DE69828734T2

DE69828734T2 - Skalierbarer Zeilentintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE69828734T2
Application number: DE69828734T
Authority: DE
Inventors: Timothy E. Beerling; Timothy L. Weber; Melissa D. Boyd
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: US6508536B1; DE69828734D1; US7226156B2; JP2008221857A; US20020015073A1; JP4355777B2; US6513907B2; EP0913261B1; US6592205B2; EP0913261A3; US6679596B2; US20040113996A1; US20020180835A1; KR19990037428A; TW393406B; US20020018101A1; JPH11192705A; US6123410A; EP0913261A2; US20020033861A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Tintenstrahldruckkopf-Aufbau und insbesondere auf einen Breitarray-Tintenstrahldruckkopf-Aufbau.
Es gibt bekannte und verfügbare kommerzielle Druckvorrichtungen, wie z. B. Computerdrucker, Graphikplotter und Faxgeräte, die eine Tintenstrahltechnologie, wie z. B. einen Tintenstrahlstift, einsetzen. Ein Tintenstrahlstift umfasst üblicherweise ein Tintenreservoir und ein Array von Tintenstrahldruckelementen, die als Düsen bezeichnet werden. Das Array von Druckelementen ist auf einem Druckkopf gebildet. Jedes Druckelement umfasst eine Düsenkammer, einen Abfeuerungswiderstand und eine Düsenöffnung. Tinte ist in einem Tintenreservoir gelagert und wird passiv über einen Tintennachfüllkanal und Tintenzuführkanäle in jeweilige Abfeuerungskammern des Druckkopfs geladen. Eine Kapillarwirkung bewegt die Tinte von dem Reservoir durch den Nachfüllkanal und Tintenzuführkanäle in die jeweiligen Abfeuerungskammern. Üblicherweise sind die Druckelemente auf einem gemeinsamen Substrat gebildet.
Damit ein bestimmtes Druckelement Tinte ausstößt, wird ein Treibersignal an einen derartigen Abfeuerungswiderstand des Elements ausgegeben. Ein Druckersteuerschaltungsaufbau erzeugt Steuersignale, die wiederum Treibersignale für jeweilige Abfeuerungswiderstände erzeugen. Ein aktivierter Abfeuerungswiderstand erwärmt die umgebende Tinte innerhalb der Düsenkammer, was die Bildung einer sich ausdehnenden Dampfblase bewirkt. Die Blase treibt Tinte aus der Düsenkammer aus der Düsenöffnung heraus. Eine Düsenplatte, die benachbart zu der Barriereschicht ist, definiert die Düsenöffnungen. Die Geometrie der Düsenkammer, des Tintenzuführkanals und der Düsenöffnung definiert, wie schnell eine entsprechende Düsenkammer nach der Abfeuerung nachgefüllt wird. Um ein qualitativ hochwertiges Drucken zu erzielen, werden Tintentropfen oder Punkte akkurat mit erwünschten Auflösungen an erwünschten Orten platziert. Es ist bekannt, mit Auflösungen von 300 Punkten pro Zoll und 600 Punkten pro Zoll zu drucken. Höhere Auflösungen werden ebenso angestrebt. Es gibt Bewegungstyp-Tintenstrahlstifte und Nicht-Bewegungstyp-Tintenstrahlstifte. Ein Bewegungstyp-Tintenstrahlstift umfasst eine Druckkopf mit etwa 100 – 200 Druckelementen. Ein Nicht-Bewegungstyp-Tintenstrahlstift umfasst einen Breitarray- oder Seitenbreite-Array-Druckkopf. Ein Seitenbreite-Array-Druckkopf umfasst mehr als 5.000 Düsen, die sich über eine Seitenbreite erstrecken. Derartige Düsen werden zum Drucken einer oder mehrerer Zeilen zu einer Zeit gesteuert. Die EP0666174 offenbart derartige Tintenstrahlstifte.
Bei der Herstellung von Breitarray-Druckköpfen führen die Größe des Druckkopfs und die Anzahl von Düsen eine größere Fehlergelegenheit ein. Insbesondere wird es mit zunehmender Anzahl von Düsen auf einem Substrat zunehmend schwieriger, während der Herstellung eine erwünschte Verarbeitungsausbeute zu erzielen. Ferner ist es schwieriger, ordnungsgemäß dimensionierte Substrate der erwünschten Materialeigenschaften zu erhalten, wenn die erwünschte Größe des Substrats zunimmt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Breitarray-Tintenstrahlstift gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, der eine skalierbare Breitarray-Druckkopfstruktur sein kann, die durch ein Befestigen mehrerer thermischer Tintenstrahldruckköpfe an einem Trägersubstrat gebildet ist. Jeder Druckkopf umfasst eine Mehrzahl von Druckelementen. Jedes Druckelement umfasst eine Düsenkammer, einen Abfeuerungswiderstand und eine Düsenöffnung. Zusätzlich koppeln jeweilige Verdrah tungsleitungen jeden Abfeuerungswiderstand mit einem Kontakt auf dem Druckkopf. Durch ein Vorschreiben einer unterschiedlichen Anzahl von Druckköpfen auf einem Trägersubstrat für unterschiedliche Ausführungsbeispiele werden Ausführungsbeispiele einer Breitarray-Druckkopfstruktur mit unterschiedlicher Größe erzielt. So besteht ein Vorteil der Befestigungsmethodik darin, dass eine skalierbare Druckkopfarchitektur erzielt wird.
