CN109278409A - 一种mems压电打印喷头组件集成结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，MEMS压电打印喷头芯片设置在硅转接基板的一侧，封装基板设置在硅转接基板另一侧，硅转接基板与封装基板之间设置驱动/控制集成电路芯片；封装基板另一侧设置散热器，封装基板一端通过柔性电路板与电接口电连接；MEMS压电打印喷头芯片由硅晶圆键合形成阵列排布墨腔，每个墨腔底部对应设置喷嘴，硅转接基板上下表面设置的金属布线层和贯穿硅转接基板的TSV导通孔电连接。本发明减小了打印喷头组件集成封装的尺寸，保证最短的电互连长度和最小互连电阻，通过小互连电阻降低打印喷头组件的焦耳热耗，减小互连线电阻、电容和电感等寄生参数，信号传输损耗、延迟、畸变减小，促使打印头性能提升。
Description
技术领域
本发明属于先进电子封装技术领域，具体涉及一种MEMS压电打印喷头组件集成结构。
背景技术
MEMS压电喷墨打印头具有高分辨率和高扩展性的特点，特别适用于印刷电子、封装、纺织、3D打印等新兴工业市场应用。与采用整块压电陶瓷体材料作制动件相比较，通过溶胶-凝胶法或溅射法沉积的压电陶瓷薄膜能更好的控制墨滴尺寸以调节灰度值和降低功耗，而成为MEMS压电喷墨打印头中主流的压电致动器。为了获得高质量的打印效果，需要对打印头的每个喷嘴进行独立的电驱动和电控制，实时调整每个喷嘴的墨滴尺寸，并减少相邻喷嘴之间的串扰。市场上现有的MEMS压电喷墨打印喷头组件中通常仅包含MEMS喷头(包含喷嘴、墨道、墨腔、活动隔膜和其上的压电陶瓷薄膜等)，而不包括驱动和控制电路，此时打印喷头组件需要通过一段柔性或刚性印刷电路板与外部的驱动和控制电路实现电气连接，由于距离较远，电连接的寄生电阻较大，在喷头大电压工作模式下，焦耳损耗，信号传输损耗、延迟、畸变等因素使打印头性能提升受限。将驱动和控制电路集成到打印喷头组件内部成为MEMS压电喷墨打印头的发展趋势。
现有一种带集成电路芯片(压电薄膜驱动电路)的打印头组件封装结构，采用印制板板级表贴技术，将集成电路芯片安装在柔性印制板上，再将柔性印制板贴装在MEMS喷头芯片上，集成电路芯片到MEMS喷头上压电制动器的电连接通过柔性印制板两侧的两排通孔与MEMS喷头芯片上对应的两排电极焊盘连接实现，缺点是压电制动器和集成电路芯片间连线还是较长，同时能支持的喷嘴密度有限。另一种方案采用硅MEMS喷头芯片和集成电路芯片经过焊球面对面的焊接形成电连接，一柔性印制板连接在硅MEMS喷头芯片上，作为整个打印头的对外电通路，封装集成结构需要在集成电路芯片晶圆背面加工墨汁出入通道，工艺难度较大。还有一种MEMS喷头芯片和集成电路芯片晶圆集成的结构。先在一片SOI晶圆上制备CMOS集成电路，再从该晶圆背面挖出压电墨腔和活动隔膜，在另一片晶圆上采用MEMS工艺制备有供墨槽和喷嘴，采用晶圆片堆叠键合工艺将上述两个晶圆对准粘附在一起，最后在活动隔膜区域的顶部形成压电材料，缺点如下：(1)位于活动隔膜上的那部分CMOS集成电路在压电制动时也跟着一起移动，硅晶格中的应力应变将改变半导体中的载流子迁移率，影响这部分CMOS电路的性能，同时长期的周期形变也会影响CMOS电路的寿命。(2)晶圆上的CMOS电路不是满排布的，即有大量空闲面积，这对于以面积计费的CMOS工艺来说是不经济的。(3)压电材料最后形成，对压电材料的制备工艺，特别是工艺温度，有苛刻的限制。因此，构建具有高喷嘴密度、低成本、高效可靠的MEMS压电喷墨打印头集成结构仍然是持续的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，以完成MEMS压电打印喷头与其驱动/控制集成电路芯片间的集成，特别适合于高密度MEMS喷嘴阵列压电打印喷头与一个或多个驱动/控制集成电路芯片间的混合集成。
本发明采用以下技术方案：
一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，包括MEMS压电打印喷头芯片、硅转接基板、封装基板、柔性电路板和电接口；MEMS压电打印喷头芯片设置在硅转接基板的一侧，封装基板设置在硅转接基板的另一侧，硅转接基板与封装基板之间设置有驱动/控制集成电路芯片；封装基板的另一侧设置有散热器，封装基板的一端通过柔性电路板与电接口电连接；MEMS压电打印喷头芯片由硅晶圆键合形成墨腔，墨腔阵列排布，每个墨腔的底部对应设置有喷嘴，硅转接基板上下表面设置的金属布线层和贯穿硅转接基板的TSV导通孔电连接。
具体的，驱动/控制集成电路芯片倒装在硅转接基板上与MEMS压电打印喷头芯片相对的表面上，驱动/控制集成电路芯片与MEMS压电打印喷头芯片位置相对；封装基板通过凸点焊球与硅转接基板连接，驱动/控制集成电路芯片通过凸点与硅转接基板连接，驱动/控制集成电路芯片与硅转接基板之间填充底部填充材料。
具体的，驱动/控制集成电路芯片倒装在封装基板上，驱动/控制集成电路芯片和硅转接基板位于封装基板同侧，驱动/控制集成电路芯片与MEMS压电打印喷头芯片位置相对；封装基板通过凸点焊球与硅转接基板连接，驱动/控制集成电路芯片通过凸点与封装基板连接，驱动/控制集成电路芯片与封装基板之间填充底部填充材料。
