JP3828728B2 - サーマルインクジェットプリントシステムとサーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、静電気放電保護(electrostatic discharge protection, ESD)システムに関し、より詳細には、サーマルインクジェットプリントシステムの電気不活性(electronically-inactive)構成要素をESD事象から保護するシステムおよび方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電気放電(ESD)事象は、プリントシステムなどの電子機器に大きな被害を引き起こす可能性のある重大な出来事である。典型的なESD事象は、一般に、高電圧が発生し、低電圧で動作するように設計されたプリントシステム、特にプリントヘッドを簡単に破損させたり破壊したりすることがある。
【0003】
サーマルインクジェットプリントシステムは、一般に、電気的に活性な(すなわち電気的)構成要素(たとえば、抵抗器やキャパシタなど)と、主に非電気的な機能を有する電気不活性構成要素(ある種の薄膜層など)の両方を含む。サーマルインクジェットプリントシステムのプリントヘッドに対するESD事象は、プリントヘッドに含まれる構成要素を簡単に破損したり破壊したりすることがある。さらに、プリントヘッドの電気的構成要素だけでなくプリントヘッドの電気不活性構成要素にも損傷を引き起こすことがある。
【0004】
多くのプリントシステムは、ESD保護システムを含むが、現在のESD保護方式は、プリントシステムの電気的構成要素だけを保護するように設計されている。したがって、電気不活性構成要素は、一般に、損傷を与える可能性のあるESD事象から保護されていないままである。これは、電気的構成要素がESD保護機能を有する場合でも、特に電気不活性構成要素が電気的構成要素のすぐ近くにある場合には、ESD事象が印刷システムの電気的構成要素を破損させることがあるため、問題である。したがって、サーマルインクジェットプリントシステムの電気的構成要素だけでなく電気不活性構成要素をESD事象から保護するESD保護システムが必要である。
【0005】
【課題を解決するための手段】
以上説明した従来技術の制限を克服し、また本明細書を読み理解することによって明らかになる他の制限を克服するために、本発明は、システムの電気不活性構成要素を保護することによって静電気放電(ESD)からサーマルインクジェットプリントシステムを保護するシステムおよび方法において実施される。電気不活性構成要素にESD保護機能を提供することによって、プリントシステムの電気的構成要素にESD保護の追加の目安を提供するより完全でかつ効率的なESD保護システムが達成される。電気不活性構成要素は、電気的機能をもたないプリントシステムの構成要素と、主に非電気的な目的を有する構造(たとえば、薄膜層)である。
【0006】
本発明は、電気不活性構成要素を含むプリントシステムにきわめて効果的でかつ効率的なESD保護機能を提供する。詳細には、プリントシステムの電気不活性構成要素と電気的構成要素にESD保護を提供することによって、本発明は、プリントシステム(特にプリントヘッド)のESD事象による破損または破壊に対する関与性と感度を大幅に低下させる。さらに、本発明は、プリントヘッドの既存の構造および回路を使用しあるいは適切な微細加工および薄膜技術によって、プリントシステムのプリントヘッド内で実現することができる。
【0007】
本発明のシステムは、ESD事象がプリントシステムの電気不活性構成要素から遠くに導かれるように位置決めされたESD保護システムを含む。本発明のESD保護システムは、ESD事象の有害な影響を弱め、実施形態によっては、ESD事象の発生を防ぐことができこともある。本発明のESD保護システムは、これを達成するためのいくつかの実施形態を含む。
【0008】
詳細において、ESD保護システムの1つの実施形態は、ESD事象を放散するために電気的に浮動する大きな導電体領域を提供する。この大きな導電体領域は、電気不活性構成要素に容量結合されており、ESD事象の蓄積領域を提供することによって電気不活性構成要素のESD事象に対する感度を低下させる。もう1つの実施形態において、大きい導電体領域と電気不活性構成要素が、同電位またはアース電位に維持され、それにより、ESD事象の発生が大幅に減少し、なくなることもある。さらに、製造工程中にESD保護機能を提供するために、実施形態は、切断可能なリンク(ヒューズなど)を含み、それにより電気不活性構成要素と大きい導電体領域を、大きい導電体領域と電位部分との接続が切断されるまでのある一定期間同じ電位に維持することができる。それにより、このESD保護システムは、プリントシステムの通常の動作に影響を及ぼすことなく製造工程中のESD事象の発生を大幅に減少させる。
【0009】
本発明のもう1つの実施形態は、ESD事象の優先破壊位置をどの電気不活性構成要素からも遠い位置に提供するESD保護システムを含む。プリントシステムに生じる破損は、他のすべてのESD保護システムが壊れた場合でも、プリントシステムの動作に影響しない位置になる。本発明の他の実施形態は、プリントシステム内の大きい導電体領域をそれぞれ異なる薄膜層に分割する様々なESD保護システムを含む。ESD事象による電荷は、それらのさまざまな異なる層に蓄積され、それにより、どれか1つの層に高電荷領域ができてその層が破壊されるのが防止される。さらに、分流バーを使用してESD事象がたどる優先経路を提供することができ、この優先経路は、電気不活性構成要素から遠くに配置される。本発明は、また、前述のシステムを使用して電気不活性構成要素を有するプリントシステムを保護する方法を含む。
【0010】
本発明のその他の態様と利点およびそのより完全な理解は、本発明の原理を例として示す添付図面と関連して行う以下の詳細な説明から明らかになるであろう。さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって制限され、前に説明した課題を解決するための手段または以下の詳細な説明によって制限されることはない。
【0011】
本発明は、好ましい実施形態を示す以下の説明と添付図面を参照することによってさらに良く理解することができる。その他の機能および利点は、本発明の原理を例として示す添付図面と関連して行う以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。図面は、全体を通じて同じ参照番号が対応する部分を示す。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の以下の説明において、本発明の一部分を構成し、本発明を実施することができる特定の例を例示として示す添付図面を参照する。本発明の範囲を逸脱せずに他の実施形態を利用することができ構造的な変更を行うことができることを理解されたい。
