DE69118151T2

DE69118151T2 - Elektrisches Verbindungssystem

Info

Publication number: DE69118151T2
Application number: DE69118151T
Authority: DE
Inventors: Richard Bruce; Jackson Ho; William Meuli; James C Mikkelsen
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-12-26
Filing date: 1991-12-23
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2011-12-24
Also published as: US5196652A; DE69118151D1; EP0493103A3; JPH04308892A; EP0493103B1; JP3573760B2; EP0493103A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Schaffen von elektrischen Verbindungen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf die drahtlose Verbindung zwischen den aneinanderstoßenden Seitenflächen benachbarter, planarer Platten in einem sichtbaren Vielfach-Platten-Anzeigesystem.
Flache, sichtbare Bildschirmanzeigen sind aufgrund deren kleinen Volumens und deren relativ leichten Gewichts von großem Interesse in der Computer- und Televisionsindustrie. Einige Verwendungen für flache Bildschirmanzeigen umfassen protable Computeranzeigen, Hochauflösungs-Fernseh- (high definition television-HDTV) und herkömmliche Fernsehbildschirme und wandbefestigte, sichtbare Anzeigen.
Viele große flache Blldschirmanzeigen werden aus einer Reihe kleinerer Anzeigen zusammengesetzt, die elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Es sind verschiedene Gründe vorhanden, warum große Anzeigen auf diese Art und Weise hergestellt werden; viele Hersteller besitzen nicht die Möglichkeit, große, flache Anzeigen als einzelne Einheiten herzustellen, und der Ertrag an guten Anzeigen ist oftmals gering. Niedrige Erträge bedeuten, daß es ökonomisch attraktiver ist, eine große Anzeige aus ausgewählten, guten, kleineren Tafeln zusammenzusetzen als den Verlust einer großen und kostspieligen Tafel während der Produktion zu riskieren.
Ein herkömmliches Verfahren zur Verbindung sichtbarer Anzeigetafeln setzt ein diskretes Drahtverbinden zwischen benachbarten Tafeln ein. Die vorliegende Erfindung ersetzt diese Drahtverbindungen durch eine drahtlose Verbindung, die eine solche aus verschiedenen, leitenden Medien einsetzt.
Die Qualität eines großen, sichtbaren Abbildungssystems, das aus kleineren Anzeigen aufgebaut ist, hängt in einem bestimmten Umfang von dem Prozentsatz eines nutzbaren Anzeigeflächenbereichs ab. Der Flächenbereich jeder Anzeige, der eine Zwischenverbindung zwischen ihr selbst und der angrenzenden Anzeige benötigt, ist nicht als sichtbare Anzeige nutzbar. Herkömmliche Drahtverblndungen belegen einen relativ großen Flächenbereich der sichtbaren Anzeigen. Eine Aufgabe drahtloser Zwischenverbindungen, neben einer elektrischen Integrität, ist diejenige, den sichtbaren Anzeigeflächenbereich zu reduzieren, den sie belegen, und den Flächenbereich, der für die sichtbare bzw. visuelle Abgabe zur Verfügung steht, zu erhöhen.
Sichtbare, flache Bildschirmanzeigen werden oftmals gegen eine mechanische Beschädigung durch eine transparente Abdeckung geschützt. Diese Abdeckung kann ein Flüssigkristall- oder ein anderes Anzeigesystem integrieren. Die Abdeckung liegt idealerweise direkt auf den Bildschirmelementen. Wenn allerdings der Bildschirm eine Zusammensetzung kleinerer Elemente, ist und eine herkömmliche Drahtverbindung dazu verwendet wird, aneinanderstoßende Elemente zu verbinden, können die Drähte Erhebungen oder Riefen unter der Abdeckung hervorrufen. Solche herkömmlichen Drahtverbindungen können die Abdeckung dahingehend hindern, daß sie glatt an den Flächen der Tafel verklebt werden und sichtbare Verzerrungen verursachen. Die DE-AS 36 35 558 offenbart eine Vorrichtung, die aus verschiedenen, angrenzenden Substraten hergestellt ist, die elektrische Verbindungen zwischen zwei Substraten besitzt, wobei eine dünne Schicht leitender Streifen herkömmliche Drahtverbindungen ersetzt. In einer Anwendung ist ein elektro-optisch aktives Substrat, das ein Teil einer Feldanordnung sein kann, zwischen zwei dielektrischen Substraten angeordnet und mit den Endflächen der leitenden Bahnen verbunden. Die leitenden Streifen werden über einen Isolator geführt, wie beispielsweise Polyimid oder Glas, das unter den leitenden Streifen in dem Flächenbereich plaziert ist, wo sie von einem Substrat zu dem anderen über die angrenzenden Seitenflächen der Substrate führen. Die Substratflächen, mit denen die leitenden Streifen und die Isolatoren befestigt sind, liegen allgemein in derselben Ebene. Demzufolge tragen die Isolatoren, über die die leitenden Streifen führen, zu der leitenden Streifenschicht bei, was Erhebungen oder Riefen unter der flachen Schirmabdeckung erzeugt. Es ist deshalb ein weiteres Ziel der vorhegenden Erfindung, eine Zwischentafelverbindung zu schaffen, die nahezu eben bzw. bündig zu den benachbarten Tafeln ist, die sie verbindet. Dies ermöglicht, daß eine schützende Abdeckung oder Anzeigeabdeckung flach und glatt über den Anzeigeplatten liegt, die die Feldanordnung aufbauen.
