JPS6260836B2 - - Google Patents

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JPS6260836B2
JPS6260836B2 JP58196055A JP19605583A JPS6260836B2 JP S6260836 B2 JPS6260836 B2 JP S6260836B2 JP 58196055 A JP58196055 A JP 58196055A JP 19605583 A JP19605583 A JP 19605583A JP S6260836 B2 JPS6260836 B2 JP S6260836B2
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JP
Japan
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superconducting
integrated circuit
chip
wiring board
electrode
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JP58196055A
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English (en)
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Mikio Hirano
Shinichiro Yano
Ushio Kawabe
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Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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Publication of JPS6088483A publication Critical patent/JPS6088483A/ja
Publication of JPS6260836B2 publication Critical patent/JPS6260836B2/ja
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    • H05K3/3431—Leadless components

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は超電導集積回路と外部基板とを接続す
る超電導集積回路の配線基板組立法に関するもの
である。
〔発明の背景〕 超電導集積回路は２つの超電導薄膜の間に厚さ
数nmの薄いトンネル障壁層を挟んだジヨセフソ
ン接合を主要部品とし、薄膜低抗、インダクタ、
キヤパシタなどで構成されており、極低温（〜
4K）における超電導トンネル現象を応用したス
イツチング素子である。この素子は従来の半導体
素子に較べスイツチング速度は約10分の１、消費
電力は約1000分の１という特徴があり、今後の超
高速計算機用の理論演算素子や記憶素子として期
待されるが、そのためにはLSI規模に集積化した
理論演算回路や記憶回路の開発と、それらのLSI
を高密度に実装する技術とが必要である。超電導
集積回路の実装を行う上で特に重要な事項は、
（１）複数のLSIチツプを多層配線基板に搭載し
て接続する場合は、これらの接続に用いる配線や
接続用電極（入出力信号の取出し電極）が全て超
電導金属で構成されていること、（２）LSIチツ
プの実装用基板への接続は、極薄のトンネル障壁
層の劣化防止のために極力低温（100℃以下）で
行うこと、（３）LSIチツプ主面の冷却効果を改
善し局部的な温度上昇に伴う特性の変動を抑える
こと、などである。
従来Si半導体LSIチツプと外部基板の電極との
間の接続に用いられる種々の方法のうちで、超電
導集積回路の組立に適用できる方法は、超電導特
性を有するはんだ電極を用いた溶融接合による方
法である。一般にはんだ電極の作製は第１図に示
すように基板１上の能動素子部２をチツプ保護膜
３で覆つた集積回路チツプの周辺に配置した端子
電極４上に、メタルマスクを用いた蒸着法により
例えばSn―Bi―Inのような超電導はんだ材料を
積上げて円柱状に形成したのち、上記はんだ材料
の融点以上に加熱して再溶融させ円柱状の形状を
半球状のはんだ電極５に変化させる。このような
バンプと呼ばれる半球状の電極５を形成したのち
上記超電導集積回路チツプにおけるチツプ内の要
