Как Western Digital делает винчестеры

Визит на заводы корпорации в Таиланде

Отмечая полувековой юбилей мировой индустрии накопителей на жестких дисках, мы решили продолжить серию обзорных материалов по устройству, технологиям и процессам производства этих магнитных накопителей. В этой статье мы постараемся рассказать, как производятся современные винчестеры. И как нельзя более кстати оказалась наша экскурсия на заводы компании Western Digital в Таиланде, где делают как сами жесткие диски, так и ключевые компоненты для них.

Итак, нам представилась возможность побывать с деловым визитом на фабриках по производству жестких дисков корпорации Western Digital, расположенных в Таиланде.

Сказать, что на нас это посещение произвело впечатление — значит, не сказать ничего.

Гигантские производственные цеха и чистые комнаты, мириады автоматов и еще большее количество шустро и весело снующей «живой силы» — это первое, что бросается в глаза.

И далеко не последнее… Впрочем, давайте по порядку.

Удивить российского туриста Таиландом, наверное, уже сложно — после «Турляндии» и Египта это, пожалуй, одно из самых популярных направлений зарубежного (и при этом недорогого) отдыха наших соотечественников, куда с недавних пор можно быстро (за 8-9 часов) и комфортно долететь на громадном двухэтажном Boeing 747-200 с персональным телевизором в каждом кресле даже экономического класса. Правда, визой лучше запастись заранее, поскольку ее получение по прилете в аэропорту выливается, порой, в многочасовые потери времени и нервов. Впрочем, отчасти эти потери можно компенсировать халявным пользованием беспроводным (по Wi-Fi) доступом в Интернет в зоне прилета аэропорта.

Как и многие другие страны Юго-Восточной Азии, Таиланд (в прошлом — государство Сиам с собственной более чем семивековой историей!) — это страна контрастов (подробнее см. нашу фотозарисовку).

Контрастов между чудесной солнечной и тоскливо-дождливой погодой (тропический ливень может застигнуть вас врасплох в любую минуту). Между райскими уголками «по типу баунти» с небезынтересным подводным миром, экзотической рыбалкой и непроходимыми тропическими джунглями с подозрительным зверьем (пресловутый «Остров» с Ди Каприо, кстати, снимался в тех же краях и достаточно точно передает ощущение местного колорита). Между фешенебельными ультрасовременными деловыми, культурными и туристическими центрами и нищенскими рабочими трущобами, один взгляд на которые вызывает тревогу (последних, к сожалению, пока больше). Между обходительнейшим персоналом на «островках цивилизации» и сумасшедшим гудящим «восточным» базаром (правда, менее назойливым и навязчивым, чем в некоторых странах южного средиземноморья). Наконец, между стремительно пробивающимися островками «современной культуры» и «европейской» стекло-бетонной цивилизации и умопомрачительными многовековыми буддистскими храмами, облаченными в рубины, сапфиры, изумруд и золото…Я уже не говорю прелестных слониках, тайском боксе и знаменитых на весь мир тайских трансвеститах, которых с непривычки легко перепутать с не менее знаменитыми тайскими девушками. :)

И, пожалуй, лишь две вещи в этой стране незыблемы — это высокая влажность при жарком климате и повсеместное доброжелательное отношение, ведущее начало от многовековой религиозной традиции (более 90% населения страны исповедуют буддизм). Таиланд иногда даже называют страной улыбок, хотя по короткому личному опыту замечу, что там много и «обычных людей», которым тяжелый и низкооплачиваемый повседневный труд дает мало поводов для веселья. А местный русскоязычный гид (лаосец по рождению) по нашему прибытию даже стал пугать нас воровством и грабежом с членовредительством, нередко происходящем в злачных кварталах (куда почему-то так тянет туристов ;)). В общем, если вы еще не были в этой удивительной стране, то, пожалуй, вам стоит ее посетить — незабываемые впечатления на любой вкус гарантированы! А мы вернемся к нашим баранам, то есть к накопителям на жестких дисках. :)

Облюбовала эту страну для своих основных производственных мощностей далеко не одна Western Digital — многие мировые корпорации (ИТ, телекоммуникационные, автомобильные и пр.) имеют в Таиланде фабрики и представительства.

