(57)【要約】【課題】冷凍機を用いた極低温冷却において、チップの効果的冷却のためには、チップと冷却ヘッド間の熱伝導度を十分に確保する必要があるが、接触をよくするためにネジの締め付けトルクを上げると破損や撓みという問題がある。チップを破損させることなく、チップと冷却ヘッドの間の熱的接触を向上させて実装することを目的とする。【解決手段】極低温冷却装置において、チップを冷凍機の冷却ヘッドに実装する際に、加圧用の基板及び四角枠状等の力伝達部品を設けて、チップを搭載したチップキャリア基板とプリント配線基板と力伝達部品と加圧用の基板とを重ねた状態で、ネジ等によって加圧用の基板を冷凍機に固定する。ネジ等を締め付けることによって、加圧用の基板が力伝達部品を押圧し、該力伝達部品がプリント配線基板を押圧し、該プリント配線基板がチップキャリア基板を押す。これによって、チップキャリア基板と冷却ヘッドとの間で熱接触性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップを冷凍機の冷却ヘッドに固定する極低温冷却装置であって、チップを搭載したチップキャリア基板と、第１の基板と、力伝達部品と、第２の基板とを順に重ね、前記第２の基板が前記力伝達部品を介して前記第１の基板及び前記チップキャリア基板を前記冷却ヘッドに押圧するように、前記第２の基板を冷凍機に固定することを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項２】
前記力伝達部品は、チップを囲む枠形状であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
【請求項３】
前記第１の基板は、チップを配置する複数の空所を備え、前記第２の基板が複数の前記力伝達部品を介して前記第１の基板及び前記チップキャリア基板を前記冷却ヘッドに押圧するように、前記第２の基板を冷凍機に固定することを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導素子等を冷凍機の冷却ヘッドへ熱伝導性よく実装する極低温冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子計測器の高精度化に伴い、より高精度な電圧の発生・計測を可能とする標準電圧発生装置として、ジョセフソン電圧標準（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｓｔａｎｄａｒｄ：  ＪＶＳ）が開発されている。これは超伝導ジョセフソン素子をチップ上に集積して実現されており、４〜１０Ｋの極低温冷却技術が必要である。従来は液体ヘリウムを用いた冷却方式が主流であった。チップを液体ヘリウムに浸すだけで容易に冷却可能ではあるが、液体ヘリウムは枯渇資源のためコスト高であり、将来的には入手が難しくなる。ＪＶＳのより一層の利用・普及のためには、冷却コストの削減が必要であり、極低温冷凍機を用いた冷却技術の開発が望まれている。
【０００３】
冷凍機を用いてＪＶＳチップを冷却するためには、チップを冷凍機の冷却ヘッドに熱的に接触させる必要がある。両者の間の熱伝導に基づいて、チップの熱が冷却ヘッドへと奪われることによって冷却が行われるためである。冷凍機を用いてＪＶＳチップを冷却する技術について、特許文献１乃至４がある。
【０００４】
冷凍機にチップ１を実装する従来例を、図４に示す。図４では、チップキャリア基板に搭載したチップ１を、プリント配線基板３等に接続し、これらを冷凍機の冷却ヘッド２にネジ７等により固定し、熱的に接触させている。ここで熱接触が不十分であると、チップ自身の発熱によりすぐにチップ温度が上昇してしまう。ジョセフソン素子の特性は温度変化に対して極めて敏感であり、チップの動作による発熱によって温度が上昇すると、特性が劣化してしまう。最悪の場合は超伝導状態を維持することすらできなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４０５６１号公報
【特許文献２】特開平７−１３１０７８号公報
【特許文献３】特開平１１−９７７５３号公報