Ein Lötmittelhöckerbefestigungsverfahren kann verwendet werden, um die Druckköpfe an dem Trägersubstrat zu befestigen. Ein Vorteil derartiger Lötmittelhöcker besteht darin, dass dieselben zur Ausrichtung jedes der Druckköpfe entlang des Trägersubstrats dienen. Benetzende Anschlussflächen zum Aufnehmen von Lötmittel werden unter Verwendung von Photolithographie- oder anderen genauen Verfahren präzise auf dem Trägersubstrat und Druckköpfen platziert. Sobald das Lötmittel platziert und in ein flüssiges Lötmittel erwärmt wurde, tritt ein Rückfluss auf. Während des Lötmittelrückflusses neigen derartige Anschlussflächen dazu, sich miteinander auszurichten und so den Druckkopf mit dem Trägersubstrat auszurichten.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Druckköpfe einen unter demselben liegenden Tintenschlitz entlang einer Oberfläche des Druckkopfs, die dem Trägersubstrat zugewandt ist. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bildet das Lötmittel zum Anbringen eines Druckkopfs einen Ring um einen derartigen Tintenschlitz herum. Der Lötmittelring dient als eine Fluidgrenze für den Tintenschlitz. Als ein Ergebnis wird kein Einkapselungsmittel zur Fluidtrennung der Druckkopftintenschlitze benötigt.
Kontakte für die Druckköpfe sind üblicherweise entlang der gleichen Oberfläche wie die Düsenöffnungen gebildet. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorderseitezu-Rückseite-Verbindung durch den Druckkopf hindurch gebildet, um den Druckkopf mit dem Trägersubstrat zu verbinden.
Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung ist eine Drahtbondverbindung von den Druckkopfkontakten zu Trägersubstratkotakten gebildet. Die Drahtbondverbindungen erstrecken sich außerhalb des Druckkopfs und nicht durch denselben hindurch.
Das Trägersubstrat kann auch keine integrierten Elemente aktiver elektronischer Schaltungen enthalten. Unter Bezugnahme auf elektrische Merkmale umfasst das Trägersubstrat lediglich Verbindungen zum elektrischen Koppeln der Kontakte der jeweiligen Druckköpfe mit einem Logikschaltungsaufbau und einem Treiberschaltungsaufbau. Da das Trägersubstrat nicht für aktive elektronische Schaltungen verwendet wird, kann das verwendete Silizium ein geringwertiges, billigeres Silizium sein. Derartiges Silizium wird ausgewählt, um eine Kristallausrichtung aufzuweisen, die nützlich zum Erhalten eines erwünschten Tintennachfüllschlitzprofils ist.
Integrierte Schaltungschips eines Logikschaltungsaufbaus und Treiberschaltungsaufbaus sind an einer zweiten Seite des Trägersubstrats befestigt und können schnittstellenmäßig mit den Druckköpfen zur Steuerung der Druckelemente der mehreren Druckköpfe verbunden sein. Das Trägersubstrat mit den Logik-ICs, Treiber-ICs und Druckköpfen wird hierin als der Breitarray-Druckkopf bezeichnet.
