CN102689517B

CN102689517B - 用于印刷头的高密度多层互连

Info

Publication number: CN102689517B
Application number: CN201210090475.5A
Authority: CN
Inventors: 彼得·J·奈斯特龙; 马克·A·塞吕拉; 加里·D·雷丁
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: CN102689517A; US8585183B2; JP5793095B2; US20120242756A1; JP2012196960A; KR20120107870A; KR101819882B1

Abstract

本发明提供了一种用于形成喷墨印刷头的方法，可包括将多个压电元件附着到隔膜、在所述隔膜上施加填隙层以及在所述填隙层上形成多个图案化的导电电迹以物理和电接触所述多个压电元件。所述多个图案化的电迹可利用诸如光刻技术、剥离工艺、激光烧蚀等来形成。所述多个图案化的导电电迹和所述多个压电元件之间的电通信可通过这两个结构之间表面接触来建立，无需单独的导体。

Description

用于印刷头的高密度多层互连

技术领域

本发明涉及喷墨印刷设备领域，尤其是涉及高密度压电喷墨印刷头和制造高密度压电喷墨印刷头的方法以及包括高密度压电喷墨印刷头的印刷机。

背景技术

在印刷工业中，按需供墨喷墨技术(drop on demand ink jettechnology)被广泛使用。使用按需供墨喷墨技术的印刷机可以使用热喷墨技术或压电技术。即使压电喷墨嘴制造起来比热喷墨嘴更昂贵，但是由于压电喷墨嘴可以应用更多种类的墨且可排除结垢(kogation)的问题，所以通常更受欢迎。

压电喷墨印刷头通常包括柔性膜片(flexible diaphragm)和附着于该膜片的压电元件(变换器)。当典型地利用电耦合(electricallycouple)到电压源的电极通过电连接(connection)对压电元件施加电压时，该压电元件弯曲或偏斜，导致该膜片弯曲，从而将一定量的墨通过喷嘴从腔室喷出。所述弯曲进一步通过开口将墨从主墨池牵引至所述腔室中以接替被喷出的墨。

设计工程师的一个目的是提高应用压电喷墨技术的喷墨印刷机的印刷分辨率。增加压电喷墨印刷头的喷射密度可提高印刷分辨率。增加喷射密度的一种方式是消除喷射堆栈(jet stack)内的歧管。利用该设计，优选的是使每个喷口具有通过喷射堆栈的背部的单个端口(single port)。端口作为将墨从墨池转移至每个喷嘴腔的通道运行。由于高密度印刷头中的大量喷口，大量端口(每个喷口有一个端口)必须垂直地穿过隔膜且在压电元件之间通过。

用于形成喷射堆栈的工艺可包括填隙层在各个压电元件之间以及在某些工艺中，在每个压电元件的顶部上形成。如果填隙层被分布在每个压电元件的顶部上，则将其移除以暴露导电的压电元件。接着，可将当中有开口的形成了图案的阻隔层(patterned standoff layer)施加到填隙层，其中所述开口暴露各个压电元件的顶部。一定数量(即，微滴)的诸如导电环氧树脂、导电膏或其他导电材料等导体被独立地分布在各个压电元件的顶部上。柔性印刷电路(即，柔性电路)或者印刷电路板(PCB)的电极被设置为与各微滴接触以方便在各个压电元件和柔性电路或PCB的电极之间的电气联通。所述阻隔层(standoff layer)起到将导电的微滴流容纳在压电元件顶部上的所期望的位置处的作用，还起到作为填隙层和柔性电路或PCB之间的粘合剂的作用。

制造具有外部歧管的高密度喷墨印刷头总成需要新的工艺方法。由于印刷分辨率和印刷头压电元件密度提高，可用来提供电气互连的区域减少。将所述印刷头内的诸如墨的进给结构之类的其他功能元件联通挤占了这减少的空间并且设置了对所用材料的类型的限制。用于制造具有比现有结构(prior structure)更容易制造的电触头的印刷头的方法及其所产生的印刷头会是所期望的。

