Tintendrucktechnologie
Paradigma und Motor der Mikrosystemtechnik

Nachdem sie jahrelang ein Schattendasein neben den dominierenden Nadel- und Laserdruckern führten, von vielen wegen ihrer Unzuverlässigkeit und Empfindlichkeiten gar nicht ernst genommen wurden, haben sie inzwischen die gesamte Konkurrenz überrollt: die "Tintendrucker" (Wohlgemerkt nicht Tintenstrahldrucker, wie immer noch einige diese Drucker nennen. Denn: Tintenstrahldrucker arbeiten nach dem Continuous-Jet-Verfahren und werden vornehmlich zum Markieren und Kodieren eingesetzt [1,10].).

Der Markterfolg der Tintendrucker kommt nicht von ungefähr: Haben sie doch längst ihre Kinderkrankheiten überwunden und können heute Ihre Vorteile ausspielen: Sehr gute Druckqualität, preiswert, geräuscharm, portabel, kein Ozonausstoss, wenig Energiebedarf und deshalb sehr umweltfreundlich. Und wer miterlebt hat, wie sich Farbe schon bei Fotografie, Fernsehen und am PC-Monitor durchgesetzt hat, und weiß, dass sich nur mit Tinte gut und preiswert farbig drucken lässt [9], wird erst recht nicht an der Zukunft dieser Technik zweifeln.

Das Geschäft mit Tintendruckern boomt seit ein paar Jahren, gleichwohl inzwischen leider ohne deutsche Beteiligung! Dabei haben Deutsche, wie nicht nur bei Fotografie, Fax und Computer, hier die Pionierleistung vollbracht. Es war das Haus Siemens mit einer Gruppe um Prof. Heinzl (heute Technische Universität München) dem es erstmals gelang, ein "Drop-on-Demand-Prinzip", damals noch mit piezoelektrischen Aktoren [8], marktreif zu entwickeln [2] (Bild 1 und 2). So wurde mit dem PT 80i schon 1977 der erste Tintendrucker vorgestellt. Selbst für Insider war er eine Revolution, schaffte er es doch mit "nur" zwölf Düsen, immerhin 270 Zeichen in der Sekunde nahezu geräuschlos zu drucken.

Der PT 80i war jedoch schon der Anfang vom Ende in Deutschland. Die Leidensgeschichte des deutschen Tintendrucks dauerte freilich noch 16 Jahre. Gerade weil man in der Pionierzeit noch ohne ernsthafte Konkurrenz war, ansehnliche Stückzahlen herstellte und gute Preise erzielte, glaubte man im oberen Siemens-Management lange Jahre nicht an die Zukunft des Tintendrucks. Als dann ab 1984 Tintendrucker zunächst von Epson (SQ-2000 ebenfalls mit piezoelektrischen Aktoren) und kurz darauf von Hewlett Packard (ThinkJet) und Canon (BJ-80) mit der bahnbrechenden "Bubble-Jet-Technologie" auf den Markt kamen, schaffte man es hier nicht mehr, den Anschluss zu finden, war man doch mit der eigenen "Piezoröhrchen-Technik" zehn Jahre lang keinen Schritt weitergekommen.

Trotz eines (restriktiven) Lizenzvertrages mit Canon scheiterten zunächst Siemens und nach Betriebsübergängen des Druckerwerkes auch Mannesmann und Kodak, in Deutschland erfolgreich Tintendrucker zu produzieren. Ende 1993 schließlich schloss die Eastman Kodak Company, Rochester die Inkjet Systems GmbH & Co.KG, die als Rest der ehemals führenden deutschen Tintendrucktechnologie übriggeblieben war. Parallele Versuche in Deutschland von Philips und Olympia, auf diesem Gebiet Fuß zu fassen, misslangen ebenfalls.

Thermoelektrische Tintendruckwerke (Bubble-Jet)

Wie Bild 3 zeigt, hat die Tintendrucktechnologie in ihrer fünfzigjährigen Geschichte eine Menge verschiedener Prinzipien hervorgebracht. Wieso haben sich gerade die Druckwerke mit thermoelektrischen Wandlern (gemeinhin Bubble-Jet genannt) durchgesetzt? Hatte anfangs noch mancher Entwickler von Piezodruckwerken geschmunzelt, als ihm ab 1977 die ersten Bubble-Jet-Patente aus Japan auf den Tisch kamen, sollte ihnen jetzt das Lachen vergehen, denn Tintendrucker mit Bubble-Jet-Druckköpfen eroberten in wenigen Jahren die Verkaufshitparaden. Warum aber war dieses Verfahren so genial und revolutionär? Nun, wie eigentlich immer in solchen Fällen, lag es vor allem an den Herstellkosten... Mussten die Piezodruckwerke, in Design und Herstellung nicht konsistent, mehr oder weniger mühsam aus vielen Einzelteilen zusammengebaut werden, so werden die Bubble-Jet-Tintendruckköpfe als Chips auf Siliziumwafern zu Hunderten in Dünnfilmtechnik hergestellt [4,5].

