JP2006522453A - マイクロチャネルプレートの接合方法 - Google Patents

Abstract

マイクロチャネルプレート50と多層セラミックボディユニット80の嵌合面には、所望の温度及び圧力において最適に拡散するように選択された適当な金属を使って、隆起84を有する薄膜が蒸着される。その後、金属化されたマイクロチャネルプレート50と多層セラミックボディユニット80は、所望の上昇温度で拡散接合を開始するためにコンポーネントへ印加するのに必要な力を与える接合固定具F内に位置合わせして配置される。その後、接合固定具Fは、マイクロチャネルプレート50と多層セラミックボディユニット80との間での拡散接合処理を加速するために、真空熱チャンバV内に配置される。

Description

この出願は、２００３年３月３１日出願の米国仮特許出願第60/320,069号“BONDING METHOD FOR MICROCHANNEL PLATES”に基づくものである。

本発明は、マイクロチャネルプレート(MCP)を有する電子デバイスに関し、特に、マイクロチャネルプレートを他のコンポーネントに接合させるための方法に関する。

本発明の方法は、電子光学コンポーネントをフィードスルーに接合させるものである。ここで説明される方法は、他の電気、光学及び機械コンポーネントの接合を含むものであり、その特徴は、
a.機械的締め具またはリテーナが不要であり、
b.２つの接合材料の形態が面同士の直接接合には適さず、
c.接合は、低せん断力を有する脆性材料を含み、
d.接合処理には蝋付け接続が不要であり、
e.接合処理には接合材料の溶解が不要であり、
f.機械的及び電気的接合が同一面上で所望され、
g.接合は電気的及び機械的相互接続を同時に与えなければならず、
h.生成された接合部分は永久的に変化しない、
という点にある。

従来の方法
方法１：マイクロチャネルプレートの圧縮を容易にするためにコバールリングがセラミックへ蝋付けされていた。この方法は、電気的及び機械的相互接続を容易にするためにマイクロチャネルプレートの両面の接触を必要とし、この点が本発明に比べ主な欠点である。上部リングは上部の電気的機械的相互接続として機能し、下部リングは下部の電気的機械的相互接続として機能する。この方法はイメージ増強装置の製造において１０年以上使用されてきた。

方法２：米国特許第6,040,657号に記載される他の方法は、インジウム、インジウム-チタン合金、金-チタン合金及び金ゲルマニウム合金等の蝋付け材を使用し、フィードスルーアセンブリへマイクロチャネルプレートを流し込む。

方法１の主な欠点は、マイクロチャネルプレートの周辺の大部分が、マイクロチャネルプレートを保持するのに使用されるリテーナにより覆われることにある。リテーナリングはセラミックのフィードスルー内部の空間を占め、また該リテーナを保持しかつ配置するための補助リングを必要とする。この方法において要求されるフィードスルー内の付加的リングは全部で少なくとも４つである。さらに、リテーナ及び補助サポートの高さを調節しなければならないため、マイクロチャネルプレートの周辺カバレッジは陰極入力窓の設計を制限する。

付加的サポートの使用及び組み立てに伴う固有損失により、方法１により付加的コストがかかる。

方法２の主な欠点は、マイクロチャネルプレートが、接合に適した金属電極を合金材料で覆われなければならない点にある。融解合金材料の流れが制御不能であるため、マイクロチャネルプレートへ電気的機械的相互接続を与えるための電極パターニングは非常に難しくなる。合金の流れが制御不能のため、マイクロチャネルとの接触が可能となり、それは正常な動作に好ましくない。本発明の主な利点は材料の流れが無いことである。

方法２は１つのサポートリングを除去しただけで、まだ３つの付加的リングが存在する。

米国特許第5,514,928号及び第5,632,436号は上記方法２と類似の合金を使って２つ以上のマイクロチャネルプレートを相互接合する技術を開示する。これらの特許文献はマイクロチャネルプレートをセラミック製フィードスルーへ接合する点については議論していない。

