DE1800022C - Method of manufacturing a thermal printhead - Google Patents
Method of manufacturing a thermal printheadInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her- sprechend den jeweiligen Anforderungen festgelegt stellen eines Thermodruckkopfes mit matrixartig an- werden, z. B. durch eine größere Anzahl Druckgeordneten, entsprechend den abzudruckenden elemente in 5 .S-Muirizen.The invention relates to a method for specifying the respective requirements put a thermal print head with a matrix-like to be, z. B. by a larger number of pressure orders, corresponding to the elements to be printed in 5 .S-Muirizen.
Zeichen selektiv ansteiierbaren Widerstandselemen- Der -in den F i g. 1 und 2 gezeigte Druckkopf ciit-Characters selectively increasing resistance elements -in the F i g. 1 and 2 printhead shown
U1H1 bei dem zum Herstellen der Widerstandselemente 5 hält eine Trägerplatte 15 aus Aluminium oder einem und ihrer Zuleitung nacheinander auf einem Träger anderen wärmeleitenden Material, die als Wärmeörtlich begrenzte leitende und nichtleitende Schichten senke dient, sowie eine Isolationsschicht 16, z. B. aus gebildet werden. Glas, die auf der Trägerplatte 15 befestigt H. AufU 1 H 1 in which to manufacture the resistance elements 5 holds a carrier plate 15 made of aluminum or one and its supply line one after the other on a carrier other thermally conductive material, which serves as a thermally limited conductive and non-conductive layers sink, as well as an insulation layer 16, z. B. be formed from. Glass attached to the support plate 15 H. Auf
Bekanntlich kann mit elektrischen Widerstands- der Schicht 16 werden nacheinander eine Schicht 17 elementen eine Aufzeichnung durchgeführt werden, io aus elektrischem Widerstandsmaterial, z. B. Tantal, indem man die in bestimmter zweidimensionaler aus dem die Widerstandselemente 18 gebildet wer-Form angeordneten Widerstandselemente an eine den, eine Schicht 19 aus einem Material mit guter Spannung legt, wodurch diese erwärmt werden, und elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Gold, für die Verin ihrer unmittelbaren Nähe ein wärmeempfindliches bindungen und schließlich eine obere Schicht 20, Aufzeichnungsmedium anbringt, auf dem in Form 15 z. B. Tantal, die das Aufbringen eines Schutzübereines Punktmuster die Information sichtbar wird. zuges 21 aus einem elektrischen Isolator mit hoher Aus der österreichischen Patentschrift 244 636 ist Wärmeleitfähigkeit, z. B. BeryHiumoxyd (BeO) oder ein Thermodruckkopf bekannt, der aus einzelnen Aluminiumoxyd (AI1O3) ermöglicht, abgelagert, voneinander isolierten Platten besteht. Auf einer Dieser Schutzüberzug wird zuletzt auf die Druck-Stirnseite jeder Platte sind jeweils die Widerstands- 20 kopfkoiistruktion aufgebracht. Die Berylliumoxydelemenle und auf der entsprechenden Plattenseite oder Aluminiumoxydschicht haftet nicht gut auf jeweils die Zuleitungen in Form dünner Schichten einem chemisch inerten Metall, z. B. Gold, abgelagert. Ein derartiger Druckkopf ist relativ teuer, Für die Ablagerung der Schichten 17, 19 und 20As is known, a layer 17 elements can be used for a recording one after the other with the electrical resistance of the layer 16, io made of electrical resistance material, e.g. B. tantalum, by the in certain two-dimensional from which the resistance elements 18 formed who-shape arranged resistance elements to one of the, a layer 19 of a material with good voltage, whereby these are heated, and electrical conductivity, z. B. gold, for the Verin their immediate vicinity a heat-sensitive bonds and finally an upper layer 20, recording medium attaches on which in the form 15 z. B. tantalum, the application of a protective over a dot pattern the information becomes visible. zuges 21 from an electrical insulator with high From the Austrian patent specification 244 636 is thermal conductivity, z. B. BeryHiumoxyd (BeO) or a thermal print head is known, which consists of individual aluminum oxide (AI 1 O 3 ), deposited, insulated from each other plates. The resistive head structure is then applied to the end of each plate on the pressure side of each plate. The beryllium oxide elements and on the corresponding plate side or aluminum oxide layer does not adhere well to the supply lines in the form of thin layers of a chemically inert metal, e.g. B. Gold, deposited. Such a printhead is relatively expensive for the deposition of layers 17, 19 and 20
