專利名稱：流體噴出盒和方法
流體噴出盒和方法
背景技術(shù)：
本公開一般涉及流體噴出裝置，在本文中也稱為“流體噴射”裝置，諸如噴墨盒等。 流體噴射裝置通常包括結(jié)合到盒主體的硅管芯。該管芯可以包括半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯 底包括噴嘴陣列和用于控制噴嘴的電路。噴嘴響應(yīng)于從控制器系統(tǒng)發(fā)送的命令將流體的單 獨(dú)微滴噴出到襯底上。對(duì)于彩色打印，例如，流體噴射盒可以包括每個(gè)噴出不同顏色的墨的 多個(gè)管芯?？蛇x地，單個(gè)管芯可以包括多排噴嘴，每排噴嘴噴出不同顏色的墨。類似地，流 體噴射盒可以包括處于固定位置的多個(gè)管芯以便在單遍中覆蓋整個(gè)頁面寬度。為了減小具有多排噴嘴的流體噴射管芯的寬度，可能期望將成排的噴嘴更緊密地 放置在一起。部分地從成本觀點(diǎn)出發(fā)，減小流體噴射管芯的寬度是期望的。高質(zhì)量硅半導(dǎo) 體晶片是昂貴的。在管芯較窄的情況下，可以在單個(gè)硅晶片上制造較多數(shù)目的管芯。為此， 已經(jīng)研發(fā)了噴嘴排處于較緊密的間距或節(jié)距(Pitch)的流體噴射管芯。該管芯包括與噴嘴 排連通的流體通路或槽。盒主體還包括與管芯的通路連通的流體通路或通道，以向其遞送 流體。在噴嘴排更緊密靠攏的情況下，管芯中的流體通路也將更緊密靠攏，這將要求盒主體 中的通道更緊密靠攏。隨著管芯寬度的減小，出現(xiàn)某些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)之一涉及管芯到盒主體的附 接方法。盒主體常常是聚合物材料的，而盒管芯可以是高質(zhì)量電子級(jí)硅。通常用有機(jī)粘合 劑來進(jìn)行硅管芯到聚合物盒主體的附接。然而，盒主體中的流體通道的非常小的間距可能 導(dǎo)致粘合劑被擠入流體通道中。此粘合劑可能堵塞通道，并導(dǎo)致盒的性能差或故障。


通過結(jié)合附圖進(jìn)行的以下詳細(xì)說明，本公開的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見， 附圖一起作為示例示出了本公開的特征，并且在附圖中圖IA是在管芯與盒主體之間具有等離子體結(jié)合的硅中介層(interposer)的盒的 一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖；圖IB是圖IA的實(shí)施例的分解橫截面圖；圖2是具有細(xì)長流體槽的硅中介層的一個(gè)實(shí)施例的平面圖；圖3是圖2的硅中介層的局部橫截面透視圖；圖4是具有用激光器切割的有角通道的硅中介層的一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖；圖5是具有用鋸切割的有角通道的硅中介層的一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖；圖6A是在成扇形展開的流體通路形成之前的硅中介層襯底的一個(gè)實(shí)施例的局部 橫截面圖；圖6B是初始激光和濕法蝕刻之后的圖6A的硅中介層的局部橫截面圖；圖6C是在流體通路的最后蝕刻之后的圖6B的硅中介層的局部橫截面圖；圖7是具有被設(shè)計(jì)為與盒主體的流體通道對(duì)準(zhǔn)的蝕刻孔的硅中介層的一個(gè)實(shí)施 例的頂面的平面圖；圖8是圖7的硅中介層的底面的反射平面圖，示出被設(shè)計(jì)為與流體噴射管芯的流體通道對(duì)準(zhǔn)并連通的較小底部開口 ；圖9A B是附接到流體噴射管芯和盒主體的圖7和8的硅中介層的橫截面圖；圖10是具有多個(gè)流體噴射管芯的頁面寬度陣列流體噴射盒的另一實(shí)施例的透視 圖，每個(gè)管芯附接到唯一的硅中介層；圖11是具有多個(gè)流體噴射管芯的頁面寬度陣列流體噴射盒的一個(gè)實(shí)施例的透視 圖，其中所有管芯被附接到公共硅中介層；圖12是具有附接在流體噴射管芯與盒主體之間的硅中介層的掃描型流體噴射盒 的實(shí)施例的透視圖；圖13是流體噴射管芯附接在其下面的硅中介層的實(shí)施例的俯視平面圖，中介層 具有超過流體噴射管芯通道的末端的流體通道；圖14是圖13的硅中介層和流體噴射管芯的橫截面圖，示出了超出的流體通道；圖15是示出圖13的實(shí)施例中的中介層流體通道容積與流體噴射管芯流體通道容 積之間的幾何關(guān)系的倒轉(zhuǎn)透視圖；圖16是對(duì)于具有硅中介層的流體噴射盒組件和其中將管芯粘附地結(jié)合到塑料中 介層的流體噴射盒組件而言比較隨時(shí)間推移的溫度變化的圖表；以及圖17是概述用于制造具有硅中介層的流體噴射盒的方法的一個(gè)實(shí)施例中涉及的 步驟的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將對(duì)附圖所示的示例性實(shí)施例進(jìn)行參考，并且在本文中將使用特定語言來對(duì) 其進(jìn)行描述。然而，應(yīng)理解的是并不因此意圖限制本公開的范圍。將相關(guān)領(lǐng)域的擁有本公 開內(nèi)容的技術(shù)人員將想到的本文舉例說明的特征的變更和其它修改及本文舉例說明的原 理的附加應(yīng)用視為在本公開的范圍內(nèi)。如上所述，正在制造的流體噴射盒的噴嘴陣列之間具有越來越小的間距并因此服 務(wù)于噴嘴陣列的流體噴射管芯中的流體通道和通路之間具有越來越小的間距或節(jié)距。