使用柔性电路和介电底部填料的打印装置的高密度电互连的制作方法

专利名称：使用柔性电路和介电底部填料的打印装置的高密度电互连的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷墨打印装置领域，更具体地，涉及高密度压电喷墨打印头(highintensity piezoelectric ink jet print head)以及制造高密度压电喷墨打印头和包括高密度压电喷墨打印头的打印机的方法。
背景技术：
按需滴定(drop on demand)喷墨技术被广泛用于印刷行业。使用按需滴定喷墨技术的打印机可以使用热喷墨技术或压电技木。尽管制造起来比热喷墨更为昂贵，但压电喷墨普遍受到青睐，因为它们可以使用更广泛种类的油墨，且消除了与焦化(kogation)有关的问题。压电喷墨打印头通常包括一个柔性膜和一个附接到该膜的压电元件(换能器)阵 列。当电压施加到压电元件(通常通过与电联接至电压源的电极的电连接)，所述压电元件弯曲(bend)或偏转(deflect),导致所述膜屈曲(f lex),这将ー份墨通过喷嘴从ー个腔中排出。所述屈曲进ー步将墨从一个主储墨器(main ink reservoir)经过ー个开ロ吸入所述腔，以取代被排出的墨。设计工程师的ー个目标是提高采用压电喷墨技术的喷墨打印机的打印分辨率。提高压电喷墨打印头的喷射密度可以提高打印分辨率。提高喷射密度的ー个方法是消除喷射栈(jet stack)内部的歧管(manifold)。对于这个设计,优选的是针对姆个喷头(jet)有单个端ロ穿过喷墨栈的后部。所述端ロ用作使墨从储墨器转移到每个喷射腔的路径。因为在高密度打印头中有众多喷头，所以针对每个喷头的众多端ロ必须竖直地穿过所述膜并且位于所述压电元件之间。形成喷射栈的エ艺可包括在每个压电元件之间(且在某些エ艺中在每个压电元件的顶部上方)形成填隙层(interstitial layer)。如果所述填隙层分配在姆个压电元件的顶部上方，则它被移除以暴露所述导电压电元件。接下来，可将ー个具有开ロ的图案化支柱层(patterned standoff layer)施加至所述填隙层,其中所述开ロ暴露了姆个压电元件的顶部。ー份(例如ー微滴)导体，诸如导电环氧树脂、导电膏或其他导电材料，被単独分配到每个压电元件的顶部。一个柔性印刷电路(即柔性电路)或ー个印刷电路板(PCB)的电极被放置成与每个微滴接触，以促进每个压电元件与所述柔性电路或PCB的电极之间的电连通。所述支柱层用于将导电微滴的流包含在所述压电元件顶部的想要的位置，并且还用作所述填隙层与所述柔性电路或PCB之间的粘合剤。制造具有外部歧管的高密度喷墨打印头组件要求新的加工方法。随着打印头的分辨率和密度的増加，可用来提供电互连的区域减小。在打印头内为其他功能(例如给墨结构)选路竞争着这个已减小的空间，且对所使用的材料的类型造成約束。用于制造具有比现有结构更易于制造的电触点的打印头的方法，以及由此制造的打印头，将是想要的
发明内容
下文呈现了概要，以提供对本发明的一个或多个实施方案的ー些方面的基础了解。这个概要并不是全面的概括，也不g在确定本发明的重要或关键元素或划定公开范围。不如说，它的主要目的仅是以简化形式提出ー个或多个概念，作为稍后呈现的详细说明的前言。在本发明的一个实施方案中，一种用于形成喷墨打印头的方法包括将包括多个压电元件的一个压电元件阵列附接到ー个膜；将ー个柔性印刷电路的多个导电柔性印刷电路电极电联接到所述多个导电压电元件，以在所述膜与所述柔性印刷电路之间形成至少一个空间；向所述膜与所述柔性印刷电路之间的所述至少一个空间中分配液态底部填料(underfill);以及固化所述液态底部填料，以将所述多个压电元件封装在所述底部填料内。 在本发明的另ー个实施方案中，一种用于喷墨打印机的打印头可以包括ー个膜，其中具有多个开ロ ；多个压电元件，其附接到所述膜；一个柔性印刷电路，其具有多个电极，姆个电极形成为ー个导电凸起电极(conductive bump electrode),其中所述多个电极电附接到所述多个压电元件；以及介电底部填料，其位于所述柔性印刷电路与所述膜之间。在本发明的另ー个实施方案中，一种喷墨打印机可以包括ー个打印头，该打印头包括ー个膜，其中具有多个开ロ ；多个压电元件，其附接到所述膜；一个柔性印刷电路，其具有多个电极，每个电极形成为ー个导电凸起电极，其中所述多个电极电附接到所述多个压电元件；以及介电底部填料，其位于所述柔性印刷电路与所述膜之间。所述打印机还可包括ー个歧管，其附接到所述柔性印刷电路；以及ー个储墨器，其部分地由所述歧管的ー个表面形成，其中所述打印头被适配为按照数字指令操作，以在打印介质上创建想要的图像。本发明在ー个方面提供了一种用于形成喷墨打印头的方法，包括将包括多个压电元件的一个压电元件阵列附接到ー个膜；将ー个柔性印刷电路的多个导电柔性印刷电路电极电联接到所述多个导电压电元件，以在所述膜和所述柔性印刷电路之间形成至少ー个空间；向位于所述膜与所述柔性印刷电路之间的所述至少一个空间中分配液态底部填料；以及固化所述液态底部填料，以将所述多个压电元件封装在所述底部填料内。在一个实施方案中，所述方法还包括形成一个柔性电路介电层；以及将所述多个导电电极形成为多个凸起电极，所述凸起电极从所述柔性印刷电路介电层的下表面突出。在一个实施方案中，所述方法还包括将所述多个导电凸起电极形成为从所述柔性印刷电路的所述下表面突出约IOym与约IOOiim之间的距离。在一个实施方案中，所述方法还包括使用所述底部填料作为粘合剂，来将所述柔性印刷电路附接到所述膜。在一个实施方案中，所述方法还包括在所述多个压电元件上放置ー个导体；将所述导体与所述多个柔性印刷电路电极接触；以及
