专利名称：喷墨头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及包含在例如喷墨打印机中的喷墨头，还涉及制造该喷墨头的方法。具体而言，本发明涉及一种喷墨头，该喷墨头在用于接合在头芯片的喷嘴板上没有开口，且对于液体腔的高度没有限制，本发明还涉及一种在不增加生产成本的情况下，制造适合于头芯片的接合的喷墨头的方法。
背景技术：
一种公知的用于喷墨打印机的喷墨头要求在头芯片与印刷电路板之间建立电连接，该头芯片具有用于对墨水施加能量从而喷射墨滴的能量发生器，该印刷电路板控制该头芯片的致动。
在它们之间建立电连接的一种公知的方法是，通过引线接合法将头芯片和印刷电路板二者的每个端子连接起来(例如，见日本已审查专利申请Nos.6-4325(特别是图3和5)和6-4329(特别是图7))。
具体的，在前一文件的图3(在下文中称为“专利文件1”)示出了排出元件7(相当于头芯片)的引线电极12和基底14(相当于印刷电路板)的电极15通过引线接合被接合在一起。
然而，在上述公知方法中，喷墨头的结构要求，头芯片和印刷电路板之间的引线接合在喷出墨滴的表面上进行(在专利文件1的图3中，在具有喷口9的表面上喷射墨滴)。
为了进行引线接合，开口必须被形成在具有喷嘴(喷口)的元件上，且在引线接合完成时，必须由例如树脂密封(在专利文件1的图3中，开口由密封剂17密封)。这就引入了许多制造过程，并且增加了制造成本。
此外，如专利文件1的图3所示，为了保证绝缘和机械强度，所述密封剂从喷墨表面上凸出。
由于打印介质例如纸张从喷墨表面上滑过，所述凸出可能产生打印介质的进给问题(例如堵塞)，或者可能刮擦打印介质。因此，被密封的开口必须远离打印介质滑过的路径。
发明内容
因此，本发明的一个目的是在制造喷墨头的工序中进行头芯片的接合，不在喷嘴板上形成用于接合的开口，不限制头芯片和喷嘴板之间的距离，不牺牲可靠性，且不增加产品成本。
本发明的所述目的是通过以下方式实现的。
按照本发明的第一方面，一种喷墨头包括一喷嘴板，具有用于喷射液滴的喷嘴；一头芯片，具有与每个喷嘴相对的能量发生器；一腔形成元件，其被夹在喷嘴板和头芯片之间，用于在能量发生器和喷嘴之间限定用作液体腔的空间；一电极，其被设置于头芯片的一表面，该表面与喷嘴板相对，且该电极被设置在没有布置腔形成元件的区域的至少一部分上；一具有第一端子的布线层，其被设置在喷嘴板的一表面上，该表面与头芯片邻近；一接合层，其被设置在布线层的第一端子上，且至少与头芯片的电极相接触；其中，所述能量发生器对液体腔中的液体施加能量，用于从喷嘴中喷出液体；且其中，通过超声波接合将所述接合层与所述头芯片的电极接合在一起。
如上所述，喷嘴板，腔形成元件，头芯片呈层状叠置。头芯片在与喷嘴板相对的表面上具有电极。喷嘴板在与头芯片相对的表面上具有布线层和第一端子。设置于布线层的第一端子上的接合层至少与头芯片的电极相接触。然后利用超声波接合将头芯片的电极和所述接合层接合在一起。
这样就可以在喷嘴板上不必形成用于接合的开口的情况下，对头芯片的电极进行接合。此外，可以在不将接合层例如突出部设置在头芯片上，而将其设置在喷嘴板的情况下进行超声波接合。另外，由于可以利用电镀在喷嘴板上形成所述接合层，因此，接合层的高度可以任意调节。由于这样可以根据腔形成元件的厚度形成接合层，因此腔形成元件的厚度(即墨腔的厚度)可以被调节为所期望的高度。
图1为根据本发明的一个实施例的喷墨头的前截面图；图2为图1中局部A的详细图解，其为底平面图，示出了一喷嘴，一能量发生器，和一墨水腔；
图3为前截面图，示出了在不设置开口的情况下用于接合头芯片和印刷电路板的一种可行方法；图4为前截面图，示出了在不设置开口的情况下用于接合头芯片和印刷电路板的另一种可行方法；图5为前视图，示出了在被接合之前的头芯片和喷嘴板的状态；图6详细示出了突出部的层状结构；图7示出了突出部的另一层状结构(另一实施例)，该结构与图6中示出的结构不同；图8示出了突出部的另一层状结构(另一实施例)，该结构与图6中示出的结构不同；图9为前截面图，示出了头芯片的焊点与突出部的超声波接合；图10为前截面图，示出了与图9所示接合方法不同的另一种接合方法；图11为前截面图，示出了喷嘴板上的布线层与印刷电路板之间的接合。
