JP3806707B2

JP3806707B2 - 発光ダイオードアレイ及びそれを備える光プリントヘッド

Info

Publication number: JP3806707B2
Application number: JP2003306982A
Authority: JP
Inventors: 稲葉　　昌治
Original assignee: Tottori Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JP2004006994A

Description

本発明は発光ダイオードアレイ及びそれを備える光プリントヘッドに関する。

発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤという）素子は、発光が鮮やかであること、駆動電圧が低く周辺回路が容易になるなどの理由により従来より表示デバイスとして幅広く使用されている。

電子写真方式を採用した光プリンタ等の光源等への応用を目的として、発光ダイオードアレイを用いた光プリントヘッドの研究が盛んに行われている。

自己発光型の発光ダイオードアレイを光源とした光プリンタは、画像信号に応じて発光ダイオードアレイの各ドットを発光させ、分布屈折率レンズなどの等倍結像素子により、感光体ドラム上に露光して静電潜像を形成し、現像器でトナーを選択的に付着させたあと、普通紙などに付着したトナーを転写させることにより印字を行うものである。

発光ダイオードアレイを用いたへッドは、（１）可動部がなく、かつ構成部品も少ないことから、小型化が可能となる、（２）アレイチップの接続により、長尺化が容易であるなどの特長を持つ。

ところで、発光領域の密度が例えば６００ｄｐｉの発光ダイオードアレイは、発光領域のピッチが４２〜４３μｍとなり、発光領域の幅は、発光領域間の非発光領域の幅を考慮すると前記ピッチよりもさらに短くなる。また、発光領域上の電極は、その電極幅が４２〜４３μｍ以下の幅で、４２〜４３μｍのピッチで形成されることになる。そして、発光領域上の電極と接続する配線用の電極は、ピッチが４２〜４３μｍかそれ以下で、幅が４２〜４３μｍ以下の細幅に形成され、ボンディング用の幅広電極（パッド）に接続される。このように電極配線が形成された発光ダイオードアレイとこの発光ダイオードアレイを駆動する例えば駆動素子とは、ワイヤボンディング等によって電気的に接続する必要がある。

現在最も幅の狭いボンディングを行うことが可能なステッチボンディングでも、ボンディング幅は４０μｍであり、ボンディング装置の位置精度を考慮すると更に２０μｍ程度の幅が必要となる。つまり、ボンディング用電極の幅としては、少なくとも６０μｍ程度を確保する必要がある。

したがって、例えば６００ｄｐｉ以上のような高密度発光ダイオードアレイの場合では、ボンディング用の電極を一列に配列するとワイヤボンディングが困難であるので、千鳥状の２列に配列してボンディング用の電極ピッチを大きくしているが、それにも係わらず、ボンディング用電極の幅は６０μｍ程度しか確保することができないので、発光ダイオードアレイと駆動素子とをワイヤボンディングによって配線するのは極めて困難になりつつある。

従来のこの種の光プリンタ用発光ダイオード（アレイ）として、例えば、特許文献１〜３に開示されたものがある。

図４は上記文献記載の光プリンタ用発光ダイオードアレイを示す平面図であり、図５は図４のＡ−Ａ’矢視断面図である。

これらの図において、１はＧａＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓ等からなる化合物半導体であり、その表面には１列又は千鳥状に整列した複数の発光領域１１を選択的拡散によって形成している。２，３，４は化合物半導体１の表面に順次積層して設けられたＳｉ3Ｎ4，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3等からなる絶縁膜である。これら絶縁膜２，３，４は、発光領域の選択拡散膜や化合物半導体表面の保護膜、ピンホール対策膜や配線補強下地膜、光取出し・輝度調整膜等の目的で複数層設けられる。５は絶縁膜２，３の上に積層され、発光領域１１にオーミック接触の取られたＡｌ等からなる電極層であり、発光領域に接続する電極、ボンディング用の電極、これらを接続する配線用の電極となる。６は化合物半導体１の裏面に設けられたＡｕ等からなる共通電極である。