米国特許第6,040,657号は、上記方法２で説明されるようなマイクロチャネルプレートと導電接触するためのはんだピンを教示する。

米国特許第5,994,824号は、上記方法１で使用されたものと類似の金属スナップリングを開示する。

米国特許第5,573,173号は、拡散接合を教示するが、電子銃及び陰極光線管とともに使用するものである。
米国特許第６０４０６５７号明細書 米国特許第５５１４９２８号明細書 米国特許第５６３２４３６号明細書 米国特許第５９９４８２４号明細書 米国特許第５５７３１７３号明細書 上記参考文献は従来技術の多くの利点及び技術的改良を紹介し開示しているが、本発明により達成される特定の目的を完全に満足するものは存在しない。

本発明の目的は、マイクロチャネルプレートとセラミック製フィードスルーのような、もろい平坦な物質と硬く非平坦な物質との間に、電気的機械的な相互接続を形成することである。ここで、平坦と非平坦の差は直径１インチに対して傾斜が０.０１インチ以下である。

本発明の他の目的、利点及び特徴は、発明の好適実施例として示される図面を参照した以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明に従い、マイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットの嵌合面は、上昇した温度及び圧力で最適に拡散するように選択された適当な金属材料を使って薄膜蒸着される。金属化されたマイクロチャネルプレート及び多層セラミックボディユニットはその後、上昇した温度において拡散接合を開始するために、コンポーネントに印加される必要な圧力を与えるべく、位置合わせされて接合固定具内に配置される。その後、接合固定具はマイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットとの間の拡散接合処理を加速するために真空熱チャンバ内に配置される。

本発明により、接合部品の一方または両方が不規則な表面形状を有するところの、マイクロチャネルプレートとセラミック製フィードスルーのような非類似材料の拡散接合が可能になる。

また、ボールボンディングは、拡散接合を開始するのに必要な力及び熱を減少させる点接触を与える。比較的大きな平坦接触を有する部品の拡散接合は、より大きな力が必要となる。このような付加的な力は、しばしば材料特性のため、拡散接合の使用を否定するものである。

本発明の上記特徴、利点及び目的が達成されるところの方法が理解できるように、発明のより詳細な説明が図面に示された実施例を参照して為される。すべての図面において、同じ部品は同一符号で示される。

本願は２００３年３月３０日に出願した米国仮特許出願第60/320,067号（現在は米国特許出願第10/708,889号）に関連し、それはここに参考文献として組み込まれる。

本発明の接合方法は、電子増幅用電子デバイス内で使用されるタイプのマイクロチャネルプレート(MCP)50を、イメージ増強管I（図４に略示）のような電子デバイス内で使用するのに適したMCPアセンブリを形成するセラミック製フィードスルーアセンブリ80へ接合するのに使用される。フィードスルー80とマイクロチャネルプレート50は、適当な金属または金属合成材料で選択的に蒸着される。コンポーネントを金属化するのに、電気めっき、スクリーン印刷、及び薄膜蒸着技術が使用される。要求される処理パラメータ、すなわち、温度及び圧力で最適に拡散するような金属が選択される。金(Au)及び銅(Cu)が好適であるが、銀、ニッケル、パラジウム及び白金のようなすべての低酸化展性金属が状況に応じて使用されてもよい。

接合を形成するために、２つのコンポーネント80、50のコンパチブルな嵌合面82、52は、互いに接触して配置され、経験的に決定された時間、温度及び圧力接合サイクルに晒される。

被接合コンポーネント間に滑らかな面が無ければ、上記のような中間金属が、セラミック製エレメント80の嵌合面82でのギャップまたは平坦度の変化を埋めるように配置される。もろいマイクロエレクトロニクスのアセンブリは、直径１インチに対して０.００１インチ以下の表面変化により大きく変化してしまう。中間金属の隆起84は、ワイヤ、箔、バンプまたはその他の形状を有する。

マイクロチャネルプレート50及びフィードスルー80に適用される金属化被覆は、中間金属層84と位置合わせされ、接合を開始するために同じ時間、温度及び圧力サイクルを通じて処理される。金属化された面対面接触または中間層84への接触により生成される接合は、ともに構成要素の溶解を必要としない拡散接合である。

機械的相互接続は各物体の一方側にのみ所望されるが、電気的相互接続は平坦なひとつの物体の両側に適用されなければならない。相互接続は、少なくとも４００℃で衝撃が５００Gの熱機械応力のもとで変化してはならない。

図３において、多層セラミック(MLC)ボディ部材80は、下部の嵌合面または表面82に接合された、金などの選択された金属のバンプまたは隆起84を有するように描かれている。これは標準的な固体状態処理である。