具体实施例方式
下面将参照附图对本发明的一个实施例进行详细说明。图1为按照本发明的一个实施例的喷墨头10的前截面图。图2为图1中局部A的详细图解，其为底平面图，示出了一喷嘴11a，一能量发生器12b和一墨水腔P。
参照图1，喷嘴板11由柔性印刷电路(FPC)构成，在该柔性印刷电路上，一电路被安装在一柔性薄膜上，该薄膜的厚度范围为约10到50μm。一层由铜迹线图案形成的布线层14(导线)被设置在喷嘴板11的上表面(图1中)上。该布线层14将一头芯片12连接到一控制该头芯片12的印刷电路板21上。除了第一端子14a和第二端子14b(图1中，布线层14的前端)的区域之外，所述布线层14覆盖有由与喷嘴板11相同的材料制成的绝缘层17。
该喷嘴板11具有多个用于喷射墨滴的喷嘴11a。
此外，所述喷嘴板11具有一分隔层13，所述头芯片12叠置于其上。该头芯片12具有多个能量发生器12b(在该实施例中为加热元件)，所述能量发生器露出例如由硅制成的半导体基底12a的一个表面(图1中为下表面)。所述能量发生器12b经由头芯片12的半导体基底12a电连接到用于控制其致动的印刷电路板21上。
分隔层13用作来限定墨腔P的腔形成元件，且其由例如光敏环化橡胶抗蚀剂或光硬化型干膜抗蚀剂制成。为了形成分隔层13，上述材料首先被叠置在半导体基底12a的整个表面上，该表面为形成能量发生器12b的表面。然后，所述材料的不需要的部分通过光刻工艺去除，从而形成分隔层13。该分隔层13与喷嘴板11具有粘合性。
这里，所述喷嘴板11，分隔层13和头芯片12以这样一种方式被接合在一起，即，喷嘴板11的喷嘴11a与所述能量发生器12b相对。也就是，喷嘴11a与能量发生器12b的中心轴线共线设置。墨水腔P由喷嘴板11，分隔层13和头芯片12限定。
如图2所示，所述墨腔P以凹入形式围绕所述能量发生器12b。所述头芯片12，分隔层13和喷嘴板11分别用作墨腔P的顶壁，侧壁和底壁。在图1和2中，墨腔P的左侧为开放区域，墨水从该区域供给。
形成墨腔P的高度的分隔层13的厚度被调节到约8到30μm。所述分隔层13的厚度过小时导致墨滴喷射的不稳定，而厚度过大时防碍如上所述的精细构图。因此，分隔层13的厚度优选范围为8到30μm，更好为10到15μm。
所述头芯片12在其与喷嘴板11相邻的表面(图1中为下表面)上具有一焊点(电极)12c。该焊点12c由铝制成，用于与设置在喷嘴板11上的布线层14连接。
一突出部(接合层)16A被设置在布线层14的第一端子14a上。至少该突出部16A的顶部副层由金制成。该突出部16A和头芯片12的焊点12c被接合在一起。所述焊点12c，突出部16A和第一端子14a的被连接在一起的区域由密封剂18例如树脂密封。
如图1所示，印刷电路板21被设置在与分隔层13和头芯片12被叠置于喷嘴板11上的位置处相隔一定距离的位置上。该印刷电路板21在其与喷嘴板11相对的表面上具有一层布线层21a。
类似于所述突出部16A的一突出部16B(第二接合层)被设置在叠置于喷嘴板11上的布线层14的第二端子14b上。该突出部16B和设置于印刷电路板21上的布线层21a被接合在一起。
现在将对在喷嘴板上不设置开口的情况下接合头芯片的以下可行方法进行说明。然而，由于下文所述的一些问题，这些方法并不适合。
图3和4为前截面图，示出了在不设置开口的情况下接合头芯片和印刷电路板的可行方法。
如图3所示，头芯片102被安装在用于喷射墨滴的喷嘴板101上。除了喷嘴101a之外，该喷嘴板101上没有用于接合头芯片102的开口。该喷嘴板101由FPC制成。用于形成墨腔P的分隔层103被夹在所述喷嘴板101和所述头芯片102之间。该头芯片102和喷嘴板101经由所述分隔层103接合在一起。
在喷嘴板101上的邻近头芯片102的表面上具有一层布线层104。在头芯片102上与喷嘴板101邻近的表面上具有一由铝制成的焊点(电极)102a。电芯片102的该焊点102a与设置在喷嘴板101上的布线层104相对。
