(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラスエポキシ樹脂などの熱伝導性の低い材料を基板に使用しても、高い冷却効率を示す超電導デバイスの冷却装置を提供する。【解決手段】超電導デバイス４を固定する基板１を備え、基板１はデバイス固定面１ａと、デバイス固定面の反対側にデバイス冷却面１ｂを有し、デバイス冷却面１ｂを通して基板１を冷却することにより超電導デバイス４を超電導状態に転移させる超電導デバイス４の冷却装置であって、基板１はデバイス冷却面１ｂに開口する空孔部２を有する。空孔部２はデバイス固定面１ａ側が高熱伝導度材料３ａにより閉口する態様が好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導デバイスを固定する基板を備え、該基板は、超電導デバイスを固定するデバイス固定面と、デバイス固定面の反対側にデバイス冷却面を有し、デバイス冷却面を通して基板を冷却することにより超電導デバイスを超電導状態に転移させる超電導デバイスの冷却装置であって、
前記基板は、デバイス冷却面に開口する空孔部を有することを特徴とする超電導デバイスの冷却装置。
【請求項２】
前記基板の空孔部は、デバイス固定面側が高熱伝導度材料により閉口する請求項１に記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項３】
前記基板の空孔部に高熱伝導度材料を埋設した請求項１または２に記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項４】
前記基板は、超電導デバイスを封止する蓋をデバイス固定面上に備える請求項１〜３のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項５】
前記基板は、ガラスエポキシ樹脂製基板である請求項１〜４のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項６】
前記基板は、液体窒素もしくは液体ヘリウムにより冷却され、または冷凍機の冷却ヘッドにより冷却される請求項１〜５のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項７】
前記超電導デバイスは、超電導量子干渉素子である請求項１〜６のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスエポキシ樹脂などの熱伝導性が低い材料を基板材料として用いた冷却装置であって、冷却能力に優れた超電導デバイスの冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導デバイスは、半導体デバイスと同様に、外部端子との電気接続を行なうため、ワイヤーボンディングを行なう。また、超電導デバイスは、外部からの機械的な圧力により容易に破壊され、特に高温超電導デバイスは、水分により劣化が生じるため、封止して使用される。封止材料は、超電導状態を実現する超低温で変形することがなく、極低温と室温との間での昇温と降温に伴なう熱履歴により劣化が生じないことが必要であり、このような観点から、封止材料には、ガラスエポキシ樹脂またはセラミックスなどの非磁性材料が一般に使用されている。
【０００３】
セラミックスは、熱伝導性が良好である点で、超電導デバイスの封止材料として好ましいが、反面、高価であり、加工性が劣る点で、汎用的に使用するのには難点がある。一方、ガラスエポキシ樹脂は、プリント基板材料として多用されており、コスト面および加工面において優れているが、熱伝導性がセラミックスと比べて１桁劣るため、超電導デバイスの封止材料として不利である。したがって、ガラスエポキシ樹脂などの低熱伝導性材料を超電導デバイスの封止材料として使用するに当っては、適切な冷却装置が必要である。
【０００４】
半導体デバイスに従来より使用されている冷却装置を図２に例示する（特許文献１参照）。図２（ａ）には、ファン２６で半導体デバイス２７に風を当てることにより冷却する装置が示されている。図２（ｂ）には、ヒートシンク２８を半導体デバイス２７に装着した装置が示されている。また、図２（ｃ）には、冷却能力を増大させるため、半導体デバイス２７にヒートシンク２８を装着し、ファン２６を組み合わせた冷却装置が示されている。この冷却装置は、冷却能力は大きいが、装置が大きくなるという欠点がある。図２（ｄ）には、半導体デバイス２７にヒートパイプ２９を装着して誘導冷却する強制冷却装置が示されている。この装置は、ヒートパイプ２９の内壁に軸方向に沿って溝を形成し、その溝に沿って毛細管現象により液体を移動させ、気化させることにより、半導体デバイス２７の熱を奪い、パイプ中を移動してきた気体を冷やすことにより熱を放出し、液体に戻すものであるが、構造が複雑で、高価になるという欠点がある。また、動作にも限界があり、発熱が異常に大きくなった場合には毛細管内の液体が乾燥し、冷却能力が低下する。
