JP2005231362A - インクジェットプリントヘッドを作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気接点のはんだの隆起を緩和するインクジェットプリントヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】表面実装用のインクジェットプリントヘッドを作製する方法は、複数のインク射出素子、および、第１面上に形成された複数の電気接点１８を有する基板１０を設けることを含み、接点は、インク射出素子に接続されて、素子の選択的な駆動を可能にする。複数のスルーホール２６が、基板内に形成され、各スルーホール２６は、基板の対向する面から、基板の厚みを完全に貫通して延びて、第１面上のそれぞれの電気接点１８の底面に接する。各スルーホールは、電気メッキによって、ほぼ完全に導電性材料３６で充填される。最後に、さらなる複数の電気接点（はんだマウンド）３８が、基板の第２面上に設けられ、各電気接点は、それぞれのスルーホール内の導電性材料と接触する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドを作製する方法に関する。

従来のインクジェトプリンタは通常、プリントヘッドのノズルプレート上に設けられたオリフィスのアレイ内の個々のオリフィスからインクの小滴を射出することによって動作する。プリントヘッドは、１枚の用紙に対して移動することができるプリントカートリッジの一部を形成し、プリントヘッドと用紙が相対的に移動する時に、特定のオリフィスからのタイミング調整された小滴の射出により、文字、画像、および他のグラフィック素材を、用紙上に印刷することが可能になる。

通常の従来のプリントヘッドが、図１〜図５に示され、これらはそれぞれ、従来技術のインクジェットプリントヘッドの概略平面図、図１のラインＩＩ−ＩＩで切り取った、図１のプリントヘッドの概略断面図、および、図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩで切り取った、図１のプリントヘッドの概略断面図である。プリントヘッドは、その前面、すなわち、図１では観察者に面し、図２および図３では一番上の面上に、薄膜抵抗を堆積された（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）シリコン基板１０上に作製される。以下で説明されるノズルプレート１４が上に存在するために、抵抗は、図1では見えない。抵抗は、基板内で、１つまたは複数のインク供給スロット（同様に見えない）に対してアレイで配列され、それぞれの熱式射出チャンバ内の各抵抗を分離するために、抵抗の周辺の基板上に障壁材料層１２が形成される。障壁層１２は、熱式射出チャンバの壁を形成すること、および各チャンバとインク供給スロット間でのインク連通流路を提供すること、の両方のために形成される。こうして、熱式射出チャンバは、毛管作用によって、インク供給スロットからのインクで満たされ、インク供給スロット自体は、プリントヘッドが最終的にその一部を形成するプリントカートリッジ内のインク溜めからインクを供給される。

上述した複合組み立て品は通常、たとえば、ニッケルまたはポリイミドのノズルプレート１４によってキャッピングされる。ノズルプレートは、射出チャンバに対応し、かつ、その上に載るオリフィス１６のアレイを有し、それによって、各オリフィスがそれぞれの薄膜抵抗と重なる。そのため、プリントヘッドは、ノズルプレート１４によって密閉されるが、ノズルプレートのオリフィス１６を介して、プリントカートリッジからのインクを流すことができる。示す例において、オリフィス１６、したがって、下にある抵抗は、３つのアレイで配設され、各アレイは、異なる色を含むインク溜めと連通する。

薄膜抵抗は、同様に基板１０の前面上に堆積し、図１に見られるように、基板１０の対向する縁部に沿って通常は２列で配列する複数の電気端子パッド１８に、薄膜導電性トレースによって接続される。これらの端子パッド１８は、障壁層１２の縁部で露出し、プリントヘッドがプリントカートリッジ上に取り付けられると、端子パッド１８は、それぞれの片持ちの可撓性梁２０（図４および図５）を介して、プリントカートリッジ上に取り付けられたフレキシブルプリント回路２２上の対応するトレースに接続される。基板１０に非常に近いフレキシブルプリント回路２２の一部のみが図４および図５に示される。端子パッド１８は通常、アルミニウム−銅合金でできており、可撓性梁２０への良好な電気接続を確保するために金メッキされる。

フレキシブルプリント回路２２は、プリンタ内部に位置するプリンタ制御回路が、知られている方法で、ソフトウェアの制御下で、個々の抵抗を選択的に駆動することを可能にする。抵抗は、駆動されると、急速に熱くなり、熱式射出チャンバ内の少量の付近のインクを過熱する。過熱されたインク容積は、爆発的蒸発により膨張し、これによって、膨張した過熱インクの上のインク小滴が、ノズルプレートの関連するオリフィスを介してチャンバから射出される。

