JP3632440B2

JP3632440B2 - Inkjet head manufacturing method

Info

Publication number: JP3632440B2
Application number: JP14521898A
Authority: JP
Inventors: 勝三上西; 純司塩田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: JPH11334086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板にオリフィス板を積層する際の温度制御が容易なインクジェットヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、サーマルインクジェット方式を用いたプリンタが主流を占めてきている。このサーマルインクジェット方式は、印字のために射出するインクの液滴形成過程において、▲１▼ヒータを熱してヒータ面上に核気泡を発生させる。▲２▼この核気泡が合体して膜気泡が生まれる。▲３▼この膜気泡が断熱膨脹して成長する。▲４▼その成長した膜気泡が周囲のインクに熱を取られて収縮する。▲５▼ついには膜気泡が消滅し、次のヒータ加熱を待つ、という一連の工程を瞬時に行うことによって成り立っている。そして、上記の▲１▼〜▲３▼の工程には膜沸騰現象が利用されている。
【０００３】
膜沸騰現象は、例えば鉄の焼き入れのように高温に加熱された物体を液体中に漬けた場合と、液体と接する物体の表面温度を急激に上げた場合とに発現するが、サーマルインクジェットプリンタに用いられる膜沸騰現象は後者の「液体と接する物体の表面温度を急激に上げる」方法によっている。
【０００４】
また、このように膜沸騰現象を利用し、三原色のインクを吐出して、フルカラー印刷を行うインクジェットプリンタの印字ヘッド（サーマルインクジェットヘッド）は、一般に、シリコンＬＳＩと薄膜技術を利用して、個々の駆動回路とインク吐出ノズル（オリフィス）が一括して形成されることにより製造される。
【０００５】
そして、例えば解像度が３６０ｄｐｉ（ドット／インチ）の印字ヘッドであれば１２８個のオリフィス（一般には導波管等の終端または壁面に形成されたエネルギー伝達用の孔又は窓の意に用いられてきた用語）が形成され、また、解像度が７２０ｄｐｉの場合であれば２５６個のオリフィスが形成される。
【０００６】
図６（ａ）は、そのようなオリフィスが形成されるオリフィス板を示す図である。同図（ａ）に示すように、オリフィス板１は、硬質のポリイミド等からなる樹脂フィルム２の表裏に熱可塑性のポリイミド等からなる接着剤層３−１、３−２が設けられ、その表面の接着剤層３−１に金属膜４を形成されてなる。
【０００７】
同図（ｂ）は、完成したサーマルインクジェットヘッドの部分断面図である。同図（ｂ）に示すサーマルインクジェットヘッド５は、シリコン基板６上に電極や発熱抵抗体等を形成された後、感光性ポリイミド等からなる隔壁兼離隔部材７を一面にコーティングされ、露光現像によりインクが通るインク溝８を形成された後、キュア（乾燥硬化）を施されて隔壁兼離隔部材７をシリコン基板６上に固着され、その上に上記のオリフィス板１が載置される。この後、オリフィス板１は、熱と圧とを加えられながら接着剤層３−２の後述する粘着性によって隔壁兼離隔部材７に接着され、更に、その後、発熱抵抗体に対応する位置にオリフィスを形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のポリイミド系の熱可塑材料（接着剤層３−１、３−２）は、一定の温度以上になると弾性率が急激に低下し、粘着性が増加して接着機能を現す。この高温下における接着機能をオリフィス板の接着に利用している。一般に上記の弾性率が低下する境界点の温度は、ガラス転移点またはガラス転移点温度（Ｔｇ）といわれている。
【０００９】
図６（ｃ）は、ポリイミド系の熱可塑材料の上述した温度に対する弾性率の変化特性の例を示す図である。同図は縦軸に弾性率を「ｄｙｎｅ／ｃｍ^２」で示し、横軸に温度を「℃」で示している。同図（ｃ）に示すように、このポリイミド系の熱可塑材料は、ガラス転移点の温度（Ｔｇ）以上の温度になると急激に弾性率が低下し粘着性が増加して、更に温度Ｔｈで溶融する（弾性率がゼロになる）。
【００１０】
上記のガラス転移点の温度（Ｔｇ）以上となって弾性率が急激に低下し始めてから、溶融するまでの間の、適度の弾性率のところで、その状態を維持しながら適度の圧力を一定時間加え続けることにより上述したオリフィス板の接着が完成する。したがって、このオリフィス板の接着には温度Ｔｇ以上で温度Ｔｈ以下という極めて狭い許容範囲のもとで最適の弾性率を示す温度を探り出し、その温度に制御を設定して実行する必要があった。
【００１１】
しかし、このような狭い範囲の温度制御には極めて高度の技術が要求される。これでは経費の上昇を招き、また、不良品の発生が多くなって、これらが製品コストの上昇に繋がるという問題を有していた。
【００１２】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、基板にオリフィス板を積層する際の温度制御が容易なインクジェットヘッドの製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、複数の発熱素子をアレー状に配設した発熱ヘッドを複数設け、上記発熱素子上に供給されるインクを該発熱素子にて加熱し、上記インクと上記発熱素子の界面に気泡を発生させることにより該発熱素子に対応するオリフィスからインク滴を吐出するインクジェットヘッドの製造方法であって、上記発熱素子が形成されたシリコン基板と片面に金属膜が設けられたフィルムとを積層する工程と、該積層されたフィルムを所定温度にて時間として５０〜６０分、圧力として５〜６ｋｇ／ｃｍ ^２にて加圧する工程と、から成り、上記フィルムには熱可塑性であり、且つガラス転移点以上の温度における弾性変化率が１０ ^９ｄｙｎｅ／ｃｍ ^２／℃以下である部材が用いられ、上記所定温度には上記フィルムのガラス転移点よりも高く且つ上記フィルムの弾性率が最小になる温度よりも低い温度が設定される。
【００１４】
そして、上記フィルムの上記ガラス転移点以上の温度における弾性変化率は、例えば請求項２記載のように、１０^８〜１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃に設定される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）及び図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、一実施の形態におけるインクジェットヘッドの製造方法を工程順に示す図である。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ概略の平面図を示しており、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図１（ａ），（ｂ），（ｃ）の詳細拡大部分図、図３（ａ）は、左方に図２（ａ）のＡ−Ａ′断面矢視図、右方に同じくＢ−Ｂ′断面矢視図を示し、図３（ｂ），（ｃ）は、同図（ａ）と同一部分の図２（ｂ），（ｃ）にそれぞれ対応する断面図である。