素部品の性能を最終検査する。該検査はウエハ状
で行われ、多数の検査用探触針をチツプ上の上記
バンプ５に押付けて導通させるため、バンプ５は
変形したり圧痕が残つたりする。このため上記探
触針の検査終了後に再びウエハを加熱し変形損傷
したバンプ５を再溶融して元の半球状に再生す
る。その後ウエハを各チツプ状に切断し分割して
良品を選別し、選別した良品のチツプのバンプ５
と、第２図に示すように別に用意した多層配線基
板（モジユール基板）６上にモジユール配線７と
これを覆うモジユール保護膜８によつて形成され
た電極とを位置合わせして仮付けを行う。仮付け
後に上記の多層配線基板６を超電導集積回路チツ
プとともに電気炉内で加熱し各電極の再溶融接合
を行う。したがつて上記のような再溶融接合によ
つて超電導集積回路チツプと多層配線基板６とを
接続する方法は、その組立工程において、上記チ
ツプが少くとも３回の溶融処理を経ることにな
る。これらの熱処理によつて超電導集積回路内に
多数形成したトンネル障壁層の熱的な経時変化の
ために特性が劣化するおそれを生じることがあ
る。また再溶融接合を行つた場合には上記チツプ
の主表面が多層配線基板６に対面する状態とな
り、上記チツプはいわゆるフエイスダウン方式に
なる。超電導集積回路チツプと多層配線基板６と
の間隔は15〜20μｍしかないため集積回路内で継
続して発熱した場合には冷却効果が局部的に低下
し、超電導特性が不安定になつたり誤動作を生じ
たりする原因になる。上記のように従来の再溶融
接合を用いた場合は超電導集積回路チツプの主面
を下向きに接合するため、組立を完了した後に回
路部分を観察することは全く不可能である。また
再溶融接合時に位置ずれしたまま接合されたり、
あるいは所定の位置から脱落するなどの不良が生
じた場合に、再度の組立を行うことは極めて困難
である。
〔発明の目的〕
本発明は超電導集積回路チツプの主面を上向き
に配置し、良好な超電導接続を得る超電導集積回
路の配線基板組立法を得ることを目的とする。
〔発明の概要〕
上記の目的を達成するために本発明による超電
導集積回路の配線基板組立法は、超電導集積回路
チツプの主面を上に向けて集積回路搭載基板（以
下キヤリアという）に低温溶融合金でダイボンド
したうえ、上記超電導集積回路チツプの周辺に配
置した接続用端子電極と、上記キヤリアの端部に
おいて表面から裏面にかけて設けた超電導金属か
らなる配線パターンの接続用電極部との間を超電
導合金被覆細線を用いて接続し、上記超電導集積
回路チツプをキヤリアを介して多層配線基板に接
続することにより、超電導集積回路チツプの主面
を上向きに配置し良好な超電導接続を得たもので
ある。超電導合金被覆細線は芯材にCu、Au、あ
るいはAgを用い、その表面に例えば10〜20％
In、20〜30％Sn、残りPb、15〜25％Bi、20〜30
％In、残りPb、15〜25％Bi、20〜25％Sn、残り
Pb、15〜25％Bi、15〜〜25％Cd、残りPbなどか
らなる超電導合金のいずれか１つを被覆した超電
導合金被覆細線を用いる。また上記超電導合金被
覆細線による接合には短時間に局所加熱できるパ
ルスヒート機構を備えたワイヤボンダを用い、上
記チツプ内部の集積回路要素部品に対し、熱によ
る接合特性の劣化などのダメージが生じることな
く上記集積回路の端子電極とキヤリアの接続用電
極部とを接続できるようにする。さらに上記キヤ
リアと多層配線基板との接続は例えばSn―Bi―
Inなどの超電導低融点合金のバンプを用いた溶融
法によつて行うが、この際の加熱温度は上記超電
導合金被覆細線上に形成した超電導合金層の融点
より50℃以上低い温度になるように設定する。上
記の方法によつて超電導集積回路チツプを多層配
線基板に組立てることにより、上記集積回路チツ
プの主面は表向きすなわちフエイスアツプ方式に
することができる。そのため冷却媒体（液体ヘリ
ウム）が超電導集積回路の要素部品に直接触れて
冷却することになり、上記チツプ内で発生した熱
により生じるヘリウムの気泡も容易に除去できる
など冷却効果が改善できるほか、上記集積回路の
要素部品の観察を常時行うことができ特に不良発
生時の解析が可能である。また組立の良否判定が
容易で、組立の不良に対しても超電導集積回路に
影響なく再度組立が行えるなど、作業性、歩留り
などを改善することができる。
〔発明の実施例〕
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。第３図は本発明による超電導集積回路の配線
基板組立法の一実施例を示す断面図、第４図およ
び第５図は接続用超電導合金被覆細線の断面図、