接合領域内へのインクの進入によるインク不足を避けるために、２列の端子パッド１８は、その関連する可撓性梁２０、ならびに、ノズルプレート１４およびプリント回路２２の隣接する縁部と共に、ＵＶ硬化可能なアクリル接着剤で封止される。この硬化した接着剤は、ノズルプレート１４の高さより上に隆起２４を形成し、ノズルプレート１４と用紙（図５の破線で示す）の間の最小距離ｄをわざと作り出す。

上述した典型的なプリントヘッドは通常、大面積シリコンウェハ上の多くの類似するプリントヘッドと同時に製造され、大面積シリコンウェハは、製造の後工程(stage)において個々のプリントヘッドダイに分割されるだけである。

この基本構成に関する多くの変形が、当業者にはよく知られているであろう。たとえば、所与のプリントヘッド上のオリフィスとインク射出チャンバのアレイの数は、印刷されるべき、異なる色のインクの数に応じて変わってもよい。インク供給スロット、プリント回路、障壁材料、およびノズルプレートの構成は、多くの変形に対して自由であり、それらが作られる材料およびその製造方法も自由である。

上述した従来のプリントヘッドは一定の欠点を有する。図４および図５に示すように、接触パッド１８およびフレキシブル回路板２２の間の接続は通常、基板の前面で行われる。実際には、これは、フレキシブル回路２２がプリントカートリッジ本体にくっつけられる前に、プリントヘッドがフレキシブル回路２２にくっつけられなければならないことを意味する。この組み立て品のリワークは非常に難しい。さらに、隆起２４は、ノズルプレートと用紙の間の隙間に侵入するが、封止材−用紙間の干渉のリスクを減らすために、その間隔を増加させることが必要である。この間隔の増加によって、用紙に対するインクの飛翔経路誤差は増加し、プリント品質は低下する。プリントヘッドアレイの場合、全ての相互接続は、プリントヘッドのノズル側で行われ、それに続いて、封止が行われる。こうしたプリントヘッドアレイは、ある割合の不良プリントヘッドを含むことになる可能性があり、封止されたアレイのリワークは非常に難しい。

米国特許出願第ＵＳ２００３／００８２８５１Ａ１号は、ダイ内のバイアホールを通して直立導電性ポストを基板上に挿入し、ポストの上端にはんだビーズを塗布することによって、基板にプリントヘッドダイを取り付ける方法を記載する。これは、ポストとバイアホールとの精密な位置合わせを必要とする複雑で費用のかかる方法である。上述の米国特許出願に記載される別の方法では、その内壁に導電性メッキが施される、ダイのバイアホールを使用する。この場合、斜めの導電性キャップが、バイアホールの対応する斜めの上端に付勢され、ばねが付勢され、バイアホールの下端と接触するようにされる。これもまた、複雑で、費用のかかる方法である。

したがって、インクジェットプリントヘッドを作製する改良された方法を提供することが本発明の目的であり、少なくとも一部の実施形態において、先に説明した欠点のうちの少なくとも一部を、回避するか、または、緩和することができる。

［発明の開示］
本発明は、インクジェットプリントヘッドを作製する方法であって、
第１および第２の対向する面を有する基板を設けること、
基板の第１面上に複数の電気接点を形成すること、
基板に複数のスルーホールを形成することであって、それぞれのスルーホールは、第１面上のそれぞれの電気接点の底面に接するように、基板の第２面から延びる、形成すること、および、
それぞれのスルーホールを導電性材料で実質的に充填することを含むインクジェットプリントヘッドを作製する方法を提供する。

本発明は、プリントヘッドをプリントカートリッジ本体に取り付けるのに片持ちの可撓性梁を必要とせず、その結果、プリントヘッドを、製造プロセスにおける最終ステップのうちの１つとして、カートリッジ本体に取り付けることができるという利点を有する。同様に、接触パッドは、金メッキされる必要がなく、プリントカートリッジ本体に取り付けられると、使用される任意の封止材は、ノズルの高さを超えて延びる必要がほとんどない。しかしながら、本発明は、任意特定の実施形態においてそれが望まれる場合、これらの利点の任意のものまたは全てを利用する必要がない。

