JP2856135B2 - 電界放出冷陰極素子の固定構造及び固定方法 - Google Patents

電界放出冷陰極素子の固定構造及び固定方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出冷陰極素
子の固定構造および固定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、電子銃などの電子源として電界放
出冷陰極素子が開発されている。この電界放出冷陰極素
子の断面を図４に示す。冷陰極素子３０は、一般的に半
導体基板３１上に微小突起のエミッタ３２を数百から数
万個円形や正方形等のパターン状に配置し、電子を放出
するエミッションエリア３３を形成し、この微小突起の
エミッタに強電界を印加するためにゲート電極３４を絶
縁層３５を介してエミッタ３２の上方に形成している。
【０００３】電界放出冷陰極素子は、ゲート電極３４と
エミッタ３２間に電圧を印加すると、エミッタ３２の尖
った先端部に電界が集中し、この頂点から両電極間の電
位差に応じた量の電子が放出される。エミッタの微小突
起の直径を１μｍ程度にした場合、エミッタ３２とゲー
ト電極３４間に５０〜１００Ｖ程度の電圧を印加する
と、各エミッタより〜１μＡ程度の電子が放出される。
このため、通常のブラウン管に使用する電界放出冷陰極
素子には、微小突起のエミッタが数千〜数万個程度形成
されるが、１個のエミッタの直径が１μｍ程度と微小な
ため、エミッションエリアは数百μｍ角程度になる。
【０００４】図５は、電界放出冷陰極素子を搭載した電
子銃陰極構体の断面図を示している。冷陰極素子４１が
搭載されたスリーブ４３は、絶縁体４４によって外側陰
極支持体４５に固定されている。４０はボンディングワ
イヤ，４２は冷陰極素子のエミッションエリア，４９は
接続ポートである。また、４６は第１グリッド、４７は
第２グリッドである。しかるに、冷陰極素子４１のエミ
ッションエリア４２と第１グリッド４６の位置関係の精
度は、電子銃の特性を決定するため高精度であることが
要求されている。
【０００５】次に冷陰極素子を使用した陰極構体の従来
例として、特開平７−１６１３０４に開示された技術に
ついて説明する。図６（ａ）は特開平７−１６１３０４
の陰極構体の斜視図を、図６（ｂ）はＡ−Ａ′線断面図
を示す。陰極構体５０は、頂面に窓孔５１が形成された
キャップ状のチップホルダ５２に、電界放出冷陰極素子
が、このチップホルダ５２の窓孔５１よりエミッション
エリア５３を露呈すると共にコンタクトエリア５４が窓
孔５１の裏面周円部に接するように固着されている。図
６に示すように、電界放出冷陰極素子は、弾性接続片６
１によりチップホルダ５２に押し付けられている。この
従来例の特徴は、冷陰極素子のゲート電極の配線の接続
にワイヤボンディングを使用せず、チップホルダに冷陰
極素子を押し付けることによって配線接続する点にあ
る。
【０００６】次にブラウン管の構成について図７で説明
する。陰極構体７１の冷陰極素子より放出された電子ビ
ーム７８は、陰極構体７１に対向して配置された第１〜
第６グリッドより形成される電子銃７２の電子レンズに
より収束され、シャドウマスク７３を通過後、最終的に
は蛍光体７７に射突し、所望の色を発色する。蛍光体７
７の各色毎の画素を構成する蛍光体ドットの典型的なサ
イズは、直径１００μｍ程度で電子ビーム７８の蛍光体
でのスポット径は、蛍光体セルを複数個同時に照射でき
るサイズになる必要がある。
【０００７】また、大型ブラウン管では、ブラウン管端
面での球面収差の問題があり、電子ビームのスポットが
広がる傾向があるため、スポット径をより一層微小化す
る必要がある。このため、電子レンズの組み合せ精度
は、極めて高く数μｍから１０μｍ程度であった。つま
り、電子銃の組立精度は、電子ビームの収束ばらつき及
び蛍光面での位置ばらつきが十分許容できる範囲内に収
まるように構成されていた。
【０００８】ここで重要な点として、冷陰極素子を用い
た電子銃においては、蛍光体セルに焦点される像は、冷
陰極素子のエミッションエリアの点光源としての像であ
る。従って、冷陰極素子の電子ビーム進行方向に垂直な
面内で搭載位置精度は、そのまま、蛍光体セルの位置精
度に反映される。このため、冷陰極素子の搭載位置に
は、高精度が要求される。
【０００９】次に、冷陰極素子のようなシリコンチップ
等微小素子を高精度で搭載する方法についての従来技術
について説明する。特開平４−２２１８６５には、図８
に示すように、シリコンチップ等の微小素子の固定方法
の技術が開示されている。これは、微小素子を複数個搭
載・固定する際に、各微小素子毎に位置を合わせる必要
がなく、自動的に位置合わせを行えるという技術であ
る。基板８１上に形成された凸部８２の上端面及び、微
