JP2883963B2 - 超伝導デバイス及びその製造方法 - Google Patents

超伝導デバイス及びその製造方法

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泰弘 越本
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は超伝導デバイス及び祖の製造方法、さらに詳
細には高周波領域で使用する受動部品の構造及びその製
造方法に関する。
(従来の技術の説明及び問題点) 従来、数百MHz以上の高周波領域、いわゆるマイクロ
波帯で使用するアンテナ、インダクタ、フィルタなどの
受動部品では、導体の高周波抵抗損失が特性に影響を与
えることから金、銅などの良導体を鏡面に仕上げて使用
していた。しかし、材料自体が持つ比抵抗や分散を低減
することは本質的に不可能であることから、デバイスの
設計が高周波ほど困難となっていた。また、例えば従来
のアンテナの限界を越えるものとして期待されている超
利得アンテナ、超指向性アンテナなどではアンテナ自体
の抵抗損失が制限となることが知られており、実現が困
難であった。
一方、超伝導材料をこれらの高周波用途に用いた場合
には、その高周波抵抗が本質的に低いことから、高性能
なマイクロ波帯の受動部品が構成できることが知られて
おり、特に近年発見されたYBCO系などの高温超伝導材料
ではその高周波抵抗が従来のヘリウム温度で使用するNb
などの金属系超伝導材料に比べ理論的に低くなることか
ら、その高周波部品への応用が期待されている。なかで
もセラミックスの基板上に銀系合金膜を付着せしめ、そ
の上に超伝導厚膜を形成したものでは高周波の表面抵抗
が著しく低く、高周波部品に適していることが知られて
いる(参考文献:石井ほか「Ag添加による焼結酸化物超
伝導材料の表面抵抗低減機構」1990信学会秋季全大、O
Ishii et a1.,Jpn J.Appl Plys.,Vol29No.7L 1075−107
8 1990)。
一般的に言って、装置として使用する場合には他の部
品、例えばトランジスタや集積開路、コンデンサなどと
有機的に組み合わせて機能を実現する必要がある。しか
し、高温超伝導材料は本質的に酸化物であり、通常の電
機接続で使用される半田付けが行なえず、部品間の接続
が難しい欠点があった。他の部品と接合するために、銀
微粉を混練した導電ペーストを用いて電気的な接続を行
なうことは可能であるが、この場合、超伝導体との実行
的な接続面積が小さく、接続部の抵抗が大きくなって折
角の超伝導材料低抵抗性が活きなかった。また、機械的
接合も弱い難点があった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、高温
超伝導材料の特性を生かしつつ、デバイス化に不可欠な
導体との接続を容易とした超伝導デバイス及びその製造
方法を提供することを目的とする。
(問題点を解決するための手段) 上記問題点を解決するため、本発明による超伝導デバ
イスは、セラミックス基板上に金属下地膜を介してパタ
ーン化した超伝導厚膜を形成してなる超伝導デバイスに
おいて、他の部材と接合する部分に相当する超伝導厚膜
の表面に電流の流れるべき方向に沿ってファイバ状に前
記金属下地膜を露出し形成したことを特徴とするもので
ある。
本発明は上記超伝導デバイスを製造する方法も提供す
るものであり、セラミック基板上に金属下地膜を形成
し、さらに超伝導厚膜を形成する超伝導デバイスの製造
方法において、超伝導デバイスの他の部材と接合する部
分に相当する基板部分に電流の流れるぺき方向に沿って
微細な溝を形成する工程、前記金属膜を均一の厚さに前
記基板上に形成する工程、超伝導膜を構成する材料の微
粉末を含むビヒクルを前記金属膜上に設け、焼結する工
程を含むことを特徴とする。
(実施例) 第1図は本発明を適用した超伝導インダクタの例であ
り、1は超伝導厚膜で構成されたメアンダ線路(インダ
クタ)、2は超伝導厚膜で構成されたコプレナ形線路、
3は接合部、4は基板、5は銀系合金下地膜、5aはファ
イバー状下地膜、6はボンディングワイヤ、7はファイ
バ状超伝導膜、11は金属コネクタを示す。例示のため、
コネクタを一方向にしか配置していない例で実際にはコ
ネクタ11はこの図に示すものに比べ大きくなる。なお、
銀系合金下地膜5としては例えば白金1%と銀からなる
合金が適用できる。
超伝導厚膜で構成されたコプレナ形線路2の下には銀
系合金下地膜5が常に存在するから、接合すべき部分の