da er durch viele Verfahrensschritte hergestellt wer- werden herkömmliche Vakuum-Aufsprühverfahren den muß, wobei sich Schwierigkeiten hinsichtlich 35 verwendet. Die Dicke der Tantalschicht 17 und die der Kontaktierung der an den Kanten zusammen- Sprühparameter werden so bemessen, daß die gestoßenden Leitungs- und Widerstandsschichten er- wünschte Haftung, Resistivität und der Widerstandsgeben, temperaturkoeffizient der Schicht erzielt werden.since it is produced by many process steps, conventional vacuum spraying processes are used the must, with difficulties related to 35 used. The thickness of the tantalum layer 17 and the the contacting of the spray parameters together at the edges are dimensioned so that the abutting Conductive and resistance layers provide the desired adhesion, resistivity and resistance, temperature coefficient of the layer can be achieved.
In der französischen Patentschrift 1 495 284 wird Im Ausführungsbtispiel hat die Tantalschicht 17In the French patent specification 1,495,284, the tantalum layer has 17 in the exemplary embodiment
ein Thermodruckkcpj beschrieben, in dem die ther- 30 eine Dicke von 1000 A, während die Dicke der Goldmischen Bereiche in mesaförrr.igen Halbleiterkörpern schicht 19 2000A beträgt. Die drei Schichten 17, 19 durch aufeinanderfolgende Diflhsionsprozesse erzeugt und 20 werden nacheinander in einem nur einmal werden. Bekanntlich beansprucht dis. Eindiffundie- ausgepumpten Vakuumsystem abgelagert, rung lange Zeitabschnitte und außerdem werden für Die photolithographischen Abdeck- und Ätz-a thermal printing kcpj described in which the ther- 30 has a thickness of 1000 Å, while the thickness of the gold mixing Areas in mesa-shaped semiconductor bodies layer 19 is 2000A. The three layers 17, 19 generated by successive diffusion processes and 20 are successively in one only will. As is well known, dis. Deposited in a diffused vacuum system, tion for long periods of time and also for The photolithographic covering and etching
diese aufwendige Geräte (z. B. Vakuumkammern) 35 schritte werden in der nachstehend genannten benötigt. Reihenfolge durchgeführt; zuerst wird der aus denThese elaborate devices (e.g. vacuum chambers) 35 steps are mentioned in the following needed. Sequence carried out; first becomes the one from the
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Thermo- drei Schichten 17, 19 und 20 gebi'dete Druckkopf druckkopf anzugeben, der einfach aufgebaut ist und so abgedeckt, daß Bereiche für die Widerstandsmit wenigen Fertigungsschritten in kurzer Zeit und elemente 18 und für die elektrischen Verbindungsbillig hergestellt werden kann. 4c leiter 22 festgelegt werden. Die drei Schichten 17, Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf 19 und 20 werden bis auf die Bereiche, auf denen die Oberfläche einer wärmeleitenden Trägerplatte die elektrischen Verbindungsleiter 22 und die Widereine elektrische Isolationsschicht abgelagert wird, auf Standselemente 18 gebildet werden, weggeätzt. Ander entsprechend dem Widerstandselement- und schließend werden die zu bildenden Widerstands-Ansteuerleitermustcr zuerst Widerstandsschichten 45 elemente 18 durch Masken bedeckt. Hierbei werden und anschließend auf diese elektrisch leitende die von den Schichten 17, 19 und 20 gebildeten Schichten abgelagert werden, wobei Teile der leiten- elektrischen Verbindungslciter durch photoempfindden Schichten jeweils an den Stellen wieder entfernt liches Widerstandsmaterial abgedeckt, während die werden, wo Widerstandrclementc entstehen sollen, den gewünschten Stellen für die Widerstandselemente Und daß auf die leitenden Schichten jeweils Zwischen- 50 18 entsprechenden Bereiche den Ätzmitteln ausgefichichten aufgebaut werden, und daß anschließend setzt werden.It is the object of the invention to provide a thermal three-layer 17, 19 and 20 formed printhead indicate printhead, which is simple and covered so that areas for the resistance with few production steps in a short time and elements 18 and cheap for the electrical connection can be produced. 