固化所述导体，以将所述多个柔性印刷电路电极电联接到所述多个压电元件。在一个实施方案中，所述方法还包括将所述多个压电元件形成为每个压电元件具有多个表面凹凸部；将所述多个柔性印刷电路电极形成为每个柔性印刷电路电极具有多个表面凹凸部;将所述多个柔性印刷电路电极与所述多个压电元件接触，以通过直接物理接触在所述多个柔性印刷电路电极与所述多个压电元件之间建立电连通；当保持所述多个柔性印刷电路电极与所述多个压电元件处于压力接触时，向所述柔性印刷电路与所述膜之间的所述至少一个空间中分配所述底部填料；以及在固化所述液态底部填料之后，释放所述压カ接触。 在一个实施方案中，所述方法还包括通过穿过所述柔性印刷电路的至少ー个开ロ，来分配所述液态底部填料。在一个实施方案中，所述方法还包括使用毛细作用抽吸位于所述柔性印刷电路与所述膜之间的液态底部填料，来在所述压电元件阵列的边缘分配所述液态底部填料。在一个实施方案中，所述方法还包括
将真空施加到穿过所述柔性印刷电路的开ロ ；以及使用设置在穿过所述柔性印刷电路的开口上的真空将所述液态底部填料抽吸到位于所述柔性印刷电路与所述膜之间的所述至少ー个空间中，来在所述压电元件阵列的边缘分配所述液态底部填料。在一个实施方案中，所述方法还包括在所述膜中形成多个开ロ ；使用膜附接材料，来将ー个主体板附接到所述膜；使用所述膜附接材料，来防止所述底部填料流入所述膜中的开ロ ；以及在固化所述底部填料之后，从所述膜中的所述多个开ロ中清除所述底部填料。在一个实施方案中，所述方法还包括激光烧蚀所述膜附接材料、所述底部填料和所述柔性印刷电路，以清理所述膜中的所述多个开ロ。本发明在另ー个方面提供了一种用于喷墨打印机的打印头，包括ー个膜，其中具有多个开ロ ；多个压电元件，其附接到所述膜；一个柔性印刷电路，其具有多个电极，每个电极形成为ー个导电凸起电极，其中所述多个电极被电附接到所述多个压电元件；以及 介电底部填料，其位于所述柔性印刷电路与所述膜之间。在一个实施方案中，所述打印头还包括一个柔性印刷电路介电层，其具有下表面，该下表面物理接触所述介电底部填料；以及所述多个导电凸起电极从所述柔性印刷电路介电层的所述下表面突出约IOym与约IOOiim之间的距离。
在一个实施方案中，所述打印头还包括导体，其插在每个压电元件与附接到该压电元件的一个相应的导电凸起电极之间，其中所述导体将每个压电元件电联接到附接至该压电元件的相应的导电凸起电极。在一个实施方案中，所述打印头还包括每个压电元件上的多个表面凹凸部；每个导电凸起电极上的多个表面凹凸部；以及每个压电元件上的所述多个表面凹凸部物理接触相应的导电凸起电极的所述多个表面凹凸部，其中每个压电元件与相应的导电凸起电极之间的电连通是通过所述多个压电元件上的所述多个表面凹凸部与相应的导电凸起电极上的所述多个表面凹凸部之间的物理接触来建立的。
在一个实施方案中，所述打印头还包括所述介电底部填料物理接触所述多个压电元件、所述多个电极和所述膜；ー个主体板，其用膜附接材料连接到所述膜；以及一个墨端ロ，其部分地由一个开ロ提供，经过穿过所述柔性印刷电路、所述底部填料、所述膜和所述膜附接材料的ー个连续开ロ。本发明在又ー个方面提供了一种喷墨打印机，包括ー个打印头，其包括ー个膜，其中具有多个开ロ ；多个压电元件，其附接到所述膜；一个柔性印刷电路，其具有多个电极，每个电极形成为ー个导电凸起电极，其中所述多个电极被电附接到所述多个压电元件；以及介电底部填料，其位于所述柔性印刷电路与所述膜之间；ー个歧管，其附接到所述柔性印刷电路；以及—个储墨器，其部分地由所述歧管的ー个表面形成，其中所述打印头被适配为按照数字指令操作，以在打印介质上创建想要的图像。在一个实施方案中，所述喷墨打印机还包括—个柔性印刷电路介电层，其具有下表面，该下表面物理接触所述介电底部填料；以及所述多个导电凸起电极从所述柔性印刷电路介电层的所述下表面突出约IOym与约IOOiim之间的距离。在一个实施方案中，所述喷墨打印机还包括导体，其插在每个压电元件与附接到该压电元件的一个相应的导电凸起电极之间，其中所述导体将每个压电元件电联接到附接至该压电元件的相应的导电凸起电极。在一个实施方案中，所述喷墨打印机还包括每个压电元件上的多个表面凹凸部；每个导电凸起电极上的多个表面凹凸部；每个压电元件上的所述多个表面凹凸部物理接触相应的导电凸起电极的所述多个表面凹凸部，其中每个压电元件与相应的导电凸起电极之间的电连通是通过所述多个压电元件上的所述多个表面凹凸部与相应的导电凸起电极上的所述多个表面凹凸部之间的物理接触来建立的。


附图(其被包括在本说明书内且构成本说明书的一部分)示出了本发明的实施方案，且随本说明书一同用于解释本公开内容的原理。在附图中图I和图2是根据本发明的一个实施方案的在造器件(in-process device)的中间压电元件的立体图；图3-11是示出了喷墨打印头的喷射栈的形成的截面图；图12是包括图11的喷射栈的打印头的截面图；图13是包括根据本发明的一个实施方案的打印头的打印装置；
图14-17是用于根据本发明的另ー个实施方案的喷墨打印头的喷射栈的形成的截面图；图18A和图18B是示出了根据本发明的一个实施方案形成的多个凸起电极与多个压电元件之间的测得电阻(measured resistance)的表格；且图19是根据本发明的一个实施方案的两个凸起电极的示意性截面图。应注意，这些附图的ー些细节已被简化，且是为了便于理解创新实施方案而绘制的，而不是为了保持严格的结构准确性、细节和比例而绘制的。
