ITTO980562A1

ITTO980562A1 - Testina di stampa a getto di inchiostro

Info

Publication number: ITTO980562A1
Application number: IT98TO000562A
Authority: IT
Inventors: Enrico Manini
Original assignee: Olivetti Lexikon Spa
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 1999-12-29
Also published as: EP1098771A1; DE69906751T2; ATE236793T1; ES2197648T3; ITTO980562A0; EP1098771B1; JP4749546B2; WO2000000354A1; US6412921B1; DK1098771T3; DE69906751D1; JP2002519215A

Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo:

“Testina di stampa a getto di inchiostro",

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Area tecnologica dell'invenzione - La presente invenzione è relativa genericamente alle testine di stampa a getto di inchiostro, ed in particolare, ma non esclusivamente, alle testine a film sottile che impiegano la tecnologia della stampa a getto di inchiostro del tipo termico cosiddette “top-shoooter"; cioè quelle in cui la goccia di inchiostro viene emessa in direzione perpendicolare rispetto alla camera di emissione, all' interno della quale si trova il resistere il cui riscaldamento genera una bolla di vapore che provoca l’emissione della goccia stessa.

Presupposti tecnici - Sono ampiamente note testine di stampa a getto di inchiostro del tipo precedentemente descrìtto, sia monocromatiche che a colori, che comprendono un gruppo attuatoli tipicamente costituito da:

un substrato di silicio (in inglese, “chip" o “dice”) sulla cui faccia superiore, mediante tecnologie note, sono depositati vari strati che formano i resistorì di emissione e le interconnessioni e su cui sono ricavati componenti elettronici attivi, come ad esempio i transistori MOS di pilotaggio dei resistori di emissione;

uno strato di fotopolimero, sovrapposto alla faccia superiore del substrato di silicio, in cui, mediante tecnologie fotolitografiche note, sono ricavate le camere di emissione disposte in corrispondenza dei resistori di emissione, ed i canaletti di adduzione dell'inchiostro; e da una piastra ugelli, sovrapposta allo strato di fotopolimero, in cui, mediante tecnologie note, sono ricavati in corrispondenza delle camere di emissione gli ugelli attraverso cui vengono emesse la gocce di inchiostro.

E’ altresì noto che le testine di stampa a getto di inchiostro del tipo precedentemente descritto comprendono un serbatoio dell'inchiostro, fissato alla faccia inferiore del substrato di silicio; e che l’alimentazione dell’inchiostro dal serbatoio ai canaletti di adduzione ed alle camere di emissione precedentemente citati, avviene tramite un’asola passante, ricavata al centro del substrato di silicio, ad esempio per mezzo di un’operazione di taglio mediante sabbiatura. Tipicamente il substrato di silicio ha una forma rettangolare, e i resistor! di emissione, le camere di emissione e gli ugelli sono disposti su due file parallele al lato maggiore del rettangolo e da due lati opposti rispetto all'asola centrale. L'asola ha tipicamente una forma oblunga ed una lunghezza complessiva di poco inferiore alla lunghezza del lato maggiore del rettangolo, per poter alimentare l’inchiostro in maniera omogenea a tutte le camere di emissione.

La presenza dell'asola comporta un indebolimento meccanico del substrato di silicio, la cui aumentata fragilità è causa di rotture sia durante il taglio dell’asola stessa, che durante le successive fasi del processo di produzione delle testine. Ciò è tanto più vero, quanto più aumenta il numero degli ugelli di cui dispone la testina e di conseguenza aumenta la lunghezza del lato maggiore del substrato di silicio; per contro, la tendenza della tecnologia è quella di avere testine con un numero di ugelli sempre più elevato, poiché ciò consente di ridurre i tempi di stampa, aumentando il cosiddetto "throughput" della stampante.

Un modo per risolvere il problema di conciliare queste esigenze contrastanti è quello illustrato net Brevetto degli Stati Uniti n° US 5,317,346, in cui l’asola passante di alimentazione dell'inchiostro è suddivisa in un certo numero di asole passanti più corte, tutte allineate in direzione parallela al lato maggiore del substrato di silicio al centro dello stesso, che sfociano in un unico “bacino” (o “vasca", o “piscina"; “trench" in inglese) ricavato sulla faccia superiore del substrato di silicio stesso; (a forma del bacino è ricopiata simmetricamente in un analoga cavità formata nei fotopolimero, da cui si diramano i canaleti di adduzione dell'inchiostro e le camere di emissione.

