МУЛЬТИЧИПОВЫЙ МОДУЛЬ (MCM) В СБОРЕ И ПЕЧАТАЮЩАЯ ШТАНГА
MULTICHIP MODULE (MCM) ASSEMBLY AND PRINTING BAR

Область техники, к которой относится изобретение
[01] Настоящее изобретение относится к области технологии термической печати с помощью краски, в особенности к технологии печати от края до края страницы, и, в частности, к мультичиповому модулю в сборе и к печатающей штанге, содержащей множество мультичиповых модулей в сборе.
Уровень техники
[02] Концепция мультичипового модуля (MCM) уже хорошо давно известна. Технологические и экономические причины удерживают производителей от увеличения длины кремниевого чипа. Соответственно, более длинную и более эффективную полосу печати можно разумно получить только с помощью множества кремниевых чипов, должным образом размещенных на жесткой подложке и тем самым формирующих MCM. Формирование внешнего профиля одного MCM подходящим способом позволяет создать еще более длинную печатающую штангу за счет простого сопоставления нескольких MCM.
[03] В документе US 5016023 раскрыта конструкция, содержащая печатающие головки, которые смещены относительно смежных печатающих головок на величину, по меньшей мере равную размеру ширины печатающей головки. Раскрытая конструкция предполагает использование керамического материала в качестве подложки, подходящей для выдерживания конкретных повышенных температур. Однако процесс производства керамической подложки является довольно дорогостоящим, поскольку для получения желаемой формы сразу требуется специальная форма или, в качестве альтернативы, использование некоторого оборудования для механической обработки такого твердого материала. Более того, набор линий шин и корпусов ИС, раскрытый в US 5016023A, также довольно сложен и поэтому не является технологически эффективным, надежным и малозатратным.
[04] В документе US 5939206 описано устройство, которое содержит по меньшей мере один полупроводниковый чип, установленный на подложке, при этом указанная подложка содержит пористый электропроводящий элемент, на который электрофоретически нанесено покрытие из полимерного материала, при этом указанный пористый электропроводящий элемент содержит графит или спеченный металл. Однако конструкция и обслуживание линии электрофоретического осаждения довольно дороги, что делает процесс производства устройства сложным и дорогостоящим.
[05] Следовательно, целью настоящего изобретения является преодоление недостатков предшествующего уровня техники и обеспечение технологически эффективного, малозатратного, безопасного и простого способа реализации электрических контактов для повышения электрической и механической надежности мультичипового модуля в сборе, а также для обеспечения высокого качества печати на печатном оборудовании с помощью указанного модуля.
[06] Другой целью настоящего изобретения является создание соответственной печатной штанги, содержащей множество мультичиповых модулей в сборе, что обеспечивает достижение вышеупомянутых полезных эффектов.
Краткое описание изобретения
[07] Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к мультичиповому модулю (MCM) в сборе, содержащему:
графитовую подложку, содержащую множество кремниевых чипов, непосредственно прикрепленных к графитовой подложке,
при этом MCM в сборе дополнительно содержит печатную плату (PWB), прикрепленную к графитовой подложке посредством устойчивого к растворителям адгезивного клея и оснащенную отверстиями, окружающими внешние периметры кремниевых чипов.
[08] Использование простой PWB, оснащенной отверстиями, окружающими кремниевыми чипами MCM, позволяет простым образом реализовать электрические контакты, даже при распределении контактных площадок вдоль противоположных сторон чипа. Использование устойчивого к растворителям адгезивного клея позволяет уплотнить две части, предотвращая возможное проникновение краски между ними. Кроме того, поскольку адгезивный клей устойчив к растворителям, в частности к органическим растворителям, он делает мультичиповый модуль подходящим для использования с красками на основе растворителей. Использование устойчивого к растворителям адгезивного клея вместо обычно используемой двусторонней клейкой ленты для приклеивания PWB к графитовой подложке также позволяет точно регулировать уровень поверхности PWB во время сборки.
[09] Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения графитовая подложка содержит выступающий ободок, на который установлен кремниевый чип. Выступающий ободок выравнивает положение кремниевого чипа, тем самым обеспечивая плоскую поверхность печатающей штанги и облегчая герметичное уплотнение, очистку и перекрытие устройства.
