본 발명은 마이크로 전자기계시스템 구조로부터 잉크 이외의 다른 유체를 방출하도록 적용될 수 있다. 선택적으로, 본 발명은 집적회로의 접속부를 결합하는데 요구되는 임의의 센서 마이크로 전자기계시스템 구조에 적용될 수 있다. 개시된 기술들은 마이크로 전자기계시스템 장치상의 임의의 부품들을 솔더링할 때 솔더의 배치를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 따라서 다른 실시 예들이 하기 특허청구범위의 개념 내에서 이루어질 수 있다.
자료출처 : 특허청

기술 분야    

본 발명은 프린트 헤드 액추에이터와 같은 장치 상의 전기적 콘택에 플렉시블 회로를 솔더링(soldering)하는 것에 관한 것이다. 적용 시 솔더 흐름을 제어하는 기술이 제공되며, 플렉시블 회로는 마이크로 전자기계시스템 구조에 솔더링된다. 금속층이 기판 상에 형성된다. 솔더 마스크가 금속층 상에 형성되어 금속층의 부분들이 마스크에 의해 커버되며 부분들은 노출된 채 유지된다. 플렉시블 회로는 금속층이 노출되는 영역의 적어도 일부에서 금속층과 솔더링된다.



잉크젯 프린터들은 수신 매체 상에 잉크를 선택적으로 도포함으로써 이미지를 형성한다. 통상적인 잉크젯 프린터 시스템에서, 잉크는 잉크 저장기 또는 카트리지와 같은 잉크 저장 유니트에 저장되며, 그림 1에 도시된 것처럼 저장기 유닛으로부터 프린트 헤드(100)로 향하게 된다. 프린트 헤드(100)에서, 잉크는 잉크가 분출되는 노즐(130)을 향해 잉크 펌핑 챔버(120)로 흐른다. 통상적으로, 프린트 헤드는 노즐(130)을 통해 프린트 헤드(100)로부터 잉크를 밀어내는 액추에이터를 포함한다. 2개의 공통적 형태의 액추에이터는 저항성 가열 액추에이터 및 압전기 액추에이터가 포함된다. 압전기 액추에이터(150)에서, 압전기 물질(165) 층은 잉크 펌핑 챔버(120) 부근에 형성될 수 있다. 압전기 물질(165) 양단에 전압이 인가되어, 압전기 물질이 휘거나 변형될 수 있고, 압전기 물질(165)의 변형은 압력파(pressure wave)가 잉크 펌핑 챔버(120)를 거쳐 전파되게 하여, 노즐(130)로부터 수신 매체 상으로 잉크가 밀리게 된다. 통상적으로, 전극(160, 170)은 층(165) 양단에 전압이 인가될 수 있도록 압전기층(165)의 한쪽 측면 상에 형성된다.
소위 ‘열전사(drop-on-demand)’ 프린터에서, 다수의 흐름 경로(108a, 108b)(그림 2의 점선으로 도시됨) 및 관련 노즐(130)이 단일 프린트 헤드(100)에 형성될 수 있고 각각의 노즐(130)은 개별적으로 작동할 수 있다. 따라서 노즐로부터의 잉크 방울이 요구될 때만 특정 노즐이 발사된다. 프린트 헤드 상의 특정 액추에이터를 작동시키기 위해, 통상적으로 전기적 신호는 액추에이터와 개별적으로 통신한다. 전기적 신호는 프린트 헤드와 접속된 플렉시블 회로에 의해 액추에이터와 통신할 수 있다.

