JP2011012887A - Cryogenic cooling device - Google Patents

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Takahiro Yamada
隆宏 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem in cryogenic cooling using a refrigerator wherein it is required to sufficiently secure thermal conductivity between a chip and a cooling head to effectively cool the chip and increase in tightening torque of a screw to improve contact causes damage and deformation, and thus, improve thermal contact between a chip and a cooling head without damaging the chip for mounting.SOLUTION: In a cryogenic cooling device, when the chip is mounted to the cooling head of a refrigerator, a substrate for processing and a power transmission component with a square frame shape etc. are provided and while a chip carrier substrate mounted with the chip, a printed wiring substrate, the power transmission component and the substrate for processing are superposed on each other, the substrate for processing is fixed to the refrigerator by screws etc. By tightening the screws etc., the substrate for processing presses the power transmission component, the power transmission component presses the printed wiring substrate, and the printed wiring substrate presses the chip carrier substrate. Thus, thermal contact performance is improved between the chip carrier substrate and the cooling head.

Description

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。   The present invention relates to a cryogenic cooling device that mounts a superconducting element or the like on a cooling head of a refrigerator with good thermal conductivity.

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。   With the recent increase in accuracy of electronic measuring instruments, the Josephson voltage standard (JVS) has been developed as a standard voltage generator capable of generating and measuring more accurate voltages. This is realized by integrating superconducting Josephson elements on a chip and requires a cryogenic cooling technique of 4 to 10K. Conventionally, the cooling method using liquid helium has been the mainstream. Although it is possible to easily cool the chip simply by immersing the chip in liquid helium, liquid helium is expensive due to the depleted resources and will be difficult to obtain in the future. In order to further use and spread JVS, it is necessary to reduce cooling costs, and development of a cooling technique using a cryogenic refrigerator is desired.

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。   In order to cool the JVS chip using the refrigerator, the chip needs to be brought into thermal contact with the cooling head of the refrigerator. This is because cooling is performed by removing heat from the chip to the cooling head based on heat conduction between the two. There are Patent Documents 1 to 4 regarding technologies for cooling a JVS chip using a refrigerator.

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。   FIG. 4 shows a conventional example in which the chip 1 is mounted on the refrigerator. In FIG. 4, a chip 1 mounted on a chip carrier substrate is connected to a printed wiring board 3 or the like, and these are fixed to a cooling head 2 of a refrigerator with screws 7 or the like and are in thermal contact. Here, if the thermal contact is insufficient, the chip temperature immediately rises due to the heat generated by the chip itself. The characteristics of the Josephson element are extremely sensitive to changes in temperature. When the temperature rises due to heat generated by the operation of the chip, the characteristics deteriorate. In the worst case, even the superconducting state cannot be maintained.

特開2007−40561号公報JP 2007-40561 A 特開平7−131078号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-1331078 特開平11−97753号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-97753 特開2003−101088号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-101088

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。   5 and 6 are diagrams showing in detail a conventional example relating to mounting of a chip on a refrigerator. FIG. 5 is an exploded view of a conventional example, and FIG. 6 is an explanatory view of the conventional example viewed from the top and side. In the conventional example, the chip 1 is mounted on the chip carrier substrate 3, and both are thermally and mechanically connected by soldering or the like as necessary. A chip carrier substrate 3 on which the chip 1 is mounted is placed on the cooling head 2 and an indium sheet (or grease, metal paste, etc.) is sandwiched between them in order to improve the contact between them. . The chip 1 is electrically connected to the printed wiring board 4 on the chip carrier substrate 3 by bonding wires 6. For the purpose of fixing the chip carrier substrate 3 on the cooling head 2 and the purpose of pressing the chip carrier substrate 3 against the cooling head 2 to make thermal contact, the corner of the printed wiring board 4 on the chip carrier substrate 3 is formed. The screw 7 is fixed to the screw hole 8 of the cooling head. The reason why the chip carrier substrate is not directly fixed with screws is that the substrate material having excellent thermal conductivity used as the chip carrier substrate is usually poor in workability and lacks strength.

