一种量子芯片在封装盒内的封装方法与流程

本发明属于量子芯片封装领域，特别是一种量子芯片在封装盒内的封装方法。

背景技术：

量子芯片作为承载超导量子比特的芯片，其测试、运行均需要在低温下进行。量子芯片封装时，其上的的焊盘与封装盒上连接器之间的连接性能，直接决定了量子芯片能否作为性能正常的量子芯片进行运行及其测试结果的可靠性。

现有技术中，量子芯片上的焊盘与封装盒上连接器之间的连接常用的方式为bonding铝线连接。

本实施例申请人在实施现有技术时发现其存在以下缺陷和不足：

bonding铝线连接时，一方面，借助铝线相当于增加了信号传输路径上的电感元件，导致影响信号的传输；另一方面，通常为保证量子封装盒内杂散腔模少，量子封装盒体需要设计的小而深，而bonding机针头较大，因此bonding机针头无法伸到封装盒内，无法实现有效bonding，进而无法保证量子芯片与连接针头的连接效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种量子芯片在封装盒内的封装方法，以解决现有技术中的不足，它既能克服bonding机针头较大而无法伸到封装盒内的缺点，又能够保证量子芯片低温工作时焊接点的牢靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种量子芯片在封装盒内的封装方法，所述量子芯片设置在所述封装盒本体内，其上设置有焊盘；所述量子芯片封装盒包括：封装盒本体；第一连接器，固定设置在所述封装盒本体的外侧，且所述第一连接器的连接针头伸入所述封装盒本体内并对应所述焊盘设置；其中，所述方法包括：将所述第一连接器的连接针头与所述焊盘采用熔点在50°到100°的焊材焊接。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述连接针头为铜材质针头；所述焊盘的材质为铝、铌、氮化钛、氮化钛铌之一，当所述所述焊盘的材质为铝时，所述焊盘的表面为氧化铝薄膜；当所述焊盘的材质为铝时，所述焊接的焊材为铟铋合金，所述铟铋合金的熔点为50°到100°，不包括端点值；所述焊接在惰性气体或真空环境下进行。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述铟铋合金的熔点为70°的铟铋合金。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述铜材质针头的表面覆设有金膜。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述焊盘有两个，两所述焊盘对称设置在所述量子芯片的同一面的两相对侧；所述第一连接器有两个，两所述第一连接器对称设置在所述封装盒本体的两相对侧；且两所述第一连接器的连接针头与两所述焊盘一一对应设置。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述封装盒本体为长方体型盒体；所述封装盒本体的四个棱角处均设置有凹槽，各所述凹槽对称设置。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述凹槽为弧形凹槽。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述封装方法为：将所述第一连接器的连接针头与所述焊盘采用熔点在50°到100°的焊材在惰性气体下进行焊接。焊接之前还包括：固定所述第一连接器的连接针头相对所述封装盒本体固定不动。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述量子芯片封装盒还包括：支架，固定设置在所述封装盒本体的外侧；第二连接器，固定设置在所述支架上，且所述第二连接器通过连接线连接所述第一连接器的连接针头，进一步使得所述第一连接器的连接针头相对所述封装盒本体固定不动。

如上所述的量子芯片在封装盒内的封装方法，其中，优选的是，所述支架为l型支架；所述l型支架的第一直角边固定连接所述封装盒本体，所述l型支架的第二直角边固定连接所述第二连接器；所述l型支架的第二直角边的长度大于所述l型支架的第一直角边的长度。

与现有技术相比，本发明在封装盒本体内实现了所述第一连接器的连接针头与量子芯片的焊盘的连接，克服了bonding机针头无法伸到封装盒内，无法有效bonding的问题；同时，采用了熔点为50°到100°之间的低温焊材，保证了量子芯片的低温工作环境需求，又能满足量子芯片在低温环境工作时焊接处的牢靠性。

附图说明

图1是本发明提供的量子芯片在封装盒内的封装方法的流程示意图；

图2是量子芯片在量子封装盒内的封装效果示意图；

附图标记说明：1-封装盒本体，2-量子芯片，3-第一连接器，4-连接线，5-第二连接器，6-支架。

具体实施方式

以下通过附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的实施例提供了一种量子芯片在封装盒内的封装方法，如图2所示，所述量子芯片设置在所述封装盒内，其上设置有焊盘；所述封装盒包括封装盒本体1和第一连接器3。其中：第一连接器3固定设置在所述封装盒本体1的外侧，且所述第一连接器3的连接针头伸入所述封装盒本体1内，与所述焊盘对应设置。

