(57)【要約】【課題】  同軸コネクタに於ける中心導体と信号入出力線の電極とを接合し、その接合箇所が常温と極低温との間を往来しても剥離を生ずることがなく高い信頼性を維持できる超伝導デバイスを実現させようとする。【解決手段】  超伝導デバイスに於ける信号入出力線１３Ｃに形成した電極１３Ｄとパッケージ１１に固着された同軸コネクタ１２に於ける中心導体１２Ａとを結ぶボンディングワイヤ１４と、ボンディング箇所に融着されて当該箇所を補強するＩｎ系はんだ１５とを備える。【選択図】        図１
2006100547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導デバイスに於ける信号入出力線に形成した電極とパッケージに固着された同軸コネクタに於ける中心導体とを結ぶボンディングワイヤと、
ボンディング箇所に融着されて当該箇所を補強するＩｎ系はんだと
を備えてなることを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項２】
ボンディングワイヤをボンディングテープに代替して成ること
を特徴とする請求項１記載の超伝導デバイス。
【請求項３】
ボンディングワイヤ或いはボンディングテープが超音波熱圧着することが可能であると共にＩｎ系はんだと接合可能である材料から成ること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の超伝導デバイス。
【請求項４】
Ｉｎ系はんだは純Ｉｎ、Ｉｎ−Ａｇ系、Ｉｎ−Ｐｂ系、Ｉｎ−Ｓｎ系から選択されたものであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の超伝導デバイス。
【請求項５】
パッケージがインバー、コバール、４２アロイ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から選択された材料から成ること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１記載の超伝導デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常温から液体窒素温度のような低温まで苛酷な温度変化を経ても導電接続箇所に事故が発生することがないようにした超伝導デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、移動通信機器、例えば携帯電話などが急速に発展しつつあり、そして、通話機能に止まらず、画像や動画などのデータを送受信することが必要とされ、大容量の情報を伝送する技術が不可欠となっている。
【０００３】
また、これまでに、超伝導体については様々な応用分野が開かれつつあるが、高周波領域に於いても通常の電気的良導体に比較して表面抵抗が極めて小さいことから、前記移動通信の基地局に於ける信号のフィルタなどとしても有望視されている。
【０００４】
超伝導体は、酸化物高温超伝導体の発見に依って、実用する場合に冷却を必要とするハンディキャップが大幅に改善され、また、液体窒素温度まで冷却するための小型高性能冷凍機の開発も進められているところから、前記超伝導フィルタは伝送損失が少なく、急峻な周波数遮断特性や広帯域伝送の面で期待されている。
【０００５】
前記のような技術進展を背景として、現在、超伝導デバイスは、例えば、移動通信の分野に於いて、システムに組み込んで、評価が行われている状態にある（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００６】
図８は超伝導フィルタを構成する超伝導フィルタデバイスを表す要部平面図であり、図に於いて、１は誘電体基板、２はヘアピン型共振器、３は信号入出力線をそれぞれ示している。
【０００７】
図示された超伝導フィルタデバイスは、平面回路型超伝導ヘアピンフィルタパターンをもち、そのフィルタパターンに於けるヘアピンの一つ一つが所要の共振周波数をもって共振器を構成している。
【０００８】
複数のヘアピン型共振器２を並設した場合、その数と同じ数分の共振周波数が現れるので、それぞれの共振周波数を調節してフィルタ特性を実現させたり、或いは、ヘアピン型共振器２間の結合係数と外部Ｑ値を電磁界シミュレーション上で調整してフィルタ特性を実現させることが行われ、そして、ヘアピン型共振器２の数が多いほど、フィルタとしての周波数遮断特性は急峻になる。
