CN107633989A - 一种提高冷阴极封装器件高压工作稳定性的排气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高真空封装的冷阴极器件在高压下工作稳定性的排气方法，所述排气方法利用某些特定气体的高绝缘特性，在冷阴极真空器件排气过程中，通过引入高绝缘气体，减少易电离气体成分和形成阻隔易电离气体分子的电通路，对冷阴极进行老化和激活处理，提高冷阴极器件在高电压下工作的稳定性。本发明技术实现方法简单，在需要高压条件工作的冷阴极真空器件上，如冷阴极显示器、X射线源、微波器件等，有重要的应用前景。本发明还进一步公开了实施所述排气方法的高真空排气系统。

Description

一种提高冷阴极封装器件高压工作稳定性的排气方法

技术领域

本发明涉及一种提高冷阴极封装器件高压工作稳定性的排气方法，属于冷阴极真空电子器件领域。

背景技术

冷阴极真空器件是目前真空微电子领域的一个研究热点，冷阴极真空器件可应用于真空显示器件、发光器件、X射线管、微波器件等。冷阴极真空器件由于具有低功耗、响应时间短、无需预热等优点，正逐渐替代传统热阴极真空器件。

冷阴极真空器件工作时需要一定的高电压以获得足够强度的冷阴极电场。对于高亮度平板冷阴极显示器件和发光器件，其工作电压通常在300V～10kV，而对于冷阴极X射线管及冷阴极微波器件等，工作电压更需要达到10kV或以上。因而提高冷阴极器件真空器件在高压下的工作稳定性是真空器件的一个重要指标。

冷阴极真空器件在真空中测试时，所释放出的气体会立即被真空泵抽走。而经过真空封装的平板真空器件在测试加电时，器件内部吸附的气体会从阴、阳极表面释放出来，释放出来的气体会在器件内部积聚，当到达一定水平时会引发放电，影响器件在高电压条件下工作的稳定性。

为了解决冷阴极真空器件在高电压条件下工作不稳定问题，通常采用以下的方法：(1)提高封离时真空度。通过烘烤及长时间排气，将器件内部真空度抽至更高的真空度；(2)器件内部安装吸附气体部件。如在其内部安装吸气剂，并在封离后激活；(3)封离后加电老练，老练过程去除毛刺，同时让局部吸附的气体释放出来。但上述方法的处理效果都不太理想。

发明内容

本发明提供一种提高冷阴极封装器件高压工作稳定性的排气方法。

本发明的原理是利用绝缘性气体优越的绝缘灭弧性能，通过在冷阴极器件排气过程中可控的多次抽充气工艺引入绝缘性气体，形成阻隔易电离气体分子的电通路，同时利用动态高压驱动对冷阴极进行老化和激活处理，改善电子发射特性。从而提高冷阴极器件动态高压驱动的工作稳定性和提高冷阴极器件的工作电压。

本发明所述的一种提高冷阴极封装器件高压工作稳定性的排气方法，包括如下步骤：

(1)制作冷阴极真空器件时，会安装玻璃或金属的排气管，通过该安装在已封装冷阴极真空器件上的排气管，将已封装冷阴极真空器件接入高真空排气系统，将高真空排气系统抽至高真空状态并烘烤冷阴极真空器件，用真空计监控与冷阴极真空器件连通的高真空排气装置的真空腔体的真空度，所述高真空状态是指真空度优于3×10^-4Pa；

(2)当真空腔体的真空度达到预设高值时，关闭连接真空腔体的抽真空阀门，充入绝缘性气体，至真空腔体真空度达预设低值，停止通气并保持设定时间；在充气的过程中，应注意真空腔内气压不要大于一个大气压，否则会导致排气的器件破裂。

(3)打开抽气阀门，将真空腔体真空度抽至预设高值；

(4)重复步骤(2)及步骤(3)，反复循环一次以上，反复循环的次数根据工艺处理需求而定；

(5)在上述排气过程中，当真空腔体的真空度达到预设高值时先对冷阴极真空器件进行动态高压驱动以对冷阴极进行老化和激活处理，然后再充入绝缘性气体；在整个排气过程中选择任意时段进行动态高压驱动，通常在器件内部真空优于3×10^-4Pa时，进行加电处理；