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。   In order to perform effective cooling, it is necessary to ensure sufficient thermal conductivity between the chip 1 and the cooling head 2, and for that purpose, thermal contact between the chip 1 and the cooling head 2 is important. It is necessary to increase the thermal conductivity as much as possible. Specifically, it is important to employ a material having high thermal conductivity for the chip carrier substrate and to increase the thermal conductivity at the interface between the chip and the chip carrier substrate and between the chip carrier substrate and the cooling head. In order to improve the contact, it is necessary to increase the tightening torque of the screw fixing the printed wiring board 4 to increase the force for pressing the chip carrier board 3 against the cooling head 2. However, if the screw is tightened strongly, the printed wiring board 4 will be bent this time. Then, the bonding wire 6 for electrically connecting the chip 1 and the printed wiring board 4 may be disconnected, or the printed wiring board 4 and further the chip itself may be stressed and broken, resulting in a problem in reliability. was there. Conversely, if the screw 7 is loosened, it will not be possible to make thermal contact. If the screw hole 8 is positioned near the center instead of the four corners of the chip carrier substrate, the above problem can be reduced, and since the force can be applied closer to the chip, the thermal contact is also improved. In general, the central portion of the substrate 4 has a problem that it is not practical to screw the wiring density because of high wiring density.

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。   An object of the present invention is to solve these problems of a cryogenic cooling device and to provide a structure in which a chip is mounted on a cooling head with improved thermal contact.

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。   In order to achieve the above object, the present invention has the following features.

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。   The present invention is a cryogenic cooling device that fixes a chip to a cooling head of a refrigerator, and stacks a chip carrier substrate on which the chip is mounted, a first substrate, a force transmission component, and a second substrate in order. The second substrate is fixed to the refrigerator so that the second substrate presses the first substrate and the chip carrier substrate against the cooling head via the force transmission component. . The first substrate of the present invention is specifically a wiring substrate. Further, the force transmission component has a frame shape surrounding the chip. In the cryogenic cooling device of the present invention, the first substrate includes a plurality of cavities in which chips are arranged, and the second substrate is connected to the first substrate via the plurality of force transmission components. In addition, the second substrate is fixed to a refrigerator so as to press the chip carrier substrate against the cooling head.

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。   In the present invention, a first substrate such as a printed wiring board is not pressed by screws at the four corners as in the prior art, but is pressed from a pressurizing substrate that is a second substrate via a force transmission component. . Specifically, a portion closer to the center of the printed wiring board (a portion near the chip periphery) is pressed. For this reason, the printed wiring board is less likely to warp. Further, since the printed wiring board itself is not warped, there is no fear that the bonding wire is disconnected, and the printed wiring board or chip is not damaged, so that the reliability is improved. Since it is not damaged in this way, it is possible to tighten the screw with a torque nearly ten times stronger than the conventional one, and the thermal contact between the chip carrier substrate and the cooling head can be improved as compared with the conventional one. In the present invention, if the tightening torque of the screw is excessively increased, the strongest stress is applied to the pressurizing substrate, which is the second substrate, and this is first damaged. At this time, since there is no fear of damage to the printed wiring board and the chip including the force transmission component, it is safe and has a fail-safe function.

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。   In the present invention, the force transmission component can be arranged at an arbitrary position without any restriction, and can be arranged near the chip. Therefore, the vicinity of the chip carrier substrate and the printed circuit board in the vicinity of the chip can be pushed through the force transmission component, so that the thermal conductivity in the vicinity of the chip between the chip, the chip carrier substrate and the cooling head is improved. The cooling effect is very high.

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。   In the present invention, the positions of the screws and screw holes for mounting may be the same as conventional positions, and may be arbitrary places where the wiring density is sparse, such as the four corners of the printed wiring board. The degree of freedom is improved.

