CN117507622A - 拼接热敏打印头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热敏打印头制造技术领域，具体的说是一种能够避免相邻拼接单元因热应力挤压崩裂，有效提高打印质量的适于宽幅打印的拼接热敏打印头及其制造方法，设有金属散热台，金属散热台上表面设有两个以上彼此邻接的热敏打印单元，其特征在于，在金属散热台上表面设有热膨胀系数为4x10‑6‑9x10‑6mm/℃的复合陶瓷衬层，衬层厚度范围为0.3‑3.0mm，两个以上彼此邻接的热敏打印单元设置在衬层上，所述衬层为96％以上的高纯度氧化铝添加碳化硅制成的陶瓷膜。
Description
技术领域：
本发明涉及热敏打印头制造技术领域，具体的说是一种能够避免相邻拼接单元因热应力挤压崩裂，有效提高打印质量的适于宽幅打印的拼接热敏打印头及其制造方法。
背景技术：
众所周知，热敏打印头上配置有连续很多个按照一定的分辨率直线性配置的热敏发热体单元，通过对每个发热体单元施加相应的脉冲电压使发热体单元产生焦耳热效果，把印加的电能转换为热能，利用发热体单元产生的热能作用到热敏介质上使热敏介质发色。
大幅面广告写真、电力标识、软装包装等领域一般采用喷墨等方式打印，喷墨打印存在墨盒硒鼓等耗材，对环境造成很大负担，而热敏打印是通过打印头发色在热敏纸或色带上直接打印或转印图文信息，除了热敏纸和色带不需要其他耗材，绿色环保，另外热敏打印速度快，分辨率高，可实现300dpi及以上的精细打印。热敏打印头打印幅宽从4.2mm到216mm是常规规格，现在随着应用领域的需要已拓展到300mm左右，但上述广告写真等应用需要超过1m以上的幅宽，当前的规格无法满足应用，只能采用打印头拼接的方式实现宽幅打印。
现有的热敏打印头主要由陶瓷基板、PCB线路板以及金属散热板组成，一般情况下,常温下的陶瓷材料的导热系数只有5-24W/m·K,因此陶瓷基板能够在打印初始阶段完成蓄热保温作用，提高初始打印区域的印字浓度，但随着打印时间拉长，热量积累作用加剧，过度积累的热量不但会造成印字过深，还容易损坏热敏打印头上的电气器件，因此热敏打印头的陶瓷基板需要设置在具有良好散热性能的金属基台上，以保证长时间连续打印工作中的散热。
对于拼接式宽幅热敏打印装置来说，多个拼接单元体(热敏打印单元)紧密的排列在金属散热基台上，显然拼接单元体之间的拼缝越小，整体打印效果越佳，但由于不同材料在温度变化过程中存在热膨胀差异，进而出现相对热位移量不一致的问题，可能导致拼缝处基板挤压、基板崩边等产品不良现象，同时热膨胀系数差异导致环氧树脂胶热固化时，出现基板弯曲变形、长尺基板表面幅宽起伏较大，影响了印字效果。
专利号为201820918273.8，名称为一种拼接式热敏打印头的发明专利，记载的是基板拼接方法，对于拼缝的基板形状处理有要求，专利号为200920309388.8主要是对拼缝处阻值处理，避免拼缝处浓度低，上述专利针对打印头拼缝方法、拼缝处阻值处理来解决浓度不均的问题，但打印头在打印时处于高温下，不同材料间的热膨胀系数差没有考虑，拼缝处还存在一系列基板挤压打牙以及长尺弯曲变形导致的印字不良问题。上述拼接热敏打印头装置的拼缝处因热胀冷缩差异显著，拼缝宽度d2需保留0.4mm以上，且为了实现无缝至少要保证5个以上的发热体重合点，无法满足高打印质量的要求。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、工艺简便，能够显著提高宽幅打印品质的拼接热敏打印头及其制造方法。