具体地，量子芯片2可以为超导比特量子芯片，也可以为约瑟夫森参量放大器等功能性量子芯片，这些芯片的共性是在低温环境下工作。

封装盒本体1作为需要在低温下运行的超导量子芯片的封装盒，封装盒本体1采用铝材质制备，铝的低温超导性能够为量子芯片2的测试、运行提供良好的工作环境。

第一连接器3为常用的信号连接器，例如sma接头，这些连接器的连接针头通常相对连接器本身是转动可调的。

本实施例提供了一种量子芯片在封装盒内的封装方法，如图1所示，该封装方法包括步骤s2:将所述第一连接器3的连接针头与所述焊盘采用熔点在50°到100°之间的焊材在惰性气体下进行焊接。

通过步骤s2，本实施例在封装盒本体1内实现了所述第一连接器3的连接针头与量子芯片2的焊盘的焊接，克服了bonding机针头无法进入到封装盒内而无法有效bonding的问题；同时，采用了熔点50°到100°之间的低温焊材，可以保证量子芯片2的低温工作环境需求。

进一步地，为保证焊接连接处的牢靠性和稳定性，焊材的具体熔点、成分及焊接的具体条件需要根据应用环境进行具体选择。在本实施例中，应用环境包括：所述连接针头为铜材质；所述焊盘的材质为铝、铌、氮化钛、氮化钛铌之一；当所述焊盘的材质为铝时，所述焊盘的表面为氧化铝薄膜。所以作为优选，所述焊接的焊材为铟铋合金，所述铟铋合金的熔点为50°到100°之间，不包括端点值。

可以理解的是，铟是银白色并略带淡蓝色的金属，它具有熔点低(156.6℃)、质地软、延展性好、可塑性强且可压成极薄的金属片等特点，从常温到熔点之间，铟合金与空气中氧的作用缓慢，合金中每增加1％的铟，可降低熔点1.45℃。金属铋为有银白色(粉红色)到淡黄色光泽的金属，它的熔点低(271℃)，质脆易粉碎且导电导热性差；室温下，铋不与氧气或水反应，在空气中性能稳定。所以可以通过不同重量组分的铟铋金属制备一定熔点的铟铋合金，本实施例中，铟铋合金的熔点为50°到100°，不包括端点值，优选70°。

另外，铟铋合金在液态时对氧化铝薄膜具有良好的渗透性。同时，铟铋合金在液态时与铝、金、铜等具有很好的共融性，所以本实施例中，通过铟铋合金在液态时对氧化铝薄膜的渗透性来破坏焊盘表面的氧化铝薄膜，通过铟铋合金在液态时与铝的共融性实现共融焊接；同时为了避免焊盘上铝材的二次氧化，选择在惰性气体或真空条件下进行焊接。常见的惰性气体如氮气、氩气等。

同时，考虑到铜在熔融状态易氧化，所以所述铜材质针头的表面覆设有金膜。金膜不易氧化，能够有效保证连接器的连接头与焊盘连接的牢靠性。

作为本实施例的优选技术方案，所述焊盘有两个，两所述焊盘对称设置在所述量子芯片2的同一面的两相对侧；所述第一连接器3有两个，两所述第一连接器3对称设置在所述封装盒本体1的两相对侧，且两所述第一连接器3的连接针头与两所述焊盘一一对应设置。该设置可保证量子芯片2通过第一连接器3实现信号的输入及输出。

作为本实施例的优选技术方案，所述封装盒本体1为长方体型盒体；所述封装盒本体1的四个棱角处均设置有凹槽，各所述凹槽对称设置。凹槽的设置一方面有利于减轻盒体的重量，另一方面可通过对称设置的凹槽来操作封装盒本体1，方便了封装工作的进行。在具体设置的时候，所述凹槽可以设置为弧形凹槽。

作为本实施例的优选技术方案，所述封装方法中，在将所述第一连接器3的连接针头与所述焊盘采用熔点在50°到100°之间的焊材在惰性气体下进行焊接之前还包括步骤s1：固定所述第一连接器3的连接针头使相对所述第一连接器3不转动。

通过步骤s1，可以确保焊接之前连接针头相对焊盘位置的确定性，进而保证焊接效果，即保证焊接的稳定性和牢靠性，这一点克服了本领域技术人员的常规认知。通常情况下，本领域技术人员都是直接进行所述第一连接器3的连接针头与所述焊盘的固定连接。