发明内容

本发明的一实施方式可包括用于形成喷墨印刷头的方法，所述方法包括将多个压电元件附着到隔膜、在相邻压电元件之间形成填隙层(其中每个压电元件的表面穿过所述填隙层被暴露)、在所述填隙层上形成多个图案化的电迹以电接触所述多个压电元件(其中一个电迹被电耦合到一个压电元件)、以及在所述多个电迹上形成介电钝化层。

本发明的另一实施方式可包括用于形成印刷机的方法，所述方法包括形成喷射堆栈。用于形成所述喷射堆栈的方法可包括将多个压电元件附着到隔膜、在相邻压电元件之间形成填隙层(其中每个压电元件的表面穿过所述填隙层被暴露)、在所述填隙层上形成多个图案化的电迹(其中所述多个电迹中的每个电迹被电耦合到所述多个压电元件中各自的压电元件)、以及在所述多个电迹上形成介电钝化层。所述喷射堆栈可被附着到印刷头歧管，其中所述歧管的表面和所述喷射堆栈的表面形成墨池。所述印刷头适于根据数字指令进行操作以在印刷介质上创建图像。

在实施方式中，用于喷墨印刷机的印刷头可包括当中有多个开口的隔膜、附着到所述隔膜的多个压电元件、物理接触所述隔膜并且位于各个相邻压电元件之间的填隙层、以及与所述填隙层表面接触的多个导电电迹，其中所述多个导电电迹中的每个导电电迹被电耦合到所述多个压电元件中各自的压电元件，其中通过每个电迹和所述各自的压电元件之间的表面接触，所述多个电迹中的每个电迹和所述多个压电元件中所述各自的压电元件之间的电接触被建立。

附图说明

图1和图2是根据本发明的实施方式的在制设备(in-processdevice)的中间压电元件(intermediate piezoelectric element)的透视图；

图3-13是描绘用于喷墨印刷头的喷射堆栈的形成的剖面；

图14是包括图13的喷射堆栈的印刷头的剖面；以及

图15是包括根据本发明的实施方式的印刷头的印刷设备。

应当注意的是，附图的某些细节已被简化和提炼以便于理解本发明实施方式而不是为了保持严格的结构精度、细节以及比例。

具体实施方式

此处所使用的词语“印刷机”包括出于任意目的执行印刷品输出功能的任何装置，比如数字复印机、制书机、传真机、多功能机，等等。词语“聚合物”包括广大范围碳基化合物中的任意一种，所述碳基化合物由长链分子形成，包括热固性聚酰亚胺、热塑性物质、树脂、聚碳酸脂、环氧树脂以及本技术领域公知的相关化合物。

利用常规工艺来形成诸如上述的喷射堆栈，导体的材料成本往往会很高，因为通常使用具有高银含量的材料来保证柔性电路电极和压电元件之间的良好接触。此外，导体的数量必须小心控制，因为导体太少可导致电开路和无功能的压电元件(变换器)，而过多的导体则可导致满溢以及相邻变换器之间的电短路。这会需要返工，而由于变换器阵列的高密度布局以及因上覆的柔性电路而不能检修(access)压电元件，因此所述返工是很难的。进一步地，需要对绝缘层的精确对准和放置使得每个压电元件的顶部被暴露。这些问题会随着变换器阵列的密度的提高而加剧。

本发明的实施方式可简化用于印刷头的喷射堆栈的制造，所述印刷头可被用作为印刷机的一部分。进一步地，本发明可改善与压电元件的电连接，并且导致变换器阵列的形成简化，尤其是随着变换器阵列不断变得越来越密集这更加明显。本发明可包括导电层的使用，所述导电层可使用光学光刻技术来图案化，以形成到变换器阵列的电连接，以至于不需要绝缘层和柔性电路。这样就避免了与绝缘层以及柔性电路电极到压电元件的连接有关的前述问题。此外，由于光学光刻工艺的使用使得能形成非常小的精确特征，此处所讨论的用于形成喷射堆栈的工艺可根据变换器阵列的持续小型化进行比例调节。