4c head 22 can be established. The three layers 17, The invention is characterized in that 19 and 20 are down to the areas on which the surface of a thermally conductive carrier plate, the electrical connection conductors 22 and the ranks electrical insulation layer is deposited, are formed on stand elements 18, etched away. At the corresponding to the resistance element and finally the resistance drive conductor pattern to be formed first resistive layers 45 elements 18 covered by masks. The layers 17, 19 and 20 which are formed by the layers 17, 19 and 20 become electrically conductive here and then Layers are deposited, with parts of the conductive electrical connection liters being photosensitive Layers in each case covered again at the points removed Liches resistance material, while the where resistance elements are to be created, the desired locations for the resistance elements And that intermediate areas corresponding to the etching agents are aligned on the conductive layers are built up, and that are then set.
die gesamte Oberfläche mit einer thermisch leitenden Es werden folgende Ätzschritte durchgeführt: Einthe entire surface with a thermally conductive The following etching steps are carried out: A
Und elektrisch isolierenden Schicht bedeckt wird, die Ätzmittel, das z. B. einen Teil Fluorwasserstoffsäure, (iber den Wiclcrstcindsclcmtntcn mesaförmige Er- einen Teil 40- bis 6O°/oige Salpetersäure und zwei licbungen aufweist. 55 Teile Wasser enthält und die Tantalschicht 20. jc-And electrically insulating layer is covered, the etchant, the z. B. a part of hydrofluoric acid, (Above the structure, mesa-shaped elements, one part 40 to 60% nitric acid and two has licensing. Contains 55 parts of water and the tantalum layer 20. jc-
FJn Ausfiil. dngsbeispiel der Erfindung wird im doch nicht die Goldschicht 19 angreift, ätzt die Tanlolgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben. In talschicht 20 über den Widerstandselemcnten 18 weg. diesen zeigt Dann ätzt ein Ätzmittel, das z. B. drei Teile SaIz-FJn Ausfiil. As an example of the invention, if the gold layer 19 is not attacked, the tan leg ends are etched described on the basis of the drawings. In the valley layer 20 over the resistance elements 18 away. This shows Then etches an etchant that z. B. three parts of SaIz-
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teiles säure, einen Teil 40- bis 60%>ige Salpetersäure und eines Diuckkopfes nach der Erfindung, und 60 vier Teile Wasser enthält und die Goldschicht 19Fig. 1 is a perspective view of part of the acid, part of 40-60% nitric acid and a pressure head according to the invention, and 60 contains four parts of water and the gold layer 19
F i g. 2 eine Seitciisclinittansicht entlang der angreift, die Tantalschicht 20 jedoch nicht, die Gold-Linie 2-2 der Fi g. 1, die den schichlförmigen Aufbau schicht 19 über den Widerstandselemcnten 18 weg, des Druck kopfes zeigt. so daß nur der zuerst abgelagerte, das Widcrstands-F i g. 2 is a side view along which the tantalum layer 20 engages the gold line 2-2 of Fig. 1, which layer 19 over the resistor elements 18 away, of the print head shows. so that only the first deposited, the resistance
Die I· ig. I und 2 zeigen einen Teil eines Thermo- element 18 bildende Schichtrest aus Tantal stchcndruekkopfes, bei dem Diuckclcmente IO in 2X2- 65 bleibt.The I · ig. I and 2 show part of a thermocouple 18 forming layer remainder made of tantalum stchcndruekkopfes, with the Duckclcmente IO remains in 2X2-65.
