JP2004111223A - Heater, heater alignment and manufacturing method of the heater - Google Patents

Heater, heater alignment and manufacturing method of the heater Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heater, and a manufacturing method, with high function, with multi-layer integration easily attained and capable of a high-speed operation. <P>SOLUTION: The heater, as an example, is provided with an electric insulating board 1 with front and rear faces, a first and a second penetrating conductors 7, 8 exposed on the front face by penetrating the electric insulating board 1 and separated from each other by a prescribed distance, a resistor layer 3 formed on the front surface above and connecting the first and the second penetrating conductors, and a heat transfer body 10 arranged to pinch a prescribed part of the electric insulating substrate together with the resistor layer and with a larger coefficient of thermal conductivity than the electric insulating substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は概ね加熱装置に関し、特に集積容易な高速ヒータに関する。
【0002】
【従来の技術】
固体、液体、気体を問わず、それらを加熱する装置が多くの技術分野で必要とされている。特に、パルス状の加熱を行なうことで、非加熱対象に物理、化学的変化を生じさせ、もって他の物理、化学量の変化を生じさせ対象物体の制御を行なうことが行なわれる。例えば、加熱装置であるヒータにより、チャネル内に封入された流体を加熱膨張させて内圧を高め、その内圧によって他の流体を駆動する機構が用いられている。サーマルプリントヘッドのインク駆動手段や、導電性流体スイッチの接点開閉をおこなうチャネル内圧力制御手段がその例である。このような用途では、非加熱対象の加熱、冷却の両方を高速で行なえる高速熱応答ヒータが嘱望されている。
【0003】
さらに、近年電気・電子装置の小型、高密度化の要求もあり、高集積化に適するとして注目されつつある低温焼結多層セラミック基板やボールグリッドアレーを使用した回路に薄膜ヒータを実装あるいは集積する技術が研究されている。セラミック基板を多層セラミック基板としたり、回路をその裏面でボールグリッドアレーにより実装する場合には、一般に、当該セラミック基板1に層間接続用基板貫通導電体を作りこむ必要がある。
本明細書では、ヒータと周辺回路を含む回路を一体的にヒータと称することにする。
【0004】
特開昭62−168375号公報に記載の第1の従来技術において、サーマルヘッド用抵抗発熱体(ヒータ)100は、図1に示すように、電気絶縁性に優れるセラミック(アルミナ)基板1上に、ガラスグレーズ層2を塗布または印刷して焼成後、さらにガラスグレーズ層2上に発熱用の抵抗発熱体層3、電極4,5及び耐摩耗性保護層6を順次設けたものである。電極4,5間に電圧を印加して発熱部Sにおいて感熱色材リボンを加熱する構造となっている。ガラスグレーズ層2は断熱材の役割をはたし、ヒータの熱効率の向上を図り、省電力化が図られる。
【0005】
一方、特開平3−178460号公報に記載の第2の従来技術によるサーマルプリンタヘッドでは、第1の従来技術におけると同様の構造を有するものの,ガラスグレーズ層を省いた構造を有する。ガラスグレーズ層の断熱効果を代替発揮するため、セラミック基板の熱伝導率を低減している。セラミック基板をアルミナ基板とし、アルミナ成分比を通常より減じて、かわりに熱伝導率の小さい成分の比率を増やすことで、セラミック基板の熱伝導率を6程度まで小さくし、ガラスグレーズ層なしでも、低エネルギーでヒータを駆動できる。
【0006】
また近年、たとえば、特開2002−50869号公報に記載されているように、多層セラミック配線基板の製造技術が開発されており、各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等の基板として多用されている。
【0007】
【特許文献1】
特開昭62−168375号公報(第2頁、第1図)
【特許文献2】
特開平03―178460号公報(第2−3頁、第2−4図)
【特許文献3】
特開2002−50869号公報(段落2−6、16−39、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
第1の従来技術では、焼成、研磨したセラミック基板1上に、熱の伝導を抑止する厚みのあるガラスグレーズ層2を塗布または印刷して焼成するため、ガラスグレーズ層2の表面とセラミック基板1の表面間にはガラスグレーズ層2が介在することになる。そのため、ガラスグレーズ層2上の配線とセラミック基板1上の配線とは接続が困難となる。そこで、電極4,5に電圧を与えるためのバイアス配線は、ガラスグレーズ層2の表面内に制限される。一方で、基板貫通導電体はセラミック基板1焼成時に同時に作りこむため、ガラスグレーズ層2の表面に基板貫通導電体を延伸露出させることは通常のプロセスでは不可能である。したがって、基板1の裏面より基板貫通導電体を用いて給電するボールグリッドアレー基板を構成することは極めて困難となる。
第2の従来技術では、ヒータのオフ時の冷却を考えると、アルミナ基板自体の熱伝達性能が低下しヒータの冷却時間が長引き、ヒータの高速応答、高速繰り返し動作は期待できない。
【0009】
したがって、本発明の第1の目的は、高機能、多層集積化が容易で、高速動作が可能なヒータと該ヒータの製造方法を提供することである。
また、本発明の第2の目的は、製造コストが低いヒータと該ヒータの製造方法の提供である。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための、本発明によるヒータの一例には、表面と裏面とを有する電気的絶縁基板と、前記電気的絶縁基板を貫通して少なくとも前記表面において露出する、相互に所定の距離だけ離隔した第1、第2の貫通導電体と、前記表面に形成されて、前記第1、第2の貫通導電体を接続する抵抗層と、前記電気的絶縁基板の所定部分を前記抵抗層とともに挟持するように配置され、前記電気的絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体とが備えられている。
そして、ヒータの発熱部からの熱を効率よく逃すために、前記伝熱体が前記電気的絶縁基板の前記裏面から該電気的絶縁基板の外部に露出するようにするのが好ましい。さらに、該露出部には放熱用の放熱端子を設けて、放熱効率を改善してもよい。
【0011】
前記電気的絶縁基板の前記所定部分の厚みは、前記抵抗層を発熱させるために前記第1、第2の貫通導電体からの供給電流の通電時間と該所定部分の熱拡散率との積に応じて決定されるようにするのが良い。そのための指針として、前記所定の部分の厚みH[m]が、前記通電時間をt[s]、前記所定部分の熱拡散率をa[m/s]としたとき、2√(3at)以下であるのが良い。
【0012】
前記電気的絶縁基板としては、セラミック多層絶縁基板が好ましく、前記第1、第2の貫通導電体のそれぞれが前記電気的絶縁基板の前記裏面に設けられた金属バンプとすれば、ボールグリッドアレーを構成することができて便利である。また、ヒータを前記電気的絶縁基板にヒータえお複数集積してヒータ配列とすれば、超小型高密度実装ヒータを実現できて有利である。
【0013】
本発明の別の一例では、発熱抵抗体を搭載して該発熱抵抗体に通電して発熱するためのヒータを製造するための方法が与えられる。該方法には、 第1、第2の貫通孔と非貫通穴とを有する電気的絶縁基板を用意する第1の工程と、前記第1、第2の貫通孔に第1、第2の貫通導電体材料を充填し、前記非貫通穴に伝熱体材料を充填する第2の工程と、前記第1、第2の貫通導電体材料と前記伝熱体材料を前記電気的絶縁基板に固定してそれぞれ第1、第2の貫通導電体と前記電気的絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体とを形成する第3の工程と、前記発熱抵抗体を前記非貫通穴の底に最も近い前記電気的絶縁基板の面上に設けて前記第1、第2の貫通導電体に結合する第4の工程とが含まれる。
【0014】
