JPH09164692A - インクジェットプリントヘッドのはんだ接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、母材である薄板との密着性も優れて
いるインクジェットプリントヘッドを提供するにある。 【解決手段】鉄系、Ｎｉ系、あるいはＣｕ系の材質で厚
さ７μｍ〜１ｍｍの薄板からなる被接合物を接合してイ
ンクジェットプリントヘッドを形成する。その薄板に
は、接合面にはんだがクラッドされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェットプリ
ントヘッドの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄系、Ｎｉ系ａるいは銅系の材質
で、厚さ７μｍ〜１ｍｍの薄板からなるインクジェット
プリントヘッドの接合は、有機系の接着剤、はんだまた
はロー材を用いて行ってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ホットメルト型インク
を使用するインクジェットプリンタはインクが室温で固
体であるため、取扱時に汚れないし、噴射後直ちに固化
するため「にじみ」もなく、和紙から画用紙、はがきと
いったさまざまな用紙を前処理等なしで用いることが出
来る利点がある。しかしながら、用いられるヘッドは、
その特性上、印字していない状態でも常時インク溶融温
度に加熱保持されていることが多い。

【０００４】従って、ホットメルト型インクを使用する
インクジェットプリントヘッドは、水溶性インクを使用
するインクジェットプリントヘッドに比べ、大幅に高温
での耐久性向上を要求される。

【０００５】従来技術において、有機系の接着剤はイン
クによる腐食とともに熱サイクルにより劣化する問題が
あった。

【０００６】この対応策に関するものとして、低融点金
属つまりはんだで接合する方法は特開昭６２−７００５
１号公報に開示されている。また、ＡｕーＮｉローで接
合する方法は特開平０２−１０７４５０号公報に開示さ
れている。

【０００７】インクジェットプリントヘッドは微細な３
次元のインク流路を形成するために、エッチングや電鋳
などの技法を用いて微細な２次元パターンを形成した薄
板を積層して接合する必要が有り、用いる接着剤、はん
だまたはロー材も薄くし、インク流路部へのはみ出しを
少なくすることが重要となる。

【０００８】上述したような従来技術では、接合部への
薄膜はんだあるいはロー材の供給方法は、薄板にめっき
あるいは蒸着する方法を用いている。しかし、これらの
はんだあるいはロー材をめっきで形成する場合、めっき
厚を厚くするほど平坦部とエッジ部でのはんだ厚の差が
大きくなり、均一な接合ができずインク流路へのはんだ
はみ出しやリークの問題を生ずることがある。

【０００９】また、母材である上記薄板とめっきを密着
させるため、下地にめっきを必要とすることが多いの
で、接合加熱時に、はんだあるいはロー材と下地めっき
が反応して脆い金属間化合物を生じてしまったり、接合
部が融点に達する前に下地めっきとの反応によりはんだ
あるいはロー材の組成が変化して所定の接合温度で溶融
しなかったりして、はんだの機械的特性・耐蝕性の劣化
するなどの問題がある。特にホットメルト型のインクを
使用する場合、インクジェットプリントヘッドはプリン
タ使用中に１００〜１５０℃まで温度が上昇するので、
はんだと下地めっきとの間で化合物が成長しやすい。

【００１０】さらに、めっきは形成時に膜中にガスを吸
蔵するので、接合部にボイドが生じやすく、接合強度の
低下もしくはリークなどの原因となりやすい。

【００１１】一方、蒸着では、はんだあるいはロー材と
母材である上記薄板との密着力が低く剥離しやすい。

【００１２】本発明は、均一な厚さで吸蔵ガスが少なく
しかも下地との密着性が高いはんだの形成方法により、
信頼性の高いインクジェットプリントヘッドの接合方法
を提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、インク流路を構成する薄板の接合面には
んだがクラッドされているクラッド材を用い、これを積
層して接合し、インク流路を構成するものである。

【００１４】上記薄板は、前述のようにエッチングや電
鋳などの技法を用いて微細な２次元パターンを形成しす
るので、それらの加工に適した材料で上記はんだと結合
しやすいものが良い。エッチングで加工する材料として
は鉄系あるいは銅系、電鋳材としてはＮｉ系が適してい
る。またこれらの材料は上記はんだ組成中のＳｎと結合
しやすいので強固な密着力が得られる。

【００１５】薄板にクラッドされたはんだの厚さは１μ
ｍ未満では接合不完全な領域ができるため、インクがリ
ークしてしまうという問題が生じる。一方、はんだ層が
厚くなればインク流路へのはんだのはみ出し量も多くな
るので、適当な厚さを選択する必要がある。

