技術 超伝導回路の実装構造

0001

本発明は、超伝導回路の実装構造に関し、詳しくは真空封止された密封容器内において、超伝導回路基板と搭載基材間の導電性を向上させるとともに、密封容器内でのガスの放出を抑制した超伝導回路の実装構造に関する。

0002

一般に、超伝導特性を利用した、フィルタ回路やアンプ回路等の超伝導回路は、超伝導状態を実現するために、断熱特性に優れた低温保持容器に収納され、外部からの熱的影響を遮断した環境で使用される。従来技術に係る、超伝導回路を低温状態に保持する装置について、図７を参照して説明する。

0003

図７において、１１は真空封止され、外部の熱的影響を遮断して、内部の低温状態を保持する低温保持容器、１２は超伝導回路１３を載置する熱拡散板１２ａ、及び、超伝導回路１３に所定の低温状態を与える蓄冷器１２ｂとから構成されるコールドヘッド、１４は低温保持容器１１の外部と超伝導回路１３の入力パッドとを信号入力線１４ａを介して電気的に接続する入力コネクタ、１５は低温保持容器１１の外部と超伝導回路１３の出力パッドとを信号出力線１５ａを介して電気的に接続する出力コネクタである。

0004

また、図示していないが、低温保持容器１１には所定の低温状態を保持するための液体ヘリウムや液体窒素等の冷却剤、若しくはスターリング冷却機やパルス管冷却機等の冷却手段が付設されている。このような低温保持容器１１により、超伝導回路１３特有の動作特性が実現される。

0005

次に、低温保持容器１１に収納される超伝導回路１３の具体的な実装構造について、図８を参照して説明する。図８において、例えばセラミックス系の超伝導材料を用いた高温超伝導フィルタ回路２１は、所定のフィルタ回路の回路パターンが上面に、グランド面が下面に形成されたフィルタ基板２２と、フィルタ基板２２を搭載し、グランド面に所定の基準電位を供給するフィルタケース２４と、フィルタ基板２２とフィルタケース２４間に介在するインジウム（Ｉｎ）箔２７と、フィルタ基板２２をＩｎ箔２７を介してフィルタケースに圧接固定する固定治具２５と、を具備して構成されている。

0006

また、図示を省略したが、フィルタ基板２２への入出力信号を伝達するための入出力コネクタがフィルタケース２４に設けられている。このように、フィルタ基板２２とフィルタケース２４間にＩｎの薄膜（Ｉｎ箔）を介在させ、固定治具２５によりフィルタ基板２２をフィルタケース２４に圧接するように押圧力を印加することにより、フィルタケース２４からＩｎ箔２７を介してフィルタ基板２２のグランド面へ基準電位が供給される。

0007

ここで、高温超伝導フィルタ回路２１は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板の上面にイットリウム（Ｙ）、バリウム（Ｂａ）、銅オキサイド（ＣｕＯ）からなるＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導薄膜により形成された回路パターンと、基板の下面全面に同じＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導薄膜上に金（Ａｕ）を蒸着して形成したグランド面とを有して構成される。

0008

しかしながら、上述したような高温超伝導フィルタ回路の実装構造においては、以下のような問題を有している。フィルタ基板２２に印加される押圧力Ｆｄ、すなわち、フィルタ基板２２及びフィルタケース２４によるＩｎ箔２７への圧接力が弱いと、フィルタケース２４から供給される基準電位がばらつき、高温超伝導フィルタ回路の高周波通過特性が悪化する。フィルタ基板２２に印加される押圧力Ｆｄ、すなわち、フィルタ基板２２及びフィルタケース２４によるＩｎ箔２７への圧接力が強いと、高温超伝導フィルタ回路２１の実装工程において、フィルタ基板２２とＩｎ箔２７間、Ｉｎ箔２７とフィルタケース２４間の圧接境界に閉じ込められたガスが、低温保持容器の真空封止後に徐々に放出され、容器内の圧力状態が悪化する。