前記電気的絶縁基板としては、セラミック等の多層絶縁基板とする場合には、複数の単層絶縁基板を積層して成る電気的絶縁基板に発熱抵抗体を搭載する方法が好適である。該方法には、前記単層絶縁基板の全てを整列して貫通する第1、第2の貫通孔を前記単層絶縁基板の全てに設ける第1の工程と、少なくとも第1の前記単層絶縁基板を除く前記単層絶縁基板に第3の貫通孔を設ける工程で、前記第1、第2の貫通孔を整列させたとき、全ての前記第3の貫通孔も整列するようにする第2の工程と、前記第1、第2の貫通孔に第1、第2の貫通導電体材料を充填し、前記第3の貫通孔に伝熱体材料を充填する第3の工程と、前記第1、第2の貫通孔を整列させて前記第1の単層絶縁基板が前記第3の貫通孔を閉止して非貫通穴を形成する状態で全ての前記単層絶縁基板を固定して一体化し、それぞれ第1、第2の貫通導体と前記電気的絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体とを形成する第4の工程と、前記発熱抵抗体を前記非貫通穴の底に最も近い前記第1の単層絶縁基板の表面に設けて前記第1、第2の貫通導電体に結合する第5の工程とが含まれる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例の説明において、以下で参照する図1−3に描かれたヒータの各部の寸法は、該説明の便宜のため、実際のヒータの寸法比を反映したものとはなっていない。
図1を参照して、前記第1、第2の従来技術についての新たな知見を説明する。
第1の従来技術の抵抗発熱体を有するヒータ100では、セラミック基板1の熱伝導率が、ガラス基板のそれに比べて、10倍から20倍程度もあり、セラミック基板1のみではガラス基板にくらべ加熱にエネルギー、即ち電力と時間がかかる。そのため、抵抗発熱体100は熱伝導率の小さいガラスグレーズ層2を抵抗発熱体層3とセラミック基板1との間に設けてヒータの熱効率を改善したものである。
また、抵抗発熱体層3を高速動作が可能な熱容量の小さい薄膜で製作する場合には、基板表面が十分平坦である必要があるが、ガラスグレーズ層2はセラミック基板1の表面の凹凸を多い表面の平坦化も同時に実現する効果をも奏する。
【0016】
セラミック基板1としてヒータの高集積化高機能化に向けて低温焼結多層セラミック(LTCC)基板を用いた場合や、セラミック基板1の裏面においてボールグリッドアレー実装を行おうとする場合には、セラミック基板1に層間接続用基板貫通導電体を作りこむ必要がある。ところが、当該基板貫通導電体は当該セラミック基板1の焼成前の工程で基板に作りこみ焼成後の研磨で基板貫通導電体面をセラミック基板1面上に得ている。一方で、ガラスグレーズ層2の形成工程は材料の性質上セラミック基板1の焼成後になる。このため、ガラスグレーズ層2上の薄膜抵抗層である抵抗発熱体層3の電極4、5と当該基板貫通導電体を直接接続するのは、その製造工程上不可能である。したがって別の導電体配線を介してこれらを接続せねばならない。
【0017】
また、当該薄膜ヒータの加熱の熱応答を数ms程度とした場合、ガラスの熱的性質より、効率よく動作させるガラスグレーズ層2の厚みは数十μmから100μm程度以上となる。この厚みのガラスグレーズ層2上に形成された抵抗発熱体層3(ヒータ)の電極4,5とセラミック基板1上の配線との接続を行うには、グレーズのエッジ部分で厚みを徐々に変化させるか、もしくは、導電体厚膜工程を追加して、この接続部分に金属導電体ぺーストをガラスの厚み以上の厚みで付着させる接続導電体を形成する必要がある。前者は、厚みを徐々に変化させる製造工程追加によるコスト増を招く。さらに、厚みを徐々に変化させるための基板面積が余分に必要で、接続導電体の抵抗が損失となるといった問題がある、後者には、接続用厚膜導電体配線工程追加によるコスト増、印刷位置合わせ精度および導電性ペーストの流動性による位置精度の劣化など微細加工上の問題がある。
【0018】
一方、第2の従来技術においては、セラミック基板の熱伝導率を6程度まで小さくし、ガラスグレーズ層なしでも、低エネルギーでヒータを駆動できるようにしている。しかしながら、ヒータオフ時のヒータの冷却を考えると、基板自体の熱伝達性能が低下することで、高速応答、高速繰り返し動作は期待できないことが判明した。
【0019】
そこで、本発明の発明者は、ガラスグレーズ層なしでも、効率的且つ急速にヒータの温度上昇、下降を行なえる構造を考究した。その結果、ガラスグレーズ層なしとした場合も、ヒータオフ時には、ヒータの熱が熱伝達率のいい層まで到達するやにわかに熱拡散がおこる構造とすることで、ヒータの温度の急速な下降を実現し、高速駆動が可能なヒータを実現することができた。
上記の知見から触発されてなされた本発明を、以下において、本発明の実施例に則して説明する。
【0020】
図2は本発明の一実施例のヒータ200の断面図である。図2において、図1におけると同等の機能を有する構成要素には同一の参照番号が付されている。参照番号が同一であるといえども、それら同一参照番号を備える構成要素の素材や詳細構成などがすべて同一というのではない。図2において、電気的絶縁に優れる単層絶縁基板1には該基板1を貫通する基板貫通導電体7、8と非貫通の伝熱体10とが埋設されている。絶縁基板1の表面には電極4,5を結合部材として基板貫通導電体7、8を架橋するべく発熱抵抗層である薄膜抵抗層3が形成されている。そして、電極4,5と薄膜抵抗層3との双方はさらに、保護層6によって被覆される。絶縁基板1の裏面では基板貫通導電体7、8と伝熱体10とのそれぞれの下端に結合された金属導電体バンプ11、12、13が形成されている。導電体バンプ11,12を介して基板貫通導電体7、8間に駆動電圧が印加されると、電極4,5を介して薄膜抵抗層3にパルス電流が流れ、電極4,5間の薄膜抵抗層3(発熱部)が発熱する。非貫通の伝熱体10は薄膜抵抗層3との間に基板1の一部をはさんで薄膜抵抗層3の発熱部に接近している。駆動電圧をオン、オフして発熱部の発熱を制御する。薄膜抵抗層3を駆動するパルス電流は本実施例では矩形パルス電流である。
【0021】
絶縁基板1としては、セラミック素材にガラス成分を20%から70%まで混入焼成したガラスセラミック基板、ないしはポリイミド等の耐熱樹脂基板を用いることができる。ヒーター最高温度が200℃を越えるものについてはガラスセラミック基板、200℃以下で用いるものについては加工性にすぐれ、低コストの耐熱樹脂基板とするのが性能とコストの面で好ましい。薄膜抵抗層3は、絶縁基板1上に薄膜技術で成膜されたもので、厚みは0.5μm以下0.05μm以上の窒化タンタル、ニッケルまたはニクロム薄膜などである。特に、セラミック基板上でボイドの無い信頼性の高い、また精度の高い抵抗を得るためには厚さを0.5μm以上とするのが良い。窒化タンタルはヒーター抵抗安定性(長期安定性と抵抗値の熱温度係数の小ささ)を求める場合に用い、それ以外には、製造が容易なニッケルまたはニクロム薄膜を用いるのが好ましい。基板貫通導電体7、8間への電圧印加により、薄膜抵抗層3の発熱部がヒータとして動作する。絶縁基板1は低熱伝導率成分を多くしてあり、その熱伝導率は、好適には1〜6W/mK即ち、熱拡散率に換算すれば、約8×10−7〜5×10 m/sの範囲に調整される。このようにすれば、小さなエネルギーで発熱部を所望の温度に昇温することができる。つまりヒータ200において、低い駆動電圧印加で或いは短時間電圧印加で、或いは短時間低電圧印加により効率的にヒータ(発熱部S)を所望の温度まで上昇させることができる。
【0022】
薄膜抵抗層3の発熱部の直下で絶縁基板1の一部を介して配置される伝熱体10は、伝熱特性が絶縁基板より格段に優れていれば良く、必ずしも導電体や金属である必要はないい。伝熱体10は窒化アルミ粉や窒化ボロン粉を混ぜた樹脂やセラミックであっても構わない。しかしながら、基板貫通導電体7,8と同様な材料が作業上、性能上好適である。伝熱体10は絶縁基板1の裏面より埋め込まれ、伝熱体10の上端と絶縁基板1の表面と距離H(>0)だけ離れている。伝熱体10の上端の形状は、平坦であることが伝熱特性の均一性および製造上の理由からもっとも合理的である。本発明の一実施例では、伝熱体10を作り込むため、絶縁基板1に裏面より穴を穿ち、穴の底部に厚さHの部分を残留させるようにして、伝熱体10を該穴に挿入固定する。
【0023】
伝熱体10は、金属導電体バンプ13を介し、プリント基板や樹脂基板などに低い熱抵抗で接続される。厚みHは、絶縁基板1の熱拡散率とエネルギー注入をおこなうヒータのオン時間に依存する。ヒータのオン時間をt[s]、絶縁基板1の熱拡散率(thermal diffusivity)をa[m/s]とした場合、拡散距離2√(3at)以下とするのがよい。  ヒータのオン時間を1msとした場合、多くの実際的な基板材料に対して、Hはおおよそ20μmから300μmの間にある。実質的な効果を得るためには、Hを拡散距離の70%を下限とする範囲で、ヒータの用途により選ぶのがよい。多少駆動エネルギーを無駄にしても冷却を優先したいならHは小さ目に、駆動エネルギーを小さくしたいときはHを大き目に選べば良い。
勿論、厚みHを多数の異なる値とし、それについてヒータの熱応答を試験して実験的にたとえば高速応答の最適値を決めることもできる。また、ヒータのオン時間と最適Hの関係をプロットして利用することもできる。
【0024】