Die Herstellprozesse der Dünnfilmtechnik [3] überschneiden sich weitgehend mit denen der Halbleitertechnik. Tintenkanäle, Düsen, Aktoren und elektrischen Leitungen entstehen, indem man wechselweise auf den Wafern Schichten aufbringt (z. B. durch Sputtern oder CVD-Prozesse) und diese Schichten anschließend strukturiert. Dazu wird zunächst auf die Wafer ein lichtempfindlicher Lack aufgeschleudert und über eine Maske örtlich belichtet. An den belichteten Stellen lässt sich der Lack (Positivresist) partiell entfernen. Durch den Lack nicht mehr geschützt, lassen sich dort danach neue Schichten aufbauen oder die darunterliegende(n) Schicht(en) wegätzen.

Auf diese Weise entstehen nach insgesamt weit mehr als hundert solcher Fertigungsschritte auf einem Wafer gleichzeitig viele Bubble-Jet-Chips (Bild 4, 5 und 6). Alle Strukturen müssen auf den tausendstel Millimeter in sich und relativ zueinander genau sein. Jede kleinste Verunreinigung bei der Herstellung führt zum Ausfall, weshalb man Bubble-Jet-Chips in vergleichbaren Reinräumen und mit den gleichen Maschinen herstellen muss, wie sie in der Halbleiterfertigung üblich sind.

Es liegt auf der Hand, dass sich durch die gleichzeitige, teilweise automatische Bearbeitung vieler miniaturisierter Chips auf einem Wafer die Herstellkosten trotz hoher Investitions- und Entwicklungskosten1 für Reinräume und Maschinen drastisch reduzieren lassen. Nur noch die Chipfläche, die Zahl und Art der Prozesse, die Stückzahl und Fertigungsausbeute, hingegen jedoch nicht die Düsenzahl und Druckauflösung des Bubble-Jet-Chips, bestimmen seine Kosten. So kostet ein moderner 300 dpi-Druckkopf mit mehr als hundert Düsen heute weniger als ein Zehntel eines früheren mit nur zwölf Piezoröhrchen.

Da Bubble-Jet-Druckköpfe, wie beschrieben, in vielen Schritten auf die gleiche Weise wie Integrierte Schaltungen hergestellt werden, ist es naheliegend, letztere gleich mit in den Chip zu integrieren, den Chip also zum Mikrosystem zu machen. Canon ging hier mit einer integrierten Diodenmatrix in den Druckköpfen des BJ-10e und CLC-10 den ersten Schritt. Xerox folgte 1993 mit einem komplett integrierten Serien-Parallelwandler und Leistungsverstärkern in seinem Druckkopf mit 128 Düsen. Es ist anders auch kaum vorstellbar, wie die vielen Aktoren des Xerox-Druckkopfes alle einzeln elektrisch angeschlossen werden sollten.

Funktion

Die Bildsequenz 7 zeigt schematisch wie eine Bubble-Jet-Düse schnell fliegende Tropfen erzeugt. Zunächst wird das winzige Heizelement, von dem fast 50 Tausend auf einem Pfennigstück Platz fänden, wenige Mikrosekunden bestromt, wodurch es sich augenblicklich auf etwa 500 °C (!) erhitzt. An der Grenzfläche zur Tinte werden dabei immerhin noch über 300 °C erreicht [6,7]. Somit übertrifft ein Bubble-Jet-Heizelement die Flächenheizleistung der Sonnenoberfläche um das zwanzigfache, weshalb ein nur wenige Mikrosekunden zu langer Impuls das Heizelement sofort zerstören würde.

Schlagartig beginnt die Tinte über dem Heizelement in einem feinen Film zu sieden, woraus sich nach 15 µs eine geschlossene Dampfblase bildet. Dadurch, dass mit der Blasenbildung der Wärmestrom vom Heizelement zur Tinte fast vollständig unterbrochen wird, hat das Bubble-Jet-System selbstregelnde Eigenschaften - ein wichtiger Vorteil dieses Prinzips. Die Dampfblase treibt mit hohem Druck (bis 10 bar) einen Tintentropfen aus der Düse, wobei Fluggeschwindigkeiten von 10 m/s und darüber die Regel sind (Bild 8). Nach maximal 40 µs ist die Blase wieder in sich zusammengefallen (kollabiert), doch dauert es fast 200 µs, bis neue Tinte durch Kapillarkräfte nachgesaugt worden ist.