为了将该头芯片102的焊点102a接合到喷嘴板101上的布线层104上，一由金属制成的球状支柱突出部105被形成在焊点102a上，而一层镀金层106被形成在所述布线层104上。然后，所述支柱突出部105和镀金层106被接合在一起。该支柱突出部105通过在布线接合工艺中加入一个球而形成，且在成本合理的情况下例如在被接合的点只有几个的情况下才被使用。
该支柱突出部105的高度例如是约65μm，且在接合之后仍然有约25μm的高度。因此，在图3中，包括喷嘴板101上的布线层104的厚度的头芯片102和喷嘴板101之间的距离L1超过30μm。因此，分隔层(墨腔)103的厚度L2被增加了(不会减少)。
在由例如光敏树脂制成的分隔层103中，其光敏特性在一定程度上决定了分隔层103的厚度和墨腔P的图案宽度的比率。因为，例如，所述厚度和所述宽度的比率通常为1或更小，过大的厚度会妨碍精细图案的形成。因此，为了实现理想的图案密度，所述分隔层103有一确定上限。分隔层103的厚度L2的优选范围为约8到30μm，更理想的是从约10到15μm。然而，在支柱突出部105被形成在头芯片102的焊点102a上的接合方法中，将分隔层103的厚度L2限制在上述范围中是困难的。
如图4所示的另一方法也提出了一些问题。参照图4，一弯曲部101b被形成喷嘴板101的一部分上，以降低连接到头芯片102的区域。在这种情况下，即使包括支柱突出部105和布线层104的厚度的头芯片102与喷嘴板101之间的距离L1达到和超过30μm，分隔层103的厚度L2也落入10到15μm的范围内。
然而，在头芯片102的约1.6mm的长度(图4中为水平方向)范围内，可靠且快速地弯曲由FPC制成的喷嘴板101困难且不理想。
此外，图3和图4中所示的两种方法均增加了成本，这是因为，镀金层106或支柱突出部105必须被形成在设置于喷嘴板101上的布线层104和头芯片102的焊点102a二者之上。
可选择的是，为了减小所述突出部的高度，头芯片102的焊点102a上的突出部可由电镀形成，而非形成所述支柱突出部105。然而，为了对头芯片102进行电镀，在对突出部电镀的步骤之前，必须在掩膜步骤施加抗蚀剂。这就增加了生产工艺的复杂性，从而增加了制造成本。
由于上述原因，在本发明中，突出部16A和16B被设置在布线层14上。
本发明中披露的上述结构使头芯片12和印刷电路板21经由头芯片12的焊点12c、突出部16A，布线层14，突出部16B和布线层21a被电连接起来。这样，来自印刷电路板21的信号就可以被传输到头芯片12上。
虽然没有示出，印刷电路板21被进一步电连接到打印机的主体中的一控制单元上。
在按照如上所述构造的喷墨打印头10中，根据来自打印机的控制单元的指令，选择能量发生器12b，从而在一个短暂的时间段内(例如1到3微秒)，基于图像数据等的脉冲电流被提供给被选择的能量发生器12b。该能量发生器12b被迅速加热，气相的墨水气泡在能量发生器12b的附近产生。墨水气泡的膨胀将墨水推开。
然而，与被推开的墨水的体积相同的墨水以墨滴的形式被从喷嘴11a中喷出，并落在打印纸上。即，与所述能量发生器12b相应的墨腔P中的墨水被从设置于墨腔P底壁上的喷嘴11a中喷出。
然后，被喷射体积的墨水从左侧(图1中)经墨水罐和墨水通道(未示出)被供入墨腔P中。所述墨腔P被充满墨水，从而迅速为下一次墨滴的喷射做好准备。
现在将对喷墨头10的制造方法进行说明。
图5为前视图，示出了头芯片12和喷嘴板11在被接合之前的状态。
如图所示，在头芯片12的焊点12c上没有设置突出部等部件。另一方面，布线层14被设置在喷嘴板11上。布线层14的第一端子14a和第二端子14b(在图5中未示出)暴露，而其它部分由绝缘层17覆盖。突出部16A被进一步设置在第一端子14a上。
这里，从喷嘴板11的上表面开始测量的且包括布线层14的厚度的突出部16A的高度(图5中为高度L3)被设定为约15+α(α为在接合中压缩的量)μm。
设置于头芯片12下面的分隔层13的厚度L4被设定为约15μm。
图6详细示出了突出部16A的层状结构。考虑到上述的高度，在布线层14的第一端子14a上，设置一层镀镍副层(突起)16a。一层镀金副层16b被进一步设置在该镀镍副层16a上。
