(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の第１の基板の上に、超伝導回路が表面に搭載された半導体チップが低融点はんだにより前記第１の基板に接着されて固定された実装基板本体であって、前記半導体チップで発生した熱を前記第１の基板を通して逃がす実装基板本体と、
穿設された開口部に前記半導体チップが入り込むように、前記実装基板本体を固定する第２の基板と
を備え、
前記第１の基板は、線状の切れ込みが穿設されており、前記切れ込みの上に前記半導体チップが固定されていることを特徴とする実装基板。
【請求項２】
前記切れ込みは、一又は互いに平行な二以上の線状の第１の切れ込み部と、前記第１の切れ込み部と長手方向が直交するように穿設された、一又は互いに平行な二以上の線状の第２の切れ込み部とからなることを特徴とする請求項１記載の実装基板。
【請求項３】
前記半導体チップは、少なくとも前記第１の切れ込み部と前記第２の切れ込み部とが交差する交差部の上に一部が固定されていることを特徴とする請求項２記載の実装基板。
【請求項４】
前記第２の基板は、プリント基板であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の実装基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は実装基板に係り、特に超伝導回路を搭載した半導体チップを冷凍機に実装する実装基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導回路は、シリコンウェハー等の基板上に、超伝導薄膜、金属薄膜、絶縁体層等を成膜し、更にパターンエッチングを繰り返して多数作製される。その後、この基板を作製された個々の超伝導回路毎に四角形に切り離すことで、表面に超伝導回路が搭載された半導体チップが多数製造される。
【０００３】
この半導体チップに搭載された超伝導回路を動作させるには、超伝導体の臨界温度より低い極低温（例えば、マイナス約２６０℃）に冷却する必要がある。しかし、半導体チップは小さくて壊れやすいので、冷却時の破損から守るためなどを目的として実装基板の形態とされて冷却される。
【０００４】
図５は、従来の実装基板の一例の斜視図、図６（Ａ）、（Ｂ）は、図５中の実装基板本体の一例の斜視図及び側面図を示す。両図中、同一構成部分には同一符号を付してある。実装基板本体は、図６（Ｂ）に示すように、表面に超伝導回路が搭載された半導体チップ１が、銅などの基板２上に接着剤又は低融点はんだ３により固定された構成である。基板２の四隅には、図６（Ａ）に示すように、ねじ穴４が穿設されている。
【０００５】
従来の実装基板は、図５に示すように、中央部がくり抜かれたプリント基板５の当該中央部に上記実装基板本体が配置固定された構成である。プリント基板５の表面の一方の端部には、外部機器との電気的接続のための端子６が形成されている。かかる構成の実装基板により、半導体チップ１の室温の外部機器との電気的接続を可能にし、半導体チップ１を破損から守ると同時に、超伝導回路の冷凍機への実装、取り外しの交換作業が容易に行える。
【０００６】
ここで、超伝導回路を冷却する方法としては、特許文献１に記載のように、液体窒素や液体ヘリウム等の冷媒に実装基板全体を浸漬する方法がある。液体ヘリウム等の冷媒で冷却する場合は、超伝導回路で発生した熱を周囲全体から奪うことができる。
【０００７】
一方で、機械式冷凍機で超伝導回路を冷却する方法も知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。非特許文献１記載の機械式冷凍機で冷却する方法では、例えば２ステージＧＭ冷凍機において室温から断熱するために真空容器を用いて半導体チップの周囲を真空にする。また、非特許文献２記載の機械式冷凍機で冷却する方法では、超伝導回路で発生した熱は、半導体チップの下面からの基板を通して冷凍機のコールドヘッドと呼ばれる部品で冷却される。半導体チップとコールドヘッドの接触した面のみから超伝導回路の熱を奪う点が、前述の冷媒を用いて全体から冷却する方法と異なる点で、機械式冷凍機で冷却する場合は、実装基板の熱伝導がよいことが非常に重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１３１０７８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】A.Shoji,et al.,”Operation of a NbN-Based Programmable Josephson Voltage Standard Chip With a Compact Refrigeration System”,IEEE Trans.on Applied superconductivity,Vol.13,No.2 (2003) p.919
