具有后侧电连接的喷墨打印头组件 技术领域 本发明涉及打印机并且尤其是喷墨打印机。 本发明主要被开发用于提供改进的打 印头集成电路安装从而便于打印头的维护。
背景技术 申请人先前已经证实， 页宽喷墨打印头可以利用多个打印头集成电路 (“芯片” ) 构造， 所述多个打印头集成电路 (“芯片” ) 沿页面宽度方向端对端相邻接。虽然该打印头 集成电路布置具有许多优点 ( 例如最小化沿进纸方向的打印区域的宽度 )， 但是每个打印 头集成电路仍然必须与其他打印机电子设备相连接， 所述其他打印机电子设备向每个打印 头集成电路供给电力和数据。
迄今， 申请人已经描述如何通过将每个打印头集成电路上的结合垫线焊至柔性 PCB 而将打印头集成电路连接至外部电力 / 数据供给 ( 参见例如 US 7,441,865)。然而， 线 焊部从打印头喷墨面突起并且因此能够对打印维护和打印质量产生有害的效果。
期望的是提供有一种打印头组件， 在所述打印头组件中打印头集成电路与外部电 力 / 数据供给相连接而这些连接不会影响打印维护和 / 或打印质量。
发明内容 因此， 在第一方面提供有一种喷墨打印头组件， 所述喷墨打印头组件包括 ：
供墨歧管 ；
一个或更多个打印头集成电路， 每个打印头集成电路具有包括驱动电路和多个喷 墨喷嘴组件的前侧部、 附接至供墨歧管的后侧部、 以及用于提供后侧部和喷墨喷嘴组件之 间流体连通的至少一个供墨通道 ； 以及
用于向驱动电路供给电力的至少一个连接器膜， 其中连接器膜的连接端部被夹在 供墨歧管的至少一部分和一个或更多个打印头集成电路之间。
根据本发明的喷墨打印头组件有利地提供适宜的装置， 所述适宜的装置用于将打 印头集成电路附接至供墨歧管、 同时将电连接部容纳于打印头。 此外， 打印头的前侧面沿其 整个范围是完全平坦的。
可选地， 连接器膜包括具有多个导电轨道的柔性聚合物膜。
可选地， 连接器膜是载带自动焊 (TAB) 膜。
可选地， 后侧部具有用于容纳连接器膜的凹陷部分。
可选地， 凹陷部分沿每个打印头集成电路的纵向边缘区域被限定。
可选地， 多个硅贯通连接器提供驱动电路和连接器膜的连接端部之间的电连接。
可选地， 每个硅贯通连接器从前侧部朝向后侧部线性延伸。
可选地， 每个硅贯通连接器朝向后侧部变细。
可选地， 每个硅贯通连接器包括铜。
可选地， 每个打印头集成电路包括 ：
硅衬底 ；
包括驱动电路的至少一个 CMOS 层 ； 以及
包括喷墨喷嘴组件的 MEMS 层，
其中 CMOS 层被定位于硅衬底和 MEMS 层之间。
可选地， 每个硅贯通连接器从 MEMS 层中的接触垫片通过 CMOS 层朝向后侧部线性 延伸， 接触垫片与 CMOS 层电连接。
可选地， 打印头组件包括在接触垫片和 CMOS 层之间线性延伸的一个或更多个导 体柱。
可选地， 每个硅贯通连接器与 CMOS 层电绝缘。
可选地， 每个硅贯通连接器具有包括绝缘膜的外侧壁。
可选地， 外侧壁包括在硅贯通连接器的导电芯部和绝缘膜之间的扩散隔层。
可选地， 每个硅贯通连接器通过钎焊与膜的连接端部相连接。
可选地， 膜与多个打印头集成电路一起被结合至供墨歧管。
可选地， 多个打印头集成电路以端对端邻接的布置被定位以提供页宽打印头组 件。 可选地， 打印头的前侧面是平坦的并且无任何线焊连接。
可选地， 前侧面涂覆有疏水的聚合物层 ( 例如 PDMS)。
在第二方面， 提供有一种打印头集成电路， 所述打印头集成电路具有 ：
包括驱动电路和多个喷墨喷嘴组件的前侧部 ；
用于附接至供墨歧管的后侧部 ； 以及
用于提供后侧部和喷墨喷嘴组件之间流体连通的至少一个供墨通道，
其中后侧部具有凹陷部分， 所述凹陷部分用于容纳向驱动电路供给电力的连接器 膜的至少一部分。
可选地， 当后侧部被附接至供墨歧管时， 连接器膜的连接端部被夹在打印头集成 电路和供墨歧管的至少一部分之间。
可选地， 凹陷部分沿打印头集成电路的纵向边缘区域被限定。
可选地， 凹陷部分包括多个集成电路触头， 每个集成电路与驱动电路相连接。
可选地， 连接器膜是载带自动焊 (TAB) 膜， 并且集成电路触头被定位成与 TAB 膜的 相应触头相连接。
可选地， 多个硅贯通连接器从前侧部朝向后侧部线性延伸， 每个硅贯通连接器提 供驱动电路和相对应的集成电路触头之间的电连接。
可选地， 每个集成电路触头由各自的硅贯通连接器的端部限定。
可选地， 后侧部具有沿打印头集成电路纵向延伸的多个供墨通道， 每个供墨通道 限定用于从供墨歧管接收墨的一个或更多个进墨口。可选地， 每个供墨通道想多个前侧入 口供墨。可选地， 每个前侧入口向喷墨喷嘴组件中的一个或更多个供墨。
可选地， 每个供墨通道具有与凹陷部分的深度相对应的深度。
