DE69719683T2

DE69719683T2 - Heizelementchips für Matrixen mit grossen Abmessungen für thermische Tintenstrahldruckköpfe

Info

Publication number: DE69719683T2
Application number: DE69719683T
Authority: DE
Inventors: Frank Edward Anderson; Paul Albert Cook; Anna Catherine Cramer
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: EP0845359A2; US5719605A; AU4280997A; AU715596B2; EP0845359A3; DE69719683D1; EP0845359B1; MX9708937A; JPH10181029A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenstrahldrucker und spezieller betrifft sie eine thermische Tintenstrahldruckkopfkonstruktion mit erhöhter Auflösung und ein Verfahren zum Bilden derselben.
Die vorliegende Erfindung wird vorteilhafterweise bei einem Tintenstrahlverfahren verwendet, das kinetische Energie verwendet, um Tintentröpfchen auszuschleudern, indem thermische Energie in die Tinte übertragen wird. Bei diesem Verfahren tritt eine schnelle Volumenänderung in der Tinte auf, die aus einem Übergang Flüssigkeit-zu-Dampf der Tinte resultiert, der durch die thermische Energie hervorgerufen wird. Infolgedessen wird ein Tintentröpfchen aus einem Ausschleuderauslass (Düse), der in einem Aufzeichnungskopf gebildet ist, ausgeschleudert, wodurch ein Tintentröpfchen erzeugt wird. Das Tintenempfangs- oder Aufzeichnungsmedium ist in der Nähe der Düse platziert, und das ausgeschleuderte Tröpfchen berührt die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums, um eine Informationsaufzeichnung zu erstellen.
Ein Aufzeichnungskopf oder Druckkopf, der bei dem oben beschrieben Tintenausschleuderverfahren verwendet wird, weist im Allgemeinen den Tintenausschleuderauslass oder Düse zum Ausschleudern von Tintentröpfchen und einen Tintenflüssigkeitsdurchlass auf, der mit dem Tintenausschleuderauslass in Verbindung steht, der ein elektrothermisches Umwandlungselement zum Erzeugen der thermischen Energie umfasst. Das elektrothermische Umwandlungselement umfasst eine Widerstandsschicht oder einen Widerstand zum Erwärmen durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden im Widerstandsmaterial. In diesem Typ von Druckkopf werden Kräfte in der Tinte im Tintenflüssigkeitsdurchlass ausgeübt, die durch Kapillarwirkung, Druckabfälle oder dergleichen hervorgerufen werden, und so ausbalanciert sind, dass ein Meniskus im Flüssigkeitsdurchlass benachbart zum Tintenausschleuderauslass gebildet wird. Jedes Mal, wenn ein Tintentröpfchen mittels der oben erwähnten, der Tinte zugeführten Energie ausgeschleudert wird, wird Tinte in den Tintendurchlass gezogen, und es wird wiederum ein Meniskus in dem Tintendurchlass benachbart zum Tintenausschleuderauslass gebildet.
Thermische Tintenstrahlheizerchips oder Plättchen werden herkömmlicherweise mit aktiven Halbleiterbauelementen in Silicium gebildet. Die Heizersiliciumchips umfassen Arrays von Widerstands- und aktiven Elementen, die sowohl horizontal als auch vertikal orientiert sind, die in Verbindung mit passenden Düsenplatten Düsen für eine thermische Ausschleuderung von Tintentröpfchen bilden. Abhängig von der körperlichen Orientierung der Düsenplatte in Bezug zum Druckempfangsmedium (z. B. Papier) bestimmen die vertikale Höhe oder Ausdehnung, der Durchmesser der Düsen und die Abstände zwischen Düsen die vertikale Abmessung des Druckquerdurchlaufs, und die horizontale Breite und Abstand bestimmen das Packungsdichten- und Feuerratenvermögen des Druckkopfs. Wenn Druckgeschwindigkeiten und Auflösungsdichte ansteigen, werden immer größere Arrays von Elementen benötigt. Diese Arrays können gebildet werden, indem man mehrere Elemente eines kleineren Plättchens auf einem TAB(automatisches Filmbonden)-Medium anbringt. Jedoch sind Einzelplättchenmontagetoleranzen schwierig beizubehalten. Alternativ können viele hunderte von Elementen auf einem einzigen sehr großen Chip platziert werden, aber mit entsprechend geringeren Ausbeuten bei der Herstellung. Diese Unzulänglichkeit ist im Stand der Technik erkannt worden, wie z. B. US-A-5,218,754. Dieses Patent regt die Möglichkeit an, Heizerchips länger zu machen, aber typischerweise geht die Ausbeute mit solchen längeren Chips zurück. Eine weitere Anordnung, bei der eine Mehrzahl von Plättchen angeordnet sein kann, um ein viel größeres Array zu bilden, wird in der WO-A-96/32284 beschrieben.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen Hochausbeute-Düsen-Heizerchip oder -Druckkopfchip mit sehr großem Array ("Megachip" oder "Plättchen") für Tintenstrahldruckköpfe bereitzustellen und ein Verfahren, denselben zu fertigen.
