CN114953432A - 气溶胶喷射打印制作信号传输线的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种气溶胶喷射打印制作信号传输线的方法及应用，属于量子芯片封装领域。在量子芯片的封装工艺中，采用气溶胶喷射打印的方式制作信号传输线，能够使封装盒中的信号传输线结合牢固，在后续焊接连接器时不易发生脱落。并且考虑到气溶胶喷射打印易于操作的特点，其可以降低量子芯片封装过程中制作信号传输线的工艺复杂度、提高后续制作出的封装产品的质量。

Description

气溶胶喷射打印制作信号传输线的方法及应用

技术领域

本申请属于量子芯片封装领域，具体涉及一种气溶胶喷射打印制作信号传输线的方法及应用。

背景技术

在量子芯片的相关研究中，高集成度的封装是一个难点。该问题在隧道式封装方案中表现的尤为突出。然而，目前尚未有解决隧道式封装的量子芯片中的焊接复杂的问题的有效方法。同时，随着技术的不断发展，量子芯片的比特数目会越来越多，如该问题不解决或缓解，会严重影响量子芯片的封装效率、质量。

发明内容

有鉴于此，本申请公开了一种气溶胶喷射打印制作信号传输线的方法及应用，其能够降低量子芯片的封装难度、提高封装质量。

本申请示例的方案，通过如下内容实施。

在第一方面，本申请的示例提出了一种气溶胶喷射打印在量子芯片封装中的应用。

气溶胶喷射打印是一种“直写”图形化的微结构的方案，其具有非接触、高精度、适用于各种喷射用材料以及各种材质和形状的衬底等优点。在量子芯片的封装工艺中采用该技术能够有效地缩小量子芯片的封装结构的体积，从而有助于量子器件向高集成度和小型化方向发展。

同时，相比于传统的量子芯片的隧道式封装方案，使用气溶胶喷射打印可以提高量子芯片于封装过程中形成的封装部件的结构稳定性、配合精度，并且还减少了封装工序、提高了封装操作的简便性等。

根据本申请的一些示例中，气溶胶喷射打印被实施以制作在量子芯片的封装过程中使用的信号传输线；

或者，气溶胶喷射打印被实施以制作在通过隧道式封装盒封装量子芯片的封装过程中使用的信号传输线，且信号传输线被构造为位于隧道式封装盒的隧道内。

在第二方面，本申请的示例提出了制作在封装量子芯片过程中所使用且设置于隧道式封装盒的隧道内的信号传输线的方法。

该方法包括：

提供通过金属表面限定线槽的基层，线槽定义有宽度方向和深度方向，线槽构成隧道；

在线槽内通过气溶胶喷射打印的方式，于金属表面依次制作介质层和金属层，且金属层叠置于介质层的表面。

根据本申请的一些示例，基层为金属材质；或者，基层和金属表面为一体成型结构；或者，基层和金属表面由金属材料一体成型而成。

根据本申请的一些示例，金属表面包括铝表面。

根据本申请的一些示例，金属层包括银层。

根据本申请的一些示例，介质层包括树脂层；或者，介质层包括环氧树脂层。

根据本申请的一些示例，在宽度方向，介质层的宽度大于金属层的宽度。

根据本申请的一些示例，介质层在宽度方向的宽度尺寸与在深度方向的厚度尺寸的比值为30；和/或，金属层在宽度方向的宽度尺寸与在深度方向的厚度尺寸的比值为10。

根据本申请的一些示例，信号传输线的介质层由第一端至第二端延伸而成，金属层包括彼此间隔开的第一金属部和第二金属部，其中，第一金属部位于介质层的第一端，第二金属部从第一端延伸至第二端；

