JP2009176969A - Semiconductor laser device and image forming device using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ装置及びそれを用いた画像形成装置に関するものであり、半導体レーザ素子の配線を金属膜にして、その金属膜はインクジェット技術を用いて形成することにより、低コスト化された半導体レーザ装置、または半導体レーザ素子の放熱効果を向上させて熱的影響による出力低下を抑えた半導体レーザ装置、及びその半導体レーザ装置を用いることによって低コスト化された画像形成装置、またはレーザ光の出力低下に起因する画像濃度低下を抑えた画像形成装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device and an image forming apparatus using the same, and the cost of the semiconductor laser device is reduced by forming the wiring of the semiconductor laser element as a metal film and forming the metal film using an ink jet technique. Semiconductor laser device, semiconductor laser device that improves heat dissipation effect of semiconductor laser element to suppress output decrease due to thermal influence, and image forming apparatus reduced in cost by using the semiconductor laser device, or laser light The present invention relates to an image forming apparatus that suppresses a decrease in image density caused by a decrease in output.
半導体レーザ素子では、電気エネルギーが光エネルギーに変換される際にエネルギー損失が生じて熱エネルギーに転換する。そして、発生した熱エネルギーによって半導体レーザ素子の温度が上昇すると、レーザ特性に好ましくない影響が生じる。そこで通常、半導体レーザ素子内で発生する熱を放熱し、かつ半導体レーザ素子の強度を補強するために、半導体レーザ素子の基板側がサブマウントを介してヒートシンクに半田層で接合されている。 In the semiconductor laser element, when electrical energy is converted into light energy, energy loss occurs and the energy is converted into thermal energy. If the temperature of the semiconductor laser element rises due to the generated thermal energy, an undesirable effect on the laser characteristics occurs. Therefore, in order to dissipate heat generated in the semiconductor laser element and reinforce the strength of the semiconductor laser element, the substrate side of the semiconductor laser element is usually joined to the heat sink via a submount with a solder layer.
図1、2、3、4、7を用いて従来の半導体レーザ素子の構成を説明する。従来の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子1と、第1の半田層4を介して半導体レーザの基板側に接合されているサブマウント2と、第2の半田層8を介してサブマウント2の裏面側に接合されているヒートシンク7とを備えている。半導体レーザ素子1の電極とサブマウント2の配線3とが第一の半田層4を介して接合され、サブマウント2の配線3と配線機構部である電極パット6とは、ワイヤ5によってワイヤボンディングされており、半導体レーザ素子1は電極パット6を介して外部の機器に接続するようになっている。
The configuration of a conventional semiconductor laser device will be described with reference to FIGS. The conventional semiconductor laser element includes a
半導体レーザ素子1は、1個の半導体レーザ素子とは限らず、複数の半導体レーザ素子がアレイ状に配列されている場合もある。サブマウント2の材質には、通常、半導体レーザ素子と熱膨張係数が近い銅タングステン(CuW)や、シリコンカーバイト(SiC)などが用いられる。
The
半導体レーザ装置を製作する際には、先ず、サブマウント2の接合面上に形成されている金錫(AuSn)などの半田層上4に半導体レーザ素子1を載せ、金錫の溶融温度280℃以上、例えば300℃以上で加熱して半田層を溶融させる。次いで、半導体レーザ素子1を載せたままでサブマウント2を放冷すると、半田層が固化して、サブマウント2と半導体レーザ素子1とを接合することができる。続いて、ヒートシンクの接合面上に銀錫アンチモン(AgSnSb)の薄板を載せ、その上に半導体レーザ素子1を接合したサブマウント2を載せ、銀錫アンチモンの溶融温度である233℃以上の温度、例えば250℃で加熱し、金錫アンチモンを溶融させる。次いで放冷することにより金錫アンチモンが固化して、ヒートシンク7とサブマウント2とを接合される。
When manufacturing the semiconductor laser device, first, the
しかし、従来の半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子1で発生する熱の放熱は半導体レーザ素子1とサブマウント2を接合している一面を介してほぼなされており、熱抵抗の低減に限界があり、半導体レーザ素子で発生する熱に起因する光出力の低下(ドループ)が問題となっていた。
However, in the conventional semiconductor laser device, the heat generated in the
特に、複数の半導体レーザをアレイ状に配列させた半導体レーザアレイ1では、発生する熱量が大きく、ドループや1チャンネルの半導体レーザ素子で発生する熱が他チャンネルの光出力に影響を与える熱的クロストークが問題となっていた。特に、半導体レーザ装置を電子写真方式の画像形成装置の書き込み光源に用いた場合、光出力の低下が画像濃度の低下につながり、画質を劣化させる原因の一つとなっていた。
In particular, in the
また、半導体レーザ素子の配線は、半導体レーザ素子の共通電極またはサブマウントの配線と配線機構部である電極パットとをワイヤボンディングすることにより行われており、多数の電極を有する半導体レーザアレイ素子などでは、集積された配線に多数のワイヤボンディングをする必要が生じ、製作が困難でコスト高となっていた。 In addition, the semiconductor laser element wiring is performed by wire bonding the common electrode or submount wiring of the semiconductor laser element and the electrode pad which is the wiring mechanism part, and the semiconductor laser array element having a large number of electrodes. However, it is necessary to bond a large number of wires to the integrated wiring, which is difficult to manufacture and expensive.
