KR20110115771A - 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 잉크 유로가 형성되는 잉크젯 헤드 플레이트, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에 대응되도록 형성되며, 상기 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 상에 적층되며, 외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키는 유로가 형성되는 패키지부, 및 상기 패키지부에 관통 형성되는 비아에 충진되며, 상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하는 전기 접속부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 잉크젯 헤드 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전 액추에이터의 작동을 위한 전기 배선 및 잉크를 공급하는 잉크 저장 탱크의 연결 형태를 개선하여 잉크젯 헤드의 실장 소요 면적을 최소화함으로써, 잉크젯 헤드의 고밀도화가 가능한 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 헤드는 전기신호를 물리적인 힘으로 변환하여 작은 노즐을 통하여 잉크가 액적(droplet)의 형태로 토출되도록 하는 구조체이다. 이러한 잉크젯 헤드는 잉크 토출 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있다. 그 하나는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 그 버블의 팽창력에 의해 잉크를 토출시키는 열구동 방식의 잉크젯 헤드이고, 다른 하나는 압전체를 사용하여 그 압전체의 변형으로 인해 잉크에 가해지는 압력에 의해 잉크를 토출시키는 압전 방식의 잉크젯 헤드이다.
특히 압전 방식의 잉크젯 헤드는 최근 산업용 잉크젯 프린터에서 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들어, 플랙시블 인쇄회로기판(FPCB) 상에 금, 은 등의 금속을 녹여 만든 잉크를 분사해 회로 패턴을 직접 형성시키거나 산업 그래픽이나 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광다이오드(OLED)의 제조 및 태양전지 등에 사용된다.
잉크젯 헤드에 잉크를 공급하기 위해서는 잉크 저장 탱크가 필요한데, 일반적으로 잉크젯 헤드는 실리콘의 MEMS 공정에 의해 제조되는 반면, 잉크 저장 탱크는 기계가공으로 제조된다. 실리콘 가공 공정의 경우, 공정 허용 치수가 수십 ㎛인데 반해, 일반적인 기계 가공은 구조물의 특성과 가공법 등에 따라 최소 수백 ㎛ 이상에서 수 ㎜에 달하기 때문에, 잉크젯 헤드와 잉크 저장 탱크의 연결을 위해 필요한 면적이 클 수밖에 없으며, 이는 잉크젯 헤드의 전체 폭의 증가로 귀결된다.
일반적으로 잉크젯 헤드의 제조는 웨이퍼레벨로 이루어지므로, 이렇게, 잉크젯 헤드의 전체 폭이 증가하게 되면, 하나의 웨이퍼에 제조 가능한 잉크젯 헤드의 수가 감소하게 되며, 이는 가공 수율의 하락 및 제조 원가의 상승 등 생산성의 저하로 이어진다는 문제점이 있다.
또한, 최근 잉크젯 프린터는 얼마나 많은 수의 잉크젯 헤드를 장착하여 높은 생산성을 갖느냐가 중요하기 때문에, 잉크젯 헤드를 어레이 방식으로 구성하는 것이 핵심 기술이 되고 있으며, 이를 위해서는 잉크젯 헤드의 폭이 얇아질 필요가 있다. 따라서 잉크젯 헤드의 폭의 증가는 잉크젯 헤드의 어레이 방식의 구조를 실현하기가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 잉크젯 헤드 어셈블리의 전기 배선을 비아-필(Via-Fill) 배선을 이용함으로써, 잉크 저장 탱크의 연결 구조를 간명하게 하여, 웨이퍼 레벨 패키지로 제작 가능한 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 잉크젯 헤드의 전체 폭을 감소시켜 하나의 웨이퍼에 제조가능한 잉크젯 헤드의 수가 증가하여 가공 수율의 상승 및 제조 원가의 절감 등 생산성이 향상된 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 잉크젯 헤드의 실장 면적을 감소시켜 잉크젯 헤드의 어레이 방식의 구조가 가능한 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 잉크 유로가 형성되는 잉크젯 헤드 플레이트, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에 대응되도록 형성되며, 상기 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 상에 적층되며, 외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키는 유로가 형성되는 패키지부, 및 상기 패키지부에 관통 형성되는 비아에 충진되며, 상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하는 전기 접속부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 상기 전기 접속부와 상기 압전 액추에이터를 전기적으로 연결되도록 하는 연결 부재를 더 포함할 수 있다. 상기 연결 부재는 솔더볼로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 상기 압전 액추에이터 상에 제공되며, 상기 솔더볼의 넘침 방지를 위한 고분자 필름을 더 포함할 수 있다. 상기 고분자 필름은 감광성 폴리머(photoresist)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 연결 부재는 ACF(anisotrofic conductive film) 또는 솔더 범프일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 비아는 일정한 직경을 갖는 수직 홀 또는 상기 패키지부의 하부로 갈수록 직경이 점점 커지는 경사 홀의 형태일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 비아는 깊은 반응성 이온 식각(Deep reactive-ion etching, DRIE)에 의해 형성되는 관통 홀일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 패키지부는 단결정 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 상기 패키지부와 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 접합을 위한 중간층을 더 포함할 수 있다. 상기 중간층은 글래스 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 중간층은, 상기 압전 액추에이터의 상부를 수용하는 수용부, 및 상기 수용부 및 상기 비아와 연통되는 연통 홀을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 수용부는 상기 중간층의 하부에서 상부를 향하여 함몰된 홈이며, 상기 압전 액추에이터의 형상에 대응하는 형상을 갖고, 상기 압전 액추에이터의 두께와 가공오차를 더한 만큼의 깊이를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 상기 패키지부 상에 형성되며, 상기 압전 액추에이터로 전압을 인가하는 외부 전원과 상기 전기 접속부를 연결하는 도전성 필름을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 상기 전기 접속부는 단면이 1자 형, T자 형, 또는 I-빔 형태일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 상기 패키지부의 상하면과, 상기 비아가 형성되는 부분에 형성되는 산화막을 더 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 잉크 유로가 형성되는 잉크젯 헤드 플레이트, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에 대응되도록 형성되며, 상기 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터, 상하부를 관통하는 비아가 형성된 실리콘층과, 상기 실리콘층과 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 