DD137207B1

DD137207B1 - THERMAL HEAD

Info

Publication number: DD137207B1
Application number: DD20608878A
Authority: DD
Inventors: Johann Kleineberg; Ulrich Hartmann
Original assignee: Robotron Elektronik
Priority date: 1978-06-19
Filing date: 1978-06-19
Publication date: 1986-04-23
Also published as: DD137207A1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Thermodruckkopf aus dünnen Schichten zur visuell sichtbaren, mosaikartig zusammengesetzten Aufzeichnung der Informationen von Geräten der elektronischen Datenverarbeitung, Büromaschinen, Fernschreibern und Faksimilegeräten durch wärmeempfindliches Drucken auf Aufzeichnungsträger. Thermodruckköpfe dienen zum Aufbau von klejnen, geräusch- und wartungsarmen Geräten, die durch elektrische Signale angesteuert werden.The invention relates to a thin-layer thermal print head for visually observable, mosaic-like recording of information from electronic data processing equipment, office machines, teletypewriters and facsimile machines by heat-sensitive printing on record carriers. Thermal print heads are used to build small, low-noise and low-maintenance devices that are controlled by electrical signals.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind Thermodruckköpfe bekannt, die mit den Methoden der monolithischen, der Dickschicht- sowie der Oünnschichttechnologie hergestellt werden. Thermodruckköpfe aus dünnen Schichten haben gegenüber den beiden anderen Lösungen den Vorteil, daß eine feinere Strukturierung und damit eine bessere Druckbildqualität möglich ist. Außerdem sind wegen der kleineren Wärmekapazität höhere Druckgeschwindigkeiten möglich.There are known thermal printing heads, which are produced by the methods of monolithic, thick-film and Oünnschichttechnologie. Thermal printing heads made of thin layers have the advantage over the other two solutions that a finer structuring and thus a better print image quality is possible. In addition, higher printing speeds are possible because of the smaller heat capacity.

Dünnschichtthermodruckköpfe bestehen üblicherweise aus einem Substrat, Widerstandsschichten zur Bildung von Widerstandsheizelementen, Leitschichten zur Bildung von Ansteuerleitungen für die Widerstandsheizelemente und Schutzschichten zum Schutz der Widerstandsheizelemente und des diesen Elementen unmittelbar benachbarten Teils der Ansteuerleitungen vor mechanischem Abrieb durch den auf dem Thermodruckkopf schleifenden Aufzeichnungsträger sowie vor dem Zutritt der Atmosphäre und zerstörender Bestandteile des Aufzeichnungsträgers zu den heißen Teilen des Thermodruckkopfes.Thin film thermal print heads typically consist of a substrate, resistive layers to form resistive heating elements, conductive layers to protect resistive heating elements, and the resistive heating elements and the drive control lines immediately adjacent to these elements are prevented from mechanical abrasion by the record carrier rubbing on the thermal print head and from access the atmosphere and destructive components of the record carrier to the hot parts of the thermal printhead.

Zur Realisierung des Thermodrucks müssen die Ansteuerleitungen der Widerstandsheizeiemente mit-elektronischen Schaltungen verbunden werden. Als Verbindungen sind Schweiß- und Lötverbindungen sowie Druckkontakte üblich. Druckkontakte nach DD-PS 130222 sind dabei besonders vorteilhaft, da sie ein leichtes Auswechseln des Thermodruckkopfes gestatten. Damit können die Thermodruckköpfe als wechselbare Verschleißteile benutzt werden, so daß die Lebensdauer der Drucker vervielfacht wird. Bei Druckkontakten wird ein mit einzelnen Leitungen versehenes Gegenstück auf Teile der Ansteuerleitungen des Thermodruckkopfes gedruckt. Zur Gewährleistung eines sicheren Kontaktes werden die zu verbindenden Leitungen von Thermodruckkopf und Gegenstück analog zu Steckverbindungen mit einem geeigneten korrosionsfesten Edelmetall, meistens Gold, beschichtet. Zuverlässige Druckkontakte, die den erforderlichen klimatischen Belastungen standhalten, werden allgemein nur auf der Grundlage von Edelmetallen realisiert. Damit werden derartige Druckkontakte teuer.To realize the thermal printing, the drive lines of the resistance heat elements must be connected to electronic circuits. As connections, welding and soldering connections as well as pressure contacts are common. Pressure contacts according to DD-PS 130222 are particularly advantageous because they allow easy replacement of the thermal print head. Thus, the thermal print heads can be used as replaceable wear parts, so that the life of the printer is multiplied. In the case of pressure contacts, a counterpart provided with individual lines is printed on parts of the drive lines of the thermal print head. To ensure a secure contact, the lines to be connected of thermal print head and counterpart are analogous to connectors with a suitable corrosion-resistant precious metal, usually gold, coated. Reliable pressure contacts, which withstand the required climatic loads, are generally realized only on the basis of precious metals. Thus, such pressure contacts are expensive.

