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Druckkopf sowie Verfahren zu seiner Heritellung
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Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Druckkopf
sur visuell sichtbaren, mosaikartig zusammengesetzten Aufzeichnung der Informationen
von Büromaschinen, Fernschreibern und Geräten der elektronischen Datenverarbeitung
durch vorzugsweise wärmeempfindliches Drucken auf Aufzeichnungsträger sorte ein
Verfahren zur Herstellung des Druckkopfes.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösung Es sind nichtmechanische
Druckverfahren wie z.B.
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wärmeempfindliche, elektroerosive, (Feinwerktechnik 75 (1971), H.
12 S. 467) chemisch wirkende (IEEE Transactions Elektron Devices ED-19 (1972) 8.
594) Verfahren bekannt, die es gestatten, geräuscharme, wartungsarme und kleine
Drucker herzustellen. Herzstück solcher Drucker ist der Druckkopf', der leistens
aus einer Anzahl punkt- oder linienförmiger Druckelemente besteht. Durch Einspeisung
elektrischer Impulse in die Druckeleiente werden in Zusammenwirken mit elektronischen
Schaltelementen die einzelnen Druckzeichen mosaikförmig auf den in enges Kontakt
mit den Druckelementen stehenden Aufzeichnungsträger zusammengesetzt.
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Nach DT-AS 1 299 304 ist es bekannt, einen Thermodruckkopf für wärmeempfindliches
Drucken aus natrixartig zusammengesetzten Halbleiterelementen auf monolithischer
Basis aufzubauen. Außer den als Druckelemente wirkenden Heizelementen enthält der
Druckkopf in integrierter Porn elektronische Schalteleiente und zugehörige Verbindungsleitungen,
die eine Reduzierung der Anzahl
der nach außen führenden Leitungen
sowie eine vorteilhafte Ansteuerung des Druckkopfes ermöglichen. Das benutzte monolithische
Herstellungsverfahren ist jedoch sehr kompliziert. Wegen der begrenzten Größe des
verwendeten Siliziumsubstrats müssen die Abmessungen der Druckelementematrix relativ
klein bleiben, so da8 zur Realisierung einer Druckseile mit mehreren Druckzeichen
eine Bewegung des Druckkopfes quer zum Aufzeichnungsträger notwendig wird. Damit
kommen die angestrebten Vorteile eines nichtmechanischen Druckverfahrens nicht voll
zur Wirkung. Imine Aneinanderreihung vieler Druckköpfe ist aber sehr aufwendig.
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Nach DT-AS 1 800 022 ist ein ähnlicher matrixförmiger Theraodruckkopf
bekannt, der in Düzinschicht- bzw. in DickschichGtechnik-Hybridtechnologie hergestellt
wird.
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Er weist jedoch die gleichen Nachteile wie der oben beschriebene Kopf
auf.
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Bs ist weiterhin bekannt, mit Hilfe der Dünnschicht-oder Dickschichttechnik
linienförmig auf einem Substrat angeordnete Heizelemente herzustellen, bei denen
die Bewegung des Druckkopfes entfallen kann. Befinden sich auf dem Substrat nur
die Heizelemente mit ihren Verbindungsleitungen, wie z.B. bei dem in DT-0S 2 436
362 beschriebenen Thermodruckkopf, so muß die elektrische Verbindung zwischen den
Heizelementen mit den außerhalb des Substrats befindlichen elektronischen Schaltelementen
über besondere Anschlußleitungen erfolgen. Es ist bekannt, derartige Anschlußleitungen
in Form von Leitungszügen auf einer flexiblen Leiterplatte zu realisieren. Schon
bei relativ kurzer Druckzeilenlänge muß eine große Zahl von Anschlußleitungen mit
engem Kontaktraster verarbeitet
werden. Bei einem Druckkopf für
16 Zeichen, der je Zeichen 5 Heizelemente aufweist, sind mindestens 81 Anschlußleitungen
erforderlich. Durch die Zahl der benötigten Anschlußleitungen wird die Länge der
Druckseilen beerenst. Wegen der außerhalb des Substrats befindlichen elektronischen
Schaltelemente sind die Abmessungen der Druckköpfe relativ groß.
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Bei anderen bekannten Thermoköpfen (Hewlett Packard Journal 5}73 8.