在于金属表面依次制作介质层和金属层的步骤中，制作金属层的方法包括：

在介质层的表面，以任选的顺序分别制作第一金属部和第二金属部。

根据本申请的一些示例，信号传输线是微带线；或者，信号传输线是表面电阻为5Ohms至6Ohms、特征阻抗为50Ω和插入损耗≦2dB/10mm的微带线。

有益效果：

与现有技术相比，本申请示例中的方案将气溶胶喷射打印技术引入到量子芯片的封装工艺中，并因此获得由该技术的优势所实现的对量子芯片封装的积极作用。

一方面，气溶胶喷射打印技术适用于对精细结构的高精度制作，利于制作尺寸小且精度要求高的量子芯片中的元器件。另一方面，气溶胶喷射打印技术可以用于各种形状的表面，因此，在需要制作特定形状或布局形式的各种线路时，可以提高制作效率。再一方面，气溶胶喷射打印技术可以允许所制作的各种线路与基底/衬底/载体牢固地结合，而不会轻易发生脱落，从而提高打印的各种线路的可靠性和稳定性，并因此利于对其进行后续操作例如连接其他部件。进一步地，由于采用非接触式的线路制作方式可以有效降低地载体的伤害或者载体上其他的元器件的潜在威胁。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请示例中的用以封装量子芯片的隧道式封装盒的结构示意图；

图2示出了图1的封装盒中基层的线槽的分布结构示意图；

图3为本申请实施例提供的在图2所示的线槽中制作信号传输线的气溶胶喷射打印机的结构原理示意图；

图4示出了本申请实施例中的信号传输线的结构示意图；

图5示出了本申请示例中的信号传输线于线槽内的堆叠方式的截面结构示意图；

图6为本申请示例中的气溶胶喷射打印制作信号传输线的流程示意图。

图标：100-封装盒；101-线槽；102-安装槽；200-信号传输线；201-介质层；202-第一金属部；203-第二金属部；204-金属表面；301-雾化器；302-提浓器；303-打印头。

具体实施方式

在实践中，在对量子芯片进行封装时，通常采用一种称之为封装盒的结构。如前文所提及的那样，通常有整基板式(简记为FW式)和隧道式(简记为NF式)两种结构。而其中又以隧道式封装方案发展较为成熟。

图1为本申请发明人所采用的一种隧道式结构的封装盒100。封装盒100具有大致位于其中部的用于放置量子芯片的安装槽102，用于放置印刷电路板的线槽101则设置在安装槽102的周围。

在封装结构中，量子芯片被固定到安装槽102内，并通过适当的线路与在线槽101内的印刷电路板(图未绘示)的一端连接，同时印刷电路板的另一端与连接器(图未绘示)连接。集成了量子芯片、印刷电路板和连接器的封装盒100可以在后续的操作中通过连接器与其他外围电路和各种电子元器件进行连接。

在上述封装过程中，一个重要的步骤是将印刷电路板配置到封装盒100的线槽101内。目前一般采取的方式是焊接。即，在封装过程中由封装人员逐个地将印刷电路板焊接到线槽101内。然而，这样的操作对封装人员的水平要求较为苛刻、费时费力，并且在焊接过程中容易出现失误导致印刷电路板短路。并且，当量子芯片的比特数逐渐增加时，全部的印刷电路板由人工焊接甚至是难以有效实施。

由于一个隧道式的封装盒100可能会拥有数十甚至上百个隧道(即前述线槽101)，因此要在每个隧道中高质量和高效率地焊接印刷电路板难度非常大，而随着量子芯片上的量子比特数目的不断增加，隧道的数量也会越来越多，相应地焊接印刷电路板的难度也会不断增大。

就本申请发明人所知，目前尚未有行之有效的用以解决隧道式封装的印刷电路板焊接复杂、焊接质量差的问题的方案。这些制约了基于隧道式封装盒100的封装方案在量子芯片封装过程中的应用。

