DE2263645A1 - Elektrolumineszente wiedergabevorrichtung - Google Patents

Elektrolumineszente wiedergabevorrichtung

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DE2263645A1 DE2263645A DE2263645A DE2263645A1 DE 2263645 A1 DE2263645 A1 DE 2263645A1 DE 2263645 A DE2263645 A DE 2263645A DE 2263645 A DE2263645 A DE 2263645A DE 2263645 A1 DE2263645 A1 DE 2263645A1
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Description

Weslf.-rn Electric Company B. R. Johnson
Incorporated
New York N. Y.
Elektrohunineszente Wiedergabevorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrolumineszente Wiedergabevorrichtung mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein lichtemittierendes Bauelement nebst einer seiner Kontaktierung dienenden Metallisierung aufgebracht sind.
Sichtbarkeit ist eine subjektive Größe, die generell zur Bezeichnung des Wahrnehmungsgrades eines Bildes, vorwiegend einer elektrolumineszenten Wiedergabe, für das menschliche Auge ben^utzt wird. Das Kontrastverhältnis ist das Verhältnis der Leuchtstärke (Helligkeit) eines Wiedergabeelementes zu der des umgebenden Hintergrundes.
Die Sichtbarkeit von elektroluniineszenter Wiedergabe ist
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eine direkte Funktion des Kontrastverhältnisses, wenn die Umgebimgsbelembtung zunimmt, und wird stark kontrastabhängig bei holier Uingebungslichtstärke. Deshalb muß das Hintergrundreflektionsvermögen in der Umgebung des Wiedergabeelementes möglichst klein gemacht werden, so daß reflektiertes Licht nicht das vom Wiedergabeelement emittierte Licht beeinträchtigt. Darüber hinaus sollte, wenn das Wiedergabeelement kein Licht emittiert, der Hintergrund von möglichst gleicher Beschaffenheit wie die lichtemittierenden Bereiche sowohl bezüglich Reflektionsvermögen als auch bezüglich des Aussehens sein, um jene Teile der lichtemittierenden Zone unsichtbar zu machen, die jeweils abgeschaltet sind, also kein Licht emittieren.
Eine alpha-nummerische Wiedergabe mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) und Siliziumplättchen kann erfolgreich auf einem keramischen oder isolierenden Substrat in üblicher Dünnschicht- oder Grobschichttechnologie hergestellt werden. Das Substrat, das sowohl die aktiven Bauelemente als
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auch die Metallisierung trägt, die zur Verbindung der licht emittierenden Dioden mit der Logikschaltung des Silizium plättchens dient, ist typischerweise keramisches Material, wie hochdicht gebranntes Aluminiumoxid. Diese Materialien sind normalerweise weiß oder schwach gefärbt, so daß, obgleich sie die übrigen an ein Substrat zu stellenden Erfordernissen genügen, das hohe optische Reflektionsvermögen der Keramik zu einem niedrigen Kontrastverhältnis und damit zu einer keineswegs optimalen Wiedergabe-Sichtbarkeit führt. Hinzu kommt noch, daß die Metallisierung selber im Regelfall hochreflektierend ist, so daß der Wiedergabekontrast häufig auf ein Ausmaß reduziert wird, der mit dem der Keramik vergleichbar ist.
Zahlreiche Methoden sind zur Verbesserung der Sichtbarkeit verwendet worden. Eine übliche Methode ist die, ein optisches Filter vorzusehen, das so ausgewählt ist, daß es nur Licht bei der Emissionswellenlänge des Wiedergabe elementes durchläßt. Die erreichbare Kontrastverbesserung ist hier aber durch den effektiven Durchlaßbereich des Filters
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beschränkt. Wenn die Dämpfung des Filters zur Unterdrückung von Umgebungslichtreflektion an der Keramik erhöht wird, leidet die Helligkeit der Wiedergabe hierunter proportional zur erreichten Verringerung der Reflektion.
Ein anderer Weg ist der, die Keramik zu schwärzen. Diese Methode reduziert zwar wirksam das Reflektionsvermögen des Substrates, beläßt aber die Reflektion an der später aufgebrachten Metallisierung. Hinzu kommt, daß die Schwärzung die Oberfläche des Substrates rauh und damit als Unterlage für Dünnschicht-Bauelemente unbrauchbar macht.
Die vorstehenden Schwierigkeiten sind nun für eine elektrolumineszente Wiedergabevorrichtung der einleitend beschriebenen Art erfindungsgemäß beseitigt durch eine auf photolithographischem Wege auf einen Teil des Substrates und/oder der Metallisierung aufgebrachte und Umgebungslicht stark absorbierende organische Photolacksicht zur Wiedergabe-Kontrastverstärkung.
