CN1314542C - 一种喷液头芯片结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷液头芯片结构，其包含：一流体结构，包括一喷液室、一喷孔和一热阻组件，该喷液室提供液体通过并由该喷孔喷出，该热阻组件衔接在该喷液室控制液体喷出该喷孔，该热阻组件接收外部的驱动电压以产生热气泡提供推出液体的能量；及一承载基板，接合于该流体结构，并且该承载基板减薄形成凹槽状以作为一隔热室，使该隔热室间隔该承载基板对应于该热阻组件。

Description

一种喷液头芯片结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种喷液头芯片结构，尤其涉及一种将承载基板减薄以在基板对应热阻组件处形成隔热室的喷液头芯片结构。

背景技术

由于喷液打印机的打印技术不断突破创新，对于打印品质和分辨率等方面的要求不断提高，使得增加喷液头芯片封装组件的可靠度、喷孔密度以及减少组件尺寸方面的需求也随之增加。热气泡式的喷液头芯片是通过热阻层加热腔体内的墨水，使墨水遇热产生气泡进而将墨水推出。墨滴喷出后温度随即降低，腔体内的温度也随之降低，再通过毛细管原理将突出的墨水拉回腔体内。然而热阻层所产生的热量，除了传输到墨水之外，也会传导至与热阻层接触的结构部分，特别是热阻层下方的基板部分。以致于产生无法将所供应的电压功率完全利用而产生功率散失的缺点，间接造成所需驱动电压功率的提高。

因此，以往技术会在热阻层的底下制作热绝缘层，以减少向下方基板的热传输，提升热使用效率。如美国第4862197号专利所述，在绝缘基底上制作一绝缘阻障层，再以其它薄膜成形方式制作热阻层。绝缘阻障层的制造方法，一般常在绝缘的硅基底上，通过热氧化或是蒸气沉积技术在其表面生成约1.7微米至2.2微米之厚氧化层，以作为热传输的绝缘层。然而使用氧化的方法，芯片需要在炉管中经长时间的氧化过程。另外，若为减少热散失而增加氧化层厚度，则会直接影响到墨水填充时热气泡的消散速度，使操作频率降低。

又如美国第5008689号专利所述，隔离基底结构包含一非传导性层，使用材料为铝氧化或硅氧化物形成介电结构，介电结构包含金属缓冲层(metallicbuffer layer)和覆盖金属缓冲层的介电层，再在介电结构表面制作热阻层。通过分开热传导和电绝缘的结构，可提升效能并增进结构强度。然而此结构在制作上相当复杂，在制程上也较难以控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供喷液头芯片结构，是将承载基板减薄在基板对应热阻组件之处形成隔热室，从而减少热往基板散失，降低驱动电压功率，进而提高操作频率并提升打印速度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种喷液头芯片结构，其包括流体结构及承载基板。流体结构包含有喷液室、喷孔和热阻组件，喷液室提供液体通过并由喷孔喷出，热阻组件则衔接于喷液室，以控制液体喷出喷孔，热阻组件接收外部的驱动电压以产生热气泡提供推出液体的能量。承载基板接合于流体结构，并且承载基板是减薄形成凹槽以作为隔热室，使隔热室间隔承载基板对应于热阻组件。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该隔热室为包含气体的空腔。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该隔热室内充填液体。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该隔热室提供墨水通过。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该隔热室充填热传导系数低于该承载基板的固体材料。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该热阻组件由一热阻层和一导电层所组成，该导电层接收外部的驱动电压，传输到该热阻层使其产生热量，从而提供推出液体的能量。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该流体结构为上边喷射流体结构、侧边喷射流体结构和背面喷射流体结构其中之一。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该承载基板的材质为硅。

上述喷液头芯片结构，其特点在于，该承载基板利用氢氧化钾蚀刻液进行非等向性蚀刻以减薄形成凹槽。

本发明还提供一种上述喷液头芯片结构的制造方法，其特点在于，包括如下步骤：

步骤210，提供一硅承载基板；

步骤220，在硅承载基板的上表面制作并定义出热阻层与第一导电层；

步骤230，覆盖绝缘层和保护层；

步骤240，以厚光阻层定义出喷液室，并与包含喷孔的喷孔片结合完成流体结构；

步骤250，在硅承载芯片的下表面沉积一层0.5微米的氮化硅层；

步骤260，以光微影技术在氮化硅层表面形成光阻图案；

步骤270，利用反应性离子蚀刻法去除露出的氮化硅层；

步骤280，以浓度为45％的氢氧化钾对硅承载基板下表面进行非等向性蚀刻完成隔热室。

由此，本发明可以减少热阻组件产生的热量往基板的热传导，增加液体产生热气泡的效率。如此一来，形成每一墨滴的所需能量也跟着降低。同时本发明结构更可配合一种微机电制造方法加以完成，无需改变现有的制造设备。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明实施例的喷液头芯片结构示意图

