DE69609248T2

DE69609248T2 - Process for the production of charge electrodes

Info

Publication number: DE69609248T2
Application number: DE1996609248
Authority: DE
Inventors: Brian Morris; David Stephens; Peter Tank
Original assignee: Kodak Versamark Inc
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: EP0744291A3; EP0744291B1; DE69609248D1; JPH0999561A; EP0744291A2; JP3945838B2; CA2177052A1

Description

Field of technology

Die Erfindung betrifft binäre kontinuierliche Tintenstrahldrucker und insbesondere eine verbesserte Konstruktion der Ladungsplatte derartiger Drucker.The invention relates to binary continuous ink jet printers and, more particularly, to an improved design of the charge plate of such printers.

State of the art

Beim kontinuierlichen Tintenstrahldruck wird elektrisch leitfähige Tinte unter Druck einem Verteilerbereich zugeführt, von wo aus sie auf mehrere Öffnungen verteilt wird, die typischerweise in einer oder mehreren Reihen angeordnet sind. Die Tinte tritt aus den Öffnungen in Fäden aus, die in Tröpfchenstrahfen zerfallen. Einzelne Tröpfchenstrahlen werden im Bereich des Zerfalls der Fäden selektiv auf im wesentlichen zwei Potentiale aufgeladen, und die aufgeladenen Tropfen werden aus ihrer normalen Bahn abgelenkt. Entweder die abgelenkten Tropfen oder die nicht abgelenkten Tropfen werden aufgefangen und zurückgeführt, während man die anderen Tropfen auf einen Druckbildträger gelangen läßt.In continuous inkjet printing, electrically conductive ink is fed under pressure to a distribution area from where it is distributed to a number of orifices, typically arranged in one or more rows. The ink emerges from the orifices in filaments that break up into droplet streams. Individual droplet streams are selectively charged to essentially two potentials in the area of filament breakup, and the charged drops are deflected from their normal trajectory. Either the deflected drops or the undeflected drops are collected and returned, while the other drops are allowed to pass onto a print substrate.

Beim binären kontinuierlichen Tintenstrahldruck werden Tintentropfen von einer Ladungsplatte, die am Rand mehrere Aufladeelektroden trägt und eine entsprechende Anzahl von Verbindungsleitern auf einer Seite aufweist, aufgeladen. Der Rand der Ladungsplatte, der die Aufladeelektroden trägt, ist nahe am Zerfallspunkt der Tintenstrahlfäden angeordnet, und in den Leitern wird eine Ladung erzeugt, die in den Tropfen eine Ladung induziert, wenn sie sich von den Fäden lösen.In binary continuous inkjet printing, ink drops are charged by a charge plate that carries several charging electrodes on the edge and has a corresponding number of connecting conductors on one side. The edge of the charge plate that carries the charging electrodes is placed close to the break-up point of the inkjet filaments, and a charge is generated in the conductors that induce a charge in the drops as they detach from the filaments.

In dem am 24. Dezember 1985 W. Schutrum erteilten US-Patent 4,560,991 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Ladungsplatte beschrieben. Die von Schutrum vorgestellte Ladungsplatte wird hergestellt, indem die Aufladeelektroden und die Leiter galvanisch auf einem dünnen Bogen eines ätzbaren Materials wie Kupferfolie abgeschieden werden, um einen sogenannten "Coupon" zu bilden. Der Coupon wird in einer Aufspannvorrichtung in einem Winkel von etwa 90º umgebogen. Dann werden die Leiter mit einem dielektrischen Material wie Aluminiumoxid verbunden und das ätzbare Substrat durch chemisches Ätzen entfernt. Dieses Herstellungsverfahren für Ladungsplatten ist ein "Leiterübertragungsverfahren", bei dem die Elektroden auf einem ätzbaren Substrat gebildet werden müssen.U.S. Patent 4,560,991 issued to W. Schutrum on December 24, 1985 describes a method of making a charge plate. The charge plate presented by Schutrum is made by electroplating the charging electrodes and the conductors onto a thin sheet of an etchable material such as copper foil to form what is called a "coupon." The coupon is bent over in a jig at an angle of about 90º. The conductors are then bonded to a dielectric material such as aluminum oxide and the etchable substrate is removed by chemical etching. This method of manufacturing charge plates is a "conductor transfer process" in which the electrodes must be formed onto an etchable substrate.

Ein anderes Ladungsplattenherstellungsverfahren mit "Leiterübertragung" ist in dem gleichzeitig abgetretenen, am 18. April 1994 erteilten Patent US-A-5,512,1 17 beschrieben, bei dem die Elektroden ebenfalls auf einem ätzbaren Substrat gebildet werden müssen. Dieser galvanisch gebildete Coupon wird dann im Winkel von etwa 90 Grad gebogen und mit einem dielektrischen Material wie Aluminiumoxid verbunden, und anschließend wird das ätzbare Substrat durch chemisches Ätzen entfernt.Another "conductor transfer" charge plate fabrication method is described in concurrently assigned patent US-A-5,512,117 issued April 18, 1994, in which the electrodes must also be formed on an etchable substrate. This electroformed coupon is then bent at an angle of approximately 90 degrees and bonded to a dielectric material such as aluminum oxide, and then the etchable substrate is removed by chemical etching.