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Die Anordnung hat zahlreiche Vorteile, wie dieses aus der nachstellenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung hervorgehen wird; es zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht eines metallisierten
Keramik-Substrates vor dem Befestigen von LEDs und integrierten Schaltungselementen, die zur Vervollständigung einer Wiedergabevorrichtung dienen, und
Fig. 2 A- Schnittansichten der Anordnung nach Fig. 2 F zur Darstellung der verschiedenen Bearbeitungsstufen des Keramik-Substrates.
Bei der Erfindung handelt es sich also speziell um eine neuartige Methode zur Verbesserung der LED-Wiedergabe-Sichtbarkeit unter Verwendung üblicher Dünnschichttechnologien, um die oben genannten Nachteile zu überAvinden. Hiernach wird ein Licht absorbierender Photolack., der den für den Beobachter frei liegenden Teil des Substrates und der Metallisierung abdeckt. Die Photolackschicht ist mit sämtlichen üblicherweise benutzten Schweiß- und Verkapselungsmethoden
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verträglich und beeinträchtigt nicht die optische Kopplung zwischen Wiedergabe und Beobachter.
Zweckmäßig ist die Photolackschicht ein erneuter Auftrag des Photolackes, wie dieser zur Definition des Metallisierungsmuster benützt worden ist, ausgenommen daß die Maskierung so gewählt ist, daß lediglich die Befestigungsgebiete für die LEDs, die Siliziumplättchen und die Verbindungsanschlüsse frei bleiben. Mit der aufgebrachten Photolackschicht wird dann das Substrat über die empfohlene Photolack-Aufheizgrenze hinaus erhitzt. Hierdurch ändert der Photolack seine übliche hellbraune Farbe in ein tiefes, Licht absorbierendes braun oder schwarz. Gleichzeitig wird sein Haftungsvermögen an der Keramik stark vejgrößert. Diese dunkel gebrannte Photolackschicht verbleibt auf der fertigen Voi'richtung und deckt die Umgebung der lichtemittierenden Bereiche ab, um so den Kontrast der Wiedergabe zu erhöhen.
Die Warmbehandlung des Photolackes zwecks Dunkelbrennes kann in jeder Verfahrensstufe vorgenommen werden. Da jedoch
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das hier speziell beschriebene Verfahren auch das Verschweißen der LEDs und der Siliziumplättchen mit der Unterlage umfaßt, was einen Erhitzungsvorgang bedingt, kann dieser Erhitzungsvorgang zugleich zum Dunkelbrennen des Photolackes benutzt werden. Auf diese Weise läßt sich ein zusätzlicher Erhitzungsschritt vermeiden.
Das Problem eines schlechten Lichtkontrastes bei üblichen metallisierten keramischen Substraten ergibt sich aus Fig. Die gesamte Anordnung ist in dieser Herstellungsstufe hoch reflektierend. Die Figur zeigt ein keramisches Substrat. 10 typischerweise aus hochdicht gebranntem Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder ähnlichen hitzebeständigen Oxiden oder Mischungen hiervon, Karbiden oder anderen Materialien, wobei die Herstellung üblicherweise durch Brennen von verdichtetem Pulver oder nach glasbildenden Methoden erfolgt.
Es kann auch vorteilhaft sein, Halbleiter wie Silizium oder sogar den lichtemittierenden Halbleiter selbst als das Substrat zu verwenden. Ersichtlich kann die Erfindung auch bei jenen Anordnungen angewandt werden, bei denen die lichtemittierenden
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Eigenschaften eines massiven Galliumphosphid-Halbieiterbauelementes, d.h. einer monolithischen integrierten Schaltung, zu verbessern sind.
Die Keramik ist mit einem Metallisierungsmuster 11 selektivbeschichtet. Die mit 11a bezeichneten Teile sind die sieben Streifen, an die die LEDs befestigt werden; das Gebiet 11b ist das Befestigungsgebiet für das integrierte Schaltungsplättchen, das die Logik für die sieben-Streifen-Anordnung liefert, und die mit lic bezeichneten Gebiete sind die Befestigungsstellen für Anschlußverbindungen. Die Metallisierung ist typischerweise gold, kann aber auch Silizium, Wolfram, Molybdän, Aluminium oder andere geeignete Leiter umfassen. Außer den Bereichen 11a, die von den LEDs eingenommen werden sollen, und dem Bereich 11b, der das integrierte Schaltungsplättchen tragen soll, ist das gesamte übrige Gebiet, insbesondere die unmittelbare Umgebung der lichtemittierenden Bereiche, hoch reflektierend.
