JP2008513221A - フレキシブル回路のはんだ付け - Google Patents

Abstract

フレキシブル回路（１８０）が微小電気機械的構造体にはんだ付けされる用途において、はんだの流動を制御するための技術が提供される。金属層（１７０）が、基材上に形成される。はんだマスク（１９５）が、この金属層（１７０）の上に形成され、その結果、金属層（１７０）の一部がマスク（１９５）によって覆われ、そして一部は、露出したままにされる。フレキシブル回路（１８０）は、金属層（１７０）が露出している領域の少なくともいくらかにおいて、金属層（１７０）にはんだ付けされる。

Description

本発明は、デバイス（例えば、プリントヘッドアクチュエータ）に対する電気接点へのフレキシブル回路のはんだ付けに関する。

インクジェットプリンターは、インクを受容媒体上に選択的に堆積させることによって、画像を形成する。従来のインクジェットプリンターシステムにおいて、インクは、インク貯蔵ユニット（例えば、インクレザバまたはカートリッジ）に貯蔵され、そしてこの貯蔵ユニットから、図１に示されるようなプリントヘッド１００へと方向付けられる。プリントヘッド１００において、インクは、インクポンプ送りチャンバ１２０内へ、ノズル１３０へと流動し、このノズルにおいて、インクが排出される。代表的に、このプリントヘッドは、アクチュエータを備え、このアクチュエータは、強制的に、インクをノズル１３０に通してプリントヘッド１００から出す。２つの通常の型のアクチュエータとしては、抵抗加熱アクチュエータおよび圧電アクチュエータが挙げられる。圧電アクチュエータ１５０において、圧電材料１６５の層が、インクポンプ送りチャンバ１２０に隣接して形成され得る。圧電材料１６５にわたって電圧を印加すると、この圧電材料が屈曲または変形し、そして圧電材料１６５の変形は、圧力波を、インクポンプ送りチャンバ１２０を通して伝播させ、ノズル１３０から受容媒体へとインクを押す。代表的に、電極１６０、１７０は、圧電層１６５のいずれかの層に形成されて、電圧が層１６５にわたって印加されることを可能にする。

いわゆる「ドロップオンデマンド（ｄｒｏｐ ｏｎ ｄｅｍａｎｄ）」プリンターにおいて、複数の流路１０８ａおよび１０８ｄ（図２において想像で示される）ならびに付随するノズル１３０が、単一のプリントヘッド１００に形成され得、そして各ノズル１３０は、個々に起動され得る。従って、特定のノズルからのインクの液滴が望まれる場合にのみ、このノズルが発射する。このプリントヘッド上の特定のアクチュエータを起動するために、代表的に、電気信号が、そのアクチュエータに個々に通信される。この電気信号は、このプリントヘッドに接続されたフレキシブル回路によって、このアクチュエータと通信し得る。

（要旨）
一般に、１つの局面において、本発明は、第一の電極および第二の電極、ならびにこれらの電極の間に配置された圧電層を備える、アクチュエータを特徴とする。マスクが、この第一の電極上に形成され、このマスクは、この第一の電極の第一の部分に隣接する。はんだ材料が、この第一の電極によって支持され、そしてこの第一の電極の第二の部分に隣接する。この第一の電極の第一の部分は、この第一の電極の第二の部分と重ならず、そしてこのマスクは、このはんだ材料が融解する場合に、このはんだ材料によって実質的に濡らされない材料を含有する。

このマスクは、酸化物材料を含有し得る。このマスクは、約０．１ミクロンと２ミクロンとの間の厚さ（例えば、約０．５ミクロン）であり得る。このはんだ材料は、集積回路に、これらの電極を電気的に接続し得る。このアクチュエータは、フレキシブル回路に取り付けられ得る。第一の部分は、第二の電極がデバイスに結合される場合にこのデバイスの位置に対応し得る。

別の局面において、本発明は、微小電気機械的デバイスを形成する方法を特徴とする。この方法は、アクチュエータを基材の上表面に形成する工程を包含し、このアクチュエータは、圧電層、第一の電極および第二の電極を備える。はんだマスクが、この第一の電極上に形成され、その結果、この第一の電極の第一の部分は、環境に対して露出され、そしてこの第一の電極の第二の部分は、はんだマスクによって覆われる。はんだが、この第一の電極の第一の部分において、この第一の電極に塗布される。フレキシブル回路が、このはんだに接触される。このはんだは、加熱されて、このはんだに、フレキシブル回路を第一の電極と電気的に接触させ、はんだマスクは、このはんだが加熱される場合に、このはんだが第一の部分を流動することを防止する。

