JP4668637B2 - サーマルヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

サーマルヘッドおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、フォトプリンタやサーマルプリンタ等に搭載されるサーマルヘッドおよびその製造方法に関する。
フォトプリンタやサーマルプリンタ等に搭載されるサーマルヘッドは、放熱性に優れた基板上に、例えばガラス等の高断熱材料からなる保温層と、通電により発熱する複数の発熱抵抗体と、全発熱抵抗体に共通に導通接続したコモン電極と、各発熱抵抗体に個別に導通接続した複数の個別電極とを備え、コモン電極及び個別電極を介して通電して発熱させた発熱抵抗体をインクリボンまたは印刷媒体（感熱紙）に圧接することで印刷動作する。
従来の折り返し構造によるサーマルヘッドの平面図（保護層を除く）を図７に示した。折り返し構造では、Ｕ字状の折り返し導体１１０により互いの一端部が接続された２つの発熱抵抗体１０５ａ、１０５ｂから１つの印刷ドット部Ｄが構成され、一方の発熱抵抗体１０５ａの他端部に個別電極１０７が、他方の発熱抵抗体１０５ｂの他端部にコモン電極１０８がそれぞれ接続している。各コモン電極１０８は、印刷ドット部Ｄの配列方向に平行な方向に長く延びるコモンライン１０９に接続されており、コモンライン１０９の長手方向の両端から給電される。各個別電極１０７には、発熱抵抗体１０５ｂ側とは反対側の他端部に、ワイヤーボンディング用のボンディングパッド１１１が設けられている。従来のボンディングパッド１１１は、基板１０１上に保温層１０２が形成され、保温層１０２の上に金属薄体から形成されている。
このボンディングパッド１１１の表面に、溶融されたボンディングボールが溶着され、ワイヤー１２３が引き延ばされて駆動ユニット１２０のボンディングパッド１２１に溶着される。従来は、このボンディングパッド１１１の表面は平坦であった。
ワイヤーボンディングにおいて、ボンディングパッド１１１とボンディングボールの溶着結合力を高めるために、ボンディングパッド１１１の表面に凹凸を形成する技術が開発されている（特許文献１）。ボンディングパッド１１１の断面図を図８に示した。
特開平５-２５１８５６号公報
従来技術では、表面が平坦な基板１０１の上に均等厚にボンディングパッド１１１を形成した後に、ダイヤモンドカッタ等でボンディングパッド１１１の表面を切削成形している。しかしながらこの従来の切削方法は、真空蒸着法等によって基板１０１、ボンディングパッド１１１等を形成した後に機械的な切削加工を施す必要があるので、製造工程が増えてしまう。しかも、切削の際にボンディングパッド１１１に機械的な外力を加えるのでボンディングパッド１１１が剥離するおそれがあり、切削したボンディングパッド１１１の底部が薄くなるのでボンディングパッド１１１を薄くすることが困難である、ボンディングパッド１１１の周辺部を傷つけるおそれがあるなどの問題があった。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであって、製造が容易であり、薄く形成しても密着性が高いワイヤーボンディングが可能なサーマルヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決する本発明は、一定間隔で形成された多数の発熱抵抗体と、各発熱抵抗体の表面を覆う絶縁バリア層と、各発熱抵抗体に電流を供給するための導体として、各発熱抵抗体に個別に接続された個別導体と、各発熱抵抗体に共通に接続された共通導体とを有するサーマルヘッドにおいて、前記個別導体または前記共通導体の電極として形成されているボンディングパッドが、多数の凹凸を有する下地層を備え、該下地層の上方に形成された、該下層の凹凸に沿った凹凸を呈する導体層であること、前記下地層は、前記絶縁バリア層と同じ絶縁材料によってパッド領域絶縁バリア層として形成されていることに特徴を有する。
本発明のサーマルヘッドの製造方法は、一定間隔で形成された多数の発熱抵抗体と、各発熱抵抗体の表面を覆う絶縁バリア層と、各発熱抵抗体に電流を供給するための導体として、各発熱抵抗体に個別に接続された個別導体と、各発熱抵抗体に共通に接続された共通導体とを有するサーマルヘッドの製造方法において、前記発熱抵抗体となる発熱抵抗体層上に前記絶縁バリア層を形成する際に、前記個別導体または前記共通導体と接続するボンディングパッドの形成領域において多数の凹凸からなるパッド領域絶縁バリア層を下地層として形成する工程と、該下地層上に導体層を積層して該下地層の凹凸に沿った凹凸を呈するボンディングパッドを形成する工程と、を含むことに特徴を有する。