Bild 9 stellt die zwei Bubble-Jet-Varianten dar, die es von Beginn an gab. Der Systemerfinder Canon entschied sich wie Xerox für den Edgeshooter. Fast zeitgleich entwickelte Hewlett-Packard den Sideshooter [4,5], den baugleich derzeitig auch Olivetti herstellt. Tabelle 1 listet einige aktuelle Druckköpfe dieser vier Hersteller auf:

Der Edgeshooter spritzt seine Tropfen, wie der Name schon ausdrückt, um die Ecke, also senkrecht zur Entstehungsrichtung der Blasen aus. Beim Sideshooter, bei dem sich über den Heizelementen und Tintenkanälen eine Düsenplatte befindet, bewegen sich Blase und Tropfen gleichgerichtet. Durch die homogene Düsenplatte gelingt es beim Sideshooter viel einfacher und sicherer als beim Edgeshooter, definierte Benetzungsverhältnisse an den Düsenlöchern herzustellen. Beim Edgeshooter dagegen bestehen die Düsenränder aus den unterschiedlichsten Materialien, die sich auch erst nach dem Heraussägen aus dem Wafer entnetzend beschichten lassen.

Auf der anderen Seite benötigt der Sideshooter mehr Düsenfläche, was insbesondere bei zukünftigen Vieldüsensystemen mit höheren Auflösungen zu Problemen führen könnte. Außerdem prallt die Tinte nach dem Kollabieren der Dampfblase mit voller Wucht auf die Oberfläche des Heizelements, weshalb die Lebensdauer der Sideshooter-Druckköpfe im allgemeinen geringer ist als die der Edgeshooter. Für alle Bubble-Jet-Systeme gleichermaßen gelten sehr hohe Anforderungen an die Tinten - viel höhere als bei Piezosystemen. Wegen der hohen Temperaturen und des Funktionsprinzips werden bisher fast nur auf Wasserbasis gemischte Lösemitteltinten eingesetzt.

Vergleich Piezo-Jet - Bubble-Jet

Selbst wenn man nur eine einfache Klasseneinteilung der einigermaßen erfolgreichen Tintendruckverfahren vornimmt, lassen sich fünf unterschiedliche Systeme mit piezoelektrischen Wandlern und zwei mit thermischen Wandlern aufzählen (Bild 3). Tabelle 2 vergleicht sie in ihren wesentlichen Merkmalen.

Der scheinbare Piezovorteil, lange Lebensdauer zu versprechen, ist trügerisch. Im rauhen Alltagsbetrieb kann ein Druckkopf schon einmal beispielsweise durch Papierstau oder Umwelteinflüsse so beschädigt werden, dass ein Austausch nötig wird. Ein Ersatzpiezodruckkopf kostest jedoch beinahe soviel wie der ganze Drucker, also zehnmal soviel wie die der Bubble-Jet-Konkurrenz.

Optimierung der Tintendrucktechnik

Fragt man Kunden und Hersteller, was sie von der zukünftigen Entwicklung des Tintendrucks erwarten, so erhält man ganz unterschiedliche Antworten:

Kunden interessieren sich für:

• bessere (Druck)qualität
• bessere Leistungsmerkmale (z. B. Farbe)
• höhere Druckgeschwindigkeit
• niedrige Preise

Die Hersteller wollen dagegen:

• niedrige Herstellkosten
• Nutzung eigener Schutzrechte und Know-hows
• eigene Produkt- und Technologiekontinuität
• Verfügbarkeit und Sicherheit der Herstellprozesse
• minimale externe Abhängigkeit

Außerdem ist es "Öffentliches Interesse":

• Know-how in Deutschland bzw. Europa aufzubauen und zu halten,
• technologisch Spitze zu sein,
• hohe Wertschöpfung,
• beschäftigungswirksame Produktionen und
• umweltverträgliche Produkte und Produktionsprozesse zu haben.

Heute bekannte Tintendrucktechnologien erfüllen viele dieser Forderungen nur unzureichend. Wo heute mit 50 Düsen und 300 dpi in schwarzweiß noch leidlich schnell gedruckt werden kann, sollen morgen in der gleichen Zeit bei farbigen 600 dpi 16-mal (!) so viele Punkte gedruckt werden können. 1000 Düsen (Aktoren) in einem Tintendrucker müssen in wenigen Jahren dann eher die Regel als die Ausnahme sein.

Klar, dass das weder mit konservativer Bubble-Jet- und schon gar nicht mit der Piezotechnik herstell- und vor allem bezahlbar bleibt.

Konsistenz in Design und Herstellung

Es ist deshalb schon in der Entwurfsphase eines neuen Tintendruckkopfes auf seine Konsistenz in Design und Herstellung zu achten, d. h., dass sowohl seine Konstruktionselemente als auch die dazu notwendigen Herstellprozesse zu den geforderten Leistungsmerkmalen passen.