Die vorliegende Erfindung erkennt deutlich das Problem von geringerer Ausbeute, das mit der Produktion von größeren Chips verbunden ist, und liefert eine Lösung: Herstellung einer Mehrzahl von kleineren Chips, die eine kleinere Wahrscheinlichkeit aufweisen, fehlerhafte Heizelemente zu enthalten, und dann ihr Zusammenfügen. Wie man sich vorstellen kann, erhöhen sich jedoch Schwierigkeiten bei einer Mehrchipausrichtung, wenn die Anzahl von Chips in einem Tintenstrahldruckkopf ansteigt. Dieses Ausrichtungsproblem wird in der vorliegenden Erfindung vermieden, indem man Banken oder Zellen in Clustern anordnet, die aus Arrays von Heizern und Düsen auf einem einzigen Plättchen oder Chip bestehen.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs bereit, wobei der Druckkopf einen Ein-Druckkopfchip umfasst, der eine Mehrzahl von einzelnen Plättchen umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Verarbeiten einer Siliciumscheibe, um eine Mehrzahl von im Wesentlichen identischen einzelnen Zellen mit darin gebildeten elektrischen Bauelementen zu erstellen, wobei die Mehrzahl von einzelnen Zellen als Mehrzahl von Säulen in der Siliciumscheibe angeordnet ist,
wobei Zellen, die eine erste Säule umfassen, gegen Zellen, die eine benachbarte Säule umfassen, vertikal versetzt sind;
Definieren eines ersten Plättchens mit mehreren Zellen, die aus mindestens zwei Säulen ausgewählt sind, in einem ersten Teil der Siliciumscheibe;
Definieren eines zweiten Plättchens in einem zweiten Teil der Siliciumscheibe, wobei das zweite Plättchen eine Menge von Zellen aufweist, die sich von der Anzahl von Zellen, die in dem ersten Plättchen enthalten sind, unterscheidet;
Zerschneiden der Scheibe, um das erste Plättchen und das zweite Plättchen von einem Rest der Siliciumscheibe zu trennen; und
Kombinieren von mehreren aus der Scheibe geschnittenen einzelnen Plättchen, um einen Ein-Druckkopfchip zu bilden.
Gegenwärtige Tintenstrahl-Heizerarray-Siliciumscheibenprozesse bilden einzelne Banken oder Zellen auf einem Plättchen oder Chip mit einem einzigen aktiven und passiven Muster darauf, um mit einer zugehörigen Düsenplatte gepaart zu werden. Vor dem Zerschneiden und Trennen von der Siliciumscheibe werden diese Chips geprüft, und es werden fehlerhafte gekennzeichnet, um anzuzeigen, dass sie nicht verwendet werden sollten. Ausbeuteuntersuchungen der Stellen für gute und schlechte Banken oder Zellen zeigen an, dass sich die meisten schlechten Banken benachbart zum äußeren Umfang der Scheibe befinden und dass sich die Banken höchster Ausbeute auf dem Inneren der Scheibe befinden.
Folglich kann in einer bevorzugten Ausführungsform das Verfahren der vorliegenden Erfindung weiter die Schritte umfassen:
Prüfen jeder Zelle auf der Scheibe;
Bestimmen, welche, wenn überhaupt, der Mehrzahl von einzelnen Zellen auf der Scheibe vollständig funktionsfähig sind; und
Zerschneiden der Scheibe, um das erste Plättchen aus einer Mehrzahl der vollständig funktionsfähigen Zellen zu bilden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie verwendet werden kann, um einen Chip herzustellen, in dem Hunderte von Heizerelementen in einem Einchip-Mehrelementearray konstruiert sind und zwar mit Genauigkeit in Bezug zu Positioniertoleranzen und mit einer hohen Ausbeute von jeder Scheibe.
Ein Tintenstrahldruckkopf der Erfindung umfasst einen Ein- Druckkopfchip, der gemäß dem Verfahren hergestellt ist, wobei der Chip eine Mehrzahl von Zellen und eine Schicht aufweist, die eine Mehrzahl von Tintenkammern bildet, wobei jede der Zellen mehrere Heizerelemente und Schaltungsanordnung umfasst, um die Heizerelemente wahlweise mit Energie zu beaufschlagen. Der Druckkopf umfasst weiter mindestens eine Düsenplatte, die über dem Druckkopfchip (Megachip) liegt, wobei die Düsenplatte eine Mehrzahl von Düsen umfasst und wobei jede der Mehrzahl von Düsen über einer entsprechenden Tintenkammer liegt, die einen Tintennachschub aufnimmt. Ein einer Tintenkammer entsprechendes Heizerelement erwärmt Tinte in der entsprechenden Tintenkammer. Die Mehrzahl von Zellen sind so angeordnet, dass eine erste Zelle gegen eine zweite Zelle versetzt ist, um mindestens eine gewisse relative Überlappung der der ersten Zelle zugeordneten Düsen in Bezug zu den der zweiten Zelle zugeordneten Düsen bereitzustellen.
