JP2831616B2 - 高温超伝導体を使用する静電気放電保護方法および装置 - Google Patents

高温超伝導体を使用する静電気放電保護方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は静電気放電（ＥＳ
Ｄ）からの半導体回路の保護、特にＥＳＤ保護を行うた
め回路板上の高温超伝導体の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体回路製造では継続して装置密度と
全体のシステム速度を増加するため装置の構造を減少す
るように努されている。これらの装置のサイズを減少す
るため、これらの装置を形成する個々の物理層も減少さ
れる。例えば、ゲート酸化層は典型的なトランジスタ装
置の縮小でさらに薄くなっている。ゲート酸化物層の薄
膜化は、装置の破損を生じる静電気放電（ＥＳＤ）に対
して装置の感度が大きくなることを示す。
【０００３】典型的な回路板設計では、回路板上にＥＳ
Ｄ保護を行うため背中合せのダイオード装置が給電導体
と電気接続部の間で使用される。残念ながら、これらの
装置は接続部とレール間に直列の抵抗を提供せず、従っ
て常に十分な量の保護を与えない。通常、大きな直列抵
抗が電気接続部におけるＥＳＤの問題を解決するのに理
想的であると考えられる。しかしながら、大きな直列抵
抗はバイアスおよび入力／出力ラインのような最も活動
的な電流ラインで実用的ではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】さらに、回路製造に高
価な段階を付加しても適切なＥＳＤ保護がなければ重要
な問題を起こす。システムのインライン試験（ＳＩＴ）
のあらゆる段階で生じるＥＳＤ損傷はシステムの完全な
解体、損傷回路の取換え、システムの再構成を必要とす
ることによって価格を増す。再構成プロセスはまた認定
および確認試験処理の反復を必要とすることによって価
格を増加する。
【０００５】それ故、電流伝送ラインに対して大きな直
列抵抗を与え、ＳＩＴ製造段中のＥＳＤ損傷に関する問
題を減少させるＥＳＤ保護機構が必要である。
【０００６】本発明はこれらの必要性を満たすことを目
的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は静電気放電（Ｅ
ＳＤ）およびパワーサージに対して保護された回路板
と、そのような保護を行う方法を提供する。保護された
回路板は温度感知性の導電材料と半導体回路素子とを含
んでいる。温度感知性導電材料は臨界的な電流密度を有
し、臨界電流密度が超過されるとき高インピーダンスを
与え、好ましくは高温超伝導体を具備する。半導体回路
素子は温度感知性導電材料に結合され、電流伝送機構と
焦点面アレイとを含む。好ましくは温度感知性導電材料
と半導体回路素子は直列に結合される。
【０００８】本発明の方法では、回路板上に電流伝送機
構を設け、電流伝送機構を温度感知性導電材料に結合す
ることによりＥＳＤ保護回路板が設けられる。温度感知
性導電材料は材料の電流密度が超過されるとき高インピ
ーダンス状態となる。好ましくは、温度感知性導電材料
はイットリウムバリウム銅酸化物のような高温超導電体
である。本発明の方法はさらに材料がダイ形態で形成さ
れるとき材料を板にエポキシで接着するステップを含ん
でいる。別の方法は回路板にサファイヤ基体を設けるス
テップを含んでいる。サファイヤ基体が設けられると
き、本発明の方法は基体上にセシウム酸化物層を形成
し、セシウム酸化物上にイットリウムバリウム銅酸化物
の層を形成し、予め定められたパターンに層を成形する
ステップも含んでいる。
【０００９】本発明により、減少された温度設定、例え
ば９０Ｋ−１００Ｋ以下の温度を有する環境で動作する
ように設定されて使用される回路板はより良好にＥＳＤ
およびパワーサージから保護される。材料の臨界的な電
流密度が超過されるとき温度感知性導電材料により与え
られる高インピーダンスは材料が保護機構として容易に
使用されることを可能にする。さらに、冷却された回路
の動作中に材料により与えられるインピーダンスがない
ので、標準的な抵抗素子が直列に存在する電圧減少問題
を与えずにこれは他の回路素子と直列で使用されること
を可能にする。本発明のこれらおよび他の利点は後述の
詳細な説明と添付図面を伴ってより十分に理解されるで
あろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は高温超伝導体材料を使用
する集積回路構造に対するＥＳＤ保護における改良に関
する。後述の説明は当業者が本発明を実行および使用す