접합을 위한 글래스층으로 이루어지며, 외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키도록 형성되는 패키지부, 및 상기 비아에 충진되며, 상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하는 전기 접속부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법은 잉크젯 헤드 플레이트에 잉크 유로를 형성하는 단계, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터를 상기 압력 챔버에 대응되도록 형성하는 단계, 외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키는 유로 및 상하부를 관통하는 비아가 형성되도록 패키지부를 가공하는 단계, 상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하도록 상기 비아에 전기 접속부를 형성하는 단계, 및 상기 잉크젯 헤드 플레이트 상에 상기 패키지부를 적층하여 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 패키지부를 가공하는 단계는, 실리콘 웨이퍼를 식각하는 공정에 의해 상기 유로 및 상기 비아를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 패키지부를 가공하는 단계는, 상기 비아가 일정한 직경을 갖는 수직 홀 또는 상기 패키지부의 하부로 갈수록 직경이 점점 커지는 경사 홀의 형태가 되도록 식각할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 패키지부를 가공하는 단계는, 깊은 반응성 이온 식각(Deep reactive-ion etching, DRIE) 공정에 의해 상기 유로 및 상기 비아를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법은 상기 비아와 연통하는 연통 홀 및 상기 압전 액추에이터를 수용하는 수용부가 형성되도록 중간층을 가공하는 단계, 및 상기 중간층 상에 상기 패키지부를 적층하여 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 중간층과 상기 패키지부를 접합하는 단계는, 양극 접합(anodic bonding), 글래스 프릿(glass frit) 접합, 폴리머 접합, 플라즈마를 이용한 저온 실리콘 직접접합, 또는 금속(Eutectic Bonding) 접합을 이용하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 중간층을 가공하는 단계는, 샌드 블래스트 또는 식각 공정에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 중간층을 가공하는 단계는, 상기 중간층의 상기 중간층의 하부에서 상부를 향하여 상기 압전 액추에이터의 두께와 가공오차를 더한 만큼의 깊이를 갖도록 상기 수용부를 형성하는 단계, 및 상기 수용부 상면의 일부와 상기 비아를 연통하도록 상기 연통 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법은 상기 패키지부의 상하면 및 상기 비아의 측면에 산화막을 형성하는 단계, 및 상기 패키지부의 하면의 산화막을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 산화막을 제거하는 단계는, 화학·기계적 연마(Chemical Mechanical Planarization, CMP) 공정을 이용하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법의 상기 전기 접속부를 형성하는 단계는, 전기 도금법(electroplating)을 이용하여 금속을 충진할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법은 상기 전기 접속부와 상기 압전 액추에이터를 전기적으로 연결되도록 하는 연결 부재를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리 및 그 제조방법에 의하면, 전기 배선과 잉크 저장 탱크의 연결 구조를 간명하게 하여 잉크젯 헤드 어셈블리를 웨이퍼 레벨 패키지로 제조할 수 있다.
또한, 잉크젯 헤드의 전체 폭이 감소하기 때문에, 하나의 웨이퍼에 제조가능한 잉크젯 헤드의 수가 증가하며, 따라서 가공 수율의 상승 및 제조 원가의 절감 등 생산성이 향상된다.
더욱이, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 잉크젯 헤드의 실장 면적을 감소시키기 때문에, 잉크젯 헤드를 어레이 방식으로 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부분의 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부의 잉크 유로를 나타내는 개략 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 잉크 유로를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부분의 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부의 잉크 유로를 나타내는 개략 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 잉크 유로를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 형태를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 형태에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 형태를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시 형태의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 단면도이며, 도 3은 도 2의 A부분의 확대 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리(100)는 잉크 유로가 형성된 잉크젯 헤드 플레이트(110), 잉크젯 헤드 플레이트(110)에 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터(120), 및 압전 액추에이터(120)에 전압을 인가하는 전기 배선을 위한 패키지부(130)를 포함할 수 있다.
잉크젯 헤드 플레이트(110)는 잉크가 유입되는 잉크 유입구(111), 잉크 유입구(115)로 유입되는 잉크를 저장하는 리저버(112), 압전 액추에이터(120)가 장착되는 위치의 하부에 마련되는 다수의 압력 챔버(114), 및 잉크를 토출하는 다수의 노즐(116)을 포함할 수 있다. 리저버(112)와 압력 챔버(114) 사이에는 잉크가 토출될 때 압력 챔버(114)의 잉크가 리저버(112)로 역류하는 것을 억제하기 위하여 다수의 리스트릭터(113)가 형성될 수 있다. 또한, 압력 챔버(114)와 노즐(116)은 다수의 댐퍼(115)에 의해 연결될 수 있다.
잉크젯 헤드 플레이트(110)는 상기한 잉크 유로를 형성하는 구성요소들을 상부 기판 및 하부 기판에 적절하게 형성하여 상부 기판 및 하부 기판을 실리콘 직접 접합(SDB) 등의 방식으로 접합하여 형성할 수 있다. 이때, 상부 기판은 단결정 실리콘 기판이나 SOI 기판일 수 있으며, 하부 기판은 SOI 기판으로 이루어질 수 있다. 또한, 잉크젯 헤드 플레이트(110)는 이에 한하지 않고, 더 많은 기판을 사용하여 잉크 유로를 구성할 수 있으며, 경우에 따라서는 하나의 기판으로 구현할 수도 있다. 잉크 유로를 형성하는 구성요소들 또한 예시적인 것에 불과하며, 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구성의 잉크 유로가 마련될 수 있다.
압전 액추에이터(120)는 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 압력 챔버(114)에 대응하도록 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 상부에 형성되며, 압력 챔버(114)로 유입된 잉크를 노즐(116)로 토출하기 위한 구동력을 제공한다. 예를 들어, 압전 액추에이터(120)는 공통 전극의 역할을 하는 하부 전극, 전압의 인가에 따라 변형되는 압전막, 및 구동 전극의 역할을 하는 상부 전극을 포함하여 구성될 수 있다.