【００１７】
尚、これらの図では、説明の便宜上、いずれもインクジェットヘッドの１個の発熱ヘッドのみを示しているが、実際にはこのような発熱ヘッドが複数個連なって、１枚のシリコン基板上に形成される。また、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれ下に示している断面図は、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）のそれぞれ左方に示す断面図と同一のものである。
【００１８】
先ず、工程１として、４インチ以上のシリコン基板にＬＳＩ形成処理により駆動回路とその端子を形成し、次に、工程２として、薄膜技術を用いて、Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯなどの微細抵抗、及びＮｉなどによる電極を形成する。この工程で発熱抵抗体の位置が決められる。
【００１９】
図１（ａ）、図２（ａ）及び図３（ａ）は、その工程１及び工程２が終了した直後の状態を示している。すなわち、シリコン基板１０上には、共通電極１２、共通電極給電端子１３（図１（ａ）参照）、個別配線電極１４、抵抗１５、駆動回路１６、及び駆動回路端子１７（図１（ａ）参照）が形成されている。
【００２０】
続いて、工程３として、個々のインク吐出口に対応するインク溝を形成すべく感光性ポリイミドなどの有機材料からなる隔壁兼離隔部材を積層する。ここでは上記の感光性ポリイミドをコーティングし、パターン化した後に、３００℃〜４００℃の熱を３０分〜６０分加えて上記感光性ポリイミド（隔壁兼離隔部材）をシリコン基板上に固着させるキュア（乾燥硬化）を行う。更に、工程４として、ウェットエッチングまたはサンドブラスト法などにより上記シリコン基板にインク供給路とインク供給孔を形成する。
【００２１】
図１（ｂ）、図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、上述の工程３及び工程４が終了した直後の状態を示している。すなわち、インク供給路１８、及びインク供給孔２０（図３（ａ）参照）が形成され、共通電極１２のインク供給路１８の左側に位置する部分と、個別配線電極１４が配設されている部分、及び各抵抗１５と抵抗１５の間に、隔壁兼離隔部材１９が積層されている。隔壁兼離隔部材１９の上記各抵抗１５間に積層される部分は、個別配線電極１４上の部分１９−１を櫛の胴とすれば、各抵抗１５間に伸び出す部分１９−２は櫛の歯に相当する形状をなしている。これにより、この櫛の歯を隔壁として、その歯と歯の間の付け根部分に抵抗１５が位置する微細なインク溝が、抵抗１５の数だけ形成される。
【００２２】
この後、工程５として、厚さ２０〜４０μｍの熱可塑性ポリイミドからなるフィルムの片面に、Ｎｉ、Ｃｕ又はＡｌなどの金属膜を真空装置で１μｍ程度蒸着して形成されたオリフィス板を、上記の最上層に張り付けて、上記隔壁兼離隔部材によって形成されたインク溝に蓋をして個別の微細通路（インク溝坑）を形成し、上記の熱可塑材料（オリフィス板）のガラス転移点温度より高い温度に設定した環境で、５〜６ｋｇ／ｃｍ^２の平行加圧を行いながら、５０〜６０分間、均一に固定して、シリコン基板に張り付ける。
【００２３】
更に、工程６として、オリフィス板の上の金属膜をパターン化して、ポリイミドを選択的にエッチングするマスクを形成する。工程７として、オリフィス板をＥＣＲなどのドライエッチングなどにより上記の金属膜マスクに従って４０μｍφ〜２０μｍφの孔空けをして多数のノズル孔（オリフィスともいう）を一括形成する。尚、孔空けはエキシマレーザなどを用いて行ってもよい。
【００２４】
ここまでが、ウェハの状態で処理される。そして、最後に、工程８として、ダイシングソーなどを用いてカッテングして、単位毎に個別に分割し、実装基板にダイスボンデングし、端子接続して完成する。
【００２５】
図１（ｃ）、図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、上述した工程５と工程６が終了した直後の状態を示している。すなわち、オリフィス板２１が駆動回路１６と給電端子１３及び１７の部分を除く全領域を覆っており、上記のインク溝も上を覆われて隔壁兼離隔部材１９の厚さ１０μｍに対応する高さの坑状のインク溝２２を形成している。
【００２６】
そして、オリフィス板２１には、抵抗１５に対応する部分にノズル孔（オリフィス）２３がドライエッチングまたエキシマレーザによって形成されており、これにより、１列のノズル孔２３を備えた発熱ヘッド２４が完成する。
【００２７】
この発熱ヘッド２４は、印字に際しては、抵抗１５が印字情報に応じて選択的に通電され、瞬時に発熱して膜沸騰現象を発生させ、その抵抗１５に対応するノズル孔２３からインク滴が吐出される。このようなインクジェット方式ではインク滴はノズル孔２３の径に対応する大きさの略球形で吐出され、紙面上には略その倍の径の大きさとなって印字される。
【００２８】
ところで、上述した発熱ヘッド（インクジェットヘッド）の製造方法においては、本実施の形態における特徴として、オリフィス板には特別の弾性特性を備えた可塑性樹脂を用いており、これによって、温度制御を容易にし、またオリフィス板の前加工の工数を減じて製造コストの低減を実現している。以下、これについて説明する。
【００２９】
図４（ａ）は、本実施の形態におけるインクジェットヘッドの製造に使用されるオリフィス板の構成を示す図であり、同図（ｂ）はそのオリフィス板を積層されて完成したインクジェットヘッドの部分断面図、同図（ｃ）はそのオリフィス板の弾性率の温度変化特性について説明する図である。尚、同図（ａ），（ｂ）には、図１〜図３を参照可能なように、図１〜図３に示した構成と同一の部分には、図１〜図３と同一の番号を付与して示している。
【００３０】
前述の工程５でも説明したが、本実施の形態におけるインクジェットヘッドの製造に使用されるオリフィス板２１は、この図４（ａ）に示すように、厚さ２０〜４０μｍの熱可塑性ポリイミドからなるフィルム２５の片面に、Ｎｉ、Ｃｕ又はＡｌなどの金属膜２６を真空装置で１μｍ程度蒸着して形成される。ポリイミド系の熱可塑性材料は常温では性質の安定したフィルムであるため、このように真空装置での金属蒸着が可能である。