Das Problem der Schaffung von Zwischenverbindungen in einem kleinen Flächenbereich mit einem niedrigen Volumen hat für die Designer von flachen Anzeigetafeln eine große Herausforderung dargestellt. Die Entwicklung einer zuverlässigen Verbindung, die einen kleinen Flächenbereich zwischen benachbarten Tafeln belegt, stellt einen technologischen Hauptfortschritt in einer Flachtafel-Ausgabefunktion dar. Die erhöhte Funktion bzw. Leistung, die durch die Verwendung solcher Zwischenverbindungen erhalten wird, stellt ein dringendes Erfordernis auf dem Gebiet flacher Anzeigevorrichtungen zufrieden.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 definiert.
Ein elektrisches Aneinanderstoßen plattenförmiger Feldanordnungen durch drahtloses Verbinden löst das Problem eines sich ergebenden, störend großen Flächenbereichs plattenförmiger, sichtbarer Anzeigen hinsichtlich Zwischenverbindungen. Die vorliegende Erfindung löst weiterhin das Problem von Zwischenverbindungen zwischen sichtbaren Anzeigen, die die Fähigkeit einer Anzeigeabdeckung oder einer schützenden Abdeckung, flach auf den Anzeigen zu liegen, störend beeinflussen. Wenn die Kanten flacher Anzeigetafeln elektrisch verbunden werden müssen, verwendet dieses System einen kleineren Flächenbereich der sichtbaren Tafel, um die Verbindung zu bilden, als andere verfügbare Verfahren. Deshalb ist der verfügbare Flächenbereich für eine sichtbare Anzeige maximal. Zusätzlich hält das drahtlose Verbindungsverfahren nahezu eine Koplanarität zwischen den Anzeigetafeln und den elektrischen Verbindungen aufrecht, was einer schützenden oder Anzeigeabdeckplatte ermöglicht, glatt auf den Tafelflächen aufzuliegen. Die Erfindung löst zwei Probleme, die einem Drahtverbinden zwischen flachen Tafelanzeigen anhaften: das Problem einer sich ergebenden zu großen Größe eines Flächenbereichs von Verbindungen und das Problem eines Verhinderns, daß sich eine Abdeckplatte flach über die Tafeln legt.
Die Feldanordnung flacher, elektronischer Anzeigevorrichtungen muß elektrisch miteinander verbunden werden. Insbesondere sind die Halbleiter ein Teil eines flachen, sichtbaren Anzelgeschirms. Das Gerät der vorliegenden Erfindung verbindet die Drähte oder Metallflächen, die um den Umfang der einzelnen, plattenförmigen Elemente der Feldanordnung angeordnet sind, mit Leitern in benachbarten plattenförmigen Elementen in der zusammengesetzten Feldanordnung.
Die Verbindungen sind unter Verwendung kleiner, leitender Brücken im Gegensatz zu diskreten Drähten hergestellt. Jede leitende Brücke erstreckt sich so, um schräge Flächen zu berühren, die in dem Körper benachbarter Substrate vorgesehen sind, an denen elektrische Leiter zwischenverbunden werden sollen. Die schrägen Flächen liefern ein zusätzliches Volumen unterhalb der Substratfläche, an der die Leiter befestigt werden, die die leitende Brücke tragen und die elektrische und mechanische Verbindung verstärken. Leitende Brücken besitzen verschiedene Hauptvortelle gegenüber diskreten Drähten in dieser Anwendung; die Brücken besitzen ein niedriges Profil und verursachen daher keine Erhebungen unter einem Flüssigkristall-Laminat oder einer Abdeckplatte, die über die Feldanordnung der Platten gelegt werden kann; drahtlose Verbindungen belegen einen kleineren Oberflächenbereich der gesamten, plattenförmigen Feldanordnung als dies diskrete Drahtverbindungen tun, und deshalb belassen sie einen größeren Flächenbereich frei, um sichtbare oder andere Signale zu übertragen. Diese drahtlosen, elektrischen Verbindungen stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer diskreten Drahtverblndung dar.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine Querschnittsansicht von zwei aneinandergrenzenden Substraten zeigt, die elektrisch miteinander gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind;
