CN104583346A - 用于防止芯片蚀刻的硅掺杂油墨制剂 - Google Patents
用于防止芯片蚀刻的硅掺杂油墨制剂 Download PDFInfo
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Abstract
提供用于喷墨打印机的油墨组合物。所述油墨组合物包括载体介质、着色剂和硅掺杂剂。所述硅掺杂剂可包括硅酸、二氧化硅或硅酸盐。所述硅掺杂油墨减少和阻止打印头的硅基组分的蚀刻。硅掺杂油墨保护打印头组件免其受损,由此提高打印头的可靠性和增加打印头的使用寿命。
Description
交叉引用的相关申请
无
关于联邦资助的研究或开发声明
无
关于序列表等
无
背景技术
1.技术领域
本发明广泛涉及成像,更具体地,涉及能够防止打印头组件蚀刻的油墨组合物。
2.相关技术说明
对于喷墨打印机来说,坚固的且打印性能高的打印头是理想的。但是,油墨,例如颜料型油墨,往往在接触时随着时间蚀刻打印头的硅基组分。这些硅基组分可包括二氧化硅保护涂层和加热器芯片的硅基板。这些硅基组分的显著蚀刻可最终导致感光成像喷嘴板的分层、加热器芯片故障或打印头的加热器芯片电路的电互连的腐蚀,由此缩减打印头的使用寿命。
为了防止芯片蚀刻,可将保护涂层或更耐腐蚀的薄膜应用于加热器芯片上。然而,保护性溶液在制造工序中难以施用且可阻碍加热器芯片的性能。因此,需要更好且更耐久的溶液。本发明人已发现通过用硅掺杂剂处理油墨能够减少或消除打印头组件的蚀刻。
由此,需要提供油墨组合物,其防止打印头的硅基组分的蚀刻,以提高打印头的可靠性并确保打印头更长的使用寿命。
总结
本发明提供用于喷墨打印机的油墨组合物,以防止打印头的硅基组分的蚀刻。该油墨组合物包括载体介质、着色剂和硅掺杂剂。所述硅掺杂剂可包括选自包括硅酸、二氧化硅或硅酸盐的组。最优选的硅掺杂剂是硅酸。
此硅掺杂油墨减少和防止打印头的硅基组分的蚀刻。硅掺杂油墨可保护打印头免其受损,由此提高打印头的可靠性和增加打印头的使用寿命。
附图说明
通过参考附图,本发明各种实施方案的上述和其它特征及优点、以及获得它们的方法将更加清楚和更易于理解,其中:
图1为喷墨打印机的加热器芯片的示意图;
图2是颜料型喷墨油墨对二氧化硅材料的蚀刻率的图形视图;
图3是颜料型品红油墨制剂的硅饱和曲线的图形视图;和
图4是本发明的油墨组合物对硅基材料的蚀刻性能的图形视图。
具体实施方式
应该理解的是,本发明并不限于下文描述或附图中示出的组件的构造和布置的具体细节。本发明可以是其它实施方案和以各种方式实践或进行。此外,理应明白的是本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的,而不应被视为限制。本文中使用的“包括”,“包含”或“具有”及其变体是指包括其后列出的项目及其等同物以及额外的项目。另外,术语“一”和“一个”在此不表示对数量的限制,而表示存在至少一个所指项目。
参考图1,示出喷墨打印机的加热器芯片的一部分的剖视图(未按比例)。加热器芯片通常包括半导体基底101,和沉积或生长在半导体基底101上的绝缘层102。可贯穿半导体基底101蚀刻成油墨通道(ink via)108。可将电阻层104沉积在绝缘层102的一部分上。导电层103可沉积在电阻层104上并蚀刻,以为了在电源和接地导体之间所限定的加热电阻器112提供电源和接地导体。可在加热电阻器112和一部分导电层103上沉积钝化层105,以保护加热电阻器112避免其遭受流体腐蚀。然后在钝化层105上沉积空化层106以覆盖加热电阻器112。可在导电层103上覆盖另一绝缘介电层111,以在更上面的导电层(未示出)和导电层103之间提供绝缘。然后可在绝缘介电层111的顶部沉积保护涂层107,以保护在该加热器芯片上的顶部金属部(topmetallization)。将包括流体部件(flow feature)109和喷嘴板110的流体结构部(fluidic structures)设置在保护涂层107的顶部上。这些流体结构部可通过诸如激光烧蚀或使用可光成像的聚合物等常规技术来形成。