本文 所使用的術(shù)語“槽節(jié)距”和“間距”可互換地用來指代諸如盒主體或流體噴射管芯等主體中 的相鄰流體通路(例如細(xì)長通道)或通路組(例如通常布置成線并與公共流體源連通的開 口組)之間的中心到中心間距。當(dāng)用粘合劑將流體噴射管芯附接于盒主體時(shí)，流體通道之 間的較小節(jié)距可能造成某些困難。盒主體中的流體通道的非常小的節(jié)距可能在將管芯附接 于盒主體時(shí)導(dǎo)致粘合劑被擠入流體通道中。特別地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)粘合劑結(jié)合對(duì)于小于約 800微米的槽節(jié)距不能很好地起作用。較小的槽節(jié)距往往導(dǎo)致粘合劑被擠入流體通道，并可 能堵塞通道，并且導(dǎo)致盒的性能差或故障。有利的是，本發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)造出一種流體噴射盒配置，其允許將具有非常緊密間 隔開的流體通道的流體噴射管芯附接于具有寬得多的流體通道間距的盒主體，并且其避免 了與將硅管芯粘合劑結(jié)合到聚合物盒主體相關(guān)的某些不期望問題。本文所使用的術(shù)語“流 體”意圖指的是任何種類的液體，諸如墨、食品、化學(xué)制品、藥物化合物、燃料等。術(shù)語“流體 噴射”意圖指的是任何按需噴射流體噴出系統(tǒng)。圖IA B所示的是根據(jù)本公開配置的流體 噴射盒的一個(gè)實(shí)施例的局部橫截面圖。在圖1中以組裝方式且在圖IB中以分解方式示出 該盒。
此盒10通常包括具有處于第一槽節(jié)距S (其為中心到中心測(cè)量的)的流體通路或 通道14的盒主體12、和具有處于第二較小槽節(jié)距d的流體通路或通道18的管芯16。硅中 介層20被設(shè)置在管芯與盒主體之間，并包括將流體噴射管芯的緊密間隔的流體通道18與 盒主體的更寬間隔的通道14互連的多個(gè)扇形展開通路22。硅中介層使得能夠使用具有非 常小的槽節(jié)距的流體噴射管芯，而不需要盒主體中的相同的小槽節(jié)距。流體噴射管芯的槽 節(jié)距d可以在約400微米至約1000微米范圍內(nèi)變化，而盒主體中的槽節(jié)距通常約為1000 微米或以上。應(yīng)認(rèn)識(shí)到流體噴射管芯16中的流體開口 18的節(jié)距d與盒主體12中的流體開口 14 的節(jié)距S之間的差將是中介層20的厚度T和中介層中的流體通路22的角α的函數(shù)。對(duì) 于給定角度，較厚的中介層將提供較大的相對(duì)間距跳躍。同樣地，對(duì)于給定的中介層厚度， 較陡的角度(從垂線測(cè)量的)將提供較大的間距差。硅中介層的厚度可以變化。本發(fā)明人 相信可以依照本文概述的原理來配置具有從約500微米至約2000微米的厚度的硅中介層。 然而，還可以使用具有在此范圍之外的厚度的中介層。某些常用的硅制造工具可以與具有 高達(dá)約1000微米的厚度的襯底一起使用，但更厚的襯底可以與其它適當(dāng)?shù)墓ぞ咭黄鹗褂谩?使用具有1000微米的厚度的硅中介層，并且中介層中流體通路的最大角為45°，從約1000 微米至約400微米的槽節(jié)距減小是可能的。因此，硅中介層實(shí)現(xiàn)了流體噴射管芯中的更急 劇的槽節(jié)距減小，并且因此允許在給定盒主體尺寸的情況下使用較小的管芯。較小的流體 噴射管芯可以提供用于制造盒的成本節(jié)省，這在某些情況下可能相當(dāng)顯著，對(duì)于在單個(gè)打 印桿上具有若干流體噴射管芯的頁面寬度的打印陣列而言尤其如此。由于制造和出售更大 量的掃描型打印頭，所以成本節(jié)省對(duì)于此類打印頭而言也很顯著。由 于盒主體中的槽和中介層的相鄰側(cè)上的對(duì)應(yīng)槽的較大節(jié)距，可以將硅中介層在 一側(cè)粘附地結(jié)合到盒主體，從而避免了粘合劑被擠入流體通路的可能性。由于中介層和流 體噴射管芯是相同類型的材料(硅)，所以可以將這兩個(gè)結(jié)構(gòu)等離子體結(jié)合在一起，而不需 要粘合劑或任何其它物質(zhì)來形成強(qiáng)結(jié)合。等離子體結(jié)合是有效的，因?yàn)楣柚薪閷雍凸枇黧w 噴射管芯在其表面上具有原生氧化硅層。 在等離子體結(jié)合之前，期望的是對(duì)硅表面進(jìn)行拋光以降低其表面粗糙度。這可以 使用在本領(lǐng)域中眾所周知的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝來實(shí)現(xiàn)?？梢栽谌糠止に囍型瓿蛇@ 兩個(gè)硅襯底的等離子體結(jié)合。首先，可以使原生氧化硅表面暴露于氮等離子體，其激活該氧 化層_亦即，通過除去氧原子在氧化硅的表面上的分子中產(chǎn)生活性Si+結(jié)合部位。然后可 以將激活的表面暴露于水等離子體，其對(duì)Si+部位進(jìn)行水解以在表面上生成硅醇(SiOH)。 在第三步驟中，可以通過暴露于氧等離子體來清潔該表面。應(yīng)理解的是這僅僅是可以用來 對(duì)硅晶片進(jìn)行等離子體處理和結(jié)合的工藝的一個(gè)示例。可以使用其它工藝來實(shí)現(xiàn)類似的結(jié) 果。例如，可以用氬等離子體而不是氮來處理晶片，然后將其以物理方式浸入水中以進(jìn)行水 合作用。還可以使用其它變型。在等離子體處理步驟之后，當(dāng)將經(jīng)處理表面放在一起時(shí)，這些表面由于范德華力 而自然地相互粘附。