(6)待真空腔体的真空度抽至冷阴极真空器件封装所需的真空度，融封封离排气管完成冷阴极真空器件的真空封装。通常优于2×10^-5Pa，封离排气管，对于玻璃排气管多采用电融封封离或火头融封封离，对于金属排气管则采用冷挤压夹封法封离，封离后激活，完成器件全封装。

进一步地，所述冷阴极真空器件的形状包括平板、管形或球形，该冷阴极真空器件的材质包括玻璃、陶瓷或金属。

进一步地，所述烘烤的温度范围为100-700摄氏度。对于玻璃材料器件，通常烘烤的温度不宜超过350摄氏度，以防低温玻璃粉软化变形；而对于金属陶瓷材料器件，通常需要烘烤稍高温度，以充分去气。

进一步地，所述动态高压驱动是指对冷阴极真空器件施加直流或脉冲电压，电压范围在-10kV～+10kV。

进一步地，所述动态高压驱动单次处理时间范围为0～10小时，可分段多次处理。

进一步地，所述真空腔体的真空度预设高值是1×10^-6Pa～3×10^-5Pa，真空腔体真空度达预设低值为1×10²Pa～1×10⁵Pa。

进一步地，所述绝缘性气体充入气压为0～230Psi，充入气体流量0～10000sccm，真空腔体真空低值保持时间为0～60分钟。

进一步地，所述绝缘性气体是高压绝缘介质，包括六氟化硫、氮气或四氟化碳。

进一步地，所述封装方式可为电热封离、火头热融封或挤压夹封法封离。

本发明还进一步公开了一种高真空排气系统，包括带排气管的已封装冷阴极真空器件、高温烘烤箱、真空腔体、动态高压驱动装置、高真空泵组、绝缘性气体通气阀门及流量控制器；所述高温烘烤箱设于真空腔体上，其内设有加热组件以及用于固定已封装冷阴极真空器件的支架；所述真空腔体上设有用于检测真空腔体内真空度的真空计并在与真空计相对的位置开设通孔，所述排气管自通孔伸入真空腔体内；所述高真空泵组用于对真空腔体抽真空，其通过抽气管与真空腔体连接，该抽气管上设有抽真空阀门；所述绝缘性气体通气阀门及流量控制器通过通气管道与真空腔体连接，该通气管道上设有通气阀门及用于控制缘性气体流量的流量控制器；所述动态高压驱动装置用于对已封装冷阴极真空器件施加高压驱动电压，其与已封装冷阴极真空器件电连接；所述排气管上设有用于封离排气管的封离机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的排气方法，通过在已封装的冷阴极真空器件排气过程中充入具有高绝缘特性的气体，经过多次充气和抽气，降低冷阴极真空器件内部吸附非绝缘气体的占比，同时通过动态高压驱动对冷阴极进行老化处理和激活。经过处理后，器件内部易电离气体成分减少并形成阻隔易电离气体分子的电通路，从而提高在高电压下冷阴极真空器件的工作稳定性。

附图说明

图1是高真空排气系统结构示意图；

图中：1是高温烘烤箱，2是动态高压驱动装置，3是真空腔体，4是抽真空阀门，5是高真空泵组，6是冷阴极真空器件，7是封离机构，8是排气管，9是真空计，10是通气管道，11是流量控制器，12是通气阀门。

图2是冷阴极真空器件采用本发明方法排气，器件内部真空度随时间变化示意图；

图中状态1是器件开始抽真空；状态2是抽至高真空后，关闭抽真空阀门，充入绝缘性气体，并保持一段时间；状态3是当器件内部真空充气达到预设值，关闭充气阀门抽至高真空；状态4是重复充气和排气流程多次，让器件内部吸附气体充分置换；状态5是器件内部真空抽至可封离真空时，封离排气管。

图3是平板冷阴极器件结构示意图；

图中：61是阳极屏，62是低温玻璃粉，63是排气管，64是吸气剂，65冷阴极电子源阵列，66是阳极，67是隔离体，68是阴极屏。

图4是实施例1平板冷阴极器件实物图。

图5是器件放电频率随工作电压变化图，对采用本发明所述方法制作的全封装器件与未使用本发明方法制作的全封装器件的放电频率进行对比。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明实施例中的排气方法进行清楚、完整的阐述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在没有做出创新性改动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1示出了本实施例所用高真空排气系统的结构图。

