DE68911623T2

DE68911623T2 - Herstellung von Farbstrahldruckköpfen durch Diffusionsschweissung und Hartlötung.

Info

Publication number: DE68911623T2
Application number: DE68911623T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey J Anderson; Ted E Deur; John S Moore; Joy Roy
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1988-09-01
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2009-08-31
Also published as: US4883219A; JPH02107450A; JP2607392B2; EP0357020A3; EP0357020A2; DE68911623D1; EP0357020B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Tinten- bzw. Farbstrahldruckköpfen, wobei die Oberflächen von Komponenten der Tintenstrahldruckköpfe durch Diffusionsschweißen unter Verwendung einer dünnen Füllmaterialschicht, gefolgt von Hartlöten, miteinander verbunden werden.

Hintergrund der Erfindung

Bisher werden Tintenstrahldruckköpfe verschiedener Typen hergestellt, die sowohl nichtluftgestützte als auch luftgestützte Bedarfs- und kontinuierliche Tintenstrahldruckköpfe umfassen. Wie beispielsweise die Tintenstrahldruckköpfe von US-A-4 685 185 und US-A-4 728 969 zeigen, sind Tintenstrahldruckköpfe häufig aus einer Vielzahl von Metall-Laminaten oder -Komponenten gebildet, die aneinander befestigt sind.
Diese Tintenstrahldruckköpfe haben typischerweise die Laminate durchsetzende Tintenzuführleitungen, und die Laminate definieren normalerweise ein oder mehr Kammern zur Aufnahme von Tinte. Außerdem weisen luftgestützte Tintenstrahldruckköpfe die Laminate durchsetzende Luftdurchflußkanäle auf. Wie ferner die zweitgenannte obige Patentschrift zeigt, können einige Tintenstrahldruckköpfe Reinigungskanäle haben Ferner haben diese Tintenstrahldruckköpfe typischerweise Tintentropfenausstoßplatten mit kleinsten Tintenaustrittsdüsen, beispielsweise mit einem Durchmesser von 30-80 um, durch die Tintentröpfchen ausgestoßen werden. Bei luftgestützten Tintenstrahldruckköpfen durchsetzen diese Tintentröpfchen typischerweise eine Luftkammer und treten an einer externen Öffnung in einer Luftkammerplatte mit Unterstützung durch aus der Luftkammer strömende Luft aus.
Bei der Herstellung dürfen die verschiedenen Tintenstrahldruckkopf-Düsenöffnungen und -Kanäle nicht verstopft werden. Eine noch strengere Anforderung an die Anordnung von Tintenstrahldruckköpfen ist, daß die Kanäle auch nicht teilweise verstopft sein dürfen, denn sonst können die verschiedenen Tintenstrahlen verschiedene Wiedergabecharakteristiken haben. Bei luftgestützten Tintenstrahlen ist es außerdem wichtig, daß die Tintentropfen bildende Austrittsöffnung und die äußere Düsenöffnung präzise ausgefluchtet sind, und zwar typischerweise konzentrisch miteinander innerhalb einer Toleranz von 3 um, um einen präzisen Tintentropfenausstoß zu erreichen. Ferner können ein Verbiegen, eine Verformung oder Verwindung der Tintentropfenausstoßplatte und der Luftkammerplatte im Fall von luftgestützten Tintenstrahldruckköpfen das präzise gerichtete Ausstoßen von Tintentröpfchen aus dem Tintenstrahldruckkopf beeinträchtigen. Das Betriebsverhalten von Tintenstrahldruckkopfanordnungen wird ferner durch ein Verdrehen der Ausstoßplatte relativ zu anderen Komponenten des Tintenstrahldruckkopfs und relativ zu der Luftkammerplatte im Fall von luftgestützten Tintenstrahldruckköpfen ungünstig beeinflußt. Ferner kann ein relatives Verdrehen von Platten, die einen Tintenstrahldruckkopf bilden, während der Herstellung in einer Fehlausfluchtung von Düsenöffnungen und Kanälen in dem Tintenstrahldruckkopf resultieren.
Bei einem üblichen Tintenstrahldruckkopf-Herstellungsverfahren für luftgestützte Tintenstrahlen erfolgt das Anbringen verschiedener Laminate, die den Tintenstrahldruckkopf bilden, unter einem Mikroskop, wobei eine Arbeitskraft die verschiedenen Austrittsöffnungen während der Montage des Tintenstrahldruckkopfs ausfluchtet. Es hat sich als schwierig erwiesen, die verschiedenen Komponenten des Tintenstrahldruckkopfs in Ausfluchtung zu halten, während diese Komponenten zusammengebaut werden. Daher muß die Ausbeute an zufriedenstellenden Tintenstrahldruckköpfen bei einem solchen Verfahren verbessert werden.
US-A-4 685 185 versucht, dieses Ausfluchtungsproblem dadurch zu überwinden, daß einige der Öffnungen, beispielsweise eine Tintenauslaßöffnung und eine Öffnung zwischen einer Hornkammer und einer Tintenkammer, gebildet werden, nachdem Platten oder Laminate, die diese Öffnungen enthalten, montiert worden sind. Außerdem wird im Fall von luftgestützten Tintenstrahldruckköpfen die äußere Düsenöffnung fakultativ vor dem Anbringen der Luftkammerplatte in ihrer Position gebildet.
US-A-4 685 185 offenbart in Sp. 8, Zeilen 46-63, daß Schritte zum Anbringen der verschiedenen Komponenten von Tintenstrahldruckköpfen einen Hartlötschritt aufweisen können. Nickel-Goldlegierungs-Hartlotringe werden erwähnt. Beim Schmelzen dieser Hartlotringe erfolgt eine gewisse Diffusion von Gold und Nickel in benachbarte rostfreie Stahlkomponenten des Tintenstrahldruckkopfs. Diese Diffusion ändert den Zusammensetzungsprozentsatz der Legierung und erhöht ihre Umschmelztemperatur. In einem anschließenden Hartlötvorgang findet infolgedessen kein Schmelzen von vorher hartgelöteten Verbindungen statt, weil die Temperaturen an der Verbindungsstelle unter der Umschmelztemperatur liegen. Schließlich kann gemäß US-A-4 685 185 ein Abstandselement, das bei dem beschriebenen Tintenstrahldruckkopf verwendet wird, mit einer Elektroform- oder Elektroplattierschicht aus Silberhartlotmaterial beschichtet werden.
Die in der US-A für jede Schicht verwendeten Hartlotringe hatten eine Dicke zwischen 25 und 75 um oder mehr. Außerdem wurden die Hartlötschritte mit einem Druck von ca. 55 N/cm² (80 psi) ausgeführt, der während der Hartlötschritte in einer zu der Ebene der verschiedenen Tintenstrahldruckkopf-Komponenten normalen Richtung aufgebracht wurde. Tintenstrahldruckköpfe der aus dieser US-A bekannten Konstruktion werden seit mehr als einem Jahr verkauft.
Das Verfahren gemäß US-A-4 685 185 ist relativ zeitaufwendig und teuer wegen der Menge an verbrauchtem Hartlotmaterial und wegen der Notwendigkeit, nach der Montage der verschiedenen Komponenten des Tintenstrahldruckkopfs Öffnungen herzustellen. Wenn die Tintenstrahlaustrittsöffnungen vor dem Hartlöten gebildet würden, könnte das Hartlotmaterial sich leicht in diesen winzigen Öffnungen sammeln und sie zusetzen.
