微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定安裝方法
2023-09-17 06:46:20 1
專利名稱：微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定安裝方法
技術領域：
本發明涉及一種儀器製備方法，具體涉及一種微尺寸超導隧道結的熱熔 蠟二次加熱的固定安裝方法。
背景技術：
超導隧道結，也稱作超導SIS晶片，是目前廣泛應用於天文接收機的、 具有極高靈敏度的探測器件。超導SIS晶片的具體尺寸與工作頻率有關，頻 率越高，晶片尺寸越小(越窄、越薄)。在實際工作中，超導SIS晶片作為
探測器，要安裝到一個尺寸略大於晶片尺寸的安裝槽中(該安裝槽是超導混 頻器基座的一部分)。
超導隧道結的研發和應用最初是從低頻(約O.lTHz)開始。較低頻段下， 通常採用的超導材料是鈮(Nb)，製備基板為單晶石英。因頻率低，石英的 介電常數較小(4.45-4.65)，所以超導晶片尺寸較大，厚度可達100微米左 右。在這樣的大尺寸下，利用顯微鏡進行器件的手工安裝並不困難，所以最 初科研人員選用銦(Indium)壓在晶片接地端， 一方面為了對其進行固定， 另一方面可以同時實現接地(稱為壓銦法固定安裝)。並且是常溫才喿作， 非常方便，成功率基本可達100%。
當射電天文向越來越高的頻率發展，器件尺寸也隨著頻率的增加而減 小。另外，由於超導材料本身具有能隙頻率(鈮的能隙頻率約為0.67THz)， 能隙頻率以上無法正常應用，人們也開始尋求具有更高能隙頻率的超導材料，例如氮化鈮(NbN，能隙頻率約1.4THz)。因薄膜製備工藝的限制， 氮化鈮無法沉積在石英基板上，而必須製備在具有更高介電常數(9.6)的氧 化鎂基板上。因更高工作頻率，和更高介電常數基板的共同影響，器件尺寸 急劇下降，到0.85THz厚度僅為不足30微米。目前該種晶片是將超導材料 以薄膜的形式製備在單晶石英或氧化鎂等基板上，基板尺寸約為 20mmx20mm,厚度300 400微米。 一次工藝完成後，幾十個超導隧道結同 時製備於同一基板上，再經研磨打薄和切割分離，最終晶片的寬度和厚度只 有幾十微米。
上述傳統的壓銦法超導隧道結固定安裝方式是超導晶片長條結構，一 端為接地端， 一端為中頻端(混頻產生的中頻信號從該埠輸出)。壓銦法 安裝時，晶片的接地端用金屬銦(Indium)緊緊壓住，金屬銦具有良好的延 展性和導電性，從而實現晶片的固定(單端固定)與接地，中頻端則通過點
焊方式與外部中頻微帶線連接。
安裝時，為了保證良好固定以及晶片與安裝槽的良好接觸(即良好接 地)，銦必須壓的非常緊，否則會在晶片和安裝槽之間產生接觸電阻。 對如此薄的晶片，這種傳統壓銦法的種種弊端也就體現出來 1)操作低頻(0.5THz以下)器件尚可，但到0.5THz以上的工作頻率， 通常晶片尺寸只有寬度小於100微米，厚度小於為50微米。對於如此小尺 寸的器件，過度用力壓銦往往會導致器件斷裂。在0.5THz以上頻率，這種銦 固定方式的成功概率只有不到50%。而一批超導晶片的製備成;M艮高(約幾 萬人民幣)，加工、切割、研磨歷時較長(約15 20天)，如果在成功實現 所有加工工藝的前提下，只在最後安裝時毀壞器件，在人力、財力和時間上都是一種極大的浪費。
2) 即使在不到50%的成功概率下能把銦壓好，也只是晶片的單端固定， 器件的另一端則需要通過點焊的方式與中頻微帶線連接，實現中頻信號的輸 出。對於一個厚度不足50微米的晶片，當一端被緊緊固定後，另一端必然 會有所上翹，使得中頻端的點焊極難實現。 一方面，可能由於點焊時器件的 抖動，針頭的超聲波振動直接將晶片壓斷；另一方面，由於針頭抬起時與器 件表面薄膜粘附在一起，而晶片這一端並沒有固定，會隨之上翹，使得焊點 無法脫離甚至將薄膜剝離。
3) 銦有極好的延展性，這是採用銦進行固定和接地的主要原因，但同 時也帶來一個弊端，便是良好的粘附性導致銦會附著在安裝槽的底部不易清 除。長期反覆操作後，粘附的銦會使得槽的底部不夠平坦，影響器件安裝平 整度。
當工作頻率越來越高(尤其到0.85THz以上)，晶片尺寸越來越小(厚 度僅為二三十個^f敬米)，傳統安裝方式的成功率越來越低，其弊端也越來越 凸顯。