具体实施例方式现在将详细參照本发明的实施方案，其中的一个实施例在附图中示出。只要可能，在所有附图中将使用相同的參考数字指代相同或相似的部件。如此处所用，“打印机(printer) ”ー词涵盖了出于任何目的执行打印输出功能的任何设备，诸如数字复印机、制书机、传真机、多功能机等等。“聚合物(polymer)” ー词涵盖了各种各样的由长链分子形成的碳基化合物之一，包括热固性聚酰亚胺、热塑性材料、树月旨、聚碳酸酷、环氧树脂以及本领域中已知的相关化合物。对于形成喷射栈的传统エ艺(诸如上面讨论的)，与所述导体有关的材料成本趋于高。例如，所述导体自身充有银或其他贵金属，从而是昂贵的。此外，激光图案化的粘合支柱层(其含有到想要的位置的导体流)的使用也増加了该装置的成本。另外，所述导体的量必须被仔细控制，因为太少的导体可以导致电开路和无功能的换能器，而过多的导体可以导致相邻换能器之间的溢满(overfill)和电短路。此外，在印刷电路板或柔性印刷电路的附接期间，所述导体可被迫到达所述支柱层的下方，这可以导致电短路和设备故障。加エ错误会导致返エ来补救该装置，但返エ是困难的，因为所述换能器阵列具有高密度布局并且上覆的柔性电路或印刷电路板(PCB)使得不能触及所述压电元件。而且，所述支柱层必须与所述换能器阵列精确对准以适当地暴露每个压电元件的顶部，且可以发生误对齐错误。这些问题将随着换能器阵列的密度增加而加剧。在序列号为13/011，409、名称为“Polymer Layer Removal on PZT Arrays UsingA Plasma Etch”、提交于2011年I月21日的美国专利中讨论了打印头的形成和使用，该美国专利以援引方式整体納入本文。本发明的实施方案可以简化用于打印头的喷射栈的制造，打印头可用作打印机的一部分。此外，本发明还可导致到换能器阵列的简化连接，尤其是当换能器阵列持续变得越来越紧密以増加打印分辨率吋。本发明可包括柔性印刷电路(即“柔性电路”)的使用，所述柔性印刷电路具有多个导电元件(柔性电路电极、导电凸起电极)，所述导电元件将所述柔性电路内的电路迹线电联接到多个压电元件(其形成为喷射栈子组件的一部分)。在一个实施方案中，所述柔性电路的导电元件与所述压电元件之间的电连通可以是通过所述柔性电路的导电元件上的、或所述压电元件上的、或二者上的导电材料来建立的。在另ー个实施方案中，电连通是通过所述多个导电凸起电极与所述多个压电元件之间的物理连接来建立的，在此该连接不要求任何额外的导电材料。在附接所述柔性电路之后，可以在所述柔性电路与所述喷射栈子组件之间施加液态 底部填料。因为本发明不要求使用常规填隙层或支柱层，所以避免了前述的与填隙层和支柱层关联的问题，以及与所述柔性电路电极到所述压电元件的连接关联的问题。另外，比起ー些常规エ艺，此处讨论的形成喷射栈的エ艺可以更容易地配合换能器阵列的持续小型化。本发明的一个实施方案可包括喷射栈、打印头以及包括该打印头的打印机的形成。在图I的立体图中，压电元件层10通过粘合剂14可拆卸地结合到转移载体12。压电元件层10可包括例如铅错钛层(lead-zirconate-titanate layer),例如厚度在约25微米与约150微米之间，以用作内部电介质。压电元件10可以在两侧镀有镍，例如使用非电镀(electroless plating)エ艺，以在介电PZT (压电换能器)的姆ー侧提供导电层。镀镍PZT本质上用作平行的板电容器，其在内部PZT材料之间产生电势差。载体12可以包括金属片(sheet)、塑料片或其他转移载体。将压电元件层10附接到转移载体12的粘合层14可包括切割胶带(dicing tape)、热塑性材料或其他粘合剂。在另ー个实施方案中,转移载体12可以是诸如自粘合热塑性层的材料，从而不要求分立的粘合层14。在形成图I的结构之后，压电元件层10被切割(dice)，以形成如图2中所示的多个个体压电元件20。应理解，虽然图2示出了压电元件的4X3阵列，但也可形成更大的阵列。例如，目前的打印头可具有压电元件的344X20阵列。所述切割可以使用机械技术(例如用锯，诸如晶圆切割锯)、使用干蚀刻エ艺、使用激光烧蚀エ艺等等来执行。为确保每个相邻压电元件20都被完全分离，所述切割エ艺可以在移除粘合剂14的一部分之后且停在转移载体12上时终止，或者在切割穿过粘合剂14之后且进入载体12中途时终止。在形成个体压电元件20之后，图2的组件可被附接到喷射栈子组件30，如图3的截面图所示。图3的截面图是为了增进细节而从图2的结构放大得来的，且描绘了ー个局部的压电元件20和两个完整的压电元件20的截面。喷射栈子组件30可以用已知的技术制造。喷射栈子组件30可包括，例如，入口 /出ロ板32、主体板(body plate) 34以及膜36，该膜使用粘性膜附接材料38附接到主体板34。膜36可包括形成于其内的多个开ロ 40，用于使墨在完成的设备中经过，如下所述。图3的结构还包括多个空隙(voids)42，这些空隙在该エ艺中的此时可充有环境空气。膜附接材料38可以是固态的一片材料，例如单片聚合物，以使得穿过膜36的开ロ 40被覆盖。在一个实施方案中，图2的结构可使用位于膜36与压电元件20之间的粘合剂来附接到喷射栈子组件30。例如，測定的ー份粘合剂(未个别绘出)可被分配到、丝网印刷到或轧制到压电元件20的上表面，到膜36或到二者。在一个实施方案中，针对每个个体压电元件20，可以在该膜上放置单滴粘合剤。在施加该粘合剂之后，将喷射栈子组件30和压电元件20彼此对齐，然后用该粘合剂将压电元件20机械连接到膜36。该粘合剂通过适合该粘合剂的技术而固化，以得到图3的结构。然后，转移载体12和粘合剂14被从图3的结构移除，以得到图4中的结构。