隨著時(shí)間的推移，并且取決于溫度，這些相對(duì)弱的范德華力隨著硅醇物 類(species)之間發(fā)生以下反應(yīng)而被強(qiáng)的共價(jià)鍵取代SiOH+SiOH — Si OSi+H2O (1)為了加速此反應(yīng)，等離子體處理步驟后面可以是退火步驟，其中，在爐中對(duì)附接的硅襯底加熱一段時(shí)間。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到精確的退火溫度和時(shí)間可以變化，在溫 度較低的情況下涉及較長的時(shí)間，反之亦然。在一個(gè)實(shí)施例中，退火過程涉及將結(jié)合的管芯 組件加熱至約120°C達(dá)2小時(shí)，但是用于退火的精確工藝條件可以改變，并且可以通過實(shí)驗(yàn) 來確定。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到可以用時(shí)間和溫度的不同組合來實(shí)現(xiàn)退火。作為此等 離子體處理和退火過程的結(jié)果，在不需要粘合劑的情況下在分子水平形成非常強(qiáng)的鍵。事 實(shí)上，認(rèn)為兩個(gè)硅層之間的等離子體激活的鍵比硅與玻璃之間的等離子體激活的鍵更強(qiáng)。 等離子體結(jié)合的使用避免粘合劑在槽間距小的情況下擠入流體通路的問題。除允許等離子體結(jié)合之外，將硅用于中介層還具有其它優(yōu)點(diǎn)。例如，可以容易地用 許多方法(例如，通過鋸切、干法蝕刻、激光蝕刻)對(duì)硅進(jìn)行機(jī)械加工，并且硅比某些玻璃材 料顯示出對(duì)某些流體的更好的抵抗力。另外，硅可以節(jié)省成本，因?yàn)橹薪閷硬槐厥请娮蛹?jí) 硅，允許對(duì)中介層使用較低級(jí)的硅。硅還提供下文更詳細(xì)地討論的某些熱益處。在圖2中提供了硅中介層30的一個(gè)實(shí)施例的平面圖。此視圖示出中介層的頂面 32，具有四個(gè)相對(duì)寬地間隔開的細(xì)長流體通道，標(biāo)記為34a d，其被配置為與盒主體(圖2 中未示出)中的流體通道對(duì)準(zhǔn)。除非另外說明，術(shù)語“頂”或“頂部”在本文中用來指代與盒 主體配合的中介層的表面，并且術(shù)語“底”或“底部”用來指代與流體噴射管芯配合的中介 層的表面。類似地，將與中介層配合的管芯的表面稱為流體噴射管芯的“頂部”，并將與中介 層配合的盒主體的表面稱為盒主體的“底部”?？梢詫⒅薪閷拥捻斆嬲掣降亟Y(jié)合到盒主體。 流體通道具有扇形展開的配置，如在圖IA B所示的實(shí)施例中那樣。在圖2的平面圖中， 以虛線示出每個(gè)通道的下開口 36a d，其中，可以看到每個(gè)通道在其朝著中介層的底面移 動(dòng)時(shí)朝向此層的縱向中心成一角度。在圖3中示出此中介層30的局部橫截面圖。在這里，可以看到縱向槽34從中介 層襯底的頂面32延伸到底面38，并具有有角配置，以便槽的節(jié)距在頂面處比在底面處大。 應(yīng)理解的是，雖然在圖中將槽示為具有基本平坦的側(cè)表面和方形末端，但此外觀是為了圖 示的簡單起見。根據(jù)制造方法，槽可以具有不同的形狀和外觀。例如，槽可以具有更圓的末 端形狀，并且可以具有更粗糙或略微不規(guī)則的內(nèi)表面。槽的精確形狀、規(guī)則性、和表面光潔 度可以改變，只要槽能夠以本文所討論的方式將流體從盒主體傳送到流體噴射管芯即可。中介層中的流體槽的形狀、規(guī)則性和表面光潔度部分地取決于制造硅中介層中的 槽的方法?？梢允褂迷S多方法。在圖4和5中示出用于在中介層中產(chǎn)生細(xì)長扇形展開的槽 的兩種方法。圖4所示的是硅中介層襯底50的一個(gè)實(shí)施例的橫截面圖，硅中介層襯底50 具有用來自激光裝置56的光束54切割的有角通道52?？梢酝ㄟ^如所示地使襯底傾斜來 生成該角，或者可以使激光裝置相對(duì)于中介層襯底傾斜。如果晶片在夾持器上以各種角度 傾斜，則可以進(jìn)行槽的激光燒蝕?？梢曰诓鄣钠谕g隔和襯底厚度來選擇適當(dāng)?shù)慕?。?如，在675微米厚的晶片上，載物臺(tái)可以以20、10、0、-10和-20度傾斜以給出具有約117微 米的附加節(jié)距的4個(gè)叉開的槽。應(yīng)理解的是可以選擇其它傾斜角范圍。據(jù)信，可以使用垂 線兩側(cè)的高達(dá)45°的槽角度。如附圖所表示的那樣，可以使槽定位于在總角度范圍上基本 均勻間隔開的不同角度處。因此，如果提供四個(gè)槽并且外槽與垂線的最大角是45°，則每 個(gè)內(nèi)槽將相對(duì)于垂線具有約28. 5°的角以與處于均勻間距的上下槽對(duì)準(zhǔn)?？梢允褂眉t外 線(IR)或紫外線(UV)激光器來進(jìn)行硅襯底的激光燒蝕，并且還可以利用諸如氣體或水等 輔助介質(zhì)來加強(qiáng)開槽。