具体的，驱动/控制集成电路芯片通过引线键合线引线键合在封装基板上，驱动/控制集成电路芯片和硅转接基板位于封装基板同侧，驱动/控制集成电路芯片与MEMS压电打印喷头芯片位置相对或驱动/控制集成电路芯片和硅转接基板并排分布在封装基板的同侧。
进一步的，MEMS压电打印喷头芯片与硅转接基板之间阵列设置有压电薄膜制动器，压电薄膜制动器包括公共下电极、压电薄膜和上电极，公共下电极的一侧与墨腔的顶部连接，另一侧分别与多个压电薄膜连接，压电薄膜的另一侧与上电极连接，公共下电极和上电极之间设置有绝缘介质，公共下电极通过第二凸点焊球与硅转接基板连接，每个上电极均通过对应的第一凸点焊球与硅转接基板连接，多个第一凸点焊球之间电绝缘，多个第二凸点焊球之间电连通，第一凸点焊球排布在墨腔阵列的排间间隙及一侧，第二凸点焊球排布在墨腔阵列的另一侧。
进一步的，公共下电极为梳状，第二凸点焊球阵列位于梳背，梳齿方向沿电流方向，梳齿间的缝隙位于压电薄膜制动器的缝隙位置，梳齿间的缝隙形状依各排墨腔之间的错位形状设置；公共下电极的梳齿宽度为100～1000微米，梳背宽度为100～1000微米，梳齿间缝隙为1～100微米。
进一步的，公共下电极层的整片金属膜上设置有多个应力释放孔，应力释放孔的宽度为5～50微米，长度为20～500微米；或应力释放孔的孔径为5～300微米。
进一步的，MEMS压电打印喷头芯片四周设置密封环用于密封压电薄膜制动器；第一凸点焊球和第二凸点焊球的直径为20～200微米，同一排内第一凸点焊球之间的间距与相应喷嘴的间距相同；第一凸点焊球之间的排间距与相应的喷嘴的排间距相同。
具体的，封装基板上设置有与驱动/控制集成电路芯片大小相同的开孔，散热器伸入开孔直接与驱动/控制集成电路芯片的背面连接。
具体的，MEMS压电打印喷头芯片上的喷嘴阵列包括多组，每个喷嘴阵列分组采用一个驱动/控制集成电路芯片来控制和驱动，多个驱动/控制集成电路芯片组成驱动/控制集成电路芯片阵列。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，MEMS压电打印喷头芯片设置在硅转接基板的一侧，封装基板设置在硅转接基板的另一侧，之间设置有驱动/控制集成电路芯片；封装基板的另一侧设置有散热器，封装基板的一端通过柔性电路板与电接口电连接；硅转接基板上下表面设置的金属布线层和贯穿硅转接基板的TSV导通孔电连接；MEMS压电打印喷头芯片由硅晶圆键合形成墨腔，墨腔阵列排布，每个墨腔的底部对应设置有喷嘴，墨腔的顶部为活动薄膜，活动薄膜上方是公共下电极、压电薄膜和上电极构成的压电薄膜制动器，当上下电极和下电极间被施以一定电压时，压电材料形变，致使活动薄膜向下挤压墨室内的墨汁，使墨汁从喷嘴喷出，上述MEMS压电打印喷头组件集成结构实现了MEMS压电打印喷头芯片和其驱动/控制集成电路芯片间的三维立体集成，有效的提高了集成密度，减小了集成组件体积，同时由于MEMS压电打印喷头芯片和其驱动/控制集成电路芯片间互连线的缩短，损耗和串扰减小，有效的提高了MEMS压电打印喷头组件的性能，并降低功耗，柔性电路板提高了打印头组件后续在打印机结构件中装配的灵活性，同时减少了后续装配对打印头组件的影响和破坏，柔性电路板保证MEMS压电打印喷头组件在应用中空间移动时，电接口的位置可相对固定。
进一步的，驱动/控制集成电路芯片和硅转接基板位于封装基板同侧，驱动/控制集成电路芯片与MEMS压电打印喷头芯片位置相对，形成了一种PoP(Package-on-Package)封装集成结构，避免了在长条状的硅转接基板上进行双面倒装焊接，减小了微组装的难度，与电接口的电连接变短。
进一步的，驱动/控制集成电路芯片通过引线键合线引线键合在封装基板上，驱动/控制集成电路芯片与MEMS压电打印喷头芯片位置相对或驱动/控制集成电路芯片和硅转接基板并排分布在封装基板的同侧，进一步降低了微组装难度，但集成的打印头组件的尺寸也明显增加；硅转接基板和封装基板间施加底部填充材料或有机灌封，也可以在驱动/控制集成电路芯片周围先施加有机灌封材料，保护驱动/控制集成电路芯片和其四周的键合引线，再在硅转接基板和封装基板间施加底部填充材料。
进一步的，压电薄膜制动器阵列共用公共下电极，公共下电极在喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片的一侧与凸点焊球电连接。压电薄膜制动器电学工作模式类似于平板电容，在给压电薄膜制动器施加大电压时，会有瞬时大的充电电流，从凸点焊球到各个压电薄膜制动器所对应的下电极位置都有低电阻的电流通路，减小线路功率消耗，驱动/控制集成电路芯片与硅转接基板之间施加底部填充材料，以便减小凸点上的应力，提高驱动/控制集成电路芯片倒扣安装工艺的可靠性。
进一步的，考虑到压电薄膜制动器下电极金属材料和硅材料，以及二氧化硅、氮化硅等间的热膨胀系数差异，压电薄膜制动器的下电极相互连通在压电薄膜制动器阵列区域形成一整片公共下电极金属，大面积的成片金属下电极会引起热应力问题，使得金属下电极区域出现气泡、龟裂、膜层脱落等问题。
进一步的，公共下电极为梳状，缓解压电薄膜制动器阵列下电极区域的应力水平，同时保证从连接压电薄膜制动器下电极的凸点焊球阵列到每个压电薄膜制动器间有大的电流通流能力和小的直流压降。