本発明のサーマルヘッドによれば、ボンディングパッドが下層の凹凸に沿った凹凸を呈するので、ボンディングパッドの厚さが凸部および凹部にかかわらずほぼ均一になり、凹部の厚さも十分確保することができる。
本発明のサーマルヘッドの製造方法によれば、サーマルヘッドを形成する一連の製造工程においてボンディングパッドに凹凸を形成することができるので、製造工程が少なく、製造に要する時間も短くてすむ。しかも、機械的な外力を付与しないので、製造中にボンディングパッドが剥離するなどの破損のおそれもない。
以下本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明を適用した折り返し構造によるサーマルヘッド実施形態を、保護層を除く状態で示した平面図、図２は図１の切断線II-IIに沿う縦断面図、図３は同サーマルヘッドのボンディングパッド部の拡大平面図、図４は図３の切断線IV-IVで切断した断面図である。このサーマルヘッドは、図１の左右方向に所定間隔で列状に配置された複数の印刷ドット部Ｄを備え、各印刷ドット部Ｄの熱を感熱紙またはインクリボンに与えることで印刷動作する。
サーマルヘッドは、基板１１上に均一の厚さで形成された保温層１２上に、発熱抵抗体１３ａ、１３ｂ、個別導体１４、共通導体１５、各一対の発熱抵抗体１３ａ、１３ｂを接続するコネクト導体１６を備え、個別導体１４の端部にボンディングパッド１７を備えている。１個の印刷ドット部Ｄは、コネクト導体１６で接続された二つの発熱抵抗体１３ａ、１３ｂで構成されている。共通導体１５は、各発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの配列方向と平行に延びるコモンライン１８を介して導通され、コモンライン１８から電源が供給される。ボンディングパッド１７と駆動ユニット２０のボンディングパッド２１とが、ワイヤーボンディングにより配線されたワイヤー２２により接続されている。
駆動ユニット２０は、複数のボンディングパッド２１、各ボンディングパッド２１とワイヤー２２により接続されたボンディングパッド１７を介して対応する個別導体１４への通電／非通電を切り替える複数のスイッチング素子（駆動ＩＣ）及び複数の外部接続端子等を有している。なお、図１はサーマルヘッドの構造を簡略的に示したものであり、個別導体１４の各ボンディングパッド１７と駆動ユニット２０の各ボンディングパッド２１を接続するワイヤー２２は、実際には、約５０μm程度の微小間隔で設けられている。
基板１１としては、放熱性に優れたアルミナセラミック基板、アルミナ基板、シリコン基板などが用いられる。保温層１２は、例えば断熱性の高いガラスグレーズにより形成される。
発熱抵抗体１３ａ、１３ｂは、高抵抗化しやすいＴａ−Ｓｉ−Ｏ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ等の高融点金属のサーメット材料により、例えば１００nm程度の膜厚で形成される。各発熱抵抗体１３ａ、１３ｂは、Ｔａ2Ｎ又はＴａ−ＳｉＯ2等のサーメット材料を用いて保温層１２の上に全面的に形成された発熱抵抗体層１３の一部であり、各発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの表面が絶縁バリア層２４により覆われている。各発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの平面的な大きさ（長さ寸法Ｌ、幅寸法）、つまり各発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの抵抗値は、各絶縁バリア層２４によって規定されている。絶縁バリア層２４は、例えばＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＡｌＯＮ等の絶縁材料で形成されている。
共通導体１５は、隣接する２つの印刷ドット部Ｄ毎に設けられていて、該２つの印刷ドット部Ｄに設けられた個別導体１４の間にそれぞれ配置されている。この共通導体１５は、隣接する２つの発熱抵抗体１３ｂに接続したＵ字形状部と、該Ｕ字形状部から発熱抵抗体１３ｂの長手方向と平行な方向に長く延びる直線部とを有する略Ｙ字形をなしている。各共通導体１５は、発熱抵抗体１３ｂ側とは反対側の端部でコモンライン１８に接続されている。コモンライン１８は、複数の印刷ドット部Ｄの配列方向に延びて複数の共通導体１５に共通に接続され、図示しない電源が接続されている。電源からコモンライン１８に供給される電力は、各共通導体１５を介して全ての印刷ドット部Ｄに供給される。