0009

以上のような問題点について、図９及び図１０を参照してさらに詳しく説明する。図９は、Ｉｎ箔に圧接加重を印加した場合の高温超伝導フィルタ回路のフィルタ通過帯域外の減衰量及び圧接境界から放出されるガスの量を示すものであり、図１０は、一般的なフィルタ回路におけるフィルタ特性を示すものである。

0010

図１０に示すように、一般に、常温で動作する通常のフィルタ回路においては、フィルタ通過帯域に対する通過帯域外の減衰量が、９０ｄＢ以上確保されていることが要求される。したがって、高温超伝導フィルタ回路においても、フィルタ通過帯域外の減衰量は、９０ｄＢ以上であることが望ましく、９０ｄＢ以下では実用性に劣るとされている。

0011

このような条件に基づいて、Ｉｎ箔に印加される圧接加重を検討すると、図９の実験結果に示すように、９０ｄＢ以上のフィルタ通過帯域外の減衰量を実現するには、５．０kg/cm2以上の圧接加重（圧接力）を必要とする。一方、超伝導回路を通信機器等に使用する場合、小型軽量化やメンテナンスフリー等の実用面を考慮すると、超伝導回路が収納される低温保持容器内の圧力状態を長期にわたり一定に維持することが極めて重要となる。

0012

超伝導状態を実現する上で実用的な圧力状態の条件として、低温保持容器内の各部品から放出されるガスの量は、１×１０Ｅ−９Pa・m3/sec以下であることが要求される。このような条件に基づいて、Ｉｎ箔に印加される圧接加重を検討すると、１×１０Ｅ−９Pa・m3/sec以下のガスの放出量を実現するには、０．０５kg/cm2以下の圧接加重が必要となる。

0013

このように、Ｉｎ箔を介在させた高温超伝導フィルタ回路の実装構造においては、上記、の問題点の一方を解決しようとすると、他方の問題点が顕在化して、良好な高周波通過特性と長期にわたる真空状態の維持を両立させることが困難であった。本発明の目的は、上記課題を解決し、真空封止された密封容器に収納された超伝導回路の動作特性を向上させるとともに、密封容器内に放出されるガスの量を抑制して、長期にわたり超伝導状態の実現に必要な圧力状態を維持することができる超伝導回路の実装構造を提供することにある。

0014

本発明は、上述の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、外部と熱的に遮断された系内で用いられ、該系内の所定の圧力雰囲気によって実現される熱的雰囲気内でのみ超伝導特性を示す超伝導回路が形成された基板を所定の搭載基材に実装する超伝導回路の実装構造において、前記超伝導回路基板が、高い導電性を有するとともに高い柔軟性を有する金属を介し、かつ、該金属に所定の圧接力を印加するように、前記搭載基材に圧接固定されていることを特徴としている。

0015

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の超伝導回路の実装構造において、前記金属が、前記超伝導回路基板の所定の領域にのみ介在し、該所定の領域に対応して前記超伝導回路基板に印加される押圧力により、前記金属に前記所定の圧接力を印加することを特徴としている。また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の超伝導回路の実装構造において、前記金属は、前記超伝導回路基板の縁辺領域にのみ介在し、該縁辺領域に対応して前記超伝導回路基板に押圧力が印加されることを特徴としている。

0016

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の超伝導回路の実装構造において、前記超伝導回路基板の中心領域が半田により前記搭載基材に接合されていることを特徴としている。また、請求項５記載の発明は、請求項１、２、３又は４記載の超伝導回路の実装構造において、前記金属に印加される圧接力は、板状の弾性体を締め込み調整することにより前記超伝導回路基板に印加される押圧力に応じて生成されることを特徴としている。

0017

また、請求項６記載の発明は、請求項１、２、３、４又は５記載の超伝導回路の実装構造において、前記金属は、前記超伝導回路基板を構成するグランド面上に積層して膜状に設けられていることを特徴としている。また、請求項７記載の発明は、請求項１、２、３、４又は５記載の超伝導回路の実装構造において、前記金属は、前記超伝導回路基板が圧接固定される前記搭載基材上に積層して膜状に設けられていることを特徴としている。