特定の実施形態は、以下の利点のうちの１つ以上を含み得る（または含まない）。はんだマスクをプリントヘッドのポンプ送りチャンバ上に形成することによって、このポンプ送りチャンバ上を流動するはんだの量が、減少し得る。アクチュエータ上のはんだの層は、このアクチュエータを非常に硬く、そして起動を困難にし得る。さらに、アクチュエータ上のはんだの層は、このアクチュエータの質量を増加させ得る。従って、各ポンプ送りチャンバ上のはんだの量を減少させることによって、流路から流路へ、そしてプリントヘッドからプリントヘッドへの、アクチュエータの質量および弾性率の均一性が、改善され得る。このことは、アクチュエータ特徴の均一性（例えば、駆動特徴）を直接改善し得る。従って、はんだを活性領域から離すことによって、流路間とプリントヘッド間との両方での均一な駆動特徴の維持に寄与し得る。はんだマスク（例えば、酸化物）の非常に薄い層は、アクチュエータの特徴をほとんどか変化させないことが可能である。マスク材料は、少なくともいくつかの型の融解はんだを、この酸化物から離して濡れ性のある材料（例えば、金属）の方へと流動させる傾向を有し得る。はんだマスクの大きさおよび位置の制御は、はんだマスクなしで融解したはんだを制御するよりも、容易であり得る。はんだマスクの追加によって引き起こされる、アクチュエータの性能における任意の変化が、均一に制御され得る。はんだの流動の制御はまた、プリントヘッドの電気的短絡を防止し得る。本発明の１つ以上の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の明細書に記載される。本発明の他の特徴、目的および利点は、本明細書および図面、ならびに特許請求の範囲から、明らかになる。

同じ参照記号は、種々の図において、同じ要素を示す。

（詳細な説明）
はんだがアクチュエータ上で融解される場合に、このはんだの位置を制御するための技術が提供される。この技術は、集積回路を微小電気機械的デバイス（例えば、インクジェットプリンター）のアクチュエータに接続するために使用される、はんだの流動を制御するために実施され得る。

図３を参照すると、プリントヘッド１００は、基材１０５を備え、この基材に、複数の流路１０８が形成される。１つの流路１０８は、インク入口１４２、アセンダー（ａｓｃｅｎｄｅｒ）１３５、ポンプ送りチャンバ１２０、デセンダー（ｄｅｓｃｅｎｄｅｒ）１３８およびノズル１３０を備え得る。圧電アクチュエータ１５０が、基材１０５によって支持される。アクチュエータ１５０は、ポンプ送りチャンバ１２０をシールする膜１４０を備え得る。アクチュエータ１５０は、下電極１６０、圧電層１６５および上電極１７０を備え得る。電極１６０、１７０は、約２ミクロン以下の厚さ（例えば、約０．５ミクロン）であり得る。圧電層１６５は、約１ミクロンと２５ミクロンとの間の厚さ（例えば、約８ミクロンから約１８ミクロンの厚さ）であり得る。電極１６０、１７０は、伝導性材料（例えば、金属（例えば、銅、金、タングステン、スズ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、チタン、白金、ニッケル、ニッケルクロム合金）または金属の組み合わせ）から形成される。信号が、アクチュエータ１５０を電気的に作動させるために、電極１６０、１７０に提供され得る。電極分離ギャップ１７２は、上電極１７０を下電極１６０から分離し得る。

切り口１７６は、個々のアクチュエータを分離し、そして電極を接続することを可能にする。第一の切り口（図示せず）は、１つの流路の上のアクチュエータを、隣接する流路の上のアクチュエータから分離し得る。アクチュエータ１５０における第二の切り口１７６は、隣接するアクチュエータを分離し得る。さらに、第二の切り口１７６は、アクチュエータの大きさを減少させ得、その結果、このアクチュエータは、各対応する流路の一部を覆うのみである。これらの切り口は、アクチュエータの間の混線を減少させ得る。