Vorzugsweise sind die mehreren Einzellmuster in vertikaler Ausrichtung orientiert, sind aber horizontal versetzt, so dass aufeinanderfolgende Säulen von Zellen den Raum zwischen den vertikal ausgerichteten überlappen. Die hierin verwendeten Bezüge auf "horizontal" oder "vertikal" sollen nicht strikt mit Bezug auf die Schwerkraft interpretiert werden, sondern sollen sich stattdessen auf die Position einer gegebenen Zelle in Bezug zu den "Reihen" und "Säulen" von Zellen beziehen. Auf diese Weise können einzelne Zellen gruppiert und erweitert werden, um ein größeres Array von Zellen zu bilden, wenn gewünscht. Die Überlappung ermöglicht, dass das Array seine Tröpfchenabstandsdichte aufrechterhält, und lässt zu, dass die einzelnen Muster oder einzelnen Banken in ein einziges Plättchen gesondert werden, wenn notwendig. Dieser Druckkopfchip oder "Mega"-Chip mit mehreren Zellen ermöglicht eine Präzisionsrelativpositionierung der Zellmuster, da diese Zellmuster während einer Scheibenverarbeitung erstellt werden.
Gewisse bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1A ist eine schematische Draufsicht auf den thermischen Tintenstrahldrucker;
Fig. 1B stellt einen Teil der in Fig. 1A veranschaulichten Vorrichtung und die Relativbewegung des Druckkopfs und Druckempfangsmediums dar;
Fig. 1C ist eine teilweise auseinandergezogene Schnittansicht eines Teils der in Fig. 1A dargestellten Vorrichtung, aufgenommen entlang der Linie 1C-1C von Fig. 1A;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Druckkopf mit einer Düsenplatte, die als durchsichtig betrachtet wird, um die Relativposition einer einzelnen Bank oder Zelle von elektrischen Bauelementen, die darunter positioniert ist, darzustellen.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie 3-3 von Fig. 2;
Fig. 4 stellt ein Array von Druckköpfen dar, die aus mehreren Zellen auf einem Ein-Halbleiterchip gebildet sind, wobei sie einen Megachip bilden;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Megachip, der durch automatische Filmbond(TAB)-Medien an einem Band gebondet worden ist, und veranschaulicht schematisch die Verbindung, die zwischen Zellen und Lötfahnen oder Verbindungen vom Elektrodentyp auf den Medien zur Verbindung mit externen Treibern und Adressierlogik der Maschine von Fig. 1A und spezieller zum Montieren auf dem Tintenreservoir oder Tank gemacht worden sind, um einen Druckkopf zu bilden, wie in Fig. 1C veranschaulicht;
Fig. 6 ist eine fragmentarische Draufsicht auf eine TAB- Schaltungsanordnung, die mit dem Megachip von Fig. 4 verbunden ist;
Fig. 7 stellt eine Siliciumscheibe dar, die ein Layout von mehreren Zellen von Heizern und zugehörigen Halbleitermatrixarrays dafür einschließt; und
Fig. 8 ist eine zu Fig. 7 ähnliche Ansicht, aber sie veranschaulicht die Art und Weise eines Definierens sowohl von Megachipstrukturen mit mehreren Zellen von Heizern und aktiven Halbleiterarrays als auch Einchipstrukturen mit einer einzigen Zelle.
Fig. 1A veranschaulicht eine Ausführungsform eines Tintenstrahldruckers 10 nur anhand eines Beispiels, auf den die vorliegende Erfindung anwendbar ist. In Fig. 1A wird ein Druckempfangsmedium 12, das ein aus Papier hergestelltes Aufzeichnungsmedium, Dünnfilmkunststoff oder dergleichen ist, in Richtung eines Pfeils 14 bewegt, wobei es durch übereinanderliegende Paare 16, 18 von Bogenzuführungsrollen und unter der Steuerung eines Medienantriebsmechanismus, im vorliegenden Fall eines Antriebsmotors 19, geführt wird.
Wie in den Fig. 1A und 1B dargestellt, ist eine Druckpatrone 28 auf einem Träger 22 montiert, der in enger Nachbarschaft mit einem Druckempfangsmedium 12 getragen wird, das wiederum durch die Rollenpaare 16, 18 transportiert wird. Wie durch den Pfeil 24 dargestellt, ist die Patrone 28 (und folglich der Druckkopfträger 22) für eine orthogonale hin- und hergehende Bewegung in Bezug zum Druckempfangsmedium 12 montiert. Zu diesem Zweck, und wie in Fig. 1A dargestellt, ist der Träger 22 für eine Hin- und Herbewegung entlang einem Paar von Führungswellen 26, 27 montiert. Die Patrone 28 umfasst eine Aufzeichnungskopfeinheit oder einen Druckkopf 29, der einen Chip 20 umfasst, der an eine Düsenplatte 30 mit einer Mehrzahl von einzel auswählbaren und betätigbaren Düsen 30a angebracht ist (siehe Fig. 2 und 3), und einen Tintennachschub in einem Tintenaufnahmereservoir 32 umfasst, wie z. B. einen Tank oder ein Gefäß. Der Düsenplattenteil 30 ist vorzugsweise aus Edelstahl (manchmal zur Anbringung an der Dickfilmseite auf entgegengesetzten Seiten mit Gold und/oder Tantal bedeckt) oder einer harten dünnen und hochabriebfesten Polymerschicht hergestellt. Die Düsenplatte 30 ist in den Zeichnungen so dargestellt, dass sie durchsichtig ist, um die Siliciumstruktur darunter besser zu sehen. Eine typische Düsenplatte, die zusammen mit der Erfindung ausgeführt wird, würde jedoch nicht durchsichtig sein. Die Tintenausschleuderdüsen 30a in der Düsenplatte 30 des Tintenstrahldruckkopfs 29 liegen dem Druckempfangsmedium 12 gegenüber, und Tinte kann durch thermisches Erwärmen der Tinte in den Düsen ausgeschleudert werden, um ein Drucken auf dem Druckempfangsmedium 12 zu bewerkstelligen. Es sollte angemerkt werden, dass die in Fig. 2 dargestellten Düsen 30a nicht maßstabgerecht sind, und obwohl eine Mehrzahl dargestellt ist, ist die Anzahl nur beispielhaft.