발명의 상세한 설명            

일면에서, 전반적으로 본 발명은 제 1 및 제 2 전극들 및 상기 전극들 사이에 배치되는 압전기층을 갖춘 액추에이터를 특징으로 한다. 제 1 전극 상에 마스크가 형성되며, 상기 마스크는 제 1 전극의 제 1 부분에 인접한다. 솔더(solder) 물질은 제 1 전극에 의해 지지되며 제 1 전극의 제 2 부분에 인접한다. 제 1 전극의 제 1 부분은 제 1 전극의 제 2 부분과 오버랩되지 않으며, 마스크는 솔더 물질이 용융될 때 실질적으로 상기 솔더 물질에 의해 젖지 않는(non-wettable) 물질을 포함한다.
마스크는 산화 물질을 포함할 수 있다. 마스크는 약 0.5 미크론과 같이 약 0.1 내지 2 미크론 두께 사이일 수 있다. 솔더 물질은 집적회로와 전극을 전기적으로 접속시킬 수 있다. 액추에이터는 플렉시블 회로에 부착될 수 있다. 제 1 부분은 제 2 전극이 장치에 결합될 때 장치의 위치에 해당할 수 있다.
또 다른 면에서, 본 발명은 마이크로 전자기계시스템(micro-electro-mechanical) 장치를 형성하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 기판의 상부 표면 상에 액추에이터를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 액추에이터는 압전기층, 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 솔더 마스크는 제 1 전극의 제 1 부분이 주변 환경(environment)에 노출되고 제 1 전극의 제 2 부분이 솔더 마스크에 의해 커버되도록, 제 1 전극 상에 형성된다. 제 1 전극의 제 1 부분에서 제 1 전극에 솔더가 적용된다. 플렉시블 회로는 솔더와 접촉된다. 솔더가 제 1 전극에 플렉시블 회로를 전기적으로 접속할 수 있도록 솔더가 가열되며, 솔더 마스크는 솔더가 가열될 때 제 1 부분 위로 솔더가 흐르는 것을 방지한다.
특정 구현 예는 하기의 하나 이상의 장점들을 포함할 수 있다. 프린트 헤드의 펌핑 챔버 위에 솔더 마스크를 형성함으로써, 펌핑 챔버 위로 흐르는 솔더의 양이 감소될 수 있다. 액추에이터 상의 솔더층은 액추에이터가 강건해지게 하여 작동을 어렵게 할 수 있다. 또한, 액추에이터 상의 솔더층은 액추에이터의 질량을 증가시킬 수 있다. 따라서 각각의 펌핑 챔버 상의 솔더의 양이 감소되어 흐름 경로로부터 흐름 경로로 그리고 프린트 헤드로부터 프린트 헤드로의 액추에이터의 굴곡 탄성율(flexural modulus) 및 질량 균일성이 개선될 수 있다. 이는 구동 특성과 같은 액추에이터의 균일성 특성을 직접적으로 개선시킬 수 있다. 따라서 활성 영역으로부터 솔더 유지는 흐름 경로들 간에 그리고 프린트 헤드들 간에 균일한 구동 특성을 유지하는데 기여할 수 있다. 산화물과 같은 솔더 마스크의 얇은 층은 액추에이터 특성이 거의 변하지 않는다. 마스크 물질은 적어도 소정 형태의 용융된 솔더가 산화물로부터 멀리 흘러 금속과 같이 젖을 수 있는(wettable) 물질을 향하게 하는 경향이 있다. 솔더 마스크의 크기 및 위치의 제어는 솔더 마스크 없이 용융된 솔더 제어하는 것보다 더 쉬울 수 있다. 솔더 마스크의 부가에 의해 야기되는 액추에이터 성능의 임의의 변화는 쉽게 제어될 수 있다. 솔더 흐름 제어는 프린트 헤드의 전기적 단락을 방지할 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 상세한 설명은 첨부되는 도면 및 하기 상세한 설명을 통해 개시된다. 본 발명의 특징, 목적 및 장점들은 상세한 설명 및 도면 및 특허청구범위를 통해 명확해질 것이다.

실시예              
솔더가 액추에이터 상에 용융될 때 솔더의 위치를 제어하는 기술이 제공된다. 상기 기술은 잉크젯 프린트 헤드와 같은 미세 전자기계시스템 장치의 액추에이터에 집적회로를 접속하는데 이용되는 솔더의 흐름을 제어하도록 구현될 수 있다.



