JP2013091264A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体吐出ヘッドの端子部と外部接続するワイヤとは、封止剤で被覆されている。この封止剤の封止が十分でないと、インクが侵入して端子部が腐食するが、特にアルミニウムからなる電極層と、他の金属とが同時にインクに接すると電池効果により急速に腐食が進行する。
【解決手段】 本発明の液体吐出ヘッドは、基体を端子部が設けられた面側からみたときに、電極層を投影した部分の大きさを、拡散防止層を投影する部分の大きさより小さくし、拡散防止層の周囲に電極層に接するように樹脂層を設ける。このように設けることで、封止剤の封止が十分でなかったとしても、腐食が進行しにくい液体吐出ヘッドとすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。

サーマル型の液体吐出装置は、エネルギー発生素子に通電することで発生する熱エネルギーを用いてインク等の液体を膜沸騰させ、これにより生じる圧力を用いて吐出口から液体を吐出して記録動作を行う。

このような液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドは、エネルギー発生素子を備えた液体吐出ヘッド用基板と、吐出口や流路を形成するための流路部材とから構成されている。エネルギー発生素子は、記録ヘッド用基板に設けられた端子部を介して記録装置から電気的信号や電圧を供給されて駆動される。

このような液体吐出ヘッドの端子部は、ボンディング法で設けられたワイヤを介して電気的に接続され、樹脂からなる封止剤で封止されている。しかし封止剤の封止が十分でないと、インクが侵入して端子部が腐食してしまうため、液体吐出ヘッドは腐食を防止するために様々な対応を行っている。

特許文献１には、端子部の側面を樹脂材料で被覆することで、側面がインクに腐食されないように構成した記録ヘッドが開示されている。具体的には、図６に示すように基板３１上に設けられたアルミニウムからなる配線３２の上に、窒化シリコンからなる絶縁層３３が設けられている。さらに、絶縁層３３には開口部が設けられており、配線３２と金からなるバンプ部３７とが電気的に接続されている。配線３２とバンプ部３７との間には、基板へバンプ部３７に用いられる金が拡散することを防止するために例えばチタンタングステン等からなる拡散防止層３４が設けられている。さらにバンプ部３７は、めっき法を用いて形成されているため、拡散防止層３４の上にはめっき工程におけるシード電極として用いられるシード層３６が設けられている。また、バンプ部３７とシード層と拡散防止層３４との側面は樹脂部材３５で被覆されている。

特開２００８−２０７５４３号公報

しかしながら特許文献１に開示されるような液体吐出ヘッドでは、金の表面は酸化しにくいため、樹脂部材３５とバンプ部３７との間にＯＨ結合を構成できず、樹脂部材３５とバンプ部３７とは金表面に強固に密着しにくい構成である。そのため、封止剤と絶縁層３３との間が剥がれたりなどしてインクが侵入すると、端子部の側面を樹脂部材３５で被覆したとして樹脂部材３５とバンプ部３７との間からインクが侵入してしまう可能性がある。

図６の液体吐出ヘッドに開示される拡散防止層３４は、配線３２の上から絶縁層３３との段差部の上に延長するように設けられている。このような拡散防止層３４はスパッタ法等を用いて成膜されるため、段差部においては被覆が十分ではなく亀裂等がある可能性が高く、インクがアルミニウムの配線３２に到達してしまう懸念がある。このときアルミニウムと金又はチタンタングステン等の他の金属と、が同時にインクに接すると電池効果が生じて、アルミニウムからなる配線３２の腐食が急激に進行してしまう。このように配線３２への腐食が急激に進行すると、電気的信号や電圧を印加できなくなり、記録動作を継続することができなくなってしまう。

そこで本発明は、上記課題を鑑み、封止剤の封止が十分でなかったとしても、腐食しにくい信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することを目的としている。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子と、外部から前記エネルギー発生素子を駆動するための信号または電圧を印加するために用いられ、アルミニウムを主成分とする電極層と、チタンタングステンからなる拡散防止層と、金からなるバンプ部とを基体の上にこの順に積層してなる端子部と、を備え、前記基体を端子部が設けられた面側からみたときに、前記電極層を投影した部分の大きさは、前記拡散防止層を投影する部分の大きさより小さく、前記拡散防止層の周囲には、前記電極層に接するように樹脂層が設けられていることを特徴としている。

