JP5611878B2

JP5611878B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法

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Publication number: JP5611878B2
Application number: JP2011074275A
Authority: JP
Inventors: 教翁野坂; 鈴木　栄二; 栄二鈴木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012209436A

Description

本発明は、インクジェットヘッド及びその製造方法に関する。

近年、インクジェットプリンタにおいても高機能化が進み、一部の機種では、オフセット印刷に迫る高画質な解像度、例えば１２００ｄｐｉの出力解像度が要求されている。高解像度を実現するためには、吐出口やインクを吐出するための圧電素子などのアクチュエータを高密度に実装することが求められる。例えば、特許文献１では、半導体処理技法によりノズルやインク流路、ポンプ室、圧電素子などを有する吐出ダイを製造することにより、吐出口の高密度な実装を実現している。

吐出ダイ内には、ポンプ室及び吐出口を有するインク流路が形成され、吐出口は吐出ダイの下面に開口する。吐出ダイの上面には、前記ポンプ室に対応する位置で圧電素子などのアクチュエータ、このアクチュエータを駆動する配線回路パターンが形成される他に、アクチュエータを駆動するための集積回路も実装される。このように、吐出口を高密度に実装する場合には、アクチュエータを駆動する電気信号を送るための配線回路パターンも高密度になる。

図９に示すように、吐出ダイ１００の配線回路基板１０１には、互いの端子部１０２，１０３同士を合せるように半田付けして、フレキシブル配線回路基板１０４が接続される。フレキシブル配線回路基板１０４は、例えばポリイミド（ＰＩ）製の絶縁層（基材シート）１０５に銅箔配線１０７を形成したもので、端子部１０３を除く領域は、接着層１０８を介してＰＩ製の保護層１０９が接着される。また、各端子部１０２，１０３には、両者の接合を容易に行うために、半田、金錫などのメッキ層１１１，１１２が形成される。

フレキシブル配線回路基板１０４では接続側の端部に端子部１０３を形成する。このため、吐出ダイ１００側の配線回路基板１０１にフレキシブル配線回路基板１０４を接合する際に、フレキシブル配線回路基板１０４の接着層１０８が外部に露出する。保護層１０９と銅箔配線１０７との間の接着界面１１３は、長期間の環境ストレスによって剥離が生じる事がある。したがって、駆動時に、接着界面１１３に水分が浸入することにより、配線間にイオンマイグレーションが発生する可能性が高くなる。とくに、接着層１０８は外側に端面が剥き出しとなるため、イオンマイグレーションが発生する可能性は高い。しかも、接着層１０８は保護層１０９への接着に対する要求性能のため、一般的には保護層１０９と比較するとイオンマイグレーション耐性は高くない。なお、矢印Ａ１は、水分や溶剤などの進入経路を示しており、この矢印Ａ１がある側は外側となる。また、外側とは、水分や溶剤などに触れやすい外部環境に近い側を意味する。

イオンマイグレーションとは、電極間に電界が発生している（電位差がある）状態で水分が存在すると、水分が媒体となって金属イオンが移動する現象である。このイオンマイグレーションが発生すると、本来の電気的回路とは異なる部分で短絡を起こす。この短絡は、本来予期しない部分での導通となるため、製品の動作不良や最悪の場合には製品の故障を引き起こす。特に配線間が１００μｍ未満の狭ピッチになるとイオンマイグレーションが起こりやすくなり、絶縁に対する要求性能は高くなる。

ところで、図１０に示すように、特許文献２には、バンプ付きフレキシブル配線回路基板１２０が記載されている。この配線回路基板１２０の層構成は図９に示すものと同じであるが、保護層１０９の表面に開口部１２２を形成し、この開口部１２２の底に端子部１２３を形成し、この端子部１２３に連通し接続信頼性の高いバンプ（導電の突起）１２４を形成している。この接続方法では上記のような接着界面１１３が外部に露出することが無いため、水分の浸入による短絡故障の確率を減らすことができる。

