CN116186954A - 一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法 - Google Patents
一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116186954A CN116186954A CN202111418718.9A CN202111418718A CN116186954A CN 116186954 A CN116186954 A CN 116186954A CN 202111418718 A CN202111418718 A CN 202111418718A CN 116186954 A CN116186954 A CN 116186954A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quantum chip
- packaging structure
- chip packaging
- model
- quantum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 title claims abstract description 145
- 238000004514 thermodynamic simulation Methods 0.000 title claims abstract description 84
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 58
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 24
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 19
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 13
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 13
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 12
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Geometry (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，通过建立量子芯片封装结构的初始模型之后，基于所述量子芯片封装结构的工作环境、经验热源以及量子芯片封装结构的自身特点设置用于热力学仿真的第一边界条件、第一热量条件及第一参数条件，进而实现量子芯片封装盒的热力学仿真。本发明能够真实有效的进行量子芯片封装盒的热力学仿真，并得到量子芯片封装结构精确的热力学参数，并基于此进行量子芯片封装结构的升级优化，从而为量子芯片提供更加稳定的工作环境。
Description
技术领域
本发明属于量子计算领域，具体的涉及量子芯片封装结构的热力学仿真方法。
背景技术
量子芯片的正常工作需要极其稳定的工作环境，为了避免来源于外界的干扰，需要对量子芯片进行封装使用。封装的目的是为了给量子比特提供基本的信号连接、良好的热接触、提供稳定的地平面以及基本的屏蔽保护。另外，对于超导量子芯片而言，还需要在极低温下才能正常工作。如果环境温度过高，其量子态的演化将会非常难以控制。
真实的量子芯片封装盒的热力学参数作为了解和判断量子芯片的工作性能的可靠参数，进而克服现有技术中通过经验或者实验判断量子芯片的工作性能时存在的技术难度大、成本较高、实验时间长、测试环境不稳定以及结果不可靠等弊端，因此急需一种真实有效呈现量子芯片封装结构参数的针对于量子芯片封装结构的热力学仿真方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，以解决现有技术中难以获得真实的量子芯片封装盒的热力学参数的技术问题，为真实有效的呈现量子芯片封装结构参数提供了一种较为科学准确的实现方式。
本发明的技术方案如下：
一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，包括：
建立关于量子芯片封装结构的初始模型；
基于所述量子芯片封装结构的工作环境设置所述初始模型的第一边界条件；
基于经验热源设置所述初始模型的第一热量条件；所述经验热源为量子芯片封装结构内可能产生热量的因素；
基于所述量子芯片封装结构的自身特点设置所述初始模型的第一参数条件；
基于所述第一边界条件、所述第一热量条件和所述第一参数条件对所述初始模型进行热力学仿真计算，获得所述初始模型的第一热力学仿真结果。
进一步的，基于所述量子芯片封装结构的工作环境设置所述初始模型的第一边界条件包括：
确定所述量子芯片封装结构在稀释制冷机内的安装位置与稀释制冷机内的冷源之间的能量传输件的能耗影响；
在所述能量传输件不存在能耗影响的情况下，确定稀释制冷机内的冷源温度为所述量子芯片封装结构的工作环境温度具体值，及确定所述工作环境温度具体值施加在所述初始模型上量子芯片封装结构远离所述冷源的一端。
进一步的，所述基于经验热源设置所述初始模型的第一热量条件包括:
设置所述经验热源的功率具体值，且根据所述经验热源的位置和/或所述经验热源与所述量子芯片封装结构的安装关系确定所述热源具体施加在所述初始模型上的位置。
进一步的，所述经验热源的热量包括至少下列之一或者其组合：
量子芯片封装结构内的芯片区的芯片工作热量、连接芯片的信号线的工作热量。
进一步的，所述第一参数条件包括所述量子芯片封装结构的结构决定的接触热阻、所述量子芯片封装结构的材质决定的材料物性参数。
进一步的，所述第一热力学仿真结果至少包括下列之一或者其组合：
所述芯片区的温度分布、所述芯片区的周围温度分布、所述量子芯片封装结构内部整体的温度分布、所述量子芯片封装结构的各部件的传热作用、所述量子芯片封装结构内的传热路径。
进一步的，所述方法还包括：当所述第一热力学仿真结果小于等于目标结果时，在所述初始模型的所述量子芯片封装结构外部添加第一元件，并基于所述第一元件更新所述第一参数条件后获得第一扩展模型；