本発明の目的は、半導体レーザ装置の放熱効率を改善し、半導体レーザ素子の光出力の低下(ドループ)、又は半導体レーザアレイ素子の光出力の低下(ドループ)および熱的クロストークの問題を改善させた半導体レーザ装置、または半導体レーザ装置内の配線形成を低コスト化させた半導体レーザ装置、及びその半導体レーザ装置を電子写真方式の画像形成装置の書き込み光源に用いることによりドループや熱的クロストークに起因する画像濃度の低下で画質を劣化させることのない画像形成装置、及び低コスト化された画像形成装置を提供することにある。 It is an object of the present invention to improve the heat dissipation efficiency of a semiconductor laser device, and to improve the problem of optical output drop (droop) of a semiconductor laser element, or optical output drop (droop) of a semiconductor laser array element, and thermal crosstalk. Droop or thermal crosstalk by using the semiconductor laser device, the semiconductor laser device in which the wiring formation in the semiconductor laser device is reduced, and the semiconductor laser device as a writing light source of an electrophotographic image forming apparatus It is an object of the present invention to provide an image forming apparatus that does not deteriorate image quality due to a decrease in image density caused by the image quality, and an image forming apparatus that is reduced in cost.
上記の課題を解決する為の本発明の第1の手段は、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子の基板側に接合されているサブマウントと、該サブマウントの裏側に接合されているヒートシンクとを備えた半導体レーザ装置において、前記半導体レーザ素子上面と該半導体レーザ素子側面と該サブマウント面とヒートシンク面とに金属膜が形成されており、該半導体レーザ素子上面と該ヒートシンク面とが金属膜でつながっていることを特徴とする。 The first means of the present invention for solving the above-mentioned problems is a semiconductor laser element, a submount bonded to the substrate side of the semiconductor laser element, and a heat sink bonded to the back side of the submount. A metal film is formed on the upper surface of the semiconductor laser element, the side surface of the semiconductor laser element, the submount surface, and the heat sink surface, and the upper surface of the semiconductor laser element and the heat sink surface are formed of a metal film. It is characterized by being connected by.
本発明の第2の手段は、本発明の第1の手段において、前記半導体レーザ素子は半導体レーザアレイ素子であることを特徴とするものである。 According to a second means of the present invention, in the first means of the present invention, the semiconductor laser element is a semiconductor laser array element.
本発明の第3の手段は、本発明の第1、2の手段において、前記金属膜は、金属微粒子を液体中に分散させたインクを塗布し、熱処理することによって形成されたことを特徴とするものである。 According to a third means of the present invention, in the first and second means of the present invention, the metal film is formed by applying an ink in which metal fine particles are dispersed in a liquid and performing a heat treatment. To do.
本発明の第4の手段は、本発明の第1、2、3の手段において、前記金属膜は、金属微粒子を液体中に分散させたインクをインクジェットのヘッドで吐出させることによって塗布し、熱処理することによって形成されたことを特徴とするものである。 According to a fourth means of the present invention, in the first, second, and third means of the present invention, the metal film is applied by discharging an ink in which metal fine particles are dispersed in a liquid by an inkjet head, and heat treatment. It is formed by doing.
本発明の第5の手段は、本発明の第1乃至4の手段において、前記サブマウント上には、前記半導体レーザ素子の基板と接続された配線が存在し、該配線から絶縁膜上に延在して配線機構部まで電気的に接続する配線が存在することを特徴とするものである。 According to a fifth means of the present invention, in the first to fourth means of the present invention, a wiring connected to the substrate of the semiconductor laser element exists on the submount, and extends from the wiring to the insulating film. There exists a wiring that exists and is electrically connected to the wiring mechanism section.