ひとつまたはそれ以上の標準的な電気的接触（図示せず）は、バンプまたはアーク84と関連しかつ電気的に接続している。よって、設計者は、所望される電気的接続の種類に応じて、単一の金属円、または、ひとつまたはそれ以上の独立の金属アークとなるよう隆起84を選択することができる。

図４に示されるMCP50は、薄膜金属被覆54で金属化された嵌合面52を有する。嵌合面52はMLCボディ80の下方面82と嵌合するように適応される。付加的に、MCP50の両面は同様に金属被覆が施される。

概して、MCP50及びMLCボディユニット80は以下に説明するように組み立てられ、真空オーブンV内に配置されて、その後所望の温度まで加熱される。好適には、オーブンの温度がゆっくりと室温まで戻って、ひとつまたはそれ以上の固定具Fを除去するまでの所定時間の間、コンポーネントは真空オーブンV内に放置される。

図１及び２を参照して、組み立てシーケンスは、
a.圧縮接合固定ベース10及び圧縮接合固定リング／ベースユニット12が組み立てられる工程、
b.MLCボディ20が、金で金属化された面14aが上を向いた状態で、圧縮接合固定リング／ベースユニット12の頂部に配置される工程、
c.接合された金または他の選択された金属バンプ18を有するMLCボディ20が、アライメント用のMCP16及びMLCボディ20両方のバイアスマークを使って、MCP16の頂部に配置される工程、
d.上部圧縮接合ディスクユニット22がMLCボディ20の頂部に配置される工程、
e.圧縮接合固定具36の上部またはトッププレートユニット24が、固定具の下側半分またはベース10と、接触または力が加わることなく、組み立てられる工程、
f.その後、所望のわずかな力26が固定具トッププレート22に印加される工程、
g.アライメントリングユニット32が落下し、MLCボディ20ともはや接触しないように、下部止めネジ28が外される工程（この工程は必ずしもコンポーネント除去中でなくともよい）、
h.予め選択された力が、圧力接合固定具36の上部止めネジ30を使って圧力ユニット34へ印加される工程、
を含む。

分解は、圧力を解放するように止めネジ30をゆっくり使って逆の順序で行う。

概して、ひとつまたはそれ以上の硬いポスト38が下部ベース10及び上部プレートユニット24の分離を維持する。接合圧力を設定しかつ解放するためのハンドルアセンブリHは、ハンドルシリンダ41、軸42、バネ44、及びボールベアリング48を保持するピストンまたはカップユニット46と作用するように接合された上部止めネジ30を有するハンドルまたはノブ40を含む。付加的に、ロックナット49は、所望の圧力レベルで固定具36をロックするためにハンドルアセンブリHと協働してもよい。

本発明の利点
a.平坦な電気コンポーネントが非平坦なセラミック製フィードスルーと変形することなく応力無しで接合することが可能となる接合面を与える。中間接合材料はマイクロチャネルプレートより変形する。
b.接合用に小さいフットプリントを与え、マイクロチャネルプレートと中間接合材料との間の拡散接合を容易にする。
c.約４００℃の熱サイクルが使用されるため、はんだ流しによる接合の劣化を生じさせることなく、拡散接合を強化することができる。上記熱サイクルに強い接合は、後続処理のために所望される。Cu-Au及びAu-Au接合は室温で観測された。
d.本発明に記載されるような種類の拡散接合はフィードスルーアセンブリを損なうことなく再加工され得る。はんだ法は、金属化セラミック層の溶解性のために経時的にフィードスルーアセンブリを劣化させる。
e.本発明は従来の映像管設計の中で最少数のアセンブリ部品を必要とする。コンポーネント数を減少させることはアセンブリの精度及び製造方法を改善する。コンポーネントが少ないほどパッケージサイズを縮小させることができる。
f.マイクロチャネルプレートの開口入力面は、空洞の深さを減少させることにより陰極入力窓の改良されたデザインをもたらす。
g.本発明は、独立のスナップリング、機械的保持手段、またははんだ流し法を使用することなく、マイクロチャネルプレートをセラミック製フィードスルーへ直接接合するための方法を与える。
h.マイクロチャネルプレートとセラミック製フィードスルーとの間の接合は２つのコンパチブルな金属の拡散接合により達成される。適用可能な金属としては、これらに限定されないが、金、銀、パラジウム、白金、ニッケル及び銅がある。
i.接合各部はひとつまたはそれ以上の選択された金属により被覆される。好適には、フィードスルーはプレスまたは標準ワイヤ接合器具を使って取り付けられた中間金属層を有する。中間金属層は展性であり、セラミック製フィードスルーのような非均一な面から整合する均一な面を作ることができる。ボールボンディングの使用により表面積が大幅に減少し、その結果、比較的小さい力で、拡散接合を開始するのに必要な高い圧力を与えることができる。
j.接合の整合性は、拡散接合が生じるように硬い非平坦セラミック製フィードスルーに対して押圧されるべき平坦なマイクロチャネルプレートに、低いせん断強度をもたらす。
k.選択金属による蒸着後、マイクロチャネルプレート及びフィードスルーは一定の圧力の固定具内で組み立てられ、所定の力26が印加される。力26は接合部の形状及び材料に応じて変化する。拡散接合を加速させるために圧縮固定具36が使用され、さらに接合を強化するために熱が加えられる。
l.熱機械サイクルが完了すると、接合が安定し、部品は使用可能となる。典型的に付加的なアニールまたは圧力サイクルは要求されない。