图7和8示出了突出部16A的其它层状结构(其它实施例)，它们不同于如图6所示结构。
参照图7，突出部16A被形成在布线层14的第一端子14a上，从而仅镀金副层16b构成预定高度。参照图8，由与布线层14相同材料制成的镀铜副层16c从第一端子14a上突出。镀镍层16a和镀金副层16b被进一步设置在该镀铜副层16c的顶端。如上所述，在其顶部具有镀金副层16b的突出部16A以多种方式构造而成。
当喷嘴板11上的头芯片12被布置在预定位置上时，附着于喷嘴板11的突出部16A的顶部副层与头芯片12的焊点12c相对，其至少彼此接触。
图9为前截面视图，示出了头芯片12的焊点12c与突出部16A的超声波接合。在图9中，超声发射机(未示出)的振动器30被置于头芯片12之上，用于产生超声波振动(由图9中的箭头所指示的往复振动)。这样产生的超声波振动经由头芯片12被传递到突出部16A。
如此将所述突出部16A压缩α，直到其高度等于分隔层13的厚度L4，从而，通过超声波接合(金属接合)，所述突出部16A的顶部上的镀金副层16b与由铝形成且被包含在头芯片12中的焊点12c在接触表面S1处被接合在一起。
图10为前视截面图，示出了与图9中所示不同的接合方法。虽然图10示出的超声波接合类似于图9所示的超声波接合，但与图9中所示的不同之处在于振动源的位置。参照图10，振动器30与头芯片12相对，且喷嘴板11被夹在它们之间，且位于突出部16A之上。为了进行超声波接合，超声波振动被施加到喷嘴板11上，然后被传递到突出部16A。
在焊点12c与突出部16A的超声波接合之后，接合部被密封剂18(例如树脂)覆盖并密封(见图1)。这是为了防止接合部被暴露在空气中，并防止其吸湿。在本实施例中，具有不同电离倾向的铝(焊点12c)和金(突出部16A)被接合在一起，由于铝具有较高的电离倾向，因此吸湿可能导致铝熔化(电蚀)。为此，需要密封所述接合部。
图11为前视截面图，示出了设置于喷嘴板11上的布线层14与印刷电路板21之间的接合。印刷电路板21在其与喷嘴板11相对的表面上具有布线层21a。该布线层21a包括一层铜布线副层和一层形成在该铜布线副层上的镀镍副层(基副层)，以及进一步形成在镀镍副层上的一层镀金副层。
另一方面，类似于用于接合到头芯片12的突出部16B被设置在布线层14的第二端子14b上，该布线层14被设置在喷嘴板11上。该突出部16B具有与如图6到8中的一个所示的突出部16A相同的层状结构。
布线层21a的顶部副层(镀金副层)与第二端子14b上的突出部16B接触。类似于头芯片12的情况，振动器30被放置在印刷电路板21的上表面(图11中)上，或者被放置在喷嘴板11的下表面(图11中)上，用于产生超声波振动。然而，这样产生的超声波振动被传递到突出部16B，从而通过超声波接合将其接合到设置在印刷电路板21上的布线层21a上。
除如上所述之外，还有其它可行的接合方法。
例如，在图11中，印刷电路板21上的布线层21a由覆盖有一层镀焊料的副层的铜布线副层形成。
此外，形成在设置于喷嘴板11上的布线层14的第二端子14b上的是(1)，类似于如上所述，在其顶部具有所述镀金副层的突出部16B，或者是(2)，突出的镀焊料副层。
然后，通过例如回流或一加热杆(heat bar)施加压力，布线层21a的顶部副层(镀焊料副层)被用焊料接合到所述突出部16B上或者第二端子14b上的镀焊料层上。这样，印刷电路板21上的布线层21a就被接合到喷嘴板11上的布线层14上。
喷嘴板11上的布线层14与印刷电路板21之间的接合，可以在设置于喷嘴板11上的布线层14上的突出部16A和头芯片12的焊点12c之间的超声波接合之前进行，也可以在该超声波接合之后进行。当使用超声波接合时，设置于喷嘴板11上的布线层14上的突出部16B与设置于印刷电路板21上的布线层21a之间的接合，可以和设置于喷嘴板11上的布线层14上的突出部16A与头芯片12上的焊点12c之间的接合同时进行。
在本实施例中，如上所述，头芯片12和印刷电路板21可以在喷嘴板11上不设置开口的情况下被电连接。这样，由于在密封之后产生于开口上的突起被消除，因此，可以使喷嘴板11的喷墨表面(图1中的下表面)平滑。