在第三方面， 提供有一种打印头集成电路， 所述打印头集成电路包括 ：
限定前侧部和后侧部的硅衬底 ；
定位于前侧部处的多个喷墨喷嘴组件 ；
用于向喷墨喷嘴组件供给电力的驱动电路 ； 以及
从前侧部朝向后侧部延伸的一个或更多个硅贯通连接器， 硅贯通连接器提供驱动 电路和一个或更多个相对应的集成电路触头之间的电连接，
其中， 集成电路触头被定位成连接至向驱动电路供给电力的后侧安装的连接器 膜。
可选地， 每个集成电路触头由各自硅贯通连接器的端部限定。
在第四方面， 提供有一种制造具有后侧电连接的喷墨打印头组件的方法， 所述方 法包括以下步骤 ：
提供一个或更多个打印头集成电路， 每个打印头集成电路具有包括驱动电路和多 个喷墨喷嘴组件的前侧部、 具有一个或更多个进墨口和凹陷边缘部分的后侧部、 以及延伸 穿过集成电路的一个或更多个连接器， 每个连接器具有连接至驱动电路的头部和在凹陷边 缘部分中的基部 ；
将连接器膜的连接端部定位于打印头集成电路中的至少一个的凹陷边缘部分中， 该连接器膜包括多个导电轨道， 每个导电轨道在连接端部处具有各自的膜触头 ；
将每个膜触头连接至相对应的连接器的基部 ； 并且
将每个打印头集成电路的后侧部与连接器膜一起附接至供墨歧管以便于提供具 有后侧电连接的喷墨打印头组件。
可选地， 附接步骤将连接器膜的连接端部夹在一个或更多个打印头集成电路和供 墨歧管的一部分之间。
可选地， 膜是载带自动焊 (TAB) 膜。
可选地， 连接步骤包括将每个膜触头钎焊至其相对应的连接器的基部。
可选地， 附接步骤利用粘附膜被执行。
可选地， 粘附膜具有限定在其中的多个供墨孔。
可选地， 附接步骤包括将每个打印头集成电路与粘附膜对齐以使得每个供墨孔与 进墨口对齐， 将打印头集成电路结合至粘附膜的一侧， 以及将膜的相反一侧结合至供墨歧 管。
可选地， 在连接步骤， 每个打印头集成电路被连接至各自的连接器膜。
可选地， 在连接步骤， 多个打印头集成电路被连接至相同的连接器膜。
可选地， 多个打印头集成电路以端对端相邻接的布置被附接至供墨歧管以提供页 宽打印头组件。
在第五方面， 提供有一种制造配置成后侧电连接的打印头集成电路的方法， 所述 方法包括以下步骤 ：
提供晶片， 所述晶片包括在晶片前侧部上的多个部分制造的喷嘴组件以及从晶片 的前侧部朝向后侧部延伸的一个或更多个硅贯通连接器 ；
将导电层沉积在晶片的前侧部上并且蚀刻导电层以便于同时形成用于每个喷嘴 组件的致动器以及在每个硅贯通连接器的头部上方的前侧接触垫片， 前侧接触垫片将硅贯 通连接器连接至晶片中的驱动电路 ；
进一步执行 MEMS 工艺步骤以最后形成喷嘴组件、 用于喷嘴组件的供墨通道以及 硅贯通连接器 ； 以及将晶片分成多个单独的打印头集成电路， 每个打印头集成电路被配置成通过硅贯 通连接器和接触垫片与驱动电路进行后侧连接。
可选地， 导电材料从包括以下的组中选择 ： 氮化钛、 氮化钛铝、 钛、 铝、 以及钒铝合 金。
可选地， 致动器从包括以下的组中选择 ： 热泡形成致动器以及热弯曲致动器。
可选地， 进一步的 MEMS 工艺步骤包括将材料沉积至接触垫片上以便于密封或包 封接触垫片。
可选地， 进一步的 MEMS 工艺步骤包括蚀刻晶片的后侧部以便于限定用于每个打 印头集成电路的后侧凹陷部分和供墨通道。
可选地， 供墨通道和后侧凹陷部分具有同样的深度。
可选地， 后侧蚀刻暴露出在后侧凹陷部分中的每个硅贯通连接器的底座， 每个底 座包括集成电路触头。
可选地， 硅贯通连接器沿每个打印头集成电路的纵向边缘区域被定位， 并且后侧 凹陷部分沿纵向边缘区域延伸。
可选地， 集成电路触头被定位成用于与 TAB 膜的相应触头相连接。
可选地， CMOS 层包括驱动电路， 并且喷嘴组件被设置于形成在 CMOS 层上的 MEMS 层中。 可选地， 一个或更多个导体柱在接触垫片和 CMOS 层之间和 / 或在致动器和 CMOS 层之间线性延伸。
可选地， 导体柱在导电层沉积之前形成。
可选地， 导体柱与硅贯通连接器同时形成。
可选地， 导体柱和硅贯通连接器通过将导电材料沉积至预限定的通孔内而形成。
可选地， 导电材料通过化学镀工艺沉积。
可选地， 预限定的通孔中的每一个具有与深度成比例的直径以使得全部通孔通过 沉积被均匀地填充。
可选地， 导电材料是铜。
可选地， 进一步的 MEMS 工艺步骤包括使用疏水的聚合物层涂覆前侧面。
可选地， 疏水的聚合物层包括 PDMS。
可选地， 进一步的 MEMS 工艺步骤包括氧化地移除牺牲材料。
附图说明
