JPH08148723A - 光プリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光プリントヘッドの印字品質の向上。 【構成】 主面上に所望の回路導体層を形成したベース
基板21と、同じく主面上に所望の回路導体層を形成した
カバー基板32と、直線状に配列した複数の発光ダイオー
ド24の電極端子として突起状金属電極26を発光面側の面
上に配列すると共に、その反対側の面に裏面電極29を配
列した発光ダイオードアレイチップ23とにより構成さ
れ、前記発光ダイオードアレイチップ23の発光面を前記
ベース基板21の主面上の所定の位置に、更に、発光面と
反対側の面を前記カバー基板32の主面上の所定の位置
に、それぞれ電気的，機械的に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子写真方式のプリン
タやディジタル複写機などに組み込まれ、一次元イメー
ジ情報の電気信号を一次元の光学画像に変換する光プリ
ントヘッド及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノンインパクトプリンタの書き込
み手段として好適な光プリントヘッドは、電子写真方式
のプリンタやディジタル複写機などに適用されている。
電子写真方式のプリンタとしては、１本の変調レーザ光
を回転多面鏡に当てて偏向させ、得られた偏向光を電子
写真感光体に照射させるタイプのもの，発光ダイオード
アレイから輻射させた複数本の光を集束性ロッドレンズ
アレイで集束し、電子写真感光体に照射させる方式のも
のなどがある。後者は十分な光量を得ることができるだ
けでなく、並列書き込みができ、かつ光学系を小型に設
計できることから、高速プリンタやパーソナルファクシ
ミリなどに適用される。

【０００３】発光ダイオードアレイを用いた光プリント
ヘッドに付属する光学系には、等倍光学レンズである前
記の集束性ロッドレンズアレイや、特開昭55−98879号
公報に示される光ファイバアレイ基板などがあり、後者
はプリンタを小型に構成できて安価である。

【０００４】また、発光ダイオードアレイを用いた光プ
リントヘッドの実装方式においては、従来のフェースア
ップ方式に対して、最近ではワイヤーボンディング工程
を削除することにより生産性を大幅に改善した、例え
ば、特開平５−154741号公報に示されるフェースダウン
方式が提案されており、この技術分野についての開発が
盛んに進められている。

【０００５】以下図面を参照しながら、現在知られてい
る代表的なフェースダウン方式の光プリントヘッドの一
例について説明する。

【０００６】図３は代表的なフェースダウン方式の光プ
リントヘッドの構成を示す要部断面図、図４はその製造
工程の概略図、また図５及び図６は光プリントヘッドを
集束性ロッドレンズアレイ光学系及び光ファイバ光学系
に組み込んだ場合の断面図をそれぞれ示している。図３
及び図４において、１は透光性を有するベース基板、２
は回路導体層、３は発光ダイオードアレイチップ、４は
発光ダイオードである。５は発光ダイオードアレイチッ
プ３の電極リード部で、６は金製の突起状金属電極、７
は半田鍍金を施した金属鍍金層である。また、８は透光
性絶縁樹脂、９は導電性樹脂、10は前記発光ダイオード
アレイチップ３の裏面電極、11は駆動用ＩＣ、12は加圧
用ツールを示す。

【０００７】次に、この図３のように構成されたフェー
スダウン方式の光プリントヘッドについて、その製造方
法を図４を用いて説明する。

【０００８】この製造方法は、次のようなステップで進
められる。

【０００９】第１ステップ：図４(a)に示すように、予
め所望の回路導体層２を形成した透光性を有するベース
基板１の主面上の所定の位置に発光ダイオードアレイチ
ップ３を配置する。

【００１０】第２ステップ：図４(b)に示すように、加
圧用ツール12により、突起状金属電極６及び金属鍍金層
７が弾性変形を起こすまで加圧する。これにより、ヤン
グ率の大きい突起状金属電極６が金属鍍金層７にめり込
み、アンカー効果により密着固定される。

【００１１】第３ステップ：図４(c)に示すように、第
２ステップの工程を繰り返して複数個の発光ダイオード
アレイチップ３の仮固定を行う。

【００１２】第４ステップ：図４(d)に示すように、約2
00℃の高温雰囲気中で半田の溶融を行い冷却し、半田接
続による接着固定及び電気的な接続を施す。

【００１３】第５ステップ：図４(e)に示すように、発
光ダイオードアレイチップ３とベース基板１の間隙に透
光性絶縁樹脂８を充填する。

【００１４】第６ステップ：図４(f)に示すように、こ
の充填樹脂の硬化後、発光ダイオードアレイチップ３の
裏面電極10と回路導体層２の所定配線部を導電性樹脂９
により接続して完成する。