【0013】
I.概要
本発明は、直接ESD事象と外部ESD事象の両方からのESD保護機能を備えたマイクロシステムを提供する。一般に、直接ESD事象は、電気不活性構成要素を直接(または、すぐ近くから)襲うものである。外部ESD事象は、電気不活性構成要素から遠くで起きるものである。外部ESD事象は電気不活性構成要素から遠くて起きるが、通常、攻撃領域から構成要素まで導電経路があるため構成要素を破損させることがある。たとえば、抵抗器がサーマルインクジェットプリントヘッドの構成要素の深い位置に配置されることがあるが、ESD事象がプリントヘッドの表面のトレースを襲う場合に抵抗器が破壊されることがある。本発明は、前述の両方のタイプのESD事象からマイクロシステムを保護する。
【0014】
A.直接ESD事象からのESD保護
図1Aは、構成要素に直接生じるESD事象から保護された電気不活性構成要素を示す本発明の第1の実施形態の概略ブロック図である。マイクロシステム100は、集積回路またはマイクロマシンでよく、電気不活性構成要素110を含む。一般に、電気不活性構成要素110は、本発明のESD保護システムに結合される。回路の電源側には、電源ループESD保護システム115があり、回路のアース側には、接地ループESD保護システム120がある。
【0015】
電源ループESD保護システム115は、電源125に電気的に結合することができ、接地ループESD保護システム120は、アース130に電気的に結合することができる。あるいは、電気不活性構成要素110と電源ループESD保護システム115と接地ループESD保護システム120の組合せは、電源125またはアース130(点線で示したような)への接続を必要としない。その代わりに、この組合せを電気的に浮動させることができる。図1Aに示したような構成は、電気不活性構成要素110を直接襲うESD事象による破損からマイクロシステム100を保護する。
【0016】
図1Bは、図1Aの実施形態の機構例を示すサーマルインクジェットプリントヘッド140のブロック図である。図では、タンタル「島」(分離領域)などの複数の保護層150が、サーマルインクジェットプリントヘッド140の最上層の近くに配置され、ブリッジ160によって接続されている。保護層150は、下にある層をインク滴バブル破裂(ink drop bubble collapse。後で詳細に示す)から保護するためのものである。以下の例では、材料はタンタルであるが、たとえばロジウム(Rh)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)などの他の任意の適切な材料を使用することができる。各タンタル島150は、インク滴の発射に使用される抵抗器(図示せず)に重なっていることが好ましい。
【0017】
サーマルインクジェットプリントヘッド140への電力は、プリントヘッド140を電源170とアース175に接続することによって提供される。プリントヘッド140のアース側には、タンタル島150をESD放電事象から保護する接地ループ保護回路180がある。同様に、プリントヘッド140の電源側には、タンタル島150を保護する電源ループ保護回路190がある。これらの保護回路は、プリントヘッド140との間に一方向の電荷を提供するダイオードを含むことが好ましい。ESD事象がタンタル島150の1つまたは複数を襲うとき、それに伴う電荷が、電源ループ保護回路190か接地ループ保護回路180を介して放散され、壊れやすい構成要素を破損しないようにESD事象が防止される。
【0018】
B.外部ESD事象からのESD保護
図2Aは、構成要素の外部にある場所で起きるESD事象から保護される電気不活性構成要素を示す本発明の第2の実施形態の概略ブロック図である。マイクロシステム200は、マイクロシステム200に結合された外部経路205を含み、何も介在せずに、ESD事象による電荷が電気不活性構成要素210に渡ることができる。たとえば、外部経路は、ESD事象を受けて電荷を電気不活性構成要素に送ることがあるマイクロシステムの表面に沿った導電性トレースを含む。
【0019】
図2Aに示したマイクロシステム200は、マイクロシステム200の電源側の電源ループESD保護システム215と、マイクロシステム200のアース側の接地ループESD保護システム220を含む。電源ループESD保護システム215は、電源225に結合されることが好ましく、接地ループESD保護システム220は、アース230に結合されることが好ましい。遅延システム235が電気不活性構成要素210の近くに配置され、それにより保護回路215および220が、電気不活性構成要素210を破損させるよりも十分に前に活性化しESD事象による電荷を放散することができる。この遅延システム235は、抵抗器であることが好ましい。
【0020】
図2Bは、図2Aの実施形態の機構例を示すサーマルインクジェットプリントヘッド250のブロック図である。この例において、プリントヘッドの表面にあるが他の導体に接近していない露出した導電体層255が、マイクロシステムへの外部経路である。接地ループ保護回路260と電源ループ保護回路265が、プリントヘッド250の電源側とアース側を保護する。抵抗器270は、保護回路260および265が活性化するより前にESD事象からの電荷が熱消散層275に達しないように遅延させる遅延システムとしてはたらく。熱消散層275は、サーマルインクジェット抵抗器(図示せず)の下にあって抵抗器のヒートシンクとしてはたらき、したがって電気的機能はない。熱消散層275をESD事象から保護する他に、熱消散層275が抵抗器のすぐ近くにあるため、抵抗器のESD保護も達成される。この方式では、電気的に不活性な熱消散層275と抵抗器の両方を破損させないように、露出した導電体層255で生じるESD事象が防止される。
【0021】
II.ESD保護システムの詳細
本発明は、ESD事象からの保護を提供するいくつかの実施形態を有するESD保護システムを含む。次に、これらのESD保護システムのそれぞれについて検討する。
【0022】
A.直接ESD事象からのESD保護システム
電気的に浮動するESD放散システム
