JP3630511B2 - 電気部品接合方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には２つのエレメントの電気的接続に関するもので、特に、光ファイバーを使用して２つの電気エレメントの接合位置にレーザ光線を照射することによって電気エレメントの無はんだ接続を行う方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱式インクジェット・プリント用カートリッジは少量のインクを急速に熱することによって、インクを気化させ、複数の開口部の１つを通して１ドットのインクを噴射させて紙などの記録媒体上に印刷する。プリントヘッドが紙の上を移動するにつれ、適切に順序づけられた各開口部からのインクの噴射によって、文字またはその他の画像が紙の上に印刷される。インクジェット・プリントヘッドは、一般的に、（１）インク貯蔵室から開口部に近接する各気化室にインクを供給するインク流路、（２）必要とされるパターンを形成する複数開口部が含まれる金属開口部プレートまたはノズル部材、および（３）１つの気化室に各１つ備わる一連の薄膜抵抗器を含むシリコン基板を含む。１ドットのインクを印刷するため、外部電源から送られる電流が、選択された薄膜抵抗器に通される。次に、その抵抗器は熱を帯び、気化室内の隣接するインクの薄膜層を過熱し、その結果、爆発的な気化が発生し、インクの小滴が接続する開口部を通して紙の上へ噴射される。
【０００３】
１９９２年４月２日出願の米国特許出願第０７／８６２，６６８号”Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｎｏｚｚｌｅ Ｍｅｍｂｅｒ ａｎｄ ＴＡＢ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｉｎｋｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｈｅａｄ”には、インクジェット・プリント・カートリッジ用の新機軸のノズル部材およびノズル部材を形成する方法が記載されている。上記特許出願に記載されているノズルおよびＴＡＢ回路設計は、リトグラフ電子成形工程によって組み立てられるニッケル材の開口部プレートよりすぐれている。障壁層が、気化室を含み、各開口部を囲み、インク貯蔵室と気化室の間のインクの流れを提供するインク流路を含む。その上に形成される導線を有するフレキシブル・テープには、エキシマー・レーザ剥離によってノズルまたは開口部が形成される。フレキシブル回路それ自体の中に開口部を持つことによって、電気的に形成される従来技術の開口部プレートの短所が克服される。次に、開口部および導線を有するノズル部材の上に、開口部の各々に対応する発熱体を含む基板が載せられる。導線の末端に基板上の電極を合わせるように配置することによって発熱体が開口部に位置合わせされるように上記開口部は作成される。ノズル部材の裏側に配置される導線の末端におけるリード線が基板上の電極に接続され、発熱体のため活性化信号を提供する。上記の手法は、インクジェット・プリントヘッド・アセンブリのテープ自動化接合法（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇの頭文字をとって以下ＴＡＢと略称する）またはＴＡＢヘッド・アセンブリ（ＴＡＢ Ｈｅａｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙの頭文字をとって以下ＴＨＡと略称する）として知られている。
【０００４】
ＴＨＡに関してノズル部材の裏面上に配置される導線を基板上の電極に接続する従来技法は、カプトン（すなわちＫａｐｔｏｎ）テープに窓を開けたフレキシブルＴＡＢ回路を必要とする。接合ヘッドにおけるこの窓の開口部を通して、サーモード（すなわちｔｈｅｒｍｏｄｅ）が１点または複数点でＴＡＢリード銅線に直接接触することができる。従って、接合工程は、サーモードとカプトン・テープが直接接触することなしに実行される。サーモードは、ＴＡＢ電導リード線をプリントヘッド基板電極に接続するために必要な熱圧縮力を与える。代替的方法として、超音波方法を使用して、ＴＡＢ電導リード線をプリントヘッド基板電極に接続することもできる。上記の窓は、電導リード線の損傷、ショートおよび漏電を最小限にとどめるためカプセル材で埋められる。このカプセル材がノズルに流入し、破損の原因となることがある。従って、ＴＨＡは、カプセル材稜線とノズルの間で０．５０ないし０．７５ｍｍの間隔をあけるように設計される。このため、基板サイズが１ないし１．５ｍｍ増大する。カプセル材はまた修理の際のアクセス性に対して好ましくなく、また、共面性および信頼性上の問題を発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ＴＡＢ回路における窓を必要としない工程があれば利益がある。窓の排除は、ＴＡＢ回路における電導リード線を覆うカプセル材の必要性の排除につながる。更に、これは、チップサイズの減少、同じチップサイズを持つノズル数の増加、組立の容易性、歩留まり上昇、信頼性向上、修理等の際の容易な表面アクセス、および材料ならびに製造全体のコスト削減をもたらす。
【０００６】
本発明は、光ファイバー・システムに装備されるレーザ光線を使用して光線を接合箇所に照射することによって、はんだを用いずに２つの接点エレメントの電気的接続を行う方法を提供する。光ファイバー・システムを使用することによって、レーザ光線が最適に熱エネルギーに変換され、加熱不足による不良接続あるいは過熱による接点破損が生じない。本発明の方法および装置は、最小の接点部分面積についても迅速で再生可能な接合を提供する。本発明の方法によって、例えば、ポリイミドのようなポリマー・フレキシブル回路テープに含まれる電導リード線の金対金の無はんだ圧着が、テープへの損傷を起こさずに、実施できる。フレキシブル回路の窓を必要とすることなく、またテープに損傷を与えることなく、フレキシブル回路テープ上の金メッキ銅線と半導体チップ上の金メッキ・パッドの間の無はんだの強力な金対金接合が形成される。