Beim Design ist deshalb folgendes anzustreben:

• subminiaturisierte Konstruktionselemente
• (sehr) wenige teuere Teile
• enge Toleranzen nur in einem Teil
• integrierte Ansteuerung
• integrierte Selbstüberwachung
• geringe Anzahl von Anschlusskontakten
• umweltfreundliche Materialien

Für die Herstellung ist gefordert:

• mikromechanische Fertigungsprozesse
• planare Herstellprozesse
• (chemo)physikalische Verbindungstechniken
• möglichst kein Kleben
• keine spanende Bearbeitung
• weitgehende Fertigung im Nutzen (z. B. auf Wafern)
• automatische Fertigung

Tabelle 3 zeigt jedoch, dass es mit der Konsistenz bei den zur Zeit verfügbaren Tintendruckköpfen nicht weit her ist. Dadurch wird die Fertigung fehleranfällig, was die Ausbeute senkt und die Kosten nach oben treibt. Mit den konservativen Techniken wäre es auch viel zu riskant, Druckauflösung und Düsenzahl noch deutlich weiter zu steigern. Den einzig denkbaren Weg aus diesem Dilemma bietet die Mikrosystemtechnik.

Mikrosystemtechnik beim Tintendruck bedeutet, die schon heute bei Bubble-Jet-Chips übliche Fertigung in Dünnfilmtechnik durch mikromechanische Fertigungsschritte [3], wie z. B. das anisotrope Siliziumätzen, und die Integration von elektrischen Schaltungen zu ergänzen.

Durch die Mikromechanik gelingt es, besser als allein durch Dünnfilmtechnik, räumliche Strukturen (Düsen, Kanäle) herzustellen. Mit der Integration von elektronischen Leistungsschaltern, Serien-Parallel-Wandlern und Sensoren lässt sich zunächst die Zahl der Anschlusskontakte und damit der Flächenbedarf enorm reduzieren, und dennoch gleichzeitig die Funktionalität erhöhen. So sind beim Xerox-Kopf, dem weltweit ersten Mikrosystem-Tintendruckchip mit seinen 128 Düsen statt der sonst nötigen 140 Kontakte nur noch zehn (!) notwendig.

Kontakte und Leiterbahnen in Bubble-Jet-Tintendruckköpfen beanspruchen wegen der notwendigen Stromtragfähigkeit von etwa 200 mA viel Platz. Der Größenvergleich verschiedener Bubble-Jet-Chips in Tabelle 4 zeigt eindrucksvoll, wie sich durch die Mikrosystemtechnik der Flächenbedarf je Düse und damit die Herstellkosten reduzieren lassen.

1. Heinzl, J.; Hertz, C. H.: Inkjet printing. Advances in electronics and electron physics, Academic Press, New York, Vol. 65, S.91-171 (1985)
2. Heinzl, J.; Rosenstock, G.: Lautloser Tintendruck für Schreibstationen. Siemens-Zeitung 51 (1977) S.219-221
3. Heuberger, A. (Hrsg): Mikromechanik. Springer Verlag, Berlin 1991
4. Hewlett-Packard (Hrsg): Diverse Beiträge zum Bubble-Jet-Verfahren. Hewlett-Packard Journal, Bd.36, No. 5, 1985
5. Hewlett-Packard (Hrsg): Diverse Beiträge zum Bubble-Jet-Verfahren. Hewlett-Packard Journal, August 1988
6. Pöppel, J.: Sensor- und Aktoreigenschaften von Bubble-Jet-Heizelementen in Tintenschreibwerken. Dissertation Technische Universität München (1991)
7. Runge, W.: Berechnungsmodell thermischer Tintenschreibwerke. Dissertation Technische Universität München, Fortschritt-Berichte VDI Reihe 1, Nr. 219 (1993)
8. Wehl, W.: Akustik und Fluidmechanik in Kanälen und Düsen von Tintenschreibwerken. Dissertation Technische Universität München (1984) (Download als PDF-Datei  1,1 MB)
9. Wehl, W.: Farbe macht das Drucken schön. DOS International. 1991, 3, S.120-127
10. Wehl, W.; Bader, G.: Nur nicht kleckern (Tintendrucker: Von der Fontäne zur Mikrodüse). CHIP 1994, 8, S.104-112

Quellennachweis

Bild 2, 8: Lehrstuhl für Feingerätebau, Technische Universität München
restliche Bilder: Autor

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Interessante Tintendruck-Links

• PDF-Datei: Photographic Quality Imaging With HP Thermal Inkjet (Acrobat Reader erforderlich)

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