JPH07297458A

JPH07297458A - Ｓｑｕｉｄ素子および実装方法

Info

Publication number: JPH07297458A
Application number: JP6107460A
Authority: JP
Inventors: Naoki Matsuda; 直樹松田; Hisashi Kado; 久賀戸
Original assignee: CHODENDO SENSOR KENKYUSHO KK; Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: CHODENDO SENSOR KENKYUSHO KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1994-04-25
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】容易かつ確実に電気的接続可能なＳＱＵＩＤ
素子およびその実装方法を提供する。【構成】ＳＱＵＩＤ基板１上にＳＱＵＩＤループ３を
形成し、ＳＱＵＩＤループ３への入出力用のＳＱＵＩＤ
電極ｔ₁ 〜ｔ₄ の寸法を大きく設定する。外部装置には
ＳＱＵＩＤ電極ｔ₁ 〜ｔ₄ に対応する基板電極Ｔ₁ 〜Ｔ
₄ 等を設け、ＳＱＵＩＤ電極ｔ₁ 〜ｔ₄ と基板電極Ｔ₁
〜Ｔ₄ との間にインジウム粒Ｍ₁ 〜Ｍ₄ を挟み込み上記
各電極間で圧縮することにより上記各電極どうしを電気
的に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人体から発生する磁場
を計測することによる医療診断装置（詳細には心磁波、
脳磁波、眼筋磁場等の生体磁気を計測する装置）、また
は、地磁気計測用装置、あるいは物性測定装置（詳細に
は物質の帯磁率を計測する装置）、さらには通信装置
（詳細には磁気的信号伝送用のインターフェイス）等に
適したＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interfer
ence Device ：超伝導量子干渉デバイス）素子およびそ
の実装方法に関する。ここに、ＳＱＵＩＤとは、液体ヘ
リウムや液体窒素等により断熱容器（クライオスタット
やデュワー等）内で低温状態に維持され、ループ内にジ
ョセフソン接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤル
ープに直流電流をバイアス電流として印加して駆動し、
このＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して外部からの磁束を結合して印加する
と、ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内
のジョセフソン接合における量子的な干渉効果により、
印加された外部磁束の微弱な変化を出力電圧の大きな変
化に変換するトランスデューサとして動作することを利
用して、微小磁束変化を測定する素子である。ＳＱＵＩ
Ｄには、ＳＱＵＩＤループ内にジョセフソン接合を１個
だけ含むｒｆＳＱＵＩＤと、ＳＱＵＩＤループ内にジョ
セフソン接合を２個含むｄｃＳＱＵＩＤなどがある。