Aus US-A-3 985 283 ist ein Verfahren bekannt zum Aufbringen einer flächigen Hartlotlegierung auf ein Teil, das aus einem hartlötbaren Grundmetall besteht. Druck und Wärme mit einer Temperatur unmittelbar unter dem Schmelzpunkt der Hartlotlegierung werden für eine vorbestimmte Zeitdauer aufgebracht, so daß Diffusionsbonden bzw. -schweißen erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen, das auf die Überwindung der oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik gerichtet ist.
Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine erste Oberfläche einer ersten Metallkomponente eines Tintenstrahldruckkopfs mit einer zweiten Oberfläche einer zweiten Metallkomponente des Tintenstrahldruckkopfs verbunden, wobei die erste und die zweite Oberfläche aus Materialien bestehen, die gleiche oder ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Eine Füllmaterialschicht wird auf mindestens einer dieser Oberflächen galvanisch abgeschieden oder anderweitig angebracht. Das Füllmaterial hat einen Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt der ersten und der zweiten Komponente, und die Gesamtdicke des Füllmaterials auf den Oberflächen insgesamt liegt im Bereich von ca. 1/16 um bis ca. 5 um, wobei 1/8 um bis 2 um ein bevorzugter Bereich ist. Diese Oberflächen werden zusammengebracht und Wärme und Druck ausgesetzt, um die Oberflächen ohne Schmelzen des Füllmaterials durch Diffusion zu verbinden bzw. diffusionszuschweißen. Das Diffusionsschweißen wird gemäß einer Ausführungsform durchgeführt, bis nicht mehr als ca. 1 um von nichtdiffundiertem Füllmaterial zwischen den Oberflächen verbleibt. Wenn mehr als 2 um Füllmaterial verwendet wird, kann wesentlich mehr Zeit erforderlich sein, um das gesamte Füllmaterial mit Ausnahme von ca. 1 um davon zur Diffusion zu veranlassen. Die Diffusion bis auf diesen Wert von 1 um beseitigt im wesentlichen jede spätere Fehlausfluchtung der Komponenten und Ausfüllen von Öffnungen oder Kanälen mit überschüssigem Füllmaterial beim späteren Hartlöten. Danach wird das Füllmaterial zum Schmelzen gebracht, ohne daß die erste und die zweite Komponente geschmolzen werden, um dadurch die erste und die zweite Komponente miteinander hartzulöten.
Da nur eine sehr dünne Füllmaterialschicht verwendet wird, können beträchtliche Bereiche der Verbindung nach dem Hartlötschritt nichts von dem reinen Hartlotmetall oder der Hartlotlegierung aufweisen. Dieses Hartlotmaterial kann stattdessen entweder in das Grundmetall diffundiert oder einlegiert worden sein, so daß die geometrischen Orte der Verbindung in Querschliffbildern von dem umgebenden Grundmetall nicht zu unterscheiden sind. Wenn die Zeit, während der die Komponenten auf der Hartlöttemperatur gehalten werden, ausreichend lang ist und der Diffusionskoeffizient des Hartlotmetalls in das Grundmetall ausreichend hoch ist, verbleibt nichts von dem reinen Hartlotmetall, und der Verbindungsbereich hat das gleiche Aussehen wie das umgebende Grundmetall.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Füllmaterial aus einer Gruppe gewählt, die Gold, Kupfer, Silber, Nickel sowie binäre und ternäre Kombinationen dieser Materialien aufweist. Diese Materialien sowie binäre und ternare Kombinationen dieser Materialien mit anderen Materialien wie beispielsweise Nickelphosphor sind geeignete Füllmaterialien. Wenn das Füllmaterial aus einem Material besteht oder ein Material aufweist, das nicht in das für die Komponente verwendete spezielle Substratmaterial diffundiert, wird nicht mehr mehr als etwa 1 um des schwach diffundierbaren Materials in dem Füllmaterial vorgesehen. Wenn beispielsweise ein Silber enthaltendes Füllmaterial verwendet wird, um Komponenten aus rostfreiem Stahl miteinander zu verbinden, wird nicht mehr als insgesamt ungefähr 1 um des Silberanteils des Füllmaterials auf der ersten und der zweiten Oberfläche insgesamt angeordnet. Außerdem werden durch die Anwendung der Erfindung außerordentlich feste Verbindungen erhalten, wenn ungefähr insgesamt 1/8 um bis 1/2 um Füllmaterial verwendet wird. Diese Verbindungen sind der Zugfestigkeit des Substratmaterials der miteinander zu verbindenden ersten und zweiten Komponente angenähert.
In aggressiver Umgebung, wie sie von Tintenstrahldruckkopf-Komponenten angetroffen werden können, die mit manchen Tintenarten in Kontakt gelangen, werden die Komponenten der Tintenstrahldruckköpfe häufig aus rostfreiem Stahl hergestellt. In einem solchen Fall wird vor dem Diffusionsschritt das Oxid von den rostfreien Stahlkomponenten entfernt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Komponenten herzustellen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen, bei dem das mögliche Zusetzen oder auch teilweise Blockieren von Öffnungen, Kammern oder Kanälen bei der Herstellung, insbesondere von Durchmessern mit kleinen Querschnitten, minimiert wird.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen ohne Fluidaustritt zwischen benachbarten, jedoch separaten Kammern in dem Tintenstrahldruckkopf und ohne Fluidaustritte zur Umgebung.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen, bei dem die Gefahr minimiert ist, daß zwischen den miteinander verbundenen Komponenten oder Laminaten, die den Tintenstrahldruckkopf bilden, Ritzen verbleiben, die die Gefahr des Einschlusses von Blasen bergen.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs, wobei die Zeitdauer, die Zahl der Arbeitsschritte und die Kosten der zur Herstellung benötigten Materialien minimiert sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines mechanisch festen und dauerhaften Tintenstrahldruckkopfs aus einer Mehrzahl von Komponenten.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs, wobei ein Verwinden von in dem Kopf vorhandenen Metallkomponenten minimiert und die Steuerung der Ausfluchtung und Beabstandung der Komponenten innerhalb extrem enger Toleranzen ermöglicht wird.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Verbinden von Komponenten, die eine komplexe Geometrie haben können, um einen Tintenstrahldruckkopf zu bilden, wobei die Notwendigkeit für eine herkömmliche Bearbeitung von Komponenten, die in dem Tintenstrahldruckkopf vorhanden sind, minimiert ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von verschiedenen Tintenstrahldruckköpfen einschließlich relativ großer Tintenstrahldruckköpfe, die Gruppen von Farbdüsen enthalten.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung und die Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt einer Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfs, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von Komponenten eines Tintenstrahldruckkopfs, die während eines Herstellungsschritts bei dem Verfahren nach der Erfindung zum Aufbringen von Druck positioniert sind.

