超导量子芯片-先进封装对超导量子芯片的借鉴

样品封装盒当前实验室的成熟封装工艺介绍：量子计算芯片需要输入输出，于是我们会需要一个能够承载信号线接入，同时能良好抑制噪声的标准方案，当前通常以一个样品盒作为载体。

Microwave Package Design for Superconducting Quantum Processors
我们对样品盒有几个要求：
1. 样品盒的能够满足测控信号输入输出(芯片四周的圆柱形smp端口连接到芯片的pad上)
2. 材料决定热传导顺利，可以快速为芯片降温，以便芯片能够减少热噪声影响，提升t1，t2。
3. 磁场，介电损耗，电容耦合电感耦合等负面效果的抑制(通过芯片盖子如上图b所示，bonding线等)

样品盒pcb板信号线实现细节：1. 阻抗匹配：

减少信号反射和插入损耗，确保高保真度的控制信号传输；

2. 埋入式对称带状线结构：

信号线被上下地平面等距包围，左右可能通过过孔阵列增强屏蔽。盲孔优化信号路径，通孔强化接地网络。FEP高频绝缘层，保障信号完整性。

3. 接地：上图（a）表现了样品盒的构造，中间一小块浅蓝色为芯片实际的位置，他通过bonding等方案，将pad和地接到样品盒上，如果你有仔细看(c)会发现他进行了大量的接地，论文中也有证明，充分接地的好处，当没有接地时每条传输线的信号都会对其他传输线进行串扰，充分接地后有明显缓解。样品盒材料选择：
考虑到电导率耗散（尽可能选超导的），介电常数（受氧化物影响）的耗散后，我们对比铜(氧化层较稀疏)，铜镀铝(铝氧化层相对铜致密，且铝超导)，和铜镀金（没有氧化层），另外需要一个导热良好的材料，以便降温，于是在目前的实验室主流方案中就会考虑铜镀铝。在数十量子比特时我们可能太不用考虑散热，串扰，供电，功能。随着规模逐步提升，我们已经需要高密度布置数百量子比特，上千条传输线，上千个接口。这时候我们需要考虑更先进的封装技术，比如3D封装中的倒装焊，硅通孔(TSV)，背面信号输入/供电先进的3D封装工艺：

分离量子比特和信号处理（包括信号放大，比特偏置，控制路由）层，中间层用硅通孔连接量子比特和底层的读出控制层，层与层之间使用铟柱连接，这种方案有效的对整体的部署进行功能隔离，减少串扰，让量子比特和传输层有更多独立优化的空间。

传统工艺中我们通过wire bonding，将信号线往芯片盒上连，同时为了抑制串扰只能打大量bonding，bonding自身也有寄生信号，在数百比特以上难以扩展。
3d封装的方案可以稳定有效的将信号传输到基板，实验结果显示，量子比特的相干时间为 T1 = 20.9 μs，T2,echo = 24.6 μs，与单芯片控制相当。这表明翻转芯片设计通过 3D 集成维持了高性能，而 wire bonding 的局限性（如扩展性差）被部分缓解。

另外因特尔提供了一项将信号接口集中在背面的方案，而不是原本在芯片的侧边。为整个器件提供了更多空间，更标准化，大家以后接线可能可以有机器一次性封装，大大提升样品迭代效率先进封装在超导量子芯片上的应用才刚刚开始，相信未来会有更多可能性