进一步的，当应力释放孔为长方形时，长边方向沿着电流方向，以保持大的电流通流能力；圆形应力释放孔有更好的各项同性，使得公共下电极层的金属膜上应力分布更均匀。
进一步的，通过喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片四周的密封环实现对压电薄膜制动器的密封保护，以提高压电薄膜制动器的可靠性和寿命；随着同排内喷嘴间距越来越小，同排内相邻墨腔间的室壁越来越薄，难以在同排内相邻墨腔间的室壁上放置凸点焊球，多排喷嘴排之间的排间距灵活性较大，排间相邻墨室间的室壁可以设计的足够厚，凸点焊球排布在墨腔阵列的排间间隙，以及一侧。
进一步的，封装基板上在驱动/控制集成电路芯片相应位置，按照驱动/控制集成电路芯片的尺寸大小形成开孔，散热器伸入开孔直接到达驱动/控制集成电路芯片背面，以便为驱动/控制集成电路芯片提供良好的散热。
进一步的，喷嘴设计于墨腔区域的某固定位置，各喷嘴与相应墨腔的相对位置固定，所以喷嘴阵列和墨腔阵列有着相同的排列周期，喷嘴各排间在水平方向依次错位喷嘴水平方向重复周期的四分之一，这样可将喷嘴的水平方向等效密度提高4倍，提高打印喷头的分辨率。
综上所述，本发明一方面减小了打印喷头组件集成封装的尺寸，另一方面尽量保证最短的电互连长度和最小互连电阻，由于压电材料在工作时需要驱动芯片提供大电压、大电流的充放电，小互连电阻可降低打印喷头组件的焦耳热耗，同时电互连路径缩短使得互连线电阻、电容和电感等寄生参数减小，信号传输损耗、延迟、畸变减小，促使打印头性能提升。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为多个喷嘴构成喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头的平面结构示意图例一；
图2为多个喷嘴构成喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头的平面结构示意图例二；
图3为压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形示意一；
图4为压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形示意二；
图5为压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形示意三；
图6为压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形示意四；
图7为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片剖面结构示意图；
图8为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例一纵向剖面结构示意图；
图9为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例一横向剖面结构示意图；
图10为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件的封装基板、柔性电路板和电接口结构示意图；
图11为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例二结构示意图；
图12为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例三结构示意图；
图13为喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例四结构示意图；
图14为实施例一的微组装流程图；
图15为实施例二的微组装流程图。
其中：1.MEMS压电打印喷头芯片；11.第一凸点焊球；12.第二凸点焊球；13.墨腔；14.公共下电极；15.应力释放孔；16.上电极；17.喷嘴；18.压电薄膜；19.绝缘介质；2.硅转接基板；21.TSV导通孔；22.密封环；23.驱动/控制集成电路芯片；24.凸点；25.底部填充材料；26.封装基板；27.焊球；28.柔性电路板；29.散热器；30.电接口；31.开孔；32.引线键合线。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，包括MEMS压电打印喷头芯片1、硅转接基板2、驱动/控制集成电路芯片23、封装基板26、散热器29和柔性电路板28；
喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1倒装在硅转接基板2的一侧表面上，硅转接基板2另一侧表面通过焊球27焊接在封装基板26的表面上，散热器29粘贴在封装基板26的另一侧，带电接口30的柔性电路板28与封装基板26相连接；
驱动/控制集成电路芯片23能够倒装在硅转接基板2上与MEMS压电打印喷头芯片1相对的另一表面上，即驱动/控制集成电路芯片23和MEMS压电打印喷头芯片1分别位于硅转接基板2的两面，并且驱动/控制集成电路芯片23与MEMS压电打印喷头芯片1位置相对；