このような構造とすることで、ヒータのオン時間終了時には、薄膜抵抗層3より発生した熱波動の波頭が絶縁基板1内を伝熱体10の上端まで伝達し、ヒータがオフになるタイミング以降、伝熱体10より基板外部へ放熱される。このようにしてヒータのオン時の特性に影響を与えること無く、ヒータがオフ時に高効率の冷却効果が得られる。本構造により、加熱冷却の両方で、高速な熱的応答が実現できる。
なお、バンプ11−13は半田ボールやハンダペーストを熱印加して形成するのがもっとも一般的だが、常時高温等での耐熱性など求められる用途では、金バンプなどを用いるのが好ましい場合もある。バンプ11−13を用いてヒータをボールグリッドアレー構造とすることができる。
【0025】
図3に示す本発明の別の実施例では、図2における単層絶縁基板1を同様の材料によりLTCC基板などの多層絶縁基板構造とする。図2の絶縁基板1および基板貫通導電体7,8は複数層即ち複数の単層絶縁基板に分割されて、まず各層をグリーンシートとして形成した後、それら複数の層を積層して焼結し一体化している。図3にはこのようにして形成したヒータ300の断面図が示されている。
このような多層絶縁基板の製造方法は、たとえば前記特開2002−50869号公報(段落2−6、16−39、図1)に記載のように良く知られており、詳細は省略する。
【0026】
図3においても、図1、図2におけると同等の機能を有する構成要素には同一の参照番号が付してある。特に限定するものではないが、好もしい基板である低温焼結多層セラミック基板を採用する本発明の実施例について以下に説明する。単層絶縁基板を構成する各層と層数についても製造上の条件、回路上の条件、機構的な条件を満たすように適宜選べるものである。
まず基板最下部の第1層はセラミック素材にガラス成分を20%から70%まで混入焼成したガラスセラミック層1dと基板貫通導電体7d、8d、10dとを有する。また、適宜位置ずれ救済用のキャップ層7g、8g、10gを基板貫通導電体7d、8d、10dに付随させても良い。キャップ層はどちらにつけても構わないが、製造工程上の理由から下側の基板につけるのが一般的である。バンプ11−13は第1の実施例同様、半田ボールやハンダペースト等を熱印加して形成する。耐熱性など求められる用途では、前述のように金バンプなどで形成してもよい。
【0027】
第1層上の第2層は第1層と同様の材料、構成を有する。セラミック層1cと基板貫通導電体7c、8c、10cとを有する。また、適宜位置ずれ救済用の金属キャップ層7f、8f、10fを基板貫通導電体7c、8c、10cに付随させても良い。
第2層上の第3層は第1層、第2層と同様の材料、構成を有する。セラミック層1bと基板貫通導電体7b、8b、10bとを有する。また、適宜位置ずれ救済用のキャップ層7e、8e、10eを基板貫通導電体7b、8b、10bに付随させても良い。キャップ層はもともと位置ずれ吸収以外に基板導電体材料(焼成前はペーストや粉末状)が焼成などの工程で貫通孔から飛び出ることを防ぐもので、焼成時には基板導電体材料の上下に設ける。厚みは1〜10μm程度である。
【0028】
第3層上の第4層は第1層〜第3層とは異なる条件を満たす構成を有する。セラミック層1aと基板貫通導電体7a、8aのみを有する。また、位置ずれ救済用のキャップ層は基板貫通導電体7a、8aにおいては、焼成後の抵抗薄膜の形成前に除去される。所望の場合は救済用のキャップ層7e、8eを基板貫通導電体7a、8aに付随させてもよい。
第4層は第2図における厚みHとほぼ同じ最適厚みとなるように、焼成後、薄膜抵抗層3や電極4,5の作成前に研磨等で調整される。この研磨で第4層表面にあったキャップ層は取り除かれ厚みHの調整が行なわれる。
【0029】
上記第1層〜第4層は、基板貫通導電体7a、7b、7c、7dが相互に整列し、基板貫通導電体8a、8b、8c、8dが相互に整列し、基板貫通導電体10b、10c、10dが相互に整列するように位置あわせして順次積み重ねて固定され、焼結されて一体化される。即ち、焼結される材料や構造に依存するが、ほぼ800℃から2000℃の範囲にある焼結温度で粉末ペーストの固まりがいわゆる焼き物へ変化する。該一体化された基板において、基板貫通導電体7a、7b、7c、7dが図2の貫通導電体7と同等の貫通導電体を構成し、基板貫通導電体8a、8b、8c、8dが図2の貫通導電体8と同等の貫通導電体を構成し、基板貫通導電体10b、10c、10dが伝熱体10と同等の貫通導電体を構成する。
【0030】
上記一体化された基板の表面には、図2に係る実施例の場合と同様に、薄膜抵抗層3、電極4,5、保護層6が形成されるとともに、その仮面には基板貫通導電体7c、8c、10cと電気的に接続された金属導電体バンプ11,12,13がそれぞれ形成され、ヒータ300が得られる。本実施例では、第1層〜第4層に分かれた個別基板を積層した多層基板を用いるので、該積層により図2の伝熱体10の等価物が、別に、工程を追加することなく作りこまれる。図3の電極4,5と基板貫通導電体7a、8a、の接続は抵抗層を介しておこなわれる。導電性電極により、電流集中が避けられ、加熱部の抵抗値が規制される。
【0031】
また、基板貫通導電体10b、10c、10dの互いに接する面にも、導電体膜によるキャップ層10e、10f、10gを設けたので、個別基板の位置あわせが容易となる。尚、基板貫通導電体10b、10c、10dの径は、位置合わせ誤差も含めて径が重なり部分を十分にもつように太めとしておくのが良い。少なくとも、伝熱体10の上部表面が薄膜抵抗層3の発熱部の80%以上に重なるようにし、また、集積密度を低下させないためには、逆に、該発熱部が伝熱体10の上部表面の少なくとも80%に重なる程度に選択するが好適である。
また、セラミック層8a、8b、8c、8dは一般に同等の他の絶縁基板であっても良いことは明白である。
さらにまた、伝熱体10や基板貫通導電体10b、10c、10dは金属が好ましいが、絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体であれば良いのであり、導電体でも金属でもなくとも採用できることも明白であろう。
【0032】
【発明の効果】
以上実施例に即して説明したように、本発明の実施により、薄膜ヒータの電極と基板貫通導電体との接続に要する面積が小さく、また付加工程が少なく、微細加工に適したヒータ構造が得られる。
また、つまりヒータの加熱開始時には、効率的にヒータの温度上昇がなされ、ヒータの加熱終了後には、ヒータ層で発生した熱が熱伝達率のいい層まで到達しにわかに熱拡散がおこる構造とすることで、高速冷却が成される。
さらに、多数の抵抗層を同一絶縁基板に形成して、それら個々のヒータ要素をそれぞれの貫通導体から独立に駆動したり、電極を共通に用いたりすることは容易であり、そのように集積すれば、装置の小型化に資するヒータ配列が構成される。周辺電気回路等を混載することも容易であるが、半導体等を混載する場合は、基板の温度上昇に注意しなければならない。
抵抗層の駆動電流パルスの波形は実施例では矩形パルスとしたが、所望の加熱モードに即して整形することは容易である。
強度が十分な基板材を使用する場合は、図3における第4層のみを使用し、第1層〜第3層を省略できる場合もある。その場合は基板貫通導電体7a、8aにバンプが形成され図2において基板厚みを基板の挟持される部分の厚みとしたのと等価になる。勿論伝熱体は基板に接着されるか別の保持機構により基板に密着される。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガラスグレーズ層を有するセラミック基板上に形成された従来技術によるヒータの断面図である。
【図2】本発明の一実施例であるヒータの断面図である。
【図3】低温焼結多層セラミック基板を用いた本発明の別の実施例であるヒータの断面図である。
【符号の説明】
1、1a―1d  絶縁基板
2  ガラスグレーズ層
3  抵抗発熱体層
4、5  電極
6  保護層
7,8  基板貫通導電体,
7a―7d、8a―8d、10b―10d  基板貫通導電体
10  伝熱体
11−13  金属バンプ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates generally to heating devices, and more particularly to high speed heaters that are easy to integrate.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART In many technical fields, devices for heating solids, liquids, and gases are required. In particular, by performing pulse-like heating, a physical or chemical change is caused in a non-heated object, and thereby other physical or chemical changes are caused to control the target object. For example, a mechanism is used in which a fluid sealed in a channel is heated and expanded by a heater as a heating device to increase the internal pressure, and another fluid is driven by the internal pressure. Examples are an ink driving unit for a thermal print head and an in-channel pressure control unit for opening and closing a contact of a conductive fluid switch. In such an application, a high-speed heat response heater capable of performing both heating and cooling of a non-heating target at a high speed has been demanded.