【０００７】
ＴＡＢ回路上の電導リード線をインクジェット・プリントヘッドのシリコン基板に接合させる工程への本発明の応用において、ＴＡＢ回路の中の窓の必要性は排除される。窓の排除は、ＴＡＢ回路における電導リード線を覆うカプセル材の必要性の排除につながる。更に、これは、チップサイズの減少、同じチップサイズを持つノズル数の増加、組立の容易性、歩留まり上昇、信頼性向上、修理等の際の容易な表面アクセス、および材料ならびに製造全体のコスト削減をもたらす。
【０００８】
発明の課題を解決する手段として、本発明は、特定の波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を電気接点部に接合させるため、上記レーザ光線の波長に対応する適切なレーザ光吸収性を持つシード金属をその上部表面に有する電気リード線を準備するステップ、上記電気リード線を上記電気接点部に対し位置合わせするステップ、上記電気リード線および上記電気接点部を接合位置において光ファイバーと接触するように保持するステップ、および、光ファイバーを通過するレーザ光線を照射することによって上記電気リード線および上記電気接点部を上記接合位置で接合させるステップからなる電気部品接合方法を含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明が、ＴＡＢ回路上の電導リード線のインクジェット・プリントヘッドのシリコン基板への接合に関連して記述されるが、それは単に例示の目的に過ぎず、光ファイバー・システムに装着されたレーザ光線を使用することによって２つの接点エレメントの無はんだ電気接続を行う本発明の方法および装置は、いかなる電気的部材の相互接続に応用することは可能である。
【００１０】
図１において、符号１０の装置は、本発明の１つの実施形態に従ってプリントヘッドに組み込まれる一般的インクジェット・プリント用カートリッジを簡略化して示したものである。インクジェット・プリント用カートリッジ１０は、インク貯蔵室１２およびプリントヘッド１４を含み、プリントヘッド１４はテープ自動接合法（すなわちＴＡＢ）を使用して作製される。プリントヘッド１４すなわちＴＡＢヘッド・アセンブリ１４は、フレキシブル・ポリマ回路１８において例えばレーザ剥離によって形成される２つの並列するオフセット孔または開口部１７から構成されるノズル部材１６を含む。
【００１１】
フレキシブル回路１８の裏面は、従来技術の光リトグラフ・エッチングまたはメッキ工程を使用してその上に装着される電導線３６を含む。電導線３６の終端点は、プリンタに接続するために設計された大きな接点パッド２０である。接点パッド２０が、外部で生成された活性化信号をプリントヘッドに送る機能を果たすプリンタ電極に、フレキシブル回路１８の表面上で接触するように、プリント用カートリッジ１０は設計される。フレキシブル回路１８の接合領域２２および２４は、ヒーター抵抗器を含むシリコン基板上の電極への電導線３６の接合が行われる場所である。
【００１２】
図１のプリント用カートリッジ１０において、フレキシブル回路１８は、プリント用カートリッジの「鼻」の部分の裏側稜線上に折れ曲がり、鼻の後ろ壁２５の長さの約２分の１延伸する。このフレキシブル回路１８のたれ耳部分は、電導線３６を遠い方の窓２２を通して基板電極に接続するために必要とされる。接点パッド２０はこの壁に固定されるフレキシブル回路１８上に置かれ、電導線３６が曲折部分を越えて送られ、フレキシブル回路１８の窓２２、２４を通して基板電極に接続される。図２ないし図４は、プリント用カートリッジ１０から取り外したＴＡＢヘッド・アセンブリ１４で、ＴＡＢヘッド・アセンブリ１４の窓２２および２４にカプセル材が埋め込まれる前の状態のものである。ＴＡＢヘッド・アセンブリ１４は、フレキシブル回路１８の裏側に、個別にエネルギーを与えられる薄膜抵抗器を含むシリコン基板２８(図示されていない)を装着する。各抵抗器は一般的に単一の開口部１７の背後に位置し、１つまたは複数の接点パッド２０に逐次または同時に送られる１つまたは複数のパルスによって選択的にエネルギが供給される時抵抗ヒーターとして作用する。開口部１７および電導線３６は、どのようなサイズ、テストおよびパターンをとることもでき、種々の機構が本発明の特長を単純明快に示すため設計されている。種々の機構の相対的寸法は、明示の目的から大幅に調整されている。
【００１３】
図２に示されているフレキシブル回路１８上の開口部１７のパターンは、ステップアンドリピート工程におけるレーザ等のエッチング手段と組み合わせたマスキング工程によって形成されるが、この工程は当業者によって容易に理解されるものであろう。ＴＡＢヘッド・アセンブリ１４およびフレキシブル回路１８に関する詳細を以下に記述する。
【００１４】
図５は、図１のインクジェット・プリント用カートリッジの簡略図である。図６は、図５のプリント用カートリッジの中のＴＡＢプリントヘッド・アセンブリの正面図である。図７は、図６のＴＡＢヘッド・アセンブリ１４の裏面であって、フレキシブル回路１８の裏側に装着されたシリコンチップまたは基板２８、および基板２８上に形成されインク流路ならびに気化室を含む障壁層３０の１つの稜線を示している。図９はこの障壁層３０の詳細を示すが、これについては後述する。図７において、インクをインク貯蔵室１２から受け取るインク流路３２の入口が障壁層３０の稜線に沿って示されている。フレキシブル回路１８の裏側に形成される電導線３６は、位置３８においてフレキシブル回路１８の反対側の(図６に示される)接点パッド２０で終端する。接合領域２２および２４は、本発明に従って光ファイバー・システムに装着されたレーザ光線を使用して接合されるべき位置に光線を向けることによって(図８で示されるように)電導線３６と基板電極４０が接合される場所を示す。
【００１５】
図８は、シリコン基板上の電極への電導性リード線の接続を示す図７のＡ−Ａ部分の拡大図である。図８で見られるように、障壁層３０の中の部分４２は、電導線３６の終端を基板２８から絶縁するために使用される。図８にはまた、フレキシブル回路１８、障壁層３０、接合領域２２ならびに２４、および種々のインク流路３２の入口の側面が示されている。インク４６の小滴がインク流路３２の各々に対応する開口部孔から噴射されている。
