JP4352561B2 - 光書込みヘッドおよび光書込みヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、プリンター、ファクシミリ等の電子写真方式による画像形成装置の記録用光源として用いている発光素子アレイチップを搭載している記録ヘッドに関する。
【０００２】
より詳細には、発光素子アレイチップに及ぼす熱を簡便は方法で効率よく除去できる構造体からなる光書き込みヘッドに関する。
【０００３】
【従来の技術】
従来から、半導体ＩＣを内蔵するＱＦＰ、ＰＧＡ、ＢＧＡ等のシングルチップパッケージ、又はハイブリッドＩＣ、ＭＣＭ等のマルチチップのＩＣ部品をプリント基板上に実装する半導体パッケージにおいて、放熱用のヒートシンクを設けているのが一般的である。
【０００４】
これにより半導体チップに発生・蓄熱される熱を効率よく放熱させて、半導体ＩＣ等の発熱による誤作動を防止すると共に、半導体の劣化を抑制させて長寿命化を可能にさせるものである。
【０００５】
このような発熱による問題は、半導体装置パッケージに起こる特有のものでなく、従来から複写機、ファクシミリ、プリンター等の電子写真方式による画像形成における印字ヘッド（記録ヘッド）においても問題になっている。
【０００６】
このように画像形成装置に搭載されている記録ヘッドとしては、サーマルヘッド、光書き込みヘッドおよびイオン書き込みヘッド等が挙げられる。
【０００７】
これらの記録ヘッドは、ヘッド基板上に複数個の記録素子が直線状に配列された記録素子アレイチップが用いられ、所望の印画信号に基づいて複数個の記録素子を選択することにより、その記録方式としては、サーマル方式、熱転写方式及び既に上述する電子写真方式等が挙げられる。
【０００８】
特に電子写真方式においては、この記録素子として基板上に発光素子アレイチップを有する記録ヘッドを用いる場合、この発光素子アレイ自体の発熱の他に、この発光素子の周辺で発生する熱がこの発光素子アレイチップに伝わり、そのため発光光量等に悪影響を及ぼすのである。
【０００９】
すなわち、発光素子の光出力は、温度依存性が大きく、これに基づく発光バラツキは印字性能に直接影響を及ぼす。このような発光バラツキをなくすために、基板及び基板上の発光素子アレイ周辺の温度上昇を防止することが重要である。
【００１０】
そこで、従来から上述した半導体パッケージに施されているヒートシンク対策等と同様に、この発光体素子アレイの放熱対策が種々提案されている。
【００１１】
例えば、特開平９−１４１９２９号公報には、発光素子アレイチップ１０１とこの素子アレイを駆動させる駆動ＩＣチップ１０４とをそれぞれ別の基板１０２、１０６上に設けて、ＩＣチップから発光素子アレイチップへの熱伝導を抑制させる、あるいは更にこのＩＣチップを搭載する基板に放熱板を隣接させて設けること等が記載されている（図１０参照、なお、図中の１０３はフレキシブルケーブルである）。
【００１２】
また、特開平７−２２８００２号公報には、発光基板４２（ＬＥＤ基板）上に発光素子４１（ＬＥＤ素子）と駆動用回路４４を搭載するＬＥＤ基板４２を放熱板容器４３内に支持させた光学記録ヘッドが記載されている（図８参照、なお、図中の４５はレンズアレイで、４６はワイヤーである）。
【００１３】
更にはまた、特開平９−２７７５８７号公報には、基板１４上に発光ダイオードアレイチップ１５の配列方向に沿ってアルミニウム等の高熱伝導性の放熱パターン１３、１６を形成し、この放熱パターンと個々の発光ダイオードアレイチップをワイヤーボンディングした発光素子アレイを設けている記録ヘッドが記載されている（図９参照、なお、図中の１７はワイヤーで、１８はロッドレンズで、１９は感光ドラムである）。
【００１４】
また、基板にスルーホールを設けて、発熱側の基板の熱を基板裏面側の放熱パターンにスルーホールに埋め込まれた熱良導体を熱伝導経路として伝熱させて放熱させることも記載されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
発光素子の光出力（発光量）は、一般に温度依存性をもつ。例えば、ＡｌＧａＡｓの発光素子にあっては、１℃の温度上昇で、０．６〜１．０％程度、その光量を低下することが知られていて、発光素子アレイチップが温度上昇によって光量を低下させることは、無視できないのが実状である。
【００１６】