ここで、例えば６００ｄｐｉ以上のような高密度発光ダイオードアレイになると、各発光ダイオードアレイの上面のボンディング用電極に直接ワイヤボンディングする方法では、以下のような問題点が発生する。

すなわち、配線密度を高めるために、ボンディング用電極に接続する配線の電極幅、並びに隣接する配線の間隔を極めて小さくすると、アレイの洗浄工程や、ヘッドの組立て工程中に加わる外力によって配線電極が変形した場合に、変形した配線電極が隣接配線に容易に接触するので、腐蝕防止等のために各配線電極上に形成する保護膜を更に厚くする必要がある。例えば、３００ｄｐｉ程度の発光ダイオードアレイでは、０．２μｍ程度の無機膜（ＳｉＯ2、ＳｉＮ等）による保護膜の形成で済んでいたものが、６００ｄｐｉ以上のような高密度発光ダイオードアレイになると、上記薄膜では十分な保護機能が得られないため、絶縁膜４としてポリイミド系の材料を用いることが試みられている。

図６〜図８は、絶縁膜４として例えばポリイミド系の材料を用いた発光ダイオードアレイへのワイヤボンディングを説明するための図である。

図６に示すように、絶縁膜４として例えばポリイミド系の材料を用いる場合、電極層５上にポリイミド系の厚膜溶液をスピンオンして保護膜となる絶縁膜４を形成し、さらに絶縁膜４上部をエッチングによりパターニングして配線接続用の透孔４ａを設ける。この配線接続用の透孔４ａは、例えば図７のハッチング部分に示すように開口され、電極層５上に幅広の接続領域５ａが形成される。

そして図８に示すように、電極層５の接続領域５ａ上を、キャピラリ１２を用いて例えば金線からなるボンディングワイヤ１３によりボールボンディングし、さらにボールボンディングした接続領域５ａと駆動素子の出力端子とをボンディングワイヤ１３により各々接続する。または、まず駆動素子の出力端子をボンディングワイヤ１３によりボールボンディングし、次いでボールボンディングした駆動素子の出力端子と接続領域５ａとをボンディングワイヤ１３により各々接続するようにしてもよい。この場合には、セカンドボンディングとなる接続領域５ａ上にボール部分がないためボンディングワイヤ１３を潰しながら擦れるようにボンディングする必要がある。
実公平７−３６７５４号公報特開平５−３４７４３０号公報特開平５−１５５０６３号公報

ところが、図６に示すように例えばポリイミド系の厚膜（１〜２μｍ）で保護する場合、接続領域上にこのような厚膜があるので、ボンディング時にボンディングワイヤが適当に潰れず接続が不十分であるという問題点が生じた。特に、セカンドボンディングにより接続領域上にボンディングワイヤをボンディングする場合には、接続領域上の厚膜が高さ方向の障害となって接続が不完全になることがあり、最悪の場合にはキャピラリが厚膜に衝突しボンディング自体ができないことがあった。また、ボンディング強度が不十分であると、ボンディング部の異種金属（通常はΑｌ／Ａｕ）同士の熱膨張の差異や経時変化によって断線等が発生する確率が高くなる。

以上はボールボンディングの場合であるが、高密度接続が可能なステッチボンディングについても同様な不具合がある。

本発明は、上述した従来の問題点を解消することを目的とし、例えば６００ｄｐｉ以上の高解像度が要求され、ワイヤボンディングによる高密度接続が必要な場合において、確実にワイヤボンディングを実現でき、信頼性の高いボンディングが可能な発光ダイオードアレイ、及びそれを備える光プリントヘッドを提供することを目的とする。

本発明の発光ダイオードアレイは、請求項１に記載のように、複数の発光領域と、該発光領域に電極配線を介して接続された縦長の個別電極とを、配置してなる発光ダイオードアレイにおいて、前記電極配線の表面と前記個別電極のエッジ部分の表面に保護膜を形成するとともに、前記個別電極の長辺エッジ上の保護膜は除去されていることを特徴とする。