本发明的实施例现在将参考下列附图被详细加以描述， 在所述附图中 ： 图 1 为打印头集成电路的正视立体图 ； 图 2 为一对相邻接的打印头集成电路的正视立体图 ； 图 3 为图 1 中所示的打印头集成电路的后视立体图 ； 图 4 为具有底部进墨口的喷墨喷嘴组件的截面立体图 ； 图 5 为具有侧壁进墨口的喷墨喷嘴组件的截面立体图 ； 图 6 为打印头组件的侧面立体图 ； 图 7 为图 6 中所示的打印头组件的下部立体图 ；图 8 为图 6 中所示的打印头组件的分解上部立体图 ； 图 9 为图 6 中所示的打印头组件的分解下部立体图 ； 图 10 为附接至供墨歧管的打印头集成电路的覆盖平面视图 ； 图 11 为图 10 的放大视图 ； 图 12 为喷墨打印机的立体图 ； 图 13 为图 6 中所示的打印头组件的示意性剖视图 ； 图 14 为根据本发明的打印头组件的示意性剖视图 ； 图 15 为根据本发明的可替代的打印头组件的示意性剖视图 ； 图 16 至 24 为制造根据本发明的打印头集成电路的各种阶段后的晶片的示意性剖 图 25 为根据本发明的打印头集成电路的示意性剖视图。视图 ；
具体实施方式
向打印头集成电路 (IC) 供墨
迄今， 申请人已经描述打印头集成电路 ( 或 “芯片” )100， 所述打印头集成电路 ( 或 “芯片” )100 可以以端对端邻接的布置联结在一起以确定页宽打印头。图 1 以立体图示出 打印头 IC 100 的一部分的前侧面， 同时图 2 示出邻接在一起的一对打印头 IC。
每个打印头 IC 100 包括成行布置的数千个喷嘴 102。如图 1 和 2 中所示， 打印头 IC 100 被配置成接收并打印五种不同颜色的墨 ( 例如 CMYK 以及 IR( 红外的 ) ； CCMMY ； 或 CMYKK)。打印头 IC 100 的每个颜色通道 104 包括成对的喷嘴行， 该对中的一行打印偶数点 并且该对中的另一行打印奇数点。来自每个颜色通道 104 的喷嘴在进纸方向上被竖直地对 齐以执行高分辨率 ( 例如 1600 dpi) 的点对点打印。在单行上的两个相邻的喷嘴 102 之间 的水平距离 (“间距” ) 大约为 32 微米， 同时在喷嘴行之间的竖直距离基于喷嘴的喷射顺 序； 然而， 行通常被精确数目的点线 ( 例如 10 点线 ) 分开。喷嘴行的布置以及喷嘴的喷射 的更详细的描述能够见于美国专利 No.7,438,371， 所述专利的内容通过参引的方式并入本 文。
一个单独的打印头 IC 100 的长度通常大约为 20 至 22 毫米。因此， 为打印 A4/US 信封尺寸的页， 11 或 12 个单独的打印头 IC 100 被连续地联结在一起。单独的打印头 IC 100 的数目可以改变以适应其他宽度的纸张。例如， 4″照片打印机通常采用 5 个被联结在 一起的打印头 IC。
打印头 IC 100 可以通过各种方式被联结在一起。图 2 中示出用于联结 IC 100 的 一个特殊的方式。在该布置中， IC 100 在其端部处被成形为联结在一起并形成水平的 IC 线， 在邻近的 IC 之间没有竖直的偏移。 具有基本上 45°角度的倾斜的连结件 106 被设在打 印头 IC 之间。连结边缘具有锯齿形轮廓以便于定位相邻接的打印头 IC。
从图 1 和 2 中显而易见的是， 每一行的最左边的送墨喷嘴 102 以 10 线的间距下降 (dropped) 并且布置为三角形配置 107。该布置横跨连结件 106 保持喷嘴的间距以确保墨 滴沿打印区域持续地输送。该布置还确保更多的硅设在每个打印头 IC 100 的边缘处以确 保邻接的 IC 之间充分的联结。包含在每个下降行中的喷嘴必须在不同时间被喷射以确保 在相对应的行中的喷嘴喷射至页面上的同一线上。在通过打印头控制器 (“SoPEC” ) 设备执行喷嘴的运行控制时， 校正下降的喷嘴行可以通过打印头中的 CMOS 电路来执行， 或者可 以在打印头和 SoPEC 设备之间共享。下降的喷嘴布置及其控制的全面描述包含在美国专利 No.7,275,805 中， 所述专利的内容通过参引的方式并入本文。
现在参考图 3， 其示出打印头集成电路 100 的相对的后侧面。供墨通道 110 被限 定在打印头 IC 100 的后侧部， 所述供墨通道 110 沿打印头 IC 的长度纵向延伸。这些纵向 的供墨通道 110 与喷嘴入口 112 相遇， 所述喷嘴入口 112 与前侧部中的喷嘴 102 流体连通。 图 4 示出打印头 IC 的一部分， 其中喷嘴入口 112 将墨直接进给到喷嘴腔内。图 5 示出可替 代的打印头 IC 的一部分， 其中喷嘴入口 112 将墨进给到沿着每一个喷嘴腔行纵向延伸的墨 导管 114 内。在该替代的布置中， 喷嘴腔经由侧壁进口从与其相邻的本发明的墨导管周围 接收墨。