有鉴于此，经过研究，发明人提出了一种采用非焊接的方式将印刷电路板结合到封装盒100内的方案。如前述，发明人此前采取的方案是预制印刷电路板，再将其焊接到封装盒100的线槽101内。在本申请的改进的示例方案中，发明人选择在封装盒100的线槽101内将印刷电路板制作出来。因此，在这样的方案中，制作印刷电路板的过程实际也是将其与封装盒100连接和固定的过程。

简言之，此前的方案是将印刷电路板的制作以及与封装盒100的配合(焊接)过程分开，而本申请的示例中，利用气溶胶喷射打印技术将印刷电路板的制作以及与封装盒100的结合步骤合二为一。因此，从工序上而言，本申请示例的方案相较于此前的方案步骤减少，因此有利于缩短量子芯片的封装周期、提高封装效率。

需要指出的是本文中的描述以隧道式封装盒100为例进行阐述，但是这并非意在限制本申请示例的方案只能应用于隧道式封装盒100。实际上在其他一些使用数量多且小型的PCB(印刷电路板)的封装盒100中也可以使用本方案。

气溶胶喷射打印技术是将待打印材料雾化为气溶胶，然后利用载气将气溶胶输送至喷射打印机械部件，并通过工作气体使气溶胶以很细的射流喷射到基底上，从而沉积成型的一种技术。

因此，在本申请示例中，针对隧道式封装的印刷电路板的焊接复杂的问题，发明人提出利用气溶胶喷射技术进行印刷电路板的3D打印。并且据此实现大幅减少隧道式封装盒100的封装时间、提高封装效率、节省人力，同时还能够极大程度避免印刷电路板短路等情况的发生。进一步地，基于这样一些优势，封装盒100量产的情况下，该方案能够显著地降低制造成本。

因此，在本申请的示例中，发明人将气溶胶喷射打印应用于量子芯片的封装中。进一步地，其被用以制作在量子芯片的封装过程中使用的信号传输线200，例如由前述之印刷电路板体现。更进一步地，当其被应用于隧道式封装盒100时，信号传输线200通过气溶胶喷射打印的方式被构造于隧道式封装盒100的隧道(即前述之线槽101)内。利用气溶胶喷射打印技术可以完整地模仿理论设计的PCB的结构尺寸，并且其精度高，可以将误差控制在微米级，可以确保打印位置和尺寸符合设计的预期目标。

那么，基于此，制作在封装量子芯片过程中所使用且设置于隧道式封装盒100的隧道内的信号传输线200的方法可以通过以下方式被实施，请参阅图6。

步骤S101、提供具有线槽101的基层。

该基层被用作为隧道式封装盒100，其可以独立或者与其他结构部件(如盖)组合形成封装盒100。示例中，基层独立地构成隧道式封装盒100，其结构参阅图2所示。

示例中，基层具有通过金属表面204限定的线槽101。该线槽101作为印刷电路板(可以作为信号传输线200)的容纳腔，即隧道。

为了方便描述，线槽101定义有宽度方向和深度方向。

参阅图2和图5，作为一种可替代的示例，线槽101在宽度方向W的尺寸例如是1.0mm，在深度方向H的尺寸例如是0.75mm。

在图2所示的结构中，线槽101具有大致细长的形状。因此线槽101具有两端，分别记为A端部和B端部。其中，A端部临近用于放置量子芯片的安装槽102，而B端部则远离安装槽102，或者说如图2所示，大致位于封装盒100的边缘的附近。即线槽101大致由A端部延伸至B端部。应当理解，基层和线槽101的形状和构造方式并不以图2所示为限，在其他示例中本领域技术人员可以根据需要对其进行调整和修改。

其中基层和金属表面204可以是一体成型的，或者两者是通过其他方式组合构成。作为在量子芯片封装盒100的使用场景，基层通常以金属材料制作而成。示例性地，金属表面204可以为铝材质，因此其形成铝表面。当基层和金属表面204为一体成型时，二者可以采用相同材料制作。例如，通过将整个铝块进行切削、铣、打磨等操作制作为图2所示结构；这样的示例中基层和金属表面204的材质相同，其他示例中二者的材质也可以是不同的金属材料。或者，其他示例中，也可以选择使用注塑、浇注成型等制作具有金属表面的基层。或者，基层和金属表面204也可以通过3D打印的方式制作而成。本申请中对基层和金属表面204的制作方式不作具体限定。