個別導体１４は、各印刷ドット部Ｄ毎に設けられていて、各発熱抵抗体１３ａの通電方向（図１の上下方向）に長く延びて形成されている。個別導体１４には、発熱抵抗体１３ａ側とは反対側の端部に、ワイヤーボンディング用のボンディングパッド１７が設けられている。
個別導体１４、共通導体１５およびコネクト導体１６は、導体層１４′の一部で形成されていて、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌのうちの一種または一種以上含む合金により形成される。本実施形態の導体１４、１５、１６は、例えば３００〜５００nm程度の膜厚で形成される。さらにボンディングパッド１７を除く個別導体１４、共通導体１５、コネクト導体１６および絶縁バリア層２４が、耐磨耗保護層２３によって覆われている。
保温層１２上には、ボンディングパッド形成領域に位置させて、多数の凹凸（ヒロック、突起）または溝、穴が形成された下地層１９が設けられている。図示実施例の下地層１９の凹凸パターンは、直線的に延びる所定幅の凸部１９ａと、凸部１９ａの間の保温層１２表面が露出した凹部１９ｂとが所定間隔で形成された縦縞状の凹凸パターンである。凹部１９ｂは、保温層１２が露出しないように形成してもよい。
この下地層１９の凸部１９ａ、凹部１９ｂに沿って、凸部１３ｃ、凹部１３ｄを呈する発熱抵抗体層１３が形成され、さらに発熱抵抗体層１３の凸部１３ｃ、凹部１３ｄに沿った凸部１７ａ、凹部１７ｂを呈する導体層１４′が形成され、この導体層１４′がボンディングパッド１７を形成している。このボンディングパッド１７の断面は、凸部１７ａ、凹部１７ｂの厚さがほぼ均一な厚さに形成されている。このようにボンディングパッド１７は、下地層１９の凹凸に沿って略均一の厚みで凸部１７ａおよび凹部１７ｂが形成されているので、剥離し難く、抵抗等の特性も安定している。
下地層１９の凹凸パターン、凹パターンまたは凸パターンを表面的にどのように配置するかは任意であり、複数の溝または穴を形成する態様など、種々の態様がある。図示実施形態では凸部１９ａ、凹部１９ｂの長手方向を、ワイヤーボンディングの際にワイヤー２２を引き伸ばす方向と平行にしたが、この形状は、ワイヤー２２の伸長性がよく、ボンディングパッド１７に対する密着、溶着性もよい。図示実施形態では、下地層１９の素材は凸部１７ａのみ残されているが、凹部１７ｂの底部も凸部１７ａと同じ素材が残るように形成してもよい。
次に、本発明のサーマルヘッドの製造方法について説明するが、前提となるサーマルヘッドの概略製造方法について説明する。先ず、表面に保温層１２が形成された基板１１を準備する。次に、保温層１２上に発熱抵抗体層１３を全面的に形成し、発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの平面的な大きさを定める部分の発熱抵抗体層１３上に絶縁バリア層２４を形成し、発熱抵抗体層１３および絶縁バリア層２４の上に導体層１４′を全面的に形成する。さらに、形成すべき、個別導体１４、共通導体１５、コネクト導体１６及びコモンライン１８の概略形状で発熱抵抗体層１３および導体層１４′を残すようにパターニングする。その後、絶縁バリア層２４上の導体層１４′を除去して絶縁バリア層２４の表面を露出させ、発熱抵抗体１３ａ、１３ｂを得る。なお、絶縁バリア層２４はなくてもよいが、絶縁バリア層２４を備えると、多数の発熱抵抗体の発熱量を正確に確定でき、印画品質を向上させることができる。
以上の工程により、絶縁バリア層２４で覆われた部分が発熱抵抗体１３ａ、１３ｂとなり、導体層１４′は、隣り合う一対の発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの一端側を導通接続するＵ字状の折り返しコネクト導体１６、一対の発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの他端側に同一方向で接続された個別導体１４及び共通導体１５とに分離される。共通導体１５とコモンライン１８は一体に形成される。
次に、サーマルヘッドにおけるボンディングパッド１７の製造方法について説明する。
(1) 下地層に凹凸パターンを形成する場合