【０００２】

【従来の技術】従来のＳＱＵＩＤ素子には、ピックアッ
プコイルや他のエレクトロニクス素子や回路等への接続
のために、一辺が１００〜２００μｍ（マイクロメート
ル）程度のＳＱＵＩＤ素子電極が設けられており、この
ＳＱＵＩＤ素子電極と他の回路等の電極との接続には、
電極間をワイヤーでつなぐワイヤーボンディング、ある
いはＳＱＵＩＤ素子の電極と接続する電極の間に金属等
を挟んでコンタクトをとるフリップチップなどが用いら
れていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のワ
イヤーボンディングによるＳＱＵＩＤ素子電極接続方法
では、接続専用の大掛かりな装置が必要であり、簡便に
接続することは困難である、という問題点があった。ま
た、接続専用の大掛かりな装置を用いることを前提とす
るのがなかば常識化しており、そのせいもあってＳＱＵ
ＩＤ素子の電極寸法は非常に小さく、接続の位置決め
（アライメント）や接続の条件出しが困難である、とい
う問題点もあった。また、上記のフリップチップ方式の
ＳＱＵＩＤ素子電極接続方法には、例えば、図５に示す
ように、まずプリント基板２４上の電極２３の部分のみ
を残して他の基板面をマスキングし、基板２４全体を真
空中に置いて金属蒸着によりコンタクト用の金属を電極
２３上に図５の２５のように析出・成長させた後、プリ
ント基板２４の電極２３の析出金属２５の直上にＳＱＵ
ＩＤ基板２１上の電極２２を正確にアライメント等を行
って対向させ、加熱しつつ押圧したり、超音波により局
部的に溶解させるなどして、両電極２２，２３を接続す
る、という方法が知られている。あるいは、他のフリッ
プチップ式接続方法として、図６に示すように、プリン
ト基板３４上の電極３３に、ボールボンダ等により電極
面積と同等の大きさの金属球を作製し、その後プリント
基板３４上の電極３３の金属球の直上にＳＱＵＩＤ基板
３１上の電極３２を正確にアライメントを行って対向さ
せ、押圧しながら、加熱したり超音波を当てたりして両
電極３２、３３を接続する、という方法が知られてい
る。しかし、このような方法では、フリップチップ接続
専用の大掛かりな装置が必要であり、ＳＱＵＩＤ素子を
簡便に接続することは困難である、という問題点があっ
た。また、上記従来のフリップチップ式接続方法では、
接続用の金属部を大きくすることは非常に困難であるこ
とから、ＳＱＵＩＤ素子の電極寸法には自ずと制限があ
り、電極寸法は上記のように０．１〜０．２ｍｍ角と非
常に小さくせざるを得ず、取り扱いも非常に慎重に行わ
なければならず、接続の位置決め等の接続の条件出しも
困難である、という問題点もあった。本発明は、上記の
問題点を解決するためになされたものであり、容易かつ
確実に電気的接続可能なＳＱＵＩＤ素子およびその実装
方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本願の第１の発明に係るＳＱＵＩＤ素子は、ＳＱＵ
ＩＤ基板上にＳＱＵＩＤループを形成し、当該ＳＱＵＩ
Ｄループへの入出力用のＳＱＵＩＤ電極の寸法を大きく
設定して構成される。上記において、ＳＱＵＩＤ電極の
１辺の寸法を、１ｍｍ程度に設定してもよい。また、本
願の第２の発明に係るＳＱＵＩＤ素子実装方法は、ＳＱ
ＵＩＤ基板上にＳＱＵＩＤループを形成し当該ＳＱＵＩ
Ｄループへの信号入出力用のＳＱＵＩＤ電極を設けたＳ
ＱＵＩＤ素子を外部装置に実装するＳＱＵＩＤ素子実装
方法であって、前記外部装置には前記ＳＱＵＩＤ電極に
対応する装置電極を設け、前記ＳＱＵＩＤ電極と当該装
置電極との間に粒状の電気伝導体を挟み込み前記各電極
間で圧縮することにより前記各電極どうしを電気的に接
続するように構成される。上記において、電気伝導体は
導電性接着材であってもよく、超伝導体であってもよ
く、あるいはインジウムであってもよい。

【０００５】

【作用】上記構成を有する本願の第１の発明によれば、
ＳＱＵＩＤ基板上のＳＱＵＩＤループへの入出力用のＳ
ＱＵＩＤ電極の寸法を大きく設定したので、簡易な装置
で他の外部装置等への実装ができ、本願の第２の発明に
係る実装方法を用いれば、容易かつ確実に電気的接続が
できる。また、上記構成を有する本願の第２の発明によ
れば、ＳＱＵＩＤ電極と外部装置電極との間に粒状の電
気伝導体を挟み込み前記各電極間で圧縮することにより
前記各電極どうしを電気的に接続するようにしたので、
簡易な装置で他の外部装置等への実装ができ、容易かつ
確実に電気的接続ができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図にもとづいて説明
する。本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ素子の全体構
成を図１に示す。図に示すように、このＳＱＵＩＤ素子
１は、５ｍｍ角のＳＱＵＩＤ基板２上に、single - was
her 型のＳＱＵＩＤループ３を形成し、ＳＱＵＩＤルー
プ３内にジョセフソン・トンネル接合４を設け、ＳＱＵ
ＩＤ駆動用のバイアス電流をＳＱＵＩＤ素子電極ｔ₂ か
ら印加するとともにＳＱＵＩＤ出力電圧をＳＱＵＩＤ素
子電極ｔ₁ から取り出し、外部磁束を検出するためにＳ
ＱＵＩＤループ３の外側でＳＱＵＩＤ基板２の外周付近
に４．５ｍｍ角のピックアップコイル５を配設し、この
ピックアップコイル５が検出した外部磁束をＳＱＵＩＤ
ループ３に結合させるためにコイルコンタクトＣ₁ ，Ｃ
₂ により上記ＳＱＵＩＤループ３を利用してピックアッ
プコイル５と入力コイル６との接続をとり、上記ＳＱＵ
ＩＤループ３にＦＬＬ（Flux locked loop：磁束ロック
ループ）用のフィードバック磁束の印加等を行うための
フィードバックコイル７およびＳＱＵＩＤ素子電極ｔ
₃ ，ｔ₄を備えて構成されている。上記の構成により、
ＳＱＵＩＤループ３とピックアップコイル５が同一ＳＱ
ＵＩＤ基板２上に一体形成されている。