用于在中介層中生成流體通道的另一種相對(duì)簡單的方法是鋸割一系列的有角通 道。圖5所示的是具有用鋸條64切割的有角通道62的硅中介層襯底60的一個(gè)實(shí)施例的 橫截面圖。可以通過如所示地使襯底傾斜或通過使鋸傾斜來提供期望的角度?？梢杂糜诒?申請(qǐng)的鋸條可在市場(chǎng)上購買到，并且可以薄到40微米，允許產(chǎn)生適當(dāng)?shù)卣牟?。還可以使用其它制造技術(shù)來在硅中介層中產(chǎn)生通道，諸如干法和濕法蝕刻技術(shù)。 例如，可以使用硬掩膜來利用自對(duì)準(zhǔn)特征以產(chǎn)生提供期望角偏差的溝。圖6A所示的是任何 流體通路形成之前的硅中介層襯底70的一個(gè)實(shí)施例的局部橫截面圖。襯底包括在其頂面 74上的硬掩膜72以及在其底面78上的另一硬掩膜76。這些掩膜可以概略標(biāo)出每個(gè)表面 上用于流體通路的相應(yīng)位置。在應(yīng)用硬掩膜72、76之后，然后可以通過各種方法(諸如激光干法和濕法蝕刻) 來蝕刻流體通道。如圖6B所示，可以通過在硅襯底70中激光蝕刻部分深度通道來產(chǎn)生流 體通道的上部分80?？梢酝ㄟ^干法蝕刻或激光蝕刻接著是濕法蝕刻來產(chǎn)生同一流體通道的 下部分82。一旦產(chǎn)生這些初始通道，則接著進(jìn)行濕法蝕刻工藝，其后，側(cè)壁的橫向蝕刻允許 兩個(gè)流體通道會(huì)合。用硬掩膜層來保證自對(duì)準(zhǔn)。在這些步驟完成之后，可以在圖6C中看到 完成的通道84。由于各種蝕刻工藝的性質(zhì)，完成的通道84可能具有表面的某些彎曲和某些起伏。 然而，可以在一定程度上容忍這些種類的輕微幾何不規(guī)則性。由于流體噴射管芯中的氣泡 可能堵塞通路并影響打印質(zhì)量，所以流體噴射打印機(jī)通常包括與流體噴射管芯流體連通的 立管(未示出)。該立管被定位為將氣泡抽離流體噴射管芯。如果將中介層中的流體通道 制造為使得存在從中介層的背面到硅管芯上的溝的背面的基本上暢通無阻的視線(即在 通道中無極度彎曲或起伏)，則在管芯的激發(fā)區(qū)域中產(chǎn)生的氣泡將自然地從管芯向上浮且 可以在立管中被清除。因此可以將中介層設(shè)計(jì)為促進(jìn)打印機(jī)中的良好空氣管理。雖然圖6A C所示的硬掩膜和蝕刻技術(shù)提出某些限制，諸如濕法蝕刻時(shí)間方面 的限制，但其可以用來提供如本文所述的適當(dāng)硅中介層以供使用。根據(jù)濕度深度和硅中介 層的厚度，可以產(chǎn)生在流體噴射管芯與盒主體之間提供流體通道的顯著節(jié)距變化的硅中介 層。硅中介層中的流體通路可以具有其它形狀或配置，諸如孔，而不是細(xì)長槽或通道。 圖7所示的是硅中介層100的另一實(shí)施例的平面圖，示出硅中介層襯底的頂面106中的處 于相對(duì)寬地間隔開的位置處的蝕刻孔104的頂部開口 102。以虛線示出對(duì)應(yīng)流體噴射管芯 108的輪廓及其相對(duì)緊密間隔開的細(xì)長通路110。圖7所示的頂面106是可以粘附地結(jié)合 到盒主體(圖7中未示出)的表面。頂部開口 102被定位為與盒主體中的流體通路對(duì)準(zhǔn)， 并且也相對(duì)寬地間隔開，以便降低粘合劑擠入孔104的可能性。在圖7 9的實(shí)施例中，蝕刻孔104具有錐形配置，在尺寸和位置上從中介層100 的頂面106到底面112逐漸縮減。圖8示出中介層的底面的反射平面圖。底面包括在尺寸 上小于頂部開口 102并與流體噴射管芯108的細(xì)長流體通路110 (以虛線示出)對(duì)準(zhǔn)的底 部開口 114。由于蝕刻孔的幾何形狀，在圖7的頂面視圖中可看見每個(gè)內(nèi)側(cè)孔中的底部開口 的一部分。在圖9A和9B中提供了連接在盒主體116與流體噴射管芯108之間的中介層100 的兩個(gè)橫截面圖。如上文所討論的，盒主體包括相對(duì)寬地間隔開的流體通路118。如上文所
8討論的，盒主體中的通路可以是細(xì)長槽或通道，或者其可以具有其它形狀，諸如孔等。蝕刻 孔104的頂部開口 102與盒主體流體通路對(duì)準(zhǔn)，并朝著中介層的底面112逐漸縮減至與流 體噴射管芯108的流體通路110對(duì)準(zhǔn)的較小底部開口 114。如上文所討論的，可以提供的流 體通路節(jié)距的變化是中介層的厚度和其中的流體通路的角度的函數(shù)。中介層100的頂部開口 102可以是與盒主體116的流體通路118不同的尺寸和形 狀且仍然對(duì)準(zhǔn)。例如，在圖7 9的實(shí)施例中，頂部開口在至少一個(gè)維度上大于盒主體的流 體開口。如圖9A和9B所示，蝕刻孔104的錐形在中介層的頂面中提供相對(duì)大的開口。此 大尺寸幫助中介層與盒主體的對(duì)準(zhǔn)，在制造期間提供對(duì)中介層與盒主體之間的輕微不對(duì)準(zhǔn) 的更大容限。另外，雖然中介層100的頂部孔102示出為與盒主體116的細(xì)長槽118對(duì)準(zhǔn)， 但盒主體可以可替換地配備有基本上與中介層的頂部孔對(duì)準(zhǔn)的離散孔。還可以有相反的情 況盒主體可以包括與中介層中的細(xì)長槽對(duì)準(zhǔn)的離散孔。頂部開口 102的較大尺寸部分地是由于本實(shí)施例的另一特征而引起的。雖然四個(gè) 細(xì)長平行槽110并排地位于管芯108中，但中介層100不具有并排的四個(gè)蝕刻孔104，而是 改為提供如圖7所示的交替孔位置。也就是說，兩個(gè)并排孔104與盒主體和管芯兩者中的 第一和第三流體槽相連，如圖9A所示，并且隨后的兩個(gè)并排孔104與盒主體和管芯的第二 和第四流體槽相連，如圖9B所示。這種交替配置允許相鄰的頂部開口 102之間有相對(duì)大的 橫向間距，這減少了粘合劑擠壓問題，并且還有助于中介層的較大強(qiáng)度。圖7所示的交替孔配置還允許頂部開口 102比其他情況下更大，并且此更大的尺 寸有助于在發(fā)生粘合劑擠壓的情況下減小粘合劑擠壓的潛在副作用。觀看圖9A，如果一小 滴粘合劑120被擠入中介層100與盒主體116之間的界面處的孔104之一中，則頂部開口 的相對(duì)大的尺寸可以使得該粘合劑滴不與盒主體和管芯之間的流體流相干擾。