図４を参照すると、アクチュエータは、内部に流路特徴が形成された基材１０５に形成される。このアクチュエータは、任意の適切な方法によって形成され得る。１つの特定の方法が、以下に記載される。最初に、圧電層１６５および下電極が、基材１０５の背面に適用され得る。１つの実施形態において、圧電層１６５は、金属で金属化され、この金属は、引き続いて、下電極１６０を形成する。圧電層１６５は、セラミックの生シートまたは好ましい圧電材料から形成され得る。この金属は、スパッタリングによって堆積させられ得る。堆積のための金属としては、銅、金、タングステン、スズ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、チタン、白金、ニッケル、ニッケルクロム合金、またはこれらの金属の２種以上の組み合わせが挙げられ得る。次いで、圧電層１６５は、例えば、接着剤を用いて、または２つの金属の間での共融結合によって、基材上に結合される。別の実施形態において、基材１０５は、金属化され、そして圧電層１６５は、この金属層上に、例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）、ゾルゲル適用、セラミックの生シートの結合または別の適切な堆積プロセスによって、形成される。

次いで、切り口１７６が、圧電層１６５に形成される。切り口１７６は、圧電層１６５に、切り込まれ得るか、さいの目に切られ得るか、鋸で切られ得るか、またはエッチングされ得る。切り口１７６は、下電極１６０および圧電層１６５内へと延び得る。圧電層１６５は、例えば、減圧蒸着（例えば、スパッタリング）により金属化されて、圧電層１６５に、上電極１７０、下電極接触領域１６２、およびバイア１２３を形成し得る。頂部の金属化は、切り口１７６および電極分離ギャップ１７２の金属を除去するように、パターン付けされ得る。

図５Ａを参照すると、はんだマスク１９５を備えるプリントヘッド１００が示される。はんだマスク１９５は、上電極１７０上に、ポンプ送りチャンバ１２０に重なる上電極１７０の第一の領域１９４を覆って形成される。はんだマスク１９５の縁部は、第一の領域１９４の縁部まで延び得るか、または第一の領域１９４を超えて延び得る。１つの流路から次の流路へと、はんだマスク１９５の広がりは均一に保たれ、流路の間の均一性を改善する。はんだマスク１９５は、約０．１ミクロンと５ミクロンとの間（例えば、約０．５ミクロン）の厚さを有し得る。はんだマスクは、上電極１７０の少なくともいくらかを覆うように構成される。１つの実施形態において、はんだマスク１９５は、図５Ｂに示されるように、はんだまたは下電極接触領域１６２の位置を制御するように構成される。

はんだマスク１９５を形成するために、このマスクを作製するために使用される材料の層が、上電極１７０上に、例えば、プラズマ増強化学蒸着技術によって、堆積させられる。はんだマスク１９５は、酸化物（例えば、酸化ケイ素）から形成され得る。光パターン付け可能な材料またはフォトレジストが、はんだマスク材料の表面に塗布される。マスクは、ポンプ送りチャンバ１２０上の領域１９４に対応するフォトレジスト上に提供される。このフォトレジストは、露光および現像される。はんだマスク材料が、例えば、乾式エッチングプロセスによって、このフォトレジストによってもはや覆われていない領域において、エッチングされる。誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングが、はんだマスク材料の露出した部分をエッチングするために使用され得るエッチングプロセスの一例である。はんだマスク材料がエッチングされた後に、残りの材料は、ポンプ送りチャンバ１２０に重なる領域１９４に実質的に閉じ込められる。次いで、残りのフォトレジストが、上電極１７０から除去される。

図６を参照すると、膜１４０の一部の平面図であり、上電極１７０、露出した圧電層１６５、下電極接触領域１６２、はんだマスク１９５および切り口１７６を備える。

図７を参照すると、はんだ１９０は、無得電極１７０に塗布される。はんだ１９０は、マスクを通して基材に載せられ得る。はんだ１９０は、上電極１７０に塗布されて、上電極１７０のための電気的接点を形成する。はんだ１９２は、下電極接触領域１６２に塗布されて、下電極１６０への電気的接点を形成する。このはんだは、伝導性材料（例えば、金属であり、スズおよび鉛が挙げられる）を含有し、このはんだは、この金属を流動させて、別の伝導性材料（例えば、上電極１７０および下電極１６０）への電気的結合を形成させる温度まで、加熱され得る。

図８を参照すると、集積回路（例えば、フレキシブル回路１８０に取り付けられた集積回路）が、上電極１７０および下電極１６０に電気的に接続される。このフレキシブル回路は、集積回路に電気的に接続される、接触パッドを備え得る。これらの接触パッドは、このフレキシブル回路が、上電極１７０および下電極１６０と電気的に接続されることを可能にする。１つの実施形態において、上電極接触パッドは、駆動電力を提供し、一方で、下電極パッドは、地面に電気的に接続される。