18) befinden sich auf den Substrat zusammen mit den Druckelementen elektronische
Schaltelemente, die eine Reduzierung der Zahl der äußeren Anschlußleitungen und
eine Verkleinerung der Druckköpfe ermöglichen. Hierbei sind jedoch komplizierte
technologische Verfahren erforderlich, da mindestens 2 Leitungsebenen in Dünn- oder
Dickschichttechnik auf den Substrat realisiert werden müssen. Bei Aneinanderrei@ung
von mehreren gleichartigen Köpfen zur Erzielung einer größeren Druckzeilenlänge
wächst die Zahl der erforderlichen äußeren Anschlußleitungen proportional alt der
Zahl der an, einandergereihten Köpfe, da eine Zusammenschaltung der Schaltelemente
erst außerhalb der Köpfe möglich ist. Die Erzielung einer größeren Zeilenlänge durch
den Einsatz eines größeren Substrate stößt schnell auf durch die Dünn- bzw. Dickschichttecbnologie
genutzten Grenzen und erfordert darüber hinaus rar Jede Zeilenlänge einen besonderen
Kopf. Hinzu kommt, daß sich ein gleichißßig schwacher Andruck der Druckelemente
an dem Aufzeichnungsträger, wie er far ein gutes Druckbild und geringen Abrieb erforderlich
ist, bei einen großen Substrat schwerer realisieren läßt als bei mehreren aneinandergereihten
kleine neren Substraten.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, einen Druckkopf für
vorzugsweise wärmeempfindliches Drucken zu schaffen, der ohne mechanische Bewegung
des Druckkopfes leicht auf unterschiedliche Zeilenlängen der Druckzeichen umgerüstet
werden kann, der einfach mit anderen elektronischen Baugruppen zu verbinden ist,
der kleine Abmessungen aufweist und der sich rationell fertigen läßt.
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Darlegung des wesen der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine größere Zahl von Druckelementen und elektronischen Schaltelementen,
die sich auf oder in einem Substrat, auf oder in mehreren Substraten befinden, durch
ein einfaches Herstellungsverfahren so zu verbinden, daß die Zeilenlänge der Druckzeichen
leicht baukastenförmig erweiterbar ist, wobei die Zahl der nach außen führenden
Leitungen nicht notwendigerweise proportional mit der Zahl der kombinierten Substrate
wächst.
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Erfindungsgemäß wird dies im wesentlichen dadurch erreicht, daß die
elektrische Verbindung der einzelnen elektronischen Schaltelemente mindestens teilweise
untereinander oder mit den Druckelementen sowie mit anderen nicht auf dem Druckkopf
befindlichen elektronischen Baugruppen über eine flexible Leiterplatte erfolgt,
wobei die Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte mit dem Substrat durch mindestens
eine schmelzbare Isolierschicht hindurch erfolgt. Als schmelzbare Isolierschicht
kann dabei die Deckfolie der flexiblen Leiterplatte verwendet werden. Bei einer
anderen Ausführungsform der Erfindung wird als schmelzbare Isolierschicht die Trägerfolie
der flexiblen Leiterplatte verwendet.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zur Realisierung
einer größeren Druckseilenlänge mehrere Substrate ohne störende Zwischenräume zwischen
den I)ruckelementen benachbarter Substrate nebeneinander gereiht werden, wobei die
elektrische Verbindung der einzelnen Substrate untereinander über die flexible Leiterplatte
erfolgt. Eine vorteilhafte usführungsform der Erfindung besteht darin, daß gleiche
Substrate verwendet werden.
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Die flexible Leiterplatte kann an der vom Substrat abgewandten Seite
vorteilhaft mit einem Steckverbinder mechanisch und elektrisch verbunden sein. Der
Steckverbinder kann dabei vorteilhaft durch Umbiegen der flexiblen Leiterplatte
um eine Platte gebildet werden.
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Bei einer anderen Ausführung der Erfindung erfolgt die Verbindung
der flexiblen Leiterplatte mit nicht auf dem Druckkopf befindlichen elektronischen
Baugruppen durch Andruck von Leiterzügen auf der flexiblen Leiterplatte an Gegenleiterzügen
auf einer starren Leiterplatte.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß als Substrat
eine Platte aus nichtleitendem Material verwendet wird, die eine einlagige in Dünnschichttechnik
hergestellte Leitungsstruktur aufweist.
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bei einer Busführungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden als
elektronische Schaltelemente auf dem Substrat Transistoren in miniaturisierten Plastgehäusen
verwendet.