步骤S102、在基层的线槽101内制作信号传输线200。

如前述信号传输线200通过气溶胶喷射打印的方式被制作到基层的线槽101内。

根据信号传输线200的结构组成以及对应的材料的不同，气溶胶喷射打印的方式可以进行适当的选择性调整。总体上而言，制作的方式为：通过气溶胶喷射打印的方式，在线槽101内，于金属表面204依次通过将气溶胶喷射到金属表面204位于线槽101内的区域，从而将对应的材料沉积，进而实现制作介质层201和金属层。

示例中，金属层叠置于介质层201的表面，而相应地介质层201覆盖于金属表面204。即先在金属表面204位于线槽101内的选定区域，通过喷射将介质材料的气溶胶喷射以沉积形成介质层201，然后再于介质层201的背离金属表面204的表面(或称顶面)喷射金属材料的气溶胶以沉积金属层。

如同前述，基层和金属表面204可以使用金属铝材。信号传输线200中的介质层201可以选择为有机高分子材料，例如树脂，更进一步而言可以为环氧树脂；相应地介质层201可以被构造为树脂层或环氧树脂层。环氧树脂具有相对较好的附着性，能够与金属表面204在线槽101内的区域结合更牢固，提高抗剥离性能。

信号传输线200中的金属层则可以选择金属银制作为银层。当该方案被应用于超导量子芯片时，为了适应于超导量子计算在低温环境中的工作需要，前述的金属层则一般采用超导材料。该超导材料例如是适当选择的金属单质或金属氮化物，例如Al、Nb、TaN等。

在上述的过程中，气溶胶喷射打印的具体实施可以通过既有的气溶胶喷射打印机来实现和完成，或者根据需要在其基础上进行适当的结构优化和调整，以便更适用于实际的工作场景。

为了方便于本领域技术人员实施本申请示例的方案，气溶胶喷射打印机的结构以及其大致的工作流程简述如下(参阅图3)：

打印机具有雾化器301，其能够将由待打印的材料利用分散剂(或溶剂)制作而成的分散液(或称墨水，可以采用市售墨水和自制墨水)通过施加激励的方式形成气溶胶。载气将雾化器301产生的气溶胶输送到中间处理单元(例如提浓器302)使其浓度增加。然后，载气和气溶胶一同进入到打印头303。打印头303接入工作气(或称之为鞘气，可以去除溶剂)，在工作气的作用下形成包含待打印材料的高速细小的射流。该射流冲击到封装盒100的金属表面204在线槽101内的区域。射流高速撞击表面，在表面铺展、反应，从而形成致密、品质好、尺寸和形状可控的材料层，且其与线槽101内的金属表面204结合牢固、稳定，同时于制作过程中还不会掉落残渣。

进一步地，考虑到所使用的待打印材料可能需要进行适当的固化处理。因此，在将其喷射打印到线槽101内之后，可以考虑对其进行可选的固化操作。例如前述介质层201可以选择为环氧树脂，而其通常为热固化材料。那么，在通过喷射打印到线槽101内的金属表面204之后，可以对其进行适当的热处理，例如烘烤、加热。

在基层的线槽101内通过气溶胶喷射打印机制作上述信号传输线200的上述过程中，将打印机的打印头303和基层对置，而为了获得不同构造形式的信号传输线200，打印头303和基层可以进行相对运动。

其中的相对运动例如是指打印头303的基层相对的上下方向的靠近或远离；或者还可以表示与上述上下方向垂直的横向方向的左右移动，并且移动可以由打印头303独立进行，或者基层独立进行，或者二者同时进行。