[010] Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения PWB содержит углубленную часть, включающую контактные площадки PWB, соответствующие контактным площадкам кремниевых чипов. Таким образом, максимальное возвышение соединительных проводов, реализуемое в процессе проволочного монтажа, по отношению к поверхностям MCM в сборе уменьшается по сравнению со случаем, когда контактные площадки PWB выполнены на верхней поверхности PWB. Эта особенность еще больше уменьшает ограничение минимального расстояния между поверхностью печатающей головки и печатным носителем и позволяет приблизиться к оптимальному значению для качества печати.
[011] Предпочтительно, PWB содержит гибкий кабель, внешняя часть которого завершается рядом контактных площадок. Это решение позволяет MCM в сборе полагаться на герметичные электрические проводники, концевую часть которых, подключенную к внешнему соединителю, можно отвести далеко от части, которая находится в контакте с краской, через гибкий кабель подходящей длины. Таким образом предотвращается возможное отрицательное воздействие контакта между краской и электрическими проводниками.

[012] В контексте настоящего документа термин «гибкий» означает способность сгибаться или гнуться (податливость) и дополнительно определяется как способность многократно сгибаться без травм или повреждений, см. The American HeritageDictionary of the English Language (4-е издание, Boston, Houghton Mifflin, 2000).
[013] В одном варианте осуществления длина PWB проходит за графитовой подложкой. В качестве альтернативы она может завершаться непосредственно перед краем графитовой подложки. Это позволяет сгибать гибкий кабель так, чтобы он оставался ближе к краю MCM, в более компактном расположении. В других реализациях жесткая часть PWB может завершаться на самом краю графитовой подложки MCM, или последняя может быть закруглена, чтобы облегчить изгиб гибкого кабеля.
[014] Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения устойчивый к растворителям адгезивный клей охватывает как кремниевые чипы, так и края отверстий PWB. Кремниевые чипы и PWB содержат соответственные контактные площадки, приведенные в контакт друг с другом соединительными проводами, и устойчивый к растворителям адгезивный клей может также охватывать указанные контактные площадки и соединительные провода между ними. Если PWB содержит слой резиста для пайки, устойчивый к растворителям адгезивный клей должен охватывать по меньшей мере его часть. Включение устойчивого к растворителям адгезивного клея во всех этих вариантах осуществления обеспечивает как электрическую, так и механическую защиту.
[015] В контексте настоящего документа устойчивый к растворителям адгезивный клей может представлять собой любой подходящий адгезив для склеивания компонентов, обладающих стойкостью к растворителям, предпочтительно, для склеивания компонентов из инертного материала и обладающих устойчивостью к органическим растворителям, например, эпоксидный адгезив, такой как, но без ограничения описанный в документе WO 2017/198820 A1.
[016] Согласно другому аспекту настоящего изобретения печатающая штанга содержит множество MCM в сборе, расположенных на опорном элементе.
[017] В одном варианте осуществления печатающая штанга дополнительно содержит защитный экран, расположенный над множеством MCM в сборе. Защитный экран содержит окошки, совпадающие с периметрами кремниевых чипов MCM в сборе, и края окошек уплотнены герметизирующим клеем. Защитный экран прикреплен к PWB множества MCM в сборе посредством адгезивного слоя. Использование защитного экрана, окошки которого закрыты герметизирующим клеем, является разумным решением для предотвращения скопления краски между смежными MCM.
[018] Помимо или в качестве альтернативы, чтобы предотвратить проникновение краски в пространство между MCM в сборе, MCM в сборе герметично уплотнены герметизирующим составом, за исключением передних поверхностей MCM в сборе.
[019] Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения печатающая штанга содержит уплотнительный блок, расположенный на опорном элементе и составленный из количества металлических рамок, равного количеству MCM в сборе. Эти металлические рамки окружают MCM в сборе и включают герметизирующий состав вокруг MCM в сборе. Металлические рамки соединены вместе с металлическим плечом (40). Вышеупомянутый уплотнительный блок обеспечивает барьер для герметизирующего состава на внешнем периметре множества MCM в сборе, укрепление общей конструкции и предотвращение распространения герметизирующего состава по всей поверхности опорного элемента. Кроме того, толщина материала плеча частично занимает зазор между смежными MCM в сборе, что еще больше снижает количество герметизирующего состава, необходимого для заполнения пустого пространства между MCM в сборе.