本发明通过以下措施达到：
一种拼接热敏打印头，设有金属散热台，金属散热台上表面设有两个以上彼此邻接的热敏打印单元，其特征在于，在金属散热台上表面设有热膨胀系数为4x10-6-9x10-6mm/℃的复合陶瓷衬层，衬层厚度范围为0.3-3.0mm，两个以上彼此邻接的热敏打印单元设置在衬层上，所述衬层为96％以上的高纯度氧化铝添加碳化硅制成的陶瓷膜。
本发明所述衬层由Al2O3陶瓷粉末以及体积百分比超过总量5％的纳米SiC颗粒或碳化硅晶须混合制成，从而使衬层获得良好的抗热震性以及导热性能，具体的说，当添加体积分数超过5％的SiC，所获得的复合陶瓷衬层的临界热震温差由70℃提高至185℃，进而能够使位于衬层上侧的彼此邻接的热敏打印单元不受位于衬层下方金属散热台的热应力影响。
本发明中两个以上彼此邻接的热敏打印单元包括交错设置的B型热敏打印单元和C型热敏打印单元，所述B型热敏打印单元的绝缘陶瓷基板呈出纸侧窄进纸侧宽，所述C型热敏打印单元的绝缘陶瓷基板呈出纸侧宽进纸侧窄，进一步，相邻的B型热敏打印单元与C型热敏打印单元对应拼缝处的发热体位于同一拼接平面、彼此平行的上下错开，且至少重叠2个发热点。
本发明中热敏打印单元包括绝缘陶瓷基板，绝缘陶瓷基板的表面设有蓄热釉涂层、发热电阻体、电极导线，其中发热电阻体和电极导线部分还设有保护层，电极导线的引脚端与驱动IC压焊或倒装焊连接，外部控制端的外部电路板或柔性电路板与驱动IC经压焊焊盘或倒装焊连接，并采用环氧树脂胶覆盖包含IC、键合部位以及裸露的电极导线区域；进一步，所述保护层中设有绝缘保护层，绝缘保护层材料为SION或SIALON,绝缘保护层上表面设有碳化硅保护层，由于膜层在烧结过程中，易在边缘处因张力形成凸起，导致拼缝致密性下降、影响拼接表面平整度，且在冷热变化情况下，拼缝两侧膜层挤压易导致膜层剥离、翘起，因此，所述绝缘保护层距离基板边缘0.1mm开始设置,绝缘保护层上通过磁控溅射等方式设置C-SIC层，距离基板边缘0.3mm开始设置,在碳化硅上设置SiO2距离基板边缘0.5mm开始设置，从而在拼接处形成阶梯状的保护层，此时因保护层中各膜层的镀膜边缘不集中，每层保护膜都在膜层边缘可有效释放膜应力，避免应力过大导致膜层脱落，同时拼接处的凹陷在热转印色带或其他打印耗材通过时，有效避免边缘过高导致刮色带耗材等问题。
本发明还提出了一种如上所述拼接热敏打印头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在金属散热台上表面制备衬层：
步骤1-1：获得用于制备衬层的纳米级混合粉体：采用纯度96％以上的氧化铝、纳米级碳化硅颗粒或碳化硅晶须，经过球磨、筛选成细分粉末后获得的纳米级复合粉体；
步骤1-2：采用喷涂工艺或沉积工艺，在金属散热板上获得厚度在0.3-3.0mm的衬层；
步骤2：制备拼接用热敏打印单元，包括B型热敏打印单元和C型热敏打印单元，采用划片工艺分切基板，基板分切精度控制在30微米；
步骤3：将B型热敏打印单元与C型热敏打印单元交错拼接在步骤1所获得的衬层上表面，并经黏胶固定，其中相邻的B型热敏打印单元与C型热敏打印单元的发热电阻体位于同一拼接平面、彼此平行的上下错开，并重叠不超过2个发热点。
本发明步骤1-1中，氧化铝与碳化硅粉体的配比为体积百分比52％-65％：35％-48％，通过球磨等工艺制备纳米级粒径的复合衬层，采用纯度96％以上的氧化铝，混合纳米级碳化硅，经过球磨、筛选成细分粉末，此时，混合粉末在钢球碰撞作用下，发生强烈塑性变形反复焊合和断裂，导致其内部缺陷密度剧烈增加，晶粒尺度达到纳米级，同时，进一步细化，且均匀、弥散地分布从而形成纳米复合粉体，将混合粉体制成复合陶瓷粉末。
