DE1800022B2

DE1800022B2 - Verfahren zum herstellen eines thermodruckkopfes

Info

Publication number: DE1800022B2
Application number: DE19681800022
Authority: DE
Priority date: 1967-10-02
Filing date: 1968-11-09
Publication date: 1971-09-16
Also published as: JPS4837095B1; DE1800022A1; FR1587771A; GB1172640A; BR6802016D0

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her- sprechend den jeweiligen Anforderungen - festgelegt stellen eines Thermodruckkopfes mit matrixartig an- werden, z. B. durch eine größere Anzahl Druckgeordneten, entsprechend den abzudruckenden elemente in 5 X 5-Matrizen.

Zeichen selektiv ansteuerbaren Widerstandselemen- Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Druckkopf ent-

ten, bei dem zum Herstellen der Widerstandselemente 5 hält eine Trägerplatte 15 aus Aluminium oder einem und ihrer Zuleitung nacheinander auf einem Träger anderen wärmeleitenden Material, die als Wärmeörtlich begrenzte leitende und nichtleitende Schichten senke dient, sowie eine Isolationsschicht 16, ζ. Β. aus gebildet werden. Glas, die auf der Trägerplatte 15 befestigt ist. Auf

Bekanntlich kann mit elektrischen Widerstands- der Schicht 16 werden nacheinander eine Schicht 17 elementen eine Aufzeichnung durchgeführt werden, io aus elektrischem Widerstandsmaterial, ζ. Β. Tantal, indem man die in bestimmter zweidimensionaler aus dem die Widerstandselemente 18 gebildet wer-Form angeordneten Widerstandselemente an eine den, eine Schicht 19 aus einem Material mit guter Spannung legt, wodurch diese erwärmt werden, und elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Gold, für die Verin ihrer unmittelbaren Nähe ein wärmeempfindliches bindungen und schließlich eine obere Schicht 20, Aufzeichnungsmedium anbringt, auf dem in Form 15 z. B. Tantal, die das Aufbringen eines Schutzübereines Punktmusters die Information sichtbar wird. zuges 21 aus einem elektrischen Isolator mit hoher Aus der österreichischen Patentschrift 244 636 ist Wärmeleitfähigkeit, z. B. Berylliumoxyd (BeO) oder ein Thermodruckkopf bekannt, der aus einzelnen Aluminiumoxyd (Al₁O₃) ermöglicht, abgelagert, voneinander isolierten Platten besteht. Auf einer Dieser Schutzüberzug wird zuletzt auf die Druck-Stirnseite jeder Platte sind jeweils die Widerstands- 20 kopfkonstruktion aufgebracht. Die Berylliumoxydelemente und auf der entsprechenden Plattenseite oder Aluminiumoxydschicht haftet nicht gut auf jeweils die Zuleitungen in Form dünner Schichten einem chemisch inerten Metall, z. B. Gold, abgelagert. Ein derartiger Druckkopf ist relativ teuer, Für die Ablagerung der Schichten 17, 19 und 20

da er durch viele Verfahrensschritte hergestellt wer- werden herkömmliche Vakuum-Aufsprühverfahren den muß, wobei sich Schwierigkeiten hinsichtlich 25 verwendet. Die Dicke der Tantalschicht 17 und die der Kontaktierung der an den Kanten zusammen- Sprühparameter werden so bemessen, daß die gestoßenden Leitungs- und Widerstandsschichten er- wünschte Haftung, Resistivität und der Widerstandsgeben, temperaturkoeffizient der Schicht erzielt werden.