接下来，向姆个压电兀件20的上表面施加一份导体50,如图5中所不。导体50可以是导电膏(paste)、金属、金属合金、导电环氧树脂或其他导体，并且可以通过任何适当的技术(诸如丝网印刷、滴施加、喷雾、喷溅、化学气相沉积等等)来分配。在一些实施方案中，一个图案化掩模(未示出)可以与导体50的形成结合起来使用，以提供图案化导体50。然后，柔性电路60被使用导体50电联接到所述多个压电元件20，如图6中所示。柔性电路60可包括第一介电层62 ;由第一导电层(其可以是镀料)提供的多个导电凸起电极64;由第二导体层(例如铜)提供的多个导电迹线66;以及第二介电层68，例如KAPT0N 或其他聚酰亚胺。应理解，可使用其他柔性电路设计，例如如下的柔性电路设计其包括形成了凸起64和迹线66的单个导体层(例如铜)，而不是所示出的多层金属配 置。另外，为了增强导电或为了其他目的，可使用各种金属镀层，诸如镍、金等。此外，在柔性电路的形成过程中，所施加的最后ー层可以是第一介电层62，其可用作焊接掩模(soldermask)，其可通过丝网、作为干薄膜或感光层施加，或通过其他方法施加。因此，此处针对该柔性电路使用的命名习惯并不意味着特定的层形成顺序。柔性电路60可以进一歩包括一个或多个可选的开ロ 70，所述开ロ可以在柔性电路60的形成期间限定，或在连接到压电元件20之后使用例如激光烧蚀来形成。在将柔性电路60附接到压电元件20之后，在柔性电路60与喷射栈子组件30之间保留了一个连续空间或多个个体空间72。在这个实施方案中，在该エ艺中的此时，空间72可充有气体诸如环境空气。在一个实施方案中，多个导电凸起电极64和多个导电迹线66可由单个导电层提供，该单个导电层可作为ー个平面层来形成，然后使用压具(press)冲压或模压成型，以形成有轮廓的导电凸起电极。在所示的实施方案中，每个迹线66通过导电表面接触电连接到导电凸起电极64之一,且姆个导电凸起电极64使用导体50电连接到压电电极20之一。凸起电极64可以使用例如序列号为12/795，605、提交于2010年6月7日的共同受让的美国专利申请中讨论的方法来形成，该美国专利申请以援引方式整体納入本文。在一个实施方案中，柔性电路60的凸起电极64可以使用模压夹具(stamping fixture)来形成，在第一导电层已经形成在第一介电层62上之后,该模压夹具将第一导电层形成为多个凸起电极64。应理解，其他柔性电路60设计也可足以用于本发明的实施方案。为了形成图6的组件，可以在导体沉积之后使用ー个夹具将凸起电极64放置到液态导体50中，该夹具确保凸起电极64与压电元件20物理接触，或者至少与导体50物理接触。当保持凸起电极64与导体50接触时，可以使用适当的技术来固化导体50。当使用导电膏或环氧树脂时，可以通过加热来固化导体50，以移除挥发性的溶剤，并且物理地且电学地将柔性电路60附接到压电元件20。例如，可以通过将如下方式突然固化导电环氧树脂将导电环氧树脂的温度提高到约140°C与约160°C之间，例如约150°C，持续时间在约30秒与约2分钟之间，例如约I分钟。当使用焊料作为导体时，该焊料可被冷却以固化导体50。在一个实施方案中，导体50可以是金属焊料，诸如锡-铅焊料，其以液态形式施加到压电元件20。凸起电极64可在冷却之前接触到焊料50，然后该焊料可被冷却，以物理地和电学地将柔性电路60连接到喷射栈子组件30。在另ー个实施方案中，焊料可被分配到压电元件20上，然后被冷却。在冷却之后，凸起电极64可被放置为与固体焊料50物理接触，然后固体焊料50和凸起电极64可被加热以回流(reflow)焊料50。在回流之后,该焊料和凸起电极64可被冷却，以将柔性电路60物理地且电学地连接到所述多个压电元件20，并且将柔性电路60物理地附接到喷射栈子组件30。在一个实施方案中，エ艺可包括将所述导体分配到所述多个凸起电极64上。覆有导体的凸起电极64可被放置为与所述多个压电元件20物理接触，所述导体可被回流(reflow)然后被冷却，或被加热以去除挥发性溶剤，以将柔性电路60附接到压电元件20并且附接到喷射栈子组件30。与某些常规エ艺相对比，本发明的导体并不被迫横向远离压电元件20的表面。液态导体可以竖直地沿着凸起电极64的表面毛细吸附(wick)，从而避免从想要的位置流走。这可以导致所述凸起电极从所述介电层的下表面突出。在一个实施方案中，所述凸起电极的下表面可以从所述第一介电层的下表面突出一段距离，该距离在约10 y m与约100 y m之间，或在约25iim与约IOOiim之间，或在约50 y m与约75iim之间。在清除任何中间结构(诸如焊接掩摸)之后，所述凸起电极应从所述第一介电层突出一段足以确保与每个压电 元件电接触的距离。当使用导电膏作为导体50时，空间72足够大，从而多余的膏可以留在压电元件20的表面上方以及凸起电极64周围，而不被迫离开所述压电元件的顶部(这会产生到相邻凸起电极64或相邻换能器20的电短路)。在将所述柔性电路60电联接到多个压电元件20之后，可将介电底部填料74分配到位于柔性电路60与喷射栈子组件30之间的空间72中，如图7中所示。底部填料74在压カ下可被迫经过柔性电路60中的可选的开ロ 70进入空间72。在另ー个实施方案中，柔性电路60不包括可选的开ロ 70,但是,通过使用毛细流(capillary flow)(毛细作用)抽吸位于柔性电路60与喷射栈子组件30之间的液态底部填料74，在所述压电元件阵列的边缘将介电底部填料74分配到空间72中。在另ー个实施方案中，在穿过所述柔性电路的可选的开ロ 70上设置真空，并且，通过使用该真空将液态底部填料74抽吸到空间72中，在所述压电元件阵列的边缘将底部填料74分配到空间72中。