ることを可能にするため与えられ、特許出願およびその
必要条件の文脈で与えられる。好ましい実施例の種々の
変形と、ここで説明した一般原理および特徴は当業者に
容易に明白であろう。
【００１１】本発明は電流伝送ラインに直列に接続され
ている高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を使用することによ
って集積回路板上の電流伝送ライン、即ちバイアスおよ
び入力／出力ラインに対してＥＳＤ保護を与える。ＨＴ
Ｓ材料は臨界的な電流密度が超過されるとき高比抵抗の
素子として動作し、回路の冷却動作期間中に実質上抵抗
のない素子として動作する。従って、ＥＳＤ事象または
パワーサージが回路板で生じたとき、即ちＨＴＳ材料の
臨界的な電流密度が増加したとき、本発明により与えら
れるＨＴＳ材料は大きな抵抗として動作し、回路を保護
するため適切に事象を拡散する。さらに、回路が集積ま
たは蓄積期間中に周囲温度で動作しないとき、ＨＴＳ材
料は回路板の保護抵抗として動作する。
【００１２】図１は本発明により形成される回路板の一
部のブロック図全体を示している。回路板10は素子12,1
4,16を含んでいる。冷却された回路素子12は高温超伝導
体（ＨＴＳ）素子14に結合される。ＨＴＳ素子14はさら
に電気接続素子16に結合される。電気接続素子16は好ま
しくは電流伝送ライン、例えば冷却された回路素子12用
のバイアスラインおよび入力／出力ラインを具備する。
この応用目的の冷却された回路素子は焦点面アレイ（Ｆ
ＰＡ）、宇宙ベースおよび戦略センサシステム、および
通常約９０−１００ケルビン（Ｋ）以下の温度で動作す
る商業用装置等のハードウェアを含む。
【００１３】図２は本発明の好ましい実施例により形成
される回路板10のより詳細な部分図を示している。図２
で示されているように、ＨＴＳ素子14は当業者によく知
られているように結合ワイヤ24を経て結合パッド20,22
に電気的に接続される。結合パッド20はよく知られた技
術により入力パッド26に電気的に接続されている。結合
パッド22は同様に冷却された回路素子（図示せず）に電
気的に接続されている。
【００１４】１つの好ましい実施形態のＨＴＳ素子14は
個別の素子または“ダイ”として形成されている。ダイ
は好ましくはＨＴＳ両立性基体上でパターン化されてい
るＨＴＳ材料を具備している。例示として、当業者によ
く知られている方法によるイットリウム安定化ジルコニ
ア基体上にパターン化されたイットリウムバリウム銅酸
化物は適切に動作することが本発明者により発見されて
いる。ダイ形態のＨＴＳ素子14の形成はＨＴＳ素子14の
接続がよく知られた方法で行われることを可能にする。
例えば、ダイは回路板にバイパスキャパシタを結合する
ときに使用される方法と類似した方法で適切に回路板10
にエポキシで接着され、当業者により認められているよ
うに信号ラインと直列に結合される。ダイとしてＨＴＳ
素子14を形成する別の利点は、所望に回路またはセンサ
とのダイの結合を容易にするダイを大量生産し、ＨＴＳ
素子14を他の個別の回路素子として使用するのに便利な
ようにする能力である。
【００１５】代りの実施例では、ＨＴＳ素子14は回路板
10上に直接形成される。例えば回路板10のサファイヤの
ベース材料はＨＴＳ素子14の構成の基体層として使用す
るのに適している。好ましくは、セシウム酸化物の層は
サファイヤ基体上にバッファ層として形成される。ＨＴ
Ｓ材料の層は回路板10上に直接ＨＴＳ素子14を設けるの
に所望のパターンでセシウム酸化物上に形成される。付
着とパターン化の詳細なステップは当業者によく知られ
ている。この構成方法を使用することによって、回路板
のＥＳＤ保護は便宜的に回路板自体に組込まれる。
【００１６】ダイ形態または組込み方法のいずれかによ
るＨＴＳ素子14の使用はＨＴＳ材料特性を利用すること
により回路板上でより実効的なＥＳＤ保護を与える。好
ましくは、ほとんどの回路板では大きな抵抗素子がＥＳ
Ｄ感知性回路と入力パッドの間で保護として使用され
る。典型的に、大きな抵抗を横切る電圧低下のために大
きな抵抗の素子の使用はクロックラインの限定範囲での
み可能であり、電流伝送ライン、例えばバイアスライン
で実用的ではない。しかしながら、本発明で使用される
ＨＴＳ材料はこのような非効率が便利で率直な方法で克
服されることを可能にする特性を有する。
【００１７】通常状態、即ち臨界温度（Ｔc ）を越える
温度でＨＴＳ材料は抵抗素子として動作し、即ち、動作
しない期間に回路ノードを保護する。約９０Ｋ（Ｔc ）
より低温における図３のイットリウムバリウム銅酸化物