従って、このような発光素子アレイ（ＬＥＤアレイ）を用いている記録ヘッドにおいて、このような発光出力バラツキを起こすことは、例えば、ＬＥＤアレイプリンターの印字品質低下（印字濃度ムラ）の要因となるのである。
【００１７】
そこで、既に上述する従来例を含め公報に記載されている提案からも明らかなように、基板など発光素子アレイの近傍周辺を含めて、放熱パターン材や、金属放熱板等の熱良導体部材を用いて、可能な限り放熱させる等の種々の対応策が講じられている。
【００１８】
しかしながら、上述する従来例の公報提案の図８、９及び１０から明らかなように、ヒートシンク部材としては、必ずしもコンパクトに対応された構造体ではない。
【００１９】
このような構造体を実装させて放熱を効果的に発揮させようとすると、発熱・蓄熱部位の近傍周辺に、伝熱、放熱を目的とする面を新たに設けたり、また、放熱面を多く取りうる新たな構造体を設けなければならなく、装置の小型化、コストダウンを図る観点から未だ満足されるものではない。
【００２０】
また、従来から基板としてガラス・エポキシ基板が用いられているが、このガラス・エポキシ基板は、導電性ペーストによるダイボンディング後の熱変形（熱歪み）により、記録素子の配列性に影響を及ぼす傾向があった。
【００２１】
これらを解決するため、特開平１１−１２３８４４号公報には、基板としてガラスまたはセラミックスを用いる提案がなされている。
【００２２】
ところが、ガラスを基板材に用いる場合、その低熱伝導率であることが影響して、その基板上の記録素子の温度を上昇させる傾向がある。また、ガラスに比べてより熱伝導性であるアルミナ焼結体等のセラミックス基板においては、基板の板厚等の寸法性（再現性）が低く、また、大面積の基板が得にくく、例えば、多面取りによってコストダウンが図れるフォトリソ工程の利用を困難させ、量産性に乏しいものである。
【００２３】
すなわち、以下に、ガラス基板を用いた場合の図７（ａ）及び（ｂ）に示す記録ヘッドの参考例（モデル）から、低熱伝導性のガラスの基板表面の温度挙動を説明する。
【００２４】
図７（ａ）に示す如く、厚さＤの基板２上に、長さＬ、幅Ｗ、厚さＨの発光素子アレイチップ１を接着させて設けることにより（但し、Ｄ≫Ｈ）、図７（ｂ）に示す如くの熱−温度回路を組むことができる。
【００２５】
ここで、発光素子アレイチップ１が接着されている基板の接着表面側と基板の裏面側との温度差；ΔＴとすると、この熱−温度回路において、熱抵抗Ｒ、熱量Ｐとすると、ΔＴ＝ＰＲとして表される。なお、Ｒ＝Ｄ／（ＷＬｋ）、ｋ；熱伝導率である。
【００２６】
そこで、この基板２に熱伝導率がｋ＝２１Ｗ／ｍ／Ｋであるアルミナを用いた場合に、その基板厚Ｄ＝２ｍｍにおいて、チップ（Ｌ＝５．４ｍｍ、Ｗ＝０．２ｍｍ、Ｈ＝０．２ｍｍ）の発熱量が２０ｍＷのとき、上記の式から、基板２の表裏温度差ΔＴは、１．７６℃として得られる。
【００２７】
同じ条件で、この基板を熱伝導率ｋ＝０．７Ｗ／ｍ／Ｋのガラスに代えると、この基板の表裏温度差ΔＴは、同様にして得られ、アルミナ基板の約３０倍の５３℃となることから、基板にガラスを用いることで、素子チップから熱を除去することが極めて困難であることが判る。
【００２８】
以上から、本発明の目的は、寸法安定性、量産性に優れる部材であるガラスの特性を活かして、ガラスを基板に用いて、その基板上に形成された発光素子アレイチップからの放熱除去及び伝熱除去をこの基板上に格別のヒートシンク部材及びその構造体を設けることなく、簡便な対応策で効果的に発光素子アレイに及ぼす温度依存による発光量低下を抑制できる発光素子アレイチップを用いた光書き込みヘッドを提供することである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
以上から、本発明者らは、上述する課題に鑑みて、鋭意検討を行った結果、熱良導体である金属配線部材に着目することで、ガラス基板上の実装時の記録素子アレイチップから、直接的に、より効果的に、熱除去できる方法を見出して、本発明を完成させるに至った。
【００３０】
すなわち、本発明による光書き込みヘッドは、支持体に端部を支持されている板状のガラス基板上に導電性、熱良導体の金属層を設け、この金属面上に、直接、記録素子アレイチップを密着実装させたことを特徴としている。
【００３１】
これによって、このガラス基板上の金属層上に密着している接触面を熱伝達経路として、複数個の素子からなる記録素子アレイチップの熱が伝達除去させられることから、従来に比べて著しく効果的に熱を金属層に伝えることができる。
