JPH04338683A - 超伝導集積回路素子とその実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超伝導集積回路素子とそ
の実装方法に関する。詳しくは、ラッチングモードで動
作する電圧型論理ゲートで構成される超伝導集積回路を
安定に動作させるための素子構成と実装基板への実装方
法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】超伝導集積回路素子は高速性と低消費電
力性を併せ持つ論理デバイスとして超高速計算機用の基
本論理素子として期待されている。

【０００３】超伝導集積回路を構成する電圧型論理ゲー
トは超伝導状態と電圧状態を論理の０（信号ＯＦＦ）と
１（信号ＯＮ）に対応させる。一般に、このタイプの論
理ゲートは入力信号によって電圧状態に遷移すると回路
の電源電流を切らない限り再び超伝導状態には戻らない
。

【０００４】このような動作モードは通常ラッチングモ
ードと呼ばれており、この場合には交流電源を使用しな
ければならない。図５は従来の超伝導集積回路の例を示
す図で、同図（イ）は回路構成図，同図（ロ）は素子断
面図である。何れも１ゲート部分のみについて示してあ
るが、実際には多数のゲートが形成されていることは言
うまでもない。

【０００５】同図（イ）では１ゲートが２つのジョセフ
ソン接合５から構成されている場合が示してあり、信号
パルスが入力されると導線のインダクタンスｌ１，ｌ２
　の磁気結合によって、超伝導状態

〔０〕にあったジョ
セフソン接合５が電圧状態〔１〕に遷移，すなわち、ス
イッチング素子として動作する。

【０００６】しかし、前記したごとくこのまゝでは電圧
状態にラッチされるので、図示したごとく電源線から高
周波のＲＦ電源電圧を入力してラッチングを解除するこ
とにより連続スイッチング動作が可能となる。なお、こ
の間回路全体が極低温に冷却されていることは言うまで
もない。

【０００７】同図（ロ）は素子断面図の概略であり、た
とえば，Ｓｉからなる集積回路基板１の上にＮｂ膜から
なる超伝導接地層９’と、たとえば，Ｓｉ０２からなる
絶縁膜８’が形成されている。絶縁膜８’の上には抵抗
素子６，たとえば、Ｍｏ膜抵抗とＮｂ膜からなる第２電
極層７’が形成されている。第２電極層７’と超伝導接
地層９’とは絶縁膜８’に設けられたスルーホールを通
して図示したごとく電気的に接続されている。

【０００８】第２電極層７’にはジョセフソン接合５と
絶縁膜４’，たとえば、Ｓｉ０２膜が形成される。ジョ
セフソン接合５は，たとえば、厚さ２ｎｍ程度のごく薄
い　ＡｌＯＸ　膜５０をＮｂ膜５１，５２の間に挟んだ
公知のサンドイッチ構造のものである。そして、最上層
にＮｂ膜からなる第１電極層３’が図示したごとく形成
された素子構造である。

【０００９】なお、実際には多数のゲートが形成されて
いることは言うまでもない。そして、図示してない実装
基板に超伝導集積回路素子１０’を搭載し、実装基板の
接地層と超伝導接地層９’の間やその他信号線間，電源
線間などを，たとえば、ワイヤボンディングにより接続
実装して回路動作を行うようにしている。

【００１０】図６は従来の超伝導集積回路素子の実装方
法の例を示す図で、同図（イ）は上面図，同図（ロ）は
Ａ−Ａ断面図，同図（ハ）はＢ−Ｂ断面図，同図（ニ）
は回路構成図である。

【００１１】たとえば、セラミック基板からなる実装基
板３０’には超伝導集積回路素子１０’を搭載する領域
と導体配線領域とが設けられており、導体配線領域は最
下層にＣｕなどからなる接地層３１’，ポリイミド樹脂
層などからなる絶縁層３２’が形成されている。そして
、絶縁層３２’の上には，たとえば、Ｃｕ膜からなる信
号線用のストリップライン３３’ｓとＲＦ電源用のスト
リップライン３３’ｒが形成され、各ストリップライン
間には接地層３１’に導通される接続パッド３１０’が
図示したごとく配置されている。