하부 전극은 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 전 표면에 형성될 수 있으며, 하나의 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으나, 티타늄(Ti)과 백금(Pt)으로 이루어진 두 개의 금속 박막층으로 구성되는 것이 바람직하다. 하부 전극은 공통 전극의 역할뿐만 아니라, 압전막과 잉크젯 헤드 플레이트(110) 사이의 상호 확산을 방지하는 확산방지층의 역할도 하게 된다. 압전막은 하부 전극 위에 형성되며, 다수의 압력 챔버(114) 각각의 상부에 위치하도록 배치된다. 이러한 압전막은 압전 물질, 바람직하게는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 세라믹 재료로 이루어질 수 있다. 상부 전극은 압전막 위에 형성되며, Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 물질 중 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 압전 액추에이터(120)를 사용한 압전 구동 방식에 의해 잉크가 토출되는 구성을 예로서 설명하고 있지만, 잉크 토출 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니며, 요구되는 조건에 따라 열구동 방식 등 다양한 방식으로 잉크가 토출되도록 구성될 수 있다.
패키지부(130)는 잉크 저장 탱크로부터 공급되는 잉크를 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 잉크 유입구(111)로 이동시키기 위한 잉크 유로가 형성되는 유로 형성층(130a) 및 패키지부(130)와 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 접합을 위한 중간층(130b)으로 이루어질 수 있다. 패키지부(130)는 실리콘 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 이때 유로 형성층(130a)은 단결정 실리콘 웨이퍼로 형성되고, 중간층(130b)은 글래스 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 유로 형성층(130a)과 중간층(130b)의 접합은 양극 접합(anodic bonding)이나 글래스 프릿(glass frit) 접합 등에 의해 이루어질 수 있다.
이러한 본 발명의 패키지부(130)의 구성은 예시적인 것에 불과하며, 패키지부(130)가 하나의 실리콘 웨이퍼, 더 많은 층으로 이루어진 실리콘 웨이퍼, 또는 SOI 웨이퍼로 이루어질 수 있으며, 요구되는 조건에 따라 다양하게 설계 변경될 수 있다. 유로 형성층(130a)과 중간층(130b)의 상기 구성 또한 예시적인 것에 불과하며, 중간층(130b)이 실리콘 웨이퍼로 이루어져 유로 형성층(130a)과 중간층(130b)이 실리콘 직접 접합에 의해 접합될 수 있으며, 이외에도 폴리머 접합, 플라즈마를 이용한 저온 실리콘 직접접합, 또는 금속(Eutectic Bonding) 접합등 다양한 설계 변경이 가능하다.
유로 형성층(130a)은 잉크 저장 탱크로부터 공급되는 잉크가 유입되는 잉크 인렛(151), 잉크젯 헤드 플레이트(110)로 잉크를 이동시키기 위한 유로의 역할을 하는 잉크 이송부(152), 및 압전 액추에이터(120)에 전압을 인가하는 전기 배선을 위한 비아(153)를 포함할 수 있다. 비아(153)는 유로 형성층(130a)의 상하부를 관통하도록 형성되며, 압전 액추에이터(120)의 상부 일측에 배치될 수 있다. 이때, 잉크 인렛(151)은 비아(153)의 반대편에 형성될 수 있다. 따라서 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조에서, 잉크 저장 탱크가 잉크젯 헤드 어셈블리의 배열 중앙부에 배치되고, 전기 배선을 잉크젯 헤드 어셈블리의 측단부에 연결할 수 있어서, 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 면적을 축소할 수 있다.
잉크 인렛(151), 잉크 이송부(152) 및 비아(153)는 실리콘 웨이퍼에 식각 공정을 통하여 형성되며, 특히 비아(153)는 건식 식각에 의해 일정한 직경을 가진 수직 홀의 형상으로 형성되거나, 유로 형성층(130a)의 하부로 갈수록 직경이 점점 증가하는 측면이 경사진 형상으로 형성될 수 있다. 건식 식각 중에서도 반응성 이온 식각(Reactive-Ion Etching, RIE), 특히 깊은 반응성 이온 식각(Deep Reactive-Ion Etching, DRIE) 공정에 의하여 형성될 수 있다. 비아(153)에는 전기 배선용 금속을 충진하여 전기 접속부(154)를 형성한다.
전기 접속부(154)는 전기 도금법(electroplating)을 통하여 비아(153)에 금속을 도금함으로써 형성될 수 있으며, 여기에 사용되는 금속으로는 Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 물질 중 어느 하나의 물질일 수 있다. 전기 접속부(154)는 전기적 연결을 확실히 하기 위하여 상단 및 하단이 비아(153)의 둘레보다 넓게 형성되어, I-빔 형태의 단면을 가질 수 있다. 전기 접속부(154)의 단면은 이에 한정되지 않으며, 이외에도 1자 형, T자 형 등의 형태를 가질 수 있다. 또한, 전기 접속부(154)의 측면은 비아(153)의 형상에 대응되도록 수직으로 형성되거나, 경사지게 형성될 수 있다.
전기 접속부(154)는 압전 액추에이터(120)와의 연결을 위하여 하단부에 연결 부재(155)를 포함할 수 있다. 연결 부재(155)는 전기적으로 단락이 되지 않는 수준의 접합력을 갖는 통전 매질로 이루어지며, 예를 들어 솔더볼(solder ball) 또는 솔더 범프 등의 돌기형 연결부재, ACF(Anisotropic Conductive Film, 이방성 도전 필름)로 구성될 수 있으며, 이외에도 다양한 하중인가 통전형 매질을 이용할 수도 있다. 본 실시예에서는 상기 연결 부재(155)로 솔더볼을 사용하는 경우를 상정하고 있다.
솔더볼(155)의 압전 액추에이터(120)에의 접합을 위한 솔더의 리플로우시 솔더의 넘침 현상을 방지하기 위하여 압전 액추에이터(120)의 상면에 고분자 필름(121)이 도포 될 수 있다. 이때, 고분자 필름(121)은 압전 액추에이터(120)의 상면에서 솔더의 접합 부위를 제외하고 형성된다. 이는 감광성 폴리머(photoresist) 등의 소재를 현상하여 형성할 수 있다.