【特許文献４】特開２００３−１０１０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図５及び図６は、チップの冷凍機への実装に関する従来例を詳しく示す図である。図５は、従来例の分解組み立て図であり、図６は、従来例を上面及び側面から見た説明図である。従来例では、チップ１をチップキャリア基板３の上に搭載し、両者を必要に応じてハンダ付け等により熱的・機械的に接続している。チップ１の搭載されたチップキャリア基板３を冷却ヘッド２の上に載せて、その間には接触性をよくするために、必要に応じてインジウムシート（またはグリス、金属ペーストなど）が挟まれている。また、チップ１は、チップキャリア基板３上のプリント配線基板４とボンディングワイヤ６により電気的に接続されている。チップキャリア基板３を冷却ヘッド２上に固定する目的と、チップキャリア基板３を冷却ヘッド２へと押し付けて熱的接触をとる目的を兼ねて、チップキャリア基板３上のプリント配線基板４の隅をネジ７により冷却ヘッドのネジ穴８へ固定している。チップキャリア基板を直接ネジで固定しないのは、チップキャリア基板として用いる熱伝導性の優れた基板材料が通常加工性が悪く強度がないためである。
【０００７】
効果的な冷却を行うためには、チップ１と冷却ヘッド２との間の熱伝導度を十分に確保する必要があり、そのためにはチップ１と冷却ヘッド２との間の熱接触が重要で、熱伝導性を極力上げる必要がある。具体的には、チップキャリア基板に熱伝導率の高い材料を採用することと、チップとチップキャリア基板間、チップキャリア基板と冷却ヘッド間の界面の熱伝導度を高くすることが重要である。接触をよくするためには、プリント配線基板４を固定しているネジの締め付けトルクを上げて、チップキャリア基板３を冷却ヘッド２に押し付ける力を強める必要があった。しかしながらネジを強く締め付けると、今度はプリント配線基板４が撓んでしまう。すると、チップ１とプリント配線基板４とを電気的に接続するためのボンディングワイヤ６が外れたり、プリント配線基板４さらにはチップ自身にまでストレスが及び破損したりすることもあり、信頼性に問題があった。逆にネジ７の締めつけを緩めれば、熱接触をとることができなくなる。ネジ穴８の位置をチップキャリア基板の四隅ではなく中心部付近にすれば、上記問題は低減化され、またよりチップに近い部分で力を加えることができるため熱接触性も上がるが、プリント配線基板４の中心部は一般に配線密度が高くネジ止めすることは現実的ではないという問題があった。
【０００８】
本発明は、極低温冷却装置のこれらの問題を解決しようとするものであり、チップを冷却ヘッドに熱的接触を向上させて実装する構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
【００１０】
本発明は、チップを冷凍機の冷却ヘッドに固定する極低温冷却装置であって、チップを搭載したチップキャリア基板と、第１の基板と、力伝達部品と、第２の基板とを順に重ね、前記第２の基板が前記力伝達部品を介して前記第１の基板及び前記チップキャリア基板を前記冷却ヘッドに押圧するように、前記第２の基板を冷凍機に固定することを特徴とする。また、本発明の前記第１の基板は、具体的には配線基板である。また、前記力伝達部品は、チップを囲む枠形状であることを特徴とする。また、本発明の極低温冷却装置においては、前記第１の基板は、チップを配置する複数の空所を備え、前記第２の基板が複数の前記力伝達部品を介して前記第１の基板及び前記チップキャリア基板を前記冷却ヘッドに押圧するように、前記第２の基板を冷凍機に固定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明において、プリント配線基板のような第１の基板は、従来のように四隅をネジによって押されるのではなく、力伝達部品を介して、第２の基板である加圧用の基板から押される。具体的には、プリント配線基板のより中心に近い部分（チップ周辺近傍部分）が押される。そのため、プリント配線基板は反りにくくなる。また、プリント配線基板自身が反らないので、ボンディングワイヤが外れる恐れがないばかりか、プリント配線基板もしくはチップが破損することもなくなるので、信頼性が向上する。このように破損しなくなるため、従来よりも１０倍近く強いトルクでネジ締めすることが可能になり、チップキャリア基板と冷却ヘッドとの熱接触性を従来よりも向上させることができる。本発明において、万一ネジの締め付けトルクを強くしすぎた場合は、第２の基板である加圧用の基板に最も強いストレスがかかり、これが最初に破損する。このとき、力伝達部品をはじめとして、プリント配線基板やチップが破損する恐れがないので安全であり、フェールセーフ機能を有している。