此外，在本发明中，仅有铝制的焊点12c被设置在头芯片12上，且不设置镀金层。这就省去了在焊点12c上形成镀金层的步骤，从而降低了制造成本。
另一方面，喷嘴板11上的布线层14的超声波接合，需要镀金层被形成在布线层14的第一端子14a上。因此，突出部16A能够形成于在布线层14的第一端子14a上形成镀金层的工序中，而不需要额外的工序。这样就可以在不增加产品成本的情况下进行超声波接合。
如上所述，头芯片和布线层之间的接合部的高度构成了墨腔的高度。此外，由于不需要在喷嘴板上开口就可以接合到头芯片，因此，密封开口的工序可以被省去。因此，由于密封而产生于喷嘴板的表面上的突起能够被消除，从而保证了表面的平整度。
权利要求
1.一种喷墨头，包括一喷嘴板，具有用于喷射液滴的喷嘴；一头芯片，具有与每个喷嘴相对的能量发生器；一腔形成元件，其被夹在喷嘴板和头芯片之间，用于在能量发生器和喷嘴之间限定用作液体腔的空间；一电极，其被设置于头芯片的一表面，该表面与喷嘴板相对，且该电极被设置在没有布置腔形成元件的区域的至少一部分上；一具有第一端子的布线层，其被设置在喷嘴板的一表面上，该表面与头芯片邻近；和一接合层，其被设置在布线层的第一端子上，且至少与头芯片的电极相接触；其中，所述能量发生器对液体腔中的液体施加能量，用于从喷嘴中喷出液体；且其中，通过超声波接合将所述接合层与所述头芯片的电极接合在一起。
2.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于，进一步包括一第二接合层；和一印刷电路板；其中，所述布线层具有一第二端子，所述第二接合层被设置在第二端子上，通过将第二接合层接合到印刷电路板上，头芯片与印刷电路板经由布线层被电连接在一起。
3.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于，进一步包括一绝缘层，其被布置在设置于喷嘴板上的布线层的区域的至少一部分上，该区域是除了第一端子的区域之外的区域。
4.如权利要求1所述的喷墨头，其中，所述接合层具有一副层，该副层和所述布线层由相同材料构成。
5.如权利要求1所述的喷墨头，其中，所述接合层的顶部副层由金元素或金合金构成。
6.如权利要求1所述的喷墨头，其中，所述电极，布线层的第一端子，和接合层由密封剂密封。
7.一种用于制造喷墨头的方法，该喷墨头包括，一喷嘴板，具有用于喷射液滴的喷嘴；一头芯片，具有与每个喷嘴相对的能量发生器；一腔形成元件，其被夹在喷嘴板和头芯片之间，用于在能量发生器和喷嘴之间限定用作液体腔的空间；一电极，其被设置于头芯片的一表面，该表面与喷嘴板相对，且该电极被设置在没有布置腔形成元件的区域的至少一部分上；一具有第一端子的布线层，其被设置在喷嘴板的一表面上，该表面与头芯片邻近；所述方法包括以下步骤在设置于喷嘴板上的布线层的第一端子上形成一层接合层，该接合层具有的高度为，当头芯片被安装时，至少与头芯片的电极相接触；将所述喷嘴板，腔形成元件和头芯片呈层状地叠置起来，从而，使头芯片的电极与布线层的第一端子上的接合层相接触；以及通过对头芯片或喷嘴板施加超声波振动，将头芯片的电极接合到所述接合层上。
8.如权利要求7所述的喷墨头的制造方法，其特征在于，所述布线层具有一第二端子，该方法还包括以下步骤在布线层的所述第二端子上形成一第二接合层；和通过接合印刷电路板和第二接合层，经由布线层将头芯片与印刷电路板电连接起来。
全文摘要
一种喷墨头，包括一喷嘴板，具有用于喷射液滴的喷嘴；一头芯片，具有与每个喷嘴相对的能量发生器；一分隔层，其被夹在所述喷嘴板和头芯片之间，用于形成用作液体腔的空间；一焊点，其被设置于头芯片的表面，所述表面与喷嘴板相对；以及一布线层，且被设置在喷嘴板的一表面上，该表面与头芯片相邻；一被设置在所述布线层上的突出部，其至少与头芯片的所述焊点相接触，且通过超声波接合被接合到所述焊点上。
文档编号B41J2/16GK1522859SQ200410007428
公开日2004年8月25日 申请日期2004年2月6日 优先权日2003年2月6日
发明者谷川徹, 谷川 申请人:索尼株式会社