纤维场致发射体的连接方法和用该方法制造的场致发射体阴极的制作方法

专利名称：纤维场致发射体的连接方法和用该方法制造的场致发射体阴极的制作方法
发明的领域本发明涉及将场致发射纤维电和机械地连接到衬底上的方法，特别涉及这种连接在用于显示板的场致发射体阴极中的应用。
发明的背景显示板有着广泛的应用，例如民用和工业电视机、便携式和台式计算机和室内及室外广告和信息显示。与大多数电视机和台式计算机中见到的厚的阴极射线管监视器相比，平板显示器仅有几英寸厚度。对于便携式计算机来说，平板显示器是必需的，而且对于许多其它的应用而言，平板显示器也能提供其在重量和尺寸上的优势。目前，便携式计算机平板显示器使用通过施加小的电信号就可以将透明状态转换成不透明状态的液晶。在其尺寸大于适合便携式计算机的尺寸时，难以可靠地生产这样的显示器。已经提出用等离子体显示器来代替液晶显示器。等离子体显示器利用带电气体的微小象素单元产生图象，并需要较大的电压和功率来进行控制。
已经提出具有使用场致发射电子源例如使用场致发射材料或场致发射体的阴极和受电子轰击可发光的荧光体的平板显示器。这种显示工具有可提供普通阴极射线管的视觉显示优点和其它平板显示器的厚度、重量及功耗的优点的潜力。美国专利4857799和5015912披露了使用钨、钼或硅构成的微尖阴极的矩阵寻址平板显示器。WO94/15352、WO94/15350和WO94/28571披露了其阴极有较平坦发射面的平板显示器。
例如参见WO95/22169，可以发现由纤维电子场致发射体构成的阴极优于上述已公开的阴极，其中，阴极纤维基本上处于阴极面中并在纤维长度上的预定区域实现发射。由衬底支撑纤维阴极，当纤维阴极的一部分被寻址时，从该部分产生电子发射并且该部分是悬置的，不与衬底直接物理接触，从而可实现进一步改善的性能。
本发明提供将场致发射纤维直接电和机械地连接到衬底上的方法。参照以下详细的说明和附图，本领域的技术人员将明了本发明的其它目的和优点。
发明的公开本发明提供将场致发射纤维电和机械地连接到衬底上的方法。该方法包括a)把场致发射纤维放置在衬底的表面上和在要进行连接的衬底区域上使场致发射纤维对中；b)将金属带放置于场致发射纤维上，金属带长度方向基本上垂直于场致发射纤维轴，以使金属带在场致发射纤维上延伸，所述金属带的各端部与衬底直接接触；和c)通过超声波、热压或加压连接，将金属带连接到衬底和场致发射纤维上。
金属带最好是金、铝或铝合金。金属带的长度不是严格的。但是，该长度必须足够长以与场致发射纤维的轮廓一致，并在场致发射纤维的两端有适当的部分以便与衬底连接。一般地，金属带的宽度为约2密耳(0.05mm)至约40密耳(1mm)，厚度为约0.25密耳(0.006mm)至约2密耳(0.05mm)。
本发明还提供改进的纤维阴极和带有纤维阴极的改进的平板显示器，其中在各种情况下，所述改进都包括场致发射纤维利用金属带连接到所述阴极衬底上，所述金属带焊接到衬底和场致发射纤维上。
本发明还提供改进的纤维阴极和带有纤维阴极的改进的平板显示器，其中在各种情况下，所述改进都包括将场致发射纤维机械和电连接于阴极衬底上。
在本发明的优选实施例中，场致发射纤维在沿场致发射纤维长度上的多处与阴极衬底连接。
将场致发射纤维连接于衬底上的这种方法的主要优点在于，该方法可以在自动处理中采用，在该处理中，可以迅速地进行大量的这种连接。
附图的简要说明

图1(a)、1(b)和1(c)表示悬置的纤维阴极和采用本发明的方法在沿场致发射纤维长度上的多处设置触点。
图2表示采用金属带将场致发射纤维连接到衬底上。
图3(a)和3(b)表示将场致发射纤维连接到包括钠钙玻璃上的薄金膜的衬底上的金属带的扫描电子显微照片。