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。   In addition to the above-described effects, the present invention has a structure in which the chip carrier substrate is further held by the surface of the printed wiring board, which is the first substrate, as compared with the technique of the conventional patent document 4 and the like. Therefore, there is an effect that the chip can be pressed toward the cooling head with a stronger force without applying mechanical stress. By being able to hold down with a strong force, the cooling effect in the superconducting circuit application in which the low-temperature superconductor having the operating temperature of 4 to 10 K is used is excellent, and the change in the operating characteristics can be suppressed.

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。   In addition, maintenance of the apparatus is important in superconducting circuits such as chip replacement and wiring board replacement. In particular, when the means for fixing the substrate for pressurization to the refrigerator is a detachable means such as a screw, the workability of the apparatus of the present invention is greatly improved from the viewpoint of maintenance. Furthermore, the present invention can be realized only by introducing a pressurizing substrate and a force transmission component with respect to the conventional method, and is very economical with a small number of additional components.

本発明の第1の実施の形態を説明する分解組み立て図。The exploded assembly figure explaining the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態を説明する図。The figure explaining the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態を説明する図。The figure explaining the 2nd Embodiment of this invention. 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。The figure which shows the structure which mounts the chip | tip of a prior art example in a refrigerator, and cools. 従来例の実装構造を説明する分解組み立て図。The exploded assembly figure explaining the mounting structure of a prior art example. 従来例の実装構造を説明する図。The figure explaining the mounting structure of a prior art example.

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。   When the chip is mounted on the cooling head, the cryogenic cooling device of the present invention does not directly clamp the printed wiring board and fix it to the cooling head as in the prior art. By tightening and fixing the substrate to the refrigerator, the chip and the chip carrier substrate are pressed against the cooling head to improve the thermal contact. Hereinafter, embodiments will be described.

(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。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is an exploded view illustrating the first embodiment. FIG. 2 is an explanatory view of the mounting structure of the first embodiment viewed from the top and side surfaces. A chip 1 is fixedly mounted on a chip carrier substrate 3, a printed wiring board 4 is provided on the chip carrier substrate 3, and a pressurizing substrate 11 is provided thereon via a force transmission component 12. . Screw holes are formed in the corners of the substrate 11 for pressurization, and are located at the same positions as the screw holes 14 in the corners of the printed wiring board 4. In a state where the chip carrier substrate 3, the printed wiring board 4, the force transmission component 12, and the pressurizing substrate 11 are overlapped, the pressurizing substrate 11 is fixed to the refrigerator with screws 13. By tightening the corner screws 13, the pressurizing substrate 11 presses the force transmission component 12, the force transmission component presses the printed circuit board 4, and the printed circuit board 4 presses the chip carrier substrate 3. When the chip carrier substrate 3 is pressed, the thermal contact between the chip carrier substrate 3 and the cooling head 2 is improved.

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。   The chip 1 is a Josephson voltage standard chip or the like. The chip 1 is mounted on the chip carrier substrate 3. Since the chip carrier substrate 3 is preferably made of a material having a thermal expansion coefficient close to that of the chip 1 and excellent in thermal conductivity, a Si substrate or a sapphire substrate is used. Further, a metal substrate may be used as the chip carrier substrate 3. The shape and size of the chip carrier substrate 3 can be changed as appropriate, and can be made as large as the printed wiring board 4. The chip 1 and the chip carrier substrate 3 are fixed by soldering or the like. Fixing by soldering has the effect of improving the thermal conductivity by improving the thermal contact. Soldering may be omitted. Further, it can be fixed by grease other than soldering.

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。   The printed wiring board 4 has a void in which the chip 1 is disposed, and has wiring for input / output terminals for electrical connection with the electrodes of the chip 1 disposed in the void. The electrodes of the chip 1 and the terminals of the printed wiring board 4 are electrically connected by bonding wires 6. The printed wiring board 4 is fixed on the chip carrier board 3. It may be fixed with an adhesive. Although an example in which the printed wiring board 4 and the chip carrier board 3 are separated is shown, an integrally formed board may be used. In that case, screw holes may be provided in both the integrated printed wiring board 4 and the chip carrier board 3.