Die Druckköpfe sind an der ersten Seite des Trägersubstrats befestigt. Verbindungen können durch das Trägersubstrat hindurch zur elektrischen Kopplung von Kontakten der Druckköpfe mit Kontakten der Logik-ICs und Treiber-ICs gebildet sein. Ein Vorderseite-zu-Rückseite-Metallisierungsverfahren kann zur Bildung der Verbindungen durch das Trägersubstrat hindurch verwendet werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Trägersubstrat durch das gleiche Material wie das Druckkopfsubstrat (z. B. Silizium) gebildet. Ein Vorteil der Verwendung des gleichen Materials für das Trägersubstrat und die Druckköpfe besteht darin, dass Fehlanpassungen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten vermieden werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Trägersubstrat aus einem mehrschichtigen Keramikmaterial gebildet, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit dem von Silizium zusammenpasst. Das Material für das Substrat wird geätzt, um einen Tintennachfüllschlitz zu bilden, damit Tinte von einem Reservoir durch das Trägersubstrat zu den Druckköpfen fließen kann.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden Bezug nehmend auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Breitarray-Tintenstrahlstifts mit einem Breitarray-Druckkopf gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
2 ist eine planare Ansicht einer ersten Seite des Breitarray-Tintenstrahldruckkopfs aus 1;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Seite des Breitarray-Tintenstrahldruckkopfs aus 1 gegenüber der ersten Seite;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Breitarray-Tintenstrahldruckkopfs aus 1;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Breitarray-Tintenstrahldruckkopfs und des Trägersubstrats aus 1;
6 ist ein Diagramm eines Verdrahtungsleitungs- und Abfeuerungswiderstandsentwurfs für ein Druckelement;
7 ist eine Querschnittsansicht des Druckkopfs aus 5 während der Herstellung;
8 ist eine Querschnittsansicht des Druckkopfs aus 7 in einer späteren Herstellungsstufe;
9 ist ein Diagramm eines Substrats bei dem Vorgang eines Metallisierens einer Durchgangsöffnung, die als Verbindung dient; und
10 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Breitarray-Tintenstrahldruckkopfs und eines Trägersubstrats gemäß einem alternativen Verbindungsschema.
Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele
Übersicht
1 zeigt einen Breitarray-Tintenstrahlstift 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Der Stift 10 umfasst einen Breitarray-Druckkopf 12 und einen Stiftkörper 14. Der Stiftkörper 14 dient als ein Gehäuse, an dem der Druckkopf 12 angebracht ist. Der Stiftkörper 14 definiert eine interne Kammer 16, die als ein lokales Tintenreservoir dient. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das Reservoir ein austauschbares oder nachfüllbares Reservoir. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Reservoir mit einem externen Reservoir gekoppelt, das das lokale Reservoir versorgt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Reservoir nicht nachfüllbar.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 umfasst der Druckkopf 12 eine Mehrzahl thermischer Tintenstrahldruckkopfchips 18, die an einem Trägersubstrat 20 angebracht sind. Die Druckköpfe 18 sind in einer oder mehreren Reihen 26 auf einer ersten Oberfläche 28 des Trägersubstrats 20 ausgerichtet. Jeder der Druckköpfe 18 umfasst eine Mehrzahl von Zeilen 22 mit Tintenstrahldruckelementen 24, die auch als Düsen bezeichnet werden (siehe 4). Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 – 4 sind die Druckköpfe 18 Ende an Ende ausgerichtet, wobei die jeweiligen Reihen jedes Druckkopfs ebenso ausgerichtet sind.
Das Trägersubstrat 20 ist aus Silizium- oder einem Mehrschicht-Keramik-Material hergestellt, wie z. B. einem Material, das beim Bilden von Hybrid-Multichip-Modulen verwendet wird. Das Substrat 20 weist vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem von Silizium zusammenpasst, ist maschinenbearbeitbar, um eine Bildung eines Tintenschlitzes zu ermöglichen, ist in der Lage, Lötmittel- und Verbindungsschichten aufzunehmen, und ist in der Lage, eine Anbringung integrierter Schaltungen unterzubringen.
Jeder Druckkopf 18 umfasst ein Array von Druckelementen 24. Bezug nehmend auf 5 umfasst jedes Druckelement 24 eine Düsenkammer 36 mit einer Düsenöffnung 38. Ein Abfeuerungswiderstand 40 befindet sich innerhalb der Düsenkammer 36. Bezug nehmend auf 6 koppeln Verdrahtungsleitungen 46 elektrisch den Abfeuerungswiderstand 38 mit einem Treibersignal und Masse. Wieder Bezug nehmend auf 5 umfasst jeder Druckkopf 18 außerdem einen Nachfüllkanal 42. Tinte fließt aus dem internen Reservoir innerhalb der Kammer 16 durch einen oder mehrere Trägersubstrat-Nachfüllschlitze 32 zu den Nachfüllkanälen 42 der Druckköpfe 18. Tinte fließt durch jeden Druckkopfnachfüllkanal 42 über Tintenzuführkanäle 44 in die Druckkopf-Düsenkammern 36.