[020] Далее настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые цифры представляют одинаковые элементы на разных фигурах и на которых проиллюстрированы основные аспекты и признаки настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация печатной платы (PWB).
На фиг. 2 проиллюстрирован вид сверху PWB, собранной на MCM.
На фиг. 3A-B представлена более подробная иллюстрация соединения контактных площадок кремниевого чипа с соответствующим площадками PWB, как на виде сверху (фиг. 3A), так и на виде в поперечном разрезе (фиг. 3B).
На фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация вида сбоку в разрезе PWB, изображенной на фиг. 2.
На фиг. 5 представлена схематическая иллюстрация MCM в сборе, расположенных на опорном элементе.
На фиг. 6 представлена схематическая иллюстрация MCM в сборе, расположенных на опорном элементе и охваченных защитным экраном.
На фиг. 7 проиллюстрировано поперечное сечение вдоль линии A-A фиг. 6, с защитным экраном, отделенным от поверхности PWB небольшим промежутком (фиг. 7A) или приведенным в контакт с PWB и прикрепленным посредством адгезивного слоя (фиг. 7B).
На фиг. 8 проиллюстрирован MCM в сборе с графитовой опорой, имеющей выступающий ободок.
На фиг. 9A-B проиллюстрирована компоновка PWB без углубленной области (фиг. 9A) и с углубленной полостью (фиг. 9B).
На фиг. 10 проиллюстрирована компоновка PWB относительно графитовой подложки.
На фиг. 11A-B проиллюстрирована PWB со встроенным гибким кабелем, где PWB проходит за графитовой подложкой (фиг. 11A), и где жесткая часть PWB завершается непосредственно перед краем графитовой подложки (фиг. 11B).
На фиг. 12 проиллюстрирован вариант осуществления с использованием герметизирующего состава, окружающего множество MCM в сборе.
На фиг. 13 схематически проиллюстрирован уплотнительный блок.
На фиг. 14 проиллюстрирован вариант осуществления с использованием уплотнительного блока, собранного на опорном элементе.
Подробное описание
[021] Для увеличения длины полосы в печатающей головке возможным решением является выравнивание множества кремниевых чипов на одной подложке с формированием мультичипового модуля (MCM) для получения эффективной большей полосы печати.
[022] Материал подложки должен быть жестким, чтобы избежать возможного опасного изгиба, который может повредить кремниевые чипы, а его коэффициент теплового расширения (CTE) должен быть близок к CTE кремния, чтобы предотвратить возникновение большого напряжения после сборки. Он должен легко обрабатываться, чтобы обеспечить плоскую поверхность для крепления чипа и всех деталей для сборки: пазы для краски для подачи краски с тыльной стороны, корпуса втулок для крепления MCM к внешней опоре, траншеи для размещения гидравлического клея и т. п. Спеченный графит является подходящим материалом для этой цели: он удовлетворяет всем указанным требованиям и к тому же является дешевым. Пластины из спеченного графита доступны, например, от компании TOYO TANSO - Осака (Япония). Возможным недостатком спеченного графита является его пористость, которая позволяет материалу впитывать краску, особенно при использовании красок на основе растворителей. Однако применение подходящего герметизирующего средства и химически совместимого клея, такого как, но без ограничения, описанные в документах WO 2017198819 A1 или WO 2017198820 A1, позволяет прикрепить кремниевый чип к графитовой подложке после обработки герметизирующим средством.
[023] Согласно настоящему изобретению печатная плата (PWB) закреплена на графитовую подложку MCM для обеспечения электрического соединения с множеством кремниевых чипов. Кремниевые чипы собраны на графитовой подложке, термомеханическая стабильность которой позволяет поддерживать соответственное положение и выравнивание эжекторных элементов, в то время как PWB обеспечивает электрические соединения с внешним контроллером. Если бы кремниевые чипы были непосредственно собраны на PWB, их низкая термомеханическая стабильность помешала бы стабильному расположению эжекторных элементов, что отрицательно сказалось бы на качестве печати.