本明細書で用いる、「インクジェット」、「インク供給スロット」という用語、および関連する用語は、射出されるべき液体がインクであるデバイスに本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。用語は、熱式、ピエゾ式、または他の方式による射出によって、プリントヘッドから表面上に液体を印刷する、この一般的な技術についての簡略表現であり、１つの用途はインクの印刷であるが、本発明は、他の液体、たとえば、小型電気回路において導体および抵抗を形成することを意図される液体、を同様な方法で堆積させるプリントヘッドにも適用可能であると思われる。

さらに、本明細書および特許請求項で述べる方法ステップを、必然的に示唆されない限り、述べた順序で実施する必要はない。

図面は一定の比率に応じていないが、種々の図で、同じ部品は同じ参照数字が与えられた。さらに、図２、図５、図１１、および図１２においてプリントヘッドの内部の細部、および、図１２においてカートリッジ本体（通常、こうした断面図に見られる）は、図面を複雑にし過ぎないように省略されている。

［好ましい実施形態の説明］
ここで、図６〜図１０を参照して述べられる本発明の実施形態において、図は簡単のために単一プリントヘッドダイを示す。しかしながら、ダイは、実際には、多数のこうしたダイを含む大面積ウェハの非分割部品として処理され、図に示すプリントヘッドダイに対して実施されるプロセスステップへの言及は、ウェハが最後にはその個々のプリントヘッドに再分割されるまでに、ウェハのプリントヘッドダイ領域全てに対して同時に実施されるプロセスステップのことを言うものと理解されるであろう。

本発明の実施形態によるプリントヘッドを製造する第１ステップは、先に述べたように、薄膜加熱抵抗のアレイ、２列の接触パッド１８、およびそれらと接続する薄膜導電性トレースを敷設するために、従来の方法で基板の前面を処理することである。しかしながら、上述した従来のパッドと違って、アルミニウム−銅の接触パッド１８を金メッキすることは必要ではない。この工程(stage)において、接触パッドの列１８のうちの１つの断面は、障壁層１２もノズルプレート１４もまだ塗布されていなくても、図３のように見える。

ここで、たとえば、「A Method of making an Inkjet Printhead」（HP Ref：PD No. 200315479 Attorney Ref：pg10147ie00）という名称の本発明者等の同時係属中の出願に記載される、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）または水溶性除去可能ゾルゲルなどの保護材料のブランク層２５が基板の前面全体にわたって塗布され、接触パッド１８を含む薄膜回路を全て覆う（図６）。保護層２５は、その後、ソフトベークされる。

その後、約５０ミクロンの直径を有するブラインドスルーホール２６が、シリコン基板１０を通して穿孔され、各スルーホール２６は、基板の前面上のそれぞれのアルミニウム−銅の接触パッド１８の底面に接するように、基板の後面から、基板の厚みを完全に貫通するように延びる。スルーホール２６は、深い反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、または、組み合わせ式レーザ−ウェットエッチプロセスのいずれかを用いて形成され、これらの技法は当業者にはよく知られている。

スルーホール２６の内壁は、ここで、スルーホールの表面をライニングするために、直接金属化処理を用いて金属化される。これは、最初に、塩化パラジウム溶液の浴にウェハを浸漬することによって内壁上にパラジウムのシード層を作成し、その後、塩化第１スズ（Ｓｎ²⁺）の溶液によってパラジウムを還元し、反応
Ｐｄ⁺²＋Ｓｎ⁺²→Ｐｄ＋Ｓｎ⁺⁴
によってシリコン表面上に堆積する金属パラジウムにすることによって達成されてもよい。

ここで、ウェハを無電解銅の浴に浸漬することによって、銅の薄層がシリコン表面上に成長し、それによって、パラジウムサイトが、銅を還元して金属にするための触媒として働く。
ＣｕＳＯ₄＋２ＨＣＨＯ＋４ＮａＯＨ→Ｃｕ＋２ＨＣＯ₂Ｎａ＋Ｈ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋Ｎａ₂ＳＯ₄

金属化もまた、基板の後面をコーティングするが、この金属化は、導電性金属をスルーホール２６の内壁上にのみ残すために、後面を研磨することによって除去される。その後、標準的な、光イメージング、露光、および現像技法を用いて、保護層２５は、薄膜抵抗および導電性トレースの上には残しながら、接触パッド１８上からは選択的に除去される。結果は図７に示される。図６のように、図７〜図１０は、接触パッド１８の列に沿って切り取った、すなわち、図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩに対応する垂直断面であり、したがって、図７の基板上に残る保護層２６などの、断面の後ろの細部は示さないことが理解されるであろう。