作为本实施例的优选技术方案，所述量子芯片封装盒还包括支架6和第二连接器5。其中，支架6固定设置在所述封装盒本体1的外侧；第二连接器5固定设置在所述支架6上，且所述第二连接器5通过连接线4连接所述第一连接器3的连接针头，使得所述第一连接器3的连接针头相对所述第一连接器3固定不动。本实施例通过连接线4、第二连接器5和支架6在封装盒本体1外部实现了第一连接器3的连接针头在空间位置的确定，克服了在封装盒本体1内部狭小空间内进行操作的局限性。

具体地，由于第一连接器3设置有两个，所以支架6及第二连接器5均对应有两个。所述支架6设置有两个，两所述支架6对称设置在所述封装盒本体1的两相对侧，且两所述支架6与两所述第一连接器3为间隔设置；两个第二连接器5，分别固定设置在两所述支架6上，且两所述第二连接器5与两所述第一连接器3一一对应设置，并通过所述连接线4连接。

所述支架6为l型支架，所述l型支架的第一直角边固定连接所述封装盒本体1，所述l型支架的第二直角边固定连接所述第二连接器5，且所述l型支架的第二直角边的长度大于所述l型支架的第一直角边的长度。该设置保证了第二连接器5的空间及空间位置设置，第二连接器5的空间位置设置和连接线4配合，可以起到固定第一连接器3的连接针头的作用，另外，第二连接器5的空间位置设置可以为焊接操作提供足够的空间。

下面将结合具体操作过程介绍本实施例，具体操作包括以下事宜：

第一步：准备好相关用具，例如：锁相放大器、封装盒本体1、量子芯片2、铟铋合金材料(70度铟铋合金)、连接器(sma公头)等；

第二步：将铟铋合金熔融备用；

第三步：将量子芯片2固定在封装盒本体1上，且保证接地良好；

第四步：在氮气环境下，将量子芯片2与连接器3的连接针头焊接；

具体地，用70度铟铋合金将连接器的连接针头焊接到量子芯片2的焊盘表面，使用的方法是电烙铁工艺，焊接温度为150℃，电压为220v，在氮气环境中进行；焊接时间越短越好，目的是减少与外界空气的接触。

第五步：焊接完毕后，立即密封好封装盒上另一侧盖子，迅速放入提前备好液氮的容器中进行冷却并用氮气枪吹至常温。需要说明的是，放到液氮中冷却的目的，一方面是利用液氮的低温环境迅速降温，冷热循环保证连接处牢固性；另一方面是利用液氮的液体环境进行空气中的氧气和水的隔离，防止冷却过程中空气中的氧气和水破坏铝膜和铟铋合金的接触面。如果以上操作均处于真空环境且冷却也在真空环境下进行，则直接放置在真空环境中冷却即可。

第六步：测试焊盘与连接针头连接处的电阻并记录数据；

第七步：放置2～3h后，再次测试电阻并记录数据；

第八步：将量子芯片2和封装盒整体放置在真空箱中，压强在-0.8bar以下，放置2～3天后，测试电阻并记录数据；

第九步：将量子芯片2和封装盒整体接在同轴电缆上的一端，放入液氦低温罐中，放置3～4h，期间不间断测试并记录数据。

经过对实验数据的整理：常温实验中，第一天焊接完成，冷热循环恢复至至常温后，测试的阻值数据约为1欧姆；第二天在常温下测试完电阻后，放入真空箱中，真空度为-0.84bar，放置两天后，于第五天取出样品测试得到阻值仍不到2欧姆；第六天继续测试得到的阻值小于3欧姆。由此推断，70度的铟合金材料焊接量子芯片2后具有一定的稳定性，可以用于焊接实验中与量子芯片2的连接。

对于低温实验，采取的是在液氦低温罐中进行操作，时间持续4h左右，温度约4k。经过一系列的测试发现：①样品在温度为4k左右时，70度铟铋合金焊接点未断裂；②在温度为4k左右时，70度铟铋合金焊接电阻的阻值在一定区间不断变化，且变化阻值在可接受范围内；③在低温罐中取出并氮气吹至常温后，再次测试的阻值在可接受范围内且焊点未断裂。由此可推断，70度铟合金材料用于焊接量子芯片2的焊接，牢靠性好且焊点不易断裂，可以作为焊接实验中与量子芯片2连接的焊材。

以上的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，且以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图示所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。