In questo modo l’alimentazione dell'inchiostro dal serbatoio alle camere di emissione avviene attraverso un condoto costituito da una combinazione di un’asola ricavata nel substrato di silicio (ad esempio, per mezzo dell’operazione di taglio mediante sabbiatura) a partire dalla faccia inferiore del substrato di silicio stesso; e di un bacino ricavato sempre nel substrato di silicio, per mezzo di un processo di incisione mediante attacco chimico a partire dalla faccia superiore del substrato. Quest'ultimo processo è ad esempio descrìtto in un secondo Brevetto degli Stati Uniti, il n° US 5,387,314, rilasciato al medesimo assegnatario del precedente e ad esso collegato, in cui viene specificato trattarsi di un processo di incisione a secco (“dry etching", in inglese), noto nella tecnica, basato sull’impiego di CF4+02, SF6 o una miscela di gas nobili e composti fluorocarbonio.

in realtà, è stato verificato che la metodologia illustrata, pur valida sotto il profilo strettamente teorico, non è utilizzabiile per produrre industrialmente (cioè con tempi e costi contenuti) un bacino sulla faccia superiore del substrato di silicio avente la profondità necessaria, indicata in 25÷100 μm.

Inoltre esiste un secondo problema , oltre a quello della fragilità del substrato di silicio, che non è risolto dai Brevetti citati, ma è ben presente nella tecnica nota: questo problema consiste nel riuscire ad utlizzare in modo ottimale l’area della faccia superiore del substrato stesso nel caso di una testina di stampa a colorì, o comunque non monocromatica.

E' noto, infatti, che le testine a colori comprendono tipicamente tre distinti gruppi di ugelli, ciascuno collegato ed alimentato da un serbatoio contenente un diverso inchiostro colorato (generalmente ciano, magenta e giallo) mediante una distinta asola passante ricavata nel comune substrato di silicio; i tre gruppi di ugelli sono allineati tra di loro in direzione parallela al lato maggiore del rettangolo del substrato di silicio, e a loro volta gli ugelli di ciascun gruppo sono disposti su due file, sempre parallele al lato maggiore del substrato di silicio rettangolare, analogamente al caso delle testine monocromatiche.

Sia per evitare inquinamenti reciproci tra ugelli adiacenti appartenenti a gruppi di diverso colore, che per permettere una adeguata separazione fisica tra i diversi serbatoi di inchiostro, i tre gruppi di ugelli sono distanziati tra di loro di una distanza tipicamente pari a circa 30 passi elementari di 1/600° di pollice (= 1,27 mm; il 300° ed il 600° di pollice sono unità di misura molto usate in questo settore della tecnica), con conseguente mancato utilizzo di una area non trascurabile del substrato di silicio ed incremento di costo del gruppo attuatoli.

Mentre per ovviare al problema dell’inquinamento reciproco tra ugelli adiacenti appartenenti a gruppi di diverso colore potrebbe essere sufficiente distanziare i tre gruppi di ugelli di soli 10÷15 passi elementari di 1/600° di pollice (≃ 0,4÷0,6 mm), le tolleranze nella precisione nel posizionamento degli elementi sigillanti tra i diversi serbatoi stessi costringe a mantenere una separazione fisica tra i diversi serbatoi di inchiostro, tale che la distanza tra gruppi di ugelli adiacenti non possa essere inferiore al valore sopra citato di circa 30 passi elementari di 1/600° di pollice, lasciando così insoluto il problema dell’utilizzo ottimale dell’area del substrato.

Sommario dell’invenzione - Scopo delia presente invenzione è quello di definire una testina di stampa a getto di inchiostro che consente l'utilizzazione ottimale dell’area della faccia superiore del substrato di silicio, anche nel caso di testina non monocromatica con più serbatoi di inchiostro diversi. La testina secondo l'invenzione presenta, per ogni serbatoio di inchiostro, un'asola passante che inizia dalla faccia inferiore del substrato di silicio e sfocia in un bacino più ampio ricavato sulla faccia superiore con una tecnica di incisione mediante attacco chimico del tipo ICP (acronimo dall’inglese “Inductively Coupled Plasma" = plasma ad accoppiamento induttivo), massimizzando così la distanza tra i serbatoi dei diversi inchiostri e, nel contempo, minimizzando la distanza tra i diversi gruppi di ugelli sulla faccia superiore del substrato; come beneficio aggiuntivo, la testina secondo l'invenzione riduce notevolmente il rischio di rottura del supporto di silicio durante la varie fasi di lavorazione.