将封装好的冷阴真空极器件6通过排气管8安装固定在高真空排气系统上，用真空计9实时监控与器件相通的真空腔体3的真空度，由于真空计9测试点和器件排气管8较接近，故真空计9的读数可反映器件内部真空度。将器件放置在高温烘烤箱1内排气烘烤，烘烤温度可控制在100℃～700℃，对于平板冷阴极器件，烘烤温度通常选取300℃。在整个排气烘烤过程中，当真空腔真空度优于3×10^-4Pa时，可通过动态高压驱动装置对2冷阴极进行老化和激活处理，动态高压驱动是指对冷阴极真空器件施加直流或脉冲电压，电压范围在-10kV～+10kV，动态高压驱动单次处理时间范围为0～10小时，可分段多次处理。在排气过程中实施本发明方法，器件内部真空度随时间变化如图2所示，器件从一个大气压的未抽气状态1，抽至状态2，当器件真空度到达1×10^-6Pa～3×10^-5Pa的预设高值时，停止抽真空。通过减压阀控制压力，流量控制器11控制流量，充入绝缘性气体，达到状态3所示器件真空度为1×10²Pa～1×10⁵Pa的预设低值时，停止充气，在充气的过程中，可通过调节流量控制器11，控制充入气体的速度和反应时间，绝缘性气体是指六氟化硫、氮气或四氟化碳等高压绝缘介质。如此循环充抽气多次至状态4，再抽至器件封离所需真空度状态5，封离排气管制成全封装器件。

如图1所示，用于实施上述排气方法的高真空排气系统，包括带排气管8的已封装冷阴极真空器件6、高温烘烤箱1、真空腔体3、动态高压驱动装置2、高真空泵组5、绝缘性气体通气阀门12及流量控制器11。高温烘烤箱1设于真空腔体3上，其内设有加热组件以及用于固定已封装冷阴极真空器件的支架。真空腔体3上设有用于检测真空腔体内真空度的真空计9，在与真空计9相对的位置上开设通孔，排气管8自通孔伸入真空腔体3内。真空计9实时监控与器件相通的真空腔体3的真空度，由于真空计9测试点和器件排气管8较接近，故真空计9的读数可反映器件内部真空度。高真空泵组5用于对真空腔体3抽真空，其通过抽气管与真空腔体3相连，抽气管上设有抽真空阀门，用于开关抽气管。绝缘性气体通气阀门通过通气管道10与真空腔体3连接。动态高压驱动装置2用于对已封装冷阴极真空器件6施加高压驱动电压，其与已封装冷阴极真空器件6电连接。排气，8上设有用于封离排气管的封离机构7，当器件内真空度达到封离所需真空度时，封离机构7封离排气管8制成全封装器件，完成器件排气。

实施例1

下面用具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本实施例采用平板冷阴极器件作为处理对象，该平板冷阴极器件结构示意图如图3所示。主要由阳极屏61、阴极屏68、隔离体67、排气管63、吸气剂64，冷阴极电子源阵列65，阳极66以及吸气剂64组成。其封装制作流程如下：(1)将生长有冷阴极电子源阵列65的阴极屏68、涂覆有荧光粉层的阳极屏61通过隔离体67对位组装；(2)安装排气管63和吸气剂64；(3)用低温玻璃粉62涂覆烧结制作成平板冷阴极器件。器件可以接单根排气管，也可以接双排气管或多排气管，本实施例采用单排气管方式。通过安装在已烧结冷阴极真空器件上的排气管，将器件通过排气管接入如图1所示高真空排气系统，抽至真空腔体真空度优于3×10^-5Pa的高真空状态并加热烘烤至300℃恒温，然后进入排气制作流程。

采用本发明的排气方法的平板冷阴极器件A(以下简称器件A)，在器件排气烘烤过程中充入绝缘性气体SF₆，其制作流程如下：(1)当真空腔体内真空度抽至预设高值3×10^{- 5}Pa时，关闭抽真空阀门；(2)充入气压为20Psi，流量为1195±5sccm的SF₆气体，当真空腔体内真空度达到预设低值220Pa时，关闭通气阀门，保持状态5秒；(3)打开抽真空阀门，再次将真空腔体内的真空度抽至预设高值3×10^-5Pa，关闭抽真空阀门；(4)重复循环(2)及(3)流程10次；(5)当真空腔体真空度再次抽至优于1.5×10^-5Pa时，封离排气管，完成器件全封装，全封装器件实物图如图4所示。在相同条件下制作平板冷阴极器件B(以下简称器件B)，用作对比，器件B在排气烘烤过程中不充入绝缘性气体，其排气制作流程如下：在排气烘烤的过程中不充入气体，恒温300℃烘烤时间和器件A相同，当真空腔体真空度抽至优于1.5×10^-5Pa，封离排气管，完成器件全封装制作。