Figur 2 einen Tellquerschnitt in einem vergrößerten Maßstab der leitenden Brücke zeigt, die in Figur 1 dargestellt ist; und
Figur 3 eine Draufsicht von zwei Substraten zeigt, die miteinander gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind.
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer plattenförmigen Feldanordnung 10 sichtbarer Anzeigen. Jedes Substrat 12 jeder Platte in der Feldanordnung besteht aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise Glas oder Polyimid, und liefert eine Trägerbasis für Metallverbindungsflächen bzw. -pads 14, die eine Fläche 14a besitzen, die an der Substratfläche 12a befestigt ist. Sowohl die Flächen 14a als auch 12a erstrecken sich senkrecht zu der Papierebene in Figur 1. Die Metallverbindungsflächen können aus Aluminium, Kupfer, Gold, Nickel, oder irgendeinem anderen Material sein, was zur Führung elektrischer Signale oder Energie geeignet ist. Die Metallverbindungsflächen 14 können an der Substratbasis 12 durch eines verschiedener Verfahren befestigt werden, die umfassen, allerdings nicht darauf beschränkt sind: autokatalytisches Plattieren, Elektroplattieren, chemisches Dampfniederschlagen oder physikalisches Niederschlagen. Die Verbindungsflächen-Endfläche 14c schließt an oder nahe einer schrägen Eckfläche 12c des Substratkörpers ab. Der schräge Winkel liegt vorzugsweise zwischen 25 und 75 Grad zu der Fläche 12a. Der Abstand zwischen den Paaren der Verbindungsflächen-Endfläche 14c, die elektrisch verbunden werden sollen, beträgt ungefähr 25 µm. Eine leitende Brücke 16 führt elektrische Signale und Energie zwischen den Metallverbindungsflächen 14.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht, die die leitende Brücke 16 darstellt. Die oberen Flächen 14b der Metallverbindungsflächen 14 liegen in einer gemeinsamen Ebene 20. Die Ebene 20 ist eine Referenzebene für die bevorzugte Kontaktoberfläche zwischen der Plattenfeldanordnung 10 und einer schützenden Kunststoffabdeckplatte oder einem Flüsslgkristall-Laminat, das an der Feldanordnung 10 befestigt sein kann. Die Ebene 20 kann durch die leitenden Brücken 16 hindurchführen, da die Brücken oberhalb der Ebene 20 vorstehen können. Die leitenden Brückenvorsprünge können in einer Ebene 22 liegen, die bis zu ungefähr sechs µm von der idealen Kontaktebene 20 beabstandet sein kann. Diese Höhenbegrenzung bezieht sich nur auf den Bereich der leitenden Brücke, der nicht zwischen den Platten der benachbarten Feldanordnung 10 angeordnet ist. Die leitende Brücke 16 ist mit Verbindungsflächen-Endflächen 14c verbunden und kann mit den oberen Verbindungsflächen-Flächen 14b verbunden werden. Die Brücke 16 kann sich auch so erstrecken, um die Substratschrägflächen 12c der Substratseitenflächen 12b zu berühren.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht von zwei Substraten 12, sechs Metallverbindungsflächen 14 und drei leitenden Brücken 16, die eine plattenförmige Feldanordnung 10 bilden. Die zwei Substrate 12 sind Seite an Seite angeordnet und durch die leitenden Brücken 16 verbunden. Der Teilungsabstand der Metallverbindungsflächen beträgt 2-40 Kontaktflächen pro mm. Figur 3 zeigt schematisch eine Zeichnung, die eine allgemeine Darstellung der verschiedenen, leitenden Brücken 16a-16e umfaßt, die eingesetzt werden können. Diese Brücken 16a, b, c, d und e sind alle funktionell miteinander austauschbar und sind gleichermaßen für die Durchführung der Erfindung zufriedenstellend. Die leitenden Brücken 16 in Figur 3 können unter Verwendung einer leitenden Kugelverbindung 16a gebildet werden, die aus Gold oder einem anderen leitenden Draht mit ungefähr 12 bis 25 µm im Durchmesser gebildet ist. Es kann mehr als eine leitende Kugelverbindung 16a verwendet werden, um ein Paar Metallverbindungsflächen 14 miteinander zu verbinden. Die sich ergebenden, leitfähigen Kugelverbindungen 16a können entweder angeschmolzen oder mechanisch angepreßt werden, wie dies notwendig ist, um die maximale Höhe der Fläche 22 der leitenden Brücke zu regulieren. Die leitenden Kugeln können ultraschallmäßig miteinander verbunden werden. Die Ansicht, die dargestellt ist, ist ein aufgebrochener Abschnitt einer plattenförmigen Feldanordnung 10, die sich in irgendeiner Richtung parallel zu der Papierebene der Figur 3 erstrecken kann.