[024] Как проиллюстрировано на фиг. 1, PWB 10 имеет подходящие отверстия 11, которые оставляют поверхность кремниевых чипов открытой без какого-либо препятствия.
[025] На фиг. 2, на которой изображен вид сверху PWB, собранной на MCM, внешний профиль нижележащей графитовой подложки 4 обозначен пунктирной линией 12. Внешний профиль MCM полностью лежит во внутренней области PWB, для ясности, но может быть принята другая геометрия, не отходя от основной концепции.
[026] Как проиллюстрировано на фиг. 3A (вид сверху) и 3B (вид в поперечном разрезе), контактные площадки 9 на кремниевом чипе приведены в контакт с соответствующими контактными площадками 13 на PWB, которые размещены сразу за границей отверстий, используя метод проволочного монтажа, который создает электропровода 14 между двумя рядами контактных площадок.
[027] В варианте осуществления верхняя поверхность PWB может быть покрыта тонким слоем подходящего резиста для пайки (не показан на чертежах), чтобы защитить плату как электрически, так и механически. В этом случае площадки 13 остаются открытыми, чтобы обеспечить дальнейшее соединение электропроводов.
[028] PWB 10 прикреплена к графитовой подложке 4 через подходящий слой адгезивного клея, способного уплотнять две части, предотвращая возможное проникновение краски между ними. Адгезивный клей можно наносить по периметру каждого кремниевого чипа, охватывая как кремниевый чип, так и край отверстия в PWB. Кроме того, как упоминалось выше, адгезивный клей может быть выбран таким, чтобы он был устойчивым к растворителям, в частности к органическим растворителям, что делает модуль подходящим для использования с красками на основе растворителей.
[029] На фиг. 3B показан еще один сегмент адгезивного клея 15, нанесенного после метода проволочного монтажа в полости между кремниевым чипом 5 и PWB 10. Адгезивный клей включает площадки 9 и 13, а также соединительный провод 14, обеспечивая как электрическую, так и механическую защиту. При наличии резиста для пайки, адгезивный клей 15 должен быть распределен так, чтобы он распространялся также по части слоя резиста для пайки за пределы контактных площадок.
[030] Вид сбоку в разрезе объекта, изображенного на фиг. 2, схематично показан на фиг. 4. На нижней поверхности многослойной PWB 10 прикреплен жесткий соединитель 16, чтобы передавать электрические сигналы к внешнему контроллеру. На виде сверху на фиг. 2 нижележащий жесткий соединитель 16 представлен пунктирной линией 17. Элемент, состоящий из графитовой подложки 4 MCM, в которой размещены кремниевые чипы, и PWB 10, соединенной проволочным монтажом с кремниевым чипом, образует MCM в сборе.
[031] В системе печати определенное количество MCM в сборе расположено на подходящем опорном элементе, где сходятся все электрические и жидкостные соединения.
[032] На фиг. 5 проиллюстрирован опорный элемент 18, в котором размещены MCM 19 в сборе, и который, в свою очередь, прикреплен к корпусу печатного оборудования. MCM в сборе прикреплены к опорному элементу, таким образом, что их внешние поверхности, в которых размещены сопла, лежат на одной и той же плоскости.
[033] Проиллюстрированный выше вариант осуществления был разработан специально для использования с красками на водной основе. Фактически, как показано на фиг. 5, во время длительной операции печати возможное скопление краски в области 20 между смежными MCM в сборе может вызвать застой жидкости и, как следствие, риск протекания краски на нижележащий печатный носитель. Кроме того, скопление краски может достигать тыльной стороны MCM в сборе, где размещены жесткие электрические соединители, и вызывать короткие замыкания между различными сигналами.