本発明の1つの実施形態は、電気的に浮動しているESD放散システムである。この実施形態において、電気不活性構成要素は、システムの一部であり、ESD事象の放散に役立つ。電気不活性構成要素は、電気的構成要素または別の電気不活性構成要素に容量結合することができる大きい導電体領域を含むことが好ましい。ESD事象が生じるとき、ESD事象によって生成された電荷は、優先経路に沿って、電荷を放散する大きい導電体領域まで送られる。電気的構成要素は、ESD事象からの電荷を優先経路に沿って大きい導電体領域に電荷を送って放散させることによって保護され、電気不活性構成要素は、電気的に浮いているために保護される。
【0023】
図3は、この種のESD放散システムの例を示す。この例において、マイクロシステムは、薄膜構造を有するサーマルインクジェットプリントヘッドである。薄膜構造は、電気的構成要素層(この例では抵抗器である)と、抵抗器に重なる誘電体層と、誘電体層の少なくとも一部分と重なる保護層とを含む。また、プリントヘッドの薄膜構造は、基板上に配置された他の適切な層を含むことがある。
【0024】
保護層は、タンタル(Ta)などの材料からなる。保護層は、通常、単体のスラブとしてではなく抵抗器に重なる個別の絶縁領域または「島」としてタンタルをマイクロシステム上に付着させることが好ましい。これは、保護層の上に付着される薄膜が、タンタル保護層以外の層の方がよく付着するためである。ほとんどの場合、各抵抗器は、電気的に絶縁されたタンタルの島によって覆われる。しかしながら、ESD事象が生じると、電荷がそのような島に溜まり、この電荷を放散させることができないため、タンタル島と抵抗器の間に大きな電位差が生じる。この大きな電位差は、タンタル島と抵抗器の間のパッシベーション層に絶縁破壊を引き起こすことがある。
【0025】
しかしながら、本発明のESD放散装置は、単体スラブと絶縁島の2つの両極端な状態を調和させることができる。すなわち、1つの極端な状態では、大きい導電体領域(単体スラブなど)は、本質的に、大電流の流れを可能にする島の間の低抵抗ブリッジとしてはたらき、ESD事象の間のパッシベーション層320の両側のピーク電圧を低下させる。単体スラブは、島の間を低抵抗で接続し、優れたESD保護を提供する(大量の電荷を蓄積することができるため)。しかしながら、このような低抵抗ブリッジは、また、抵抗器の破壊がマイクロシステム全体に広がる経路を提供し、そのような広がりにより、マイクロシステムの広い範囲が破壊されることがある。
【0026】
他の極端な状態では、ブリッジに流れる電流を妨げてピーク電圧を高くする分離した島(または、島の間の高抵抗ブリッジ)があるため、大きい導電体領域は事実上存在しない。さらに、島がまったく接続されないとき、島の間の抵抗は事実上無限大である。抵抗器の破壊は、そのような高抵抗ブリッジを介して簡単に広がることはないが、適切なESD保護は提供されない。本発明のESD放散システムの利点は、機械的保護機能を低下させることなくプリントヘッドの薄膜構造の要件を調和させることができることである。詳細には、タンタル島を結合することによって、プリントヘッド接着の保護層が犠牲にならず、破損した抵抗器による損傷が他の抵抗器に広がらず、空洞化およびバブル破裂保護機能が維持される。さらに、タンタル島を接続することによって、ESD事象による電荷が全体にひろがり、1つのタンタル島に蓄積されるのではなく複数のタンタル島内に放散される。導電結合されたタンタル島は、タンタル層の電荷蓄積機能を大幅に高め、ESD事象の間のパッシベーション層の両側の電圧を低下させ、それによりパッシベーション層の破損を防ぐ。
【0027】
図3は、サーマルインクジェットインクヘッド(図示せず)の薄膜構造300の側面図であり、基板305、基板305に重なる抵抗器層310、および第1のパッシベーション層320を含む。基板305は、たとえばシリコンやガラスからなり、抵抗器層310は、たとえばタンタル・アルミニウムであり、第1のパッシベーション層320は、たとえば炭化ケイ素や窒化ケイ素からなる。抵抗器層310は、抵抗器材料(たとえば、タンタル・アルミニウムなど)に重なる抵抗器層310内の導電材料(たとえば、アルミニウムなど)の組合せのエッチング・パターンによって形成された抵抗器(図示せず)を含む。第2のパッシベーション層または保護層330は、ブリッジ350によって互いに接続された島340を含む。前述のように、この保護層330は、一般に、タンタルからなる。サーマルインクジェットプリントヘッドの薄膜構造におけるその他の態様と詳細は、Bohorquezらによる「Control of Energy to Thermal Ink jet Heating Elements」と題する米国特許第5,187,500号に見ることができ、この特許の内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0028】
島340を接続するブリッジ350は、保護層330と同じ層に示され、通常の薄膜処理技術を使用して作成することができる。代替として、島340を接続するブリッジは、保護層330に重なるインク・リザーバ(図示せず)かまたは薄膜構造300の追加の金属層(図示せず)の中を通すこともできる。さらに、ブリッジ350の形状は、便利でかつ有効な任意の形でよい。
【0029】
ブリッジ350を使用して島340を接続することによって、抵抗器層310に容量結合され電気的に浮動した一連のタンタル島340が作成される。装置のキャパシタンスは、抵抗器層310の上の保護層330の面積、パッシベーション層320の厚さ、およびパッシベーションの絶縁耐力の関数である。この高いキャパシタンスにより、保護層330は、パッシベーション層320の絶縁破壊と抵抗器層310へのアーク発生を招く可能性のある高電位を生じさせることなく多量の電荷を蓄積することができる。
【0030】
図3に示したように、保護層330は、パッシベーション層320によって抵抗器層310から離され、事実上キャパシタを作成する。キャパシタの両側の電圧は、次の通りである。
【0031】
V=q/C ・・・・(1)
【0032】
ここで、Vは誘電体の両側の電位差、qは各電極上の電荷、Cはキャパシタンスである。保護層330上の電荷は自ら均一に分散しようとし、下に抵抗器層310がある保護層330だけがキャパシタとしてはたらくので、実際には、電荷の一部分だけ(qeff)が電位差に影響する。その場合、式(1)は、次のようになる。
【0033】
V=qeff/C ・・・・(2)
【0034】
ここで、
【0035】
qeff=q(ARL/ACL) ・・・・(3)
【0036】
また、
ARL=保護層の下の抵抗器層の面積
