CN101349766B

CN101349766B - 微尺寸超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法

Info

Publication number: CN101349766B
Application number: CN2008101247928A
Authority: CN
Inventors: 李婧; 史生才
Original assignee: Purple Mountain Observatory of CAS
Current assignee: Purple Mountain Observatory of CAS
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2028-09-02
Also published as: CN101349766A

Abstract

微尺寸超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法：(1)将超导SIS芯片放到安装槽中，大致调整好位置；(2)芯片两端各放一点热熔蜡；(3)然后将混频器基座置于热板上，热板温度比蜡的熔点低10～20度；(4)待热熔腊变软后，取下混频器基座，轻压和移动软化的蜡，使之较好覆盖芯片两端，并与安装槽底部较好的粘贴；(5)然后微调芯片位置，完成定位；(6)重新将混频器基座放回热板，热板温度升温至等同或略高于蜡的熔点，待蜡完全熔化为液态后，取下混频器基座，使之常温冷却；(7)将芯片的两端通过常规点焊实现接地及与中频微带线的连接。本发明安装成功率极大提高；固定更牢；更适合低温工作；不易对器件表面和安装槽造成污染。

Description

微尺寸超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法

技术领域

本发明涉及一种仪器制备方法，具体涉及一种微尺寸超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法。

背景技术

超导隧道结，也称作超导SIS芯片，是目前广泛应用于天文接收机的、具有极高灵敏度的探测器件。超导SIS芯片的具体尺寸与工作频率有关，频率越高，芯片尺寸越小(越窄、越薄)。在实际工作中，超导SIS芯片作为探测器，要安装到一个尺寸略大于芯片尺寸的安装槽中(该安装槽是超导混频器基座的一部分)。

超导隧道结的研发和应用最初是从低频(约0.1THz)开始。较低频段下，通常采用的超导材料是铌(Nb)，制备基板为单晶石英。因频率低，石英的介电常数较小(4.45～4.65)，所以超导芯片尺寸较大，厚度可达100微米左右。在这样的大尺寸下，利用显微镜进行器件的手工安装并不困难，所以最初科研人员选用铟(Indium)压在芯片接地端，一方面为了对其进行固定，另一方面可以同时实现接地(称为：压铟法固定安装)。并且是常温操作，非常方便，成功率基本可达100％。

当射电天文向越来越高的频率发展，器件尺寸也随着频率的增加而减小。另外，由于超导材料本身具有能隙频率(铌的能隙频率约为0.67THz)，能隙频率以上无法正常应用，人们也开始寻求具有更高能隙频率的超导材料，例如：氮化铌(NbN，能隙频率约1.4THz)。因薄膜制备工艺的限制，氮化铌无法沉积在石英基板上，而必须制备在具有更高介电常数(9.6)的氧化镁基板上。因更高工作频率，和更高介电常数基板的共同影响，器件尺寸急剧下降，到0.85THz厚度仅为不足30微米。目前该种芯片是将超导材料以薄膜的形式制备在单晶石英或氧化镁等基板上，基板尺寸约为20mm×20mm，厚度300～400微米。一次工艺完成后，几十个超导隧道结同时制备于同一基板上，再经研磨打薄和切割分离，最终芯片的宽度和厚度只有几十微米。

上述传统的压铟法超导隧道结固定安装方式是：超导芯片长条结构，一端为接地端，一端为中频端(混频产生的中频信号从该端口输出)。压铟法安装时，芯片的接地端用金属铟(Indium)紧紧压住，金属铟具有良好的延展性和导电性，从而实现芯片的固定(单端固定)与接地，中频端则通过点焊方式与外部中频微带线连接。

安装时，为了保证良好固定以及芯片与安装槽的良好接触(即良好接地)，铟必须压的非常紧，否则会在芯片和安装槽之间产生接触电阻。

对如此薄的芯片，这种传统压铟法的种种弊端也就体现出来：

1)操作低频(0.5THz以下)器件尚可，但到0.5THz以上的工作频率，通常芯片尺寸只有：宽度小于100微米，厚度小于为50微米。对于如此小尺寸的器件，过度用力压铟往往会导致器件断裂。在0.5THz以上频率，这种铟固定方式的成功概率只有不到50％。而一批超导芯片的制备成本很高(约几万人民币)，加工、切割、研磨历时较长(约15～20天)，如果在成功实现所有加工工艺的前提下，只在最后安装时毁坏器件，在人力、财力和时间上都是一种极大的浪费。