[034] Как проиллюстрировано на фиг. 6, одним решением является нанесение защитного экрана 21, оснащенного подходящими окошками 24, совпадающими с периметрами кремниевых чипов MCM в сборе. Граница окошек 24 защитного экрана должна быть уплотнена герметизирующим клеем, который также входит в контакт с поверхностью PWB. Пунктирная линия 23 соответствует нижележащим MCM в сборе, в то время как герметизирующий клей 29 проиллюстрирован на фиг. 7, где изображено поперечное сечение по линии A-A на фиг. 6. Защитный экран либо может быть отделен от поверхности PWB небольшим пространством 30 (фиг. 7A), либо может быть приведен в контакт с PWB и прикреплен посредством адгезивного слоя 31 либо по всей поверхности, либо в выбранных областях (фиг. 7B). На фиг. 7 также показан паз 26 для подачи краски графитовой подложки 4 и соответствующий паз 28 для подачи краски в кремниевом чипе, которые находятся в жидкостном сообщении друг с другом.
[035] Как проиллюстрировано на фиг. 8, форма графитовой подложки 4 является такой, что выступающий ободок 32, который окружает паз 26 для подачи краски, используется в качестве основы, на которую наносится кремниевый чип. Поскольку уровень поверхности печатающей головки может быть представлен выше, чем поверхность защитного экрана, первая может быть расположена на оптимальном расстоянии по отношению к печатному носителю без каких-либо препятствий для защитного экрана. Поскольку графит легко обрабатывать механическим инструментом, выступающий ободок можно получить быстрым и дешевым способом.
[036] Как показано в поперечном разрезе на фиг. 9, многослойная PWB реализована таким образом, что контактные площадки PWB, соответствующие тем, которые присутствуют на поверхности кремниевого чипа, могут быть выполнены на углубленной части поверхности PWB. Таким образом, максимальное возвышение соединительных проводов, реализуемое в процессе проволочного монтажа, по отношению к поверхностям MCM в сборе уменьшается по сравнению со случаем, когда контактные площадки PWB выполнены на верхней части поверхности PWB.
[037] На фиг. 9B проиллюстрирована PWB 10 с контактными площадкам 13, размещенными в углубленную область 33. Провод 14 и герметизирующий клей 15 достигают максимального уровня возвышения, который ниже, чем на фиг. 9A, где углубленная область 33 отсутствует, а контактные площадки 13 лежат на верхней части поверхности PWB. Эта особенность еще больше уменьшает ограничение минимального расстояния между поверхностью печатающей головки и печатным носителем и позволяет приблизиться к оптимальному значению для качества печати.
[038] Использование подходящего количества адгезивного клея для приклеивания PWB 10 к графитовой подложке 4, как упомянуто выше, позволяет точно регулировать уровень поверхности PWB во время сборки.
[039] Как показано на фиг. 10, поскольку адгезивный клей 39 имеет определенную степень мягкости перед отверждением, PWB 10 можно разместить на графитовой подложке с контролируемым проникновением в материал адгезивного клея 39, следуя стрелке, чтобы точно настроить уровень его поверхности до желаемого положения.
[040] В дополнительном варианте осуществления, описанном в поперечном сечении на фиг. 11, PWB 10 выполнена таким образом, чтобы иметь гибкий кабель 34, встроенный в жесткую конструкцию PWB, электрически связанный с контактными площадками PWB, внешняя часть которых расширяется на определенную длину из жесткой конструкции PWB, завершающейся, в свою очередь, рядом контактных площадок 35, которые могут быть вставлены во внешнюю розетку 36, которая подключена к контроллеру печатного оборудования. В этом решении можно убрать соединитель 16 согласно фиг. 4, что позволяет MCM в сборе полагаться на герметичные электрические проводники, концевую часть которых, подключенную к внешнему соединителю, можно отвести далеко от части, которая находится в контакте с краской, через гибкий кабель подходящей длины. Таким образом предотвращается возможное отрицательное воздействие контакта между краской и электрическими проводниками.
[041] На фиг. 11A проиллюстрирован вариант реализации, в котором PWB 10 выходит за пределы графитовой подложки 4. На фиг. 11В проиллюстрирован альтернативный вариант реализации, в котором жесткая часть PWB 10 завершается непосредственно перед краем графитовой подложки 4. Это позволяет сгибать гибкий кабель 34 так, чтобы он оставался ближе к краю графитовой подложки 4, в более компактном расположении. В других реализациях жесткая часть PWB 10 может завершаться на самом краю графитовой подложки 4, или последняя может быть закруглена, чтобы облегчить изгиб гибкого кабеля 35.