硅中介層的使用還幫助補(bǔ)償流體噴射管芯的可能的易碎性。有時(shí)用來降低流體噴 射管芯及其它半導(dǎo)體器件的制造成本的一種方法是晶片薄化。晶片薄化通常涉及主機(jī)械拋 光步驟和輔助化學(xué)拋光部件，其對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行拋光或磨削以減小其厚度。例如，流體噴 射管芯晶片的晶片薄化可以通過減少激光蝕刻所需的能量和時(shí)間來顯著地降低制造成本， 并且可以減少熱損耗。然而，減小的晶片厚度還可能使得管芯在盒的組裝期間更加易碎并 且受到損壞。通過將硅流體噴射管芯結(jié)合到相對(duì)厚的硅中介層，大大地增加其機(jī)械強(qiáng)度，并 且大大地降低管芯破裂的可能性。在圖17中概述依照本公開的用于制造具有等離子體結(jié)合的硅中介層的流體噴射 盒的方法的一個(gè)實(shí)施例中的過程步驟。此過程從兩個(gè)單獨(dú)的子過程開始，一個(gè)用于流體噴 射管芯(在步驟600處開始)且另一個(gè)用于中介層(在步驟608處開始)。首先參照關(guān)于流 體噴射管芯的步驟，如上文所討論的，首先可以通過背磨來薄化流體噴射晶片(步驟602)， 然后在將被結(jié)合到中介層的一側(cè)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP，步驟604)?？蛇x地，如箭頭603 所指示的，該過程可以直接移動(dòng)到化學(xué)機(jī)械拋光，而沒有晶片薄化。化學(xué)機(jī)械拋光步驟意圖 提供高水平的表面平滑度(例如約0. 4nm的均方根(RMS)粗糙度)。然后可以清潔流體噴 射晶片。存在包括在該方法中的多種清潔步驟，不過為了簡潔起見，圖17的圖中未示出這 些步驟。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到該過程中的期望清潔流體噴射管芯或中介層襯底的那 些點(diǎn)。然后單個(gè)化(singulate)流體噴射管芯(即從包含已被制造在一起的多個(gè)管芯的硅 晶片鋸切，步驟606)，并且然后在管芯級(jí)進(jìn)行清潔以去除任何顆粒或污染物。
參照步驟608，也對(duì)硅中介層晶片的正面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(步驟610)，并且然后 對(duì)此晶片進(jìn)行激光開溝(或蝕刻)(步驟612)以制備如上文所討論的具有槽或孔的多個(gè)中 介層結(jié)構(gòu)陣列，并且然后在晶片級(jí)進(jìn)行清潔。然后用高能等離子體來處理將被等離子體結(jié)合的流體噴射管芯和硅中介層晶片 的表面(步驟614)(例如，如上所述，用Ν2/Η20/02等離子體進(jìn)行三步等離子體處理)。然后 小心地使激活的表面相互對(duì)準(zhǔn)并用在一定量的時(shí)間內(nèi)施加的力使其在結(jié)合器中接觸(步 驟616)。例如，對(duì)于8英寸直徑的晶片而言，已使用施加5分鐘的2000N的力。此步驟產(chǎn)生 具有多個(gè)中介層區(qū)域的相對(duì)大的硅中介層晶片，單獨(dú)的流體噴射管芯被結(jié)合到所述中介層 區(qū)域。然后將結(jié)合的管芯-中介層組件放置在退火爐中，如上文所討論的，在那里在升高的 溫度下對(duì)其進(jìn)行退火(步驟618)達(dá)某個(gè)時(shí)間段。長且窄的管芯的操縱在制造期間確實(shí)引起某些潛在的損壞風(fēng)險(xiǎn)。然而，可以在鋸 切、拾取和放置操作期間在工廠中對(duì)此進(jìn)行管理。另外，本文所公開的硅中介層配置還提供 若干益處。由于中介層與管芯之間的等離子體結(jié)合的硅-硅界面，兩種材料將具有基本上 相同的熱性質(zhì)。因此，避免了由于粘合劑固化和相應(yīng)熱膨脹系數(shù)的不匹配而引起的潛在應(yīng) 力。在退火之后，然后可以單個(gè)化硅中介層晶片(S卩，鋸切成多個(gè)單獨(dú)的中介層/管芯 組件，步驟620)，并再次進(jìn)行清潔以去除任何顆粒或其它污染物。在此過程之后，單獨(dú)的中 介層/管芯組件準(zhǔn)備好諸如用有機(jī)粘合劑附接于盒主體(步驟622)?？梢詫为?dú)的中介層/管芯組件附接到具有各種配置的盒主體。例如，圖10所示 的是具有多個(gè)流體噴射管芯/中介層組件202的頁面寬度陣列流體噴射盒200的一個(gè)實(shí)施 例的在底部看的透視圖，每個(gè)流體噴射管芯/中介層組件202被單獨(dú)地附接到單個(gè)盒主體 204。在頁面寬度陣列的本實(shí)施例中，以上文所討論的方式將每個(gè)流體噴射管芯206等離子 體結(jié)合到分離的硅中介層208，并且然后將中介層/管芯組件202粘附地結(jié)合到塑料打印 桿。硅中介層的使用允許顯著地縮小管芯，這可能對(duì)頁面寬度陣列打印桿是有益的。每個(gè) 硅中介層可以在可以將功能管芯放置并結(jié)合到其上面的正面上具有微加工對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，從而 形成真實(shí)的頁面寬度陣列結(jié)構(gòu)?？梢詫㈩愃朴趫D10所示的頁面寬度陣列打印桿用于一遍或多遍打印。被附接到 單個(gè)打印桿的流體噴射管芯的數(shù)目可以部分地根據(jù)打印桿的寬度和單獨(dú)管芯的尺寸而改 變。例如，某些頁面寬度陣列包括7 11個(gè)管芯，其中具有顯著的管芯_管芯重疊以避免 任何管芯邊緣打印偽像。