在另一些示例中，前述的上下运动和左右运动可以相互结合同步或异步顺序进行，以实际工艺需求为准。这些运动方式的控制可以配置上位机进行操作。

另外，应当指出的是，上述信号传输线200中的介质层201和金属层可以是单层或多层结构。换言之，介质层201可以为一层，或者两层、三层或多层的逐层叠合结构；金属层也可以是为一层，或者两层、三层或多层的逐层叠合结构；这些都可以根据需要的厚度进行考虑。或者为了获得需要的厚度的介质层201和金属层，也可以选择分别只制作单层，但是在制作时通过调整工艺参数的方式来改变该单层的厚度。其中的工艺参数例如是打印头303和基层的间距、相对移动的方向和速度、射流的直径、喷射速度等等。

此外，由于上述工艺参数也可能对所获得的介质层201、金属层的质量(示例性地，形状的精确性—有无边缘毛刺、边缘是否平直等等，或致密程度等)产生影响。因此，制作单层，抑或是多层，或者分别对介质层201和金属层选择单层和多层的结合方案可以在实践中根据具体表现进行选择。

进一步地，对于信号传输线200的具体结构，在不同的量子芯片类型和具体结构方案中，其具有不同的选择。例如，信号传输线200可以微带传输线(或简称微带线)、共面波导传输线(或简称共面波导线)等，或者也可以选择为其他形式的传输线。

示例中，从制作方式上而言，该信号传输线200亦被称之为印刷电路板/PCB。通过对材料、结构等参数的调整可以获得具有各种性能指标的信号传输线200，以满足实际需要为宜。

作为一种示例，以6比特/bit的隧道式封装盒100为例，一个封装盒100中配置16个线槽101。示例中的线槽101在宽度方向W的尺寸例如是1.0mm，在深度方向H的尺寸例如是0.75mm。

对应在16个线槽101内分别对应配置1个共计16个应用于NF式封装盒的PCB。且每个PCB由下层的20微米厚的环氧树脂介质层201和上层的10微米厚的金属银层。同时，介质层201的线宽(宽度方向W的尺寸)600微米，金属层的线宽100微米；线宽和厚度的误差要求在百分之十以内。

根据上述要求喷射打印出的PCB，经过微波性能测试，结果表明金属层微带电阻大约在5Ohms至6Ohms，特征阻抗大约为50欧姆，插入损耗≤2dB/10mm。即通过喷射打印制作了为表面电阻为5Ohms至6Ohms、特征阻抗为50Ω和插入损耗≦2dB/10mm的微带线作为信号传输线200。

前文中，信号传输线200具有介质层201和金属层，且二者叠层布置。在另一些示例中，上述的金属层以两部分进行构建(图4所示方案)。例如，金属层包括第一金属部202和第二金属部203，并且二者彼此间隔开。

因此，信号传输线200包括作为底层/下层的介质层201，以及覆盖于介质层201的表面之上的上层(第一金属部202和第二金属部203)，并且二者无接触。在这样的结构中，可先喷射打印介质层201；然后在其表面喷射打印第一金属部202，然后再喷射打印第二金属部203，反之亦然。或者第一金属部202和第二金属部203同时喷射打印。言外之意，打印操作时，可以配置多个能够同步或可选异步地使用的多个打印头303。

简言之，金属表面204位于线槽101内的区域依次制作介质层201和金属层的步骤中，制作金属层的方法包括：在介质层201的表面，以任选的顺序分别制作第一金属部202和第二金属部203。

为了方便进行阐述，如前述定义线槽101具有宽度方向和深度方向。请参阅图5，其中宽度方向由W所表示，深度方向由H所表示。其中深度方向可以定义基层的厚度尺寸(相应也可以借此限定信号传输线200的厚度尺寸)，而宽度方向则可以定义线槽101的断面的宽度尺寸(相应也可以借此限定信号传输线200的宽度尺寸)。