【００３２】
また、熱の伝導及び放熱のための基板上の金属層面は、格別な構造体でないことから、記録素子アレイチップに比べて、この基板上での占有面を大きく設けることができ、しかも、従来に比べて著しく単純な対応策で、熱の伝導・放熱ができ、この金属層面が良好な放熱板（ヒートシンク部材）として作用し、寸法安定性、量産性に優れるガラス基板上に設ける記録素子アレイチップからの熱の伝導・放熱除去を容易にさせることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、図１〜図６を参照しながら、本発明による書き込みヘッドの実施形態について説明する。
【００３４】
既に上述した如く、本発明によれば、熱伝導率が著しく低いガラス基板上に熱伝導性に優れる金属層４を設けたことが、本発明の構成の大きな特徴である。
【００３５】
以上から、本発明は、このように熱伝導性が著しく低いが、既に上述した如くのアルミナ基板に比べて優れた特性を有するガラスを、発光素子アレイチップの基板として実用に供するようにするために、この素子チップへの蓄熱による温度変化を効果的に防止できるガラス基板にしたものである。
【００３６】
そこで、図１及び２を参照すると、本発明による書き込みヘッドは、既に上述した如く、例えば、支持体５に板状のガラス製の基板２が突起状に支持されている。その基板の所定面上に金属層４が形成されている。
【００３７】
この金属層としては、本発明においては、導電性で、熱良伝導の金属材を適宜に使用することができ、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、銀、金、白金及びその合金等が挙げられる。本発明においては、これらの少なくとも１種を単独に、または２種以上を組み合わせて適宜、好適に使用することができる。
【００３８】
この金属層上に、例えば、図１及び２に示す如くの長手板状で、複数個の記録素子からなる記録素子アレイチップ１を密着実装させるに際しては、この金属層自体が電気電導性であることから、例えば、図２に示す如く、この金属層に予め配線パターン８を適宜に設けることができるものである。
【００３９】
この配線パターン８ａと金属層４上に密着された記録素子アレイチップ１とをこのボンディングパット６を介してワイヤー３ａでボンディングすることにより光書き込みヘッドが形成される。
【００４０】
これによって、既に上述した如く、基板上のこの面状の金属層４に面接着された記録素子アレイチップ１の接着面が、熱伝導経路となって効果的に記録素子アレイチップ１からの熱が伝導され、この金属層が放熱面（放熱板）として記録素子アレイチップの放熱に寄与することがよく判る。
【００４１】
また、本発明においては、図２示す如く、この金属層４に絶縁帯９を設けることにより、例えば、支持体５が金属であっても金属層４からの電気伝導は遮断される。
【００４２】
同時に熱伝導的にも遮断されて、例えば、支持体への記録素子アレイチップ側の金属層５からの熱伝導が抑制されるが、必要に応じて、図２に示す如く、この絶縁帯を跨いでワイヤー３ｂを設けることにより、記録素子アレイチップ側の熱を支持体側にこのワイヤーを熱伝導経路として熱伝導させることができ、記録素子アレイチップの放熱を向上させるものである。
【００４３】
また、本発明においては、好ましくは、記録素子アレイチップをこの金属層上に実装させるに際して、図３に示す如く、配線パターン８ｂを予め基板上にパターニングさせ、次いで、層間絶縁層７を設けて、その上に適宜金属層を積層形成させることができる。
【００４４】
すなわち、これによって配線パターンを熱伝導回路の金属層と分離されて安定化させると共に、完全に配線パターン面が空気遮断させられることから、配線パターンの酸化劣化を抑制させることができる他、基板上の金属層の形成を容易させ、しかも、既に上述した如く、基板上での金属層の占有面を大きくできることから放熱板として効果をも向上させるものである。
【００４５】
また、本発明においては、上述した図２に示した金属層を、必要に応じて、図４に示す如く、基板の所定面４ａから側面４ｂに沿って設け、更に、記録素子アレイを設けていない基板裏面側の４ｃ面に連続した金属層として設けることができる。
【００４６】
これにより、記録素子アレイチップ１側及び支持体５側から相互に放受される熱の伝導除去・放熱除去をより効果的に向上させることができる。