本发明步骤1-2中，为了衬层与底部金属散热板充分结合，衬层通过喷涂或沉积形成的厚度不低于0.3mm,衬层需要充分缓解金属散热板与氧化铝陶瓷基板间的热膨胀系数差，并适应高速打印的热导率及考虑加工成本，衬层厚度上限不超过3mm：衬层的热膨胀系数与陶瓷基板相当，而导热率是用作热敏打印陶瓷基板的氧化铝陶瓷基板的4-7倍，可满足高速打印的打印头散热要求，另外喷涂或沉积方式形成的衬层不经过高温烧结，无明显的基板变形更便于发热基板与衬层粘接使用。
本发明步骤3中，由于拼接打印单元中的绝缘基板利用激光切割形成的MARK图形作为精准基板切割的对位图形，实现高精度切割，以及X、Y方向精准拼缝，拼缝尺寸控制在80微米。
本发明针对现有技术中拼接式热敏打印头中多个热敏打印单元，在拼接后，因环境温度变化，拼缝处基板挤压、基板崩边等产品不良问题，提出了一种耐候性强、打印品质高、打印速度快且可以满足1m以上宽幅打印需求的适于拼接的热敏打印单元及热敏打印头，通过在金属散热基台与热敏打印单元之间设置与陶瓷基板热膨胀系数相当的衬层，在保证热敏打印单元工作过程中的良好散热效果的前提下，有效缓解金属散热板受热产生的应力给热敏打印单元带来的影响，从而避免拼接热敏打印头工作时陶瓷基板挤压、破裂以及弯曲等问题。
附图说明：
附图1是本发明的一种断面结构图。
附图2是本发明的第二种断面结构图。
附图3是本发明的第三种断面结构示意图。
附图4是本发明的结构示意图。
附图5是本发明中相邻接的热敏打印单元内发热电阻体的设置示意图。
附图6是本发明中B型热敏打印单元和C型热敏打印单元交错拼接的结构示意图。
附图7是本发明中相邻的热敏打印单元的保护层结构示意图。
附图8是本发明实施例1中发热体弯曲量与传统拼接式热敏打印装置的发热体弯曲量的对比曲线图。
附图9是本发明实施例1中不同温度下，发热体弯曲量变化对比曲线图。
附图10是本发明实施例3中发热电阻体以及热敏打印单元边缘处起伏量曲线图。
附图11是本发明实施例2与实施例1在同等打印宽度下，发热电阻体弯曲度随温度变化对比曲线图。
附图标记：衬层1、热敏打印发热基板2、电路板3、粘合胶带4、蓄热釉涂层5、发热电阻体6、电极导线7、保护层8、第一绝缘保护层81、碳化硅保护层82、SiO2保护层83、驱动IC9、环氧树脂层10、异方性导电胶膜层11、紫外线胶12、导热硅胶或导热硅脂13、金属散热台14、B型热敏打印单元15、C型热敏打印单元16。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。
实施例1：
如附图1及附图2所示，本例提供了一种拼接热敏打印头及制造方法，本例设有金属散热台14，金属散热台14上表面设有两个以上彼此邻接的热敏打印单元，其中在金属散热台14上表面设有热膨胀系数为4.5x10-6mm/℃的碳化硅及氧化铝的复合陶瓷衬层1，衬层1厚度为1cm，两个以上彼此邻接的热敏打印单元设置在衬层上；
本例中热敏打印单元内热敏打印头发热基板的复合热膨胀系数为4.7x10-6mm/℃左右，衬层1的热导率略低于发热基板，能够有效避免接缝处挤压变形的问题，可实现无缝拼接，本例衬层1在制备过程中，采用体积百分比控制在50％以内的纳米SIC粉体与纯度在96％以上的氧化铝粉体制成，所获衬层1的热导率在28-30W/m.K。
