JP5069596B2 - 封止材の場所打ちによる流路形成方法 - Google Patents

Description

本発明は例えばインクジェットプリントヘッド、特にその印刷素子を構成するダイを巡り流路を形成する技術に関する。

インクジェットプリントヘッドを製造する際には、インク源例えばリザーバとプリントヘッド上の吐出用ノズルとをつなぐ流路を形成する必要がある。流路を形成するにはダイの縁辺を利用してもよいし、或いはダイの底面に開口を設けてもよい。ただ、ダイを貫通する開口を介してインクを送り込む構成だとダイ上の貴重なスペースが食われてしまい、またダイ縁辺を巡りインクを送り込む構成だとデバイス構造が複雑になってしまう。

図１Ａ及び図１Ｂに従来技術に係るＭＥＭＳ（微小電気機械システム）型インクジェットプリントヘッドデバイス１００の構成を示す。各図はその製造プロセス中の別々の段階を示したものである。このプロセスでは、まず図１Ａに示すようにシリコンウェハ又はそのダイ１１０上にトランスデューサ１１２及びボンディングパッド１１４を形成し、パッド１１４が囲まれるようウェハ又はダイ１１０上に支持材１５０を配置乃至形成し、更にその上にノズルプレート１３０を配置乃至形成することによって、ダイ１１０・ノズルプレート１３０間に流体（例えばインク；以下同様）室１６０を形成する。ノズルプレート１３０にはノズル開口１４０を、またダイ１１０には流入口１２０を、何れも少なくとも１個形成する。図１Ａの構造を形成したら（それらの構造と共にウェハから切り出した個々の）ダイ１１０をプリントヘッド基板１７０上に載せ、ワイヤ１１６をボンディングし、そしてダイ１１０、基板１７０及びノズルプレート１３０間の接合部を封止材１９０により封止する。基板１７０には開口１８０を少なくとも１個設ける。

しかしながら、このような従来型半導体デバイス製造プロセスには、図１Ａに示した仕掛品を基板１７０に載せるとき、流入口１２０の位置を基板開口１８０の位置とうまく合わせるのが難しい、という問題がある。また、流入口１２０を好適に形成するにはその開口面積を１００μｍ×２００μｍと広めに設定して深い反応性イオンエッチングを実施するのがよいが、そのようにするとダイ１１０表面の貴重なスペースがかなりとられてしまい、また深い反応性イオンエッチングは高コストであるから製造コストも嵩んでしまう。例えばその深さが５００〜６００μｍ程度の流入口１２０を反応性イオンエッチングで形成するにはウェハ１枚当たり約５時間程のエッチング時間がかかる。更に、流入口１２０を形成するに当たっては流入口１２０自体の開口面積に加えて配置公差分を見込まねばならないので、時間をかけるだけでなくウェハ総面積を十分広くしなければならない。こうして配置公差を見込むとウェハ縁辺に沿って２０％程のマージン領域が発生するが、この領域はノズルプレート支持用の支持材１５０を配置するスペース等にしか使えない。

このようにダイ１１０及び基板１７０の表面積のうち一部は流路形成に割かねばならず、その面積は通常は流入口１２０及びマージンの合計面積で決まる。ＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドデバイスでよく用いられるダイの幅は約２０００μｍであるので、仮に流入口形成に係る総オーバヘッドが約２００μｍであるとしたら、それはダイ表面積のうち１０％が流路形成に使われているということ、即ちより有効利用できるはずの面積が損なわれているということである。１５０ｍｍウェハから２ｍｍ×１２ｍｍサイズのダイが５６３個とれるとすると、もしそのダイの幅のうちマージン分（１０％分）を不要にして１．８ｍｍにすることができれば、１枚のウェハから採れるダイの個数が６２４個にも増える。即ち、ダイサイズを縮小することができれば、それに比例してダイ歩留まりを高めることができる。ダイサイズ及びアレイサイズが設計上の重要事項となる大規模アレイ構造デバイスではこれはとりわけ重要なことである。

このように、上述の問題を含む従来技術の諸問題に対策して新たなインクジェットプリントヘッド内流路形成方法を提供すること、特にダイ所要サイズ削減を可能にして製品の小型化を果たすことが求められている。

