CN102689518A - 用于pzt印刷头制造的作为间隙充填物的光刻胶材料的使用 - Google Patents

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Abstract

一种用于PZT印刷头制造的作为间隙充填物的光刻胶材料的使用。本发明提供了一种喷墨印刷头，包括多个压电元件和感光填隙层，所述感光填隙层充填各个相邻压电元件之间的间隔。形成所述喷墨印刷头可利用简化了的方法来将感光填隙层图案化，并利用激光烧蚀将遮盖贯穿隔膜的多个开口的隔膜附着材料移除。

Description

用于PZT印刷头制造的作为间隙充填物的光刻胶材料的使用
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以及制造高密度压电喷墨印刷头的方法。 
背景技术
在印刷工业中，按需供墨喷墨技术(drop on demand ink jet technology)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。当典型地利用电耦合到电压源的电极通过电连接对压电元件施加电压时，该压电元件振动，导致该膜片弯曲，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。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。 
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。用于制造高密度印刷头的更精确、更简明的方法会是期望的。 
发明内容
用于形成喷墨印刷头的方法可包括将隔膜附着材料附着到隔膜，其中所述隔膜包括贯穿隔膜的多个开口，并将多个压电元件附着到所述隔膜。感光填隙层可被施加以充填相邻压电元件之间的间隔(space)且与所述隔膜和隔膜附着材料接触，其中所述隔膜附着材料防止感光填隙层通过所述隔膜中的多个开口。与隔膜附着材料接触的感光填隙层可被移除，同时留下相邻压电元件之间的间隔中的感光填隙层。利用相邻压电元件之间的间隔中的感光填隙层，可将多个压电元件附着到多个电极以提供各个压电元件和附着其上的电极之间的电路。 
根据本发明的另一实施方式，喷墨印刷头可包括喷射堆栈。喷射堆栈可包括多个压电元件、各个相邻压电元件之间的间隔(其中相邻压电元件之间的每个间隔用感光材料充填)、附着到多个压电元件的隔膜、以及利用隔膜附着材料附着到隔膜的主体板。所述印刷机可进一步包括附着到感光材料且包含多个电极的印刷电路板，其中所述多个电极中的每一个通过导体电耦合到所述多个压电元件中的一个压电元件。 
在另一实施方式中，印刷机可包括喷射堆栈，其中所述喷射堆栈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、利用隔膜附着材料附着到所述隔膜的主体板、以及相邻压电元件之间的感光填隙层。所述印刷机可进一步包括附着到感光填隙层且包含多个电极的印刷电路板(其中每个电极与各自的压电元件电耦合)，延伸穿过所述印刷电路板、感光填隙层、隔膜以及隔膜附着材料的多个开口，以及附着到所述印刷电路板的歧管。墨池可由所述歧管的内表面和所述印刷电路板的表面来限定。 
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-process device)的中间压电元件(intermediate piezoelectric element)的透视图； 
图3-11是描绘包括在制设备的喷射堆栈(jet stack)的喷墨印刷头的构造的剖面； 
图12是包括喷射堆栈的印刷头的剖面； 
图13是包括根据本发明的实施方式的印刷头的印刷设备；以及 
图14-16是根据本发明的另一实施方式描绘包括喷射堆栈的喷墨印刷头的形成的中间结构(in-process structure)的剖面。 
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维持严格的结构精度、细节以及比例。为了说明的简易和/或由于一些元件与本发明不是直接有关，这些元件可能不被描绘或描述。 
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“光刻胶”包括广大范围感光材料中的任意一种，所述感光材料包括诸如正性(positive-tone)可光定义(photodefinable)聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)的正性光刻胶、诸如可光定义环氧树脂或负性(negative-tone)感光聚酰亚胺的负性感光聚酰亚胺，以及本技术领域公知的相关化合物。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。 
本发明的实施方式可包括光刻胶在喷墨印刷头喷射堆栈上的相邻的压电元件之间作为填隙层的用途。在使用印刷头印刷图像的过程中，光刻胶填隙层仍然作为所述印刷头的一部分。相较于现有工艺， 光刻胶作为填隙层的使用可导致用来形成印刷头的处理操作(processing acts)减少以及掩膜或光网的数量减少，从而减少了制造成本。此外，继形成填隙层之后用作墨通过隔膜的通道的开口的形成可利用激光烧蚀进行。相较于需要移除若干层的现有工艺，所述开口可通过移除仅仅一层薄层来形成。 