驱动/控制集成电路芯片23也可以倒装在封装基板26上，驱动/控制集成电路芯片23和硅转接基板2位于封装基板26同侧，并且驱动/控制集成电路芯片23与MEMS压电打印喷头芯片1位置相对；
驱动/控制集成电路芯片23也可以引线键合在封装基板26上，驱动/控制集成电路芯片23和硅转接基板2位于封装基板26同侧，并且驱动/控制集成电路芯片23与MEMS压电打印喷头芯片1位置相对；
驱动/控制集成电路芯片23还可以引线键合或倒装在封装基板26上，驱动/控制集成电路芯片23和硅转接基板2位于封装基板26同侧，并且驱动/控制集成电路芯片23和硅转接基板2并排平铺分布在封装基板26同一表面上。
当驱动/控制集成电路芯片23倒装在硅转接基板2与MEMS压电打印喷头芯片1相对的另一表面上时，MEMS压电打印喷头芯片1和驱动/控制集成电路芯片23间通过MEMS压电打印喷头芯片1上的第一凸点焊球11、.第二凸点焊球12、驱动/控制集成电路芯片23上的凸点24、硅转接基板2上下两个表面上的金属布线层和贯穿硅转接基板2的TSV导通孔21(Through-silicon-via)实现电连接；
当MEMS压电打印喷头芯片1是细长条状时，可以由多个驱动/控制集成电路芯片23沿MEMS压电打印喷头芯片1长度方向排列构成一维阵列，共同对MEMS压电打印喷头芯片1上的各个压电薄膜制动器进行驱动/控制。
每个驱动/控制集成电路芯片控制和驱动分布在其临近位置的压电薄膜制动器(喷嘴17)，这些分布在其临近位置的压电薄膜制动器(喷嘴17)构成一个分组。
一维驱动/控制集成电路芯片阵列对MEMS压电打印喷头芯片1上的压电薄膜制动器按位置分组驱动/控制。
压电薄18可以是采用溅射、蒸发等物理沉积方法形成的，也可以是采用溶胶-凝胶、化学反应沉积等化学沉积方法形成的，也可以薄片状体压电材料，此时通过高精度微组装工艺贴装在活动薄膜上。
通过MEMS压电打印喷头芯片1四周的密封环22实现对压电薄膜制动器的密封保护，以提高压电薄膜制动器的可靠性和寿命；密封环22通常是有机材料。
驱动/控制集成电路芯片23与硅转接基板2之间施加底部填充材料25，以便减小凸点24上的应力，提高驱动/控制集成电路芯片23倒扣安装工艺的可靠性。
硅转接基板2通过焊球27与封装基板26电连接，硅转接基2和封装基板26间施加底部填充材料或有机灌封材料。
封装基板26上在驱动/控制集成电路芯片23相应位置，按照驱动/控制集成电路芯片23的尺寸大小形成开孔31。
散热器29伸入开孔31直接到达驱动/控制集成电路芯片23的背面，以便为驱动/控制集成电路芯片23提供良好的散热。
封装基板26通过一段柔性电路板28与电接口30实现电连接。电接口30是整个喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件的对外电连接接口。电接口30的形式是多样的，优先即插即用的可插拔的接插件。
柔性电路板28提高了打印头组件后续在打印机结构件中装配的灵活性，同时减少了后续装配对打印头组件的影响和破坏。
柔性电路板28保证MEMS压电打印喷头组件在应用中空间移动时，电接口30的位置可相对固定。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
喷嘴密度是喷墨打印喷头的一项重要技术指标，喷嘴密度愈大，打印喷头的分辨率愈高。由于喷嘴最小间距的限制，单排喷嘴的密度非常有限，采用多排喷嘴构成喷嘴阵列是提高喷嘴密度的有效手段。喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片呈窄长条状，宽度在1厘米左右，长达可达7～10厘米。由于较大的长宽比，图中仅示意出MEMS压电打印喷头芯片(组件)沿长度方向上的局部。
图1中给出一种4排喷嘴构成喷嘴阵列的平面示意图实例，其中4排喷嘴各排间没有错位。为简明起见，图1中仅画出相应墨腔13的阵列排布，通常情况下，喷嘴17设计于墨腔13区域的某固定位置，各喷嘴17与相应墨腔13的相对位置固定，所以喷嘴阵列和墨腔阵列有着相同的排列周期。
图2给出另一种4排喷嘴构成喷嘴阵列的平面示意图实例，其中4排喷嘴各排间在水平方向依次错位喷嘴水平方向重复周期的四分之一，这样可将喷嘴的水平方向等效密度提高4倍。压电薄膜制动器的电学工作模型类似于电容，压电薄膜制动器的上下电极14,16间施加电压时，压电薄膜18产生形变。
同排喷嘴间的排列周期可小到几十微米，墨腔壁越来越薄，为满足日益提高的喷嘴密度要求，将各压电薄膜制动器的一个电极(下电极)并联，通过公共的引脚供电，再通过分别独立控制各压电薄膜制动器的另一个电极(上电极)来控制相应喷嘴的喷墨。图中连接压电薄膜制动器公共下电极14的第二凸点焊球12之间是电连通的，并连接每个压电薄膜制动器的下电极14。
连接压电薄膜制动器上电极16的第一凸点焊球11之间是电绝缘的，每个第一凸点焊球11连接一个相邻压电薄膜制动器的上电极16。
受到MEMS压电打印喷头耐热温度的限制，特别是受到压电薄膜材料耐热温度的限制，连接压电薄膜制动器下电极14的第二凸点焊球12和连接压电薄膜制动器上电极16的第一凸点焊球11采用低温焊接材料，如含铟、含铋的材料。