まず、発熱抵抗体層１３を形成する前の保温層１２上に、個別導体１４の端部となるボンディングパッド形成領域に位置させて下地層１９を形成する。下地層１９は、例えば、絶縁バリア層２４と同じＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、ＳｉＡｌＯＮ等の絶縁材料によって、所定の製法によって形成する。
次に、その下地層１９上にレジストを、凹部となる部分は覆わず、凸部となる部分だけ覆うように形成する。例えば、ワイヤー引き伸ばし方向と平行に所定幅のレジストを複数本等間隔に配置する。そうして、レジストで覆われていない部分の下地層１９を例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により除去して保温層１２を露出させ、さらにレジストを除去する。この工程によって、下地層１９には、絶縁材による凸部１９ａと凸部１９ａに挟まれ、保温層１２が露出した凹部１９ｂからなる凹凸１９ｂ、１９ａが形成される。
次に、この下地層１９を含む保温層１２上に、発熱抵抗体層１３を全面的に形成する。これにより、ボンディングパッド形成領域には図４に示すように、発熱抵抗体層１３が下地層１９による凹凸１９ｂ、１９ａ上に形成されているので、該凹凸１９ｂ、１９ａに対応する凹凸１３ｄ、１３ｃが発熱抵抗体層１３にも転写されている。
続いて、導体層１４′をパターニングし、個別導体１４、共通導体１５、コネクト導体１６、コモンライン１８およびボンディングパッド１７とする。
以上の工程によって、個別導体１４の端部には、下地層１９の凹凸１９ｂ、１９ａに沿った凹凸１７ｂ、１７ａを呈する導体層１４′からなるボンディングパッド１７が得られる。なお、ボンディングパッド形成領域には、発熱抵抗体層１３を形成せずに導体層１４′を形成してもよい。
(2) 発熱抵抗体層上に凹凸パターンを呈する下地層を形成する場合
まず、保温層１２上に発熱抵抗体層１３を全面的に形成する。
次に、発熱抵抗体層１３上に、発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの平面的な大きさを規定する絶縁バリア層２４を形成すると同時に、形成すべき個別導体１４の端部となるボンディングパッド形成領域の発熱抵抗体層１３上にも、凹凸パターンを生じさせるためのパッド領域絶縁バリア層２５を形成する。
続いて、パッド領域絶縁バリア層２５上にレジストを、凹部となる部分は覆わず凸部となる部分だけ覆うように形成する。例えば、ワイヤー引き伸ばし方向と平行に、所定幅のレジストを複数本等間隔に配置する。次に、レジストで覆われていない部分のパッド領域絶縁バリア層２５を例えばエッチング等により除去し、さらにレジストを除去する。これにより、ボンディングパッド形成領域の発熱抵抗体層１３上には、レジストで覆われていた部分のパッド領域絶縁バリア層２５が残り、そのパッド領域絶縁バリア層２５による凸部２５ａと、該凸部２５ａで挟まれた底部が発熱抵抗体層１３の表面からなる凹部２５ｂとからなる凹凸パターンが形成される。
続いて、発熱抵抗体層１３、絶縁バリア層２４及びパッド領域絶縁バリア層２５の上に全面的に導体層１４′を形成する。これによりボンディングパッド形成領域には、図５に示すように、導体層１４′がパッド領域絶縁バリア層２５による凹凸２５ｂ、２５ａ上に形成されているので、該凹凸２５ｂ、２５ａに対応する凹凸１７ｂ、１７ａが導体層１４′の表面にも転写される。
続いて、導体層１４′をパターニングし、個別導体１４、共通導体１５、コネクト導体１６、コモンライン１８およびボンディングパッド１７とする。
以上の工程により個別導体１４の端部には、パッド領域絶縁バリア層２５により凹凸２５ｂ、２５ａのある下地層が形成され、凹凸２５ｂ、２５ａに沿って凹凸１７ｂ、１７ａを呈する導体層１４′からなるボンディングパッド１７が得られる。
(3) 発熱抵抗体層により凹凸パターンを有する下地層を形成する場合
まず、保温層１２上に発熱抵抗体層１３を全面的に形成する。
次に、発熱抵抗体層１３上に、形成すべき個別導体１４の端部となるボンディングパッド形成領域に位置させて、凹凸パターンを形成するためのレジストを形成する。レジストは、凹部となる部分は覆わず凸部となる部分だけ覆うように形成する。例えば、ワイヤー引き伸ばし方向と平行に、所定幅のレジストを複数本等間隔に配置する。
続いて、レジストで覆われていない部分の発熱抵抗体層１３を例えばエッチングにより除去し、さらにレジストを除去する。これにより、保温層１２上のボンディングパッド形成領域には、レジストで覆われていた部分の発熱抵抗体層１３が残り、発熱抵抗体層１３による凸部１３ｃと、該凸部１３ｃで挟まれ、底部が保温層１２となる凹凸１３ｄ、１３ｃが形成される。