米国特許７０５２１１７号明細書特開平９−２３２７３４号公報

しかしながら、特許文献２のようにバンプ１２４を有するフレキシブル配線回路基板１２０であっても、電気が流れる接続部に未接合界面１２９が通じているため、未接合界面１２９から水分が浸入する可能性が残り、絶縁信頼性に懸念が残る。特に吐出口が高密度で実装されるインクジェットヘッドでは配線間が狭ピッチであるため、イオンマイグレーションが発生しやすくなり、絶縁信頼性に懸念がある。

また、インクジェットヘッドに用いられるフレキシブル配線回路基板の場合には、インクジェットヘッドの構造上、インクおよびインクを洗浄する溶剤が接続部近傍を通過するため、矢印Ａ１で示すように、溶剤がフレキシブル配線回路基板１２０の接続部へと浸入すると、駆動時にイオンマイグレーションが発生し、回路間での短絡を引き起こす懸念が高くなる。短絡が発生すると正しく描画することができない他に、画質悪化といった印刷不良や故障が発生するため、保護する方法が必要になる。

インクジェットヘッドにおけるイオンマイグレーション対策としては、一般には液体が浸入しないように封止剤を盛ることが行われる。この封止剤には様々な性能が要求される。例えば、封止剤内を湿気が時間を経て浸入することも考えられるので、吸湿性・透湿性が低いものが必要である。更にインクジェットヘッドでは溶剤を使用するため、溶剤耐性も要求される。一般にはエポキシ系接着剤を用いるが、インクジェットヘッドでは構造上の制約から、環境ストレスによる信頼性試験でエポキシ系接着剤が割れる可能性もあり、要求性能を満足する封止剤の選定・開発には長い開発期間が必要である。そのため、フレキシブル配線回路基板自体での耐性が必要となる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、水分や溶剤に対して高い耐性を持ち、イオンマイグレーションの発生を防止することができるインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のインクジェットヘッドは、絶縁層、前記絶縁層上に形成され、先端に第１端子部を有する配線、前記第１端子部を除く前記配線上に形成される絶縁性の保護層、前記保護層の上に前記第１端子部から離して形成される第１封止接合部本体を有するフレキシブル配線回路基板と、インクを吐出するための素子、前記素子を駆動させる配線回路、前記インクを吐出する側とは反対側の面の側端部に形成される第２封止接合部本体、前記第２封止接合部本体から離して形成され、前記配線回路に駆動信号を入力するために第２端子部を有する吐出ダイと、前記第１端子部及び前記第２端子部、前記第１封止接合部本体及び前記第２封止接合部本体を合わせて加熱圧着により接合する無機材料と、前記吐出ダイを有するヘッド本体と、前記ヘッド本体の側面に前記フレキシブル配線回路基板を位置させた状態で、前記ヘッド本体の側面に取り付けられる取付枠と、前記ヘッド本体と前記取付枠と前記フレキシブル配線回路基板とで囲まれる隙間に、前記インクを吐出する側から充填される封止用接着剤とを備える。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、絶縁層、前記絶縁層上に形成され、先端に第１端子部を有する配線、前記第１端子部を除く前記配線上に形成される絶縁性の保護層、前記保護層の上に前記第１端子部から離して形成される第１封止接合部本体を有するフレキシブル配線回路基板と、インクを吐出するための素子、前記素子を駆動させる配線回路、前記インクを吐出する側とは反対側の面の側端部に形成される第２封止接合部本体、前記第２封止接合部本体から離して形成され、前記配線回路に駆動信号を入力するために第２端子部を有する吐出ダイと、前記吐出ダイを有するヘッド本体と、前記ヘッド本体の側面に前記フレキシブル配線回路基板を位置させた状態で、前記ヘッド本体の側面に取り付けられる取付枠と、を有し、前記第１端子部及び前記第２端子部、前記第１封止接合部本体及び前記第２封止接合部本体を合わせた状態で加熱圧着して無機材料により、前記第１端子部及び前記第２端子部、前記第１封止接合部本体及び第２封止接合部本体を接合し、前記フレキシブル配線回路基板を前記ヘッド本体の側面に位置させた状態で前記ヘッド本体の側面に前記取付枠を取り付け、前記ヘッド本体と前記取付枠と前記フレキシブル配線回路基板とで囲まれる隙間に、前記インクを吐出する側から封止用接着剤を充填する。