Leider sind die bekannten Herstellungstechniken für Ladungsplatten mit verschiedenen Problemen behaftet, beispielsweise der Komplexität der Herstellung, die durch die relativ große Anzahl von Fertigungsschritten bedingt ist, welche zur Herstellung einer brauchbaren Ladungsplatte erforderlich sind, sowie den mit diesen Herstellungsschritten verbundenen Kosten. Bei dem Leiterübertragungsvorgang kommt es auch zu Präzisionseinbußen, weil die Leiter sich oft geringfügig bewegen, wenn das Substrat weggeätzt wird. Mit der Verringerung des Abstands zwischen den Strahlen wird der Anschluß an externe Schaltungen schwieriger. Bei der Standardtechnik für elektronische Anschlüsse sind beispielsweise etwa 20 elektrische Anschlüsse pro Inch Verbindungselement möglich. Nach einer etwas exotischeren Technik sind 100 zuverlässige Anschlüsse pro Inch möglich. Für einen modernen Tintenstrahldrucker sind mehrere hundert Ladungsleiter pro Inch erwünscht. Derzeit wird dies erreicht, indem die Leiter vom vorderen Rand der Ladungsplatte aus zu einem längeren Anschlußbereich in dem vom Tintenabstrahlvorgang entfernten Teil der Ladungsplatte hin "aufgefächert" werden. Ein 1 Inch breiter Druckkopf mit 300 Strahlen pro Inch erfordert beispielsweise mindestens drei Inch Anschlußplatz, der im hinteren Teil der Ladungsplatte vorhanden sein muß. Das führt offensichtlich zu einer Ladungsplatte und einem Tintenstrahldruckkopf, die viel größer sind als erwünscht. Ein weiteres Problem bei der derzeitigen Ladungsplatten-Herstellungstechnik besteht in der Kondensation auf der Ladungsplatte während des Druckkopfbetriebs. Weil die Ladungsplatte in einer Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% zum Einsatz kommt, besteht eine Neigung zur Wasserdampfkondensation auf der Ladungsplatte. Zur Ausschaltung dieses Problems wird eine Heizung, wie sie im US-Patent 4,622,562 gelehrt wird, verwendet, um die Ladungsplatte auf einer Temperatur zu halten, die etwas höher ist als die Umgebung. Beim Stand der Technik nach dem Schutrum-Patent 4,660,991 ist die Heizung der Fangeinrichtung ein zusätzliches Bauteil, das in der Fangeinrichtung unter der Ladungsplatte angebracht ist. Die Herstellung dieses zusätzlichen Bauteils des Druckkopfs erhöht die Komplexität des Druckkopfs und seine Herstellungskosten. Schließlich wird für die galvanisch abgeschiedenen Elektroden gewöhnlich Nickel verwendet, das durch elektrochemisches Ätzen während des Tintenstrahldruckvorgangs stark gefährdet ist. Dies gilt insbesondere für den unteren Abschnitt der Leiter, die von dem 90º-Knick am weitesten entfernt sind, wo sich während des Tintenstrahldruckvorgangs gerne Tinte absetzt.Unfortunately, known charge plate manufacturing techniques suffer from several problems, including manufacturing complexity due to the relatively large number of manufacturing steps required to produce a usable charge plate and the costs associated with those manufacturing steps. The conductor transfer process also suffers from a loss of precision because the conductors often move slightly as the substrate is etched away. As the distance between the jets decreases, connection to external circuitry becomes more difficult. For example, standard electronic connection technology allows about 20 electrical connections per inch of connector. A more exotic technique allows 100 reliable connections per inch. For a modern ink jet printer, several hundred charge conductors per inch are desirable. Currently, this is achieved by "fanning out" the conductors from the leading edge of the charge plate to a longer connection area in the part of the charge plate away from the ink jetting process. For example, a 1 inch wide printhead with 300 jets per inch requires at least three inches of connector space to be provided in the rear of the charge plate. This obviously results in a charge plate and ink jet printhead that are much larger than desired. Another problem with current charge plate manufacturing technology is condensation on the charge plate during printhead operation. Because the charge plate is used in an environment of 100% relative humidity, there is a tendency for water vapor condensation on the charge plate. To eliminate this problem, a heater such as that taught in U.S. Patent 4,622,562 is used to maintain the charge plate at a temperature slightly higher than the ambient temperature. In the prior art of Schutrum Patent 4,660,991, the trap heater is an additional component mounted in the trap below the charge plate. The manufacture of this additional printhead component increases the complexity of the printhead and its manufacturing costs. Finally, the electroplated Electrodes typically use nickel, which is highly susceptible to electrochemical etching during the inkjet printing process. This is especially true for the lower section of the conductors, furthest from the 90º bend, where ink tends to settle during the inkjet printing process.

Damit wird ein Bedarf an einem verbesserten Herstellungsverfahren für Ladungsplatten erkennbar, welches die beim Stand der Technik gegebenen Probleme überwindet.This reveals a need for an improved manufacturing process for charge plates that overcomes the problems inherent in the prior art.

Summary of the invention

Der Bedarf wird gedeckt durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für eine Ladungsplatte mit elektronischem Treiber, wobei die Herstellungstechnik für die Ladungsplatte die Herstellung nach einem bekannten Verfahren wie der Musterherstellung in Dünnschicht- und Dickschichttechnik und die Integration der Treiberelektronik auf der Ladungsplatte vorsieht. Frühere Bemühungen, diese Verfahren anzuwenden, sind aus verschiedenen Gründen gescheitert. Erstens standen keine elektronischen Treiberchips, die den für das Tintenstrahlverfahren erforderlichen hohen Spannungen standhalten konnten, zur Verfügung. Zweitens standen keine Verfahren zur Herstellung der auf der Ladungsplatte erforderlichen Schaltungen mit der erforderlichen räumlichen Auflösung zur Verfügung. Schließlich gab es die Technik zur Herstellung eines Ladungsleiters, der um einen 90º- Winkel führt, noch nicht, weil es unmöglich war, ein Muster über eine Kante zu führen. Auch wenn mit dem Leiterübertragungsverfahren ein Chip auf der Ladungsplatte hergestellt werden kann, gibt es hier Einschränkungen.The need is met by the inventive method of manufacturing a charge plate with an electronic driver, the charge plate manufacturing technique involving manufacturing by a known method such as thin film and thick film patterning and integrating the driver electronics on the charge plate. Previous efforts to use these methods have failed for various reasons. First, no electronic driver chips capable of withstanding the high voltages required by the ink jet process were available. Second, no methods were available to manufacture the circuits required on the charge plate with the required spatial resolution. Finally, the technology for manufacturing a charge conductor that leads at a 90° angle did not yet exist because it was impossible to lead a pattern over an edge. Although the conductor transfer method can produce a chip on the charge plate, there are limitations.