0018

さらに、請求項８記載の発明は、請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の超伝導回路の実装構造において、前記金属は、箔又は膜状、若しくは、バンプ状に形成した金であり、該金に印加される圧接力が、0.05〜５kg/cm2であることを特徴としている。そして、請求項９に記載の発明は、請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の超伝導回路の実装構造において、前記超伝導回路は、高温超伝導フィルタ回路であり、前記搭載基材から前記金属を介して所定の電位が供給されることを特徴としている。

0019

このような超伝導回路の実装構造によれば、導電性に優れ、かつ、柔軟性（変形性）に優れた金属、例えば、金を箔状又は膜状、あるいはバンプ状にし、超伝導回路基板と搭載基材との間に介在させ、該金に適度な圧接力を与えて超伝導回路基板を搭載基材に圧接固定することにより、超伝導回路基板と搭載基材との高い導電性が確保され、所定の基準電位を良好に供給することができるとともに、超伝導回路基板、金、搭載基材相互間の圧接境界に閉じ込められるガスの量を低減して、系内に放出されるガスの量を抑制することができるため、超伝導回路の動作特性を向上させつつ、所望の圧力状態を長期にわたり維持することができる。

0020

また、超伝導回路基板と搭載基材間に介在する金を基板の縁辺領域にのみ設け、該領域に対応して超伝導回路基板に押圧力を印加し、基板中心領域を半田により搭載基材に接合することにより、半田を介して超伝導回路基板の中心付近を搭載基材に固定することができるため、長期にわたり良好な圧接力を維持することができ、超伝導回路基板に供給される基準電位の経時変化を抑制して良好な動作特性を実現することができる。

0021

また、超伝導回路基板に印加される押圧力を板バネ等の弾性体により調整する構成を採用することにより、金に印加される圧接力を容易に変更、調整することができるため、超伝導回路の所望の動作特性を実現しつつ、ガスの放出量を抑制することができる。また、金を超伝導回路基板、あるいは、搭載基材上に蒸着等の方法により積層形成することにより、ガスの閉じ込めを完全に防止することができるため、密封容器内に放出されるガスをさらに抑制して、長期にわたり良好な圧力状態を維持することができる。

0022

特に、本発明の超伝導回路の実装構造を高温超伝導フィルタ回路に適用した場合、フィルタ基板のグランド面とフィルタケース間の導電性を向上させて、フィルタ基板に良好に所望の基準電位を供給して高周波通過特性を向上させることができ、また、フィルタ基板とフィルタケースとの圧接部から放出されるガスの量を低減して、密封容器内の圧力状態を長期にわたり維持することができる。

0023

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。本発明に係る超伝導回路の実装構造の第１の実施例について、図１を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）において、超伝導回路を構成する高温超伝導フィルタ回路１は、超伝導回路基板を構成するフィルタ基板２と、回路パターン３と、搭載基材を構成するフィルタケース４と、板状の弾性体を構成する板バネ５と、コネクタ６と、膜状の金属を構成する金箔（Ａｕ箔）７と、を具備している。

0024

フィルタ基板２は、従来技術において示したように、例えば、ＭｇＯ基板であって、基板２上面にはＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導薄膜により所定のフィルタ回路の回路パターン３が形成され、図示を省略したが下面には、全面に同じＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導薄膜上にＡｕを蒸着したグランド面が形成されている。フィルタケース４は、フィルタ基板２を搭載し、後述するＡｕ箔７を介してフィルタ基板２のグランド面に所定の基準電位を供給する。フィルタケース４は、銅（Ｃｕ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）のような導電性に優れた材料、若しくは、これらの材料表面をメッキや物理蒸着によりＡｕをコーティングした材料により構成される。

0025

板バネ５は、フィルタ基板２をＡｕ箔７を介してフィルタケース４に圧接固定するための固定部品であって、フィルタ基板２を均等に保持固定するために、フィルタ基板２の周辺に複数個設けられている。そして、板バネ５の弾性力による押圧力Ｆａは、Ａｕ箔７が介在する領域上のフィルタ基板２上面側の領域に均等に印加される。

