[发明专利]一种MEMS压电打印喷头组件集成结构

说明书

本发明公开了一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，MEMS压电打印喷头芯片设置在硅转接基板的一侧，封装基板设置在硅转接基板另一侧，硅转接基板与封装基板之间设置驱动/控制集成电路芯片；封装基板另一侧设置散热器，封装基板一端通过柔性电路板与电接口电连接；MEMS压电打印喷头芯片由硅晶圆键合形成阵列排布墨腔，每个墨腔底部对应设置喷嘴，硅转接基板上下表面设置的金属布线层和贯穿硅转接基板的TSV导通孔电连接。本发明减小了打印喷头组件集成封装的尺寸，保证最短的电互连长度和最小互连电阻，通过小互连电阻降低打印喷头组件的焦耳热耗，减小互连线电阻、电容和电感等寄生参数，信号传输损耗、延迟、畸变减小，促使打印头性能提升。

技术领域

本发明属于先进电子封装技术领域，具体涉及一种MEMS压电打印喷头组件集成结构。

背景技术

MEMS压电喷墨打印头具有高分辨率和高扩展性的特点，特别适用于印刷电子、封装、纺织、3D打印等新兴工业市场应用。与采用整块压电陶瓷体材料作制动件相比较，通过溶胶-凝胶法或溅射法沉积的压电陶瓷薄膜能更好的控制墨滴尺寸以调节灰度值和降低功耗，而成为MEMS压电喷墨打印头中主流的压电致动器。为了获得高质量的打印效果，需要对打印头的每个喷嘴进行独立的电驱动和电控制，实时调整每个喷嘴的墨滴尺寸，并减少相邻喷嘴之间的串扰。市场上现有的MEMS压电喷墨打印喷头组件中通常仅包含MEMS喷头(包含喷嘴、墨道、墨腔、活动隔膜和其上的压电陶瓷薄膜等)，而不包括驱动和控制电路，此时打印喷头组件需要通过一段柔性或刚性印刷电路板与外部的驱动和控制电路实现电气连接，由于距离较远，电连接的寄生电阻较大，在喷头大电压工作模式下，焦耳损耗，信号传输损耗、延迟、畸变等因素使打印头性能提升受限。将驱动和控制电路集成到打印喷头组件内部成为MEMS压电喷墨打印头的发展趋势。

现有一种带集成电路芯片(压电薄膜驱动电路)的打印头组件封装结构，采用印制板板级表贴技术，将集成电路芯片安装在柔性印制板上，再将柔性印制板贴装在MEMS喷头芯片上，集成电路芯片到MEMS喷头上压电制动器的电连接通过柔性印制板两侧的两排通孔与MEMS喷头芯片上对应的两排电极焊盘连接实现，缺点是压电制动器和集成电路芯片间连线还是较长，同时能支持的喷嘴密度有限。另一种方案采用硅MEMS喷头芯片和集成电路芯片经过焊球面对面的焊接形成电连接，一柔性印制板连接在硅MEMS喷头芯片上，作为整个打印头的对外电通路，封装集成结构需要在集成电路芯片晶圆背面加工墨汁出入通道，工艺难度较大。还有一种MEMS喷头芯片和集成电路芯片晶圆集成的结构。先在一片SOI晶圆上制备CMOS集成电路，再从该晶圆背面挖出压电墨腔和活动隔膜，在另一片晶圆上采用MEMS工艺制备有供墨槽和喷嘴，采用晶圆片堆叠键合工艺将上述两个晶圆对准粘附在一起，最后在活动隔膜区域的顶部形成压电材料，缺点如下：(1)位于活动隔膜上的那部分CMOS集成电路在压电制动时也跟着一起移动，硅晶格中的应力应变将改变半导体中的载流子迁移率，影响这部分CMOS电路的性能，同时长期的周期形变也会影响CMOS电路的寿命。(2)晶圆上的CMOS电路不是满排布的，即有大量空闲面积，这对于以面积计费的CMOS工艺来说是不经济的。(3)压电材料最后形成，对压电材料的制备工艺，特别是工艺温度，有苛刻的限制。因此，构建具有高喷嘴密度、低成本、高效可靠的MEMS压电喷墨打印头集成结构仍然是持续的挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种MEMS压电打印喷头组件集成结构，以完成MEMS压电打印喷头与其驱动/控制集成电路芯片间的集成，特别适合于高密度MEMS喷嘴阵列压电打印喷头与一个或多个驱动/控制集成电路芯片间的混合集成。

本发明采用以下技术方案：