Matrizen angeordnet sind. Fig. I zeigt eine erste Für die Schichten 17, 19 und 20 können an StelleMatrices are arranged. Fig. I shows a first for layers 17, 19 and 20 can in place
Matrix 1 und einen Teil einer zweiten Matrix 2. Die von Tantal-Gold-Tantal auch andere Stoffe verZahl der Druckclcmentc und der Matrizen kann ent- wendet werden, die auf dem Träger 16 abgelagertMatrix 1 and part of a second matrix 2. The tantalum-gold-tantalum also counts other substances the pressure elements and matrices deposited on the carrier 16 can be removed
weiden können und aneinander und an einem Schiitzül)i ruiing 21 aus Isolationsmaterial haften. Die Sl-Ii Linen 17, 19 und 20 sind selektiv ätzbar, d. h., da-. Λι/mitiel für die Tantalschicht 20 greift die Cii-.klschicht Ii) nicht an, während das Ätzmittel für du (.ioldschicht 19 die Tantalschicht 20 nicht ätzt. An. h eignen sich die drei Schichten 17, 19 und 20 Ii,: -.-ine kontrollierte Ablagerung, bei der die wichtip·-·:-. Ablagerungswerte kontrollierbar sind. Ferner sun! die drei Schichten 17, 19 und 20 nach Ablageri!..e und Verarbeitung zu einem Druckkopf bestün-(iu -cpenüber wiederholen Temperaturschwankunr,-ι zwischen Raumtemperatur bis über 300LC. Λ.. ..rdem hat das Widerstandselement 18 vorzugs-Vi..... einen positiven Widerstandstemperaturkoeffi-/i-. :c!i. can graze and adhere to each other and to a Schiitzül) i ruiing 21 made of insulating material. The Sl-Ii lines 17, 19 and 20 are selectively etchable, ie, da-. Λι / mitiel for the tantalum layer 20 does not attack the Cii-.klschicht Ii), while the etchant for you (.ioldschicht 19 does not etch the tantalum layer 20. An. H are the three layers 17, 19 and 20 Ii,: - . -in a controlled deposition, in which the important deposition values can be controlled. Furthermore, the three layers 17, 19 and 20 after deposition and processing into a print head are configured (iu -cpen over repeated temperature fluctuations r, -ι between room temperature to over 300 L C. Λ .. ..rdem has the resistance element 18 preferential Vi ..... a positive resistance temperature coefficient / i-.: c! i.
\ls nächstes wird eine dünne Schicht 24 aus elektri' eh isolierendem Material, z. B. Glas, durch bekannte Hochfrequenz-Sprühverfahren auf Teile der \■·. ;l)indungsleiter22 der ersten Ebene ausgebracht, ao ur,.i zwnr in Bereichen, wo zweite, obere VerbindniiL'sieiter 25 abgelagert werden sollen. Die Schicht 2-i dient zur elektrischen Isolation der Verbindungsicr i.r 22 von den Verbindungsleitern 25. Dann wer-Jl:! Öffnungen 39 in die Schicht 24 in den Bereichen luiitzt, wo die Verbindungsleiter22 und 25 elektrisch !Miteinander verbunden werden sollen.Next, a thin layer 24 of electrical Eh insulating material, e.g. B. Glass, by known High frequency spray process on parts of the \ ■ ·. ; l) indungsleiter22 of the first level deployed, ao ur, .i zwnr in areas where there is a second, upper connection 25 are to be deposited. The layer 2-i is used to electrically isolate the connection i.r 22 from the connecting leaders 25. Then who-Jl :! Openings 39 in the layer 24 in the areas where the connecting conductors 22 and 25 electrically ! Should be connected to each other.
