FI89643C - Supraledande fog foer tunnfilmkomponenter och metod foer dess tillverkning - Google Patents

Description

1 896^0

SUPRAJOHTAVA LIITOS OHUTKALVOKOMPONENTEILLE JA MENETELMÄ SEN TEKEMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on luotettava, termistä kierrätystä kestävä suprajohtava liitos ohutkalvotekniikalla valmistetuille suprajohtaville komponenteille.

5 Keksinnön kohteena on myös menetelmä tällaisen liitoksen tekemiseksi. Uudentyyppinen luotettava liitos on välttämätön erityisesti rakennettaessa laitteita, joissa on olennaista useiden suprajohtavien liitosten samanaikainen moitteeton toiminta, esimerkiksi monikanavaisissa magnetometreissä, joita käytetään heikkojen biomagneettisten ilmiöiden mittaamiseen.

10 Aluslevylle, esim piille, kvartsille, safiirille tai lasille ohutkalvotekniikalla tehtyjen suprajohtavien elektronisten komponenttien (kelat, kvantti-interferenssilait-teet) yhdistämiseen aluslevyn ulkopuolella olevaan elektroniikkaan liittyy seu-raavia ongelmia: 1) Sähköisen kontaktin tulee olla matalissa lämpötiloissa suprajohtava, mikä edellyttää, että saavutetaan riittävän puhdas metalli-metalli kon-15 takti. 2) Erot käytettävien materiaalien (esim. lasikuituinen piirilevy, pii, lyijy, tina, niobi) lämpölaajenemiskertoimissa aiheuttavat liitosjohtoihin mekaanista jännitystä, koska suprajohtavan laitteen toiminta edellyttää sen jäähdyttämistä lämpötilaan, joka on huomattavasti matalampi kuin se lämpötila, jossa liitos tehdään. 3) Irronneiden liitosten korjaaminen laitteiden toimintalämpötilassa 20 (4 K) ei ole mahdollista, joten laite on korjausta varten aina lämmitettävä huo neenlämpötilaan. Erityisesti laitteissa, jotka sisältävät suuren määrän suprajohtavia liitoksia on sen vuoksi liitosten oltava luotettavia ja termistä kierrätystä kestäviä, jottei joidenkin liitosten korjausta varten laitetta lämmitettäessä rikottaisi toisia.

25 Pienikokoisten suprajohtavien liitosten tekemiseen käytetään yleisesti lyijy-, tina-, tinalyijy- tai niobilankoja, koska nämä materiaalit ovat suhteellisen pehmeitä ja niiden suprajohtavuustransitiolämpötilat ovat selvästi nesteheliumin lämpötilan yläpuolella (katso esim. S. Kiryu et ai. kirjassa Advances in Biomagnetismi, eds. S. J. Williamson and L. Kaufman, Plenum Press, New York 1990). Lyijy, 30 tina sekä niiden seokset sulavat matalissa lämpötiloissa (200-400 *C) joten tehtäessä liitoksia näistä materiaaleista valmistetuilla langoilla voidaan käyttää hyväksi langan pehmenemistä lähellä sulamispistettä. Niobia ei voida helposti sulattaa, joten niobiliitoksia ohutkalvoille tehtäessä on käytettävä ultraääneen perustuvaa menetelmää. Niobi on lankamateriaalina jäykkää, joten liitoslankojen 35 pitää olla joko pitkiä tai ohuita (< 10 pm) liian suurten jännitysten välttämiseksi 2 b 9 6 Lr ö liitoskohdassa. Ohutta niobilankaa on vaikea valmistaa ja pitkät langat vievät tilaa, irtoavat käsiteltäessä helpommin ja erityisesti vaikeuttavat geometrian hallintaa magnetometrisovellutuksissa. Lyijy ja tina ovat ultraäänitekniikan kannalta liian pehmeitä, joten niitä käytettäessä lanka yleensä painetaan kuumalla juotosanturalla vasten ohutkalvopiirin kontaktialuetta. Koska tyypilliset ohut-kalvopohjamateriaalit johtavat lämpöä hyvin, käy helposti niin, että langan pinta anturan alla sulaa ja tarttuu anturaan ennen kuin langan ohutkalvokompo-nenttia vastaan painuva osa lämpenee ja pehmenee riittävästi tehdäkseen hyvän metallisen kontaktin. Liitos jää joko mekaanisesti heikoksi ja irtoaa jäähdytettäessä tai ei ole suprajohtava. Vaikka liitos onnistuisikin saattavat ongelmaksi muodostua suhteellisen paksun (40-100 pm) langan välittämät liitokseen kohdistuvat jännitykset laitetta toimintalämpötilaan jäähdytettäessä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen suprajohtava lyijy-, tina-, tai tinalyijyliitos, johon ei liity edellämainittuja epäkohtia. Keksinnön-mukaiselle liitokselle on pääasiassa tunnusomaista patenttivaatimuksissa 1, 2 ja 3 esitetyt seikat. Liitoksen tekemisessä käytetyn menetelmän tunnusmerkit on esitetty vaatimuksissa 4 ja 5.

