JPH0744323B2

JPH0744323B2 - 超電導セラミツク基板

Info

Publication number: JPH0744323B2
Application number: JP62310414A
Authority: JP
Inventors: 喜市吉新
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-09-08
Filing date: 1987-12-07
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPH01186696A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、高速信号伝送、微小信号伝送可能で、発熱
の防止された超電導セラミツク基板に関する。

〔従来の技術〕

従来のセラミツク基板には、アルミナグリーンシート上
にW,Mo-Mn等の高融点導体ペーストを印刷し湿潤水素雰
囲気中で焼成した従来例Ａがある。これは、高融点金属
のW,Mo-Mnを使用し、90％〜96％アルミナグリーンシー
ト上に回路形成し、湿潤水素雰囲気中で1500〜1600℃の
温度で焼成する。この従来例の利点は、グリーンシート
の積層による信頼性の高い多層化であり、多くの入出力
端子を必要とするLSI回路基板の小型化に利用される。
一方、W,Mo-Mnは電気抵抗が高く配線の微細化には適さ
ないため、実装密度を上げる事ができない。又、焼成し
たアルミナ基板上にAu,Ag,Ag-Pd,Cu等の導体ペーストを
印刷し大気中又は窒素雰囲気中で焼成した従来例Ｂがあ
り、これは、焼結した96％アルミナ基板に、シートAu,A
g,Ag-Pd,Cuペーストを印刷し、大気中又は窒素雰囲気中
で850〜900℃の温度で焼成するものである。焼成温度が
低く抵抗体誘電体も使用できるため、焼成−印刷−焼成
をくり返す事により、導体・抵抗体・誘電体をもつ５〜
６層の多層ハイブリツド回路基板を作製する事ができ
る。しかし、印刷多層のため多層化限界が低く、又２次
元的な配線の引き回わししかできないため、実装密度が
上らないという欠点がある。

従来例Ｂの欠点を補うものとして、ガラス−セラミツク
複合系グリーンシート上にAu,Ag,Ag-Pd,Cu等の導体ペー
ストを印刷し大気中又は湿潤窒素雰囲気中で焼成した従
来例Ｃがあり、これは800〜1000℃で焼結する材料でグ
リーンシートを作り、Au,Ag,Ag-Pd,Cuペーストをその上
に印刷し積層後、大気中又は窒素雰囲気中で焼成するも
のである。必要に応じて、抵抗の焼成も可能でハイブリ
ツト化ができる。しかも、グリーンシート積層のため、
配線の三次元的引き回わしが可能で実装密度を高くでき
る。又、セラミツク層の誘電率が５〜７とアルミナに比
べて低く高速信号伝送に適している。

しかし、従来例Ａ〜Ｃは、いづれも有限の抵抗値を持つ
導体を配線材料に使用するため、高速動作素子（GaAs）
や超電導素子を搭載した場合、基板での信号伝搬遅延、
信号の反射、伝送損失等が大きな問題となる。

そこで、電波新聞（昭和62年５月12日付）には酸化物系
超電導材料（イツトリウム，バリウム，銅，酸素）をペ
ースト化し、アルミナ製FGA（Fine Grained Alumina）
基板に印刷、焼成し超電導セラミツク基板を形成する従
来例のＤがある。これは、Ｙ−Ba-Cu-O系からなる超電
導セラミツク粉末を有機バインダーと混練してペースト
状にし、アルミナ基板上に焼成して超電導配線とし、上
記の問題を解決できるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、例えばＹ−Ba-Cu-O系の超電導材料を、通常の
アルミナ基板上で焼成すると、Cu,BaとAlが相互拡散し
超電導構造が容易に破壊され、超電導層が半導体又は絶
縁体に転移してしまつたり、微細配線ができないという
問題点がある。従来例Ｄに用いた表面平滑性の高いFGA
基板の場合は、基板上に超電導層を形成することができ
るが、基板と超電導層の組成が異なるため、基板と超電
導層との反応は生じていると考えられる。