[0003]
Furthermore, in recent years, there has been a demand for miniaturization and high density of electric and electronic devices, and a thin film heater is mounted or integrated on a circuit using a low-temperature sintered multilayer ceramic substrate or a ball grid array, which is attracting attention as being suitable for high integration. Technology is being researched. When the ceramic substrate is a multilayer ceramic substrate or a circuit is mounted on the back surface of the substrate by a ball grid array, it is generally necessary to form a through-substrate conductor for interlayer connection on the ceramic substrate 1.
In this specification, a circuit including a heater and a peripheral circuit is referred to as a heater.
[0004]
In the first prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-168375, a resistance heating element (heater) 100 for a thermal head is provided on a ceramic (alumina) substrate 1 having excellent electrical insulation as shown in FIG. After the glass glaze layer 2 is applied or printed and fired, a resistance heating element layer 3 for heat generation, electrodes 4, 5 and a wear-resistant protective layer 6 are sequentially provided on the glass glaze layer 2. A voltage is applied between the electrodes 4 and 5 to heat the heat-sensitive color material ribbon in the heat generating portion S. The glass glaze layer 2 serves as a heat insulating material, improves the thermal efficiency of the heater, and saves power.
[0005]
On the other hand, the thermal printer head according to the second prior art described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-178460 has the same structure as that of the first prior art, but has a structure in which the glass glaze layer is omitted. To substitute for the heat insulating effect of the glass glaze layer, the thermal conductivity of the ceramic substrate is reduced. By making the ceramic substrate an alumina substrate, reducing the alumina component ratio from normal, instead increasing the ratio of components having a small thermal conductivity, the thermal conductivity of the ceramic substrate is reduced to about 6, even without a glass glaze layer, The heater can be driven with low energy.
[0006]
In recent years, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-50869, a technique for manufacturing a multilayer ceramic wiring board has been developed, and is often used as a board for a hybrid integrated circuit device or the like on which various electronic components are mounted. ing.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-62-168375 (page 2, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-03-178460 (page 2-3, FIG. 2-4)
[Patent Document 3]
JP-A-2002-50869 (paragraphs 2-6, 16-39, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the first prior art, a glass glaze layer 2 having a thickness for suppressing heat conduction is applied or printed on a fired and polished ceramic substrate 1 and fired. The glass glaze layer 2 will be interposed between the surfaces of. Therefore, it is difficult to connect the wiring on the glass glaze layer 2 and the wiring on the ceramic substrate 1. Therefore, the bias wiring for applying a voltage to the electrodes 4 and 5 is limited within the surface of the glass glaze layer 2. On the other hand, since the through-substrate conductor is formed simultaneously with the firing of the ceramic substrate 1, it is impossible to extend and expose the through-substrate conductor on the surface of the glass glaze layer 2 by a normal process. Therefore, it is extremely difficult to configure a ball grid array substrate that supplies power from the back surface of the substrate 1 using the through-substrate conductor.