本発明によれば、第１端子部及び第２端子部よりも外側に、両配線回路基板同士を接合する無機材料による封止接合部を有することにより、電気を流さない封止接合部によって両配線回路基板同士が接合されるため、回路パターンが形成される配線層との接着界面が封止されて、外部に露出することがなくなり、接着界面から水分が浸入することがない。したがって、水分に起因するイオンマイグレーションの発生を抑えて、電子部品の動作不良や故障などの発生が抑えられる。

インクジェットヘッドを示す全体斜視図である。インクジェットヘッドを分解して示す斜視図である。吐出ダイの斜視図である。吐出ダイとヘッド本体の一部を示す断面図である。吐出ダイとフレキシブル配線回路基板との接続を示す分解斜視図である。インクジェットヘッドを切り欠いて示す斜視図である。本発明の接続方法を示すフローチャートであるである。フレキシブル配線回路基板の接続構造を示すもので、（Ａ）はフレキシブル配線回路基板の底面図、（Ｂ）はフレキシブル配線回路基板と吐出ダイの配線回路基板との接合を示す断面図、（Ｃ）は吐出ダイの配線回路基板の平面図である。従来のフレキシブル配線回路基板の接続構造を示すもので、（Ａ）はフレキシブル配線回路基板の底面図、（Ｂ）はフレキシブル配線回路基板と吐出ダイの配線回路基板との接合を示す断面図、（Ｃ）は吐出ダイの配線回路基板の平面図である。従来の他のフレキシブル配線回路基板の接続構造を示すもので、（Ａ）はフレキシブル配線回路基板の底面図、（Ｂ）はフレキシブル配線回路基板と吐出ダイの配線回路基板との接合を示す断面図、（Ｃ）は吐出ダイの配線回路基板の平面図である。

図１に示すように、インクジェットヘッド１０は、ヘッド本体１１、１対のフレキシブル配線回路基板１２、１対の取付枠１３から構成される。図２に示すように、ヘッド本体１１は矩形体状に形成され、上部にチューブ接続ノズル１５が、下部に吐出ダイ１７が形成される。チューブ接続ノズル１５は供給用と回収用の２本が形成され、不図示のインクジェットプリンタに実装されたときに、インク供給タンク及びインク回収タンクからのインクチューブがそれぞれ接続される。

ヘッド本体１１の両側部には、フレキシブル配線回路基板１２が取り付けられる。また、このフレキシブル配線回路基板１２を保護するようにヘッド本体１１の両側部に、取付枠１３が接合される。フレキシブル配線回路基板１２及び取付枠１３の接合は、例えば２液タイプの接着剤を用いる。

図３に示すように、吐出ダイ１７は平行四辺形状の板部材からなる。図４に示すように、内部にはインク流路２１が形成され、このインク流路２１の一部にポンプ室２２が形成される。このポンプ室２２に対応する位置で薄膜２３を介し上部には、圧電素子２４が形成される。圧電素子２４は薄膜２３を変形させ、ポンプ室２２の容量を変化させる。この変形によって、吐出口２５からインク滴が吐出する。

図５に示すように、吐出ダイ１７の上部には、圧電素子２４の他に、流体通路開口３０、駆動ＩＣ３１、フレキシブル配線回路基板接続用の第２端子部３４が形成される。圧電素子２４はプリント配線パターン３３を介し駆動ＩＣ３１に接続される。駆動ＩＣ３１は第２端子部３４に接続される。この第２端子部３４には、フレキシブル配線回路基板１２の第１端子部３２が電気的に接続される。