【００１５】完成した光プリントヘッドは、図５に示す
ように集束性ロッドレンズアレイ13と共にシャーシ14に
組み込まれる。なお、図５中の15は外部端子、16は感光
体ドラムの一部を示す。また、図６に示すようにベース
基板１として予め光ファイバ束17を埋め込んだ光ファイ
バアレイ基板を用いれば、フェースダウン方式の特長を
活かした更に小型で安価な光プリントヘッドとなる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、半田溶融工程を経た際、発光ダイオー
ドアレイチップが浮き上がることが多く、このためにベ
ース基板と発光ダイオードアレイチップとの間隙が適切
な距離より広くなり、したがって、各発光ダイオードア
レイチップ間において間隙距離が不均一となる。間隙が
適切な距離より広がると集束性ロッドレンズアレイ光学
系に組み込んだ場合、発光信号光の結像する焦点位置が
正規の位置からずれるという問題が生じ、また光ファイ
バ光学系に組み込んだ場合は、隣接する発光ダイオード
間での発光信号光が干渉し合うという問題が生じる。更
に、各発光ダイオードアレイチップ間における間隙距離
が不均一となるので、光学系組み込みの際等に行う調整
が非常に困難になる。また、発光ダイオードアレイチッ
プの信号光発光の際は、非常に大きな電流が発光ダイオ
ードアレイチップの裏面電極を通してベース基板上の回
路導体層の所定の配線部に流れることになるが、ベース
基板は長さ方向に関しては記録用紙サイズ以上のサイズ
が必要で、通常少なくともＡ４サイズ以上のサイズが要
求され、また、幅方向に関しては小型化のために非常に
狭幅な設計が要求されることもあって、前記所定の配線
部は非常に細長い形状となり、配線抵抗が大きくなる。
したがって、高抵抗な配線部に大きな電流が流れること
になり、電位が不安定となって、これがノイズの発生原
因となる。

【００１７】上記した現象はいずれも、組み込まれたプ
リンタの印字品質を低下させる結果になるので、光プリ
ントヘッドとしては重大な欠点であった。

【００１８】本発明は上記問題点に鑑み、印字品質を向
上させた光プリントヘッドを提供することを目的とする
ものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】主面上に所望の回路導体
層を形成した透光性及び絶縁性を有する第１の基板と、
同じく主面上に所望の回路導体層を形成した絶縁性を有
する第２の基板と、直線状に配列した複数の発光ダイオ
ードを集積し、これら各発光ダイオードの電極端子とし
て突起状金属電極を発光面側の面上に配列すると共に、
その反対側の面に裏面電極を設けた発光ダイオードアレ
イチップとよりなり、前記発光ダイオードアレイチップ
は、その発光面を前記第１の基板の主面上に所定の位置
で電気的，機械的に接合され、更に前記発光ダイオード
アレイチップの発光面と反対側の面は、前記第２の基板
の主面上に所定の位置で電気的，機械的に接合されるよ
うにしたものである。

【００２０】

【作用】本発明は上記した構成によって、発光ダイオー
ドアレイチップを第１の基板であるベース基板の主面
と、電気的，機械的に接合する際、発光ダイオードアレ
イチップを発光面より加圧するベース基板と、発光ダイ
オードアレイチップを背後より加圧する第２の基板であ
るカバー基板を平行に保ちながら接合できるので、発光
ダイオードアレイチップの発光面とベース基板の主面と
の間の間隙はどの場所においても適切な一定の距離を保
つことができる。また、発光ダイオードアレイチップの
信号光発光の際に流れる大電流は、発光ダイオードアレ
イチップ裏面の電極よりカバー基板上に形成した所定の
回路導体層の配線部へ流れるが、この配線部の幅は従来
のベース基板だけのときと比較して、充分広くすること
が可能であり、その結果、配線抵抗はかなり低くなるの
で、安定した電位を保つことができる。以上のような構
成により、集束性ロッドレンズアレイ光学系に組み込ん
だ際の発光信号光の結像焦点位置のずれによる印字品質
の低下や、光ファイバ光学系に組み込んだ際の隣接する
発光ダイオード間の発光信号光の干渉による印字品質の
低下、あるいは信号光発光の際に流れる大電流に起因し
たノイズによる印字品質の低下といった問題が改善でき
るので、プリンタの印字品質を向上した光プリントヘッ
ドができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の光プリントヘッドの実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００２２】図１は本発明の一実施例における光プリン
トヘッドの構成を示す要部断面図であり、図２はその製
造工程の概略図を示すものである。図１及び図２におい
て、21は透光性と絶縁性を有するベース基板、22は回路
導体層である。23は発光ダイオードアレイチップ、24は
発光ダイオード、25は電極リード、26は突起状金属電
極、27は金属鍍金層、28は透光性絶縁樹脂、29は裏面電
極である。30は駆動用ＩＣ、32は主面上に所望の回路導
体層33を形成した絶縁性を有するカバー基板で、34は回
路導体層33の一部に形成された金属鍍金層である。な
お、31と35は加圧用ツールである。