第６図は本発明による超電導集積回路の配線基板
組立法の他の実施例を示す断面図である。第３図
において、あらかじめ清浄化処理をしたシリコン
単結晶基板１１上に熱酸化法により厚さ約600nm
の二酸化シリコン層を形成する。上記基板１１を
再び清浄化処理したのち上記シリコン単結晶基板
１１の主面側をレジスト膜で覆い、上記基板１１
の裏面の二酸化シリコン層を弗酸系水溶液により
除去する。その後上記基板１１の主面側のレジス
ト膜を除去して再び上記基板１１の表面を清浄化
処理し、つぎに上記基板の裏面に厚さ約３μｍの
Au層１２を形成する。この際の清浄化処理は減
圧したAr零囲気中での高周波プラズマ放電によ
る清浄化、あるいは弗酸系水溶液を用いた化学エ
ツチングによる清浄化などの方法を使用する。ま
たAu層１２の形成は真空蒸着法、イオンプレー
テイング法、スパツタ法などのいずれの方法によ
つてもよい。つぎにAu層１２を形成したシリコ
ン単結晶基板１１を350℃に加熱し、AuとSiとの
拡散処理を行う。処理時間は通常15〜60分の範囲
が適当である。15分以下では拡散が不十分でAu
層１２の接着力が不足し、60分以上の熱処理では
AuとSiの拡散反応が進行して合金化するため純
粋なAu層１２が薄くなり、超電導集積回路チツ
プを接合する時にはんだの濡れ性が低下する。こ
れらの事項を含み上記の拡散処理条件は、上限温
度を400℃としその時の処理時間が10〜45分の範
囲であり、下限温度は320℃で処理時間を30〜120
分の範囲とするのが適当である。上記のようにウ
エハ状のシリコン単結晶基板１１裏面にAu層１
２の形成処理を行つたのち、上記基板１１の主面
上に、グランドプレーン、薄膜低抗、配線、下部
電極、接合用トンネル障壁層、上部電極、制御線
および各金属層の相互間を絶縁するための層間絶
縁膜などを小片のチツプ単位に構成されるように
して能動素子部１３を形成し、電極１４の部分を
除きチツプ保護膜１５で覆い超電導集積回路を作
成する。上記の下部電極、上部電極、制御線、そ
の他の配線、グランドプレーンにはPb合金、Nb
およびNb化合物などの超電導金属が用いられ
る。また上記超電導集積回路の周辺部には300nm
の厚さのNbを最下層電極１４として、その上に
CrおよびAuをそれぞれ厚さ30nmおよび200nmに
積層して形成した外部接続用端子電極１６を設け
る。ここではAuの例について記したがCuあるい
はPb―In―Au等の超電導材料でもよい。さらに
上記Crの代りにTiを用いてもよい。上記の接続
用端子電極１６のパターン形成はホトレジストを
マスクにしたリフトオフ法によつて行つた。ウエ
ハ上に形成した超電導集積回路を所要の小片状に
分割した超電導集積回路チツプ１１′は主面を上
に向け、セラミツクまたはSi結晶よりなるチツプ
搭載用のキヤリア１７にダイボンドする。上記キ
ヤリア１７の表面の集積回路チツプ１１′が搭載
される部分には、例えばはんだ（Pb―Sn）のよ
うに低温で溶融しAuと極めてよく濡れる合金層
１８を形成して集積回路チツプ１１′のAu層１２
に溶着させる。また上記キヤリア１７の主面の所
要の位置から裏面にかけて超電導金属からなる配
線パターン１９を設けている。本実施例では厚さ
300nmのNb膜で配線パターン１９を形成し、上
記配線パターン１９の表面の水平部分にはAu層
を設けて接続用電極部19′と接続端19″とを形成し
ている。直径25μｍのCu線の表面をPb―Bi―In
の被膜で約３μｍの厚さに覆つた超電導合金被覆
細線２０の一端を、上記集積回路チツプ１１′の
外部接続用端子電極１６にパルスヒート方式で熱
圧着により接合し、他端をキヤリア１７の配線パ
ターン１９における接続用電極部１９′に接合す
る。
このようにして集積回路チツプ１１′に形成し
た多数の外部接続用端子電極１６とキヤリア１７
の電極部19′とはそれぞれ相互に接続される。つ
ぎに集積回路チツプ１１′を搭載したキヤリア１
７の接続端子１９″を多層配線基板２１の所要の
位置に形成した超電導配線２２上のバンプ２３に
位置合わせしたのち、加熱して対向した接続端子
１９″とバンプ２３とを相互に接合する。上記の
ようにして多層配線基板２１上に多数の超電導集
積回路チツプ１１′の主面を上向きにして組立て
ることができる。
上記の超電導集積回路チツプ１１′とそれを搭
載するキヤリア１７のそれぞれに形成した端子電
極１６と接続用電極部１９′とを相互に接続する
超電導合金被覆細線２０は、第４図に示すように
Cu、AuあるいはAgのうちいずれか１つの材料か
らなる芯材２５を中心にして、その表面に例えば
Pb―Sn、Pb―Sn―In、Pb―In―Bi、Pb―Sn―