유로 형성층(130a)은 상면, 비아(153)가 형성된 면, 및 잉크 이송부(152)가 형성된 면에 산화막(156)이 형성될 수 있다. 산화막(156)은 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 유로 형성층(130a)의 실리콘 결정에 함유된 불순물이 확산되는 것을 방지하는 역할을 한다. 산화막(156)은 유로 형성층(130a)의 실리콘을 산화시켜 유로 형성층(130a)의 표면에 성막한 후, 유로 형성층(130a)의 하부 표면에 형성된 산화막을 화학-기계적 연마(CMP) 등에 의해 제거하여 형성할 수 있다.
중간층(130b)은 유로 형성층(130a)의 잉크 이송부(152)의 잉크를 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 잉크 유입구로 공급하는 통로(131), 압전 액추에이터(120)의 상부를 수용하는 수용부(132), 및 수용부(132)와 비아(153)를 연통하는 연통 홀(133)을 포함할 수 있다. 압전 액추에이터(120)의 수용부(132)는 중간층(130b)의 하부에서 상부를 향하여 함몰된 홈으로 이루어지며, 압전 액추에이터(120)의 형상에 대응하는 형상을 갖고, 압전 액추에이터(120)의 두께와 가공 오차를 더한 만큼의 깊이로 형성될 수 있다. 이러한 수용부(132)와 연통홀(133)은 글래스 웨이퍼에 샌드 블래스트(sand blast) 또는 식각(etching) 공정을 행함으로써 형성될 수 있다.
유로 형성층(130a)과 중간층(130b)의 양극 접합에 의해 형성된 패키지부(130)는 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 상면에 적층되어 접합된다. 구체적으로, 중간층(130b)의 하면과 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 상면이 양극 접합 또는 글래스 프릿 접합에 의해 접합 되고, 이때 전기 접속부(154)의 연결 부재(155)가 압전 액추에이터(120)의 상면에 접합 된다. 본 실시예에서, 잉크젯 헤드 플레이트(110)와 패키지부(130)의 접합을 지지하는 것은 가장자리 부분의 접합부가 된다.
이렇게, 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리(100)는 잉크젯 헤드 플레이트(110)와 패키지부(130)가 웨이퍼레벨로 접합 될 수 있기 때문에, 가공 수율의 상승 및 제조 원가의 절감 등 생산성이 향상된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부의 잉크 유로를 나타내는 개략 평면도 및 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 잉크 저장 탱크(미도시)로부터 잉크 인렛(151)으로 유입된 잉크는 잉크 이송부(152)에서 화살표 방향을 따라 이송된다. 이때, 잉크는 전기 접속부(154)를 충진하기 위한 비아(153)가 형성된 벽부의 사이로 이동하여 잉크 이송부(152)의 단부에서 중간층(130b)의 통로(131)를 통하여 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 잉크 유입구(111)로 이동한다.
잉크 유입구(111)를 통하여 잉크젯 헤드 플레이트(110)로 유입된 잉크의 이동 경로는 도시하지 않았지만, 종래의 잉크젯 헤드에서의 잉크 이동 경로와 실질적으로 동일하다. 즉, 잉크 유입구(111)로 유입된 잉크는 리저버(112)에서 다수의 리스트릭터(113)를 통하여 압력 챔버(114)로 이동하며, 압전 액추에이터(120)의 구동에 의해 압력 챔버(114)내의 잉크는 다수의 댐퍼(115)를 경유하여 노즐(116)로부터 외부로 토출된다.
잉크젯 헤드 어셈블리(100)의 작동을 살펴보면, 잉크 저장 탱크(미도시)로부터 잉크 인렛(151)을 통하여 공급된 잉크가 도 4 및 도 5의 화살표 방향으로 이동하여 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 다수의 압력 챔버(114) 각각의 내부로 공급된다. 이렇게 압력 챔버(114) 내부에 잉크가 채워진 상태에서, FPCB(플렉서블 인쇄회로기판, 미도시)와 연결된 전기 접속부(154)를 통하여 압전 액추에이터(120)로 전압이 인가되면, 압전막이 변형되며, 이에 따라 진동판 역할을 하는 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 상부가 아래쪽으로 휘어지게 된다. 상기 잉크젯 헤드 플레이트(110) 상부의 휨 변형에 의해 압력 챔버(114)의 부피가 감소하게 되고, 이에 따른 압력 챔버(114) 내의 압력 상승에 의해 압력 챔버(114) 내의 잉크는 노즐(116)을 통해 외부로 토출된다.
이어서, 압전 액추에이터(120)에 인가되던 전압이 차단되면 압전막은 원상 복원되고, 이에 따라 진동판 역할을 하는 잉크젯 헤드 플레이트(110)의 상부가 원상으로 복원되면서 압력 챔버(114)의 부피가 증가하게 된다. 이에 따른 압력 챔버(114) 내의 압력 감소와 노즐(116) 내에 형성된 잉크의 매니스커스에 의한 표면 장력에 의해 리저버(112)로부터 압력 챔버(114) 내부로 잉크가 유입된다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조를 나타내는 개략 사시도 및 단면도이다.
도 6 및 7을 참조하면, 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조는 서로 대칭되도록 배열된 제1의 잉크젯 헤드 어셈블리(100a) 및 제2의 잉크젯 헤드 어셈블리(100b), 상기 제1 및 제2의 잉크젯 헤드 어셈블리(100a, 100b)의 상부 중앙에 배치된 잉크 저장 탱크(170), 상기 제1 및 제2의 잉크젯 헤드 어셈블리(100a, 100b)의 상면에 형성되며 전기 접속부(154a, 154b) 각각에 연결된 본딩부(171a, 171b), 및 상기 제1 및 제2의 잉크젯 헤드 어셈블리(100a, 100b)의 압전 액추에이터에 전압을 인가하기 위하여 상기 본딩부(171a, 171b)에 연결된 FPCB(172a, 172b)를 포함한다. 상기 본딩부(171a, 171b)는 에폭시 수지로 이루어질 수 있으며, 특히 ACF(이방성 도전 필름)로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 압전 액추에이터(120)에 전압을 인가하기 위한 전기 배선을 잉크젯 헤드 어셈블리의 표면에 거의 수직으로 형성된 전기 접속부(154)를 통하여 연결함으로써, 종래 FPCB의 접합을 위해 요구되는 잉크젯 헤드 어셈블리의 면적이 현저하게 감소하게 된다. 따라서 본 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 전체 폭에 있어서, 종래의 잉크젯 헤드 어셈블리의 전체 폭 중 FPCB의 접합을 위한 면적과 ACF의 접합을 위한 면적만큼 감소하게 된다. 이때, 잉크 저장 탱크는 노즐이 번갈아 형성된 대칭구조의 잉크젯 헤드 어셈블리 세트 상부의 중앙 부분에 배치되므로, 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 면적이 현저하게 감소하게 된다.