本発明は例えばプリントヘッド内流路形成方法として実施できる。

本方法は、突端を有するノズルプレートをダイ又はそれを含むウェハの表面から間隔をおいて配置するステップと、基板開口を有するプリントヘッド基板上にダイ及びノズルプレートを配するステップと、ノズルプレート突端に接するよう基板開口上方に犠牲材を配するステップと、ノズルプレート突端からプリントヘッド基板表面に亘り犠牲材を封止するステップと、犠牲材を除去することにより基板開口からノズルプレートに至る流路を形成するステップと、を有する。

本発明はプリントヘッドとしても実施できる。

本ヘッドは、基板開口を有するプリントヘッド基板と、プリントヘッド基板上に配置されておりその上にボンディングパッド及びトランスデューサが何れも少なくとも１個あるダイと、ダイ表面から間隔をおいてトランスデューサ上方に配置されており突端を有するノズルプレートと、プリントヘッド内流路の一部を形成する封止材と、を備える。プリントヘッド内流路は、ノズルプレート突端及びダイ縁辺に接するよう基板開口上方に犠牲材を配し、犠牲材を跨ぎプリントヘッド基板からノズルプレート突端にかけて封止材を配し、そしてその犠牲材を除去することにより形成する。

以下、本発明の実施形態に関し説明する。ここで取り上げる実施形態はＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドデバイス、特にそのデバイスにおける流路形成方法に係る実施形態である。従って流路に流れる流体は主としてインクであるが、本発明は、インク以外の流体、例えば体液、流動性生産材料／廃棄物、流動性化学物質等、様々な流体向けに実施することができる。なお、実施形態に係る図面参照符号のうち下２桁が互いに一致する符号は相対応する部材を表すものである。

図２に、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ型プリントヘッドデバイス２００の完成品を示す。本デバイス２００は、プリントヘッド基板２７０上にその開口２８０に面してダイ２１０を載せ、ワイヤ２１６とのボンディングによりダイ２１０側のボンディングパッド２１４を基板２７０側の導体に接続した構造を有している。また、ダイ２１０上にはトランスデューサ２１２、ボンディングパッド２１４及び端面露出ノズルプレート２３０がある。ノズルプレート２３０はノズル開口２４０を少なくとも１個有しており、ダイ２１０から見て上方にダイ２１０から間をおいて配置されている。このノズルプレート２３０・ダイ２１０間隔は、ダイ２１０のパッド２１４寄り縁辺付近では支持材２５０によって、またダイ２１０のノズルプレート突端寄り縁辺上では封止材２９０によって、それぞれ確保されている。封止材２９０は、例えばノズルプレート２３０の突端と基板２７０の表面特にその開口２８０より外側にある部分２７５との間を跨ぐように配する。その逆側即ちパッド２１４及びワイヤ２１６側には封止材２９５が配されている。

ダイ２１０とノズルプレート２３０とに挟まれた空間は本実施形態でも流体室２６０として使用される。封止材２９０は、室２６０の周壁のうち一部をなすよう且つダイ２１０の縁辺との間に隙間（流路２６２）が生じるよう形成されている。従って、流体は、基板開口２８０を通って本デバイス２００内に入り、封止材２９０とダイ２１０の縁辺との間の流路２６２を通って室２６０内に入り、そしてノズル開口２４０を通って本デバイス２００の外に出る、という経路を辿る。

ご理解頂けるように、従来技術に対する本実施形態の違いの一つはノズルプレート２３０が「端面露出」即ち突端付の構造であることである。「端面露出」にするには例えば従来型のノズルプレートを切り縮めればよいが、後述の通りそれ以外の手法も使用できる。

また、本デバイス２００も従来同様に動作させることができる。即ち、その内部のトランスデューサ２１２を適宜励振させることでノズル開口２４０から流体を吐出させることができる。

次に、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ型プリントヘッドデバイス３００の製造手順、特に流路構造の形成手順について図３Ａ〜図３Ｄを参照し詳細に説明する。なお、説明の便宜上これらの図には簡略化を施してあり、図示や説明がない部材乃至工程・処置を追加した形態や図示及び説明がある部材乃至工程・処置を除去、省略又は変形した形態でも本発明は実施できるので、その点をご承知頂きたい。