第一凸点焊球11和第二凸点焊球12排布的具体位置要避开压电薄膜制动器的活动薄膜部分，使得第一凸点焊球11和第二凸点焊球12位于刚性区域，避免在临近压电薄膜制动器的活动薄膜运动时，第一凸点焊球11和第二凸点焊球12受到的应力冲击。
第一凸点焊球11和第二凸点焊球12的直径在20～200微米范围，同一排内连接压电薄膜制动器上电极的第一凸点焊球11之间的间距由相应的喷嘴间距(相应的墨腔13间距)决定，通常同一排内连接压电薄膜制动器上电极16的第一凸点焊球11之间的间距与相应的喷嘴间距(相应的墨腔间距)相同；第一凸点焊球11的排间距由相应的喷嘴排间距(相应的墨腔排间距)决定，通常连接压电薄膜制动器上电极16的第一凸点焊球11之间的排间距与相应的喷嘴排间距(相应的墨腔排间距)相同。随着同排内喷嘴间距越来越小，同排内相邻墨腔间的室壁越来越薄，难以在同排内相邻墨腔间的室壁上放置第一凸点焊球11和第二凸点焊球12。多排喷嘴排之间的排间距灵活性较大，排间相邻墨腔间的室壁可以设计的足够厚，如图1和图2所示，凸点焊球11排布在墨腔阵列的排间间隙，以及一侧。
由于多个压电薄膜制动器共用第二凸点焊球12，所以第二凸点焊球12的数量和排布方式较为灵活，但需要满足所连接压电薄膜制动器同时工作时的电流承载能力。如图1～6所示，第二凸点焊球12排布在墨腔阵列的另一侧，第二凸点焊球12和压电薄膜制动器下电极14直接电连接。考虑到压电薄膜制动器下电极14金属材料和硅材料，以及二氧化硅、氮化硅等间的热膨胀系数差异，压电薄膜制动器的下电极14相互连通在压电薄膜制动器阵列区域形成一整片公共下电极金属，大面积的成片金属下电极会引起热应力问题，使得金属下电极区域出现气泡、龟裂、膜层脱落等问题，另外，因为MEMS压电打印喷头芯片1成长条形，长宽比可达10:1以上，较大的应力可能引起MEMS晶圆和MEMS芯片翘曲。为了缓解压电薄膜制动器阵列下电极区域的应力水平，同时保证从连接压电薄膜制动器下电极14的第二凸点焊球12阵列到每个压电薄膜制动器间有大的电流通流能力和小的直流压降，需要对压电薄膜制动器阵列公共下电极层14的图形进行设计。
图3所示的压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形中，沿电流方向，压电薄膜制动器阵列公共下电极14被分割成梳状。连接压电薄膜制动器下电极14的第二凸点焊球12阵列位于梳背，梳齿方向沿电流方向，梳齿间的缝隙位于压电薄膜制动器的缝隙位置，不影响相邻压电薄膜制动器的正常工作。梳状公共下电极14的梳齿宽度100～1000微米，梳背的宽度100～1000微米，梳齿间的缝隙1～100微米。
图3所示的压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形对应于图1所示的MEMS喷嘴阵列结构。对于图2所示的MEMS喷嘴阵列结构，由于各排墨腔间错位排列，梳状的公共下电极14也要有相应变化，如图4所示。梳齿间的缝隙的形状依各排墨腔间的错位形状变化。
另一种低应力的压电薄膜制动器阵列公共下电极层图形如图5和图6所示，在公共下电极层14的整片金属膜上挖应力释放孔15，应力释放孔15可以是长方形、正方形、圆形等，但不限于此。如图5所示的长方形应力释放孔和图6所示的圆形应力释放孔较为常用。
当应力释放孔15为长方形时，长边方向沿着电流方向，以保持大的电流通流能力。长方形应力释放孔15的宽度5～50微米，长度20～500微米。
圆形应力释放孔有更好的各项同性，使得公共下电极14的金属膜上应力分布更均匀。圆形应力释放孔的孔径5～300微米。
应力释放孔15的排布可以是周期均匀分布，也可以是非均匀分布。具体结构和工艺不同，应力释放孔15的分布密度也不同。应力释放孔15的放置位置要避开压电薄膜18的区域，以免影响该压电薄膜制动器的工作。
沿图1中AA’直线剖开喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1，剖面结构如图7所示。MEMS压电打印喷头由硅晶圆键合形成墨腔13，墨腔13底部有喷嘴17，墨腔13顶部为活动薄膜，活动薄膜上方是公共下电极14、压电薄膜18和上电极16构成的压电薄膜制动器。当上电极16和公共下电极14间被施以一定电压时，压电材料形变，致使活动薄膜向下挤压墨腔13内的墨汁，使墨汁从喷嘴17喷出；压电薄膜制动器阵列共用公共下电极14，公共下电极14在喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1的一侧与第二凸点焊球12电连接。
压电薄膜制动器电学工作模式类似于平板电容，在给压电薄膜制动器施加大电压时，会有瞬时大的充电电流，为减小线路功率消耗，需要从第二凸点焊球12到各个压电薄膜制动器所对应的公共下电极14位置都有低电阻的电流通路。每个压电薄膜制动器的上电极16是相互独立的，连接压电薄膜制动器上电极的第一凸点焊球11也是相互独立。