In der französischen Patentschrift 1 495 284 wird Im Ausführungsbeispiel hat die Tantalschicht 17

ein Thermodruckkopf beschrieben, in dem die ther- 30 eine Dicke von 1000 Ä, während die Dicke der Goldmischen Bereiche in mesaförmigen Halbleiterkörpern schicht 19 2000 A beträgt. Die drei Schichten 17, 19 durch aufeinanderfolgende Diffusionsprozesse erzeugt und 20 werden nacheinander in einem nur einmal werden. Bekanntlich beansprucht die EindifEundie- ausgepumpten Vakuumsystem abgelagert, rung lange Zeitabschnitte und außerdem werden für Die photolithographischen Abdeck- und Ätz-

diese aufwendige Geräte (z. B. Vakuumkammern) 35 schritte werden in der nachstehend genannten benötigt. Reihenfolge durchgeführt; zuerst wird der aus den

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Thermo- drei Schichten 17, 19 und 20 gebildete Druckkopf druckkopf anzugeben, der einfach aufgebaut ist und so abgedeckt, daß Bereiche für die Widerstandsmit wenigen Fertigungsschritten in kurzer Zeit und elemente 18 und für die elektrischen Verbindungsbillig hergestellt werden kann. 40 leiter 22 festgelegt werden. Die drei Schichten 17,

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf 19 und 20 werden bis auf die Bereiche, auf denen die Oberfläche einer wärmeleitenden Trägerplatte die elektrischen Verbindungsleiter 22 und die Widereine elektrische Isolationsschicht abgelagert wird, auf Standselemente 18 gebildet werden, weggeätzt. Ander entsprechend dem Widerstandselement- und schließend werden die zu bildenden Widerstands-Ansteuerleitermuster zuerst Widerstandsschichten 45 elemente 18 durch Masken bedeckt. Hierbei werden und anschließend auf diese elektrisch leitende die von den Schichten 17, 19 und 20 gebildeten Schichten abgelagert werden, wobei Teile der leiten- elektrischen Verbindungsleiter durch photoempfindden Schichten jeweils an den Stellen wieder entfernt liches Widerstandsmaterial abgedeckt, während die werden, wo Widerstandselemente entstehen sollen, den gewünschten Stellen für die Widerstandselemente und daß auf die leitenden Schichten jeweils Zwischen- 50 18 entsprechenden Bereiche den Ätzmitteln ausgeschichten aufgebaut werden, und daß anschließend setzt werden.

die gesamte Oberfläche mit einer thermisch leitenden Es werden folgende Ätzschritte durchgeführt: Ein

und elektrisch isolierenden Schicht bedeckt wird, die Ätzmittel, das z. B. einen Teil Fluorwasserstoffsäure, über den Widerstandselementen mesaförmige Er- einen Teil 40- bis 60%ige Salpetersäure und zwei hebungen aufweist. 55 Teile Wasser enthält und die Tantalschicht 20, je-

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im doch nicht die Goldschicht 19 angreift, ätzt die Tanfolgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben. In talschicht 20 über den Widerstandselementen 18 weg. diesen zeigt Dann ätzt ein Ätzmittel, das z. B. drei Teile SaIz-

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teiles säure, einen Teil 40- bis 60%ige Salpetersäure und eines Druckkopfes nach der Erfindung, und 60 vier Teile Wasser enthält und die Goldschicht 19

F i g. 2 eine Seitenschnittansicht entlang der angreift, die Tantalschicht 20 jedoch nicht, die Gold-Linie 2-2 der Fig. 1, die den schichtförmigen Aufbau schicht 19 über den Widerstandselementen 18 weg, des Druckkopfes zeigt. so daß nur der zuerst abgelagerte, das Widerstands-

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Teil eines Thermo- element 18 bildende Schichtrest aus Tantal stehendruckkopfes, bei dem Druckelemente 10 in 2X2- 65 bleibt.

Matrizen angeordnet sind. F i g. 1 zeigt eine erste Für die Schichten 17, 19 und 20 können an Stelle

Matrix 1 und einen Teil einer zweiten Matrix 2. Die von Tantal-Gold-Tantal auch andere Stoffe verZahl der Druckelemente und der Matrizen kann ent- wendet werden, die auf dem Träger 16 abgelagert

werden können und aneinander und an einem Schutzübergang 21 aus Isolationsmaterial haften. Die Schichten 17, 19 und 20 sind selektiv ätzbar, d. h., das Ätzmittel für die Tantalschicht 20 greift die Goldschicht 19 nicht an, während das Ätzmittel für die Goldschicht 19 die Tantalschicht 20 nicht ätzt. Auch eignen sich die drei Schichten 17, 19 und 20 für eine kontrollierte Ablagerung, bei der die wichtigen Ablagerungswerte kontrollierbar sind. Ferner sind die drei Schichten 17, 19 und 20 nach Ablagerung und Verarbeitung zu einem Druckkopf beständig gegenüber wiederholten Temperaturschwankungen zwischen Raumtemperatur bis über 300° C. Außerdem hat das Widerstandselement 18 vorzugsweise einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten.