In the second prior art, considering cooling when the heater is turned off, the heat transfer performance of the alumina substrate itself is reduced, the cooling time of the heater is prolonged, and high-speed response and high-speed repetitive operation of the heater cannot be expected.
[0009]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a heater capable of high-performance, easy to integrate into multiple layers, and capable of operating at high speed, and a method of manufacturing the heater.
A second object of the present invention is to provide a heater having a low manufacturing cost and a method for manufacturing the heater.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an example of the heater according to the present invention includes an electrically insulating substrate having a front surface and a back surface, and a predetermined distance from each other that penetrates the electrically insulating substrate and is exposed at least on the front surface. First and second penetrating conductors separated only by a distance, a resistive layer formed on the surface to connect the first and second penetrating conductors, and a predetermined portion of the electrically insulating substrate being connected to the resistive layer. And a heat conductor having a higher thermal conductivity than the electrically insulating substrate.
Then, it is preferable that the heat transfer body be exposed from the back surface of the electrically insulating substrate to the outside of the electrically insulating substrate in order to efficiently release heat from the heat generating portion of the heater. Further, a heat radiating terminal for heat radiating may be provided in the exposed portion to improve heat radiating efficiency.
[0011]
The thickness of the predetermined portion of the electrically insulating substrate is determined by multiplying a product of a conduction time of a supply current from the first and second penetrating conductors and a thermal diffusivity of the predetermined portion to generate heat in the resistance layer. It is better to be determined according to. As a guideline for this, when the thickness H [m] of the predetermined portion is t [s] and the thermal diffusivity of the predetermined portion is a [m 2 / s], the thickness H [m] is 2√ (3 at). It is good to be the following.
[0012]
As the electrical insulating substrate, a ceramic multilayer insulating substrate is preferable. If each of the first and second penetrating conductors is a metal bump provided on the back surface of the electrical insulating substrate, a ball grid array is used. It is convenient to configure. In addition, if a plurality of heaters are integrated on the electrically insulating substrate to form a heater array, it is possible to realize a very small high-density mounting heater.
[0013]
In another example of the present invention, a method is provided for manufacturing a heater for mounting a heating resistor and energizing the heating resistor to generate heat. The method includes a first step of preparing an electrically insulating substrate having first and second through-holes and a non-through-hole, and first and second through-holes in the first and second through-holes. A second step of filling a conductive material and filling the non-through hole with a heat transfer material, and fixing the first and second through conductive materials and the heat transfer material to the electrically insulating substrate; A third step of forming first and second through conductors and a heat conductor having a higher thermal conductivity than the electrically insulating substrate, respectively, and placing the heating resistor at the bottom of the non-through hole. A fourth step of providing on the near surface of the electrically insulating substrate and coupling to the first and second through conductors.
[0014]
When the electric insulating substrate is a multilayer insulating substrate made of ceramic or the like, a method in which a heating resistor is mounted on an electric insulating substrate formed by laminating a plurality of single-layer insulating substrates is preferable. The method includes a first step of providing first and second through-holes in all of the single-layer insulating substrates so as to align and penetrate all of the single-layer insulating substrates, and at least the first single-layer insulating substrate. In the step of providing a third through-hole in the single-layer insulating substrate excluding a substrate, when aligning the first and second through-holes, all the third through-holes are aligned. A third step of filling the first and second through holes with first and second through conductor materials and filling the third through hole with a heat conductor material; 1. All the single-layer insulating substrates are fixed and integrated with the first single-layer insulating substrate closing the third through-hole and forming a non-through hole by aligning the second through-holes. Forming a first and second through conductors and a heat conductor having a higher thermal conductivity than the electrically insulating substrate, respectively; Wherein the antibody first is provided on a surface of the nearest to the bottom of the non-through hole first single layer insulating substrate includes a fifth step of coupling the second through-conductor.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the description of the embodiments of the present invention, the dimensions of the respective parts of the heater illustrated in FIGS. 1-3 to be referred to below do not reflect the actual dimensional ratio of the heater for convenience of the description. .
With reference to FIG. 1, new findings on the first and second prior arts will be described.
In the heater 100 having the resistance heating element of the first prior art, the thermal conductivity of the ceramic substrate 1 is about 10 to 20 times that of the glass substrate, and the ceramic substrate 1 alone heats more than the glass substrate. Energy, ie power and time. Therefore, the resistance heating element 100 has a glass glaze layer 2 having a small thermal conductivity provided between the resistance heating element layer 3 and the ceramic substrate 1 to improve the thermal efficiency of the heater.
Further, when the resistance heating element layer 3 is made of a thin film having a small heat capacity capable of high-speed operation, the substrate surface needs to be sufficiently flat, but the glass glaze layer 2 has many irregularities on the surface of the ceramic substrate 1. This also has the effect of realizing the flattening of the surface at the same time.
[0016]
When a low-temperature sintered multilayer ceramic (LTCC) substrate is used as the ceramic substrate 1 for high integration and high functionality of the heater, or when a ball grid array mounting is to be performed on the back surface of the ceramic substrate 1, the ceramic substrate is used. First, it is necessary to form a through-substrate conductor for interlayer connection. However, the through-substrate conductor is formed on the substrate in a step before firing the ceramic substrate 1 and the surface of the through-substrate conductor is obtained on the surface of the ceramic substrate 1 by polishing after firing. On the other hand, the step of forming the glass glaze layer 2 is performed after firing the ceramic substrate 1 due to the nature of the material. For this reason, it is impossible in the manufacturing process to directly connect the electrodes 4 and 5 of the resistance heating element layer 3 which is a thin film resistance layer on the glass glaze layer 2 and the through-substrate conductor. Therefore, they must be connected via another conductor wiring.
[0017]
When the thermal response of the heating of the thin film heater is set to about several milliseconds, the thickness of the glass glaze layer 2 to be operated efficiently is about several tens μm to about 100 μm or more due to the thermal properties of glass. In order to connect the electrodes 4 and 5 of the resistance heating element layer 3 (heater) formed on the glass glaze layer 2 with this thickness to the wiring on the ceramic substrate 1, the thickness is gradually changed at the edge of the glaze. Alternatively, it is necessary to form a connection conductor in which a metal conductor paste is attached to the connection portion with a thickness equal to or greater than the glass thickness by adding a conductor thick film process. The former causes an increase in cost due to the addition of a manufacturing process in which the thickness is gradually changed. Further, there is a problem that an extra substrate area is required for gradually changing the thickness, and the resistance of the connection conductor is lost. There is a problem in fine processing such as deterioration of the positioning accuracy due to the positioning accuracy and the fluidity of the conductive paste.
[0018]
On the other hand, in the second conventional technique, the thermal conductivity of the ceramic substrate is reduced to about 6, so that the heater can be driven with low energy without a glass glaze layer. However, considering the cooling of the heater when the heater is turned off, it has been found that high-speed response and high-speed repetitive operation cannot be expected because the heat transfer performance of the substrate itself is reduced.
[0019]
Therefore, the inventor of the present invention has studied a structure capable of efficiently and rapidly increasing and decreasing the temperature of the heater without the glass glaze layer. As a result, even without the glass glaze layer, when the heater is turned off, the heater's heat reaches the layer with a good heat transfer coefficient and the heat diffuses quickly, realizing a rapid decrease in the heater temperature. Thus, a heater that can be driven at high speed can be realized.
The present invention inspired by the above findings will be described below on the basis of embodiments of the present invention.