図６に示すように、フレキシブル配線回路基板１２の取り付け後に、吐出ダイ１７の上面を覆うように、支持体３５やハウジング３６、仕切り板３７などが被せられて、これらが接着剤にて固着され、ヘッド本体１１が形成される。

ヘッド本体１１は、仕切り板３７を挟むようにハウジング３６を両側から取り付けて構成される。この仕切り板３７によってヘッド本体１１内にはインク入口室４０及びインク出口室４１が形成される。さらに、各室４０，４１には、各室４０，４１の対角線方向にステンレス製のフィルタ４２，４３が収納される。

図４に示すように、フレキシブル配線回路基板１２は支持体３５の両側の湾曲部３５ａに沿って密着し、９０°に折り曲げられて、ヘッド本体１１の両側面に沿うように配置される。なお、図４は、微小な圧電素子２４や駆動ＩＣ３１を図示するために、高さ方向に誇張して記載しており、図６に切り欠いて示す全体の断面図とは寸法的には対応していない。

次ぎに、図２に示すように、ヘッド本体１１の両側から取付枠１３によりヘッド本体１１を挟むようにし、例えば２液混合タイプの接着剤を用いて、ヘッド本体１１、フレキシブル配線回路基板１２、取付枠１３が固着され一体化される。

図４に示すように、一体化されたヘッド本体１１の吐出ダイ１７と取付枠１３との隙間４５には、封止用の接着剤４６が充填され、封止が行われる。接着剤４６としては、エポキシ接着剤、ウレタン接着剤、シリコン系接着剤、フッ素ゲル系接着剤などの重合の進行に温度依存性がある２液タイプ（主剤と可塑剤（硬化剤））のものを用いる。本実施形態では、耐薬品性及び耐久性に優れる信越化学工業製のＳＩＦＥＬというフッ素ゲル系の接着剤４６を用いる。

フレキシブル配線回路基板１２は、図示しない制御回路に接続される。そして制御回路からの駆動信号がフレキシブル配線回路基板１２、駆動ＩＣ３１に送られる。駆動ＩＣ３１では、制御信号に基づき圧電素子２４の駆動信号を生成して、各圧電素子２４を個別に駆動する。これにより各吐出口２５から駆動信号に応じたインク滴が吐出される。インク滴は不図示の記録材料に主走査方向に記録され、インク滴の吐出に応じて記録材料が主走査方向に交差する副走査方向に移動するため、記録材料には画像が記録される。

吐出ダイ１７において各吐出口２５は、主走査方向に沿う行方向と、主走査方向に対して直交せずに一定の交差角度を有する斜めの列方向とに沿って千鳥状に隣接するもの同士をずらしてマトリックスに配置される。これにより、吐出口２５の高密度実装が可能になり、複数の吐出口列によって例えば１２００ｄｐｉでの出力解像度で画像が記録される。

図５に示すように、吐出ダイ１７にはヘッド本体１１（図４参照）を組み立てる前に、吐出ダイ１７の第２端子部３４に、フレキシブル配線回路基板１２の第１端子部３２を重ね合わせて、両者が加熱圧着されることにより、半田付けされる。

図７に示すように、フレキシブル配線回路基板１２の接続方法では、封止接合部形成工程Ｓ１、接合する配線回路基板同士を位置合せする位置合せ工程Ｓ２、位置合せした後に圧着加熱する圧着加熱工程Ｓ３により、フレキシブル配線回路基板１２と配線回路基板５５とを接合する。これらの各工程Ｓ１〜Ｓ３により、図８に示すように、第１端子部３２及び第２端子部３４の他に、第１封止接合部本体６１、第２封止接合部本体６２も同時に加熱圧着されて半田付けされる。これにより、フレキシブル配線回路基板１２の第１端子部３２の外側に、この端子部３４を封止する封止接合部６３が形成される。

