JP2007326340A - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低加重で液体吐出基板の裏面とバンプを熱抵抗の少ない状態で接合し放熱性に優れた安価なインクジェット記録ヘッドを提供することにある。
【解決手段】 記録素子基板の裏面と配線部材や放熱部材とを金属バンプにより接合し熱的な接続を行う構成のヘッドにおいて、金属バンプと記録素子基板裏面との間に熱伝導樹脂を充填させて接合することにより記録素子基板と金属バンプの接合界面の熱抵抗を減少させ記録素子基板から配線部材や放熱板への放熱特性を向上させる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、インク等の記録液を吐出して記録動作を行う記録装置、この記録装置に適用される記録ヘッド、この記録ヘッドに適用される記録素子基板に関するものである。なお、本発明は、一般的なプリント装置のほか、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリント部を有する各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用記録装置に適用することができる。

インクジェット記録装置は、いわゆるノンインパクト記録方式の記録装置であり、高速な記録と様々な記録媒体に対して記録することが可能であって、記録時における騒音がほとんど生じないといった特徴を持つ。このようなことからインクジェット記録装置は、プリンタ、ファクシミリ、及び複写機などの記録機構を担う装置として広く採用されている。

このインクジェット記録装置における代表的なインク吐出方式としては、電気熱変換素子を用いた方式がある。この方式は、微小な吐出口から微少な液滴を吐出させて、記録媒体に対し記録を行うものとなっており、一般に、液滴を形成するためのインクジェット記録ヘッドと、このヘッドに対してインクを供給する供給系と電気的エネルギーを与える電気回路基板とから構成される。

電気熱変換素子を用いたインクジェット記録ヘッドは、電気熱変換素子を記録液室内に設け、これに記録信号となる電気パルスを与えることにより記録液に熱エネルギーを与え、そのときの記録液の相変化により生じる記録液の発泡時（沸騰時）の気泡圧力を記録液滴の吐出に利用したものである。さらに電気熱変換方式を用いたインクジェット記録ヘッドの場合、電気熱変換素子が配列された基板に対して平行に記録液を吐出させる方式（エッジシューター）と電気熱変換素子が配列された基板に対して垂直に記録液を吐出させる方式（サイドシュータ）とがある。

これらのインクジェット記録ヘッドは、たとえば、液体吐出基板は、インクを供給する支持部材に接着剤で固定され、かつ、液体吐出基板のインク供給孔と支持部材の供給穴は、密着、密閉されインクを供給する。さらに、液体吐出基板の温度上昇によりインクの吐出性能が低下しないように、支持部材は、アルミナなど液体吐出基板と同等の熱伝導率を有する材料で形成されている。

ところで、近年、フォトプリンタと呼ばれる、複数の色インクを用いて写真のような色空間を高速度に表現できるようなプリンターが販売されている。そこで、ノズルの数も倍増の一途を歩み、たとえば、合計５３７６本といったノズルを配列した高密度ヘッドも開発され、カラーで約１２枚／分のプリントスピードが実現している。さらに、解像度も、倍増の一途を歩み、例えば、４８００×２４００ｄｐｉなどの高解像度が図られている。そして、例えば、２ｐｌのインク滴を正確に吐出し、粒状感を感じさせない階調表現も図られている。このような状況のもと、更なる高解像度、高速度のプリンタを達成する、インクジェット記録ヘッドが望まれている。一方、プリンタの低価格化も進んでおり、更なる高解像度、高速度を同一の価格で達成することが望まれている。

したがって、液体吐出基板において、ノズル数の増加による高速化と、ノズルピッチの狭化による高解像度化と、チップ寸法のシュリンクによるコストダウンが望まれている。しかしながら、シュリンクされた液体吐出基板では、前述の支持部材との接着面積が減少し、液体吐出基板から支持部材への熱伝導が低下し、著しい温度上昇によりインクの吐出性能に悪影響が生じやすい。