在另一實(shí)施例中，可以將一個(gè)或多個(gè)中介層/管芯組件附接到掃描型流體噴射盒 的盒主體。例如，圖12所示的是具有附接到(例如，粘附地結(jié)合到)盒主體254的單個(gè)中 介層/管芯組件252的掃描型流體噴射盒250的透視圖。在本實(shí)施例中，以上文所討論的 方式將流體噴射管芯256等離子體結(jié)合到硅中介層258，并然后將中介層的相對(duì)表面粘附 地結(jié)合到塑料盒主體。如同圖10的頁面寬度陣列實(shí)施例一樣，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了顯著的管芯 縮小，改善了熱性能并使得管芯較不易碎，這在制造期間是有利的。除了將多個(gè)分離的中介層/管芯組件附接到單個(gè)盒主體，其它配置也是可能的。 例如，圖11所示的是具有全部附接到公共硅中介層304的多個(gè)流體噴射管芯302的頁面寬 度陣列流體噴射盒300的在底部看的透視圖。在這種情況下，可以以類似于上文概述的方式制造中介層/管芯組件，除了將中介層晶片中的槽或溝的位置修改為對(duì)應(yīng)于成品盒中的 期望管芯放置，并且單獨(dú)的中介層/管芯組件不是相互分離。在圖11的實(shí)施例中，中介層304可以構(gòu)成整個(gè)打印桿。因此，可以用硅(如上文 所討論的，較低的非電子級(jí)硅)制造出整個(gè)打印桿，其中多個(gè)流體噴射管芯302被直接等離 子體結(jié)合到硅中介層(其用作打印桿)。可以將打印桿粘附地結(jié)合到可以是塑料材料的流 體遞送系統(tǒng)306。本文所公開的硅中介層設(shè)計(jì)提供某些附加特征。由于相對(duì)厚的硅中介層，管芯的 總熱質(zhì)量將增加。這允許熱出現(xiàn)并消散的時(shí)間更短暫，并因此導(dǎo)致盒中的較低的溫度。雖 然盒溫度取決于每個(gè)打印作業(yè)的特性，但更好的散熱通常是期望的。對(duì)于類似的打印工作 循環(huán)，增加硅的熱質(zhì)量將降低峰值管芯溫度。熱建模研究表明當(dāng)將硅管芯結(jié)合到硅中介層而不是塑料襯底時(shí)，流體噴射管芯和 流體本身的平均溫度顯著更低。圖16所示的是基于這些研究的圖表，比較在具有被結(jié)合到 流體噴射管芯的硅中介層的流體噴射盒組件中的流體噴射管芯(線400)和流體(線402) 的隨時(shí)間推移的溫度變化，與之相比較的是其中將硅管芯粘附地結(jié)合到塑料中介層的流體 噴射盒組件中的流體噴射管芯(線404)和流體(線406)的溫度。如此圖表所示，與將硅 管芯結(jié)合到塑料中介層相比，在將硅管芯結(jié)合到硅中介層的情況下，流體噴射管芯和流體 本身的平均溫度降低了約5 7°C。另外，硅-硅附接不產(chǎn)生管芯與中介層之間的熱膨脹系 數(shù)的不匹配，這避免了潛在的熱引發(fā)應(yīng)力，并因此還實(shí)現(xiàn)了管芯的顯著縮小。圖16的圖表示出相對(duì)短期的溫度變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到打印作業(yè)的 持續(xù)時(shí)間和工作循環(huán)可以廣泛變化。如通過觀看圖16的圖表可以認(rèn)識(shí)到的那樣，硅中介層 的熱益處可以在幾秒鐘之后減少。然而，對(duì)于短暫或短期的打印作業(yè)，此益處是顯著的，并 且由于流體噴射打印系統(tǒng)頻繁地經(jīng)歷作業(yè)之間的時(shí)間中斷，所以將頻繁地經(jīng)歷短暫狀況。 另外，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)即使在穩(wěn)態(tài)操作中，被結(jié)合到硅中介層的流體噴射管芯的溫度也將 趨向于低于直接結(jié)合到塑料盒主體的相同管芯。還可以將硅中介層的設(shè)計(jì)配置為幫助減少淺區(qū)域條帶，這在噴墨打印中特別值得 注意，但是在其它流體噴射應(yīng)用中也可能是個(gè)問題。淺區(qū)域條帶是由于管芯中的流體槽的 末端比這些槽的中央部分更涼而引起的熱相關(guān)打印缺陷。這可能是硅槽中的不對(duì)稱邊界條 件的后果。隨著管芯打印條片(swath)，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度。然而，在槽的末端處，可能存在所 建立的其中槽末端更涼的熱梯度。在槽的末端比中心區(qū)域涼的情況下，流體滴噴出行為將 是不同的。這導(dǎo)致被人眼感知為較淺的管芯末端處的區(qū)域或條帶。此缺陷在相互緊挨著打 印兩個(gè)槽時(shí)最明顯?？梢杂靡欢〝?shù)目的噴嘴的管芯重疊來隱藏淺區(qū)域條帶。然而，這種方 法分別增加了制造和寫入系統(tǒng)中的成本和復(fù)雜性。淺區(qū)域條帶在用頁面寬度陣列的一遍打 印中尤其是個(gè)問題，因?yàn)閷?duì)于盒的多遍通過而言，不存在對(duì)較淺區(qū)域的補(bǔ)償。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)硅中介層的設(shè)計(jì)能夠通過沿著管芯的長軸產(chǎn)生更均勻的熱分布 來幫助減少淺區(qū)域條帶?？梢詫⒐柚薪閷釉O(shè)計(jì)并微加工成補(bǔ)償管芯設(shè)計(jì)中的各向異性并減 小邊緣處的散熱效應(yīng)。具體而言，可以使中介層中的流體槽縱向地延伸為充分超過流體噴 射管芯的槽的末端，從而將熱梯度進(jìn)一步推出去。在圖13中提供的是流體噴射管芯502附 接在其下面的硅中介層500的實(shí)施例的俯視平面圖。在圖14中提供了附接于盒主體504 的中介層和管芯的縱向橫截面圖，并且在圖15中示出倒轉(zhuǎn)透視圖，其示出中介層流體通道