封止接合部形成工程Ｓ１では、フレキシブル配線回路基板１２の第１端子部３２に隣接させて第１封止接合部本体６１を保護層７５上に形成する。また、配線回路基板５５の第２端子部３４に隣接させてその外側位置に第２封止接合部本体６２を形成する。これら封止接合部本体６１，６２は、各配線回路基板１２，５５の配線パターン形成の際に形成する。封止接合部本体６１，６２は、配線パターンと同じ材料、例えば銅箔や、その他の金属材料、無機材料が用いられる。

封止接合部本体６１，６２は、両方が半田で構成される半田／半田の組み合わせの他に、一方がＡｕ、他方がＳｎとなるＡｕ／Ｓｎ、Ｓｎ／Ａｕの組み合わせがある。また、上記材質を含有し、実際の電気接続が半田もしくはＡｕＳｎ共晶である構成でもよい。第１封止接合部本体６１のＰＩ製保護層７５への形成は、保護層７５と無機材料からなる封止接合部本体６１との密着性を確保する必要がある。このため、保護層７５の表面を予め粗化した状態で封止接合部本体６１を形成することにより、アンカー効果によって密着性を確保する。

第１封止接合部本体６１の保護層７５への形成は、無電解メッキにより銅の薄膜を形成した後に、電解メッキによって銅を厚付けし、その上に半田ペーストを印刷することで充分な厚さとすることができる。また、第２封止接合部本体６２は、一般的な半導体プロセスにより配線回路基板に形成する。

図８に示すように、フレキシブル配線回路基板１２は、ＰＩ製の絶縁層７１に銅箔配線７３を形成したもので、第１端子部３２を除く領域は、接着層７４を介してＰＩ製の保護層７５が接着される。絶縁層７１は例えば２５μｍの厚みであり、銅箔配線７３は１２μｍ、接着層７４は１７．５μｍ、保護層７５は１２．５μｍの厚みである。なお、第１端子部３２の上には、保護層７５の表面と同じ高さとなるように高さ調整膜７７が第１端子部３２と同じ材料で形成される。この高さ調整膜７７は、第１端子部３２の接合を容易にするために、例えば半田や金錫などのメッキ処理により形成する。また、銅箔配線７３の表面と保護層７５の表面との高低差がフレキシブル配線回路基板１２で吸収可能な場合には、この高さ調整膜７７は省略してよい。さらに、端子部３２，３４や封止接合部本体６１，６２の表面には、これらの接合を容易に行うために、半田、金錫などのメッキ層（図示省略）が形成される。これらメッキ層は、加熱圧着による接合時に溶けて端子部３２，３４や、封止接合部本体６１，６２と一体化される。

吐出ダイ１７の配線回路基板５５は、シリコン基板上に銅配線パターンを形成し、配線の最表面に金がメッキされたものを用いるが、これに限るものではない。

位置合せ工程Ｓ２では、治具を用いて吐出ダイ１７の配線回路基板５５とフレキシブル配線回路基板１２とを位置合せする。

圧着加熱工程Ｓ３では、位置合せされた状態で両者を圧着・加熱し、第１及び第２端子部３２，３４同士と、第１封止接合部本体６１及び第２封止接合部本体６２同士とを半田付けする。これら第１及び第２端子部３２，３４同士と、第１封止接合部本体６１及び第２封止接合部本体６２同士とを同じ無機材料を用いて同時に接合することで、接合工程を効率よく1回の操作で行うことができる。圧着加熱では、半田溶融やＡｕＳｎ共晶といった金属による接合の他に、ＮＣＰ(Non Conductive Paste)、ＡＣＰ(Anisotropic Conductive Paste)、ＡＣＦ(Anisotropic Conductive Film)といった端子部の電気接続が可能な樹脂系接着剤により接合してもよい。ＮＣＰは、アンダーフィルの機能を兼ね、接着・絶縁の機能を同時に持つ接続材料である。また、ＡＣＰ、ＡＣＦは、異方性導電フィルムまたはペーストである。また、第１及び第２端子部３２，３４による電気接続部には、接続信頼性を向上させるために、各端子の間に樹脂を充填してもよい。樹脂の充填は電気接続前でも後でもよい。