ACL=保護層の総面積(島とブリッジ)
【0037】
これらの結果を組み合わせると、次の式が得られる。
【0038】
V=(q/C)*(ARL/ACL) ・・・・(4)
【0039】
以上の式から、一般にARLは変化せずqは一定であるため、CかACLを大きくすることによって、Vを小さくすることができる。
【0040】
誘電体間の電圧差がある限界値に達するとパッシベーションの絶縁破壊が起きるため、Cを大きくしqを小さくすることによって、より堅牢なESD放散システムを作成することができる。キャパシタは、並行に接続されたときに大きくなるため、島を接続するとキャパシタンスが大幅に増大する。さらに、ESD事象を高電圧/低電荷事象と見なすことができるので、電荷は、保護層上に自ら均一に分散しようとする。したがって、保護層の面積を大きくすると電荷密度は小さくなる。この電荷密度の低下は、キャパシタ(電気不活性構成要素を含む)上の電荷を減少させ、さらに誘電体の両側の電圧を低くするという有益な効果がある。
【0041】
1)切断可能リンクによってある電位に保持されるESD放散システム
本発明のもう1つの実施形態において、ESD保護装置は、電気不活性構成要素を電気的構成要素に導電結合するESD放散システム(前述のシステムと似ている)を含む。この組合せは、同じ電位またはアース電位に維持され、それにより、ESD事象が大幅に減少しなくなることもある。さらに、この実施形態は、切断可能リンク(ヒューズなど)を含み、それにより電気不活性構成要素と電気的構成要素を、それらの間の接続が切断されるまでの期間同じ電位に維持することができる。したがって、ESD保護システムが、所望の期間(製造工程中など)だけ使用され、マイクロシステムの通常動作には影響を及ぼさない。
【0042】
前述のように、ESD事象による電気不活性構成要素への損傷は、大きい導電領域を有するESD放散システムを提供することによって減らすことができる。この放散システムは、大きい導電領域を提供し、それによりESD事象による電荷を安全に放散させることができる。ESD放散システムの基準を既知の電位またはアース電位にすることによって、ESD事象から影響を受けにくくすることができる。ESD事象は、物体(電気不活性構成要素と電気的構成要素など)の間に電位差があるときだけ発生するため、構成要素を同じ電位に維持することによって、ESDによる破損が生じる可能性が大幅に低下する。
【0043】
いくつかの環境では、構成要素の電位をある期間(たとえば、製造中)同じ電位に維持し、その後で物体を同じ電位に維持するのをやめたいことがある。そのような環境では、構成要素間の切断可能な導電性リンク(ヒューズなど)を使用して、物体間の導電性リンクが切断されるまでの期間、構成要素を同じ電位に維持することができる。
【0044】
以上説明したESD放散システムの機構例では、前述の構造と類似の薄膜構造を有するサーマルインクジェットプリントヘッドが使用される。一般に、抵抗器の上に重なる保護層と誘電体パッシベーション層は、抵抗器を空洞化および泡破裂から保護する。プリントヘッドの通常の動作中、プリントヘッド上のリザーバ内のインクが、抵抗器によって加熱され放出される。このインクの泡の膨脹とその後の破裂によって、「ウォーター・ハンマー」効果が生じ、これが下の層に常に攻撃する。最終的に、この空洞化と泡破裂によって、誘電体層と抵抗器層が侵食され、抵抗器が破損する。保護層は、このような有害な因子に起因する抵抗器への損傷を減少させあるいはなくす。
【0045】
以上のように、保護層(通常はタンタルからなる)の島が接続されたとき、それらの島は、大きい導電体領域を形成し、ESD事象に対する感度を大幅に低下させることができる。しかしながら、そのようなタンタル島は、一般に電気的に分離されており、タンタル島と抵抗器を同じ電位に接続するか両方をアースに接続することによって、ESD事象に対する感度をさらに低下させることができる。さらに、製造中のタンタル島と抵抗器のESD事象による破損を少なくするか防ぐために、タンタル島と抵抗器を両方とも、プリントヘッドの正電圧パッドに接続することが好ましい。プリントヘッドのすべての抵抗器が、共通バスによって正電圧パッドに接続されるため、抵抗器とその上に重なるタンタル島との電位差はほとんどまたは全くなくなる。
【0046】
タンタル島を互いに接続し正電圧パッドに接続することは、プリントヘッドにインクがないときはプリントヘッドの動作に影響しない。しかしながら、プリントヘッドにインクが充填されたときは、タンタル島とアースの間にインクによって導電経路が確立される。したがって、プリントヘッドの通常の動作中にタンタル島が正電圧パッドの電位である場合は、インクを介して電流がアースに流れて、タンタル島が陽極酸化することがある。この酸化は、プリントヘッドの性能に悪影響を及ぼすことがあり、通常のプリントヘッドの動作中にタンタル島を正電圧パッドの電位にするのは望ましくない。
【0047】
以上の問題を回避するため、タンタル島は、製造工程中だけ正電圧パッドに接続され、抵抗器と同じ電位で保持される。これは、切断可能な導電性リンクを使用してタンタル島を正電圧パッドに接続することによって達成される。この機構例では、切断可能リンクはヒューズである。製造中は、タンタル島と抵抗器が正電圧パッドの電位に保持されるが、ペンにインクが充填された後は、タンタル島と正電圧パッドの間の接続が、ヒューズによって切断される。この機構例において、ヒューズは、抵抗器を発火させるために使用されるものと類似のトランジスタ(好ましくは、スイッチング電界効果トランジスタ(FET))を使用することによって開路される。サーマル・インクジェットプリントヘッドが未使用のアドレスを含むため、プリントヘッドに著しい回路の複雑さを加えることなく、そのような未使用アドレスのうちの1つによって、そのような溶断されたリンクのFETを開らくことができる。
【0048】
図4は、サーマルインクジェットプリントヘッド上の各タンタル島がそれ自体の接点を有する実施形態の機構例の平面図である。図4に示したように、第1のタンタル島400と第2のタンタル島410は、ブリッジ420によって接続される。第1のタンタル島400は、第1の抵抗器430上に位置決めされ、同様に、第2のタンタル島410は、第2の抵抗器440上に位置決めされる。また図3を参照すると、タンタル島が、少なくとも1つの誘電性パッシベーション層によって抵抗器から分離される。2つの抵抗器は、単なる例のために示され、プリントヘッドは、一般に、複数の抵抗器とタンタル島を含む。第1の抵抗器430と第2の抵抗器440は両方とも、入力450(正の電圧入力など)とドレイン460(FETドレインなど)を含む。