返回图 3， 纵向延伸的供墨通道 110 被硅桥或壁 116 分割成段。这些壁 116 为打印 头 IC 100 提供沿着相对于纵向通道 110 的横向方向的额外机械强度。
墨通过呈两部分 LCP 成型形式的供墨歧管供给至每个打印头 IC100 的后侧部。参 考图 6 至 9， 其示出包括打印头 IC 100 的打印头组件 130， 所述打印头 IC 100 通过粘附膜 120 被附接至供墨歧管。 供墨歧管包括主 LCP 模制件 122 以及密封到其下侧部的 LCP 通道模制件 124。打 印头 IC 100 通过粘附 IC 附接膜 120 被结合至通道模制件 124 的下侧部。LCP 通道模制件 124 的上侧部包括 LCP 主通道 126， 所述 LCP 主通道 126 与主 LCP 模制件 122 中的进墨口 127 和出墨口 128 相连接。进墨口 127 和出墨口 128 与贮墨装置和供墨系统 ( 未示出 ) 流 体连通， 所述供墨系统以预定的流体静压力向打印头供给墨。
主 LCP 模制件 122 具有多个空气腔 129， 所述空气腔 129 与限定在 LCP 通道模制件 124 中的 LCP 主通道 126 连通。空气腔 129 用来使供墨系统中的墨压脉冲减幅。
一系列通向打印头 IC 100 的供墨通路 132 位于每个 LCP 主通道 126 的基部处。 粘 附膜 120 具有一系列激光钻出的供给孔 134 以便于每个打印头 IC 100 的后侧部与供墨通 路 132 流体连通。
现在参考图 10， 供墨通路 132 被布置为五行为一系列。供墨通路 132 的中间行通 过激光钻出的孔 134 将墨直接进给到打印头 IC 100 的后侧部， 同时供墨通路 132 的外部的 行经由微成型通道 135 将墨进给到打印头 IC， 每个微成型通道终止于激光钻出的孔 134 中 的其中一个处。
图 11 更加详细地示出墨如何被进给到打印头 IC 100 的后侧供墨通道 110。限定 在粘附膜 120 中的每个激光钻出的孔 134 与相对应的供墨通道 110 对齐。一般来说， 激光 钻出的孔 134 与通道 110 中的横向壁 116 中的其中一个对齐， 以使得墨被供给至壁 116 的 任一侧上的通道段。该布置减少供墨歧管和打印头 IC 100 之间所需的流体连接的数目。
为帮助正确定位 IC 100， 基准 103A 被设在 IC 100 的表面上 ( 见图 1 和 11)。基 准 103A 采取标记的形式， 所述标记可通过适当的定位装备被容易地识别出以指示 IC 100 相对于相邻 IC 的真实位置。粘附膜 120 具有互补的基准 103B， 所述互补的基准 103B 在打 印头 IC 结合至供墨歧管期间帮助将每个打印头 IC 100 相对于粘附膜对齐。基准 103A 和 103B 被策略性地定位成在 IC 100 的边缘处且沿着粘附 IC 附接膜 120 的长度方向。
向打印头集成电路供给数据和电力
现在返回图 1， 打印头 IC 100 具有沿其纵向边缘中的其中一个延伸的多个结合垫 105。结合垫 105 提供用于从打印头控制器 ( “SoPEC” ) 设备接收数据和 / 或电力的装置以 控制喷墨喷嘴 102 的运行。
结合垫 105 连接至打印头 IC 100 的上部 CMOS 层。如图 4 和 5 中所示， 每个 MEMS 喷嘴组件形成在 CMOS 层 113 上， 所述 CMOS 层 113 包括用于喷射每个喷嘴的必需的逻辑和 驱动电路。
返回图 6 至 9， 柔性 PCB 140 被线焊至打印头 IC 100 的结合垫 105。线焊部用线 焊密封胶 142( 通常为聚合树脂 ) 进行密封和保护 ( 见图 7)。LCP 模制件 122 包括弯曲的 支承翼 123， 柔性 PCB 140 围绕所述弯曲的支承翼 123 被弯曲和固定。支承翼 123 具有用于 适应柔性 PCB 的各种电组件 144 的数个开口 125。通过该途径， 柔性 PCB 140 能够围绕打印 头组件 130 的外表面弯曲。导纸器 148 被安装至 LCP 模制件 122 相对于柔性 PCB 140 的相 对侧上， 并且形成完整的打印头组件 130。
打印头组件 130 被设计为使用者可更换的打印头墨盒的一部分， 所述使用者可更 换的打印头墨盒的一部分能够从喷墨打印机 160 中被移除并进行更换 ( 见图 12)。 因此， 柔 性 PCB 140 具有能够将电力和数据连接至打印机本体中的电子设备 ( 包括 SoPEC 设备 ) 的 多个触头 146。