【非特許文献２】Hirotake Yamamori,et al.,”Operating margins of a 10 V programmable Josephson voltage standard circuit using NbN/TiNx/NbN/TiNx/NbN double-junction stacks”,IEEE Trans.Appl.Supercond.Vol.17,No.2 (2007) p.858-863
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
超伝導回路を機械式冷凍機で冷却するためには、超伝導回路が搭載された半導体チップと機械式冷凍機のコールドヘッドとを熱的に良好に接触させる必要があるので、半導体チップの基板の材料には銅などの熱伝導の良い材料が適している。同様に、半導体チップを基板に接着するための接着剤も熱伝導の良いものが必要である。一般に、極低温下で用いられるグリスや極低温用接着剤等は熱伝導が良くないため、これらを使用すると超伝導回路の発熱を奪うことができず、半導体チップの温度が上昇してしまう。そこで、ＩnＳnのような熱伝導が良く、融点の低い金属を使って半導体チップと基板とを接着する。これを「低融点はんだでボンディングする」という。
【００１１】
ところで、半導体チップの長さや基板の長さは、温度変化とその材料の線膨張係数に応じて変化する。すなわち、半導体チップや基板の長さは温度がΔＴ変化したとき、Ｌ（１＋α・ΔＴ）に変化する。ただし、この数式中、Ｌは冷却前の長さ、αは材料の線膨張係数である。低融点はんだでボンディングした半導体チップと基板とを冷却するとき、低融点はんだの融点が約１００℃で、半導体チップは約マイナス２６０℃に冷却されるので、低融点はんだボンディングの過熱から冷却まで温度変化ΔＴは最大でマイナス３６０℃である。温度変化の符号が負であるので、長さの符号も負であり収縮となる。
【００１２】
ここで、実装基板本体は、図６（Ｂ）に示したように、表面に超伝導回路が搭載された半導体チップ１が基板２上に低融点はんだ３により固定された構成である。従って、半導体チップ１の材料がシリコンで、基板２の材料が銅の場合、シリコンと銅との線膨張係数が大きく異なるため、それらを冷却した場合、半導体チップ１の長さの変化と基板２の長さの変化とが大きく異なることとなる。例えば、長さ１５ｍｍの銅製の基板２は約４００℃の温度変化で０.１ｍｍ収縮するのに対し、シリコン製の半導体チップ１は０.０１５ｍｍしか収縮しない。
【００１３】
このため、シリコン製の半導体チップ１と銅製の基板２とを低融点はんだボンディングして冷却すると、図７に示すように、同じ温度変化ΔＴに対して、半導体チップ１は矢印７の大きさ及び方向で模式的に示すようにあまり収縮しないのに対し、厚さｈの基板２は矢印８の大きさ及び方向で模式的に示すように大きく収縮する。この収縮の大きな差により、図７に矢印９で模式的に示すように、半導体チップ１の表面に熱応力による大きな引っ張り歪みが生じ、その結果として、半導体チップ１の表面に搭載されている超伝導回路が破壊されるという問題がある。
【００１４】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、半導体チップに搭載されている超伝導回路を動作させる際の冷却時に、半導体チップとそれを固定する基板との線膨張係数の違いから生じる半導体チップの変形を最小限とし、もって超伝導回路を破壊させることなく、特に冷凍機での冷却を高信頼性と低コストで同時に可能とする実装基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記の目的を達成するため、金属製の第１の基板の上に、超伝導回路が表面に搭載された半導体チップが固定された実装基板本体と、穿設された開口部に前記半導体チップが入り込むように、前記実装基板本体を固定する第２の基板とを備え、前記第１の基板は切れ込みが穿設されており、前記切れ込みの上に前記半導体チップが固定されていることを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記切れ込みは、一又は互いに平行な二以上の線状の第１の切れ込み部と、前記第１の切れ込み部と長手方向が直交するように穿設された、一又は互いに平行な二以上の線状の第２の切れ込み部とからなる構成であってよい。
【００１７】
また、前記半導体チップは、少なくとも前記第１の切れ込み部と前記第２の切れ込み部とが交差する交差部の上に一部が固定されていることを特徴とする。
【００１８】
また、前記半導体チップは、前記第１の基板に低融点はんだで接着されていることを特徴とする。更に、前記第２の基板は、プリント基板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、半導体チップに搭載されている超伝導回路を動作させる際の冷却時に、半導体チップとそれを固定する基板との線膨張係数の違いから生じる半導体チップの変形を最小限とし、もって超伝導回路を破壊させることなく、特に冷凍機での冷却を高信頼性を確保しつつ、低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実装基板の一実施形態の斜視図及び断面図である。