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Ein beispielhafter Verfahr ei sablauf zur Herstellung des Substrates, wie dieses in Fig. 1 dargestellt ist, ist in Fig. 2 A bis 2 C schematisch wiedergegeben. Fig. 2 C ist dabei eine Schnittansich-t von Fig. 1 längs der Linien 2C-2C.
Wie aus Fig. 2 A ersichtlich, wird das Keramik-Substrat 10 zunächst mit einer gleichförmigen Metallschicht 11 beschichtet. Sodann wird die Metallmaske mit einer üblichen Photolackmaske 12 (Fig. 2 B) beschichtet und geätzt, um das in Fig. 2 C und Fig. l· dargestellte gedruckte Scbaltungsmuster auf dem Keramik-Substrat zu erzeugen.
Der erfindungsgemäß hinzugefügte Schritt, nämlich die reflektierenden Gebiete des Wiedergabe-Substrates mit einer stark Licht absorbierenden Beschichtung, ist in Fig. 2 D und 2 E dargestellt. Dieser Schritt wird weiter unten im Detail beschrieben.
Nachdem die gesamten photolithographischen und Ätzschritte
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nach üblichen Methoden durchgeführt worden sind und nachdem die resultierende Schaltung geprüft worden ist, wird beispielsweise folgendes Verfahren auf das ganze Keramik-Substrat angewandt.
Beispiel I
1. 5 Minuten langes Eintauchen des ganzen Substrates in kochendes Trichloräthylen.
2. 1 Minute langes Abspülen des Substrates in deionisiertem Wasser mit Ultraschallrührung.
3. 5 Minuten langes Eintauchen des noch vom Spülvorgang nassen Substrates in eine Passivierungslösung aus einem Teil Ammoniumpersulfat auf zehn Teile deionisiertes Wasser bei 23 C. Diese Behandlung verbessert die Haftung der Metallisierung.
4. 3 Minuten langes Spülen in deionisiertem Wasser ( drei vollständige Spülvorgänge) mit Ultraschallrührung.
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5. 30 Minuten langes Erhitzen auf 120° C in Stickstoff gas.
G. Abblasen mit gefiltertem Stickstoffgas.
7. Unmittelbares Aufbringen der Photolackschicht oder Aufbewahren des Substrates in einer Trocknungskammer (Desiccator), da die Haftung der Photolackschicht schlechter wird, wenn beim Auftragen das Substrat feucht ist.
Der bei diesem Beispiel benutzte Photolack war eine Lösung in organischem Lösungsmittel aus Cresolformaldehyd-Harze mit photolytisch zersetzbaren Napthochinondiaziden. Das Formaldehyd-Harz, 77 Gewichtsprozent, war
OH
CH2
'n
CH3 J
Das verwendete Napthochinondiazid, 23 Gewichtsprozent, war
I!
SO2 °- V .--C- \ :
OH OH
309827/1076 ΒΛ0 ORIGINAL
Das Lösungsmittel war 81% Älhylglycolacetat, 10% Xylol und 9% n-Butylacetat. Es handelte sich dabei um einen Positiv-Photolack, der in wässrigen alkalischen Entwicklern nach Belichtung mit UV-Licht löslich wird. Die Änderung in der Löslichkeit ist das Ergebnis einer photochemischen Zersetzung des Diazides, gefolgt von einer Umordnung und Hydrolyse:
O O
R R
« C « O I ICOOH
8. Erneutes Abblasen mit Stickstoff vor dem Auftragen des Photolackes, falls das Substrat zwischenzeitlich in der Trocknungskammer aufbewahrt wurde.
9. Der gesamte Photolack muß vor Gebrauch mit einem 0, 8 Mikrometer Membranfilter gefiltert werden.
10. Der Photolack wird auf das auf einem Drehtisch befestigte Substrat aufgebracht. Sodann wird das
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Substrat 30 Sekunden lang mit 600 Umdrehungen pro Minute unter einer abgeschlossenen Vakuumhaube geschleudert.
11. Das Substrat mit seiner gleichförmigen, etwa 8 Mikrometer dicken Photolackschicht wird dann unter Stickstoff bei 70° C 20 Minuten lang erhitzt. Das Substrat hat dann das in Fig. 2 D dargestellte Stadium erreicht. In Fig. 2 D ist die Photolackschicht bei 13 dargestellt.