Un altro scopo dell’invenzione è quello di definire un processo di produzione di una testina di stampa a getto di inchiostro che consente di ridurre i costi del gruppo attuatori, ottimizzando l'utilizzazione dell’area della faccia superiore dei substrato di silicio, anche nel caso di testina a colori con serbatoi di inchiostro di diversi colorì, e riducendo gli scarti di lavorazione dovuti alle rotture del substrato di silicio stesso, atraverso la realizzazione di un’asola passante che inizia dalla faccia inferiore del substrato di silicio e sfocia in un bacino più ampio ricavato sulla faccia superiore con una tecnica di incisione mediante attacco chimico del tipo ICP .

I suddetti scopi sono ottenuti per mezzo di una testina di stampa a getto di inchiostro e del relativo processo di produzione, caratterizzati come definito nelle rivendicazioni principali.

Questi ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti sulla base della seguente descrizione di una sua forma preferita di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agii annessi disegni.

ELENCO DELLE FIGURE

Fig. 1 - Rappresenta schematicamente una vista parziale in pianta, non in scala, della faccia superiore del gruppo attuatori di una testina di stampa a getto di inchiostro a colori secondo l'invenzione. Fig. 2 - Rappresenta schematicamente una vista parziale in pianta, non in scala, della faccia inferiore del gruppo attuatori di una testina di stampa a getto di inchiostro a colori secondo l'invenzione. Fig. 3 - Rappresenta schematicamente una vista in sezione, non in scala, del substrato di silicio del gruppo attuatori di una testina di stampa a getto di inchiostro a colori secondo l'invenzione.

Fig. A - Rappresenta schematicamente il diagramma di flusso del processo per la realizzazione delle asole e dei bacini sul substrato di un gruppo attuatori di una testina di stampa a getto di inchiostro a colori secondo l'invenzione.

DESCRIZIONE DELLA FORMA PREFERITA

Nella Fig. 1 è rappresenta una vista parziale in pianta, non in scala, della faccia superiore di un gruppo attuatori 10 di una testina di stampa a getto di inchiostro a colori secondo l'invenzione, in cui una piastra ugelli 12 dotata di una pluralità di ugelli 13 per l'emissione di gocce di inchiostro, tipicamente in numero compreso tra 100 e 500, e disposti secondo un passo 16, ad esempio pari ad 1/300° di pollice (≃ 0,085 mm), ed un sottostante strato di fotopolimero, non visibile in figura, dotato di canaletti di adduzione dell'inchiostro e di camere di emissione, sono stati parzialmente rimossi per mostrare una faccia superiore 20 di un substrato di silicio 11 , di forma rettangolare, avente un lato maggiore 29 ed un iato minore 28; nel substrato di silicio 11 sono ricavate tre distinte asole 15’, 15” e 15”’ che sfociano in tre corrispondenti bacini 14’, 14" e 14”’. Le tre asole 15’, 15” e 15’” sono disposte al centro del substrato 11 allineate secondo una direzione parallela al lato maggiore 29 del substrato 11 stesso, ed i bacini 14’, 14” e 14’" sono disposti concentricamente rispetto alle corrispondenti asole 15’, 15” e 15”' ad una prima distanza relativa 17, misurata sulla faccia superiore 20, pah tipicamente a 10÷15 passi di 1/600° di pollice (≃ 0,42÷0,64 mm), e presentano una prima larghezza 25 pari ad esempio a 5/3001 di pollice (= 0,42 mm)

Una faccia inferiore 21 del substrato di silicio 11 è mostrata in Fig. 2; il lato maggiore 29 del substrato di silicio 11 ha una lunghezza 27 tipicamente compresa tra 10 e 30 mm, ed il lato minore 28 ha una lunghezza 22 tipicamente compresa tra 3 e 5 mm; le asole 15’, 15" e 15'” sono disposte ad una seconda distanza relativa 18, misurata sulla faccia inferiore 21, pari tipicamente a 25÷35 passi di 1/600° di pollice (≃ 1,06÷1,48 mm), ed hanno una seconda larghezza 24 pari ad esempio a 4/300ldi pollice (≃ 0,34 mm).

Una sezione trasversale del substrato 11 secondo la direzione lll-lll è mostrata in Fig. 3; il substrato 11 presenta uno spessore 23 tipicamente compreso tra 0,4 e 0,8 mm, preferìbilmente pari a 0,625 mm; in quest’ultimo caso il bacino 14'" ha una prima profondità 26 tipicamente compresa tra 25 e 100 μπι, preferìbilmente pari a circa 50 μm, e l’asola 15’” ha una seconda profondità 19 tipicamente compresa tra 300 e 775 μm , preferibilmente pari a circa 575 μm .