그림 3을 참조로, 프린트 헤드(100)는 다수의 흐름 경로(108)가 형성되는 기판(105)을 포함한다. 단일의 흐름 경로(108)는 잉크 주입구(142), 어센더(ascender)(135), 펌핑 채널(120), 디센더(descender)(138) 및 노즐(130)을 포함한다. 압전기 액추에이터(150)는 기판(105)에 의해 지지된다. 액추에이터(150)는 펌핑 채널(120)을 밀봉하는 멤브레인(140)을 포함할 수 있다. 액추에이터(150)는 하부 전극(160), 압전기층(165) 및 상부 전극(170)을 포함할 수 있다. 전극(160, 170)은 약 0.5 미크론과 같이, 약 2 미크론 이하의 두께를 가질 수 있다. 압전기층(165)은 약 1 내지 25 미크론 사이의 두께, 예를 들어 약 8 내지 약 18 미크론의 두께를 가질 수 있다. 전극(160, 170)은 예를 들어, 구리, 금, 텅스텐, 주석, 인듐-주석-산화물(ITO), 티타늄, 플래티늄, 니켈, 니켈 크롬 합금과 같은 금속 또는 금속들의 조합과 같은, 도전성 물질로 형성된다. 액추에이터(150)를 전기적으로 작동시키기 위해 전극(160, 170)에 신호가 제공될 수 있다. 전극 분리 갭(172)은 하부 전극(160)으로부터 상부 전극(170)을 분리시킬 수 있다.
커프들(kerfs)(176)은 개별 액추에이터를 분리하며 전극들 접속을 허용한다. 제 1 커프(미도시)는 이웃하는 흐름 경로 위에서 액추에이터로부터 하나의 흐름 경로 위에서 액추에이터를 분리할 수 있다. 액추에이터(150)에 있는 제 2 커프(176)는 이웃하는 액추에이터들을 분리할 수 있다. 또한, 제 2 커프(176)는 액추에이터가 각각의 해당 흐름 경로의 일부 위에서만 있도록 액추에이터 크기를 감소시킬 수 있다. 커프들은 액추에이터들 간의 혼선(crosstalk)을 감소시킬 수 있다.

그림 4를 참조로, 액추에이터는 내부에 흐름 경로 피쳐들(features)이 형성된 기판(105) 상에 형성된다. 액추에이터는 임의의 적절한 방법으로 형성될 수 있다. 하나의 특정 방법이 하기에 개시된다. 초기에, 압전기층(165) 및 하부 전극(160)이 기판(105)의 후면에 제공될 수 있다. 일 구현 예에서, 압전기층(165)은 금속과 함께 금속화되어 순차적으로 하부 전극(160)을 순차적으로 형성한다. 압전기층(165)은 세라믹 그린 시트 또는 프리파이어링된(prefired) 압전기 물질로 형성될 수 있다. 금속은 스퍼터링에 의해 증착될 수 있다. 도포(deposit)를 위한 금속들은 구리, 금, 텅스텐, 주석, 인듐-주석-산화물(ITO), 티타늄, 플래티늄, 니켈, 니켈 크롬 합금 또는 2개 이상의 상기 금속들의 조합을 포함할 수 있다. 다음 압전기층(165)이 접착제 또는 2개 금속들 간의 공융(eutectic) 결합에 의해 기판상에 결합된다. 또 다른 구현예에서, 기판(105)은 금속화되며 압전기층(165)은 물리적 기상 증착(PVD), 졸 겔 애플리케이션, 세라믹 그린 시트 결합 또는 다른 적절한 증착 프로세스에 의해 금속층 상에 형성된다.