Keksinnön mukaista litistettyä liitoslankaa käytettäessä muodostuu langan ja ohutkalvokomponentin välille laaja, tasomainen kontaktipinta, jonka lämpötila motallikerroksen ohuuden vuoksi on oleellisesti sama kuin puristamiseen käytetyn anturan. Näin liitospinnan lämpötilaa voidaan helposti kontrolloida ja se saadaan riittävän korkeaksi lankaa anturan puolelta sulattamatta. Tämä varmistaa metalli-metalli kontaktin syntymisen liitospintaan.

Liitoslangan halkaiseminen toisesta tai molemmista päistä on helppoa, koska lanka on levymäinen. Halkaisu mahdollistaa rinnakkaisten riippumattomien kontaktien tekemisen. Tämä lisää monta liitosta sisältävien laitteiden luotettavuutta oleellisesti: Oletetaan, että laite koostuu N:stä elementistä, joista kunkin toiminta riippuu kahdesta sarjassa olevasta liitoksesta (virta sisään ja ulos). Jos yhden liitoksen pettämistodennäköisyys on p ja liitoksista, joita on 2N kappaletta, tehdään yksinkertaiset, toimii koko laite todennäköisyydellä P\ = (1 -p)2N. Jos sen sijaan liitokset ovat kaksinkertaiset (liitoslanka halkaistu kahteen osaan joihin tehty liitokset erikseen tässä keksinnössä esitetyllä tavalla), saadaan koko laitteen toimintatodennäköisyydeksi P2 = (1 -p2)2N. Kun halutaan välttää laitteen kohtuuton terminen kierrätys tulisi vähintään joka toisen jäähdytyksen olla laitteen toiminnan kannalta onnistunut, eli P > 0.5, Näinollen, jos oletetaan esimerkiksi, että tilastollisesti joka sadas kontakti pettää jäähdytettäessä (p=0.01), saa- 3 B 9 6 ·!< ό daan laitteen komponenttien kriittiseksi ylärajaksi yksinkertaisia liitoksia käyttäen 34 mutta kaksinkertaisia liitoksia käyttäen 3470.

‘ Kun säädetään juotosanturan puristava voima ja lämpötila sopivaksi, muovau tuu tämän keksinnön mukainen liitokseen käytetty liuska pehmetessään liitoskohdasta alkuperäistä liuskaa oleellisesti jäykemmäksi U-palkin muotoiseksi kouruksi, joka ei taivu liitoksen alueelta. Tämä on omiaan estämään liitoksen irtoamisen kuoriutumalla. Liitosalueen ulkopuolelle, liuskan nauhamaiseen osaan tehdyn taitoksen kohdalta liuska sensijaan taipuu helposti. Kun laitteen eri osat jäähdytettäessä kutistuvat eri suuruisia määriä, tapahtuu kontaktiliuskan pituudessa ja kiinnityskohtien (päiden) välisessä etäisyydessä muutoksia, joiden seurauksena liuskan taipuessa liitoskohtiin muodostuu tukireaktio (leikkaus-voima ja momentti), joka rasittaa liitosta ja voi irroittaa sen. Koska tukireaktio on oleellisesti verrannollinen liuskan leveyteen ja sen taipumissuunnan suuntaisen paksuuden kolmanteen potenssiin, välittää tämän keksinnön mukainen n. 10 pm paksuinen ja 100 pm leveä liuska liitoskohtiin voiman, joka on vain noin 100/50-(10/50)3= 0.02 kertaa se voima, jonka tyypillinen 50 pm paksu poikkileikkaukseltaan pyöreä kontaktilanka välittäisi samalla tavalla taipuessaan. Liitoksen kestävyyden kannalta saavutettava etu on oleellinen, jos liitosta joudutaan laitteen huollon vuoksi toistuvasti lämmittämään ja jäähdyttämään.