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind einer oder mehrere der Druckköpfe 18 ein vollständig integrierter thermischer Tintenstrahldruckkopf, der durch einen Siliziumchip 52, eine Dünnfilmstruktur 54 und eine Öffnungsschicht 56 gebildet ist. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der Siliziumchip 52 etwa 675 Mikrometer dick. Glas oder ein stabiles Polymer wird in alternativen Ausführungsbeispielen anstelle des Siliziums verwendet. Die Dünnfilmstruktur 54 wird durch eine oder mehrere Passivierungs- oder Isolierungsschichten aus Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Tantal, Polysiliziumglas oder einem anderen geeigneten Material gebildet. Die Dünnfilmstruktur umfasst außerdem eine leitfähige Schicht zum Definieren des Abfeuerungswiderstands 40 und der Verdrahtungsleitungen 46. Die leitfähige Schicht ist durch Aluminium, Gold, Tantal, Tantal-Aluminium oder ein anderes Metall oder eine Metalllegierung gebildet. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Dünnfilmstruktur 54 etwa 3 Mikrometer dick. Eine Öffnungsschicht 56 ist auf dieser Filmstruktur 54 gezeigt. Die Düsenöffnung 38 weist einen Durchmesser von etwa 10 bis 50 Mikrometern auf. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der Abfeuerungswiderstand 40 etwa quadratisch, mit einer jeweiligen Seitenlänge von etwa 10 bis 30 Mikrometern. Die Basisoberfläche der Düsenkammer 36, die den Abfeuerungswiderstand 40 unterstützt, weist einen Durchmesser auf, der in etwa die doppelte Länge des Widerstands 40 beträgt. Bei einem Ausführungsbeispiel definiert ein Ätzen mit 54,7 Grad die Wandwinkel für die Öffnung 38 und den Nachfüllkanal 42. Obwohl verschiedene Abmessungen und Winkel gegeben sind, können diese Abmessungen und Winkel für alternative Ausführungsbeispiele variieren.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind einer oder mehrere der Druckköpfe 18 durch ein Substrat gebildet, innerhalb dessen Abfeuerungswiderstände und Verdrahtungsleitungen gebildet sind. Eine Barriereschicht liegt an den Abfeuerungswiderständen über dem Substrat. Die Barriereschicht weist Öffnungen auf, die Düsenkammern definieren.
Eine Öffnungsplatte oder eine flexible Schaltung liegt über der Barriereschicht und umfasst die Düsenöffnungen. Ein Tintennachfüllschlitz ist in dem Substrat durch ein Bohrverfahren gebildet.
Auf eine Aktivierung eines bestimmten Abfeuerungswiderstands 40 hin wird Tinte innerhalb der umgebenden Düsenkammer 36 durch die Düsenöffnung 38 auf eine Medienlage ausgestoßen. Bezug nehmend auf die 2 bis 4 wählen Logikschaltungen 29 aus, welche Abfeuerungswiderstände 40 zu einer bestimmten Zeit aktiv sind. Treiberschaltungen 30 liefern ein bestimmtes Treibersignal an einen bestimmten Abfeuerungswiderstand 38 zum Erwärmen des bestimmten Abfeuerungswiderstands 38. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 an dem Trägersubstrat 20 befestigt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel befinden sich der Logikschaltungsaufbau und der Treiberschaltungsaufbau außerhalb der Breitarray-Druckkopfstruktur 12. Bezug nehmend auf die 2 und 3 sind die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel an einer zweiten Oberfläche 32 des Substrats 30, gegenüber von der ersten Oberfläche 28, angeordnet. Bei einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel (siehe 4) sind die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 an der gleichen Oberfläche 28 befestigt wie die Druckköpfe 18. Bezug nehmend auf 4 umfasst das Trägersubstrat 20 Verbindungen 50, die auf dem Substrat 20 hergestellt oder auf dasselbe aufgebracht sind. Die Druckkopfchips 18 sind an dem Trägersubstrat in einem elektrischen Kontakt mit jeweiligen Verbindungen 50 befestigt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt es eine Verbindung 50 für jeden elektrischen Kontakt jedes Druckkopfs 18. Der Druckkopf 18 umfasst eine Mehrzahl von Kontakten zum Koppeln der Druckelement-Verdrahtungsleitungen 46 mit jeweiligen Treibersignalen. Die Verbindungen 50 erstrecken sich zu den Treiberschaltungen 30, die die Quellen für die Treibersignale sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Tochtersubstrat 52 an dem Trägersubstrat befestigt. Die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 sind an einem derartigen Tochtersubstrat befestigt. Das Tochtersubstrat verbindet die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 miteinander und verbindet die Treiberschaltungen 30 mit den Trägersubstratverbindungen 50. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 direkt an dem Trägersubstrat 20 befestigt.
Während eines Betriebs empfängt der Breitarray-Druckkopf 12 Druckersteuersignale von außerhalb des Substrats 20. Derartige Signale werden auf dem Substrat 20 über ein Verbindungselement 34 empfangen. Die Logikschaltungen 29 und die Treiberschaltungen 30 sind direkt oder indirekt mit einem derartigen Verbindungselement 34 gekoppelt. Die Druckköpfe 18 sind mit den Treiberschaltungen 30 gekoppelt.