本发明公开的喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件集成结构如图8所示，喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1和驱动/控制集成电路芯片23分别倒装在硅转接基板2的上下两个表面。喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1和驱动/控制集成电路芯片23间的电连接通过上述芯片上各自的凸点焊球(第一凸点焊球11、第二凸点焊球12、凸点24等)，硅转接基板2上下两个表面上的金属布线层和贯穿硅转接基板2的TSV(Through-silicon-via)导通孔21实现。一方面减小了打印喷头组件集成封装的尺寸，另一方面保证最短的电互连长度和最小互连电阻。由于压电材料在工作时需要驱动芯片提供大电压、大电流的充放电，小互连电阻可降低打印喷头组件的焦耳热耗。通过喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1四周的密封环22实现对压电薄膜制动器的密封保护，以提高压电薄膜制动器的可靠性和寿命。
请参阅图14，驱动/控制集成电路芯片23与硅转接基板2之间施加底部填充材料25，以便减小凸点24上的应力，提高驱动/控制集成电路芯片23倒扣安装工艺的可靠性。硅转接基板2通过焊球27与封装基板26电连接。硅转接基板2和封装基板26间可施加底部填充材料。封装基板26上在驱动/控制集成电路芯片23相应位置，按照驱动/控制集成电路芯片23的尺寸大小形成开孔31。散热器29伸入开孔31直接到达驱动/控制集成电路芯片23背面，以便为驱动/控制集成电路芯片23提供良好的散热。
封装基板26通过一段柔性电路板28与电接口30实现电连接。电接口30是整个喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件的对外电连接接口。电接口30的形式是多样的，优先即插即用的可插拔的接插件。柔性电路板28保证MEMS压电打印喷头组件在应用中空间移动时，电接口30的位置可相对固定。柔性电路板28提高了打印头组件后续在打印机结构件中装配的灵活性，同时减少了后续装配对打印头组件的影响和破坏。
柔性电路板28的长度根据具体应用可选。在MEMS压电打印喷头组件运动时，柔性电路板28的长度和柔韧性保证柔性电路板28和封装基板26、电接口30间的连接区域受到的拉伸和挤压应力在该连接区域连接强度允许范围之内。
焊球27的高度可以大于驱动/控制集成电路芯片23厚度与凸点24高度之和，如图8所示，也可以小于驱动/控制集成电路芯片23厚度与凸点24高度之和，此时封装基板26上的开孔31略大于驱动/控制集成电路芯片23的尺寸，以便将驱动/控制集成电路芯片23嵌入开孔31。
封装基板26可以是有机基板，此时柔性电路板28可以是封装基板26各个叠层的一部分(如中间层或者表层)，也可以是与封装基板26相独立的(此时封装基板26和柔性电路板28间采用焊接形式形成电连接)。封装基板26也可以是陶瓷等无机基板(此时封装基板26和柔性电路板28间采用焊接形式形成电连接)。封装基板26也可以是与柔性电路板28相同的有机柔性基板，此时柔性电路板28可以是封装基板26各个叠层的一部分，也可以是全部。柔性电路板28和封装基板26可以是一体的，也可以是分立的。
散热器29材料可以是铝、铜、合金等金属材料，但不限于此。散热器29和驱动/控制集成电路芯片23之间施加热界面材料，以减小界面热阻，提高散热效率。
通常采用多个压电打印喷头组件拼接的方法来实现打印机的宽幅打印。高精度打印对拼接精度的要求很高，拼接个数增大，拼接难度激增。为了增加打印机的打印幅宽，增加单个压电打印喷头组件的打印宽度也是一个有效的途径。这时就需要增加喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片上喷嘴阵列中各排喷嘴的长度。在不改变各喷嘴排内喷嘴周期的情况下，增加喷嘴数量。一个喷嘴排的长度可以达到70-100毫米以上。考虑到同排喷嘴喷射的同步性、驱动/控制集成电路芯片的尺寸、I/O数、成本等问题，将MEMS压电打印喷头芯片上的喷嘴阵列沿横向进行分组，每个喷嘴阵列分组采用一个驱动/控制集成电路芯片来控制和驱动。同一排的喷嘴阵列分组由不同驱动/控制集成电路芯片控制和驱动，不同排的相邻的属于同一分组的喷嘴阵列由同一个驱动/控制集成电路芯片控制和驱动。这样一方面易于硅转接基板2上需同步的链路等长布线，另一方面易于压电打印喷头组件长度(幅宽)扩展。同一款驱动/控制集成电路芯片可以用于不同长度的MEMS压电打印喷头芯片。增加喷嘴阵列长度，或增加喷嘴阵列密度时，无须改变驱动/控制集成电路芯片型号，只需要增加数量，同时驱动/控制算法和驱动/控制程序也具有可复制性。图9给出喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件横向剖面结构示意图，其中仅画出两个驱动/控制集成电路芯片的情况，封装基板26上按照两个驱动/控制集成电路芯片的位置和尺寸挖出两个开孔，分别露出两个驱动/控制集成电路芯片的背面。
散热器29上按照两个驱动/控制集成电路芯片的位置和尺寸设计两个凸台，两个凸台伸入两个开孔中，并通过热界面材料与两个驱动/控制集成电路芯片背面接触，分别为两个驱动/控制集成电路芯片提供良好的散热。沿着喷嘴阵列排的方向，多个驱动/控制集成电路芯片23也组成一排驱动/控制集成电路芯片阵列。喷嘴阵列、墨腔阵列、压电薄膜制动器阵列相对应，有相同的周期。