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。   The force transmission component 12 is placed on the printed circuit board 4 near the chip. Furthermore, the substrate 11 for pressurization is placed on the force transmission component 12 so as to cover the entire printed wiring board 4. For the pressurizing substrate 11, a metal plate such as copper or a substrate material such as dielectric or resin is used. Screw holes are made in the four corners of the substrate 11 for pressurization, and are opened in the same arrangement as the screw holes 14 made in the four corners of the printed wiring board 4. The position of the screw is not limited to the four corners, and can be provided at a position where it can be firmly tightened.

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。   The screw 13 is passed from above the pressurizing substrate 11, the screw hole 14 of the printed wiring board 4 is also passed, and is screwed into the screw hole 14 of the cooling head 2 to fix the pressurizing substrate 11. Although the example which provided the screw hole in the cooling head itself is shown in figure, you may screw to the member of the refrigerator which hold | maintains a cooling head. By tightening the screw 13, the pressurizing substrate 11 is pushed by the screw 13 and pushes the force transmission component 12, thereby pressing the printed wiring board 4, and heat is generated between the chip carrier substrate 3 and the cooling head 2. Contact can be taken. Only the pressurizing substrate 11 is directly pressed by the screw 13. About the screw hole 14 of the printed wiring board 4, only a screw is penetrated, and the printed wiring board 4 is not directly pressed by the screw 13.

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。   The shape and structure of the force transmission component 12 are not particularly limited as long as the force transmission component 12 has a function of transmitting the pressing force from the pressurizing substrate 11 to the printed wiring board 4. In FIG. 1, a shape of a square frame having a space at the center is illustrated as the force transmission component 12. Thus, the frame shape surrounding the chip as the force transmission component 12 is preferable. Basically, the force transmission component 12 only needs to have a constant height so that the printed wiring board 4 can be uniformly pressed around the vicinity of the chip. Also, if the pressurization board is damaged by the fail-safe function, to prevent damage to the chip, a U-shaped chip cover is formed so as to cover the chip, and the leg is a predetermined part of the printed wiring board. You may make it press. The force transmission component 12 is formed of a material such as a dielectric or resin.

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。   Further, it is desirable to sandwich a metal sheet such as an indium sheet or grease between the chip carrier substrate 3 and the cooling head 2 in order to improve thermal contact. These can also be omitted.

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。   In FIG. 1, one chip is shown in the cooling head in order to explain the present invention. However, a plurality of chips may be similarly mounted on the cooling head.

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。   In the conventional method shown in FIG. 5, the chip or the chip carrier was damaged only by applying a torque of 2 cNm or less when the screw was tightened. On the other hand, when the mounting structure of the first embodiment as shown in FIG. 1 is used, even when a torque close to 20 cNm is applied, it is not damaged. As described above, according to the present invention, it is possible to hold down with a force nearly ten times larger than that of the prior art.

(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。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a multi-chip mounting structure for mounting a large number of chips is shown. In this structure, a plurality of chips are mounted using a common printed circuit board or a common substrate for pressurization. FIG. 3 is an exploded view illustrating the second embodiment. A plurality of chips 1 are fixedly mounted on a chip carrier substrate 3, a common printed wiring board 4 is provided on the chip carrier substrate 3, and a plurality of force transmission components 12 are provided thereon. In addition, a single pressurizing substrate 11 is provided via the force transmission component 12. A screw hole is formed in the substrate 11 for pressurization, and is located at the same position as the screw hole 14 in the printed wiring board 4. The pressurizing substrate 11 and the printed wiring board 4 are fixed to the cooling head 2 with the screws 13 in a state where they are stacked. By tightening the screw 13, the pressing substrate 11 pushes the plurality of force transmission components 12, the force transmission component 12 pushes the printed wiring board 4, and the printed wiring board 4 pushes the chip carrier substrate 3. When the chip carrier substrate 3 is pressed against the cooling head, thermal contact between the chip carrier substrate 3 and the cooling head 2 is improved.

