JP2551114B2 - Method for manufacturing superconducting circuit board - Google Patents

Method for manufacturing superconducting circuit board

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  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 超伝導多層回路基板の製造方法に関し、 層間の回路接続が確実に行われている多層基板を得る
ことを目的とし、 ビア形成位置を孔開けしたセラミック基板に酸化物超
伝導物質を成分として含むペーストを印刷し、それぞれ
の孔にペーストを充填し封口した後に、この基板上に導
体パターンを印刷し乾燥して後、焼成して単位のセラミ
ック回路基板を形成する工程と、このセラミック回路基
板のビア形成位置に更に超伝導ペーストを印刷してパッ
ドをパターン形成する工程と、このセラミック回路基板
の周辺部にスペーサを配置し、位置合わせを行いつゝ複
数のセラミック回路基板を積層し、加圧しながら乾燥す
る工程と、スペーサを取り除いた後、酸化雰囲気中で焼
成して一体化する工程とを含んで超伝導回路基板の製造
方法を構成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Outline] A method for manufacturing a superconducting multilayer circuit board, which aims to obtain a multilayer board in which circuit connection between layers is surely performed, in order to obtain a ceramic board having a via formation position After printing a paste containing oxide superconducting material as a component, filling and sealing each hole with paste, printing a conductor pattern on this board, drying and firing to form a unit ceramic circuit board And the step of forming a pad pattern by further printing a superconducting paste at the via formation position of this ceramic circuit board, and arranging spacers in the peripheral part of this ceramic circuit board to perform alignment. It includes the steps of stacking ceramic circuit boards and drying them under pressure, and removing the spacers, and then firing and oxidizing them in an oxidizing atmosphere to integrate them. A method of manufacturing a road substrate is configured.

〔産業上の利用分野〕[Industrial applications]

本発明は超伝導多層回路基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a superconducting multilayer circuit board.

ニオブ(Nb),鉛(Pb)などの元素および錫化ニオブ
(Nb3Sn),ビスマス・鉛・バリウム・酸素(Bi-Pb-Ba-
O)などの物質が超伝導現象を示すことは知られていた
が、超伝導転移温度(Tc)は金属元素については高くて
も10Kに止まり、また無機化合物についてもゲルマリウ
ム化ニオブ(Nb3Ge)の23.5Kが最高であって、15K以上
の材料は数えるほどしか存在しなかった。
Elements such as niobium (Nb) and lead (Pb) and niobium tin (Nb 3 Sn), bismuth, lead, barium, oxygen (Bi-Pb-Ba-
It has been known that substances such as O) show superconductivity, but the superconducting transition temperature (Tc) of metal elements remains at 10 K at the highest, and that of inorganic compounds also includes germanium niobium (Nb 3 Ge) was highest at 23.5K, and there were only a few materials above 15K.

然し、1986年4月にBednorzとMullerによってランタ
ン・バリウム・銅・酸素(La-Ba-Cu-O)系の酸化物セラ
ミックスについて高温超伝導現象が発見されて以来、イ
ットリウム・バリウム・銅・酸素(Y-Ba-Cu-O)系およ
びYを含む希土類元素−Ba-Cu-O)系についてTcが約90K
を示す超伝導セラミックスが発見されるに到った。
However, since the high-temperature superconductivity phenomenon of lanthanum-barium-copper-oxygen (La-Ba-Cu-O) oxide ceramics was discovered by Bednorz and Muller in April 1986, yttrium-barium-copper-oxygen Tc of about 90 K for (Y-Ba-Cu-O) system and rare earth element-Ba-Cu-O) system containing Y
We have discovered a superconducting ceramic that exhibits.

その後、Ba成分をストロンチウム(Sr)やカルシウム
(Ca)成分に置換したり、La成分をビスマス(Bi)やタ
リウム(Tl)に置換したBi-Sr-Ca-Cu-O系(Tc≒110K)
やTl-Ba-Ca-Cu-O系(Tc≒120K)などが発表されてい
る。
After that, the Ba component was replaced with strontium (Sr) or calcium (Ca) component, or the La component was replaced with bismuth (Bi) or thallium (Tl), Bi-Sr-Ca-Cu-O system (Tc ≈ 110K)
And Tl-Ba-Ca-Cu-O system (Tc ≈ 120K) have been announced.