Figur 3 stellt auch eine funktionell ähnliche Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die leitenden Brücken 16b aus Lötmittel gebildet sind. Das Lötmittel kann irgendeine Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einer hohen Leitfähigkeit sein, allerdings verwendet die bevorzugte Ausführungsform kommerziell erhältliche Blei-Zinn-Legierungen. Ein Flußmittel, entweder integral mit dem Lötmittel oder separat aufgebracht, wird dazu verwendet, die Oberflächen, die verbunden werden sollen, zu reinigen. Wenn eine leitfähige Brücke 16b hergestellt wird, werden Lötmittel und Flußmittel in einem Muster aufgebracht, so daß dann, wenn die plattenförmige Feldanordnung 10 allgemein erhitzt wird, das Lötmittel schmelzen wird, um leitfähige Brücken 16b zu bilden. Das Lötmittelmuster kann über eine Vielfalt an Techniken erreicht werden. Einige Verfahren zum Aufbringen von Lötmittel in einem Muster umfassen: direktes Aufdrucken auf die Metallverbindungsflächen 14, entweder unter Verwendung eines Ubertragungsbands, das durch Siebdrucken oder lithographische Musterung hergestellt ist, oder unter Verwendung einer Abhebetechnik, um Lötmittelflächenbereiche festzulegen, oder alternativ durch Einsetzen einer Beabstandungseinrichtung, um das Lötmittel aufzunehmen, und durch Verhinderung, daß es zwischen unbeabsichtigten Paaren von Metallkontaktflächen 14 überbrückt. Durch Aufbringung vieler dünner Lötmittelstreifen über die Spalte zwischen Paaren von Metallverbindungsflächen 14 in der plattenförmigen Feldanordnung 10 kann das Risiko einer elektrischen Verbindung von Paaren von Metallverbindungsflächen 14, die nicht diejenigen sind, die beabsichtigt sind, reduziert werden und das Erfordernis für eine hoch akkurate Ausrichtung solcher Paare kann erreicht werden.
Figur 3 stellt eine andere funktionell ähnliche Ausführungsform der Erfindung dar, die leitende Brücken 16c einsetzt. Das Lötmittel, das die leitenden Brücken 16c bildet, wird allerdings in einer unterschiedlichen Art und Weise gegenüber derjenigen der Brücken 16b aufgebracht. Lötmittel und Flußmittel, die dazu verwendet werden, Brücken 16c zu bilden, werden über und um die Flächenbereiche aufgebracht, wo leitende Brücken 16c erwünscht sind. Dann wird das Lötmittel nur in solchen Flächenbereichen geschmolzen, wo leitfähige Brücken 16c benötigt werden. Ein Laser oder ein heißer Luftstrahl können dazu verwendet werden, das Lötmittel dort zu schmelzen, wo es erwünscht ist. Wiederum kann durch Schmelzen nur ein schmaler Streifen von Lötmittel zu einem Zeitpunkt das Erfordernis einer extrem akkuraten Ausrichtung zwischen Paaren von Metallverbindungsflächen 14 reduziert werden. Schließlich werden irgendwelche überflüssigen Lötmittel und Flußmittel entfernt und die leitenden Brücken 16c sind alles, was verbleibt.
Figur 3 stellt zusätzlich die Verwendung der folgenden, funktionell ähnlichen, physikal dennoch unterschiedlichen, leitenden Brücken dar, die hier mit 16d bezeichnet sind. Die leitfähigen Brücken 16d sind aus einer leitfähigen, organischen Paste. Die leitfähige Paste kann ein Polymer sein. Es kann ein thermisch härtbares oder anderes Epoxidharz sein. Punkte der leitfähigen, organischen Paste, die leitfähige Brücken 16d bilden, können ungefähr 100 µm im Durchmesser sein und innerhalb von ungefähr 12 µm zueinander positioniert sein.
Figur 3 stellt auch leitende Brücken 16e dar, die ähnlich denjenigen sind, die mit 16d bezeichnet sind, mit der Ausnahme, daß die Paste, die jede leitfähige Brücke 16e bildet, nicht selbst das leitfähige Medium ist. Die Paste kann ein Polymer, ein Epoxidharz oder irgendein Material sein, das zur Bildung einer strukturellen Brücke geeignet ist. Elektrizität wird allerdings über eine Suspension leitfähiger Teilchen in der Paste übertragen. Die strukturelle Paste und die leitfähigen Teilchen bilden zusammen die leitfähigen Brücken 16e. Diese leitfähigen Teilchen können leitfähiges Polymer- oder Epoxidharzmaterial oder leitfähige Bereiche, Flocken oder Pulver, sein. Verschiedene leitfähige Brücken 16a-16e, die in Figur 3 dargestellt sind, sind, obwohl sie manchmal zueinander im physikalischen Erscheinungsbild unterschiedlich sind, gegeneinander austauschbar, ohne die Funktion dieser Erfindung zu beeinflussen. Die schematische Darstellung der leitfähigen Brücken 16a-16e in Figur 3 demonstrieren nur deren physikalische Beziehung zu anderen Komponenten dieser Erfindung und schränken nicht die vielen Variationen ein, die verwendet werden können, um die vorliegende Erfindung zu praktizieren.