所述真空可以改进液态底部填料74到空间72内的流。在所述底部填料的分配期间，膜附接材料38覆盖开ロ 40，且防止底部填料74流入开ロ 40。在一个实施方案中，所述液态底部填料可以是介电聚合物，例如Epon 828环氧树脂(以重量计100份)和Epikure 3277固化剂(以重量计49份)的复合物，其中Epon 828 环氧树脂可从康捏狄格州 Danbury 的 Miller-Stephenson Chemical Co.得到，Epikure 3277 固化剂可从俄亥俄州 Columbus 的 Hexion Specialty Chemicals 得到。可以向空间72中分配足够量的未固化的填隙层以填充空间72，从而得到图7的结构。在填充空间72之后，可以使用适当的技术来固化底部填料74，例如通过加热或将该底部填料暴露于来自ー个光源的紫外光。图7中示出的喷射栈子组件包括从每个压电元件20到导体50、到凸起电极64以及到迹线66的导电路径。每个迹线66可被路由到其将要接收数字信号的位置，以使得每个压电元件是个体可寻址的，且可以独立于其他压电元件而被致动(actuate)。因此，所述多个迹线66被适配为向其连接到的相应的压电元件20提供个体数字信号，以使得每个压电元件20可被个体寻址和激活。
接下来，根据该装置的设计，可以执行额外的处理。所述额外的处理可以包括，例如，形成ー个或多个额外的层，它们可以是导电的、介电的、图案化的或连续的，且都被表示为层80。接下来，可以清理穿过膜36的开ロ 40，以允许墨穿过膜36。清理开ロ 40包括移除粘合膜附接材料38、介电底部填料74以及任何额外的上覆的层80的一部分。另外，可以移除一个或多个迹线66的一部分，只要这不导致不想要的电学性质(诸如电开路)。在各种实施方案中，可以使用化学的或机械的移除技木。在一个实施方案中，一个自对准的(self-aligned)移除エ艺可包括使用输出激光束92的激光器90，如图9中所示，尤其在入ロ/出口板32、主体板34和膜36均由金属形成的情况下。对于自对准的激光烧蚀エ艺，入ロ/出口板32、主体板34以及根据设计可选的膜36可以遮掩(mask)激光束92。在这个实施方案中，可使用的激光器诸如ニ氧化碳激光器、激态原子(excimer)激光器、固态激光器、铜蒸气激光器以及纤维激光器。ニ氧化碳激光器和激态原子激光器通常可烧蚀包含环氧树脂的聚合物。ニ氧化碳激光器可具有低操作成本和高制造产量。虽然图9中示出了两个激光器90，但单个激光束可以使用一个或多个激光脉冲来依序打开每个孔。在另ー个实施方案中，可以在单次操作中制造两个或更多个开ロ。例如，可以向表面施加ー个掩摸，然后，通过使用来自单宽度单激光束的一个或多个脉冲，单宽度单激光束可以打开两个或 更多个开ロ或者所有开ロ。ー个可以对由入口 /出口板32、主体板34以及可能由膜36提供的掩模进行过填(over-fill)的ニ氧化碳激光束可以依序照射每个开ロ 40以形成扩展的开ロ，所述扩展的开ロ穿过图9中示出的粘合膜附接材料38、介电底部填料74以及任何额外的层80，以得到图10的结构。然后，可以用粘合剂(未个体示出)将孔阑板(aperture plate) 110附接到入口/出口板32，如图11中所示。孔阑板110包括喷嘴(nozzles) 112，在打印期间墨经过喷嘴112排出。一旦孔阑板110被附接，喷射栈114就完成了。喷射栈114可包括其他层和エ艺要求，而为了简单没有示出或描述。接下来，歧管120可被附接到喷射栈114的上表面，例如使用流体密封连接(fluid-tight sealed connection) 122 (诸如粘合剂)，以得到喷墨打印头124,如图12中所示。喷墨打印头124可包括由歧管120的ー个表面和喷射栈114的上表面形成的储墨器126，以储存一定体积的墨。来自储墨器126的墨被传送经过喷射栈114中的端ロ 128，其中所述墨端ロ部分地是由穿过柔性电路60、底部填料74、膜36和膜附接材料38的连续开ロ提供的。应理解，图12是简化视图。实际的打印头可包括图12中未示出的多种结构和差别，例如左侧和右侧的额外结构，为了解释简单而没有示出。尽管图12示出了两个端ロ128，但是ー个典型的喷射栈可具有例如344X20的端ロ阵列。在使用中，打印头124的歧管120中的储墨器126包括一定体积的墨。可以采用该打印头的初始引动(initial priming)来使墨流出储墨器126,经过喷射栈114中的端ロ 128，进入喷射栈114中的腔130。根据每个迹线66上的电压132 (其被传递到凸起电极64、到导体50以及到压电电极20)，每个PZT压电元件20根据该迹线66上的数字信号而在适当的时间振动，其中该迹线66通过凸起电极64和导体50电联接到压电元件20。压电元件20的偏转导致膜36屈曲，这在腔130内产生了压カ脉冲，导致墨滴从喷嘴112排出。从而,上面描述的方法和结构形成了用于喷墨打印机的喷射栈114。在一个实施方案中，喷射栈114可被用作喷墨打印头124的一部分，如图12中所示。图13示出了根据本发明的一个实施方案的打印机142，其包括ー个或多个打印头124，且墨144从ー个或多个喷嘴112喷出。每个打印头124被适配为按照数字指令操作，以在打印介质146(诸如纸张、塑料等)上形成想要的图像。在扫描运动中，每个打印头124可以相对于打印介质146来回移动，以逐行生成打印图像。替代地，打印头124可以保持固定，而打印介质146相对于它移动，在单次通行中产生与打印头124—祥宽的图像。打印头124可以比打印介质146窄，或与打印介质146 —样宽。