DE69304478T2

DE69304478T2 - Lötverfahren, das einen gemusterten metallischen Film, dessen Benetzbarkeit höher als die der Metallteile zwischen den zu verbindenden Komponenten, benützte

Info

Publication number: DE69304478T2
Application number: DE69304478T
Authority: DE
Inventors: Natsumi Shimogawa; Nobuo Takahashi; Yukihisa Takeuchi
Original assignee: NGK Insulators Ltd; Seiko Epson Corp
Current assignee: NGK Insulators Ltd; Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: US5402926A; SG48712A1; JP3212382B2; EP0590989A1; EP0590989B1; DE69304478D1; JPH06114550A; HK26097A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten relativ kleiner Komponenten von Präzisionsvorrichtungen, -instrumenten und Geräten wie Tinten- bzw. Farbstrahldruckern bzw. Farbstrahldruckwerken Lind verschiedenen Audiovorrichtungen.

ERÖRTERUNG DES STANDES DER TECHNIK

Auf dem Gebiet der Büroautomatisierungsvorrichtungen und Audio-Video- Vorrichtungen werden in immer rascherer Abfolge Bemühungen unternommen, die Größe und das Gewicht der Vorrichtungen weiter zu verringern, und es ist im zunehmenden Maße notwendig, die Größe der in solche Vorrichtungen eingebauten Komponenten zu verringern und ihre Präzision (z.B. Abmessungsgenauigkeit) zu verbessern. Beispielsweise ist ein Tintenstrahldrucker, der weitverbreitet als Ausgabevorrichtung eines Computers Verwendung findet, mit einem Tintenstrahldruckkopf mit einer Struktur ausgerüstet, die Düsen in Form winziger Löcher mit 30-50 µm Durchmesser und Tintendurchgänge und -kammern aufweist, deren Querschnittsabmessungen beispielsweise im Bereich von einigen -zig bis mehreren hundert µm liegen.
Zum Ausbilden solcher kleiner Düsen, Durchgänge und Kammern des Tintenstrahldruckkopfs mit hoher Abmessungsgenauigkeit wird eine Vielzahl dünner metallischer planarer Elemente oder Platten durch geeignete Techniken, wie Ätzen, Pressen und Stanzen unter Einsatz von Photolitographie mit verschiedenen Löchern, Fenstern, Lücken und anderen Öffnungen ausgebildet. Diese Metallplatten werden zu einer einstückigen Struktur verbunden, die in ihrem Inneren definierte Tintendurchgänge und Kammern aufweist, die mit den Öffnungen korrespondieren, und außen offene Düsen, die den Löchern entsprechen.
Bei der herkömmlichen Herstellung eines wie oben beschrieben konstruierten Tintenstrahldruckkopfs werden die metallischen Platten üblicherweise durch ein(en) organischen/es oder anorganischen/es Kleber oder Bindemittel verbunden, der/das sich dafür eignet, eine hohe Abdichtung oder Dichtheit gegenüber einer Tinte zu gewährleisten. Der Nachteil dieses Verbindens unter Verwendung eines Klebers besteht darin, daß der Kleber leicht über die beabsichtigten Verbindungsabschnitte hinaus zu den Tintendurchgängen usw. fließt, sich ausbreitet oder versetzt wird, wodurch die Tendenz besteht, daß die Durchgänge und anderen offenen Räume innerhalb der Kopfstruktur von den nominalen Gestalten abweichen, was zu einer Beeinträchtigung der Qualität des Tintenstrahldruckkopfs führt. Insbesondere wenn ein organischer Kleber verwendet wird, ist es wahrscheinlich, daß die durch die Metallplatten ausgebildeten Löcher und anderen Öffnungen durch den Kleber verstopft oder teilweise gefüllt werden. In diesem Fall funktioniert der hergestellte Druckkopf nicht normal, und der Ausbeuteanteil der Erzeugnisse wird beträchtlich verringert. Andererseits führt der Versuch, die Klebermenge zu verringern, um das obige Problem zu vermeiden, zu einem weiteren Problem, nämlich der erhöhten Wahrscheinlichkeit von mangelhafter Verklebung an lokalen Abschnitten der Metallplatten, was zu einer Verringerung der Fluiddichtheit oder Abdichtung bezüglich der Tinte führt.
Um die obigen Probleme zu lösen, sind die folgenden Verfahren vorgeschlagen worden, die beispielsweise umfassen:
(1) die Verwendung eines magnetischen Materials für die Metallplatten, sodaß die Platten durch Magnetkraft aneinander befestigt werden;
(2) das Anordnen einer Masse eitles magnetischen Fluids zwischen Verbindungsflächen der Metallplatten, um die Abdichtung bezüglich der Tinte zu verbessern;
(3) das Spritzgießen einer Kuiiststoffplatte mit den erforderlichen Tintendurchgängen und Kammern innerhalb einer Form, in der die Metallplatten in Position angeordnet sind, sodaß die Metallplatten gleichzeitig mit der Bildung der Kunststoffplatte an die Kunststoffplatte geklebt werden, um dadurch eine einstückige Struktur zu bilden; und
(4) die Verwendung von Kunststoffmaterialien für alle Platten, die eine einstückige Struktur darstellen, wobei ein organisches Lösungsmittel auf die Verbindungsflächen der Kunststoffplatten aufgetragen wird, sodaß die Kunststoffplatten unter Druck miteinander verbunden werden, wobei die Kunststoffmaterialien nahe den Verbindungsfächen durch das organische Lösungsmittel gelöst werden.
jedoch unterliegen die obigen Verfahren alle einem anderen Problem, wie erhöhten Kosten für das Material oder die Produktionsanlage, oder einer Beeinträchtigung der Abmessungsgenauigkeit und Festigkeit aufgrund der Verwendung von Kunststoffmaterialien Daher sind die vorgeschlagenen Lösungen in der Praxis für die wirtschaftliche Herstellung eines qualitativ hochwertigen Tintenstrahldruckkopfs nicht zufriedenstellend.