液体吐出基板の放熱を向上させる構造として、例えば、特開２００２−３１６４１９ インクジェットプリントヘッドが、提案されている。このインクジェットプリントヘッドは、図１２に示されるように、ガラス基板１１５の上面に金属膜１１６を形成し下面にも金属膜１１７を形成し、上面の金属膜１１６上に絶縁膜１２５、発熱抵抗体膜１２６、発熱抵抗体１２６ａ、個別配線電極１２７、共通電極１２８、隔壁１２９、及びインク吐出孔１３２を備えたオリフィス板１３１を順次積層して、ガラス基板１１５にはインク供給溝１３３及びインク供給孔１３４を穿設してヘッド部を形成する。更にスルーホール１２３を穿設し、その内壁に金属膜１２４を形成してこの金属膜１２４により基板両面の金属膜１１６及び１１７を熱結合する。更に下面の金属膜１１７を介してインクジェットプリントヘッド１３５全体をダイボンデング剤１３６により放熱板１３７にダイボンデングする。上面の印字部で発生する熱は金属膜１１６、１２４、１１７と伝導し、放熱板１３７を介して外部に放散される。しかしながら、シュリンクされた基板では、下面の金属膜１１７の面積が減少するため、放熱板１３７への放熱効果が低下してしまう。

一方、裏面に電極を設けた構造として、特開平１１−１９２７０５には、スケーラブルなワイドアレイインクジェットプリントヘッドおよびその製作方法が、提案されている。このヘッドは、図１３、図１４に示されるように、複数のシリコンを材料としたプリントヘッドダイ２１８の裏面が、支持基板２２０の第１の面に装着され、複数の駆動回路２３０と複数の論理回路が、セラミックを材料とした支持基板２２０の第２の表面に装着されている。電気制御信号は、駆動回路２３０、論理回路に、支持基板２２０を介して供給され、支持基板２２０の貫通開口部２１０、濡れ金属２７６、はんだ２７８、濡れパッド２６８、プリントヘッドダイ２１８のテーパー状に開口した相互接続２８０、表面の導電性パターン２０７を通じて、表面の印刷要素２２４に電気エネルギーが与えられ、さらに、プリントヘッドダイ２１８の表面のノズル開口部２３８より、インクを吐出する。また、インクは、複数の駆動回路２３０と複数の論理回路を避けて開口された、支持基板２２０のインク補充スロット２３２から供給され、プリントヘッドダイ２１８のテーパー状に開口したインク補充流路２４２、供給流路２４４、ノズルチャンバ２３６へ供給される。ここで、相互接続２８０とインク補充流路２４２は、例えば、テトラメチル水酸化アンモニウムエッチングにより形成されるため、テーパー形状となる。この構造では、プリントヘッドダイ２１８の裏面の濡れパッド２６８から、はんだ２７８を介して支持基板２２０の第１の面の濡れ金属２７６に熱を伝導することができ、はんだ２７８による金属結合のため、前述の一般に樹脂分を含むダイボンデング剤を利用した結合より熱伝導性が優れている。
特開２００２−３１６４１９号公報 特開平１１−１９２７０５号公報

しかしながら、はんだバンプは高温で接続しなけれならず液体吐出基板の液体吐出ノズルが樹脂で形成されている場合には樹脂の耐熱温度以上では使用できないまた超音波を用いてバンプを接合する場合も液体吐出基板に形成されている半導体素子にダメージを与えたりまた液体吐出ノズルの表面に傷を発生させたり液体吐出基板と液体吐出ノズルを剥離させるといった問題が生じることがあった。そのため液体吐出基板とバンプの接合は圧着方式が適しているが低加重で液体吐出基板の裏面とバンプを熱的に良好に接続することは非常に困難である。

本発明の目的は、上記各問題を解決し、低加重で液体吐出基板の裏面とバンプを熱抵抗の少ない状態で接合し放熱性に優れた安価なインクジェット記録ヘッドを提供することにある。さらには、その記録ヘッドの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の液体吐出記録ヘッドは、表面側に電気信号に応じて液体吐出口から液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生手段を備え、裏面側に液体供給口と電極を備えた液体吐出基板と、液体吐出基板からの熱を放熱させるための放熱部材と、前記放熱部材を保持し、前期液体吐出基板に液体を供給する液体供給口を有した保持部材とを備え、液体吐出基板の裏面と前記放熱部材とをバンプを接合させて熱的な接続を行うインクジェット記録ヘッドでありバンプと前記液体吐出基板との間に熱伝導性樹脂が充填されており、液体吐出基板の裏面と放熱部材との間に接着性を有する樹脂が充填されていることを特徴とする。