み超伝導厚膜を剥離もしくは削り落とし、銀系合金下地
膜5を露出させれば容易に他の導体と半田付けもしくは
超音波ボンディングなどで接続できるから何等問題がな
いように考えられる。しかし、超伝導厚膜剥離作業を容
易にするため超伝導厚膜を極端に薄くした場合には、超
伝導特性そのものが劣化するため、かえって不具合であ
る。
これを解決するため、第1図及び第2図の接合部3の
断面構成例で示すように接合部分で超伝導厚膜と銀系合
金下地膜をファイバ状に織り込んだファイバ状金属膜5'
とファイバ状超伝導膜7を形成する。
しかしながら、通常、接合部の幅は数十〜数百μmで
あり、接続が充分平均化される程度に細かなピッチで第
2図に示すような微細なパターンを製作するのは厚膜工
程では極めて困難であり、また後加工で超伝導膜をエッ
チング法などで削って銀系合金下地膜を露出させるため
には複雑な工程が必要となり、実用上問題がある。
そこで本発明による上記超伝導デバイスの製造方法に
おいては、まず最終的に求める形状となるよう基板とな
るグリンシートの成形時に形押しなどで第3図(a)に
示すように最終的に電流が通電する方向に微細な溝を作
製した成形ダイの部分に所定の微細な溝を刻んでおく必
要があるが、ダイをエッチングなどで形成したとしても
一度作製すれば何度でも使用できることから、その作製
コストは問題にならない。この後、グリンシートを焼成
すると第3図(a)に示すような表面に溝部4aと畝部4b
からなる溝を形成した基板4が出来上がる。この焼成過
程は通常の厚膜回路用基板の作製と全く同様である。
完成した基板4の上に、銀系合金9を蒸着などの手法
で均一の厚さに付着せしめ、その上から仮焼成した超伝
導微粉を有機バインダで混練したビヒクル8を塗布す
る。このとき、溝4aの上部には第3図(b)に示すよう
に超伝導微粉が多く存在する。その後に上記厚膜を900
度〜1100度で燒結する。
燒結中に銀系合金は溶融して融合し、第3図(c)に
示すように銀系合金下地膜5を形成するが、この場合、
表面張力により表面が平坦となるように流動する。その
とき、銀系合金上に塗布されていた超伝導微粉も溝の上
に銀系合金の移動にともなって凝集し、溝部の銀系合金
5上で粒成長する。この結果第3図(c)に示すように
超伝導粒子が溶融した銀系合金下地膜の上に浮かんで密
集する形となって細かいファイバ状の凋密なファイバ状
超伝導膜7を形成する。基板の畝4bとなっている部分か
らは銀系合金が超伝導微粉を乗せて流出し、表面には銀
系合金が櫛歯状に露出する。すなわち表面から見るとセ
ラミックス基板4の溝部4bの上にファイバ状超伝導膜7
が存在し、それ以外のところにファイバ状銀系合金膜
5′が存在する形となる。
このような表面張力による流動効果を効率よく利用す
るためには溝の深さとピッチの比が1前後で、深さ自体
が下地膜と同程度である方がよい。もちろんピッチが該
下地膜の寸法より大きくても、また、溝深さが小さくて
も流動効果はあるが、もともと溶融金属の表面張力は有
限であり、基板との濡れ性とのバランスで流動すること
から該流動効果を最大に利用することが好ましい。
この銀系合金部材5はもちろん通常の半田付けが可能
である。このようにして形成した超伝導デバイスは表面
に露出している金属部分の面積が数十%以上あれば容易
に他の部品と接合でき、その機械的強度、電気的接続も
従来の金属で形成した部品と何等変わらない。超伝導材
料が通電方向にファイバ状となっていることから、櫛歯
状の合金部分で融着した金属コネクタは電気的には超伝
導ファイバに圧着する形となり、金属接合と並列して超
伝導−金属の接合面積が増えるから接続部分の抵抗を下
げることができる。接続した後は従来の部品と全く変わ
りなく、例えばケーブルをさらに接続したりしてシステ
ムの一部に組み込むことができる。
下地となるセラミックスは、高温の超伝導材料の高温
焼成に変化がなく、かつ超伝導特性に悪い影響を与えな
いものでなければならない。ジルコニアは厚膜作製基板
として使用しても超伝導特性や機械特性に影響がない
が、超高周波での誘電損失は残念ながら大きいため、ア
ンテナなどの高周波立体部品の形状には不向きである。
しかし、この場合でも芯材にジルコニアを用い、これを
完全に覆うように超伝導厚膜を付着すれば、高周波の電
磁界は超伝導厚膜の表面より内部には侵入せず、あたか
も全体が超伝導材料であるかのように動作するから問題
ない。この場合、所定のデバイス形状となるようにセラ
ミックスを加工する必要があるが、グリンシート上で行