【００１２】
本発明においては、力伝達部品は任意の位置に配置することができ制限がなく、チップ近傍部分に配置することができる。よって、チップキャリア基板とプリント配線基板のチップ近傍周辺を、力伝達部品を介して押すことができるので、チップとチップキャリア基板と冷却ヘッドとの間のチップ近傍部における熱伝導度が向上するため、冷却の効果が非常に高い。
【００１３】
また、本発明においては、実装のためのネジ及びネジ穴の位置は、従来通りの位置でよく、プリント配線基板の四隅など、配線密度が疎になっている任意の箇所でよいので、実装の自由度が向上する。
【００１４】
また、本発明では、従来の特許文献４等の技術と比べて、以上の作用効果に加えて、さらに、チップキャリア基板を第１の基板であるプリント配線基板の面で押さえる構造となっているので、チップを冷却ヘッドに向かって、機械的ストレスをかけることなくより強い力で押さえることができる効果がある。強い力で押さえることができることにより、動作温度４〜１０Ｋの低温超伝導体が用いられる超伝導回路応用での冷却効果が優れ、動作特性の変化を抑制することができる。
【００１５】
また、チップの交換、配線基板の交換など、超伝導回路において、装置のメンテナンスは重要である。特に、加圧用の基板の冷凍機への固定手段を、ネジのような着脱可能な手段にする場合は、本発明の装置は、メンテナンスの観点から非常に作業性が向上する。さらに、本発明は従来方法に対して、加圧用の基板と力伝達部品とを導入するだけで実現でき、追加の部品点数が少なく非常に経済的である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する分解組み立て図。
【図２】本発明の第１の実施の形態を説明する図。
【図３】本発明の第２の実施の形態を説明する図。
【図４】従来例のチップを冷凍機へ実装して冷却する構造を示す図。
【図５】従来例の実装構造を説明する分解組み立て図。
【図６】従来例の実装構造を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の極低温冷却装置は、チップを冷却ヘッドに実装する際に、従来のように、プリント配線基板を直接締め付けて冷却ヘッドに固定するのではなく、加圧用の基板を設けて、加圧用の基板を冷凍機に締め付け固定することにより、チップ及びチップキャリア基板を、冷却ヘッドへ押しつけて熱的接触を向上させるものである。以下、実施の形態について述べる。
【００１８】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態を図1及び図２を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態を説明する分解組み立て図である。図２は、第１の実施の形態の実装構造を上面及び側面から見た説明図である。チップ１がチップキャリア基板３上に固定して搭載され、該チップキャリア基板３上にプリント配線基板４が設けられ、その上に力伝達部品１２を介して加圧用の基板１１が設けられている。加圧用の基板１１の隅にはネジ穴が開けられており、プリント配線基板４の隅にあるネジ穴１４と同じ位置にある。チップキャリア基板３とプリント配線基板４と力伝達部品１２と加圧用の基板１１とを重ねた状態で、ネジ１３によって、加圧用の基板１１を冷凍機に固定する。隅のネジ１３を締め付けることによって、加圧用の基板１１が力伝達部品１２を押圧し、該力伝達部品がプリント配線基板４を押圧し、該プリント配線基板４がチップキャリア基板３を押す。チップキャリア基板３が押圧されることによって、チップキャリア基板３と冷却ヘッド２との間で熱接触性が向上する。
【００１９】
チップ１は、ジョセフソン電圧標準チップ等である。チップ１は、チップキャリア基板３上に搭載されている。チップキャリア基板３は、チップ１と熱膨張係数が近くてかつ熱伝導性の優れた材料が望ましいので、Ｓｉ基板やサファイア基板を用いる。また、チップキャリア基板３として、金属基板を用いてもよい。チップキャリア基板３の形状や大きさは、適宜変更でき、プリント配線基板４と同程度まで大きくすることもできる。チップ１とチップキャリア基板３とは、ハンダ付け等により固定されている。ハンダ付けで固定することにより熱接触が良好になり熱伝導性を向上させる効果がある。ハンダ付けを省略してもよい。また、ハンダ付け以外のグリス等により固定することができる。