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。   The printed wiring board 4 has a plurality of voids for disposing the chip 1, and has input / output terminal wirings for electrical connection with the electrodes of the chip 1. The electrodes of the chip 1 and the input / output terminals of the printed wiring board 4 are electrically connected by bonding wires. The printed wiring board 4 is fixed on the plurality of chip carrier boards 3.

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。   The force transmission component 12 is placed at a predetermined position on the printed wiring board 4. Further, a single pressurizing substrate 11 is placed on the plurality of force transmission components 12 in a shape that covers the entire printed wiring board 4. The screw 13 is passed from above the pressurizing substrate 11, the screw hole 14 of the printed wiring board 4 is also passed, and screwed into the screw hole 14 of the cooling head 2 to fix the pressurizing substrate 11. Although the example which provided the screw hole in the cooling head itself is shown in figure, you may screw to the member of the refrigerator which supports a cooling head. By tightening the screw 13, the pressurizing substrate 11 is pushed by the screw 13 and pushes the plurality of force transmission components 12, thereby also pushing the printed wiring board 4, and between the chip carrier substrate 3 and the cooling head 2. Can make thermal contact. Only the pressurizing substrate 11 is directly pressed by the screw 13.

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。   In the second embodiment, the shape and structure of the force transmission component 12 are not particularly limited as long as the force transmission component 12 has a function of transmitting the pressing force from the pressing substrate 11 to the printed wiring board 4. In FIG. 2, a cylindrical shape is illustrated as the force transmission component 12, but the shape is not limited as long as the height is the same so that the printed wiring board 4 can be uniformly pressed. A frame shape may be used as in the first embodiment. The force transmission component 12 may be disposed so as to uniformly transmit the force to the vicinity of the chip or to an arbitrary position between the space and the space.

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。   According to the second embodiment, in addition to the function and effect obtained in the first embodiment, the structure in which a plurality of chips are mounted on a single printed wiring board is also strong. Contact can be obtained.

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。   In carrying out the present invention, the first and second embodiments can be appropriately combined. In the embodiment of the present invention, the printed wiring board 4 has been exemplified and described as the first board, but it is not necessarily limited to the wired board or the printed board. Further, a printed wiring board may be used as the second board which is a pressurizing board. Further, in the embodiment of the present invention, with respect to tightening with screws, the positions of the screws are exemplified at the four corners. For example, a wire may be used for fixing.

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。   In the present invention, the JVS chip of the standard voltage generator is cited as an example of the chip. However, the present invention is not limited to the JVS chip element, and is mounted for cryogenic cooling. Can be used for mounting a semiconductor element chip that requires. Moreover, the examples shown in the above-described embodiment and the like are described for easy understanding of the invention, and are not limited to this embodiment.

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。   The present invention is particularly useful in the Josephson voltage standard that implements chips that integrate superconducting Josephson devices. In addition, it is useful in the superconducting electronics field and the cryogenic cooling technology field in the semiconductor field.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, Chip 2, Cooling head 3, Chip carrier board 4, Printed wiring board 5, Input / output terminal 6, Bonding wire 7, Screw 8, Screw hole 11, Pressurizing board 12, Force transmission component 13, Screw 14, Screw hole

Claims (3)

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。   A cryogenic cooling device for fixing a chip to a cooling head of a refrigerator, wherein a chip carrier substrate on which a chip is mounted, a first substrate, a force transmission component, and a second substrate are sequentially stacked, and the second A cryogenic cooling device, wherein the second substrate is fixed to a refrigerator so that the substrate presses the first substrate and the chip carrier substrate against the cooling head via the force transmission component. . 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。   The cryogenic cooling device according to claim 1, wherein the force transmission component has a frame shape surrounding the chip. 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。   The first substrate includes a plurality of cavities for disposing chips, and the second substrate presses the first substrate and the chip carrier substrate against the cooling head via the plurality of force transmission components. The cryogenic cooling device according to claim 1, wherein the second substrate is fixed to a refrigerator.
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