【００１６】
図９は、ＴＡＢヘッド・アセンブリ１４を形成するため図７のフレキシブル回路１８の裏側に装着されたシリコン基板２８の正面図である。シリコン基板２８は、従来技術の光リトグラフ技術を使用して、障壁層３０に形成された気化室７２の上に露出した２列の薄膜抵抗器７０を形成している。
【００１７】
１つの実施形態において、基板２８は長さ約０．５インチで、３００個のヒーター抵抗器７０を含むので、６００ドット／インチの解像度を可能にする。ヒーター抵抗器７０は、圧電気ポンプ型エレメントまたはその他いかなるタイプの既存のエレメントのインク噴射エレメントでもよい。このように、すべての各種特性を持つエレメント７０は、プリントヘッドの動作に影響を及ぼすことなく代替実施形態における圧電エレメントであるとみなされることができる。また、フレキシブル回路１８の裏側に形成される電導線３６の接続用の電極７４が基板２８上に形成されている。
【００１８】
図９の点線枠によって示されるデマルチプレクサ７８が基板２８上に配置され、電極７４に供給される多重化入力信号を分解し、その信号を種々の薄膜抵抗器７０に配分する。デマルチプレクサ７８の使用によって、電極７４の数を薄膜抵抗器７０よりも少なくすることが可能となる。少ない電極の使用によって、基板へのすべての接続を、図６に示されるように、基板の短い終端部分から行うことを可能にし、このため、これらの接続が、基板の長い側面の周囲におけるインクの流れを妨げることはない。デマルチプレクサ７８が、電極７４に適用される符号化された信号を復号する復号器の役目を果たすこともある。デマルチプレクサは、電極７４に接続された入力リード線および各種抵抗器７０に接続された出力リード線を有する。デマルチプレクサ７８回路の詳細は後述する。
【００１９】
気化室７２およびインク流路８０を内部に備える障壁層３０もまた従来技術の光リトグラフ技術を使用して基板の表面上に形成されるが、これはフォトレジストまたはその他のポリマの層であってもよい。障壁層３０の部分４２が、図６に関連して上述したように、電導線３６を基礎基板２８から絶縁する。
【００２０】
障壁層３０の上面を図７で示されるフレキシブル回路１８の裏面に接合させるため、ポリイソプレン・フォトレジストの層のような薄い粘着性の層８４が、障壁層３０の上面に塗布される。障壁層３０の上部を粘着質にすることができる場合は独立した粘着性層は必要でないであろう。作製される基板構造は、フレキシブル回路１８に備わる開口部に抵抗器７０を合わせるように、フレキシブル回路１８の裏面に対して配置される。このような位置合わせステップによって、電極７４が電導線３６の末端に位置合わせされる。次に、電導線３６が電極７４へ接合される。このような位置合わせおよび接合工程の詳細は図１０を参照して後述される。位置合わせされ接合された基板／フレキシブル回路構造を加圧しながら加熱して、接合層８４を固め、基板構造をフレキシブル回路１８の裏側に完全に装着する。
【００２１】
図１０は、ＴＡＢヘッド・アセンブリ１４を作製する１つの方法を示す。材料は、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）あるいはアップフレクス（Ｕｐｆｌｅｘ）タイプのポリマ・テープ１０４であるが、テープ１０４は、下記記述されるプロシージャで許容され得るどのようなタイプのポリマ・フィルムであってもよい。そのようなフィルムには、テフロン、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド・ポリエチレン−テレフタレートまたはそれらの混合物が含まれる。テープ１０４は、典型的には、リール１０５に巻かれた長い断片状で提供される。テープ１０４の両側面に沿ったスプロケット孔１０６を使用して、テープ１０４は精密にかつ確実に給送される。代替的方法として、スプロケット孔１０６が省略され、テープは他のタイプの固定手段によって給送されることもできる。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態においては、テープ１０４は、図２、図３、図４、図６および図７に示されるように、従来技術の金属蒸着およびフォトエッチング法を使用してその上に電導性の銅の導線３６を既に装着している。電導線の特定のパターンは、引き続きテープ１０４に装着されるシリコンチップ上に形成される電極に電気信号を分配するために望ましい形態に従う。本発明の好ましい工程において、テープ１０４は、レーザ処理室に送られ、例えばエクサイマー・レーザ１１２によって生成されるレーザ放射１１０を使用して、１つまたは複数のマスク１０８によって規定されたパターンにレーザ削磨される。マスクされたレーザ放射は、図１０で矢印１１４によって示されている。
【００２３】
好ましい実施形態において、そのようなマスク１０８は、テープ１０４の延伸された領域に対するすべての削磨される特性のすべてを規定する。例えば、開口部パターン・マスク１０８の場合複数の開口部に対応し、気化室パターン・マスク１０８の場合複数の気化室に対応する。この工程のためのレーザ・システムは、一般的に、レーザ光線照射光学部品、位置合わせ光学部品、高精度高速マスク・シャトル・システム）を含み、処理室は、テープ１０４を取り扱い、位置決めするためのメカニズムを含む。好ましい実施形態において、レーザ・システムは、投射マスク構成を使用する。この構成においては、マスク１０８とテープ１０４の間に配置される高精度レンズ１１５が、エクサイマ・レーザー光線をテープ上に投射して、マスク１０８上に規定されたパターン像を映す。レンズ１１５から出るマスクされたレーザ放射は矢印１１６によって表されている。そのような投射マスク構成は、マスクが物理的にノズル部材から離れているので、高精度の開口部の寸法に対して有利である。レーザ削磨のステップの後、ポリマ・テープ１０４は送られ、上記の工程が繰り返される。
【００２４】