Verfahren zum Befestigen der Druckköpfe
Jeder Druckkopf weist eine erste Oberfläche 58 und eine zweite Oberfläche 60 gegenüber der ersten Oberfläche 58 auf. Die Düsenöffnungen 38 treten in der ersten Oberfläche 58 auf. Tintennachfüllschlitze 42 treten in der zweiten Oberfläche 60 auf. Der Siliziumchip 52 weist eine oder mehrere dielektrische Schichten 62 (z. B. Nitrid- oder Karbidschichten) an der zweiten Oberfläche 60 auf. Während der Herstellung des Druckkopfs 18 werden ein Verbindungsmetall 66 und ein Benetzungsmetall 68 auf der zweiten Oberfläche 60 an vorgeschriebenen Orten aufgebracht. Das Verbindungsmetall wird auf die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten 62 aufgebracht und das Benetzungsmetall wird auf das Verbindungsmetall aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel werden Photolithographieverfahren verwendet, um einen genauen Ort, eine genaue Größe und Form des Benetzungsmetalls 68 zu definieren. Derartige Verfahren erlauben eine genaue Platzierung des Benetzungsmetalls auf 1 Mikrometer genau.
Das Trägersubstrat 20 umfasst auch eine erste Oberfläche 70 und eine zweite Oberfläche 72 gegenüber der ersten Oberfläche 70. Der Druckkopf 18 ist an dem Trägersubstrat 20 befestigt, wobei die zweite Druckkopfoberfläche 60 dem Trägersubstrat 20 zugewandt ist, wie in 5 gezeigt ist. Der Abstand zwischen dem Druckkopf 18 und dem Trägersubstrat 20 ist zu Darstellungszwecken übertrieben. Wie bei den Druckköpfen 18 ist eine dielektrische Schicht 76 (z. B. Nitridschicht) auf den Oberflächen 70, 72 aufgebracht und ein Verbindungsmetall 74 und ein Benetzungsmetall 76 sind an vorgeschriebenen Orten auf die Nitridschicht 72 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel werden Photolithographieverfahren verwendet, um einen genauen Ort, eine genaue Größe und Form des Benetzungsmetalls 68 zu definieren. Derartige Verfahren erlauben eine genaue Platzierung des Benetzungsmetalls auf 1 Mikrometer genau. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Benetzungsmetalle 76 auf dem Substrat 20 an Orten gebildet, die den Benetzungsmetallen 66 der Druckköpfe entsprechen. Insbesondere gibt es eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen den Benetzungsmetallorten auf dem Trägersubstrat 20 und den Druckköpfen 18.
Lötmittelhöcker sind auf dem Benetzungsmetall von entweder dem Druckkopf 18 oder dem Trägersubstrat 20 aufgebracht. Zur Befestigung eines Druckkopfs 18 wird der Druckkopf 18 an das Trägersubstrat gepresst, so dass die Benetzungsmetalle jeweils aufgereiht sind. Die Benetzungsmetalle 68, 76 werden durch die Lötmittelhöcker 78 getrennt. Das Lötmittel wird dann erwärmt, was das Lötmittel verflüssigt. Das Lötmittel fließt dann entlang der Benetzungsanschlussflächen 68, 76 und zieht den Druckkopf 18 in eine genaue Ausrichtung zu dem Trägersubstrat 20. Insbesondere zieht das Lötmittel 78 die Druckkopf-Benetzungsanschlussfläche 68 in eine genaue Ausrichtung zu der entsprechenden Trägersubstrat-Metallanschlussfläche 76. Es hat sich gezeigt, dass ein Lötmittelrückfluss eine Ausrichtung der jeweiligen Benetzungsmetalle 68, 76 auf 1 Mikrometer genau erzwingt. So können die Druckköpfe 18 durch ein genaues Anordnen der Benetzungsmetalle 68, 76 unter Verwendung des Photolithographie- oder eines anderen Aufbringungsverfahrens präzise innerhalb erwünschter Toleranzen auf dem Trägersubstrat 20 platziert und ausgerichtet werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung bildet das Lötmittel auch eine Fluidbarriere. Wie oben beschrieben wurde, umfassen die Druckköpfe einen oder mehrere Nachfüllschlitze 42 und das Trägersubstrat umfasst einen oder mehrere Nachfüllkanäle 32. Jeder Nachfüllschlitz 42 soll in Fluidkommunikation mit einem Nachfüllkanal 32 stehen. Wie in 5 gezeigt ist, ist der Nachfüllschlitz 42 mit dem Nachfüllkanal 32 ausgerichtet. Um zu verhindern, dass Tinte an der Grenzfläche zwischen dem Druckkopf 18 und dem Trägersubstrat 20 ausläuft, sollte eine Abdichtung gebildet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Lötmittel 78 korrosionsbeständig und dient als die Abdichtung. Insbesondere sind die Benetzungsmetalle 68, 76 um die jeweiligen Öffnungen des Nachfüllschlitzes 42 und des Nachfüllkanals 32 herum aufgebracht. So definiert das Lötmittel, wenn Lötmittel aufgebracht ist, um den Druckkopf 18 an dem Substrat 20 zu befestigen, eine Abdichtung oder Fluidbarriere, die ein Auslaufen von Tinte an der Grenzfläche verhindert. Bei alternativen Ausführungsbeispielen wird ein Unterfüllverfahren durchgeführt, bei dem ein Haftmittel oder ein Abdichtungsmittel zur Bildung einer Fluidbarriere verwendet wird.