當高頻下壓銦法的成功率降4氐甚至無法4乘作時，人們也曾嘗試過其他方 法。比如a)採用銀膠由於銀膠可導電，同樣也只能進行單端固定，小 器件中頻端上翹現象無法徹底解決，且銀膠固化時間較長，需要幾個小時， 效率太低；b)採用快幹膠雖可實現雙端固定，但快幹膠不耐低溫，超導 隧道結的工作溫度只有4.2K (約零下270度)，在如此低溫下快幹膠會開裂 無法正常使用；c)較為凝稠的液態膠固定不好，器件位置會有微小移動， 且有時若膠流到波導中，直接導致探測器無法正常工作。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種微尺寸超導隧道結的熱
熔蠟二次加熱的固定安裝方法，新創安裝方式可以克服現有技術中0.5THz 以上工作頻率，晶片尺寸微小時，過度用力壓銦導致器件斷裂；晶片一端被 緊緊固定後，另一端上翹使中頻點焊極難實現；以及安裝槽裡會粘住一些銦 難以清除等種種弊端。本發明還要為實現該方法選擇到適當可行的熱熔蠟。 完成上述發明任務的技術方案是， 一種微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次 加熱的固定安裝方法，其特徵在於，步驟如下，
(1) 、將超導SIS晶片放到安裝槽中，大致調整好位置；
(2) 、晶片兩端各放一點熱熔蠟；此時蠟為固態，只要輕輕搭在晶片兩端 的表面即可，蠟的用量與晶片大小有關，通常將蠟切成小粒，其寬度略大於 器件，與槽寬相當(因超導器件尺寸微小，通常蠟的質量不會超過一克)；
(3) 、然後將混頻器基座置於熱板上，熱板溫度設定在比蠟的熔點略低 10~20度(例如，100度左右)；
(4) 、待熱熔臘變軟後(此時尚未完全熔化)，從熱板上取下混頻器基座， 用削細的牙籤輕壓和移動軟化的蠟，使之較好覆蓋晶片兩端，並與安裝槽底 部較好的粘貼；
(5) 、然後微調晶片位置，完成定位；
(6) 、重新將混頻器基座放回熱板，熱板溫度升溫至等同或略高於蠟的熔 點(例如，120~130度)，待蠟完全熔化為液態後，取下混頻器基座，使之常 溫冷卻；
(7) 、將晶片的兩端通過常規點焊實現接地及與中頻微帶線的連接。
以上所述的熱熔蠟(wax;部分產品也稱為"熱熔膠，，)可以採用
ALLIED公司的Hot Mounting Wax,為透明狀固態熱熔蠟，熔化溫度為
120度。該熱熔蠟為本發明推薦採用的熱熔蠟。
或者採用BS-120N系列熱熔膠軟化點115~125°C，操作溫度160 190°C。
還可以釆用BL-58B系列熱熔膠軟化點88°C，操作溫度160~180°C。 相對於前者，其粘附力強，韌性好，耐低溫性能良好。
本發明利用熱熔蠟二次加熱法進行微尺寸超導隧道結固定安裝的方法 中，所採用的熱熔蠟在120度左右高溫即可熔化，溫度冷卻後常溫下可快速 自然變硬，並能夠工作於低達4.2K (約零下270度)的超導SIS晶片的工作溫度。
本發明的新方法優點在於
1) 不再有用力壓銦的環節，從而大大降低了晶片被壓斷的可能性，安 裝成功率極大提高；
2) 熱熔臘的固定比銦更牢，並且因石蠟本身絕緣，可實現兩端固定， 器件更平穩，使後期點焊更加容易，也提高了安裝成功率；
3) 相對於銀膠等其他固定物，熱熔蠟可工作於更低溫度，更適合對〗氐 溫工作的超導器件進行固定；
4) 熱熔蠟很容易用丙酮清洗，洗後無痕跡，不留汙染，長期多次操作 後，依然可以保證清潔及安裝槽底面平整度，極大提高了混頻器的使用壽命。
5 )本方法中並未遵循傳統熱熔蠟使用中直接達到熔點溫度使之熔化， 然後冷卻的步驟。而是採用二次加熱的方法，先軟化熱熔蠟對器件定位，再完全熔化，並冷卻固定。
一方面，較低溫度更適合微尺寸器件顯微鏡下的手
工操作；另一方面，軟化(並非熔化)時進行晶片定位，不易對器件表面和 安裝槽造成汙染。
6)熱熔蠟高溫熔化後，溫度一旦降低，常溫下可快速(幾分鐘)冷卻 固定，完全不會影響器件安裝速度。
的。主要在於熱熔蠟的熔點較高，通常在100度以上。而器件安裝需要手工 操作，100多度的高溫下，對金屬材質(銅鍍金)的超導混頻器基座進行芯 片手工操作很不方便，極易燙傷。並且，熔化後的蠟濃度較稀，在顯微鏡下 進行微尺寸器件安裝時，手的輕微抖動都會將熔化的蠟塗到混頻器或晶片的 其他部位，導致整個安裝失敗，需要重新清洗後再次進行。而本發明的熱熔 蠟二次加熱的固定安裝方法並不是像傳統觀念中將蠟完全熔化後塗於晶片 上，再降溫冷卻。而是先將蠟在低於熔點的溫度下軟化，然後定位，再完全 熔化，最後冷卻。並且針對超導器件工作溫度極低的特性，尋找到一種適合 其應用的熱熔蠟。因此解決了上述困難，為微尺寸超導隧道結的固定安裝找 到了較為理想的方法。
圖l為傳統安裝方式壓銦法的示意圖； 圖2為本發明熱熔蠟二次加熱固定安裝(雙端固定)示意圖。
具體實施例方式
實施例l,參照圖2:
(1)、將超導SIS晶片放到安裝槽中，大致調整好位置；(2) 、晶片兩端各^L一點熱熔蠟，此時蠟為固態，只要輕輕搭在晶片兩端 的表面即可，蠟的用量與晶片大小有關，通常將蠟切成小粒，其寬度略大於