さて、大量の情報を高速に処理する情報処理装置、特
に高速化を必要とする電算機部門には高電子移動度トラ
ンジスタ(略称HEMT)や共鳴トンネリング・ホットエレ
クトロン・トランジスタ(略称RHET)などガリウム・砒
素(GaAs)からなる半導体素子が導入されつゝあるが、
これらの半導体素子は液体窒素(N2)の温度で特性を発
揮することから、かゝる半導体素子を搭載する電子回路
を超伝導セラミックスで形成すれば極めて効果的であ
る。
Information processing devices that process large amounts of information at high speed, especially in the computer sector that requires high speed, include high electron mobility transistors (abbreviated as HEMT) and resonant tunneling hot electron transistors (abbreviated as RHET). Although semiconductor devices made of arsenic (GaAs) have been introduced,
Since these semiconductor elements exhibit their characteristics at the temperature of liquid nitrogen (N 2 ), it is extremely effective to form an electronic circuit mounting such semiconductor elements with superconducting ceramics.

本発明はこれら超伝導セラミックスよりなる多層回路
基板の製造方法に関するものである。
The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer circuit board made of these superconducting ceramics.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の電子回路の形成法としては薄膜法と厚膜法とが
あり、共に配線基板としては耐熱性が優れていると共に
誘電率が低いアルミナ(α−Al2O3)などのセラミック
スを用い、薄膜法の場合はこの上に電子ビーム蒸着やス
パッタなどの方法により金(Au)やタンタル(Ta)など
の薄膜を形成し、写真蝕刻技術(フォトリソグラフィ)
を用いて選択エッチングを行い、微細パターンからなる
導体線路を形成している。
There are a thin film method and a thick film method as conventional methods for forming an electronic circuit. In both cases, ceramics such as alumina (α-Al 2 O 3 ) having excellent heat resistance and a low dielectric constant are used as a wiring board, In the case of the thin film method, a thin film such as gold (Au) or tantalum (Ta) is formed on it by a method such as electron beam evaporation or sputtering, and photo-etching technology (photolithography)
Is used for selective etching to form a conductor line having a fine pattern.

また、厚膜法の場合はスクリーン印刷法によりAuペー
ストや銀・パラジウム(Ag-Pd)ペーストなどの導体ペ
ーストからなるパターンを作り、これを焼成することに
より導体線路を形成している。
In the case of the thick film method, a pattern made of a conductor paste such as Au paste or silver-palladium (Ag-Pd) paste is formed by screen printing, and the conductor line is formed by firing the pattern.

そして、回路が複雑になり、多層化を要する場合には
主に厚膜法が使用され、未焼成のセラミックス・グリン
シートの上に導体ペーストをスクリーン印刷した後、位
置決めしながら積層して加圧し、焼成して一体化するこ
とにより多層回路基板が作られている。
When the circuit becomes complicated and multiple layers are required, the thick film method is mainly used.After conductor printing is screen-printed on an unfired ceramic green sheet, it is laminated and pressed while positioning. A multilayer circuit board is manufactured by firing and integrating.

然しながら、金属蒸着膜や導体ペーストの代わりに超
伝導セラミックスを用い、これを導体線路として多層回
路基板を形成することは未だ実用化されていない。
However, it has not yet been put to practical use to use a superconducting ceramics instead of the metal vapor deposition film or the conductor paste and use this as a conductor line to form a multilayer circuit board.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

酸化物超伝導物質としては組成物に各種のものが開発
されているが、発明者等が実用化を進めているイットリ
ウム(Y)・バリウム(Ba)・銅(Cu)・酸素系セラミ
ックス(YBa2Cu3O7-d)について超伝導特性を得るため
には焼成中の雰囲気調整が必要であるために、従来のよ
うにグリーンシートの上に電子回路パターンを印刷・乾
燥した後に積層して焼成し、一体化する方法をとること
が困難である。
Various compositions have been developed as oxide superconducting materials, but the inventors have been putting them into practical use, and yttrium (Y), barium (Ba), copper (Cu), and oxygen-based ceramics (YBa). 2 Cu 3 O 7-d ) It is necessary to adjust the atmosphere during firing in order to obtain superconducting properties. It is difficult to adopt a method of firing and integrating.