Genaue Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Der Einfachheit halber wird das Verfahren der Erfindung in Verbindung mit der Herstellung einer Form von Tintenstrahldruckkopf beschrieben, wie er in Fig. 1 gezeigt und im einzelnen in der US-PS 4 728 969 (Le et at.) beschrieben ist. Es versteht sich dabei, daß das Verfahren nicht auf die Herstellung dieses speziellen Typs von Tintenstrahldruckkopf beschränkt ist. Stattdessen ist das Verfahren umfassend bei der Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen allgemein anwendbar, wenn zwei oder mehr Metallkomponenten miteinander zu verbinden sind. Das Verfahren kann angewandt werden, um Tintenstrahldruckköpfe herzustellen, die bei Raumtemperatur flüssige Tinten abgeben, und solche, die Schmelztinten bzw. Phasenänderungstinten abgeben, die bei Raumtemperatur fest sind und zum Ausstoßen geschmolzen werden. Beispielsweise wird das Verfahren nach der Erfindung angewandt, um relativ große Tintenstrahldruckköpfe mit Gruppen von Tintenausstoßdüsen herzustellen. Beispielsweise werden gemäß der Erfindung Tintenstrahldruckköpfe hergestellt, die 3,3 cm breit mal 9,6 cm lang sind und 96 Tintenausstoßdüsen haben, wobei die Herstellung von noch größeren Tintenstrahldruckköpfen möglich ist.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Tintenstrahldruckkopf 10 einen Körper 12, in dem eine Einraum-Tintenkammer 14 und eine Luftkammer 16 vorgesehen sind. Die Tintenkammer 14 ist von der Luftkammer 16 durch eine Tintenkammerwand 18 getrennt. Außerdem sind die Seiten der Luftkammer 16 von einer Luftkammerabstandsplatte 19 begrenzt, und die Luftkammer 16 ist von einer Luftkammerwand 20 abgeschlossen. Die Tintenkammer 14 ist mit der Luftkammer 16 durch einen inneren Tintendurchflußkanal bzw. eine Tintendurchflußöffnung 22 verbunden, die die Tintenkammerwand l8 durchsetzt. Der Tintendurchflußkanal 22 ist typischerweise sehr eng, beispielsweise mit einem Durchmesser von ca. 30-80 um. Der Tintendurchflußkanal 22 mündet in die Luftkammer 16 durch einen inneren Auslaß 23 einer Tintentropfen bildenden Öffnung. Eine äußere Tintenstrahlöffnung 24 verläuft von der Luftkammer zur Außenseite des Tintenstrahldruckkopfs 10. Die äußere Offnung 24 ist ebenfalls extrem klein, sie hat beispielsweise einen Durchmesser von ca. 110-260 um. Außerdem beträgt der Abstand zwischen den Platten 18 und 20 und damit die Breite der Luftkammer 16 charakteristisch ca. 50-120 um. Die Tintenstrahlöffnung 24 ist mit dem Tintendurchflußkanal 22 und dem Öffnungsauslaß 23 innerhalb einer Toleranz von ca. 3 um in Axialrichtung ausgefluchtet und konzentrisch, wie durch die Achse 25 angedeutet ist.
Bei dem Tintenstrahldruckkopf gemäß Fig. 1 besteht die Tintenkammer 14 aus zwei Abschnitten 26, 28 mit im wesentlichen Kreisquerschnitt. Die Tintenkammerabschnitte 26, 28 sind gebildet durch Vorsehen von Tintenkammeröffnungen durch entsprechende Laminate oder Komponenten 30, 32, 34 und 36 und Verbinden dieser Komponenten miteinander, um die jeweiligen Seiten der Kammerabschnitte zu begrenzen. Der Kammerabschnitt 28 ist angrenzend an die Wand 18 und den Tintendurchflußkanal 22 positioniert. Der Tintenkammerabschnitt 26 hat größeren Durchmesser als der Abschnitt 28 und ist von einer flexiblem Membranplatte 40 abgeschlossen, die an der Komponente oder dem Laminat 30 an dem Ende der Tintenkammer angebracht ist, das von dem Tintendurchflußkanal 22 entfernt ist.
Tinte wird einem Tintenaufnahmeeinlaß 46 zugeführt, fließt durch einen Tintenkanal oder eine Öffnung 48 und füllt die Tintenkammer 14 in dem Tintenstrahldruckkopf aus.
Als fakultatives Merkmal hat der Tintenstrahldruckkopf von Fig. 1 einen Reinigungsauslaß 51, der durch einen Reinigungskanal oder eine Öffnung 50 mit dem Kammmerabschnitt 28 in Verbindung ist. Der Reinigungskanal ist normalerweise geschlossen, wird jedoch selektiv geöffnet, um den Durchfluß von Tinte aus der Tintenkammer 14 durch den Reinigungskanal zu ermöglichen, um Blasen und Verunreinigungen zu entfernen, die in der Tintenkammer vorhanden sein können. Der Reinigungskanal ist durch Ausfluchtungsöffnungen in den Platten 40, 30, 32, 34 und 36 definiert.
Ein piezoelektrisches Keramikelement 54, das auf beiden Seiten mit Metall plattiert und mit der Membran 40 verbunden ist, weist eine Form einer Druckimpuls-Erzeugungseinheit auf. Aufgrund von elektrischen Impulsen, wie sie in Fig. 1 mit V&sub0; bezeichnet sind, wird die Membran geringfügig in die Druckkammer 26 hinein verformt, und ein Druckimpuls wird von der Membran 40 durch die Tintenkammer 14 übertragen. Das bewirkt das Ausstoßen eines Tintentropfens aus dem Tintentropfen bildenden Auslaß 23 in Richtung zu der äußeren Öffnung 24.
Da die Ausführungsform des Tintenstrahldruckkopf von Fig. 1 ein luftgestützter Tintenstrahldruckkopf ist, wird einem Lufteinlaß 61 des Tintenstrahldruckkopfs 10 Druckluft zugeführt. Diese Druckluft strömt durch einen Luftzufuhrkanal oder eine Öffnung 60 in die Luftkammer 16. Luft wird um den Umfang des Tintenstrahldruckkopfs herum zzwischen dein Außenfläche der Tintenkammerwand 18 und der Innenfläche der Luftkammerwand 20 verteilt. Dabei strömt Luft aus sämtlichen Richtungen nach innen durch die Luftkammer 16 in Richtung zur Mitte des Tintenstrahldruckkopfs. Wenn sich die Luft dem Zentrum des Tintenstrahldruckkopfs nähert, ändert sie ihre Richtung und strömt durch die äußere Öffnung 24 nach außen. Dieser Luftstrom beschleunigt Tintentropfen, die an der Tintentropfen bildenden Öffnung 23 aufgrund von Druckimpulsen erzeugt werden, und trägt dazu bei, sie aus dem Tintenstrahldruckkopf nach außen zu transportieren. Infolgedessen werden von dem Tintenstrahldruckkopf gleichförmige und symmetrische Tintentropfen erzeugt. Diese Tropfen wandern durch die äußere Öffnung 24 und auf ein Druckmedium (nicht gezeigt).
Tintenstrahldruckköpfe dieses Typs haben Kanäle sehr kleiner Größe und werden charakteristisch hergestellt, indem Laminate oder Komponenten verwendet werden, die extrem dünn sein können. Beispielsweise sind zusätzlich zu den bereits genannten Abmessungen die Kanäle 48 und 50 typischerweise mit einem Querschnitt von ca. 100-150 um x 250 um ausgebildet, die Membranplatte 40 hat charakteristisch eine Dicke von ca. 100-125 um, die Tintenkammerwand 18 hat charakteristisch eine Dicke von ca. 50-130 um, die Dicke der äußeren Luftkammerwand ist charakteristisch ca. 100-200 um, und der Abstand zwischen den Platten 40 und 34 beträgt ca. 100-250 um.
Bei relativ kleinen Dimensionen, wie sie vorstehend angegeben sind oder typischerweise bei anderen Arten von Tintenstrahldruckköpfen angetroffen werden, ist ohne weiteres ersichtlich, daß jedes Herstellungsverfahren ausgelegt sein muß, um das mögliche Zusetzen oder sogar teilweise Blockieren dieser verschiedenen Öffnungen und Kanäle des Tintenstrahldruckkopfs zu minimieren. Außerdem können Fehlausfluchtung, Verbiegen, Verdrehen und Verwinden der Platten 18, 20 und 40 sowie anderer Komponenten des Tintenstrahldruckkopfs bei der Herstellung den ordnungsgemäßen Betrieb des Tintenstrahldruckkopfs beeinträchtigen. Beispielsweise kann eine Fehlausfluchtung der verschiedenen Laminate, die die Kanäle bilden, insbesondere zwischen den Öffnungen 22 und 24, in nichtfunktionierenden Tintenstrahldruckköpfen resultieren. Verbiegen oder Verwinden der Platte 18 sowie der Platte 20 im Fall von luftgestützten Tintenstrahldruckköpfen kann ferner die Richtung verändern, unter der Tintentröpfchen aus der Tintenstrahlöffnung 22 ausgestoßen werden, was das Betriebsverhalten des Tintenstrahldruckkopfs beeinträchtigt. Außerdem können wesentliche Verwindungen der Platte 18 oder der Platte 20 oder der Platte 40 dazu führen, daß diese Platten einander berühren oder anderweitig die Luftkammer 16 vollständig oder teilweise blockieren. Herstellungsverfahren für Tintenstrahldruckköpfe müssen also ausgelegt sein, um eine Formänderung der verschiedenen Komponenten und jegliche Fehlausfluchtung der Öffnungen zu minimieren.