フレキシブル回路１８０および基材１０５は、熱サイクル（例えば、約１８３℃）に通されて、はんだを流動させる。融解したはんだは、電極と接触パッドとの両方への結合を形成する。従って、電極は、接触パッドを通して、集積回路に伝導的に接続される。はんだマスク１９５は、融解したはんだが、マスク１９５上を流動することを防止する。なぜなら、はんだマスク１９５は、はんだ１９０によって濡らされないからである。はんだが、そのはんだが流動する温度未満の温度まで戻ると、このはんだは、固体形態に戻る。

フレキシブル回路を結合する前に、はんだマスクをアクチュエータ上に形成することは、このマスクが、このはんだが融解する場合にこのはんだの位置を制御し得る点で、有利であり得る。酸化物層なしでは、このはんだは、制御されない様式で、アクチュエータ上に広がり得る。このアクチュエータのいくつかの部分（例えば、上電極および下電極）において、切り口が、絶縁層に切り込まれる。１つの実施形態において、はんだマスクは、切り口１７６に適用され得る。絶縁されるべき層をはんだが接続させる領域にはんだが流動する場合、電気的短絡が生じ得る。これらの領域のはんだマスクは、電極の間での（例えば、電極分離ギャップ１７２における）短絡を防止し得る。

はんだマスクは、アクチュエータの、ポンプ送りチャンバを覆う領域上、およびはんだが望ましくない他のあらゆる領域に形成され得る。酸化物（例えば、酸化珪素）は、はんだマスクとして選択され得る。なぜなら、酸化物は、融解したはんだによって濡らされないからである。酸化物は、安定である傾向があり、そして非常に薄い層を形成し得、一方でなお、濡れ性のない特徴を維持する。しかし、他の材料（例えば、窒化物、ポリイミドまたは他のパターン付け可能な材料）が、代替的に、はんだマスクを形成するために使用され得る。

上述のように、はんだマスクを適用することは、はんだが、ポンプ送りチャンバに重なるアクチュエータの領域を覆うことを防止する。これにより、１つのアクチュエータから次のアクチュエータへの、はんだの均一な塗布が維持される。均一なはんだの塗布は、均一なアクチュエータ特徴の維持を補助し得る。ポンプ送りチャンバに重なるアクチュエータの部分の質量は、アクチュエータ構成要素（すなわち、電極、圧電層および膜）の質量をわずかに上回る程度にまで、低下させられ得る。酸化物層に由来するあらゆるさらなる質量が、制御され得る。逆に、はんだに由来するさらなる質量は、制御することがより困難である。活性領域への質量の追加は、望ましくない。なぜなら、これは、付随するアクチュエータの駆動特徴を変化させるからである。さらに、はんだの層をアクチュエータに追加することにより、このアクチュエータの硬さ画像化し、このアクチュエータが屈曲することをより困難にする。実質的に一貫した大きさのはんだマスクを各アクチュエータに形成することと、はんだが活性領域を覆って流動することを防止することとの組み合わせは、プリントヘッドのアクチュエータ間、またはプリントヘッド間の均一性に寄与する。

本発明の多数の実施形態が、記載された。それにもかかわらず、種々の改変が、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされ得ることが、理解される。例えば、圧電アクチュエータは、ポンプ送りチャンバの側壁を形成し植える。はんだマスクは、圧電層の両側ではなく片側にのみ電極を有するアクチュエータに塗布され得る。本発明はまた、微小電気機械的構造体から、インク以外の流体を排出するように適用され得る。あるいは、本発明は、集積回路に接点を結合することを必要とする、任意のセンサ微小電気機械的構造体に適用され得る。上に開示される技術は、微小電気機械的デバイスの任意の構成要素をはんだ付けする際に、はんだの配置を制御するために使用され得る。従って、他の実施形態が、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る。

図１は、圧電アクチュエータを備えるプリントヘッドの単一流路の側面図である。 図２は、複数のノズルを備えるプリントヘッドの底面図である。 図３は、アクチュエータおよび回路を備える、プリントヘッド流路の断面図である。 図４は、部分的に形成されたアクチュエータを備える、プリントヘッド流路の断面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、はんだマスクを備えるプリントヘッドの断面図である。 図６は、膜およびアクチュエータ構造体の平面図である。 図７は、はんだマスクおよびはんだを備えるプリントヘッドの断面図である。 図８は、アクチュエータに結合されたフレキシブル回路を備えるプリントヘッドを示す。

Claims (18)