[0020]
FIG. 2 is a sectional view of the heater 200 according to one embodiment of the present invention. 2, components having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Even though the reference numbers are the same, not all components having the same reference numbers have the same material or detailed configuration. In FIG. 2, a single-layer insulating substrate 1 having excellent electrical insulation has embedded therein substrate-penetrating conductors 7 and 8 penetrating the substrate 1 and a non-penetrating heat conductor 10. On the surface of the insulating substrate 1, a thin-film resistance layer 3, which is a heating resistance layer, is formed so as to bridge the through-substrate conductors 7 and 8 with the electrodes 4 and 5 as coupling members. Then, both the electrodes 4 and 5 and the thin-film resistance layer 3 are further covered with a protective layer 6. On the back surface of the insulating substrate 1, metal conductor bumps 11, 12, and 13 are formed which are coupled to lower ends of the through-substrate conductors 7, 8 and the heat conductor 10, respectively. When a driving voltage is applied between the through-substrate conductors 7 and 8 via the conductor bumps 11 and 12, a pulse current flows through the thin-film resistance layer 3 via the electrodes 4 and 5 and the thin film between the electrodes 4 and 5 The resistance layer 3 (heat generating portion) generates heat. The non-penetrating heat transfer body 10 is close to the heat generating portion of the thin film resistance layer 3 with a part of the substrate 1 interposed between the heat transfer body 10 and the thin film resistance layer 3. The drive voltage is turned on and off to control the heat generation of the heat generating portion. The pulse current for driving the thin-film resistance layer 3 is a rectangular pulse current in this embodiment.
[0021]
As the insulating substrate 1, a glass-ceramic substrate obtained by mixing and firing a glass component from 20% to 70% in a ceramic material, or a heat-resistant resin substrate such as polyimide can be used. A glass-ceramic substrate having a maximum heater temperature exceeding 200 ° C., and a low-temperature heat-resistant resin substrate having excellent workability and having a low cost are preferably used in terms of performance and cost. The thin film resistance layer 3 is formed on the insulating substrate 1 by a thin film technique, and is made of a thin film of tantalum nitride, nickel or nichrome having a thickness of 0.5 μm or less and 0.05 μm or more. In particular, in order to obtain a highly reliable and highly accurate resistor free of voids on a ceramic substrate, the thickness is preferably 0.5 μm or more. Tantalum nitride is used to obtain heater resistance stability (long-term stability and low thermal coefficient of resistance), and it is preferable to use a nickel or nichrome thin film that is easy to manufacture. When a voltage is applied between the through-substrate conductors 7 and 8, the heat generating portion of the thin-film resistance layer 3 operates as a heater. Insulating substrate 1 Yes by increasing the low thermal conductivity component, its thermal conductivity is preferably 1~6W / mK In other words, when converted to the thermal diffusivity of about 8 × 10 -7 ~5 × 10 - 6 is adjusted to a range of m / s 2. With this configuration, the heat generating portion can be heated to a desired temperature with a small amount of energy. That is, in the heater 200, the heater (the heat generating portion S) can be efficiently raised to a desired temperature by applying a low driving voltage, applying a short-time voltage, or applying a short-time low voltage.
[0022]
The heat transfer body 10 disposed immediately below the heat generating portion of the thin film resistance layer 3 via a part of the insulating substrate 1 only needs to have much better heat transfer characteristics than the insulating substrate, and is not necessarily a conductor or metal. No need. The heat transfer body 10 may be a resin or ceramic mixed with aluminum nitride powder or boron nitride powder. However, materials similar to the through-substrate conductors 7 and 8 are preferred in terms of work and performance. The heat transfer body 10 is embedded from the back surface of the insulating substrate 1 and is separated from the upper end of the heat transfer body 10 by a distance H (> 0) from the front surface of the insulating substrate 1. It is most reasonable that the shape of the upper end of the heat transfer body 10 is flat because of the uniformity of the heat transfer characteristics and the manufacturing reasons. In one embodiment of the present invention, a hole is formed in the insulating substrate 1 from the back surface so as to form the heat transfer body 10 and a portion having a thickness H remains at the bottom of the hole. Insert and fix to.
[0023]
The heat transfer body 10 is connected to a printed board, a resin board, or the like with low thermal resistance via the metal conductor bumps 13. The thickness H depends on the thermal diffusivity of the insulating substrate 1 and the ON time of a heater for performing energy injection. When the ON time of the heater is t [s] and the thermal diffusivity of the insulating substrate 1 is a [m 2 / s], the diffusion distance is preferably 2√ (3 at) or less. Assuming a heater on time of 1 ms, H is approximately between 20 μm and 300 μm for many practical substrate materials. In order to obtain a substantial effect, it is preferable to select H depending on the use of the heater in a range where the lower limit is 70% of the diffusion distance. If it is desired to give priority to cooling even if driving energy is wasted to some extent, H may be selected to be small, and if it is desired to reduce driving energy, H may be selected to be large.
Of course, the thickness H may be set to a number of different values, and the thermal response of the heater may be tested for the values to experimentally determine the optimum value of the high-speed response, for example. Further, the relationship between the heater ON time and the optimum H can be plotted and used.
[0024]
With such a structure, at the end of the heater ON time, the wave front of the thermal wave generated from the thin film resistance layer 3 is transmitted to the upper end of the heat transfer body 10 in the insulating substrate 1 and after the timing when the heater is turned off. The heat is radiated from the heat transfer body 10 to the outside of the substrate. In this way, a high-efficiency cooling effect can be obtained when the heater is off without affecting the characteristics when the heater is on. With this structure, a high-speed thermal response can be realized in both heating and cooling.
The bumps 11-13 are most commonly formed by applying heat to solder balls or solder paste. However, for applications requiring heat resistance at high temperatures or the like, it may be preferable to use gold bumps or the like. . The heater can be made into a ball grid array structure using the bumps 11-13.
[0025]
In another embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the single-layer insulating substrate 1 in FIG. 2 has a multilayer insulating substrate structure such as an LTCC substrate made of a similar material. The insulating substrate 1 and the through-substrate conductors 7 and 8 in FIG. 2 are divided into a plurality of layers, that is, a plurality of single-layer insulating substrates. First, each layer is formed as a green sheet, and then the plurality of layers are stacked and sintered. It is integrated. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the heater 300 thus formed.
A method for manufacturing such a multilayer insulating substrate is well known, for example, as described in JP-A-2002-50869 (paragraphs 2-6, 16-39, FIG. 1), and details thereof will be omitted.
[0026]
3, the components having the same functions as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. Although not particularly limited, an embodiment of the present invention employing a low-temperature sintered multilayer ceramic substrate which is a preferable substrate will be described below. Each layer and the number of layers constituting the single-layer insulating substrate can be appropriately selected so as to satisfy manufacturing conditions, circuit conditions, and mechanical conditions.
First, the first layer at the bottom of the substrate has a glass ceramic layer 1d obtained by mixing a glass component in a ceramic material from 20% to 70% and firing, and through-substrate conductors 7d, 8d, and 10d. Further, the cap layers 7g, 8g, and 10g for relieving misalignment may be attached to the penetrating conductors 7d, 8d, and 10d as appropriate. The cap layer may be applied to either side, but is generally applied to the lower substrate for reasons of the manufacturing process. As in the first embodiment, the bumps 11-13 are formed by applying heat to solder balls, solder paste, or the like. For applications requiring heat resistance or the like, the bumps may be formed with gold bumps or the like as described above.