【００２３】発光ダイオードアレイチップ23は、直線状
に並んだ複数の発光ダイオード24をモノシリックに集積
しており、各発光ダイオード24の電極リード25上に電極
端子として設けられた突起状金属電極26が、その発光面
側の面上に配列されている。発光ダイオードアレイチッ
プ23は、その発光面がベース基板21の主面に向き合うフ
ェースダウン姿勢でダイボンドされ、その突起状金属電
極26が回路導体層22の金属鍍金層27に接している。回路
導体層22は全長のうち、突起状金属電極26が当接する表
面にのみ、金属鍍金層27を有している。なお、ベース基
板21は、少なくとも光路となる領域が透明であればよ
い。カバー基板32の主面上には、所望の回路導体層33が
設けられ、この回路導体層33と、発光ダイオードアレイ
チップ23の裏面電極29と当接する付近に金属鍍金層34が
形成されている。

【００２４】図１のように構成された光プリントヘッド
について、以下その製造方法について図２を用いて説明
する。

【００２５】この製造方法は、次のようなステップで進
められる。

【００２６】第１ステップ：図２(a)に示すように、ベ
ース基板21の主面上には予め所望の回路導体層22が形成
してあり、本実施例においては、ガラス製のベース基板
21の主面に回路導体層22として、金ペーストを印刷にて
塗布し、これが硬化し、製膜化した後、フォトリソ技術
を用いパターニングを行う方法にて形成する。また、金
属鍍金層27には、電解鍍金法を用いて膜厚約１μmのニ
ッケル鍍金層を形成した上に、膜厚約10μmの半田鍍金
層が形成してある。一方、発光ダイオードアレイチップ
23は単結晶３−５属半導体基板(ウエハ)に、複数の発光
ダイオード24とその電極リード25を形成する。次に突起
状金属電極26を電極リード25上に形成する。突起状金属
電極26は、金，インジウムまたは半田等を鍍金法で形成
したり、金等の金属細線を熱及び超音波エネルギーによ
り球状にして融着させたものでもよい。本実施例におい
ては、直径約20μmの金細線を球状にして融着させた高
さ数μm〜50μm程度の突起状金属電極26を形成した。ま
たウエハ裏面にも鍍金等により金膜の裏面電極29を形成
した。しかる後、ウエハを高精度ダイシング技術により
１つの発光ダイオードアレイチップ23を単位として切断
分離する。

【００２７】このようにして作製されたベース基板21の
主面上の所定の位置に発光ダイオードアレイチップ23を
フェースダウンにて配置する。

【００２８】第２ステップ：図２(b)に示すように、配
置された発光ダイオードアレイチップ23の裏面より、こ
れを加圧用ツール31にて鉛直方向に加圧する。この加圧
により突起状金属電極26及び金属鍍金層27が弾性変形を
起こし、この加圧を緩めた後も、発光ダイオードアレイ
チップ23はベース基板21の主面上に固定されている。こ
れは、半田に比べヤング率の大きな金の突起状金属電極
26が金属鍍金層27内に埋め込まれるためである。またこ
の際、突起状金属電極26は弾性変形を起こすことにより
レベリングされ、高さのばらつきが是正される。このよ
うな手段によって発光ダイオードアレイチップ23はベー
ス基板21の主面上に仮固定される。