因此，上述实施方案可以提供用于喷墨打印头(其可以用在打印机中)的喷射栈。用于形成该喷射栈的方法以及完成的喷射栈不要求使用支柱层(standoff layer)来容纳将电极或其他导电元件电联接到压电元件的导体流。免除该支柱层降低了材料成本。另外，该方法不要求从每个压电元件的顶部移除填隙层，因为上述实施方案在附接该柔性电路之后才形成该填隙层作为底部填料层。此外，因为在将该柔性电路附接到所述压电元件期间没有支柱层，所以減少了电短路。该导体可以毛细吸附到所述凸起电极的表面，或在形成该底部填料之前被固化，使得多余的导体保留在想要的位置附近，而不电短路到相邻的凸起 电极或压电元件。这不同于常规设计，在常规设计中，在附接印刷电路板期间，导体可以被迫到达支柱层的下方，这可以导致电短路。本发明与某些现有技术エ艺相比，可減少部件、材料和装配阶段的数量。通过消除电流故障模式诸如短路，可以提高产量。通过简化材料安排，可以增进与墨及喷墨打印头典型的其他周边材料的兼容性。此外，实施方案可以消除对平整(planarize)填隙层的上表面以允许连接支柱层的某些常规エ艺的要求。而且，也不要求使用化学或机械蚀刻从所述压电元件的上表面移除填隙层。使用根据当前实施方案的底部填充エ艺，通过与该柔性电路的物理接触，原位(in situ)平整了该介电底部填料。图14-16中示出了本发明的另ー个实施方案。这个实施方案可以用ー个与图4中所示相似的结构开始。压电元件20具有粗糙的表面纹理，包括多个表面凹凸部(asperities)。例如，镀镍PZT陶瓷可以具有约2 y m数量级的表面粗糙度。可以形成与图6中所示相似的柔性电路60，且在图14中示为柔性电路150。柔性电路150可以包括第一介电层152 ;形成多个凸起电极154的第一导电层；形成多个迹线156的第二导体层；以及第ニ介电层158。柔性电路150还可以包括多个可选的开ロ 160,这些开ロ可以根据上述的本发明实施方案来形成。在这个实施方案中，所述多个凸起电极154可以被形成为具有多个表面凹凸部。所述多个凸起电极154上的所述凹凸部可以被形成为制造凸起电极154的材料的自然表面粗糙度，且可以具有从小于I. Oiim到约3. Oiim的平均高度。图15A和图15B的放大的截面图中示出了一个压电元件20和ー个凸起电极154的放大视图。在这个实施方案中，凸起电极154与压电元件20之间没有插入额外的导体。依赖于凸起电极154上的表面凹凸部与压电元件20上的表面凹凸部之间的物理接触来提供电联接，从而建立凸起电极154与压电元件20之间的电连接。即，所述多个凸起电极154与所述多个压电元件20之间的导电路径是通过这两个结构之间的直接物理接触来提供的。如图14中所示，柔性电路150与喷射栈子组件30对准。尤其，柔性电路凸起电极154与压电元件20对准。柔性电路150或喷射栈30 (或二者)被移向彼此，如图14和图15A中所示。所述多个凸起电极154接触到所述多个压电元件20,如图15B中所示。直接物理接触导致了导电凸起电极154与导电压电元件20之间的电接触。在一个实施方案中，可以在柔性电路150与喷射栈子组件30之间施加约501bs/in2 (psi)与约300psi之间、或约50psi与约250psi之间、或约IOOpsi与约200psi之间(包括端点)的力。所施加的力应足够高以防止凸起电极154在注入介电底部填料166期间被抬升远离压电元件20，但不要高到使压电元件20或柔性电路150在施加力期间损坏或变形。在一个实施方案中，可以使用压具来促成柔性电路150与压电元件20之间的接触，如图16中所示。图16示出了ー个压具，其可以被用来造成凸起电极154与压电元件20之间的物理接触。该压具还可被用来在底流(underflow)过程中保持所述多个凸起电极154与所述多个压电元件20物理接触。在所述底流过程中，喷射栈30可停留在第一压具表面162上，而第二压具表面164迫使柔性电路150抵靠压电元件20，以维持所述多个凸起电极154与所述多个压电元件20之间的物理和电学接触。当施加压カ迫使柔性电路150抵靠压电元件20时，液态底部填料166可被分配到柔性电路150与喷射栈30之间的空间72中。在压カ下，该底部填料可被泵 送经过穿过第二压具表面的ー个或多个管168，且经过穿过柔性电路150的开ロ 160。在另一个实施方案中，底部填料166可被施加在该压电阵列的边缘，且通过毛细作用或通过施加到开ロ 160的真空而被抽吸到空间72中。当该压具保持凸起电极154与压电元件20处于压カ接触时，足够量的液态底部填料可被泵送到空间72中以填充该空间，从而封装底部填料166内的所述多个压电元件20。可选地，当液态底部填料166被泵送到空间72中吋，压具板162、164之一或二者和/或分配管168可被加热，例如加热到约70°C与约100°C之间的温度。加热压具板162、164和/或分配管168可辅助或使能该底部填充材料进入空间72的毛细作用，例如通过当该底部填充材料被分配到空间72中时向底部填料166传递热量并且减小底部填料166的粘度。在用底部填料166填充空间72之后，固化底部填料166。底部填料166的固化将柔性电路150粘附到喷射栈30，此时可释放由该压具提供的压カ接触。通过与第一介电层152的下表面、所述多个压电元件20、膜36以及凸起电极154的接触，底部填料166用作粘合剤，以维持所述多个凸起电极154与所述多个压电元件20之间的物理和电学接触。然后，在用底部填料166填充空间72之后，固化底部填料166，并且从该压具中移除该结构，保留与图17中所示相似的结构。