0026

ここで、板バネ５は、板バネ５を固定するボルト等の締結部品５ａの締め込み量により、フィルタ基板２に印加される押圧力Ｆａを調整可能にした構成であってもよい。コネクタ６は、フィルタ基板２に形成された回路パターン３と電気的に接続され、入出力信号を高温超伝導フィルタ回路１の外部と伝達するものである。

0027

Ａｕ箔７は、フィルタ基板２とフィルタケース４との間に介在して、相互の電気的な導通を確保するものであって、Ａｕ箔７を介してフィルタケース４から基準電位がフィルタ基板２のグランド面に供給される。上述した高温超伝導フィルタ回路１は、従来技術において示した真空封止された低温保持容器中に収納されて、超伝導状態を実現するために必要な低温状態に置かれる。

0028

次に、上述した実施例におけるＡｕ箔への圧接加重と高温超伝導フィルタ回路の動作特性及びガスの放出量について、図２を参照して説明する。従来技術において示したように、高温超伝導フィルタ回路に要求されるフィルタ通過帯域外の減衰量は、９０ｄＢ以上とする。このような条件に基づいて、Ａｕ箔に印加される圧接加重とフィルタ通過帯域外減衰量の関係を検討すると、図２に示すように、９０ｄＢ以上のフィルタ通過帯域外減衰量を実現するには、０．０５kg/cm2以上の圧接加重（圧接力）を印加すればよい。

0029

一方、超伝導状態を実現する上で実用的な圧力状態の条件として、低温保持容器内の各部品から放出されるガスの量を、１×１０Ｅ−９Pa・m3/sec以下とする。このような条件に基づいて、Ａｕ箔に印加される圧接加重とガスの放出量の関係を検討すると、図２に示すように、１×１０Ｅ−９Pa・m3/sec以下のガスの放出量を実現するには、５．０kg/cm2以下の圧接加重を印加すればよい。

0030

このように、Ａｕ箔を介在させた高温超伝導フィルタ回路の実装構造においては、Ａｕ箔に対する圧接力を０．０５kg/cm2以上５．０kg/cm2以下とすることにより、９０ｄＢ以上のフィルタ通過帯域外減衰量を実現しつつ、１×１０Ｅ−９Pa・m3/sec以下のガスの放出量を実現することができる。したがって、上記実施例の実装構造において、Ａｕ箔７に０．０５kg/cm2以上５．０kg/cm2以下の圧接力が印加されるように、Ａｕ箔７の面積とフィルタ基板２に印加される板バネ５の押圧力Ｆａを調整することにより、高周波通過特性に優れ、かつ、低温保持容器内の真空状態を長期にわたり維持することができる高温超伝導フィルタ回路を提供することができる。

0031

次に、本発明に係る超伝導回路の実装構造の第２の実施例について、図３を参照して説明する。なお、上述した実施例と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、上述した第１の実施例において、超伝導回路基板を構成するフィルタ基板２が円形形状を有し、回路パターン３がフィルタ基板２と略同心円状に形成されている。

0032

そして、フィルタ基板２上の回路パターン３が形成されていない縁辺領域（外周領域）は、上述した第１の実施例と同様に、複数個の板バネ５によりＡｕ箔７を介してフィルタケース４に押圧力Ｆａ´で圧接固定される。また、フィルタ基板２上の回路パターン３が形成されていない中心付近は、フィルタケース４のフィルタ基板２搭載面側全体を覆うケースカバー４ａ内に突出して設けられた押圧片４ｂによりＡｕ箔７を介してフィルタケース４に押圧力Ｆｂで圧接固定される。