【０００９】
この超伝導フィルタデバイスは、高周波を遮蔽する為の金属パッケージに収め、その信号入出力線３を金属パッケージに固着された同軸コネクタに接続し、同軸コネクタを介して高周波信号を入出力できるようにしなければならず、従って、同軸コネクタの中心導体と信号入出力線３の電極部分とをボンディングワイヤやボンディングテープを用いて電気的に接続する（例えば、特許文献１を参照。）。
【００１０】
この際の接続手段としては、機械的押し付け、はんだ付け、ワイヤボンディングなど、種々の手段が存在しているのであるが、超伝導フィルタを用いる温度環境である−２００℃程度まで冷却され、各構成部材に熱収縮差を生じても、良好な電気的接続が確保できるようにしなければならない。
【００１１】
図９は中心導体と信号入出力線の電極との接続例を説明する為の超伝導フィルタの要部切断側面図であり、図に於いて、１１はＮｉＣｏＦｅ合金（例えば商品名コバール）からなるパッケージ、１２は同軸コネクタ、１２Ａは中心導体、１３は超伝導フィルタデバイス、１３Ａは誘電体基板、１３Ｂはフィルタパターン、１３Ｃは信号入出力線、１３Ｄは電極、１３ＥはＹＢＣＯからなるグランド層、１３ＦはＡｇからなるグランド電極、１４はＡｕからなるボンディングワイヤをそれぞれ示している。
【００１２】
図から明らかなように、中心導体１２Ａと電極１３Ｄとはワイヤ１４に依って接続されている。そして、この構造にする理由は、ワイヤ１４の弾性変形領域内に於いて室温から極低温の冷却状態で発生する各部材の熱収縮差に起因する応力を吸収することができるとされている。
【００１３】
ところで、超伝導技術分野を除く一般的なワイヤボンディングに依る接合を行った場合には、超音波熱圧着した接合箇所を保護及び固定する目的で当該箇所を樹脂で覆うことが行われているが、超伝導フィルタの場合、約−２００℃程度の低温環境で使用する為、低温に冷却された樹脂は自身の熱収縮でクラックが入ったり、或いは、接合部分を引き剥がしてしまう旨の問題があり、前記樹脂に依る保護などは実施できない。
【００１４】
また、超伝導フィルタに於いて、ワイヤボンディングの超音波熱圧着箇所を保護することなく使用した場合、種々な材料からなる部品で構成されている超伝導フィルタパッケージが室温と低温の間を往来するから、部品間の熱収縮差やワイヤの接合箇所と超伝導フィルタデバイスに於ける誘電体基板との熱収縮差に依って、ワイヤの接合箇所に応力が発生し、本来ならばワイヤの作用で応力が吸収されるべきところ、超音波熱圧着した接合箇所が剥がれてしまう。
【特許文献１】特許第２９５４５６２号明細書
【非特許文献１】内田  貴  他「第三世代移動通信の無線中継増幅装置用超電導フロントエンド」Ｊ．Ｃｒｙｏ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．Ｖｏｌ．３９  Ｎｏ．６（２００４）２６４頁〜２７０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明では、同軸コネクタに於ける中心導体と信号入出力線の電極とを接合し、その接合箇所が常温と極低温との間を往来しても剥離を生ずることがなく高い信頼性を維持できる超伝導デバイスを実現させようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に依る超伝導デバイスに於いては、超伝導デバイスに於ける信号入出力線に形成した電極とパッケージに固着された同軸コネクタに於ける中心導体とを結ぶボンディングワイヤと、ボンディング箇所に融着されて当該箇所を補強するＩｎ系はんだとを備えてなることを基本としている。
【発明の効果】
【００１７】
前記手段を採ることに依り、超音波熱圧着した接合箇所は超伝導デバイスが動作する極低温に於いても柔軟な特性を維持できるＩｎ系はんだで補強されているので、ボンディングワイヤの弾性変形領域内に於いて各種部材の熱収縮と熱膨張の差に起因する応力を良好に吸収して、長期に亙って高い信頼性を維持することが可能であり、特に、超伝導デバイスの一種である超伝導フィルタに実施して有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明の一実施の形態である超伝導フィルタを表す要部切断側面図であり、図９に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１９】