【００１２】一方、超伝導集積回路素子１０’の周辺部
には、通常の半導体ＩＣと同様に，信号線用の接続パッ
ド１１’ｓ，ＲＦ電源用の接続パッド１１’ｒ，超伝導
接地層９’に導通される接続パッド１１’ｅなどが実装
基板３０’上のストリップラインや接続パッドの配置に
対応して図示したごとく形成されている。なお、上記各
接続パッド１１’は回路領域１００’のそれぞれの所要
の位置に内部接続されていることは言うまでもない。

【００１３】そして、超伝導集積回路素子１０’は中央
部の超伝導集積回路素子１０’を搭載する領域に、半導
体ＩＣなどで行われている公知の方法でダイボンディン
グされ、それぞれ対応するスクリップライン−接続パッ
ド間，あるいは、接続パッド−接続パッド間を，たとえ
ば、接続ワイヤ３４でボンディングしたあとパッケージ
ングして実装を完了している。

【００１４】これを回路的に見ると同図（ニ）に示した
ようになっている。すなわち、ジョセフソン接合５から
なる各論理ゲートに信号線用のストリップライン３３’
ｓから信号が送られ、一方，ＲＦ電源２００から信号線
用のストリップライン３３’ｒを通してＲＦ電圧が入力
される。

【００１５】信号線用のストリップライン３３’ｓと信
号線用の接続パッド１１’ｓとの間にはそれぞれ接続ワ
イヤ３４によるインダクタンスｌが挿入され、ＲＦ電源
用のストリップライン３３’ｒとＲＦ電源用の接続パッ
ド１１’ｒとの間には一本の接続ワイヤ３４によるイン
ダクタンスＬが挿入される。

【００１６】一方、超伝導集積回路１０’の超伝導接地
層９’と実装基板３０’の接地層３１’との間にも複数
本の接続ワイヤ３４によるインダクタンスＬ０’が挿入
されることになる。

【００１７】なお、出力線については本発明と直接関係
しないので図示説明を省略する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の超
伝導集積回路素子１０’の構造と実装方法では、超伝導
集積回路素子１０’の超伝導接地層９’と実装基板３０
’の接地層３１’との間を複数本の接続ワイヤ３４で接
続しており、その間のインピーダンスを余り小さくする
ことができない。

【００１９】それは複数本の細い接続ワイヤ３４による
インダクタンスＬ０’が挿入されていることに起因する
ものであり、その結果，高周波のＲＦ電源電流Ｉの流入
によって超伝導集積回路素子１０’の超伝導接地層９’
と実装基板３０’の接地層３１’との接地電位を等しく
することができなくなる。

【００２０】たとえば、接続ワイヤ３４の１本当たりの
インダクタンスが１００ｐＨ，接地用の接続ワイヤ３４
を１００本とれたとすると、１０，０００ゲートの論理
回路を１ＧＨｚのＲＦ電圧で１ゲート当たり０．４ｍＡ
の電流で駆動する場合、超伝導集積回路素子１０’の超
伝導接地層９’と実装基板３０’の接地層３１’との間
には、実に２５ｍＶの電位差が生じてしまう。

【００２１】一方、回路内部の論理振幅は通常３ｍＶ程
度であるので両電圧の差は１桁近い値となり、出力信号
が，いわゆる、グランドノイズに埋没して正常な回路動
作が不可能になる。また，出力信号の接地電位変動のた
めに通常の半導体集積回路に直接接続できないなどとい
った重大な問題があり、その解決が求められている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、ラッチン
グモードで動作する超伝導集積回路素子において、超伝
導接地層９を最上層に形成し、前記超伝導接地層９から
接地電位を取り出すように構成した超伝導集積回路素子
によって解決することができる。

【００２３】具体的には、前記超伝導接地層９に導電体
ブロック２０を接触させて接地電位を取り出すようにし
たり、さらに加えて，超伝導集積回路素子１０の信号線
用の各接続パッド１１ｓ間に接地用の接続パッド１１ｅ
を設け、該接地用の接続パッド１１ｅそれぞれから実装
基板３０の接地層３１へ接地する超伝導集積回路素子の
実装方法によって効果的に解決することができる。