2)即使在不到50％的成功概率下能把铟压好，也只是芯片的单端固定，器件的另一端则需要通过点焊的方式与中频微带线连接，实现中频信号的输出。对于一个厚度不足50微米的芯片，当一端被紧紧固定后，另一端必然会有所上翘，使得中频端的点焊极难实现。一方面，可能由于点焊时器件的抖动，针头的超声波振动直接将芯片压断；另一方面，由于针头抬起时与器件表面薄膜粘附在一起，而芯片这一端并没有固定，会随之上翘，使得焊点无法脱离甚至将薄膜剥离。

3)铟有极好的延展性，这是采用铟进行固定和接地的主要原因，但同时也带来一个弊端，便是良好的粘附性导致铟会附着在安装槽的底部不易清除。长期反复操作后，粘附的铟会使得槽的底部不够平坦，影响器件安装平整度。

当工作频率越来越高(尤其到0.85THz以上)，芯片尺寸越来越小(厚度仅为二三十个微米)，传统安装方式的成功率越来越低，其弊端也越来越凸显。

当高频下压铟法的成功率降低甚至无法操作时，人们也曾尝试过其他方法。比如：a)采用银胶：由于银胶可导电，同样也只能进行单端固定，小器件中频端上翘现象无法彻底解决，且银胶固化时间较长，需要几个小时，效率太低；b)采用快干胶：虽可实现双端固定，但快干胶不耐低温，超导隧道结的工作温度只有4.2K(约零下270度)，在如此低温下快干胶会开裂无法正常使用；c)较为凝稠的液态胶：固定不好，器件位置会有微小移动，且有时若胶流到波导中，直接导致探测器无法正常工作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种微尺寸超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法，新创安装方式可以克服现有技术中0.5THz以上工作频率，芯片尺寸微小时，过度用力压铟导致器件断裂；芯片一端被紧紧固定后，另一端上翘使中频点焊极难实现；以及安装槽里会粘住一些铟难以清除等种种弊端。本发明还要为实现该方法选择到适当可行的热熔蜡。

完成上述发明任务的技术方案是，一种微尺寸超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法，其特征在于，步骤如下，

(1)、将超导SIS芯片放到安装槽中，大致调整好位置；

(2)、芯片两端各放一点热熔蜡；此时蜡为固态，只要轻轻搭在芯片两端的表面即可，蜡的用量与芯片大小有关，通常将蜡切成小粒，其宽度略大于器件，与槽宽相当(因超导器件尺寸微小，通常蜡的质量不会超过一克)；

(3)、然后将混频器基座置于热板上，热板温度设定在比蜡的熔点略低10～20度(例如，100度左右)；

(4)、待热熔腊变软后(此时尚未完全熔化)，从热板上取下混频器基座，用削细的牙签轻压和移动软化的蜡，使之较好覆盖芯片两端，并与安装槽底部较好的粘贴；

(5)、然后微调芯片位置，完成定位；

(6)、重新将混频器基座放回热板，热板温度升温至等同或略高于蜡的熔点(例如，120～130度)，待蜡完全熔化为液态后，取下混频器基座，使之常温冷却；

(7)、将芯片的两端通过常规点焊实现接地及与中频微带线的连接。

以上所述的热熔蜡(wax；部分产品也称为“热熔胶”)可以采用：

ALLIED公司的Hot Mounting Wax，为透明状固态热熔蜡，熔化温度为120度。该热熔蜡为本发明推荐采用的热熔蜡。

或者采用BS-120N系列热熔胶：软化点115～125℃，操作温度160～190℃。

还可以采用BL-58B系列热熔胶：软化点88℃，操作温度160～180℃。相对于前者，其粘附力强，韧性好，耐低温性能良好。

本发明利用热熔蜡二次加热法进行微尺寸超导隧道结固定安装的方法中，所采用的热熔蜡在120度左右高温即可熔化，温度冷却后常温下可快速自然变硬，并能够工作于低达4.2K(约零下270度)的超导SIS芯片的工作温度。

本发明的新方法优点在于：

1)不再有用力压铟的环节，从而大大降低了芯片被压断的可能性，安装成功率极大提高；

2)热熔腊的固定比铟更牢，并且因石蜡本身绝缘，可实现两端固定，器件更平稳，使后期点焊更加容易，也提高了安装成功率；

3)相对于银胶等其他固定物，热熔蜡可工作于更低温度，更适合对低温工作的超导器件进行固定；

4)热熔蜡很容易用丙酮清洗，洗后无痕迹，不留污染，长期多次操作后，依然可以保证清洁及安装槽底面平整度，极大提高了混频器的使用寿命。

5)本方法中并未遵循传统热熔蜡使用中直接达到熔点温度使之熔化，然后冷却的步骤。而是采用二次加热的方法，先软化热熔蜡对器件定位，再完全熔化，并冷却固定。一方面，较低温度更适合微尺寸器件显微镜下的手工操作；另一方面，软化(并非熔化)时进行芯片定位，不易对器件表面和安装槽造成污染。