図示のように、同軸コネクタ１２に於ける中心導体１２Ａと信号入出力線１３Ｃの電極１３Ｄとをボンディングワイヤ１４で接続した超音波熱圧着箇所に低温環境に於いても柔軟な性質を維持するＩｎ系はんだ１５を施して接合を強化してある。尚、本発明で用いるＩｎ系はんだは、純Ｉｎ、Ｉｎ−Ａｇ系、Ｉｎ−Ｐｂ系、Ｉｎ−Ｓｎ系から適宜選択して良い。
【００２０】
超音波熱圧着箇所は接合強度が最も低い部分であることから、Ｉｎ系はんだ１５を施すことで、当該箇所の接合強度は大きく向上し、超伝導フィルタが室温と低温との間を往来したり、或いは、同軸コネクタ１２が僅かに捩れたりすることで発生する応力はボンディングワイヤ１４の部分で充分に吸収することが可能となり、長期に亙って接続の安定性を維持することができる。
【実施例１】
【００２１】
図２は本発明一実施例に用いる超伝導フィルタデバイスの要部平面図であり、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。尚、以下の説明では図１も併せて参照する。
【００２２】
図示の超伝導フィルタデバイスは、レーザ蒸着法を適用することに依り、ＭｇＯからなる誘電体基板１３Ａの表裏両面にＹＢＣＯ薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術を適用することに依り、何れか一方の面に於けるＹＢＣＯ薄膜をエッチングして９個のヘアピン型共振器２からなる９段バンドパスフィルタパターン１３Ｂに加工する。
【００２３】
この超伝導フィルタデバイスに於ける誘電体基板１の大きさは３７×１８×０．５ｍｍであって、４ＧＨｚ近傍に中心周波数をもち、帯域幅は約１００ＭＨｚである。
【００２４】
真空蒸着法及びリソグラフィ技術を適用することに依り、信号入出力線１３Ｃの端部に電極１３Ｄ（図１又は図５を参照。）を形成する。
【００２５】
誘電体基板１３Ａの他方の面は全面がＹＢＣＯからなるグランド層１３Ｅで覆われているのであるが、この上に更にＡｇからなるグランド電極１３Ｆを形成する。このグランド電極１３Ｆは、平面回路をもつ超伝導フィルタデバイス１３をパッケージ１１に収めた場合の電気的接続性を向上させる役割を果たすものである。
【００２６】
図３乃至図５は平面回路型超伝導フィルタデバイスをパッケージに収容して超伝導フィルタを完成させる工程を説明する為の工程要所に於ける超伝導フィルタを表す要部切断斜面図であり、図１及び図２に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００２７】
図３参照
超伝導フィルタデバイス１３は、Ａｕめっきされたコバールからなるパッケージ１１に収容され、板ばね（図示せず）で固定する。尚、パッケージ１１の材料としては、コバールのみでなく、例えばインバー、４２アロイ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金など、適宜に選択して良い。
【００２８】
図４参照
パッケージ１１にねじ留めされた同軸コネクタ１２の中心導体１２Ａと超伝導フィルタデバイス１３の電極１３Ｄとをボンディングワイヤ１４で接続する。ボンディングワイヤ１４の材質はＡｕ、直径は２５μｍであり、接続時にはパッケージ１１を１００℃に予熱し、超音波を印加しながら圧着する方法を採った。
【００２９】
次いで、パッケージ１１の予熱温度を１２０℃とし、超音波熱圧着した箇所にロジン系フラックスを塗布し、直径が０．１ｍｍのＩｎはんだボール（融点１５７℃）を載置し、はんだ鏝を近付けてＩｎを融解し、Ａｕのボンディングワイヤ１４の接合箇所に溶かし付け、超音波熱圧着箇所の補強を行った。この後、全体を洗浄液に浸漬してフラックス残渣などを除去した。尚、Ｉｎを融解するには、はんだ鏝の他、リフローはんだ付け、ＶＰＳ（ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）、レーザーはんだ付けなどから選択した何れかの手段を採ることができる。
【００３０】
図５参照