次の工程はクリーニング・ステップであって、テープ１０４のレーザ削磨部分がクリーニング・ステーション１１７の下に置かれる。クリーニング・ステーション１１７では、レーザ削磨による破片が業界の標準的手法に従って除去される。
【００２５】
次に、テープ１０４は、シンカワ社から市販のモデル番号ＩＬＴ−７５のようなリード線接合機のような従来技術の自動ＴＡＢ接合機に組み込まれている光学的位置合わせステーションに送られる。接合機は、開口部を作成するために使用されるものと同じ方法で作成されたノズル部材上の位置合わせ(目標)パターン、および抵抗器を作成するために使用されるものと同じ方法で作成された基板状の目標パターンに関してあらかじめプログラムされている。好ましい実施形態においては、基板上のパターンがノズル部材を通して見えるように、ノズル部材材料は半透明である。接合機は、次に、２つのパターンを合わせるようにノズル部材に対してシリコンチップ１２０を自動的に配置する。そのような位置合わせ機構は、シンカワ社製ＴＡＢ接合機に存在する。基板目標パターンとノズル部材目標パターンのこのような自動位置合わせは、開口部を抵抗器に精密に位置あわせするだけでなく、電導線と開口部がテープ１０４において位置合わせされまた基板電極と加熱抵抗器が基板上で位置合わせされるので、チップ１２０上の電極がテープ１０４に形成される電導線の末端に位置合わせされることとなる。従って、２つの目標パターンの位置が合わされれば、テープ１０４上およびシリコンチップ１２０上のすべてのパターンは相互に位置合わせされる。
【００２６】
このように、テープ１０４に対するシリコンチップ１２０の位置合わせは、市販の機器だけを使用して自動的に実行される。電導線をノズル部材に組み込むことによって、そのような位置合わせ機能が可能である。そのような組み込みは、プリントヘッドのアセンブリ・コストを減少させるだけではなく、プリントヘッドの材料コストも減少させる。
【００２７】
次に、自動ＴＡＢ接合機は、複数の電導線を対応する基板電極上へ接合する一括接合法を使用する。接合時間を短縮するためには比較的高い温度が一般的に好ましいが、高い温度は、フレキシブル回路を柔らかくして、カプトン・テープの一層の変形を引き起こす。接点で温度がより高く、カプトン・テープ層でより低いというのが究極的には望ましい。このような最適な温度配分は、インクジェット・プリンヘッド用ＴＡＢヘッド・アセンブリに対する理想的解決手段を提供する窓なしＴＡＢ回路と共に、ファイバー押し下げ接点（すなわちＦＰＣ）単点レーザ接合プロセスを利用することによって成し遂げられる。
【００２８】
ＦＰＣレーザ・システム２００が図１１に示されている。このシステムは、Ｎｄ ＹＡＧまたはダイオードのレーザ２０２からなり、光ファイバー２０４を備えている。システムは、光ファイバー２０４を通してレーザ光線を接点または接続点２０６へ導く。最適熱結合は、ファイバー２０４によって２つの部品を一緒に押し、ＴＡＢリード線２０８とチップパッド２１０の間の接点ギャップをゼロにすることによって達成され、この結果熱効率が向上する。図１２は、フレキシブル回路１８、接点２０６、ＴＡＢリード線２０８およびチップパッド２１０の詳細を示している。
【００２９】
図１１を参照すると、フィードバック温度ループが、光ファイバーを通過する赤外線検出器２１２によって実行されている。接点２０６において接点エレメント２０８、２１０によって反射される赤外線放射の温度または吸収動作応答が収集される。レーザ源２０２から出るレーザ光線２２０は、１／２伝導ミラーまたはレーザ光線分割器２１４を通過し、収束レンズ２１６を通り光ファイバー２０４へ進む。光ファイバーからの光が１／２ミラーで反射され、収束レンズ２２２を通過して、ＰＣコントローラ２２４に接続された赤外線検出器２１２に到着する。図１１におけるＰＣコントローラ２２４のモニタ２２６上のグラフは、実際の温度変化と比較するため接合プロセスの明確な期待温度変化グラフをＰＣコントローラ２２４が記憶することができることを意味する。ＰＣコントローラ２２４は、レーザ・パラメータを必要に応じて制御することができるように、レーザ源２０２に接続される。
【００３０】
ＦＰＣレーザ接合の再現性は、２つのコネクタ２０８、２１０の間の高温熱結合、および電導性リード線２０８、２１０によるレーザ・エネルギーの高吸収性の両者に依存する。接合工程を最適化するためには、カプトン・テープにおける吸収性が最小限で、フレキシブル回路１８の金属層における吸収性が最大であることが望ましい。吸収率が高い金属ほど、レーザ・エネルギーの熱への変換率が高い。このため、短時間の接合プロセスほど、より高い品質の接合を生む。
【００３１】
利用されるレーザは、１０６４ｎｍの波長を持つＹＡＧレーザである。図１４は、いくつかの金属に関して、波長に対する吸収特性を示す。図１４から観察することができるように、クロムとモリブデンが、この波長における最も高い吸収特性を持つ。回路製造業者の大部分がシード層としてクロムを使用しているという事実に従って、本実施形態においてクロムが基礎金属として選択された。クロムへのレーザの浸透度は、５ｎｍのスポット・サイズで約１０ｎｍであるので、最小１５ｎｍのクロム厚さを必要とする。レーザ光線は、金属（あるいはハンダ材料）を溶かす局所的加熱ゾーンを形成し、カプトン・テープの温度を上昇させることなく２つの接続表面の間の接合を行う。しかしながら、２つの接合金属部品の間のいかなるギャップも、レーザ光線にさらされる金属表面の過熱の原因になる。これは金属表面上のＴＡＢリード線の変形の原因となる。また、フレキシブル回路における温度上昇は、回路に損傷を引き起こす。
【００３２】
図１３は、ＦＰＣレーザを用いる接合工程におけるフレキシブル回路１８の典型的な温度分布を示す。図１３から観察できるように、接合領域２０６における温度は、カプトン・テープ１８の温度より相当高い。この現象は、異なる波長におけるカプトン・テープの高温透過性のために起きる。カプトン・ポリイミド・テープは、ＹＡＧレーザ光線に対し透過性を有していて、レーザ光線はポリイミドの厚さ２ミルの層を吸収なしに通過する。クロムは便利なシード層であり、２層フレキシブル回路製造工程において銅の導線とカプトン・ポリイミドの間に接合層を作成するために使用される。１０ｎｍ（あるいは公称２０ｎｍ）という最小の厚さを持つクロム層がレーザ・エネルギーを吸収する媒体を提供するために必要とされる。クロム層の厚さはフレキシブル回路製造業者によって異なり、２ｎｍと３０ｎｍの間の厚さである。典型的なフレキシブル回路製造工程は、銅の導線とカプトン・ポリイミドの間のシード(接合)層として、スパッタ・エッチングされたクロムの薄い層(２０ｎｍ)を利用する。