Die Verbindungsleiter 25 der zweiten Ebene sind r,< > aufgebaut wie die Verbindungsleiter 22 der ersten Hivne, d. h., sie bestehen aus einer unteren Schicht 2Γ) aus Tantal, einer Zwischenschicht 27 aus Gold und einer Oberschicht 28 aus Tantal. Vorzugsweise werden die Schichten 26, 27 und 28 nur in den Bere chen des Drui kkopfes abgelagert, wo die Verbindungsleitcr der zweiten Ebene benötigt werden. Die vSchicht 26 der Verbindungsleiter 25 ist durch die Öffnungen 39 mit der Schicht 20 der Verbinduntisleiter 22 verbunden.The connecting conductors 25 of the second level are r, < > constructed like the connecting conductors 22 of the first Hivne, d. i.e., they consist of a lower layer 2Γ) made of tantalum, an intermediate layer 27 made of gold and a top layer 28 made of tantalum. Preferably layers 26, 27 and 28 are deposited only in the areas of the printing head where the connecting conductors the second level are required. The v-layer 26 of the connecting conductor 25 is through the openings 39 with the layer 20 of the connecting conductor 22 connected.
Als nächstes wird ein dünner Schutzüberzug 21 aus elektrisch nichtleitendem Material, z. B. Berylliuni- oder Aluminiumoxyd, mittels herkömmlicher Hochfreciuenz-Spriihverfahren im Vakuum auf den Glasträger 16, die Widerstandselemente 18 und die elektrischen Verbindungsleiter 22 und 25 aufgebracht. Dieser Schutzüberzug 21 deckt jedoch im Druckkopf oder den ävßeren Kontaktbereichen vorgesehene Dioden nicht ab. Der Schutzüberzug haftet gut an den vorgenannter., darunterliegenden Materialien, besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit, weist eine pule Abriebbeständigkeit auf und ist gegen wiederholte schnelle Temperaturschwankungen zwischen 20 und 300" C unempfindlich. Der Schutzüberzug enthält erhöhte Bereiche, die jeweils über den Widcrstandselementcn 18 liegen und zur FHichcnbcgrenzung der Druckelcmcntc 10 dienen. Der Überzug 21 leitet die Wärme von den Widerslandsclcmcntcn 18 zu den Oberflächen der Druckclcmcnte 10, wodurch die Wärme an letzteren konzentriert wird. Zur exakten Durchführung des Druckvorganges muß das Material dcsSchutziiberzuges 21 eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen als die Isolationsschicht 16. Wie in den Fig. ' und 2 gezeigt, sind die die Druckclcmcnte 10 bildenden, erhöhten Bereiche des .Schutzüberzuges 21 wesentlich größer als die Widerstandsclcmcntc 18.Next, a thin protective coating 21 of electrically non-conductive material, e.g. B. Berylliuni- or aluminum oxide, using conventional high-frequency spraying processes in a vacuum Glass carrier 16, the resistance elements 18 and the electrical connecting conductors 22 and 25 applied. However, this protective coating 21 covers those provided in the printhead or the outer contact areas Diodes do not turn off. The protective coating adheres well to the aforementioned., Underlying materials, has good thermal conductivity, has a coil abrasion resistance and is against Repeated rapid temperature fluctuations between 20 and 300 "C insensitive. The protective coating contains raised areas, each of which lies above the resistance elements 18 and serves to delimit the area the Druckelcmcntc 10 serve. The cover 21 conducts heat from the opposing elements 18 to the surfaces of the pressure elements 10, whereby the heat is concentrated on the latter will. In order to carry out the printing process exactly, the material of the protective covering 21 must have a higher thickness Have thermal conductivity as the insulating layer 16. As shown in Figs. 'And 2, they are the Raised areas of the protective coating 21 forming pressure elements 10 are substantially larger than the resistance elements 18th