图10给出喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件中的封装基板26、柔性电路板28和电接口30结构的示意图；封装基板26也呈细长条状，封装基板26上四个一排的开孔31对应于四个驱动/控制集成电路芯片，每个驱动/控制集成电路芯片仅控制和驱动分布在其四周的压电薄膜制动器(喷嘴)，这些分布在其四周的压电薄膜制动器(喷嘴)属于同一分组。每个驱动/控制集成电路芯片独立工作。得益于柔性电路板28的多层布线和高布线密度，柔性电路板28的宽度可以小于封装基板26的长度，以提高柔性电路板28弯曲的灵活性。柔性电路板28在与封装基板26连接端宽度渐变展宽。电接口30可以是单个接口，也可以由多个并行电接口组成。
实施例二：
请参阅图15，将驱动/控制集成电路芯片23倒装在封装基板26上，并设置底部填充材料25；再通过焊球27，实现与硅转接基板2的电连接，从而实现与喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1的电连接。硅转接基板2与驱动/控制集成电路芯片23倒装在封装基板26的同一个表面，硅转接基板2位于驱动/控制集成电路芯片23上方。焊球27分布在硅转接基板2的四周避开驱动/控制集成电路芯片23的区域。焊球27的高度大于驱动/控制集成电路芯片23厚度与凸点24高度之和。驱动/控制集成电路芯片23与硅转接基板2之间施加底部填充材料25，硅转接基板2和封装基板26间施加底部填充材料或有机灌封材料。喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例二结构示意图见图11。
实施例二形成了一种PoP(Package-on-Package)封装集成结构。与实施例一相比较，实施例二避免了在长条状的硅转接基板2上进行双面倒装焊接，减小了微组装的难度；与电接口30的电连接变短(不再需要通过焊球27)；驱动/控制集成电路芯片23和喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1间的电连接距离有所增长(需要通过焊球27)，但增长有限。需要焊球27具有大电压、大交变电流工作能力。另外，实施例二中对驱动/控制集成电路芯片3的散热能力没有实施例一好。
实施例三：
驱动/控制集成电路芯片23的各个I/O引脚的速度都不高，引线键合也能够满足驱动/控制集成电路芯片23各个I/O引脚对通流能力、直流压降和信号完整性的要求，可以采用引线键合来代替实施例二中的倒装凸点键合，实现驱动/控制集成电路芯片23在封装基板26上的微组装，以进一步降低微组装的难度。同时，因驱动/控制集成电路芯片23直接贴装在封装基板26上，驱动/控制集成电路芯片23与封装基板26间的热阻小于实施例二，所以，对驱动/控制集成电路芯片23散热效果要优于实施例二。喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头组件实施例三结构示意图见附图12。硅转接基板2和封装基板26间施加底部填充材料或有机灌封，也可以在驱动/控制集成电路芯片23周围先施加有机灌封材料，保护驱动/控制集成电路芯片23和其四周的键合引线，再在硅转接基板2和封装基板26间施加底部填充材料。
实施例四：
将驱动/控制集成电路芯片23与承载喷嘴阵列的MEMS压电打印喷头芯片1的硅转接基板2并排组装在封装基板26上。驱动/控制集成电路芯片23与封装基板26间的电连接通过引线键合线32实现；硅转接基板2与封装基板26间的电连接通过焊球27构成的球栅阵列实现。实施例三进一步降低了微组装难度，但集成的打印头组件的尺寸也明显增加。
综上所述，本发明实现了MEMS压电打印喷头芯片和其驱动/控制集成电路芯片间的三维立体集成，有效的提高了MEMS压电打印喷头组件的集成密度，实现了MEMS压电打印喷头组件集成的小型化，更重要的是，MEMS压电打印喷头芯片和其驱动/控制集成电路芯片间电互连线的有效缩短，使得在喷头大电压工作模式下，焦耳损耗，信号传输损耗、延迟、畸变被有效抑制，提高了MEMS压电打印喷头组件的整体性能。
在四个实施例中，实施一的集成难度最大，但实施一无论是在电性能还是热性能方面也是最好的。从实施例一到实施例三，MEMS压电打印喷头组件集成难度依次减弱，虽然组件体积没有显著变化，但组件性能也会依次变差。在四个实施例中，实施四是的集成难度最小，从集成组件体积和性能方面也与其它三个实施例相比较差，但与目前现有技术相比，实施四所公开的MEMS压电打印喷头组件集成结构仍然具有性价比优势，适合于中端MEMS压电打印喷头市场。