そこで、多層化に当たってセラミック基板単位毎に印
刷焼成し、これを積層することになるが、この場合は基
板上にパターン形成した導体線路の分だけ厚さが増して
いることゝ、多少なりとも基板に反りが存在しているた
めに、積層する場合はビア(Via-hole)形成位置と下の
基板の導体線路との配線接続が充分にとれないことが問
題である。
Therefore, in multilayering, printing and firing are performed for each ceramic substrate unit, and this is laminated, but in this case, the thickness is increased by the amount of the conductor lines patterned on the substrate. Since there is a warp in the wiring, there is a problem in that in the case of stacking, the wiring connection between the via (Via-hole) formation position and the conductor line of the lower substrate cannot be sufficiently obtained.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記の課題はビア形成位置を孔開けしたセラミック基
板に超伝導ペーストを印刷し、それぞれの孔にペースト
を充填し封口した後に、この基板上に導体線路を印刷し
乾燥して後、焼成して単位のセラミック回路基板を形成
する工程と、このセラミック回路基板のビア形成位置に
更に超伝導ペーストを印刷してパッドをパターン形成す
る工程と、このセラミック回路基板の周辺部にスペーサ
を配置し、位置合わせを行いつゝ複数のセラミック回路
基板を積層し、加圧しながら乾燥する工程と、スペーサ
を取り除いた後、酸化雰囲気中で焼成して一体化する方
法をとることにより解決することができる。
The above problem is to print a superconducting paste on a ceramic substrate with holes for via formation, fill the holes with paste and seal the conductor, print a conductor line on this substrate, dry it, and then bake it. A step of forming a unit ceramic circuit board, a step of further printing a superconducting paste at the via formation position of this ceramic circuit board to form a pad, and a spacer being arranged at the peripheral portion of this ceramic circuit board. This can be solved by the steps of stacking a plurality of ceramic circuit boards, drying them while applying pressure, and removing the spacers and firing them in an oxidizing atmosphere to integrate them.

〔作用〕[Action]

発明者が実用化研究を行っている希土類元素−Ba-Cu-
O系例えばY-Ba-Cu-O系の超伝導回路を形成する場合の問
題点は、超伝導セラミックスを用いて導体ペーストを作
り、これを用いてスクリーン印刷などの方法によりパタ
ーン形成した基板を焼成して導体線路を形成する場合
に、ペースト中に含まれている有機溶剤とバインダが加
熱によって分解し、この際に超伝導セラミックスの構成
材である酸化物が還元されてYBa2Cu3O7-dの組成比を示
すセラミックスが得られないことである。
Rare earth element-Ba-Cu-
A problem in forming an O-based, for example, Y-Ba-Cu-O-based superconducting circuit is that a conductor paste is made using superconducting ceramics, and a substrate formed by patterning by a method such as screen printing is used. When firing to form a conductor line, the organic solvent and binder contained in the paste are decomposed by heating, and at this time the oxides that are the constituent material of the superconducting ceramics are reduced and YBa 2 Cu 3 O That is, ceramics having a composition ratio of 7-d cannot be obtained.

そのためには、酸化雰囲気中で焼成することが必要で
あるが、超伝導ペーストをスクリーン印刷し、積層した
状態では酸素(O2)の供給が悪く、超伝導セラミックス
を形成することが困難である。
For that purpose, it is necessary to fire in an oxidizing atmosphere, but when superconducting paste is screen-printed and stacked, oxygen (O 2 ) supply is poor and it is difficult to form superconducting ceramics. .