【0049】
各タンタル島上の接点470は、タンタル島を下にある抵抗器に導電結合する。バス475は、接点480を介してタンタル島と抵抗器を正電圧パッド485に接続し、切断可能リンク490は、バスとパッド485の間に配置される。正電圧パッド485とバス475との間の接続を切断するために、切換素子495(たとえば、トランジスタ)を使って、所望の時間に切断可能リンク490を開路することができる。切換素子495は、電界効果トランジスタ(FET)であることが好ましい。この方式において、タンタル島と抵抗器は両方とも、切断可能リンク490が開路されるまで正電圧パッド485の電位に保持される。図4に示した実施形態は、すべての島の間に低抵抗接続を提供するという利点を有し、ESD事象による電荷を放散する速度を改善することができる。
【0050】
図5は、本発明の機構例であり、タンタル島を切断可能リンク構造に接続するために1つの接点だけを使用する図4に示した実施形態の変形の平面図を示す。詳細には、第1のタンタル島500と第2のタンタル島510は、ブリッジ515によって接続される。前の実施形態と同じように、第1の抵抗器520は、第1のタンタル島500の下にあり、第2の抵抗器530は、第2のタンタル島510の下にある。各抵抗器は、入力535とドレイン540を有する。タンタル島は、接点550によって、バス560、切断可能リンク570、およびバス560を正電圧パッド585に接続するもう1つの接点580を含む切断可能リンク構造に接続される。切換素子590は、バス560に接続され、切断可能リンク570が所望の時間に破壊される方法を提供する。
【0051】
図5に示した実施形態は、一般に、抵抗器を覆うタンタル島を切断可能リンク構造に接続するのに1つの接点しか必要としないため簡単に実現することができる。さらに、この実施形態を使用して、単一の接点を使っていくつかのタンタル島を切断可能リンク構造に容易に接続することができる。
【0052】
図4と図5の実施形態は、また、切断可能リンクが開路された後でも追加の保護を提供する。詳細には、接続されたタンタル島は、切断可能リンクが切断された後でも切換素子に接続されたままである。好ましい実施形態において、切換素子は、大型のLDMOS FETであり、接続されたタンタル島は、このFETのドレインに接続されたままである。FETを使用して切断可能リンクを開路した後、FETは、引き続き、接続されたタンタル島のESD保護装置としてはたらく。さらに、接続されたタンタル島をESD事象から保護するために他のタイプのESD保護装置を使用することもできる。
【0053】
保護層をアースに接続すると、電源から過度の電流を取り出し、抵抗器破損が生じた場合に発火することがある。破局的な抵抗器破損は、残りの抵抗器層と保護層との間に激しい短絡を形成することがある。発火の危険を回避するために、多くのサーマルインクジェットプリントヘッドの保護層は、アースから切り離される。したがって、切断可能リンク構造と正電圧パッドとの接続を切断するために使用される切換素子は、リンクが切断される前または後にESD事象によってアースに短絡される可能性がある。したがって、切換素子と接続されたタンタル島の間に補助的な切断可能リンクを追加することによってそのような可能性から守ることが望ましいことがある。
【0054】
図6は、図5の実施形態とにほぼ似ており、補助的な切断可能リンクが追加されている。図6に示したように、第1のタンタル島605と第2のタンタル島610が、ブリッジ615によって接続される。第1のタンタル島605は、第1の抵抗器620を覆い、第2のタンタル島610は、第2の抵抗器625を覆う。両方の抵抗器は、入力630とドレイン635を有する。単一の接点640が、接続されたタンタル島をバス645に接続する。バス645は、一般に、タンタル保護層よりも下のレベルにあり、接点650によって正電圧パッド660に接続される。切断可能リンク670は、バス645を正電圧パッド660に接続し、バス645に接続された切換素子680によって切断することができる。補助的な切断可能リンク690は、接続されたタンタル島をバス645に接続する。
【0055】
補助的な切断可能リンク690を追加することは、切換素子680が切断可能リンク670を開路する能力には影響しない。接続されたタンタル島が接点640で接続されるため、補助切断可能リンク690は、切断可能リンク670が開いている間にタンタル島から放散される電荷が補助切断可能リンク690を破損しないように設計される。次に、この補助切断可能リンク690は、接続されたタンタル島が正電圧パッド660から切り離された後も残り、破局的な抵抗器破損の場合に電源から過度の電流(および発火の危険)が流れないようにする。
【0056】
図7〜図9は、電気不活性構成要素が電気的構成要素に導電結合され、アース電位に保持される他の実施形態の機構例を示す。これらの実施形態は、破局的な抵抗器破損が生じるときの過電流保護機能を提供する切断可能リンクを含む。
【0057】
図7を参照すると、第1のタンタル島705は、第1の抵抗器710を覆い、第2のタンタル島715は、第2の抵抗器720を覆う。両方の抵抗器は、入力725とドレイン730を含む。さらに、第1のタンタル島705と第2のタンタル島715は、ブリッジ740によって接続される。接続されたタンタル島は、接点750によって下層のバス745に接続され、バス745は、切断可能リンク760によってアースに接続される。この実施形態は、接続されたタンタル島全体を保護するために1つの接点と1つの切断可能リンク760しか必要としないため、実現が最も容易なものの1つである。
【0058】
図8に、タンタル島が下層のバスによってブリッジされ、各島がそれぞれ接点とヒューズを有するもう1つの実施形態を示す。具体的には、図8は、第1の抵抗器810に重なる第1のタンタル島805と、第2の抵抗器820に重なる第2のタンタル島815とを示す。各抵抗器は、入力825とドレイン830を有し、第1のタンタル島805は、第1のバス840によって下層にあるバス850に接続される。同様に、第2のタンタル島815は、第2の接点860によってバス840に接続される。第1の接点850とバス840の間には第1の切断可能リンク870があり、第2の接点860とバス840の間には第2の切断可能リンク880がある。このようにして、両方のタンタル島がバス840によって接続され、バス840がアースに接続される。
【0059】