Die Erfindung schafft neue Möglichkeiten, weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Musterherstellung auf der Oberseite und am Rand getrennt erfolgen, was eine höhere Flexibilität bei der Herstellung ergibt. Eine geschickte Kombination neuer Technologien ermöglicht die Herstellung von Schaltungen auf der Rückseite der Ladungsplatte, so daß elektronische Chips für die Steuerung der Ladungsleiter auf die Ladungsplatte aufgebracht werden können. Dadurch kann die Ladungsplatte über einen elektronischen "Bus" gespeist werden, so daß viele Ladungsleiter von wenigen Anschlüssen an eine externe Schaltung aus gesteuert werden können. Die neuen Technologien ermöglichen auch die Integration der Ladungsplattenheizung auf der Unterseite der Ladungsplatte. Außerdem haben die für die Herstellung nach den neuen Techniken verfügbaren Materialien eine kleinere elektrochemische Ätzgeschwindigkeit.The invention creates new possibilities because the inventive method allows the patterning on the top and the edge to be done separately, which gives greater flexibility in manufacturing. A clever combination of new technologies enables circuits to be made on the back of the charge plate so that electronic chips for controlling the charge conductors can be applied to the charge plate. This allows the charge plate to be powered via an electronic "bus" so that many charge conductors can be controlled from a few connections to an external circuit. The new technologies also enable the integration of the charge plate heater on the underside of the charge plate. In addition, the materials available for manufacturing using the new techniques have a lower electrochemical etching rate.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung sieht das Verfahren zum Herstellen einer Ladungsplatte für Tintenstrahldrucker die Herstellung nach bekannten Verfahren vor. Zunächst wird ein keramisches Ladungsplattensubstrat bereitgestellt, welches einen Rand, eine Unterseite und eine Oberseite hat. Dann wird das Substrat am Rand bedruckt, um eine Ladungsfläche auf dem Rand des keramischen Ladungsplattensubstrats zu bilden. Der Leitweg von der Ladungsfläche zur Oberseite des keramischen Ladungsplattensubstrats wird vervollständigt durch Bedrucken der Oberseite zur Herstellung einer über Eck verlaufenden Schaltung. Teil der oberen Schaltung ist die Herstellung eines Musters für die Stelle, an die die elektronischen Treiberchips kommen. Dabei besteht das Muster aus einer Reihe kleiner, rechteckiger leitender Flächen oder "Kontaktflecken", die den Treiberchip umgeben. Die Kontaktflecken sind die Stellen, an denen die Verbindungen von der Ladungsplatte zum Treiberchip hergestellt werden können, und zwar mit bekannten geeigneten Techniken wie der Drahtverbindungstechnik einschließlich der Golddraht-Nagelkopfverbindung, der Flip-Chip-Technik, der "Ball Grid Array"-Verbindung, einschließlich der "Micro Ball Grid Array"-Verbindung, und des "Tape Automated Bonding". Verbindungen von den Kontaktflecken zu der Ladungsfläche und zur Rückseite des Chips werden ebenfalls bei diesem Schritt der Musterherstellung auf der Oberseite hergestellt. Die Musterherstellung kann durch ein beliebiges geeignetes Verfahren, beispielsweise ein Dickschichtverfahren, erfolgen. Die Ladungsplatte kann an der Oberseite mit einem Muster versehen werden, um für Aufladungs- und Ablenkzwecke elektrische Anschlüsse an der Oberseite mit dem vorderen Rand zu verbinden. Wenn die Leitbahnen auf der Oberseite des keramischen Ladungsplattensubstrats fertig sind, wird mit einer zweiten Reihe von Verfahrensschritten auf der Rückseite der Ladungsplatte ein Bereich für Schaltungen auf zwei Schaltungsebenen geschaffen. Beispielsweise müssen die elektrischen Pfade, die Energie und Logiksignale in die Treiberchips leiten, an der Unterseite geerdet werden. Außerdem werden Durchgangslöcher durch die Ladungsplatte hergestellt, so daß mit Dickschichtschaltungstechnik eine Widerstandsheizung für die Ladungsplatte auf der Unterseite der Ladungsplatte geschaffen werden kann.According to one aspect of the invention, the method of making a charge plate for ink jet printers involves manufacturing by known methods. First, a ceramic charge plate substrate is provided which has an edge, a bottom surface and a top surface. The substrate is then printed on the edge to form a charge surface on the edge of the ceramic charge plate substrate. The conductive path from the charge surface to the top surface of the ceramic charge plate substrate is completed by printing on the top surface to form a corner circuit. Part of the top circuit is the formation of a pattern for the location of the electronic driver chips. The pattern consists of a series of small, rectangular conductive areas or "pads" surrounding the driver chip. The pads are the locations where connections from the charge plate to the driver chip can be made using suitable techniques known in the art, such as wire bonding, including gold wire nailhead bonding, flip chip bonding, ball grid array bonding, including micro ball grid array bonding, and tape automated bonding. Connections from the pads to the charge surface and to the back of the chip are also made during this top-side patterning step. Patterning can be done by any suitable process, such as a thick film process. The top-side charge plate can be patterned to connect top-side electrical terminals to the front edge for charging and deflection purposes. Once the conductive paths on the top of the ceramic charge plate substrate are complete, a second series of process steps on the back of the charge plate create an area for two-level circuitry. For example, the electrical paths that carry power and logic signals into the driver chips must be grounded at the bottom. In addition, vias are made through the charge plate so that a resistive heater for the charge plate can be created on the bottom of the charge plate using thick film circuitry.

Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Ladungsplatte bereitzustellen, bei der der Einbau von Treiberchips die Größe des Anschlußbereichs verringert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladungsplatte bereitzustellen, deren Herstellung nach herkömmlichen Verfahren, beispielsweise durch Musterbildung mit der Dickfilm- und der Dünnfilmtechnik, möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Ladungsplatten zur Verfügung zu stellen, das insofern besser ist als die bisherigen gleichartigen Herstellungsmethoden, als die Musterbildung auf der Oberseite und am Rand bzw. auf der Vorderseite der Ladungsplatte getrennt erfolgt. Eine weitere Aufgabe ist es, mittels Dickschicht-Schaltungstechnik einen Anschluß für ein Standardanschlußelement am hinteren Rand der Ladungsplatte zu schaffen, um die Schaltung herzustellen, die zur elektrischen Isolierung des Treiberchips erforderlich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, in die Unterseite der Ladungsplatte eine Widerstandsheizung für die Ladungsplatte zu integrieren. Schließlich ist es die Aufgabe der Erfindung, mehr Flexibilität bei der Herstellung zu haben.It is therefore an object of the invention to provide a charge plate in which the incorporation of driver chips reduces the size of the connection area. A further object of the invention is to provide a charge plate which can be manufactured using conventional methods, for example by patterning using thick film and thin film technology. A further object of the invention is to provide a manufacturing method for charge plates. which is better than the previous similar manufacturing methods in that the pattern formation on the top and on the edge or on the front of the charge plate takes place separately. A further object is to create a connection for a standard connection element on the rear edge of the charge plate using thick-film circuit technology in order to create the circuit required for electrically isolating the driver chip. A further object of the invention is to integrate a resistance heater for the charge plate into the underside of the charge plate. Finally, the object of the invention is to have more flexibility in production.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Ansprüchen hervor.Further objects and advantages of the invention will become apparent from the following description, the accompanying drawings and the claims.

