JPH031960A - サーマルヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はファクシミリなどに使用されるプリンタのサー
マルヘッドの構造に係り、特に配線導体用全席材料とは
んだ接続用金属材料を共用となし、配線構造を簡略化し
た低コストで高性能のサーマルヘッドに関する。

〔従来の技術〕

従来のサーマルヘッドの構造の一例を第２図に示す。図
に示すごとく、サーマルヘッドは高抵抗基材２上に形成
された発熱抵抗体層３、配線導体層４を１ｍ次ホトエツ
チングによりパターン化して、発熱抵抗体素子１を形成
する。さらに、発熱抵抗体索子１および基板全面を覆う
ように酸化防止用保護膜５１、発熱抵抗体素子１上の特
定の領域に耐摩耗層５２を形成し、上記酸化防止用保護
膜５１の特定の場所にドライバＩＣ素子７を接続するた
めのスルーホール８を開口した後、はんだ接続用金属層
６を形成し、はんだ溶融接続法によってドライバＩ　Ｃ
素子７を実装する。

はんだ接続用金属層６の膜構成は、第２層配線部および
外部引き出し端子部等（いずれも図示せず）の部分と同
一の構成を有しているのが一般的である。例えば、日立
評論ｒｃＭＯＳドライバ搭載形高精細感熱記録ヘッドＪ
　　（ｖｏｌ、　６７、　Ｎα７゜１９８５、　ｐｐ５
３〜５６）に提示されている感熱記録ヘッドに当てはめ
て示せば、Ｃｒ−５ｉ−０よりなる発熱抵抗体Ｍ３、Ｃ
ｒ層４１およびＡＱ暦４２からなる２層構造の配線導体
Ｗ１４、絶縁層と発熱抵抗体素子１の酸化防止用保護膜
５１を兼ねたＳｉＯ２膜、耐摩耗層５２としてＳｉ　Ｎ
膜、さらに配線導体層４上の領域にのみポリイミド系樹
脂の保護膜（図示せず）を形成した２Ｍ構造の保護絶縁
層が形成されている。また、接続用のスルーホール８を
介して形成されるはんだ接続用金属層６を、接着用金属
層としてＣｒ層、拡散防止用金属層６２としてＣｕ　Ｎ
、濡れ性付与および酸化防止用金属層６３としてＡｕ層
（Ｃｒ／Ｃｕ／Ａｕ）の３暦構造のメタライズで構成し
ている。この配線構造は、第２ｍ配線部および外部引き
出し端子部（いずれも図示せず）についても同一の構造
を採用している。これらの配線構造は、はんだ溶融接続
のための第１層の配線導体層４との接着用金属層６１（
主としてｃｒｙりと、拡散防止用金属層６２（例えばＣ
ｕ、Ｎｉなとの層）と、はんだ濡れ性付与および酸化防
止用金属層６３（主としてＡｕ）とで共通に構成するこ
とで成膜工数の低減を図っている。

この中で、はんだの拡散防止用金属層６２の性質によっ
て膜厚やはんだの濡れ性が決定される。

例えば、Ｃｕは１回のはんだ接続で約１μｍ程度が溶融
はんだ中に溶は込むため、少なくともこの厚さ以上の膜
厚が必要であり、また、繰り返し不良素子の再接続を行
う場合には、はんだの溶融回数に応じて、はんだ中にＣ
ｕが溶は込む。したがって拡散防止用金属層６２の厚さ
は、１回のはんだ溶融接続で溶は込む厚さの３〜４倍の
厚さを必要とする。例えば、Ｃｕの場合には、４μｍ以
上の膜」が必要となる。

他方、特開昭５７−４７８１号広報に提案されている薄
膜型サーマルヘッドの場合においても配線導体上の一部
分、特に外部接続リードとの接合部には、上記の従来技
術と同様に接続端子用金属層を新たに積層した構造で設
けている。この場合は、Ａ１層とＣｒ層またはＡｕ層と
Ｔｉ屡の配線上の接続端子の領域に、後からＣｕ層また
はＮｉ層を形成し、さらにパターニングした後、酸化防
止を目的として、Ａｔ３１１５をめっき手法によって被
着形成させた構成である。