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，包括MEMS压电打印喷头芯片(1)、硅转接基板(2)、封装基板(26)、柔性电路板(28)和电接口(30)；MEMS压电打印喷头芯片(1)设置在硅转接基板(2)的一侧，封装基板(26)设置在硅转接基板(2)的另一侧，硅转接基板(2)与封装基板(26)之间设置有驱动/控制集成电路芯片(23)；封装基板(26)的另一侧设置有散热器(29)，封装基板(26)的一端通过柔性电路板(28)与电接口(30)电连接；MEMS压电打印喷头芯片(1)由硅晶圆键合形成墨腔(13)，墨腔(13)阵列排布，每个墨腔(13)的底部对应设置有喷嘴(17)，硅转接基板(2)上下表面设置的金属布线层和贯穿硅转接基板(2)的TSV导通孔(21)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，驱动/控制集成电路芯片(23)倒装在硅转接基板(2)上与MEMS压电打印喷头芯片(1)相对的表面上，驱动/控制集成电路芯片(23)与MEMS压电打印喷头芯片(1)位置相对；封装基板(26)通过凸点焊球(27)与硅转接基板(2)连接，驱动/控制集成电路芯片(23)通过凸点(24)与硅转接基板(2)连接，驱动/控制集成电路芯片(23)与硅转接基板(2)之间填充底部填充材料(25)。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，驱动/控制集成电路芯片(23)倒装在封装基板(26)上，驱动/控制集成电路芯片(23)和硅转接基板(2)位于封装基板(26)同侧，驱动/控制集成电路芯片(23)与MEMS压电打印喷头芯片(1)位置相对；封装基板(26)通过凸点焊球(27)与硅转接基板(2)连接，驱动/控制集成电路芯片(23)通过凸点(24)与封装基板(26)连接，驱动/控制集成电路芯片(23)与封装基板(26)之间填充底部填充材料(25)。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，驱动/控制集成电路芯片(23)通过引线键合线(32)引线键合在封装基板(26)上，驱动/控制集成电路芯片(23)和硅转接基板(2)位于封装基板(26)同侧，驱动/控制集成电路芯片(23)与MEMS压电打印喷头芯片(1)位置相对或驱动/控制集成电路芯片(23)和硅转接基板(2)并排分布在封装基板(26)的同侧。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，MEMS压电打印喷头芯片(1)与硅转接基板(2)之间阵列设置有压电薄膜制动器，压电薄膜制动器包括公共下电极(14)、压电薄膜(18)和上电极(16)，公共下电极(14)的一侧与墨腔(13)的顶部连接，另一侧分别与多个压电薄膜(18)连接，压电薄膜(18)的另一侧与上电极(16)连接，公共下电极(14)和上电极(16)之间设置有绝缘介质(19)，公共下电极(14)通过第二凸点焊球(12)与硅转接基板(2)连接，每个上电极(16)均通过对应的第一凸点焊球(11)与硅转接基板(2)连接，多个第一凸点焊球(11)之间电绝缘，多个第二凸点焊球(12)之间电连通，第一凸点焊球(11)排布在墨腔(13)阵列的排间间隙及一侧，第二凸点焊球(12)排布在墨腔(13)阵列的另一侧。
6.根据权利要求5所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，公共下电极(14)为梳状，第二凸点焊球(12)阵列位于梳背，梳齿方向沿电流方向，梳齿间的缝隙位于压电薄膜制动器的缝隙位置，梳齿间的缝隙形状依各排墨腔(13)之间的错位形状设置；公共下电极(14)的梳齿宽度为100～1000微米，梳背宽度为100～1000微米，梳齿间缝隙为1～100微米。
7.根据权利要求5所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，公共下电极层(14)的整片金属膜上设置有多个应力释放孔(15)，应力释放孔(15)的宽度为5～50微米，长度为20～500微米；或应力释放孔(15)的孔径为5～300微米。
8.根据权利要求5中任一项所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，MEMS压电打印喷头芯片(1)四周设置密封环(22)用于密封压电薄膜制动器；第一凸点焊球(11)和第二凸点焊球(12)的直径为20～200微米，同一排内第一凸点焊球(11)之间的间距与相应喷嘴(17)的间距相同；第一凸点焊球(11)之间的排间距与相应的喷嘴(17)的排间距相同。
9.根据权利要求1所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，封装基板(26)上设置有与驱动/控制集成电路芯片(23)大小相同的开孔(31)，散热器(29)伸入开孔(31)直接与驱动/控制集成电路芯片(23)的背面连接。
10.根据权利要求1所述的一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，其特征在于，MEMS压电打印喷头芯片(1)上的喷嘴阵列包括多组，每个喷嘴阵列分组采用一个驱动/控制集成电路芯片(23)来控制和驱动，多个驱动/控制集成电路芯片(23)组成驱动/控制集成电路芯片阵列。
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