また前記バンプ表面には凹部が形成されておりバンプの凹部と液体吐出基板の間に熱伝導性樹脂が充填されていることを特徴とする。

またバンプの表面全体が熱伝導性樹脂で覆われていることを特徴とする。

さらに前記複数のバンプを形成しその表面の一部または全部をフラット化した後に前記熱伝導性樹脂をバンプ表面に塗布しその後バンプと液体吐出基板を接合することを特徴とする製造方法でありまた前記複数のバンプを形成しその表面の一部または全部をフラット化した後に前記熱伝導性樹脂をバンプ表面に塗布しその後バンプと液体吐出基板を接合しバンプ外周部を封止樹脂で覆うことを特徴とする製造方法でありさらに前記複数のバンプを形成しその表面の一部または全部をフラット化するツールに前記熱伝導性樹脂を塗布しバンプをフラット化する際にバンプ側に熱伝導樹脂を転写することを特徴とする製造方法である。

上記のように構成された本発明においては、小さな記録素子基板でも放熱性に優れ、安価なインクジェット記録ヘッドを提供することが可能である。

（実施例１）
以下に、本発明の実施例について、図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例の記録ヘッド全体を示す外観斜視図である。

図２は図１の記録ヘッドに使用される記録素子基板の概略斜視図であり、図３は図２を部分的に拡大した斜視図である。

図４は図１におけるＡ−Ａ断面を表す模式図であり、電極近傍の断面図となっている。図５は図１におけるＢ−Ｂ断面を表す模式図であり、図６は図１におけるＣ−Ｃ断面を表す模式図である。

図７は図６のＤ部の拡大詳細図である。

図１〜７において、Ｈ１１００は記録素子基板、Ｈ１２００は保持部材、Ｈ１３００はフレキシブル配線基板、Ｈ１５００はインク供給部材である。

記録ヘッドＨ１００１は、インクジェット記録装置本体に載置されているキャリッジ（不図示）の位置決め手段及び電気的接点によって固定支持される。インクタンク（不図示）は記録ヘッドＨ１００１に対して着脱自在であり、インクタンクが交換可能となっていることにより、インクジェット記録装置における印刷のランニングコストが低減される。

まず記録素子基板Ｈ１１００は図２、図３に示すように記録液・インクを吐出するための吐出口Ｈ１１０７が開口しており、吐出口Ｈ１１０７が複数列をなすことで、吐出口列Ｈ１１０８を形成している。吐出口列Ｈ１１０８の裏面側には記録液を供給するための液体供給口Ｈ１１０２が、吐出口列Ｈ１１０８の長さとほぼ等しい長さで開口している。液体供給口Ｈ１１０２からの記録液は発泡室Ｈ１１０９に入り、電気熱変換素子Ｈ１１０３によって、記録液が発泡し、吐出口Ｈ１１０７から記録液の吐出が行われることとなる。また記録素子基板の端部には電気的な信号を送るための複数の電極Ｈ１１０４が形成されている。電極Ｈ１１０４からは、記録素子基板を貫通する不図示の貫通配線が設けられ、記録素子基板の裏面側に形成される裏面電極Ｈ１１２４へと配線がつながっている。

上述したが、図４、図５に示すように、記録素子基板Ｈ１１００の端部には、電気信号を送るための電極等が形成されている。記録素子基板Ｈ１１００には、レーザーやエッチング等で形成された貫通スルホールＨ１１２０が開いていて、記録素子基板Ｈ１１００の表面の電気配線を裏面電極Ｈ１１２４につなげる貫通配線が形成されている。