由于柔性 PCB 140 被线焊至每个打印头 IC 100 上的结合垫 105， 因此， 打印头必然 具结合垫周围有在不平坦的纵向边缘区域。这在图 13 中清楚地示出， 图 13 示出从打印头 IC 100 的结合垫 105 延伸的线焊部 150， 所述打印头 IC 100 包括多个喷墨喷嘴组件 101。 在图 13 中所示出的配置中， 结合垫 105 形成于 MEMS 层中并且经由连接器柱 152 连接至下 方的 CMOS 113。替代地， 结合垫 105 可以是与 MEMS 层没有任何其他连接的 CMOS 113 的暴 露的上部层。在任一配置中， 线焊部从打印头的喷墨面 154 延伸并且与柔性 PCB 140 相连 接。
线焊至打印头 IC 100 中的结合垫 105 具有若干缺陷， 主要是由于打印头 IC 的显 著的纵向区域具有从打印头 IC 的喷墨面 154 突出的线焊部 150( 以及线焊部密封胶 142)。 喷墨面 154 的不平坦性可导致较差的打印头维护效果。例如， 因为线焊部密封胶 142 无论 相对于刮擦方向在喷嘴 102 上游还是下游均阻挡刮水片的路径， 所有刮水片不能扫过喷墨 面 154 的整个宽度方向。
线焊部突起的另一缺陷是整个打印头不能够被疏水涂层 ( 诸如 PDMS) 所涂覆。 申请人已经发现 PDMS 涂层显著地改善打印质量和打印头维护 ( 参见例如美国公开号 US 2008/0225076， 其内容通过参引的方式并入本文 )， 并且完全平坦的喷墨面会更进一步改善 此类涂层的功效。
为后侧电连接而配置的打印头集成电路
考虑到线焊部与打印头 IC 100 的连接的一些内在缺陷， 申请人开发了打印头 IC 2， 所述打印头 IC 2 使用后侧电连接并因此具有完全平坦的喷墨面。
参考图 14， 打印头 IC 2 利用粘附膜 120 被安装至供墨歧管的 LCP 通道模制件 124。 打印头 IC 2 具有至少一个纵向的供墨通道 110， 所述纵向的供墨通道 110 通过喷嘴入口 112 和墨导管 114 提供供墨歧管和喷嘴组件 101 之间的流体连通。因此， 打印头组件 60( 包 括打印头 IC 2) 具有与上述与图 1 至 11 所述的打印头组件 130( 包括打印头 IC100) 相同的流体布置。
然而， 打印头 IC 2 与打印头 IC 100 的不同之处在于连接至其 CMOS 电路层 113 的 电连接。值得注意的是， 打印头 IC 2 缺少沿其纵向边缘区域 4 的任何前侧线焊。相反， 打 印头 IC 2 在其纵向边缘处具有后侧凹陷部 6， 所述后侧凹陷部 6 容纳 TAB( 载带自动焊 ) 膜 8。TAB 膜 8 通常为包括多个导电轨道的柔性聚合物膜 ( 例如 膜 )， 所述多个导电轨道终止于 TAB 膜的连接器端部处的相对应的膜触头 10。TAB 膜 8 被定位成与打印头 IC 2 的后侧表面 12 平齐以使得 TAB 膜和打印头 IC 2 能够一起被结合至 LCP 通道模制件 124。 TAB 膜 8 可以与柔性 PCB 140 相连接 ； 当然， TAB 膜可以与柔性 PCB 140 集成在一起。替代 地， TAB 膜 8 可以利用本领域的技术人员所熟知的替代的连接布置而连接至打印机电子设 备。
打印头 IC 2 具有从其前侧部延伸并进入容纳 TAB 膜 8 的纵向凹陷区域部分 6 的 多个硅贯通通孔 (through-silicon vias)。 每个硅贯通通孔填充导体 ( 例如铜 ) 以限定硅 贯通连接器 (through-silicon connector)14， 所述硅贯通连接器 14 提供与 TAB 膜 8 的电 连接。每个膜触头 10 利用适合的连接 ( 例如焊球 )16 连接至硅贯通连接器 14 的底座或基 部 15。 硅贯通连接器 14 延伸穿过打印头 IC 2 的硅衬底 20 以及穿过 CMOS 电路层 113。 硅贯通连接器 14 通过绝缘侧壁 21 与硅衬底 20 绝缘。绝缘侧壁 21 可以由与 MEMS 制造相 容的任何适合的绝缘材料 ( 比如非晶硅、 多晶硅或二氧化硅 ) 所形成。绝缘侧壁 21 可以为 单层的或多层的。例如， 绝缘侧壁 21 可以包括外部的硅或二氧化硅层和内部的钽层。内部 的钽层作为扩散隔层以便于最小化铜向大块硅衬底内的扩散。 钽层也可以作为用于硅贯通 连接器 14 的制造期间镀铜的晶种层。
如图 14 中所示， 硅贯通连接器 14 的头部 22 与限定在打印头 IC 2 的 MEMS 层 26 中的接触垫片 24 相遇。MEMS 层 26 被设置在打印头 IC 2 的 CMOS 电路层 113 上并且包括由 MEMS 工艺步骤形成的所有喷墨喷嘴组件 101。