0033

ここで、押圧片４ｂは、図３（ａ）に示すように、フィルタ基板２の中心付近に加え、回路パターン３の入出力領域を分離する仕切板状に設けられる。このような実装構造によれば、フィルタ基板２は縁辺領域に加え、中心付近においても所定の押圧力で圧接固定されるため、フィルタ基板２の縁辺領域にのみＡｕ箔７を介在させて押圧した場合に比較して、フィルタ基板２のグランド面に安定した基準電位を供給することができ、かつ、振動等によるフィルタ基板２の移動を抑制して、長期にわたり良好な圧接力を維持することができる。

0034

次に、本発明に係る超伝導回路の実装構造の第３の実施例について、図４を参照して説明する。なお、上述した実施例と同等の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、同一のフィルタ基板２上に２つのフィルタ回路を構成する回路パターン３ａ、３ｂが形成され、フィルタ基板２の縁辺領域は、上述した第１の実施例と同様に、複数個の板バネ５によりＡｕ箔７を介してフィルタケース４に押圧力Ｆａ″で圧接固定される。

0035

また、フィルタ基板２上の回路パターン３ａ、３ｂ間の中心領域は、フィルタケース４のフィルタ基板２搭載面側全体を覆うケースカバー４ａ内に突出して設けられた押圧片４ｃによりＡｕ箔７を介してフィルタケース４に押圧力Ｆｃで圧接固定される。ここで、押圧片４ｃは、図４（ａ）に示すように、回路パターン３ａ及び３ｂの形成領域を分離する仕切板状に設けられる。

0036

このような実装構造によれば、上述した第２の実施例と同様に、フィルタ基板２は縁辺領域に加え、中心付近においても所定の押圧力で圧接固定されるため、フィルタ基板２の縁辺領域にのみＡｕ箔７を介在させて押圧した場合に比較して、フィルタ基板２のグランド面に安定した基準電位を供給することができ、かつ、振動等によるフィルタ基板２の移動を抑制して、長期にわたり良好な圧接力を維持することができる。

0037

次に、本発明に係る超伝導回路の実装構造の第４の実施例について、図５を参照して説明する。本実施例の特徴は、上述した実施例と同等の実装構造において、Ａｕ箔をフィルタ基板のグランド面あるいはフィルタケースに積層形成することにより、相互の境界におけるガスの閉じ込めを防止することにある。

0038

本実施例の実装構造の一例として、図５（ａ）に示すように、フィルタ基板２のグランド面（図面下方）上にＡｕ薄膜７ａが積層形成され、フィルタケース４に図示を省略した固定部品により、Ａｕ薄膜７ａが形成された領域に対応する領域、すなわちＡｕ薄膜７ａに対向するフィルタ基板２の上面側領域に所定の押圧力が印加されて圧接固定される。

0039

又、別の例として、図５（ｂ）に示すように、フィルタケース４上にＡｕ薄膜７ｂが積層形成され、フィルタ基板２はフィルタケース４との間にＡｕ薄膜７ｂが介在するように固定部品により圧接固定される。ここで、Ａｕ薄膜７ａ、７ｂの積層形成の方法としては、周知の蒸着による薄膜形成方法等を適用することができる。

0040

このような実装構造により、Ａｕ薄膜７ａ、７ｂを積層形成した境界部は、積層対象となるフィルタ基板２のグランド面、あるいはフィルタケース４を構成する金属原子とＡｕ薄膜７ａ、７ｂを構成するＡｕ原子が密接に整合するため、ガスの閉じ込めが完全に防止され、真空封止された低温保持容器内に放出されるガスの量をさらに抑制して、長期にわたり良好な圧力状態を維持することができる。

0041

次に、本発明に係る超伝導回路の実装構造の第５の実施例について、図６を参照して説明する。本実施例の特徴は、上述した実施例と同等の実装構造において、Ａｕ箔が介在していないフィルタ基板中心付近を固定することにより、長期にわたり良好な圧接力を維持し、フィルタ基板のグランド面に供給される基準電位の経時変化を抑制することにある。