【００４７】
また、必要に応じて、図４には図示されていないが、図４において、基板２に金属層４ａから金属層４ｃへの熱伝導経路に用いるスルーホールを設けることも可能である。
【００４８】
そこで、以下に既に上述した図３及び図４に示す光書き込みヘッドに用いた本発明による金属層を設けた基板の製造例の実施形態について、図５及び図６を参照して説明する。
【００４９】
図５において、基板上に図５（ｂ）に示す如く配線パターンを形成させる。次いで、図５（ｃ）に示す如く層間絶縁層７を形成させた後、この層間絶縁層上に金属層をスパッタ形成させる。次いで、この層間絶縁層７の下層に設けた配線パターンに導通させるためのコンタクトホールを設けるために、この金属層を図５（ｄ）に示す如くコンタクトホールパターンでエッチングし、図５（ｅ）に示す如くのコンタクトホールを形成させる。
【００５０】
次いで、上述する同マスクを用いて、上述した所定の金属層をメッキ堆積させ図５（ｆ）に示す如くの金属層４を形成させる。
【００５１】
更にはまた、図３に示す光書き込みヘッドに用いた金属層を設けるに際しては、図６に示す如く、図５で上述したと同様の工程［図６（ａ）−（ｃ）］を経た後、図６（ｄ）に示す如く４ａ、４ｂ及び４ｃ面に所定の金属膜をスパッタ形成させた後、同様に、この層間絶縁層８の下層に設けた配線パターンに導通させるためのコンタクトホールを設けるために、この金属層４ａに図６（ｄ）に示す如くコンタクトホールパターンでエッチングし、図６（ｅ）に示す如くのコンタクトホールを形成させる。
【００５２】
次いで、４ａ層のみを同マスクを用いて、上述した所定の金属層をメッキ堆積させ図６（ｆ）に示す如くの金属層（４ａ、４ｂ、４ｃ）を形成させる。
【００５３】
【実施例】
以下に、本発明を実施例で説明するが、本発明これらに限定されるものではない。
【００５４】
（実施例１）
図１において、ガラス基板２上に金属層４として、層厚ｔ＝２５μｍの銅層を形成させた。次いで、この金属層上に発光素子アレイチップ１（以後、単に素子アレイ１と称す）を搭載させた基板の一端側を支持体５に支持させて記録ヘッド構造体とした。
【００５５】
この記録ヘッド構造体を用いてこの金属層上に素子アレイ１（長さ：Ｌ、幅：Ｗ、厚さ：Ｈ）を設けることによる素子アレイ１の周辺部の熱除去効果（熱伝導、放熱）を調べた。
【００５６】
ここで、支持体５は十分に熱容量をもち、熱的に接地されている状態と見なせる。素子アレイ１におけるｄ＝４ｍｍ、ｋ＝４０３とすると、素子アレイチップ１の近傍の温度は支持体５に比べて、約１．５℃高くなるだけである。なお、ここで、ガラス基板２の熱伝導率は、銅層４に比べて著しく小さいので無視できる。
【００５７】
（実施例２）
図２に示す如く、実施例２において、銅層４上に配線パターン８をパターニングし、素子アレイチップ１とこの配線パターン８を金線３ａでワイヤボンディングを行った。更に、この配線パターンを電気的に絶縁するために、絶縁体パターン９を行い、次いで、分断銅層を径２５μｍの金線３ｂで熱回路をつないだ。
【００５８】
この絶縁体パターンの幅が１ｍｍ（１ｍｍの距離をとばした場合）であると、金銭１０本で、熱抵抗でｄが２０ｍｍ延びたことに相当し、温度差が約９℃になった。
【００５９】
（実施例３）及び（実施例４）
実施例４による記録ヘッド構造体を図３に示す。図３から明らかなように、ガラス基板２上に配線８ａを設けた後、その基板全面に層間絶縁膜７を設け、下層配線８ａとのコンタクトホールを形成させ、そのパターンマスクでその上に金属層４を形成させた後、発光素子アレイチップ１を搭載させ、コンタクトホールと発光素子アレイチップ１とをワイヤ３ａでボンディングして下層配線８ａと導通させたものである。
【００６０】
このような構造体にすることで、基板上の金属層４の熱伝導及び放熱面の占有率を高め、しかも、金属層４の形成を単純化させることができる。
【００６１】
また、実施例４は、図４に示す如く、実施例３において、基板上の金属層を連続層として基板の側面及び下部面に設けてより熱除去を向上させたものである。
【００６２】
【発明の効果】
以上から、本発明による光書き込みヘッドは、基板上に設ける導電性、熱良導体の金属層上に、直接、記録素子アレイチップを実装させたものである。
【００６３】
これによって、この金属層上に密着されている記録素子アレイチップの熱伝導経路が、この金属層に接触している面であることから、従来に比べて効果的に熱を金属層に伝えることができる。