Vorbearbeitung von Tintenstrahldruckkopf- Komponenten

Die Metallkomponenten, die gemäß dem Verfahren der Erfindung miteinander zu verbinden sind, werden gewählt, um weitgehend gleichartige oder nahezu identische Wärmeausdehnungskoeffizienten zu haben, so daß diese Komponenten sich beim Verbinden nicht relativ zueinander verformen. In aggressiven Umgebungen, die bei Tintenstrahldruckköpfen im Betrieb aufgrund der aggressiven Beschaffenheit einiger Tinten bzw. Farben häufig angetroffen werden, ist rostfreier Stahl der bevorzugte Werkstoff für Tintenstrahldruckköpfe. Wenn Korrosion keine Rolle spielt, wenn beispielsweise weniger aggressive Tinten verwendet werden, können Kupfer, Nickel und andere Metalle als die Substrate oder Komponenten eingesetzt werden.
Die einzelnen Tintenstrahldruckkopf-Komponenten 18, 19, 20, 30-36 und 40, die in Fig. 2 gezeigt sind, werden zuerst auf herkömmliche Weise bearbeitet, um die Öffnungen und Kanäle 22, 24, 48, 50, 60 und die Kammern 26, 28 zu bilden. Obwohl es nicht notwendig ist, wird jede dieser Öffnungen, Kanäle und Kammern charakteristisch durch chemisches Fräsen, Stanzen, Lochen, elektroerosives Bearbeiten oder ein anderes entsprechendes Verfahren vorgeformt. Die einzelnen Teile brauchen zwar nicht laminar zu sein, es werden aber besonders gute Verbindungen erhalten, wenn die aneinandergrenzenden Oberflächen der Komponenten eben sind. Das verbessert die Möglichkeit, die Flächen überall dort, wo sie zu verbinden sind, zusammenzupressen.
Die zu verbindenden Oberflächen sind typischerweise glatt. Beispielsweise werden Oberflächengüten von 16 Mikroinch oder besser für maschinell bearbeitete Teile und eine Oberflächengüte 2B für rostfreies Stahlblech üblicherweise verwendet. Im allgemeinen werden hochfeste hermetische Verbindungen beständig erreicht, wenn die Ausgangsmaterialien Oberflächen haben, deren Güte diesem Glättegrad entspricht.
Übliche Reinigungsverfahren werden angewandt, um die Tintenstrahldruckkopf-Komponenten erstmals zu reinigen, um Schmutz und Öl zu entfernen. Beispielsweise können die Komponenten in Aceton, Trichlorethylen, einem Gemisch aus Seife und Ammoniak in Wasser abgespült und dann in sauberem Wasser gespült werden. Danach können die Komponenten in Freon durch Dampf entfettet werden. Nachdem die Komponenten gründlich entfettet sind, werden die Oberflächen für das Anbringen einer Schicht Füllmaterial vorbereitet.
Bei rostfreien Stahlkomponenten kann nach Durchführung der oben beschriebenen Reinigungsschritte ein Shipley's Electroclean(Wz)-Material zum Reinigen verwendet werden, wobei die Teile schwach anodisch gemacht sind. Nach Abspülen der Teile in entionisiertem Wasser können die rostfreien Stahlkomponenten direkt in ein Metall-Vorgalvanisierbad mit sehr niedrigem pH eingebracht werden, wobei entweder eine Gold- oder eine Nickel-Vorgalvanisierung geeignete Beispiele sind. Ein gut funktionierendes Gold-Vorgalvanisierbad ist AuroBond TCL(Wz) von Sel Rex Company, Nutleg, New Jersey. Typischerweise hat das Vorgalvanisiermaterial eine Dicke von 1/10-1/8 um. Diese Verfahren bewirken eine ausreichend gute Reinigung und Entfernung von Oberflächenoxid, so daß sich das Vorgalvanisiermetall gut mit den Komponenten verbindet. Die Teile können dann in entionisiertem Wasser gespült werden, so daß anschließend ein Füllmaterial darauf aufgebracht werden kann, wie unten erläutert wird.
Rostfreier Stahl bildet ein stark haftendes Oxid an seiner Oberfläche, wenn er Luft ausgesetzt wird. Dieses Oxid wird vor dem nachstehend erläuterten Diffusionsverbindungsbzw. -schweißschritt im wesentlichen entfernt. Das Endergebnis des oben beschriebenen Reinigungsvorgangs und des Aufbringens der Metall-Vorgalvanisierung sind Komponenten, bei denen dieses Oxid zufriedenstellend entfernt worden ist. Das Reinigen und Vorgalvanisieren beseitigt die Notwendigkeit für ein vor der Montage erfolgendes Trocknen der verschiedenen Komponenten in Wasserstoff. Außerdem kann danach eine bessere Adhäsion von im Sub-um-Bereich aufplattierten Füllmaterialien an den Komponenten erreicht werden.
Es ist ferner zu beachten, daß die Verwendung eines Vorgalvanisiermaterials eine effiziente Möglichkeit ist, um die erneute Bildung von Oxid auf rostfreiem Stahl zu verhindern, daß jedoch Vorgalvanisiermaterialien nicht obligatorisch sind. Ferner sind für den Fachmann auch andere Techniken zum Entfernen von Oxiden ersichtlich. Beispielsweise können, was zwar weniger erwünscht ist, Oxide auch von rostfreien Stahl komponenten nach dem Aufbringen oder Abscheiden von Füllmaterialien auf den Komponenten entfernt werden. Das kann durch Backen der Komponenten bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Füllmaterials in einem Wasserstoffofen erfolgen, um das Oxid zu reduzieren. Wenn ferner Substratmaterialien wie Kupfer und Nickel verwendet werden, ist die Oxidbildung kein so erhebliches Problem wie im Fall von rostfreiem Stahl.

