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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf einen Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker
und insbesondere bezieht sich dieselbe auf einen Druckkopf, der
kleine Abmessungen verwendet, um Tintentropfen mit reduzierten Tropfengewicht
zu erzeugen.
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Tintenstrahldrucker arbeiten durch
Ausstoßen
eines geringen Tintenvolumens durch eine Mehrzahl von kleinen Löchern in
einer Lochplatte, die in der Nähe
eines Mediums gehalten wird, auf das ein Drucken oder Markierungen
plaziert werden soll. Diese Löcher
sind in der Lochplatte auf eine solche Weise angeordnet, daß der Ausstoß von Tintentropfen aus
einer ausgewählten
Anzahl von Löchern
relativ zu einer bestimmten Position des Mediums zu der Erzeugung
eines Abschnitts eines gewünschten
Zeichens oder Bildes führt.
Eine gesteuerte Neupositionierung der Lochplatte oder des Mediums
gefolgt durch ein weiteres Ausstoßen von Tintentropfen führt zu der
Erzeugung von mehr Segmenten des gewünschten Zeichens oder Bildes.
Ferner können
Tinten verschiedener Farben mit individuellen Anordnungen von Löchern gekoppelt
werden, so daß ein ausgewähltes Abfeuern
der Löcher
ein mehrfarbiges Bild durch den Tintenstrahldrucker erzeugen kann.
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Es wurden verschiedene Mechanismen
verwendet, um die Kraft zu erzeugen, die zum Ausstoßen eines
Tintentropfens aus einem Druckkopf notwendig ist, wobei sich piezoelektrische
und elektrostatische Mechanismen unter denselben befinden. Während die
nachfolgende Erklärung
unter Bezugnahme auf thermische Tintenausstoßmechanismen gegeben wird,
kann die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Anwendung für die anderen
Tintenausstoßmechanismen
aufweisen.
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Der Ausstoß des Tintentropfens in einem herkömmlichen
thermischen Tintenstrahldrucker ist ein Ergebnis einer schnellen
thermischen Erwärmung
der Tinte auf eine Temperatur, die den Siedepunkt des Tintenlösungsmittels überschreitet,
um eine Dampfphasen-Tintenblase zu erzeugen. Ein solch schnelles
Erwärmen
der Tinte wird allgemein erreicht durch Weiterleiten eines Pulses
von elektrischem Strom durch eine Tintenauswurfvorrichtung, die
ein individuell adressierbarer Heizerwiderstand ist, üblicherweise
für 1 bis
3 Mikrosekunden, und die dadurch erzeugte Wärme wird mit einem kleinen
Tintenvolumen gekoppelt, das in einem eingeschlossenen Bereich gehalten
wird, der dem Heizerwiderstand zugeordnet ist, und der allgemein
als eine Abfeuerungskammer bezeichnet wird. Für einen Druckkopf liegt eine
Mehrzahl von Heizerwiderständen
und zugeordneten Abfeuerungskammern vor – vielleicht in einer Anzahl
von mehreren hundert -, wobei jeder derselben eindeutig adressiert
und veranlaßt
werden kann, Tinte auf Befehl durch den Drucker auszuwerfen. Die
Heizerwiderstände
sind in einem Halbleitersubstrat aufgebracht und sind elektrisch
mit einer externen Schaltungsanordnung mit Hilfe einer Metallisierung
verbunden, die auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht ist. Ferner
können
die Heizerwiderstände
und die Metallisierung vor chemischen Angriff und mechanischer Abrasion
durch eine oder mehrere Schichten einer Passivierung geschützt sein.
Eine zusätzliche
Beschreibung der grundlegenden Druckkopfstruktur ist offenbart in „The Second-Generation Thermal
InkJet Structure" von
Ronald Askeland u. a. im Hewlett-Packard Journal, August 1988, Seiten 28–31. Somit
besteht eine der Wände
jeder Abfeuerungskammer aus dem Halbleitersubstrat (und üblicherweise
einem Abfeuerungswiderstand). Eine andere der Wände der Abfeuerungskammer,
die gegenüber
dem Halbleitersubstrat bei einer allgemeinen Implementierung angeordnet
ist, wird durch die Lochplatte gebildet. Allgemein ist jedes der
Löcher
in dieser Lochplatte bezüglich
einem Heizerwiderstand auf eine Weise angeordnet, die ermöglicht,
daß Tinte aus
dem Loch ausgestoßen
wird. Wenn die Tintendampfblase an dem Heizerwiderstand nukleiert
und sich erweitert, verdrängt
sie ein Tintenvolumen, das ein entsprechendes Tintenvolumen aus
der Öffnung für eine Aufbringung
auf das Medium zwingt. Die Blase kollabiert dann, und das verlagerte
Tintenvolumen wird von einem größeren Tintenreservoir
mit Hilfe eines Tintenzuführkanals
in einer der Wände
der Abfeuerungskammer wieder aufgefüllt.
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Da Benutzer von Tintenstrahldruckern
damit begonnen haben, feinere Details in der gedruckten Ausgabe
von einem Drucker zu erwünschen – insbesondere
bei der Farbausgabe – wurde
die Technik hin zu kleineren Tintentropfen gedrängt, um feinere Details zu
erreichen. Kleinere Tintentropfen bedeuten ein verringertes Tropfengewicht
und ein verringertes Tropfenvolumen. Die Produktion von solchen
Tintentropfen mit geringen Tropfengewicht erfordert kleinere Strukturen
in dem Druckkopf. Somit sind kleinere Abfeuerungskammern (die ein
kleineres Tintenvolumen beinhalten), kleinere Abfeuerungswiderstände und
kleinere Lochbohrungsdurchmesser erforderlich.
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Es ist bei thermischen Tintenstrahldrucker-Druckköpfen axiomatisch,
daß die
Lochplattendicke nicht weniger als ungefähr 45 μm dick ist. Lochplatten, die
dünner
als 45 μm
sind, leiden an dem ernsthaften Nachteil, daß sie zu schwach zum handhaben
sind, und daß es
wahrscheinlich ist, daß dieselben
in einer Produktionsumgebung auseinanderbrechen oder durch eine
Wärmeverarbeitung
des Druckkopfs verzerrt werden. Lochplatten werden üblicherweise
durch ein Elektroformen von Nickel auf einem Dorn und nachfolgendes
Plattieren mit einer Schutzmetallschicht auf dem Nickel hergestellt,
wie zum Beispiel in der EP-A-0490061. Eine herkömmliche Waferhandhabungs-Produktionsausrüstung kann
die dünne
Lochplatte zum Verarbeiten in einer Herstellungsumgebung nicht manövrieren.
Ferner, da eine Mehrzahl von Lochplatten als eine Elektroform erzeugt
wird, wird ein Singulieren jeder Lochplatte von den anderen an der
Nickelelektroform praktisch unmöglich
mit der Produktionsausrüstung, wenn
die Metallochplatte weniger als 45 μm dick ist. Sogar wenn die Produktionsschwierigkeiten
mit dünnen,
herkömmlich
hergestellten Lochplatten gelöst werden
würden,
sind die dünnen
Lochplatten zu anfällig
für eine
Verzerrung aufgrund von Spannungen, wenn die dünne Lochplatte positioniert
und an der Barriereschicht des Druckkopfs gesichert wird.
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Üblicherweise
ist eine Lochplatte für
einen thermischen Tintenstrahldrucker-Druckkopf aus einer Metallage
gebildet, die mit einer Mehrzahl von kleinen Öffnungen perforiert ist, die
in einer Seite der Metallage zu der anderen führen. Die Verwendung einer
Polymerlage, durch die Öffnungen
als eine Lochplatte ablatiert wurden, hat sich ebenfalls erhöht. Bei dem
Beispiel der Metallochplatte wurde das Verfahren der Herstellung
in der Literatur ausgeführt.
Siehe zum Beispiel Gary L. Siewell u. a., „The Thinkjet Orifice Plate:
a Part With Many Functions",
Hewlett-Packard Journal, Mai 1985, Seiten 33–37; Ronald A. Askeland u.
a., "The Second-Generation Thermal
InkJet Structure",
Hewlett-Packard
Journal, August 1988, Seiten 28–31;
und das zuvor genannte U.S.-Patent Nr. 5,167,776, „Thermal
InkJet Printhead Orifice Plate and Method of Manufacture".
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Da die reduzierte Größe von Druckkopfabfeuerungskammern
und Lochbohrungsdurchmesser Probleme bei herkömmlichen Lochplatten erzeugen, wie
zum Beispiel übermäßige Erwärmung aufgrund des
großen
Heizerwiderstands, der durch die dicke Lochplatte erforderlich ist,
und erhöhte
Anfälligkeit gegenüber Partikelverschmutzung
in der Lochbohrung, ist es wünschenswert
die Dicke der Lochplatte zu reduzieren. Da die Lochplatte am besten
mit Dickeabmessungen größer als
45 um hergestellt und verwendet wird, ist es wünschenswert, Druckköpfe mit
Lochplatten von dieser Dicke oder mehr herzustellen. Diese Schwierigkeit
muß gelöst werden,
um Tintentropfen mit niedrigen Tropfengewicht zu erhalten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens gemäß Anspruch 1.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den Ansprüchen
2, 3 definiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine isometrische Ansicht eines Tintenstrahldrucker-Druckkopfs,
der die vorliegende Erfindung verwenden kann.
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2 ist
ein Abschnitt eines Querschnitts des Druckkopfs aus 1 entnommen entlang der Schnittlinie
A-A.
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3 ist
ein vereinfachtes Flußdiagramm
eines Wärmebehandlungsprozesses,
der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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4 ist
ein Graph, der den Betrag von Lochplatten-Materialschrumpfung bei verschiedenen Temperaturen
zeigt.
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5 ist
ein Graph der Knoop-Härte
einer Lochplatte bei verschiedenen Temperaturen.
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6 ist
ein Graph der thermischen Ausdehnung einer Nickellochplatte, der
die Wirkung eines Wärmebehandlungsschrittes
zeigt, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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7 ist
ein Graph, der die geschätzte
Korngröße einer
Lochplatte bei verschiedenen Glühtemperaturen
darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Eine typische Tintenstrahlkassette
ist in der Zeichnung aus 1 dargestellt.
Ein Kassettenkörperbauglied 101 häust einen
Tintenvorrat und leitet die Tinte über Tintenkanäle zu einem
Druckkopf 103. An der Außenoberfläche des Druckkopfs ist eine Mehrzahl
von Löchern
sichtbar, einschließlich
dem Loch 105, durch das Tinte selektiv auf Befehle von dem
Drucker hin (nicht gezeigt) ausgestoßen wird, wobei die Befehle
zu dem Druckkopf 103 durch elektrische Verbindungen 107 und
zugeordnete leitfähige Bahnen
(nicht gezeigt) auf einem flexiblen Polymerband 109 kommuniziert
werden, die wiederum mit der Metallisierung auf dem Halbleitersubstrat
des Druckkopfs gekoppelt sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einer Tintenstrahldruckkassette ist der Druckkopf aus einem Halbleitersubstrat,
das Dünnfilm-Heizerwiderstände umfaßt, die
in dem Substrat angeordnet sind, einer Photo-definierbaren Barriere-
und Haftmittel-Schicht
und einer Foraminlochplatte aufgebaut, die eine Mehrzahl von Löchern aufweist,
die sich vollständig
durch die Lochplatte erstrecken, wie durch das Loch 105 exemplarisch
gezeigt ist. Physische und elektrische Verbindungen von dem Substrat
werden zu dem flexiblen Polymerband 109 mit Hilfe einer
Balkenleiterverbindung oder einer ähnlichen Halbleitertechnik
hergestellt und nachfolgend durch ein epoxidähnliches Material für physische
Festigkeit und Fluidabstoßung
gesichert. Das Polymerband 109 kann aus KaptonTM gebildet
sein, das handelsüblich
von der 3M Corporation erhältlich ist,
oder aus einem ähnlichen
Material, das photoablatiert oder chemisch geätzt sein kann, um Öffnungen oder
andere gewünschte
Charakteristika herzustellen. Kupfer oder andere leitfähige Spuren
sind aufgebracht oder anderweitig an einer Seite des Bandes befestigt,
so daß elektrische
Verbindungen 107 mit dem Drucker in Kontakt gebracht und
zu dem Substrat geleitet werden können. Das Band ist üblicherweise
um eine Kante der Druckkassette gebogen und befestigt, wie gezeigt
ist.
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Ein Querschnitt des Druckkopfs ist
in 2 gezeigt und ist
von dem Teil des Abschnitts A-A entnommen, der in 1 gezeigt ist. Ein Abschnitt des Körpers 201 der
Kassette 101 ist gezeigt, wo dieselbe an dem Druckkopf
durch ein Haftmittel befestigt ist, das durch Druck aktiviert wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird Tinte zu dem Druckkopf mit Hilfe eines gemeinsamen Tintenplenums 205 und durch
einen Schlitz 206 in dem Druckkopfsubstrat 207 geliefert.
(Alternativ kann die Tinte entlang der Seiten des Substrats geliefert
werden). Heizerwiderstände
und ihre zugeordneten Löcher
sind üblicherweise
in zwei im wesentlichen parallelen Reihen in der Nähe des Tinteneinlasses
von dem Tintenplenum angeordnet. In vielen Fällen sind die Heizerwiderstände und
Löcher
in einer versetzt angeordneten Konfiguration in jeder Reihe angeordnet
und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Heizerwiderstände
an gegenüberliegenden
Seiten des Schlitzes 206 des Substrats 207 positioniert,
wie durch die Heizerwiderstände 209 und 211 in 2 beispielhaft gezeigt ist.
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Eine herkömmliche Lochplatte 203 wird durch
Elektroformen von Nickel auf einem Dorn hergestellt, das isolierende
Merkmale mit geeigneten Abmessungen und geeigneten Entwurfswinkeln
aufweist, alle in der Form eines Kehrwerts der Merkmale, die in
der Lochplatte erwünscht
sind. Nach dem Ablauf eines vorbestimmten Zeitbetrags und nachdem
eine Dicke von Nickel aufgebracht wurde, wird der resultierende
Nickelfilm entfernt und für
eine nachfolgende Verwendung behandelt. Die Nickellochplatte wird
dann mit einem Edelmetall beschichtet, wie zum Beispiel Gold, Palladium
oder Rhodium, um einer Korrosion zu widerstehen. Nachfolgend zu der
Herstellung wird die Lochplatte an dem Halbleitersubstrat 207 mit
einer Barriereschicht 213 angebracht. Die Löcher, die
durch das Elektroformen von Nickel an dem Dorn erzeugt werden, erstrecken
sich von der Außenoberfläche der Lochplatte 203 durch das
Material zu der Innenoberfläche,
der Oberfläche, die
eine der Wände
der Tintenabfeuerungskammer bildet. Üblicherweise ist ein Loch direkt über dem Heizerwiderstand
angeordnet, so daß Tinte
von dem Loch ausgestoßen
werden kann, ohne daß ein
Bahnfehler durch einen Versatz eingebracht wird.
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Das Substrat 207 und die
Lochplatte 203 sind miteinander durch ein Barriereschichtmaterial 213 befestigt,
wie vorangehend erwähnt
wurde. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Barriereschichtmaterial 213 auf dem Substrat 207 in
einer strukturierten Formation angeordnet, derart, daß die Abfeuerungskammern 215 und 217 in
Bereichen um die Heizerwiderstände
erzeugt werden. Das Barriereschichtmaterial ist ferner so strukturiert,
daß Tinte unabhängig zu
den Abfeuerungskammern 215, 217 geliefert wird,
durch einen oder mehrere Tintenzuführkanäle in dem Barrierematerial.
Tintentropfen werden selektiv auf das schnelle Erwärmen des
Heizerwiderstands 209 oder 211 auf den Befehl
durch den Drucker hin ausgestoßen.
Das Substrat, das die Barriereschicht aufweist, die an einer Oberfläche desselben
angebracht ist, ist somit im Hinblick auf die Lochplatte derart
positioniert, daß die
Löcher
mit den Heizerwiderständen
des Substrats ausgerichtet sind.
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Die Barriereschicht 213 verwendet
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein vordefinierbares Polymermaterial, wie zum Beispiel ParadTM, VacrelTM, IJ5000
oder andere Materialien, die ein Negativfilm-Photoempfindlich-Mehrfachkomponenten-Polymer-Trockenfilm
sind, der durch Belichtung durch Licht oder eine ähnliche
elektromagnetische Strahlung polymerisiert. Materialien dieses Typs
sind erhältlich
von E. I. DuPont de Nemoirs Company of Wilmington, Delaware. Die
Barriereschicht wird zuerst als eine kontinuierliche Schicht auf
das Substrat 207 mit der Anwendung von ausreichend Druck
und Wärme
aufgebracht, das geeignet für
das bestimmte ausgewählte
Material ist. Die Photolithographieschicht wird dann durch eine
Negativmaske ultraviolettem Licht ausge setzt, um das Barriereschichtmaterial
zu polymerisieren. Die belichtete Barriereschicht wird dann einem
chemischen Waschen unter Verwendung eines Entwicklerlösungsmittels unterzogen,
so daß die
nicht belichteten Bereiche der Barriereschicht durch chemische Aktion
entfernt werden. Die verbleibenden Bereiche der Barriereschicht bilden
Seitenwände
jeder Tintenabfeuerungskammer um jeden Heizerwiderstand. Ferner
bilden die verbleibenden Bereiche der Barriereschicht die Wände der
Tintenzuführkanäle, die
von der Tintenabfeuerungskammer zu einer Tintenquelle führen (wie
zum Beispiel dem Tintenplenum 205 durch den Schlitz, wie
in 2 gezeigt ist). Diese
Tintenzuführkanäle ermöglichen
das anfängliche
Füllen
der Tintenabfeuerungskammer mit Tinte und Liefern ein kontinuierliches
Auffüllen
der Abfeuerungskammer nach jedem Tintenausstoß aus der Kammer.
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Herkömmliche Lochplatten, die ungefähr 8 mm
lang und 7 mm breit sind, werden als eine Quadratfilm-Elektroform
hergestellt, die eine Seitenabmessung von 12,7 cm (5 Zoll) aufweist
und werden nachfolgend von der Elektroform getrennt, durch Scheren
jedes Druckkopfs weg von der Elektroform unter Verwendung von herkömmlichen
Techniken, die durch die Halbleiterindustrie eingeführt wurden. Nickel
ist das bevorzugte Metall für
einen Druckkopf, da es kostengünstig
ist, durch Elektroformen leicht herzustellen ist und durch Elektroformen
komplizierte Formen herstellt werden können. Genauer gesagt können kleine Öffnungen
zweckmäßig in der
Nickellochplatte erzeugt werden, durch elektrisches Isolieren kleiner
Abschnitte des Dorns und dadurch Verhindern der Aufbringung von
Nickel, was ansonsten eine elektrisch leitfähige Kathodenelektrode in einem
modifizierten gemischten Anionenbad vom Watts-Typ wäre. Üblicherweise
wird ein Edelstahldorn zuerst mit einem Trockenfilmpositivphotoresist
laminiert. Der Photoresist wird dann ultraviolettem Licht durch
eine Maske ausgesetzt, was nach der Entwicklung des Photoresist
Isolierungsmerkmale erzeugt, wie zum Beispiel Anschlußflächen, Säulen und
Deiche, die den Löchern
und anderen Strukturen entsprechen, die in der Lochplatte er wünscht sind.
Nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitperiode bezüglich Temperatur
und Konzentration des Galvanisierbades, dem Betrag des Gleichstroms,
der für
den Galvanisierstrom verwendet wird, und die Dicke der gewünschten
Lochplatte, wird der Dorn und die neu geformte Lochplattenelektroform
aus dem Galvanisierbad entfernt, darf Abkühlen und die Lochplattenelektroform
wird von dem Dorn abgelöst.
Da Edelstahl eine Oxidbeschichtung aufweist, haften galvanisierte Metalle
nur schwach an dem Edelstahl und die durch Elektroformen hergestellte
Metallochplattenelektroform kann einfach ohne Beschädigung entfernt
werden. Die Lochplattenelektroform wird dann in die individuellen
Lochplatten geschnitten. Für
eine typischerweise Lochplatte, wie zum Beispiel die, die in einer
HP51649A-Tintenstrahldruckkassette verwendet wird (handelsüblich geliefert
durch die Hewlett-Packard
Company), beträgt
die Lochplattendicke üblicherweise
51 μm mit
einem Lochbohrungsdurchmesser von 35 μm, um einen Tintentropfen mit
einem Tropfengewicht von 50 ng zu erzeugen. Eine andere typischerweise
Lochplatte, die in einer HP51641A-Tintenstrahldruckkassette verwendet wird
(ebenfalls handelsüblich
erhältlich
von der Hewlett-Packard Company), verwendet eine Lochplattendicke
von 51 μm
mit einem Lochbohrungsdurchmesser von 27 μm, um einen Tintentropfen mit
einem Tropfengewicht von 32 ng zu erzeugen.
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Der vorangehende Prozeß, wenn
derselbe für
Lochplattendikken von weniger als 45 μm verwendet wird, könnte keine
Lochplatte erzeugen, die den Härten
der Handhabung in einer Produktionsumgebung standhalten könnte, und
erzeugt Probleme in der abschließenden Druckkassette, wie zum
Beispiel Drucktropfen-Plazierungsfehler aufgrund von verschiedenen
mechanischen Verzerrungen der dünnen Lochplatte.
Nichts desto Trotz wurde ein Druckkopf entwickelt, der in der Lage
ist, einen Tintentropfen mit einem Tropfengewicht von 10 ng zu liefern,
um den Bedarf nach einer feinen Auflösung und einer verbesserten
Druckqualität
zu erfüllen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wurde eine Lochplatte mit einer Dicke
von zwischen 25 μm und
40 μm und
einer bevorzugten Dicke von 28 μm
erzeugt. Der Lochbohrungsdurchmesser des bevorzugten Ausführungsbeispiels
beträgt
18 μm ± 2 μm.
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Damit eine solch dünne Lochplatte
realisiert und in einer Produktionsumgebung praktisch hergestellt
werden kann, ist eine erweiterte Wärmebehandlung und ein Weichsinterschritt
in dem Lochplattenherstellungsverfahren umfaßt, wie in 3 gezeigt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird eine Nickellochplattenelektroform unter Verwendung von herkömmlichen
Verfahren mit Elektroformen hergestellt 301, aber die Metallaufbringung
wird an dem Punkt gestoppt, an dem die Nenndicke der Lochplatte
28 μm beträgt. Die
zarte Elektroform wird dann einem Wärmebehandlungs-/Weichsinterschritt 303 unterzogen,
der hierin nachfolgend beschrieben wird. Nachfolgend zu dem Wärmebehandlungsschritt
wird die Elektroform in individuelle Lochplatten geschnitten 305 und
an die Barriereschicht des Druckkopfs angebracht 307, wie
vorangehend beschrieben wurde. Um die Barriereschicht auszuhärten und
das Halbleitersubstrat und die Lochplatte in der Laminatstruktur
zu befestigen, die den Druckkopf aufweist, wird ein Wärmeaushärtschritt 309 verwendet. Die
Anbringung der Lochplatte an die Barriereschicht wird mit der Anwendung
von Wärme
(ungefähr 200°C) und Druck
(zwischen 50 und 250 psi) für
eine Zeitperiode von bis zu 15 Minuten erreicht. Haftverstärker, wie
zum Beispiel jene, die in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 08/742,118
offenbart sind, eingereicht für
Garold Radke u. a. am 1. Oktober 1996, können verwendet werden, um die
Verbindung zwischen der Lochplatte und der Barriereschicht zu verbessern.
Ein abschließender
Aufbau des Polymers und ein Aushärten
der Verbindung wird dann mit einem thermischen Durchwärmen bei
ungefähr
220°C für ungefähr 30 Minuten
erreicht. Nachfolgend zu den Wärmeaushärtschritt
wird der fertiggestellte Druckkopf in die Tintenstrahldruckkassette
integriert.
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Da die Sandwichanordnung aus Halbleitersubstrat,
Barriereschicht und Lochplatte unter Temperatur und Druck angeord net
und nachfolgend Wärme-ausgehärtet wird,
und im Hinblick auf die Tatsache, daß eine Fehlübereinstimmung bei den Koeffizienten
der thermischen Ausdehnung und den Komponenten der Sandwichanordnung
vorliegt, entwickelt die Anordnung Restspannungen, wenn dieselbe
abkühlt.
Auswirkungen dieser Spannungen nehmen häufig die Form von verzerrten
Lochplatten und eine Delaminierung von Lochplatte, Barriereschichtmaterial
und Substrat an. Dünnere
Lochplatten erfahren eine größere Verzerrung,
wodurch ein ernsthaftes Problem bei der Punktplazierung und der
Gesamtdruckqualität
erzeugt wird.
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Es stehen drei unterschiedliche Verhaltensbetriebszustände der
Lochplattenlagen, wenn dieselben Temperatur und Zeit ausgesetzt
werden. Zuerst erfolgt von Umgebungstemperatur bis ungefähr 200°C ein sehr
linearer Schrumpfungsbetrag der Lochplatte über Temperatur. Bei 200°C bis 230°C erhöht sich
die Härte
und eine ernsthafte Versprödung der
Lochplatte findet statt. Über
230°C ändert sich
die Steigung von Schrumpfung über
Temperatur wieder, und die Härte
verringert sich rasch mit der Temperatur, wie erwartet werden würde, wenn
das Material ausglühen
würde.
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In ersten Betriebszustand (bis 200°C) werden
verschiedene Verbundsstoffe, die durch den Nickel eingefangen und/oder
gelöst
werden, wenn derselbe elektroplattiert wird, aus der Elektroform
herausgearbeitet. Aus der Röntgenkristallographie
wurde bestimmt, daß wenig
Kornwachstum in diesem Temperaturbereich stattfindet. In dem zweiten
Betriebszustand erscheint, das das Material sintert. Ein Ausglühen findet
wahrscheinlich ebenfalls statt, aufgrund der Verringerung der Härte des
Materials, daß zusätzliche
Zeit bei 200°C
gelassen wird. Eine mögliche
Erklärung
für dieses
Verhalten ist eine Verdichtung der Lochplatte während des Ausglühens gekoppelt
mit Kornwachstum. Die Dichte erhöht
sich, wenn die Lochplatten ausglühen.
Die Erhöhung
der Dichte führt
anfänglich
zu einer Erhöhung
der Härte,
während
die Korngröße konstant
bleibt. Wenn jedoch ein Kornwachstum auftritt, verringert sich die
Wahrscheinlichkeit, daß eine Versetzung
durch eine Korngrenze gefangen wird, und somit verringert sich die Härte. Über 230°C glüht das Material
deutlich, obwohl eine Versprödung
immer noch ein Problem bei den getesteten Zeiten und Temperaturen
ist. Bei Temperaturen bei oder über
300°C wird
eine Verfärbung
der Lochplatte bemerkt.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden
Justiermarken an den Lochplattenelektroformen plaziert. Eine Schrumpfung
der Nickellochelektroform wurde gemessen durch Messen der Distanz zwischen
Justiermarken vor und nach der Wärmebehandlung.
Der Betrag der Schrumpfung ist in 4 für verschiedene
Temperaturen der Wärmebehandlung
skizziert. Zusätzlich
dazu wurden die Lochplattenelektroformen für Knoop-Härte getestet und die Abweichung
bei der Härte,
die aus den unterschiedlichen Temperaturen der Wärmebehandlung resultiert, ist
in 5 skizziert. Die
Verbesserung der Linearität und
der Betrag der thermischen Ausdehnung nach der Wärmebehandlung ist 6 gezeigt, in der die Kurve 601 die
thermische Ausdehnung einer Nickellochplatte ohne Wärmebehandlung
zeigt, wenn die Lochplatte auf 250°C bei einem Anstieg von 5°C/min erwärmt wird.
Die Kurve 602 zeigt die thermische Ausdehnung der Nickellochplatte
nach der Wärmebehandlung
unter Verwendung desselben thermischen Anstiegs um 5°C/min. Offensichtlich
zeigt die Kurve 602 kein nicht lineares Verhalten und der
berechnete Koeffizient der thermischen Ausdehnung liegt im Bereich
nahe dem von reinem Nickel (13 μm/m*°C). Somit
verringert die thermische Behandlung (Glühen) von Nickellochplatten
die Fehlübereinstimmung
von deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu dem eines Halbleitersubstrats
(thermischer Ausdehnungskoeffizient von Silizium beträgt ungefähr 3,0 μm/m*°C) und führt zu einer
Reduzierung von Verziehen nach der Anbringung der Lochplatte. Der
Mechanismus der Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
wird wahrscheinlich durch eine Teilneukristallisierung und ein Lösen von
internen Spannungen in der kristallinen Struktur der Nickellochplatte
verursacht.
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Eine Röntgendiffraktion wurde verwendet, um
die mikrostrukturellen Änderungen
zu untersuchen, die in einer Nickellochplatte während des Glühens in
der Luft bei verschiedenen Temperaturen auftreten, um das Verfahren
besser zu verstehen, das einen thermischen Durchwärmungs-
und Weichsinter-Schritt umfaßte.
Die getesteten Proben waren singulierte Lochplatten, die aus einer
Nickelelektroform bestehen, die mit 1,5 μm Palladium an jeder Seite galvanisiert
ist. Die analysierten Proben umfaßten nichtthermische durchwärmte Lochplatten
sowie Lochplatten, die bei 200, 300, 400 und 500°C für 30 Minuten in der Luft glühten.
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Proben wurden auf ein einzelnes „Nullhintergrund-" (Nicht-Diffraktions-) Kristallsiliziumsubstrat plaziert
und Daten wurden mit einem Diffraktometer unter Verwendung einer
Cu-Ka-Strahlung
von 38 bis 105 Grad (2-Theta) genommen. Röntgendiffraktionsdaten aus
dem so erhaltenen Loch und den Lochplatten, die bei 200, 400 und
500°C glühten zeigen,
daß alle
erwarteten flächenzentrierten
kubischen Nickel- (fcc-Ni)
und fcc-Palladium-Reflektionen für
alle Proben beobachtet wurden. Unter Verwendung des Bragg-Gesetzes
und unter Annahme von fcc-Materialien wurden die Gitterparameter,
die den beobachteten Reflektionen zugeordnet sind, berechnet. Die
beobachteten Gitterparameter sind in der Nähe von jenen, die für fcc-Ni
und -Pd durch Cullity genannt werden: 3,5239 bzw. 3,8908 Å. Unter
Verwendung der Scherrer-Formel kann eine Schätzung der Partikelgröße bei jeder
Temperatur für
die Nickel-Lochplatte (Kurve 701) und die Palladium-Plattierung (Kurve 702)
durchgeführt
werden, wie in 7 gezeigt
ist. Die Korngröße ändert sich
nicht merklich bis die Glühtemperatur über 200°C liegt.
Die elektroplattierte Korngröße wird
auf ungefähr
200 Å sowohl
für Nickel als
auch Palladium vor dem Glühen
geschätzt.
Somit bestehen elektrogeformte Nickellochplatten, die mit einer
Palladiumschutzschicht plaziert sind, aus fcc-Ni und fcc-Pd mit
einer Korngröße von ungefähr 200 Å. Glühtemperaturen
unter 200°C
führen
nicht zu großen
mikrostrukturellen Änderungen der
Lochplatte, erhöhen
jedoch wahrscheinlich die Härte
aufgrund einer Verdichtung der elektrogeformten Teile. Ein Glühen bei
Temperaturen über
300°C führt ferner
zu der wahrscheinlichen Bildung einer Ni/Pd-Feststofflösung und
einer wahrscheinlichen Verfärbung
der Lochplatte aufgrund von Oxidierung von einem oder beiden der
verfügbaren
Metalle. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ergibt ein Glühwärmebehandlungsschritt
für die
Lochplattenelektroform, der mehr als 15 Minuten und vorzugsweise
30 Minuten bei 220°C
dauert eine Lochplattenelektroform mit einer erhöhten Härte und Steifigkeit, was die
Herstellung von Lochplatten mit Dicken zwischen 25 μm und 40 μm ermöglicht.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Lochplatte mit einer Nenndicke von 28 μm hergestellt. Ferner weisen
Lochplatten, die einen solchen Glühschritt erfahren, reduzierte Verzerrungen
auf, die aus dem Verfahren des Anbringens der Lochplatte an dem
Barrierematerial und dem nachfolgenden Aushärten des laminierten Druckkopfs
resultieren.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden
die Abmessungen von vielen der Elemente des Druckkopfs bedeutend
kleiner gemacht als bei vorangehend bekannten Entwürfen, um
eine hohe Qualität
des Tintendruckens unter Verwendung von kleinen Tintentropfen zu
erzeugen. Das Nenntintentropfengewicht beträgt ungefähr 10 ng zum Auswerfen aus
einem Loch, das einen Bohrungsdurchmesser von H = 18 μm (± 2 μm) aufweist,
wie in 2 gezeigt ist.
Um eine Tintenabfeuerungskammer-Auffüllrate zu erreichen, die eine
15 KHz-Operationsfrequenz
unterstützt,
werden zwei Tintenzuführkanäle verwendet,
um eine redundante Tintenauffüllfähigkeit zu
liefern. Die Lochplatte 203 weist eine Dicke, P, von 28 μm ± 1,5 μm auf, und
die Barriereschicht weist eine Dicke, B, von 14 μm ± 1,5 μm auf.
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Somit wurde ein Druckkopf mit reduzierten Abmessungen
und einer dünnen
Lochplatte erzeugt, der die Probleme überwindet, die vorangehend
mit Druckköpfen
kleiner Abmessung und Lochplattendicken von weniger als 45 μm angetroffen
wurden.