[042] В дополнительном варианте осуществления защитный экран 21, который охватывает все MCM в сборе, размещенные на опорный элемент 18, как проиллюстрировано на фиг. 6, могут быть устранены. Для предотвращения проникновения краски в пространство 20 между MCM в сборе, как показано на фиг. 5, подходящий герметизирующий состав может быть налит в пространство 20 и в область, окружающую множество MCM в сборе, как показано на фиг. 12. MCM в сборе герметично уплотнены герметизирующим составом 37, оставляя незагороженными передние поверхности для печати. Для этой цели внешний профиль как графитовой подложки, так и PWB следует отрегулировать так, чтобы оставить меньшее и, возможно, одинаковое расстояние между смежными MCM в сборе, чтобы минимизировать количество герметизирующего состава, необходимого для обеспечения герметичности всей конструкции.
[043] На фиг. 13 схематически проиллюстрирован уплотнительный блок 38. Он представляет собой металлическую конструкцию, которая прикреплена к опорному элементу 18 и имеет такую форму, чтобы окружить MCM в сборе. Он состоит из ряда рамок, равного числу MCM в сборе, размещенных на опорный элемент 18. Рамки состоят только из внешнего профиля и полностью лишены материала во внутренней области 41, чтобы иметь возможность размещать внутри множество MCM в сборе. Рамки, которые связаны со смежными MCM в сборе, соединяются вместе с металлическим плечом 40, так что все рамки вместе образуют цельный уплотнительный блок 40. После вставки между MCM в сборе и крепления к опорному элементу 18, уплотнительный блок 38 обеспечивает барьер для герметизирующего состава на внешнем периметре множества MCM в сборе, укрепление общей конструкции и предотвращение распространения герметизирующего состава по всей поверхности опорного элемента 18. Кроме того, толщина материала плеча 40 частично занимает зазор между смежными модулями, что еще больше снижает количество герметизирующего состава, необходимого для заполнения всего пустого пространства.
[044] На фиг. 14 проиллюстрирован уплотнительный блок 38, собранный на опорном элементе 18. Уплотнительный блок 38 окружает MCM в сборе и проникает в пространство между смежными модулями. Герметизирующий состав 37 остается заключенным во внутренней области уплотнительного блока, заполняя все доступное пространство. Для простоты показан опорный элемент, содержащий только два MCM в сборе, но концепция, очевидно, может быть распространена на любое количество модулей в сборе и даже на один модуль в сборе.
[045] Некоторые из описанных вариантов осуществления можно использовать альтернативно, согласно удобству в отношении рабочих условий, в то время как некоторые другие варианты осуществления могут быть объединены вместе для получения чрезвычайно производительного печатного оборудования, что может быть легко понятно специалистам в данной области техники. К примеру, выступающий ободок 32, контактные площадки 13, размещенные в углубленной области 33 PWB 10, встроенный гибкий кабель 34, герметизирующий состав 37 и уплотнительный блок 38 можно использовать вместе в фактическом варианте реализации. PWB 10 может быть прикреплена к графитовой подложке 4 с помощью адгезивного клея 39, и уровень ее верхней поверхности может быть отрегулирован таким образом, чтобы она был равна уровню верхней поверхности печатающих головок, тем самым формируя систему печати с длинными полосами с высоким качеством печати и надежностью.
[046] Предлагаемое решение для мультичипового модуля в сборе и соответственной печатающей штанги согласно настоящему изобретению оказывается простым и малозатратным.
[047] По сравнению с другими известными мультичиповыми модуля в сборе настоящее изобретение обеспечивает технологически эффективный, малозатратный, безопасный и простой способ реализации электрических контактов для повышения электрической и механической надежности мультичипового модуля в сборе, а также для обеспечения высокого качества печати на оборудовании для печати с помощью указанного модуля.
[048] Вышеуказанный предмет изобретения следует считать иллюстративным, а не ограничивающим, и он служит для лучшего понимания настоящих изобретений, определяемых независимыми пунктами формулы изобретения.