【００３１】
このオリフィス板２１を、図４（ｂ）に示すように、基板の最上層（隔壁兼離隔部材１９上）に仮固定し、均一に接着・固定するために、素材であるポリイミド系熱可塑性樹脂のガラス転移点温度より高い温度に設定した環境で、且つこのポリイミド系熱可塑性樹脂の弾性率に見合った加圧と時間で、すなわち５０〜６０分の間、５〜６ｋｇ／ｃｍ^２の平行加圧を行うことによって、オリフィス板２１をシリコン基板上（つまり実際には隔壁兼離隔部材１９上）に張り付ける。
【００３２】
上記のオリフィス板２１の熱可塑性樹脂フィルムには、ガラス転移点以上の温度における弾性変化率が１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃以下、又は１０^８〜１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃である熱可塑性樹脂フィルムのみが使用される。この理由を以下に説明する。
【００３３】
図４（ｃ）に示す弾性率変化特性図は、縦軸に弾性率を「ｄｙｎｅ／ｃｍ^２」で示し、横軸に温度を「℃」で示している。同図（ｃ）に実線Ｂで示す特性曲線は、図６（ｃ）に示した特性曲線と同様のものを参考のために再掲したものである。この実線Ｂで示す特性曲線を描くポリイミド系の熱可塑材料は、ガラス転移点の温度２００℃以上で急激に弾性率が低下し（粘着性が増加し）、温度２１０℃で溶融する。すなわちガラス転移点温度２００℃から上記の弾性率が最低となる温度２１０℃までの温度幅は１０℃である。
【００３４】
すなわち、この熱可塑材料のガラス転移点以上の温度変化に対する弾性率の変化の割合は、実線Ｂの変化曲線から、１０^１１〜１０^１０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／１０℃＝１０^９〜１０^１０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃で表わすことができる。
【００３５】
熱可塑材料の接着に適切とされる粘着性は、上記の弾性率が１０^１１〜１０^１０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の中間の限られた範囲にあるときであるので、実線Ｂの特性曲線を描くポリイミド系の熱可塑材料では、２００℃〜２１０℃の１０℃の狭い範囲の中の更に限られた範囲の温度で制御しなければならない。例えば中間の１／３の範囲とすれば２０３．３℃〜２０６．６℃、すなわち、３．３℃の制御幅しかないことになる。
【００３６】
これに対して、本実施の形態におけるポリイミド系の熱可塑材料は、図４（ｃ）の実線Ａで示すように、ガラス転移点は、温度２５０℃であり、弾性率最低点は温度３２０℃である。すなわちガラス転移点から弾性率最低点まで７０℃の温度幅を有して弾性率は比較的なだらかに変化する。
【００３７】
このガラス転移点以上の温度変化に対する弾性率の変化の割合は、実線Ａの変化曲線から、１０^１１〜１０^１０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／７０℃≒１０^８〜１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃で表わすことができる。
【００３８】
上述したように、熱可塑材料の接着に適切とされる粘着性は、上記の弾性率が１０^１１〜１０^１０ｄｙｎｅ／ｃｍ^２の中間の限られた範囲にあるときであるが、実線Ａの弾性率変化特性曲線を描くポリイミド系の熱可塑材料であると、２５０℃〜３２０℃の７０℃という広い範囲の中で設定される範囲であるから、その温度制御は極めて容易である。例えば中間の１／３の範囲とすれば２７３．３℃〜２９６．６℃、すなわち２３．３℃という広い温度制御幅を有している。
【００３９】
したがって、十分な接着性が発現するような弾性率で且つ軟化し過ぎてインク溝等に垂れ込まない程度の弾性率という極めて限定された範囲の弾性率に対して、比較的広い範囲の温度を設定することができ、これにより、その目標とする弾性率を維持するための温度制御を容易に行うことができる。
【００４０】
また、これにより、不充分な温度制御による溶融を警戒して薄い熱可塑剤層（接着剤層）を別個に塗布する必要がなくなり、したがって、オリフィス板のフィルムそのものを熱可塑性樹脂で構成することができるようになる。
【００４１】
尚、上記のオリフィス板２１の樹脂フィルム２５におけるガラス転移点以上の温度変化に対する弾性率の変化の割合は、略１０^８〜１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃と限るものではなく、それ以下となる特性を有するものであればよい。そうすれば温度制御は更に容易となって具合がよい。
【００４２】
このようにして、オリフィス板２１をシリコン基板上に張り付けた後、その金属膜２６をパターン化し、このパターン化した金属膜２６をマスクとして、オリフィス板２１、つまり熱可塑性ポリイミドフィルム２５に、ＥＣＲなどのドライエッチングによりオリフィス加工する。
【００４３】
このようにオリフィス板２１をシリコン基板上に張り付けて、その後で、下地のパターン、つまり発熱抵抗体１５の位置に合わせてオリフィス２３（図２（ｃ）及び図３（ｃ）参照）を加工することは、予めオリフィスを加工したオリフィス板を張り合わせるよりも、遥かに生産性の高い実用性のある方法である。また、ドライエッチングによる場合は、マスクはＮｉ、Ｃｕ、又はＡｌなどの金属膜を使うことで樹脂と金属膜との選択比が概略１００程度得られるので、２０〜４０μｍのポリイミドフィルムのエッチングには１μｍ以下の金属膜でマスクを形成することで十分である。
【００４４】
尚、上記の製造方法では、インク吐出部と駆動回路とを一体で構成する例で説明したが、インクジェットヘッドの部分だけをシリコン基板またはガラス基板などの基板に形成する場合でも、駆動回路を形成する工程を除いて他の工程は全く同様である。また、上記の例では、駆動回路が露出した状態で示されているが、実際には、説明では省略したが保護膜が形成されている。また、保護膜を後からわざわざ形成するのではなく、オリフィス板２１を図１（ｃ）の右方に延長して積層するようにして、オリフィス板２１に駆動回路の保護膜を兼用させるようにしてもよい。
【００４５】
また、通常フルカラー印字においては、減法混色の三原色であるイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の３色に、文字や画像の黒部分に専用されるブラック（Ｂｋ）を加えて合計４色のインクを必要とする。したがって、最低でも４列のノズル列が必要である。そして、上述した製造方法によれば４列の素子をモノリシックに構成することは可能であり、各列の位置関係も今日の半導体の製造技術により正確に配置することが可能である。