Short description of the drawings

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ladungsplattensubstrats,Fig. 1 is a perspective view of a charge plate substrate,

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Keramiksubstrats, das erfindungsgemäß am Rand bedruckt ist,Fig. 2 is a perspective view of a ceramic substrate that is edge-printed according to the invention,

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer über Eck verlaufenden Leitbahn auf dem am Rand bedruckten Substrat von Fig. 2,Fig. 3 is a perspective view of a corner-running conductive path on the edge-printed substrate of Fig. 2,

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung, die das oberseitige Muster der Darstellung von Fig. 3 zeigt,Fig. 4 is a perspective view showing the top pattern of the illustration of Fig. 3,

Fig. 5 ist eine auseinandergezogene Ansicht, die die einzelnen Ebenen der erfindungsgemäß hergestellten Ladungsplatte zeigt, undFig. 5 is an exploded view showing the individual levels of the charge plate made according to the invention, and

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, welches die Energieversorgungs-, die Erdungs-, die Steuer- und die Datenschnittstelle zu der Ladungsplatte von Fig. 1 zeigt.Figure 6 is a block diagram showing the power, ground, control and data interface to the charge plate of Figure 1.

Brief description of the preferred embodiments

Von den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Ladungsplattensubstrat, das in eine Ladungsplattenbaugruppe eingebaut werden kann. Das Ladungsplattensubstrat 10 ist vorzugsweise aus Keramik und aus 96% Aluminiumoxid hergestellt, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8,2 · 10&supmin;&sup6;/ºC hat. Der vordere Rand 12 ist im wesentlichen senkrecht zur Oberseite 14. Die Vorderseite ist vorzugsweise eben, um eine optimale Aufladung zu gewährleisten.Of the drawings, Fig. 1 shows a charge plate substrate which can be incorporated into a charge plate assembly. The charge plate substrate 10 is preferably made of ceramic and of 96% alumina which has a coefficient of thermal expansion of 8.2 x 10-6/°C. The front edge 12 is substantially perpendicular to the top surface 14. The front surface is preferably flat to ensure optimum charging.

Gemäß Fig. 2 wird das Keramiksubstrat 10 von Fig. 1 zunächst auf dem vorderen Rand 12 bedruckt, um Aufladungsoberflächen bzw. die Ladungsfläche 16 zu schaffen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der vordere Rand 12 etwa 0,0381 cm (0,015 Inch) hoch. Der vordere Rand 12 ist im wesentlichen senkrecht zur Unterseite 18. Die Fase 20 trennt den vorderen Rand 12 von der Unterseite 18 durch eine um etwa 45º geneigte Fläche, um einen Zwischenraum für die zur Tropfenfangeinrichtung abgelenkten Tropfen zu schaffen.Referring to Figure 2, the ceramic substrate 10 of Figure 1 is first printed on the front edge 12 to provide charging surfaces 16. In a preferred embodiment of the invention, the front edge 12 is about 0.0381 cm (0.015 inches) high. The front edge 12 is substantially perpendicular to the bottom surface 18. The bevel 20 separates the front edge 12 from the bottom surface 18 by an approximately 45° inclined surface to provide a clearance for the drops deflected toward the drop catcher.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann man während des Bedruckens des Randes eine geringe Menge Tinte absichtlich bis zur Oberseite gelangen lassen, um die elektrische Verbindung zu verbessern. Die Ladungsflächen 16 werden geschaffen, indem man nach der bekannten Dickschichttechnik eine leitfähige Tinte als Dickschicht durch die Öffnungen eines Siebs (Siebdruck) oder eine dünne Metallfolie (Schablonendruck) hindurch aufbringt. Der Siebdruck hat den Vorteil, daß die Schaffung ungewöhnlicher Muster möglich ist, während der Schablonendruck den Vorteil hat, daß gedruckte Linien und Flächen in besserer Qualität ohne das Gitternetz, das beim Durchdrücken von Tinte bei hoher Auflösung Probleme mit sich bringen kann, erzeugt werden können. Eine Golddickschichtpaste, beispielsweise die im Handel erhältliche Paste 5715 Gold Thick Film Paste von DuPont, wird vorzugsweise auf Nickel aufgebracht, weil Gold chemisch stärker inert ist als Nickel.In a preferred embodiment of the invention, a small amount of ink may be intentionally allowed to reach the top during edge printing to improve electrical connection. The charge areas 16 are created by applying a conductive ink as a thick film through the openings of a screen (screen printing) or a thin metal foil (stencil printing) using the well-known thick film technique. Screen printing has the advantage of allowing the creation of unusual patterns, while stencil printing has the advantage of producing better quality printed lines and areas without the grid that can cause problems when ink is forced through at high resolution. A gold thick film paste, such as the commercially available 5715 Gold Thick Film Paste from DuPont, is preferably applied to nickel because gold is more chemically inert than nickel.

Gemäß Fig. 3 wird nach der Schaffung der Ladungsflächen 16 eine Leitbahn zur Oberfläche 14 weitergeführt, um eine über Eck verlaufende Leitbahn 22 zu schaffen. Während der Übereckführung können diese Linien bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung absichtlich über den vorderen Rand geführt werden. Dadurch wird eine Überlappung des Rand- und des Übereckdrucks geschaffen, die eine gute elektrische Verbindung über Eck gewährleistet.According to Fig. 3, after the creation of the charge areas 16, a conductive path is continued to the surface 14 in order to create a conductive path 22 running across the corner. During the cornering, these lines can be deliberately led over the front edge in a preferred embodiment of the invention. This creates an overlap of the edge and corner printing, which ensures a good electrical connection across the corner.