Verbindungsverfahren zur Kopplung von Druckkopf und Trägersubstrat
Wie oben beschrieben wurde, sind die Druckelemente 24 mit Verdrahtungsleitungen 46 in Richtung der ersten Oberfläche 58 des Druckkopfs gebildet. Da das Trägersubstrat sich benachbart zu der zweiten Oberfläche 60 des Druckkopfs 18 befindet, sollte sich eine elektrische Verbindung von der ersten Oberfläche 58 zu der zweiten Oberfläche 60 des Druckkopfs 18 erstrecken. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich eine Verbindung 80 von der Dünnfilmstruktur 54 benachbart zu der ersten Oberfläche 58 durch den Siliziumchip 52 hindurch in Richtung der zweiten Oberfläche 60 erstreckt. Eine elektrische Verbindung erstreckt sich von einer Verdrahtungsleitung 46 durch ein Durchgangsloch 101 hindurch zu einer Leiterbahn 107 zu einem Durchgangsloch 99 und einer Verbindung 80 (wie in 8 gezeigt ist). Die Verbindung 80 stellt eine Verbindung zu einer Verbindungsmetallschicht 82 und einer Benetzungsmetallschicht 84 an der zweiten Oberfläche 60 her. Lötmittel 78 vervollständigt dann die elektrische Verbindung zu einer Verbindung 90 an dem Trägersubstrat. Eine Benetzungsmetallschicht 86 und ein Verbindungsmetall 88 befinden sich auf dem Trägersubstrat zwischen dem Lötmittel 78 und der Verbindung 90. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Verbindung 90 durch das Trägersubstrat zu einer Grenzfläche mit einer Treiberschaltung 30. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Verbindung 90 entlang einer ersten Oberfläche 70 des Trägersubstrats zu einer Grenzfläche mit einer Treiberschaltung 30. Für Treiberschaltungen 30, die an der zweiten Oberfläche 72 des Substrats 20 befestigt sind, wird ebenso eine Lötmittelverbindung eingerichtet, obwohl ein alternatives elektrisches Kopplungsschema verwendet werden könnte.
Zur Bildung der Verbindung 80, die sich durch den Druckkopf 18 hindurch erstreckt, wird ein Graben 92 in die Unterseite (z. B. zweite Oberfläche 60) des Chips 52 für eine oder mehrere Verbindungen 80 geätzt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Tetramethyl-Ammonium-Hydroxid-Ätzen durchgeführt. Eine Hartmaske bedeckt Abschnitte der Unteroberfläche des Chips 52, die nicht geätzt werden sollen. Die Hartmaske wird dann durch Nassätzen entfernt. Eine Plasmakarbid- oder -Nitridschicht 62 und eine Au/Ni/Au-Schicht 96 werden auf die Unteroberfläche aufgebracht, wie in 7 gezeigt ist. Eine photoempfindliche Polyamidschicht oder ein elektroplattierendes Photoresist 98 wird über einem Abschnitt der Au/Ni/Au-Schicht 96 aufgebracht, um zu definieren, wo das Metall für die Verbindung 80 verbleiben soll. Die Au/Ni/Au-Schicht 96 wird dann nass-geätzt und das Polyamid oder Photoresist 98 entfernt, um die Verbindung 80 zu definieren. Zum Schutz des Au/Ni/Au während eines Ätzens des Nachfüllschlitzes 42 wird dann ein Plasmaoxid (nicht gezeigt) aufgebracht. Das Plasmaoxid und die Karbid- oder Nitridschicht 62 werden dann strukturiert, um ein Fenster zum Ätzen des Nachfüllschlitzes 42 zu definieren. Der Nachfüllschlitz 42 und die Zuführkanäle 44 werden dann geätzt. Bezug nehmend auf 8 werden bei einem nächsten Schritt eines oder mehrere Durchgangslöcher 99 durch Passivierungsschichten 100, 102, 104 und eine Karbidschicht 106 der Dünnfilmstruktur 54 und die Karbid- oder Nitritschicht 62 geschnitten. Die Durchgangslöcher 99 erstrecken sich von der Verbindung 80 zu der beim Verfahren oberen Oberfläche. Ein Durchgangsloch 101 wird ebenso geschnitten, um einen Abschnitt einer Verdrahtungsleitung 46 freizulegen. Metall wird dann in den Durchgangslöchern 99, 101 aufgebracht. Als nächstes wird eine Leiterbahn 107 (siehe 8) herkömmlich aufgebracht, photolithographisch strukturiert und auf eine Schicht der Dünnfilmstruktur 54 geätzt, um die Verdrahtungsleitung 46 elektrisch mit der Verbindung 80 zu koppeln. Die