【００４６】
図４（ｂ）は、上述の図１、図２及び図３に示したシリコン基板１０、共通電極１２、共通電極給電端子１３、個別配線電極１４、抵抗１５、駆動回路１６、駆動回路端子１７、インク供給路１８、隔壁部材１９、インク供給孔２０、オリフィス板２１、インク溝２２、ノズル孔２３の各部を１組としてなる素子（発熱ヘッド２４）を４列並べてフルカラーのインクジェットヘッド２８を構成した状態を示す図である。尚、図４（ａ）には、発熱ヘッド２４が４列並んだ構成を分かり易く示すため、図１（ａ）に示した工程１〜工程２まで終了した状態のものを示している。また、図４（ｂ）に示す形態は、オリフィス板２１に駆動回路の保護膜を兼用させる形態のものを示している。
【００４７】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、インクジェットヘッド２８は、４個の発熱ヘッド２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ）が並んで配置され、例えばインク供給路１８ａからＹインクが発熱ヘッド２４ａのインク溝２２（図３（ｃ）参照）に供給され、インク供給路１８ｂからＭインクが発熱ヘッド２４ｂのインク溝２２に供給され、インク供給路１８ｃからＣインクが発熱ヘッド２４ｃのインク溝２２に供給され、そして、インク供給路１８ｄからはＢｋインクが発熱ヘッド２４ｄのインク溝２２に供給される。
【００４８】
このようにして得られるフルカラーのインクジェットヘッドは、解像度が３６０ｄｐｉの場合であれば１２８ノズル×４列＝６４０ノズルを備えることになり、概略８．５ｍｍ×１９．０ｍｍの大きさに形成される。また解像度が７２０ｄｐｉの場合であれば、２５６ノズル×４列＝１２８０ノズルが、ほぼ８．５ｍｍ×１９．０ｍｍの大きさの中に形成される。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、オリフィス板の樹脂フィルムをガラス転移点以上の温度変化に対する弾性率の変化の割合が略１０^８〜１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃又はそれ以下となる熱可塑性材料に設定するので、適切な粘着性の得られる状態に維持するための温度制御が容易となり、したがって、不良品の発生が低減して製品歩留まりが向上する。
【００５０】
また、温度制御が容易であるため制御不良による溶融の心配がないので、オリフィス板の樹脂フィルムそのものに熱可塑性樹脂を使用でき、従来のように非熱可塑性のオリフィス板の両面に薄い熱可塑性の接着層を別個にコーティングする必要がなく、これにより、工数が減少し且つ構造が簡単になり、したがって、生産効率の向上と製品コストの削減に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ），（ｃ）は一実施の形態におけるインクジェットヘッドの製造方法を工程順に示す概略の平面図である。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１の詳細拡大部分図である。
【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図２のそれぞれ異なる位置の断面図である。
【図４】（ａ）は一実施の形態におけるインクジェットヘッドの製造に使用されるオリフィス板の構成を示す図、（ｂ）はそのオリフィス板を積層されて完成したインクジェットヘッドの部分断面図、（ｃ）はそのオリフィス板の温度に対する弾性特性について説明する図である。
【図５】（ａ），（ｂ）はフルカラーのインクジェットヘッドを示す図である。
【図６】（ａ）は従来のオリフィス板を示す図、（ｂ）はそのオリフィス板を積層されて完成したインクジェットヘッドの部分断面図、（ｃ）は熱可塑性樹脂（接着剤層）の温度に対する弾性特性を示す図である。
【符号の説明】
１オリフィス板
２樹脂フィルム
３−１、３−２接着剤層
４金属膜
５サーマルインクジェットヘッド
６シリコン基板
７隔壁兼離隔部材
７−１、７−２パターン
８インク溝
１０シリコン基板
１２共通電極
１３共通電極給電端子
１４個別配線電極
１５抵抗
１６駆動回路
１７駆動回路端子
１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ）インク供給路
１９隔壁兼離隔部材
１９−１櫛の胴相当部分
１９−２櫛の歯相当部分
２０インク供給孔
２１オリフィス板
２２インク溝
２３ノズル孔（オリフィス）
２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ）発熱ヘッド
２５熱可塑性樹脂フィルム
２６Ｎｉ、Ｃｕ又はＡｌなどの金属膜
２８フルカラーのインクジェットヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing an ink jet head that allows easy temperature control when an orifice plate is laminated on a substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, printers using a thermal ink jet method have been dominant. In this thermal ink jet method, in the process of forming droplets of ink ejected for printing, (1) a heater is heated to generate nuclear bubbles on the heater surface. (2) Membrane bubbles are formed by combining these nuclear bubbles. (3) This film bubble grows adiabatically. {Circle around (4)} The grown film bubbles are contracted by the surrounding ink taking heat. {Circle around (5)} Finally, the film bubbles disappear and the next heater heating is waited for to perform a series of steps instantaneously. The film boiling phenomenon is used in the steps (1) to (3).