本発明によれば、封止剤による端子部の被覆が十分でなかったとしても、配線と他の金属とが同時にインクに接することを防止することができ、腐食しにくい液体吐出ヘッドとすることができる。

本発明に係る液体吐出装置およびヘッドユニットの外観斜視図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドを模式的に示した外観斜視図及び切断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドを模式的に示した外観斜視図及び切断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製造工程を説明する切断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製造工程を説明する切断面図である。 従来の液体吐出ヘッドに設けられた端子部の切断面図である。

液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。

本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。

さらに「インク」とは広く解釈されるべきものであり、被記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、被記録媒体の加工、或いはインクまたは被記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは被記録媒体の処理としては、例えば、被記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言う。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

（液体吐出装置）
図１（ａ）は、本発明に係る液体吐出ヘッドを搭載可能な液体吐出装置を示す外観斜視図である。
図１（ａ）に示すように、リードスクリュー５００４は、駆動モータ５０１３の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５０１１，５００９を介して回転する。キャリッジＨＣはヘッドユニットを載置可能であり、リードスクリュー５００４の螺旋溝５００５に係合するピン（不図示）を有しており、リードスクリュー５００４が回転することによって矢印ａ，ｂ方向に往復移動される。このキャリッジＨＣには、ヘッドユニット４０が搭載されている。

（ヘッドユニット）
図１（ｂ）は、図１（ａ）のような液体吐出装置に搭載可能なヘッドユニット４０の外観斜視図である。液体吐出ヘッド４１（以下、ヘッドとも称する）はフレキシブルフィルム配線基板４３により、液体吐出装置と接続するコンタクトパッド４４に導通している。また、ヘッド４１は、インクタンク４２と接合されることで一体化されヘッドユニット４０を構成している。ここで例として示しているヘッドユニット４０は、インクタンク４２とヘッド４１とが一体化したものであるが、インクタンクを分離できる分離型とすることも出来る。

（液体吐出ヘッド）
図２（ａ）に本発明に係る液体吐出ヘッド４１の模式的な外観斜視図を示す。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’に沿って基板５に垂直に液体吐出ヘッド４１を切断した場合の切断面の状態を模式的に示す断面図である。

液体吐出ヘッド４１は、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子１２を備えた液体吐出ヘッド用基板５と、液体吐出ヘッド用基板５の上に設けられた流路部材１４と、を有している。流路部材１４は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の硬化物で設けることができ、液体を吐出するための吐出口１３と、吐出口１３に連通する流路４６の壁１４ａとを有している。この壁１４ａを内側にして、流路部材１４が液体吐出ヘッド用基板５に接することで流路４６が設けられている。流路部材１４に設けられた吐出口１３は、供給口４５に沿って所定のピッチで列をなすように設けられている。供給口４５から供給された液体は流路４６に運ばれ、さらにエネルギー発生素子１２の発生する熱エネルギーによって液体が膜沸騰することで気泡が生じる。このときに生じる圧力により液体が、吐出口１３から吐出されることで、記録動作が行われる。

次に液体吐出ヘッドのエネルギー発生素子が設けられた領域について図２（ｂ）の断面図を用いて説明する。液体吐出ヘッド用基板５は、トランジスタ等の駆動素子が設けられたシリコンからなる基体１の上に、基体１の一部を熱酸化して設けた熱酸化層２と、シリコン化合物からなる蓄熱層４とが設けられている。蓄熱層４の上に、通電することで発熱する材料（例えばＴａＳｉＮやＷＳｉＮなど）からなる発熱抵抗層６が設けられ、発熱抵抗層６に接するように、アルミニウムを主成分とする材料からなる一対の電極層７が設けられている。一対の電極層７の間に電圧を印加し通電して、発熱抵抗層６の一対の電極層７の間に位置する部分を発熱させることで、発熱抵抗層６の部分をエネルギー発生素子１２として用いる。これらの発熱抵抗層６と一対の電極層７は、インクなどの吐出に用いられる液体との絶縁を図るために、ＳｉＮ等のシリコン化合物などの絶縁性材料からなる絶縁層８で被覆されている。さらに吐出のための液体の発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃などからエネルギー発生素子１２を保護するために、エネルギー発生素子１２の部分に対応する絶縁層８の上に耐キャビテーション層として用いられる保護層１０が設けられている。具体的には、保護層１０としてタンタルやイリジウムやルテニウムなどの金属材料を用いることができる。さらに絶縁層８の上に流路部材１４が設けられている。なお、絶縁層８と流路部材１４との間には、密着性を向上させるためにポリエーテルアミド樹脂などからなる密着層９ａを設けられている。