本发明的实施方式可包括喷射堆栈、印刷头和包括所述印刷头的印刷机的形成。在图1的透视图中，利用粘合剂14，压电元件层10被可拆分地粘结到转移载体12(transfer carrier)。压电元件层10可包括诸如锆钛酸铅层(举例来说，在大约25μm到大约150μm厚)以用作为内部电介质。压电元件层10可例如使用化学镀工艺在两面都镀上镍以在电介质PZT的每一面上提供导电层。镀镍的PZT实质上用作为平行板电容器，形成贯穿内部PZT材料的电势差。载体12可包括金属片、塑料片或其他转移载体。将压电元件层10附着到转移载体12的粘合剂层14可包括切割胶带(dicing tape)、热塑性物质或其他粘合剂。在另一实施方式中，转移载体12可以是诸如自粘热塑性层之类物质，使得无需独立的粘合剂层14。

在形成图1的结构之后，将压电元件层10切成方块以形成多个独立的压电元件20，如图2所示。应当明白虽然图2描绘了4×3阵列的压电元件，但是可以形成更大的阵列。例如，现有的印刷头可具有344×20阵列的压电元件20。执行所述切成方块可以使用诸如具有如晶片切割锯之类的锯等的机械技术、使用干法蚀刻工艺、使用激光烧蚀工艺，等等。为了确保各个相邻压电元件20的完全分隔，切割工艺可被设为在消去粘合剂14的一部分且停在转移载体12上之后或者在切割贯穿粘合剂14进入到载体12中之后终止。

在形成独立的压电元件20之后，图2的总成可被附着到喷射堆栈子组件30，如图3的剖面中所示。图3的剖面放大自图2的结构以获得进一步的细节，并且描绘了两个完整的和一个部分的压电元件20的剖面。喷射堆栈子组件30可以使用已知技术来制造。喷射堆栈子组件30可包括例如进口/出口板32、主体板34和隔膜36，隔膜36利用粘性隔膜附着材料38附着于主体板34。隔膜36可包括多个开口40用于如下所述的完工的设备(completed device)中的墨的通过。图3的结构进一步包括多个空隙42，在该工艺点，空隙42可被环境空气充填。隔膜附着材料38可以是诸如单一片材聚合物之类的实心片材以使贯穿隔膜36的开口40被遮盖。

在实施方式中，可利用隔膜36和压电元件20之间的粘合剂将图2的结构附着于喷射堆栈子组件30。例如，可将测定量的粘合剂(未单独描绘)分配、丝网印刷、轧制(等等)到任一的压电元件20的上表面上、到隔膜36上、或者到该二者上。在实施方式中，可将单滴粘合剂置于用于每个独立压电元件20的隔膜上。在施加粘合剂之后，喷射堆栈子组件30和压电元件20被互相对齐，然后利用粘合剂将压电元件20机械连接到隔膜36。所述粘合剂通过适于该粘合剂的技术被固化，从而形成图3的结构。

随后，从图3的结构移除转移载体12和粘合剂14而形成图4的结构。

接着，将填隙层施加到图4的结构上，然后使之固化以提供填隙层50。所述填隙层可以是聚合物，例如可从康涅狄格州丹伯里市的Miller-Stephenson Chemical Co.(米勒斯蒂芬森化工公司)获得的Epon^TM 828环氧树脂(按重量占100份)和可从俄亥俄州哥伦布市的Hexion Specialty Chemicals(瀚森化工)获得的Epikure^TM 3277固化剂(按重量占49份)的组合物。可施加足够数量的未固化填隙层以覆盖隔膜36的上表面52的暴露部分且继固化之后包封压电元件20，如图5中所示。所述填隙层可进一步充填所示隔膜36中的开口40。遮盖隔膜36中的开口40的隔膜附着材料38防止未固化填隙层穿过开口40。填隙层50可在固化之前或之后被平面化。平面化可例如通过材料的自动找平或者包括了机械打磨和压力成型的技术进行。