图2为本发明实施例的制造流程图；及

图3至图5为不同的喷液头芯片结构的热阻组件产生气泡的仿真示意图

100  流体结构

110  喷液室

120  喷孔

130  热阻组件

131  热阻层

132  导电层

133  绝缘层

134  保护层

140  硅承载基板

141  隔热室

具体实施方式

如图1，根据本发明所公开的喷液头芯片结构，其包括流体结构100及硅承载基板140。流体结构100包含有喷液室110、喷孔120和热阻组件130，喷液室110提供液体通过并由喷孔120喷出，热阻组件130则衔接于喷液室110以控制液体喷出喷孔120，热阻组件130包含有形成于硅承载基板上表面之热阻层131与导电层132，并且在其表面覆盖绝缘层133和保护层134。导电层132用以接收外部的驱动电压，传输至热阻层使其产生热量提供推出液体的能量。硅承载基板140接合在流体结构100，并且承载基板140下表面对应热阻组件130之处减薄以形成隔热室141。其中热阻层为厚度80纳米至100纳米的钽铝(TaAl)层，其薄膜阻值直接影响热阻组件的发热功率，而导电层为具有低电阻的铜铝(AlCu)层。绝缘层是由0.5微米的氮化硅(Si3N4)层和0.25微米的碳化硅(SiC)层组合而成，其表面则覆盖用以隔离墨水的钽金属层作为保护层。

此外，本发明可广泛应用在各种喷液组件结构，上述流体结构可以是上边喷射流体结构、侧边喷射流体结构或背面喷射流体结构。

进一步说明本发明实施例的喷液头芯片结构，可通过结合硅承载基板的微机电制程制作而成。如图2，本发明实施例的制造流程如下：首先，提供一硅承载基板(步骤210)，其结晶面为(100)；于硅承载基板之上表面制作并定义出热阻层与第一导电层(步骤220)；覆盖绝缘层和保护层(步骤230)；再以厚光阻层定义出喷液室，并与包含喷孔之喷孔片结合以完成流体结构(步骤240)；于硅承载芯片之下表面沉积一层0.5微米之氮化硅层(步骤250)；以光微影技术于氮化硅层表面形成光阻图案(步骤260)，光阻图案露出之处预定形成隔热室；利用反应性离子蚀刻法(Reactive Ion Etching)去除露出的氮化硅层(步骤270)，以氟化碳(CF4)离子进行蚀刻；再以浓度45％的氢氧化钾(KOH)对硅承载基板下表面进行非等向性蚀刻完成隔热室(步骤280)。

如此，本发明可以不需制作厚氧化层，节省制造成本。或者，硅承载基板也可同样在制作热阻层之前，在上表面形成一氧化层，更加提高液体产生热气泡的效率，则喷液所需的电压降低，或维持相同的电压可增加打印速度和操作频率。由于固体的热传导系数大于液体，而液体的热传导系数又大于气体，因而隔热室内可填充液体，甚至热传导系数低于承载基板的固体材料，或是设计为让墨水通过，同样可达到增加热效率的目的。

图3至图5，其为不同的喷液头芯片结构的热阻组件产生气泡的仿真示意图。仿真示意图的横轴为喷液头芯片结构的纵深，纵轴为温度，并依照热的传导情形仿真热气泡的产生。图3是仿真传统技术的喷液头芯片结构，硅基板表面具有氧化层，氧化层再和热阻层接触。横轴所代表的纵深由左至右依序为硅基板、氧化层、热阻层和喷液室，观察在开始加热3微秒之后，其墨水温度已达摄氏300度，但仍未能产生气泡。

如图4，其仿真完全去除硅基板而以墨水取代，横轴所代表的纵深由左至右依序为墨水、氧化层、热阻层和喷液室，由于硅的热传导系数大于墨水的热传导系数，所以可减少热传导的能量散失，因此在加热3微秒之后，即产生小气泡。

又如图5，由于墨水的热传导系数大于气体的热传导系数，气体具有更佳的隔热性质。其仿真完全去除硅基板而以空气取代，横轴所代表的纵深由左至右依序为空气、氧化层、热阻层和喷液室，在加热3微秒之后，即产生比图4更明显的气泡。

以上所述仅为本实用新型其中的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围；凡依本实用新型所作的等效修改和变形，均为本实用新型权利要求所涵盖。

Claims (10)

1、一种喷液头芯片结构，其特征在于，包含有：

一流体结构，包括：一喷液室、一喷孔和一热阻组件，该喷液室提供液体通过并由该喷孔喷出，该热阻组件衔接在该喷液室控制液体喷出该喷孔，该热阻组件接收外部的驱动电压以产生热气泡提供推出液体的能量；及

一承载基板，接合于该流体结构，并且该承载基板减薄形成凹槽状以作为一隔热室，使该隔热室间隔该承载基板对应于该热阻组件。

2、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该隔热室为包含气体的空腔。

3、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该隔热室内充填液体。

4、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该隔热室提供墨水通过。

5、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该隔热室充填热传导系数低于该承载基板的固体材料。

6、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该热阻组件由一热阻层和一导电层所组成，该导电层接收外部的驱动电压，传输到该热阻层使其产生热量，从而提供推出液体的能量。

7、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该流体结构为上边喷射流体结构、侧边喷射流体结构和背面喷射流体结构其中之一。

8、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该承载基板的材质为硅。

9、根据权利要求1所述的喷液头芯片结构，其特征在于，该承载基板利用氢氧化钾蚀刻液进行非等向性蚀刻以减薄形成凹槽。

10、一种权利要求1所述结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤210，提供一硅承载基板；

步骤220，在硅承载基板的上表面制作并定义出热阻层与第一导电层；

步骤230，覆盖绝缘层和保护层；

步骤240，以厚光阻层定义出喷液室，并与包含喷孔的喷孔片结合完成流体结构；

步骤250，在硅承载芯片的下表面沉积一层0.5微米的氮化硅层；

步骤260，以光微影技术在氮化硅层表面形成光阻图案；

步骤270，利用反应性离子蚀刻法去除露出的氮化硅层；

步骤280，以浓度为45％的氢氧化钾对硅承载基板下表面进行非等向性蚀刻完成隔热室。

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