上記従来技術のいずれの例においても、外部接続用端子
金属層として新たに積層金属を設ける複雑な構造を有し
ており、はんだ接続用金属層６としてＣｕを適用する場
合には、その必要膜厚も上述した理由によって厚く形成
する必要が生じる。

また、Ｎｉを適用した場合には、Ｃｕに比べてはんだに
対する拡散性は著しく改善できることは良く知られてい
る。しかしながら、基本的にＮｉにはその表面に強固な
酸化層が形成されていることなどにより、はんだの濡れ
性が著しく悪いという欠点を有している。

また、Ｃｕを用いる場合のように厚い金属屑を形成させ
た場合には、内部応力による基板の破壊や、膜自身の割
九が生じ易い。Ｃｕ以外の材料としてＮｉを用いる場合
には、必要膜厚は薄くて済むが、はんだ濡れ性が著しく
悪くなるため、配線の接続不良などが発生する。さらに
、従来の配線構造では配線導体を含めた薄膜の積層数が
多くなり、製品コストの面でも大きな隘路となっている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来技術におけるサーマルヘッドの構成は、配
線導体を含めた接続用金属薄膜層の積層数が多く、はん
だ接続用端子を特定の部分に設ける構造であり、または
んだ拡散防止用金属層の膜厚を厚く形成する必要がある
など、配線構造が複雑で構造コストおよび信頼性の点に
おいて劣るという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決し
、サーマルヘッドにおいて発熱抵抗体にｐながる配線導
体層を直接はんだ接続用金属層として利用することによ
り、配線構造の膜厚の薄膜化と簡略化が達成できる新規
な材料構成を提供することによって、サーマルヘッドの
配線接続の信頼性の向上をはかると同時に、製造コスト
の安価なサーマルヘッドを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記本発明の目的を達成するためには、溶融はんだに対
する濡れ性が良好で、はんだの成分全屈（Ｓｎ、Ｐｂ、
Ｉｎ等）の拡散速度の遅い合金材料を用い、同時に配線
導体材料としてサーマルヘッドの発熱効率の面から電気
抵抗の小さな材料を用いることが必要である。すなわち
、拡散速度の遅い材料としてはＣｕ、Ｎｉなどが挙げら
れる。

しかし、Ｃｕは酸化に弱く熱加工工程に細心の注意を必
要とし、しかもはんだの拡散速度が比較的速く、電極の
膜厚を厚く形成させる必要がある。

一方、Ｎｉは拡散速度は小さいが、はんだの濡れ性が小
さく、はんだ付は加工に問題が生じる。そして、端子材
料としては、使用条件に適合する材料、構造を採用する
必要があるが、サーマルヘッドに好適なはんだ付けの種
々の条件を満たす単体の金属材料は見当たらないのが現
状であった。この状況に基づいて、種々の合金材料に着
目し、検討した結果、脆い金属間合成物の生成がなく、
しかもはんだの濡れ性が良好で、しかも耐食性に優れた
合金材料としてＮｉ−Ｃｕ合金を見い出した。

そして、このＮｉ−Ｃｕ合金のＮｉとＣｕの組成比を配
線導体層の膜厚方向で最適に調整することによって、は
んだの接続性と配線導体としての低抵抗化をも同時に満
足させ、見掛は上、単一の合金層で配線導体を構成する
方式を見い出した。

すなわち、本発明の課題は、高抵抗法村上に形成された
複数個の発熱抵抗素子、二九につながる配線導体および
保護膜を備えたサーマルヘッドにおいて、上記配線導体
をＮｉとＣｕの合金で楕成し、かつＮｉ−Ｃｕ合金より
なる配線導体の合金組成比を、配線導体層の中間領域で
はＣｕリッチ、配線導体層の上、下層領域ではＮｉリッ
チに構成することにより、達成される。