Füllmaterial

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird eine Füllmaterialschicht auf mindestenns einer der Oberflächen angebracht. Wenn Sub-um-Schichten von Füllmaterial verwendet werden, braucht nur eine der Oberflächen mit dem Füllmaterial beschichtet zu werden, obwohl erwünschtenfalls beide Oberflächen beschichtet werden können. Das Füllmaterial kann auf den Oberflächen auf verschiedene Weise angebracht werden, etwa durch Aufsputtern, Vakuumabscheidung, Galvanisieren und dergleichen. Außerdem kann sehr dünne Goldfolie einer Dicke von beispielsweise 2 um hergestellt und zwischen den zu verbindenden Oberflächen angeordnet werden. Das bevorzugte Verfahren ist aber Galvanisieren, da insbesondere bei der Bearbeitung von rostfreien Stahlkomponenten eine stark haftende Plattierschicht des Füllmaterials auf mindestens einer der zu verbindenden Oberflächen angebracht werden kann.
Ferner wird das Füllmaterial charakteristisch, wenn auch nicht notwendigerweise, so gewählt, daß es eine Affinität zur Diffusion in das Substratmaterial hat, das für die Komponenten verwendet wird. Das Verfahren kann jedoch auch mit einem Füllmaterial angewandt werden, das gegen eine Diffusion in das Substrat beständig ist. In einem solchen Fall ist das diffusionsbeständige Material auf nicht mehr als ca. 1 um begrenzt. Beispielsweise ist das Verfahren erfolgreich durchgeführt worden unter Einsatz von Silber- oder silberhaltigen (d. h. Kupfer-Silber, Gold-Silber usw.) Füllmaterialien auf rostfreiem Stahl, obwohl das Silber keine Affinität zur Diffusion in den rostfreien Stahl hat. In einem solchen Fall wird das Silber oder der diffusionsbeständige Teil des Füllmaterials auf einer Dicke von nicht mehr als ca. 1 um gehalten. Infolgedessen verbleibt nach der Diffusion nur ca. 1 um Füllmaterial, also das gegen Diffusion beständige Material, zwischen den zu verbindenden Oberflächen. Wenn mehr als ca. 1 um Silver in dem Füllmaterial eingesetzt wurde, ergaben sich einige Probleme, da das Silber in Kanäle in den Tintenstrahldruckköpfen fließt und sie verstopft.
Bevorzugt, jedoch ohne Beschränkung auf diese Gruppe, sind die Füllmaterialien aus einer Gruppe gewählt, die Gold, Silber, Kupfer, Nickel und alle binären und ternären Kombinationen dieser Materialien umfaßt. Solche binären und ternären Kombinationen umfassen Gold-Silber, Kupfer-Silber, Gold-Kupfer-Silber usw. Außerdem können andere Materialien wie etwa Zink und Phosphor (d. h. Nickel-Phosphor, 6-12 Gew.-% Phosphor) diesen Füllmaterialien zugesetzt werden, wobei sie noch immer unter diese Gruppe fallen. Die Füllmaterialien können Legierungen sein oder, wenn Galvanisierung angewandt wird, typischerweise in Schichten auf eine oder beide zu verbindenden Oberflächen aufgelegt werden. Die von Gold und Silber verschiedenen Füllmaterialien werden charakteristisch verwendet, wenn die Korrosion eine geringere Rolle spielt und Einrichtungen vorhanden sind, um die Schritte des Diffusionsschweißens und Hartlötens, die nachstehend erläutert werden, entweder im Vakuum oder in einer sehr reinen und trockenen Wasserstoffatmosphäre auszuführen.
Die Füllmaterialien sind so gewählt, daß ihr Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt bzw. den Schmelzpunkten der zu verbindenden Komponenten liegt. Beispielsweise kann ein Silber enthaltendes Füllmaterial zum Verbinden von Kupferkomponenten verwendet werden. Dagegen werden Nickel- und rostfreie Stahlkomponenten typischerweise unter Verwendung der oben angegebenen Füllmaterialien verbunden. Bei dieser Anwendung sind Gold und Kupfer besonders geeignete Verbindungsmaterialien für rostfreien Stahl, weil sie sehr rasch in die rostfreien Stahlkomponenten diffundieren.
Um ein Zusetzen der kleinen Öffnungen und weiterer Teile der Komponenten während des anschließenden Hartlötschritts des Verfahrens zu minimieren, ist es wichtig, sowohl die Menge an Füllmaterial als auch des Vorgalvanisiermaterials möglichst klein zu halten und das geeignete Füllmaterial zu wählen. Nach einem anschließenden Diffusionsschritt des Verfahrens und vor dem Hartlöten sollte nicht mehr als ca. 1 um nichtdiffundiertes Füllmaterial und Vorgalvanisiermaterial zwischen den durch Hartlöten zu verbindenden Oberflächen verbleiben. Denn wenn dieses Füllmaterial während des Hartlötens flüssig wird und zum Fließen gelangt, können sich die verschiedenen Komponenten relativ zueinander verlagern, oder Kanäle und Öffnungen des Tintenstrahldruckkopfs können verstopft werden.