Seuraavassa kuvataan keksintö yksityiskohtaisesti viittaamalla piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kontaktilanka-aihion muokkaamista ohueksi kontaktilius-kaksi, kuva 2 esittää kontaktiliuskan asennustavan ja kuva 3 esittää perspektiivi-kuvaa liitoksesta ja valmiista kontaktista.

Kuvan 1 mukaisesti aihiolanka 1, halkaisijaltaan n. 100 pm, puristetaan tai valssataan n. 10 pm vahvuiseksi ja 3-4 mm levyiseksi levyksi 2, johon tehdään haluttu määrä osittaisleikkauksia 4 ja lopuksi valmiin kontaktiliuskan 3 irroittava leikkaus 5. Kontaktiliuska siirretään kuvan 2a mukaisesti paikalleen yhdistämään eri aluslevyillä 6 ja 7 sijaitsevia komponentteja siten, että sen päät lepäävät kontaktialueiden 8 ja 9 päällä. Liuska kiinnitetään jommasta kummasta päästään painamalla se kuumalla juotosanturalla 10 vasten kontaktialuetta. Sen jälkeen taivutetaan liuska kuvan 2b osoittamalla tavalla ja liitetään toinenkin pää kuten edellä. Kuvassa 3 on valmis liitos, jonka alueelta liuska on muovautunut palkki-maiseksi. Liuska myötäilee lämpölaajenemiskertoimien eroista johtuvaa kontaktialueiden 8 ja 9 välistä suhteellista liikettä taipumalla taitoksen 11 kohdalta palkkimaisten Hitosalueiden pysyessä jäykkänä.

Claims (5)

1. Suprajohtava liitos elektroniikkapiirilevyn ja ohutkalvotekniikalla alustamateriaalille valmistetun suprajohtavan komponentin välille tai kahden suprajohtavan ohutkalvokomponentin välille, tunnettu siitä, että ^ liitoksen muodostaa ohut, pehmeästä suprajohtavasta materiaalista tehty levy (kontaktiliuska), joka muodostuu liitoskohtien välillä olevasta litteäs-tä, taipuisasta ja taivutetusta osasta (11), joka pienentää liitosta valmistettaessa muodostuvia ja jäähdytyksestä aiheutuvia liitoskohtiin kohdistuvia jännitysvoimia, sekä liitoskohdissa poikkileikkaukseltaan U-muotoisista 0 palkkiosista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen liitos, tunnettu siitä, että kontakti-liuska on pitkittäin halkaistu ohutkalvokomponentin puoleisesta päästään tai molemmista päistään kahteen tai useampaan osaan ja kukin näin muodostunut haara on erikseen liitetty kontaktialueeseen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen liitos, tunnettu siitä, että kon taktiliuska on 5-200 kertaa paksuuttaan leveämpi.

4. Menetelmä patenttivaatimuksen 1 mukaisen liitoksen tekemiseksi, tunnettu siitä, että kontaktiliuska (3) puristetaan kontaktipintoja vasten siten, että kontaktiliuskan pää muovautuu U-muotoiseksi kouruksi liitok- !0 sen alueelta, käyttäen pinta-alaltaan pientä tasaista juotosanturaa (10), jonka lämpötila on matalampi kuin kontaktiliuskan sulamispiste.

4 8 9 643

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kontaktiliuska (3) tehdään litistämällä pyöreästä langasta (1). 5 B9643