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元件。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的物质，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。执行所述切成方块可以使用机械技术且可使用晶片切割锯、干法蚀刻工艺、激光烧蚀等等。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，并且描绘了一个部分的和两个完整的压电元件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50施加到图4的结构上。在该实施方式中，填隙层50可以是利用旋涂施加到图4结构的表面上的光刻胶从而形成图5的结构。一般来说，基于可光定义环氧树脂、可光定义聚酰亚胺和可光定义PBO的光刻胶足可用作为该实施方式的感光填隙层。可足以用作为该结构中的填隙层的示范性光刻胶包括负性光刻胶，比如可从马萨诸塞州牛顿市的MicroChem公司获得的SU-8。SU-8是环氧基负性抗蚀剂的一种，其对抗溶媒、酸和碱并且对于此处所描述的使用具有足够的热稳定性。SU-8中的主要成分包括2-(氯甲基)环氧乙烷、甲醛、4-[2-(4-羟基苯基)丙烷-2-基]苯酚、和混合型三芳基锍/六氟锑酸盐。由于被暴露于紫外线，SU-8不会发生尺寸变化。另一示范性的光刻胶是可从新泽西州帕林市的HD MicroSystems公司获得的负性可光定义聚酰亚胺前驱体HhHHD-4100系列。HD-4100系列中的主要成分包括酯化的聚酰胺酸树脂和丙烯酸酯。另一示范性的光刻胶是可从密歇根州米德兰市的陶氏化学公司(Dow Chemical Company)获得的感光CYCLOTENE 4000系列树脂。CYCLOTENE 4000系列中的主要成 分是B阶段(B-Staged)二乙烯基硅氧烷-双-苯并环丁烯树脂和2，6-双((叠氮基苯基)亚甲基)-4-乙基环己酮。可以理解的是本领域的普通技术人员可将该工艺修改用于正性光刻胶。 
可分配足量的光刻胶来充填相邻压电元件20之间的间隔以覆盖隔膜36的上表面52的暴露部分并且包封压电元件20，如图5中所示。所述光刻胶可进一步充填所示隔膜36内的开口40。继施加光刻胶填隙层50之后，可利用软烤(soft bake)工艺将光刻胶软固化(soft-cured)以提高可使用性。 
遮盖隔膜36中的开口40的隔膜附着材料38防止光刻胶穿过开口40。旋涂光刻胶以形成填隙层50可导致平面化的上表面54。在其他实施方式中，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执行。 
接着，可使用光学的光刻工艺来将光刻胶填隙层50图案化。所述光刻工艺可根据本领域的已知技术使用掩膜或光网60(下文统称为“掩膜”)将来自光源的光62图案化，如图6中所示。掩膜60可包括覆盖压电元件20的第一部分60A以及覆盖贯穿隔膜36的开口40的第二部分60B。所述掩膜的第一部分60A通常会与压电元件20对齐。所述掩膜的第二部分60B所覆盖的通道位置通常会与延伸穿过隔膜36以及主体板34的开口40对齐。暴露于光62会使无掩蔽的光刻胶50交联，同时没有暴露于光的光刻胶则不会被交联。本领域公知的是，交联的光刻胶在显影剂中是不能溶解的，而没有暴露于光线62的光刻胶可被显影剂移除。 
在使光刻胶填隙层50暴露于图案化的光62之后，可使所述光刻胶经受化学反应所需的曝光后烘烤，然后暴露于显影剂以移除光刻胶的未暴露部分从而留下光刻胶的暴露部分。从压电元件20的上表面和隔膜36中的开口40移除光刻胶填隙层50使得压电元件20的上表面和隔膜附着材料38的上表面和下表面都被暴露。视抗蚀剂的类型可以接着进行合适的固化。留下类似于图7中所示的结构。 
接着，如图8中所示，将具有多个通孔112和多个电极114的印刷电路板(PCB)110附着到图7的子组件。诸如导电膏之类的导体90可被用来将每个PCB电极114电连接到压电元件20，如图所示。导体90将压电元件20电耦合到PCB电极114使得导电路径从PCB电极114延伸通过导体90到达压电元件20。除导体90之外，介电胶粘剂(未图示)可被用来在PCB110和图7的子组件之间提供更安全的物理连接。 
接着，可清扫贯穿隔膜36的开口40以留出让墨通过隔膜的通道。清扫开口包括移除隔膜附着材料38覆盖开口40的部分。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激光器122所发出的激光束120的使用(如图9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。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9中描绘了两个激光器122，但是单一激光束120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。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以形成扩展的贯穿隔膜附着材料38的开口，从而形成图10的结构。如图10中所示，光刻胶50物理接触隔膜36、各个压电元件20以及PCB 110。 