Es sind Versuche unternommen worden, Metallplatten nach einem herkömmlichen Lötverfahren zu verbinden, bei dem üblicherweise ein Lötmaterial eingesetzt wird, das eine vergleichsweise hohe Netzbarkeit bezogen auf die Metallplatten aufweist, um zufriedenstellendes Verbinden der Platten zu gewährleisten. In diesem Fall tendiert das Lötmaterial dazu, sich leicht über die beabsichtigten Verbindungsbereiche hinaus auszubreiten, was zu nachteiligem Verstopfen oder Verschließen der Düsen führt. Andererseits führt die Verwendung eines Lötmaterials mit relativ geringer Netzbarkeit auf den Metallplatten dazu, daß es schwierig ist, das Lötmaterial so aufzutragen, daß eine gleichmäßige Dicke über den gesamten Verbindungsbereich der Platten gewährleistet ist. In diesem Fall kann der hergestellte Druckkopf durch mangelhafte oder unvollständige Abdichtung der Pumpkammern beeinträchtigt beeinträchtigt sein, das beispielsweise auflokales mangelhaftes oder fehlerhaftes Kleben zurückzuführen ist, was zum Austreten der unter Druck stehenden Tinte führt. Alternativ dazu kann der Druckkopf einen Luftspalt zwischen den Klebeflächen aufweisen, was zum Lufteinschluß im Luftspalt und einem Druckverlust in den Pumpkammern führt, wodurch unerwünschte Tintenstrahleigenschaften des Druckkopfs verursacht werden.
In letzter Zeit hat eine Löttechnik, das sogenannte "Vakuumlöten" bei einem Druck unter dem atmosphärischen Druck auf dem Gebiet des Verbindens kleiner Präzisionskomponenten verschiedene Anwendungen gefunden. Es wird allgemein anerkannt, daß diese Vakuumlöttechnik die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs, wie oben beschrieben, mit hoher Präzision ohne Probleme wie Verstopfen der Düsen ermöglicht, auch wenn die Metallplatten durch ein Lötmaterial miteinander verbunden werden, das eine vergleichsweise hohe Netzbarkeit bezogen auf die Metallplatten aufweist.
Jedoch erfordert das Vakuumlötverfahren einen großen, teuren Vakuumheizofen zum Schmelzen des Lötmaterials, was unweigerlich zu extrem hohen Herstellungskosten des Druckkopfs führt im Vergleich zu den Kosten beim Einsatz eines herkömmlichen Lötverfahrens.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Löten von Metallkomponenten bereitzustellen, bei dem ein Lötmaterial mit einer relativ geringen Netz- bzw. Benetzbarkeit bezogen auf die Metallkomponenten verwendet wird, um Verlagern oder Ausbreiten des Lötmaterials über die gewünschten Verbindungsbereiche der Platten hinaus zu vermeiden, und das vergleichsweise einfache und wirtschaftliche Verbindung der Platten gewährleistet, während mangelhafte Verbindung verhindert wird und Nachteile, die aus derartigem mangelhaften Verbinden resultieren können, ausgeschaltet werden.
Gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Löten einer Vielzahl von Komponenten bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Die zu lötenden Komponenten können aus rostfreiem Stahl bestehen. In diesem Fall kann als Lötmaterial vorzugsweise eine Silber-Lötlegierung oder Legierung auf Silberbasis verwendet werden, und Nickel (Ni) kann geeigneterweise als Metall mit hoher Netzbarkeit verwendet werden, auf das die Silber-Lötlegierung aufgetragen wird.
Wenn die zu lötenden Komponenten beide aus rostfreiem Stahl bestehen, wird der gemusterte Film aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit vorzugsweise auf jeder der Verbindungsoberflächen der Komponenten ausgebildet. Wenn die zu lötenden Komponenten jedoch aus verschiedenen Materialien bestehen, beispielsweise aus rostfreiem Stahl und Nickel, muß der gemusterte Film aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit, wie Nickel, nur auf einer der Verbindungsflächen der Komponente aus rostfreiem Stahl ausgebildet werden.