【００２０】
プリント配線基板４は、チップ１を配置する空所を有し、該空所に配置されるチップ１の電極と電気的に接続するための入出力端子の配線を有している。チップ１の電極とプリント配線基板４の端子とは、ボンディングワイヤ６で電気的に接続されている。プリント配線基板４は、チップキャリア基板３の上に固定されている。接着剤等で固定するとよい。プリント配線基板４とチップキャリア基板３が別体の例を示したが、一体に形成されたものを用いてもよい。その場合は、一体にされたプリント配線基板４とチップキャリア基板３の両方にネジ穴を設けてもよい。
【００２１】
プリント配線基板４のチップ近傍周辺位置に力伝達部品１２を載せる。さらに、加圧用の基板１１を、プリント配線基板４全体を覆うように力伝達部品１２の上に載せる。なお、加圧用の基板１１には、銅などの金属板や、誘電体や樹脂等などの基板材料を用いる。加圧用の基板１１の四隅にはネジ穴を開けて、プリント配線基板４の四隅に開けられたネジ穴１４と同じ配置で開けておく。ネジの位置は四隅に限定されるものではなく、強固に締め付けることができる位置に設けることができる。
【００２２】
加圧用の基板１１の上からネジ１３を通し、プリント配線基板４のネジ穴１４も通し、冷却ヘッド２のネジ穴１４にネジ止めして、加圧用の基板１１を固定する。冷却ヘッドそのものにネジ穴を設けた例を図示しているが、冷却ヘッドを保持する冷凍機の部材にネジ止めしてもよい。ネジ１３を締めることによって、加圧用の基板１１はネジ１３に押されて力伝達部品１２を押し、それによってプリント配線基板４が押圧されて、チップキャリア基板３と冷却ヘッド２との間で熱接触をとることができる。なおネジ１３によって直接押されるのは加圧用の基板１１のみである。プリント配線基板４のネジ穴１４については、ネジを貫通させるだけであり、プリント配線基板４をネジ１３で直接押さえるわけではない。
【００２３】
また、力伝達部品１２は、加圧用の基板１１からの押圧力をプリント配線基板４に伝達する機能を有するものであれば、形状や構造は、特に限定されない。図１には、力伝達部品１２として、中央に空所を有する四角枠の形状が図示されている。このように、力伝達部品１２としてチップを囲む枠形状が好ましい。基本的に、力伝達部品１２は、チップ近傍周辺でプリント配線基板４を均一に押すことができるよう高さが一定の形状であればよい。また、加圧用の基板がフェールセーフ機能でもし破損した場合に、チップの損傷を防ぐために、チップを覆う形でコの字型のチップカバー形状にして、脚部がプリント配線基板の所定の箇所を押圧するようにしてもよい。力伝達部品１２は、誘電体や樹脂等の材料により形成される。
【００２４】
また、チップキャリア基板３と冷却ヘッド２との間には、熱接触性が改善するために、インジウムシート等の金属シートやグリスを挟むことが望ましい。またこれらを省略することもできる。
【００２５】
図１では、本発明を簡単に説明するために、冷却ヘッドにチップが１つ図示されているが、冷却ヘッドには、複数個のチップを同様に実装するとよい。
【００２６】
図５に示した従来方法では、ネジの締め付け時に２ｃＮｍ以下のトルクを加えただけで、チップまたはチップキャリアが破損していた。これに対して図１のような第１の実施の形態の実装構造を用いると、２０ｃＮｍ近いトルクを加えても、破損しなくなった。このように、本発明によれば、従来よりも１０倍近く大きな力で押さえることが可能になった。
【００２７】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、多数のチップを実装するためのマルチチップ実装構造を示す。複数のチップを、共通するプリント配線基板や共通する加圧用の基板を用いて実装する構造である。図３は、第２の実施の形態を説明する分解組み立て図である。複数のチップ１がチップキャリア基板３上に固定して搭載され、該チップキャリア基板３上には、共通する１枚のプリント配線基板４が設けられ、その上に複数の力伝達部品１２が設けられ、該力伝達部品１２を介して共通する１枚の加圧用の基板１１が設けられている。加圧用の基板１１にはネジ穴が開けられており、プリント配線基板４にあるネジ穴１４と同じ位置にある。ネジ１３によって、加圧用の基板１１とプリント配線基板４とを重ねた状態で両者を冷却ヘッド２に固定する。ネジ１３を締め付けることによって、加圧用の基板１１が複数の力伝達部品１２を押し、該力伝達部品１２がプリント配線基板４を押し、該プリント配線基板４がチップキャリア基板３を押す。チップキャリア基板３が冷却ヘッドに押し付けられることによって、チップキャリア基板３と冷却ヘッド２との間で熱接触性が向上する。