다음 커프들(176)이 압전기층(165)에 형성된다. 커프들(176)은 압전기층(165)으로 절단, 다이싱, 톱질 또는 에칭될 수 있다. 커프들(176)은 하부 전극(160) 및 압전기층(165) 속으로 연장될 수 있다. 압전기층(165)은 예를 들어, 스퍼터링과 같은 진공 증착에 의해 금속화되어, 상부 전극(170), 하부 전극 콘택 영역(162) 및 비아(123)를 압전기층(165) 상에 형성할 수 있다. 상부 금속화는 커프(176) 및 전극 분리 갭(172)에서 금속이 제거되도록 패터닝될 수 있다.
그림 5A를 참조로, 프린트 헤드(100)가 솔더 마스크(195)와 함께 도시된다. 솔더 마스크(195)는 펌핑 챔버(120) 위에 놓이는 상부 전극(170)의 제 1 영역(194) 위의 상부 전극(170) 상에 형성된다. 솔더 마스크(195)의 에지는 제 1 영역(194)의 에지로 또는 제 1 영역(194) 너머로 연장될 수 있다. 제 1 흐름에서 제 2 흐름으로, 솔더 마스크(195)의 범위는 흐름 경로들 간에 균일성이 개선되도록 균일하게 유지된다. 솔더 마스크(195)는 약 0.5 미크론과 같이 약 0.1 내지 5 미크론 사이의 두께를 가질 수 있다. 솔더 마스크는 상부 전극(170)을 보다 많이 또는 보다 적게 커버하도록 구성될 수 있다. 일 구현 예에서, 솔더 마스크(195)는 그림 5B에 도시된 것처럼, 하부 전극 콘택 영역(162) 상의 솔더 위치를 제어하도록 구성된다.
솔더 마스크(195)를 형성하기 위해, 마스크를 제조하는데 이용되는 물질층이, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착 기술에 의해 상부 전극(170) 상에 증착된다. 솔더 마스크(195)는 실리콘 산화물과 같은 산화물로 형성될 수 있다. 광 패턴 가능 물질 또는 포토레지스트가 솔더 마스크 물질의 표면상에 적용된다. 마스크는 펌핑 챔버(120) 위의 영역들(194)에 대응하는 포토레지스트 위에 제공된다. 포토레지스트는 노광되고 현상된다. 솔더 마스크 물질은 건식 에칭 프로세스에 의해 더 이상 포토레지스터에 의해 커버되지 않는 영역에 에칭된다. 유도적으로 결합된 플라즈마 반응성 이온 에칭은 솔더 마스크 물질의 노출된 부분을 에칭하는데 이용될 수 있는 에칭 프로세스의 일례이다. 솔더 마스크 물질이 에칭된 후, 나머지 물질은 펌핑 챔버(120) 위에 놓인 영역(194) 상에서 실질적으로 제한된다. 다음 나머지 포토레지스트는 상부 전극(170)으로부터 제거된다.



그림 6을 참조로, 상부 전극(170), 노출된 압전기층(165), 하부 전극 콘택 영역(162), 솔더 마스크(195) 및 커프(176)를 갖춘 멤브레인(140)의 일부 평면도가 도시된다. 그림 7을 참조로, 솔더(190)는 상부 전극(170) 상에 제공된다. 솔더(190)는 기판 상의 마스크를 통해 가압될 수 있다. 솔더(190)는 상부 전극(170)에 대해 전기적 콘택을 형성하기 위해 상부 전극(170)에 제공된다. 솔더(192)는 하부 전극(160)에 전기적 콘택을 형성하기 위해 상부 전극 콘택 영역(162)에 제공된다. 솔더는 주석 및 납을 포함하는 금속과 같은 도전성 물질을 포함하며, 금속이 상부 및 하부 전극(170, 160)과 같은 다른 도전성 물질로 흘러 전기적 결합을 형성하는 온도로 가열될 수 있다.