本手順では、まず、図３Ａに示すようにウェハ又はそのダイ３１０上にトランスデューサ３１２及びボンディングパッド３１４を形成する。形成手法は既知の手法でよい。ウェハは例えばシリコン製とするが他の素材を用いてもよい。その上方には腕状の支持材３５０を挟んで端面露出ノズルプレート３３０を配置乃至形成する。これによってダイ３１０・ノズルプレート３３０間に生まれる空間は完成品では流体室３６０として使用される。そのノズルプレート３３０にはノズル開口（吐出用ノズル）３４０を少なくとも１個設ける。この開口３４０は完成後は対応する流体室３６０からの流体吐出口になるので、トランスデューサ３１２を適宜励振することでその室３６０内の流体が開口３４０から吐出されることとなるよう形成する。また、ノズルプレート３３０は図示の如く端面露出形状即ち突端３３２付の構造とし、その突端３３２の位置はダイ３１０の縁辺３１８の位置に揃える。突端３３２でノズルプレート３３０を支持する部材は後工程にて形成する。ご理解頂ける通り、ノズルプレート３３０が端面露出形状であることは図１Ａ及び図１Ｂに示したノズルプレート１３０に対する際だった特徴である。また、トランスデューサ３１２は図示の如くダイ縁辺３１８からやや退いた位置に形成しておく。ノズルプレート３３０が突端３３２で打ち切られているためトランスデューサ３１２の囲いは三方囲い即ち櫛歯状の囲いになる。

次に、図３Ｂに示すように、何個かのダイ３１０をプリントヘッド基板３７０上に配置する。その手法は既知の手法でよい。その際には基板３７０上の開口、即ち後に本デバイス３００内に流体を取り込むための流入口になる基板開口３８０の畔にダイ縁辺３１８が面するよう、各ダイ３１０を配置する。但しこの位置については若干の誤差が認められる。即ち、流体の流れがダイ３１０によって妨げられない限り、ダイ縁辺３１８の位置が基板開口３８０の畔から所定距離退いていても、逆に少々基板開口３８０上に張り出していてもかまわない。この基板開口３８０の上には、各ダイ３１０のダイ縁辺３１８に接するよう且つノズルプレート突端３３２に位置を揃えて、犠牲材３８５を配置乃至形成する。前述の通り各トランスデューサ３１２・ダイ縁辺３１８間には余地があり、アレイをなすダイ３１０全体ではマニホルド状の余地になるので、犠牲材３８５はこの余地に着座させる。また、犠牲材位置とノズルプレート突端位置は犠牲材３８５とノズルプレート突端３３２とが互いに重なり合う形態で揃えてもよいし、図３Ｂの通り隅部同士が接触する形態で揃えてもよい。何れにせよ犠牲材３８５は基板開口３８０を跨ぐように設けるのがよい。

更に、図３Ｃに示すように、ボンディングパッド３１４と基板３７０側の導体とをワイヤ３１６とのボンディングにより接続する。その手法は既知の手法でよい。このワイヤボンディングが済んだら未硬化の封止材３９０及び３９５を本デバイス３００上の所要部位に被着させる。即ち、パッド３１４及びワイヤ３１６を保護するための封止材３９５を既知の通り被着させる一方、基板３７０のうち基板開口３８０より外の部分３７５から犠牲材３８５上を巡りノズルプレート突端３３２に達するように封止材３９０を被着させる。

次いで、同図に示すように封止材３９０及び３９５をその場で硬化させる（キャストインプレース；場所打ち）。封止材３９０及び３９５を硬化させる手法としては、従来から常用されている熱硬化法等を使用するとよい。また、二段階室温硬化法、紫外線硬化法、極短時間高温露出による瞬時硬化法等をはじめとする他種手法も使用できる。何れにせよ、封止材３９０を硬化させることで犠牲材３８５が封止され、ノズルプレート突端３３２から基板開口外部分３７５に至る架橋構造ができあがる。こうした手法の他には、型の中に本デバイス３００の仕掛品を装填し、その型にモールド材を注入して封止材３９０及び３９５を形成する手法も使用できる。