Die Übereckbahn 22 wird ebenfalls mittels Dickschicht- oder Drucktechnik, beispielsweise mit den Schritten Drucken, Trocknen und Brennen, geschaffen. Somit wird bei der Erfindung die Dickschichttechnik eingesetzt, um die elektrische Verbindung zwischen der Oberseite 14 und der Ladungsfläche 16 herzustellen. Die elektrische Verbindung von der Oberseite 14 zur Vorderfläche 12 wird hergestellt unter Einsatz der Übereckführungstechnik für elektrische Verbindungen, wodurch die elektrischen Anschlüsse 16 auf der Vorderseite mit den elektrischen Anschlüssen 22 auf der Oberseite verbunden werden. Dabei kommt es während des Brennens vor dem Schritt der Musterbildung auf der Oberseite und nach den Schritten Bedrucken und Trocknen des Substrats zu einer direkten Metall/Metall-Diffusion.The corner track 22 is also created using thick film or printing technology, for example with the steps of printing, drying and firing. Thus, the invention uses the thick film technology to create the electrical connection between the top surface 14 and the charging surface 16. The electrical connection from the top surface 14 to the front surface 12 is created using the corner guide technology for electrical connections, whereby the electrical connections 16 on the front side are connected to the electrical connections 22 on the top side. Direct metal/metal diffusion occurs during firing before the patterning step on the top side and after the printing and drying steps of the substrate.

Fig. 4 zeigt das Muster 24 auf der Oberseite des Substrats nach den Schritten Bedrucken, Trocknen, Brennen und Metall/Metall-Diffusion zur Herstellung einer Ladungsplatte. Die Musterbildung auf der Oberseite des Substrats kann mit beliebigen geeigneten Mitteln erfolgen, beispielsweise durch Verwendung der in "Proceedings of the 1993 International Symposium on Microelectronics" beschriebenen photolithographischen bzw. photobelichtbaren Fodel-Materialien. Die Fodeltechnik ist eine Weiterentwicklung der Dickschichttechnik durch Kombination von anorganischen Bestandteilen, Metallpulvern, Glaspulvern, Metalloxiden und feuerfesten Pulvern zur Herstellung von Dickschicht-Dielektrika und -Leitern mit den organischen Substanzen, Polymeren, Fotoinitiatoren, Monomeren und Stabilisatoren, die zur Herstellung von Fotoresistschichten für die Leiterplattenindustrie verwendet werden. Diese Kombination ergibt ein für fotografische Abbildungen geeignetes keramisches Material, in dem die bekannte Zuverlässigkeit von keramischem Material mit der bequemen Verarbeitbarkeit in herkömmlichen Geräten und unter Einsatz wäßriger Chemikalien, wie sie derzeit in der Leiterplattenindustrie verwendet werden, kombiniert ist.Fig. 4 shows the pattern 24 on the top surface of the substrate after the steps of printing, drying, firing and metal-to-metal diffusion to produce a charge plate. The patterning of the top surface of the substrate can be done by any suitable means, for example by using the photolithographic or photoimageable Fodel materials described in "Proceedings of the 1993 International Symposium on Microelectronics". The Fodel technique is an advancement of the thick film technique by combining inorganic components, metal powders, glass powders, metal oxides and refractory powders to produce thick film dielectrics and conductors with the organic substances, polymers, photoinitiators, monomers and stabilizers used to produce photoresist layers for the printed circuit board industry. This combination results in a ceramic material suitable for photographic imaging, combining the well-known reliability of ceramic material with the convenience of processing in conventional equipment and using aqueous chemicals currently used in the printed circuit board industry.

Das Fodel-Verfahren ist wie das Material der Bauelemente eine Kombination aus der herkömmlichen Dickschichttechnik und der Technik zur Herstellung gedruckter Leiterplatten. Der Fachmann wird erkennen, daß die herkömmliche Dickschichttechnik, die herkömmliche Dünnschichttechnik und die herkömmliche Technik zur Herstellung von gedruckten Leiterplatten unabhängig voneinander oder in geeigneter Kombination verwendet werden können, um die Musterbildung auf der erfindungsgemäßen Ladungsplatte zu erreichen. Die Fodel-Technik wird hier lediglich als Beispiel beschrieben und ist nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung zu verstehen.The Fodel process, like the material of the components, is a combination of the conventional thick film technology and the technology for producing printed circuit boards. Those skilled in the art will recognize that the conventional thick film technology, the conventional thin film technology and the conventional technology for producing printed circuit boards can be used independently of one another or in any suitable combination to achieve the pattern formation on the charge plate according to the invention. The Fodel technique is described here only as an example and is not to be understood as a limitation on the scope of the invention.

Das Fodel-Verfahren beginnt mit dem Auftragen einer lichtempfindlichen Paste, beispielsweise einer handelsüblichen Fodel-Paste, auf das gewünschte Substrat mittels bildlosem Siebdruck. Man läßt die Paste bei Zimmertemperatur plan werden und trocknet sie dann bei einer Temperatur von beispielsweise 80ºC. Nach dem Trocknen wird die Paste mit UV-Licht (der typischen maximalen Wellenlänge von etwa 360 nm) durch die gewünschte Fotomaske belichtet, um ein latentes Bild zu erzeugen. Nach der Belichtung wird das im Material enthaltene latente Bild entwickelt, beispielsweise in einer mit Förderband ausgestatteten Sprühentwicklungsmaschine und unter Verwendung von beispielsweise 1-prozentiger wäßriger Na&sub2;CO&sub3;-Lösung. Die entwickelte Paste wird dann nach herkömmlichen Dickschichtverfahren gebrannt.The Fodel process begins with applying a light-sensitive paste, such as a commercially available Fodel paste, to the desired substrate using imageless screen printing. The paste is allowed to flatten at room temperature and then dried at a temperature of, for example, 80ºC. After drying, the paste is exposed to UV light (the typical maximum wavelength of about 360 nm) through the desired photomask to create a latent image. After exposure, the latent image contained in the material is developed, for example in a spray developing machine equipped with a conveyor belt and using, for example, 1% aqueous Na₂CO₃ solution. The developed paste is then fired according to conventional thick film processes.