[0003]
The film boiling phenomenon occurs when an object heated to a high temperature, for example, iron quenching, is immersed in a liquid, and when the surface temperature of an object in contact with the liquid is suddenly increased. The film boiling phenomenon used in the above is based on the latter method of “raising the surface temperature of an object in contact with a liquid rapidly”.
[0004]
In addition, print heads (thermal ink jet heads) of ink jet printers that perform full color printing by ejecting inks of the three primary colors using the film boiling phenomenon as described above generally use silicon LSI and thin film technology. A drive circuit and an ink discharge nozzle (orifice) are manufactured in a lump.
[0005]
For example, in the case of a print head having a resolution of 360 dpi (dots / inch), 128 orifices (generally used for the end of a waveguide or the like or a hole or window for energy transmission formed on a wall surface). Term) is formed, and if the resolution is 720 dpi, 256 orifices are formed.
[0006]
FIG. 6A is a view showing an orifice plate in which such an orifice is formed. As shown in FIG. 2A, the orifice plate 1 is provided with adhesive layers 3-1 and 3-2 made of thermoplastic polyimide on the front and back sides of a resin film 2 made of hard polyimide and the surface thereof. The metal film 4 is formed on the adhesive layer 3-1.
[0007]
FIG. 2B is a partial cross-sectional view of the completed thermal ink jet head. In the thermal ink jet head 5 shown in FIG. 2B, an electrode, a heating resistor, and the like are formed on a silicon substrate 6, and then a partition / separation member 7 made of photosensitive polyimide or the like is coated on the entire surface. After the ink groove 8 through which the ink passes is formed, curing (dry curing) is performed to fix the partition / separation member 7 on the silicon substrate 6, and the orifice plate 1 is placed thereon. Thereafter, the orifice plate 1 is bonded to the partition / separation member 7 by the adhesiveness described later of the adhesive layer 3-2 while applying heat and pressure, and then the orifice plate 1 is positioned at a position corresponding to the heating resistor. Formed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the above-mentioned polyimide thermoplastic materials (adhesive layers 3-1 and 3-2) have an elastic modulus that is abruptly lowered when the temperature is higher than a certain temperature, and the adhesiveness is increased to exhibit an adhesive function. This bonding function under high temperature is used for bonding the orifice plate. Generally, the temperature at the boundary point at which the elastic modulus decreases is referred to as a glass transition point or a glass transition temperature (Tg).
[0009]
FIG. 6C is a diagram illustrating an example of a change characteristic of the elastic modulus with respect to the temperature of the polyimide-based thermoplastic material. In the figure, the vertical axis indicates the elastic modulus by “dyne / cm ² ” and the horizontal axis indicates the temperature by “° C.”. As shown in FIG. 4C, when the temperature of the polyimide-based thermoplastic material reaches a temperature equal to or higher than the glass transition temperature (Tg), the elastic modulus rapidly decreases and the adhesiveness increases. Melts (elastic modulus becomes zero).
[0010]
At a moderate elastic modulus from the time when the elastic modulus begins to drop sharply when it reaches the temperature (Tg) above the glass transition point and melts, an appropriate pressure is maintained for a certain period of time while maintaining that state. By continuing the addition, the above-mentioned bonding of the orifice plate is completed. Therefore, it was necessary to search for a temperature exhibiting the optimum elastic modulus within a very narrow allowable range of the temperature Tg or more and the temperature Th or less, and set the control to the temperature for the bonding of the orifice plate.
[0011]
However, extremely high technology is required for temperature control in such a narrow range. This causes an increase in expenses, and the occurrence of defective products increases, leading to an increase in product cost.
[0012]
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an ink jet head in which temperature control is easy when laminating an orifice plate on a substrate in view of the above-described conventional situation.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing an ink jet head according to the present invention includes providing a plurality of heat generating heads in which a plurality of heat generating elements are arranged in an array, heating the ink supplied onto the heat generating elements with the heat generating elements, and the ink and the heat generating elements. A method of manufacturing an ink jet head that discharges ink droplets from an orifice corresponding to a heat generating element by generating bubbles at an interface of the element, wherein the silicon substrate on which the heat generating element is formed and a metal film is provided on one side laminating a film, 50-60 minutes the laminated film as a time at a predetermined temperature, made, the step of pressing at 5~6kg / cm ² as the pressure in the thermoplastic in the film There, and elastic change rate at a temperature higher than the glass transition point is 10 ⁹ dyne ^/ cm 2 / ℃ is in a member or less is used, the full to the predetermined temperature Modulus of higher and the film than the glass transition point of Lum temperature lower than the temperature at which the minimum is set.
[0014]
And the elastic change rate in the temperature more than the said glass transition point of the said film is set to 10 < ⁸ > -10 < ⁹ > dyne / cm < ² > / (degreeC) like Claim 2, for example.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 (a), (b), (c), FIGS. 2 (a), (b), (c) and FIGS. 3 (a), (b), (c) are inkjet heads according to an embodiment. It is a figure which shows these manufacturing methods in process order. 1 (a), (b), and (c) show schematic plan views, respectively, and FIGS. 2 (a), (b), and (c) show FIGS. 1 (a), (b), and (c), respectively. FIG. 3 (a) is a partial enlarged view of c), FIG. 3 (a) is a cross-sectional view taken along the line AA 'of FIG. 2 (a) on the left, and a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. (B), (c) is sectional drawing corresponding to FIG. 2 (b), (c) of the same part as FIG. 2 (a), respectively.
[0017]
In these drawings, for convenience of explanation, only one heat generating head of the ink jet head is shown, but in reality, a plurality of such heat generating heads are formed on one silicon substrate. Is done. Also, the cross-sectional views shown below in FIGS. 1A, 1B, and 1C are the same as the cross-sectional views shown on the left side of FIGS. 3A, 3B, and 3C, respectively. Is.