【００２９】第３ステップ：図２(c)に示すように、第
２，第３の発光ダイオードアレイチップ23を前記第１ス
テップ同様に順次配置してから加圧を施し仮固定する。

【００３０】第４ステップ：図２(d)に示すように、直
線状に配置して仮固定された発光ダイオードアレイチッ
プ23の裏面上にガラスまたはセラミクス製のカバー基板
32の主面側を所定の位置に配置する。このカバー基板32
の主面には、ベース基板21と同様に金膜で形成された所
望の回路導体層33が設けられ、この回路導体層33と、発
光ダイオードアレイチップ23の裏面電極と接続する位置
にニッケル鍍金膜と半田鍍金膜で形成した金属鍍金層34
が設けられている。

【００３１】第５ステップ：図２(e)に示すように、発
光ダイオードアレイチップ23の発光面とベース基板21の
主面との間が一定の間隙距離となるように、ベース基板
21とカバー基板32を平行に保ったまま両方の基板の裏面
側から加圧，挾持しながら、約200℃の熱を加えて半田
を溶融した後、冷却する。この際、ベース基板21及びカ
バー基板32の基板材として剛性及び比較的長尺状の形状
でも反り量が少なく平滑度に優れた材質としたのは、両
方の基板間を容易に高精度に平行に保つためで、発光ダ
イオードアレイチップ23の発光面とベース基板21の主面
間の間隙距離を精度よく適切な一定距離に保つことが可
能だからである。また、カバー基板32の基板材の熱膨張
係数αCが、ベース基板21の基板材の熱膨張係数αBと大
きく異なると、熱ストレスにより接続部の断線等の重大
な不良が工程中あるいは製造完了後の経時変化により発
生する。したがって、少なくとも0.1＜(αB／αC)＜10
である必要がある。

【００３２】第６ステップ：図２(f)に示すように、溶
融した半田は、接している金膜に沿って広がり合金化
し、冷却するとベース基板21と発光ダイオードアレイチ
ップ23間及びカバー基板32と発光ダイオードアレイチッ
プ23間は、半田接続による電気的接続と機械的接続(接
着固定)が施される。また冷却時には、上記図２(e)で施
した加圧は溶融半田の固化が終了する約180℃位まで行
い続ける必要がある。

【００３３】第７ステップ：図２(g)に示すように、発
光ダイオードアレイチップ23とベース基板21の間隙に紫
外線硬化型の透光性絶縁樹脂28を充填した後、紫外線を
ベース基板21の裏面側より照射して硬化する。

【００３４】図２においては、駆動用ＩＣ30のダイボン
ド方法については示してないが、半田溶融時に加圧を必
ずしも必要としない点と、半田接続後に充填する絶縁性
樹脂は透光性である必要はない点以外は全く、発光ダイ
オードアレイチップ23のダイボンドの場合と同じであ
る。

【００３５】本実施例においては、カバー基板の主面上
の金属鍍金層を半田としたが、これは金属鍍金の代わり
に導電性樹脂を用いて発光ダイオードアレイチップとカ
バー基板間を電気的，機械的に接合しても構わない。ま
た、絶縁樹脂として紫外線硬化タイプを用いたが、これ
は熱及び紫外線併用タイプ、または熱硬化タイプの絶縁
樹脂を用いても構わない。但し、この際の加熱温度は半
田が溶融しない範囲であることが必要である。また、ベ
ース基板として光ファイバ束が埋め込まれた光ファイバ
アレイ基板を用いることも可能であり、光ファイバ光学
系への組み込みも容易である。