本発明のサーマルヘッドに設けるＮｉ−Ｃｕ合金よりな
る配線導体の合金組成比は１モル％で、配線、導体層の
下層領域ではＮｉが最大７５％、Ｃｕが最小２５％、中
間層領域ではＮｉが最小１０％、Ｃｕが最大９０％、お
よび上層領域では、上記下層領域とほぼ同様にＮｉが最
大７５％、Ｃｕが最小２５％のそれぞれの範囲内で最適
の組成比に変化するように設定することが好ましい。Ｎ
ｉおよびＣｕの組成比の変化は連続的、もしくは潜伏的
、段階的のいずれであってもよい。また、本発明のサー
マルヘッドにおいて、発熱抵抗素子および配線導体の上
面には、酸化防止を目的とした、例えばＳｉＯ□などか
らなる保護膜を形成することが望ましい。さらに、上記
保護膜に選択的に開口されたスルーホール部、および上
記配線導体のスルーホール部を介・して露出し、列部引
き出し端子部となる面には、Ａｕｇを被着形成させても
良い。

〔作用〕

はんだ接続用端子としてのＮｉ−Ｃｕ合金は、従来のＣ
ｕと同等のはんだ濡れ性を有し接続上の問題は生じない
。また、Ｎｉ−Ｃｕ合金はＮｉの組成比が大きくなるほ
ど、はんだの拡散速度が遅（なり拡散防止効果が大きく
なる。はんだの拡散速度と溶融温度との関係を第３図に
示す。第３３図に示すグラフは、所定の膜厚を有する金
属膜中を、はんだが拡散する時間を求めたものであり、
はんだは６３Ｓｎ／３７Ｐｂ（モル％）組成の場合であ
る。例えば通常のはんだ溶融接続を行う２５０℃の温度
条件では、Ｃｕ単体金属に比較してＮｉ−Ｃｕ合金の組
成比７２（モル％）Ｎｉ（残りＣｕ）の例では、約２桁
の拡散速度の差があり、その組成比の制御によってその
特性が変わることが分かる。したがって、Ｎ　ｉ　−Ｃ
ｕ合金を用いると、従来のＣｕに対して薄い膜厚で同等
の性能が得られることにより、薄膜化が達成されること
になる。

すなわち、従来のＣｕの場合には４μｍの膜厚が必要で
あったのに対しＮｉ−Ｃｕ合金では約０．１μｍでも機
能上なんら問題が生じないことになり、同時にパターン
形成における高精度化が図れるなどの利点がある。

また、配線導体層の下層領域に形成するＮｉリッチＷＪ
（〜７５（モル％）Ｎｉ）は、従来の配線導体構造であ
るＡ　Ｑ　／　Ｃｒの２層構造からなるＣｒ層と同様の
役割を持つ拡散障壁層となる。これは、高温に発熱を繰
り返す発熱抵抗素子と配線導体との熱反応を制御する目
的で形成させるもので、発熱抵抗素子の抵抗値変化率で
求める寿命試験の結果も良好で、発熱抵抗体層との接着
性の点においてもなんら問題は生じない。

一方、配線導体としての特性は１発熱抵抗素子での発熱
効率を良好にする点からも配線導体での消費分（ドロッ
プ分）が小さいことが望ましく、この観点からは電気抵
抗の小さなＣｕ単体金属が有利であるが、熱反応の影響
を考慮するとＮｉ混在の１０（モル％）Ｎｉ（残りＣｕ
）の合金化が良好な結果を示し、膜厚が約０．４μｍで
配線抵抗値の上昇にも問題は生じない。