【００２４】

【作用】本発明によれば、超伝導集積回路素子の超伝導
接地層９を最上層に形成し、超伝導接地層９に大きな導
電体ブロック２０を接触させ、そこから大きな接地層間
接続ブロック２１を経由して実装基板３０の接地層３１
に低インピーダンスで接地するので、高周波ＲＦ電源で
駆動しても両接地層間に電位差が生じる恐れはなく極め
て安定に回路動作が行われるのである。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の実施例素子の構造を示す断面
図である。図中、２，４，８は絶縁膜で，たとえば、Ｓ
ｉＯ２　膜、３は第１電極層で，たとえば、Ｎｂのスパ
ッタ膜、７は第２電極層で，たとえば、Ｎｂのスパッタ
膜、９は超伝導接地層で，たとえば、Ｎｂのスパッタ膜
である。

【００２６】２０は導電体ブロックで超伝導接地層９の
表面に接触，あるいは、はんだ付けされた，たとえば、
金属製のブロックである。導電体ブロック２０は超伝導
材料である必要はなく交流電流に対するインピーダンス
が十分小さくでき、かつ，放熱のためにできるだけ熱伝
導率の大きいものであればよい。実施例ではＡｌまたは
Ｃｕからなるできるだけ大きいブロック，たとえば、５
ｍｍ□のブロックを使用した。

【００２７】図では１ゲート部分のみについて示してあ
るが、実際には多数のゲートが形成されていることは言
うまでもない。なお、前記の諸図面で説明したものと同
等の部分については同一符号を付し、かつ、同等部分に
ついての説明は省略する。

【００２８】また、基本的な機能，動作は前記図５に示
した従来の例とほゞ同様であるので詳細説明は省略する
が、素子構造的には超伝導接地層９が超伝導集積回路素
子１０の最上層に形成されているのが本質的，かつ、最
も重要な相違点である。

【００２９】図２は本発明の実装方法の例を示す図で、
同図（イ）は上面図，同図（ロ）は側断面図である。図
中、３０は実装基板，たとえば、セラミック基板で、そ
の上には超伝導集積回路素子１０を搭載する領域と導体
配線領域とが設けられており、導体配線領域は最下層に
Ｃｕなどからなる接地層３１，ポリイミド樹脂層などか
らなる絶縁層３２が形成されている。そして、絶縁層３
２の上には，たとえば、Ｃｕ膜からなる信号線用のスト
リップライン３３ｓとＲＦ電源用のストリップライン３
３ｒが形成されている。

【００３０】一方、超伝導集積回路素子１０の周辺部に
は、通常の半導体ＩＣで見られるのと同様に信号線用の
接続パッド１１ｓとＲＦ電源用の接続パッド１１ｒが実
装基板３０上の各ストリップラインの配置に対応して図
示したごとく形成されている。

【００３１】なお、上記各接続パッド１１は回路領域１
００のそれぞれの所要の位置に内部接続されていること
は言うまでもない。そして、超伝導集積回路素子１０は
中央部の超伝導集積回路素子１０を搭載する領域に、半
導体ＩＣなどで行われている公知の方法でダイボンディ
ングされ、それぞれ対応するストリップライン−接続パ
ッド間を，たとえば、接続ワイヤ３４でボンディングす
る。

【００３２】一方、超伝導集積回路素子１０の最上層に
形成された超伝導接地層９の上に、導電体ブロック２０
，たとえば、５ｍｍ□のＡｌブロックが接触しており、
同図（ロ）に図示されたように，たとえば、Ａｌからな
る接地層間接続ブロック２１の内部に形成された嵌合孔
に移動可能なごとくに嵌合されている。接地層間接続ブ
ロック２１と導電体ブロック２０との間には，たとえば
、Ｂｅ−Ｃｕなどからなるスプリング２２が挿着されて
おり超伝導接地層９と導電体ブロック２０との電気的接
続が十分とれるように両者の間を押圧している。

【００３３】接地層間接続ブロック２１の他方の接続部
は実装基板３０の接地層３１で，たとえば、図示したご
とく４個所でネジ３５で固定されて電気的接続が十分と
れるようにされている。なお、同図（イ）では便宜上接
地層間接続ブロック２１を取り外した状態を示してあり
、破線部分が接地層間接続ブロック２１と実装基板３０
の接地層３１との接続領域を示している。

【００３４】なお、超伝導集積回路素子１０の超伝導接
地層９と導電体ブロック２０との接触にははんだ付けな
どの方法を用いてもよいが、図示した本実施例の方法に
よれば超伝導集積回路素子１０の交換などが容易にでき
る利点がある。