Verrà ora descritto, con riferimento alla Fig. 4, il metodo per la realizzazione delle asole 15’, 15" e 15’’’ e dei bacini 14’, 14" e 14’", partendo dal substrato di silicio 11 sulla cui faccia superiore 20 sono già stati realizzati, utilizzando le tecniche note, sia la deposizione dei vari strati che formano i resistori di emissione e le interconnessioni, sia l’integrazione dei componenti elettronici attivi, come ad esempio i transistori MOS di pilotaggio dei resistori di emissione.

Un primo passo 30 del processo consiste nella deposizione sulla faccia superiore 20 del substrato di silicio 11 di una maschera di incisione rappresentata da uno strato di fotoresist, noto in sè, che lascia libere delle zone del substrato 11 corrispondenti alle aree dei bacini 14’, 14” e 14’”; un secondo passo 31 del processo consiste in una incisione anisotropa mediante attacco chimico delle aree dei bacini 14’, 14" e 14’” non protette dal fotoresist secondo una tecnica del tipo ICP (“Inductively Coupled Plasma' = plasma ad accoppiamento induttivo), ben nota a chi è esperto del settore, i cui dettagli realizzativi non vengono qui riportati in quanto sono ampiamente descritti nel Brevetto degli Stati Uniti n° US 5,501,893; un terzo passo 32 del processo consiste nella creazione delle asole 15', 15" e 15’" per mezzo di una operazione di taglio mediante sabbiatura, nota in sè, realizzata a partire dalla faccia inferiore 21 del substrato 11.

Il condotto composto dalla combinazione asola+bacino così ottenuto presenta il duplice vantaggio di consentire una distanza elevata sulla faccia inferiore 21 del substrato 11 tra i serbatoi dei diversi inchiostri colorati, evitando così il problema creato dalla imprecisione nel posizionamento degli elementi sigillanti tra i serbatoi, e assicurando nel contempo una notevole resistenza meccanica al substrato 11 ; e di consentire, invece, una distanza ridotta sulla faccia superiore 20 del substrato 11, così da contenere entro limiti molto contenuti lo spazio inutilizzato tra i gruppi contigui di ugelli.

Naturalmente è possibile apportare modifiche all'invenzione sopra descritta, senza per ciò uscire dall'ambito della medesima.

Ad esempio, è possibile realizzare le asole 15’, 15" e 15'" nel terzo passo 32 del processo per mezzo di una operazione di incisione anisotropa mediante attacco chimico, secondo la medesima tecnica del tipo ICP applicata alia faccia inferiore 21 del substrato 11 nel secondo passo 31, dopo aver steso una opportuna maschera protettiva di fotoresist come nel primo passo 30, lasciando scoperte le aree delle asole 15' 15" e 15”' stesse.

Oppure è possibile ricavare, nel secondo passo del processo precedentemente descritto, delle "isole” o ‘pilastrini* nelle aree dei bacini 14', 14" e 14"’ circostanti le corrispondenti asole 15’, 15" e 15’", aventi la funzione, come è noto a chi è esperto dei settore, di trattenere eventuali impurità e bolle d’aria contenute nell'inchiostro, evitando che esse possano andare a compromettere la funzionalità degli ugelli.

E’ anche possibile, anziché realizzare le asole 15’, 15" e 15’”, creare al loro posto una serie di fori circolari, ad esempio di diametro 0,3 mm, allineati in direzione parallela al lato maggiore 29 del substrato di silicio 11, e disposti secondo un passo tipicamente compreso tra 1 e 1,5 mm.

E’ possibile, infine, prima di effettuare il secondo passo 31 del processo, rendere poroso uno strato sacrificale di silicio sulla faccia superiore 20, ad esempio di circa 50 μm di profondità, nella zona dove verrà effettuata l’incisione anisotropa mediante attacco chimico, per rendere più veloce quest’ultima operazione.