在申请人的热弯曲致动打印头的实例中， 比如在 US 2008/0129793( 其内容通过 参引的方式并入本文 ) 所描述的， 导电的热弹性致动器 25 可以限定每个喷嘴腔 101 的顶 部。因此， 接触垫片 24 可以在 MEMS 制造期间与热弹性致动器 25 同时形成， 并且还可以由 同样的材料形成。例如， 接触垫片 24 可以由热弹性材料形成， 诸如钒铝合金、 氮化钛、 氮化 钛铝等。
然而， 将理解的是 ： 接触垫片 24 的形成可以被结合至 MEMS 制造的任何步骤中， 并 且还可以包括任何合适的导电材料， 例如铜、 钛、 铝、 氮化钛、 氮化钛铝等。
接触垫片 24 通过铜导体柱 30 连接至 CMOS 电路 113 的上层， 所述铜导体柱 30 从 接触垫片朝向 CMOS 电路延伸。因此， 导体柱 30 提供 TAB 膜 8 和 CMOS 电路 113 之间的电连 接。
虽然图 14 中的接触垫片 24 和连接器柱 30 的布置适宜与申请人的用于形成热弯 曲致动喷墨喷嘴的 MEMS 制造工艺 ( 如在美国公开号 12/323,471 中所描述的， 其内容通过 参引的方式并入本文 ) 相兼容， 但是， 本发明当然包含可替代的布置， 所述可替代的布置提 供从后侧 TAB 膜 8 至 CMOS 电路 113 的类似后侧电连接。
例如， 现在参考图 15， 硅贯通连接器 14 可以终止于 CMOS 电路 113 上方的钝化层 27
处。嵌入的接触垫片 23 通过将适合的导电材料沉积至硅贯通连接器的头部 22 和完全暴露 于钝化层 27 的上部 CMOS 层而将硅贯通连接器 14 与上部 CMOS 层相连接。 接下来在 MEMS 喷 嘴制造期间沉积光致抗蚀剂 31 和顶部层 37( 例如氮化硅、 二氧化硅等 ) 随后提供用于打印 头的完全平坦的喷嘴板和喷墨面。此外， 嵌入的接触垫片 23 被顶部层 37 下方的光致抗蚀 剂 31 完全密封和包封。该替代的接触垫片布置与例如申请人的用于形成热泡形成喷墨喷 嘴组件的 MEMS 制造工艺 ( 如美国专利号 6,755,509 和 7,303,930 中所描述的， 其内容通过 参引的方式并入本文 ) 相兼容。图 15 中所示的喷嘴组件为热泡形成喷墨喷嘴组件， 所述热 泡形成喷墨喷嘴组件包括悬挂的加热器元件 28 和喷嘴开口 102， 如 US 6,755,509 中所述。 对本领域的技术人员来说显而易见的是， 嵌入的接触垫片 23 和悬挂的加热器元件 28 可以 在 MEMS 制造期间通过加热元件材料的沉积及后续的蚀刻共同形成。因此， 嵌入的接触垫片 23 可以包括与加热器元件 36 相同的材料， 例如氮化钛、 氮化钛铝等。
现在返回图 14， 应被注意的是， 打印头 IC 2 的喷墨面是完全平坦的并且涂覆有疏 水的 PDMS 层 48。PDMS 涂层及其优点在美国公开号 2008/0225082 中被详细加以描述， 其内 容通过参引的方式并入本文。前面已经提到， 喷墨面 ( 包括在打印头集成电路 2 的纵向边 缘区域 4 处的面中的那些部分 ) 的平坦性在打印头维护和面溢流的控制方面提供显著的优 点。 虽然在图 14 和 15 中， 接触垫片被示意性地示出为与喷嘴 102 相邻， 但是将理解的 是， 打印头 IC 2 中的接触垫片 24 通常占据与打印头 IC 100 的结合垫 105( 图 1) 类似的位 置， 相应数目的硅贯通连接器 14 延伸至硅衬底 20 内。然而， 本发明的的一个优点是 ： 接触 垫片 24 无需以对结合垫 105 所要求的相同方式与喷墨喷嘴 102 存在较大空间距离， 所述结 合垫 105 要求足够的四周空间以容许线焊和线焊部包封。因此， 后侧 TAB 膜的连接能够更 有效地利用硅， 并且潜在地减少每个 IC 的整体宽度、 或者替代地容许更大量的喷嘴 102 形 成在同样的 IC 宽度上。例如， 大约 60-70％的 IC 宽度被用于打印头 IC 100 中的喷墨喷嘴 102， 而本发明能够使超过 80％的 IC 宽度用于喷墨喷嘴。鉴于硅是页宽喷墨打印机中最昂 贵的部件之一， 这是一个显著的优点。
用于配置成后侧电连接的打印头 IC 的 MEMS 制造工艺
现在将详细描述用于图 14 中所示的打印头 IC 2 的 MEMS 制造工艺。该 MEMS 制造 工艺包括在美国公开号 12/323,471 中所描述的工艺的若干修改以便于加入与 TAB 膜 8 后 侧部连接所需的特征。虽然 MEMS 工艺在本文中被详细加以描述以用于说明目的， 但是本领 域的技术人员理解的是， 任何喷墨喷嘴制造工艺的类似修改均提供配置成后侧电连接的打 印头集成电路。当然， 申请人已经提及用于制造图 15 中所示的热致动打印头 IC 的适合的 MEMS 制造工艺。因此， 本发明并不意欲局限于下述特殊的喷嘴组件 101。