続いて、発熱抵抗体層１３上に、発熱抵抗体１３ａ、１３ｂの平面的な大きさを規定する絶縁バリア層２４を形成する。なお、絶縁バリア層２４は形成しなくてもよい。
続いて、保温層１２、発熱抵抗体層１３および絶縁バリア層２４の上に導体層１４′を全面的に形成する。ボンディングパッド領域には、図６に示すように、導体層１４′が発熱抵抗体層１３の凸部１３ｃ、凹部１３ｄ上に形成されているので、該凹凸１３ｄ、１３ｃに対応する凹凸１７ｂ、１７ａが導体層１４′の表面にも転写されている。
続いて、導体層１４′をパターニングし、個別導体１４、共通導体１５、コネクト導体１６、コモンライン１８およびボンディングパッド１７とする。
以上の工程により個別導体１４の端部には、発熱抵抗体層１３の凹凸１３ｄ、１３ｃを下地層として、その凹凸１３ｄ、１３ｃに沿った凹凸１７ｂ、１７ａを呈する導体層１４′からなるボンディングパッド１７が得られる。
以上の通り本実施形態における製造方法によれば、サーマルヘッドを製造する一連の工程の中で、表面に凹凸パターンを呈する下地層１９を形成し、さらに下地層１９の凹凸パターンに沿って凹凸を有する導体層からなるボンディングパッド１７を形成できるので、異なる製造装置、製造ラインを設けなくても、容易に製造できる。
図示実施形態ではサーマルヘッドの個別導体のボンディングパッドについて適用した実施形態を示したが、本発明は共通導体のボンディングパッド、駆動ユニット２０のボンディングパッドなど、ワイヤボンディング用のボンディングパッドに適用できる。
本発明を適用した折り返し構造によるサーマルヘッドの実施形態を、保護層を除く状態で示した平面図である。 図１（図３）の切断線II-IIで切断した断面図である。 同サーマルヘッドのボンディングパッド部の拡大平面図である。 図３の切断線IV-IVで切断した断面図である。 本発明の他の実施形態を示した、図４同様の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態を示した、図４同様の断面図である。 従来の折り返し構造によるサーマルヘッドを、保護層を除く状態で示した平面図である。 従来のサーマルヘッドにおけるボンディングパッドの断面図である。
符号の説明
１１ 基板
１２ 保温層
１３ 発熱抵抗体層
１３ａ １３ｂ 発熱抵抗体
１３ｃ 凸部
１３ｄ 凹部
１４′ 導体層
１４ 個別導体
１５ 共通導体
１６ コネクト導体
１７ ボンディングパッド
１７ａ 凸部
１７ｂ 凹部
１８ コモンライン
１９ 下地層
１９ａ 凸部
１９ｂ 凹部
２０ 駆動ユニット
２１ ボンディングパッド
２２ ワイヤー
２３ 保護層
２４ 絶縁バリア層
２５ パッド領域絶縁バリア層
２５ａ 凸部
２５ｂ 凹部

Claims (2)

  1. 一定間隔で形成された多数の発熱抵抗体と、各発熱抵抗体の表面を覆う絶縁バリア層と、各発熱抵抗体に電流を供給するための導体として、各発熱抵抗体に個別に接続された個別導体と、各発熱抵抗体に共通に接続された共通導体とを有するサーマルヘッドにおいて、
    前記個別導体または前記共通導体の電極として形成されているボンディングパッドは、多数の凹凸を有する下地層を備え、該下地層の上方に形成された、該下地層の凹凸に沿った凹凸を呈する導体層であること、前記下地層は、前記絶縁バリア層と同じ絶縁材料によってパッド領域絶縁バリア層として形成されていることを特徴とするサーマルヘッド。
  2. 一定間隔で形成された多数の発熱抵抗体と、各発熱抵抗体の表面を覆う絶縁バリア層と、各発熱抵抗体に電流を供給するための導体として、各発熱抵抗体に個別に接続された個別導体と、各発熱抵抗体に共通に接続された共通導体とを有するサーマルヘッドの製造方法において、
    前記発熱抵抗体となる発熱抵抗体層上に前記絶縁バリア層を形成する際に、前記個別導体または前記共通導体と接続するボンディングパッドの形成領域において多数の凹凸からなるパッド領域絶縁バリア層を下地層として形成する工程と、
    該下地層上に導体層を積層して該下地層の凹凸に沿った凹凸を呈するボンディングパッドを形成する工程と、
    を含むことを特徴とするサーマルヘッドの製造方法。
JP2005030648A 2005-02-07 2005-02-07 サーマルヘッドおよびその製造方法 Expired - Fee Related JP4668637B2 (ja)

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