优选实施例的详细说明本发明提供将场致发射纤维连接到衬底上的方法，并由此提供一种改进的纤维阴极。这里使用的术语“纤维阴极”包括由至少一个场致发射纤维形成的阴极。
还改进了包括这种纤维阴极的平板显示器。平板显示器包括(a)由至少一个支撑于衬底上的场致发射纤维形成的纤维阴极，(b)用作阳极且与纤维阴极分开的透光导电膜，和(c)荧光层，直接靠近阳极，在从纤维发射的电子轰击下可发光。所述改进包括利用本发明的方法将场致发射纤维连接到衬底上。显然，在不脱离本发明精神的情况下，可以改变阳极和荧光层的配置。换句话说，可以将荧光层设置在阳极和阴极之间，或者，相反地，也可以将阳极设置在荧光层和阴极之间。平板显示器也可以包括处于阳极和阴极之间的一个或多个栅极。
由于平板显示器仅有几英寸厚，所以被称为平板显示器。平板显示器一般是平面状的，但也可以是曲面或有按照特定应用所需要的其它结构。因此，这里使用的术语“显示板”或“平板显示器”包括平面和曲面以及其它可能的几何结构。
用于本发明纤维阴极的场致发射体或场致发射材料是场致发射电子源。可用各种纤维几何结构形成至少包括一种这样的纤维构成的纤维阴极。所谓“纤维”是指一维的尺寸基本上大于另外的两维尺寸。纤维可以有仅由喷丝头设计限定的任何形状的纤维截面。纤维可以按多丝形式成束捆扎在一起。
这些纤维可以单独由场致发射体(例如，石墨纤维)制成，或可以是用非场致发射体芯与包围该芯的场致发射体薄层构成的复合纤维。芯材料最好是导体或半导体。在另一实施例中，纤维可以由更复杂的芯结构构成，例如由薄导体涂层或半导体材料包围非导体芯，并用场致发射材料包围该涂层。
本发明的连接方法可以采用任何场致发射材料。可以把金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳用作场致发射材料。因此纤维阴极可以由金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维构成，玻璃状碳复合纤维由在非金刚石芯纤维上的主要为金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳形成。芯材料例如可以是诸如石墨等的导电碳，或诸如钨、铜、钛或钼等的金属，或例如可以是硅或硅化物。在另一实施例中，芯可以是金属化的绝缘体，例如涂敷于非导电的聚酯、尼龙或Kevlar纤维(Kevlar是E.I.du Pont de Nemours and Company,Wilmington,DE的注册商标)上的钨。在另一实施例中，可以将金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳母体涂敷在非金刚石芯上，然后通过适当的母体处理形成金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳。
应该指出，本发明的实施例中，构成纤维阴极的各纤维的轴基本上处于阴极面中。因此，沿纤维的长度而不是从纤维的顶端或尾部产生这些纤维的电子发射。
金刚石纤维和纤维金刚石复合物例如涂敷金刚石的石墨或涂敷金刚石的碳最好包括金刚石的亚微米级晶体结构，即一般至少一个晶体尺寸小于约1微米尺寸的金刚石。在亚微米尺寸的金刚石晶体内，这种金刚石晶体包括至少一些暴露的111取向晶面(facets)，一些暴露的100取向的晶面或一些有两种取向的晶面。一般把有合适的亚微米尺寸的金刚石的另一种形式称为菜花形金刚石，与金字塔结构相反，该金刚石有细晶粒球。