Galvanisch hergestellte Druckkontakte, wie sie in DD-PS 130222 beschrieben werden, haben außerdem den Nachteil der unsicheren Haftfestigkeit des Gesamtschichtsystems und einer unbefriedigenden Gleichmäßigkeit der Schichtdicke. Als Widerstandsschichten werden insbesondere Tantallegierungen eingesetzt, da sie sich durch hohe Wärmebeständigkeit und große Zuverlässigkeit auszeichnen (US-PS 3973106). Die schlechte Ätzbarkeit dieser Widerstandsschichten zwingt zum Einsatz von Ätzmitteln, gegen die übliche Fotolacke nicht in ausreichendem Maße beständig sind. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, ätzbeständige Leitschichten einzusetzen, die alsÄtzresistfür das Ätzmittel der Widerstandsschichten wirken und gleichzeitig einen guten Haftgrund für die nachfolgend aufzubringende Schutzschicht realisieren. Bekannte derartige Leitschichten sind Aluminium oder Gold (US 3973106) oder auch Chrom-Gold bzw. Nickel-Chrom-Gold (IEEE Transactions PHP 12 (1976), Sept. S. 223). Der Einsatz von Aluminium hat dabei den Nachteil, daß ein Druckkontakt nicht realisierbar ist, sondern eine aufwendige Schweißverbindung eingesetzt werden muß, die ein leichtes Auswechseln des Kopfes verhindert. Goldleitschichten hingegen können gleichzeitig als Kontaktschicht zur Realisierung eines Druckkontaktes dienen. Solche Goldschichten werden durch bekannte Methoden der Dünnschichttechnologie wie Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht. Hierbei entstehen jedoch durch parasitäre Beschichtungen große Edelmetallverluste.Galvanically produced pressure contacts, as described in DD-PS 130222, also have the disadvantage of unsafe adhesive strength of the overall layer system and an unsatisfactory uniformity of the layer thickness. Tantalum alloys are used as resistance layers, in particular, since they are distinguished by high heat resistance and high reliability (US Pat. No. 3,973,106). The poor etchability of these resistive layers forces the use of etchants against which conventional photoresists are not sufficiently resistant. As a result, there is a need to use etch-resistant conductive layers which act as an etchant for the etchant of the resistive layers and at the same time realize a good primer for the subsequently applied protective layer. Known such conductive layers are aluminum or gold (US 3973106) or chrome-gold or nickel-chromium-gold (IEEE Transactions PHP 12 (1976), Sept. p 223). The use of aluminum has the disadvantage that a pressure contact is not feasible, but a complex weld must be used, which prevents easy replacement of the head. Gold conductive layers, on the other hand, can simultaneously serve as a contact layer for realizing a pressure contact. Such gold layers are applied by known methods of thin-film technology, such as vapor deposition or sputtering. However, parasitic coatings cause large losses of precious metals.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist, bei einem Thermodruckkopf mit dünnen tantalhaitigen Widerstandsschichten einen Druckkontakt zu realisieren und der Ersatz von Gold durch ein wesentlich billigeres Material, wobei der Thermodruckkopf in seinen Gebrauchseigenschaften und seinem Herstellungsaufwand bekannten Lösungen nicht nachstehen soll.The aim of the invention is to realize in a thermal print head with thin tantalhaitigen resistance layers a pressure contact and the replacement of gold by a much cheaper material, the thermal print head should not be inferior in its performance characteristics and its manufacturing cost known solutions.

Essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thermodruckkopf mit dünnen tantalhaitigen Widerstandsschichten, mit Ansteuerleitungen aus einer dünnen Kupferleitschicht und mit einer Schutzschicht, in einem billigeren Material auszuführen, das in den wesentlichen Eigenschaften Druckkontaktfähigkeit, Ätzresistenz gegen bekannte Ätzmittel der tantalhaitigen Widerstandsschicht und Haftvermittlung zwischen Leitschicht und Schutzschicht den Eigenschaften von Goldleitschutzschichten entspricht.The object of the invention is to carry out a thermal print head with thin tantalhaitigen resistance layers, with drive lines of a thin Kupferleitschicht and with a protective layer, in a cheaper material, in the essential properties Druckkontaktfähigkeit, etch resistance to known etchant of the tantalhaitigen resistance layer and adhesion between the conductive layer and protective layer corresponds to the properties of gold protective coatings.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß sich auf der Kupferleitschicht eine als Kontaktschicht für die Druckkontakte bzw. Leitschutzschicht dienende Leitschutzschicht aus einer Nickel-Eisen-Legierung befindet.This is achieved according to the invention by providing a conductive layer of a nickel-iron alloy serving as a contact layer for the pressure contacts or protective layer on the copper conductive layer.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Thermodruckkopf entwickelt wurde, der mit einfachen Methoden der Dünnschichttechnologie hergestellt werden kann, ohne Edelmetalle auskommt und bei Bedarf leicht ausgewechselt werden kann. Es wurde ein technisch verwertbarer Druckkontakt geschaffen, der über die gesamte Lebensdauer des Thermodruckkopfes zusammen mit einem zweiten Kontaktpartner unter der Einwirkung aggresiver Industrieatmosphären einen ausreichend niederohmigen Kontakt durch einfaches Andrücken der beiden Kontaktpartner ergibt.The advantage of the invention is that a thermal printhead has been developed which can be manufactured with simple methods of thin-film technology, can do without noble metals and can be easily replaced if necessary. It was created a technically usable pressure contact, which results in a sufficiently low-resistance contact by simply pressing the two contact partners over the entire life of the thermal print head together with a second contact partner under the influence of aggressive industrial atmospheres.

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embodiment

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht eines Thermodruckkopfes 1 zusammen mit einer flexiblen Leiterplatte 2.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows a perspective view of a thermal print head 1 together with a flexible printed circuit board 2.

In der Zeichnung sind zwei auf einem nichtleitenden Substrat-3 angeordnete Widerstandsheizelemente 4 mit ihren zugehörigen Ansteuerleitungen 5 nicht maßstäblich dargestellt. Die Ansteuerleitungen 5 sind an ihrem hinteren Ende über einen gemeinsamen Leiter 6 miteinander verbunden, wobei dieser Leiter über eine gemeinsame Ansteuerleitung 7 nach außen geführt ist. Die Widerstandsheizelemente 4 entstehen dadurch, daß an den betreffenden Stellen eine sonst vorhandene Leitschicht 8 entfernt worden ist und nur eine Widerstandsschicht 9 zur Stromleitung zur Verfügung steht.In the drawing two arranged on a non-conductive substrate-3 resistance heating elements 4 with their associated control lines 5 are not shown to scale. The Ansteuerleitungen 5 are connected to each other at its rear end via a common conductor 6, said conductor is guided via a common control line 7 to the outside. The resistance heating elements 4 result from the fact that an otherwise existing conductive layer 8 has been removed at the relevant points and only one resistance layer 9 is available for the power line.