その後、ウェハサイズのバスバー２８が接触パッド１８全てに接続される（図８）。バスバーは、ウェハプローバと構成が類似しており、個々のばねで正常位置に止められた（spring-loaded）接点３０が、パッド１８のそれぞれと電気接触する。バスバー２８はＤＣ整流器３２の負端子に接続され、整流器３２の正端子は陽極３４に接続される。バスバーは、陰極性電位をパッド１８に与えるため、コーティングしたスルーホール２６内で電解メッキが起こることを可能にする。

ウェハ組み立て品は、Schlotter社のシアン化銅電解溶液などの市販の銅電解メッキ溶液に浸漬され、スルーホール２６は、約２Ａ／平方デシメートルの電流密度で銅によって電気メッキされる。穴は、１分当たり約０．９ミクロンの銅で電気メッキされ、５０ミクロンの穴が約２５分で銅によって完全に充填されるであろう。無電解メッキする代替の方法は、比較すると、非常にゆっくりであり、肉盛性の高い(high-build)無電解銅は、０．０７ミクロン／分よりはるかに速いレートで銅を堆積することができず、５０ミクロンの穴を充填するのに、ウェハ当たり約６時間を必要とする。

メッキされたプリントヘッドは図９に示され、各スルーホール２６は、ほぼ完全に銅３６で充填されて、それぞれの接触パッド１８の底面とＴに似た接合を形成するのが見られる。基板と接触パッドを貫通して機械加工し、その後、その内壁上のみをメッキするスルーホールと比較すると、Ｔ接合は、接触面積が大きいために、薄膜接触パッドに対するスルーホール導体の接合強度に優れている。図９の例において、スルーホールの直径は約５０ミクロンであり、アルミニウム−銅の接触パッドの厚さは約０．５ミクロンである。

電気メッキが終了した後、はんだマウンド３８が、基板の後面に塗布され（図１０）それぞれのはんだマウンドは、それぞれのスルーホール２６内の銅３６と接触する。ここで、保護皮膜２５の残りが、基板の前面から除去されて、薄膜加熱抵抗および導電性トレースがむき出しにされる。最後に、障壁層１２、ノズルプレート１４、およびインク供給スロット（図示せず）が、当業者に知られている、導入部で概説した従来の方法で形成されてもよい。

ここで、個々のプリントヘッドダイは、プリントヘッドダイが形成されているウェハから分離される。最終の個々のプリントヘッドダイが図１１（図１０のラインＸ−Ｘで切り取った断面に対応する）に示される。

ここで、プリントヘッドは、適当な基板、たとえば、カートリッジ本体４０（図１２）上に表面実装できるようになる。図１２において、カートリッジ本体４０は、フレキシブルプリント回路２２をすでに取り付けられており、プリントヘッド上のはんだマウンド３８は、可撓性梁２０を必要とすることなく、プリント回路上の導電性トラックのセットに直接接続される。封止材２４がやはり使用される。しかし、封止材２４は、接触パッド１８を覆い、障壁層１２およびノズルプレート１４の縁部まで延びるが、ノズルプレート１４を大幅に超えて延びることがない。図１１および図１２に見られるように、障壁層１２は、接触パッド１８を覆わない。通常、こうしたパッドは、従来のプリントヘッドのそれぞれの可撓性梁に接合するため、これは従来的である。しかしながら、本実施形態において、接続が、はんだマウンド３８を介して、基板１０の後面から行われるため、図１２の破線で示すように、障壁層１２がパッド１８を覆うようにすることが可能である。図示しないが、本体４０は、従来の方法で、カートリッジ本体のインク溜めからインクをプリントヘッドに供給するための、基板１０内のインク供給スロットと流体連通する孔を有する。

個々のプリントヘッドを個々のカートリッジ本体に取り付ける代わりに、上記方法によって作製されたプリントヘッドのアレイ１００を回路板１０２上に表面実装してもよい（図１３）。プリントヘッド／プリントヘッドアレイの試験が終了した後、不良プリントヘッドは、アレイから不良プリントヘッドのはんだを吸い取ることによって容易に除去されることができる。従来の技術では、これは非常に困難であった。