パッケージ１１に高周波シールド用のフィルタパッケージカバー１６を被嵌固定して超伝導フィルタを完成する。尚、本発明の超伝導デバイスに用いる超伝導体材料は、ＲＢＣＯ（ＲはＹ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｈｏの何れかであり、Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系。）、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系）、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系）、ＣＢＣＣＯ（ＣｕＢａｐＣａｑＣｕｒＯｘ，１．５＜ｐ＜２．５、２．５＜ｑ＜３．５、３．５＜ｒ＜４．５）など多くの材料を選択することができる。
【００３１】
この超伝導フィルタを冷凍機にセットし、７０Ｋまで冷却しても接合箇所の破断は発生しなかった。これはＩｎはんだが柔軟な性質をもつ為、超伝導フィルタが常温と低温との間を往来しても、接合箇所に応力が加わらない為である。
【００３２】
図６はＩｎはんだを用いた場合の接合状態を説明する為の超伝導フィルタを表す要部切断側面図であり、図１乃至図５に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３３】
図から判るように、Ｉｎ系はんだ１５と誘電体基板１３Ａとの間で発生する熱収縮と熱膨張との差で生じる応力（矢印を参照）はＩｎはんだ１５自体で吸収（破線を参照）されるから、接合箇所は良好な状態に保つことができる。
【００３４】
また、故意に同軸コネクタ１２の固着ねじを緩め、若干の捩じりを加えても、Ａｕのボンディングワイヤ１４が捩れを吸収するので、接合箇所の破壊は生じない。
【００３５】
前記したところから、パッケージ１１の材料としては、安価ではあるが熱収縮及び熱膨張の差が大きいＡｌなども使用することができ、超伝導フィルタのコストダウンを実現することができる。
【実施例２】
【００３６】
前記説明した実施例１に於けるＡｕのボンディングワイヤ１４を幅０．１５ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍのＡｕからなるテープに代替しても同じ効果を得ることができる。また、ボンディングワイヤ１４やボンディングテープなどの接合材料は、Ａｕに限られることなく他の材料であっても、超音波熱圧着が可能、且つ、Ｉｎ系はんだで接合可能な材料であれば良く、そして、ボンディングワイヤ１４の接続本数は１本のみでなく、複数本を用いることができ、この点はボンディングテープであっても同様である。
【実施例３】
【００３７】
ボンディングワイヤ１４（或いはボンディングテープ）を接合するはんだ材料は、実施例１及び２で用いたＩｎの他、Ｉｎ−３ｗｔ％Ｐｂ、Ｉｎ−４８ｗｔ％Ｓｎなどを用いることができ、その場合も超伝導フィルタを室温と７０Ｋの低温との間を往来させ、また、同軸コネクタ１２を若干捩じっても接合箇所が破断することがない接合を実現することができる。然しながら、Ｓｎ−３７ｗｔ％Ｐｂ共晶はんだを用いて接合を行った場合、室温と７０Ｋの低温との間を往来することで超伝導フィルタデバイス１３の電極１３Ｄ近傍で剥離を生ずる。
【００３８】
図７はＳｎ−３７ｗｔ％Ｐｂ共晶はんだを用いて接合を行った場合を説明する超伝導フィルタデバイスを表す要部切断側面図であり、図１乃至図６に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３９】
図示例の場合、Ｓｎ−３７ｗｔ％Ｐｂ共晶はんだ１５ＡとＭｇＯからなる誘電体基板１３Ａとの熱収縮差に起因する応力（矢印を参照）をＳｎ−３７ｗｔ％Ｐｂに依って吸収することができず、応力は信号入出力線１３Ｃ近傍の領域１７に集中して剥離を生じたものと考えられる。
【００４０】
このような現象が生起するのは、Ｓｎ−３７ｗｔ％Ｐｂが低温で硬くなることに主因があり、従って、ボンディングワイヤ１４（或いはボンディングテープ）を接合するはんだ材料は、低温に於いて柔軟性を維持できることが絶対的に必要である。
【００４１】
本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。
【００４２】
（付記１）
超伝導デバイスに於ける信号入出力線に形成した電極とパッケージに固着された同軸コネクタに於ける中心導体とを結ぶボンディングワイヤと、
ボンディング箇所に融着されて当該箇所を補強するＩｎ系はんだと
を備えてなることを特徴とする超伝導デバイス。
【００４３】
（付記２）
ボンディングワイヤをボンディングテープに代替して成ること
を特徴とする（付記１）記載の超伝導デバイス。
【００４４】