이러한 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 면적의 감소는 웨이퍼 레벨 패키지로 형성되는 잉크젯 헤드 어셈블리의 전체 폭을 현저하게 감소시키므로, 하나의 웨이퍼당 더 많은 수의 잉크젯 헤드 어셈블리를 제조할 수 있다. 따라서 가공 수율의 상승 및 제조 원가의 절감 등 생산성이 향상된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 전기 배선용 금속의 연결 부재가 ACF로 이루어지는 경우를 나타낸 것으로, 이외의 구성은 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리와 동일하므로, 이들 구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리(200)도 잉크젯 헤드 플레이트(210), 압전 액추에이터(220), 및 패키지부(230)를 포함하며, 잉크젯 헤드 플레이트(210)는 잉크 유로를 따라 형성된 잉크 유입구(211), 리저버(212), 다수의 리스트릭터(213), 다수의 압력 챔버(214), 다수의 댐퍼(215) 및 다수의 노즐(216)을 포함한다.
패키지부(230)는 잉크 인렛(251), 잉크 이송부(252) 및 비아(253)를 포함하는 유로 형성층(230a)과, 잉크 이송부(252)와 잉크 유입구(211)의 연결 통로(231) 및 압전 액추에이터(220)를 수용하는 수용부(232)를 포함하는 중간층(230b)과, 상기 비아(253)에 전기 배선용 금속을 충진하여 형성되는 전기 접속부(254)를 포함한다. 비아(253)는 건식 식각에 의해 일정한 직경을 갖는 수직 홀의 형상으로 형성되거나, 유로 형성층(230a)의 하부로 갈수록 직경이 증가하는 경사 홀의 형상으로 형성될 수 있다.
전기 접속부(254)는 비아(253)에 전기 도금을 통하여 Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 금속 중 어느 하나의 금속을 도금함으로써 형성될 수 있다. 전기 접속부(154)의 단면은 I-빔, 1자 형, T자 형 등의 다양한 형태를 가질 수 있다.
압전 액추에이터(220)의 상면에 있어서, 전기 접속부(254)와 연결되는 부분에 하중인가 통전 매질로서 ACF(255)가 도포 되어 있다. 본 실시예에서는, 통전 매질로서 ACF(255)를 사용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에 전기 전도성을 갖는 경화형 접착제를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 통전 매질로서 솔더볼(155)을 사용하고 있으며, 이는 압전 액추에이터(120)와의 접합시에 온도의 한계성을 가지게 되나, 본 실시예의 ACF(255)는 내열성의 하중인가형 통전 매질이기 때문에 상기 솔더볼(155)의 한계를 극복할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 압전 액추에이터(220)의 상면에 솔더의 리플로우시 솔더의 넘침 현상을 방지하기 위한 고분자 필름을 필요로 하지 않는다.
유로 형성층(230a)과 중간층(230b)은 양극 접합이나 글래스 프릿 접합 등에 의해 접합 되며, 이렇게 형성된 패키지부(230)와 잉크젯 헤드 플레이트(210)는 양극 접합 등에 의해 웨이퍼 레벨로 접합 될 수 있다. 잉크젯 헤드 어셈블리(200)의 접합부는 중간층(230b)의 하면과 잉크젯 헤드 플레이트(210)의 상면이며, 이 접합부는 잉크젯 헤드 어셈블리(200)의 외곽부분의 접합으로 지지가 된다. 이때, 전기 접속부(254)와 압전 액추에이터(220)의 연결은 ACF(255)에 의해 이루어진다.
이하에서는 상기한 구성을 가진 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리를 제조하는 방법을 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 바람직한 제조 방법을 개략적으로 설명하면, 웨이퍼 상에 잉크 유로를 형성하여 패키지부와 잉크젯 헤드 플레이트를 각각 제조하고, 상기 잉크젯 헤드 플레이트 상에 상기 패키지부를 적층하여 접합함으로써 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리가 완성된다. 한편, 패키지부와 잉크젯 헤드 플레이트를 제조하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있다. 즉, 패키지부와 잉크젯 헤드 플레이트 중 어느 하나가 먼저 제조될 수도 있으며, 패키지부와 잉크젯 헤드 플레이트가 동시에 제조될 수도 있다. 또한, 잉크젯 헤드 플레이트를 제조하는 단계들은 일반적으로 하나 이상의 웨이퍼에 잉크 유로를 형성하는 단계들로, 이하에서는 설명의 편의상 잉크젯 플레이트를 제조하는 단계들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9a 내지 9i는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 9a 내지 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부를 제조하는 단계를 설명하기 위한 도면들이다. 패키지부의 유로 형성층과 중간층을 제조하는 단계들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 다만 설명의 편의상 유로 형성층과 중간층의 순서로 각각의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이, 유로 형성층으로서 실리콘 웨이퍼(301)를 준비한다. 실리콘 웨이퍼(301)는 단결정 실리콘 기판이나 SOI 웨이퍼를 사용할 수 있다.
다음으로, 도 9b에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(301)에 식각 공정을 통하여 잉크 인렛(302), 비아(303), 및 잉크 이송부(304)를 형성한다. 구체적으로, 실리콘 웨이퍼(301)의 하면에 포토레지스트를 도포하고, 도포 된 포토레지스트를 패터닝하여 상기 잉크 인렛(302), 비아(303), 및 잉크 이송부(304)를 형성하기 위한 개구부를 형성한다. 이때, 포토레지스트의 패터닝은 노광과 현상을 포함하는 공지의 포토리소그래피(photolithography)법에 의해 이루어질 수 있다.