Bevorzugt sollte die Gesamtmenge von Füllmaterial -ausschließlich eines etwaigen Vorgalvanisiermaterials, das anwesend sein kann, es sei denn, das Vorgalvanisiermaterial hat die Funktion des Füllmaterials - zwischen den zu verbindenden Oberflächen im Bereich von ca. 1/16 um bis ca. 2 um liegen. Füllmaterialien in diesem Bereich erlauben eine schnelle Herstellung von Tintenstrahldruckköpfen und resultieren in Tintenstrahldruckköpfen mit Verbindungen hoher Zugfestigkeit. Die Gesamtdicke des Füllmaterials kann jedoch auf ca. 5 um erhöht sein. Wenn aber diese größeren Füllmaterialmengen verwendet werden, dauert der Diffusionsschritt relativ lang. Diese Zeit wird benötigt, damit das überschüssige Füllmaterial in die Komponenten diffundiert und nicht mehr als ca. 1 um undiffundiertes Material zwischen den zu verbindenden Oberflächen verbleibt. Wenn dabei das Füllmaterial aus einer Substanz besteht oder eine Substanz enthält, die nicht in das Substrat der Komponente diffundiert, was bei Silber-Füllmaterial und rostfreien Stahlkomponenten der Fall ist, muß die Menge des diffusionsbeständigen Anteils des Füllmaterials auf ungefähr nicht mehr als ca. 1 um begrenzt sein.
Bei ungefähr 1/8 um Füllmaterialgesamtmenge werden routinemäßig hermetische Verbindungen erhalten, deren Zugfestigkeit derjenigen des Substratmaterials angenähert ist, und zwar mit Füllmaterial sowohl auf Gold- als auch Silberbasis und bei rostfreien Stahlsubstraten. Gleichartige Verbindungen sind mit anderen Substraten und Füllmaterialien zu erwarten. Außerdem werden befriedigende Verbindungen auch mit Füllmaterialien auf Gold- und Silberbasis erhalten, die auf eine Gesamtdicke von 1/16 um zwischen die zu verbindenden Oberflächen plattiert waren. Diese Verbindungen hatten jedoch ungefähr 2/3 der vollen Zugfestigkeit des Substratmaterials. Höhere Drücke während des Verbindens und bessere Oberflächengüten können das etwas ausgleichen und festere Verbindungen ergeben, wenn diese geringe Füllmaterialmenge verwendet wird, aber diese Verfahren werden dann teurer. Somit stellt ca. 1/16 um Gesamtfüllmaterial eine Untergrenze dar, bei der eine zufriedenstellende Verbindung erreicht wird. Bei einem Silber enthaltenden Füllmaterial auf rostfreiem Stahl beginnt außerdem die Gefahr einer Pfützenbildung und einer Blockierung der Öffnungen durch das Silber zuzunehmen, wenn der Silberanteil des Füllmaterials 1/2 um übersteigt. Es ist somit erwüncht, Silber enthaltende Füllmaterialien oder andere dif fusionsbeständige Füllmaterialien für andere Substrate auf einer Dicke von noch weniger als 1 um zu halten. Extrem feste und hermetische Verbindungen ohne Blockierung werden mit Füllmaterialien zwischen 1/8 um und 1/2 um erreicht. Außerdem wird die Okklusion nicht als Problem angesehen, wenn Gold als Füllmaterial bis zu ungefähr 2 um verwendet wird. Da Gold ferner relativ schnell in rostfreien Stahl diffundiert und relativ inert ist, können rasch gebildete hermetische, feste Verbindungen unter Verwendung von Gold selbst mit etwas größeren Füllmaterialmengen erhalten werden.
Da nur sehr geringe Mengen Füllmaterial verwendet werden, sind die Kosten des Füllmaterials für die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs nur ein kleiner Bruchteil der Kosten des Kopfs, auch wenn Gold das gewählte Material ist. Mit Gold als dem Füllmaterial und mit einer Gesamtplattierungsdicke von nur 1/2 um sind selbst bei einer hundertfachen Vergrößerung Goldstreifen in den Öffnungen typischerweise schwer nachzuweisen. Auch hier hat Silber die Tendenz, mehr als Gold "Pfützen" zu bilden, wenn rostfreie Stahlkomponenten verbunden werden, und hat daher die Tendenz, kleine Kanäle vollständig oder teilweise zu blockieren, wenn nicht Sub-um-Mengen verwendet werden. Die Verwendung von Silber- Füllmaterial bei der Herstellung ist pro Komponente unerheblich billiger, bildet eine feste Diffusionsschweißverbindung und kann bei einer Temperatur hartgelötet werden, die ungefähr 100 ºC niedriger als die für Gold liegt, und bietet daher einige Vorteile. In jeder Hinsicht zwischen Gold und Silber liegen Fülimaterialien, die aus verschiedenen Anteilen von Gold und Silber zusammengesetzt sind. Schließlich können die übrigen Füllmaterialien nach Wunsch verwendet werden.
Fig. 2 zeigt den Tintenstrahldruckkopf von Fig. 1 während eines Herstellungs-Zwischenschritts, wobei die Füllmaterialschichten 80-82 (in der Figur übertrieben dargestellt) zwischen den jeweiligen Paaren von Laminaten 19 und 20, 18 und 19, 36 und 18, 34 und 36, 32 und 34, 30 und 32 sowie 40 und 30 liegen.
In dem zentralen Bereich der Menbranplatte 40, die die Wand der Tintenkammer 28 bildet und die während des Diffusionsschweißens keinem Druck ausgesetzt ist, hat die Füllmaterialschicht 82 die Tendenz, sich zu sammeln bzw. eine Pfütze zu bilden. In vielen Fällen stellt diese Pfützenbildung zwar kein erhebliches Problem dar, sie kann jedoch den Betrieb des Tintenstrahldruckkopfs beeinträchtigen. Diese Ansammlung von Füllmaterial auf der Membranplatte wird minimiert, wenn die Füllmaterialschicht 82 auf ca. 1/8 um begrenzt ist oder wenn das Füllmaterial in der Membranschicht vollständig eliminiert und nur das Vorgalvanisiermaterial auf dieser Lage verwendet wird, wobei das Füllmaterial an der angrenzenden Oberfläche der Komponente 30 anwesend ist.