本発明の第6の手段は、本発明の第5の手段において、前記絶縁膜が、有機絶縁物を溶媒に溶解した溶液、微粒子状の無機絶縁物を液体に分散させた懸濁液、及び無機絶縁物を溶媒に溶解した溶液のいずれかをインクジェットのヘッドで吐出させることによって塗布し、熱処理することによって形成されたことを特徴とするものである。 According to a sixth means of the present invention, in the fifth means of the present invention, the insulating film comprises a solution in which an organic insulator is dissolved in a solvent, a suspension in which a particulate inorganic insulator is dispersed in a liquid, and It is characterized in that it is formed by applying and heat-treating any solution in which an inorganic insulator is dissolved in a solvent by an inkjet head.
本発明の第7の手段は、本発明の第5の手段において、前記絶縁膜上に延在して配線機構部まで電気的に接続する該配線は、金属微粒子を液体中に分散させたインクを吐出させることによって塗布し、熱処理することによって形成させたことを特徴とするものである。 According to a seventh means of the present invention, in the fifth means of the present invention, the wiring that extends on the insulating film and is electrically connected to the wiring mechanism section is an ink in which metal fine particles are dispersed in a liquid. It is characterized in that it is formed by applying and heat-treating.
本発明の第8の手段は、本発明の第3、4、7の手段において、前記属微粒子は金微粒子であることを特徴とするものである。 An eighth means of the present invention is the third, fourth, or seventh means of the present invention, wherein the genus fine particles are gold fine particles.
本発明の第9の手段は、本発明の第3、4、7の手段において、前記属微粒子は銀微粒子であることを特徴とするものである。 According to a ninth means of the present invention, in the third, fourth and seventh means of the present invention, the genus fine particles are silver fine particles.
本発明の第10の手段は、複数のビームを出射する半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出射する複数のビームを感光体上に変調走査する走査光学系と、該複数のビームによって潜像が形成される感光体と、該感光体上の潜像を現像して画像を形成する現像装置と、該現像された画像を用紙上に転写する転写装置と、該用紙上に転写された画像を用紙上に定着する定着装置とを有する画像形成装置において、前記半導体レーザ装置が第1乃至9のいずれかの手段の半導体レーザ装置であることを特徴とするものである。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser device that emits a plurality of beams, a scanning optical system that modulates and scans a plurality of beams emitted from the semiconductor laser device on a photosensitive member, and a latent image by the plurality of beams. A developing member that develops a latent image on the photosensitive member to form an image, a transfer device that transfers the developed image onto a sheet, and an image transferred onto the sheet. In the image forming apparatus having the fixing device for fixing the toner on the sheet, the semiconductor laser device is a semiconductor laser device of any one of the first to ninth means.
半導体レーザ装置の放熱効率を改善し、半導体レーザ素子の光出力の低下(ドループ)、又は半導体レーザアレイ素子の光出力の低下(ドループ)および熱的クロストークの問題を改善させた半導体レーザ装置、又は半導体レーザ装置内の配線を金属膜にして、その金属膜はインクジェット技術を用いて形成することにより低コスト化された半導体レーザ装置、及びその半導体レーザ装置を電子写真方式の画像形成装置の書き込み光源に用いることによりドループや熱的クロストークに起因する画像濃度の低下で画質を劣化させることのない画像形成装置、及び低コスト化された画像形成装置を提供することができる。 A semiconductor laser device in which the heat dissipation efficiency of the semiconductor laser device is improved, and the problem of the optical output drop (droop) of the semiconductor laser element, or the optical output drop (droop) of the semiconductor laser array element and thermal crosstalk is improved Alternatively, the wiring in the semiconductor laser device is made into a metal film, and the metal film is formed by using an ink jet technique, so that the cost is reduced, and the semiconductor laser device is written in an electrophotographic image forming apparatus. By using the light source, it is possible to provide an image forming apparatus that does not deteriorate image quality due to a decrease in image density caused by droop or thermal crosstalk, and an image forming apparatus that is reduced in cost.