12. Nach visueller Prüfung auf Risse und schlechte Haftung wird der Film 4 Minuten lang mit UV-Licht durch eine Photomaske hindurch belichtet. Die Photomaske ist so gewählt, daß diejenigen Gebiete belichtet, werden, v/o der Photolack nicht erwünscht ist, d.h. in den Befestigungsgebieten 11a, 11b und lic in den Figuren. Es kann auch vorteilhaft sein, jene Bereiche zwischen den Streifensegmenten exponiert zu lassen, um die Spalte zwischen den einzelnen Streifen optisch abzuschwächen.
13. Der belichtete Film wird durch einen alkalischen Entwickler in wässriger (deionisiertes Wasser) Lösung (1:1) durch Besprühen und 2 Minuten langes Einweichen entfernt.
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14. Das Substrat wird dann in 60 C deionisiertem Wasser gespült.
15. Das Substrat wird in Stickstoff gas getrocknet und auf richtige Schichtbeseitigung geprüft.
16. Das Substrat wird dann einem Warmbehandlungszyklus auf 350 C in Luftumgebung unterzogen, und zwar beginnend bei 150 C mit einem Temperaturanstieg von 50 C pro 5 Minuten während des gesamten Warmbehandlungszyklus.
Das resultierende Sustrat ist in Fig. 2 E dargestellt.
Als Ergebnis der Warmbehandlung, nimmt die Photolackschicht eine tiefbraune Farbe an, sie gibt daher einen hohen Konstrast für die fertige Wiedergabevorrichtung.
Die restlichen Verfahrensschritte sind die Befestigung der LEDs und der integrierten Schaltungsplättchen mit den Anschlußstellen, die vom dunkel gebrannten Photolack nicht bedeckt worden sind. Die schließliche Anordnung ist
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in Fig. 2 F dargestellt, in der die LEDs bei 14 dargestellt sind. Die LEDs können GaP-, GaAsP-IIalbleiterbauelemente oder irgend andere elektrolumineszente Bauelemente sein.
Die vorstehend im einzelnen beschriebene Warmbehandlung ist lediglich beispielhaft. Sie ist zweckmäßig, weil es die Temperatur ist, die auch zur F&oJi|ung der schließlichen Elemente an der Anordnung ?ur Anwendung gelangt. Sonach erfordert bei diesem Prozeß das Dunkeibrennen des Photolackes keinen zusätzlicJ' a Schritt. Es wurde gefunden, daß das Dunkelwerden des Photolackes bei Temperaturen oberhalb 200 C auftritt. Die Dunkolbrennzeit für den Erhalt einer optimalen Farbe ist bei dieser Temperatur etwas länger. Die zur Anwendung gelangenden Temperaturen liegen einigermaßen oberhalb der Temperaturen, die für die übliche Wärme-Nachbehandlung von Photolackschichten empfohlen sind. Die ausgezeichnete Haftung des Photolackes, die mit der Farbänderung auftritt,
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J b
vertrag! sich nicht mit den normalerweise bei Photolacken verfolgten Zielen, ist hier aber ein beachtlicher Vorteil für den erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendungszweck. Die dunkel gebrannte Beschichtung wurde auch als Kratz beständig befunden und bietet deshalb der Wiedergabevorrichtung während ihrer weiteren Verarbeitung einen guten Schutz.
Die Dicke der Photolackschicht wird nicht als kritisch angesehen. Sehr dünne Photolackschichten nehmen eine akzeptabel dunkle Farbe an, wenn sie ausreichend erhitzt werden. Sehr dicke Schichten erfordern längeres oder stärkeres Erhitzen und neigen dazu weniger zu haften (obgleich sie hinreichend dunkel erscheinen), wenn die Warmbehandlung nicht ausreichend durchgeführt wird. Die Schichtdicken liegen üblicherweise zwischen 0, 1 bis 10 Mikrometer. Die Schichten können im Schleuder-, Sprüh-, .Tauch-, Warmaufwalzverfahren oder nach irgendeiner anderen Methode aufgebracht werden.
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Beschichtungen zahlreicher Photolackmaterialien wurden auf Keramik-Substrate aufgebracht, um das gleichförmige Verhalten der Photolackmaterialien für den erfindungsgemäßen Verwendungszweck zu demonstrieren.