Bi、Sn―Bi―Inなどの各金属の組合わせで構成
された低融点の超電導はんだ２６を被覆した細線
を用いる方法と、第５図に示すようにCu、Auあ
るいはAgのうちいずれか１つの材料からなる芯
線を束ねたクラツド線を芯材とし、その周囲に上
記の超電導はんだ２６を被覆した細線を用いる方
法とがあるが、いずれの細線を使用しても集積回
路チツプ１１′とキヤリア１７の接続用電極部１
９′との間で良好な超電導接続を得ることができ
た。
第６図に示す本発明による超電導集積回路の配
線基板組立法における他の実施例は、集積回路チ
ツプ１１′を搭載するキヤリア１７′を、上記集積
回路チツプ１１′が埋込まれるようなキヤビテイ
構造に形成し、集積回路チツプ１１′が搭載され
る上記キヤリア１７′の表面の部分に、低温で溶
融し、かつAu層１２と極めてよく濡れる合金層
１８を形成して上記集積回路チツプ１１′を合金
層１８の溶融により接合したのち、上記集積回路
チツプ１１′の端子電極１６とキヤリア１７′の配
線パターン１９に設けた接続用電極部１９′との
間を前記実施例と同様の方法により超電導合金被
覆細線２０で接続し、多層配線基板２１上にあら
かじめ設けられたバンプ２３と上記配線パターン
１９の下面に設けた接続端子１９″とを再溶融接
合したものである。なおキヤリア１７′の端部に
おける配線パターンおよび接続用電極部１９′と
接続端子１９″の形成については前記実施例の場
合と同じである。上記の実施例においても超電導
集積回路チツプの主面が上向きに配置され、かつ
良好な超電導接続を有する配線基板が得られた。
〔発明の効果〕
上記のように本発明による超電導集積回路の配
線基板組立法は、超電導集積回路チツプの主面を
上に向けてキヤリアに低温溶融合金でダイボンド
したうえ、上記超電導集積回路チツプの周辺に配
置した外部接続用端子電極と上記キヤリアの端部
において表面から裏面にかけて設けた超電導金属
からなる配線パターンの接続用電極部との間を、
超電導合金被覆細線を用いて接合し、上記超電導
集積回路チツプをキヤリアを介して多層配線基板
に接続する方法であるから、超電導集積回路チツ
プの主面が上向きに配置され液体ヘリウムによる
冷却効果が改善されるとともに、静特性を安定に
観察し評価することができ、超電導合金で被覆し
た細線や超電導はんだによる接合によつて良好な
超電導接続を得ることができる。またキヤリアを
介して超電導集積回路チツプを多層配線基板に組
立てるため組立の再生も加能であり、組立の再現
性や歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はバンプを形成した超電導集積回路チツ
プの断面図、第２図は上記集積回路チツプを組立
てた従来の配線基板を示す断面図、第３図は本発
明による超電導集積回路の配線基板組立法の一実
施例を示す断面図、第４図および第５図は接続用
超電導合金被覆細線の断面図、第６図は本発明に
よる超電導集積回路の配線基板組立法の他の実施
例を示す断面図である。 １１…超電導集積回路チツプ、１６…端子電
極、１７，１７′…集積回路搭載基板、１９…配
線パターン、１９′…接続用電極部、１９″…接続
端子、２０…超電導合金被覆細線、２１…多層配
線基板、２３…電極（バンプ）。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ジヨセフソン接合を有する超電導集積回路の
    周辺に配置した外部接続用の端子電極と、超電導
    材料と絶縁層とで構成した多層配線基板とを接続
    する超電導集積回路の配線基板組立法において、
    上記超電導集積回路を、該集積回路チツプの主面
    を上に向けて集積回路搭載基板にダイボンドした
    うえ、上記超電導集積回路チツプの端子電極と、
    集積回路搭載基板の表面から裏面にかけて設けた
    超導電金属からなる配線パターンの接続用電極部
    とを、Cu、AuあるいはAgのうちいずれかの芯材
    の表面に低融点超電導合金を被覆した細線を用い
    て熱圧着により接続し、さらに上記配線パターン
    の接続端子と多層配線基板の電極とを接続したこ
    とを特徴とする超電導集積回路の配線基板組立
    法。 ２ 上記芯材は複数本の芯線を束ねたクラツド線
    であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
    記載した超電導集積回路の配線基板組立法。
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