【特許文献１】特開平１０−１８４５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガラスエポキシ樹脂などの熱伝導性の低い材料を基板に使用しても、冷却効率が高い超電導デバイスの冷却装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
超電導デバイスを固定する基板を備え、基板は、超電導デバイスを固定するデバイス固定面と、デバイス固定面の反対側にデバイス冷却面とを有し、デバイス冷却面を通して基板を冷却することにより超電導デバイスを超電導状態に転移させる超電導デバイスの冷却装置であって、基板は、デバイス冷却面に開口する空孔部を有する。空孔部は、デバイス固定面側が高熱伝導度材料により閉口する態様が好ましい。
【０００７】
かかる冷却装置においては、基板の空孔部に高熱伝導度材料を埋設した態様が好ましい。また、基板が、超電導デバイスを封止する蓋をデバイス固定面上に備える態様が好適である。基板として、ガラスエポキシ樹脂製基板を使用することができ、基板を、液体窒素もしくは液体ヘリウムにより冷却し、または冷凍機の冷却ヘッドにより冷却する態様が好ましい。一方、超電導デバイスとして、たとえば、超電導量子干渉素子の冷却に使用することができる。
【発明の効果】
【０００８】
冷却装置用の基板および封止材料の熱伝導性を改善し、冷却効率の高い冷却装置を提供することができるため、冷却装置用の基板などにガラスエポキシ樹脂を使用することができる。ガラスエポキシ樹脂は、超電導状態における極低温でも変形がなく、極低温と室温との間での熱履歴による劣化がなく、加工性が良好であり、安価である。本発明の冷却装置は、冷却能力が高いため、基板などの材料としてガラスエポキシ樹脂を使用することができ、加工性および低コストなどのガラスエポキシ樹脂が有する有利な特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の超電導デバイスの冷却装置は、図１に示すように、超電導デバイス４を固定する基板１を備え、基板１は、超電導デバイス４を固定するデバイス固定面１ａと、デバイス固定面１ａの反対側にデバイス冷却面１ｂを有する。基板１と超電導デバイス４は、たとえば、図１に示す例では、接着剤８により固定してある。基板１は、デバイス冷却面１ｂに開口する空孔部２を有する。空孔部２は、デバイス固定面１ａ側が高熱伝導度材料３ａにより閉口されている態様が好ましい。
【００１０】
したがって、基板１として熱伝導性が低いガラスエポキシ樹脂製基板を使用する場合でも、デバイス冷却面１ｂ側から、液体窒素または液体ヘリウムを用いて冷却すると、空孔部２により超電導デバイス４を効率よく冷却できる。また、基板のデバイス冷却面１ｂに冷凍機の冷却ヘッドを当接して冷却する場合、空孔部２を高熱伝導度材料で埋め尽くすことにより、高熱伝導度材料を直接、冷却ヘッドに接触させることができるので、超電導デバイス４の熱量の移動を促進し、冷却効率を高めることができる。ガラスエポキシ樹脂は、超電導状態を実現する極低温でも変形することがなく、極低温と室温との間の熱履歴による劣化がない非磁性材料であり、セラミックス材料に比べ、安価で加工性に優れている。本発明の冷却装置は、優れた冷却効果を有するため、ガラスエポキシ樹脂製基板を使用することができ、ガラスエポキシ樹脂が有する上記の優れた利点を生かすことができる。
【００１１】
超電導デバイスとしては、たとえば、超電導量子干渉素子（superconducting  quantum  interference  device；以下、「ＳＱＵＩＤ」ともいう。）の冷却に使用することができ、高温型ＳＱＵＩＤと低温型ＳＱＵＩＤの双方に使用できる。また、空孔部のデバイス固定面側は、高熱伝導度材料により閉口するが、高熱伝導度材料としては、たとえば、Ｐｂ−Ｓｎなどからなる通常のハンダを使用することができる。また、超電導状態を実現する７７°Ｋ以下の極温度で高い熱伝導性を示すＡｇ、Ａｌ、Ｃｕが好適である。
【００１２】
また、空孔部のデバイス固定面側が、高熱伝導度材料により閉口する態様は、超電導デバイスと基板とを、低熱伝導度の接着材で接着した場合でも、接着材が空孔部を埋めて冷却効率を低下させない点で好ましい。また、基板の空孔部に高熱伝導度材料を埋設した態様が好ましく、かかる態様は、冷凍機の冷却ヘッドをデバイス冷却面に当接して冷却するとき、デバイスの直接的な冷却が可能となり、冷却効率を高めることができる。