【００３５】以上のように実装基板上の実装が終わった
あと、所定のパッケージに収容すれば本発明の超伝導集
積回路素子１０を用いた超伝導集積回路装置が作製され
る。なお、超伝導集積回路素子１０と実装基板３０との
接続は、上記実施例のワイヤボンディングのほかにフリ
ップチップボンディングやリボンボンディングを用いて
もよく、この場合にはより高周波帯の信号ラインの接続
に適している。

【００３６】図３は本発明実施例の回路構成を示す図で
ある。この回路図で前記図６（ニ）の従来例の場合と異
なる点は超伝導集積回路素子１０の超伝導接地層９と実
装基板３０の接地層３１との接続によるインダクタンス
Ｌ０　が殆ど０になっていることである。

【００３７】この理由は既に詳しく説明したように両接
地層間が細い接続ワイヤ３４ではなく、大きな導電帯ブ
ロック２０と接地層間接続ブロック２１によって極めて
低インピーダンスに接続されたためである。

【００３８】これによって、両接地層の接地電位はほゞ
等しくなり、したがって，クランドノイズの影響がなく
なって極めて安定な回路動作が可能になった。図４は本
発明の他の実装方法の例を示す図である。

【００３９】本実施例では上記実施例の場合と同様に超
伝導接地層９に導電体ブロック２０を接触させて接地電
位を取り出すのに加えて、超伝導集積回路素子の信号線
用の各ストリップライン３３ｓ間に接地用の接続パッド
１１ｅを設け、該接地用の接続パッド１１ｅそれぞれか
ら、実装基板３０の接続パッド３１０を経由して接地層
３１へ接地する手段を兼用する実装方法の例である。

【００４０】これにより一層両基板の接地層間電位変動
が小さい装置が構成でき、しかも，図示したごとく信号
用と接地用の接続パッドを交互に配置することにより信
号線間のクロストークを減少させる利点がある。

【００４１】なお、以上の実施例は例を示したものであ
り、本発明の趣旨に反しない限り他の類似の素材や構成
，あるいはそれらの組み合わせを使用して本発明を実現
してもよいことは言うまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば超
伝導集積回路素子の超伝導接地層９を最上層に形成し、
超伝導接地層９に大きな導電体ブロック２０を接触させ
、そこから大きな接地層間接続ブロック２１を経由して
実装基板３０の接地層３１に低インピーダンスで接地す
るので、高周波ＲＦ電源で駆動しても両接地層間に電位
差が生じる恐れがなく極めて安定に回路動作が行われ、
超伝導集積回路装置の性能および品質の向上に寄与する
ところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例素子の構造を示す断面図である
。

【図２】本発明の実装方法の例を示す図である。

【図３】本発明実施例の回路構成を示す図である。

【図４】本発明の他の実装方法の例を示す図である。

【図５】従来の超伝導集積回路の例を示す図である。

【図６】従来の超伝導集積回路素子の実装方法の例を示
す図である。

【符号の説明】

１は集積回路基板、 ２，４，８は絶縁膜、 ３は第１電極層、 ５はジョセフソン接合、 ６は抵抗素子、 ７は第２電極層、 ９は超伝導接地層、 １０は超伝導集積回路素子、 １１（１１ｅ，１１ｒ，１１ｓ）は接続パッド、２０は
導電体ブロック、 ２１は接地層間接続ブロック、 ３０は実装基板、 ３１は接地層、 ３２は絶縁層、 ３３（３３ｒ，３３ｓ）はストリップライン、３４は接
続ワイヤ、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ラッチングモードで動作する超伝導集
   積回路素子において、超伝導接地層（９）を最上層に形
   成し、前記超伝導接地層（９）から接地電位を取り出す
   ことを特徴とした超伝導集積回路素子。
2. 【請求項２】　　前記超伝導接地層（９）に導電体ブロ
   ック（２０）を接触させることにより接地電位を取り出
   すことを特徴とした請求項１記載の超伝導集積回路素子
   の実装方法。
3. 【請求項３】　　超伝導集積回路素子（１０）の信号線
   用の各接続パッド（１１ｓ）間に接地用の接続パッド（
   １１ｅ）を設け、該接地用の接続パッド（１１ｅ）それ
   ぞれから実装基板（３０）の接地層（３１）へ接地する
   ことを特徴とした請求項２記載の超伝導集積回路素子の
   実装方法。