Beim oben beschriebenen Lötverfahren gemäß vorliegender Erfindung wird zunächst ein gemusterter Film aus einem geeigneten Metall mit hoher Netzbarkeit, das eine vergleichsweise hohe Netzbarkeit bezogen auf das Lötmaterial aufweist, auf zumindest einer der benachbarten Verbindungsflächen der zu verlötenden Komponenten ausgebildet, sodaß die gewünschten Verbindungsbereiche mit dem gemusterten Film aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit bedeckt sind. Dann wird das Lötmaterial, das eine vergleichsweise geringe Netzbarkeit bezogen auf das Material der Komponenten aufweist, auf den gemusterten Film aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit aufgetragen. Wenn das Lötmaterial bis zu einem geschmolzenen Zustand erhitzt wurde, breitet sich das geschmolzene Lötmaterial über den gemusterten Film aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit aus, der die gewünschten Verbindungsbereiche der Verbindungsfäche oder -flächen der Komponenten bedeckt. Das das Lötmaterial eine vergleichsweise geringe Netzbarkeit bezogen auf das Material der Komponenten aufweist, breitet sich das Lötmaterial nicht über die freiliegenden Nichtverbindungsbereiche der Verbindungsfläche oder -flächen aus.
Daher ermöglicht das erfindungsgemäße Lötverfahren das Auftragen des Lötmaterials nur auf die gewünschten Verbindungsbereiche der Verbindungsfläche oder -flächen der Komponenten, ohne daß sich das Lötmaterial über die gewünschten Verbindungsbereiche hinaus ausbreitet oder verlagert, auch wenn die Menge des Lötmaterials groß genug ist, um festes Verlöten der Komponenten zu gewährleisten. Die Verwendung des Lötmaterials in aureichend großer Menge verhindert wirksam die herkömmlicherweise auftretenden Verbindungsfehler, wie Luffspalte zwischen den Verbindungsfächen der Komponenten, während der gemusterte Film aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit das Ausbreiten oder Verlagern des Lötmaterials über die Nichtverbindungsbereiche der Komponenten verhindert oder minimiert.
Weiters erfordert das erfindungsgemäße Lötverfahren keine speziellen Verfahrensschritte und Ausrüstungen und kann mit Ausnahme des Auftragens des gemusterten Films aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit auf die zu verbindenden Komponenten, das in einem relativ einfachen Verfahren erreicht werden kann, auf ähnliche Weise durchgeführt werden wie ein herkömmliches Lötverfahren. So ermöglicht das erfindungsgemäße Lötverfahren ein vergleichsweise einfaches und wirtschaftliches Löten kleiner Komponenten, ohne daß irgendeine kostspielige Anlage eingesetzt wird, wie ein Vakuum-Hitzebehandlungsofen, wie er zum Vakuumlöten bei Drücken unter dem Atmosphärendruck eingesetzt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und wahlweise Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besser verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
Fig. 1 ein schematischer Aufriß eines Tintenstrahldruckkopfs im Querschnitt ist, der ein Düsenelement aufweist, dessen Komponentenplatten nach einem Lötverfahren gemäß vorliegender Erfindung miteinander verbunden sind;
Fig. 2 eine erklärende perspektivische Explosionsansicht ist, die die Struktur des Tintenstrahldruckkopfs von Fig. 1 veranschaulicht; die Fig. 3A, 3B und 3C erklärende Draufsichten sind, die einen Verfahrensschritt zeigen, der an den Komponentenplatten des Düsenelements von Fig. 1 gemäß vorliegender Erfindung durchgeführt wird;
die Fig. 4A, 4B und 4C erklärende Draufsichten sind, die einen weiteren an den Komponentenplatten des Düsenelements gemäß vorliegender Erfindung durchgeführten Verfahrensschritt zeigen; und
Fig. 5 ist eine perspektivische erklärende Exposionsansicht ist, die einen weiteren Verfahrensschritt veranschaulicht, der an den Komponentenplatten des Düsenelements gemäß vorliegender Erfindung durchgeführt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Zunächst auf die schematische Ansicht von Fig. 1 Bezug nehmend wird mit 10 allgemein ein gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellter Tintenstrahldruckkopf gezeigt. Der Tintenstrahldruckkopf 10 ist eine einstückige Struktur, die aus einem Düsenelement 12 und einem Pumpenelement 14 besteht, die einstückig miteinander verbunden sind. Das Düsenelement 12 weist einen Tinteneinlaß 16 und eine Verteilerkammer 18 auf, in der ein bestimmtes Volumen an durch den Tinteneinlaß 16 eingebrachter Tinte aufgenommen wird. Die Tinte wird von einem geeigneten nicht gezeigten Tintenreservoir zugeführt. Der Druckkopf 10 weist eine Vielzahl erster Kommuniktionsdurchgänge 20 und eine Vielzahl entsprechender im Pumpenelement 14 ausgebildeter Pumpkammern 22 auf. Die Pumpkammern 22 kommunizieren durch die jeweiligen ersten Kommunikationsdurchgänge 20 mit der Verteilerkammer 18, sodaß die Tinte von der Verteilerkammer 18 durch die jeweiligen Durchgänge 20 zu den einzelnen Pumpkammern 22 zugeführt wird. Das Pumpenelement 14 ist mit einer Vielzahl piezoelektrischer/elektrostriktiver Elemente 24 (nachstehend als "piezoelektrische Elemente 24" bezeichnet) versehen, die den Pumpkammern 22 entsprechen. Die piezoelektrischen Elemente 24 sind an einer der gegenüberliegenden Hauptflächen des Pumpelements 14 vom Düsenelement 12 entfernt ausgebildet. Der Druckkopf 10 weist eine Vielzahl zweiter Kommunikationsdurchgänge 26 auf, die mit den jeweiligen Pumpkammern 22 kommunizieren, sowie eine Vielzahl von Düsen 28, die im Düsenelement 12 ausgebildet sind. Die Düsen 28 kommunizieren mit den jeweiligen zweiten Kommunikationsdurchgängen 26, sodaß die Tinte in den Pumpkammern 22 von den Düsen 28 durch die jeweiligen zweiten Kommunikationsdurchgänge 26 abgegeben wird, wenn die Pumpkammern 22 durch die jeweiligen piezoelektrischen Elemente 24 aktiviert werden, wie nach dem Stand der Technik wohlbekannt.