In breve, fermo restando il principio della presente invenzione, i particolari realizzativi e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione stessa.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Testina di stampa a getto di inchiostro, comprendente: un gruppo attuatoli includente un substrato di silicio avente una faccia superiore, una faccia inferiore ed uno spessore; uno strato di fotopolimero depositato su detta faccia superiore di detto substrato di silicio; ed una piastra ugelli aderente a detto strato di fotopolimero da un lato opposto rispetto a detto substrato di silicio, detta piastra ugelli avente almeno un primo gruppo di ugelli ed un secondo gmppo di ugelli separati da una distanza; ed almeno due serbatoi di inchiostro fissati a detta faccia inferiore di detto substrato, un primo serbatoio di detti due serbatoi contenente un primo inchiostro fluidicamente collegato a detto primo gruppo di ugelli per mezzo di un primo condotto ricavato in detto spessore di detto substrato, ed un secondo serbatoio contenente un secondo inchiostro fluidicamente collegato a detto secondo gruppo di ugelli per mezzo di un secondo condotto ricavato in detto spessore di detto substrato, caratterizzata dal fatto che detto primo condotto comprende una prima asola che inizia da detta faccia inferiore di detto substrato e sfocia in un primo bacino ricavato su detta faccia superiore di detto substrato, e che detto secondo condotto comprende una seconda asola che inizia da detta faccia inferiore di detto substrato e sfocia in un secondo bacino ricavato su detta faccia superiore di detto substrato, una prima distanza tra detta prima asola e detta seconda asola su detta faccia inferiore di detto substrato essendo maggiore di una seconda distanza tra detto primo bacino e detto secondo bacino su detta faccia superiore di detto substrato.
2. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo bacino e detto secondo bacino sono ricavati su detta faccia superiore di detto substrato per mezzo di una operazione di incisione anisotropa mediante attacco chimico del tipo a plasma ad accoppiamento induttivo.
3. Testina di stampa secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta prima asola e detta seconda asola sono ricavate in detto spessore di detto substrato per mezzo di una operazione di taglio mediante sabbiatura.
4. Testina di stampa secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta prima asola e detta seconda asola sono ricavate in detto spessore di detto substrato per mezzo di una operazione di incisione anisotropa mediante attacco chimico del tipo a plasma ad accoppiamento induttivo.
5. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo bacino e detto secondo bacino possiedono una profondità, caratterizzata dal fatto che detta profondità è compresa tra 25 e 100 μm .
6. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta prima distanza tra detta prima asola e detta seconda asola su detta faccia inferiore di detto substrato è compresa tra 25/600' di pollice e 35/600' di pollice, e detta seconda distanza tra detto primo bacino e detto secondo bacino su detta faccia superiore di detto substrato è compresa tra 10/600' di pollice e 15/600' di pollice.
7. Testina di stampa secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detta distanza che separa detto primo gruppo di ugelli e detto secondo gruppo di ugelli è sostanzialmente uguale a detta seconda distanza tra detto primo bacino e detto secondo bacino su detta faccia superiore di detto substrato .
8. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, in cui detto substrato di silicio ha una forma rettangolare con un lato maggiore ed un lato minore, caratterizzata dal fatto che detto lato maggiore ha una lunghezza compresa tra 10 e 30 mm e detto lato minore ha una lunghezza compresa tra 3 e 5 mm.
9. Testina di stampa secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto spessore di detto substrato di silicio è compreso tra 0,4 e 0,8 mm.
10. Testina di stampa secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto primo gruppo di ugelli e detto secondo gruppo di ugelli comprendono una pluralità di ugelli disposti su due file parallele a detto lato maggiore.
11. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo inchiostro differisce da detto secondo inchiostro per il colore.
12. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo inchiostro differisce da detto secondo inchiostro per una diversa velocità di asciugatura.
13. Testina di stampa secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre un terzo gruppo di ugelli collegato fluidicamente ad un terzo serbatoio di inchiostro contenente un terzo inchiostro, caratterizzata dal fatto che detto primo inchiostro è un inchiostro di colore ciano, detto secondo inchiostro è un inchiostro di colore magenta e detto terzo inchiostro è un inchiostro di colore giallo.
14. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta prima asola e detta seconda asola hanno una forma rettangolare con un lato minore di lunghezza pari a 4/300' di pollice.
15. Testina di stampa secondo la rivendicazione 14, caratterizzata dal fatto che detto primo bacino e detto secondo bacino hanno una forma rettangolare con un Iato minore di lunghezza pari a 5/300' di pollice e sono disposte concentricamente intorno rispettivamente a detta prima asola e a detta seconda asola .
16. Testina di stampa secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto primo bacino e detto secondo bacino contengono al loro interno almeno un’isola ricavata per mezzo di detta operazione di incisione anisotropa mediante attacco chimico del tipo a plasma ad accoppiamento induttivo.