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Bei einer anderen Ausfübrungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden
als elektronische Schaltelemente auf dem Substrat Halbleiterchips verwendet. Der
Schutz dieser Halbleiterchips vor Umgebungseinflüssen erfolgt vorteilhaft durch
eine oder mehrere auf dem Substrat aufgesetzte
Kappen, die fest
mit dem Substrat verbunden sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht ein Teil
der auf dem Substrat befindlichen elektronischen Schaltelemente aus Widerständen.
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Erfindungsgemaß erfolgt die Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte
mit dem Substrat durch Löten mit einer Bügelelektrode, wobei mindestens einer der
zu kontaktierenden Partner vor dem Löten mit Lotmaterial beschichtet ist.
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Beim Aufsetzen der Bügelelektrode auf die zu kontaktierende Stelle
der flexiblen Leiterplatte schmilzt die darunter befindliche Isolierschicht lokal
auf, so daß die Lötverbindung zwischen Substrat und flexibler Leiterplatte zustande
kommt. Es ist dabei vorteilhaft, die Löttemperatur höher als die Schmelztemperatur
der Isolierschicht und der legierungsbildenden Temperatur des Lotmaterials zu wählen,
da sich dann ein fester zuverlässiger Kontakt bildet.
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Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
besteht darin, daß Widerstände, die einen Teil der auf dem Substrat befindlichen
elektronischen Schaltelemente bilden, nach einer ähnlichen Technologie wie die Druckelemente
hergestellt sind.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1s eine Draufsicht
auf 2 aneinandergereihte Substrate und die flexible Leiterplatte Fig. 2s einen Schnitt
längs der Linie I-I in Fig. 1
Fig. 3s eine perspektivische Ansicht
des durch Umlegen der flexiblen Leiterplatte um eine Isolierstoffplatte gebildeten
Steckverbinders Fig. 4t eine perspektivische Ansicht einer flexiblen Leiterplatte,
die mit ihren Leiterzügen auf die Leiterzüge einer starren Leiterplatte angedrückt
ist.
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In Fig. 1 und 2 sind zwei nebeneinander liegende Substrate 1 dargestellt,
die eine beliebige Anzahl von Druckelementen 2, Verbindungsleitungen 3 und elektronischen
Schaltelementen 4 enthalten. Aus Gründen der tbersichtlichkeit sind auf jedem Substrat
1 nur fünf Druckelemente 2 und fünf elektronische Schaltelemente 4 dargestellt.
Die Substrate 1 können z.B. aus Glas bestehen, auf das durch die bekannten Methoden
der Dünnschichtteohnik als Druckelemente 2 wirkende Widerstände und Verbindungsleitungen
3 aufgebracht worden sind. Das schwierige Aufbringen von lochfreien Isolierschichten
ist dabei nichterforderlich. An Stelle der Druckelemente 2 in Form von Widerständen
können auch Druckelemente in anderer Form, z.B. in Form von Elektroden, für elektroerosive
oder chemisch wirkende Druckverfahren treten.
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Als elektronische Schaltelemente 4 werden bei der gezeigten Ausführungsform
auf das Substrat aufgelötete Transistoren im miniaturisierten Plastgehäuse benutzt.
Zur Reduzierung der Zahl der äußeren Anschlußleitungen sind die Basisanschlüsse
5 von jeweils fünf Transistoren auf den Substraten 1 über Basiswiderstände 6 miteinander
verbunden.
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Die Basiswiderstände 6, die eine niedrige elektrische Ansteuerleistung
der Druckeleiente 2 ermöglichen, werden
vorteilhaft zusammen mit
den Druckelementen 2 nach der gleichen Technologie hergestellt. Bei genügend hoher
verfügbarer Ansteuerleistung für die Transistoren können die Basiswiderstände auch
weggelassen, d.h. durch Eurzschlußleitungen ersetzt werden.
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Die Kollektoranschlüsse 7 sind mit den Druckelementen 2 verbunden
und die Emitteranschlüsse 8 sind an die den Druckelementen 2 gegenüberliegende Substratseite
geführt.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden als elektronische
Schaltelemente 4 in nicht näher dargestellter Weise Transistoren in Form von Halbleiterchips
verwendet. Die Halbleiterchips sitzen an der Stelle der aufgelöteten Transistoren
in Fig. 1 und werden z.B. durch Drahtbondung mit den Verbindungsleitungen 3 auf
dem Substrat verbunden. Zum Schutz der Halbleiterchips und der Bonddrähte vor Umgebungseinflüssen
werden die strich- und punktiert-gekennzeichneten Substratflächen 9 mit Kappen abgedeckt,
die z03. durch Kleben fest mit dem Substrat verbunden sind.