Die Hin- und Herbewegung oder Bewegung von einer Seite zur anderen des Trägers 22 wird im veranschaulichten Fall durch einen Trägerantrieb mit einem Transmissionsmechanismus erstellt, der ein Seil oder einen Antriebsriemen 34 und Scheiben 36, 38 umfasst, die den Riemen 34 tragen, die durch einen Motor 40 angetrieben werden. Auf diese Weise kann die Druckpatrone 28 entlang einem Pfad bewegt und an gekennzeichneten Positionen desselben positioniert werden, der durch die Trägerantriebs- und Maschinenelektronik 46 definiert wird und unter Steuerung derselben steht.
Der Träger 22 und die Patrone 28 sind durch ein flexibles Leiterplattenkabel 42 elektrisch verbunden, um Energie von der Stromversorgung 44 zur Patrone 29 zuzuführen, und um der Patrone 29 von der Maschinenelektronik 46, die die Druckersteuerlogik (PCL) umfasst, Steuer- und Datensignale zuzuführen. Wie in Fig. 1C veranschaulicht, ist die Düsenplatte 30 am Chip 20 gebondet, der wiederum am Reservoir 32 gebondet ist. Die Chip-Eingabe/Ausgabe, einschließlich Steuersignale und Energie, wird durch eine TAB-Schaltung 31 und im Abstand angeordnete integrierte Anschlüsse 33 darin (siehe die Fig. 1C, 5 und 6) zugeführt, um eine Eingabe/Ausgabe-(einschließlich elektrische) Verbindung mit dem Chip 20 herzustellen. Im veranschaulichten Fall erstreckt sich das Band 31 entlang einer Oberfläche des Reservoirs 32 mit Anschlussflecken 31a (siehe Fig. 5) darin, für einen Gegeneingriff mit vorstehenden Anschlussteilen oder Anschlussvorsprüngen 43 (siehe Fig. 1C) auf dem flexiblen Leiterplattenkabel 42. Für eine leichte Veranschaulichung und ein einfaches Verständnis ist der Teil des Trägers 22, der das flexible Leiterplattenkabel 42 und seine vorstehenden elektrischen Verbindungen 43 trägt, von den Anschlussflecken 31a der TAB-Schaltungen oder des Bands 31 beabstandet dargestellt. Nach Einsetzen der Patrone 28 in den Träger 22 erfolgt jedoch ein elektrischer Gegeneingriff zwischen den Anschlussflecken 31a des Bands 31 und den vorstehenden Teilen oder Vorsprüngen 43 des flexiblen Leiterplattenkabels 42. Es gibt zahlreiche Techniken zum Eingriff zwischen den Kontakten 43 und den Anschlussflecken 31a, einschließlich eines Gleitreibungseingriffs, und jegliche solche Technik ist zulässig, so lange wie eine statische Entladung zwischen den beiden Verbindungen während eines Gegeneingriffs oder einer gegenseitigen Verbindung minimiert oder vermieden wird.
In der obigen Struktur wird beim Auftreten eines Drucks gleichzeitig mit einer Bewegung des Trägers 22 in Richtung des Pfeils 24 in Fig. 1A das elektrothermische Umwandlungselement (Widerstand), das jeder Düse 30a zugeordnet ist, in Übereinstimmung mit Aufzeichnungsdaten wahlweise getrieben, so dass Tintentröpfchen von den Düsen 30a in der Düsenplatte 30 ausgeschleudert werden und auf der Oberfläche des Druckempfangsmediums 12 auftreffen, wobei die Tintentröpfchen die Aufzeichnungsinformation auf dem Druckempfangsmedium 12 bilden.
Fig. 2 ist eine stark vergrößerte schematische Darstellung eines IC(integrierte Schaltung)-Chip 20 mit einer Bank oder Zelle 21 von elektrischen Bauelementen, die einen Teil des Druckkopfs 29 bildet. In Form von wirklichen Messgrößen ist der Chip 20 annähernd etwa 8,5 mm (1/3 Inch) mal etwa 2,8 mm (1/9 Inch). Der Chip 20 ist einer von vielen, die auf eine herkömmliche Weise aus einer Siliciumscheibe geschnitten sind, die mit Fotoresist beschichtet, fotolithografisch durch eine Maske belichtet, einem Ätzbad ausgesetzt und durch Prozesse, die im Stand der Halbleiterherstellung wohlbekannt sind, dotiert worden ist. Der Prozess wird durch mehrere Schichten einschließlich Metallisierung für Eingabe/Ausgabe- Anschlussflächen 35 wiederholt, wobei mehrere IC-Chips auf einer einzigen Scheibe hergestellt werden, die dann in einzelne Chips oder Plättchen geschnitten oder zerschnitten wird.