包括适当的近程有序的类金刚石碳的纤维，即sp2和sp3键合的适当组合也可以提供具有高电流密度的场致发射材料。所谓“近程有序”是指原子的有序排列在任意维度上都小于约10纳米(nm)。也可以采用纤维例如Davanloo等人在J。Mater.Res.,Vol.5,No.11,Nov.1990中披露的通过激光消融涂敷非结晶金刚石的碳纤维。
作为场致发射体材料，也可使用包括玻璃状碳的纤维，在约1380cm-1和1598cm-1时呈现Raman峰值的非晶体材料。这里使用的“类金刚石碳”表示在文献中称为类金刚石碳的材料和玻璃状碳以及包括玻璃状碳微细杂质的碳，所有这些碳都是在性能上作为纤维场致发射材料的类金刚石。
一般地，复合纤维的总直径在约1微米至约200微米的范围。金刚石层或这种复合纤维中的涂层一般可以为约50埃(5nm)至约50000埃(5μm)，在约1000埃(0.1μm)至约20000埃(2μm)较好，而在约1000埃(0.1μm)至约5000埃(0.5μm)最好。
金刚石通常有几个低或负电子亲合力的低指引晶面(indexfacets)，例如有低亲合力的100晶面金刚石，而111晶面金刚石有负电子亲合力。类金刚石碳或玻璃状碳最好是掺杂例如氮或磷的n型，以提供更多的电子和减小材料的功函数。
这样的金刚石或类金刚石碳层最好有粗糙的锯齿状边缘例如在金刚石或类金刚石碳层上有一系列波峰和波谷。在金刚石涂层中，由金刚石材料的微晶结构获得这样的表面组织。少量的石墨位于所述金刚石涂层中金刚石晶体的至少一部分之间认为最好。通过CVD淀积按柱状方式生长金刚石，因在生长的晶体之间有轻微的未对准情况因而也是较好的。这种未对准可促进金刚石组织粗糙锯齿边缘的形成。
场发射纤维被支撑于衬底上，从而提供纤维阴极。衬底可以是平坦的或有一组或多组规则的空间相隔的平行的波峰和波谷的行的波浪形。(其更详细的说明参见例如WO95/22169。)当衬底是平坦的时，各场致发射纤维的整个长度与衬底接触。当衬底是波浪形时，场致发射纤维可沿各波浪形表面的波谷长度方向对准，从而也导致各场致发射纤维的整个长度与衬底接触。在与场致发射纤维接触的衬底区域上淀积导电膜是有利的。当采用平坦的衬底时，可淀积相应于纤维行的导电膜条。对于波浪形衬底，在将复合纤维放置于波谷之前，可在波浪形表面各波谷长度上淀积导电膜。可使用例如铜、金、铬、钼和钨等金属。这种膜对电子发射组合纤维提供电子贮存器并能够根据需要对各波谷中电子发射组合纤维进行单独寻址。
已发现，当被寻址并由此产生电子发射的纤维阴极的一部分被悬置，不与衬底直接物理接触时，可改善纤维阴极和包括纤维阴极的平板显示器的性能。可以多种方式实现场致发射纤维的悬置。当衬底是平坦的时，可用支座或托架将场致发射纤维悬置于衬底表面之上。
波浪形衬底在场致发射纤维悬置部分的实现过程中尤其有用。在一个这样的实施例中，波浪形部分包括在衬底上由波谷和大体平坦的波峰的平行行组成的规则波浪形表面。该实施例中，纤维阴极大体由规则的分隔开的平行的纤维阵列组成，该纤维被支撑于衬底的大体平坦的波峰上并悬置于衬底波谷之上。例如，可腐蚀光滑衬底，使基本上平坦的波峰相应于衬底轻微腐蚀的区域，波谷相应于衬底较重腐蚀的区域，于是形成波浪形表面。纤维阴极的纤维最好基本上垂直于波谷和大体平坦的波峰的平行行。有这样的衬底也较好，即该衬底在波谷中和在波谷与大体平坦的波峰的各组平行行的波谷侧面上但不沿大体平坦的波峰涂敷导电材料连续条。因此这提供了涂有导电材料连续条的平行阵列的衬底，一个这样的条沿波谷的每一行。这种平行阵列用作栅极。
