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
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Description
【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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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