以上のＮ　ｉ　−Ｃｕ合金からなる配線導体によれば、
種々の特性が良好で、しかも配線構造が簡略化された合
理的なサーマルヘッドが得られる。

〔未施例〕

以下に、本発明の一実施例を挙げ、図面を参照しながら
、さらに詳細に説明する。

第１図は本発明のサーマルヘッドの構造の一例を示す断
面図である。図において、アルミナセラミックス等の高
抵抗基材２上に、光熱抵抗体ＩＦ！３と、配線導体層４
とを所定の形状にパターン化して形成しである。これら
の上面には１発熱抵抗素子ｌの酸化防止と配ＩＩＡ領域
の保護を兼ねた、例えばＳｉｎ、から成る酸化防止用保
護膜５１が形成されている。発熱抵抗素子１の領域には
、特定の範囲に耐摩耗層５２が形成され、酸化防止用保
護膜５１の所定の位置に開口されたスルーホール８にド
ライバＩＣ素子７がはんだ溶融接続法によって実装され
た構造を有している。各々の膜枯成は、発熱抵抗体層３
としてＣｒ−５ｉ−０系の発熱抵抗体を約８００人の膜
厚に形成し、配線導体層およびはんだ接続用金鹿層とし
てのＮ　ｉ、　−Ｃｕ合金層（配線導体層４）は、下層
領域に拡ＩＦ＆障壁層としての役割を持つ、組成が７５
Ｎｉ　／　２５Ｃｕ　（ｍｏ１％）諏合金を約０．１μ
ｍ、中間層領域に配線導体層としての役割を持つ、組成
が１ＯＮｉ　／　９０Ｃｕ　（ｍｏ１％）の合金を約０
．４μｍ、上層領域にはんだ接続用金属層としての役割
を持つ１Ｍｉ成が７５Ｎｉ／２５Ｃｕ（ｍｏ１％）の合
金を約０．５μｍ、それぞれ形成させて配線導体ｆｒＩ
４を形成した。本実施例においては、膜の形成にはスパ
ッタリング装置を用いて成膜した。この配線導体Ｍ４の
形成においては、多元スパッタリング装置により、Ｎｉ
、Ｃｕ各々の単体金汎の同時スパッタリングを行い、成
膜条件の連続的な制御によって、上記組成のＮｉ−Ｃｕ
合金層から成る配線導体層４を形成したものである。こ
れは、上記Ｎｉ−Ｃｕ合金組成のスパッタリングターゲ
ット（材料）を使用してＮ　ｉ　−Ｃｕ合金層を層状的
に形成した場合、あるいは真空蒸着法により。

Ｎｉ、Ｃｕを同時蒸着させてＮｉ−Ｃｕ合金層を連続的
に形成した場合においても上記と同様の組成分布のＮｉ
−Ｃｕ合金層からなる配線導体層の構成が得られること
は言うまでもない。

また、この配線導体層４のパターン形成においては、エ
ツチング液の成分組成を変化させることなく、共通のエ
ツチング液（例えばヨウ素−ヨウ化アンモン混合液、リ
ン酸系、塩酸系など）で処理できる利点もある。

以上の構成を有する発熱抵抗素子１のパターン上に保護
膜５として酸化防止用保護膜５１（Ｓｉｎ２：２μｍ）
および耐摩耗層５２　（Ｓ　ｉ　−Ｎ　：　１，５μｒ
ｎ）を形成し、所定の位置に選択的に開口されたスルー
ホール８に、ドライバＩＣ素子７を、はんだ溶融接続法
により実装した。ドライバＩＣ素子７の接続においては
、あらかじめＮｉ−Ｃｕ合金膜上の極薄な酸化膜を除去
する目的で希硫酸の溶液による前処理を施しておくこと
が望ましい。

ドライバＩＣ素子７のはんだ接続においては、上記方法
で十分なはんだ接続が得られるが、さらにはんだ濡れ性
を向上させる手段としては、Ａｕ層を形成させると効果
が大きく、サーマルヘッドの配線導体の接続の信頼性、
およびＮｉ−Ｃｕ合金の酸化防止の目的からも極めて有
効である。

本実施例において示したサーマルヘッドには。

通常の場合、ドライバＩＣ素子７は、サーマルヘッド基
板上に数十個実装される。この中には時たま不良素子が
含まれる可能性があり、この際には素子の交換が必要と
なる。素子交換に際しては、はんだの再ｉ′Ｂ融を必要
とし、従来のサーマルヘッドでは、（よんだ拡散防止用
金属としてＣｕを４μｍ以上の膜厚に形成させる必要が
あったが、本実施例において適用したＮ　ｉ　−Ｃｕ合
金では、従来の約１０分の１の厚さでドライバＩＣ素子
７を２回以上交換しても拡散防止膜としての特性には何
ら問題は生じなかった。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごと（、配線導体層としてＮ　ｉ　
−Ｃｕ合金よりなる特定の組成範囲のものを適用した本
発明のサーマルヘッドは配線導体としての必要特性であ
る電気伝導性およびはんだの濡れ性に優れ、かつ拡散防
止効果が大きく配線導体の接続の信頼性の高いサーマル
ヘッドが得られる。