又SrTiO₃基板、安定化ジルコニア基板およびサフアイヤ
基板なども一般的に反応性が高い。

この発明は上記のような問題点を解消するためなされた
もので、反射が防止されひずみの防止された高速信号
の伝播が可能となる。微小信号の伝播が可能となる。
電力損失が防止され電源ラインの配線密度が上げられ
る。導体と基板との反応が少なく微細配線が可能であ
る。等の利点を持つ超電導セラミツク基板を得る事を目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の超電導セラミツク基板は、酸素欠損型ペロブ
スカイト構造を有する超電導セラミツク材料で形成され
た電気要素、および上記超電導セラミツク材料と同じ組
成成分で、組成比が異なる材料を主成分とする絶縁材料
で形成され、上記電気要素に接して設けられている絶縁
層を備えたものである。

〔作用〕

この発明における絶縁材料は、超電導セラミツク材料の
組成成分と同じであるため、焼成で生じる電気要素の超
電導セラミツク材料との反応による、超電導構造の破壊
を抑える。すなわち、電気素子の超電導セラミツク材料
から拡散により消失する成分を基板中に多量に含ませ、
基板からの拡散で補い超電導構造を保つものである。

なお、基板と超電導層の組成成分が同じだから、従来と
同程度に反応が生じた場合、超電導層の組成変化が従来
より少ないのは明らかである。

〔実施例〕

実施例１第１図は、この発明の一実施例の超電導セラミツク基板
の断面図を示す。図において、（１）は例えばYBa₂Cu₃O
₇‐δ（０＜δ＜７）の酸素欠損型ペロブスカイト構造
を有する超電導セラミツク材料で形成された電気要素で
導線、端子および能動素子などがあり、（２）は例えば
Y₂BaCuO₅を主成分とする上記超電導セラミツク材料
（１）と同じ組成成分で組成比が異なる材料を主成分と
する絶縁材料で形成された絶縁層で、図は絶縁層が基板
である場合を示す。

第２図は、上記この発明の一実施例の超電導セラミツク
基板を得るための製造工程図である。即ち、超電導セラ
ミツク基板は、基板と超電導ペーストを別々に作製する
のである。

即ち、第２図に示すように、超電導ペーストは、BaC
O₃，Y₂O₃,CuOを原料とし、表１に示す組成で乾式混合し
た後、溶剤（アセトン）を加えボールミルで、24時間混
合する。その後、溶剤を完全に乾燥させ、950℃で16時
間仮焼し、粉砕して平均粒径が数μｍの粉体とし、有機
結合剤、有機ビークルを加え、混練してペーストとす
る。

また、基板は表２に示す組成で乾式混合し、溶剤（アセ
トン）を加えボールミルで24時間混合する。

表１超電導セラミツク材料配合組成 BaCO₃ 52.9 wt％ Y₂O₃ 15.1 wt％ CuO 32.0 wt％その後、溶剤を完全に乾燥させ、1200℃で16時間仮焼
し、粉砕して平均粒径が数μｍの粉体とし、焼結助剤，
有機結合剤，溶剤等を加え再びボールミル混合し、スラ
リー化させ、ドクターブレード法により、厚さ0.3〜0.4
mmのグリーンシートを作製する。このグリーンシートを
数枚積層し、50mm×50mm×1mmの大きさの基板に切断す
る。

その基板を大気中で1100℃以上で焼結させて、Y₂BaCuO₅
の結晶を析出させる。この段階で、基板をＸ線回析にか
け、析出している結晶をみると、Y₂BaCuO₅が（80〜98
％）で残りは焼結助剤とその他の結晶構造のものにな
る。