11容積與流體噴射管芯流體通道容積之間的幾何關(guān)系。流體噴射管芯502包括細(xì)長通道506。為了補(bǔ)償管芯設(shè)計(jì)中的各向異性并減小 管芯通道506的末端處的散熱效應(yīng)，中介層包括超過流體噴射管芯通道的末端的流體通道 508。也就是說，中介層流體通道508包括在其末端處的超出(overrun)區(qū)域510，其允許流 體覆蓋管芯502的末端部分。硅中介層中的此延伸流體槽幫助沿著管芯的激發(fā)(firing) 噴嘴512提供更均勻的溫度分布，這幫助降低淺區(qū)域條帶的強(qiáng)度。由于墨及其它流體可以 具有比硅低的導(dǎo)熱性，所以更多的熱量將由功能硅槽末端中的流體保持，因?yàn)楦嗟牧黧w 與管芯的背面接觸。因此，管芯末端處的液滴重量將更接近于管芯中心處的液滴重量，從而 減小淺區(qū)域條帶效應(yīng)。提供期望熱功能所需的(圖14中所描繪的)超出區(qū)域的長度L可 以改變，并且可以通過實(shí)驗(yàn)和/或熱建模來確定。利用這種配置，沿著條片的高度的溫度分布將變得更均勻，這將產(chǎn)生較低的淺區(qū) 域條帶強(qiáng)度。淺區(qū)域條帶的減少可以幫助促進(jìn)在管芯的長邊上具有結(jié)合焊盤的直列式管芯 設(shè)計(jì)以形成頁面寬度陣列。另外，較低的總硅管芯溫度(如上文相對(duì)于圖16所討論的)也 應(yīng)對(duì)淺區(qū)域條帶具有值得注意的影響，因?yàn)樵诳倻囟冉档偷那闆r下，沿著流體槽的任何溫 度梯度也將不那么極端。雖然按照結(jié)合到硅管芯的硅中介層給出了上文提供的說明，但應(yīng)理解的是可以將 其它材料用于管芯和中介層，并如上文所討論地進(jìn)行等離子體結(jié)合。例如，流體噴射管芯襯 底可以是硅、玻璃或其它材料的。同樣地，中介層可以是玻璃或硅，并且可以有效地等離子 體結(jié)合到玻璃或硅管芯。雖然本文公開的使用等離子體結(jié)合技術(shù)的硅到玻璃的粘附很可能 弱于硅_硅結(jié)合，但這種方法仍是適當(dāng)?shù)摹Ａ硗?，除硅或玻璃之外，中介層可以是其它材?的。例如，中介層可以由陶瓷材料制成，其中硅或氧化硅層被沉積在其表面上。然后，如上 文所討論的，可以將此表面等離子體結(jié)合到硅或玻璃管芯。還應(yīng)理解的是雖然以上討論提及打印，但打印僅僅是本文公開的流體噴射系統(tǒng)的 一種應(yīng)用。如上所述，可以使用本文公開的流體噴出系統(tǒng)將諸如墨、食品、化學(xué)制品、藥物化 合物、燃料等多種流體應(yīng)用于各種類型的襯底，無論是如針對(duì)打印的情況一樣提供可見標(biāo) 記，還是用于其它非打印用途。因此，本公開提供了一種長且窄的流體噴射盒管芯，其被附接于盒主體，硅中介層 被設(shè)置在(例如，聚合物或其它材料的)盒主體與(例如，硅的)盒管芯之間。該硅中介層 被等離子體結(jié)合到硅管芯并包括允許將具有非常小的通道間距的管芯附接于具有較寬間 距的盒主體的扇形展開的通道。等離子體結(jié)合避免了粘合劑在通道節(jié)距小的情況下擠入流 體通道的可能性。還可以操縱中介層中的通道的幾何形狀以幫助降低流體噴射管芯中的熱 梯度。將硅中介層等離子體結(jié)合到流體噴射管芯的方法可以幫助使得能夠縮小管芯，減少 管芯易碎性問題，改善熱性能，幫助減少淺區(qū)域條帶，并可以允許顯著地節(jié)省用于流體噴射 盒的生產(chǎn)成本，特別是對(duì)于在單個(gè)打印主體上包括多個(gè)管芯的頁面寬度陣列而言。應(yīng)理解的是上述裝置說明本文公開的原理的應(yīng)用。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來 說顯而易見的是在不脫離權(quán)利要求所闡述的本公開的原理和構(gòu)思的情況下可以進(jìn)行許多 修改。
權(quán)利要求
一種流體噴出盒，包括主體，其具有處于第一間距的流體通路；管芯，其具有處于第二較緊密間距的流體通路；以及中介層，其在第一表面處被結(jié)合到所述主體并在第二表面處被等離子體結(jié)合到所述管芯，在所述第一與第二表面之間具有流體通路，該通路與所述主體和所述管芯的相應(yīng)通路基本上對(duì)準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，第一間距大于或等于約1000微米，并且第二間距在約 400微米至約1000微米的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述中介層具有在從約500微米至約2000微米的范 圍內(nèi)的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述中介層被粘附地結(jié)合到盒主體。
5.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述中介層的流體通路選自由細(xì)長通道和孔組成的組。
6.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述中介層的流體通路包括具有在第一間距與第二 間距之間延伸的有角取向的細(xì)長通道。