本発明の発光ダイオードアレイは、請求項２に記載のように、前記保護膜とは別に、前記発光領域を覆う薄膜を個別電極の腐蝕防止用として形成していることを特徴とする。

本発明の光プリントヘッドは、請求項３に記載のように、発光ダイオードアレイと、このアレイを駆動するため駆動素子と、前記アレイと駆動素子間をボンディングによって電気的に接続する金属細線とを備える光プリントヘッドにおいて、前記発光ダイオードアレイとして上記の発光ダイオードアレイを用いたことを特徴とする。

本発明の光プリントヘッドは、請求項４に記載のように、発光ダイオードアレイと、このアレイを駆動するため駆動素子と、前記アレイと駆動素子間をボンディングによって電気的に接続する金属細線とを備え、金属細線の第１ボンディングが前記駆動素子側に行われ、第２ボンディングが前記発光ダイオードアレイ側に行われた光プリントヘッドにおいて、前記発光ダイオードアレイとして上記の発光ダイオードアレイを用いたことを特徴とする。

本発明に係る発光ダイオードアレイ、並びに光プリントヘッドは、例えば６００ｄｐｉ以上の高密度な発光ダイオードアレイにおいて、電極配線の表面保護を図るとともに、確実なボンディングを行うことができ、信頼性の高い光プリントヘッドを実現することができる。

図１は本発明の実施形態に係る発光ダイオードアレイの構造を示す平面図であり、この発光ダイオードアレイは、ドット密度が６００ｄｐｉ相当である。

図２は図１の発光ダイオードアレイのＡ−Ａ′矢視断面図、図３は図１の発光ダイオードアレイのＢ−Ｂ′矢視断面図である。

これらの図において、２０は、発光領域２１を構成する発光ダイオードを複数個集積した発光ダイオードアレイであり、ＧａＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓ等からなる化合物半導体を主たる材料として構成している。発光ダイオードアレイ２０の表面には１列に整列した複数の発光領域２１を選択的拡散によって形成し、これらを６００ｄｐｉのピッチ（約４２〜４３μｍ）で直線状に配設されている。この発光領域２１は、光プリンタヘッドとして組み立てられたとき、発光ダイオードアレイの継目部分においても等間隔（４２．３μｍ）で、かつ直線性良く整列して配置される。

この発光領域２１にはオーミック接触の取られたＡｌ等からなる電極配線２２が接続され、電極配線２２の他端は個別電極（アノード電極）の電極配線パッド２３として千鳥状２列に整列配置される。電極配線パッド２３は、ワイヤボンディング用であり、例えば幅が６０μｍ、長さが１２０μｍの縦長で、各電極配線パッド２３のエッジ部は除去され、また、千鳥状２列の駆動素子側の電極配線パッド２３の電極配線２２部分は幅広２３ａに形成されている。千鳥状１列目の電極配線パッド２３と千鳥状２列目の電極配線パッド２３とは、例えば横方向が４０．５μｍ、縦方向が１３５μｍの千鳥段差を有する。

また、図３に示すように発光ダイオードアレイ２０の裏面には全面にわたってＡｕ等からなる共通電極（カソード電極）２４が形成されている。

このような発光ダイオードアレイ２０において、発光領域２１と電極配線パッド２３部を除く電極配線２２の表面に、ポリイミド系の材料からなる厚膜の表面保護膜２５を形成する。図１のハッチング部分は、表面保護膜２５の形成領域を示しており、このハッチング部分に示すように高密度配線のために極細線化された電極配線２２の表面部分のみを覆うように表面保護膜２５を形成し、その他の領域、特に各電極配線パッド２３上には表面保護膜２５を被膜しない構成とする。すなわち、従来の一般的な配線ルールでは、腐蝕防止等のため電極配線表面及び電極配線パッドのエッジ部分を保護膜により保護しているが、本実施形態では、一般的な配線ルールを留保し、電極配線パッド２３部分に関しては厚膜による保護をせず、高密度配線のために極細線化された電極配線２２の表面部分のみに表面保護膜２５を形成するものである。

表面保護膜２５が被膜されていない電極配線パッド２３は、エッジ部分の厚膜による影響を受けることなく、確実に駆動素子の出力端子（図示せず）とワイヤボンディングされて電気的に接続される。