Wie in Fig. 3 dargestellt, umfasst die Zelle 21 des Chip 20 elektrische Bauelemente, wie z. B. Widerstände 23 und aktive Schaltungen 25a und 25b. Die Widerstände 23 sind vorzugsweise in in Längsrichtung sich erstreckenden Arrays angeordnet, wobei jeder Düse 30a ein Widerstand zugeordnet ist. Jeder Widerstand ist mit einer aktiven Schaltung 25a oder 25b verbunden, die z. B. einen Feldeffekttransistor (FET) umfasst, der, wie in Fig. 2 dargestellt, auf entgegengesetzten Seiten der Arrays von Widerständen 23 angeordnet ist (in Fig. 3 dargestellt). Die FETs werden durch zwei Säulen 25a, 25b repräsentiert. Die aktiven Schaltungen können z. B. in einer Matrix angeordnet sein und umfassen Datenleitungen und Adressleitungen. Die Eingabe/Ausgabe-Anschlussflächen 35 entlang dem Umfang des Chip 20 können mit einem Adress- und Datenleitungsbus (nicht dargestellt) im Chip verbunden sein.
Wie in Fig. 3 dargestellt, umfasst der Chip 20 einen Weg oder Wege 52 durch das Silicium, um den Hindurchtritt von Tinte vom Tintenreservoir 32 hinter dem Chip in die Kanäle oder Kammern 54 über den Heizwiderständen 23 zu ermöglichen. Die Wege 52 können mittels Sandstrahlen oder Laserschneiden geschnitten werden. Die Kanäle oder Kammern 54 können in Verbindung mit der Düsenplatte 30 und einem dicken Abstandshalter- oder Isolierfilm 56 und wie durch diese begrenzt gebildet werden. Die Dickfilmschicht 56 kann geätzt werden, um den Heizwiderstand 23 freizulegen, was ein Protektivmetall über die Heizwiderstände einschließen kann, wodurch die Widerstände 23 unter den Tintenkanälen platziert werden. Alternativ können die Tintenkanäle und Düsen aus einem einzigen Polymermaterial erzeugt sein, wie im Stand der Technik bekannt. Eine solche Polymerdüsenplatte würde jedoch Schlitze oder Öffnungen umfassen, um elektrische Anschlussstellen freizulegen, wie z. B. die Anschlussflächen 35. Wie in Fig. 3 dargestellt, fließt die Tinte von der Wegöffnung 52 in die Kanäle 54 und heraus durch die Düsen 30a, wie durch die Pfeile veranschaulicht.
In Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie in den Fig. 4-8 veranschaulicht, wird ein einzelner großer Megachip, der mehrere Zellen oder Banken 21 enthält, gebildet, in dem mindestens ein Paar überlappende, horizontal verlagerte Zellen 21 aus einer einzigen Halbleiterscheibe geschnitten werden. Es sollte ersichtlich sein, dass im Allgemeinen in den Fig. 2-8 dargestellte Elemente, die funktionell äquivalent sind, unter Verwendung von gemeinsamen Elementenummern gekennzeichnet sind. Z. B. ist die Zelle 21 von Fig. 2 im Wesentlichen identisch mit den Zellen 21 der Fig. 4-8.
Fig. 4 veranschaulicht eine Teilansicht eines Druckkopfs 48, der einen Einchip oder Megachip 50 mit mehreren Siliciumzellen oder Banken 21 umfasst, der aus einer Halbleitersiliciumscheibe durch Zerschneiden eines einzigen Siliciumsubstrats 100 gewonnen worden ist (siehe die Fig. 7 und 8). Der Megachip 50 ist mit einer Düsenplatte 30 bedeckt, die Düsen oder Öffnungen 30a für den Ausstoß von Tinte umfasst. Die Düsen 30a können durch eine einzige Düsenplatte bereitgestellt werden, die sämtliche Zellen oder Banken 21 des Megachip 50 bedeckt, oder sie können aus mehreren Düsenplatten zusammengesetzt sein, entsprechend der Anzahl von Zellen 21. Die Zellen 21 sind im Wesentlichen identisch und entsprechen im Allgemeinen den Zellen 21, die in Fig. 2 veranschaulicht sind.
Die Anzahl von Einzelzellmustern, die den Megachip 50 umfassen, hängt zum Teil von der Anzahl von Heizwiderständen 23 in jeder der einzelnen Zellen 21 ab. Andere Überlegungen für die Wahl der Anzahl von Einzelzellmustern schließen Strukturfestigkeits- und Ausbeuteüberlegungen ein. Eine Wahl von Dreizellenmustern liefert mehr strukturelle Festigkeit als zwei in einer säulenartigen Ausrichtung, aber zwei, die benachbart sind, aber mit einer Überlappung in Säulenrichtung versehen sind, sind auch fester als zwei Zellen, die in einer Säule ausgerichtet sind. Während Megachips mit zusätzlichen Zellen auch möglich sind und bei gewissen Anforderungen für außerordentlich hohe Auflösung selbst wünschenswert sein können, werden Erfordernisse von zusätzlichen Zellen kostspielig, was auf eine gleichzeitige Abnahme bei der Ausbeute zurückzuführen ist.
Jegliches bekannte Siliciumtechnologieverfahren kann zur Herstellung der Siliciumzellen verwendet werden. Die aktiven Schaltungen (FETs 25a und 25b) und die passiven Elemente (wie z. B. die Heizwiderstände 23) können alle auf jeder Siliciumzelle 21 auf dem Megachip 50 durch typische LSI-Schaltungs- Techniken gebildet werden, wie Fachleuten bekannt ist. Beispielhafte Herstellungstechniken werden im US-Patent Re 32,572 an Hawkins et al. und US-A-5,000,811 an Campunelli et al. gelehrt.