【００１３】
超電導デバイスは、機械的な外力により容易に破壊され、特に、高温超電導デバイスは、水分により劣化する傾向にある。したがって、超電導デバイスの冷却装置は、図１に示すように、基板１が、超電導デバイス４を封止する蓋９をデバイス固定面１ａ上に備える態様が好ましい。超電導デバイス４と基板１とは、金線７などを使用して、ワイヤボンディングされ、基板１からは、ハンダ付けされた信号線５が取り出され、外部に接続される。
【００１４】
（実施例１）
本実施例における超電導デバイスの冷却装置の構造を図３に示す。図３（ａ）に示すように、厚さ１ｍｍのガラスエポキシ樹脂製のプリント基板３１にビアホール３２を形成した。ビアホール３２は、プリント基板３１の１０ｍｍ×１０ｍｍ四方に、１１個×１１個の比率で形成し、１個のビアホールは、内径０．３ｍｍとした。ビアホール３２の形成後、各ビアホールにＰｂ−Ｓｎ製の溶融ハンダを流し込み、ビアホール３２のデバイス固定面側をハンダにより閉口した後、さらにハンダを加えて、各ビアホールにハンダ３３を埋設した。
【００１５】
つぎに、プリント基板のデバイス固定面に、１０ｍｍ×１０ｍｍ角のＳＱＵＩＤ３４を樹脂接着剤により接着し、プリント基板３１とＳＱＵＩＤ３４とを金線３７によりワイヤーボンディングした。また、プリント基板３１から、ハンダ付けされた信号線３５を取り出し、外部と接続した。つぎに、ＳＱＵＩＤ３４を固定したプリント基板３１のデバイス冷却面を冷凍機の冷却ヘッド３６上に樹脂接着剤により接着し、デバイス冷却面を通して基板３１を冷却することにより、ＳＱＵＩＤ３４を超電導状態に転移させた。
【００１６】
本実施例の態様と異なり、空孔部を形成していない同様の厚さのガラスエポキシ樹脂製のプリント基板を用い、冷凍機により従来のように冷却した場合、室温から７７°Ｋにまで冷却するのに、５Ｗの冷凍機を使用して２時間を要していた。これに対して、本実施例の冷却装置を使用した場合、冷却時間が１時間に短縮し、効率的に冷却することができた。
【００１７】
（実施例２）
本実施例では、まず、図３（ｂ）に示すように、厚さ１ｍｍのガラスエポキシ樹脂製のプリント基板３１にビアホール３２を形成した。ビアホール３２は、プリント基板３１の５ｍｍ×５ｍｍ四方に、６個×６個の比率で形成し、１個のビアホールは、内径０．３ｍｍとした。ビアホール３２の形成後、各ビアホールにおけるデバイス固定面側をＰｂ−Ｓｎ製の溶融ハンダにより、薄くハンダを溶触させるように閉口した結果、デバイス冷却面に開口する空孔部が得られた。
【００１８】
つぎに、プリント基板のデバイス固定面に、１０ｍｍ×１０ｍｍ角のＳＱＵＩＤ３４を樹脂接着剤により接着し、プリント基板３１とＳＱＵＩＤ３４とを金線３７によりワイヤーボンディングした。また、外部と電気的に接続するため、ビアホールにピン３８をハンダ付けし、ＳＱＵＩＤ３４を封止するためにデバイス固定面上にガラスエポキシ樹脂製の蓋３９を形成した。その後、プリント基板３１のデバイス冷却面を液体窒素により冷却し、基板３１を冷却することによりＳＱＵＩＤ３４を超電導状態に転移させた。
【００１９】
本実施例の態様と異なり、空孔部を形成していない同様の厚さのガラスエポキシ樹脂製プリント基板を用いて従来のように液体窒素で冷却した場合、室温から７７°Ｋまで冷却するのに、２分３０秒を要していた。これに対して、本実施例の冷却装置を使用した場合、液体窒素がビアホール内に侵入し、効率的に冷却するため、冷却時間を１分間に短縮することができた。
【００２０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
冷却装置の基板や封止材料として、ガラスエポキシ樹脂を使用することができる。また、冷却効率の高い超電導デバイスの冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の超電導デバイスの冷却装置の基本構造を示す図である。
【図２】半導体デバイスに従来より使用されている冷却装置を示す図である。
【図３】本発明の実施例における超電導デバイスの冷却装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  基板、１ａ  デバイス固定面、１ｂ  デバイス冷却面、２  空孔部、３ａ  高熱伝導度材料、４  超電導デバイス、５  信号線、７  金線、９  蓋。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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