패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 개구부를 통해 노출된 실리콘 웨이퍼(301)를 식각하여 잉크 인렛(302), 비아(303), 및 잉크 이송부(304)를 형성한다. 이때, 식각은 깊은 반응성 이온 식각(Deep Reactive-Ion Etching, DRIE)과 같은 건식 식각 방법이 바람직하나, 실리콘 에칭액으로서, 예를 들어 테트라메틸 수산화 암모늄(TMAH: Tetramethyl Ammonium Hydroxide) 또는 수산화 칼륨(KOH)을 이용한 습식 식각 방법에 의해 수행될 수도 있다. 비아(303)는 실리콘 웨이퍼(301)의 상부 및 하부를 관통하도록 식각하여 형성되며, 일정한 직경을 갖는 수직 홀 또는 직경이 실리콘 웨이퍼(301)의 하부로 갈수록 점점 증가하는 경사 홀일 수 있다. 다음으로, 포토레지스트를 제거하면 실리콘 웨이퍼(301)에 잉크 인렛(302), 비아(303), 및 잉크 이송부(304)가 형성된다.
다음으로, 도 9c에 도시된 바와 같이, 잉크 인렛(302), 비아(303), 및 잉크 이송부(304)가 형성된 실리콘 웨이퍼(301)를 습식 및/또는 건식 산화시켜서, 실리콘 웨이퍼(301)의 상면과 하면, 잉크 인렛(302), 비아(303) 및 잉크 이송부(304)의 형성면에 실리콘 산화막(305)을 형성한다. 이때 실리콘 산화막(305)은 대략 5,000Å ~ 15,000Å 정도의 두께를 갖는다.
다음으로, 도 9d에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(301)의 하면에 형성된 실리콘 산화막을 제거하여 도 1에 도시된 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부(130)의 상층인 유로 형성층(130a)을 형성한다. 이때, 실리콘 웨이퍼(301)의 하면의 실리콘 산화막의 제거는 화학·기계적 연마(Chemical Mechanical Planarization, CMP) 방법에 의하여 행할 수 있다.
다음으로, 도 9e에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막이 형성된 비아(303)에 전기 접속부(306)를 형성한다. 구체적으로, 비아(303)에 Pt, Au, Ag, Ni, Ti 및 Cu 등의 금속 중 어느 하나로 이루어진 금속을 전기 도금(electroplating)법에 의해 도금하여 전기 접속부(306)를 형성한다. 이때, 전기 접속부(306)의 단면은 1자 형, T자 형, I-빔 형태 등으로 이루어질 수 있다.
도 9f는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리(100)의 패키지부(130)의 하층은 중간층(130b)을 형성하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 9f에 도시된 바와 같이, 중간층(130b)을 형성하기 위한 글래스 웨이퍼(311)를 준비하고, 글래스 웨이퍼(311)를 샌드 블래스트(sand blast)나 식각하여 압전 액추에이터 수용부(312), 비아와 연통하는 연통 홀(313), 및 잉크를 잉크젯 헤드 플레이트의 잉크 유입구로 공급하는 통로(314)를 형성한다. 본 실시예에서는 중간층으로서 글래스 웨이퍼를 사용하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 요구되는 조건에 따라 다양한 웨이퍼가 사용될 수 있다.
글래스 웨이퍼(311)를 식각하여 상기 수용부(312), 연통 홀(313) 및 통로(314)를 형성하는 방법은 실리콘 웨이퍼(301)의 식각 공정과 동일한 방법으로 이루어질 수 있다. 즉, 글래스 웨이퍼(311)의 하면에 글래스보다 선택비가 높은 물질, 예를 들어 포토레지스트를 도포하고, 이를 패터닝한 후, 패터닝된 포토레지스트를 식각 마스크로 하여 글래스 웨이퍼(301)를 식각하여 수용부(312), 연통 홀(313) 및 통로(314)를 형성하고, 포토레지스트를 제거한다. 이때, 식각은 마찬가지로 DRIE 방법과 같은 건식 식각 방법이나 에칭액을 이용한 습식 식각 방법일 수 있다.
이때, 수용부(312)는 압전 액추에이터를 수용하도록 글래스 웨이퍼(311)의 하부에서 상부를 향하여 함몰된 홈 형태로 이루어지며, 압전 액추에이터의 형상에 대응하는 형상을 갖고, 압전 액추에이터의 두께와 가공 오차를 더한 만큼의 깊이로 형성될 수 있다. 연통홀(313)은 수용부(312)의 상부 및 글래스 웨이퍼(311)의 상부를 관통하도록 형성되며, 통로(314)는 글래스 웨이퍼(311)의 상부 및 하부를 관통하도록 형성된다.
다음으로, 도 9g에 도시된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(301)와 글래스 웨이퍼(311)를 접합하여 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부(130)를 형성한다. 이때, 실리콘 웨이퍼(301)와 글래스 웨이퍼(311)의 접합은 양극 접합(anodic bonding)이나 글래스 프릿(glass frit) 접합에 의할 수 있다.
다음으로, 도 9h에 도시된 바와 같이, 패키지부의 전기 접속부(306)를 압전 액추에이터의 전극에 접합하기 위한 연결 부재로서 솔더볼(307)을 전기 접속부(306)의 하단부에 형성한다. 솔더볼(307)은 주석(Sn), 납(Pb), 구리(Cu) 또는 은(Ag) 등의 합금으로 이루어질 수 있으며, 납(Pb)을 포함하지 않은 무연(lead free) 솔더볼을 사용할 수도 있다. 솔더볼(307)의 형성 공정은 주지의 공정을 이용하여 이루질 수 있으며, 예를 들어 솔더볼 부착 부위에 플럭스를 도팅(dotting)한 다음 솔더볼을 융착하여 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼(301)의 비아(303)에 전기 접속부(306)를 형성하고 실리콘 웨이퍼(301)와 글래스 웨이퍼(311)를 접합한 다음, 전기 접속부(306)의 하단부에 솔더볼(307)을 형성하는 공정의 순서로 이루어진다고 기재하고 있으나, 상기 공정들이 이러한 순서에 의해 이루어져야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(301)와 글래스 웨이퍼(311)를 먼저 접합한 다음, 비아(303)에 전기 접속부를 형성하고, 솔더볼(307)을 형성할 수도 있으며, 비아(303)에 전기 접속부(306)와 솔더볼(307)을 형성한 다음 실리콘 웨이퍼(301)와 글래스 웨이퍼(311)를 접합할 수도 있다. 이와 같이, 상기 공정들은 공정 환경이나 요구되는 조건에 따라서 본 발명의 기술분야의 숙련자가 적절하게 선택하여 행할 수 있다.