（付記３）
ボンディングワイヤ或いはボンディングテープが超音波熱圧着することが可能であると共にＩｎ系はんだと接合可能である材料から成ること
を特徴とする（付記１）或いは（付記２）記載の超伝導デバイス。
【００４５】
（付記４）
Ｉｎ系はんだは純Ｉｎ、Ｉｎ−Ａｇ系、Ｉｎ−Ｐｂ系、Ｉｎ−Ｓｎ系から選択されたものであること
を特徴とする（付記１）乃至（付記３）の何れか１記載の超伝導デバイス。
【００４６】
（付記５）
Ｉｎ系はんだははんだ鏝、リフローはんだ付け、ＶＰＳ（ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）、レーザーはんだ付けの何れかの手段で融着されたものであること
を特徴とする（付記１）乃至（付記４）の何れか１記載の超伝導デバイス。
【００４７】
（付記６）
パッケージがインバー、コバール、４２アロイ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金から選択された材料から成ること
を特徴とする（付記１）乃至（付記５）の何れか１記載の超伝導デバイス。
【００４８】
（付記７）
超伝導デバイスに於ける超伝導体がＲＢＣＯ（ＲはＹ，Ｎｄ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｈｏの何れかであり、Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系。）、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系）、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系）、ＣＢＣＣＯ（ＣｕＢａｐＣａｑＣｕｒＯｘ，１．５＜ｐ＜２．５、２．５＜ｑ＜３．５、３．５＜ｒ＜４．５）であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記６）の何れか１記載の超伝導デバイス。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態である超伝導フィルタを表す要部切断側面図である。
【図２】本発明一実施例に用いる超伝導フィルタデバイスの要部平面図である。
【図３】平面回路型超伝導フィルタデバイスをパッケージに収容して超伝導フィルタを完成させる工程を説明する為の工程要所に於ける超伝導フィルタを表す要部切断斜面図である。
【図４】平面回路型超伝導フィルタデバイスをパッケージに収容して超伝導フィルタを完成させる工程を説明する為の工程要所に於ける超伝導フィルタを表す要部切断斜面図である。
【図５】平面回路型超伝導フィルタデバイスをパッケージに収容して超伝導フィルタを完成させる工程を説明する為の工程要所に於ける超伝導フィルタを表す要部切断斜面図である。
【図６】Ｉｎはんだを用いた場合の接合状態を説明する為の超伝導フィルタを表す要部切断側面図である。
【図７】Ｓｎ−３７ｗｔ％Ｐｂ共晶はんだを用いて接合を行った場合を説明する超伝導フィルタデバイスを表す要部切断側面図である。
【図８】超伝導フィルタを構成する超伝導フィルタデバイスを表す要部平面図である。
【図９】中心導体と信号入出力線の電極との接続例を説明する為の超伝導フィルタの要部切断側面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１  パッケージ
１２  同軸コネクタ
１２Ａ  中心導体
１３  超伝導フィルタデバイス
１３Ａ  誘電体基板
１３Ｂ  フィルタパターン
１３Ｃ  信号入出力線
１３Ｄ  電極
１３Ｅ  グランド層
１３Ｆ  グランド電極
１４  ボンディングワイヤ
１５  Ｉｎ系はんだ
１５Ａ  Ｓｎ−３７ｗｔ％Ｐｂ共晶はんだ
１６  フィルタパッケージカバー
１７  応力集中領域
【図１】
2006100547.tif 000003
【図２】
2006100547.tif 000004
【図３】
2006100547.tif 000005
【図４】
2006100547.tif 000006
【図５】
2006100547.tif 000007
【図６】
2006100547.tif 000008
【図７】
2006100547.tif 000009
【図８】
2006100547.tif 000010
【図９】
2006100547.tif 000011