半导体基底101典型地可以由硅制成,且厚度为约100至约800微米或以上。绝缘层102可以由二氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、或硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)制成。绝缘层102的厚度可以为约3000至约8000埃。
导电层103可以从导电金属中选择,包括但不限于金、铝、银、铜或类似物,且厚度为约4000至约15000埃。空化层106可典型地由钽(Ta)制成,且厚度为约1500至约8000埃。
钝化层105可典型地由氮化硅(SiN)制成,厚度为约1000至约8000埃。绝缘介电层111可包含氮化硅、碳化硅、二氧化硅、旋涂玻璃(SOG),或类似物。绝缘介电层111的厚度为约5000至约20,000埃。保护涂层107可典型地包括氧化硅或氮化硅,且厚度为约5000至10000埃。
在打印操作中,通过油墨通道108来提供油墨并填充入加热器芯片的腔室中。如果油墨完全蚀刻所述保护涂层107,则顶部金属部将暴露于油墨,由此引起加热器芯片的电气故障。此外,它还将导致流体结构部的分层,从而降低液滴形成和油墨的喷出。为了提高喷墨打印机的打印头的可靠性使具有更长寿命,加热器芯片的组件应该是坚固的且耐油墨腐蚀或损坏。
使用典型的颜料型油墨对硅晶片进行油墨浸泡测试,该测试显示喷墨油墨倾向于蚀刻硅基材料。图2示出在不同温度下青色(C)、品红(M)和黑色(M1K)的颜料型喷墨油墨在二氧化硅材料上的蚀刻速率。该二氧化硅刻蚀速率随温度的提高而增加。这可能表明,在将硅基材料长期暴露于油墨之后,所述硅基材料可被显著蚀刻,从而被损坏。
喷墨油墨典型地含有载体介质和着色剂。该载体介质可以包括水、水溶性有机溶剂或它们的组合。该着色剂可以是水溶性染料、不溶性颜料或它们的组合。
一种或多种湿润剂可包括在油墨中,所述湿润剂包括1,3-丙二醇、1-(2-羟乙基)-2-吡咯烷酮)、三羟甲基丙烷和多羟基化合物。市售的多羟基化合物可以是例如来自美国俄亥俄州位于托莱多的Perstorp Polyols,Inc.的3165。
可将表面活性剂加入油墨以将表面张力调节至适当水平。表面活性剂可以是阴离子、阳离子,两性或非离子的。一种特别有用的非离子表面活性剂以商品名)456出售,其来自美国宾夕法尼亚州位于阿伦敦的Air Products,Inc。
可将聚合物分散剂加入油墨中。适于在本发明中使用的聚合物添加剂包括本领域已知的适于用作喷墨油墨制剂中的聚合物添加剂的任何阴离子、阳离子或非离子型聚合物。加入到油墨制剂中的聚合物添加剂的量必须不对油墨的性质,如粘度、稳定性和光密度产生负面影响。本发明的油墨组合物中含有的聚合物添加剂的量基于所述喷墨油墨组合物的整体总重量为约0.5%至约2%,最优选为约0.8%。
所述聚合物添加剂是一种接枝共聚物,优选为通过自由基聚合方法制得的三元聚合物。它优选包含三种单体或组分:即亲水性组分、疏水性组分和保护性胶体组分。三种单体的比率可以变化。所述亲水性组分:疏水性组分:保护性胶体组分的优选比例可以为5:1:1至20:1:1,最优选15:1:1。这种聚合物添加剂及其聚合在转让给本申请受让人的US 6,652,634和6,896,724中有更具体的描述。
聚合物添加剂的亲水性组分优选为离子单体段,其可选自丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸或其它含酸单体。亲水段优选提供聚合物添加剂静电稳定性。特别优选的是甲基丙烯酸(MAA)。