小素子８３の下端面にロウ材８４に対して濡れ性のよい
塗布材をコーティングする。次に微小素子８３をロウ材
８４を介して基板凸部８２の上端面に設置する。加熱等
によりロウ材８４を溶融させると、ロウ材８４の表面張
力により微小素子８３と基板凸部８２が互いに引き合う
ため、微小素子８３は、所定の位置にロウ付けされる。
この従来例では、基板凸部８２及び微小素子８３の外形
寸法及び、基板凸部８２及び微小素子８３のロウ材８４
に対する表面張力の面分布により一意的に、高精度で最
終的な微小素子８３の位置が決定される。
【００１０】次に、特開平１−１０８７３４には、図９
（ａ），（ｂ）に示すようにロウ材中の含有フラックス
やガスがワイア固定部へ流出するのを防止し、固着部の
機械的強度、電気特性、熱安定性劣化を回避する技術が
開示されている。金属ベース９１下部に開口部９２を設
け、ここに絶縁材９３によってリード９６を固定する。
リード９６は、印刷配線板９４にロウ材９７を使用して
接続される。このロウ材中の含有フラックスやガスがチ
ップ９５及びボンディングワイア９８に対して悪影響を
与えるため、堤９９を形成してフラックスのチップ９５
及びボンディングワイア９８への流失を防止したもので
ある。また、従来より図１０（ａ），（ｂ）に示すよう
な素子嵌合突起部を形成して位置決めする技術は、広く
知られている。図１０中の基板１０１にチップ１０２を
搭載固定するときに、突起部１０３にチップ１０２の２
面を押し合てて搭載位置の精度を向上させる技術であ
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
している課題は、冷陰極素子を使用した電子銃の構造及
び製造方法に関する以下の点である。すなわち、（１）
冷陰極素子の搭載位置を所定の位置に±数μｍの精度で
固定することが必要である、（２）素子固定後、電子銃
のブラウン管へのガラス封入時のガラス軟化温度以下の
高熱（ピークで５５０℃程度）雰囲気後においても、搭
載位置の精度が劣化しないようにする必要がある。
【００１２】まず、基本事項として、冷陰極素子を形成
している一般的なシリコンチップの寸法精度について説
明する。シリコンチップは、シリコンウェハをダイシン
グ等の方法により分離分割したものである。ダイシング
による分離分割方法では、チップの外形寸法精度は、せ
いぜい±数十μｍ程度で、相対する面の平行度も１８０
度±５度程度である。これは、ダイシングに使用するダ
イシングブレードがウェハをダイシングするにしたがっ
て摩耗し、厚さが薄くなる点や、初期のダイシング位置
合わせに使用する光学顕微鏡等の精度、及びダイシング
装置の機械精度等により決定される。
【００１３】したがって、従来例で説明した図８及び図
１０の場合においては、チップの外形寸法精度がそのま
ま、チップの搭載位置精度に反映されてしまう欠点を有
している。さらに、図８の従来例においては、チップの
寸法精度に付加して、使用するロウ材の濡れ性が、基板
側及びチップ裏面内で面内分布を持つことが十分予測さ
れるため、必ずしも凸部とチップの中心が一致するとは
考え難いため、搭載位置精度がチップ外形寸法以上に劣
化するという問題があった。
【００１４】また、冷陰極素子を陰極構体の基板に接着
するロウ材として使用する共晶合金の代表的なものとし
て、金シリコン共晶合金が挙げられるが、金シリコン共
晶合金の溶融は４３０℃程度である。電子銃をブラウン
管に封止する際の温度上昇は、この金シリコン共晶合金
の融点より高い５５０℃程度になる。このため、ガラス
封止時に冷陰極素子を高精度で搭載しておいても、ロウ
材である金シリコン共晶合金が溶融し、冷陰極素子が移
動してしまい、位置精度が劣化してしまう問題があっ
た。
【００１５】また、一般的なチップの搭載方法の別の１
例として、金−金の熱圧着法が挙げられるが、この場合
も、金とシリコンの界面が合金化するため、ガラス封止
時の温度である５５０℃近辺では、マウント材が溶融
し、搭載位置精度が劣化する問題があった。
【００１６】一方、５５０℃より高融点の共晶合金をマ
ウント材に使用する場合には、以下の問題点があった。
すなわち、（１）銀ロウ材等では、フラックス等不純物
が多く、半導体チップの搭載には不向きである、（２）
溶融温度が６００℃以上になると、搭載する金属基板と
チップの熱膨張係数の差から、搭載終了後の冷却時に搭
載位置がずれてしまい、搭載精度が劣化する欠点があ
る、（３）６００℃以上に加熱するためには、雰囲気の
酸素濃度を低く抑えないと、素子にダメージを与える可
能性が大きいという欠点がある。
【００１７】本発明の目的は、以上のような問題点を解
消し搭載精度の良い電界放出冷陰極素子の固定構造とそ