図8に示した実施形態は、導電体層にバス840によるアースへの接触を提供する。さらに、抵抗器の破損すると、抵抗器の上に重なる1つのタンタル島がアースから切り離され他の島がアースされたままになる。
【0060】
図9は、切断可能リンクが保護層自体に形成されたもう1つの実施形態を示す。第1のタンタル島905が第1の抵抗器910を覆い、第2のタンタル島915が第2の抵抗器920を覆う。他の実施形態と同じように、抵抗器は、入力925とドレイン930を含む。タンタル島と同じ層上にあり同じ材料からなるバス940が、アースに接続される。第1のタンタル島905は、保護層材料(この例では、タンタル)から形成された第1の切断可能リンク950によってバス940に接続される。同様に、第2のタンタル島915は、やはり保護層材料から形成された第2の切断可能リンク960によってバス940に接続される。
【0061】
図9に示した実施形態は、保護層のパターンを変更するだけでよいため実現が容易である。タンタルは抵抗が大きく融点が高いため、タンタルで良好な切断可能リンクを形成することは他の実施形態よりも難しいことがある。しかしながら、図9の実施形態は、保護層にタンタル以外の他の他の材料(たとえば、ロジウム(Rh)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ニッケル(Ni)など)が使用される場合に有用なことがある。
【0062】
B.外部ESD事象からのESD保護
本発明は、マイクロシステムの電気不活性構成要素の外部で生じるESD事象からの保護を実現するESD保護システムのいくつかの実施形態を含む。次に、そのようなESD保護システムについて検討する。
【0063】
1)犠牲ESD破壊システム
本発明の以上の実施形態は、ESD事象の防止と放散について考察した。本発明のこの実施形態では、分流素子を使用して、マイクロシステムの電気不活性部分に優先ESD破壊位置が作成される。したがって、マイクロシステムに使用されているESD保護システムが故障しているか無効な場合に、分流素子が、ESD事象を、生じた損傷がマイクロシステムの動作を損なうことがない優先ESD破壊位置に導く。
【0064】
この実施形態の1つの利点は、実現が簡単でかつ経済的であり、ESD事象による破損が、強制的にマイクロシステムの予測可能な位置で行われることである。したがって、本発明のこの実施形態は、ESD事象の大きさに関係なくマイクロシステムの機能を保護する。
【0065】
図10は、本発明のマイクロシステム1000の犠牲ESD保護システムの概略ブロック図である。ESD事象1010がマイクロシステム1000を襲うとき、生じる放電が、分流素子1020によって、マイクロシステム1000の重要部分1030から遠くに導かれる。その代わりに、分流素子1020は、ESD事象1010による放電を、優先ESD破壊位置1040まで、最終的にはアース1050まで導く。優先ESD破壊位置1040は、マイクロシステム1000の重要部分1030から遠くにあり、したがって、マイクロシステム1000の重要部分1030をESD損傷から保護する犠牲破壊位置が提供される。
図11は、図10に示した本発明の犠牲ESD破損システムの例を示す。詳細には、薄膜構造を有するサーマルインクジェットプリントヘッド1100を示す。図11の薄膜構造は、図3に示され、パッシベーション層(図示せず)の上に重なる保護上層1110と、パッシベーション層の下の金属層(図示せず)と、金属層の下の抵抗器層1120とを含むいくつかの層を含む。一般に、保護層1110はタンタル島であり、パッシベーション層は誘電体(炭化ケイ素や窒化ケイ素など)であり、金属層はアルミニウムであり、抵抗器層1120はタンタル・アルミニウムからなる。これらの材料の代わりまたは追加として、他の材料を使用することができる。
【0066】
分流素子は、この例では蛇行構造1130であり、導電材料からなり、保護層1010の下に配置され、ESD事象による破壊が生じるのに好ましい位置を作成する。この導電材料は金属層と同じ材料であることが好ましいが、他の材料を使用することもできる。蛇行構造1130は、接地バス1140に接続され、ESD事象による電荷のアースまでの経路を提供する。
【0067】
蛇行構造1130は、優先破壊位置を少なくとも2つの方法で作成する。第1に、構造1130は、各セグメント1160間に大きい縦横比の溝1150を含み、したがって製造が難しい。すなわち、溝1150(パッシベーション材料で満たされている)は、薄膜構造の他の部分よりも厚さが薄く絶縁耐力が小さい。第2に、ESD事象による電荷が蛇行構造1130内部にある間、その電荷は、各セグメント1160の内側の角で最も大きくなる。これらの2つの要因によって、パッシベーション層は、抵抗器層1120から遠い位置、すなわち蛇行構造1130の位置で破壊される。破壊された後、電荷は、接地バス1140への接続によってアースに放散される。
【0068】
本発明の犠牲ESD破損システムがない場合、プリントヘッド1100の表面に対するESD事象は、通常、パッシベーション層に浸透し、金属層および抵抗器層1120と接する。これは、抵抗器層1120に不可逆的な損傷を引き起こしてプリントヘッド1100の動作を損なう可能性のある。しかしながら、本発明の犠牲ESD破損システムは、プリントヘッド1100の機能を維持するESD事象による電荷の優先経路および破壊位置を提供する。
【0069】
蛇行構造1130は、ESD事象による電荷に抵抗器層1120よりも優先される領域を提供することによって抵抗器層1120をESD損傷から守る。蛇行構造1130は、高抵抗の抵抗器層1120よりも低い抵抗を有する(接地バス1140に直接接続されるため)構造的に厚い領域を提供し、それにより電荷に優先経路を提供する。さらに、ESD事象によって大きい短絡が形成された場合でも、そのような欠陥により、保護層1110(この例では、タンタル島)しか接地されない。したがって、U字形の抵抗器層1120にESD欠陥は発生せず、それにより、抵抗器層1120にある一定の電流が流れて次に抵抗器層1120が破損する状況が回避される。
【0070】
2)遮蔽による容量結合
本発明のもう1つの実施形態は、電気不活性構成要素と少なくとも1つの金属層を容量結合して、電気不活性構成要素のまわりに「遮蔽」を提供するESD保護システムを含む。さらに、本発明のシステムは、マイクロシステム内の大きい導電体領域を別個の面に分割する。これらの面は、電気不活性構成要素をほとんどまたはすべてのまわりを取り囲み、既存のESD保護装置に接続され、ESD事象からの電荷の優先経路を提供することによって電気不活性構成要素を遮蔽する。また、分流バーを使用して、電荷を流す優先経路を提供することができる。優先経路は、電気不活性構成要素から離れていることが好ましい。そのような別個の面に過剰な電荷が蓄積され、マイクロシステムを破損する可能性のある1つの面に高電荷領域ができるのが回避される。