（端子部）
次に液体吐出ヘッドの端子部１７が設けられた領域について図３の断面図を用いて説明する。
図３（ａ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ‘に沿って基板５に垂直に液体吐出ヘッド４１の端子部１７を切断した場合の切断面の状態を模式的に示す断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の端子部１７にワイヤーボンディング法を用いてワイヤが接続された状態を示す断面図である。なお、図２（ｂ）と図３で用いる符号について同じものは、同時に設けられた層であることを示している。

基体１の上には、シリコン化合物からなる蓄熱層４と、アルミニウムなどを主成分としエネルギー発生素子１２に駆動信号や電圧を供給する電極層７が設けられている。さらに、蓄熱層４の上はＳｉＮ等のシリコン化合物などの絶縁材料からなる絶縁層８で被覆さている。絶縁層８の電極層７の部分には開口部８ａが設けられており、開口部８ａを介して電極層７と金（Ａｕ）からなるバンプ部２０とが電気的に接続されている。また、金がアルミニウムに拡散するのを防止するために、チタンタングステンからなる拡散防止層２３を介して電極層７とバンプ部２０とが電気的に接続されている。すなわち、基体１の上側に電極層７と拡散防止層２３とバンプ部２０とがこの順に積層されることで、端子部１７は構成されている。

さらに液体吐出ヘッド４１は、図３（ｂ）に示すように端子部１７がフレキシブルフィルム配線基板４３とワイヤーボンディング法などを用いてワイヤ１８で接続されることで液体吐出装置（外部）と電気的に接続される。そして、端子部１７を介してエネルギー発生素子１２を駆動するタイミングを決定する電気信号（駆動信号）やエネルギー発生素子１２を駆動するための電圧が液体吐出装置から供給される。そしてワイヤ１８と端子部１７とは、エポキシ樹脂等からなる封止剤１９で封止されることで、インクや湿気等から保護されている。

液体吐出ヘッド用基板５を端子部１７が設けられた面側からみたときに、拡散防止層２３を投影した部分の大きさは、金からなるバンプ部を投影した部分の大きさよりも小さくなるように設けられている。さらに、拡散防止層２３を投影した部分の大きさは、アルミニウムの電極層７の上に設けられた絶縁層８の開口部８ａ（即ち電極層７の露出部）の大きさよりも、小さくなるように設けられている。そして、拡散防止層２３の周囲は、ポリエーテルアミド樹脂などからなる熱可塑性の樹脂層９で囲まれるように設けられている。そして、樹脂層９と接するアルミニウムからなる電極層７の表面は酸化しており酸化層７ａとなっている。具体的には酸化アルミニウムとなっている。このように樹脂層９と接する面が酸化していることにより、樹脂層９と電極層７との間のＯＨ結合が強固となっている。従って仮に絶縁層８と封止剤１９との密着が悪く、界面からインクが侵入したとしても樹脂層９と電極層７との間の密着性が確保されているためその先に、インクが侵入することは防止される。

そのため、電極層７のアルミニウムと、バンプ部２０の金または拡散防止層２３タングステンシリコン等の他の金属と、が同時にインク等に接することはなく電池効果が生じることを防止でき、腐食が急激に進行することを防止できる。つまり、封止剤１９の封止が十分でなかったとしても、腐食しにくい液体吐出ヘッドとすることができる。