Diffusionsschweißschritt

Während des Diffusionsschweißvorgangs bei dem Verfahren werden die zu verbindenden Oberflächen aneinanderliegend angeordnet. Diese Oberflächen können vor dem Positionieren aneinander einem letzten Dampfentfettungsschritt unterzogen werden. Die aneinanderliegenden Oberflächen werden mindestens während eines ersten Teils des Diffusionsschweißschritts unter Druck gehalten. Außerdem wird auf die Komponenten Wärme aufgebracht, um die Oberflächen bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Füllmaterials miteinander durch Diffusion zu verschweißen oder zu verbinden. Typischerweise wird das Diffusionsschweißen entweder in einer Wasserstoffatmosphäre oder in einem Vakuum oder, wenn das Füllmaterial Gold ist, auch in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Wie Fig. 2 zeigt, sind die verschiedenen zu verbindenden Lagen oder Komponenten aufeinandergestapelt und mit der gewünschten Präzision ausgefluchtet. Der Stapel von Fig. 2 ist in eine Druckeinspanneinrichtung 85 gelegt worden, die aus einem ersten und einem zweiten Gegenhalter 84, 86 besteht. Diese Gegenhalter dienen dazu, Kraft in der mit Pfeilen 88, 89 bezeichneten Richtung aufzubringen, die durch die zu verbindenden Oberflächen geht und charakteristisch im allgemeinen normal dazu ist. Im allgemeinen kann jede Druckeinspanneinrichtung verwendet werden, die die Komponenten nicht infolge von durch Wärmeausdehnung bedingten Fehlausrichtungen während des Erwärmens der Komponenten auf die Diffusionsschweißtemperatur und während des Aufbringens von Druck beim Diffusionsschweißen verformt. Andere Ausfluchtungs-Einspannvorrichtungen, die beim Diffusionsschweißen oder Hartlöten typischerweise verwendet werden, können ebenfalls verwendet werden.
Die Komponenten können hilfsweise an den Rändern heftgeschweißt oder anderweitig festgelegt werden, um sie in Ausfluchtung zu halten, während sie in der Schweißeinspanneinrichtung 85 festgelegt sind. Außerdem kann die Einspanneinrichtung 85 Paßstifte (nicht gezeigt) aufweisen, an die die einzelnen Teile angelegt sind, um die Komponenten vor dem Diffusionsschweißen in Ausfluchtung festzulegen.
Die Einspanneinrichtung 85 kann Gegenhalter 84 und 86 aus einem Material mit dem gleichen oder einem gleichartigen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die zu verbindenden Komponenten aufweisen. Beispielsweise können die Gegenhalter 84 und 86 aus rostfreiem Stahl bestehen, wenn rostfreie Stahlkomponenten verbunden werden. In einem solchen Fall können die Komponenten von den Gegenhaltern zusammengepreßt und die gesamte Einspanneinrichtung auf die Diffusionsschweißtemperatur erwärmt werden. Während der Erwärmung der Einspannein richtung und der Komponenten ist eine Formänderung praktisch ausgeschlossen, weil sich die Gegenhalter 84 und 86 mit der gleichen Rate wie die Komponenten ausdehnen. Alternativ können vor dem Aufbringen von Druck die Gegenhalter und die zu verbindenden Komponenten zuerst auf die Diffusionsschweißtemperatur erwärmt werden, und der Druck kann anschließend aufgebracht werden. Vor dem Abkühlen der Komponenten wird die Druckbeaufschlagung aufgehoben. Bei dieser letztgenannten Technik braucht der Wärmeausdehnungskoeffizient der Gegenhalter 84 und 86 nicht der gleiche wie der der Komponenten des Tintenstrahldruckkopfs zu sein. Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Gegenhalter und der Komponenten stellen in diesem Fall kein Problem dar, weil die Temperatur der Gegenhalter und der Komponenten während des Aufbringens von Druck nicht verändert wird.
Als spezielles Beispiel des Diffusionsschweißschritts kann Druck aufgebracht werden, der allgemein im Bereich von 34-5500 N/cm² (50 psi bis 80 ksi) liegt. Der Druck kann nur während Anfangsperioden des Diffusionsschweißschritts oder während des gesamten Diffusionsschweißvorgangs aufgebracht werden. Das heißt, der Druck wird nach dem Erreichen der Schweißtemperatur nur für eine Anfangszeitdauer wie etwa einige Minuten benötigt. In beiden Fällen werden die gewünschten Diffusionsverbindungen erhalten. Wenn ferner rostfreie Stahlkomponenten verschweißt werden, ist es wichtig zu vermeiden, daß sie Temperaturen zwischen ca. 500 ºC und 900 ºC über längere Zeit ausgesetzt sind, um die Ausfällung von Carbid mit anschließendem Verlust der Beständigkeit gegenüber chemischen Angriffen zu vermeiden. Daher werden zum Diffusionsschweißen von rostfreiem Stahl charakteristisch Temperaturen von 425-500 ºC angewandt. Wenn nicht mehr als ca. 2 um Füllmaterial vorhanden ist, dauert der gesamte Diffusionsschweißvorgang allgemein nur zwischen etwa 10 und 30 min.
Bei einer solchen Temperatur, die mindestens 400 ºC unter den Schmelzpunkten von entweder Silber- oder Gold- Füllmaterial liegt, besteht die Tendenz, daß Verbindungen nur an den Oberflächenrauhigkeiten gebildet werden, die durch Druck von der Einspannvorrichtung 85 zerdrückt worden sind. Eine nur geringe oder keine Verbindung tritt in Bereichen auf, in denen kein Druck aufgebracht wird. Die resultierenden Diffusionsverbindungen sind zwar schwach und würden Tinte austreten lassen, die Komponenten sind jedoch ausreichend gut miteinander verbunden, so daß sie ohne Gefahr von Fehlausfluchtungen grob gehandhabt werden können. Außerdem bringt das Diffusionsschweißen sämtliche verschiedenen Verbindungsflächen der Komponenten in innigen Kontakt miteinander, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob ausreichend Druck aufgebracht wird, um Verbindungen zu bilden.
Die Komponenten werden charakteristisch auf der Diffusionsschweißtemperatur und unter der Hartlöttemperatur gehalten, bis nicht mehr als ca. 1 um Füllmaterial undiffundiert zwischen den Lagen verbleibt. Als Beispiel für die Geschwindigkeit der Diffusionsschweißtechnik, wobei das Gold-Füllmaterial insgesamt eine Dicke von ca. 1 um hatte und rostfreie Stahlkomponenten vorhanden waren, wurde der Diffusionsschweißschritt bei 425 ºC in ca. 10 min durchgeführt. Während der ersten 2 min wurde auf die Komponenten bei dieser Diffusionsschweißtemperatur ein mittlerer Druck von ca. 2800 N/cm² (4000 psi) aufgebracht. Die Komponenten wurden dann für weitere 8 min auf dieser Diffusionsschweißtemperatur gehalten. Druck braucht nicht während des gesamten Diffusionsschweißschritts aufgebracht zu werden. Dagegen wird eine viel längere Eindringzeit bei einer Temperatur zwischen dieser Diffusionsschweißtemperatur von 425 ºC und der Hartlöttemperatur des Füllmaterials (1050 ºC im Fall von Gold) benötigt, wenn insgesamt 5 um Füllmaterial verwendet werden.
Der Diffusionsschweißschritt kann gleichzeitig an sämtlichen zu verbindenden Lagen eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß Fig. 2 durchgeführt werden, wonach ein Hartlötschritt folgt, der nachstehend erläutert wird. Alternativ können die Schritte, die zum Diffusionsschweißen der Komponenten führen und dieses einschließen, separat mit Gruppen der Komponenten angewandt werden (d. h. mit den Laminaten 20, 19, 18 in einer Gruppe, den Laminaten 32, 34 und 36 in einer zweiten Gruppe und den Laminaten 30 und 40 in einer dritten Gruppe), wobei die Gruppen von diffusionsverschweißten Komponenten dann miteinander diffusionsverschweißt und anschließend hartgelötet werden. Auch können Komponenten den Diffusionsschweißschritten des Verfahrens unterzogen, wie nachstehend erläutert hartgelötet, einem weiteren Difusionsschweißen entsprechend dem Verfahren zum Verbinden weiterer Komponenten unterzogen und danach hartgelötet werden. Somit kann eine Vielzahl von Diffusionsschweiß- und/oder Hartlötschritten gemäß der Erfindung durchgeführt werden. Wenn bei einem der Schritte das gesamte Füllmaterial verbraucht worden ist, kann es erforderlich sein, die Oberflächen mit zusätzlichem Füllmaterial neu zu belegen, bevor ein weiterer Verbindungsvorgang erfolgt.