【0071】
たとえば、サーマルインクジェットプリントヘッドにおいて、ESD事象によって、パッシベーション層に孔があいて抵抗器と保護層が短絡し、深刻な問題(発火など)が生じることがある。したがって、ESD事象による電荷を電気不活性構成要素からできるだけ遠くに維持することが望ましい。多くの現在のシステムは、保護する構成要素のまわりに配置されたファラデー箱または電荷シース(charge sheath)を使用し、構成要素と導電シールドとの間に半径が約3/8インチとなる。しかしながら、小さい寸法のマイクロシステム(サーマルインクジェットプリントヘッドなど)の場合は、一般にこの間隔をとることができない。
【0072】
しかしながら、本発明は、この問題を解決する。すなわち、図12は本発明の容量結合で遮蔽した実施形態の概略ブロック図である。詳細には、マイクロシステム1200は、電気不活性構成要素1210とESD保護装置1220を含む。電気不活性構成要素1210のまわりには、導電材料からなる複数の遮蔽層1230がある。これらの層1230は、互いに容量結合され、ESD事象からの電荷をそれぞれ異なる層1230に分割する。分流バー1240(点線)を使用して、層1230を導電結合し、電荷が流れる優先経路を提供することができる。層1230は、ESD保護装置1220に接続され、電荷の放散の一定の経路を提供する。
【0073】
本発明のこの実施形態は、ESD事象による電荷を通すことができる一定の経路を含むいくつかの利点を提供する。さらに、この実施形態は、電荷をマイクロシステムのいくつかの層に分割して、各層に含まれる電荷の量を少なくする。さらに、いくつかの実施形態では、分流バーを使用してESD事象がたどる優先経路を提供することができる。具体的には、電荷の優先経路は、電気不活性構成要素ではなくESD保護装置を通る。
【0074】
図13〜図15に示した例において、前の例と類似のサーマルインクジェットプリントヘッドを使用する。図13は、容量結合で遮蔽したESD保護システムの第1の実施形態の機構例を示す。この実施形態では、「音叉」型の設計により、電気的構成要素がESD事象から遮蔽される。詳細には、タンタル島1310が、金属層1320と抵抗器層1330の上に重なる。金属層1320が、抵抗器層1330のまわりに広がり、抵抗器層1330をESD事象から遮蔽する2つのセグメントを含む。電荷の連続的な放散を実現する分流バー1340が、ESD保護装置(図示せず)に接続される。タンタル島1310は、分流バー1340に接続され、抵抗器層1330から遠くに放電経路を提供する。抵抗器層は、保護を強化するためにタンタル島1310と金属層1320の下にそれ自体の接点(図示せず)を含む。
【0075】
図14は、容量結合で遮蔽されたESD保護システムの第2の実施形態の機構例を示す。この実施形態では、ESD事象が経路をたどりやすくするために、抵抗器層の近くに分流バーが配置される。タンタル島1410は、抵抗器層1430の上の金属層1420に重なる。分流バー1440は、抵抗器層1430(最上部から見られたとともに)の近くに配置され、接点1450によってタンタル島1410と接続される。これらの接点1450と分流バー1440は、抵抗器のすぐ近くに配置され、ESD事象による電荷のさらに多くを抵抗器層1430から遠くに分流するはたらきをする。
【0076】
図15は、容量結合で遮蔽されたESD保護システムのもう1つの実施形態の例を示す。この実施形態において、タンタル島は、抵抗器層のまわりの電気的に浮いた金属層に導電結合される。詳細には、タンタル島1510は、抵抗器層1530の上にある金属層1520に重なっている。タンタル島1510は、下の金属層1520に導電結合される。これにより、ESD事象のための大きくかつ低抵抗の接点領域が可能になる。分流バー1540は、ESD保護装置(図示せず)に接続される。
【0077】
本発明の好ましい実施形態の以上の説明は、例示と説明のために提示された。以上の説明は、網羅的ではなくまた本発明を開示した厳密な形に制限するものではない。したがって、以上の説明は、限定ではなく例示と見なされるべきであり、併記の特許請求の範囲によって定義されたような本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって示される実施形態に様々な変更を行うことができることを理解されたい。
【0078】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
(実施態様1)プリントヘッドを備えたサーマルインクジェットプリントシステムであって、インク滴を放出するのに十分な量の熱を提供する抵抗器層(310)と、前記抵抗器層(310)の上に重なるパッシベーション層(320)と、前記パッシベーション層(320)の上に重なり、前記抵抗器層(310)に少なくとも部分的に重なる保護層(330)と、静電気放電事象を前記抵抗器層(310)から遠くに分流させるために、前記保護層(330)に導電結合された静電気放電装置とを含むサーマルインクジェットプリントシステム。
(実施態様2)前記保護層(330)が、導電体ブリッジ(350)によって接続された複数の保護層部分を含む前項(1)に記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様3)前記導電体ブリッジ(350)の少なくとも1つの寸法が、複数の保護層部分のそれぞれよりも小さい前項(2)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様4)前記導電体ブリッジ(350)が、前記パッシベーション層(320)の下に配置され、前記静電気放電事象を抵抗器層(310)から遠くに分流させるのを支援する前項(2)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様5)前記パッシベーション層(320)の基礎となるバス構造(475)をさらに含む前項(2)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様6)前記保護層(330)と前記抵抗器層(310)が、前記保護層(330)と前記抵抗器層(310)が同じ電位になるように前記バス構造(475)によって互いに電気結合された前項(5)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様7)前記静電気放電事象に優先破壊位置を提供する導電体蛇行構造(1130)をさらに含む前項(1)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様8)前記導電体蛇行構造(1130)が、前記保護層(330)の下に配置された前項(7)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様9)前記抵抗器層(310)を制御し活動化するために前記抵抗器層(310)に電気的に結合された制御システムと、前記プリントヘッド(140)を含むプリントヘッドアセンブリと、前記プリントヘッドアセンブリとプリント媒体の間の相対運動を提供することができる移動装置とを含むプリンタ部分をさらに含む前項(1)記載のインクジェットプリントシステム。