表面保護膜２５の一部は、千鳥状１列目の電極配線パッド２３と千鳥状２列目の電極配線パッド２３との間隔部分に保護膜２５ａとして配置されている。この保護膜２５ａは、千鳥状１列目の電極配線パッド２３に接続したワイヤボンディング用の金属細線２７が、隣接する千鳥状２列目の電極配線パッド２３に接触するのを防ぐように機能する。

以下、上記発光ダイオードアレイ２０の製造方法、並びにそれを光プリントヘッドに用いる場合の製造方法について説明する。

発光ダイオードアレイ２０は、ＧａＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓ等からなる化合物半導体により構成され、その表面には１列に整列した複数の発光領域２１とこの発光領域２１にオーミック接触の取られたＡｌ等からなる電極配線２２を有し、電極配線２２の他端は個別電極（アノード電極）の電極配線パッド２３として千鳥状２列に整列配置される。

また、図３に示すように個別発光素子２０の裏面にはＡｕ等からなる共通電極（カソード電極）２４が形成されている。

この状態で、電極配線２２及び電極配線パッド２３部を含む発光ダイオードアレイ２０表面上にポリイミド系の厚膜溶液をスピンオンして１μｍ程度の厚膜の表面保護膜２５を形成する。

次いで、図１のハッチング部分に示す形状のマスクパターン（レジスト）を用いてエッチングし、さらにこのレジストを除去して、発光領域２１と電極配線パッド２３部を除く電極配線２２の表面のみにポリイミド系の材料からなる厚膜の表面保護膜２５を形成する。

これにより、図１のハッチング部分に示すように、高密度配線のために極細線化された電極配線２２の表面部分のみを覆うように表面保護膜２５が形成され、各電極配線パッド２３上には表面保護膜２５は被膜されない。また、発光領域２１表面にも表面保護膜２５は形成されない。

厚膜の表面保護膜２５が必要とされるのは、高密度配線のための細線化した電極配線２２の保護のためであり、特に、千鳥状１列目の各電極配線パッド２３間を通り千鳥状２列目の電極配線パッド２３に配線される電極配線２２の保護のためである。すなわち、この高密度配線の細い配線部分が保護できればその目的は達成できるので、電極配線２２の表面部分のみを覆うように表面保護膜２５を形成し、各電極配線パッド２３上には表面保護膜２５を被膜しない。

次いで、個別電極となる電極配線パッド２３と図示しない駆動素子の出力端子とをワイヤボンド法による金線等の金属細線（ボンディングワイヤ）２７により各々電気的に接続する。電極配線パッド２３上には、エッジ部分を含め接続領域全面に表面保護膜（厚膜）２５が存在しないので、駆動素子側に第１ボンディングを行った後、電極配線パッド２３上に第２ボンディングを行って接続領域上に金属細線２７をボンディングする場合であっても、接続領域上の厚膜が高さ方向の障害となって接続が不完全になることがなく、十分なボンディング強度を得ることができ、信頼性の高い光プリントヘッドが実現できる。

ところで、電極配線パッド２３上には表面保護膜２５が被膜されていないので、この電極配線パッド２３表面上の腐蝕防止等の保護は図られないことになる。しかし、この電極配線パッド２３は、例えば幅が６０μｍ、長さが１２０μｍであり、高密度配線電極２２（最小部分は数μｍ程度）の幅と比べて比較にならない程面積が大きいので、電極配線パッド２３表面上である程度の腐蝕が進行したとしても基本的には問題とならない。

但し、上記電極配線パッド２３の腐蝕防止を図るために、(1)電極配線パッド２３上にワニス等を塗る、または(2)腐蝕防止用の薄膜を形成する、方法を採ることができる。このようにすれば、電極配線パッド２３上における腐蝕を防止することができ、より信頼性を高めることができる。本実施形態では、上記(2)腐蝕防止用の薄膜を形成する方法を採用した。図２及び図３には、この目的で形成した腐蝕防止用被膜２６を示している。この場合の腐蝕防止用被膜２６の形成は、上述したポリイミド系の材料からなる厚膜の表面保護膜２５と異なり、単に腐蝕を防止するための薄膜であるため、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）等による薄い無機膜の形成で済む。さらに、このような窒化ケイ素、酸化ケイ素よる無機膜は、光取出し・輝度調整膜等の別の目的で発光領域２１上を覆う必要があり、本実施形態では、上記２つの目的を兼ねて窒化ケイ素による被膜の形成を行った。