【０００７】図１に示すように、ＳＱＵＩＤ基板２の略
中央部に形成されたsingle - washer 型のＳＱＵＩＤル
ープ３は幅が広く、ＳＱＵＩＤループ３の直上に入力コ
イル６がスパイラル構造で積層形成され、相互に磁気的
に結合している。また、フィードバックコイル７はＳＱ
ＵＩＤループ３の直上にループ構造で積層形成され、相
互に磁気的に結合している。また、コイルコンタクトＣ
₁ ，Ｃ₂ は導体であるＳＱＵＩＤループ３を介して相互
に接続されており、これによりピックアップコイル５と
入力コイル６は一つのループを構成し、ピックアップコ
イル５が検出した外部磁束が入力コイル６からＳＱＵＩ
Ｄループ３に結合される。

【０００８】上記のように構成することにより、通常の
製造プロセスでは、ＳＱＵＩＤループの上に、絶縁層・
入力コイル・絶縁層・コイル接続部（ピックアップコイ
ルと入力コイルとを接続する部分）の４層を積層する必
要があるが、本実施例では、ＳＱＵＩＤループ３を介し
てコイル接続をとる構造としたので２層分の積層プロセ
スを省略することができ従来よりも製造プロセスを大幅
に短縮化でき、歩留りの向上が図れる、などの利点があ
る。

【０００９】また、従来のＳＱＵＩＤ素子では、信号入
出力用の電極は外部との接続をワイヤーボンディングで
行いやすいように、チップ基板の外周付近に配置されて
おり、電極面積は小さくて十分であった。

【００１０】これに対し、本実施例のＳＱＵＩＤ素子１
では、ＳＱＵＩＤ基板２を通常の場合と同程度の大きさ
であるが、その外周付近にピックアップコイル５を配置
する構成をとっている。

【００１１】このようにＳＱＵＩＤ基板２の外周付近に
ピックアップコイル５を配置する構成を採用した理由
は、通常、ＳＱＵＩＤ素子と別個に形成され、ＳＱＵＩ
Ｄ素子の大きさに比べてかなり大きかった従来型のピッ
クアップコイルと同様な磁場検出性能をＳＱＵＩＤ基板
上に積層形成されたピックアップコイルで確保するため
には、ピックアップコイルの磁場検出面積を大きくする
必要がある。

【００１２】上記の理由から、本実施例ではＳＱＵＩＤ
基板２の外周付近にピックアップコイル５を配置する構
成を採用したが、ＳＱＵＩＤ素子１と外部との超伝導接
続をとるＳＱＵＩＤ素子電極の配置位置が問題となる。
ＳＱＵＩＤ基板２の外周付近にピックアップコイル５を
配置する構成の結果、外周部のピックアップコイル５と
中央部のＳＱＵＩＤループ３との間にスペースを生み出
すことができるので、このピックアップコイル５の内側
の部分にＳＱＵＩＤ素子電極を配置することが考えられ
る。

【００１３】一方、だからといって、外部接続用のＳＱ
ＵＩＤ素子電極をピックアップコイル５の外側に設ける
と、ＳＱＵＩＤ素子電極の大きさの分だけピックアップ
コイルを内方へ配置しなければならず、ピックアップコ
イルの磁場検出性能が低下するおそれがある。また、製
造プロセスの観点からも、ピックアップコイルの上に、
ピックアップコイルを横切る接続部を形成するため、絶
縁層・接続部（ＳＱＵＩＤ素子と外部とを接続する部
分）の２層をさらに積層する必要があり、歩留りが低下
する、というおそれも考えられる。

【００１４】本実施例では、外周部のピックアップコイ
ル５と中央部のＳＱＵＩＤループ３との間に生み出され
たスペースを他の問題を惹起させずに活用するため、こ
の生み出しスペース部分に、約１ｍｍ角と従来よりもか
なり大きな４つのＳＱＵＩＤ素子電極ｔ₁ 〜ｔ₄ を配置
するような構成をとっている。