Durch Anlegen von impulsförmigen Spannungen zwischen den Ansteuerleitungen 5 und der gemeinsamen Ansteuerleitung 7 erwärmen sich die Widerstandsheizelemente 4 kurzzeitig und ein mit den Widerstandsheizelementen 4 in thermischem Kontakt stehender, nicht dargestellter, wärmeempfindlicher Aufzeichnungsträger wird punktförmig geschwärzt. Zum Schutz der Widerstandsheizelemente 4 und der Ansteuerleitungen 5 sowie der gemeinsamen Ahsteuerleitung 7 vor thermischen und mechanischen Beanspruchungen während des laufenden Thermodruckbetriebes ist im Schutzschichtbereich eine Schutzschicht 11 fest mit dem Thermodruckkopf 1 verbunden. Zur übersichtlichen Darstellung ist die Schutzschicht in der Zeichnung nicht vollständig dargestellt worden.By applying pulse-shaped voltages between the control lines 5 and the common control line 7, the resistance heating elements 4 heat briefly and a standing with the resistance heating elements 4 in thermal contact, not shown, heat-sensitive recording medium is blackened punctiform. To protect the resistance heating elements 4 and the control lines 5 and the common Ahsteuerleitung 7 against thermal and mechanical stresses during the ongoing thermal printing operation, a protective layer 11 is firmly connected to the thermal print head 1 in the protective layer area. For clarity, the protective layer has not been fully illustrated in the drawing.

Die elektrische Verbindung zwischen dem Thermodruckkopf 1 und elektronischen Schaltungen zur Erzeugung der impulsförmigen Spannungen wird über Druckkontakte 12 und die flexible Leiterplatte 2 hergestellt. Hierzu werden die auf der flexiblen Leiterplatte 2 befindlichen Druckkontaktgegenstücke 13 mit einer nicht dargestellten Andruckvorrichtung innerhalb des Druckkontaktbereiches 14 auf die Ansteuerleitungen 5 und die gemeinsame Ansteuerleitung 7 gedruckt. Damit entsteht eine leicht lösbare Verbindung zwischen Thermodruckkopf 1 und elektronischer Schaltung, so daß der Druckkopf bei Verschleißerscheinungen ähnlich einfach wie das Abtastsystem eines Plattenspielers ausgewechselt werden kann. Bei Thermodruckköpfen wie sie für Streifendrucker üblich sind, sind etwa 80 Druckkontakte mit Mittenabständen in der Größenordnung von 0,6 mm gleichzeitig zuverlässig herzustellen. Um korrosiven Erscheinungen vorzubeugen, wurden daher in bisherigen Lösungen als Kontaktpartner ausschließlich Edelmetalle vor allem in Form von Au eingesetzt. Bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird dagegen als Kontaktschicht 15 auf dem Thermodruckkopf 1 eine Legierung aus etwa 80% Ni und 20% Fe eingesetzt. Als Druckkontaktgegenstück 13 wird eine Au-Schicht 16, die sich auf einer Ni-Schicht 17 ündeinerCu-Schicht 18 befindet, eingesetzt. Damit ist auf dem gesamten Thermodruckkopf 1 keine Au-Schicht mehr erforderlich, und es entfallen die starken Goldverluste durch parasitäre Beschichtungen bei Vakuumbeschichtungen bzw. die Haftfestigkeitsprobleme bei der galvanischen Vergoldung dünner aufgedampfter bzw. gestäubter Schichten. Die Vergoldung der Druckkontaktgegenstücke 13 ist unproblematisch, wenn sie an den geätzten und vernickelten Cu-Schichten 18 vorgenommen wird. Die Ni-Schicht 17 hat dabei die Funktion einer Diffusionsbarriere.The electrical connection between the thermal print head 1 and electronic circuits for generating the pulse-shaped voltages is produced via pressure contacts 12 and the flexible printed circuit board 2. For this purpose, located on the flexible printed circuit board 2 Druckkontaktgegenstücke 13 are printed with a pressure device, not shown, within the pressure contact region 14 on the Ansteuerleitungen 5 and the common control line 7. This creates an easily detachable connection between the thermal print head 1 and electronic circuit, so that the print head can be replaced with signs of wear similar to the simple as the scanning of a turntable. With thermal printheads as are common for strip printers, about 80 pressure contacts with center distances in the order of 0.6 mm are simultaneously reliable to manufacture. In order to prevent corrosive phenomena, precious metals, especially in the form of Au, have therefore been used exclusively in previous solutions as contact partners. In the illustrated embodiment, however, an alloy of about 80% Ni and 20% Fe is used as contact layer 15 on the thermal print head 1. As the pressure contact counterpart 13, an Au layer 16, which is on a Ni layer 17 of a Cu layer 18, is used. As a result, no Au layer is required on the entire thermal print head 1, and the high gold losses due to parasitic coatings in vacuum coatings or the adhesion problems in the galvanic gold plating of thin vapor-deposited or dusted layers are eliminated. The gold plating of the pressure contact counterparts 13 is unproblematic when it is performed on the etched and nickel-plated Cu layers 18. The Ni layer 17 has the function of a diffusion barrier.