器件於槽寬相當(因超導器件尺寸微小，通常蠟的質量不會超過一克)；
(3) 、然後將混頻器基座置於熱板上，熱板溫度設定在100度左右(比蠟 的熔點略低10~20度)；
(4) 、待熱熔臘變軟後(此時尚未完全熔化)，從熱板上取下混頻器基座， 用削細的牙籤輕壓和移動軟化的蠟，使之較好覆蓋晶片兩端，並與安裝槽底 部較好的粘貼。
(5) 、然後微調晶片位置，完成定位。
(6) 、重新將混頻器基座放回熱板，熱板溫度升溫至120-130度(等同或 略高於蠟的熔點)，待蠟完全熔化為液態後，取下混頻器基座，使之常溫冷 卻；
(7) 、將晶片的兩端通過常規點焊實現接地及與中頻微帶線的連接。 以上所述的熱熔蠟(wax)釆用的是
ALLIED公司的Hot Mounting Wax,為透明狀固態熱熔蠟，熔化溫度為 120度。
實施例2,與實施例1基本相同，但所使用的熱熔蠟(wax)是BS-120N 系列熱熔膠軟化點115~125°C，操作溫度160 190。C。
實施例3，與實施例l基本相同，但所使用的熱熔蠟(wax)是BL-58B 系列熱熔膠軟化點88。C，搮:作溫度160-180°C。相對於前者，其粘附力強， 韌性好，耐低溫性能良好。
權利要求
1、一種微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定安裝方法，其特徵在於，步驟如下，(1)、將超導SIS晶片放到安裝槽中，大致調整好位置；(2)、晶片兩端各放一點熱熔蠟；(3)、然後將混頻器基座置於熱板上，熱板溫度設定在比熱熔蠟的熔點略低10～20度；(4)、待熱熔臘變軟後，從熱板上取下混頻器基座，輕壓和移動軟化的熱熔蠟，使之較好覆蓋晶片兩端，並與安裝槽底部較好的粘貼；(5)、然後微調晶片位置，完成定位；(6)、重新將混頻器基座放回熱板，熱板溫度升溫至等同或略高於熱熔蠟的熔點，待熱熔蠟完全熔化為液態後，取下混頻器基座，使之常溫冷卻；(7)、將晶片的兩端通過常規點焊實現接地及與中頻微帶線的連接。
2、 根據權利要求1所述的微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定安裝方法，其特徵在於，所述的熱熔蠟採用Hot Mounting Wax。
3、 根據權利要求1所述的微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定 安裝方法，其特徵在於，所述的熱熔蠟採用BS-120N系列熱熔膠。
4、 根據權利要求1所述的微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定 安裝方法，其特徵在於，所述的熱熔蠟採用BL-58B系列熱熔膠。
5、 根據權利要求1或2或3或4所述的微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二 次加熱的固定安裝方法，其特徵在於，在步驟(2)、晶片兩端各放一點熱熔蠟將蠟切成小粒，具體操作方法是將蠟切成小粒，小粒的寬度略大於器件，與槽寬相當；蠟的質量不超過一克。
6、根據權利要求5所述的微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定 安裝方法，其特徵在於，所述的熱熔蠟採用Hot Mounting Wax; 在所述的步驟(3)中，熱板溫度設定在100度； 在所述的步驟(6)中，熱板溫度設定在120度。
全文摘要
微尺寸超導隧道結的熱熔蠟二次加熱的固定安裝方法(1)將超導SIS晶片放到安裝槽中，大致調整好位置；(2)晶片兩端各放一點熱熔蠟；(3)然後將混頻器基座置於熱板上，熱板溫度比蠟的熔點低10～20度；(4)待熱熔蠟變軟後，取下混頻器基座，輕壓和移動軟化的蠟，使之較好覆蓋晶片兩端，並與安裝槽底部較好的粘貼；(5)然後微調晶片位置，完成定位；(6)重新將混頻器基座放回熱板，熱板溫度升溫至等同或略高於蠟的熔點，待蠟完全熔化為液態後，取下混頻器基座，使之常溫冷卻；(7)將晶片的兩端通過常規點焊實現接地及與中頻微帶線的連接。本發明安裝成功率極大提高；固定更牢；更適合低溫工作；不易對器件表面和安裝槽造成汙染。
文檔編號G01V9/00GK101349766SQ20081012479
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月2日 優先權日2008年9月2日
發明者史生才, 婧 李 申請人:中國科學院紫金山天文臺