本例所述热敏打印单元采用如附图1或附图2所示，设有热敏打印发热基板2，热敏打印发热基板2上设有蓄热釉涂层5，蓄热釉涂层5的上侧设有发热电阻体6、电极导线7，电极导线7还经驱动IC9与电路板3上的功能电路相连，所述发热电阻体6、电极导线7上侧还设有保护层8，保护层8包括第一绝缘保护层81、耐磨层82；
本例所述拼接热敏打印头通过以下方法制得：
步骤①：获取制备衬层所需的纳米复合粉体：按氧化铝与碳化硅体积百分数55％：45％取各组分，所述氧化铝采用纯度96％以上的氧化铝，所述碳化硅采用纳米级碳化硅粉末，经过球磨、筛选成细分粉末，混合粉末在钢球碰撞作用下，发生强烈塑性变形反复焊合和断裂，导致其内部缺陷密度剧烈增加，晶粒尺度达到纳米级，同时，进一步细化，且均匀、弥散地分布从而形成纳米复合粉体，本例中SiC以纳米颗粒加入到Al2O3陶瓷粉末中，经性能验证发现添加入SiC粉末的体积分数超过5％时，即能够显著提高陶瓷的抗热震性，使氧化铝陶瓷的临界热震温差由70℃提高至185℃；
步骤②：通过喷涂工艺，形成金属散热台14上表面的厚度不低于0.3mm的衬层，具体的说：
采用冷喷涂系统制备碳化硅、氧化铝纳米复合陶瓷涂层，所述冷喷涂系统包括高压气源、控制柜、冷喷枪、高压送粉器和高压气体加热器5部分，喷枪是冷喷涂系统的关键部件，其为缩放型的拉瓦尔喷嘴，其喉部直径为2mm，喷涂过程中采用氮气作为加速气体和送粉气体，具体喷涂参数如表1所示，本例所采用的基体材料为纯铝板，试样尺寸为1500mm×10mm×5mm，喷涂之前采用700μm(24目)的棕玉砂进行喷砂处理
本例在1.6m的金属散热台上通过喷涂的方式，将厚度为0.3-3mm长度1.515m的复合陶瓷衬层粘接在金属散热台上表面；
步骤③：制备拼接用热敏打印单元，包括B型热敏打印单元和C型热敏打印单元，具体地说：将陶瓷线路板设计B外型结构(出纸侧窄进纸侧宽)和C外型结构(出纸侧宽进纸侧窄)的两种单体，其中，拼接打印单元中的绝缘基板采用不影响拼接切割的发热体结构及布线设计，利用划片分切形成的MARK图形作为精准基板切割的对位图形，实现高精度切割，以及X、Y方向精准拼缝；
步骤④：将B型热敏打印单元和C型热敏打印单元交错固定在步骤1所获的衬层表面，如附图6所示，B外型结构和C外型结构打印头相互交错布置，因基板经激光切割精度低0.05mm左右，金属散热台14上衬层与打印头单体热膨胀系数均为4.0-9.0x10-6mm/℃，打印头保存、打印过程中二者的相对热位移量基本一致，所以理论上可以设置陶瓷基板X方向相邻单体间拼缝缝隙d2＝0mm，通常为保险起见，设置d2＞0.08mm，且拼缝缝隙两侧的发热电阻体如附图5所示，上下错开并最多重叠2个发热点，达到无缝拼接；
本例中衬层1的厚度不低于0.3mm,这是由于衬层需要充分缓解金属散热板与热敏打印陶瓷基板间的热膨胀系数差，厚度低于0.3mm会导致衬层1易变形或裂纹，此外，衬层1需要满足持续高速打印过程中散热需求，因此衬层厚度不超过3mm；
通过本例获得的衬层1的热膨胀系数与拼接用热敏打印单元中热敏打印陶瓷基板相近，而导热率是普通陶瓷基板(主要为氧化铝陶瓷)的4-7倍，可满足高速打印的打印头散热要求，另外本例采用喷涂的方式形成的衬层不经过高温烧结，无明显的基板变形，更便于热敏打印单元与衬层粘接使用，从而获得发热电阻体平整度更佳的拼接式热敏打印装置。
将本例获得的拼接式热敏打印装置与传统拼接式热敏打印装置对比，在如附图8所示，在同等宽度条件下，本例所获得的拼接式热敏打印装置的发热电阻体的平整度更佳。