[0018]
First, as a process 1, a drive circuit and its terminals are formed on a silicon substrate of 4 inches or more by an LSI formation process, and then as a process 2, using a thin film technology, a fine resistance such as Ta-Si-SiO, and An electrode made of Ni or the like is formed. In this step, the position of the heating resistor is determined.
[0019]
FIG. 1A, FIG. 2A, and FIG. 3A show a state immediately after Step 1 and Step 2 are completed. That is, on the silicon substrate 10, the common electrode 12, the common electrode power supply terminal 13 (see FIG. 1A), the individual wiring electrode 14, the resistor 15, the drive circuit 16, and the drive circuit terminal 17 (FIG. 1A). Reference) is formed.
[0020]
Subsequently, as step 3, a partition / separation member made of an organic material such as photosensitive polyimide is laminated so as to form ink grooves corresponding to individual ink discharge ports. Here, after coating and patterning the above-mentioned photosensitive polyimide, curing at which the photosensitive polyimide (partition / separation member) is fixed on the silicon substrate by applying heat at 300 to 400 ° C. for 30 to 60 minutes. Dry and harden). Further, as step 4, an ink supply path and an ink supply hole are formed in the silicon substrate by wet etching or sand blasting.
[0021]
FIGS. 1B, 2B, and 3B show a state immediately after the above-described step 3 and step 4 are finished. That is, an ink supply path 18 and an ink supply hole 20 (see FIG. 3A) are formed, and a portion of the common electrode 12 located on the left side of the ink supply path 18 and an individual wiring electrode 14 are disposed. A partition / separation member 19 is laminated between the portion and each resistor 15. The portion of the partition / separation member 19 that is laminated between the resistors 15 is formed such that if the portion 19-1 on the individual wiring electrode 14 is a comb body, the portion 19-2 that extends between the resistors 15 is a comb. It has a shape corresponding to a tooth. As a result, the comb teeth are used as partition walls, and minute ink grooves in which the resistor 15 is located at the root portion between the teeth are formed by the number of the resistors 15.
[0022]
Thereafter, as step 5, an orifice plate formed by vapor-depositing a metal film of Ni, Cu, Al or the like with a vacuum apparatus on one side of a film made of thermoplastic polyimide having a thickness of 20 to 40 μm is formed as described above. Attached to the uppermost layer, the ink groove formed by the partition / separation member is covered to form individual fine passages (ink groove wells), and from the glass transition temperature of the thermoplastic material (orifice plate). In an environment set at a high temperature, the film is uniformly fixed for 50 to 60 minutes and applied to the silicon substrate while performing parallel pressing at 5 to 6 kg / cm ² .
[0023]
Further, in step 6, a metal film on the orifice plate is patterned to form a mask for selectively etching polyimide. In step 7, a large number of nozzle holes (also referred to as orifices) are collectively formed by making holes of 40 μm to 20 μm in accordance with the above metal film mask by dry etching such as ECR on the orifice plate. The hole formation may be performed using an excimer laser or the like.
[0024]
Up to this point, the wafer is processed. Finally, as step 8, cutting is performed using a dicing saw or the like, and each unit is individually divided, die-bonded to a mounting board, and terminal-connected to complete.
[0025]
1C, 2C, and 3C show a state immediately after the above-described step 5 and step 6 are finished. That is, the orifice plate 21 covers the entire area except for the drive circuit 16 and the power supply terminals 13 and 17, and the ink groove is also covered so that the height corresponding to the thickness of the partition / separation member 19 is 10 μm. The pit-like ink groove 22 is formed.
[0026]
A nozzle hole (orifice) 23 is formed in the orifice plate 21 at a portion corresponding to the resistor 15 by dry etching or excimer laser. Thus, a heat generating head 24 having one row of nozzle holes 23 is completed. To do.
[0027]
In the heat generating head 24, during printing, the resistor 15 is selectively energized according to the printing information, and heat is generated instantaneously to generate a film boiling phenomenon, and ink droplets are ejected from the nozzle holes 23 corresponding to the resistor 15. Is done. In such an ink jet system, the ink droplets are ejected in a substantially spherical shape having a size corresponding to the diameter of the nozzle hole 23, and are printed on the paper surface with a size that is approximately twice that of the diameter.
[0028]
By the way, in the manufacturing method of the heat generating head (inkjet head) described above, as a feature of the present embodiment, a plastic resin having special elastic characteristics is used for the orifice plate, thereby facilitating temperature control. In addition, the manufacturing cost can be reduced by reducing the man-hours for pre-processing the orifice plate. This will be described below.
[0029]
FIG. 4A is a diagram showing a configuration of an orifice plate used for manufacturing the inkjet head in the present embodiment, and FIG. 4B is a partial cross-section of the inkjet head completed by stacking the orifice plates. FIG. 4C is a diagram for explaining the temperature change characteristic of the elastic modulus of the orifice plate. In FIGS. 1A and 1B, the same parts as those shown in FIGS. 1 to 3 are the same as those shown in FIGS. A number is given.
[0030]
As described in the above-mentioned step 5, the orifice plate 21 used for manufacturing the ink jet head in the present embodiment is a film made of thermoplastic polyimide having a thickness of 20 to 40 μm as shown in FIG. A metal film 26 of Ni, Cu, Al or the like is formed on one surface of 25 by vapor deposition with a vacuum apparatus by about 1 μm. Since a polyimide-based thermoplastic material is a film having stable properties at room temperature, metal vapor deposition in a vacuum apparatus is possible in this way.
[0031]
As shown in FIG. 4 (b), the orifice plate 21 is temporarily fixed to the uppermost layer (on the partition and separation member 19) of the substrate, and in order to bond and fix uniformly, a polyimide thermoplastic resin as a material is used. In an environment set to a temperature higher than the glass transition temperature of the polyimide, and at a pressure and time commensurate with the modulus of elasticity of the polyimide-based thermoplastic resin, that is, for 50 to 60 minutes, parallel application of 5 to 6 kg / cm ² is performed. By applying pressure, the orifice plate 21 is stuck on the silicon substrate (that is, actually on the partition and separation member 19).