【図２】図１中の実装基板本体の一実施形態の斜視図である。
【図３】図２中の基板の一実施形態の斜視図である。
【図４】本発明に係る実装基板の実装基板本体中の基板の他の実施形態の斜視図である。
【図５】従来の実装基板の一例の斜視図である。
【図６】従来の実装基板本体の一実施形態の斜視図及び断面図である。
【図７】冷却時の従来の実装基板本体における基板と半導体チップの線膨張係数の差の違いによる半導体チップの引っ張り歪みの発生を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明の目的は、発熱の大きな半導体チップを冷凍機で冷却するために用いる実装基板を、低コストな構成により半導体チップの冷却を高信頼性で行わせる構造とすることにある。
【００２２】
半導体チップが変形する原因は、前述したように半導体チップとその半導体チップが固定される基板の線膨張係数が大きく異なるためであるので、半導体チップの材料と同等の線膨張係数を持ち、なおかつ熱伝導の良い材料を基板の材料として選べばよい。例えば、シリコンを基板材料として選べば、半導体チップと同じ材料のため線膨張係数が同じで、両者を接着して冷却しても熱応力による変形は生じない。ところがシリコンで作製した基板は機械的強度が十分でなく、割れ易いという欠点がある。
【００２３】
一方、サファイアを基板材料として選んだ場合、サファイアは熱伝導が良好で、基板としての十分な強度もある。また、サファイアはシリコンとほぼ同じ線膨張係数であるため、半導体チップとサファイア基板とを接着して冷却しても熱応力による変形は極僅かである。ところが、サファイア基板は高価であり、更に低融点はんだで接着するためにはサファイア基板の表面に金をスパッタで蒸着するなどの前処理が必要で、これが更にコストを増加させることになる。そこで、これらの問題を解決した本発明に係る実装基板の実施形態について説明する。
【００２４】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る実装基板の一実施形態の斜視図及び断面図を示す。図１（Ａ）に示すように、本実施形態の実装基板１０は、実装基板本体１１とプリント基板１２とからなる。プリント基板１２は、シリコン製で中央部に半導体チップ１６のサイズよりも大きな所定の大きさの矩形状の開口部１３を有し、かつ、所定の表面領域に外部回路と内部回路との電気的接続をするための端子１４を備える。
【００２５】
一方、実装基板本体１１は、図１（Ｂ）に示すように、第１の基板である例えば銅等の金属製の基板１２の中央部に半導体チップ１６が低融点はんだ１７により固定された構造である。実装基板本体１１は、半導体チップ１６が図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように第２の基板であるプリント基板１２の開口部１３内に入り込むようにしてプリント基板１２と固定される。半導体チップ１６は、表面に超伝導回路が搭載されている。
【００２６】
本実施形態の実装基板１０は、実装基板本体１１の構成に特徴があり、以下その詳細について図２及び図３の斜視図と共に説明する。なお、各図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。本実施形態における実装基板本体１１は、図２の斜視図に示すように、基板１５が図２及び図３に示すように、櫛形の切れ込み１８が穿設された構成である。
【００２７】
櫛形の切れ込み１８は、図３に示すように、基板１５の長手方向と直交する幅方向の中央部位置に長手方向に沿って所定長さで穿設された線状の単一の第１の切れ込み部１８ａと、上記幅方向に第１の切れ込み部１８ａと直交し、かつ、互いに平行にそれぞれ所定長さで穿設された線状の複数（図３の例では９つ）の第２の切れ込み部１８ｂとからなる。なお、図２及び図３中、基板１５の四隅に穿設された穴１９は、実装基板本体１１と基板１２とを固定するためのねじ用のねじ穴である。なお、実装基板本体１１と基板１２とは接着剤で固定するようにしてもよい。
【００２８】
ここで、前述した課題を解決するためには、半導体チップ１６と基板１５とが接触する長さを小さくすればよい。半導体チップ１６と基板１５の熱応力による変形の量σは次式で示される。
σ＝ｋＬ2ΔＴ／ｈ
ただし、上式中、ｋは係数、Ｌは半導体チップ１６と基板１５が接触する図２に示す長さ、ｈは半導体チップ１６と基板１５の各々の厚さ（ここでは簡単のため両者の厚さは同じとする）、ΔＴは半導体チップ１６と基板１５の温度変位である。
【００２９】