の比抵抗対温度を示したグラフにより示されているよう
に、材料の比抵抗はゼロに低下し、即ちその存在は基本
的に動作期間中透明である。従って、冷却された環境
（ＴopはＴc より低い）で使用された回路では、入力パ
ッドと直列するＨＴＳ材料の組込みにより、付加される
抵抗はなく、それ故回路の通常の動作下で電圧降下はな
い。しかしながら、ＨＴＳ材料の臨界的な電流密度が超
過されるとき、ＨＴＳ材料は大きな抵抗の素子として動
作する。従って、回路の電流を増加するＥＳＤ事象また
はパワーサージでは、ＨＴＳ材料は適切に電流伝送ライ
ン上に大きな直列抵抗を提供し、それによって事象また
はサージを拡散し別々の回路素子を保護する。しかしな
がら、選択されたＨＴＳ材料は好ましくは当業者により
良好に理解されているようにリセット動作期間等のセン
サ動作の通常の電流スパイク期間に抵抗が付加されるこ
とも防止するため十分に高い臨界電流密度を有するよう
に選択されるべきである。
【００１８】ＥＳＤ保護用のＨＴＳ素子を使用するさら
に別の利点はセンサのある感知性のノードにおいて温度
インターロックを与える能力である。例えば、電圧状態
の検出に使用されるセンサが偶然に温暖温度にオン切換
されるならば、図３のグラフにより示されているように
ＨＴＳ素子は高抵抗を与え、センサの温暖付勢と、電圧
検出器ノードＶDETECTOR等の感知性ノードを妨げる。従
って、回路が動作中でないとき、ＨＴＳ材料は回路板の
保護機構として動作する。しかしながら、冷却動作で
は、前述したようにセンサとノードの通常動作でＨＴＳ
材料は実質上ゼロの抵抗を与える。
【００１９】本発明を図面で示された実施例に応じて説
明したが、当業者は実施形態は変更が可能であり、これ
らの変更は本発明の技術的範囲内にであることを認める
であろう。従って多くの変形は本発明の技術的範囲を逸
脱することなく、特許請求の範囲にのみ限定される技術
的範囲内で行われるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により形成される回路板のブロック図。
【図２】本発明の好ましい実施例によるＥＳＤ保護回路
板の詳細図。
【図３】イットリウムバリウム銅酸化物の超伝導体材料
の比抵抗対温度のグラフ。

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 臨界電流密度を有し、その臨界電流密度
    が超過されるとき高インピーダンスを与える温度感知性
    導電材料と、 電流伝送手段を含んだ回路板上の温度感知性導電材料に
    結合された半導体回路素子とを具備していることを特徴
    とする静電気放電およびパワーサージに対して保護され
    た回路板。
  2. 【請求項２】 半導体回路素子はさらに焦点面アレイを
    具備している請求項１記載の回路板。
  3. 【請求項３】 半導体回路素子は温度感知性導電材料と
    直列に結合されている請求項２記載の回路板。
  4. 【請求項４】 温度感知性導電材料がイットリウムバリ
    ウム銅酸化物で構成されている請求項１記載の回路板。
  5. 【請求項５】 臨界密度が約９０−１００Ｋを越える温
    度で超過される請求項１記載の回路板。
  6. 【請求項６】 回路板上に静電気放電保護を行う方法に
    おいて、 回路板上に電流伝送手段を設け、 温度感知性導電材料を電流伝送手段に結合し、ここで温
    度感知性導電材料は材料の臨界電流密度が超過されると
    き高インピーダンス状態になる事を特徴とする静電気放
    電保護方法。
  7. 【請求項７】 温度感知性導電材料が高温超伝導体で構
    成されている請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 高温超伝導体がイットリウムバリウム銅
    酸化物で構成されている請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 電流伝送手段がバイアスラインを具備し
    ている請求項６記載の方法。
  10. 【請求項１０】 焦点面アレイを設け、焦点面アレイを
    温度感知性材料と電流伝送手段に直列して結合するステ
    ップをさらに有する請求項６記載の方法。
JP8194978A 1995-07-24 1996-07-24 高温超伝導体を使用する静電気放電保護方法および装置 Expired - Lifetime JP2831616B2 (ja)

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