Claims

1. Elektrisches Gerät, das aufweist:

eine Feldanordnung von Substraten (12) aus dielektrischem Material, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei jedes Substrat eine Hauptfläche (12a), mindestens eine Seitenfläche (12b) und mindestens eine schräge Eckfläche (12c) angrenzend zu den anderen Flächen besitzt;

eine Vielzahl elektrischer Leiter (14), die voneinander beabstandet und an der Hauptfläche jedes Substrats befestigt sind, wobei jeder Leiter eine Fläche (14c) an jedem Ende besitzt und zu der Endfläche eines Leiters auf dem benachbarten Substrat ausgerichtet ist, wobei die Leiter auf jedem Substrat deren Oberflächen entfernt von der jeweiligen Hauptfläche besitzen, die in einer gemeinsamen Ebene (20) liegt, und

eine Brücke (16) eines elektrisch leitfähigen Materials, die mechanisch und elektrisch die Endflächen (14c) eines ausgerichteten Paars Leiter auf angrenzenden Substraten verbindet, wobei jede Brücke in Kontakt mit dem jeweiligen Paar schräger Eckflächen (12c) steht.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei jeder Leiter eine Kontaktfläche (14) aus Metall ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die leitfähigen Brücken (16) über die gemeinsame Ebene um einen Abstand von bis zu sechs µm vorstehen.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Brücke durch eine leitfähige Kugelverbindung (16a) gebildet ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Brücke aus einer niedrig schmelzenden Legierung (16b) gebildet ist, die so geschmolzen und verfestigt worden ist, um die Brücke zu bilden.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Brücke eine allgemein aufgebrachte Lötpaste (16c) aufweist, die dann selektiv zwischen den Leitern geschmolzen worden ist, um mindestens eine Brücke zu belassen.

7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Brücke aus einer härtbaren, elektrisch leitenden Paste (16d) eines organischen Materials gebildet ist.

8. Gerät nach Anspruch 7, wobei die Paste eine Suspension elektrisch leitfähiger Teilchen besitzt.

9. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl elektrischer Verbindungen zwischen einer Vielzahl elektrischer Vorrichtungen, das folgende Schritte umfaßt:

Befestigen einer Vielzahl elektrischer Vorrichtungen an einer Feldanordnung aus Substraten (12), die Seite an Seite angeordnet sind, wobei jedes Substrat eine Hauptfläche (12a), mindestens eine Seitenfläche (12b) und eine schräge Eckfläche (12c), die an die zwei Flächen angrenzt, besitzt;

Bildung einer Vielzahl voneinander beabstandeter, elektrischer Leiter (14), die an der Hauptfläche befestigt sind, wobei jeder Leiter eine Fläche (14b) an jedem Ende angrenzend an das benachbarte Ende der jeweiligen Eckfläche besitzt und wobei die Leiter auf jedem Substrat deren Oberflächen von der Hauptfläche, die in einer gemeinsamen Ebene liegt, entfernt besitzen, und

Zwischenverbindung der ausgerichteten Endflächen eines Paars Leiter auf benachbarten Substraten mit einer Brücke (16) eines elektrisch leitfähigen Materials, das auch mit dem jeweiligen Paar schräger Eckflächen und mit den angrenzenden Seitenflächen in Kontakt steht.