以上説明したように、実施形態に係る光プリントヘッドは、発光ダイオードアレイの発光領域２１と電極配線パッド２３（個別電極）を除く電極配線２２の表面のみにポリイミド系の材料からなる厚膜の表面保護膜２５を形成するように構成したので、電極配線２２の表面部分には高密度配線に伴う十分な厚さの保護膜を形成して電極配線２２の保護の実効（電極配線２２の外力による変形防止、変形に伴う短絡事故防止）を図ることができるとともに、電極配線パッド２３と駆動素子とをワイヤボンディングする場合にも、表面保護膜２５上に高さ方向の厚膜の障害がないため十分なボンディング強度を得ることができ、信頼性の高い光プリントヘッドを実現することができる。

また、表面保護膜の形成のマスクの形状変更のみで済むため、従来例と比較して特別な部材や製造工程の増大は一切なく、容易かつ直ちに実施可能であるという優れた効果を有する。

したがって、本発光ダイオードアレイの構造では、電極配線パッドが現状のワイヤーボンディング技術で十分接続可能な配置構造をとれるために、６００ｄｐｉ以上のような高密度な光プリントヘッドが可能である。

なお、本実施形態の発光ダイオードアレイでは、電極配線２２の表面部分を覆うように表面保護膜２５を形成しているが、少なくとも電極配線パッド（個別電極）２３部分を除く電極配線２２の表面に表面保護膜２５を備えた構成であれば、どのような構成でもよく、要は、ボンディング可能な十分な幅の接続領域が確保されていればよい。例えば、前記図１に示すように千鳥状２列の駆動素子側の電極配線パッド２３の電極配線２２部分は、電極配線２２の補強のため幅広２３ａに形成されているが、この幅広２３ａの半分まで表面保護膜２５を覆うようにしている。

また、本実施形態では、電極配線パッド（個別電極）２３部分を除く電極配線２２の表面に表面保護膜２５を形成しているが、この表面保護膜２５の膜厚が、個別電極の膜厚以下のときも本実施形態と同様な効果を得ることができることは勿論である。

基本的には、電極配線パッド（個別電極）２３上において、表面保護膜２５の厚膜がボンデイングの支障がない状態で形成されていればよい。つまり、電極配線パッド２３の幅は光プリントヘッドの高密度（高解像度）化に伴って狭くなる傾向にあるので、電極配線パッド２３の幅方向（電極配線パッド２３の配列方向）に位置するエッジの上に表面保護膜２５が形成されると、上述のようにワイヤボンディングの支障になる。よって、電極配線パッド２３のエッジの内、電極配線パッド２３の幅方向に位置するエッジ上に表面保護膜２５を形成することは好ましくない。しかしながら、電極配線パッド２３の長さは光プリントヘッドの高密度（高解像度）化に係わらず比較的自由に設定することができる。したがって、電極配線パッド２３が縦長に形成され、その長さが、上述のようなワイヤボンディングの支障にならない長さであれば、電極配線パッド２３の長さ方向（電極配線パッド２３の配列方向と直交する方向）のエッジ（短辺エッジ）に限り、例えば図１に示すような位置に表面保護膜２５ｂを形成しても良い。

すなわち、従来と同様に、電極配線パッド２３の大部分を表面を露出させ、電極配線パッド２３のエッジ部分のみを覆うように表面保護膜２５を形成するが、電極配線パッド２３が縦長であれば、電極配線パッド２３の幅方向（長辺エッジ上）の表面保護膜２５は除去し、電極配線パッド２３の長さ方向（短辺エッジ上）の表面保護膜２５のみを残すように、表面保護膜２５ｂを形成することができる。このように、電極配線パッド２３の各々に、その表面の内、長さ方向のエッジ（短辺エッジ）、特に金属細線２７と平面的な重なりを持つエッジのみに表面保護膜２５ｂを形成すれば、上記保護膜２５ａと同様に、電極配線パッド２３の長さ方向に沿ってワイヤボンディングされる金属細線２７が垂れ下がったときに、垂れ下がった金属細線２７の一部を保護膜２５ｂが支え、金属細線２７と隣接する電極配線パッド２３との接触（短絡）を未然に防止することができる。