进一步限定打印宽度为303mm，将本例所获的拼接式热敏打印装置与传统拼接式热敏打印装置进行持续高速打印，随打印时间延长，发热电阻体温度逐渐升高，如附图9所示，测得发热电阻体弯曲量随温度升高的曲线图，可知，同等打印幅宽条件下，本例所获拼接打印装置发热电阻体的弯曲量随温度上升显著小于传统拼接热敏打印装置发热电阻体的弯曲量，从而有效说明本例能够克服热应力带来的弯曲形变等不良影响。
实施例2：
本例提出了一种拼接热敏打印头，设有位于最底部的金属散热板14，金属散热板14上设有衬层1，衬层1上表面设有紧密拼接的热敏打印单元，本例所述衬层1采用体积百分比52％-65％：35％-48％的氧化铝与碳化硅粉体制成，进一步，本例采用如附图3所示结构，衬层1的厚度范围为0.6-15mm衬层1的表面开设凹槽，凹槽内填充0.3mm厚度的导热硅胶或导热硅脂；
本例所述热敏打印单元中的热敏打印头用发热基板2下表面经导热硅胶或导热硅脂与衬层1固定连接，同时可以进一步提高导热散热效果，所述凹槽开设在衬层1上表面与热敏打印头用发热基板2上的发热电阻体6相对应的区域，发热电阻体6下方与衬层1充分接触散热，所述凹槽的宽度略宽于发热电阻体1宽度，粘接面积大更结实，因此限定所述凹槽的宽度范围为0.2-0.5mm。
本例通过增设凹槽以及导热硅胶或导热硅脂显著提高了衬层1对应发热电阻体区域的局部导热效果，从而使衬层的厚度可以保持在较厚的范围，从而能够更好的隔绝金属散热板14的热应力影响，并显著降低衬层的制备难度，同时凹槽有效缓解各种应力；如附图11所示，等打印宽度条件下，相比实施例1，本例中发热电阻体随温度升高弯曲量更小，打印效果更好。
实施例3：
本例提出了一种拼接热敏打印头，设有位于最底部的金属散热板14，金属散热板14上设有衬层1，衬层1上表面设有紧密拼接的热敏打印单元，采用与实施例1同类型的衬层1，本例中衬层1采用沉积工艺获得：将熔化的AL基体金属液在高速流动的惰性气体中雾化向外喷出，同时将复合陶瓷颗粒添加到雾化喷出的金属液体中，使两者在沉降的过程中混合，最后共同在经过预处理的AL基体上沉积制得想要的复合陶瓷衬层；
如附图7所示，本例中相邻接的热敏打印单元的保护层8具有阶梯状结构：设置所述绝缘保护层81距离基板边缘0.1mm开始设置,绝缘保护层81上通过磁控溅射等方式设置C-SIC碳化硅保护层82，且在距离基板边缘0.3mm开始设置,在碳化硅保护层82上还设置SiO2保护层83，且距离基板边缘0.5mm开始设置，从而在拼接处形成阶梯状；
传统拼接式热敏打印装置拼缝处发热电阻体因应力作用，边缘釉层收紧，会较远离边缘处高，一般称为牛角现象，导致边缘釉层起伏大：宽度为30-40微米，起伏量在6-10微米；通过采用本例的阶梯状设置的保护层，将边缘处凸起有效降低，如图10所示，边缘处凸起降低至20μm以内，发热电阻体起伏量降低至5μm以内，从而有利于获得更高的打印品质。
本发明提供的制造方法通过采用陶瓷基材料的散热板顶层，能有效缓解不同材料间热膨胀系数差导致的拼缝处基板边挤压打牙，同时避免了降温时收缩导致拼接部裂缝扩大，导致印字拼接不完整，打印明显空白。
Claims (9)
1.一种拼接热敏打印头，设有金属散热台，金属散热台上表面设有两个以上彼此邻接的热敏打印单元，其特征在于，在金属散热台上表面设有热膨胀系数为4x10-6-9x10-6mm/℃的复合陶瓷衬层，衬层厚度范围为0.3-3.0mm，两个以上彼此邻接的热敏打印单元设置在衬层上，所述衬层为96％以上的高纯度氧化铝添加碳化硅制成的陶瓷膜。