Um den wie oben beschrieben konstruierten Tintenstrahldruckkopf 10 herzustellen, werden das Düsenelement 12 und das Pumpenelement 14 getrennt hergestellt und mit einem geeigneten Bindemittel miteinander verbunden, wie nachstehend beschrieben. Das Pumpeneement 14 besteht aus einer Verschlußplatte 30, einer Abstandshalterplatte 32 und einer Verbinderplatte 34 und wird auf die nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 im Detail beschriebene Weise hergestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Druckkopf 10 beispielsweise drei Pumpkammern 22 und drei Düsen 28 auf.
Die Verschluß-, Abstandshalter- und Verbinderplatten 30, 32, 34 sind aus jeweiligen grünen Tafeln gebildet, die eine relativ geringe Dicke aufweisen. Auf der ersten grünen Tafel für die Verschlußplatte 30 werden nach einer geeigneten Filmausbildungstechnik, die nach dem Stand der Technik bekannt ist, drei grüne Laminarschichten für die piezoelektrischen Elemente 24 gebildet. Die zweite grüne Platte für die Abstandshalterplatte 32 weist drei rechteckige Fenster 36 auf, die nach einem geeigneten bekannten Verfahren durch ihre gesamte Dicke hindurch ausgebildet sind, sodaß die Fenster 36 in Längsrichtung der grünen Tafel voneinander beabstandet sind. Die dritte grüne Tafel für die Verbinderplatte 34 weist eine Reihe aus drei ersten Löchern 38 und eine keihe aus drei zweiten Löchern 40 auf. Diese Löcher 38, 40 sind nach einem geeigneten bekannten Verfahren durch die gesamte Dicke der grünen Tafel hindurch ausgebildet. Die ersten und zweiten Löcher 38, 40 stellen obere Abschnitte des ersten bzw. des zweiten Kommunikationsdurchgangs 20, 26 dar.
Die so ausgebildeten ersten, zweiten und dritten grünen Tafeln für die Platten 30, 32, 34 werden übereinander gelegt, um eine grüne Laminarstruktur bereitzustellen, bei der sich die zweite grüne Tafel für die Abstandshalterplatte 32 in Sandwichanordnung zwischen der ersten und der dritten grünen Tafel für die Verschluß- und die Verbinderplatte 30, 34 befindet, sodaß die drei grünen Laminarschichten auf der ersten grünen Tafel für die piezoelektrischen Elemente 24 mit den entsprechenden drei Fenstern 36 in der zweiten grünen Tafel ausgerichtet sind, sowie mit den entsprechenden drei Sätzen von ersten und zweiten Löchern 38, 40 in der dritten grünen Tafel. Die so hergestellte grüne Laminarstruktur wird gebrannt, um das einstückige Pumpenelement 14 mit den auf seiner Deckfläche ausgebildeten piezoelektrischen Elementen 24 bereitzustellen. Bei diesem Pumpenelement 14 sind die drei Pumpkammern 22 so definiert, daß die entsprechenden Fenster 36 durch die Verschluß- und Abstandshalterplatten 30, 34 geschlossen werden. Es sei angemerkt, daß die piezoelektrischen Elemente 24 ausgebildet werden können, nachdem das Pumpenelement 14 durch Brennen der grünen Laminarstruktur, die aus den drei oben angeführten grünen Tafeln besteht, hergestellt wurde.
Das Düsenelement 12 besteht aus einer Öffnungsplatte 42, einer Verteilerplatte 44 und einer Düsenplatte 46, die aus rostfreier Legierung oder rostfreiem Stahl (SUS304 nach der Japanischen Industriennorm) gebildet sind. Diese drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl werden unter Verwendung eines Lötmaterials aneinandergelötet, das eine sogenannte Silberlötlegierung oder ein Silberlötmittel ist, wobei es sich um ein Lötmittel oder eine Legierung auf Silberbasis handelt, die beispielsweise aus Silber, Kupfer und Zink besteht.
Genauer beschrieben wird die Öffnungsplatte 42 hergestellt, indem nach einer geeigneten bekannten Technik, wie Laserschneiden, spanende Bearbeitung oder Photolitographie, eine Reihe aus drei ersten Öffnungslöchern 48, eine Reihe aus drei zweiten Öffnungslöchern 50 und der Tinteneinlaß 16 durch die Dicke einer ersten dünnen Platte aus rostfreiem Stahl (SUS304) hindurch ausgebildet werden. Die ersten und die zweiten Öffnungslöcher 48, 50 stellen untere Abschnitte der ersten Kommunikationsdurchgänge 20 bzw. Zwischenabschnitte der zweiten Kommunikationsdurchgänge 20, 26 dar. Die Verteilerplatte 44 wird hergestellt, indem nach einer geeigneten bekannten Technik, wie oben angeführt, eine Reihe aus drei Löchern 52 und ein Fenster 54 durch die Dicke einer zweiten dünnen Platte aus rostfreiem Stahl (SUS304) hindurch ausgebildet wird. Die drei Löcher 52 stellen untere Abschnitte der zweiten Kommunikationsdurchgänge 26 dar. Auf ähnliche Weise wird die Düsenplatte 46 hergestellt, indem die drei Düsen 28 durch die Dicke einer dritten dünnen Platte aus rostfreiem Stahl (SUS304) hindurch ausgebildet werden.