次に本発明の実施例について説明する。本実施例では、半導体レーザ素子が半導体レーザアレイ1の場合について説明する。
Next, examples of the present invention will be described. In this embodiment, the case where the semiconductor laser element is the
半導体レーザアレイ素子1とサブマウント2とのボンディングを図1、図2、図8を用いて説明する。サブマウント2の材質はシリコンカーバイト(SiC)で、半導体レーザアレイ素子1よりも大きく、実装面には半導体レーザアレイ素子1の各素子の電極とダミー素子の電極の総和に等しい10本の配線が設けられている。この10本の配線の内、各素子と対面する4本の配線3が、サブマウント2の一端から内側に平行に延在している。そして、各素子、およびダミー素子との対面部分には半田層4が形成されている。半田層4は例えば金錫(AuSn)からなっている。
Bonding between the semiconductor
半導体レーザアレイ素子1はフェイスダウンボンディングにより固定されるようになっている。このフェイスダウンボンディングでは、半導体レーザアレイ素子1の電極を半田層に位置決めして重ね、金錫半田が溶ける温度である280℃以上、例えば300℃で加熱して一時的に溶かし、半導体レーザアレイ素子1をサブマウント2に接合する。
The semiconductor
半導体レーザアレイ素子1の各素子の電極が重なる半田層を支持する配線は、チップ固定領域の外側に延在している。
The wiring that supports the solder layer on which the electrodes of the respective elements of the semiconductor
半導体レーザアレイ素子1が接合されているサブマウント2のヒートシンク7への接合について図3、7を用いて説明する。ヒートシンクは熱伝導率の高い銅(Cu)で形成されている。ヒートシンク7のサブマウント2を接合する面上に銀錫アンチモン(AgSnSb)の薄板を載せ、その上にサブマウント2を重ね、銀錫アンチモン(AgSnSb)が溶解する233℃以上である、例えば250℃で加熱して一時的に溶かし、冷却することによってサブマウント2をヒートシンク7上に接合する。ここで、半導体レーザアレイ素子1の材質であるGaAsの熱伝導率は54(W/m・k)、熱膨張係数は6.5(×10−6/℃)、サブマウント2の材質であるSiCの熱伝導率は270(W/m・k)、熱膨張係数は3.7(×10−6/℃)、ヒートシンク7の材質であるCuの熱伝導率は390(W/m・k)、熱膨張係数は17.7(×10−6/℃)である。サブマウントは、ヒートシンクと半導体レーザアレイ素子との熱膨張係数の違いによって生じる応力を吸収する役割もはたしている。
The joining of the
従来は図4、7に示したように、サブマウント2の配線3と配線機構部である電極パット6とは、ワイヤボンディングで接続されており、半導体レーザアレイ素子の上面の共通電極とヒートシンクとは、直接ワイヤボンディングで接続されていた。しかし、半導体レーザアレイ素子のチャンネル数が増えてくると配線が密集し、ワイヤボンディングで全ての配線の接続を行うのは難しく、コスト高となっていた。
Conventionally, as shown in FIGS. 4 and 7, the
本発明では図5に示すように、半導体レーザアレイ素子の上面と側面、サブマウント面、ヒートシンク面とに、銀又は金微粒子を分散させたインクをインクジェットのヘッドを用いて塗布する。その後、150〜200℃で熱処理を行うことにより液体を揮発させる。この工程を数回繰り返すことによって、膜厚10μm程度の金属膜31を形成する。この金属膜31は、半導体レーザアレイ素子上面とヒートシンク面とをつなぎ、電気的に半導体レーザアレイの共通電極とヒートシンク面とを接続すると共に、半導体レーザアレイ素子上面の熱をヒートシンク部に放熱する役目も果たす。
In the present invention, as shown in FIG. 5, ink in which silver or gold fine particles are dispersed is applied to the upper and side surfaces, the submount surface, and the heat sink surface of the semiconductor laser array element using an inkjet head. Then, the liquid is volatilized by performing heat treatment at 150 to 200 ° C. By repeating this process several times, a
また図6に示すように、サブマウント上の配線から電極パットまでをつなぐヒートシンク上には、有機絶縁物を溶媒に溶解した溶液、微粒子状の無機絶縁物を液体に分散させた懸濁液、及び無機絶縁物を溶媒に溶解した溶液のいずれかをインクジェット技術を用いて吐出させることによって塗布し、100℃以上で熱処理を行い、絶縁膜を形成する。次に、銀又は金微粒子を分散させたインクを、インクジェット技術を用いて吐出させることにより塗布し、150〜200℃で熱処理を行い、サブマウント上の配線から電極パットまでを接続する膜厚1μm程度の金属配線パターンを形成する。 In addition, as shown in FIG. 6, on the heat sink that connects the wiring on the submount to the electrode pad, a solution in which an organic insulator is dissolved in a solvent, a suspension in which fine inorganic inorganic insulator is dispersed in a liquid, And a solution obtained by dissolving an inorganic insulator in a solvent is ejected using an inkjet technique, and heat treatment is performed at 100 ° C. or higher to form an insulating film. Next, an ink in which silver or gold fine particles are dispersed is applied by being ejected using an ink jet technique, and heat treatment is performed at 150 to 200 ° C. to connect the wiring on the submount to the electrode pad with a film thickness of 1 μm. About a metal wiring pattern is formed.