0042

本実施例の実装構造は、図６に示すように、フィルタ基板２の縁辺領域にＡｕ箔７を介在させて、板バネ５により所定の押圧力を印加して圧接固定するとともに、フィルタ基板２の中心２ａ付近を半田８によりフィルタケース４に接合させる。このような実装構造により、フィルタ基板２の縁辺領域にのみＡｕ箔７を介在させた場合に比較して、中部付近が半田を介して完全に固定されるため、比較的弱い圧接力においてもフィルタ基板が振動等により移動することがなく、長期にわたり良好な圧接力を維持することができる。

0043

なお、上述した各実施例においては、超伝導回路基板（高温超伝導フィルタ回路）と搭載基材（フィルタケース）との間に介在させる金属として金を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要するに、高い導電性を有するとともに高い柔軟性を有する金属であって、特定の圧接力で所定の条件、すなわち上記高温超伝導フィルタ回路においては、フィルタ通過帯域外減衰量が９０ｄＢ以上で、かつ、ガス放出量が１×１０Ｅ−９Pa・m3/sec以下の条件を満たす金属であれば、他の金属、合金であってもよいことはいうまでもない。

0044

また、超伝導回路基板を圧接固定する構成として、板バネを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構成の押圧部材、あるいは固定部品を用いるものであってもよい。要するに、超伝導回路基板を搭載基材に圧接固定する際に、所望の押圧力を超伝導回路基板、すなわち介在する金属に印加することができるものであればよい。特に、押圧力を調整できるものであれば超伝導回路の動作特性を任意の調整することができる。

0045

本発明の超伝導回路の実装構造によれば、導電性に優れ、かつ、柔軟性に優れた金属、例えば、金を箔状又は膜状、あるいはバンプ状にし、超伝導回路基板と搭載基材との間に介在させ、該金に適度な圧接力を与えて超伝導回路基板を搭載基材に圧接固定することにより、超伝導回路基板と搭載基材との高い導電性が確保され、所定の基準電位を良好に供給することができるとともに、超伝導回路基板、金、搭載基材相互間の圧接境界に閉じ込められるガスの量を低減して、系内に放出されるガスの量を抑制することができるため、超伝導回路の動作特性を向上させつつ、所望の圧力状態を長期にわたり維持することができる。

0046

特に、本発明の超伝導回路の実装構造を高温超伝導フィルタ回路に適用した場合、フィルタ基板とフィルタケース間の導電性を向上させて、フィルタ基板に良好に所望の基準電位を供給して高周波通過特性を向上させることができ、また、フィルタ基板とフィルタケースとの圧接部から放出されるガスの量を低減して、密封容器内の圧力状態を長期にわたり維持することができる。

0047

図１本発明に係る超伝導回路の実装構造の第１の実施例を示す図である。
図２Ａｕ箔への圧接加重と通過帯域外減衰量及びガス放出量の関係を示す実験結果である。
図３本発明に係る超伝導回路の実装構造の第２の実施例を示す図である。
図４本発明に係る超伝導回路の実装構造の第３の実施例を示す図である。
図５本発明に係る超伝導回路の実装構造の第４の実施例を示す図である。
図６本発明に係る超伝導回路の実装構造の第５の実施例を示す図である。
図７超伝導回路を低温状態に保持する装置構成を示す概略図である。
図８従来技術に係る超伝導回路の実装構造を示す図である。
図９Ｉｎ箔への圧接加重と通過帯域外減衰量及びガス放出量の関係を示す実験結果である。
図１０フィルタ回路におけるフィルタ特性を示す図である。

0048

１、２１高温超伝導フィルタ回路
２、２２フィルタ基板
２ａ基板中心
３、３ａ、３ｂ回路パターン
４、２４フィルタケース
４ａケースカバー
４ｂ押圧片
５板バネ
５ａ締結部品
６コネクタ
７、７ａ、７ｂ Ａｕ箔
８半田
１１低温保持容器
１２コールドヘッド
１２ａ熱拡散板
１２ｂ蓄冷器
１３超伝導回路
１４入力コネクタ
１４ａ信号入力線
１５出力コネクタ
１５ａ信号出力線
２５固定部品
２７ Ｉｎ箔