[0027]
The second layer on the first layer has the same material and configuration as the first layer. It has a ceramic layer 1c and penetrating conductors 7c, 8c, 10c. In addition, misalignment relief metal cap layers 7f, 8f, and 10f may be attached to the through-substrate conductors 7c, 8c, and 10c as appropriate.
The third layer on the second layer has the same material and configuration as the first and second layers. It has a ceramic layer 1b and penetrating conductors 7b, 8b, 10b. Also, the cap layers 7e, 8e, 10e for relieving misalignment may be attached to the penetrating conductors 7b, 8b, 10b as appropriate. The cap layer originally prevents the substrate conductor material (paste or powder before firing) from jumping out of the through-holes in a process such as firing in addition to absorbing the displacement, and is provided above and below the substrate conductor material during firing. The thickness is about 1 to 10 μm.
[0028]
The fourth layer on the third layer has a configuration that satisfies different conditions from the first to third layers. It has only the ceramic layer 1a and the through-substrate conductors 7a and 8a. In addition, the cap layer for relieving misalignment is removed from the through-substrate conductors 7a and 8a before the formation of the resistive thin film after firing. If desired, relief cap layers 7e, 8e may be attached to the through-substrate conductors 7a, 8a.
After firing, the fourth layer is adjusted by polishing or the like before forming the thin-film resistance layer 3 and the electrodes 4 and 5 so as to have an optimum thickness substantially equal to the thickness H in FIG. The cap layer on the surface of the fourth layer is removed by this polishing, and the thickness H is adjusted.
[0029]
In the first to fourth layers, the through-substrate conductors 7a, 7b, 7c, 7d are aligned with each other, the through-substrate conductors 8a, 8b, 8c, 8d are aligned with each other, and the through-substrate conductor 10b, The layers 10c and 10d are aligned so as to be aligned with each other, sequentially stacked and fixed, sintered, and integrated. In other words, depending on the material and structure to be sintered, the mass of the powder paste changes into a so-called pottery at a sintering temperature in the range of approximately 800 ° C. to 2000 ° C. In the integrated substrate, the penetrating conductors 7a, 7b, 7c, and 7d constitute a penetrating conductor equivalent to the penetrating conductor 7 of FIG. 2, and the penetrating conductors 8a, 8b, 8c, and 8d of FIG. The penetrating conductors equivalent to the two penetrating conductors 8 are formed, and the substrate penetrating conductors 10b, 10c, and 10d constitute the penetrating conductors equivalent to the heat conductor 10.
[0030]
On the surface of the integrated substrate, the thin film resistance layer 3, the electrodes 4, 5 and the protective layer 6 are formed as in the embodiment of FIG. Metal conductor bumps 11, 12, and 13 electrically connected to 7c, 8c, and 10c are formed, respectively, and heater 300 is obtained. In this embodiment, since a multilayer substrate is used in which individual substrates divided into first to fourth layers are stacked, an equivalent of the heat transfer body 10 shown in FIG. 2 is formed by the stacking without additional steps. I'm sorry. The connection between the electrodes 4 and 5 and the through-substrate conductors 7a and 8a in FIG. 3 is made via a resistance layer. The conductive electrode avoids current concentration and regulates the resistance of the heating section.
[0031]
In addition, since cap layers 10e, 10f, and 10g made of a conductor film are also provided on the surfaces of the through-substrate conductors 10b, 10c, and 10d that are in contact with each other, the alignment of the individual substrates becomes easy. The diameters of the through-substrate conductors 10b, 10c, and 10d are preferably large so that the diameters of the through-conductors 10b, 10c, and 10d sufficiently overlap each other including the positioning error. On the contrary, in order that the upper surface of the heat transfer member 10 overlaps at least 80% of the heat generation portion of the thin-film resistance layer 3 and that the integration density is not reduced, the heat generation portion is opposite to the upper surface of the heat transfer member 10. It is preferred that the selection be made so as to overlap at least 80% of the surface.
It is also clear that the ceramic layers 8a, 8b, 8c, 8d may generally be other equivalent insulating substrates.
Furthermore, the heat conductor 10 and the through-substrate conductors 10b, 10c, and 10d are preferably made of metal, but may be any heat conductor having a higher thermal conductivity than the insulating substrate. Will also be obvious.
[0032]
【The invention's effect】
As described above in connection with the embodiments, the implementation of the present invention makes it possible to reduce the area required for connection between the electrode of the thin film heater and the through-substrate conductor, reduce the number of additional steps, and provide a heater structure suitable for fine processing. can get.
In other words, at the time of starting heating of the heater, the temperature of the heater is efficiently raised, and after the heating of the heater is completed, the heat generated in the heater layer reaches the layer having a good heat transfer coefficient, and the heat is diffused. As a result, high-speed cooling is achieved.
Further, it is easy to form a large number of resistance layers on the same insulating substrate, drive the individual heater elements independently from the respective through conductors, or use the electrodes in common. For example, a heater array that contributes to downsizing of the device is configured. It is easy to mix peripheral electric circuits and the like, but when mixing semiconductors and the like, care must be taken to increase the temperature of the substrate.
Although the drive current pulse waveform of the resistance layer is a rectangular pulse in the embodiment, it can be easily shaped in accordance with a desired heating mode.
When a substrate material having sufficient strength is used, only the fourth layer in FIG. 3 may be used, and the first to third layers may be omitted in some cases. In this case, bumps are formed on the through-substrate conductors 7a and 8a, and the thickness of the substrate in FIG. 2 is equivalent to the thickness of the portion where the substrate is sandwiched. Of course, the heat transfer body is adhered to the substrate or brought into close contact with the substrate by another holding mechanism.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a prior art heater formed on a ceramic substrate having a glass glaze layer.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a heater according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a heater according to another embodiment of the present invention using a low-temperature sintered multilayer ceramic substrate.
[Explanation of symbols]
1, 1a-1d Insulating substrate 2 Glass glaze layer 3 Resistance heating element layer 4, 5 Electrode 6 Protective layer 7, 8 Substrate penetrating conductor,
7a-7d, 8a-8d, 10b-10d Through-substrate conductor 10 Heat conductor 11-13 Metal bump

Claims (15)

表面と裏面とを有する電気的絶縁基板と
前記電気的絶縁基板を貫通して少なくとも前記表面において露出する、相互に所定の距離だけ離隔した第1、第2の貫通導電体と、
前記表面に形成されて、前記第1、第2の貫通導電体を接続する抵抗層と、
前記電気的絶縁基板の所定部分を前記抵抗層とともに挟持するように配置され、前記電気的絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体とを備えたヒータ。
An electrically insulating substrate having a front surface and a back surface, and first and second penetrating conductors that penetrate the electrically insulating substrate and are exposed at least on the front surface and are separated from each other by a predetermined distance;
A resistance layer formed on the surface and connecting the first and second penetrating conductors;
A heater disposed so as to sandwich a predetermined portion of the electrically insulating substrate together with the resistance layer, and a heat conductor having a higher thermal conductivity than the electrically insulating substrate.