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Durch den Einsatz von Halbleiterchips werden die Kosten der individuellen
Transistorkapselung eingespart und es ist möglich, sehr kleine Druckköpfe herzustellen.
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Zur Realisierung der zweiten Verdrahtungsebene und der Verbindung
mit anderen elektronischen Baugruppen wird eine flexible Leiterplatte 11 mit ihren
elektrischen Verbindungsleitungen 30 zu den elektrischen Verbindungsleitungen 3
des Substrats ausgerichtet und auf den gestrichelt gekennzeichneten Flächen 10 der
Substrate 1 z.3. durch Kleben befestigt. Die gegenseitige Isolation der Verbindungsleitungen
30 und 3 erfolgt durch eine schmelzbare Isolierschicht 12. Die Isolierschicht 12
kann Bestandteil der flexiblen Leiterplatte 11, z.B. in Form der bekannten
Polyesterdeckfolie,
sein. weiterhin ist es möglich, daß die Polyesterträgerfolie 13 der flexiblen Leiterplatte
11 die Funktion der Isolierschicht 12 mit übernimmt.
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Es ist auch möglich, die Isolierschicht 12 auf dem Substrat 1 durch
einen Dünnschichtprozeß mit herzustellen oder durch Aufkleben einer Folie zu realisieren.
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Zur weiteren Reduzierung der Zahl der äußeren Anschlußleitungen werden
die einzelnen Emitteranschlüsse über die elektrischen Verbindungsleitungen 30 auf
der flexiblen Leiterplatte miteinander verbunden. Hierfür werden die aus Kupfer
bestehenden Verbindungsleitungen 30 oder 3 durch Tauchen oder galvanisch verzinnt.
Durch Aufsetzen einer bekannten Bugelelektrode auf die mit dem Substrat 1 elektrisch
zu verbindenden Stellen der flexiblen Leiterplatte 11 schmelzen die Trägerfolie
13 und die Isolierschicht 12 lokal auf und es entsteht eine Kontaktstelle 14 in
Form einer Lötverbindung. Durch hinreichend hohe Temperatur der Bugelelektrode kann
an der Kontaktstelle 14 eine Legierungsbildung zwischen dem Zinn und dem Kupfer
erreicht werden. Damit wird eine feste, zuverlässige Verbindung ähnlich einer Hartlötverbindung
realisiert.
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Zur Realisierung eines Druckers muß die flexible Leiterplatte 11 mit
anderen elektronischen Baugruppen verbunden werden. Das geschieht bei der Ausführungsform
nach Fig. 1 über einen Steckverbinder 15, der mit der flexiblen Leiterplatte 11
mechanisch und elektrisch verbunden ist.
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Eine vorteilhafte Austährungsform dieses Steckverbinders zeigt Fig.
3. Hierbei ist die flexible Leiterplatte um eine Isolierstoffplatte 16 gebogen und
auf dieser durch Kleben befestigt. Damit entfallen zusätzliche Eontaktstellen zwischen
Steckverbinder und flexibler Leiterplatte.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform erfolgt die elektrische
Verbindung der flexiblen Leiterplatte 11
mit anderen elektronischen
Baugruppen über Druckkontakte.
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Die Leiterzüge 17 auf der flexiblen Leiterplatte 11 werden an entsprechende
Gegenleiterzüge 18, die sich auf einer starren Leiterplatte 19 befinden, angedrückt.
Die Oberflächen der Leiterzüge 17 und 18 sind zweckmäßig galvanisch veredelt. Damit
entfällt das aufwendige Steckverbindergegenstück auf der starren Leiterplatte und
die Zahl der Kontaktstellen wird weiter reduziert. Auf der starren Leiterplatte
19, die auch mehr als eine Leitungsebene besitzen kann, befinden sich weitere für
den Drucker benötigte elektronische Bauelemente, die in Fig. 4 nicht mit dargestellt
sind. Nicht dargestellt ist weiterhin die Vorrichtung zum Andrücken der flexiblen
Leiterplatte 11 an die starre Leiterplatte 19.
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Ein Druckkopf mit größerer Druckzeilenlänge wird einfach dadurch realisiert,
daß mehrere gleiche Substrate 1 nebeneinander gesetzt und über eine entsprechend
größere flexible Leiterplatte 11 miteinander verbunden werden. Damit wird eine baukastenförmige
Erweiterung des Druckkopfes möglich.