なお、樹脂層９と電極層７とは、拡散防止層２３の周囲を２μｍ以上幅にわたって密着するように設けることで、インクの侵入を十分に防止することができる。

（製造方法）
次に、このような液体吐出ヘッドの図３（ａ）の端子部１７の製造方法を図４、図５の液体吐出ヘッドの断面図を用いて説明する。

最初に、シリコンからなる基体１上に、プラズマＣＶＤ法等を用いてシリコン化合物からなる蓄熱層４と、フォトリソグラフィー法を用いてアルミニウムを主成分とする電極層７とを設ける。さらに、電極層７と蓄熱層４との上側真空成膜法等を用いてＳｉＮ等のシリコン化合物等の絶縁材料からなる絶縁層８を積層する。そして、フォトリソグラフィー法を用いて、パターニングを行い、バンプ部２０と電極層７との間の電気的導通を得るための開口部８ａを形成する（図４（ａ））。

次に、金が電極層７に拡散することを防止する拡散防止層２３となる、高融点金属材料のチタンタングステンの材料層２３ａを真空成膜装置等により所定の厚みで成膜する（図４（ｂ））。具体的には後に不要部をウェットエッチングで除去しやすいように、Ｔｉ１０ｗ％ Ｗ９０ｗ％のターゲットを用いる。

次に、バンプ部２０を電界めっき法で形成する際のカソード電極の役割をし、金めっき成長の核となるシード層２５を、真空成膜法等を用いて基体１の全面に成膜して所定の厚み設ける（図４（ｃ））。

次に、フォトリソグラフィー法を用いて感光性レジストの塗布、露光、現像を行い、金めっき法でバンプ部２０を形成する部分のシード層２５の領域が露出するようにレジストを除去し、レジストマスク１６の形成を行う（図４（ｄ））。

次に、湿式めっき法である電解めっき法を用いて金を主成分とするバンプ部２０を形成する。具体的には、基板全体を亜硫酸金塩の電解浴に浸漬させ、シード層２５に所定の電流を流すことにより、レジストマスク１６で被覆されていない領域に金を析出させることにより、バンプ部２０を形成する（図４（ｅ））。

次に、所定時間レジストマスク１６の剥離液に浸漬させて、レジストマスク１６を除去する（図５（ａ））。
次に、バンプ部２０をマスクとして用い、バンプ部２０が設けられていない領域のシード層２５を窒素系有機化合物とヨウ素ヨウ化カリウムを含む金エッチング液に所定の時間浸漬させ除去し、拡散防止層となる材料層２３ａを露出させる（図５（ｂ））。なお電極層７と絶縁層８との上にオーバーラップするように成膜されている拡散防止層２３となる材料層２３ａが、電極層７に金エッチング液が浸透することを防止している。また、バンプ部２０の表面部もこの時の金エッチング液によりエッチングされるが、表面の数ナノメートル程度が除去される程度であるため、ほとんど影響はない。

次に、３５％濃度のＨ２Ｏ２系のエッチング液に所定時間浸漬させ、絶縁層８と電極層７の境界部から２μｍ以上サイドエッチングが進むまで拡散防止層２３となる材料層２３ａをエッチングして、拡散防止層２３を形成する（図５（ｃ））。これにより液体吐出ヘッドを端子部１７が設けられた面側からみたときに、拡散防止層２３が設けられた部分は、電極層７の露出している部分よりも一回り小さくなるように形成される。なおＨ２Ｏ２系のエッチング液のｐｈを５．０以内に抑える範囲でアンモニウムを含む電解質を０．５％添加することにより、エッチングレートの早い液とすることができ、短時間で拡散防止層となる材料層２３ａのエッチングを進行させることができる。具体的には、サイドエッチングを１０μｍ形成する際には７５分必要となるが、電解質を添加すると約３分の１の２３分でエッチングすることが可能となる。またチタンタングステンからなる拡散防止層２３をエッチングする際には、ＴｉがＴｉ^４＋となり、ＷがＷ^２＋となることでエッチングが進む。さらにこれと同時に、エッチング液に接触した電極層７の表面には酸化アルミニウムからなる酸化層７ａが形成される（図５（ｃ））。さらにバンプ部２０がボンディング法に適する金硬度７０Ｈｖ以下の軟質金になるように、２５０℃程度でアニール処理を３０分から１２０分行う。