その後、前もつて作製していた超電導ペーストをスクリ
ーン印刷し、900〜950℃の温度で焼きつけ、この発明の
一実施例の超電導セラミツク基板を作製する。

表２基板用セラミツクス材料配合組成 BaCO₃ 39.3 wt％ Y₂O₃ 44.9 wt％ CuO 15.8 wt％第３図に上記のようにして得られたこの発明の一実施例
の超電導セラミツク基板の温度（゜K）による電気抵抗
（Ωcm）の変化を示す特性図を示し、図において、横軸
は温度（゜K）を縦軸は電気抵抗（Ωcm）を示す。図から
90Kで電気抵抗が下がり始め、84Kでゼロになり、超電導
状態に転移する事がわかる。

実施例２表３に示す組成に従つて原料配合する以外は、実施例１
と同じ製造方法で、グリーンシートを作製し焼成して基
板を得る。この基板上に、超電導セラミツクペーストを
印刷し、焼成しこの発明の他の実施例の超電導セラミツ
ク基板を得た。このものも、第３図に示す温度−抵抗図
と同様の特性を示し、液体窒素温度（77K）以上で超電
導状態になる。しかし、この場合、電気絶縁性が10⁷〜1
0¹¹Ωcm程度となつた。

表３基板用セラミツクス材料配合組成 BaCO₃ 50.3 wt％ CuO 30.5 wt％ Y₂O₃ 7.2 wt％ LaO 3.4 wt％ BaF 8.6 wt％実施例３第４図は、この発明の他の実施例の超電導セラミツク基
板の断面図を示す。図において、（１）は例えばYBa₂Cu
₃O₇‐δの酸素欠損型ペロブスカイト構造を有する超電
導セラミツク材料で形成された電気要素で導線、端子お
よび能動素子などがあり、（２）は例えばY₂BaCuO₅を主
成分とする上記超電導セラミツク材料（１）と同じ組成
成分で組成比が異なる絶縁材料で形成した絶縁層、
（３）は絶縁層とは異なる絶縁材料で形成された基板で
ある。

第５図は、この発明の他の実施例の多層の超電導セラミ
ツク基板を得るための製造工程図である。即ち、超電導
セラミツク多層基板は、基板に電気要素と絶縁層を交互
に形成し作製するものである。

即ち、第５図に示すように、超電導セラミツク材料（YB
a₂Cu₃O₇‐δ）とセラミツク絶縁材料（Y₂BaCuO₅）をペ
ーストとし、基板上に印刷−焼成を必要回数くり返し、
この発明の他の実施例の多層の超電導セラミツク基板を
作製した。

ここで、超電導ペーストおよび絶縁ペーストは、第２図
のペースト化方法に示すように、BaCO₃（又はBaO），Y₂
O₃,CuOを原料とし、表4,表５に示す組成で乾式混合した
後、溶剤（エタノール，アセトン，トルエン等）を加え
ボールミルで、10〜20時間混合する。その後、溶剤を完
全に乾燥させ、超電導材料は、970℃で24時間仮焼し、
絶縁材料は、1050℃で16時間仮焼して、それぞれ超電導
相（YBa₂Cu₃O₇‐δ）と絶縁層（Y₂BaCuO₅）の単相セラ
ミツクスを作製する。ただし、超電導相は、結晶系が斜
方晶で、δが0.6以下でないと超電導特性を示さないた
め、粉末Ｘ線回析法等により斜方晶系の単相である事を
確認する必要がある。又、仮焼後の粉末の電気抵抗を室
温で測定し、数十ｍΩ・cm程度である事も超電導相があ
る確認になる。

次に、上記により仮焼した超電導セラミツク材料と絶縁
材料を粉砕し、平均粒径が１μｍ〜10μｍの微粉体と
し、これに有機結合剤（ニトロセルロース，イソブチル
メタアクリレート，メチルメタアクリレート等）、有機
溶剤（エタノール，トルエン，ブチルカルビトールアセ
テート，テレピネオール等）と分散剤を加え、数時間混
練して超電導セラミツクペーストと絶縁ペーストとし
た。