图 16 至 25 示出用于形成图 14 所描述的打印头 IC 2 的 MEMS 制造步骤的顺序。 完 成的的打印头 IC 2 包括多个喷嘴组件 101 以及能够与 CMOS 电路 113 后侧连接的特征。
用于 MEMS 制造的起点是标准 CMOS 晶片， 所述标准 CMOS 晶片包括硅衬底 20 和形 成在晶片的前侧面上的 CMOS 电路 113。 在 MEMS 制造工艺的结尾， 晶片通过蚀刻的划片间隔 (dicing streets) 被切成单独的打印头集成电路 (IC)， 所述蚀刻的划片间隔限定从晶片制 造的每个打印头 IC 的尺寸。
虽然本说明书参照在 CMOS 层 113 上执行的 MEMS 制造工艺， 但是当然能够被理解
的是， CMOS 层 113 可以包括多个 CMOS 层 ( 例如 3 或 4 个 CMOS 层 ) 并且经常被钝化。CMOS 层 113 可以用例如二氧化硅层钝化， 或者更经常地用包括夹在两个二氧化硅层之间的氮化 硅层的标准 “ONO” 堆叠钝化。因此， 本文所指的 CMOS 层 113 绝对包括钝化的 CMOS 层， 所述 钝化的 CMOS 层通常包括多个 CMOS 层。
以下的描述关注用于制造一个喷嘴组件 101 和一个硅贯通连接器 14 的步骤。然 而， 当然将理解的是， 相对应的步骤被同时执行用于所有的喷嘴组件和所有的硅贯通连接 器。
在图 16 中所示的第一个步骤中， 前侧入口孔 32 被蚀刻穿过 CMOS 层 113 并进入 CMOS 晶片的硅衬底 20 内。同时， 前侧划片间隔孔 33 被蚀刻穿过 CMOS 层 113 并进入硅衬底 内。光致抗蚀剂 31 随后被旋涂到晶片的前侧部上以便于堵塞前侧入口孔 32 和前侧划片间 隔孔 33。晶片随后通过化学机械平坦化 (CMP) 被抛光以提供具有适于后续 MEMS 步骤的平 坦前侧面的晶片， 如图 16 中所示。
参考图 17， 在下一个步骤中， 8 微米的低应力二氧化硅层通过等离子体增强化学 气相沉积 (PECVD) 沉积在 CMOS 层 113 上。该二氧化硅层 35 的深度限定喷墨喷嘴组件的每 个喷嘴腔的深度。在沉积二氧化硅层 35 后， 随后蚀刻穿过二氧化硅层限定出用于前侧划片 间隔孔 32 的一部分和喷嘴腔的壁 36。随后采用硅蚀刻化学方法以延伸前侧划片间隔孔 33 并蚀刻前侧入口孔 32 至硅衬底 20 内。产生的孔 32 和 33 接下来通过旋涂光致抗蚀剂以及 利用 CMP 抛光使晶片平坦而被光致抗蚀剂 31 所堵塞。光致抗蚀剂 31 是作为用于后续顶部 材料沉积的支架的牺牲材料。显而易见的是， 可以使用其他适合的牺牲材料 ( 例如聚酰亚 胺 ) 用于此目的。 顶部材料 ( 例如二氧化硅、 氮化硅、 或其混合物 ) 沉积到平坦的二氧化硅层 35 上 以限定前侧顶部层 37。顶部层 37 将限定在完成的打印头 IC 2 中的刚性平坦喷嘴板。图 17 示出在 MEMS 工艺步骤结尾时的晶片。
在下一阶段中， 现在参考图 18， 多个导体柱通孔 38 被向下蚀刻穿过顶部层 37 和二 氧化硅层 35 至 CMOS 层 113。蚀刻穿过壁 36 的导体柱通孔 38A 将能够使喷嘴致动器连接至 下方的 CMOS 113。同时， 导体柱通孔 38B 将能够使接触垫片 24 和下方的 CMOS 113 之间电 连接。
在用导电材料填充通孔 38 之前， 并且在美国申请号 12/323,471 所描述的工艺的 修改方案中， 硅贯通通孔 39 在下一个步骤中通过蚀刻穿过顶部层 37、 二氧化硅层 35、 CMOS 层 113 并进入硅衬底 20 内而被限定 ( 参见图 19)。硅贯通通孔 39 被定位成沿着每个完成 的打印头 IC 2 的纵向边缘区域间隔开 ( 前侧划片间隔孔 33 有效地限定每个打印头 IC 2 的 纵向边缘 )。每个通孔 39 通常朝向硅衬底 20 的后侧部变细。通过定位 TAB 膜 8 中的膜触 头 10 确定出通孔 39 的精确位置， 当打印头 IC 被组合并连接至 TAB 膜时所述膜触头 10 与 每个通孔的基部相遇。
通过使光致抗蚀剂的掩模层 40 图案化并且蚀刻穿过各种层来执行硅贯通通孔蚀 刻。 当然， 虽然同样的光致抗蚀剂掩模可以被用于每个蚀刻， 但是蚀刻穿过各种层的每一个 可能需要不同的蚀刻化学方法。