記録素子基板Ｈ１１００の下には、フィルム状の配線部材として本実施例ではフレキシブル配線基板Ｈ１３００を配置した、フレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５により形成された電極端子Ｈ１３０２上に、バンプＨ１１０５が形成されている。さらにバンプＨ１１０５と裏面電極Ｈ１１２４が接合することで、電気的接続がなされ、記録液を吐出するのに必要な電力や電気的信号が、フレキシブル配線基板から記録素子基板へ供給される。電気接合部は、封止剤（あるいは接着剤）Ｈ１３１１により封止されており、電気接合部を、記録液による腐食や、耐衝撃などから保護している。

フレキシブル配線基板Ｈ１３００の下には保持部材Ｈ１２００が設けられていて、保持部材Ｈ１２００とフレキシブル配線基板Ｈ１３００とは接着剤Ｈ１３１０により接合されている。

図６に示すように、保持部材Ｈ１２００には液体供給口Ｈ１２０１が、フレキシブル配線基板Ｈ１３００には液体供給穴Ｈ１３０１が形成されている。保持部材Ｈ１２００の液体供給口Ｈ１２０１と、フレキシブル配線基板Ｈ１３００の液体供給穴Ｈ１３０１と、記録素子基板Ｈ１１００の液体供給口Ｈ１１０２とが連通することで、第１の液体供給部材Ｈ１５００から供給された記録液が、記録素子基板Ｈ１１００まで供給されることとなる。図６に示すバンプＨ１１０５は電気的な信号を送るのに用いても良いが、記録素子基板Ｈ１１００が吐出により発生する熱をフレキシブル配線基板Ｈ１３００を通して、保持部材Ｈ１２００へと逃がす放熱目的で使用しても良い。

本実施例ではこのバンプＨ１１０５と記録素子基板Ｈ１１００との熱的な接続をよくしたものであり、図７にその構成を示した。

図７の構成ではまずフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５の上にバンプＨ１１０５を超音波ボンディングにより形成しその後バンプ表面をプレスして表面を平らにしその表面に熱伝導樹脂Ｈ１３１２を（銀ペースト）塗布し記録素子基板Ｈ１１００をのせ圧着し、最後に記録素子基板Ｈ１１００の周囲から記録素子基板Ｈ１１００とフレキシブル配線基板Ｈ１３００の間に封止剤Ｈ１３１１を流し込む構成とした。

この構成によると記録素子基板Ｈ１１００とバンプＨ１１０５とは熱伝導樹脂Ｈ１３１２を介して接続されるため記録素子基板Ｈ１１００とバンプＨ１１０５の間の熱抵抗を十分に小さくすることができるため記録素子基板Ｈ１１００からフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５への熱伝導が良好に行える。

またこのバンプ接続の製造方法としては不図示ではあるがまずフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５の上にバンプＨ１１０５を超音波ボンディングにより形成しその後バンプ表面をフラット化ツールでプレスして表面を平らにする。そして図１１（ａ）に示すようにフラット化ツールＨ１４００の表面に熱伝導樹脂Ｈ１３１２をほぼ均一な厚さに塗布しフラット化ツールをバンプ表面に押し当てる（図１１（ｂ））その後フラット化ツールを除去するとバンプ上に熱伝導樹脂Ｈ１３１２がバンプ上に転写される。（図１１（ｃ））従って記録素子基板をバンプ上に配置し圧接することにより記録素子基板とバンプが接合され記録素子基板Ｈ１１００の周囲から記録素子基板Ｈ１１００とフレキシブル配線基板Ｈ１３００の間に封止剤Ｈ１３１１を流し込むことにより完成する。この製造方法によってひとつのツールでバンプ表面のフラット化と熱伝導樹脂の塗布が行えるため製造工程が簡略化される。