本実施形態では、フレキシブル配線回路基板１２を吐出ダイ１７の配線回路基板５５に接合することで、封止接合部６３が同時に形成されるため、別途に封止処理を行う必要がなく、製造が容易になる。しかも、半田や金錫、その他の無機材料により封止接合部６３が接合されるため、接着剤などによる封止と異なり、耐久性・耐薬品性に優れる。したがって、水分などの侵入を阻止することができ、イオンマイグレーションの発生を抑えることができる。しかも、インクジェットヘッド１０に本発明を適用することにより、インク吐出口２５（図４参照）を高密度に実装してもイオンマイグレーションの発生を確実に抑えることができる。

上記実施形態では、インクジェットヘッド１０を例にとって説明したが、本発明はインクジェットヘッド１０以外の例えば半導体やＭＥＭＳなどの各種電子部品におけるフレキシブル配線回路基板の接続方法に適用することができる。

１０インクジェットヘッド
１１ヘッド本体
１２フレキシブル配線回路基板
１３ハウジング
１７吐出ダイ
２１インク流路
２２ポンプ室
２４圧電素子
３２第１端子部
３４第２端子部
５５配線回路基板
６１第１封止接合部本体
６２第２封止接合部本体
６３封止接合部
７５保護層

Claims

絶縁層、前記絶縁層上に形成され、先端に第１端子部を有する配線、前記第１端子部を除く前記配線上に形成される絶縁性の保護層、前記保護層の上に前記第１端子部から離して形成される第１封止接合部本体を有するフレキシブル配線回路基板と、
インクを吐出するための素子、前記素子を駆動させる配線回路、前記インクを吐出する側とは反対側の面の側端部に形成される第２封止接合部本体、前記第２封止接合部本体から離して形成され、前記配線回路に駆動信号を入力するために第２端子部を有する吐出ダイと、
前記第１端子部及び前記第２端子部、前記第１封止接合部本体及び前記第２封止接合部本体を合わせて加熱圧着により接合する無機材料と、
前記吐出ダイを有するヘッド本体と、
前記ヘッド本体の側面に前記フレキシブル配線回路基板を位置させた状態で、前記ヘッド本体の側面に取り付けられる取付枠と、
前記ヘッド本体と前記取付枠と前記フレキシブル配線回路基板とで囲まれる隙間に、前記インクを吐出する側から充填される封止用接着剤とを備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
絶縁層、前記絶縁層上に形成され、先端に第１端子部を有する配線、前記第１端子部を除く前記配線上に形成される絶縁性の保護層、前記保護層の上に前記第１端子部から離して形成される第１封止接合部本体を有するフレキシブル配線回路基板と、
インクを吐出するための素子、前記素子を駆動させる配線回路、前記インクを吐出する側とは反対側の面の側端部に形成される第２封止接合部本体、前記第２封止接合部本体から離して形成され、前記配線回路に駆動信号を入力するために第２端子部を有する吐出ダイと、
前記吐出ダイを有するヘッド本体と、
前記ヘッド本体の側面に前記フレキシブル配線回路基板を位置させた状態で、前記ヘッド本体の側面に取り付けられる取付枠と、
を有し、
前記第１端子部及び前記第２端子部、前記第１封止接合部本体及び前記第２封止接合部本体を合わせた状態で加熱圧着して無機材料により、前記第１端子部及び前記第２端子部、前記第１封止接合部本体及び第２封止接合部本体を接合し、
前記フレキシブル配線回路基板を前記ヘッド本体の側面に位置させた状態で前記ヘッド本体の側面に前記取付枠を取り付け、
前記ヘッド本体と前記取付枠と前記フレキシブル配線回路基板とで囲まれる隙間に、前記インクを吐出する側から封止用接着剤を充填することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。