次に、バンプ部２０と拡散防止層２３と電極層７とを被覆するように、図２（ｂ）に示す液体吐出ヘッド用基板５と流路部材１４との密着層９ａを設けるのと一括して、ポリエーテルアミド樹脂からなる樹脂材料２９を塗布する。この時、バンプ部２０と電極層７の酸化層７ａとの間の空間に十分に樹脂材料を充填するために、減圧状態のチャンバー内でレジスト塗布を行う。なお、大気圧との差圧で‐６０Ｋｐｓから‐４０Ｋｐｓの範囲の減圧環境下で樹脂材料２９を塗布することで、酸化層７ａとバンプ部２０との間に安定して樹脂材料２９を充填することができた。さらに、樹脂材料２９を塗布した基板を２００℃程度の温度条件で硬化させることで、電極層７の表面の酸化層７ａ由来のＯＨ基と、樹脂材料２９に含まれるシランカップリング剤とが反応を起こし、化学的な密着力が向上する（図５（ｄ））。

次に、フォトリソグラフィー法でレジストをパターニングして図２（ｂ）の密着層９ａとなる部分が形成されるようにマスクを設ける（不図示）。その後ドライエッチング法で樹脂材料２９をエッチングして、密着層９ａを設けると同時にバンプ部２０と絶縁層８とを露出させる。ドライエッチング用のガスは、金に対してほとんどエッチングが進まないガスとることが好ましく、具体的にはＣＦ４等を用いることができる。なお、端子部１７に関しては、金からなるバンプ部２０がエッチング時のマスクとして用いられるため、レジストマスクを設けなくても電極層７とバンプ部２０との間の樹脂材料２９はエッチングされない。これにより電極層７とバンプ部２０との間であって、拡散防止層２３の外周を囲うように、ポリエーテルアミド樹脂からなる樹脂層９が形成される（図５（ｅ））
最後に、ボンディング法を用いて液体吐出装置から電気的信号や電圧を供給するためのワイヤ１８とバンプ部２０とを接続し、エポキシ樹脂等からなる封止剤１９で封止する（図３（ｂ））。

このように製造することにより、電極層７の酸化層７ａと樹脂層９とが強固に密着している液体吐出ヘッドとすることができる。そのため、封止剤１９と絶縁層８との間に隙間が生じてインク等の液体が侵入したとしても、電極層７のアルミニウムと他の金属とが同時にインク等に接することはない。従って電池効果が生じることを防止でき、腐食が急激に進行することを防止できる。すなわち封止剤１９の封止が十分でなかったとしても、腐食しにくい液体吐出ヘッドの端子部１７を設けることができる。

７ 配線
９ 樹脂層
１８ ワイヤ
１９ 封止剤
２０ バンプ部
２３ 拡散防止層
４１ 液体吐出ヘッド

Claims (6)

1. 液体を吐出するための熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子と、
   外部から前記エネルギー発生素子を駆動するための信号または電圧を印加するために用いられ、アルミニウムを主成分とする電極層と、チタンタングステンからなる拡散防止層と、金からなるバンプ部とを基体の上にこの順に積層してなる端子部と、を備えた液体吐出ヘッドであって、
   前記基体を端子部が設けられた面側からみたときに、前記電極層を投影した部分の大きさは、前記拡散防止層を投影する部分の大きさより小さく、
   前記拡散防止層の周囲には、前記電極層に接するように樹脂層が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記樹脂層と接する前記電極層の面は酸化していることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記電極層は、絶縁層に設けられた開口部を介して前記拡散防止層と接しており、前記電極層を投影した部分とは、前記開口部であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 液体を吐出するための熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子と、外部から前記エネルギー発生素子を駆動するための信号または電圧を印加するための端子部とを備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   アルミニウムを主成分とする電極層と、チタンタングステンからなる拡散防止層となる材料層と、金のシード層とをこの順に積層した基体を設ける工程と、
   前記シード層の上に、めっき法を用いて金からなるバンプ部を形成する工程と、
   前記材料層をエッチングして、前記基体をバンプ部が設けられた面側からみたときに、前記電極層を投影した部分の大きさより、前記拡散防止層を投影した部分の大きさが小さくなるように、前記拡散防止層を形成する工程と、
   前記拡散防止層の周囲に、前記電極層に接するように樹脂材料を塗布して樹脂層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記拡散防止層を形成する工程において、前記電極層の表面は酸化することを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記樹脂層を形成する工程において、前記樹脂材料は減圧状態で塗布されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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