Als nächstes wird eine dünne Schicht 24 aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Glas, durch bekannte Hochfrequenz-Sprühverfahren auf Teile der Verbindungsleiter 22 der ersten Ebene aufgebracht, und zwar in Bereichen, wo zweite, obere Verbindungsleiter 25 abgelagert werden sollen. Die Schicht 24 dient zur elektrischen Isolation der Verbindungsleiter 22 von den Verbindungsleitern 25. Dann werden Öffnungen 39 in die Schicht 24 in den Bereichen geätzt, wo die Verbindungsleiter 22 und 25 elektrisch miteinander verbunden werden sollen.

Die Verbindungsleiter 25 der zweiten Ebene sind so aufgebaut wie die Verbindungsleiter 22 der ersten Ebene, d. h., sie bestehen aus einer unteren Schicht 26 aus Tantal, einer Zwischenschicht 27 aus Gold und einer Oberschicht 28 aus Tantal. Vorzugsweise werden die Schichten 26, 27 und 28 nur in den Bereichen des Druckkopfes abgelagert, wo die Verbindungsleiter der zweiten Ebene benötigt werden. Die Schicht 26 der Verbindungsleiter 25 ist durch die Öffnungen 39 mit der Schicht 20 der Verbindungsleiter 22 verbunden.

Als nächstes wird ein dünner Schutzüberzug 21 aus elektrisch nichtleitendem Material, z. B. Beryllium- oder Aluminiumoxyd, mittels herkömmlicher Hochfrequenz-Sprühverfahren im Vakuum auf den Glasträger 16, die Widerstandselemente 18 und die elektrischen Verbindungsleiter 22 und 25 aufgebracht. Dieser Schutzüberzug 21 deckt jedoch im Druckkopf oder den äußeren Kontaktbereichen vorgesehene Dioden nicht ab. Der Schutzüberzug haftet gut an den vorgenannten, darunterliegenden Materialien, besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit, weist eine gute Abriebbeständigkeit auf und ist gegen wiederholte schnelle Temperaturschwankungen zwischen 20 und 300⁰C unempfindlich. Der Schutzüberzug enthält erhöhte Bereiche, die jeweils über den Widerstandselementen 18 liegen und zur Flächenbegrenzung der Druckelemente 10 dienen. Der Überzug 21 leitet die Wärme von den Widerstandselementen 18 zu den Oberflächen der Druckelemente 10, wodurch die Wärme an letzteren konzentriert wird. Zur exakten Durchführung des Druckvorganges muß das Material des Schutzüberzuges 21 eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen als die Isolationsschicht 16. Wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt, sind die die Druckelemente 10 bildenden, erhöhten Bereiche des Schutzüberzuges 21 wesentlich größer als die Widerstandselemente 18.

Der Druckkopf enthält eine Anzahl Koppeldioden 12 (je eine für ein Druckelement 10). Diese sind in den auf der Isolationsschicht 16 angebrachten Plättchen 30 enthalten. Ein solches Plättchen 30 ist für jede 2 X 2-Matrix vorgesehen. Wie in F i g. 1 gezeigt, enthält jedes Plättchen 30 zwei Dioden 12 mit gemeinsamer Kathode (oder Anode). Jedes Diodenplättchen 30 ist mit einem elektrischen Kontakt 31 (nur ein Kontakt 31 gezeigt) sowie zwei elektrischen Kontakten 32 für jedes Plättchen 30 versehen. Ferner ist eine elektrische Verbindung 33 in Form eines Golddrahtes vorgesehen, der mittels eines Kugelbindeverfahrens mit dem elektrischen Kontakt 31 auf dem Plättchen 30 und einem entsprechenden Leiter 14 der ersten Ebene verbunden wird. Der Leiter 14 dient als gemeinsamer Leiter für die Druckelemente der jeweiligen Matrix. Eine elektrische Verbindung

x5 in Form eines Golddrahtes 36 wird ebenfalls mittels eines Kugelbindeverfahrens zwischen den elektrischen Kontakten 32 und dem jeweiligen Verbindungsleiter 22 der ersten Ebene angebracht.