Daraufhin werden alle Oberflächen der so bearbeiteten Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl einer Ultraschallreinigung unter Verwendung von Ethylalkohol unterzogen. Dann werden Harzfilme 56, die aus geeignetem Harzmaterial bestehen, als Schutzfilme auf die Platten 42, 44, 46 aufgetragen, um die oberen und unteren Öffnungen der ersten und zweiten Öffnungslöcher 48, 50, Löcher 52 und Düsen 28 nach einer geeigneten bekannten Musterungstechnik, wie einer Siebdrucktechnik, zu schließen, wie in den Fig. 3A, 3B und 3C gezeigt. Die Harzfilme 56 sollten ringförmige Bereiche um den Rand der Öffnungen der Löcher 48, 50, 52 und Düsen 28 abdecken, wie in den Fig. 3A, 3B und 3C angegeben. Beispielsweise werden die Harzfilme 56 durch Drucken unter Verwendung einer Harzpaste nach einer Jechnik ausgebildet, wie sie zum Auftragen eines Abdecklacks verwendet wird, oder indem entsprechende Abschnitte eines Harzfilms aufgetragen bleiben, um die gesamten Oberflächen der Platten aus rostfreiem Stahl zu bedecken. Die als Schutzfilme verwendeten Filme 56 können aus jedem Harzmaterial bestehen, wie einem bei Taiyo Ink, Japan, erhältlichen Abdecklack M-85, es sei denn, es verursacht Verformung oder Beeinträchtigung der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl. Diese Platten mit den Harzfilmen 56 werden iii einen Ofen gestellt, um das Harzmaterial unter Hitze auszuhärten.
Die drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl werden dann Elektroplattieren unterzogen, um die Oberflächen der Platten mit einem geeigneten metallischen Material zu bedecken, außer an den Bereichen, die von den Schutzfilmen in Form der Harzfilme 56 bedeckt sind. Das Metalmaterial sollte eine relativ hohe Netzbarkeit bezogen auf ein Lötmaterial, nämlich in dieser Ausführungsförm Silberlötleierung, aufweisen, das zum Löten der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl, wie nachstehend beschrieben, verwendet wird. Bei dieser spezifischen Ausführungsform wird Nickel (Ni) als Metall mit hoher Netzbarkeit zum Elektroplattieren der Platten 42, 44, 46 verwendet. Die Dicke der Nickelplattierung beträgt vorzugsweise etwa 1 µm.
Die so mit Nickel (Ni) plattierten Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl werden für einen angemessenen Zeitraum in eine geeignete Lösung (zB Methylenchlorid) getaucht, die im allgemeinen zum Entfernen eines Harzmaterials verwendet wird, sodaß die Harzfilme 56 von den Platten aus rostfreiem Stahl entfernt werden. Als Ergebnis ist jede der Öffnungsplatte 42, der Verteilerplatte 44 und der Düsenplatte 46 mit gemusterten Ni-Plattierungsfilmen 58 bedeckt, während die Innenflächen der ersten und zweiten Öffnungslöcher 48, 50, Löcher 52 und Düsen 28, sowie die ringförmigen Bereiche um die Öffnungen dieser Löcher 48, 50, 52 und Düsen 28 freiliegen, wie in den Fig. 4A, 4B und 4C angegeben. Bei der zum Entfernen der Harzfilme 56 verwendeten Lösung kann es sich um jede bekannte Lösung handeln, die fähig ist, einen Abdecklack zu entfernen, wie er für eine Ätzmaske verwendet wird, es sei denn, die Lösung verursacht Verformung oder Beeinträchtigung der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl.
Es ist anzumerken, daß, während die Fig. 3A, 3B, 3C, 4A, 4B und 4C nur Deckflächen der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl (Öffnungsplatte, Verteilerplatte und Düsenplatte) zeigen, die Harzfilme 56 und die gemusterten Ni-Plattierungsfilme 58 auch an den Unterseiten der Platten 42, 44, 46 vorgesehen sind.
Die zum Löten der Öffnungs-, Verteiler- und Düsenplatten 42, 44, 46 verwendete Silberlötlegierung hat die Form von zwei Löttafeln 60, die jeweils eine Dicke von etwa 15 µm und im wesentlichen die gleichen Abmessungen und die gleiche Konfiguation wie die Platten 42, 44, 46 aufweisen, wie in Fig. 5 gezeigt. In einem mittleren Abschnitt einer jeden Löttafel 60 ist eine Öffnung 62 ausgebildet, und eine Anordnung aus drei im allgemeinen rechteckigen Öffnungen 64 ist an einer Seite der Öffnung 62 ausgebildet. Die Öffnung 62 weist im wesentlichen die gleiche Konfiguration auf, wie das Fenster 54 der Verteilerpiatte 44, und die Öffnungen 64 sind entlang einer der gegenüberliegenden kurzen Seiten einer jeden Löttafel 60 angeordnet.