Nach der in Fig. 4 gezeigten Musterbildung auf der Oberseite wird die mit Muster versehene Oberseite mit einem Material beschichtet, das eine hohe Durchschlagfestigkeit hat und frei von Nadelstichlöchern ist. Bevorzugt ist ein dielektrisches Material, das durch Aufsintern auf die mit Muster versehene Oberseite eine gute dielektrische Beschichtung ergibt. Die dielektrische Beschichtung kann ein beliebiges geeignetes Dielektrikum sein, beispielsweise das im Handel erhältliche Dielektrikum 5704 von DuPont.After patterning the top surface as shown in Figure 4, the patterned top surface is coated with a material that has a high dielectric strength and is free of pinholes. A dielectric material that produces a good dielectric coating when sintered onto the patterned top surface is preferred. The dielectric coating can be any suitable dielectric, for example the commercially available dielectric 5704 from DuPont.

Wie der Fachmann weiß, ist die Dickschicht-Technik ein in der Elektronikindustrie verwendetes Verfahren zur Herstellung eines Schaltungsmusters. Das Muster wird mittels Siebdruck auf ein Substrat aufgebracht, getrocknet und gebrannt. Das Verfahren wird mit einem geeigneten Substrat begonnen, welches den Temperaturen standhält, die zum Sintern oder "Brennen" der Tinten erforderlich sind, beispielsweise mit einem Substrat, das zu 96% aus Aluminiumoxid besteht. Dann werden Dickschichttinten mittels Siebdruck auf das Substrat aufgebracht. Für unterschiedliche Anwendungsfälle stehen natürlich unterschiedliche Tinten zur Verfügung. Beispielsweise können bestimmte leitfähige Tinten zur Bildung leitfähiger Goldleitbahnen verwendet werden. Eine leitfähige Tinte, die Palladium/Gold enthält, kann für Lötflecken verwendet werden. Eine Tinte mit höherem Widerstand könnte zur Bildung von Widerständen für eine elektronische Schaltung oder vielleicht für eine Widerstandsheizung verwendet werden. Eine nicht leitfähige bzw. eine dielektrische Tinte kann zum Aufdrucken einer Schutzbeschichtung auf einer zuvor gebildeten Schaltung oder einer Sperrschicht zwischen zwei Schaltungsebenen verwendet werden. Derartige Tinten setzen sich im wesentlichen aus drei Hauptbestandteilen zusammen, nämlich einem Bindemittel (als "Fritte" bezeichnet), einem Vehikel und einer funktionellen Komponente. Wenn die Tinte mittels Siebdruck auf das Substrat aufgebracht ist, wird dieses durch einen Trockner geführt, in dem eine Temperatur von beispielsweise etwa 150ºC erreicht wird, um sämtliche Lösungsmittel zu verdampfen. Im nächsten Schritt wird das bedruckte und getrocknete Substrat gebrannt. Das Teil wird einem bestimmten Temperaturprofil unterworfen, wobei es auf eine Temperatur gebracht und auf dieser gehalten wird, bei der alle organischen Stoffe ausgebrannt werden, bei spielsweise auf 500ºC. Dann wird das Teil einer Temperatur unterworfen, bei der das eigentliche Brennen erfolgt, beispielsweise 850ºC. Bei 850ºC sintert die funktionelle Komponente zu einer Schicht aus funktionellem Material. Die Fritte sintert ebenfalls und diffundiert teilweise in das Substrat ein, was ein Mittel zur Verbindung der funktionellen Komponente mit dem Substrat ist. Schließlich wird die Temperatur abgesenkt. Weitere Ebenen können übereinander angeordnet und denselben Verfahrensschritten unterworfen werden.As those skilled in the art will know, thick film printing is a method used in the electronics industry to create a circuit pattern. The pattern is screen printed onto a substrate, dried and fired. The process is started with a suitable substrate that can withstand the temperatures required to sinter or "fire" the inks, for example a substrate made of 96% alumina. Thick film inks are then screen printed onto the substrate. Different inks are of course available for different applications. For example, certain conductive inks can be used to form conductive gold traces. A conductive ink containing palladium/gold can be used for solder pads. An ink with a higher resistance could be used to form resistors for an electronic circuit or perhaps for a resistive heater. A non-conductive or dielectric ink can be used to print a protective coating on a previously formed circuit or a barrier layer between two circuit layers. Such inks are essentially made up of three main components, namely a binder (called a "frit"), a vehicle and a functional component. Once the ink has been screen printed onto the substrate, the substrate is passed through a dryer in which a temperature of, for example, about 150ºC is reached in order to evaporate all solvents. In the next step, the printed and dried substrate is fired. The part is subjected to a specific temperature profile, whereby it is brought to and maintained at a temperature at which all organic substances are burned out, at which for example, 500ºC. Then the part is subjected to a temperature at which the actual firing takes place, for example 850ºC. At 850ºC, the functional component sinters into a layer of functional material. The frit also sinters and partially diffuses into the substrate, which is a means of bonding the functional component to the substrate. Finally, the temperature is lowered. Further layers can be arranged one above the other and subjected to the same processing steps.