zweite dielektrische Schicht 64 (z. B. Nitridschicht) wird dann aufgebracht (siehe 5). Ein Polyamid- oder Elektroplattier-Photoresistverfahren wird dann durchgeführt, um die Schicht 64 zu maskieren und eine Öffnung in der Schicht 64 zu bilden, um einen Abschnitt der Verbindung 80 (siehe 5) freizulegen. Das Verbindungsmetall 82 und das Benetzungsmetall 84 werden dann auf den freiliegenden Abschnitt der Verbindung 80 aufgebracht und in einer ähnlichen Art und Weise, die für andere Filme auf der zweiten Oberfläche verwendet wird, strukturiert und geätzt. Die Verbindung 80, wenn hergestellt, erstreckt sich von einer Verdrahtungsleitung 46, durch das Trägersubstrat 20, entlang eines Grabens 92 zu einem Verbindungsmetall 82 und einem Benetzungsmetall 84 an einer zweiten Oberfläche 60 des Druckkopfs 18. Danach ist die Dünnfilmstruktur fertig und die Öffnungsschicht 56 wird aufgebracht.
Verfahren zum Herstellen von Durchgangsverbindungen und Nachfüllschlitz in dem Trägersubstrat
Wieder Bezug nehmend auf 5 umfasst das Trägersubstrat 20 eine Verbindung 90, die sich von einer Oberfläche des Substrats zu der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats erstreckt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Verbindung 90, wie oben für den Druckkopf beschrieben wurde, durch ein Ätzen eines Grabens und ein Aufbringen des Verbindungsmetalls gebildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Geradätzen durchgeführt, um eine Durchgangsöffnung 110 in dem Substrat 20 zu definieren. Ein Elektroplattierverfahren wird dann durchgeführt, um die geätzte Durchgangsöffnung 110 mit Metall zu füllen. Das Metall definiert die Verbindung 90. Bezug nehmend auf 9 wird zur Plattierung der Durchgangsöffnung 110 das Substrat 20 in eine Plattierungslösung 112 eingetaucht. Ein Vorspannungssignal 114 wird an eine Elektroplatte 116 angelegt, an der das Substrat 20 angebracht ist. Die Elektroplatte 116 ist so gebildet, dass ein Vorspannungsstrom nicht in die Region des Tintennachfüllkanals 32 des Substrats fließt. Insbesondere bildet eine Metallschicht 115 einen Kontakt zwischen dem Substrat 20 und der Elektroplatte 116 an erwünschten Orten. So wird der Nachfüllkanal 32 nicht elektroplattiert. Zusätzlich tritt nur ein kleiner Zwischenraum 118 zwischen dem Substrat 20 und der Elektroplatte auf. Dies verhindert ein Elektroplattieren der Unteroberfläche 72 des Substrats 20, während dasselbe in die Plattierungslösung 112 eingetaucht ist.
Alternatives Verbindungsverfahren zur Kopplung von Druckkopf und Trägersubstrat
Anstatt eine Verbindung zu bilden, die sich durch den Chip 52 des Druckkopfs 18 hindurch erstreckt, ist bei einem alternativen Ausführungsbeispiel eine Drahtverbindung außerhalb des Druckkopfs gebildet. Bezug nehmend auf 10 ist ein Druckkopf 18' gezeigt, wobei gleichen Teilen gleiche Zahlen gegeben sind. Jeweilige Verdrahtungsleitungen 46 für jedes Druckelement 24 erstrecken sich zu jeweiligen Kontakten 120. Der Kontakt 120 befindet sich auf der gleichen Seite des Druckkopfs 18' wie die Düsenöffnungen 38. Ein Draht 122 ist mit einem Kontakt 120 auf dem Druckkopf 18' und einem Kontakt 130 auf dem Substrat 20 verbunden. Der Kontakt 130 befindet sich auf einer Oberfläche 70 des Substrats 20. Der Draht 22 erstreckt sich außerhalb des Druckkopfs 18' zwischen dem Druckkopf 18' und dem Substrat 20. Der Draht 122 ist an den Kontakten 120, 130 angebracht. Ein Einkapselungsmaterial ist um den Draht 122 herum angebracht, um den Draht abzudichten und denselben vor einem Wegbrechen von dem Druckkopf 18' oder dem Substrat 20 zu schützen. Das Substrat 20 umfasst einen Nachfüllkanal 32, durch den Tinte in Richtung des Druckkopfchips 18 fließt. Obwohl ein derartiger Kanal als ein gerad-geätzter Kanal gezeigt ist, sind die Wände des Kanals alternativ in einem Winkel (z. B. 54, 7°) geätzt.