Обычно эти фабрики располагаются в специально отведенных (огороженных и охраняемых) местах — так называемых промышленных зонах (или Industrial Estates).

В них и порядка побольше, и обстановка поцивилизованнее (достаточно взглянуть на автостоянку, где сплошняком стоят чистенькие и недешевые по российским меркам «иномарки»).

Да и средняя зарплата (ки)тайского пролетариата в этих зонах повыше. Попутно отмечу, что тайцы этнически гораздо ближе к китайцам, чем к индусам, хотя до Индии тоже рукой подать. C непривычки тайцев можно даже перепутать с жителями южного Китая, хотя определенные характерные физиономические отличия между ними все же есть. А вот вездесущих индусов, как ни странно, в Таиланде очень мало, несмотря на географическую и климатическую близость.

Основанная в 1970 году как полупроводниковая компания Western Digital обратилась к индустрии устройств хранения данных лишь в 1981 году, начав выпускать контроллеры для жестких дисков (интерфейс IDE — изобретение WD). И лишь в 1988 году WD стала производить собственные жесткие диски. Сейчас же эта корпорация является одним из лидеров в индустрии накопителей на жестких магнитных дисках, занимая уверенное второе место в мире по количеству отгружаемых винчестеров, имея более 27 000 сотрудников по всему миру, очень весомых клиентов и постоянно предлагая рынку новые и порой пионерские продукты.

Имея штаб-квартиру и основные лаборатории в калифорнийском местечке Lake Forest (а также подразделения разработки, опытного производства и изготовления пластин для головок в Сан-Хосе и Фремонте, Калифорния, США), компания расширила свои производственные мощности в Юго-восточную Азию, создав собственные заводы в Таиланде и Малайзии.

WD Thailand была основана 2 января 2002 года в местечке (промзоне) Navanakorn Industrial Estate.

Как раз незадолго до этого японская Fujitsu решила отказаться от дальнейшего производства винчестеров для настольных ПК, и ее завод в Таиланде был приобретен, а позднее и переоборудован компанией WD.

Чуть позднее WD приобрела знаменитого производителя головок для жестких дисков компанию ReadRite, и ее завод по производству головок чтения/записи и сборке кронштейнов с головками и моторами (Head Gimbal Assembley, HGA и Head Stack Assemblies, HSA) заработал 18 августа 2003 года в получасе езды от первого тайского завода компании — в другом индустриальном парке BangPa-In.

С обоими этими ключевыми в цепочке производства НЖМД заводами мы и познакомимся последовательно в данном материале.

К слову, рядом с последним заводом в парке BangPa-In мы заметили строительство еще одного предприятия под флагом WD… :)

Обе фабрики WD в Таиланде насчитывают вместе уже около 20 000 работников и более 500 инженеров,

суммарная площадь их производственных цехов составляет около 70 000 кв. метров, из которых около 25 000 кв. м — это так называемые «чистые комнаты» (аналогичные цехам по производству кристаллов микросхем), оснащенные по последнему слову техники.

Фабрики работают круглосуточно без выходных. Основной персонал работает 12-часовыми сменами, как это принято на многих европейских и североамериканских ИТ-фабриках, хотя есть и смены по 8 часов. Некоторые детали представлены на следующих рисунках.

Любопытные данные по составу персонала этих таиландских фабрик WD представлены ниже. В частности, большая доля рабочих — это субконтракторы (временные работники), а среди инженерного и руководящего состава есть как доктора наук (Ph.D), так и те, кто проработали в данной области 10 и более лет.

Правительство Таиланда тесно сотрудничает с WD с плане социального сектора, и при входе в главную фабрику WD наряду с выставкой основных продуктов компании

и фотографиями боссов WD

также висит благодарность компании WD от правительства страны за ее работу здесь. Благодарность WD от руководителей государства Таиланд. Вклад фабрик WD непосредственно в экономику Таиланда оценивается уже миллиардами долларов США. А во главу работы WD поставлена забота о надежности продуктов (быть лидером качества в мире). Недаром же компания признается лидером по этому показателю в отрасли.

После такого введения самое время перейти к собственно накопителям. :)

Для производства жестких дисков WD форм-факторов 3,5 и 2,5 дюйма требуются следующие компоненты (кликните по этим фото, чтобы посмотреть подробнее):

Схематично процесс производства жестких дисков описан на следующем рисунке.

Сперва на «микроэлектронной» фабрике производятся пластины с рисунками головок чтения/записи (аналогично чипам с транзисторами). Затем эти пластины разрезаются на полоски, из которых после дополнительной обработки и резки получаются индивидуальные пары головок. Эти головки монтируются на гибких упругих подвесках вместе с электропроводкой и предусилителями, после чего индивидуальные подвески (HGA) собираются в пакеты (HSA) с общим электромагнитным приводом (VCM). Далее все просто: блоки HSA (кронштейны с головками), круглые пластины с магнитным и защитным покрытиями, а также сопутствующая электромеханика помещается в корпус диска и он закрывается. Диск оснащается платой контроллера, проходит полный цикл проверки функционирования, пакуется и отгружается на склад.

Производство накопителей на жестких дисках и ключевых компонентов для них внешне (да и не только внешне) во многом напоминает традиционное микроэлектронное производство микросхем.

Те же огромные цеха и «чистые комнаты», люди в спецкостюмах («скафандрах»),

очень похожее или даже то же самое оборудование (хотя и используется иногда немного по-другому),

а также повсеместный тщательнейший контроль качества…

Например, индивидуальные рабочие места в огромных «чистых» цехах по сборке дисков и компонентов для них оснащены трехступенчатым (красный/желтый/зеленый) контролем чистоты окружающего воздуха в данном месте.

И если по каким-либо причинам локальная чистота воздуха (количество пылинок в единице объема) превышает нормативы (например, костюм оператора не прошел должную очистку или партия деталей имеет повышенное загрязнение), работы на этом рабочем месте замедляются или вовсе приостанавливаются до восстановления нужной чистоты.

Теперь посмотрим на процесс производства подробнее. Начать практическое знакомство имеет смысл с завода WD в BangPa-In. Этот завод был запущен в августе 2003 года (помянем ReadRite добрым словом :)). На нем производятся как сами слайдеры (кристаллы с головками чтения и записи, которые скользят над поверхностью магнитных пластин), так и HGA и HSA, то есть готовые блоки кронштейнов с головками, которые затем устанавливаются в гермоблоки жестких дисков.

Изготовление слайдеров и HGA — это наиболее тонкий и ответственный процесс при производстве жестких дисков, поскольку они — наиболее миниатюрные, нежные и высокоточные компоненты накопителей.

Процесс производства слайдеров состоит в следующем. Магнитные головки чтения и записи создаются точно так же, как транзисторы в микропроцессорах — путем формирования подходящих многослойных структур и рисунков на поверхности тонких круглых пластин.

Только в данном случае пластины не кремниевые, а из другого материала — компаунда из оксида алюминия и карбида титана (Al₂O₃ + TiC). На вид эти пластины с микроструктурами головок очень напоминают обычные с кремниевыми чипами, хотя имеют несколько меньший диаметр (15 см), чем современные Si-подложки, да и заметно толще аналогичных кремниевых.

Пластины с головками, изготавливаемые методами микроэлектроники на калифорнийской фабрике компании, поступают в Таиланд на фабрику WD BangPa-In и там разрезаются на тонкие полоски: сперва режут на 6-дюймовые (по длине) полоски, а потом на более короткие и одинаковые 2-дюймовые полоски, которые далее и подвергаются различным обработкам.

Резка производится в специальных автоматизированных шкафах:

Полоски затем шлифуются по плоскости реза

и сортируются по электрическим параметрам и гладкости.

После чего полоски проходят многостадийный цикл обработки в условиях чистой комнаты — почти так же, как это происходит с кремниевыми чипами микросхем.

Сперва в специальных установках на них наносятся тонкие пленки кремния и углерода:

В качестве последних применяются так называемые DLC-пленки (Diamond-Like Carbon), по прочности похожие на алмаз, но очень тонкие (всего несколько нанометров) и гладкие.

После этого на полосках проводится процесс фотолитографии (сейчас я не буду объяснять, что это такое, надеясь на информированность читателя),

после чего полоски подвергаются плазмохимическому травлению

для получения на поверхности полосок нужного рисунка (прямо как и с кремниевыми чипами). При этом используется то же самое оборудование, что и при производстве кремниевых микросхем, только материалы и химикаты могут быть немного иными.

Здесь стоит пояснить, что рисунки, создаваемые на большой круглой пластине целиком и на полосках по-отдельности — это совершенной разные вещи. Когда изготавливают пластину с головками, то формируют на ее поверхности специальную слоистую структуру с магнитными головками чтения и записи — одна «поверх» другой. Для первой наносится чувствительный слой с гигантским магниторезистивным эффектом и электрические контакты к нему, а для второй — ферромагнитный слой и рисунок проводников для катушки индуктивности. Эти операции WD проводит на фабрике в Калифорнии. На одной такой пластине формируется до 30 000 пар головок, в сутки WD производит более 30 готовых пластин, то есть около миллиона пар головок чтения/записи.

Однако после того как на фабрике WD в BangPa-In пластины порезали на полоски и отсортировали, все «микроэлектронные» операции проводятся уже с другой поверхностью слайдеров — с той, которая перпендикулярна поверхности исходной пластины и образовалась в результате разреза! Ведь именно этой поверхностью слайдер с парой головок будет скользить над магнитной поверхностью дисков, а «перпендикулярно» расположенные головки — считывать и записывать информацию в магниточувствительный слой дисков.

Для того чтобы слайдеры могли уверенно и контролируемо парить (вернее — лететь) на заданной высоте над поверхностью магнитных пластин (а эта высота в современных накопителях составляет всего лишь несколько нанометров!), на «прилегающей» поверхности слайдеров создается специальный «аэродинамический» рисунок, при помощи которого контролируются аэродинамические силы отталкивания и притяжения слайдера относительно пролетающей мимо поверхности магнитной пластины. Созданием именно этих рисунков и занимаются, в частности, на фабрике WD в BangPa-In по описанной выше процедуре.

После формирования «аэродинамического» рисунка полоски разрезаются алмазной пилой

на индивидуальные слайдеры (с парой головок в каждом).

Очищенные и «проверенные электроникой»

индивидуальные слайдеры поступают в другой цех, где происходит сборка так называемых Head Gimbal Assembly (HGA) — индивидуальных кронштейнов или «подвесок», на которых головка (точнее слайдер) подводится к нужному месту на поверхности магнитной пластины.

Сперва слайдер прикрепляется к кончику «подвески» (suspension — тонкой металлической пластины специальной формы, см. фото)

при помощи специального клейкого покрытия, схватывающегося после облучения ультрафиолетом.

После этого на подвеску монтируется (путем «бомбардировки» золотыми шариками) крохотная электрическая схема предусилителя магнитной головки

и производится проверка производительности смонтированной электрической схемы.

После чего производится операция водной очистки

и финальный контроль качества HGA

перед окончательным монтажом их в Head Stack Assembly (HSA).

HSA состоит из нескольких HGA, жесткого кроншнейна актуаторов (Actuator Arm) с опорой и гибкой печатной платы (FPC). Это все собирается путем прецизионных манипуляций, автоматизированных для массового производства.

Законченный модуль HSA функционально проверяется при помощи специального статического тестера.

Негодные головки и каналы чтения/записи отбраковываются и заменяются до установки в жесткий диск.

Производительность этой фабрики WD составляет более 50 млн. HGA в квартал, то есть за сутки производится более полумиллиона годных HGA для 3,5-дюймовых и 2,5-дюймовых жестких дисков (из примерно миллиона потенциальных головок на исходных пластинах). Люди работают 24 часа в сутки без выходных, чтобы полностью использовать машины. Это в основном покрывает потребности WD в блоках головок (заводы WD по сборке жестких дисков в Таиланде и Малайзии выпускают более чем по 100 000 дисков в день каждый!). Однако по словам руководителей этой фабрики, иногда им все же приходится закупать головки и HSA на стороне (например, у Alps), чтобы покрыть собственные потребности. Кроме того, магнитные пластины для своих жестких дисков WD также закупает у сторонних производителей.