なえば溝加工も同時に行なえるから、本発明を適用する
のに何等工程が増えることはない。この場合、機械的に
は非常に硬いセラミックスの芯材の強度が現われること
から、純粋の超伝導材料よりも取り扱いが容易である。
接合部の抵抗は、常伝導金属を用いることからゼロに
はなり得ないが、超伝導材料も高周波領域ではゼロ抵抗
ではないこと、実用的には接合部の抵抗が小さければ問
題がないことから、例えば第1図の超伝導材で構成した
メアンダインダクタ1と別途構成したコプレナ線路のよ
うな超伝導部品同士を接合する際にも本発明は有効であ
る。
本発明の説明例では基板のグリンシート状での成形に
プレスして溝を形成するような雌型ダイを使用している
が、ボンチに同上の加工をしてもよく、また、連続成形
が必要であればプレスローラーに所定の畝加工を施して
用いてもよいことは言うまでもない。
また、以上の説明では金属下地膜に銀系合金を用いて
説明したが、本発明で用いるところの下地膜は超伝導材
料の燒結温度より融点の低い合金であって超伝導材料と
反応して特性劣化を起こさないものであればよく、純銀
(融点962度)、純金(融点1064度)や金銀合金、ユー
ロビウムなどのランタノイドでもよい。ただし、工業的
には存在%が大きい銀を主体として合金が安価であるこ
とは言うまでもない。なお、超伝導材料の構成主体であ
る銅(融点1083度)は超伝導体中の酸素成分比を変化さ
せて超伝導特性を大幅に劣化させるため、本発明には使
用できないことがわかっている。また、亜鉛なども融点
は低いが超伝導体表面の状態を変化させるため、本発明
の目的には合致しない。
(発明の効果) 以上述べたように、本発明によれば、高温超伝導材料
を用いた高周波部品を他の部品と容易に接続できるか
ら、高音超伝導材料のもつ高周波領域で損失の少ない特
性を生かした高性能で、かつ機械的にも剛性の高い受動
部品が構成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用した超伝導インダクタの例の斜視
図、第2図は第1図の接合部の構成例の斜視図、第3図
は本発明の工程例を示す説明図である。 1……超伝導厚膜で構成されたメアンダ線路(インダク
タ)、2……超伝導厚膜で構成されたコプレナ線路、3
……接合部、4……基板、5……銀系下地膜、5′……
ファイバ状下地膜、6……ボンディングワイヤ、7……
ファイバ状超伝導膜、11……金属コネクタ、4a……基板
に設けられた溝部、4b……畝部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01P 1/04 ZAA H01P 1/04 ZAA 11/00 ZAA 11/00 ZAAG H01R 4/68 ZAA H01R 4/68 ZAA

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミックス基板上に金属下地膜を介して
    パターン化した超伝導厚膜を形成してなる超伝導デバイ
    スにおいて、他の部材と接合する部分に相当する超伝導
    厚膜の表面に電流の流れるべき方向に沿ってファイバ状
    に前記金属下地膜を露出し形成したことを特徴とした超
    伝導デバイス。
  2. 【請求項2】セラミック基板上に金属下地膜を形成し、
    さらに超伝導厚膜を形成する超伝導デバイスの製造方法
    において、超伝導デバイスの他の部材と接合する部分に
    相当する基板部分に電流の流れるぺき方向に沿って微細
    な溝を形成する工程、前記金属膜を均一の厚さに前記基
    板上に形成する工程、超伝導膜を構成する材料の微粉末
    を含むビヒクルを前記金属膜上に設け、焼結する工程を
    含むことを特徴とする超伝導デバイスの製造方法。
  3. 【請求項3】前記金属下地膜が銀糸の合金であり、かつ
    その厚さと同程度の溝のピッチを有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第2項記載の超伝導デバイスの製造方
    法。
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JP4908566B2 (ja) * 2009-09-14 2012-04-04 カウンシル オブ サイエンティフィク アンド インダストリアル リサーチ 高転移温度超伝導体に低接点抵抗の接点を製造する方法

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