そして、本発明のＮｉ−Ｃｕ合金は、はんだ接続用金属
層としては、従来のＣｕ層の場合と比較して数分の１な
いし数十分の１以下の膜厚で、従来と同等の特性が得ら
れるだけでなく、発熱抵抗体を含めた配線導体層がコン
パクトな一層構造となり、薄膜の積層数の低減、ホトエ
ツチング工程の短縮によるパターン精度の向上および大
幅な製造コストの低減をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例において例示したサーマルヘッ
ドの発熱抵抗体およびドライバＩＣ接続部の構造の一例
を示す断面図、第２図は従来のサーマルヘッドの構造を
示す断面図、第３図ははんだ拡散防止用金属中のはんだ
の拡散性を示す特性図である。 １・・・発熱抵抗素子　　２・・・高低抗基材３・・・
発熱抵抗体層　　４・・・配線導体層５・・保護膜　　
　　　６・・・はんだ接続用金属層７・・・ドライバＩ
Ｃ素子 ８・・・スルーホール　４１・・・ＣｒＭ４２・・・Ａ
Ｑ層　　　　　５１・・・酸化防止用保護膜５２・・・
耐摩耗層　　　　６１・・・接着用金属層６２・・・拡
散防止用金ｙＣ層 ６３・・・濡れ性付与および酸化防止用金属層。 塙　１ 圀 と ・・−発然訳記粂） ？　・・−ｒＬｆＮＴ反」若對ネオ ３・・−４：慇瓜沢伴眉 ４、・彦線斗体層 ５・・・憬護狭 ７・・−ドライノぐＩＣＣ１ ８・・・スルーホー／Ｌ ５ｒ−一勤乙声よ用憬護撲 、３゛ｚ−・　用４摩事も−ΔＩ 焔 ２ず・−−シζノＬ−丁、−／Ｌ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高抵抗基材上に、発熱抵抗体層、該発熱抵抗体層に
   つながる配線導体層、および保護膜によって構成される
   複数個の発熱抵抗素子を有するサーマルヘッドにおいて
   、上記配線導体層をＮｉ（ニッケル）とＣｕ（銅）より
   なる所定の組成範囲の合金によって構成し、かつ上記配
   線導体層を構成するＮｉとＣｕの合金組成比を、発熱抵
   抗体層に接する上記配線導体層の下層領域ではＮｉリッ
   チとなし、中間層領域ではＣｕリッチとし、上層領域で
   はＮｉリッチとした組成のＮｉとＣｕよりなる合金によ
   って構成したことを特徴とするサーマルヘッド。 ２、請求項１記載のサーマルヘッドにおいて、配線導体
   層を構成するＮｉとＣｕの合金組成比（モル％）を、配
   線導体層の中間層領域ではＮｉが１０％以上、Ｃｕが９
   ０％以下のＣｕリッチの組成となし、配線導体層の上層
   領域および下層領域ではＮｉが７５％以下、Ｃｕが２５
   ％以上のＮｉリッチの組成となるように、成分を変化さ
   せたＮｉとＣｕの合金によって構成したことを特徴とす
   るサーマルヘッド。 ３、請求項１または２記載のサーマルヘッドにおいて、
   配線導体を構成するＮｉとＣｕの合金組成比が、連続的
   もしくは層状に段階的に変化するＮｉとＣｕの合金によ
   って構成したことを特徴とするサーマルヘッド。 ４、請求項、１または２記載のサーマルヘッドにおいて
   、発熱抵抗素子および配線導体の上面に、酸化防止用の
   保護膜を設けたことを特徴とするサーマルヘッド。 ５、請求項１または２記載のサーマルヘッドにおいて、
   発熱抵抗素子および配線導体の上面に、酸化防止用の保
   護膜を形成し、かつ上記保護膜に選択的に開口して設け
   られたスルーホール部から露出する配線導体表面部に、
   Ａｕ（金）層を被着して形成したことを特徴とするサー
   マルヘッド。