Prüfungen unter verschärften klimatischen Bedingungen ergaben, daß geschlossene Druckkontakte 12 mit Kontaktschichten 15 aus FeNi die gleiche Qualität wie Druckkontakte 12 mit Kontäktschichten 15 aus Au aufwiesen. Die gleichen Prüfungen an offenen Druckkontakten ergaben nach Ende der verschärften klimatischen Beanspruchung und Schließung des Druckkontaktes bei den Kontaktschichten 15 aus FeNi höhere Kontaktwiderstände.lm praktischen Betrieb könnte dieser Fall durch längere Lagerung der Druckköpfe bei Verwendung als Ersatzteil auftreten. Durch Eintauchen des Druckkontaktbereiches 14 in einen abziehfähigen Korrosionsschutzlack, wie er z. B. als Korrosionsschutz für blanke Metallteile von Kraftfahrzeugen verwendet wird, lassen sich die Druckkontakte 12 gelagerter Druckköpfe wirksam schützen. Unmittelbar vor der gewünschten Inbetriebnahme des Druckkontaktes läßt sich dann der Korrosionsschutzlack durch einfaches Abziehen entfernen. Kontaktschichten 15 aus FeNi stellen auch einen guten Haftgrund für Schutzschichten 11 dar. Als Schutzschichten 11 können z. B. SiO₂-Schichten oder auch kombinierte Schichten aus SiO₂ und Ta₂Os eingesetzt werden. Die Widerstandsschicht 9 besteht aus einem tantalhaltigen Material wie z. B. Ta₂N oder TaAI. Als Leitschicht 8 wird Cu eingesetzt, das leicht aufzubringen und zu strukturieren ist. Die Funktion der Kontaktschicht 15 als ätzbeständige Leitschutzschicht soll nachfolgend an einer vorteilhaften Ausführungsform beschrieben werden. Tests under severe climatic conditions showed that closed pressure contacts 12 with contact layers 15 made of FeNi had the same quality as pressure contacts 12 with contact layers 15 made of Au. The same tests on open pressure contacts resulted in higher Kontaktwiderstände after the end of the increased climatic stress and closure of the pressure contact in the contact layers 15 of FeNi.lm practical operation, this case could occur by prolonged storage of the printheads when used as a spare part. By immersing the pressure contact region 14 in a peelable anti-corrosion varnish, as he z. B. is used as corrosion protection for bare metal parts of motor vehicles, the pressure contacts 12 stored printheads can protect effectively. Immediately before the desired commissioning of the pressure contact can then remove the anti-corrosion varnish by simply peeling. Contact layers 15 made of FeNi also provide a good primer for protective layers 11. As protective layers 11, z. As SiO ₂ layers or combined layers of SiO ₂ and Ta ₂ Os are used. The resistance layer 9 is made of a tantalum-containing material such. Ta ₂ N or TaAI. As a conductive layer 8 Cu is used, which is easy to apply and to structure. The function of the contact layer 15 as etch-resistant protective protective layer will be described below in an advantageous embodiment.