本発明の半導体レーザ装置を画像記録装置の光源に使用した時の、光学系の概略図を図9に示す。本発明の半導体レーザ装置内の半導体レーザアレイ素子1から出射したマルチビームはレンズ10でそれぞれ平行光に変換し、回転多面鏡12で一括して感光ドラム14上を光走査される。感光ドラム14上で得られる光スポット列の間隔が光スポットの大きさに比べて大きいので、光スポット列の配列方向は光走査方向に対して斜めに設定し、密接した光走査線が形成されるようにしている。
FIG. 9 shows a schematic diagram of an optical system when the semiconductor laser device of the present invention is used as a light source of an image recording apparatus. The multi-beams emitted from the semiconductor
本発明の画像形成装置について、図10を用いて説明する。感光ドラム14上を帯電器16で帯電させ、露光器17で画像に応じた光をあてて、感光ドラム14上の電位を落とす。その部位が感光ドラム14の回転により現像ローラ18に達し、トナー層と接すると帯電しているトナーが感光ドラム14上に付着する。感光ドラム14上のトナー画像は、一次転写ロール21が中間転写ベルト24を押し付ける部位で、中間転写ベルト24上に転写される。
The image forming apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. The surface of the
各現像ユニットの感光ドラム14上のトナー画像は、中間転写ベルト24上に転写され、カラーのトナー画像が形成される。そして、中間転写ベルト24の搬送により、連続紙との接触領域の転写ドラム26位置で、搬送されてきた連続紙27上にトナー画像は転写される。トナー画像が転写された連続紙27は、定着器28で熱と圧力が加えられ、トナーを溶融定着しカラー画像が形成される。また、本発明はカット紙にも適用可能である。
The toner image on the
本発明は半導体レーザ装置及び半導体レーザ装置を用いた電子写真方式の画像形成装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device and an electrophotographic image forming apparatus using the semiconductor laser device.
1…半導体レーザアレイ素子、2…サブマウント、3…配線、4…第1の半田層、5…ワイヤ、6…電極パット、7…ヒートシンク、8…第2の半田層、9…フォトディテクター、10…レンズ、11…シリンドリカルレンズ、12…ポリゴンミラー、13…FΘレンズ、14…感光ドラム、15…除電器、16…帯電器、17…露光器、18…現像器、19…電位センサ、20…クリーナ、21…1次転写ローラ、22…駆動ローラ、23…付着量センサ、24…中間転写ベルト、25…ベルトクリーナー、26…2次転写ローラ、27…連続紙、28…定着器、29…印刷前用紙入れ、30…印刷後用紙入れ、31…金属膜、32…絶縁膜、33…金属膜
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体レーザ素子上面と該半導体レーザ素子側面と該サブマウント面とヒートシンク面とに金属膜が形成されており、該半導体レーザ素子上面と該ヒートシンク面とが金属膜でつながっていることを特徴とする半導体レーザ装置。 In a semiconductor laser device comprising: a semiconductor laser element; a submount bonded to the substrate side of the semiconductor laser element; and a heat sink bonded to the back side of the submount.
A metal film is formed on the semiconductor laser element upper surface, the semiconductor laser element side surface, the submount surface, and the heat sink surface, and the semiconductor laser element upper surface and the heat sink surface are connected by a metal film. Semiconductor laser device.
前記半導体レーザ装置が請求項1乃至9のいずれか1項記載の半導体レーザ装置であることを特徴とする画像形成装置。 A semiconductor laser device that emits a plurality of beams, a scanning optical system that modulates and scans the plurality of beams emitted from the semiconductor laser device on the photoconductor, a photoconductor on which a latent image is formed by the plurality of beams, A developing device that develops a latent image on a photoconductor to form an image, a transfer device that transfers the developed image onto a sheet, and a fixing device that fixes the image transferred onto the sheet onto the sheet In an image forming apparatus having
An image forming apparatus, wherein the semiconductor laser device is the semiconductor laser device according to claim 1.
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