そして、図３Ｄに示すように、犠牲材３８５を除去することにより本デバイス３００の完成品を作成する。犠牲材３８５を除去するには、例えば犠牲材３８５を熱で熔かして基板開口３８０から本デバイス３００外に出せばよい。また、適当な溶剤で溶かすやり方でも犠牲材３８５を除去することができる。何れにせよ、犠牲材３８５を除去することで流路３６２を形成することができる。即ち、基板開口３８０から流路３６２を介して流体室３６０に至り、更にそこからノズルプレート３３０上のノズル開口３４０に達する道筋ができる。しかも、ダイ表面積のうちこの道筋を付けるのに費やされた部分はさほど広くない。従って、本デバイス３００を形成するのに必要なシリコンの総量は従来より少なくなる。

また、ご理解頂けるように、犠牲材３８５の除去手法は犠牲材３８５の種類によって変わる。例えば、犠牲材３８５を形成するための素材としてワックスの一種であるＡｐｉｅｚｏｎ Ｗａｘ Ｗを使用した場合、これは９０℃で軟化させることができ、１３０℃で熔かすことができ、またヘキサン等の炭化水素で溶かすことができる。また、同じくワックスの一種であるＡｒｅｍｃｏ Ｃｒｙｓｔａｌｂｏｎｄ ５９０は、１５０℃で流動に至らしめることができ、またイソプロピルアルコールや専用溶剤で溶かすことができる（Ａｐｉｅｚｏｎ及びＡｒｅｍｃｏは共に商標）。

また、本デバイス３００への犠牲材配設手法は数多くある。例えば犠牲材３８５のもとになる素材を熔融させ、熔融した素材をウェハ上のダイに流入させ、その後でダイシングを実施する手法でもよい。この手法には清浄さという付加的な利点がある。或いは、予め成形しておいた犠牲材３８５をダイボンディング後に載せる手法でもよい。更には、基板３７０上にダイ３１０を配置し、更に基板開口３８０を塞ぐよう犠牲材素材を加熱吐出する手法でもよい。

図４に、吐出により形成できる犠牲材の形状例を示す。素材を吐出する手法を採ると、この図に示すように、前掲のものより緩やかな（例えば弧状の）輪郭を有する犠牲材４８５を形成することができる。

また、この図では端面露出ノズルプレート４３０の突端４３２が三角形状に拡がっている。このような形状にすることで、封止材４９０及び犠牲材４８５についての公差を緩和することができる。

図５に、犠牲材に補強被覆を設けた例を示す。この図の例では、犠牲材５８５の表面に薄い被覆を施した上で封止材５９０を被着させる手法を採っている。犠牲材５８５に施すのは例えば紫外線硬化性素材による薄い被覆であり、これを形成、硬化させ更に犠牲材５８５を除去すると、封止材５９０の内面に一種の殻５９２が生じる。ご理解頂けるように、殻５９２の強度及び耐久性を十分に高くすればそれによって封止材５９０を補強することができ、ひいては端面露出ノズルプレート５３０・基板開口外部分５７５間架橋構造を補強することができる。更に、ノズルプレート突端が薄い場合対突端犠牲材位置公差が厳しくなりがちであるが、この例のように犠牲材５８５の表面に被覆を施す構成では、その被覆厚を加減することによってノズルプレート突端５３２に対する犠牲材５８５の位置公差を調整例えば緩和することができる。

図６に、流体室６３０がピラミッド状になるようノズルプレート突端形状を工夫した例を示す。こうした形状の突端６３２は、ＯＤＥ（orientation dependent etching）、異方性エッチング等の手法でシリコンウェハを処理することにより形成することができる。例えば、シリコンウェハのエッチングによってノズルプレート相当部分を形成した後そのウェハを個々のダイに切り分ける手法を採る場合、そのウェハ内の結晶面を適宜利用することによって図示の如きスロープを自動形成することができ、またダイに切り分ける際にカットラインを適宜設定することで当該スロープ部分を取り込んでノズルプレート突端６３２を形成することができる。こうして得られる突端６３２の先端面は広いので、ノズルプレート突端６３２に対する犠牲材６８５の位置公差を緩和することができる。