Gemäß Fig. 5 wird die Ebene 26 des keramischen Substrats 26 am Rand mit der Randdruckschicht 28, beispielsweise einer Golddickschicht, versehen. Dann wird eine Übereckschicht 30 aufgebracht, und zwar mit einem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise einer Golddickschicht. Mittels Fodel-Technik wird eine Schaltungsschicht 32 mit dünnen Linien gebildet. Diese Schicht stellt eine Leitbahn zwischen den Ladungstreiberchips 34 und den Aufladeelektroden auf dem Randdruck 28 zur Verfügung. Dann wird eine Erdungsschaltung 36 aufgebracht, um eine elektrische Erdungsbahn zwischen dem Anschluß 38 und den Treiberchips 34 bereitzustellen. Diese beiden getrennten Schichten werden dann mit einer dielektrischen Schicht 40 beschichtet, die auf den mit Muster versehenen Oberflächen sintert und eine elektrisch gut isolierende Beschichtung ergibt. Die Steuerschaltungsschicht 42 stellt Bahnen für Energie-, Steuer- und Datensignale zwischen dem Anschluß 38 und den Treiberchips 34 zur Verfügung.Referring to Figure 5, the plane 26 of the ceramic substrate 26 is edge-coated with the edge print layer 28, such as a gold thick film. Then, an over-corner layer 30 is deposited using any suitable material, such as a gold thick film. A thin-line circuit layer 32 is formed using the Fodel technique. This layer provides a conductive path between the charge driver chips 34 and the charging electrodes on the edge print 28. Then, a ground circuit 36 is deposited to provide an electrical ground path between the terminal 38 and the driver chips 34. These two separate layers are then coated with a dielectric layer 40 which sinters onto the patterned surfaces to provide a highly electrically insulating coating. The control circuit layer 42 provides paths for power, control and data signals between the port 38 and the driver chips 34.

Fig. 6 zeigt in einem Blockdiagramm den Funktionszusammenhang zwischen den verschiedenen Schichten auf der Ladungsplatte und den Anschluß an Elektronik außerhalb der Ladungsplatte. Nach Fig. 6 sind die Energieversorgungs-, die Steuer- und die Datenleitbahn 44 bzw. 46 bzw. 48 über den Anschluß 38 mit der Energieversorgung 50 bzw. der Drucksteuerung 52 bzw. dem Druckdatengenerator 54 verbunden.Fig. 6 shows in a block diagram the functional relationship between the various layers on the charge plate and the connection to electronics outside the charge plate. According to Fig. 6, the energy supply, control and data conductors 44 or 46 or 48 are connected via the connection 38 to the energy supply 50 or the print control 52 or the print data generator 54.

Gemäß Fig. 5 wird eine zweite dielektrische Beschichtung 56 aufgebracht, um die Steuerschaltung zu schützen und eine zweite Beschichtung über der Feinschaltung 32 bzw. der Schaltung 32 mit feinen Leitungen zu erhalten. Es ist wichtig, daß die dielektrische Beschichtung im Bereich der Feinschaltung keine Lücken aufweist. Anderenfalls kann die für den Tintenstrahldruck verwendete leitfähige Tinte Leitwege zwischen benachbarten Leitbahnen herstellen und einen Kurzschluß auslösen, der zum Versagen des Bauelements führen kann.As shown in Figure 5, a second dielectric coating 56 is applied to protect the control circuit and to provide a second coating over the fine circuit or fine line circuit 32. It is important that the dielectric coating be free of gaps in the fine circuit area. Otherwise, the conductive ink used for inkjet printing can create conductive paths between adjacent conductive lines and cause a short circuit that can lead to device failure.

Gemäß Fig. 5 und 6 sind die Treiberchips 34 Siliciumelemente, die Logikpegeldaten seriell annehmen, die Signale speichern und parallel ausgeben, jedoch bei einem wesentlich höheren Spannungspotential. Die Logikpegel sind typischerweise 0 und 12 Volt DC. Die Ausgangsspannungen können zwischen 60 und 180 Volt DC liegen. Die Eingangskanäle der Treiberchips 34 sind in geeigneter Weise, z. B. durch Golddraht-Nagelkopfkontaktierung, mit der Erdungsebene 36 und der Steuerschaltung 42 verbunden. Die Ausgangskanäle der Treiberchips 34 sind ebenfalls in geeigneter Weise, beispielsweise durch Golddraht-Nagelkopfkontaktierung, mit der Feinschaltung 32 verbunden. Zur Abdeckung der Chips und der Drahtkontaktierungen wird ein Epoxid oder ein anderes geeignetes Material verwendet, um die Chips und die Drahtkontaktierungen vor den Umgebungsbedingungen zu schützen.5 and 6, the driver chips 34 are silicon devices that accept logic level data serially, store the signals and output them in parallel, but at a much higher voltage potential. The logic levels are typically 0 and 12 volts DC. The output voltages can be between 60 and 180 volts DC. The input channels of the driver chips 34 are connected to the ground plane 36 and the control circuit 42 in a suitable manner, such as by gold wire nailhead bonding. The output channels of the driver chips 34 are also connected to the fine circuit 32 in a suitable manner, such as by gold wire nailhead bonding. An epoxy or other suitable material is used to cover the chips and the wire bonds to protect the chips and the wire bonds from the environmental conditions.

Weiterhin bezugnehmend auf Fig. 5 und 6 wird das Anschlußelement 38 mittels gängiger Oberflächenmontagelöttechniken angebracht. Eine lötbare Metallschicht ergibt Anschlußflecken, an denen das Anschlußelement angelötet wird, und kleine Löcher auf der Rückseite werden durchkontaktiert, um Leitbahnen von der Oberseite zur Unterseite zu schaffen. Damit erhält man einen Stromweg von der Oberseite zur Unterseite der Ladungsplatte und zu einer Widerstandsheizung für die Ladungsplatte. Die Widerstandsheizung für die Ladungsplatte, die aus der Widerstandsschicht 58 und der Heizschaltungsschicht 60 besteht, wird ebenfalls mittels Dickschichttechnik in die Unterseite integriert. Die Heizschaltung 60 wird mittels lötbarer Tinte (solderable ink) aufgebracht und ergibt die Leitbahn zwischen den Durchkontaktierungen und der Heizschicht 58. Die Heizschicht 58 wird dann mittels Widerstandstinten aufgebracht. Form und Dicke dieser Schicht bestimmen den gewünschten Widerstand.Still referring to Figures 5 and 6, the connector 38 is attached using standard surface mount soldering techniques. A solderable metal layer provides pads to which the connector is soldered, and small holes on the back are plated through to create conductive paths from the top to the bottom. This provides a current path from the top to the bottom of the charge plate and to a resistive heater for the charge plate. The resistive heater for the charge plate, consisting of the resistive layer 58 and the heater circuit layer 60, is also integrated into the bottom using thick film technology. The heater circuit 60 is applied using solderable ink and provides the conductive path between the vias and the heater layer 58. The heater layer 58 is then applied using resistive inks. The shape and thickness of this layer determines the desired resistance.