【００３３】
カプトン・テープの５つの標本としてクロムを厚さ２、５、１０、１５および２５ｎｍにスパッタリングして光の伝導を測定した。図１５はそれら標本の光伝導の結果を示している。図に見られるように、光伝導は初期的にはクロムの厚さが増加すると急速に低下するが（クロムの厚さ２ｎｍの場合の６５％から１５ｎｍの場合の１２％へ）、厚さが１５ｎｍから２５ｎｍへ増加する場合は光伝導の変化は遅くなる。カプトン・テープの温度上昇を最小限に抑え従ってカプトン・テープへの損傷を最小限にとどめるため、レーザ接合工程は、電導線の急速な温度上昇を必要とする。図１６および図１７は、異なる構成のいくつかのフレキシブル回路の温度上昇を示す。図１６は、比較的厚めのシード層を持つフレキシブル回路の温度上昇を示す。注意すべきは、厚さ１０ｎｍ以下のＴｉ／Ｗを持つフレキシブル回路は金対金接合に必要な温度に到達しないが、厚さ２０ｎｍのＴｉ／Ｗを持つフレキシブル回路はその接合温度に到達する。また、Ｔｉ／Ｗが厚いほどフレキシブル回路の温度上昇時間が速く、カプトン・テープへの潜在的損傷を少なくすることができる点にも注意すべきである。
【００３４】
厚さ２０ｎｍのＴｉ／Ｗを持つフレキシブル回路の温度（赤外線信号）の変動が、このフレキシブル回路が金対金接合に必要な所定の最大温度に達し、次にレーザ・フィードバック・ループが、ＴＡＢ接合温度の上昇がカプトン・テープを損傷させないように一時的にレーザ・エネルギーを落としたという事実を示している。カプトン・テープの温度が（所定量だけ）落ちるや否や、レーザ・エネルギーは自動的に最高限度まで増加して、ＴＡＢリード線温度を上昇させ、高い信頼性の金対金接合を行った。
【００３５】
図１７は、Ｔｉ／Ｗシード層に対してクロム・シード層を用いた場合の異なるフレキシブル回路に関する同様の結果を示している。厚さ１０ｎｍのクロムを持つフレキシブル回路は金対金接合に必要な温度に到達したことが観察される。従って、クロム・シード層は、ＹＡＧレーザの場合のＴｉ／Ｗシード層に比べて一層高い吸収性を持つ。図１８は、２０ｎｍクロム層の３層テープ、５ｎｍクロム層のテープ、およびクロム層のないテープにおける時間軸に対する温度上昇を示している。図１８に見られるように、２０ｎｍクロム層のフレキシブル回路のみが急速な温度上昇を示した。
【００３６】
ＹＡＧレーザが使用される時金対金接合の完全性にとってクロム厚さが不可欠であることは確証されているので、最適なクロム厚さが基本線として選択された。図１５に示されるように、１５ｎｍ以上の厚さのクロムは光伝導を顕著に減少させない。図１７に基づいて、１０ｎｍのクロム厚さは、レーザ接合の成功にとって必要な絶対的最小限の厚さである。図１７は、また、１５ｎｍの厚さのフレキシブル回路は銅導線における一層迅速な温度上昇を示し従ってカプトン・テープの損傷を最小限にとどめることができることを示している。従って、１５ｎｍのクロムが、信頼性の高い反復可能なレーザ接合を提供できる最適な材料である。
【００３７】
シード層としてのクロムのスパッタリング工程およびフレキシブル回路の製造の間のメッキ工程の間に、銅への若干のクロム拡散が予想される。銅へのクロムの拡散は、時間および温度に従属するプロセスであり、銅へ拡散するクロムの量を決定することは難しい。拡散されるクロムの最大量は５ｎｍ以下であると通常推定される。このような因子に基づいて、スパッタリング工程後の最小限のクロム厚さを２０ｎｍと定めた。この厚さは、フレキシブル回路の製造終了の後１５ｎｍの最小クロム厚さを保証する。
【００３８】
図１９は、シード層として約５ｎｍのクロムを持つフレキシブル回路のレーザ接合性を評価するために行ったレーザ接合の実験結果である。この実験において、接合力は、２０ないし１４０グラムまで(すなわち２０、４０、６０、８０、１００および１４０グラム)変えられ、レーザ・パルス長は、２ないし４０ミリ秒まで(すなわち２、７、１０、２０、３０およびと４０ミリ秒)変えられた。この実験における固定因子は、チップネスト温度、レーザ電流、最大フィードバック温度および温度上昇時間である。レーザ・エネルギーを変化させることによって、ＴＡＢリード線２０８とチップパッド２１０の間に接合は形成されなかった。これは、クロム・シード層の不十分な厚さのためフレキシブル回路のレーザ・エネルギー吸収が低いことによる。
【００３９】
表１は、いくつかの実験に関するテスト条件および実験結果を示す。これらの実験は、視認可能な影響が全くない場合から全面的カプトン・テープ損傷発生の場合に及ぶ各種動作条件をカバーした。表１に示される実験結果に基づいて、既存のＹＡＧレーザは少ないクロム厚さを持つ既存のフレキシブル回路を接合することができる能力を持たないと結論された。カプトン・テープと銅導線の間の粘着層を持つ２０ｎｍクロムの３層フレキシブル回路が試験された。１０Ｗに設定されたレーザ・エネルギー、２０ｍｓに設定されたパルス長、１４０グラムに設定された接合力、および１００度Ｃに設定されたチップネスト温度によって、金対金レーザ接合は成功した。チップパッド領域に機械的損傷は観察されなかった。これは、レーザ・エネルギーも接合圧力もチップパッド領域に対していかなる損傷も引き起こす原因とならなかったことを示す。
【００４０】
表２は、７つの実験に関する試験条件および試験結果を示す。レーザ接合結果の等級として、接合品質「Ｘ」は、同等またはよりすぐれた剥離強度を持つ熱圧縮接合チップと同等な品質を持つ接合として定義される。接合品質「Ｂ」は許容できる接合強度を持つがカプトン接合が高温のため劣化している接合である(「Ｂ」はそれでも許容できる品質である)。接合品質「Ｃ」は、接合は形成されているが、接合強度が熱圧縮によって接合された部品より低い。接合品質「Ｆ」は、銅導線とチップパッドの間に接合が形成されなかった状況として定義される(ほとんどのケースでカプトンは局部的温度上昇のため燃える)。