器件A与器件B放电次数和工作电压的关系对比如图5所示，曲线A对应器件A，曲线B对应器件B。器件A最高工作电压为8528V，对应放电次数102cpm(counts per minute，次/分钟)，器件B最高工作电压为7000V，对应放电次数145cpm。在工作电压为6000V时，器件A对应放电次数为11cpm，器件B对应放电次数55cpm。可见，经过处理的器件其最高工作电压提高了约1500V，而在同样高压条件下排气过程充入绝缘性气体SF₆处理的冷阴极真空器件工作稳定性更佳。

Claims (10)

1.一种提高真空封装的冷阴极器件在高压下工作稳定性的排气方法，包括如下步骤：

(1)通过安装在已封装冷阴极真空器件上的排气管，将已封装冷阴极真空器件接入高真空排气系统，将高真空排气系统抽至高真空状态并烘烤冷阴极真空器件，用真空计监控与冷阴极真空器件连通的高真空排气装置的真空腔体的真空度；

(2)当真空腔体的真空度达到预设高值时，关闭连接真空腔体的抽真空阀门，充入绝缘性气体，至真空腔体真空度达预设低值，停止通气并保持设定时间；

(3)打开抽气阀门，将真空腔体真空度抽至预设高值；

(4)重复步骤(2)及步骤(3)，反复循环一次以上；

(5)在上述排气过程中，当真空腔体的真空度达到预设高值时先对冷阴极真空器件进行动态高压驱动以对冷阴极进行老化和激活处理，然后再充入绝缘性气体；

(6)待真空腔体的真空度抽至冷阴极真空器件封装所需的真空度，融封封离排气管完成冷阴极真空器件的真空封装。

2.如权利要求1所述的排气方法，其特征在于：所述冷阴极真空器件的形状包括平板、管形或球形，该冷阴极真空器件的材质包括玻璃、陶瓷或金属。

3.如权利要求1所述的排气方法，其特征在于：所述烘烤的温度范围为100-700摄氏度。

4.如权利要求1～3任一权利要求所述的排气方法，其特征在于：所述动态高压驱动是指对冷阴极真空器件施加直流或脉冲电压，电压范围在-10kV～+10kV。

5.如权利要求4所述的排气方法，其特征在于：所述动态高压驱动单次处理的时间范围为0～10小时，处理次数为一次或以上。

6.如权利要求1所述的排气方法，其特征在于：所述真空腔体的真空度预设高值是1×10^-6Pa～3×10^-5Pa，真空腔体真空度达预设低值为1×10²Pa～1×10⁵Pa。

7.如权利要求1所述的排气方法，其特征在于：所述绝缘性气体充入气压为0～230Psi，充入气体流量0～10000sccm，真空腔体真空低值保持时间为1～60分钟。

8.如权利要求1所述的排气方法，其特征在于：所述绝缘性气体是高压绝缘介质，包括六氟化硫、氮气或四氟化碳。

9.如权利要求1所述的排气方法，其特征在于：所述封装方式为电热封离、火头热融封或挤压夹封法封离。

10.如权利要求1所述的高真空排气系统，包括带排气管的已封装冷阴极真空器件，其特征在于：还包括高温烘烤箱、真空腔体、动态高压驱动装置、高真空泵组、绝缘性气体通气阀门及流量控制器；所述高温烘烤箱设于真空腔体上，其内设有加热组件以及用于固定已封装冷阴极真空器件的支架；所述真空腔体上设有用于检测真空腔体内真空度的真空计并在与真空计相对的位置开设通孔，所述排气管自通孔伸入真空腔体内；所述高真空泵组用于对真空腔体抽真空，其通过抽气管与真空腔体连接，该抽气管上设有抽真空阀门；所述绝缘性气体通气阀门及流量控制器通过通气管道与真空腔体连接，该通气管道上设有通气阀门及用于控制缘性气体流量的流量控制器；所述动态高压驱动装置用于对已封装冷阴极真空器件施加高压驱动电压，其与已封装冷阴极真空器件电连接；所述排气管上设有用于封离排气管的封离机构。