다음으로, 도 9i에 도시된 바와 같이, 패키지부를 잉크젯 헤드 플레이트(321) 상에 적층하여 접합함으로써 잉크젯 헤드 어셈블리를 완성한다. 구체적으로 패키지부의 중간층인 글래스 웨이퍼(311)의 하면과 잉크젯 헤드 플레이트(321)의 상면을 양극 접합 등에 의해 접합한다. 이때, 압전 액추에이터(322)의 전극은 솔더볼(307)의 리플로우 공정을 통하여 전기 접속부(306)와 연결된다. 솔더볼(307)의 리플로우시 솔더의 넘침 현상을 방지하기 위하여, 잉크젯 헤드 플레이트(321)의 제조시, 압전 액추에이터(322)의 상면에 포토레지스트와 같은 고분자 필름을 도포할 수 있다.
본 실시예에서는 전기 접속부(306)를 압전 액추에이터의 전극에 접합하기 위한 연결 부재로서 솔더볼(307)을 사용하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이외에 전기 전도성을 갖는 경화형 접착제를 사용할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 나타내는 공정도이다. 이하에서는 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조 방법을 살펴보기로 한다.
본 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 연결 부재로서 내열성의 하중인가형 통전 매질인 ACF를 사용하고 있다는 점에서 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리와 다르기 때문에, 이하에서는 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
도 10a를 참조하면, 비아(403)에 전기 접속부(406)가 충진된 실리콘 웨이퍼(401)와, 압전 액추에이터 수용부(412)가 형성된 글래스 웨이퍼(411)가 접합 되어 패키지부를 형성한다. 본 실시예의 도 10a에 도시된 패키지부의 형성 과정은 본 발명의 일 실시예의 도 9a 내지 도 9i에 도시된 공정들 중, 실리콘 웨이퍼에 비아를 형성하고, 비아에 전기 접속부를 형성하며, 실리콘 웨이퍼와 글래스 웨이퍼를 접합하여 패키지부를 형성하는 공정, 즉 도 9a 내지 도 9g에 해당하는 공정들과 실질적으로 동일하다. 따라서 패키지부를 형성하는 공정들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 10b를 참조하면, 압전 액추에이터(423)의 상면에서, 압전 액추에이터(423)와 전기 접속부(406)의 연결 부위에 연결 부재로서 하중인가 통전 매질이 도포 된다. 예를 들어, ACF(425)가 도포 될 수 있다. ACF(425)는 내열성의 하중인가형 통전 매질로서, 본 발명의 일 실시예에서 솔더볼(155)이 압전 액추에이터(120)와의 접합시에 온도의 한계성을 갖는 것을 극복할 수 있다. 본 실시예에 의할 경우, 솔더의 넘침 현상을 방지하기 위하여 압전 액추에이터의 상면에 포토레지스트를 도포하는 공정은 생략된다.
다음으로, ACF(425)가 도포 된 잉크젯 헤드 플레이트(421)의 상면에 패키지부를 적층하여 접합함으로써 잉크젯 헤드 어셈블리를 완성한다. 구체적으로, 패키지부의 중간층인 글래스 웨이퍼(411)의 하면과 잉크젯 헤드 플레이트(421)의 상면이 양극 접합에 의해 접합 되며, 전기 접속부(406)는 ACF(425)를 매개로 압전 액추에이터(423)의 전극과 연결된다. 이때, 잉크젯 헤드 플레이트와 패키지부의 접합을 지지하는 것은 가장자리 부분의 접합부가 된다. 이렇게, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 잉크젯 헤드 플레이트와 패키지부가 웨이퍼레벨로 접합 될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 이하에서는 도 6 및 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 구조를 참조하여 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리의 실장 방법을 살펴보기로 한다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 헤드 어셈블리는 서로 대칭되는 구조로 형성되는 것이 일반적이다. 제1의 잉크젯 헤드 어셈블리(100a) 및 제2의 잉크젯 헤드 어셈블리(100b)의 상면의 측단부에 전기 접속부(154a, 154b)와 FPCB(172a, 172b)를 전기적으로 연결하기 위한 본딩부(171a, 171b)를 형성한다. 상기 본딩부(171a, 171b)는 전기 전도성을 갖는 경화형 접착제로 형성될 수 있으며, 예를 들어 ACF 또는 에폭시 수지를 사용할 수 있다.
다음으로, FPCB(172a, 172b)와 전기 접속부(154a, 154b)를 상기 본딩부(171a, 171b)를 통하여 연결한다.