（実施例２）
以下に、本発明の他の実施例について、図を用いて説明する。

図８は図７と同様に図６におけるＤ部の拡大詳細図である。

本実施例ではバンプＨ１１０５と記録素子基板Ｈ１１００との接続界面の表面に凹部を形成しその中に熱伝導樹脂Ｈ１３１２を充填させ記録素子基板との接続を行うものである。

この構成ではまずフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５の上にバンプＨ１１０５を超音波ボンディングにより形成しその後バンプ表面をプレスして表面に図に示すような凹形状を形成する（この凹形状形成は一度バンプ表面をプレスで平坦化した後に行っても良い）
そしてその凹部に熱伝導樹脂Ｈ１３１２を（銀ペースト）塗布し記録素子基板Ｈ１１００をのせ圧着し、最後に記録素子基板Ｈ１１００の周囲から記録素子基板Ｈ１１００とフレキシブル配線基板Ｈ１３００の間に封止剤Ｈ１３１１を流し込む構成とした。

この構成によると、バンプＨ１１０５の表面に凹形状が形成されているため熱伝導樹脂Ｈ１３１２が確実にバンプＨ１１０５上に塗布することができるとともにバンプＨ１１０５と記録素子基板Ｈ１１００を接合した際にも十分な量の熱伝導樹脂Ｈ１３１２をバンプＨ１１０５上に保持することが可能となりまたバンプＨ１１０５への密着性も十分得ることができる。

したがって、記録素子基Ｈ１１００とバンプＨ１１０５の接続部の熱抵抗を十分小さくすることができるため、記録素子基板Ｈ１１００からフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５への高い熱伝導性を得ることができる。

なお、バンプＨ１１０５の表面に形成する凹部Ｈ１１０６は簡易な形状で熱伝導樹脂Ｈ１３１２を保持できる形状であればどんな形状でもよく形状例を図９に示す。

（実施例３）
以下に、本発明の他の実施例について、図を用いて説明する。

図１０は図７と同様に図６におけるＤ部の拡大詳細図である。

本実施例ではバンプＨ１１０５と記録素子基板Ｈ１１００との接続界面に熱伝導樹脂Ｈ１３１２を充填させさらにバンプＨ１１０５の全表面を熱伝導樹脂Ｈ１３１２で覆い記録素子基板Ｈ１１００との接続を行うものである。

この構成ではまずフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５の上にバンプＨ１１０５を超音波ボンディングにより形成しその後バンプ表面をプレスして表面を平坦化しバンプＨ１１０５全体を覆うように熱伝導樹脂Ｈ１３１２を（銀ペースト）塗布し記録素子基板Ｈ１１００をのせ圧着し、最後に記録素子基板Ｈ１１００の周囲から記録素子基板Ｈ１１００とフレキシブル配線基板Ｈ１３００の間に封止剤Ｈ１３１１を流し込む構成とした。

この構成によると、バンプＨ１１０５と記録素子Ｈ１１００との接続界面だけではなくバンプＨ１１０５の全表面が熱伝導性樹脂Ｈ１３１２に覆われているため見かけ上バンプの断面積が増やしたことと同じになるため記録素子基板Ｈ１１００からフレキシブル配線基板Ｈ１３００の配線層Ｈ１３０５の熱抵抗を減らすことができ良好な熱伝導特性を得ることができる。

本発明の実施例に用いられる記録ヘッドの外観斜視図 本発明の記録ヘッドに用いられる記録素子基板の全体概略を示す斜視図 本発明の記録ヘッドに用いられる記録素子基板の詳細を示す斜視図 本発明の実施例に用いられる記録ヘッドのＡ−Ａ断面図 本発明の実施例に用いられる記録ヘッドのＢ−Ｂ断面図 本発明の実施例に用いられる記録ヘッドのＣ−Ｃ断面図 本発明の第１の実施例を示す断面図 本発明の第２の実施例を示す断面図 本発明の第２の実施例の第２の形態を示す断面図 本発明の第３の実施例を示す断面図 （ａ），（ｂ），（ｃ）：本発明の製造方法を説明するための断面図平面図 従来例を示す記録ヘッドの上面図と断面図 別の従来例を示す記録ヘッドの構成を示す外観斜視図 別の従来例を示す記録ヘッドの構成を示す模式断面図