接着，可用粘合剂(未单独示出)将孔板140(aperture plate)附着到进口/出口板32，如图11中所示。孔板140包括喷嘴142，在印刷过程中，墨通过喷嘴142被喷出。一旦孔板142被附着，喷射堆栈144完成。 
之后，例如利用诸如粘合剂之类的不透液密封连接件151将歧管150连结到PCB 110以形成喷墨印刷头152，如图12中所示。喷墨 印刷头152可包括由歧管150的内表面和PCB 110的表面所限定的池154，其中池154适于储存一定体积的墨。来自池154的墨通过PCB110中的通孔112传递到喷射堆栈144中的墨端口(ink port)156。可以理解的是图12是一个简化的视图，可以在该图的左侧和右侧有附加的结构。举例来说，虽然图12描绘了两个墨端口156，但是典型的喷射堆栈可具有例如344×20阵列的墨端口。 
在使用中，印刷头152的歧管150中的池154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154通过PCB 110中的通孔112、通过喷射堆栈144中的墨端口156流入喷射堆栈144中的腔室158中。对应于设置在各个电极114上的电压160，各个PZT压电元件20在恰当的时间振动以对数字信号作出响应。压电元件20的振动导致隔膜36弯曲，从而在腔室158内产生压力脉冲，引起墨滴从喷嘴142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144。在实施方式中，喷射堆栈144可被用作如图12中所示的喷墨印刷头152的一部分。 
图13描绘了根据本发明的实施方式包括一或更多印刷头152和从一或更多喷嘴142喷出的墨164的印刷机162。印刷头152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。印刷头152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152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152等宽的图像。印刷头152可以窄于印刷介质166，或者与印刷介质166等宽。 
根据本发明用于形成喷射堆栈、印刷头和印刷机的方法可导致结构良好的(well-formed)喷射堆栈。例如，如图8和图9中所示，激光束120只需要清扫单层材料。在该实施方式中，所述材料包括隔膜附着材料38，其可以是诸如单片型聚合物(single sheet polymer)的实心片型材料。单片型聚合物可具有大约25微米(μm)到大约50μm 之间的厚度。诸如由准分子激光器产生的激光束120可通过蒸发聚合物的隔膜附着材料38而消磨该聚合物厚度，只残留很少或没有残留物。此外，由于该聚合物是单片型的，所以它可包括有少许厚度变化的均匀厚度，非常适于被激光束移除。此外，由于被移除的材料的厚度很小，可以形成贯穿所述聚合物的有很少或者没有成锥形(taper)的开口，促进从墨池154穿过墨门156和隔膜36中的开口40的墨的流通。 
此外，需要单一掩膜60来使光刻胶填隙层50图案化以将压电元件20的上表面暴露且将隔膜附着材料38暴露，例如如图6和图7中所示。这相较于现有工艺减少了形成该结构所需要的处理阶段的数量以及掩膜的数量，从而减少了总体制造成本。 
会认识到的是本发明可包括出于简化目的而已被省略的其他方法操作(method acts)。例如，该工艺可包括衬底调节，例如粘合层的形成，以确保光刻胶粘着于被暴露的表面。在用光刻胶涂覆该结构之后，实施方式可进一步包括光刻胶的软烤、光刻胶暴露于通过掩膜图案化的光、光刻胶的曝光后烘烤、显影工艺以移除未暴露的光刻胶(例如使用显影剂)、漂洗以在显影后移除光刻胶残留物、和/或漂洗后干燥工艺和/或固化工艺。 
通过此处的教导，其他实施方式会变得显而易见。举例来说，另一实施方式可以以图4的结构开始。随后，将光刻胶填隙层170分布到图4的结构上，如图14中所示。施加光刻胶以充填压电元件20之间的间隔，但不覆盖压电元件20的顶部，如图14中所示。光刻胶填隙层170的施加可通过旋涂执行，从而可获得足够平坦的光刻胶表面。在其他实施方式中，光刻胶填隙层170可通过刮刀涂布、线棒(draw down bar)涂布、浇涂等来施加。在该实施方式中，说明了正性光刻胶的使用，但可以理解的是该工艺可被修改为使用负性光刻胶。一般来说，基于可光定义环氧树脂、可光定义聚酰亚胺和可光定义PBO的光刻胶足可用作为感光填隙层。可充分起作用的示范性光刻胶包括诸如可从新泽西州帕林市的HD MicroSystems公司获得的HD- 8800系列之类的正性抗蚀剂。HD-8800系列是可光定义PBO前驱体，主要包含聚酰胺和光敏引发剂。 