6)热熔蜡高温熔化后，温度一旦降低，常温下可快速(几分钟)冷却固定，完全不会影响器件安装速度。

本发明前，很多人认为利用热熔蜡进行微尺寸超导隧道结安装是不现实的。主要在于热熔蜡的熔点较高，通常在100度以上。而器件安装需要手工操作，100多度的高温下，对金属材质(铜镀金)的超导混频器基座进行芯片手工操作很不方便，极易烫伤。并且，熔化后的蜡浓度较稀，在显微镜下进行微尺寸器件安装时，手的轻微抖动都会将熔化的蜡涂到混频器或芯片的其他部位，导致整个安装失败，需要重新清洗后再次进行。而本发明的热熔蜡二次加热的固定安装方法并不是像传统观念中将蜡完全熔化后涂于芯片上，再降温冷却。而是先将蜡在低于熔点的温度下软化，然后定位，再完全熔化，最后冷却。并且针对超导器件工作温度极低的特性，寻找到一种适合其应用的热熔蜡。因此解决了上述困难，为微尺寸超导隧道结的固定安装找到了较为理想的方法。

附图说明

图1为传统安装方式压铟法的示意图；

图2为本发明热熔蜡二次加热固定安装(双端固定)示意图。

具体实施方式

实施例1，参照图2：

(1)、将超导SIS芯片放到安装槽中，大致调整好位置；

(2)、芯片两端各放一点热熔蜡，此时蜡为固态，只要轻轻搭在芯片两端的表面即可，蜡的用量与芯片大小有关，通常将蜡切成小粒，其宽度略大于器件于槽宽相当(因超导器件尺寸微小，通常蜡的质量不会超过一克)；

(3)、然后将混频器基座置于热板上，热板温度设定在100度左右(比蜡的熔点略低10～20度)；

(4)、待热熔腊变软后(此时尚未完全熔化)，从热板上取下混频器基座，用削细的牙签轻压和移动软化的蜡，使之较好覆盖芯片两端，并与安装槽底部较好的粘贴。

(5)、然后微调芯片位置，完成定位。

(6)、重新将混频器基座放回热板，热板温度升温至120～130度(等同或略高于蜡的熔点)，待蜡完全熔化为液态后，取下混频器基座，使之常温冷却；

以上所述的热熔蜡(wax)采用的是：

ALLIED公司的Hot Mounting Wax，为透明状固态热熔蜡，熔化温度为120度。

实施例2，与实施例1基本相同，但所使用的热熔蜡(wax)是：BS-120N系列热熔胶：软化点115～125℃，操作温度160～190℃。

实施例3，与实施例1基本相同，但所使用的热熔蜡(wax)是：BL-58B系列热熔胶：软化点88℃，操作温度160～180℃。相对于前者，其粘附力强，韧性好，耐低温性能良好。

Claims

1.一种超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法，其特征在于，步骤如下，

(1)、将超导SIS芯片放到安装槽中，调整好位置；

(2)、芯片两端各放一点热熔蜡；

(3)、然后将混频器基座置于热板上，热板温度设定在比热熔蜡的熔点低10～20度；

(4)、待热熔腊变软后，从热板上取下混频器基座，轻压和移动软化的热熔蜡，使之覆盖芯片两端，并与安装槽底部较好的粘贴；

(5)、然后微调芯片位置，完成定位；

(6)、重新将混频器基座放回热板，热板温度升温至等同或高于热熔蜡的熔点，待热熔蜡完全熔化为液态后，取下混频器基座，使之冷却；

(7)、将芯片的两端通过常规点焊实现接地及与中频微带线的连接；

在步骤(2)、芯片两端各放一点热熔蜡将蜡切成小粒，具体操作方法是：将蜡切成小粒，小粒的宽度大于器件，与槽宽相当；蜡的质量不超过一克；

在所述的步骤(3)中，热板温度设定在100度；

在所述的步骤(6)中，热板温度设定在120度。

2.根据权利要求1所述的超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法，其特征在于，所述的热熔蜡采用Hot Mounting Wax。

3.根据权利要求1所述的超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法，其特征在于，所述的热熔蜡采用BS-120N系列热熔胶。

4.根据权利要求1所述的超导隧道结的热熔蜡二次加热的固定安装方法，其特征在于，所述的热熔蜡采用BL-58B系列热熔胶。