【００１６】上記クラッドされたはんだは、１層あるい
は２層以上でも良い。これは２成分以上の組成のはんだ
の場合、合金として１層で形成することもできるが、単
金属を２層重ねて接合加熱時に相互拡散させて合金化す
ることもできる。クラッドされたはんだは厚みの精度確
保のため圧延する場合があるが、合金化すると脆くなる
組成の場合、単金属を積層してクラッドした状態で圧延
すれば良い。

【００１７】はんだの組成は、融点がＮｉ製の電鋳材の
耐熱温度である約４００℃程度以下で、ホットメルト型
インクの噴射温度以上である必要があり、母材の薄板と
結合力の高いＳｎを含んでいる必要がある。

【００１８】また、被接合物の片面のみにはんだ層を形
成することも、めっきと異なりマスキング等複雑な操作
を必要とせず低コストでできる。例えばインクが噴射す
るオリフィス面にははんだを形成しないこともできるの
で、はんだとインクの濡れ性が問題になる場合でも回避
しやすい。

【００１９】この結果、リーク・はみ出しのない均一な
接合部が得られ、ボイドもめっき品に比べ少ない。ま
た、下地めっきとの反応によるはんだ組成変化の問題も
なく、母材の薄板との密着力も高い。

【００２０】なお、インクジェットプリントヘッドに使
用するインクは融点が７０℃以上で、かつはんだ層の融
点以下のホットメルト型がよい。

【００２１】

【発明の実施の態様】以下、本発明を図面を参照して説
明する。 〔実施例１〕本実施例では、図１に示すようにインクジ
ェットプリントヘッドを構成するオリフィスプレート１
（Ｎｉ系、厚さ１００μｍ）、リストリクタプレート２
（ＳＵＳ３０４、厚さ５０μｍ）、ダイアフラムプレー
ト（ＳＵＳ３０４、厚さ１５μｍ）、フィルタプレート
４（ＳＵＳ３０４、厚さ２０μｍ）を接合した。

【００２２】なお、これらの被接合物である薄板は、図
２に示す接合部の概略図のようにそれぞれＰｂー５０ｗ
ｔ％Ｓｎはんだ５が直接表面にクラッドされている。図
に示すようにオリフィスプレート１とフィルタプレート
４は、片面つまり接合面のみにはんだを形成した。

【００２３】薄板にはんだをクラッドする方法は、溶融
したはんだをフラックスにより活性化した薄板表面にの
せ冷却するものである。その後、圧延によりはんだの厚
さは５±０.５μｍと均一化した。

【００２４】Ｐｂー５０ｗｔ％Ｓｎはんだは、有機系接
着剤に比べ耐熱性及び接合強度に優れ、またロー材やＡ
ｕ系のはんだに比べ、融点が２１６℃と比較的低温で接
合できるため、被接合物に与える熱的ダメージが小さ
い。

【００２５】次に上記部品を位置決めし、オリフィスプ
レ−ト１、リストリクタプレ−ト２、ダイアフラムプレ
−ト３、フィルタプレート４の順にスポット溶接で仮止
する。これらを図示しない真空炉にセットし、１０~²Ｔ
ｏｒｒ台の真空度で、上下の加熱加圧治具で２５０℃ま
で加熱するとともに、１０ｋｇｆ／ｃｍ²の加圧力を負
荷する。被接合物が２５０℃に達した後３分間保持して
ヒ−タ電源をＯＦＦし、そのまま冷却する。

【００２６】使用するホットメルト型インクの組成は、
一例としてポリエステル５５重量％、脂肪酸４３重量％
およびマゼンタ、シアン、イエロ−、ブラックの各色ご
とに染料がそれぞれ重量２％であり、融点は８０℃であ
る。

【００２７】上記ホットメルト型インク各色を用いて実
際に１年間印字試験を行い、分解調査を行った結果、リ
ーク・はみ出しのない均一な接合部が得られ、ボイドも
めっき品に比べ少なく、また下地めっきとの反応による
はんだ組成変化の問題もなく、母材の薄板との密着力も
高いインクジェットプリントヘッドができることがわか
った。

【００２８】本実施例でははんだをＰｂ−５０ｗｔ％Ｓ
ｎとしたが、ＰｂーＳｎの他の組成及びＩｎーＳｎ系、
ＡｇーＳｎ系、Ｓｎ系でも上記接合加熱温度をそれぞれ
はんだ融点より３０℃程度上げれば、同様に接合でき
る。