根据图7的结构的处理，可以继续处理，以形成完成的喷射栈、打印头和打印机。为了确定參照图14-17描述的实施方案的功效，执行设备测试。图18A和图18B示出了使用类似于參照图14-16描述的方法而形成的打印头压电元件阵列(换能器阵列)的接触电阻数据(contact resistance data)。该电阻是针对柔性电路的126个凸起电极与126个压电元件之间的126个连接中的每个连接而测量的。用于此方法的合格准则(passcriteria)被设置在最大100欧姆(Q)，以使得任何表现出100Q或更小的电阻的连接被认为是可接受的。图18A示出了在该结构刚刚形成之后的电阻数据。图18B示出了同一结构在3841个从室温到120°C再回到室温(使用大约40°C /分钟的温度斜率)的温度循环之后的电阻数据。图19是示出了根据本发明的一个实施方案的具有不同公差的两个凸起电极190A、190B的示意性截面图。应理解，图19被用来例示用于本发明的一个实施方案的各种结构的尺度，尽管可以存在其他结构，但为解释简便而未绘出。图19并不旨在呈现一个完整的结构。每个凸起电极190的厚度192可以在约Iiim与约25iim之间，或在约5iim与约IIym之间，例如约8 iim。每个凸起电极的宽度194可以在约50 y m与约500 之间，或在约200 u m与约400 u m之间，或在约250 u m与约350 U m之间，例如约300 u m。每个凸起电极190的高度196可以在约25 iim与约75 iim之间，或在约12 y m与约50 y m之间。过大的高度会使该柔性电路裂开或刺穿。第一介电层200的厚度可以在约10 ii m与约75 ii m之间，或在约1011111与约5011111之间。从该柔性电路的第一介电层200的下表面到每个凸起电极190的最低点的距离198可以在约5 iim与约50 y m之间，或在约5 y m与约25 y m之间，例如约25iim。距离198可以根据第一介电层200的厚度而改变。相邻凸起电极190A、190B之间的距离202可以在约50 ii m与约1000 y m之间，或在约300 u m与约500 y m之间。较高密度的设备具有的距离202将趋于上述范围的低值。在另一个实施方案中，这两个凸起电极190AU90B可以由连续的导电层形成，该连续的导电层提供了例如图6的实施方案的凸起电极64和迹线66 二者，从而不要求第二导体层66。因此，单个导体层可以提供连续的电迹线和凸起电极，其中电信号被路由经过所 述迹线和凸起电极，以个体寻址和致动每个压电元件。应理解，这些值是示例性的，且依赖于要制造的具体设备的设计而有所不同，且不限制本发明的范围。因此，这个实施方案消除了对介电图案化支柱的要求，也消除了使用分立的电导体将压电元件连接到印刷电路板的要求。导体(诸如充有银或其他贵金属的环氧树脂)是昂贵的，图案化支柱也是昂贵的；另外，将它们纳入工艺增加了处理成本、复杂度和时间。免除该导体就去除了由该导体导致电短路的可能性，这会由充有银的环氧树脂流入不想要的区域并造成短路引起。此外，不要求每个压电元件之间的常规填隙材料，而所述常规填隙材料根据某些常规技术必须被图案化以从压电元件的顶部去除才能制造后续的电连接。通过简化材料安排，可以改善与墨及喷墨打印头典型的其他周边材料的兼容性。此处描述的这些类型的互连也可应用于其他高密度阵列结构，诸如图像输入扫描仪以及许多其他传感器或换能器。注意，虽然该示例方法被示出和描述为一系列行动或事件，但应理解本发明不限于这样的行动或事件的所示出的顺序。例如，根据本发明，一些行动可按照不同的顺序发生，以及/或者与除了此处示出和/或描述的其他行动或事件并行发生。另外，实现本发明的方法并非要求所示出的所有步骤。本领域普通技术人员在阅读本说明书和附图之后将明了其他实施方案。虽然给出本发明范围的数值范围和参数是近似的，但是在具体实施例中给出的数值尽可能精确。然而，任何数值本质上都包含由各自的测试度量中的标准偏差不可避免地导致的某些误差。此外，此处公开的所有范围都应被理解为涵盖了本文中的任何和所有子范围。例如，范围“小于10”可包括在最小值0与最大值10之间(且包括端点)的任何和所有子范围，即，具有大于等于0的最小值和小于等于10的最大值的任何和所有子范围，例如I到5。在某些情况下，针对此参数表述的数值也可以取负值。在此情况下，表述为“小于10”的范围的不例值可以假定负值，例如，-2、-3、-10、-20、-30等等。虽然已经参照一个或多个实施方式描绘了本发明，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的前提下，可以对所示出的实施例做出更改和/或变更。另外，虽然可以仅参照几个实施方式之一来描述本公开内容的一个特定特征，但是当需要以及对任何给定或特定功能有利时，这样的特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征结合。此外，具体说明和权利要求中使用的术语“包括(including) ”、“具有(having) ”、“带有(with)”或其变体旨在以类似于术语“包含(comprising)”的方式是开放式的。术语“至少一个”意味着所列出的项目中的一个或多个可被选择。此外，在此处的讨论和权利要求中，关于两个材料而使
用的术语“在......上(on)”，一个“在”另一个“上” ，意味着在材料之间至少有一些接触，
而“在......上方(over)”意味着材料邻近，但可能具有一个或多个额外的介于其间的材
料，从而接触是可能的但不是要求的。此处使用的“在......上”和“在......上方”都