拡散接合に適した表面平坦性を有する部品を製造してもよいが、このような技術は点接触のボールボンディングよりかなり高価であると思われる。

はんだ流し法に必要な処理制御もまた拡散接合法より高価であるが、この処理制御は映像管用の真空処理に適しておらず、単純に応用できない。

本発明の上記開示及び説明は例示に過ぎず、発明の思想から離れることなくさまざまな変更または修正が可能であることは当業者の知るところである。

図１は、本発明に従うアセンブリ固定具の正面図である。 図１Aは、図１の固定具の平面図である。 図１Bは、図１の固定具の底面図である。 図２は、図１の固定具の分解図である。 図３は、MCPが接合される多層セラミックユニットの底面図である。 図４は、接合用に準備されたMCPの平面図である。

Claims (7)

1. マイクロチャネルプレートを多層セラミックボディユニットと接合する方法であって、
   マイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットの嵌合面を、上昇した温度及び圧力において最適に拡散するように選択された適当な金属を使って、薄膜蒸着する工程であって、多層セラミックボディの表面の蒸着膜はマイクロチャネルプレート及び多層セラミックボディユニットの嵌合面の接合に対してコンパチブルに配置された隆起を有するように形成されるところの工程と、
   選択された上昇温度においてマイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットの嵌合面の間で拡散接合を開始するのに十分な圧力を印加するために、金属化されたマイクロチャネルプレート及び多層セラミックボディユニットを位置合わせして接合固定具内に配置する工程と、
   マイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットとの間での拡散接合処理を加速させるために、接合固定具を真空熱チャンバ内に配置する工程と、
   から成る方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記隆起は、金、銀、ニッケル、白金及びパラジウムから成る集合から選択された金属から形成される、ところの方法。
3. 電子増幅用に適したマイクロチャネルプレートを含むタイプのアセンブリであって、
   接合面を有するマイクロチャネルプレートと、
   前記マイクロチャネルプレートの接合面とコンパチブルな接合面を有する多層セラミックボディユニットと、
   から成り、
   前記マイクロチャネルプレートの接合面は、前記多層セラミックボディユニットの接合面とコンパチブルに拡散接合される、ところのアセンブリ。
4. 請求項３に記載のアセンブリであって、マイクロチャネルプレートのコンパチブルな表面には、マイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットとの接合前に、金属薄膜が蒸着される、ところのアセンブリ。
5. 請求項３に記載のアセンブリであって、多層セラミックボディユニットのコンパチブルな表面には、マイクロチャネルプレートと多層セラミックボディユニットとの接合前に、金属隆起が蒸着される、ところのアセンブリ。
6. 請求項５に記載のアセンブリであって、前記金属隆起は、金、銀、銅、ニッケルプラチナ、及びパラジウムから成る集合から選択された金属を含む、ところのアセンブリ。
7. 請求項３に記載のアセンブリであって、マイクロチャネルプレートボディアセンブリは、イメージ増強管内での使用に適応される、ところのアセンブリ。

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