の固定方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に導電性物質により形成した多数の微小突起により構成
されたエミッタ部及び前記半導体基板上に絶縁膜を介し
て形成されたゲート部を有する電界放出冷陰極素子を、
導電性基板上に電気的に接続し且つ固定する電界放出冷
陰極素子の固定構造において、前記電界放出冷陰極素子
をマウント材を使用して前記導電性基板上に搭載し且
つ、前記搭載に使用したマウント材より低温で硬化する
無機接着剤により電界放出冷陰極素子周辺を固定するこ
とを特徴とする。
【００１９】また、本発明は、半導体基板上に導電性物
質により形成した多数の微小突起により構成されたエミ
ッタ部及び前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成され
たゲート部を有する電界放出冷陰極素子を、導電性基板
上に電気的に接続し且つ固定する電界放出冷陰極素子の
固定方法において、前記電界放出冷陰極素子を前記導電
性基板の所定の位置にマウント材を用いて搭載する工程
と、前記搭載工程に使用したマウント材より低温で硬化
する無機接着剤により電界放出素子の周辺を固定する工
程を具備することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】本発明について図面を参照して説
明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態を示す
陰極構体の上面図で、（ｂ）はＡ−Ａ′線断面図であ
る。陰極構体の構造と共に製造方法、すなわち搭載手順
を説明する。位置合わせマークを検出し認識するＣＣＤ
カメラと、このカメラの出力値から搭載位置を算出する
コンピュータを備えた搭載装置に、陰極構体の基板１を
セットし、基板１の位置合わせマーク５を２箇所認識
し、基板１の搭載位置を算出する。次に冷陰極素子２の
位置合わせパターン６を認識し、冷陰極素子２の中心位
置を算出する。次に基板１の所定の位置に冷陰極素子２
及びロウ材３を移動させて搭載する。特に、この実施の
形態の場合、エミッションエリア７が、所定の位置、例
えば、基板１の中心位置に来るようにロウ材３及び冷陰
極素子２の位置を合わせる。この状態に基板１および冷
陰極素子２を保持したまま、所定の温度に加熱する。ロ
ウ材が金シリコン共晶合金の場合は、４３０℃付近で溶
融するため、４３０℃付近まで加熱する。そして金シリ
コン共晶合金が溶融後、暫時そのまま基板１及び冷陰極
素子２を保持する。その後、基板１及び冷陰極素子２を
保持した状態で冷却する。冷却後、冷陰極素子の周囲に
無機接着剤４を塗布する。無機接着剤としては、例えば
セメダイン製のＡＺ−１２０とか、東亜合成化学製のア
ロンセラミックＤ等を用いる。次に基板１及び冷陰極素
子２を無機接着剤４の硬化温度（１５０℃付近）まで加
熱する。そして、加熱後、冷却する。以上の手順により
冷陰極素子２は、陰極構体の基板１の所望の位置に搭載
される。
【００２１】電子銃の場合の例を図５に示す。電子銃の
場合には、陰極構体の基板としてスリーブ４３と称され
る円柱状の金属体を使用する。このスリーブ４３は、絶
縁体４４を介して外側陰極支持体４５に固定され陰極構
体が形成される。この陰極構体と、第１グリッド４６及
び第２グリッド４７の相対位置は、極めて精度良く組み
立てられる。例えば±１０μｍ以下の精度である。従っ
て、冷陰極素子４１のエミッションエリア４２と称され
る電子ビーム４８を放出する領域と第１グリッド４６及
び第２グリッド４７の位置精度も所望の高精度を保持す
る必要がある。
【００２２】図７に示すように電子銃は、ブラウン管７
４にガラス封止される。このとき、ガラスの融点が６０
０℃以上と高いため、冷陰極素子が搭載されている陰極
構体７１の付近も５５０℃程度まで温度が上昇する。こ
の実施の形態の場合は、冷陰極素子の外周部は５５０℃
程度の温度になっても硬化したままの無機接着剤で固定
されているので、冷陰極素子の位置ずれは生じない。封
止されたブラウン管は、排気工程で４００℃程度の温度
で２時間程度加熱しながら、排気管７５より排気して内
部の不純ガスを放出する。排気後、排気管７５を封止す
る。
【００２３】本発明の第２の実施の形態を図２に示す。
図２（ａ）は、冷陰極素子を陰極構体の基板に実装した
状態の上面図であり、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ′線断
面図である。この実施の形態では、陰極構体の基板１上
に冷陰極素子２を搭載後、無機接着剤４を少なくとも６
点以上のポイントに断続的に塗布し、冷陰極素子を固定
するものである。この実施の形態では、無機接着剤を断
続的に塗布してあるので、シリコンと金および無機接着