接着，将填隙层50从压电元件20的上表面移除。在实施方式中，具有开口62的诸如图案化光刻胶掩膜之类的图案化掩膜60可使用已知的光刻技术被形成，如图6中所示。开口62暴露了覆盖各个压电元件20的填隙层50的一部分，且进一步暴露了各个压电元件20的一部分，如图所示。在该实施方式中，使用湿法蚀刻或干法蚀刻将被暴露的填隙层50从各个压电元件20的顶部移除。在另一实施方式中，可使用激光烧蚀移除填隙层50以暴露各个压电元件20，省去了对图案化掩膜60的需求。

在移除了填隙层50以暴露各个压电元件20的顶部表面之后，移除图案化掩膜60(如果使用了)以导致图7的结构。接着，可在图7的结构上形成覆盖式导电电迹层80(blanket conductive trace layer)，如图8中所示。电迹层80可以是如图所示的共形层(conformallayer)，或者可以是平面层，这取决于所期望的最终设计结构。电迹层80可使用任何能胜任的工艺来形成，例如化学气相沉积、物理气相沉积、金属镀层和溅射。在各种实施方式中，电迹层80可由铜、铝、金、合金以及它们的组合物制成。在实施方式中，电迹层80可被形成为平均厚度在大约0.5微米(μm)到大约10μm之间或者在大约0.8μm到大约1.1μm之间。其他厚度也可以，这取决于在制造的设备的设计。覆盖式电迹层80与介电填隙层50表面接触(surfacecontact)，并且与每个导电的压电元件20表面接触。

在形成覆盖式导电电迹层80之后，在电迹层80的表面上形成当中具有开口的图案化掩膜82，所述开口暴露了电迹层80。图案化掩膜82可以是使用常规的光刻技术形成的图案化感光层，例如光刻胶。图案化掩膜82的设计可取决于由电迹层80在蚀刻之后提供的电迹通路的期望图案。

之后，执行湿法蚀刻或干法蚀刻以移除导电层80的暴露部分。可将填隙层50用作为蚀刻中止层。在蚀刻之后，移除图案化掩膜82以形成类似于图9中所示的结构。在蚀刻之后，各个压电元件20电耦合到从电迹层形成的独立的导电电迹80。各个电迹80在压电元件20上形成。通过每个电迹80和压电元件20中的一个之间的物理接触(表面接触)建立多个电迹80和多个压电元件20之间的电接触。在印刷头的使用过程中，各个电迹80会提供与各个压电元件20的单独的电压连接使得各个压电元件可单独寻址。

虽然该实施方式描述了使用光刻技术来使导电电迹层图案化，但可以理解的是诸如剥离工艺或激光烧蚀工艺之类的其他图案化工艺也可被用于形成图案化电迹层。

接着，可在图9的结构的表面上形成介电钝化层100，如图10中所示。钝化层100保护导电电迹80，且形成平面层作为进行附加处理的基础。钝化层100可包括类似于形成填隙层50或另一介电层的聚合物的材料。附加处理是可选的，且可包括或图案化或未图案化的各种导电层和/或介电层，以附加层102为代表且取决于在制造的设备的设计。附加处理可包括要来为墨安排通路和/或为加热器和歧管功能提供层压结构(lamination)的层。