Die Feinschaltungsschicht 32 auf der Oberseite stellt die Leitbahn zwischen dem Übereckmuster und dem Ausgang des Treiberchips dar. Diese Schicht enthält Anschlußflecken, die für die Drahtkontaktierung verwendet werden. Die Erdungsschaltungsschicht 36 stellt eine Leitbahn für die Erdungssignale zwischen den Treiberchips und einem Oberflächenanschlußglied bereit. Die mit Muster versehene Oberseite wird mit der dielektrischen Schicht 40 versehen, die auf der mit Muster versehenen Oberseite sintert und damit eine gute dielektrische Beschichtung ergibt. Die Steuerschaltungsschicht 42 stellt einen Leitweg zwischen dem Verbindungsglied und den Treiberchips bereit, bevor die zweite dielektrische Schicht 56 aufgebracht wird. Die als Schicht 34 bezeichneten Ladungstreiberbauelemente und das an der Oberfläche montierte Anschlußelement 38 stellen eine Verbindung zwischen der Steuerschaltung und der Datenquelle bereit. Eine Widerstandsheizung für die Ladungsplatte, bestehend aus der Widerstandsschicht 58 und der Heizschaltungsschicht 60, ist in die Unterseite der Ladungsplatte integriert, die in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 62 bezeichnet ist.The top surface fine circuit layer 32 provides the conductive path between the corner pattern and the output of the driver chip. This layer contains pads used for wire bonding. The ground circuit layer 36 provides a conductive path for the ground signals between the driver chips and a surface mount connector. The patterned top surface is coated with the dielectric layer 40, which sinters onto the patterned top surface to provide a good dielectric coating. The control circuit layer 42 provides a conductive path between the connector and the driver chips before the second dielectric layer 56 is deposited. The charge driver devices, referred to as layer 34, and the surface mount connector 38 provide a connection between the control circuit and the data source. A resistive heater for the Charge plate, consisting of the resistance layer 58 and the heating circuit layer 60, is integrated into the underside of the charge plate, which is designated by the reference numeral 62 in Fig. 6.

Die erfindungsgemäß getrennte Musterbildung auf der Oberseite und der Vorderseite ermöglicht mehr Flexibilität bei der Herstellung dadurch, daß verschiedene Materialien verwendet werden können. Der Fachmann weiß, daß eine Änderung des Materials der Ladungsflächen die elektrischen Eigenschaften ändert. Bei der vorliegenden Erfindung können verschiedene Materialien gewählt werden, um die Gesamtheit der gewünschten elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften zu erzielen.The separate patterning of the top and front sides according to the invention allows for more flexibility in manufacturing by allowing different materials to be used. Those skilled in the art will know that changing the material of the charge surfaces will change the electrical properties. In the present invention, different materials can be selected to achieve the totality of the desired electrical and electrochemical properties.

Commercial applicability and benefits

Die Erfindung ist für den Tintenstrahldruck geeignet und hat den Vorteil, daß sie die unmittelbare Herstellung einer Ladungsfläche ermöglicht. Dies hat den Vorteil, daß die Ladungsplattenherstellung vereinfacht wird. Sobald die Übereckschaltung fertig ist, kann die Musterbildung auf der Oberseite der Ladungsplatte durch unterschiedliche Techniken, beispielsweise die Dickschichttechnik (ätzbar), die herkömmliche Dünnschichttechnik, eine Kombination von Dickschicht- und Dünnschichttechnik und photobelichtbare Dickschichttechniken, erfolgen. Die Integration von Treiberchips hat den Vorteil, daß der Platzbedarf für die Verknüpfungen reduziert wird.The invention is suitable for inkjet printing and has the advantage that it enables the immediate production of a charge surface. This has the advantage that the charge plate production is simplified. Once the corner circuit is ready, the pattern formation on the top of the charge plate can be carried out by different techniques, for example the thick film technique (etchable), the conventional thin film technique, a combination of thick film and thin film technique and photo-exposed thick film techniques. The integration of driver chips has the advantage that the space required for the connections is reduced.

Nach ausführlicher Beschreibung der Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform liegt es auf der Hand, daß im Rahmen des mit den Ansprüchen definierten Schutzumfangs Abwandlungsmöglichkeiten gegeben sind.After a detailed description of the invention using a preferred embodiment, it is obvious that modifications are possible within the scope of protection defined in the claims.

Claims

1. A method of manufacturing a charge plate for an inkjet printer, which includes the following steps:

a. Providing a ceramic charge plate substrate having an edge, a top and a bottom,

b. printing on the edge of the ceramic charge plate substrate to form a charge surface on the edge of the ceramic charge plate substrate,

c. completing a conductive path from the charge surface to the top surface of the ceramic charge plate substrate to create a charge plate,

d. Providing charge drivers on the upper surface of the charge plate,

e. applying a pattern to the top of the charge plate to enable electrical connection from the charge drivers to the charge plate, and

f. Coating the patterned upper surface with a dielectric material.

2. A method of manufacturing a charge plate according to claim 1, further comprising the step of completing a conductive path from the upper surface via conductive connections to the lower surface.

3. A method of making a charge plate according to claim 1, further comprising the step of applying a pattern to the lower surface to enable resistive heating for the capture device.

4. A method of manufacturing a charge plate according to claim 1, further comprising the step of providing a connection device for control signals.

5. A method of manufacturing a charge plate according to claim 4, further comprising the step of providing a routing path from the charge drivers to the interconnect device.

6. A method of manufacturing a charge plate according to claim 1, further comprising the step of providing electrical connections from the charge plate to the charge drivers by gold wire nailhead bonding.

7. A method of manufacturing a charge plate according to claim 1, wherein the ceramic charge plate substrate contains 96% alumina.

8. A method of manufacturing a charge plate according to claim 1, further comprising the step of forming electrodes on an etchable substrate associated with the ceramic charge plate substrate.

9. A method of manufacturing a charge plate according to claim 1 further comprising the step of forming a chamfer to separate the edge and the bottom surface from each other.

10. A method of manufacturing a charge plate according to claim 9, wherein the chamfer includes a non-conductive surface.