【００４１】
試験番号２においてパルス長を５から１０ミリ秒へ増加させることによって、接合品質は劇的に向上したが、この場合、カプトンは１つのチップ部位で燃えた。再びパルス長を５ミリ秒に引き下げ、(レーザ電流を増加させる手段によって)レーザ力を増大させることによって、接合は再び弱くなったが、カプトンの燃焼はもはや観察されなかった。接合を一層改善するため、レーザ・エネルギーが、電力増加によって再度増大された。試験番号４において、良好できれいな接合が形成され、カプトンに対する損傷が観察されなかった。これらのパラメータによって構築された部品の剥離試験は、また、良好な剥離強度を示した。結合強度は、レーザ・エネルギーを増加させることによって更に改善された。試験番号５において、レーザ・エネルギーが、パルス長を５から１０ミリ秒へ増加させることによって増大された。このケースでは、結合強度は劇的に改善されたが、若干のカプトン燃焼も観察された。試験番号２および５において、カプトン燃焼は銅リード線側で発生したが、銅リード線を露出させる開口部はなかった。従って、カプトンと銅リード線の間の粘着層が燃焼したものと推量される。試験番号６では、レーザ電流が１９アンペアに維持されたが、パルス長は１０から１５ミリ秒へ増加された。この結果、過剰レーザ・エネルギーとなって、カプトン全体にわたっていくつかの燃焼孔が発生し、ＴＡＢリード線とチップパッドの間に何の接続も形成されなかった。
【００４２】
試験番号７は、接合力を小さくして試験番号５を繰り返したものである。試験番号７において接合圧力は、１４０グラムから１００グラムへ減少された。このケースでは、試験番号５と同様に、高い結合強度を持った良好な接合が観察された。しかし、１つのチップ部位でテープ損傷の可能性が観察された。このケースでは、また、銅リード線またはＴＡＢリード線の露出はなかった。
【００４３】
【表１】
Figure 0003630511
【００４４】
【表２】
Figure 0003630511
【００４５】
表２の結果に基づいて、３層テープに関する接合性範囲は次のように確定できる。
接合圧力： １００−１４０グラム
レーザ電流： １７−２０アンペア
パルス長： ５−１０ミリ秒
最大設定温度： ０．６−０．８
２０ｎｍのスパッタリングされたクロムを使用した２層テープを使用した実験も行った。実験上の設計は、接合圧力、パルス長およびレーザ電力の接合品質に及ぼす効果を評価すように設定された。この実験は、接合圧力、パルス長およびレーザ電流の変数を３つのレベルで、すなわち合計２７の別々の試験を行い、ＦＰＣレーザを利用した２７種の接合部品を作成した。検査の結果、すべての２７個の部品についてカプトンまたは障壁層に損傷は見られなかった。次に、カプトンをエッチングしてＴＡＢリード線を露出させた。２７個の部品の接合強度を評価するため、はさみ付け試験および引っ張り試験を実行した。その結果、比較的高いレーザ・エネルギーについては２００グラム以上の良好な接合強度を示した。表３は、２７個の実験に関する試験条件および接合強度結果を示す。
【００４６】
【表３】
Figure 0003630511
【００４７】
実験は、窓なしの金対金ＴＡＢ接合が実施可能であることを証明した。２００グラム以上のはさみ付け強度を簡単にかつ繰り返して達成することができる。レーザ接合工程によるカプトンまたは障壁層に対する損傷は観察されなかった。表３に示された結果に基づいて、２層テープに関する接合性範囲は、次の表４のように定めることができる。
【００４８】
【表４】
Figure 0003630511
【００４９】
本発明は、従来技術のＴＡＢ窓および対応するカプセル充填の必要性を排除し、平面ＴＡＢ接続工程を提供する。それにより、コストは削減され、信頼性は向上し、修理維持作業が容易となる。
【００５０】
その後、テープ１０４は、熱／圧力ステーション１２２に送られる。図１１および図１２に関連して上述したように、粘着層８４が、シリコン基板上に形成された障壁層３０の上部表面に存在する。上述の接合ステップの後、シリコンチップ１２０がテープ１０４に押しつけられ、粘着層８４を固めるため加熱され、チップ１２０にテープ１０４を物理的に接合させる。その後、テープ１０４はオプションではあるが巻取リール１２４に巻き取られる。後刻、テープ１０４は個々のＴＡＢヘッド・アセンブリに切り離される。
【００５１】
作成されたＴＡＢヘッド・アセンブリがプリント用カートリッジ１０に配置され、上述の粘着シール９０が作成され、これによって、ノズル部材が確実にプリント用カートリッジに取り付けられ、ノズル部材とインク貯蔵室の間の基板周囲にインク漏れ防止シールが形成され、インクから導線を隔離するためヘッド部分の導線がカプセル化される。次に、フレキシブルＴＡＢヘッド・アセンブリ上の周辺ポイントが、図１に示されるようにポリマ・フレキシブル回路１８をプリント用カートリッジ１０の表面と比較的同じ高さにとどめる従来技術の溶融タイプ接合法によって、プラスチックのプリント用カートリッジ１０に固定される。
【００５２】
以上、本発明の原理、実施形態および動作モードを記述したが、本発明は上述の特定の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。例えば、インクジェット・プリントヘッドのシリコン基板へのＴＡＢ回路導線の接合に関して本発明を記述したが、光ファイバー・システムに接続されたレーザ光線を使用することによって２つの接点エレメントを無はんだ電気接続を行う本発明の方法および装置は、その他のタイプの電気部材の相互接合に適用することも可能である。同様に、電気的部材の金対金無はんだ接合に関連して本発明を記述したが、本発明の方法をその他の伝導性金属の無はんだ接合に使用することもできる。このように、上述の実施形態は、本発明を限定するためではなく例証するためのものとみなされるべきであり、また、上述の実施形態は本発明の範囲を離脱することなく当業者によって種々のバリエーションを作成することが可能である点は理解されるべきであろう。