剤の熱膨張係数の違いによる歪が分散されるのでシリコ
ンに対するダメージが軽減される。
【００２４】図３（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施
の形態を示す上面図とＡ−Ａ′線断面図である。この場
合には基板１に凹部を形成し、この凹部に冷陰極素子２
をロウ材３で固定し、溝８に無機接着剤４を充填してい
る。
【００２５】上記第１〜第３の実施の形態では、ロウ材
として金シリコン共晶合金を用いる場合について説明し
たが、この他にも、導電性ペーストの類を使用してもよ
い。ただし、熱硬化性導電性ペーストを使用する場合に
は、無機接着剤の硬化温度より高い硬化温度の導電性ペ
ーストを使用することが必要である。熱可塑性導電ペー
ストを使用する際には、可塑温度が無機接着剤の硬化温
度より高いものを使用することが必要である。
【００２６】接合方法の別の実施の形態としては、冷陰
極素子の下部と基板の搭載部分に金膜を形成することに
より、金−金の圧着により素子を搭載することでもよ
い。金−金接合の場合、接合温度は３００℃前後で加圧
力を１〜１０ｋｇ／ｃｍ2 程度必要とする。接合温度は
無機接着剤の硬化温度より高いため、そのまま無機接着
剤を使用できる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、冷陰
極素子搭載時の硬化温度より低温で硬化する無機接着剤
を冷陰極素子位置固定に使用しているため、冷陰極素子
位置固定時に素子位置の精度が劣化しない効果がある。
また、電子銃としてブラウン管にガラス封止する際の高
温の工程でも冷陰極素子が位置ずれたりしない利点があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態の
上面図とＡ−Ａ′線断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施の形態の
上面図とＡ−Ａ′線断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施の形態の
上面図とＡ−Ａ′線断面図である。
【図４】冷陰極素子の構造を示す断面図である。
【図５】冷陰極素子を用いた電子銃の断面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は従来の陰極構体を示す斜視図
とＡ−Ａ′線断面図である。
【図７】冷陰極素子を用いたブラウン管の断面図であ
る。
【図８】従来の冷陰極微小素子の固定構造を示す断面図
である。
【図９】（ａ），（ｂ）は従来の冷陰極チップの固定構
造を示す平面図と断面図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は従来の冷陰極チップの固定
構造を示す平面図と断面図である。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 冷陰極素子 ３ ロウ材 ４ 無機接着剤 ５，６ 目合わせマーク ７ エミッションエリア ８ 溝

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に導電性物質により形成し
    た多数の微小突起により構成されたエミッタ部及び前記
    半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート部を有
    する電界放出冷陰極素子を、導電性基板上に電気的に接
    続し且つ固定する電界放出冷陰極素子の固定構造におい
    て、前記電界放出冷陰極素子をマウント材を使用して前
    記導電性基板上に搭載し且つ、前記搭載に使用したマウ
    ント材より低温で硬化する無機接着剤により電界放出冷
    陰極素子周辺を固定することを特徴とする電界放出冷陰
    極素子の固定構造。
  2. 【請求項２】 半導体基板上に導電性物質により形成し
    た多数の微小突起により構成されたエミッタ部及び前記
    半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたゲート部を有
    する電界放出冷陰極素子を、導電性基板上に電気的に接
    続し且つ固定する電界放出冷陰極素子の固定方法におい
    て、前記電界放出冷陰極素子を前記導電性基板の所定の
    位置にマウント材を用いて搭載する工程と、前記搭載工
    程に使用したマウント材より低温で硬化する無機接着剤
    により電界放出素子の周辺を固定する工程とを有するこ
    とを特徴とする電界放出冷陰極素子の固定方法。
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