Hartlötschritt

Nach dem Diffusionsschweißen werden die Komponenten aus der Diffusionsschweiß-Einspanneinrichtung (d. h. der Einspanneinrichtung 85) entnommen und einem Hartlöten unterzogen. Ebenso können die Komponenten aus der Diffusionsschweiß-Einspannvorrichtung entnommen und einem weiteren Diffusionsschweißen als Teil des Diffusionsschweißschritts unterzogen und dann hartgelötet werden. Das Hartlöten umfaßt das Schmelzen des Füllmaterials ohne Schmelzen der ersten und der zweiten Komponente, um dadurch die Komponenten des Tintenstrahldruckkopfs miteinander durch Hartlöten zu verbinden
Typischerweise werden die diffusionsverschweißten Komponenten ohne Einspannen auf einem ebenen Keramiksubstrat oder einem anderen feuerfesten Substrat angeordnet. Sie werden dann in einen Wasserstoff- oder Vakuumofen verbracht, auf eine Temperatur geringfügig unter dem Schmelzpunkt des Füllmaterials aufgeheizt und dort ausreichend lang gehalten, damit sich die Temperatur sämtlicher Komponenten stabilisieren kann. Die Komponenten können auch auf dieser letztgenannten Temperatur gehalten werden, um eine zusätzliche Diffusion als Teil des Diffusionsschweißschritts zu erzielen. Wenn beispielsweise rostfreie Stahlkomponenten und Gold oder Silber oder Kupfer enthaltende Füllmaterialien verwendet werden, werden die Komponenten auf eine Temperatur von ca. 900 ºC bis ca. 950 ºc aufgeheizt. Im allgemeinen sind ungefähr vier Minuten bei dieser Temperatur für typische Tintenstrahldruckköpfe eine ausreichend lange Zeit, damit sich die Teile stabilisieren, weil hier keine wärmeabsorbierende Einspannvorrichtung verwendet wird. Die Temperatur wird dann nur gerade über den Schmelzpunkt des Füllmaterials erhöht, um das Füllmaterial zu schmelzen und das Hartlöten zu vollenden. 2-4 min auf einer Temperatur über dein Schmelzpunkt des Füllmaterials genügt im allgemeinen. Schließlich werden die Komponenten rasch abgekühlt und aus dem Ofen entnommen. Da die Komponenten während des Hartlötvorgangs frei aufgestellt sind, werden keine nachweisbaren geometrischen Formänderungen oder Fehlausfluchtungen von mehr als 2 um in die verbundenen Komponenten eingeführt. Wenn nicht ein diffusionsbeständiges Füllmaterial wie etwa ein Silber-Füllmaterial für rostfreie Stahlteile verwendet wird, zeigt bei diesem Hartlötvorgang der größte Bereich jeder Verbindung kein unlegiertes Füllmaterial. Wenn die Hartlöttemperatur über längere Zeitdauern aufrechterhalten wird, kann das gesamte Füllmaterial aus dem Verbindungsbereich hinausdiffundieren, und die Kornstruktur der angrenzenden Substratschichten kann sich über die Verbindung bilden. Über mehrere Jahre der Verwendung im Labor ist kein Fall von Verbindungen aufgetreten, aus denen Tinte austritt, und sämtliche Verbindungen, die mit einem Helium-Leckdetektor auf Leckage geprüft wurden, waren hermetisch.
Die freistehende Hartlöttechnik, bei der auf die Teile kein Druck aufgebracht wird, wird bevorzugt. Diffusionsverschweißte Komponenten wurden jedoch während des Hartlötens mit einer Totlast von bis zu ca. 0,6 kg (l 1/4 lbs.) oder 0,69 N/cm² (10 psi) während des Hartlötens belastet. Zufriedenstellende Tintenstrahldruckköpfe wurden auch dann noch hergestellt, wenn die Komponenten auf diese Weise belastet wurden. Daher umfaßt der Ausdruck "im wesentlichen bei Abwesenheit von Druck" in bezug auf den Hartlötschritt des Verfahrens ein freistehendes Hartlöten ebenso wie ein Hartlöten, bei dem Kräfte von nicht mehr als ca. 6,9 N/cm² (10 psi) auf die Teile aufgebracht werden. Wenn keine Einschränkung durch den Ausdruck "im wesentlichen bei Abwesenheit von Druck" vorliegt, umfaßt der Ausdruck "Hartlöten" auch das Hartlöten bei höheren Drücken. Ferner umfaßt der Ausdruck "niedriger Druck" Drücke bis zu ca. 700 N/cm² (1 ksi); oberhalb dieser Drücke wird es viel schwieriger, den Druck bei den Temperaturen, die beim Hartlöten angewandt werden, aufzubringen.
Der Hartlötschritt des Verfahrens wandelt die schwachen Diffusionsverbindungen in feste hermetische Verbindungen um. Außerdem bildet der Hartlötschritt des Verfahrens starke Hartlötverbindungen zwischen allen in Kontakt befindlichen Flächen, die während des Diffusionsschweißens im Verfahren nicht diffusionsverschweißt worden sind. Die starken, festen, hermetischen Verbindungen, die bei diesem Verfahren resultieren, verhindern die Bildung von Rissen zwischen Komponenten und das Ablösen von Komponenten, was zum Einschluß von Blasen führen und das Betriebsverhalten eines Tintenstrahldruckkopfs nachteilig beeinflussen könnte. Wegen der relativ dünnen Füllmaterialien, die zwischen Komponenten nach dem Diffusionsschweißen verbleiben, wird die Ausfluchtung der Komponenten beibehalten, da sie nicht dazu tendieren, sich zu verschieben, wenn das Füllmaterial schmilzt. Außerdem führt das freienstehende oder im wesentlichen druckfreie Hartlöten nicht zur Einführung von Formänderungen oder einem Verbiegen der Komponenten.
Insbesondere werden Tintenstrahldruckköpfe gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt, bei denen keine Formänderung der den Tintenstrahldruckkopf bildenden Laminate bis zu dem 1-2-um-Nachweiswert der zur Detektierung einer solchen Formänderung verwendeten Einrichtung nachgewiesen werden konnte. Als Beispiel wurden 0,04 mm dicke rostfreie 316-Stahlbleche mit 2,5 mm dicken Blöcken sowohl von rostfreiem 303- als auch 316-Stahl verschweißt. Diese Blöcke hatten Löcher mit Durchmessern zwischen 2,8 und 6 mm. Die elastische Verformung des 0,04 mm-Blechs in diese Löcher wurde mit kleiner als 1,5 um gemessen. Ferner erfolgte keine Abweichung der konzentrischen Ausfluchtung von Öffnungen in den Tintenstrahldruckkopf-Komponenten innerhalb des Nachweiswerts von 1-2 um relativ zu der Ausfluchtung, die vor dem Verbinden dieser Komponenten vorlag. Außerdem wurde die Beabstandung zwischen angrenzenden Komponenten der Tintenstrahldruckköpfe auf diesem Nachweiswert gehalten. Ferner war eine Blockierung von kleinen Öffnungen, beispielsweise der Tintenstrahldüsenöffnungen, im wesentlichen eliminiert. Daher stellt die Erfindung ein hohe Ausbeuten ergebendes Herstellungsverfahren für Tintenstrahldruckköpfe dar.
Nach Darstellung und Erläuterung der Prinzipien der Erfindung unter Bezugnahme auf mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele ist es für den Fachmann ersichtlich, daß die Erfindung hinsichtlich Anordnung und Einzelheiten modifiziert werden kann, ohne daß dies eine Abweichung von ihren Prinzipien darstellt. Alle derartigen Modifikationen werden innerhalb des Umfangs der folgenden Patentansprüche als im Rahmen der Erfindung liegend beansprucht.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden einer ersten Oberflache einer ersten Metallkomponente (32) auf einem Tintenstrahldruckkopf (10) mit mindestens einer ersten vorgeformten Öffnung (26) mit einer zweiten Oberfläche einer zweiten Metallkomponente (34) des Druckkopfs mit mindestens einer zweiten vorgeformten Öffnung (28), wobei die erste und die zweite Komponente (32, 34) aus Materialien bestehen, die die gleichen oder ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, und die erste und die zweite Oberfläche mit der ersten und der zweiten Öffnung (26, 28) in Ausfluchtung miteinander verbunden werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Anbringen einer Schicht (80) eines Füllmaterials auf mindestens entweder der ersten oder der zweiten Oberfläche, wobei das Füllmaterial einen Schmelzpunkt unter den Schmelzpunkten der ersten und der zweiten Komponente (32, 34) hat, die Gesamtdicke der Schicht (80) von Füllmaterial mindestens 1/16 um (1/16 Mikron) und höchstens 5 um (5 Mikron) ist;

(b) Zusammenbringen der ersten und der zweiten Oberfläche in Anlage aneinander mit der ersten und der zweiten Öffnung (26, 28) in Ausfluchtung miteinander;

(c) Aufbringen von Druck und Wärme auf die erste und die zweite Komponente (32, 34), um die erste und die zweite Oberfläche durch Diffusion miteinander zu verbinden, ohne das Füllmaterial zu schmelzen und bis nicht mehr als 1 um (1 Mikron) Füllmaterial zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche verbleibt; und

(d) anschließendes Schmelzen des Füllmaterials, ohne die erste und die zweite Komponente zu schmelzen, um die erste und die zweite Komponente (32, 34) miteinander hartzuverlöten, wobei die erste und die zweite Öffnung (26, 28) in Ausfluchtung miteinander sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (a), die Gesamtdicke der Schicht (8G) von Füllmaterial mindestens 1/8 um (1/8 Mikron) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt (a) die Gesamtdicke der Schicht (80) von Füllmaterial höchstens 2 um (2 Mikron) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in Schritt (a) das Füllmaterial ein Material ist, das einer Diffusion in mindestens eine der Komponenten standhält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Schritt (d) durchgeführt wird, indem die erste und die zweite Komponente unter einer Maximallast von 69 x 10³ N/m² (10 lbs./sq.in.) zusammengehalten werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste und die zweite Komponente aus nichtrostendem Stahl gebildet sind und wobei Schritt (a) durchgeführt wird, indem die erste und die zweite Oberfläche gereinigt werden, um Oxid davon zu entfernen, die Oberflächen mit einem Vorgalvanisierungsmaterial beschichtet werden und eine Schicht von Füllmaterial auf mindestens eine der vorgalvanisierten Oberflächen galvanisch abgeschieden wird.