Indem man sich nun den Fig. 5 und 6 und insbesondere Fig. 5 zuwendet, ist die TAB-Schaltungsanordnung oder Band 31 schematisch in einer Position in Bezug zum Megachip 50 dargestellt. Im automatischen Filmbondprozess (TAB) wird das Band 31 mit mehreren Ausschnitten oder Öffnungen zur Aufnahme des Megachip 50 mit ausreichend Raum dazwischen gebildet, um ein Bonden der Leiterenden der Anschlüsse 33 an ausgewählte einzelne Anschlussflächen der Anschlussflächen 35 zu ermöglichen. Die Position des Megachip 50 in Bezug zum Band 31 ist in gestrichelten oder verdeckten Linien dargestellt. Die Anschlüsse 33 im Band sind mit den Anschlussflecken 31a verbunden, oder sie können, abhängig von der Tintenstrahlkopfkonfiguration, ein vom Wunsch des Maschinenkonstrukteurs abhängiges Zellzusammenschaltungsschema für einen Parallelbetrieb von ausgewählten Düsen oder eine unabhängige Steuerung von jeder Düse umfassen. Die Anschlussflecken 31a stehen wiederum mit dem vorstehenden Teil 43 von Fig. 1C der Schaltung 42 für eine elektrische Kopplung mit Maschinenelektronik 46 im Eingriff. (Siehe die Fig. 1A und 1C).
Fig. 6 ist eine fragmentarische, vergrößerte Draufsicht auf einen Teil der TAB-Schaltungsanordnung oder Band 31, das mit dem Chip 21 von Fig. 2 verbunden ist. Wie dargestellt, sind die langgestreckten Leiterenden 33a der Anschlüsse 33 an einzelne Anschlussflächen 35 der Zelle 21 gebondet. Die Fläche 21a (durch Phantomlinien begrenzt) entlang dem Rand 21b ist herkömmlicherweise durch ein Einbettharz bedeckt, wie z. B. eine Vergussverbindung, um ein Tinten-Brückenbilden (und deshalb Kurzschlüsse) zwischen den Leitern 33a und den Chip-Eingabe/Ausgabe-Anschlussflächen 35 zu hemmen.
Fig. 7 ist eine teilweise schematische Darstellung einer Siliciumhalbleiterscheibe 100, die ein Layout von mehreren Banken oder Zellen 21 von Heizer- und aktiven Halbleitermatrixarrays in sich vereinigt. Wie zuvor beschrieben, sind die mehreren Siliciumzellen 21 in einer Linie vertikal positioniert, sind aber horizontal so versetzt, dass z. B. die Zellen einer ersten Säule den Raum zwischen Zellen einer benachbarten Säule überlappen. Auf diese Weise bilden mehrere Zellen einen Megachip und die Anzahl der Zellen kann wunschgemäß erweitert werden, um größere Arrays zu bilden. Zu diesem Zweck ist das Einzelzelllayout in der Scheibe absichtlich erweitert worden, um den Abstand in geeigneten oder ausgewählten Intervallen zu erhöhen, und hängt von der speziellen Konstruktion eines gewünschten Megachip 50 ab. Z. B. kann das Zelllayout gleichförmig sein, mit einem kleinen Reihenabstand zwischen den Zellen 21 in den Säulen c1, c2, c3 ... cn, wobei aber benachbarte Säulen versetzt sind, so dass die Säulen von Plättchen so überlappend sind, dass jede Zelle in einer benachbarten Säule zwei der Zellen in ihrer vorherigen benachbarten Säule überlappt. Mit einem Megachip 50-Layout oder -Konstruktion von drei Zellen 21, wie z. B. in Fig. 4 dargestellt, können die Säulen auf die Weise, die in Fig. 7 veranschaulicht ist, entworfen sein, oder wie oben angeregt, kann der Zellabstand in jeder Säule gleichförmig sein, abhängig von der Megachip 50-Konstruktion. Das Konstruktionserfordernis basiert, einfach gesagt, auf dem Betrag einer Zellen- oder Düsenüberlappung, die benötigt wird oder erwünscht ist. Wenn das Konstruktionslayout wie in Fig. 4 dargestellt ist, beträgt die Überlappung etwa 1/3, d. h. die Zellenüberlappung zwischen den Zellen in benachbarten Säulen des Megachip beträgt etwa 1/3. Die Überlappung ist nur für die Auflösung und Bedeckung kritisch, die von dem Konstrukteur gewünscht wird. Z. B. kann eine solche Überlappung zu einer Auflösungszunahme führen, indem man die einer ersten Zelle zugeordneten Düsen mit den einer zweiten Zelle zugeordneten Düsen horizontal kämmen lässt.
Fig. 8 stellt ein Array von Zellmustern dar, die so strukturiert sind, dass ein laserselektiver Schneidprozess ausgeführt werden kann. Der selektive Schneidprozess beginnt mit einem Prüfen und einer Ausbeuteuntersuchung der Siliciumzellen 21. Dann wird eine optimale Anordnung zum Zerschneiden der Zellen 21 bestimmt. Wie in Fig. 8 dargestellt, werden Dreizellen-Megachips, 50a, 50b (nur als Beispiel) zum Zerschneiden wie durch den fetteren Megachipumriss gekennzeichnet oder ausgewählt. Natürlich könnten viel mehr Megachip- Mehrzellenstrukturen ausgewählt werden. Z. B. umfasst ein Megachip 50c, wie durch den fetteren Megachipumriss 51c dargestellt, zwei Zellen 21 statt drei. Vorzugsweise wird der selektive Schneidprozess durch ein Laserzerschneidwerkzeug ausgeführt, aber andere geeignete Plättchen-Schneidverfahren können verwendet werden, wie im Stand der Technik bekannt ist.