【００２８】
プリント配線基板４は、チップ１を配置するための複数の空所を有し、チップ１の電極と電気的に接続するための入出力端子の配線を有している。チップ１の電極とプリント配線基板４の入出力端子とは、ボンディングワイヤで電気的に接続されている。プリント配線基板４は、複数のチップキャリア基板３の上に固定されている。
【００２９】
プリント配線基板４の所定の位置に力伝達部品１２を載せる。さらに、１枚の加圧用の基板１１を、プリント配線基板４全体を覆うような形状で複数の力伝達部品１２の上に載せる。加圧用の基板１１の上からネジ１３を通し、プリント配線基板４のネジ穴１４も通し、冷却ヘッド２のネジ穴１４にネジ止めして、加圧用の基板１１を固定する。冷却ヘッドそのものにねじ穴を設けた例を図示しているが、冷却ヘッドを支持する冷凍機の部材にネジ止めしてもよい。ネジ１３を締めることによって、加圧用の基板１１はネジ１３に押されて複数の力伝達部品１２を押し、それによってプリント配線基板４も押されて、チップキャリア基板３と冷却ヘッド２との間で熱接触をとることができる。なおネジ１３によって直接押されるのは加圧用の基板１１のみである。
【００３０】
第２の実施の形態において、力伝達部品１２は、加圧用の基板１１からの押圧力をプリント配線基板４に伝達する機能を有するものであれば、形状や構造は、特に限定されない。図２には、力伝達部品１２として、円筒形状が図示されているが、プリント配線基板４に均一に押圧できるよう高さが等しい形状であれば、形状は問わない。第１の実施の形態のように、枠形状であってもよい。力伝達部品１２は、チップ近傍周辺又は、空所と空所の間の任意の位置に力を均一に伝えるように配置するとよい。
【００３１】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態で得られる作用効果に加えて、さらに、複数のチップを１枚のプリント配線基板上にマウントした構造に対しても、強固な熱接触を得ることができる。
【００３２】
本発明を実施するにあたっては、第１及び第２の実施の形態を適宜組み合わせることができる。本発明の実施の形態では、第１の基板としてプリント配線基板４を例示して説明したが、必ずしも配線された基板やプリント基板に限定する必要はない。また、加圧用の基板である第２の基板としてプリント配線基板を用いてもよい。また、本発明の実施の形態では、ネジによる締め付けについて、ネジの位置は四隅を例示したが、位置、本数ともに必要に応じ適宜設けることはもちろんであり、締め付け固定の方法についても、ネジに限定しないものとし、例えばワイヤ等を用いて固定してもよい。
【００３３】
本発明は標準電圧発生装置のＪＶＳチップをチップの例として挙げたが、ＪＶＳチップ素子に限らず、極低温冷却のための実装であるため、超伝導素子や、超伝導素子以外の極低温冷却が必要な半導体素子チップの実装に対して用いることができる。また、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、超伝導ジョセフソン素子を集積したチップを実装するジョセフソン電圧標準において特に有用である。また、超伝導エレクトロニクス分野全般及び半導体分野の極低温冷却技術分野において有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１、    チップ
２、    冷却ヘッド
３、    チップキャリア基板
４、    プリント配線基板
５、    入出力端子
６、    ボンディングワイヤ
７、    ネジ
８、    ネジ穴
１１、  加圧用の基板
１２、  力伝達部品
１３、  ネジ
１４、  ネジ穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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