【００５３】
本発明には、例として次のような実施様態が含まれる。
（１）特定の波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を電気接点部に接合させる方法であって、上記レーザ光線の波長に対応する適切なレーザ光吸収性を持つシード金属をその上部表面に有する電気リード線を準備するステップと、上記電気リード線を上記電気接点部に対し位置合わせするステップと、上記電気リード線および上記電気接点部を接合位置において光ファイバーと接触するように保持するステップと、光ファイバーを通過するレーザ光線を照射することによって、上記電気リード線および上記電気接点部を上記接合位置で接合させるステップと、を含む電気部品接合方法。
【００５４】
【発明の効果】
ＴＡＢ回路上の電導リード線をインクジェット・プリントヘッドのシリコン基板に接合させる工程への本発明の応用によって、従来技術におけるＴＡＢ回路中の窓の必要性およびそれに伴ってリード線を覆うカプセル材の必要性がなくなり、チップサイズの減少、同じチップサイズを持つノズル数の増加、組立の容易性、歩留まり上昇、信頼性向上、修理等の際の容易な表面アクセス、および材料ならびに製造全体のコスト削減という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態に従うインクジェット・プリント用カートリッジの透視図である。
【図２】図３および図４と共に、図１のプリント・カートリッジから取り外されたテープ自動化接合(ＴＡＢ)プリントヘッド・アセンブリを示す図である。
【図３】図２および図４と共に、図１のプリント・カートリッジから取り外されたテープ自動化接合(ＴＡＢ)プリントヘッド・アセンブリを示す図である。
【図４】図２および図３と共に、図１のプリント・カートリッジから取り外されたテープ自動化接合(ＴＡＢ)プリントヘッド・アセンブリを示す図である。
【図５】図１のインクジェット・プリント用カートリッジの簡略透視図である。
【図６】ＴＡＢプリントヘッド・アセンブリの正面のブロック図である。
【図７】シリコン基板が搭載され電導性リード線が基板に接続されている図６のＴＡＢヘッド・アセンブリの背面図である。
【図８】シリコン基板上の電極への電導性リード線接続を示す図７のＡ−Ａ部分の拡大図である。
【図９】図６のＴＡＢヘッド・アセンブリの背面に実装されるヒーター抵抗器、インク流路および気化室を含む基板構造の俯瞰図である。
【図１０】本発明の好ましいＴＡＢヘッド・アセンブリを形成するために使用される１つの工程を示す図である。
【図１１】本発明において使用されるファイバー押し下げ接触レーザ・システムのブロック図である。
【図１２】フレキシブル回路、接合接点、ＴＡＢリード線およびチップパッドのブロック図である。
【図１３】ＦＰＣレーザーを用いた接合工程の間におけるフレキシブル回路、ＴＡＢリード線、接合位置およびチップパッドの温度分布を示すブロック図である。
【図１４】各種金属の波長に対する吸収性特性を示すグラフ図である。
【図１５】２、５、１０、１５および２５ｎｍのクロムを用いてスパッタリングされたカプトン・テープの５つの標本に関する光伝導の結果を示すグラフ図である。
【図１６】Ｔｉ／Ｗシード層を持つフレキシブル回路における温度上昇を示すグラフ図である。
【図１７】クロム・シード層を持つフレキシブル回路における温度上昇を示すグラフ図である。
【図１８】異なる厚さのクロム・シード層を持つ３層テープにおける時間対温度上昇を示すグラフ図である。
【図１９】フレキシブル回路のレーザー接合性能を評価する実験結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ インクジェット・プリント用カートリッジ
１２ インク貯蔵室
１４ プリントヘッド
１６ ノズル部材
１７ 開口部
１８ フレキシブル・ポリマ回路
２０ 接点パッド
２２、２４ 接合領域
２５ 後ろ壁
２８ 基板
３０ 障壁層
３２、８０ インク流路
３６ 電導線
３８ 位置
４０ 基板電極
４２ 障壁層部分
４６ インク
７０ 薄膜抵抗器
７２ 気化室
７４ 電極
７８ デマルチプレクサ
８４ 粘着性層
１０４ カプトンあるいはアップフレクス・タイプのポリマ・テープ
１０５ リール
１０６ スプロケット孔
１０８ マスク
１１０ レーザ放射
１１２ エクサイマー・レーザ
１１５ 高精度レンズ
１１７ クリーニング・ステーション
１２０ シリコンチップ
１２２ 熱／圧力ステーション
１２４ 巻取リール
２００ ＦＰＣレーザ・システム
２０２ Ｎｄ ＹＡＧまたはダイオードのレーザ
２０４ 光ファイバー
２０６ 接合点
２０８ ＴＡＢリード線
２１０ チップパッド
２１２ 赤外線検出器
２１４ １／２伝導ミラーまたは光線分割器
２１６、２２２ 収束レンズ
２２０ レーザ光線
２２４ ＰＣコントローラ
２２６ モニタ

Claims (12)

  1. 指定された波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を基板電極にはんだ無しで接合する方法であって、前記電気リード線と前記基板電極は同様の金属であり、
    少なくとも表面が特定の金属である前記電気リード線を準備するステップと、
    前記特定の金属である基板電極を準備するステップと、
    前記ＴＡＢ回路のテープと前記電気リード線との間には、前記レーザ光線の波長において適切なレーザ光吸収性を有する金属コーティングが設けられており、
    電気リード線とは反対側にある基板電極に前記電気リード線を位置合わせするステップと、
    電気リード線側から電気リード線と金属コーティングにレーザ光線を送ることによって前記電気リード線と前記基板電極を接合し、電気リード線と基板電極の特定の金属の間に共通の接合部を形成するステップと、
    を含む接合方法。
  2. 前記特定の金属は金である、請求項１記載の接合方法。