符号の説明

Ｈ１００１、Ｈ１００１′ 記録ヘッド
Ｈ１１００ 記録素子基板
Ｈ１１０１ 一体型の記録素子基板
Ｈ１１０２ 液体供給口
Ｈ１１０３ 電気熱変換素子
Ｈ１１０４ 電極
Ｈ１１０５ バンプ
Ｈ１１０６ 液体流路壁
Ｈ１１０７ 吐出口
Ｈ１１０８ 吐出口列
Ｈ１１１０ Ｓｉ基板
Ｈ１１２０ 貫通スルホール
Ｈ１１２２ 貫通配線
Ｈ１１２４ 裏面電極
Ｈ１２００、Ｈ１２００′保持部材
Ｈ１２０１、Ｈ１２０１′液体供給口
Ｈ１３００ フレキシブル配線基板
Ｈ１３０１ 液体供給穴
Ｈ１３０２ 電極端子
Ｈ１３０３ 外部信号入力端子
Ｈ１３０４ ベースフィルム
Ｈ１３０５ 配線層
Ｈ１３０６ カバーフィルム接着剤
Ｈ１３０７ カバーフィルム
Ｈ１３１０ 接着剤
Ｈ１３１１ 封止剤
Ｈ１３１２ 熱伝導樹脂
Ｈ１４００ フラット化ツール
Ｈ１５００ 第１の液体供給部材
Ｈ１５０１、Ｈ１５０１′装着ガイド
Ｈ１５０２ 液体供給口
Ｈ１６００ 第２の液体供給部材
Ｈ１６０１ 液体流路
Ｈ１７００ フィルター
Ｈ１８００ シールゴム
Ｈ１９００ インクタンク
１０１ 液体吐出基板
１０２ 液体吐出基板
１０３ 電気配線部材
１０４ オリフィスプレ−ト
１０５ 吐出口
１０６ 液体吐出基板のインク供給口
１０７ バンプ
１０８ リ−ド電極
１０９ 保持部材のインク供給口
１１０ 封止剤
１１１ 接着剤
２１０ ワイドアレイインクジェットペン
２１２ ワイドアレイプリントヘッド
２１４ ペン本体
２１６ 内部チャンバ
２１８ プリントヘッド
２２０ 支持基板
２３０ 駆動回路
２３８ ノズル開口部
２４２ インク供給口

Claims (8)

1. 表面側に電気信号に応じて液体吐出口から液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生手段を備え、裏面側に液体供給口と電極を備えた液体吐出基板と、
   液体吐出基板からの熱を放熱させるための放熱部材と、
   前記放熱部材を保持し、前期液体吐出基板に液体を供給する液体供給口を有した保持部材とを備え、
   液体吐出基板の裏面と前記放熱部材とをバンプを接合させて熱的な接続を行うインクジェット記録ヘッドにおいて
   バンプと前記液体吐出基板との間に熱伝導性樹脂が充填されており、液体吐出基板の裏面と放熱部材との間に接着性を有する樹脂が充填されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記バンプ表面には凹部が形成されておりバンプの凹部と液体吐出基板の間に熱伝導性樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. バンプの表面全体が熱伝導性樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記熱伝導性樹脂が銀ペーストであることを特徴とする請求項１〜３に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記熱伝導性樹脂が金属フィラーを多量に含んだ樹脂であることを特徴とする請求項１〜３に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記複数のバンプを形成しその表面の一部または全部をフラット化した後に前記熱伝導性樹脂をバンプ表面に塗布しその後バンプと液体吐出基板を接合することを特徴とする請求項１〜５に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
7. 前記複数のバンプを形成しその表面の一部または全部をフラット化した後に前記熱伝導性樹脂をバンプ表面に塗布しその後バンプと液体吐出基板を接合しバンプ外周部を封止樹脂で覆うことを特徴とする請求項１〜６に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
8. 前記複数のバンプを形成しその表面の一部または全部をフラット化するツールに前記熱伝導性樹脂を塗布しバンプをフラット化する際にバンプ側に熱伝導樹脂を転写することを特徴とする請求項１〜５に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。

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