聚合物添加剂的疏水性组分优选含有非极性官能团。优选的提供富电子官能团的基团包括壬基苯基、一,二和三-苯乙烯苯酚、聚二甲基硅氧烷和甾(醇)基。这样的单体的实例包括但不限于:可聚合单官能乙烯基单体,其来自日本东京的Toagosei Co.,商品名Aronix M-117;单甲基丙烯酰丙基终止的聚二甲基硅氧烷,其来自日本东京的Chisso Corporation。非-硅氧烷基疏水单体可衍生自长链脂族基团、长链醇和烷基芳基醇。这样的材料的实例优选包括硬脂或甲基丙烯酸酯或壬基苯酚丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯。最优选的疏水性组分是聚丙二醇壬基苯基醚丙烯酸酯,其由Toagosei Co.出售,商品名Aronix M-117。
聚合物添加剂的另一重要组分是保护性胶体组分。此组分为三元聚合物在水性系统中提供极强的稳定性。这种组分的使用实质上减少了所需的离子单体组分的量,由此增加了聚合物添加剂的非离子型水溶性。优选的保护性胶体段是聚(乙二醇)2,4,6-三-(1-苯基乙基)苯基醚甲基丙烯酸酯(SipomerSEM-25)及其二-和单的衍生物,其中亚烷基含有3至10个碳原子。这种类型的单体可从新泽西州美国克兰伯里的Rhodia商购获得,商品名SIPOMER/SEM25。
一种特别有用的聚合物添加剂可从LexmarkInc.购得,其是具有甲基丙烯酸(MAA)结构部分的丙烯酸三元共聚物;聚(丙二醇)2,4,6-三-(1-苯基乙基)苯基醚甲基丙烯酸酯(Sipomer SEM-25)。在示例性的实施方案中,MAA:Aronix M-117:Sipomer SEM-25的摩尔比为4:1:1至40:2:1。在最优选的实施方案中,MAA:Aronix M-117:Sipomer SEM-25的摩尔比是15:1:1。可选地,MAA:Aronix M-117:Sipomer SEM-25的比例是6.2:1:1。这种聚合物添加剂及其聚合在转让给本申请受让人的U.S.6,652,634和U.S.6,896,724中有更具体的描述,其全部的公开内容通过引用并入本文。
另一种有用的聚合物分散剂是同时具有阴离子亲水性单体和疏水性芳族单体的接枝聚合物。亲水性单体可以是含有通常用于自由基聚合的乙烯基、丙烯酸或甲基丙烯酸分子的任何羧酸。实例是甲基丙烯酸或丙烯酸。疏水性单体可以是该类包括通常用于自由基聚合的丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基或苯乙烯的任何含苯基的单体。这种类型的示例性聚合物添加剂是由LexmarkInc制造的共聚物,其使用甲基丙烯酸作为亲水性组分且以甲基丙烯酸苄酯作为疏水性组分。甲基丙烯酸和甲基丙烯酸苄酯的摩尔比是1:1。另一种有用的聚合物添加剂是如下三元共聚物:其使用苯乙烯和α-甲基苯乙烯为疏水性组分和丙烯酸为三元共聚物的亲水性组分。该三元共聚物由BASF Company出售,商品名HPD 671。另一有用的聚合物添加剂由LexmarkInc.制造,在转让给本申请受让人的U.S.5,714,538和U.S.5,719,204中有描述。
可将生物杀灭剂加入到油墨以抑制生长微生物,所述微生物包括霉菌和真菌。示例性的生物杀灭剂可包括甲基-4-异噻唑啉-3-酮。市售的生物杀灭剂可以是例如来自美国宾夕法尼亚州位于费城的Rohm and Haas的KORDEXMLX。
其它的添加剂可任选地存在于油墨中。这些添加剂可以包括增稠剂、抗结垢剂、导电性增强剂、干燥剂、渗透剂、消泡剂、抗腐蚀剂、粘度调节剂或分散剂。示例性的分散剂可包括丙烯酸三元共聚物分散剂。
本发明提供油墨组合物,其包括硅掺杂剂以防止加热器芯片的硅基组分的蚀刻。该硅掺杂剂可包括硅酸、二氧化硅或硅酸盐。示例性硅酸可以包括正硅酸(H2SiO3)、原硅酸(H4SiO4)、二硅酸(disilicic acid)(H2Si2O5)和焦硅酸(pyrosilicic acid)(H6Si2O7)。示例性硅酸盐可以包括原硅酸盐、焦硅酸盐、正硅酸盐、酸配对物或它们的组合。硅酸盐的进一步的实例可以包括孤立岛状硅酸盐(nesosilicates)、多岛状硅酸盐(sorosilicates)、环状硅酸盐(cyclosilicates)、链状硅酸盐(inosilicates)和架状硅酸盐(tectosilicates)。硅酸盐可以以各种形式呈现,包括钠、钾、钙或铝的硅酸盐。