[0032]
The thermoplastic resin film of the orifice plate 21 has a thermoplastic change rate of 10 ⁹ dyne / cm ² / ° C. or lower, or 10 ⁸ to 10 ⁹ dyne / cm ² / ° C. at a temperature equal to or higher than the glass transition point. Only resin films are used. The reason for this will be described below.
[0033]
In the elastic modulus change characteristic diagram shown in FIG. 4C, the vertical axis indicates the elastic modulus as “dyne / cm ² ” and the horizontal axis indicates the temperature as “° C.”. The characteristic curve indicated by the solid line B in FIG. 6C is the same as the characteristic curve shown in FIG. The polyimide-based thermoplastic material that draws the characteristic curve shown by the solid line B rapidly decreases in elastic modulus (adhesion increases) at a glass transition temperature of 200 ° C. or higher and melts at a temperature of 210 ° C. That is, the temperature range from the glass transition temperature 200 ° C. to the temperature 210 ° C. at which the above elastic modulus is minimum is 10 ° C.
[0034]
That is, the rate of change of the elastic modulus with respect to temperature change than the glass transition point of the thermoplastic material, the change curve of the solid line ^{^{B, 10 11 ~10 10 dyne /}} cm 2/10 ℃ = 10 9 ~10 10 dyne / It can be expressed in cm ² / ° C.
[0035]
The tackiness suitable for the adhesion of the thermoplastic material is when the above elastic modulus is in a limited range in the middle of 10 ¹¹ to 10 ¹⁰ dyne / cm ^2. In the thermoplastic materials of the system, the temperature must be controlled in a more limited range within a narrow range of 10 ° C from 200 ° C to 210 ° C. For example, if the intermediate range is 1/3, there is only a control range of 203.3 ° C. to 206.6 ° C., that is, 3.3 ° C.
[0036]
On the other hand, as shown by the solid line A in FIG. 4C, the polyimide-based thermoplastic material in the present embodiment has a glass transition temperature of 250 ° C. and a minimum modulus of elasticity of 320 ° C. It is. In other words, the elastic modulus changes comparatively slowly with a temperature range of 70 ° C. from the glass transition point to the lowest elastic modulus.
[0037]
Rate of change of the elastic modulus with respect to temperature change of more than the glass transition point, the change curve of the solid line ^A, represented by ^{^{10 11 ~10 10 dyne / cm 2}} /70 ℃ ≒ 10 8 ~10 9 dyne / cm 2 / ℃ be able to.
[0038]
As described above, the tackiness suitable for the adhesion of the thermoplastic material is when the above elastic modulus is in a limited range in the middle of 10 ¹¹ to 10 ¹⁰ dyne / cm ² . In the case of a polyimide-based thermoplastic material that draws an elastic modulus change characteristic curve, the temperature control is extremely easy because it is a range set in a wide range of 70 ° C. from 250 ° C. to 320 ° C. For example, if the intermediate range is 1/3, it has a wide temperature control range of 273.3 ° C. to 296.6 ° C., that is, 23.3 ° C.
[0039]
Accordingly, a relatively wide range of temperatures is used for a very limited range of elastic modulus, such as an elastic modulus that exhibits sufficient adhesiveness, and an elastic modulus that is too soft to sag into an ink groove or the like. Thus, temperature control for maintaining the target elastic modulus can be easily performed.
[0040]
This also eliminates the need to apply a separate thin thermoplastic layer (adhesive layer) to guard against melting due to insufficient temperature control, and therefore the orifice plate film itself is made of thermoplastic resin. Will be able to.
[0041]
The rate of change in elastic modulus with respect to temperature change above the glass transition point in the resin film 25 of the orifice plate 21 is not limited to approximately 10 ⁸ to 10 ⁹ dyne / cm ² / ° C., and is less than that. What has a characteristic should just be. Then, temperature control becomes easier and better.
[0042]
In this way, after the orifice plate 21 is attached to the silicon substrate, the metal film 26 is patterned, and the patterned metal film 26 is used as a mask to the orifice plate 21, that is, the thermoplastic polyimide film 25, ECR or the like. The orifice is processed by dry etching.
[0043]
In this way, the orifice plate 21 is pasted on the silicon substrate, and thereafter the orifice 23 (see FIGS. 2C and 3C) is processed in accordance with the pattern of the base, that is, the position of the heating resistor 15. This is a practical method that is far more productive than the pasting of orifice plates that have been previously processed. Further, in the case of dry etching, the mask is made of a metal film such as Ni, Cu, or Al, so that the selectivity of the resin to the metal film is approximately 100. It is sufficient to form the mask with a metal film of 1 μm or less.
[0044]
In the above manufacturing method, the example in which the ink discharge unit and the drive circuit are integrally formed has been described. However, even when only the ink jet head portion is formed on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, the drive circuit is formed. Except for the steps to perform, the other steps are exactly the same. In the above example, the drive circuit is exposed, but in reality, a protective film is formed although omitted in the description. Instead of forming the protective film afterwards, the orifice plate 21 is extended to the right in FIG. 1 (c) and laminated so that the orifice plate 21 also serves as the protective film of the drive circuit. May be.
[0045]
In normal full-color printing, black (Bk) dedicated to the black part of characters and images is added to the three subtractive colors, yellow (Y), magenta (M), and cyan (C). A total of four colors of ink are required. Therefore, at least four nozzle rows are necessary. According to the manufacturing method described above, four rows of elements can be monolithically configured, and the positional relationship of each row can be accurately arranged by today's semiconductor manufacturing technology.