可对电子发射提供较好控制的该实施例的变形例是这样的按行形成波谷和大体平坦的波峰，但这些行并不是连续的，即存在这样的衬底区域，沿其表面为波谷和大体平坦的波峰的连续波浪形，在该区域的两侧是具有大体平坦的表面的区域，在两个该平坦区域的另一边是另一个沿其表面为波谷和大体平坦的波峰的连续波浪形的区域。因此仍有波谷和大体平坦的波峰的平行行；可是它们不是连续的行，而是具有以规则间隔沿各行放置的波谷的波谷行，和具有以规则间隔沿各行放置的大体平坦的波峰的大体平坦的波峰行。图1(a)、1(b)和1(c)中示出其中通过腐蚀形成波浪形表面的这种实施例。图1(a)表示衬底表面上的腐蚀图形。该图形可用于形成波谷和大体平坦的波峰。图1(b)表示要腐蚀的衬底区域，和图1(c)表示沿图1(b)的21-22线的深度轮廓。纤维阴极的纤维应与线例如图1(b)的21-22线对准。在要与场致发射纤维接触的衬底区域上例如沿图1(c)的线C的位置淀积导电膜是有利的。如前所示，可使用诸如铜、金、铬、钼和钨之类的金属，这种膜对发射电子的组合纤维提供电子贮存器，并且能够沿纤维上的多处进行电接触。
使用波浪形衬底以悬置场致发射纤维的另一个实施例包含包括两组波峰和波谷的平行行的衬底。第一组平行的波峰和波谷提供波谷，基本上由至少一个纤维构成的纤维阴极沿该波谷对准。第二组平行的波峰和波谷最好垂直于第一组。波峰和波谷之间的壁可以是垂直的。也可使用斜的或弯曲截面。以规则间隔示出波峰和波谷的平行行，即各组中两相邻波峰中心或两相邻波谷中心的间隔相同。另外，当使用几种荧光体(例如使用三种荧光体以提供彩色显示)时，可改变第一组中的这些尺寸以补偿不同荧光体亮度的差异。在各三色一组的情况下，即三对波峰和波谷的每一组被规则地分隔开。
第二组的波谷典型地窄于和浅于第一组的波谷。一般说来，第一组的波谷深约25μm至约250μm、宽约10μm至约350μm，第一组的波峰宽约25μm至约250μm。一般来说，，第二组的波谷深约10μm至约150μm、宽约50μm至约125μm，第二组的波峰宽约600μm至约700μm。在这些衬底材料上形成两个这样的波峰和波谷的平行行组的典型方式是腐蚀、使用陶瓷的GREEN TAPETM(可从E.I.du Pontde Nemours and Company,Wilmington,DE商业购买)、喷砂、厚膜顺序淀积和锻造。
第二组波谷提供悬置纤维阴极的装置。可在第一组各波谷长度上放置纤维阴极，当第二组波谷深度浅于第一组波谷深度时，用第二组波谷表面悬置该纤维阴极。最好沿每一第二组波谷长度设置悬置部件，以支撑纤维阴极。悬置部件可以是连续的结构，例如沿各波谷长度对准的非发射纤维和依靠在其上的发射纤维阴极。可使用沿各波谷长度延伸的膜。在衬底上设置纤维阴极之前，最好用导电材料涂敷衬底，以提供对纤维施加电压和产生发射所需电场的装置。用导电材料涂敷除波谷和第二组波谷侧面之外的衬底，从而提供涂有导电材料连续条平行阵列的衬底。该平行阵列用作栅极。当利用非发射纤维或正是非发射纤维的装置时，可使用在所述纤维阴极顶部上沿第二组各波谷长度对齐并由此锚定所述纤维阴极的非发射纤维。
或者，悬置部件可以是由第二组各波谷与第一组波谷的各交叉点上的一连串支架或膜构成的非连续结构。当第二组波谷象第一组波谷那样深或深于第一组波谷时，要求使用悬置部件。
衬底可由例如钠钙(soda lime)玻璃、硅硼酸玻璃(Pyrex)和玻璃陶瓷等绝缘材料构成。衬底上的金属膜可用作连接用的衬底接触区域。作为这里所用的将金属带连接于衬底上，包括直接将金属带连接于衬底上以及将金属带连接于膜、层或其它淀积于衬底上或附着于衬底上的结构材料上。