そこで、本発明においては多層配線基板を形成する各
基板毎に予め超伝導導体線路を形成しておく。
Therefore, in the present invention, a superconducting conductor line is formed in advance for each substrate forming the multilayer wiring substrate.

次に、各配線基板を縦方向に回路接続するビア部にパ
ッドを設け、その位置を基板より盛り上げおく。
Next, a pad is provided in a via portion that vertically connects the wiring boards to each other, and the position is raised from the board.

かゝる基板を位置合わせし、積層した後に加圧する
と、ビア部の接続は充分であり、またパッド部は周囲が
隙間であり、O2の供給は充分であるためにパッド部を超
伝導セラミックス化することができる。
Aligning the Such substrate, is pressurized after stacking, connecting via portion is sufficient, also the pad portion is surrounding a gap, superconducting pad portion for the supply of O 2 is sufficient It can be made into ceramics.

このようにすると、多層配線基板は各層がビャ位置で
接続し、相互に隙間が存在しているが、この構成は高周
波特性的に有利である。
In this way, the multilayer wiring board has layers connected to each other at beer positions and gaps exist therebetween, but this configuration is advantageous in terms of high frequency characteristics.

すなわち、アルミナ基板を使用する場合、誘電率は約
10と大きく、アルミナ基板を挟んで上下に存在する配線
間に漏話(Cross-Talk)が生じ易いが、空気層が存在す
ることによってこれが防げると云う副次的な効果もあ
る。
That is, when using an alumina substrate, the dielectric constant is about
It is as large as 10, and cross-talk tends to occur between the wirings above and below the alumina substrate, but there is a side effect that this can be prevented by the presence of the air layer.

〔実施例〕〔Example〕

従来の方法でYBa2Cu3O7-dの組成をもつ超伝導セラミ
ックスを形成した後、擂解機とボールミルとを用いて粉
砕し、整粒して平均粒径が2〜3μmの微粒子とした。
After forming a superconducting ceramics having a composition of YBa 2 Cu 3 O 7-d by a conventional method, it is pulverized by using a disintegrator and a ball mill and sized to obtain fine particles having an average particle diameter of 2 to 3 μm. did.

そして、有機溶剤としてはテレピネオールとメチルエ
チルケトンおよびアセトンを用い、またバインダとして
はポリビニルブチラール(略称PVB)を用い、粘度が200
0ポイズ(Ps)の超伝導ペーストを形成した。
Then, terpineol, methyl ethyl ketone, and acetone are used as the organic solvent, and polyvinyl butyral (abbreviated as PVB) is used as the binder, and the viscosity is 200
A superconducting paste of 0 poise (Ps) was formed.

次に、大きさが10cm角で厚さが0.65mmのアルミナ基板
を用意し、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネ
ット)レーザを用いてビア形成部に直径が0.2mmの孔開
けをしたものを必要な枚数だけ用意した。
Next, prepare an alumina substrate with a size of 10 cm square and a thickness of 0.65 mm, and use a YAG (yttrium-aluminum-garnet) laser in which the via formation part is perforated with a diameter of 0.2 mm. I prepared only the number.

先ず、スクリーン印刷法によりアルミナ基板のビア形
成部に超伝導ペーストを充填した後、この基板上に配線
パターンを30μmの厚さに形成した。
First, a via formation portion of an alumina substrate was filled with a superconducting paste by a screen printing method, and then a wiring pattern having a thickness of 30 μm was formed on this substrate.

そして、アルゴン(Ar)とO2の混合雰囲気中で1000℃
で30分間焼成した後、続いて同じ雰囲気中で900℃で1
時間に亙ってアニールを行い、超伝導線路を形成した。
And 1000 ℃ in a mixed atmosphere of argon (Ar) and O 2.
After baking for 30 minutes in the same atmosphere at 900 ℃ 1
Annealing was performed over time to form a superconducting line.