温度変位ΔＴは変えられないので、変形量σを小さくするには長さＬを小さくするか、厚さｈを大きくすればよい。しかし、半導体チップ１６の厚さｈを大きくするには限界がある。一方で、変形量σは上式に示したように、長さＬの２乗に比例する。この長さＬは、半導体チップ１６と基板１５とが接触する長さであるが、本実施形態では、図２及び図３に示したように基板１５に穿設した櫛形の切れ込み１８（第１及び第２の切れ込み部１８ａ及び１８ｂ）が存在する領域では半導体チップ１６と基板１５が接触しない。従って、本実施形態では、櫛型の切れ込み１８（第１及び第２の切れ込み部１８ａ及び１８ｂ）により、半導体チップ１６と基板１５との接触長さＬを実質的に短くすることができ、このことは長さＬの２乗に比例する変形量σを小さくする上で非常に効果的である。
【００３０】
従って、本実施形態において、図２及び図３に示すように、第１の切れ込み部１８ａ及び第２の切れ込み部１８ｂによって、半導体チップ１６と基板１５とが接触する長さの最大値を例えば半分にすると、半導体チップ１６の変形量σは１／４に減少する。半導体チップ１６の変形量σが減少すると、半導体チップ１６の表面の引っ張り歪みを減らすことができ、それにより半導体チップ１６の表面に搭載されている超伝導回路の破壊を防止することができる。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、半導体チップ１６を固定するための基板１５に櫛形の切れ込み１８を穿設することで、半導体チップ１６と基板１５との接触長さを切れ込み１８を穿設しない場合に比べて実質的に短くするようにしたため、超伝導回路を動作させる際の冷却時に、シリコン製の半導体チップ１６と基板１５との線膨張係数の違いから生じる半導体チップ１６の変形量σを最小限にとどめつつ、半導体チップ１６で発生した熱を基板１５を通して冷凍機に逃すことが可能であり、特に機械式冷凍機で超伝導回路を動作させる際の信頼性を確保できる。これと同時に、本実施形態では、基板１５として、特殊な材料を使用することなく、一般的に安価で基板として十分な強度のある銅などの金属製基板を用いることでコストダウンも実現できる。
【００３２】
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば図３に示した櫛形の切れ込み１８では基板の幅方向に穿設された第２の切れ込み部１８ｂが複数であるものとしたが、これは単一でもよい。すなわち、この場合は図４の斜視図に示すように、実装基板本体において超伝導回路が搭載された半導体チップを、低融点はんだにより固定する基板２０として、互いに直交する各１本の線状の切れ込み部からなる十字形の切れ込み２１を穿設した銅などの金属製基板を用いることもできる。
【００３３】
この場合、基板２０の各１本の線状の切れ込み部が交差する交差部のある中央に半導体チップを取り付けると、半導体チップと基板２０とが接触する長さは切れ込み部２１の無い基板の場合のそれと比較して半分になるので、これでも半導体チップが受ける熱応力による変形を緩和し、半導体チップに搭載された超伝導回路の破壊の危険を防止する効果が期待される。なお、図４において、２２はねじ穴である。
【００３４】
また、基板の切れ込み部は、図３や図４の基板の長手方向に穿設された単一の線状の切れ込み部を、互いに平行に複数穿設するようにしてもよい。すなわち、この場合の櫛型の切れ込みは、互いに平行な二以上の線状の第１の切れ込み部と、第１の切れ込み部とそれぞれ長手方向が直交するように穿設された、互いに平行な二以上の線状の第２の切れ込み部とからなる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の実装基板は、国家標準の直流電圧標準装置、交流電圧標準並びに二次標準としてのコンパクトＰＪＶＳ(Programmable Josephson Voltage Standard：プログラマブル ジョセフソン電圧標準)の実装に採用するのみならず、超伝導センサ、超伝導デジタル回路等、チップサイズが大きな超伝導集積回路全般において、とりわけ機械式冷凍機でこれらを動作させるときに有効である。
【符号の説明】
【００３６】
１、１６  半導体チップ
２、１５、２０  基板
３  接着剤又は低融点はんだ
５、１２  プリント基板
６、１４  端子
１０    実装基板
１１    実装基板本体
１３    開口部
１７    低融点はんだ
１８    櫛型の切れ込み
１８ａ  第１の切れ込み部
１８ｂ  第２の切れ込み部
２１    十字型の切れ込み
【図１】
0006345535.tif 000002
【図２】
0006345535.tif 000003
【図３】
0006345535.tif 000004
【図４】
0006345535.tif 000005
【図５】
0006345535.tif 000006
【図６】
0006345535.tif 000007
【図７】
0006345535.tif 000008