【００３６】以上のような構成及び製造方法により、発
光ダイオードアレイチップとベース基板の主面上の回路
導体層間の接着固定及び電気的，機械的な接続を施すた
めの半田溶融工程を経た後も、発光ダイオードアレイチ
ップの発光面とベース基板の主面との間の間隙は適切な
一定距離に保たれている。したがって、集束性ロッドレ
ンズアレイ光学系に組み込んだ際の発光信号光の結像焦
点位置のずれによる印字品質低下や、光ファイバ光学系
に組み込んだ際の隣接する発光ダイオード間の発光信号
光の干渉による印字品質の低下は起こらない。また、発
光ダイオードアレイチップの信号光発光の際に流れる大
電流は、発光ダイオードアレイチップ裏面の電極よりカ
バー基板上に形成した線幅が従来に比べ充分広げられて
いるので、配線抵抗の小さい所定の配線部へ流れ、電位
が安定してノイズの発生が低減できる。さらに、上記し
た以外に、従来例の光プリントヘッドにおいては、発光
ダイオードアレイチップの発光面側の電極端子の電気接
続と、裏面電極側の電極端子の電気接続はそれぞれ別の
工程で行っていたのに対し、本実施例においては同じ工
程で同時に行えるので、工程が簡略化されるという効果
も併せ持つこととなる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明は、主面上に所望
の回路導体層を形成した透光性及び絶縁性を有する第１
の基板と、同じく主面上に所望の回路導体層を形成した
絶縁性を有する第２の基板と、直線状に配列した複数の
発光ダイオードを集積し、各発光ダイオードの電極端子
として突起状金属電極を発光面側の面上に配列すると共
に、その反対側の面に裏面電極を設けた発光ダイオード
アレイチップから構成され、前記発光ダイオードアレイ
チップはその発光面を前記第１の基板の主面上に所定の
位置で電気的，機械的に接合されており、また、発光ダ
イオードアレイチップの発光面に対し反対側の面は、前
記第２の基板の主面上に所定の位置で電気的，機械的に
接合されて光プリントヘッドを構成したものであり、集
束性ロッドレンズアレイ光学系に組み込んだ際の発光信
号光の結像焦点位置のずれによる印字品質低下や、光フ
ァイバ光学系に組み込んだ際の隣接する発光ダイオード
間の発光信号光の干渉による印字品質の低下、あるいは
信号光発光の際に流れる大電流が原因したノイズによる
印字品質の低下といった問題が改善できるので、プリン
タの印字品質を向上した光プリントヘッドを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光プリントヘッドの一実施例の構成を
示す要部断面図である。

【図２】本発明の実施例における製造方法を説明するた
めの工程概略図である。

【図３】従来の光プリントヘッドの構成を示す要部断面
図である。

【図４】従来の製造方法を説明するための工程概略図で
ある。

【図５】従来の光プリントヘッドを集束性ロッドレンズ
アレイ光学系に組み込んだ際の構成を示す要部断面図で
ある。

【図６】光ファイバアレイ基板の他の例を示す要部断面
図である。

【符号の説明】

１，21…ベース基板、 ２，22，33…回路導体層、
３，23…発光ダイオードアレイチップ、 ４，24…発光
ダイオード、 ５，25…電極リード、 ６，26…突起状
金属電極、 ７，27，34…金属鍍金層、 ８，28…透光
性絶縁樹脂、 ９…導電性樹脂、 10，29…発光ダイオ
ードアレイチップの裏面電極、 11，30…駆動用ＩＣ、
12，31，35…加圧用ツール、 13…集束性ロッドレン
ズアレイ、14…シャーシ、 15…外部端子、 16…感光
体ドラム、 17…光ファイバ束、32…カバー基板。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主面上に所望の回路導体層を形成した透
   光性及び絶縁性を有する第１の基板と、同じく主面上に
   所望の回路導体層を形成した絶縁性を有する第２の基板
   と、直線状に配列した複数の発光ダイオードを集積し、
   これら各発光ダイオードの電極端子として突起状金属電
   極を発光面側の面上に配列すると共に、その反対側の面
   に裏面電極を設けた発光ダイオードアレイチップとより
   なり、前記発光ダイオードアレイチップは、その発光面
   が前記第１の基板の主面上に所定の位置で電気的，機械
   的に接合され、更に、前記発光ダイオードアレイチップ
   の発光面と反対側の面が、前記第２の基板の主面上に所
   定の位置で電気的，機械的に接合されていることを特徴
   とする光プリントヘッド。
2. 【請求項２】 前記発光ダイオードアレイチップの発光
   面側の面上に配列された電極端子である突起状金属電極
   と、前記第１の基板の主面上の回路導体層の所定の位置
   が当接するよう重ね合わせる工程と、前記第２の基板の
   主面上の回路導体層の所定の位置が、発光ダイオードア
   レイチップの発光面と反対側の面にある裏面電極と当接
   するよう重ね合わせる工程と、第１の基板と第２の基板
   を平行に保持し、第１及び第２の基板の裏面側からこれ
   ら両基板を加圧挾持しながら、第１の基板及び第２の基
   板と発光ダイオードアレイチップを電気的，機械的に接
   合する工程とよりなることを特徴とする請求項１記載の
   光プリントヘッドの製造方法。