제1의 잉크젯 헤드 어셈블리(100a) 및 제2의 잉크젯 헤드 어셈블리(100b)의 상부 중앙에 잉크 저장 탱크(170)를 설치한다. 잉크 저장 탱크(170)를 설치하는 공정과 잉크젯 헤드 어셈블리(100a, 100b)에 본딩부(171a, 171b)를 형성하고 FPCB(172a, 172b)를 연결하는 공정은 순서가 정해져 있지 않으며, 잉크 저장 탱크(170)를 설치하는 공정을 먼저 한 다음, 잉크젯 헤드 어셈블리(100a, 100b)에 본딩부(171a, 171b)를 형성하고 FPCB(172a, 172b)를 연결할 수도 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명했지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명에서 잉크젯 헤드 어셈블리의 패키지부의 각 구성요소를 형성하는 방법은 단지 예시된 것으로서, 다양한 식각 방법이 적용될 수 있으며, 제조방법의 각 단계의 순서도 예시된 바와 달리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100, 200: 잉크젯 헤드 어셈블리 110, 210: 잉크젯 헤드 플레이트
120, 220: 압전 액추에이터 130, 230: 패키지부
153, 253: 비아 154, 254: 전기 접속부
155: 솔더볼 255: ACF
170: 잉크 저장 탱크 171a, 171b: 본딩부
172a, 172b: FPCB
120, 220: 압전 액추에이터 130, 230: 패키지부
153, 253: 비아 154, 254: 전기 접속부
155: 솔더볼 255: ACF
170: 잉크 저장 탱크 171a, 171b: 본딩부
172a, 172b: FPCB
Claims (29)
- 잉크 유로가 형성되는 잉크젯 헤드 플레이트;
상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에 대응되도록 형성되며, 상기 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터;
상기 잉크젯 헤드 플레이트 상에 적층되며, 외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키는 유로가 형성되는 패키지부; 및
상기 패키지부에 관통 형성되는 비아에 충진되며, 상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하는 전기 접속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 전기 접속부와 상기 압전 액추에이터를 전기적으로 연결되도록 하는 연결 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제2항에 있어서,
상기 연결 부재는 솔더볼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제3항에 있어서,
상기 압전 액추에이터 상에 제공되며, 상기 솔더볼의 넘침 방지를 위한 고분자 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제4항에 있어서,
상기 고분자 필름은 감광성 폴리머(photoresist)인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제2항에 있어서,
상기 연결 부재는 ACF(anisotrofic conductive film) 또는 솔더 범프인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 비아는 일정한 직경을 갖는 수직 홀 또는 상기 패키지부의 하부로 갈수록 직경이 점점 커지는 경사 홀의 형태인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 비아는 깊은 반응성 이온 식각(Deep reactive-ion etching, DRIE)에 의해 형성되는 관통 홀인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 패키지부는 단결정 실리콘 웨이퍼 또는 SOI 웨이퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 패키지부와 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 접합을 위한 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제10항에 있어서,
상기 중간층은 글래스 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제10항에 있어서,
상기 중간층은,
상기 압전 액추에이터의 상부를 수용하는 수용부; 및
상기 수용부 및 상기 비아와 연통되는 연통 홀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제12항에 있어서,
상기 수용부는 상기 중간층의 하부에서 상부를 향하여 함몰된 홈이며, 상기 압전 액추에이터의 형상에 대응하는 형상을 갖고, 상기 압전 액추에이터의 두께와 가공오차를 더한 만큼의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 패키지부 상에 형성되며, 상기 압전 액추에이터로 전압을 인가하는 외부 전원과 상기 전기 접속부를 연결하는 도전성 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 전기 접속부는 단면이 1자 형, T자 형, 또는 I-빔 형태인 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 제1항에 있어서,
상기 패키지부의 상하면과, 상기 비아가 형성되는 부분에 형성되는 산화막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 잉크 유로가 형성되는 잉크젯 헤드 플레이트;
상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에 대응되도록 형성되며, 상기 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터;
상하부를 관통하는 비아가 형성된 실리콘층과, 상기 실리콘층과 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 접합을 위한 글래스층으로 이루어지며, 외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키도록 형성되는 패키지부; 및
상기 비아에 충진되며, 상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하는 전기 접속부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리. - 잉크젯 헤드 플레이트에 잉크 유로를 형성하는 단계;
상기 잉크젯 헤드 플레이트 내의 압력 챔버에서 노즐로의 잉크 토출을 위한 구동력을 제공하는 압전 액추에이터를 상기 압력 챔버에 대응되도록 형성하는 단계;
외부에서 유입되는 잉크를 상기 잉크젯 헤드 플레이트의 유입구로 이동시키는 유로 및 상하부를 관통하는 비아가 형성되도록 패키지부를 가공하는 단계;
상기 압전 액추에이터와 전기적으로 접속하도록 상기 비아에 전기 접속부를 형성하는 단계; 및
상기 잉크젯 헤드 플레이트 상에 상기 패키지부를 적층하여 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 패키지부를 가공하는 단계는, 실리콘 웨이퍼를 식각하는 공정에 의해 상기 유로 및 상기 비아를 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 패키지부를 가공하는 단계는,
상기 비아가 일정한 직경을 갖는 수직 홀 또는 상기 패키지부의 하부로 갈수록 직경이 점점 커지는 경사 홀의 형태가 되도록 식각하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 패키지부를 가공하는 단계는, 깊은 반응성 이온 식각(Deep reactive-ion etching, DRIE) 공정에 의해 상기 유로 및 상기 비아를 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 비아와 연통하는 연통 홀 및 상기 압전 액추에이터를 수용하는 수용부가 형성되도록 중간층을 가공하는 단계; 및
상기 중간층 상에 상기 패키지부를 적층하여 접합하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제22항에 있어서,
상기 중간층과 상기 패키지부를 접합하는 단계는, 양극 접합(anodic bonding) 또는 글래스 프릿(glass frit) 접합, 폴리머 접합, 플라즈마를 이용한 저온 실리콘 직접접합, 또는 금속(Eutectic Bonding) 접합을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제22항에 있어서,
상기 중간층을 가공하는 단계는, 샌드 블래스트 또는 식각 공정에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제22항에 있어서,
상기 중간층을 가공하는 단계는,
상기 중간층의 상기 중간층의 하부에서 상부를 향하여 상기 압전 액추에이터의 두께와 가공오차를 더한 만큼의 깊이를 갖도록 상기 수용부를 형성하는 단계; 및
상기 수용부 상면의 일부와 상기 비아를 연통하도록 상기 연통 홀을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 패키지부의 상하면 및 상기 비아의 측면에 산화막을 형성하는 단계; 및
상기 패키지부의 하면의 산화막을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제26항에 있어서,
상기 산화막을 제거하는 단계는, 화학·기계적 연마(Chemical Mechanical Planarization, CMP) 공정을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 전기 접속부를 형성하는 단계는, 전기 도금법(electroplating)을 이용하여 금속을 충진하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 전기 접속부와 상기 압전 액추에이터를 전기적으로 연결되도록 하는 연결 부재를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 헤드 어셈블리의 제조방법.
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