  3. 前記接合ステップは、前記接合部内に前記金属コーディングの金属を実質的に含まない共通の接合部を前記電気リード線と前記基板電極の特定の金属の間に形成することを含む、請求項１記載の接合方法。
  4. 少なくとも３００グラムの力で前記電気リード線と前記基板電極とを接触するように保持するステップをさらに含む、請求項１記載の接合方法。
  5. 前記接合ステップは、光ファイバーを通過したレーザ光線を前記電気リード線に送ることを含み、
    前記保持ステップは、光ファイバーを用いて前記力を加えることを含む、請求項４に記載の接合方法。
  6. 前記位置合わせステップの前に、ポリマーテープを準備し金属層と前記電気リード線を該ポリマーテープ上に形成するステップをさらに含む、請求項４記載の接合方法。
  7. 前記接合ステップは、テープのバルク材料を通して拡散するようにレーザ光線を送り、前記金属に到達させることを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 指定された波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を基板電極にはんだ無しで接合する方法であって、前記電気リード線と前記基板電極は同様の金属であり、
    少なくとも表面が特定の金属である前記電気リード線を準備するステップと、
    前記特定の金属である基板電極を準備するステップと、
    前記ＴＡＢ回路のポリマテープと前記電気リード線との間には、前記レーザ光線の波長において適切なレーザ光吸収性を有するクロム金属コーティングが設けられており、
    電気リード線とは反対側にある基板電極に前記電気リード線を位置合わせするステップと、
    電気リード線側から電気リード線と金属コーティングにレーザ光線を送ることによって前記電気リード線と前記基板電極を接合し、電気リード線と基板電極の特定の金属の間に共通の接合部を形成するステップと、
    を含む接合方法。
  9. 前記電気リード線を準備するステップは、
    クロム金属コーティング上に金属導線を形成することと、
    前記金属導線上に前記特定の金属の電気接点領域を形成することを含む、請求項８に記載の接合方法。
  10. 指定された波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を基板電極にはんだ無しで接合する方法であって、前記電気リード線と前記基板電極は同様の金属であり、
    少なくとも表面が特定の金属である前記電気リード線を準備するステップと、
    前記特定の金属である基板電極を準備するステップであって、サーマルインクジェットプリントヘッドの構成要素上に前記基板電極を形成することを含む、ステップと、
    前記ＴＡＢ回路のポリマテープと前記電気リード線との間には、前記レーザ光線の波長において適切なレーザ光吸収性を有するクロム金属コーティングが設けられており、
    ポリマーテープに前記プリントヘッドのノズルを形成するステップと、
    電気リード線とは反対側にある基板電極に前記電気リード線を位置合わせするステップと、
    電気リード線側から電気リード線と金属コーティングにレーザ光線を送ることによって接合部表面で前記電気リード線と前記基板電極を接合し、電気リード線と基板電極の特定の金属の間に共通の接合部を形成するステップと、
    を含む接合方法。
  11. 指定された波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を基板電極にはんだ無しで接合する方法であって、前記電気リード線と前記基板電極は同様の金属であり、
    少なくとも表面が特定の金属である前記電気リード線を準備するステップと、
    前記特定の金属である基板電極を準備するステップであって、サーマルインクジェットプリントヘッドの構成要素上に前記基板電極を形成することを含む、ステップと、
    前記ＴＡＢ回路のポリマーテープを準備し、前記レーザ光線の波長において適切なレーザ光吸収性を有する金属コーティングと前記電気リード線を該ポリマーテープ上に形成するステップと、
    ポリマーテープに前記プリントヘッドのノズルを形成するステップであって、前記ノズルは前記電気リード線からずらしたテープ上の位置に形成される、ステップと、
    電気リード線とは反対側にある基板電極に前記電気リード線を位置合わせするステップと、
    少なくとも３００グラムの力で電気リード線と基板電極とを接触するように保持するステップと、
    電気リード線側から電気リード線と金属コーティングにレーザ光線を送ることによって前記電気リード線と前記基板電極を接合し、電気リード線と基板電極の特定の金属の間に共通の接合部を形成するステップと、を含み、
    前記接合ステップは、テープのバルク材料を通して拡散するようにレーザ光線を送り、前記シード金属に到達させることを含む、接合方法。
  12. 指定された波長を持つレーザ光線を使用してＴＡＢ回路の電気リード線を基板電極にはんだ無しで接合する方法であって、前記電気リード線と前記基板電極は同様の金属であり、
    少なくとも表面が特定の金属である電気リード線を準備するステップと、
    前記特定の金属である基板電極を準備するステップであって、サーマルインクジェットプリントヘッドの構成要素上に前記基板電極を形成することを含む、ステップと、
    前記ＴＡＢ回路のテープと電気リード線との間には、前記レーザ光線の波長において適切なレーザ光吸収性を有する金属コーティングが設けられており、
    電気リード線とは反対側にある基板電極に前記電気リード線を位置合わせするステップと、
    電気リード線側から電気リード線と金属コーティングにレーザ光線を送ることによって接合部表面で前記電気リード線と前記基板電極を接合し、電気リード線と基板電極の特定の金属の間に共通の接合部を形成するステップと、
    を含む接合方法。
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