以上のように、本発明の各実施形態には様々な効果がある。第１の効果は、シリコン表面積使用量の低減即ちダイサイズの縮小である。ダイサイズが小さければウェハから多数のダイを採れるのでダイ１個のコストが比例的に減り、更にそれに相応してプリントヘッドデバイスの製造コストが減る。第２の効果は、プリントヘッド基板に対する位置合わせ公差が緩和されることである。即ち、プリントヘッド基板の開口をダイで塞いでしまう恐れがほとんどないためプリントヘッド基板に対するダイ固着処理を様々な手法で実施できる。第３の効果は、生産物の均一性が高いためインクジェット間クロストークが少なくなることである。第４の効果は、犠牲材を除去するまではその犠牲材によって流路が塞がれているため、流路が粒状物で汚染されにくいことである。なお、犠牲材は、プリントヘッドデバイスの使用直前まで除去する必要はない。本発明の実施形態にはこの他にも様々な利点があるが、そうしたことは、本件技術分野において習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）なら本願の記載からご理解頂けるであろう。

従来技術に係るＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドデバイスの仕掛品を切断してその端面を示す図である。 図１Ａに示したデバイスの完成品を切断してその端面を示す図である。 本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドデバイスの完成品を切断してその端面を示す図である。 本デバイスの仕掛品を切断してその端面を示す図である。 図３Ａに示した工程より後工程での仕掛品を切断してその端面を示す図である。 図３Ｂに示した工程より後工程での仕掛品を切断してその端面を示す図である。 本デバイスの完成品を切断してその端面を示す図である。 本デバイスの変形例、特にその犠牲材の輪郭を緩やかな傾斜形状にした例を示す切断端面図である。 本デバイスの変形例、特にその犠牲材に補強被覆を施した例を示す切断端面図である。 本デバイスの変形例、特にそのノズルプレート突端形状を工夫して流体室をピラミッド状にした例を示す切断端面図である。

符号の説明

２００，３００ ＭＥＭＳ型プリントヘッドデバイス、２１０，３１０，４１０，５１０ ダイ、２３０，３３０，４３０，５３０，６３０ 端面露出ノズルプレート、２５０，３５０ 支持材、２６０，３６０，６６０ 流体室、２６２，３６２ 流路、２７０，３７０，４７０，５７０，６７０ プリントヘッド基板、２８０，３８０ 基板開口、２９０，３９０，４９０，５９０，６９０ 封止材、３１８ ダイ縁辺、３３２，４３２，５３２，６３２ ノズルプレート突端、３８５，４８５，５８５，６８５ 犠牲材、５９２ 殻。

Claims (5)

1. ダイ又はそれを含むウェハを準備するステップと、
   突端を有するノズルプレートをダイ表面から間隔をおいて形成するステップと、
   基板開口を有するプリントヘッド基板を準備するステップと、
   ダイ縁辺及びノズルプレート突端が基板開口に面し且つダイ縁辺の位置とノズルプレート突端の位置とを縦方向に揃えてプリントヘッド基板の表面上にダイを配置するステップと、
   基板開口上方を該基板開口の対向する縁部に跨って覆いノズルプレート突端に接するよう犠牲材を配するステップと、
   ノズルプレート突端からプリントヘッド基板表面に亘り犠牲材を封止するステップと、
   犠牲材を除去することにより基板開口からノズルプレート突端に至る流路を形成するステップと、
   を有するプリントヘッド内流路形成方法。
2. 請求項１記載のプリントヘッド内流路形成方法であって、前記犠牲材を封止する封止材と接する前記ノズルプレート突端を三角形状に拡がって形成する、プリントヘッド内流路形成方法。
3. 請求項２記載のプリントヘッド内流路形成方法であって、前記封止材はプリントヘッド基板上にダイを配置した後に基板開口を塞ぐよう犠牲材素材を加熱吐出して形成される、プリントヘッド内流路形成方法。
4. 請求項１記載のプリントヘッド内流路形成方法であって、犠牲材とそれを封止する封止材との間に該封止材を補強する補強被覆を形成するステップを有するプリントヘッド内流路形成方法。
5. 請求項１記載のプリントヘッド内流路形成方法であって、ノズルプレートの一端に支持材を配してダイ表面・ノズルプレート間を隔てるステップを有するプリントヘッド内流路形成方法。
   

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