Verdienstvolle und nützliche Effekte
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine skalierbare Druckkopfarchitektur erzielt wird, bei der unterschiedliche Anzahlen von Druckkopfchips an einem Trägersubstrat angebracht sind, um die Größe des Druckkopfs zu definieren.
Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, ist der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Ein Breitarray-Tintenstrahlstift (10) mit folgenden Merkmalen: einem Trägersubstrat (20), das eine Mehrzahl von Tintennachfüllschlitzen (32) aufweist, die als Durchgangsöffnungen in dem Substrat gebildet sind; einer Mehrzahl von Druckkopfchips (18), die an einer ersten Seite (28) des Trägersubstrats angebracht sind, wobei jeder Druckkopf ein Array von Druckelementen (24) und einen Tintennachfüllkanal (42) aufweist, wobei jedes Druckelement des Arrays von Druckelementen eine Düsenkammer (36), einen Abfeuerungswiderstand (40), einen Zuführkanal (44), eine Düsenöffnung (38) und eine Verdrahtungsleitung (46) aufweist, wobei für jeden Druckkopfchip ein Tintenflusspfad von einem der Mehrzahl von Tintennachfüllschlitzen (32) durch einen Tintennachfüllkanal (42) des Druckkopfchips und durch die jeweiligen Zuführkanäle (44) mehrerer Druckelemente des Arrays in die jeweiligen Düsenkammern der mehreren Druckelemente gebildet ist; einer Mehrzahl von Treiberschaltungen (30), die an einer zweiten Seite (72) des Trägersubstrats angebracht sind, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt, und wobei die Treiberschaltungen elektrisch mit den Verdrahtungsleitungen des Arrays von Druckelementen gekoppelt sind; einer Mehrzahl von Logikschaltungen (29), die an der zweiten Seite des Trägersubstrats angebracht sind, wobei die Logikschaltungen elektrisch mit den Treiberschaltungen gekoppelt sind, wobei die Logikschaltungen Steuersignale empfangen und ansprechend darauf Ausgangssignale an mehrere Treiberschaltungen zum Auswählen von Druckelementen, die abgefeuert werden sollen, erzeugen.
Der Stift gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Zwischenverbindungen (90) durch das Trägersubstrat zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite gebildet ist, um die Verdrahtungsleitungen jedes Druckelements jedes Druckkopfchips mit den Treiberschaltungen zu koppeln.
Der Stift gemäß Anspruch 2, bei dem die Düsenöffnung (38) für jedes Druckelement jedes der Mehrzahl von Druckkopfchips entlang einer gemeinsam ausgerichteten Fläche (58) weg von dem Trägersubstrat auf jedem der Mehrzahl von Druckkopfchips verläuft, und bei dem jeder der Mehrzahl von Druckkopfchips ferner eine Mehrzahl von Kontakten (46) an der gemeinsam ausgerichteten Fläche aufweist, wobei jeder der Mehrzahl von Druckkopfchips ferner eine Mehrzahl von Zwischenverbindungen (80) aufweist, die sich von einem jeweiligen der Mehrzahl von Kontakten durch den Druckkopfchip in einen elektrischen Kontakt mit einer Zwischenverbindung (90) der Mehrzahl von Zwischenverbindungen, die durch das Trägersubstrat gebildet sind, erstrecken.
Der Stift gemäß Anspruch 1, bei dem das Trägersubstrat ferner eine Mehrzahl von Lötmittelbenetzungsanschlussflächen (86) an der ersten Seite des Trägersubstrats aufweist, wobei jeder der Mehrzahl von Druckkopfchips an eine Benetzungsanschlussfläche (84) gelötet ist, wobei die Substratbenetzungsanschlussflächen (86) und die Chipbenetzungsanschlussflächen (84) genau in Ausrichtung positioniert sind, und wobei sich jeder der Mehrzahl von Druckkopfchips während eines Lötmittelrückflusses an die Benetzungsanschlussflächenausrichtung anpasst.
Der Stift gemäß Anspruch 4, bei dem für jeden der Mehrzahl von Druckkopfchips Lötmittel (78) eine Fluidgrenze um den Tintenflussweg herum zwischen dem Druckkopfchip und dem Trägersubstrat bildet.
Der Stift gemäß Anspruch 1, bei dem das Trägersubstrat Silizium aufweist und jeder der Mehrzahl von Druckkopfchips Silizium aufweist.
Der Stift gemäß Anspruch 1, bei dem das Trägersubstrat eine mehrschichtige Keramik aufweist und jeder der Mehrzahl von Druckkopfchips Silizium aufweist.