Beispiel II
Ein hochdicht gebranntes .Aluminiumoxid-Substrat. Avurde mit einem Photolack nach der in Beispiel I beschriebenen Methode beschichtet. Der Photolack war in diesem Fall eine Xylol-Lösung von zyklischem Polyisopren:
eines durchschnittlichen Molekulargewichtes von 60,000. Die lichtempfindliche Komponente war 2t 6-Bis{p-azidobenzal)-4· melhylcyelohexanon
+ r—■ ii f~—, +
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Die Photolyse dieses Azides führte zur Entwicklung von Stickstoff und ■/ ur Bildung einer aktiven Nitren-Zwischenstufe:
\ ■' ^ hv
R _ na 7 -N +2N \
Dieses Nitreu vermag sich mit dem benachbarten PoIyiospren entweder durch Wasserstoffentzug mit Additions reaktion zu verbinden oder durch eine Substitutionsreaktion in gesättigte oder ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Das Resultat ist ein vernetztes Polymer verringerter Löslichkeit. Der Photolack \vird deshalb als Negativ-Photolack klassifiziert. Dieser Photolack ist gegenüber Wellenlängen von 3 5 00 bis 4500 Angström photoempfindlich und kann mit einer üblichen Quecksilberbogenlampe belichtet werden. Ein geeigneter Entwickler ist eine niedrig siedende Petroleumfraktion, Stoddard Solvent, und der Spülvorgang kann in Methanol erfolgen. Der bei höheren Temperaturen durchgeführte Dunkelbrennvorgang war derselbe wie beim vorigen Beispiel. Der
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resultierende dunkel gebrannte Film war qualitativ
dem vorher erhaltenen äquivalent.
Beispiel IH
Beispiel II wurde wiederholt unter Vei'wendung eines weiteren Photolackmaterials, einer Xylol-Lösung von Polyisobutylen, gemischt mit bifunktionellen aromatischen Säureverbindungen, die eine Azidobenzol-Gruppe wie
N„ - f .} - CH * CH C /
enthalten.
Diese bifunktionelle Verbindung vernetzt zwei der PoIyisobutylen-Moleküle mit Hilfe von Kopplungsreaktionen.
Dieser Photolack kann mit einer Quecksilberbogenlampe
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belichtet und mit Stoddard Solvent entwickelt werden. Eine Warmbehandlung bei einer Temperatur oberhalb 200 C führt zu einem Dunkelwerden des Films und erhöht die Filmhaftung in praktisch gleicher Weise, wie dieses oben
beschrieben worden ist. j
Zwei weitere Positiv-Photolacke, nämlich Lösungen von Cresolformaldehyd-Ilarze mit einem photozersetzbaren Napthochinondiazid wurden mit demselben qualitativen Ergebnis geprüft. Während der für das Dunkelwerden der Photolackschicht und die verstärkte Haftung verantwortliche Mechanismus theoretisch nicht verstanden wird, sind die Ergebnisse nichtdestoweniger bemerkenswert gleichmäßig gut. Die durchgeprüften verschiedenen Photolackmaterialien sind ein repräsentativer Querschnitt durch die einschlägigen Photolackmaterialien.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    / 1. j Elektrolumineszente Wiedergabevorrichtung
    mit einem Substrat, auf dem wenigstens ein lichtemittierendes Bauelement nebst einer seiner Kontaktierung dienenden Metallisierung aufgebracht ist,
    gekennzeichnet durch eine auf photolithographiscbem. Wege auf einen Teil des Substrates (10) und/oder der Metallisierung (11) aufgebrachte und Umgebungslicht stark absorbierende organische Photolackschicht (17) zur Wiedergabe-Kontrastverstärkung.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Aluminiumoxid-Substrat ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung ein Metall der aus Gold, Silizium., Aluminium, Wolfram oder Molybdän bestehenden Gruppe umfatft.
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  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackschicht eine Dicke von 0, 1 bis 10 Mikrometer ausweist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadu'rch gekennzeichnet, daß als das lichtemittierende Bauelement eine lichtemittierende Galliumphosphid-Diode vorgesehen ist.
  6. 6. Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß auf photolithographischem Wege eine Photolackschicht auf die Licht reflektierende Bereiche des Substrates und/oder dessen Metallisierung aufgebracht und der Photolack bei einer oberhalb 200 C liegenden Temperatur solange warmbehandelt wird, bis der Photolack dunkel, gebrannt ist und dann die Anzeigevorrichtung weiter fertiggestellt wird,
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    wobei der dunkel gebrannte Photolack zum dauernden Verbleib an der fertiggestellten Vorrichtung vorgesehen ist.
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DE2263645A 1971-12-30 1972-12-27 Elektrolumineszente Wiedergabevorrichtung sowie Herstellungsverfahren hierfür Expired DE2263645C2 (de)

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