こゝで、アニールはYBa2Cu3O7-dの分子式におけるd
の値の調節のためである。
Here, the annealing is d in the molecular formula of YBa 2 Cu 3 O 7- d.
This is for adjusting the value of.

次に、焼成の終わったアルミナ基板のビア形成位置の
上下に超伝導体ペーストをスクリーン印刷し、厚さが20
μmのパッドを形成した。
Next, screen print a superconductor paste on the top and bottom of the via formation position on the baked alumina substrate to a thickness of 20
A μm pad was formed.

次に、かゝる基板でパターン形成の行われていない四
隅に厚さが50μmのポリエステル製のスペーサをそれぞ
れ配置し、位置合わせを行いながら積層し、加圧した状
態で乾燥した。
Then, spacers made of polyester having a thickness of 50 μm were arranged at the four corners of the substrate, on which no pattern was formed, and the spacers were laminated while being aligned and dried under pressure.

次に、四隅のスペーサを取り除いた後、先と同様に条
件すなわち、ArとO2の混合雰囲気中で1000℃で30分間焼
成した後、続いて同じ雰囲気中で900℃で1時間に亙っ
てアニールを行い、超伝導パターンを形成した。
Next, after removing the spacers at the four corners, the same conditions as above, that is, firing in a mixed atmosphere of Ar and O 2 at 1000 ° C. for 30 minutes, and then in the same atmosphere at 900 ° C. for 1 hour Annealing was performed to form a superconducting pattern.

このようにして生じた相互の基板間に空隙部をもつ多
層回路基板は各基板の凹凸をビア部で吸収して接続は完
全であり、またビァ部のパッドも酸化ガスの供給が充分
に行われているために導体線路と同様な超伝導セラミッ
クスを得ることができた。
The multi-layer circuit board having voids between the two boards thus created absorbs the unevenness of each board by the via part and completes the connection, and the pad of the via part is also supplied with sufficient oxidizing gas. Because of this, superconducting ceramics similar to conductor lines could be obtained.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明の実施により超伝導転移温度(Tc)が約80Kの
超伝導多層配線基板を得ることができ、このようにして
得られた多層回路基板を使用することによりHEMT,RHET
やジョセフソン素子のように液体N2の温度で使用する半
導体素子の性能を充分に発揮することが可能になった。
By carrying out the present invention, a superconducting multilayer wiring board having a superconducting transition temperature (Tc) of about 80 K can be obtained. By using the thus obtained multilayer circuit board, HEMT, RHET
It has become possible to fully demonstrate the performance of semiconductor devices used at the temperature of liquid N 2 such as the and Josephson devices.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ビア形成位置を孔開けしたセラミック基板
に酸化物超伝導物質を成分として含むペーストを印刷し
て該孔にペーストを充填し封口した後に前記基板上に導
体パターンを印刷し乾燥して後、焼成して単位のセラミ
ック回路基板を形成する工程と、 該セラミック回路基板のビア形成位置に更に酸化物超伝
導物質を成分として含むペーストを印刷してパッドをパ
ターン形成する工程と、 該セラミック回路基板の周辺部にスペーサを配置し、位
置合わせを行いつゝ複数のセラミック回路基板を積層
し、加圧しながら乾燥する工程と、 前記スペーサを取り除いた後、酸化雰囲気中で焼成して
一体化する工程と、 を含んで構成されることを特徴とする超伝導回路基板の
製造方法。
1. A ceramic substrate having holes for forming vias is printed with a paste containing an oxide superconducting substance as a component, the holes are filled with the paste, the conductor pattern is printed on the substrate and dried. And then firing to form a unitary ceramic circuit board, and a step of printing a paste containing an oxide superconducting material as a component at a via formation position of the ceramic circuit board to form a pad pattern, Spacers are placed on the periphery of the ceramic circuit board to align the ceramic circuit boards, and a plurality of ceramic circuit boards are stacked and dried while applying pressure. After removing the spacers, firing is performed in an oxidizing atmosphere to integrate them. A method of manufacturing a superconducting circuit board, comprising:
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