对于平坦和波浪形衬底来说，场致发射纤维必须机械连接于衬底上并且还必须提供与场致发射纤维的电接触。典型地在场致发射纤维的各端进行这种连接。本发明提供利用金属带将场致发射纤维连接于衬底上的方法。这里所述的“金属带”指其电性能、机械性能和热性能类似于诸如金和铝之类金属的这些性能的金属带。场致发射纤维放置于衬底上并在要进行连接的区域上对中。金属带放置于场致发射纤维上并与其直接接触。金属带长度方向基本上垂直于场致发射纤维轴，金属带在场致发射纤维上延伸，该金属带的各端部与衬底直接接触。结果，场致发射纤维牢固地固定于衬底上。金属带一般宽约2密耳(0.05mm)-约40密耳(1mm)，厚约0.25密耳(0.006mm)-约2密耳(0.05mm)。金属带的长度并不重要；可是，必须足够长以包围和包裹或与场致发射纤维轮廓一致，以便允许连接衬底。用超声波、热压或加压连接，将金属带的各端部连接到衬底上并将直接围绕场致发射纤维的带部分连接到场致发射纤维上。
除提供将场致发射纤维端部连接到衬底上的装置之外，本发明方法还用于将场致发射纤维连接于在场致发射纤维两端的中部位置的衬底上。这种连接可提供机械和电的优点。已观察到场致发射纤维，尤其是被寻址并产生电子发射的场致发射纤维部分在被寻址时有时会移动。这样的移动对纤维阴极性能产生负作用。中间连接点将制约这种移动。在纤维阴极的阴极组件和平板显示器的制备期间，中间连接点还将固定场致发射纤维在原处。此外，这是有利的，即在纤维各点例如在接近被寻址的场致发射纤维部分的各点对场致发射纤维施加电压，可提供更均匀和一致的性能。为此，本发明的方法对提供沿场致发射纤维长度的中间连接有用。在要进行连接的衬底上形成平坦区域以提供更好的连接是有利的。
当场致发射纤维整个长度与衬底接触时，可在场致发射纤维上要被寻址并由此产生电子发射的场致发射纤维区域中间部分处进行连接。
当场致发射纤维被悬置于衬底上时，在衬底上或悬置场致发射纤维的衬底上的悬置部件上的适当位置进行连接。在图1(a)、1(b)和1(c)中示出的悬置纤维排列的情况下，在沿图1(c)的线C的位置上和在场致发射纤维上的其它相应位置上进行连接，其中场致发射纤维与线C相交。
图2示出衬底32上的场致发射纤维31。金属带33放置于场致发射纤维上并与其直接接触。使金属带与场致发射纤维形状轮廓一致以便更好地将其固定于衬底上。通过超声波、热压或加压连接，将场致发射纤维两侧上的金属带端部连接到衬底上，金属带的直接围绕场致发射纤维的与轮廓一致的部分连接到场致发射纤维上。
所有这些连接技术都是通过使两个元件产生密切的接触和提供足够的能量使其相互扩散实现的。
对连接工具与衬底或场致发射纤维之间的要进行连接的金属带稳定地加压并提供频率一般为约60kHz的突发超声波能量，可以完成超声波连接。压力和超声波能量的组合在金属带和衬底之间或与场致发射纤维之间产生金相连接。可以升高衬底的温度，以便于相互扩散。有时将设置压力和温度及超声波能量的组合称为热声波连接。这里使用的“超声波连接”包括这样的连接，该连接中，金属带牢固地压在连接工具和要连接的衬底或场致发射纤维之间，并且无论金属带和衬底及场致发射纤维的温度是环境温度或升高的温度都提供突发超声波能量。
通过对要与衬底接触或与场致发射纤维接触的金属带区域施加压力，以提供必要的密切接触，同时升高这些区域的温度，可以完成热压连接。温度必须升高至数量级为370到380℃的温度。
通过对金属带与衬底接触或与场致发射纤维接触的区域施加压力，可以完成加压连接。所需压力高于其它连接技术的压力。必须注意与场致发射纤维的连接。
可优选超声波和热压连接。
发明的实例提供以下非限定的实例，以进一步说明和实现本发明。
如下制备由钠钙玻璃、铬层和在其上放置场致发射纤维的金层构成的衬底。用洗净剂(Sparkleen可从Fisher Scientific购买)清洗钠钙玻璃，并在去离子水中彻底冲洗。用并丙醇蒸发干燥剂除去水。将分别为约1mm直径的一连串圆形玻璃的一侧涂敷50nm的铬层。在铬上淀积200nm的金层。该金层将作为衬底接触区。