Abschließend wird ein Schutzüberzug 37 auf die Diodenplättchen 30 aufgebracht. Dieser Schutzüberzug bedeckt die Diodenplättchen und schützt sie vor mechanischen Beschädigungen.

In einer Abwandlung des vorstehend an Hand der F i g. 1 und 2 beschriebenen Thermodruckkopfes könnten die Dioden 12 durch herkömmliche Ätz- und Diffusionstechniken aus einer einzigen, auf die Isolierschicht 16 aufgebrachten Siliziumkristallschicht gebildet werden.

Bei einer weiteren Abwandlung des vorstehend beschriebenen Druckkopfes ist es ebenso möglich, die Dioden 12 durch andere steuerbare Elemente zu ersetzen, z. B. durch Thyristoren.

In diesem Falle werden die Leiter 25 durch einen einzigen Spannungsspeiseleiter ersetzt, jedoch müssen mehrere, jeweils mit den Steuerelektroden der Thyristoren in jeder Matrix verbundene Wählleiter vorgesehen werden. Diese Wählleiter können in einer den Ablagerungen der Verbindungsleiter des Ausführungsbeispiels nach den F i g. 1 und 2 ähnlichen Weise aufgebracht werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Thermodruckkopfes mit<matrixartig angeordneten, entsprechend den abzudruckenden Zeichen selektiv ansteuerbarenP-Widerstandselementen^bei dem zum Herstellen der Widerstandselemente und ihrer Zuleitung nacheinander auf einem Träger örtlich begrenzte leitende und nichtleitende Schichten gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche einer wärmeleitenden Trägerplatte (15) eine elektrische Isolationsschicht (16) abgelagert wird, auf der entsprechend dem Widerstandselement- und Ansteuerleitermuster zuerst Widerstandsschichten (17) und anschließend auf diese elektrisch leitende Schichten (19) abgelagert werden, wobei Teile der leitenden Schichten (19) jeweils an den Stellen wieder entfernt werden, wo Widerstandselemente (18) entstehen sollen, und daß auf die leitenden Schichten (19) jeweils Zwischenschichten (20) aufgebaut werden, und daß anschließend die gesamte Oberfläche mit einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Schicht (21) bedeckt wird, die über den Widerstandselementen (18) mesaförmige Erhebungen (10) aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Thermodruckkopfes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (15) aus Aluminium besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines Thermodruckkopf es nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Schichten (19) aus Gold und die auf diesen abgelagerten Schichten (20) aus Tantal bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Thermodruckkopfes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht (21) aus einem Metalloxyd (z. B. Berylliumoxyd oder Aluminiumoxyd) besteht. x5

5. Verfahren zur Herstellung eines Thermodruckkopfes nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungswählleiter (25) und Verbindungsleiter (22) in verschiedenen Höhen in bezug auf die Isolationsschicht (16) angeordnet sind und durch eine Isolationsschicht (24) getrennt sind, wobei die Isolationsschicht (24) mit einer Anzahl Löcher (39) versehen ist, durch die jeweils ein elektrischer Kontakt zwischen einem Verbindungswählleiter (25) und einem Widerstandselement (18) über die Verbindungsleiter (22) hergestellt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Thermodruckkopfes nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Isolationsschicht (16) durch eine epitaktisch aufgewachsene Einkristallhalbleiterschicht bedeckt wird und daß Dioden (12) zur Ansteuerung der Widerstandselemente (18) in diese eindiffundiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen