JP5341688B2 - 液体吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出して被記録媒体に記録を行う液体吐出ヘッド、及びその製造方法に関する。

液体吐出ヘッド用基板（以下、ヘッド用基板とも称する）を支持基板と接合することで設けられた液体吐出ヘッド（以下、ヘッドとも称する）は、液体吐出装置に搭載され、液体吐出ヘッドの吐出口からインク等の液体を吐出することで被記録媒体に記録動作を行う。

このようなヘッド用基板と支持基板との電気的な接続を行うために、シリコン基板の表面から裏面に貫通する貫通電極を設ける構成が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されるヘッドを図１に示す。貫通電極を有する記録素子基板Ｈ１１００と、保持基板Ｈ１２００とが、電気接続部として用いられるエレキバンプＨ１１０５を介して電気的に接続することで実装されている。

特開２００７−３２６２４０号公報

ヘッド用基板は、半導体製造技術を用いてシリコン基板などに複数のヘッド用基板を同時に形成し、切り分けることで設けられる。そのため個々のヘッド用基板のサイズが大きくなると、一枚のシリコン基板から形成できるヘッド用基板の数が減少し、製造コストが増すことになるため、ヘッド用基板の面積を縮小することが求められている。また、液体吐出ヘッドを搭載する液体吐出装置の小型化を達成する観点からも、ヘッド用基板の小型化が求められている。

しかし特許文献１のヘッドの構成では、インクの染み込みを防止するためインク供給口と、エレキバンプＨ１１０５との間に一定の距離をとり、エレキバンプＨ１１０５の周囲に、インクを遮断する封止剤Ｈ１３１７を設けている。この距離を短くすると、インクが染み込んでエレキバンプＨ１１０５が腐食する可能性があるため、距離を短くすることでヘッド基板の面積を縮小することは困難であった。

そこで本発明は、液体吐出ヘッド用基板を用いた液体吐出ヘッドにおいて、電気接続部へのインクの染み込み防止と、ヘッド用基板の面積の縮小と、の両立を達成することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的としている。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生する素子が複数設けられた第一の面と、凹部が設けられた、前記第一の面の反対の面である第二の面と、前記第一の面と前記第二の面との間を貫通した液体の供給口と、を有する基板と、複数の前記素子と電気的に接続され、前記基板の前記第一の面と前記凹部の内側との間を貫通して設けられた複数の電極と、前記複数の電極に共通に電気的に接続され、前記内側に設けられた導電層と、を有する液体吐出ヘッド用基板と、前記液体吐出ヘッド用基板を前記第二の面の側から支持し、前記凹部の内側に設けられた凸部と、該凸部に設けられ前記導電層と電気的に接続された接続部材と、前記供給口と連通し、前記供給口に液体を供給するための開口と、が設けられた支持基板と、を有し、前記凹部の内側から前記第二の面までの前記液体吐出ヘッド用基板と前記支持基板との間に、前記導電層と前記接続部材とを被覆する樹脂からなる部材が設けられていることを特徴とする。

ヘッド用基板に凹部と支持基板に凸部とを設け、凸部に接続部材を設けて電気的接続を行い、凹部と凸部の隙間を封止することで、ヘッド基板を縮小しても接続部材と供給口との距離を、接続部へのインクの染み込みを防止できる距離とすることができる。

これにより、接続部材へのインクの染み込みを防止と、液体吐出ヘッド用基板の縮小との両立を達成できる液体吐出ヘッドを提供することができる。

従来のヘッドの断面模式図である。 本発明を用いるヘッドの斜視図である。 本発明の一例のヘッド用基板の上面図である。 本発明の一例のヘッド用基板の断面図である。 本発明の一例のヘッド用基板の断面図である。 実施例１に示すヘッド用基板の製造方法を示す断面図である。 実施例１に示す支持基板の製造方法を示す断面図である。 実施例１に示すヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施例２に示す支持基板の製造方法を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図２は本発明を用いる、液体記録装置に搭載可能な液体吐出ヘッド４０（以下、ヘッドとも称する）の上面図である。液体吐出ヘッド用基板４１（以下、ヘッド用基板とも称する）は、支持基板に設けられた端子と接続するフレキシブルフィルム配線基板４３により、液体記録装置と接続するコンタクトパッド４４に導通している。また、ヘッド用基板４１は、支持基板に接合されることでヘッド４０に支持されされている。ここでヘッド４０は、インクタンクと一体化したヘッドの一例を示しているが、インクタンクと分離した分離型とすることも出来る。

図３（ａ）は、１種類のインクを供給するために用いられる複数のインクの供給口１０が配列している供給口列を３列有し、３種類のインク（例えばイエロー、マゼンダ、シアン）を使用するヘッドに用いることができるヘッド用基板４１を示している。図３（ｂ）は、１種類のインクを供給する複数のインクの供給口１０からなる供給口列を１列有し、１種類のインクを用いるヘッド用基板４１を示している。

ヘッド用基板４１には、インクを吐出するためのエネルギーを発生させる素子として用いられる発熱素子１と、発熱素子１に電力を供給する個別電力配線３６と、複数の発熱素子１に共通に電力を供給する導電層として用いられる電力配線１３と、が設けられている。複数の発熱素子１が配列して構成される素子列は、供給口列の両側に、供給口列に沿って設けられている。さらにヘッド用基板４１には、発熱素子１を選択する信号を出力するスイッチング素子として用いられる駆動回路１１が設けられている。駆動回路１１は、素子列に沿って、供給口列とは反対の側に設けられている。

図４（ａ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’方向の断面模式図の一例であり、供給口列が複数設けられ、隣接する供給口列の間の領域に、複数の発熱素子１と接続する２本の電力配線１３を設けた構成を示している。図４（ｂ）は、１つの供給口列を有するヘッドの図３（ａ）のＣ−Ｃ’方向の断面模式図の一例を示している。

ヘッド用基板４１に設けられているインクを発熱素子１に供給する複数の供給口１０からなる供給口列は、発熱素子１が設けられた基板の第一の面と反対の面である第二の面に設けられた供給口列の第二の凹部８とインク貫通孔９で構成されている。支持基板の開口３０から供給口１０を通って供給されるインクは、発熱素子１で発生するエネルギーによって、吐出口４から吐出されることで、被記録媒体への記録動作が行われる。吐出口４と吐出口を連通する流路とは、樹脂からなる流路形成部材３で形成されている。発熱素子１の上部には、インクから保護するために保護層１２が設けられており、保護層１２の上側に流路形成部材３が設けられている。

発熱素子１と接続し、発熱素子１に電流を供給する個別電力配線３６は、貫通電極５を介して基板２の第二の面に設けられた第一の凹部７の内側において、共通のＧＮＤＨ配線やＶＨ配線に用いられる電力配線１３と接続している。電力配線１３は、素子列に沿って設けられており、１つの電力配線１３は、ＧＮＤＨ配線とＶＨ配線のどちらか１方のみと接続されている。ＧＮＤＨ配線とＶＨ配線との両方を第一の凹部７の内側に設ける場合は、２つの電力配線１３を設ける必要がある。

第一の凹部７の内側には、基板の面に垂直な方向に関して基板の厚さが、第二の面と第一の面との厚さより薄くなるような第三の面が設けられている。電力配線１３は、接続部材として用いられるバンプ６を介して支持基板２０の実装面２１より膜厚が厚い凸部２２に設けられ、端子として用いられる電気接続端子１４と電気的に接続している。さらにバンプ６と電気接続端子１４と電力配線１３が設けられた第一の凹部７と凸部２２との間は、樹脂などからなる部材を封止部材２４として用いてバンプ６と電気接続端子１４と電力配線１３を被覆するように封止されている。

図５は、ヘッドの図３のＢ−Ｂ’方向の断面模式図の一例である。素子列の方向に沿って、複数の発熱素子１其々に設けられた個別電力配線３６と接続する複数の貫通電極５が設けられている。複数の貫通電極５は、基板２の凹部７の内側で電力配線１３と接続されている。

図５（ａ）では、バンプ６が電力配線１３と電気接続端子１４の全面に設けられている構成を示しているが、電気的接続が可能であれば図５（ｂ）に示すような２つのバンプ６のみを設けることもできる。このように基板の凹部と、支持基板２０の凸部で電気的接続を行い、バンプの周囲をアミン硬化型エポキシ樹脂組成物などからなる樹脂からなる部材を封止部材２４として用いて被覆して封止を行っている。封止部材２４としては１種類の封止材料のみならず複数の材料を用いて封止しても良い。また、封止材料として接着材料を用いることもできる。

以上のように、基板の凹部と支持基板２０の凸部とで電気的接続を行い、凹部と凸部の隙間を封止することで、ヘッド基板をさらに縮小してもバンプ６と供給口１０との距離を、バンプへのインクの染み込みを防止できるの距離とすることができる。

（実施例１）
次に、製造方法を示しながら、本発明の一例について具体的に説明する。本実施例においては、隣接する第一の供給口列と第二の供給口列が設けられている構成を説明する。第一の供給口列と第二の供給口列との間の領域には、第一の供給口列に沿って設けられ、第一の供給口列に対応する第一の素子列と、第二の供給口列に沿って設けられ、第二の供給口に対応する第二の素子列が設けられている。

図６は、図４（ａ）の断面模式図に係るヘッド用基板４１の製造方法である。図７は、本実施例のヘッドの支持基板２０の製造方法を示している。図８は、ヘッド用基板４１と支持基板２０とを実装する製造方法を示している。

厚さ６２５ｎｍのシリコンを主成分とする基板２（第一の基板）に、エネルギー発生する素子として用いられる発熱素子１と駆動回路１１を第一の面に形成した（図６（ａ））。さらに、発熱素子１と駆動回路１１の、基板の面に垂直な方向に関して上側に保護層１２を設けた。次に流路形成部材３となるカチオン重合型エポキシ樹脂等を基板２にスピンコート法等を用いて塗布し、フォトリソグラフィ法を用いて露光・現像を行うにより吐出口４を形成した（図６（ｂ））。

フォトリソグラフィ法を用いて基板２の発熱素子１が設けられた面とは反対側の第二の面に第一の凹部７と第二の凹部８に位置する領域を開口したレジストなどからなるマスクを設けた。さらにこの基板２の一部をテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（以下ＴＭＡＨと示す）をエッチャントとして用いて結晶異方性エッチングを行い、基板２を深さ４２５μｍの第三の面が露出させた。これにより、第一の凹部７と第二の凹部８を設けた。エッチャントとしては、ＴＭＡＨのほかにＫＯＨ、ＮａＯＨ等の強アルカリ溶液を用いることも出来る。ＴＭＡＨ等の強アルカリのエッチャントに対するシリコンの結晶方位〈１１１〉面のエッチングレートは、シリコンの結晶方位〈１００〉と比較すると著しく遅いことが知られている。そのため第二の面をシリコンの結晶方位〈１００〉面とすると、第一の凹部７と第二の凹部８の側面は、〈１１１〉面となるようにエッチングされ、第二の面に対して約５４．７度の角度の傾斜を設けることができる。これにより第一の凹部７と第二の凹部とは、第二の面と連続し、第二の面から第三の面の位置まで設けられた、第一の斜面が設けられた。

電力配線１３を設ける第一の凹部７の基板２の開口幅は１０００μｍと成るように設け、供給口１０の第二の凹部８の基板２の開口幅は８００μｍと成るように設けた。その後、レジストのマスクを剥離液などを用いて剥離し、図６（ｃ）の基板２を設けた。

次に、貫通電極５を設ける貫通孔を形成するためのマスクをフォトレジスト法等を用いて形成し、基板２をＢｏｓｃｈプロセスなどのドライエッチング等を用いて第一の凹部７からシリコン基板のエッチングを行い貫通電極５を設けるための貫通孔を設けた。その後、レジストのマスクを剥離液などを用いて剥離した。

次に、貫通電極５と基板２との絶縁性を確保するための絶縁層（不図示）を、酸化シリコンや窒化シリコンや、パリレン等の樹脂をＣＶＤ法で全面に成膜した。その後フォトリソグラフィ技術を用いて、貫通孔の設けられた領域以外の領域を開口させ、ＲＩＥ等の手法により不要な個所の絶縁層を除去した。さらに貫通孔に金属膜を蒸着法により成膜を行い、フォトリソグラフィ技術等を用いてパターニングを行うことにより、個別電力配線３６と電気接続が可能な貫通電極５を形成した。貫通電極５は、十分に低抵抗とするために金属膜を蒸着した後に、電解めっき法により電極内部を導電性材料で充填した。これにより、膜厚を厚く設けることが出来、金属膜蒸着のみによる成膜よりも低抵抗の貫通電極５を設ける事が出来た（図６（ｄ））。

次に第一の凹部７と第二の凹部８を設けた基板２の面に、拡散防止層（不図示）として高融点金属材料であるチタンタングステンを成膜した。続いて配線層として優れているめっき用導体層（不図示）を真空成膜等により全面成膜を行った。なお、拡散防止層とめっき用導体金層の密着性を向上するために、拡散防止膜の酸化膜除去してから、めっき用導体金属を成膜することが望ましい。

さらにめっき用導体の金層の表面に、フォトレジストをスピンコート法、スリットコート法、或いはスプレー塗布法などの方法を用いて全面に塗布した。このとき、所望とする配線の厚さよりも厚くなるようにフォトレジストを塗布した。さらに、配線を形成する部位のめっき用導体の金層を露出するようにフォトレジストを除去するために、フォトリソグラフィ法にてレジスト露光・現像を行い、めっき用の型材となるマスクを形成した。

このマスクを用いて電解めっき法により亜硫酸金塩の電解浴中で、めっき用導体である金に所定の電流を流し、複数の貫通電極５と接続する電力配線１３を形成した。その後、レジストのマスクを剥離液などを用いて剥離し、図６（ｅ）のヘッド基板を設けた。

その後、Ｂｏｓｃｈプロセスなどのドライエッチング等を用いてシリコン基板２を２００μｍエッチングし、インク貫通孔９を設け、インク貫通孔９と第二の凹部８からなる供給口１０を設けた（図６（ｆ））。

本実施例においてはインク貫通孔９と貫通電極５の貫通孔とは別工程で形成を行ったが、同時に形成することも可能である。その際、導電膜となる金属膜を蒸着法によりインク貫通孔９にも成膜し、パターニングを行うことにより、貫通孔にのみ電気接点可能なように形成する。

以上のような工程で複数の基板２一括で形成し、ダイシングソーなどにより切断することで、複数のヘッド用基板を設けた。

次にヘッドの支持基板の製造方法を説明する。第一の凹部の深さより薄いシリコンを主成分とする基板（第三の基板）に開口幅約９００μｍとなるようにレジストマスクを設けた。さらに第一の基板と同様にＴＭＡＨ等の強アルカリをエッチャントとして用い、凸部用部材となる部分以外の部分を結晶異方性エッチングで除去した。このとき用いる第三の基板の面も、シリコンの結晶方位〈１００〉面とすることにより基板の面に対して第一の斜面と同じ約５４．７度の傾斜角を有する第二の斜面をもつ凸部用部材を設けることができる。

さらに、インクを供給する開口３０を有するアルミナなどからなる基板（第二の基板）の実装面２１に、凸部用部材を接着させることで図６（ｂ）に示す凸部２２を有する支持基板２０を設けた。さらにこの支持基板２０の凸部２２に電気接続端子１４と金などの導電材料からなるバンプ６を設けた。

次に、図６（ｆ）に示すヘッド用基板４１の第一の斜面を有する第一の凹部と、図７（ｂ）に示す支持基板２０の第二の斜面を有する凸部２２を図８に示すように嵌合した。さらに支持基板２０の開口３０と、ヘッド用基板４１の供給口１０とが、一致するように設けた。これによりヘッド用基板４１の電力配線１３と、支持基板２０のバンプ６を電気的に接続させることができ、支持基板２０の開口３０からヘッド用基板４１の供給口にインクを供給することができた。

その後、バンプ６と電気接続端子１４と電力配線１３が設けられた第一の凹部７と凸部２２との間隙に、アミン硬化型エポキシ樹脂組成物からなる樹脂からなる部材の封止部材２４を充填し、被覆することで図４（ａ）に示すように封止した。

以上のように、ヘッド用基板４１に第一の凹部７、支持基板２０に凸部２２を設けてその部分で電気的接続を行い、さらに第一の凹部と凸部との傾斜面を封止部材２４で封止した。これによりヘッド基板をさらに縮小してもバンプ６と供給口１０との距離を、バンプ６へのインクの染み込みを防止できる距離とすることができた。

第一の凹部７の第一の斜面とほぼ平行な凸部２２の第二の斜面との間を樹脂などからなる封止部材２４で封止することにより、確実に被覆させて封止を行うことができ、インクによる腐食をより効果的に防止することができた。これにより、ヘッド基板をさらに縮小しても、バンプ６と電力配線１３へのインクの染み込みを防止できる液体吐出ヘッドを提供することが出来た。

（実施例２）
本実施例においては、実施例１とは別の支持基板２０の製造方法を示す。ヘッド用基板に関しては実施例１の製造方法を用いて設けた。

支持基板２０は、耐熱性・耐薬品性に優れるポリサルホン樹脂を用いて、素子列と直交する方向の幅を９００μｍとし、高さ４２５μｍの凸部２２と、インクを供給するための開口３０とを有するように射出成型を行った（図９（ａ））。なお、耐熱性・耐薬品性を有する射出成型が可能な樹脂であれば同様に支持基板２０として用いることができ、例えばポリエーテルサルホン樹脂、ポリヘニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリプロピレン樹脂等も用いることができる。

このとき、凸部２２は、ヘッド用基板の第一の凹部７と同じ傾斜角である第二の斜面を有するように設けた。

次に、支持基板２０の凸部２２に金などの導電材料からなるバンプ６と、電気接続端子１４とを形成した（図９（ｂ））。

このように形成した図６（ｆ）に示すヘッド用基板４１と、図９（ｂ）に示す支持基板２０を図７に示すように結合させることで、電気的な接続を行った。なお支持基板２０の開口３０と、ヘッド用基板４１の供給口１０とは、一致させるように接着させた。これにより、支持基板２０からヘッド用基板４１にインクを供給することができた。

その後、さらにバンプ６と電気接続端子１４と電力配線１３が設けられた第一の凹部７と凸部２２との約５０μｍの間隙に、アミン硬化型エポキシ樹脂組成物からなる封止部材２４を充填することで図４（ａ）に示すように封止した。

以上のように、ヘッド用基板４１に第一の凹部７、支持基板２０に凸部２２を設けてその部分で電気的接続を行い、さらに第一の凹部と凸部との傾斜面を封止部材２４で封止した。これによりヘッド基板をさらに縮小してもバンプ６と供給口１０との距離を、バンプ６へのインクの染み込みを防止できる距離とすることができた。

さらに、支持基板２０を第一の凹部に対応するように、樹脂部材で射出成型することにより第一の斜面とほぼ同じ傾斜角度の傾斜面を有すると支持基板２０を設けた。このように、第一の凹部７の第一の斜面と、ほぼ平行な凸部２２の第二の斜面と、の間を樹脂などからなる封止部材２４で封止することで、より確実にバンプ６と電力配線１３を被覆して封止することができる。これにより、ヘッド基板をさらに縮小してもインクの染み込みを防止できる液体吐出ヘッドを提供することが出来た。

また、本実施例に示すような射出成型技術を用いることにより、実施例１に示すような凸部のエッチング工程やアルミナ基板を接着させる工程を削減することができ、製造コストの削減を行うこともできた。

１ 素子
２ 基板
５ 電極
７ 凹部
１０ 供給口
１３ 電力配線
１４ 端子
２０ 支持基板
２２ 凸部
２４ 封止部材
４０ 液体吐出ヘッド
４１ 液体吐出ヘッド用基板

Claims (8)

1. 液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生する素子が複数設けられた第一の面と、凹部が設けられた、前記第一の面の反対の面である第二の面と、前記第一の面と前記第二の面との間を貫通した液体の供給口と、を有する基板と、複数の前記素子と電気的に接続され、前記基板の前記第一の面と前記凹部の内側との間を貫通して設けられた複数の電極と、前記複数の電極に共通に電気的に接続され、前記内側に設けられた導電層と、を有する液体吐出ヘッド用基板と、
   前記液体吐出ヘッド用基板を前記第二の面の側から支持し、前記凹部の内側に設けられた凸部と、該凸部に設けられ前記導電層と電気的に接続された接続部材と、前記供給口と連通し、前記供給口に液体を供給するための開口と、が設けられた支持基板と、
   を有し、
   前記凹部の内側から前記第二の面までの前記液体吐出ヘッド用基板と前記支持基板との間に、前記導電層と前記接続部材とを被覆する樹脂からなる部材が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記供給口は複数設けられており、前記複数の供給口が配列されることで、前記基板に供給口列が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 複数の前記素子が配列されることで構成される素子列が前記供給口列を挟むように、前記第一の面の前記供給口の両側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記凹部は、前記第二の面と連続し、前記第二の面から前記第一の面と前記第二の面との間の位置まで設けられた第一の斜面を有し、
   前記凸部は、前記第一の斜面とほぼ平行な第二の斜面を有し、
   前記第一の斜面と前記第二の斜面との間に、前記樹脂からなる部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生する素子が複数設けられた第一の面と、凹部が設けられた、前記第一の面の反対の面である第二の面と、前記第一の面と前記第二の面との間を貫通した液体の供給口と、を備える第一の基板と、複数の前記素子と電気的に接続され、前記基板の前記第一の面と前記凹部の内側との間を貫通して設けられた複数の電極と、前記複数の電極に共通に電気的に接続され、前記内側に設けられた導電層と、を備えた液体吐出ヘッド用基板を提供する工程と、
   前記導電層と電気的に接続できる接続部材が設けられた凸部と、前記供給口に液体を供給するための開口と、を有する支持基板を、前記凸部が前記液体吐出ヘッド用基板の前記内側の位置となり、前記開口と前記供給口とが連通するように、前記支持基板を提供する工程と、
   前記導電層と前記接続部材とを電気的に接続させる工程と、
   前記凹部の内側から前記第二の面までの前記液体吐出ヘッド用基板と前記支持基板との間に、前記導電層と前記接続部材とを被覆するように、樹脂からなる部材を設ける工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記支持基板を提供する工程は、
   前記開口を有する第二の基板を提供する工程と、
   前記凸部を形成するための凸部用部材と前記第二の基板とを接着する工程と、
   前記凸部に前記接続部材を設ける工程と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記第一の基板は、シリコンにより形成され、前記凹部は、前記第一の基板の一部を結晶異方性エッチングによって除去することによって得られ、前記凸部用部材は、シリコンの第三の基板を結晶異方性エッチングして前記凸部用部材となる部分以外の部分を除去することによって得られることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記支持基板を提供する工程は、
   前記開口と前記凸部とを有する樹脂からなる部材を射出成型により形成する工程と、
   前記凸部に前記接続部材を設ける工程と、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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