本発明は、本明細書で述べた実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく修正または変更されてもよい。

従来技術のインクジェットプリントヘッドの概略平面図である。 図１のラインＩＩ−ＩＩで切り取った図１のプリントヘッドの概略断面図である。 図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩで切り取った図１のプリントヘッドの概略断面図である。 フレキシブルプリント回路にくっつけられた、図１のプリントヘッドの概略平面図である。 図２の、くっつけられたプリントヘッドの概略断面図である。 本発明の一実施形態に従って、プリントヘッドを作製する連続するステップの１つを示す図である。 本発明の実施形態に従って、プリントヘッドを作製する連続するステップの１つを示す図である。 本発明の実施形態に従って、プリントヘッドを作製する連続するステップの１つを示す図である。 本発明の実施形態に従って、プリントヘッドを作製する連続するステップの１つを示す図である。 本発明の実施形態に従って、プリントヘッドを作製する連続するステップの１つを示す図である。 本発明の実施形態に従って、プリントヘッドを作製する連続するステップの１つを示す図である。 図１１のプリントヘッドを組み込むプリントカートリッジの概略断面図である。 回路板上に表面実装された、図１１のプリントヘッドアレイの図である。

Claims (17)

1. インクジェットプリントヘッドを作製する方法であって、
   第１および第２の対向する面を有する基板を設けること、
   前記基板の前記第１面上に複数の電気接点を形成すること、
   前記基板に複数のスルーホールを形成することであって、それぞれの前記スルーホールは、前記第１面上のそれぞれの前記電気接点の底面に接するように、前記基板の前記第２面から延びる、形成すること、および、
   それぞれの前記スルーホールを導電性材料で実質的に充填することを含む、インクジェットプリントヘッドを作製する方法。
2. 複数のインク射出素子を形成するステップをさらに含み、前記接点は、前記素子の選択的な駆動を可能にするように前記インク射出素子に接続される請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
3. 前記基板の前記第２面上にさらなる複数の電気接点を設けるステップをさらに含み、それぞれの前記電気接点は、それぞれの前記スルーホール内の導電性材料と接触する請求項１または２に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
4. 前記導電性材料は銅である請求項１、２、または３に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
5. 前記スルーホールは電気メッキで充填される請求項１から４のいずれか１項に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
6. 前記さらなる電気接点ははんだマウンドである請求項３、４、または５に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
7. 前記インク射出素子は、複数のインク射出チャンバおよび関連するインクジェットノズルを画定する、前記第１基板面上の構造を含む請求項２から６のいずれか１項に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
8. 前記第１電気接点は、前記構造の縁部を越えて露出する請求項７に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
9. 前記第１電気接点は前記構造で覆われる請求項７に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
10. 前記プリントヘッドは、前記基板上に略同時に形成されるような複数のプリントヘッドのうちの１つであり、方法は、前記基板を個々のプリントヘッドに分割することをさらに含む請求項１から９のいずれか１項に記載のインクジェットプリントヘッドを作製する方法。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法によって作製されるプリントヘッド。
12. 印刷デバイスであって、
    導電性トラックのセットを搭載する本体と、
    前記さらなる電気接点を、前記導電性トラックと直接電気接触させて、前記本体上に表面実装される、請求項３に記載の方法によって作製されるプリントヘッドとを備える印刷デバイス。
13. 前記本体は、前記プリントヘッド用のインク供給源を収容するプリントカートリッジ本体である請求項１２に記載の印刷デバイス。
14. 前記第１電気接点は、前記構造の縁部へ延びるが、前記構造の上にはほとんどない封止材によって覆われる請求項１３に記載の印刷デバイス。
15. 前記本体は、複数の前記プリントヘッドが表面実装される回路板である請求項１２に記載の印刷デバイス。
16. 請求項１２、１３、１４、または１５に記載の印刷デバイスを含むインクジェットプリンタ。
17. インクジェットプリントヘッドであって、
    第１および第２の対向する面を有する基板と、
    前記基板の前記第１面上の複数の電気接点と、
    前記基板の複数のスルーホールであって、それぞれが、前記第１面上のそれぞれの前記電気接点の底面に接するように、前記基板の前記第２面から延びる、複数のスルーホールと、
    それぞれの前記スルーホールを実質的に充填する導電性材料とを備えるインクジェットプリントヘッド。

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