また、表面保護膜は、ポリイミドが一般的であるが、１μｍ程度以上の厚膜になってもクラッキングが入らない膜であればどのような膜でもよく、例えばケイ素化合物に有機バインダーを添加したものでもよい。

また、本実施形態では、個別電極の腐蝕防止用として窒化ケイ素膜による被膜（腐蝕防止用被膜２６）の形成を行っている。この薄膜は発光領域部分の反射防止膜を兼用するのを目的の１つとしているので、窒化ケイ素膜を使用しているが、薄膜の表面保護としては酸化ケイ素膜も使用可能である。但し、窒化ケイ素膜は屈折率が酸化ケイ素膜より大きく反射防止効果が大きいこと、さらには疎水性が高く信頼性が高いので窒化ケイ素膜使用が適当である。

また、本実施形態では、６００ｄｐｉ相当のアレイについて説明したが、より高密度な、例えば、１２００ｄｐｉなどのアレイにも、当然適用可能である。

さらに、本実施形態では、異種金属（通常はΑｌ／Ａｕ）同士をボンディングするボールボンディングについて説明したが、高密度接続が可能なステッチボンディングについても同様な効果を得ることができる。

また、上記実施形態に係る光プリントヘッドが、上述した構造をとるものであれば、どのような構成でもよく、その製造プロセス、基板の種類、電極等の個数及び大きさ、千鳥状配置の列数を含む配置状態等は上記実施形態に限定されない。

本発明は、６００ｄｐｉ、１２００ｄｐｉなどの高密度なアレイに適用可能である。そして、このようなアレイを備える光プリントヘッドに適用可能である。

本発明を適用した実施形態に係る発光ダイオードアレイの構造を示す平面図である。図１のＡ−Ａ′矢視断面図である。図１のＢ−Ｂ′矢視断面図である。従来の光プリンタ用発光ダイオードアレイを示す平面図である。図４のＡ−Ａ’矢視断面図である。従来の発光ダイオードアレイのワイヤボンディングを説明するための断面図である。従来の発光ダイオードアレイのワイヤボンディングを説明するための平面図である。従来の発光ダイオードアレイのワイヤボンディングを説明するための断面図である。

符号の説明

２０発光ダイオードアレイ
２１発光領域
２２電極配線
２３電極配線パッド（個別電極）
２４共通電極（カソード電極）
２５表面保護膜
２６腐蝕防止用被膜

Claims

複数の発光領域と、該発光領域に電極配線を介して接続された縦長の個別電極とを、配置してなる発光ダイオードアレイにおいて、前記電極配線の表面と前記個別電極のエッジ部分の表面に保護膜を形成するとともに、前記個別電極の長辺エッジ上の保護膜は除去されていることを特徴とする発光ダイオードアレイ。
前記保護膜とは別に、前記発光領域を覆う薄膜を個別電極の腐蝕防止用として形成していることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードアレイ。
発光ダイオードアレイと、このアレイを駆動するため駆動素子と、前記アレイと駆動素子間をボンディングによって電気的に接続する金属細線とを備える光プリントヘッドにおいて、前記発光ダイオードアレイとして請求項１ないし２の何れかに記載の発光ダイオードアレイを用いたことを特徴とする光プリントヘッド。
発光ダイオードアレイと、このアレイを駆動するため駆動素子と、前記アレイと駆動素子間をボンディングによって電気的に接続する金属細線とを備え、金属細線の第１ボンディングが前記駆動素子側に行われ、第２ボンディングが前記発光ダイオードアレイ側に行われた光プリントヘッドにおいて、前記発光ダイオードアレイとして請求項１ないし２の何れかに記載の発光ダイオードアレイを用いたことを特徴とする光プリントヘッド。