将直径为7μm的石墨纤维放在衬底的一个金层接触区上，并使其处于接触区中心。把大约10密耳(250μm)长、5密耳(125μm)宽和0.5密耳(13μm)厚的一片金带放在接触区的石墨纤维上。该带被放在石墨纤维的中心上。结果，石墨纤维被夹在衬底接触区和金属带之间。将衬底加热至85℃的温度。然后，利用Kulicke and Soffa,Model#422超声波布线连接机，使金属带连接到衬底上和石墨纤维上。每次将约10g的力施加给连接器，并施加超声波能量1/4秒。这样使石墨纤维与衬底进行机械和电连接。
检测电持续性，发现电阻在石墨纤维电阻的期望范围内。
利用扫描电子显微镜(SEM)分析与衬底连接的石墨纤维。图3(a)和图3(b)表示按不同放大率的电子扫描显微图，其中，石墨纤维通过金属带附着于衬底上。容易观察出使用超声波连接的地方。在批量生产的情况下，应该按连续方式代替一连串的单独射点方式来进行连接。
尽管在上述说明中论述了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员而言，当然可以对本发明进行许多改进、替换和配置，而不会脱离本发明的精神或基本特征。应该以附加的权利要求作为基础，而不是以上述说明书作为本发明的范围。
权利要求
1．一种将场致发射纤维机械和电连接到衬底上的方法，该方法包括(a)把场致发射纤维放置在衬底的表面上和在要进行连接的所述衬底区域上使所述场致发射纤维对中；(b)将金属带放置于场致发射纤维上，所述金属带长度方向基本上垂直于场致发射纤维轴，以使金属带在场致发射纤维上延伸，所述金属带的各端部与衬底直接接触；和(c)通过超声波、热压或加压连接，将所述金属带连接到所述衬底和所述场致发射纤维上。
2．如权利要求1的方法，其特征在于，利用超声波连接将所述金属带连接到所述衬底和所述场致发射纤维上。
3．如权利要求1的方法，其特征在于，所述金属带是金、铝或铝合金。
4．一种改进的纤维阴极，该纤维阴极包括至少一个场致发射纤维和衬底，所述改进包括通过与所述衬底和所述场致发射纤维连接的金属带使所述场致发射纤维连接到所述衬底上。
5．如权利要求4的改进的纤维阴极，其特征在于，所述场致发射纤维在所述场致发射纤维长度上的多处与所述衬底连接。
6．一种改进的纤维阴极，该纤维阴极包括至少一个场致发射纤维和衬底，所述改进包括利用权利要求1的方法将所述场致发射纤维连接到所述衬底上。
7．如权利要求6的改进的纤维阴极，其特征在于，所述场致发射纤维在所述场致发射纤维长度上的多处与所述衬底连接。
8．一种改进的平板显示器，该显示器包括由至少一个场致发射纤维和衬底构成的纤维阴极，所述改进包括通过与所述衬底和所述场致发射纤维连接的金属带将所述场致发射纤维连接到所述衬底上。
9．如权利要求8的改进的平板显示器，其特征在于，所述场致发射纤维在所述场致发射纤维长度上的多处与所述衬底连接。
10．一种改进的平板显示器，该显示器包括由至少一个场致发射纤维和衬底构成的纤维阴极，所述改进包括采用权利要求1的方法将所述场致发射纤维连接到所述衬底上。
11．如权利要求10的改进的平板显示器，其特征在于，所述场致发射纤维在所述场致发射纤维长度上的多处与所述衬底连接。
全文摘要
披露了将场致发射纤维电和机械连接到衬底上的方法,该方法包括将金属带放置于场致发射纤维上,所述金属带长度方向基本上垂直于场致发射纤维轴和衬底,和通过超声波、热压或加压连接,将所述金属带连接到所述衬底和所述场致发射纤维上。
文档编号H01J9/02GK1234134SQ97198886
公开日1999年11月3日 申请日期1997年10月6日 优先权日1996年10月17日
发明者小D·I·阿梅, H·F·米尔加佐 申请人:纳幕尔杜邦公司