【００１５】このような構成により、ピックアップコイ
ルの磁場検出面積を犠牲にすることなく電極面積を大き
くできるため、ＳＱＵＩＤ素子の電極と接続する電極の
間に導電体を挟んで直接的に電気的コンタクトをとるフ
リップチップと呼ばれる接続方式を採用するにも、専用
装置を使用せずにフリップチップ接続を行うことが可能
となる。

【００１６】すなわち、図２に示すように、上記のＳＱ
ＵＩＤ素子１を実装しようとする外部のプリント基板１
０上の基板電極Ｔ₁ 〜Ｔ₄ 上に、インジウムの粒Ｍ₁ 〜
Ｍ₄を置き、次いで、図３に示すように、このインジウ
ム粒Ｍ₁ 〜Ｍ₄ を挟むようにしてＳＱＵＩＤ素子１全体
を圧縮すれば、インジウム粒は室温で容易に塑性変形す
るとともに一種の粘着性を有しているので、インジウム
粒Ｍ₁ 〜Ｍ₄ を一種の接着材として直接的にＳＱＵＩＤ
素子電極ｔ₁ 〜ｔ₄ と基板電極Ｔ₁ 〜Ｔ₄ との電気的接
続をとることができる。上記のインジウム粒は、必ずし
も図２に示すような球形状粒でなくてもよい。要は、Ｓ
ＱＵＩＤ素子電極と基板電極の双方とある程度以上の接
触面積を有して接触し両者を接続できればよいのであ
る。上記において、基板電極Ｔ₁ 〜Ｔ₄ は外部装置の装
置電極に相当している。

【００１７】上記の技術を発展させれば、図４に示すよ
うに、正５角形と正６角形とから構成される多面体（い
わゆるサッカーボール体）の殻の半分から成る多面殻体
１４の各平面基板部（正５角形の部分又は正６角形の部
分）上の電極に上記方法と同様にして、導電体粒等を置
き、次いで、この導電体粒を挟むようにしてＳＱＵＩＤ
素子のＳＱＵＩＤ素子電極を圧着すれば、導電体粒を一
種の接着材として各ＳＱＵＩＤ素子１３，…，１３と各
平面基板（正５角形の部分又は正６角形の部分）との間
に直接的な電気的コンタクトを形成することができる。
したがって、この多面殻体１４を人の頭部に取り付け、
検出した脳磁波信号を配線ケーブル１５で取り出す、と
いった応用が可能である。

【００１８】また、上記実装方法のみでは、外部に露出
していることによるインジウム粒の変質、衝撃等による
インジウム粒の欠落あるいは剥落等のおそれがあるた
め、実装部分（プリント基板１０にＳＱＵＩＤ素子１が
実装されている近傍部分）全体をキャップ等により被覆
するかあるいは合成樹脂等により固めれば、さらに実装
部分の信頼性が向上し、かつ取り扱いも簡便になる。

【００１９】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００２０】上記実施例においては、ｄｃＳＱＵＩＤと
して、１個の環を有するsingle - washer 型の場合を例
に挙げて説明したが、これは、他の形式のｄｃＳＱＵＩ
Ｄ、例えば、２個の環を有するdouble - washer 型、３
個の環を有するtriple - washer 型、あるいは一般にｎ
個の環（washer）を有する形式のものであってもかまわ
ない。

【００２１】また、上記実施例においては、ジョセフソ
ン接合としてトンネル接合の場合を例に挙げて説明した
が、これは、他のジョセフソン接合（マイクロブリッ
ジ、点接触等）であってもかまわない。

【００２２】また、上記実施例においては、ＳＱＵＩＤ
素子電極個数が４個の場合について説明したが、これに
は限定されず、他の個数であってもよい。

【００２３】また、上記実施例においては、フリップチ
ップ接続用にインジウムを用いる例について説明した
が、これには限定されず、接着性を有する電気伝導体で
あればよく、他の電気伝導体、例えば鉛やハンダなどで
あってもよい。鉛やハンダは液体ヘリウム中では超伝導
性を示すため、これらを用いれば超伝導コンタクトをと
ることができる。この場合、鉛やハンダ等は室温では固
く可塑性および接着性が十分ではないため、加熱等が必
要になる。あるいは、上記インジウム以外の導電性を有
する接着材（例えば、商品名「ドータイト」など。）を
電極間に介在させ両者を接続してもよい。