1. アクチュエータであって、
   第一の電極；
   該第一の電極を支持している圧電材料を備える、支持基材；
   該第一の電極上に形成されたマスクであって、該マスクは、該第一の電極の第一の部分に隣接している、マスク；および
   はんだ材料であって、該はんだ材料は、該第一の電極によって支持されており、そして該第一の電極の第二の部分に隣接している、はんだ材料、
   を備え、該第一の電極の該第一の部分は、該第一の電極の該第二の部分と重なっておらず、そして該マスクは、該はんだが融解する場合に、該はんだ材料によって実質的に濡らされない材料を含有する、アクチュエータ。
2. 前記マスクが、酸化物材料を含有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 第二の電極をさらに備え、前記はんだ材料は、前記第一の電極および第二の電極を集積回路に電気的に接続する、請求項１に記載のアクチュエータ。
4. フレキシブル回路をさらに備え、前記はんだ材料は、該フレキシブル回路を前記第一の電極に電気的に接続する、請求項１に記載のアクチュエータ。
5. 前記第一の部分が、前記第二の電極がデバイスに結合される場合の該デバイスのチャンバの位置に対応する、請求項１に記載のアクチュエータ。
6. 前記マスクが、約０．１ミクロンと約２ミクロンとの間の厚さである、請求項１に記載のアクチュエータ。
7. 前記マスクが、約０．５ミクロンの厚さである、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. プリントヘッドであって、
   内部に流路特徴が形成される基材であって、該流路特徴は、ポンプ送りチャンバおよびノズルを備える、基材；ならびに
   該基材に結合されたアクチュエータであって、該アクチュエータは、
   圧電層によって支持された第一の電極；
   該第一の電極上に形成されたマスクであって、該マスクは、該第一の電極の第一の部分に隣接しており、そして該第一の電極の該第一の部分は、該ポンプ送りチャンバと実質的に重なっている、マスク；および
   はんだ材料であって、該はんだ材料は、該第一の電極によって支持されており、そして該第一の電極の第二の部分に隣接している、はんだ材料、
   を備え、該第一の電極の該第一の部分は、該第一の電極に該第二の部分と重なっておらず、そして該マスクは、該はんだ材料が融解する場合に、該はんだ材料によって実質的に濡らされない材料を含有する、アクチュエータ、
   を備える、プリントヘッド。
9. 第二の電極をさらに備え、前記基材は、前記第一の電極よりも該第二の電極に近い、請求項８に記載のプリントヘッド。
10. 前記マスクが、約０．１ミクロンと約２ミクロンとの間の厚さである、請求項８に記載のプリントヘッド。
11. 前記マスクが、約０．５ミクロンの厚さである、請求項１０に記載のプリントヘッド。
12. 前記マスクが、酸化物を含有する、請求項８に記載のプリントヘッド。
13. 微小電気機械的デバイスを形成する方法であって、
    アクチュエータを基材の上表面に形成する工程であって、該アクチュエータは、圧電層および第一の電極を備える、工程；
    該第一の電極の第一の部分が、環境に対して露出し、そして該第一の電極の第二の部分が、はんだマスクによって覆われるように、該第一の電極上に該はんだマスクを形成する工程；
    該第一の電極に、該第一の電極の該第一の部分において、はんだを塗布する工程；
    フレキシブル回路を該はんだと接触させる工程；ならびに
    該はんだを加熱して、該はんだに、該フレキシブル回路を該第一の電極に電気的に接触させる工程であって、該はんだマスクは、該はんだが加熱される場合に、該はんだが該第一の部分の上を流動することを防止する、工程、
    を包含する、方法。
14. はんだマスクを形成する工程が、前記はんだが融解する場合に該はんだによって実質的に濡らされない材料を塗布する工程を包含する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記はんだマスクを形成する工程が、酸化物を堆積させる工程を包含する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記基材を提供する工程において、該基材が、ポンプ送りチャンバを備え；そして
    はんだマスクを形成する工程が、前記はんだの融解温度以下では融解しないはんだマスクを形成する工程を包含し、そして該ポンプ送りチャンバの実質的に上方に位置し、その結果、該はんだが加熱される場合、該はんだマスクは、該はんだが、該ポンプ送りチャンバ上を流動することを防止する、
    請求項１５に記載の方法。
17. 前記はんだマスクを形成する工程が、該はんだマスクを約０．１ミクロンと約２ミクロのとの間の厚さに形成する工程を包含する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記はんだマスクを形成する工程が、約０．５ミクロンの厚さに形成する工程を包含する、請求項１７に記載の方法。

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