【００６４】
また、基板上の金属層面は、従来に比べて著しく単純な対応策で、しかも、記録素子アレイチップに比べて、基板上での占有面積を大きくすることができることから、良好な放熱板として作用して、熱の伝導・放熱除去が容易になされて、記録素子アレイチップの温度依存性を著しく低下させて印字品質低下を著しく抑制させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発光素子アレイチップを有する基板上の全面が、金属層とした記録ヘッドの概念斜視図を示す。
【図２】本発明による発光素子アレイチップを有する記録ヘッドの概念斜視図を示す。
【図３】本発明による発光素子アレイチップを有する記録ヘッドの概念斜視図を示す。
【図４】本発明による発光素子アレイチップを有する記録ヘッドの概念斜視図を示す。
【図５】本発明の記録ヘッドの製造工程例を示す断面図である。
【図６】本発明の記録ヘッドの製造工程例を示す断面図である。
【図７】発光素子アレイチップにおける基板の熱伝導性とその温度挙動を説明する図である。
【図８】従来例の発光素子を有する記録ヘッドの断面図を示す。
【図９】別の従来例の発光素子を有する記録ヘッドの断面図を示す。
【図１０】更に別の従来例の発光素子を有する記録ヘッドの断面図を示す。
【符号の説明】
１、１０１ 記録素子（発光素子アレイチップ）
２，１４，４２，１０２，１０６ 基板
３ａ，３ｂ，１７，４６ ワイヤー
４ａ，４ｂ，４ｃ 金属層（金属膜）
５ 支持体
６ ボンディングパット
７ 層間絶縁層
８ａ，８ｂ 配線パターン
９ 絶縁帯
１２ 発光ドット
１３，１６ 放熱パターン
１５ 発光ダイオードアレイチップ
１６ ロッドレンズ
１９ 感光ドラム
２０，４３ 放熱板
４１ ＬＥＤ素子
４４，１０４ 駆動ＩＣ（駆動用回路）
４５ レンズアレイ
１０３ フレキシブルケーブル

Claims (5)

1. 支持体に端部を支持されている板状のガラス基板の所定面上に、複数個の記録素子からなる記録素子アレイチップを搭載している光書き込みヘッドにおいて、
   前記ガラス基板上に設けられる配線パターンと、
   前記ガラス基板上に設けられる層間絶縁層と、
   前記層間絶縁層上に設けられる金属層と、
   前記金属層および前記層間絶縁層に前記配線パターンに対応して形成され、当該配線パターンに導通させると共に当該金属層とは分離するためのコンタクトホールと、
   前記金属層面上に、直接、密着されている前記記録素子アレイチップと、
   を有することを特徴とする光書き込みヘッド。
2. 前記金属層が、銅、アルミニウム、ニッケル、銀、金、白金及びその合金から選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の光書き込みヘッド。
3. 前記金属層が、前記ガラス基板の前記所定面から側面に沿って前記記録素子アレイチップを設けていないガラス基板裏面に連続した層として設けられている請求項１または２に記載の光書き込みヘッド。
4. 前記記録素子が、光を発光及び消灯することにより記録する発光素子であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光書き込みヘッド。
5. 支持体に端部を支持されている板状のガラス基板の所定面上に、複数個の記録素子からなる記録素子アレイチップを搭載している光書き込みヘッドの製造方法において、
   ガラス基板上に配線パターンを形成する工程と、
   前記ガラス基板上および前記配線パターン上に層間絶縁層を形成する工程と、
   前記層間絶縁層上に第１の金属層を形成する工程と、
   前記第１の金属層に前記配線パターンに対応したコンタクトホールパターンをエッチングにより形成する工程と、
   前記コンタクトホールパターンをマスクとしてエッチングすることで、前記層間絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、
   前記配線パターン上および前記第１の金属層上に第２の金属層をメッキ堆積させる工程と、
   前記第２の金属層上に、直接、前記記録素子アレイチップを密着して形成する工程と、
   を有することを特徴とする光書き込みヘッドの製造方法。

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