【００２４】また、上記実施例においては、応用例とし
て正５角形と正６角形とから構成される多面体（いわゆ
るサッカーボール体）の殻の半分から成る多面殻体の各
平面基板部（正５角形の部分又は正６角形の部分）にＳ
ＱＵＩＤ素子を実装する例について説明したが、これに
は限定されず、部分的な平面の組み合せで構成される面
であればどのような面であってもよい。さらに、ＳＱＵ
ＩＤ素子を実装する面は必ずしも平面でなくても実用上
は問題なく、人間の頭部の各部を構成する曲面のように
曲率半径が特に小さくない曲面であれば十分実装可能で
ある。したがって、小さい平面の組み合せや、曲率があ
る程度以上の曲面の組み合せにより、複雑な局面を持つ
人体や生物の一部、構造物の一部等にフィットするＳＱ
ＵＩＤセンサ用殻体を構成することも可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、上記構成を有する
本願の第１の発明によれば、ＳＱＵＩＤ基板上のＳＱＵ
ＩＤループへの入出力用のＳＱＵＩＤ電極の寸法を大き
く設定したので、簡易な装置で他の外部装置等への実装
ができ、本願の第２の発明に係る実装方法を用いれば、
容易かつ確実に電気的接続ができる。また、上記構成を
有する本願の第２の発明によれば、ＳＱＵＩＤ電極と外
部装置電極との間に粒状の電気伝導体を挟み込み前記各
電極間で圧縮することにより前記各電極どうしを電気的
に接続するようにしたので、簡易な装置で他の外部装置
等への実装ができ、容易かつ確実に電気的接続ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ素子の全体
構成を示す平面図である。

【図２】本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ素子実装方
法を説明する概念図である。

【図３】本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ素子実装方
法により実装された後のＳＱＵＩＤ素子の状態を示す図
である。

【図４】本発明の他の実施例であるＳＱＵＩＤ素子実装
方法を説明する概念図である。

【図５】従来例のＳＱＵＩＤ素子実装方法であるフリッ
プチップ方式を説明する概念図（１）である。

【図６】従来例のＳＱＵＩＤ素子実装方法であるフリッ
プチップ方式を説明する概念図（２）である。

【符号の説明】

１ＳＱＵＩＤ素子２ＳＱＵＩＤ基板３ＳＱＵＩＤループ４ジョセフソン・トンネル接合５ピックアップコイル６入力コイル７フィードバックコイル１０プリント基板１３ＳＱＵＩＤ素子１４多面殻体１５配線ケーブルＣ₁ ，Ｃ₂ コイルコンタクトＭ₁ 〜Ｍ₄ インジウム粒Ｔ₁ 〜Ｔ₄ 基板電極ｔ₁ 〜ｔ₄ ＳＱＵＩＤ素子電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田直樹千葉県印旛郡印西町武西学園台２−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者賀戸久茨城県つくば市梅園１丁目１番４工業技術院電子技術総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳＱＵＩＤ基板上にＳＱＵＩＤループを
形成し、当該ＳＱＵＩＤループへの入出力用のＳＱＵＩ
Ｄ電極の寸法を大きく設定したことを特徴とするＳＱＵ
ＩＤ素子。
【請求項２】前記ＳＱＵＩＤ電極の１辺の寸法を、１
ｍｍ程度に設定したことを特徴とする請求項１に記載し
たＳＱＵＩＤ素子。
【請求項３】ＳＱＵＩＤ基板上にＳＱＵＩＤループを
形成し当該ＳＱＵＩＤループへの信号入出力用のＳＱＵ
ＩＤ電極を設けたＳＱＵＩＤ素子を外部装置に実装する
ＳＱＵＩＤ素子実装方法であって、前記外部装置には前記ＳＱＵＩＤ電極に対応する装置電
極を設け、前記ＳＱＵＩＤ電極と当該装置電極との間に
粒状の電気伝導体を挟み込み前記各電極間で圧縮するこ
とにより前記各電極どうしを電気的に接続することを特
徴とするＳＱＵＩＤ素子実装方法。
【請求項４】前記電気伝導体は導電性接着材であるこ
とを特徴とする請求項３に記載したＳＱＵＩＤ素子実装
方法。
【請求項５】前記電気伝導体は超伝導体であることを
特徴とする請求項３に記載したＳＱＵＩＤ素子実装方
法。
【請求項６】前記電気伝導体はインジウムであること
を特徴とする請求項３に記載したＳＱＵＩＤ素子実装方
法。