前記伝熱体が前記電気的絶縁基板の前記裏面から該電気的絶縁基板の外部に露出することを特徴とする請求項1に記載のヒータ。The heater according to claim 1, wherein the heat transfer body is exposed from the back surface of the electrically insulating substrate to the outside of the electrically insulating substrate. 前記電気的絶縁基板が多層絶縁基板である請求項1あるいは請求項2に記載のヒータ。The heater according to claim 1 or 2, wherein the electrically insulating substrate is a multilayer insulating substrate. 前記電気的絶縁基板の前記所定部分が前記多層絶縁基板を構成する単層絶縁基板の少なくとも1枚からなる請求項3に記載のヒータ。4. The heater according to claim 3, wherein the predetermined portion of the electrically insulating substrate is at least one of a single-layer insulating substrate constituting the multilayer insulating substrate. 前記伝熱体が金属である請求項1〜請求項4のいずれかに記載のヒータ。The heater according to claim 1, wherein the heat transfer body is a metal. 前記電気的絶縁基板がセラミック基板である請求項5に記載のヒータ。The heater according to claim 5, wherein the electrically insulating substrate is a ceramic substrate. 前記電気的絶縁基板の前記所定部分の厚みが前記抵抗層を発熱させるために前記第1、第2の貫通導電体からの供給電流の通電時間と該所定部分の熱拡散率との積に応じて決定されることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれかに記載のヒータ。The thickness of the predetermined portion of the electrically insulating substrate depends on a product of a conduction time of a supply current from the first and second penetrating conductors and a thermal diffusivity of the predetermined portion in order to generate heat in the resistance layer. The heater according to any one of claims 1 to 6, which is determined by: 前記所定の部分の厚みH[m]が、前記通電時間をt[s]、前記所定部分の熱拡散率をa[m/s]としたとき、2√(3at)以下あることを特徴とする請求項7に記載のヒータ。The thickness H [m] of the predetermined portion is not more than 2√ (3 at) when the energization time is t [s] and the thermal diffusivity of the predetermined portion is a [m 2 / s]. The heater according to claim 7, wherein 前記伝熱体が外部に放熱するための放熱端子を前記裏面に備える請求項1〜請求項8のいずれかに記載のヒータ。The heater according to any one of claims 1 to 8, wherein a heat radiating terminal for the heat transfer body to radiate heat to the outside is provided on the back surface. 前記第1、第2の貫通導電体のそれぞれが前記電気的絶縁基板の前記裏面に設けられた金属バンプをそれぞれ有する請求項1〜請求項9のいずれかに記載のヒータ。The heater according to any one of claims 1 to 9, wherein each of the first and second penetrating conductors has a metal bump provided on the back surface of the electrically insulating substrate. 請求項10に記載のヒータを前記電気的絶縁基板に複数集積してなるヒータ配列。A heater array comprising a plurality of heaters according to claim 10 integrated on said electrically insulating substrate. 発熱抵抗体を搭載して該発熱抵抗体に通電して発熱するためのヒータを製造するための方法であって、
第1、第2の貫通孔と非貫通穴とを有する電気的絶縁基板を用意する第1の工程と、
前記第1、第2の貫通孔に第1、第2の貫通導電体材料を充填し、前記非貫通穴に伝熱体材料を充填する第2の工程と、
前記第1、第2の貫通導電体材料と前記伝熱体材料を前記電気的絶縁基板に固定してそれぞれ第1、第2の貫通導電体と前記電気的絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体とを形成する第3の工程と、
前記発熱抵抗体を前記非貫通穴の底に最も近い前記電気的絶縁基板の面上に設けて前記第1、第2の貫通導電体に結合する第4の工程とを有する、
ヒータの製造方法。
A method for manufacturing a heater for mounting a heating resistor and generating heat by energizing the heating resistor,
A first step of preparing an electrically insulating substrate having first and second through holes and non-through holes;
A second step of filling the first and second through holes with first and second through conductor materials and filling the non-through holes with a heat conductor material;
The first and second penetrating conductor materials and the heat conducting material are fixed to the electrically insulating substrate, and the first and second penetrating conductors and the conducting material having higher thermal conductivity than the electrically insulating substrate, respectively. A third step of forming a heat body;
A fourth step of providing the heating resistor on the surface of the electrically insulating substrate closest to the bottom of the non-through hole and coupling the heating resistor to the first and second through conductors.
Manufacturing method of heater.
複数の単層絶縁基板を積層して成る電気的絶縁基板に発熱抵抗体を搭載して該発熱抵抗体に通電して発熱するためのヒータを製造するための方法であって、
前記単層絶縁基板の全てを整列して貫通する第1、第2の貫通孔を前記単層絶縁基板の全てに設ける第1の工程と、
少なくとも第1の前記単層絶縁基板を除く前記単層絶縁基板に第3の貫通孔を設ける工程で、前記第1、第2の貫通孔を整列させたとき、全ての前記第3の貫通孔も整列するようにする第2の工程と、
前記第1、第2の貫通孔に第1、第2の貫通導電体材料を充填し、前記第3の貫通孔に伝熱体材料を充填する第3の工程と、
前記第1、第2の貫通孔を整列させて前記第1の単層絶縁基板が前記第3の貫通孔を閉止して非貫通穴を形成する状態で全ての前記単層絶縁基板を固定して一体化し、それぞれ第1、第2の貫通導体と前記電気的絶縁基板より熱伝導率が大きい伝熱体とを形成する第4の工程と、
前記発熱抵抗体を前記非貫通穴の底に最も近い前記第1の単層絶縁基板の表面に設けて前記第1、第2の貫通導電体に結合する第5の工程とを有する、
ヒータの製造方法。
A method for manufacturing a heater for mounting a heating resistor on an electrical insulating substrate formed by laminating a plurality of single-layer insulating substrates and supplying heat to the heating resistor to generate heat,
A first step of providing first and second through-holes in all of the single-layer insulating substrates so as to align and penetrate all of the single-layer insulating substrates;
When aligning the first and second through holes in the step of providing third through holes in the single-layer insulating substrate excluding at least the first single-layer insulating substrate, all the third through holes are aligned. A second step of also aligning;
A third step of filling the first and second through holes with first and second through conductor materials and filling the third through hole with a heat conductor material;
The first and second through holes are aligned and all the single layer insulating substrates are fixed in a state where the first single layer insulating substrate closes the third through hole and forms a non-through hole. A fourth step of forming the first and second through conductors and a heat conductor having a higher thermal conductivity than the electrically insulating substrate, respectively,
A fifth step of providing the heating resistor on the surface of the first single-layer insulating substrate closest to the bottom of the non-through hole and coupling the heating resistor to the first and second through conductors.
Manufacturing method of heater.
前記単層絶縁基板がセラミック基板で、前記第4の工程が、前記セラミック基板の全てを所定の順序で整列重畳させて焼結し、よって一体化する工程を有する請求項13に記載のヒータの製造方法。The heater of claim 13, wherein the single-layer insulating substrate is a ceramic substrate, and wherein the fourth step includes sintering all of the ceramic substrates in a predetermined order, sintering, and thus integrating. Production method. 前記第5の工程が前記第1の単層絶縁基板の前記表面を研磨した後前記発熱抵抗体を該表面に形成することを特徴とする請求項13あるいは請求項14のいずれかに記載のヒータの製造方法。15. The heater according to claim 13, wherein the fifth step forms the heating resistor on the surface after polishing the surface of the first single-layer insulating substrate. Manufacturing method.
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