【００２９】〔実施例２〕はんだをクラッド材とした場
合とめっき膜とした場合の接合強度を比較するため、試
験片を用いてピール強度試験を行った。

【００３０】ここでインクジェットプリントヘッドの寿
命は少なくとも１年以上が要求される。融点８０℃のホ
ットメルト型インクを使用する場合、従来から一般に使
用されてきたエポキシ系の接着剤の結果から、熱膨張、
熱収縮及びインクを噴射するための圧電素子の駆動に１
年以上耐えるため、ピール強度目標値は５０ｇｆ／ｃｍ
以上である。

【００３１】ピール強度試験片は、厚さ５０μｍ、幅１
０ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス板６と、厚さ１０μ
ｍ、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス板６´を用い
た。これらをＡｕーＳｎはんだ接合して強度を測定し
た。はんだをクラッド材としたもの及びめっき膜とした
ものそれぞれの構成を図３、図４に示す。

【００３２】はんだをクラッド材とした試験片の作製方
法は、溶融したＡｕ７をフラックスにより活性化した上
記試験片両方の接合面側にのせて冷却し、圧延して３.
０μｍの厚さとした。さらにこのＡｕ７上に溶融したＳ
ｎ８をのせて冷却し、圧延してＳｎ８の厚さを２.０μ
ｍとした。

【００３３】Ａｕ、Ｓｎそれぞれ上記の厚さに設定する
ことにより、接合時の加熱で相互拡散して、溶融後の組
成はＡｕー２０ｗｔ％Ｓｎとなる。これはＡｕーＳｎ合
金の共晶組成であり、この組成が最も接合性に優れてい
る。

【００３４】Ａｕ、Ｓｎ別々に積層した理由は２点有
る。１点目は、ＡｕーＳｎ合金はＡｕー２０ｗｔ％Ｓｎ
の組成を共晶組成とし、この組成前後で融点が大きく上
昇するので、組成コントロールが重要であり、積層して
膜厚で管理した方が、広い面積を接合するにあたって
は、組成の偏りの問題が小さくなる。もう１点はクラッ
ド材を圧延する場合、材料は延性がある方が良く、Ａｕ
ーＳｎ合金は比較的脆い材料であるため、単金属の方が
圧延しやすい。

【００３５】はんだをめっき膜とした試験片は、ステン
レスに直接Ａｕめっき７またはＳｎめっき８を施すこと
が困難なため、まず下地めっきとしてＮｉめっきを１μ
ｍ施し、次にＡｕめっき７を２.７μｍ施した。そして
Ａｕめっき７上にＳｎめっき８を２.３μｍ施した。

【００３６】Ａｕ、Ｓｎそれぞれ上記の厚さに設定する
ことにより、ＡｕとＳｎのみではＡｕー２５ｗｔ％Ｓｎ
となるが、実際には接合加熱時に下地のＮｉとＳｎが反
応しＮｉーＳｎの化合物を形成するので、接合後のはん
だ組成は約Ａｕー２０ｗｔ％Ｓｎとなる。

【００３７】クラッド材のように最初からＡｕー２０ｗ
ｔ％の組成にしておくと、接合加熱時のＮｉーＳｎ化合
物形成によりＡｕーＳｎの融点が上昇し、所定の温度で
溶融しない。

【００３８】接合はこれらを図示しない真空炉にセット
し、１０~²Ｔｏｒｒ台の真空度で、上下の加熱加圧治具
で３２０℃まで加熱するとともに、１０ｋｇｆ／ｃｍ²
の加圧力を負荷する。被接合物が３２０℃に達した後３
分間保持して、ヒ−タ電源をＯＦＦし、そのまま冷却す
る。

【００３９】ピール試験の結果は、図５から明らかな通
り、クラッド材を用いた試験片のピール強度が１５０〜
２００ｇｆ/ｃｍと目標値をクリアできるのに対し、め
っき膜を用いた方は３５〜４５ｇｆ/ｃｍと目標値を下
回る。

【００４０】上記試験片の接合部の断面組織を観察して
破断位置を調べた結果、クラッド材の方はＡｕーＳｎ合
金内部から破断しているのに対し、めっき膜の方はＮｉ
ーＳｎ化合物層から破断していることがわかった。