Es werden folgende Herstellungsschritte angewendet:The following manufacturing steps are used:

1. Beschichten eines Substrates 1 aus Glas bzw. glasierter Keramik nacheinander mit1. coating a substrate 1 made of glass or glazed ceramic in succession with

— einer Unterschicht 19 aus Ta₂Os durch reaktives Zerstäuben einer Ta-Katode in einer O₂ enthaltenen Edelgasatmosphäre, — der Widerstandsschicht 9 aus Ta₂N durch reaktives Zerstäuben der Ta-Katode in einer N₂ enthaltenen Edelgasatmosphäre,An underlayer 19 of Ta ₂ Os by reactive sputtering of a Ta cathode in a noble gas atmosphere contained in an O ₂ , the resistive layer 9 of Ta ₂ N by reactive sputtering of the Ta cathode in a noble gas atmosphere contained in N ₂ ,

— der Leitschicht 8 aus Cu durch Zerstäuben einer Cu-Katode in einer Edelgasatmosphäre,The conductive layer 8 of Cu by sputtering a Cu cathode in a noble gas atmosphere,

— der Kontaktschicht 15 aus Fe/Ni 20/80 durch Zerstäuben einer Katode gleichen Materials in einer Edelgasatmosphäre. Die Beschichtungen erfolgen ohne Zwischenbelüftungen. Zur rationellen Aufstäubung vor allem der Cu- und FeNi-Schichten ist es zweckmäßig, Hochratezerstäubungsqueilen vom Plasmatron-{Magnetron-)Typ einzusetzen.- The contact layer 15 of Fe / Ni 20/80 by sputtering a cathode of the same material in a noble gas atmosphere. The coatings take place without intermediate ventilation. For rational sputtering, especially of the Cu and FeNi layers, it is expedient to use high rate sputtering beads of the plasmatron (magnetron) type.

2. Aufbringen einer Fotolackmaske der Leitungsstruktur mit den bekannten Methoden der Fotolithografie.2. Applying a photoresist mask of the line structure with the known methods of photolithography.

3. Gleichzeitiges Ätzen der Kontaktschicht 15 und der Leitschicht 8 mit 30%igerEisen(lil)-chloridlösung.3. Simultaneous etching of the contact layer 15 and the conductive layer 8 with 30% iron (III) chloride solution.

4. Ätzen der Widerstandsschicht 9 mit einer wäßrigen Lösung aus 20 Vol.-% konzentrierter Salpetersäure und 20 Vol.-% konzentrierter Flußsäure. ' Dieses Ätzmittel ätzt gut die tantalhaltige Widerstandsschicht 9. Es greift jedoch auch Glas, Fotolack und Kupfer an. Die Unterschicht 19 schützt dabei das Substrat 3, und die Kontaktschicht 15 schützt die Leitschicht 8 aus Cu, die sonst durch den Fotolack nur ungenügend geschützt wird.4. Etching the resistance layer 9 with an aqueous solution of 20% by volume of concentrated nitric acid and 20% by volume of concentrated hydrofluoric acid. This etchant well etches the tantalum-containing resistive layer 9. However, it also attacks glass, photoresist, and copper. The lower layer 19 protects the substrate 3, and the contact layer 15 protects the conductive layer 8 made of Cu, which is otherwise insufficiently protected by the photoresist.

5. Aufbringen einer Fotolackmaske der Widerstandsheizelemente 4.5. Application of a photoresist mask of the resistance heating elements 4.

6. Gleichzeitiges Wegätzen der Kontaktschicht 15 und der Leitschicht 9 über den Steilen der Widerstandsheizelemente 4 mit dem Ätzmittel von Punkt 3.6. Simultaneously etching away the contact layer 15 and the conductive layer 9 over the sections of the resistance heating elements 4 with the etchant of point 3.

7. Aufstäuben der Schutzschicht 11.7. Sputtering of the protective layer 11.

Claims

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Invention claim:

Thermal printhead for heat - sensitive printing with pressure contacts, at least consisting of resistive heating elements of thin tantalum layers, control lines of a thin copper conductive layer and a protective layer, characterized in that on the copper conductive layer as a contact conductive layer (15) for the pressure contacts (12) and Protective protective layer of nickel-iron alloy.

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