀: "HGA ｱﾝﾃﾅﾓﾃﾞﾙによる EMI ﾉｲｽﾞ観測と GMR/TMR 破壊現象”、2008 第 18 回 EOS/ESD/EMC ｼﾝﾎﾟｼﾞｳﾑ

18E-20

[8]仲島智秀:特開 2007-287275