【００４１】〔実施例３〕接合部のはんだ層の適当な厚
さを求めるため、はんだ厚さとピール強度の関係を調べ
た。はんだにはＳｎを用いた。

【００４２】ピール強度試験片は、厚さ５０μｍ、幅１
０ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス板と、厚さ１０μｍ、
幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス板を用いた。

【００４３】試験片の作製方法は、溶融したＳｎをフラ
ックスにより活性化した上記試験片両方の接合面側にの
せ冷却し、圧延して、０.８、１.０、３.０、５.０μｍ
の厚さとした。いずれの厚さのものも圧延率は同じであ
る。

【００４４】接合はこれらを図示しない真空炉にセット
し、１０~²Ｔｏｒｒ台の真空度で、上下の加熱加圧治具
で２６０℃まで加熱するとともに、１０ｋｇｆ／ｃｍ²
の加圧力を負荷する。被接合物が２６０℃に達した後３
分間保持して、ヒ−タ電源をＯＦＦし、そのまま冷却す
る。

【００４５】ピール試験結果を図６に示す。

【００４６】はんだ厚さが厚くなるに従い、形状的な効
果で強度も高くなるが、０.８μｍでは接合加熱時にＳ
ｎが素材のステンレスと反応してしまい、十分な融液が
生じず接合できない部分つまりリークを生じ、強度も目
標値の５０ｇｆ/ｃｍを下回る場合がある。従って、は
んだの厚さは１μｍ以上が良いことがわかった。

【００４７】さらに厚さを１０μｍから１００μｍまで
増やして接合したが、５０μｍ以上ではインク流路部へ
のはみ出しが多くなり不都合が生じた。

【００４８】

【発明の効果】本発明のようにはんだクラッド材を用い
て、インク流路を構成する薄板を接合したことを特徴と
するインクジェットプリントヘッドは、エッジ部及び平
坦部とも均一な厚さのはんだ層が得られる。接合時のは
んだと下地めっきとの反応に起因する問題もなく、接合
後の高温保持による下地めっきとの化合物成長による強
度低下もない。

【００４９】また、はんだ中の吸蔵ガスも少なく、母材
である薄板との密着性も優れている。従って、接合部の
リーク・インク流路へのはんだはみ出し等がなく印字特
性が安定し、接合強度も高いのでインクジェットプリン
トヘッドとして、特にホットメルト型インクを使用する
場合、信頼性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクジェットプリントヘッドを構成する薄板
の形状の一例を示す平面図である。

【図２】本発明の積層された薄板の構成を示す断面図で
ある。

【図３】本発明を適用した試験片の膜構成を示す断面図
である。

【図４】めっき膜を使用した試験片の膜構成を示す断面
図である。

【図５】試験片の接合後のピール強度の比較のグラフで
ある。

【図６】ピール強度試験片におけるはんだ厚さとピール
強度の関係を示したグラフである。

【符号の説明】

１はオリフィスプレート、２はリストリクタプレート、
３はダイアフラムプレート、４はフィルタプレート、５
はＰｂー５０ｗｔ％Ｓｎはんだ層、６はステンレス板、
７はＡｕ層、８はＳｎ層、９はＮｉ層である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の位置にインク流路となる穴または溝
   が形成された薄板を複数積層した構造のプリントヘッド
   を有するインクジェットプリンタにおいて、前記薄板の
   接合面（積層面）にはんだがクラッドされているクラッ
   ド材を用い、これを積層して接合することを特徴とする
   インクジェットプリントヘッドのはんだ接合方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記複数の薄板の相対
   位置を調整した後密着させ、これらの薄板にクラッドさ
   れているはんだを加熱溶融させて接合することを特徴と
   するインクジェットプリントヘッドのはんだ接合方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記薄板上のクラッド
   されたはんだは少なくとも１層以上であって、はんだ層
   の組成は接合後にＩｎーＳｎ系、ＰｂーＳｎ系、Ａｕー
   Ｓｎ系、ＡｇーＳｎ系、Ｓｎ系の少なくともいずれかを
   主成分とすることを特徴とするインクジェットプリント
   ヘッドのはんだ接合方法。
4. 【請求項４】請求項１において、前記薄板上のクラッド
   されたはんだは、Ｎｉ系、もしくはＣｕ系の金属材料で
   あることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの
   はんだ接合方法。
5. 【請求項５】請求項１において、前記薄板上のクラッド
   されたはんだの厚さが１μｍ以上であることを特徴とす
   るインクジェットプリントヘッドのはんだ接合方法。