Die drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl und die beiden Löttafeln 60 werden in der in Fig. 5 gezeigten Reihenfolge übereinandergelegt, sodaß sich eine der Löttafeln 60 zwischen der Öffnungsplatte 42 und der Verteilerpiatte 44 befindet, während sich die andere Löttafel 60 zwischen der Verteilerplatte 44 und der Düsenplatte 46 befindet. Die Platten 42, 44, 46, 60 sind relativ zueinander angeordnet, sodaß die drei zweiten Öffnungslöcher 50, drei Löcher 52, drei Düsen 28 und drei rechteckigen Öffnungen 64 miteinander ausgerichtet sind, während das Fenster 54 der Verteilerplatte 44 mit den mittleren Öffnungen 62 der Löttafeln 60 ausgerichtet ist, und so, daß die ersten Öffnungslöcher 48 und der Tinteneinlaß 16 der Öffnungsplatte 42 zur mittleren Öffnung 62 der angrenzenden Löttafel 60 offen sind.
Dann wird ein aus Molybdän bestehendes Gewicht auf den so erhaltenen Stapel aus den Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl und Löttafeln (7,0 gestellt. Die Anordnung aus diesem Stapel und dem Molybdängewicht wird iii einen Ofen vom Bandförderertyp eingebracht, um die beiden Löttafeln 60 zu erhitzen und zu schmelzen, die sich zwischen den Verbindungsflächen der drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl befinden. Als Ergebnis werden die Platten aus rostfreiem Stahl aneinandergelötet, um ein einstückiges Düsenelement 12 bereitzustellen.
Das Pumpenelement 14 wird auf das so hergestellte Düsenelement 12 gestellt, wobei eine Schicht eines geeigneten Bindemittels, wie ein Epoxyharz, dazwischen angeordnet wird, sodaß sich die von den piezoelektrischen Elementen 24 entfernte Verbinderplatte 34 des Pumpenelements 14 durch die Schicht des Verbindungsmittels mit der Öffnungsplatte 42 des Düsenelements 12 in Kontakt befindet. Die Düsen- und Pumpenelemente 12, 14 sollten relativ zueinander so angeordnet sein, daß die ersten und zweiten Öffnungslöcher 49, 50 des Düsenelements 12 mit den ersten und zweiten Löchern 39, 40 des Pumpenelements 14 ausgerichtet sind, sodaß die ersten Kommunikationsdurchgänge 20 aus den Löchern 38 und 48 bestehen, während die zweiten Kommunikationsdurchgänge 26 aus den Löchern 40, 50, 52 bestehen. So werden die Düsen- und Pumpenelemente 12, 14 zu einem einstückigen Tintenstrahldruckkopf 10 verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt. Beim Bindemittel oder Kleber, das/der zum Verbinden der Düse und Pumpenelemente 12, 14 verwendet wird, kann es sich um jedes Bindematerial handeln, das fähig ist, rostfreien Stahl und Keramik auf geeignete Weise zu verbinden.
Die als Löttafeln 60 verwendete Silberlötlegierung weist eine relativ hohe Netzbarkeit bezogen auf Ni, d.h. die Ni-Plattierungsfilme 58, wie oben angegeben, auf, aber eine relativ geringe Netzbarkeit bezogen auf rostfreien Stahl SUS304, d.h. die zu verbindenden Platten 42, 44, 46. Demgemäß verteilt sich die Silberlötlegierung im geschmolzenen Zustand beim Löten der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl des Düsenelements 12 leicht über die Kontaktflächen der angrenzenden Ni- Plattierungsfilme 58, die auf den Verbindungsfächen der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl vorgesehen sind. Jedoch fließt die geschmolzene Silberlötlegierung nicht über die Grenzen zwischen den Ni-Plattierungsfilmen 58 und den freiliegenden ringförmigen Bereichen oder Regionen der Oberflächen der Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl hinaus, die nicht mit den Ni-Plattierungsfilmen bedeckt sind, wodurch jene ringförmigen Bereiche um den Rand der Öffnungen der Löcher 48, 50, 52 und Düsen 28 vor der Silberlötlegierung geschützt sind.
Daher kann mit dem Verfahren zum Löten der Öffnungsplatte 42, Verteilerplatte 44 und Düsenplatte 46 gemäß vorliegender Erfindung wirksam verhindert werden, daß sich das Lötmaterial über die gewünschten Verbindungsbereiche hinaus ausbreitet, auch wenn die Menge des Lötmaterials (d.h. der Silberlötlegierung oder des Silberlötmittels) groß genug ist, um festes Verbinden der Platten aus rostfreiem Stahl (d.h. Öffnungs-, Verteiler- und Düsenplatten 42, 44, 46) zu gewährleisten.
Demgemäß sorgt das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten der metallischen Komponenten 42,44, 46 des Düsenelements 12 des Tintenstrahldruckkopfs 10 dafür, daß die üblicherweise auftretenden Probleme, wie Verformung, Verstopfen oder Verschließen der Tintendurchgänge, Düsen und anderer winziger Öffnungen aufgrund des Ausbreitens oder Verlagerns des Lötmaterials über die gewünschten Verbindungsbereiche hinaus, unzureichende Abdichtung, im Düsenelement 12 verbleibende Luftspalte und andere Verbindungsfehler aufgrund unzureichender Menge des Lötmaterials, wirksam ausgeschaltet oder minimiert werden.