Die gekennzeichnete Anzahl von Zellen für den Megachip können als eine Einheit geschnitten werden, wenn die Ausbeute angemessen ist, oder sie können in einzelne Chips geschnitten werden, wenn eine einzelne Zelle nicht mit einer benachbarten Zelle gruppiert werden kann. Die Ausrichtungs- oder Bezugsmarken (+ -), wie z. B. in Fig. 2 dargestellt, können für eine geeignete Ausrichtung der Düsenplatten und der einzelnen Chips in Bezug zueinander verwendet werden.
Einige der Zellen 21 können in Übereinstimmung mit ihren Anfangsprüfungen als "gut", d. h. vollständig funktionstüchtig und von annehmbarer Qualität gekennzeichnet sein, aber eine benachbarte Zelle, z. B. in der Nähe des Umfangs der Scheibe 100, könnte nicht von ausreichender Ausbeute oder Qualität sein, um ihre Verwendung in einem Megachip zu ermöglichen. In einem solchen Fall können "gute" Chips, wie z. B. Chips 50d und 50e, aussortiert werden und in einzelnen Tintenstrahldruckköpfen für eine Konstruktion minderer Qualität verwendet werden, oder können in überlappender Beziehung zusammengefügt werden (wie z. B. das Zellmuster von Chip 50c), um einen Megachip zu bilden. Da mehrere mögliche Kombinationen von Siliciumzellen zu Megachips führen können, wird die effektive Ausbeute einer Siliciumscheibe verbessert.
Folglich würde vor der vorliegenden Erfindung ein einzelner Chip von ähnlicher Größe wie der Megachip vollständig verloren gehen oder vergeudet werden, wenn ein Teil von ihm nicht funktionieren würde. Mit dem Megachipkonzept sind, wenn eine der Siliciumzellen 21 im Megachip nicht zufriedenstellend funktioniert, die anderen zwei als gesonderte Chips wiedergewinnbar, um einzeln auf Druckerköpfen verwendet zu werden, oder sie können in eine unterschiedliche Einheits-Megachipkombinationen neugruppiert werden.
Ein Vorteil des Einheits- oder Einzelausschnitt-Mehrzellen- Megachip gegenüber gesonderten Chips besteht darin, dass die Ausrichtung der Siliciumzellen im Megachip genauer ist als eine Bondierungsausrichtung, weil die Siliciumzellen zusammen auf der Scheibe verarbeitet werden und die damit verbundenen Toleranzen überwiegend die Scheibenherstellungstoleranzen sind. Folglich kann eine Genauigkeit in Bezug zum Positionieren der Heizerelemente bei Siliciumzellen erreicht werden.
Eine zusätzliche Verbesserung an diesem Konzept kann ein Verdrahtungsverbindungsschema zwischen Einzelzellmustern umfassen, so dass gemeinsame Verbindungen auf dem Megachip gemacht werden, um die Gesamtanzahl von auf dem TAB-Bondgerät erforderlichen Verbindungen außerhalb des Chip zu verringern. Demgemäß ist eine gewisse Zelle-zu-Zelle-Verdrahtung auf dem Megachip mit den Metallisierungsherstellungsstufen, die bereits bei der Verarbeitung des Megachip verwendet werden, möglich. Bei Ausführungsformen, die eine Polymerdüsenplatte umfassen, können Schlitze oder Öffnungen darin gebildet werden, um elektrische Anschlussstellen, die mit einer solchen Zell-zu-Zelle-Verdrahtung verbunden sind, freizulegen.
Als Ergebnis der Erfindung kann eine genaue Positionierung von Zellen 21 in Bezug zueinander auf einem Einheits-Mehrzellen-"Mega"-Chip erreicht werden. Ein solcher Megachip wird vorzugsweise in der Nähe der Mitte der Siliciumscheibe gebildet, wo die Ausbeute hoch ist, und es kann eine Düsen-Auflösungszunahme pro Plättchen verwirklicht werden. Z. B. kann eine Auflösung von 1000 oder mehr Heizern pro Chipkapazität erzielt werden. Einzelne Zellen oder Banken können auf dem Plättchen in der Nähe der Scheibenränder gebildet werden (oder wiedergewonnen werden), wo Ausbeuten niedriger sind, und solche einzelnen Banken oder Zellen können verwendet werden, wo eine sehr hohe Auflösung keine primäre Einflussgröße sein mag, oder sie können kombiniert werden, um Megachips zu bilden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs, wobei der Druckkopf einen Ein-Druckkopfchip umfasst, der eine Mehrzahl von einzelnen Plättchen umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Verarbeiten einer Siliciumscheibe (100), um eine Mehrzahl von im Wesentlichen identischen einzelnen Zellen (21) mit darin gebildeten elektrischen Bauelementen zu erstellen, wobei die Mehrzahl von einzelnen Zellen (21) als Mehrzahl von Säulen in der Siliciumscheibe (100) angeordnet ist,