그림 8을 참조로, 플렉시블 회로(180)에 부착되는 집적회로와 같은 집적회로가 상부 및 하부 전극(170, 160)에 전기적으로 접속된다. 플렉시블 회로는 집적회로에 전기적으로 접속되는 콘택 패드를 포함할 수 있다. 콘택 패드는 상부 및 하부 전극(170, 160)에 플렉시블 회로가 전기적으로 접속되는 것을 허용한다. 일 구현 예에서, 상부 전극 패드 패드는 구동 전압을 제공하는 반면 하부 전극 패드는 접지에 전기적으로 접속된다.
플렉시블 회로(180) 및 기판(105)은 솔더 흐름이 야기되도록, 약 183℃의 열 주기로 처리된다. 용융된 솔더는 전극 및 콘택 패드에 결합부를 형성한다. 따라서 전극들은 콘택 패드를 통해 직접 회로들과 전기적으로 접속된다. 솔더 마스크(195)는 마스크(195)로 위로 용융된 솔더가 흐르는 것을 방지하며, 이는 솔더 마스크(195)가 솔더(190)에 의해 적지 않기 때문이다. 솔더가 흐르는 온도 이하의 온도로 복귀되면, 솔더는 솔더 형태로 복귀된다.
플렉시블 회로를 결합하기 이전에 액추에이터 상에 솔더 마스크를 형성하는 것은, 솔더가 용융될 때 마스크가 솔더의 위치를 제어할 수 있다는 장점을 제공할 수 있다. 산화물층 없이, 솔더는 액추에이터 위에서 제어되지 않는 방식으로 분포될 수 있다. 액추에이터의 소정 부분에서, 상부 전극 및 하부 전극과 같은 층들을 전기적으로 절연하도록 커프가 절단된다. 일 구현 예에서, 솔더 마스크는 커프(176)에 적용될 수 있다. 솔더가 전기적으로 절연되어야 하는 층들을 접속하는 영역으로 흐르는 경우, 전기적 단락이 발생할 수 있다. 이러한 영역에서의 솔더 마스크는 전극 분리 갭(172)과 같이, 전극들 간의 단락을 방지할 수 있다.
솔더 마스크는 펌핑 챔버 및 솔더가 요구되지 않는 임의의 다른 영역 위에서 액추에이터의 영역 상에 형성될 수 있다. 실리콘 산화물과 같은 산화물이 솔더 마스크로 선택될 수 있으며, 이는 산화물은 용융된 솔더에 의해 젖지 않기 때문이다. 산화물은 안정하며 젖지 않는 특성을 유지하면서도 매우 얇은 층으로 형성될 수 있다. 그러나 질화물, 폴리이미드 또는 다른 패턴 가능한 물질과 같이 다른 물질이 솔더 마스크를 형성하는데 선택적으로 이용될 수 있다.
지금까지 설명한 것처럼, 솔더 마스크의 적용은 솔더가 펌핑 챔버 위에 놓이는 액추에이터의 영역을 커버하는 것을 방지한다. 이는 하나의 액추에이터에서 다음 액추에이터로 솔더의 균일한 적용을 유지한다. 균일한 솔더 적용은 균일한 엑추에이터 특성 유지를 보조할 수 있다. 펌핑 챔버 위에 놓이는 액추에이터 부분들의 질량은 액추에이터 부품, 즉, 전극들, 압전기 층 및 멤브레인의 질량 보다 작게 감소될 수 있다. 산화물층으로부터의 임의의 추가적 질량은 제어될 수 있다. 반대로, 솔더로부터의 추가적 질량은 제어가 더 어렵다. 활성 영역에 질량 부가는 바람직하지 않으며, 이는 관련 액추에이터의 구동 특성을 변화시키기 때문이다. 또한, 액추에이터에 솔더층 부가는 액추에이터의 강도를 강화시켜, 액추에이터 휨을 보다 어렵게 한다. 실질적으로 일정하게 크기 설정된 솔더 마스크를 각각의 엑추에이터에 형성하여 솔더가 활성 영역으로 흐르는 것을 방지하는 것의 조합은 프린트 헤드의 액추에이터들 또는 프린트 헤드들 간의 균일성에 기여한다.
본 발명의 다수의 실시예들이 개시되었다. 그럼에도 본 발명의 범주 및 사상 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 압전기 액추에이터는 펌핑 챔버의 측벽을 형성할 수 있다. 솔더 마스크는 양쪽 측면보다는 압전기층의 한쪽 측면상에만 전극을 가지는 액추에이터에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명은 마이크로 전자기계시스템 구조로부터 잉크 이외의 다른 유체를 방출하도록 적용될 수 있다. 선택적으로, 본 발명은 집적회로의 접속부를 결합하는데 요구되는 임의의 센서 마이크로 전자기계시스템 구조에 적용될 수 있다. 앞서 개시된 기술들은 마이크로 전자기계시스템 장치상의 임의의 부품들을 솔더링할 때 솔더의 배치를 제어하기 위해 사용될 수 있다.