Weiters erfordert das erfindungsgemäße Lötverfahren keine speziellen Verfahrensschritte und Ausrüstungen und kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden, wie ein herkömmliches Lötverfahren, abgesehen davon, daß gemusterte Nickel(Ni)-Plattierungsfilme 58 auf die drei zu verbindenden Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl aufgetragen werden, was nach einer bekannten herkömmlichen Elektroplattierungstechnik gemacht wird. So ermöglicht das erfindungsgemäße Lötverfahren die vergleichsweise einfache und wirtschaftliche Herstellung des Düsenelements 12 mit den gewünschten Eigenschaften und in der gewünschten Qualität.
Eine mikroskopische Betrachtung der Löcher 48, 50, 52 und Düsen 28 des Düsenelements 12 des nach dem Verfahren der dargestellten Ausführungsform hergestellten Druckkopfs 10 zeigte, daß das üblicherweise auftretende Verformen, Verstopfen oder Verschließen dieser Öffnungen aufgrund der Verlagerung des Lötmaterials vollkommen fehlt bzw. ausgeschaltet wurde. Das hergestellte Düsenelement 12 wurde aufgeschnitten, um die Innenstruktur freizulegen, d.h. um die Schnittflächen zu erhalten, wie in der Querschnittsansicht von Fig. 1 gezeigt. Die Schnittflächen wurden geschliffen, und die geschliffenen Flächen wurden unter einem Mikroskop untersucht. Die mikroskopische Untersuchung bestätigte die gleichmäßige und vollständige Verbindung der drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl durch die zwischen den auf den Verbindungsfächen ausgebildeten Ni-Plattierungsfilmen 58 angeordneten Silberlötlegierungstafeln 60 ohne irgendwelche Fehler wie Luftspalte.
Zum Vergleich wurden die drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl ohne die gemusterten Ni-Plattierungsfilme 68 aufeinandergelegt und unter Hitze auf die gleiche Weise wie oben beschrieben verlötet Das so hergestellte Düseneement wurde aufgeschnitten, und die Schnittflächen wurden geschliffen und unter dem Mikroskop untersucht. Die Untersuchung zeigte das Vorhandensein einer beträchtlichen Anzahl an Luftspalten zwischen den Verbindungsflächen der Platten, insbesondere um die Düsen.
Eine weitere Vergleichsprobe wurde hergestellt, indem anstelle der Silberötlegierung Nickel verwendet wurde. Die Verbindungsflächen der Platten aus rostfreiem Stahl ohne die Ni-Plattierungsfilme 58 wurden durch Bedrucken mit einer Nickelpaste beschichet, und die beschichteten Platten wurden aufeinandergelegt und unter Hitze verlötet, wie oben beschrieben. Line Betrachtung im Mikroskop bestätigte das Verstopfen der Löcher 48, 50, 52 und Düsen 28 mit dem Nickellötmaterial, das sich über die Verbindungsbereiche hinaus ausbreitete.
Die Erfindung ist zwar lediglich zu Veranschaulichung im Detail in ihrer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die Details der dargestellten Ausführungsform beschränkt ist, sondern auch andere Ausführungsformen möglich sind.
Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Silberlötlegierung zum Löten der drei Platten 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl die Form der Löttafeln 60, die nach den Konfigurationen der zu verbindenden Platten gemustert sind. Die Silberlötlegierung kann jedoch die Form von Schichten einer Paste mit einer geeigneten Dicke haben, die durch Drucken auf die gemusterten Ni-Plattierungsfilme 58 aufgetragen werden, sodaß die mit den Pastenschichten beschichteten Platten 42, 44, 46 aufeinandergelegt und erhitzt werden, um eine Verlötung durch die geschmolzene Silberlötlegierung zu erzielen. Dieses Verfahren ist gegenüber dem Verfahren, bei dem die Löttafeln verwendet werden, vorteilhaft, was die Herstellungskosten betrifft.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden zwar die Harzfilme 56 als vor dem Auftragen der Ni-Plattierungsfilme 58 auszubildende Schutzfilme verwendet, die Musterung der Ni-Plattierungsfilme 58 kann jedoch durch chemisches Ätzen oder eine andere photolitographische Technik erfolgen, wie sie auf Ni-Plattierungen angewandt wird, die ausgebildet werden, um die gesamten Oberflächen der Plauen 42, 44, 46 aus rostfreiem Stahl zu bedecken. Das heißt, die Ni-Plattierungen werden durch Photolitographie gemustert, um die lokalen Abschnitte zu entfernen, die den Düsen 28 und anderen Öffnungen in ihrer Nähe entsprechen. Ungeachtet des Musterungsverfahrens können die gemusterten Ni-Filme anstelle des bei der dargestellten Ausführungsform verwendeten Elektroplattierens durch Sputtern und andere bekannte Dünnfilm-Ausbildungstechniken gebildet werden.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform auf die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs angewandt wird, genauer gesagt auf das Löten der drei Platten aus rostfreiem Stahl, die das Düsenelement eines Tintenstrahldruckkopfs ergeben, versteht es sich, daß das Prinzip der vorliegenden Erfindung ebenso auf das Löten kleiner Komponenten jeder beliebigen anderen Präzisionsvorrichtung anwendbar ist, das relativ hohe Abmessungsgenauigkeit erfordert. Das verwendete Lötmaterial und das Material der auf den Verbindungsbereichen der Komponenten ausgebildeten metallischen Filme werden je nach dem spezifischen Material der zu lötenden Materialien entsprechend gewählt.
Es versteht sich, daß die Düsen 28, Löcher 38, 40, 48, 50, 52 und anderen Öffnungen extrem kleine Abmessungen haben und die Löttafeln 60 eine extrem geringe Dicke haben, aber die Abmessungen und die Dicke, wie in den beigefügten Zeichnungen gezeigt, sind wesentlich größer ausgeführt, als die tatsächlichen Abmessungen, und bezogen auf die anderen Abschnitte des Druckkopfs 10 übertrieben, damit die Positionsbeziehung leichter verstanden werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Löten einer Vielzahl von Komponenten durch Erhitzen der übereinandergelegten Komponenten, wobei ein Lötmaterial zwischen benachbarten Verbindungsflächen der Komponenten angeordnet ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

die Verwendung eines Lötmaterials (60), das eine relativ geringe Netz- bzw. Benetzbarkeit bezogen auf das Material von zumindest einer der Vielzahl von zu lötenden Komponenten (42, 44, 46) aufweist;

das Ausbilden eines gemusterten Films (58) aus einem Material mit hoher Netz- bzw. Benetzbarkeit bezogen auf das Lötmaterial auf der Verbindungsfäche der zumindest einen Komponente, sodaß vorbestimmte Verbi ndungsbereiche dieser Verbindungsfläche bedeckt werden, während ihre Nichtverbindungsbereiche vom gemusterten Film unbedeckt gelassen werden; und

das Auftragen des Lötmaterials auf den gemusterten Film aus dem Metall mit hoher Netz- bzw. Benetzbarkeit;

sodaß sich das Lötmaterial bei der Löttemperatur nicht über die Grenzen der Verbindungsbereiche der Verbindungsoberfläche hinaus ausbreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von Komponenten (42, 44, 46) aus rostfreiem Stahl besteht und das Lötmaterial aus einer Silberlötlegierung (60) besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Metall mit hoher Netzbarkeit aus Nickel (Ni) besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Schritt des Ausbildens eines gemusterten Films (58) aus Metall mit hoher Netzbarkeit das Ausbilden eines Films durch Elektroplattieren umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Schritt des Ausbildens eines gemusterten Films (58) aus einem Metall mit hoher Netzbarkeit das Auftragen von Schutzfilmen (56) auf nicht zu verbindende Bereiche einer jeden Verbindungsfläche der Komponenten (42, 44, 46), das Auftragen eines Films aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit auf jede Verbindungsfäche und das Entfernen der Schutzfilme umfaßt, um dadurch den gemusterten Film (58) aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit zu bilden.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Schritt des Auftragens des Lötmaterials auf den gemusterten Film (58) aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit im Auftragen des Lötmaterials in Form einer Löttafel (60) besteht, die zwischen den gemusterten Filmen des Metalls mit hoher Netzbarkeit angeordnet ist, die auf den benachbarten Verbindungsflächen der Komponenten (42, 44, 46) ausgebildet sind.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Schritt des Auftragens des Lötmaterjals auf den gemusterten Film (58) aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit im Auftragen einer Paste aus dem Lötmaterial durch Drucken auf den gemusterten Film besteht.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Vielzahl von Komponenten eine Vielzahl metallischer planarer Elemente (42, 44, 46) umfaßt, bei denen jeweils eine Vielzahl von Öffnungen (28, 48, 50, 52, 54) durch die gesamte Dicke hindurch ausgebildet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin zumindest zwei planare Elemente (44, 46) der Vielzahl metallischer planarer Elemente korrespondierende Löcher (50, 52) aufweisen, die gemeinsam Durchgänge (26) definieren.

10. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Ausbildens eines gemusterten Films (58) aus einem Metall mit hoher Netzbarkeit das Auftragen des Metalls mit hoher Netzbarkeit auf jede Verbindungsfäche der metallischen planaren Elemente umfaßt, sodaß Bereiche einer jeden Verbindungsfläche um Ränder der Öffnungen (28, 48, 50, 52) herum freiliegen.

11. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Auftragens des Lötmaterials auf den gemusterten Film (58) aus Metall mit hoher Netzbarkeit im Auftragen des Lötmaterials in Form einer Löttafel (60) besteht, die zwischen den gemusterten Filmen der auf den benachbarten Verbindungsflächen der Komponenten (42, 44, 46) ausgebildeten Filmen aus dem Metall mit hoher Netzbarkeit angeordnet ist, wobei die Löttafel Öffnungen (62, 64) aufweist, die mit der Vielzahl von Öffnungen (28, 48, 50, 52, 54) korrespondieren, die durch die metallischen planaren Elemente (42, 44, 46) hindurch ausgebildet sind.

12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Schritt des Ausbildens eines gemusterten Films (58) aus einem Metall mit hoher Netzbarkeit im Ausbilden des gemusterten Films auf jeder der Verbindungsflächen der Komponenten besteht.

13. Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs (10) mit einem Düsenelement (12) und einem mit dem Düsenelement verbundenen Pumpenelement (14), wobei das Düsenelement eine Vielzahl von Platten (42, 44, 46) aus rostfreiem Stahl umfaßt, die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aneinandergelötet sind.