(実施態様10)薄膜構造を有するサーマル・インクジェットプリントヘッドであって、
熱を生成する抵抗器層(310)と、前記抵抗器層(310)の上に少なくとも部分的に配置された保護層(330)と前記保護層(330)と連絡した状態でプリントヘッド上に配置され、前記抵抗器層(310)から遠くに静電気放電事象の優先経路を提供する静電気放電保護システムとを含み、前記保護層(330)が、前記静電気放電保護システムとの導電連絡部分を除いてき電気的に分離されたサーマルインクジェットプリントヘッド。
(実施態様11)前記保護層(330)が、大きい容量性領域に導電結合された複数の保護層部分を含む前項(10)記載のインクジェットプリントヘッド。
(実施態様12)前記静電気事象の優先経路を提供する蛇行構造(1130)をさらに含む前項(10)記載のインクジェットプリントヘッド。
【図面の簡単な説明】
【図1A】構成要素に直接生じるESD事象から保護された電気不活性構成要素を示す本発明の第1の実施形態の概略ブロック図である。
【図1B】図1Aの実施形態の機構例を示すサーマルインクジェットプリントヘッドのブロック図。
【図2A】構成要素の外部のある場所で生じるESD事象から保護された電気不活性構成要素を示す本発明の第2の実施例のブロック図。
【図2B】図2Aの実施例を示すサーマルインクジェットプリントヘッドのブロック図。
【図3】 大きい容量領域を形成するために「結合」されたサーマルインクジェットプリントヘッドの複数の電気不活性構成要素の例を示す図。
【図4】切断可能リンクと複数の接点を含む本発明の実施例を示す図。
【図5】切断可能リンクと1つの接点を含む本発明の実施例を示す図。
【図6】補助的な切断可能リンクを含む本発明の実施例を示す図。
【図7】アースに接続された1つの切断可能リンクを含む本発明の実施例を示す図。
【図8】複数の切断可能リンクと独立した接点を含む本発明の実施例を示す図。
【図9】プリントヘッドの保護層に組み込まれた複数の切断可能リンクを含む本発明の実施例を示す図。
【図10】本発明の犠牲ESD保護システムのブロック図。
【図11】図10に示した本発明の犠牲ESD破損システムの機構例を示す図。
【図12】本発明の容量結合で遮蔽した実施例のブロック図。
【図13】容量結合で遮蔽したESD保護システムの第1の実施例を示す図。
【図14】容量結合で遮蔽したESD保護システムの第2の実施例を示す図。
【図15】容量結合で遮蔽したESD保護システムの第3の実施例を示す図。
【符号の説明】
140:プリントヘッド
310:抵抗器層
320:パッシベーション層
330:保護層
350:導電体ブリッジ
475:バス構造
1130:導電体蛇行構造
Claims (10)
- プリントヘッドを備えたサーマルインクジェットプリントシステムであって、
インク滴を放出するのに十分な量の熱を提供する抵抗器層と、前記抵抗器層の上に重なるパッシベーション層と、前記パッシベーション層の上に重なり、前記抵抗器層に少なくとも部分的に重なる保護層と、静電気放電事象を前記抵抗器層から遠くに分流させるために、前記保護層に導電結合された静電気放電装置とを含み、
前記保護層が、導電体ブリッジによって接続された複数の保護層部分を含むサーマルインクジェットプリントシステム。 - 前記導電体ブリッジは、前記複数の保護層部分よりも小さい寸法であることを特徴とする請求項1記載のインクジェットプリントシステム。
- 前記導電体ブリッジが、前記パッシベーション層の下に配置され、これにより、前記静電気放電事象を抵抗器層から遠くに分流させることを特徴とする請求項1記載のインクジェットプリントシステム。
- 前記パッシベーション層の下層に設けられるバス構造をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のインクジェットプリントシステム。
- 前記保護層と前記抵抗器層が、前記保護層と前記抵抗器層が同じ電位になるように前記バス構造によって互いに電気結合されることを特徴とする請求項4記載のインクジェットプリントシステム。
- 前記静電気放電事象に優先破壊位置を提供する導電体蛇行構造をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のインクジェットプリントシステム。
- 前記導電体蛇行構造が、前記保護層の下に配置されることを特徴とする請求項6記載のインクジェットプリントシステム。
- 前記抵抗器層を制御し、活性化するために前記抵抗器層に電気的に結合された制御システムと、前記プリントヘッドを含むプリントヘッドアセンブリと、前記プリントヘッドアセンブリとプリント媒体の間の相対運動を提供することができる移動装置とを含むプリンタ部分をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のインクジェットプリントシステム。
- 薄膜構造を有するサーマルインクジェットプリントヘッドであって、
熱を生成する抵抗器層と、前記抵抗器層の上に少なくとも部分的に配置された保護層と前記保護層と連絡した状態でプリントヘッド上に配置され、前記抵抗器層から遠くに静電気放電事象の優先経路を提供する静電気放電保護システムとを含み、前記保護層が、前記静電気放電保護システムとの導電連絡部分を除いて電気的に分離され、前記保護層が、大きい容量領域に導電結合された複数の保護層部分を含むサーマルインクジェットプリントヘッド。 - 前記静電気事象の優先経路を提供する蛇行構造をさらに含むことを特徴とする請求項9記載のインクジェットプリントヘッド。
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