每个硅贯通通孔 39 通常具有与被堵塞的前侧进墨口 32 的深度 ( 通常大约 20 微 米 ) 相对应的穿过硅衬底 20 的深度。然而， 取决于 TAB 膜 8 的厚度， 每个通孔 39 可以做得
比前侧进墨口 32 更深。
在下一个步骤中， 并参考图 20 和 21， 硅贯通通孔 39 设有绝缘壁 21， 所述绝缘壁 21 将通孔与硅衬底 20 隔离。绝缘壁 21 包括绝缘膜 42 和扩散隔层 43。当每个通孔 39 填充铜 时扩散隔层 43 最小化铜向大块硅衬底 20 内的扩散。绝缘膜 42 和扩散隔层 43 通过连续的 沉积步骤形成， 可选地利用掩模层 40 将每个层有选择地沉积至通孔 39 内。
绝缘膜 42 可以包括任何适合的绝缘材料， 例如非晶硅、 多晶硅、 二氧化硅等。扩散 隔层 43 通常为钛膜。
下面参考图 22， 导体柱通孔 38 和硅贯通通孔 39 利用化学镀同时填充高导电金属 ( 诸如铜 )。铜沉积步骤同时形成喷嘴导体柱 44、 接触垫片导体柱 30 和硅贯通连接器 14。 可能需要通孔 38 和 39 直径的适当尺寸以确保在该步骤期间同时镀铜。在镀铜步骤后， 沉 积的铜用 CMP 进行处理， 从而在顶部层 37 上停止以提供平坦的结构。能够看到的是， 在化 学镀铜期间形成的导体柱 30 和 44 与 CMOS 层 113 相遇以提供从 CMOS 层直至顶部层 37 的 线性导电路径。
在下一个步骤中， 并且参考图 23， 热弹性材料被沉积在顶部层 37 上并且随后被蚀 刻以限定用于每个喷嘴组件 101 的热弹性梁构件 25 以及覆盖硅贯通连接器 14 的头部的接 触垫片 24。
借助于熔接到热弹性梁构件 25， 二氧化硅顶部层 37 的一部分作为机械热弯曲致 动器的下部被动梁构件 46。 因此， 每个喷嘴组件 101 包括热弯曲致动器， 所述热弯曲致动器 包括连接至 CMOS 113 的上部热弹性梁 25 以及下部被动梁 46。热弯曲致动器的这些类型 在例如美国公开号 2008/309729 中被更加详细地加以描述， 其内容通过参引的方式并入本 文。
热弹性主动梁构件 25 可以包括任何适合的热弹性材料， 例如氮化钛、 氮化钛铝和 铝合金。如在申请人的先前美国公开号 2008/129793( 其内容通过参引的方式并入本文 ) 中所解释的， 钒铝合金是优选的材料， 因为其结合高热膨胀、 低密度和高杨氏模量的有利性 质。
如上所述， 热弹性材料还被用于限定接触垫片 24。接触垫片 24 在导体柱 30 的头 部和硅贯通连接器 14 的头部 22 之间延伸。因此， 接触垫片 24 将硅贯通连接器 14 与每个 导体柱 30 和下方的 CMOS 层 113 电连接。
仍然参考图 23， 在沉积热弹性材料和蚀刻以限定热弯曲致动器和接触垫片 24 之后， 最终的前侧 MEMS 制造步骤包括 ： 同步蚀刻喷嘴开口 102 和前侧间隔开口 (street openings)47、 以及在整个顶部层 37 上沉积 PDMS 涂层 48， 以便于使前侧面疏水化并为每个 热弯曲致动器提供弹性机械密封。PDMS 涂层的利用在我们先前的美国公开号 11/685,084 和 11/740,925 中被详尽地加以描述， 其内容通过参引的方式并入本文。
现在参考图 24， 晶片的整个前侧部用相对较厚的光致抗蚀剂层 49 涂覆， 所述光致 抗蚀剂层 49 保护前侧 MEMS 结构并且能够使晶片附接至操作晶片 (handle wafer)50 以用 于后侧 MEMS 工艺。后侧蚀刻限定出供墨通道 110 和凹陷部分 6， 硅贯通连接器 14 的底座 15 延伸至所述凹陷部分 6 内。当硅贯通连接器 14 的底座 15 由于后侧蚀刻而被暴露时， 绝 缘膜 42 的一部分被移除。后侧蚀刻还能够通过向下蚀刻至堵塞的前侧划片间隔孔 33 而使 得单独的打印头 IC 分离 (singulation)。最终的保护性光致抗蚀剂 49 的氧化移除 (“灰化” ) 导致单独的打印头 IC 2 的分 离以及在后侧部和喷嘴组件 101 之间形成流体连接。图 25 中所示的制成的打印头 IC 2 现 在准备用于通过连接至硅贯通连接器 14 的钎焊接头 16 与 TAB 膜 8 相连接。将制成的打印 头 IC/TAB 膜组合随后结合至供墨歧管提供了图 14 中所示的打印头组件 60。
本发明已经通过参考一个优选的实施例和若干具体可替代实施例进行了描述。 然 而， 将被本领域的技术人员理解的是， 与具体描述过的实施例不同的一些其他实施例将同 样落入本发明的精神和范围之内。因此， 将被理解的是， 本发明并不意欲局限于本说明书 ( 包括通过交叉引用结合的文件 ) 中描述的具体实施例。本发明的范围仅受到附加权利要 求的限制。