除此之外，从结构尺寸上而言，作为一种可替代的方案，介质层201具有相对于金属层更大的尺寸。换言之，在示例中，金属层是覆盖和依托于介质层201的表面上的，且介质层的边缘延伸到金属层之外；或者在这样的示例中，金属层未悬空布置在介质层201的表面。

请再次参阅图5，一些示例中，在宽度方向，介质层201的宽度大于金属层(前文中述及的第二金属部203)的宽度。在另一些示例中，就宽度和厚度比值而言，介质层201在宽度方向的宽度尺寸与在深度方向的厚度尺寸的比值为30，亦可选择其他值。在又一些示例中，金属层在宽度方向的宽度尺寸与在深度方向的厚度尺寸的比值为10。

如前述，金属层可以具有在介质层201之上间隔开的第一部分(第一金属部202)和第二部分(第二金属部203)。为了方便描述，请一并参阅图2和图4，信号传输线200的介质层201由第一端至第二端延伸而成。因此，金属层的第一金属部202位于介质层201的第一端，第二金属部203从第一端延伸至第二端。即，第一金属部202位于线槽101的B端部，而第二金属部203则从线槽101的B端部遍及至A端部。如此，信号传输线200在B端部处能够与连接器连接，以便与外部电路连接，而在A端部处则能够通过诸如引线等方式与量子芯片进行连接。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上文结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，应该理解的是，当层、区域或结构被称作在另一层层、区域和/或结构“上”时，它可以直接位于另一个层或衬底上，和/或还可以存在插入层。另外，应该理解，当层被称作在另一个层“下”时，它可以直接位于另一个层下，和/或还可以存在一个或多个插入层。另外，可以基于附图进行关于在各层“上”和“下”的指代。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本申请的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本申请的较佳实施例，但本申请不以图面所示限定实施范围，凡是依照本申请的构想所作的改变，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，均应在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种气溶胶喷射打印在量子芯片封装中的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述气溶胶喷射打印被实施以制作在所述量子芯片的封装过程中使用的信号传输线；

或者，所述气溶胶喷射打印被实施以制作在通过隧道式封装盒封装所述量子芯片的封装过程中使用的信号传输线，且所述信号传输线被构造为位于所述隧道式封装盒的隧道内。

3.一种制作在封装量子芯片过程中所使用且设置于隧道式封装盒的隧道内的信号传输线的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供通过金属表面限定线槽的基层，所述线槽定义有宽度方向和深度方向，所述线槽构成所述隧道；

在所述线槽内通过气溶胶喷射打印的方式，于所述金属表面依次制作介质层和金属层，且所述金属层叠置于所述介质层的表面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基层为金属材质；

或者，所述基层和金属表面为一体成型结构；

或者，所述基层和所述金属表面由金属材料一体成型而成。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述金属表面包括铝表面。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金属层包括银层。

7.根据权利要求3、4或6所述的方法，其特征在于，所述介质层包括树脂层；或者，所述介质层包括环氧树脂层。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述宽度方向，所述介质层的宽度大于所述金属层的宽度；

和/或，所述介质层在所述宽度方向的宽度尺寸与在所述深度方向的厚度尺寸的比值为30；

和/或，所述金属层在所述宽度方向的宽度尺寸与在所述深度方向的厚度尺寸的比值为10。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号传输线的介质层由第一端至第二端延伸而成，所述金属层包括彼此间隔开的第一金属部和第二金属部，其中，所述第一金属部位于所述介质层的第一端，所述第二金属部从所述第一端延伸至所述第二端；

在所述于所述金属表面依次制作介质层和金属层的步骤中，制作金属层的方法包括：

在所述介质层的表面，以任选的顺序分别制作第一金属部和所述第二金属部。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述信号传输线是微带线；

或者，所述信号传输线是表面电阻为5Ohms至6Ohms、特征阻抗为50Ω和插入损耗≦2dB/10mm的微带线。

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