超電導セラミツク多層基板は、第５図の製造工程図に従
い、基板上に超電導セラミツクペーストで配線回路を印
刷し、乾燥後、800℃〜900℃の温度で焼成する。冷却
後、この発明の他の実施例の超電導セラミツク基板の斜
視図の第６図に示すように、超電導セラミツク材料で形
成された第１電気要素（１）上に絶縁ペーストを印刷
し、乾燥後、700℃〜1050℃の温度で焼成し、絶縁層
（２）を形成する。その後、超電導セラミツクペースト
で、始めの第１電気要素（１）に交差する超電導セラミ
ツク材料で形成された第２電気要素（１）を印刷し、80
0℃〜900℃の温度で焼成し、この発明の他の実施例の多
層の超電導セラミツク基板とした。

表４超電導セラミツク材料配合組成 BaCO₃ 52.0 wt％ Y₂O₃ 15.1 wt％ CuO 32.9 wt％表５セラミツク絶縁材料配合組成 BaCO₃ 39.3 wt％ Y₂O₃ 44.9 wt％ CuO 15.8 wt％第７図に上記のようにして得られたこの発明の他の実施
例の超電導セラミツク基板の温度（゜K）による電気抵抗
（Ωcm）の変化を示す特性図を示す。図において、横軸
は温度（゜K）を縦軸は電気抵抗（Ωcm）を表わす。測定
は、第６図における第２電気要素（１）で行なつた。図
から、電気抵抗は、Ｄ点（90゜K）付近から急激に下がり
始め、Ｃ点（79゜K）で完全にゼロになり、超電導状態に
転移した事がわかる。

実施例４チタン酸ストロンチウム単結晶基板，マグネシウム基
板，イツトリウム安定化ジルコニア基板等に実施例１と
同様の超電導材料で形成された電気要素をスパツタ法，
蒸着法等により薄膜として形成する。この場合も、第５
図の超電導セラミツク多層基板の製造工程図に従い、電
気要素を形成後、600℃から900℃で熱処理し、その後真
空チヤンバーから試料を取り出し、レジストを試料にコ
ートし、写真製版法により望みの配線パターンを基板上
に形成する。次に、絶縁層を形成するため、試料を基び
真空チヤンバー内へ戻し、ターゲツト材料又は蒸着材料
を絶縁材料（Y₂BaCuO₅）に換えて、絶縁層の形成を行な
う。絶縁層形成後の熱処理は、引き続き絶縁層上に超電
導層を形成するために必要となる。熱処理は、600℃か
ら900℃が望ましい。絶縁パターンも超電導配線パター
ンと同様に写真製版法によりパターン形成を行なう。

以上の電気要素形成−絶縁層形成のプロセスを必要回数
くり返し、この発明の他の実施例の多層の超電導セラミ
ツク基板を得た。電気抵抗の温度変化は、第７図に示し
た厚膜の場合に比べ、ゼロ抵抗になる温度が下がつた。

実施例５実施例３と同様に、基板上にYBa₂Cu₃O₇‐δの超電導セ
ラミツク配線とY₂BaCuO₅の絶縁層を多層構造で形成し、
実装密度の高い超電導セラミツク多層基板を作製する。
さらに、この発明のさらに他の実施例の超電導セラミツ
ク基板の断面図の第８図に示すように、この基板の最上
層を絶縁層でコートし、焼結して緻密化する事により、
超電導特性の経時変化を抑える事のできるこの発明のさ
らに他の実施例の超電導セラミツク基板を得る。経時変
化は、主に空気中の水分等により超電導相であるYBa₂Cu
₃O₇‐δが分解し、CuO,Y₂BaCuO₅等になるためであり、
臨界電流Jcも１ケ月〜２ケ月で1/10に減少したり、臨界
温度Tcも２〜５℃程低下するなどの経時変化を生じる。