Der Druckkopf enthält eine Anzahl Koppeldioden 12 (je eine für ein Druckelement 10). Diese sind in den auf der Isolationsschicht 16 angebrachten Platt-The printhead contains a number of coupling diodes 12 (one each for a printing element 10). These are in the plate attached to the insulation layer 16
chen 30 enthalten. Ein solches Plättchen 30 isl für jede 2X2-Mntrix vorgesehen. Wie in F i g. 1 gezeigt, enthält jedes Plättchen 30 zwei Dioden 12 mit gemeinsamer Kathode (oder Anode). Jedes Diodenplättchen 30 ist mit einem elektrischen Kontakt 31 (nur ein Kontakt 31 gezeigt) sowie zwei elektrischen Kontakten 32 für jedes Plättchen 30 versehen. Ferner ist eine elektrische Verbindung 33 in Form eines Golddrahtes vorgesehen, der mittels eines Kugelbindeverfahrens mit dem elektrischen Kontakt 31 auf dem Plättchen 30 und einem entsprechenden Leiter 14 der ersten Ebene verbunden wird. Der Leiter 14 dient als gemeinsamer Leiter für die Druckelemente der jeweiligen Matrix. Eine elektrische Verbindung in Form eines Golddrahtes 36 wird ebenfalls mittels eines Kugelbindeverfahrens zwischen den elektrischen Kontakten 32 und dem jeweiligen Verbindungsleiter 22 der ersten Ebene angebrachtchen 30 included. Such a plate 30 isl for each 2X2 mntrix provided. As in Fig. 1, each die 30 includes two diodes 12 with a common Cathode (or anode). Each diode plate 30 is provided with an electrical contact 31 (only one contact 31 shown) and two electrical contacts 32 for each plate 30. Further an electrical connection 33 is provided in the form of a gold wire, which by means of a ball binding process with the electrical contact 31 on the plate 30 and a corresponding conductor 14 of the first level is connected. The conductor 14 serves as a common conductor for the printing elements the respective matrix. An electrical connection in the form of a gold wire 36 is also made by means of a ball bond process between the electrical Contacts 32 and the respective connecting conductor 22 attached to the first level
Abschließend wird ein Schutzuberzug 37 auf die Diodenplättchen 30 aufgebracht. Dieser Schutzüberzug bedeckt die Diodenplättchen und schützt sie vor mechanischen Beschädigungen.Finally, a protective coating 37 is applied to the diode plates 30. This protective cover covers the diode plates and protects them from mechanical damage.
In einer Abwandlung des vorstehend an Hand der F i g. 1 und 2 beschriebenen Thermodruckkopfes könnten die Dioden 12 durch herkömmliche Ätz- und Diffusionstechniken aus einer einzigen, auf die Isolierschicht 16 aufgebrachten Siliiiumkristallschicht gebildet werden.In a modification of the above with reference to FIGS. 1 and 2 described thermal print head could the diodes 12 by conventional etching and diffusion techniques from a single, on the Insulating layer 16 applied silicon crystal layer are formed.
Bei einer weiteren Abwandlung des vorstehend beschriebenen Druckkopfes ist es ebenso möglich, die Dioden 12 durch andere steuerbare Elemente zu ersetzen, z. B. durch Thyristoren.In a further modification of the print head described above, it is also possible to replace the diodes 12 with other controllable elements, e.g. B. thyristors.
In diesem Falle werden die Leiter 25 durch einen einzigen Spannungsspeiseleiter ersetzt, jedoch müssen mehrere, jeweils mit den Steuerehktroden der Thyristoren in jeder Matrix verbundene Wählleiter vorgesehen werden. Diese Wählleiter können in einer den Ablagerungen der Verbindungsleiter des Ausführungsbeispiels nach den F i g. 1 und 2 ähnlichen Weise aufgebracht werden.In this case, the conductors 25 are replaced by a single voltage supply conductor, but must several select conductors each connected to the control electrodes of the thyristors in each matrix are provided. These selection conductors can be in one of the deposits of the connecting conductors of the exemplary embodiment according to the F i g. 1 and 2 are applied in a similar manner.
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