油墨组合物可以包含硅的量为至少30ppm的硅掺杂剂。更优选,可将硅掺杂剂以使油墨组合物饱和有硅的量加入。如本文所用,术语“饱和”是指其中在给定温度下物质被溶液最大量地溶解的点。油墨组合物的硅饱和可实验性地收集。图3示出颜料品红油墨制剂的示例性硅饱和曲线。所显示的数据为在给定温度下浸泡硅基材料一段时间后油墨制剂的硅浓度。如图3中所示,示例的颜料品红油墨制剂可以用硅在约70ppm至约80ppm的水平饱和。油墨组合物的硅饱和水平可依赖于油墨的组分而变化。可将硅掺杂剂以达到低于或高于硅饱和水平的量加入到油墨中,只要不损害油墨的质量和性能即可。
表1示出根据本发明的使用不同浓度水平的硅掺杂剂的油墨组合物的示例性制剂,以及没有硅掺杂剂的对照油墨。
表1
列于表1中的油墨制剂可通过在与油墨组合物的其它组分合并之前,将硅掺杂剂与去离子水预混合来获得。在示例性的实施方案中,可将硅掺杂剂制备成50%的水溶液并以不同浓度水平加入油墨制剂中。不同的浓度水平列于表1中。然后,将所制得的油墨制剂通过6μm和1.2μm的聚丙烯过滤器过滤。参考表1,制剂A不包括硅掺杂剂并用作对照。制剂B、C、D和E包括硅酸作为硅掺杂剂,浓度分别为0.05%、0.20%、0.50%和2.00%,以油墨组合物的重量计。油墨制剂A、B、C、D和E对应的硅浓度示于图4中。
评价了所配制的油墨组合物A至E对于硅基材料的蚀刻性能。图4显示在约60℃的温度下,浸泡在表1中所示的油墨制剂中10天时间的二氧化硅材料的蚀刻厚度。将所添加的硅酸作为油墨制剂中的硅源。图4提供了油墨制剂中所需的用于防止硅基材料的蚀刻的最小硅浓度的良好指示。油墨制剂A,不具有硅掺杂剂,显著蚀刻二氧化硅材料至将近8000埃的厚度。油墨制剂C、D和E,具有至少30ppm的硅浓度,阻止二氧化硅材料的蚀刻。用硅掺杂油墨减少和阻止了打印头组件的硅基组分的蚀刻。硅掺杂油墨可保护打印头组件免其受损,由此提高打印头的可靠性和增长打印头的使用寿命。
在老化周期之前和之后测量表1中所示的油墨制剂的物理性质。所述老化周期包括将油墨制剂暴露于约60℃的温度下,为期2、4、6和8周。表2示出所测量的物理性质,包括pH、粒径、粘度和表面张力。
表2
参见表2,添加硅酸至油墨制剂中不实质上改变油墨组合物的物理性质。这些结果指示添加硅掺杂剂至油墨制剂中不会诱导油墨组合物不利的化学老化或老化现象。
可将本发明的油墨组合物用于任何喷墨打印系统中,包括热或压电式按需打印机和连续喷墨打印机。具体的油墨制剂可根据喷墨打印系统的类型和希望的打印质量和性能而变化。
为了说明的目的已给出了前述几个方法和实施方案。其不旨在穷举或将本发明限制于公开的精确动作和/或形式,显然,根据上述教导许多修改和变化是可能的。其意图是本发明的范围由此处所附的权利要求来限定。
Claims (11)
1.一种油墨组合物,用于减少打印头组件的蚀刻,其包括:
载体介质;
着色剂;和
硅掺杂剂,其中所述硅掺杂剂以硅的量为至少30ppm被添加,所述硅掺杂剂使所述油墨组合物饱和有硅。
2.根据权利要求1所述的油墨组合物,其中所述硅掺杂剂包括硅酸。
3.根据权利要求1所述的油墨组合物,其中所述硅掺杂剂包括二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的油墨组合物,其中所述硅掺杂剂包括硅酸盐。
5.根据权利要求1所述的油墨组合物,其中所述载体介质包括水基介质。
6.根据权利要求1所述的油墨组合物,其中所述载体介质包括有机溶剂。
7.根据权利要求1所述的油墨组合物,其中所述着色剂包括颜料、染料或其组合。
8.根据权利要求1所述的油墨组合物,进一步包括分散剂。
9.根据权利要求1所述的油墨组合物,进一步包括湿润剂。
10.根据权利要求1所述的油墨组合物,进一步包括表面活性剂。
11.根据权利要求1所述的油墨组合物,进一步包括生物杀灭剂。
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