不暗示任何方向性。术语“保角(conformal)”描述了一种涂覆材料，其中下层材料的角由该保角材料保持。术语“约”表示所列出的值可以略作改变，只要该改变不导致不符合所描述的实施方案的方法或结构。最后，“示例性”表示该说明被用作一个例子，而不是暗示着它是理想的。在考虑本公开内容的说明和实践之后，本领域技术人员将明了本发明的其他实施方案。此处的说明和实施例应被视为仅是示例性的，而本发明的真正范围和精神由下述权利要求表明。本申请中使用的相对位置术语是基于与一个晶圆(wafer)或衬底(substrate)的常规平面或工作表面平行的平面而定义的，无论该晶圆或衬底的方向如何。本申请中使用的术语“水平(horizontal) ”或“横向(lateral) ”被定义成与一个晶圆或衬底的常规平面或工作表面平行的平面，无论该晶圆或衬底的方向如何。术语“竖直(vertical)”指的
是与水平垂直的方向。术语诸如“在......上”、“侧”(例如，‘侧壁’中的)、“上”、“下”、
“在......上方”、“顶部”和“在......下方”都是相对于该晶圆或衬底的顶表面上的常规
平面或工作表面而定义的，无论该晶圆或衬底的方向如何。
权利要求
1.一种用于形成喷墨打印头的方法，包括 将包括多个压电元件的一个压电元件阵列附接到ー个膜； 将ー个柔性印刷电路的多个导电柔性印刷电路电极电联接到所述多个导电压电元件，以在所述膜和所述柔性印刷电路之间形成至少ー个空间； 向位于所述膜与所述柔性印刷电路之间的所述至少一个空间中分配液态底部填料；以及 固化所述液态底部填料，以将所述多个压电元件封装在所述底部填料内。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括 形成ー个柔性电路介电层；以及 将所述多个导电电极形成为多个凸起电极，所述凸起电极从所述柔性印刷电路介电层的下表面突出。
3.根据权利要求I所述的方法，还包括 将所述多个压电元件形成为每个压电元件具有多个表面凹凸部； 将所述多个柔性印刷电路电极形成为每个柔性印刷电路电极具有多个表面凹凸部；将所述多个柔性印刷电路电极与所述多个压电元件接触，以通过直接物理接触在所述多个柔性印刷电路电极与所述多个压电元件之间建立电连通； 当保持所述多个柔性印刷电路电极与所述多个压电元件处于压力接触时，向所述柔性印刷电路与所述膜之间的所述至少一个空间中分配所述底部填料；以及在固化所述液态底部填料之后，释放所述压カ接触。
4.根据权利要求I所述的方法，还包括 通过穿过所述柔性印刷电路的至少ー个开ロ，来分配所述液态底部填料。
5.一种用于喷墨打印机的打印头，包括 ー个膜，其中具有多个开ロ ； 多个压电元件，其附接到所述膜； 一个柔性印刷电路，其具有多个电极，每个电极形成为ー个导电凸起电极，其中所述多个电极被电附接到所述多个压电元件；以及 介电底部填料，其位于所述柔性印刷电路与所述膜之间。
6.根据权利要求5所述的打印头，还包括 一个柔性印刷电路介电层，其具有下表面，该下表面物理接触所述介电底部填料；以及所述多个导电凸起电极从所述柔性印刷电路介电层的所述下表面突出约10 与约IOOiim之间的距离。
7.根据权利要求5所述的打印头，还包括 所述介电底部填料物理接触所述多个压电元件、所述多个电极和所述膜； ー个主体板，其用膜附接材料连接到所述膜；以及 一个墨端ロ，其部分地由一个开ロ提供，经过穿过所述柔性印刷电路、所述底部填料、所述膜和所述膜附接材料的ー个连续开ロ。
8.一种喷墨打印机，包括 ー个打印头，其包括 ー个膜，其中具有多个开ロ ；多个压电元件，其附接到所述膜； 一个柔性印刷电路，其具有多个电极，每个电极形成为ー个导电凸起电极，其中所述多个电极被电附接到所述多个压电元件；以及 介电底部填料，其位于所述柔性印刷电路与所述膜之间； ー个歧管，其附接到所述柔性印刷电路；以及 一个储墨器，其部分地由所述歧管的ー个表面形成， 其中所述打印头被适配为按照数字指令操作，以在打印介质上创建想要的图像。
9.根据权利要求8所述的喷墨打印机，还包括 一个柔性印刷电路介电层，其具有下表面，该下表面物理接触所述介电底部填料；以及 所述多个导电凸起电极从所述柔性印刷电路介电层的所述下表面突出约10 与约IOOiim之间的距离。
10.根据权利要求9所述的喷墨打印头，还包括 每个压电元件上的多个表面凹凸部； 每个导电凸起电极上的多个表面凹凸部；每个压电元件上的所述多个表面凹凸部物理接触相应的导电凸起电极的所述多个表面凹凸部，其中每个压电元件与相应的导电凸起电极之间的电连通是通过所述多个压电元件上的所述多个表面凹凸部与相应的导电凸起电极上的所述多个表面凹凸部之间的物理接触来建立的。
全文摘要
一种用于形成喷墨打印头的方法，可包括将多个压电元件附接到喷射栈子组件的膜，将柔性电路电连接到所述多个压电元件，然后在所述柔性电路和所述喷射栈子组件之间分配介电底部填料。在附接所述柔性电路之后使用底部填料消除了从所述压电元件的顶部图案化移除填隙材料的需要，并且免除了对图案化支柱层的需求。在一个实施方案中，所述柔性电路与所述压电元件之间的电接触是通过所述柔性电路的凸起电极与所述压电元件之间的物理接触建立的，不需要使用分立的导体，从而消除了由错误施加导体而导致电短路的可能性。
文档编号B41J2/14GK102756560SQ2012101290
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月27日 优先权日2011年4月29日
发明者G·D·雷丁, M·A·塞鲁拉, P·J·奈斯特龙 申请人:施乐公司