[0046]
FIG. 4B shows the silicon substrate 10, common electrode 12, common electrode power supply terminal 13, individual wiring electrode 14, resistor 15, drive circuit 16, and drive circuit terminal 17 shown in FIGS. 1, 2, and 3. The ink supply path 18, partition member 19, ink supply hole 20, orifice plate 21, ink groove 22, and nozzle hole 23 are arranged as a set of four elements (heating head 24) to form a full-color inkjet head 28. It is a figure which shows the state which carried out. FIG. 4A shows a state in which the processes from Step 1 to Step 2 shown in FIG. 1A are completed in order to easily show the configuration in which the heat generating heads 24 are arranged in four rows. Further, the form shown in FIG. 4B shows a form in which the orifice plate 21 is also used as a protective film of the drive circuit.
[0047]
As shown in FIGS. 4A and 4B, the ink-jet head 28 has four heat generating heads 24 (24a, 24b, 24c, 24d) arranged side by side. For example, Y ink generates heat from the ink supply path 18a. The ink is supplied to the ink groove 22 (see FIG. 3C) of the head 24a, M ink is supplied from the ink supply path 18b to the ink groove 22 of the heat generating head 24b, and C ink is supplied from the ink supply path 18c to the ink of the heat generating head 24c. Bk ink is supplied to the groove 22, and Bk ink is supplied to the ink groove 22 of the heat generating head 24d from the ink supply path 18d.
[0048]
The full-color inkjet head thus obtained has 128 nozzles × 4 rows = 640 nozzles when the resolution is 360 dpi, and is formed to have a size of approximately 8.5 mm × 19.0 mm. If the resolution is 720 dpi, 256 nozzles × 4 rows = 1280 nozzles are formed in a size of approximately 8.5 mm × 19.0 mm.
[0049]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the rate of change in elastic modulus with respect to temperature change above the glass transition point of the resin film of the orifice plate is approximately 10 ⁸ to 10 ⁹ dyne / cm ² / ° C. or less. Therefore, it is easy to control the temperature to maintain an appropriate tackiness, and thus the generation of defective products is reduced and the product yield is improved.
[0050]
In addition, since temperature control is easy, there is no fear of melting due to poor control, so a thermoplastic resin can be used for the resin film of the orifice plate itself, and a thin thermoplastic film on both sides of the non-thermoplastic orifice plate as in the past. There is no need to coat the adhesive layer separately, which reduces man-hours and simplifies the structure, thus contributing to increased production efficiency and reduced product costs.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A, 1B, and 1C are schematic plan views showing a method of manufacturing an ink-jet head according to an embodiment in the order of steps.
FIGS. 2A, 2B, and 2C are detailed enlarged partial views of FIG.
3A, 3B, and 3C are cross-sectional views at different positions in FIG.
4A is a diagram showing a configuration of an orifice plate used for manufacturing an inkjet head in one embodiment, and FIG. 4B is a partial cross-sectional view of an inkjet head completed by stacking the orifice plates. c) is a diagram for explaining the elastic characteristics of the orifice plate with respect to temperature.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a full-color inkjet head. FIG.
6A is a view showing a conventional orifice plate, FIG. 6B is a partial sectional view of an ink jet head completed by laminating the orifice plate, and FIG. 6C is a temperature of a thermoplastic resin (adhesive layer). It is a figure which shows the elastic characteristic with respect to.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Orifice plate 2 Resin film 3-1, 3-2 Adhesive layer 4 Metal film 5 Thermal inkjet head 6 Silicon substrate 7 Partition / separation member 7-1, 7-2 Pattern 8 Ink groove 10 Silicon substrate 12 Common electrode 13 Common Electrode feeding terminal 14 Individual wiring electrode 15 Resistor 16 Drive circuit 17 Drive circuit terminal 18 (18a, 18b, 18c, 18d) Ink supply path 19 Partition / separation member 19-1 Comb body equivalent part 19-2 Comb tooth equivalent part 20 Ink supply hole 21 Orifice plate 22 Ink groove 23 Nozzle hole (orifice)
24 (24a, 24b, 24c, 24d) Heat generating head 25 Thermoplastic resin film 26 Metal film 28 such as Ni, Cu or Al Full-color inkjet head

Claims

複数の発熱素子をアレー状に配設した発熱ヘッドを複数設け、前記発熱素子上に供給されるインクを該発熱素子にて加熱し、前記インクと前記発熱素子の界面に気泡を発生させることにより該発熱素子に対応するオリフィスからインク滴を吐出するインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記発熱素子が形成されたシリコン基板と片面に金属膜が設けられたフィルムとを積層する工程と、
該積層されたフィルムを所定温度にて時間として５０〜６０分、圧力として５〜６ｋｇ／ｃｍ ^２にて加圧する工程と、
から成り、
前記フィルムには熱可塑性であり、且つガラス転移点以上の温度における弾性変化率が１０ ^９ｄｙｎｅ／ｃｍ ^２／℃以下である部材が用いられ、前記所定温度には前記フィルムのガラス転移点よりも高く且つ前記フィルムの弾性率が最小になる温度よりも低い温度が設定されることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。By providing a plurality of heat generating heads in which a plurality of heat generating elements are arranged in an array, heating the ink supplied onto the heat generating elements with the heat generating elements, and generating bubbles at the interface between the ink and the heat generating elements A method of manufacturing an ink jet head for discharging ink droplets from an orifice corresponding to the heat generating element,
Laminating a silicon substrate on which the heating element is formed and a film provided with a metal film on one side;
50-60 minutes the laminated film as a time at a predetermined temperature, a step of pressing at 5~6kg / cm ² as the pressure,
Consisting of
A member that is thermoplastic and has an elastic change rate of 10 ⁹ dyne / cm ² / ° C. or less at a temperature equal to or higher than the glass transition point is used for the film, and the predetermined temperature is higher than the glass transition point of the film. A method for manufacturing an ink-jet head, characterized in that the temperature is set higher than a temperature at which the elastic modulus of the film is minimized.

前記フィルムの前記ガラス転移点以上の温度における弾性変化率は１０^８〜１０^９ｄｙｎｅ／ｃｍ^２／℃であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。The method of manufacturing an ink jet head according to claim 1, wherein an elastic change rate at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the film is 10 ⁸ to 10 ⁹ dyne / cm ² / ° C.