接着，可清扫贯穿隔膜36的开口40以留出墨通过隔膜36的通道。清扫开口40包括移除部分粘性隔膜附着材料38、填隙层50、钝化层100和附加层102(如果存在)。此外，一或更多电迹80中的一部分可被移除，只要这不会导致诸如电开路之类的不期望的电特征。在各种实施方式中，可使用化学移除或机械移除技术。在实施方式中，自对准移除工艺可包括对发出激光束112的激光器110的使用(如图11中所示)，尤其是在进口/出口板32、主体板34和隔膜36由金属制成的时候。进口/出口板32、主体板34以及根据设计可选的隔膜36可掩蔽用于自对准激光烧蚀工艺的激光束112。在该实施方式中，可使用诸如CO₂激光、准分子激光、固体激光、铜蒸气激光和纤维激光之类的激光。CO₂激光和准分子激光通常可烧蚀包括环氧树脂在内的聚合物。CO₂激光会有低运行成本和高制造产量。虽然图11中描绘了两个激光器110，但是单一激光束也可利用一或更多激光脉冲依次打开各个孔。在另一实施方式中，可在单一操作中制造两个或更多个开口。举例来说，可将掩膜施加于表面，然后单一宽度的单一激光束可使用来自单一宽度的激光束的一或更多脉冲来打开两个或更多个开口或者所有的开口。可射过(over-fill)由进口/出口板32、主体板34以及可能有的隔膜36所提供的掩膜的CO₂激光束可继续照射各个开口40以形成扩展的贯穿粘性隔膜附着材料38、填隙层50、钝化层100和附加层102的开口(如图11中所示)，从而形成图12的结构。

接着，可用粘合剂(未单独示出)将孔板130(apertureplate)附着到进口/出口板32，如图13中所示。孔板130包括喷嘴132，在印刷过程中，墨通过喷嘴132被喷出。一旦孔板130被附着，喷射堆栈134完成。

之后，例如使用诸如粘合剂之类的不透液密封连接件142将歧管140连结到喷射堆栈134的上表面以形成喷墨印刷头144，如图14中所示。喷墨印刷头144可包括由歧管140的表面和喷射堆栈134的上表面所形成的墨池146用以储存一定体积的墨。来自池146的墨通过喷射堆栈134中的端口148(port)输送。可以理解的是图14是一个简化了的视图。实际的印刷头可包括多种结构和未在图14中描绘的差异，例如为了说明的简便而没有描绘的左侧和右侧的附加结构。虽然图14描绘了两个端口148，但是典型的喷射堆栈可具有例如344×20阵列的端口。

在使用中，印刷头144的歧管140中的池146包含一定体积的墨。印刷头的初始启动可被用来引起墨从池146通过喷射堆栈134中的端口148流入喷射堆栈134中的腔室150中。对应于设置在各个电迹80上的电压152，各个PZT压电元件20在恰当的时间偏斜以对数字信号作出响应。压电元件20的偏斜导致隔膜36弯曲，在腔室150内产生压力脉冲，引起墨滴从喷嘴132喷出。

通过上述方法和结构从而形成用于喷墨印刷机的喷射堆栈134。在实施方式中，喷射堆栈134可被用作如图14中所示的喷墨印刷头144的一部分。

图15描绘了根据本发明的实施方式包括一或更多印刷头144和从一或更多喷嘴132喷出的墨164的印刷机162。每个印刷头144适于根据数字指令进行操作以在诸如纸张、塑料制品等印刷介质166上创建期望的图像。每个印刷头144在扫描动作中可相对印刷介质166来回移动以逐片(swath by swath)产生印刷图像。替代地，印刷头144可保持不动而印刷介质166相对于它移动，在单次扫描中创建与印刷头144等宽的图像。此外，印刷过程可包括使用印刷头144在诸如鼓之类的中间加热结构(为简化起见没有单独示出)上形成墨图案164，以及使用所述鼓将图案转印(定影)到印刷介质166上。印刷头144可以窄于印刷介质166，或者与印刷介质166等宽。

这样，上述的实施方式可提供用于喷墨印刷头的喷射堆栈，所述印刷头可用在印刷机中。用于形成喷射堆栈的方法以及所完工的喷射堆栈不需要使用绝缘层来容纳导体流，所述导体将电极或其他导电元件电耦合到压电元件。此外，所述方法不需要从各个压电元件的顶部移除填隙层。在该实施方式中，用来响应于数字信号对各个压电元件20提供电压152的经图案化的覆盖式电迹层80可利用光学光刻技术来图案化。这导致喷射堆栈和印刷头不需要任何的绝缘层来容纳将柔性电路电极电耦合到各个压电元件的液态粘合剂或糊状粘合剂。类似地，喷射堆栈和印刷头也不需要任何柔性电路来将电压联通到各个压电元件。由于不需要任何柔性电路连接到压电元件，所以任何需要的返工都会因对压电元件20和电迹80的检修简化而被简化。