しかし、超電導配線の周囲をＹ−Ba-Cu-O系の絶縁材料
で囲み、シール性良く焼結させると経時変化を生じな
い。

なお、この発明の実施例の超電導セラミツク基板を線材
に適用することができる。即ち、第９図はこの発明の実
施例の超電導セラミツク基板を線材に適用した超電導セ
ラミツク線材の部分断面斜視図であり、（４）はAg層で
ある。即ち、超電導セラミツク材料で形成された電気要
素（１）を焼結し、その後電気要素の回りに、Y₂BaCuO₅
絶縁層を形成し、その外側にAg層を構成した超電導セラ
ミツク線材である。これも、超電導セラミツク材料で形
成された電気要素（１）を絶縁層（２）とAg（４）でシ
ールして、雰囲気をしや断するため、上記実施例５と同
様雰囲気による劣化が少なく、超電導特性が長期間、安
定的に得られる。

なお、上記実施例では酸素欠損型ペロブスカイト構造を
有する超電導セラミツク材料として、Ｙ−Ba-Cu-O系の
超電導セラミツク材料を主体に実施例を説明してきた
が、Ｙ−Ba-Cu-O系のＹを他の希土類元素、例えばLa,S
m,En,Gd,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luで置換した系や、Ｏを他の
元素、例えばF,Clで置換した系の超電導セラミツク材料
を使用しても、所期目的を達成することができる。

又、上記実施例では、LaOおよびBaF等の焼結助剤を添加
した絶縁材料の場合を示したが、この場合、超電導セラ
ミツク基板の特性は若干低下するが、主成分が上記条件
を満足する限り、所期目的を達成することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、この発明は、酸素欠損型ペロブス
カイト構造を有する超電導セラミツク材料で形成された
電気要素、および上記超電導セラミツク材料と同じ組成
成分で、組成比が異なる材料を主成分とする絶縁材料で
形成され、上記電気要素に接して設けられている絶縁層
を備えたものを用いることにより、高速信号伝送、微小
信号伝送が可能で、発熱の防止された超電導セラミツク
基板を得ることができる。

又、上記電気要素と絶縁層を交互に積層して、多層構造
とすれば、高密度実装が可能な超電導セラミツク基板を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の超電導セラミツク基板の
断面図、第２図はこの発明の一実施例の超電導セラミツ
ク基板を得るための製造工程図、第３図はこの発明の一
実施例の超電導セラミツク基板の基板温度（゜K）による
電気抵抗（Ωcm）変化を示す特性図、第４図はこの発明
の他の実施例の超電導セラミツク基板の断面図、第５図
はこの発明の他の実施例の超電導セラミツク基板を得る
ための製造工程図、第６図はこの発明の他の実施例の超
電導セラミツク基板の斜視図、第７図はこの発明の他の
実施例の超電導セラミツク基板の基板温度（゜K）による
電気抵抗（Ωcm）変化を示す特性図、第８図はこの発明
のさらに他の実施例の超電導セラミツク基板の断面図、
第９図はこの発明の実施例の超電導セラミツク基板を線
材に適用した超電導セラミツク線材の部分断面斜視図で
ある。図において、（１）は電気要素、（２）は絶縁層であ
る。なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｋ 3/46 Ｔ 6921−4ＥＺＡＡＨ 6921−4ＥＳ 6921−4Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素欠損型ペロブスカイト構造を有する超
電導セラミツク材料で形成された電気要素、および上記
超電導セラミツク材料と同じ組成成分で、組成比が異な
る材料を主成分とする絶縁材料で形成され、上記電気要
素に接して設けられている絶縁層を備えた超電導セラミ
ツク基板。
【請求項２】絶縁層は基板である特許請求の範囲第１項
記載の超電導セラミツク基板。
【請求項３】電気要素と絶縁層が交互に積層されている
特許請求の範囲第１項又は第２項記載の超電導セラミツ
ク基板。
【請求項４】積層した最外層が絶縁層である特許請求の
範囲第１項ないし第３項の何れかに記載の超電導セラミ
ツク基板。