7.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述中介層的流體通路包括具有末端的細(xì)長通道，每 個(gè)通道在位置上基本上對(duì)應(yīng)于管芯中的細(xì)長噴嘴排，每個(gè)通道還包括每個(gè)末端處的超出區(qū) 域，其延伸越過相應(yīng)噴嘴排的末端，由此，通道中的流體定位成覆蓋超過該噴嘴排的末端的 管芯的末端部分。
8.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述中介層的流體通路包括在第一間距與第二間距 之間延伸的有角孔。
9.如權(quán)利要求8所述的盒，其中，所述有角孔在第一表面處具有第一較大開口且在第 二表面處具有第二較小開口，以及具有在其之間通常逐漸縮減的橫截面尺寸。
10.如權(quán)利要求1所述的盒，其中，所述管芯是選自由硅和玻璃組成的組的材料的，并 且所述中介層是選自由硅、玻璃、和涂硅陶瓷組成的組的材料的。
11.一種制造流體噴出盒的方法，包括步驟制造中介層的第一與第二表面之間的流體通路，該流體通路在所述第一表面處具有第 一間距且在所述第二表面處具有第二較緊密間距；將所述中介層的第二表面等離子體結(jié)合到具有基本上處于所述第二較緊密間距的流 體通路的管芯的頂面；以及將所述中介層的第一表面附接到盒主體。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，將中介層等離子體結(jié)合到管芯的步驟還包括使中介層的第二表面和管芯的頂面暴露于等離子體以激活這些表面上的結(jié)合部位；將中介層的第二表面與管芯的頂面壓在一起；以及對(duì)附接的管芯和中介層進(jìn)行退火以強(qiáng)化其之間的結(jié)合。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述中介層和管芯是硅材料的，并且其中，使中 介層的第二表面和管芯的頂面暴露于等離子體的步驟還包括使第二表面和頂面暴露于氮等離子體以激活硅表面上的Si+結(jié)合部位；使第二表面和頂面暴露于水等離子體以在硅表面上生成SiOH物類；以及使第二表面和頂面暴露于氧等離子體以清潔硅表面。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，對(duì)附接的管芯和中介層進(jìn)行退火的步驟包括將 附接的管芯和中介層加熱至約120°C達(dá)約2小時(shí)。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，制造流體通路的步驟包括切割具有末端的細(xì)長 通道，每個(gè)通道在位置上基本上對(duì)應(yīng)于管芯中的細(xì)長噴嘴排，每個(gè)通道還包括在每個(gè)末端 處的超出區(qū)域，其延伸越過相應(yīng)噴嘴排的末端，由此，通道中的流體定位成覆蓋超過該噴嘴 排的末端的管芯的末端部分。
16.一種用于噴出流體的方法，包括步驟引導(dǎo)流體通過處于第一間距的盒通路進(jìn)入中介層的基本對(duì)準(zhǔn)的開口中；引導(dǎo)流體通過中介層通路至中介層的第二表面處的處于第二較緊密間距的出口，所述 第二表面被等離子體結(jié)合到具有基本上處于所述第二較緊密間距的開口的流體噴出管芯 的頂面；以及從所述流體噴出管芯噴出流體。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，引導(dǎo)流體通過盒通路的步驟包括引導(dǎo)流體通過 處于大于或等于約1000微米的第一間距的盒通路，并且引導(dǎo)流體通過中介層通路的步驟 包括引導(dǎo)流體通過中介層通路至處于在約400微米至約1000微米范圍內(nèi)的第二較緊密間 距的出口。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，引導(dǎo)流體通過中介層通路的步驟包括引導(dǎo)流體 通過在第一間距與第二間距之間有角度地延伸的細(xì)長通道。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，引導(dǎo)流體通過中介層通路的步驟包括引導(dǎo)流體 通過在第一間距與第二間距之間延伸的有角孔。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，引導(dǎo)流體通過中介層通路的步驟包括引導(dǎo)流體 進(jìn)入在相對(duì)末端處具有超出區(qū)域的細(xì)長通道，該超出區(qū)域覆蓋超過管芯的噴嘴排末端的管 芯的末端部分。
全文摘要
流體噴射盒包括具有處于第一間距的流體通路的主體、具有處于第二較緊密間距的流體通路的管芯、以及中介層，其在第一表面處被結(jié)合到主體并在第二表面處被等離子體結(jié)合到管芯。該中介層包括在第一與第二表面之間的流體通路，所述流體通路與主體和管芯的相應(yīng)通路基本上對(duì)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)B41J2/14GK101909893SQ200880124428
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2008年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月9日
發(fā)明者A·沙蘭, M·吉里, R·W·西弗, S·鮑米克 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司