各种联通和互连可被电耦合到电迹80和控制印刷头电子器件以将电压提供给压电元件。这些联通和互连可通过附加介电金属层来提供以在必要时解决复杂联通，并且可通过PCB或柔性电路进行供给。进一步地，如果输入/输出的重新分配更有效率，则空间限制可被缓和。所述电迹可允许例如使用覆晶接合将驱动芯片或专用集成电路安装到喷射堆栈134的顶部表面以穿过电迹80电耦合到压电元件。任何剩余的柔性电路连接会受限于各种电压供应以及时钟信号、数据信号和控制信号，同时省去了到压电元件的直接连接。相较于一些现有工艺，本发明可减少部件、材料和组装阶段的数量。此外，本发明可导致导电路径或电迹的分辨率的提高，从而提供更高的变换器密度和改善通过消除激光切割进行的清洁。产量可通过消除诸如短路之类的多种电流故障模式来提高，所述短路例如通路到通路短路和通路到接地短路。通过简化材料集，可改善墨与喷墨印刷头的典型的其他环境材料的兼容性。该类互连技术可进一步被应用于其他高密度阵列结构，比如图像输入扫描仪和其他传感器或变换器。

要注意的是，虽然该示范性的方法被说明和描述为一系列行为或事件，但可以理解的是本发明并不受限于这些行为或事件的该说明顺序。举例来说，根据本发明，一些行为可以不同的顺序发生和/或与除此处所说明和/或描述的那些行为或事件之外的其他行为或事件同时发生。此外，实施根据本发明的方法，可以不需要所说明的全部步骤。对本领域的普通技术人员而言，参考此处的描述和附图，其他实施方式会变得显而易见。

Claims

1.一种用于形成喷墨印刷头的方法，包括：

将多个压电元件附着到隔膜；

在相邻压电元件之间直接形成填隙层，其中每个压电元件的表面穿过所述填隙层被暴露；

在所述填隙层上形成多个图案化的电迹使得，在所述多个电迹的形成过程中，所述多个电迹物理接触所述填隙层并且物理接触和电接触所述多个压电元件，其中每个电迹通过与所述多个压电元件中的一个物理接触而被电耦合到所述多个压电元件中的该一个；以及

在所述多个电迹上形成介电钝化层。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述填隙层上形成覆盖式电迹层以电接触所述多个压电元件；

将在所述覆盖式电迹层上的感光层图案化；以及

使用图案化的所述感光层作为图案来蚀刻所述覆盖式电迹层以形成所述多个电迹。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

形成覆盖式电迹层；以及

执行激光图案化工艺以烧蚀所述覆盖式电迹层的一部分从而形成所述多个电迹。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

用隔膜附着材料遮盖所述隔膜中的多个开口；

用所述隔膜附着材料将主体板附着到所述隔膜；以及

在所述填隙层的形成过程中，所述隔膜与所述填隙层接触，其中所述隔膜附着材料防止所述填隙层穿过所述隔膜中的所述多个开口。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括：

使用激光束来烧蚀所述隔膜附着材料、所述填隙层和所述钝化层的一部分以清扫所述隔膜中的所述多个开口从而留出让墨从当中通过的通道。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：

在清扫所述隔膜中的所述多个开口的所述烧蚀过程中使用所述隔膜、所述主体板和附着到所述主体板的进口/出口板中的至少一个来掩蔽所述激光束。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

通过所述多个电迹和所述多个压电元件之间的表面接触建立所述多个电迹和所述多个压电元件之间的电接触。

8.如权利要求2所述的方法，进一步包括：

在蚀刻所述覆盖式电迹层以形成所述多个电迹的过程中使用所述填隙层作为蚀刻停止处。