2.根据权利要求1所述的一种拼接热敏打印头，其特征在于，所述衬层由Al2O3陶瓷粉末以及体积百分比超过总量5％的纳米SiC颗粒或碳化硅晶须制成，从而使衬层获得良好的抗热震性以及导热性能。
3.根据权利要求1所述的一种拼接热敏打印头，其特征在于，两个以上彼此邻接的热敏打印单元包括交错设置的B型热敏打印单元和C型热敏打印单元，所述B型热敏打印单元的绝缘陶瓷基板呈出纸侧窄进纸侧宽，所述C型热敏打印单元的绝缘陶瓷基板呈出纸侧宽进纸侧窄。
4.根据权利要求3所述的一种拼接热敏打印头，其特征在于，相邻的B型热敏打印单元与C型热敏打印单元对应拼缝处的发热体位于同一拼接平面、彼此平行的上下错开，且至少重叠2个发热点。
5.根据权利要求1所述的一种拼接热敏打印头，其特征在于，热敏打印单元包括绝缘陶瓷基板，绝缘陶瓷基板的表面设有蓄热釉涂层、发热电阻体、电极导线，其中发热电阻体和电极导线部分还设有保护层，所述保护层中绝缘保护层距离基板边缘0.1mm开始设置,绝缘保护层上设置C-SIC层，距离基板边缘0.3mm开始设置,在碳化硅上设置SiO2距离基板边缘0.5mm开始设置，从而在拼接处形成阶梯状。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述拼接热敏打印头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在金属散热台上表面制备衬层：
步骤1-1：获得用于制备衬层的纳米级混合粉体：采用高纯度96％以上的氧化铝及纳米级碳化硅颗粒或碳化硅晶须，经过球磨、筛选成细分粉末后获得的纳米级复合粉体；
步骤1-2：采用喷涂工艺或沉积工艺，在金属散热板上获得厚度在0.6-3.0mm的衬层；
步骤2：制备拼接用热敏打印单元，包括B型热敏打印单元和C型热敏打印单元，采用划片工艺分切基板，基板分切精度控制在30微米；
步骤3：将B型热敏打印单元与C型热敏打印单元交错拼接在步骤1所获得的衬层上表面，并经黏胶固定，其中相邻的B型热敏打印单元与C型热敏打印单元的发热电阻体位于同一拼接平面、彼此平行的上下错开，并重叠不超过2个发热点。
7.根据权利要求6所述的一种拼接热敏打印头的制造方法，其特征在于，步骤1-1中，氧化铝与碳化硅粉体的配比为体积百分比52％：48％-65％：35％，通过球磨等工艺制备纳米级粒径的复合衬层，采用高纯度96％以上的氧化铝及纳米级碳化硅或铝碳化硅经过球磨、筛选成细分粉末，混合粉末在钢球碰撞作用下，发生强烈塑性变形反复焊合和断裂，导致其内部缺陷密度剧烈增加，晶粒尺度达到纳米级，同时，进一步细化，且均匀、弥散地分布从而形成纳米复合粉体，将混合粉体制成复合陶瓷粉末。
8.根据权利要求6所述的一种拼接热敏打印头的制造方法，其特征在于，步骤1-2中，为了衬层与底部金属散热板充分结合，衬层通过喷涂或沉积形成的厚度不低于0.3mm,衬层需要充分缓解金属散热板与氧化铝基板间的热膨胀系数差以及适应高速打印的热导率及加工成本考虑，衬层厚度上限不超过3mm，衬层的热膨胀系数与陶瓷基板相当，而导热率是氧化铝基板的4-7倍，可满足高速打印的打印头散热要求，另外喷涂或沉积方式形成的衬层不经过高温烧结，无明显的基板变形更便于发热基板与衬层粘接使用。
9.根据权利要求6所述的一种拼接热敏打印头的制造方法，其特征在于，步骤3中，由于拼接打印单元中的绝缘基板利用激光切割形成的MARK图形作为精准基板切割的对位图形，实现高精度切割，以及X、Y方向精准拼缝，拼缝尺寸控制在80微米。
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