接着，可使用光学的光刻工艺来将光刻胶填隙层170图案化。所述光刻工艺可根据本领域的已知技术使用掩膜172将来自光源的光174图案化，如图15中所示。在该实施方式中，所述掩膜允许光在贯穿隔膜36的开口40(图4)处照射光刻胶170，并在其他所有区域上方阻止所述光。在替代的实施方式中，如果光刻胶172或者有意地或者因工艺错误而覆盖在压电元件20的上面，可以考虑使用允许光线照射压电元件20的区域的掩膜。 
在该实施方式中，将光刻胶填隙层170暴露于光线改变了光刻胶的化学结构使得被暴露区域170B在显影剂中变得可溶，而未暴露区域170A在显影剂中则是不可溶的。在暴露光刻胶填隙层170的区域170B之后，所述光刻胶被暴露于合适的显影剂以移除被暴露的部分170B，从而形成图16的结构。为了移除残留的溶剂并完成环化工艺以产生PBO膜以及完成粘接工艺，根据情况可接着进行合适的固化过程。对图16的结构的处理可继续使用类似于在如前所述的图7的结构上所用的工艺来形成如图11中所示的喷射堆栈144的喷射堆栈、如图12中所示的印刷头152的印刷头和如图13中所示的印刷机162的印刷机。 

Claims (10)

1.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上；
施加感光填隙层以充填相邻压电元件之间的间隔且与所述隔膜接触；
移除相邻压电元件之间的间隔中的所述感光填隙层的第一部分并且留下相邻压电元件之间的间隔中的所述感光填隙层的第二部分；以及
利用相邻压电元件之间的间隔中的所述感光填隙层的所述第二部分，将所述多个压电元件附着到多个电极以提供各个压电元件和附于其上的所述电极之间的电路。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将相邻压电元件之间的间隔中的所述感光填隙层的所述第二部分暴露于图案化的光以使位于相邻压电元件之间的所述感光填隙层的所述第二部分交联，而所述感光填隙层的所述第一部分不被暴露于所述图案化的光；以及
将所述感光填隙层的所述第一部分和所述第二部分暴露于显影剂以移除所述感光填隙层的所述第一部分并且留下所述感光填隙层的位于相邻压电元件之间的所述第二部分。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：
将隔膜附着材料附着到所述隔膜上，其中所述隔膜包括贯穿所述隔膜的多个开口且所述隔膜附着材料遮盖贯穿所述隔膜的所述多个开口；
在所述感光填隙层的所述施加过程中，所述感光填隙层的所述第一部分接触所述隔膜附着材料且所述隔膜附着材料防止所述感光填隙层流过所述隔膜中的所述多个开口；以及 
继移除接触所述隔膜附着材料的所述感光填隙层的所述第一部分之后，移除遮盖贯穿所述隔膜的所述多个开口的所述隔膜附着材料。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将隔膜附着材料附着到所述隔膜上，其中所述隔膜附着材料遮盖贯穿所述隔膜的多个开口；
利用所述隔膜附着材料将所述隔膜附着到主体板上，其中所述主体板被附着到进口/出口板上；
继移除所述感光填隙层的所述第一部分之后，移除遮盖贯穿所述隔膜的所述多个开口的所述隔膜附着材料；以及
继移除遮盖贯穿所述隔膜的所述多个开口的所述隔膜附着材料之后，将包括多个喷嘴的孔板附着到所述进口/出口板上。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将所述感光填隙层的所述第一部分暴露于图案化的光，而相邻压电元件之间的所述感光填隙层的所述第二部分不被暴露于所述图案化的光；以及
将所述感光填隙层的所述第一部分和所述第二部分暴露于显影剂以移除所述感光填隙层的所述第一部分并且留下所述感光填隙层的位于相邻压电元件之间的所述第二部分。
6.喷墨印刷头，包括：
喷射堆栈，其包括：
多个压电元件；
各个相邻压电元件之间的间隔，其中用感光材料充填相邻压电元件之间的每个间隔；
附着到所述多个压电元件的隔膜；以及
利用隔膜附着材料附着到所述隔膜上的主体板；
印刷电路板，其附着到所述感光材料上并且包括：
多个电极，其中所述多个电极中的每一个通过导体电耦合到所述多个压电元件中的一个。 
7.如权利要求6所述的喷墨印刷头，其中所述感光材料是光刻胶。
8.如权利要求6所述的喷墨印刷头，其中所述感光材料物理地接触所述隔膜和所述多个压电元件。
9.印刷机，包括：
喷射堆栈，包括：
当中有多个开口的隔膜；
附着到所述隔膜上的多个压电元件；
利用隔膜附着材料附着到所述隔膜上的主体板；以及
相邻压电元件之间的感光填隙层；
附着到所述感光填隙层并且包括多个电极的印刷电路板，其中每个电极与各自的压电元件电耦合；
延伸穿过所述印刷电路板、所述感光填隙层、所述隔膜以及所述隔膜附着材料的多个开口；
附着到所述印刷电路板上的歧管；以及
由所述歧管的内表面和所述印刷电路板的表面所限定的墨池。
10.如权利要求9所述的印刷机，其中所述感光填隙层其材料选自可光定义环氧树脂、可光定义聚酰亚胺和可光定义聚对苯撑苯并二恶唑。 
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