wobei Zellen, die eine erste Säule (c1, c2, c3, ... cn) umfassen, gegen Zellen, die eine benachbarte Säule (c1, c2, c3, ... cn) umfassen, vertikal versetzt sind;

Definieren eines ersten Plättchens (50a, 50b, 50c) mit mehreren Zellen, die aus mindestens zwei Säulen ausgewählt sind, in einem ersten Teil der Siliciumscheibe;

Definieren eines zweiten Plättchens (50c, 50d, 50e) in einem zweiten Teil der Siliciumscheibe, wobei das zweite Plättchen eine Menge von Zellen aufweist, die sich von der Anzahl von Zellen, die in dem ersten Plättchen enthalten sind, unterscheidet;

Zerschneiden der Scheibe, um das erste Plättchen und das zweite Plättchen von einem Rest der Siliciumscheibe zu trennen; und

Kombinieren von mehreren aus der Scheibe (100) geschnittenen einzelnen Plättchen (50a, 50b, 50c, 50d, 50e), um einen Ein-Druckkopfchip (50) zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Säule (c4) mindestens zwei Zellen (21) umfasst, die vertikal angeordnet sind, und die benachbarte Säule (c5) mindestens eine Zelle umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Plättchen (50a, 50b, 50c) in einem Hochausbeutebereich der Siliciumscheibe (100) gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiter umfassend die Schritte:

Prüfen jeder Zelle (21) auf der Scheibe (100);

Bestimmen, welche, wenn überhaupt, der Mehrzahl von einzelnen Zellen auf der Scheibe vollständig funktionsfähig sind; und

Zerschneiden der Scheibe, um das erste Plättchen (50a, 50b, 50c) aus einer Mehrzahl der vollständig funktionsfähigen Zellen zu bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die vollständig funktionsfähigen Zellen (21) so angeordnet werden, dass mindestens eine Zelle gegen eine andere Zelle versetzt ist, wobei die mindestens eine Zelle in Kombination mit der anderen Zelle eine überlappende Zellstruktur in einer Ebene bildet.

6. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das zweite Plättchen (50d, 50e) eine einzige Zelle (21) umfasst.

7. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, weiter umfassend den Schritt: Bereitstellen von Verdrahtungsverbindungen (35) zwischen einzelnen Zellen, um gemeinsame Verbindungen zwischen ihnen zu bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Verdrahtungsverbindungen (35) während einer Metallisierung der Scheibe (100) gebildet werden.

9. Tintenstrahldruckkopf, der gemäß dem Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch hergestellt ist, wobei der Druckkopf umfasst:

einen Ein-Druckkopfchip (50), umfassend eine Mehrzahl von Zellen (21), wobei jede von den Zellen mehrere Heizelemente (23) und eine Schaltungsanordnung (25a, 25b) umfasst, um die Heizelemente wahlweise mit Strom zu versorgen;

eine Schicht, die eine Mehrzahl von Tintenkammern (54) bildet; und

eine Düsenplatte (30), die über der Schicht liegt, wobei die Düsenplatte eine Mehrzahl von Düsen (30a) umfasst, wobei jede der Mehrzahl von Düsen über einer entsprechenden Tintenkammer (54) liegt, die einen Tintennachschub aufnimmt, und wobei jedes Heizelement (23) einer respektiven Tintenkammer entspricht, um Tinte in der entsprechenden Kammer zu erhitzen, wobei die Mehrzahl von Zellen so angeordnet ist, dass eine erste Zelle (21) gegen eine zweite Zelle (21) versetzt positioniert ist, um mindestens etwas relative Überlappung der Düsen (30a), die der ersten Zelle zugeordnet sind, in Bezug zu den Düsen (30a), die der zweiten Zelle zugeordnet sind, bereitzustellen.

10. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 9, bei dem die Überlappung dazu führt, dass die Düsen (30a), die der ersten Zelle (21) zugeordnet sind, mit den Düsen (30a), die der zweiten Zelle (21) zugeordnet sind, kämmen.

11. Tintenpatrone, die den Druckkopf nach Anspruch 9 oder 10 umfasst, umfassend eine Tintenversorgung (32), die mit dem Chip (50) verbunden ist, und wobei ein Weg (52) in dem Chip gebildet ist, um die Tintenversorgung mit jeder der Mehrzahl von Tintenkammern (54) zu verbinden.

12. Tintenpatrone nach Anspruch 11, bei der die Tintenversorgung einen Tintenbehälter (32) umfasst, der mit einer ebenen Seite des Chip (50) verbunden ist, wobei die Düsenplatte (30) mit der anderen ebenen Seite des Chip verbunden ist, und weiter umfassend:

ein Band (31) mit leitenden Anschlüssen (31a), die dem Chip eine Ein-/Ausgabe-Verbindung und elektrische Leistung zur Verfügung stellen; und

Einrichtungen (42, 43) auf dem Band, um eine verlagerbare elektrische Verbindung mit einem Tintenstrahldrucker zu bewerkstelligen.