对所述第一扩展模型进行仿真计算，获得所述第一扩展模型中的所述芯片区的第二热力学仿真结果。
进一步的，所述方法还包括：当所述第二热力学仿真结果与所述第一热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，在所述第一扩展模型的所述量子芯片封装结构内部添加第二元件，并基于所述第二元件继续更新所述第一参数条件和所述第一热量条件后获得第二扩展模型；
对所述第二扩展模型进行仿真计算，获得所述第二扩展模型中的所述芯片区的第三热力学仿真结果。
进一步的，所述方法还包括：
当所述第三热力学仿真结果与所述第二热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，则获得更新后的所述第一参数条件作为目标参数；
根据所述目标参数实现所述量子芯片封装结构的优化设计。
进一步的，所述第一预设范围设置为10-3-10-2mK。
进一步的，对模型进行仿真计算包括：
对所述模型进行网格划分；
对划分网格后的模型进行仿真计算。
进一步的，对所述模型进行网格划分之前还包括：
确定能够反映模型特点的部分作为简化后的模型。
进一步的，对所述模型进行网格划分包括：
对所述芯片区按照第一网格尺寸进行划分；
对所述芯片区的周围区域按照第二网格尺寸进行划分；
对所述量子芯片封装结构内的其它区域按照第三网格尺寸进行划分；
其中：第三网格尺寸大于所述第二网格尺寸，所述第二网格尺寸大于所述第一网格尺寸。
与现有技术相比，本发明提供了一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，通过建立量子芯片封装结构的初始模型之后，基于所述量子芯片封装结构的工作环境、经验热源以及量子芯片封装结构的自身特点设置用于热力学仿真的第一边界条件、第一热量条件及第一参数条件，进而实现量子芯片封装盒的热力学仿真。本发明能够真实有效的进行量子芯片封装盒的热力学仿真，并得到量子芯片封装结构的热力学参数，并基于此进行量子芯片封装结构的升级优化，从而为量子芯片提供更加稳定的工作环境。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法的流程示意图一；
图2为本发明实施例提供的一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法的流程示意图二；
图3为本发明实施例提供的一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法的流程示意图三；
具体实施方式
下面通过参考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。
在量子计算领域，量子芯片是量子计算机进行数据处理的核心器件，量子芯片对于工作环境的要求极其苛刻，需要极其稳定的工作环境，在实际的运用过程中，需要对量子芯片进行封装，以此来保证量子芯片的正常工作。因此，量子芯片封装结构的热力学参数能够较为直观准确的帮助技术人员了解和判断量子芯片的工作性能。但是由于量子芯片的工作环境是在极低温的条件下，因此量子芯片封装结构的热力学参数的直接测量存在较大的技术难度，且成本较高、测试环境不稳定，在现有技术中，大多通过经验判断，所获得的结果存在参数不准确的问题。
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，能够克服现有技术中弊端，较为真实准确的得到量子芯片封装结构的热力学参数，为量子芯片封装结构的优化升级提供支持。如图1所示，本发明提供的量子芯片封装结构的热力学仿真方法，包括以下步骤：
S1-1：建立关于量子芯片封装结构的初始模型；
S1-2：基于所述量子芯片封装结构的工作环境设置所述初始模型的第一边界条件；
S1-3：基于经验热源设置所述初始模型的第一热量条件；所述经验热源为量子芯片封装结构内可能产生热量的因素；
S1-4：基于所述量子芯片封装结构的自身特点设置所述初始模型的第一参数条件；
S1-5：基于所述第一边界条件、所述第一热量条件和所述第一参数条件对所述初始模型进行热力学仿真计算，获得所述初始模型的第一热力学仿真结果。
本发明提供的量子芯片封装结构的热力学仿真方法，与现有技术相比，通过准确的建立量子芯片封装结构的初始模型，基于量子芯片封装结构的工作环境、经验热源以及量子芯片封装结构的自身特点设置用于热力学仿真的第一边界条件、第一热量条件及第一参数条件，进而真实有效的实现量子芯片封装盒的热力学仿真。热仿真建模仿真系统能够准确直观的输出热力学仿真结果，基于热力学仿真结果，技术人员对于量子芯片的实际工作性能的判断能够更加准确客观。相比较现有技术中，通过人为经验对量子芯片封装结构进行调整，能够较为准确合理进行优化设计，有利于缩短量子芯片封装结构的研发成本和设计周期。
具体的，基于所述量子芯片封装结构的工作环境设置所述初始模型的第一边界条件包括：
确定量子芯片封装结构在稀释制冷机内的安装位置与稀释制冷机内的冷源之间的能量传输件的能耗影响；根据量子计算机中实际器件的分布情况，确定量子芯片封装结构在稀释制冷机的温区，具体而言，根据量子芯片对于工作环境的实际需求，量子芯片封装结构一般位于稀释制冷机的20mK层，以维持量子芯片的正常运行。
在稀释制冷机内部，冷源与量子芯片封装结构之间还包括能量传输件，冷源通过能量传输件对量子芯片封装结构进行制冷，以此维持量子芯片的工作环境。在实际的运行过程中，若冷源的温度与量子芯片封装结构底面的温度差在10-2-10-1mK之间，则判定能量传输件不存在能耗影响。
在能量传输件不存在能耗影响的情况下，确定稀释制冷机内的冷源温度为量子芯片封装结构的工作环境温度具体值，具体的，量子芯片封装结构的工作环境温度具体值为20mK。确定工作环境温度具体值施加在初始模型上量子芯片封装结构远离所述冷源的一端，更具体的，施加于量子芯片封装结构下方的导热件上远离量子芯片封装结构的一端。由于能量传输件不存在能耗影响，为了缩短仿真时间及节省计算资源，故可在设置初始模型的第一边界条件时忽略冷源以及能量传输件，直接将稀释制冷机内的冷源温度设置为量子芯片封装结构的工作环境温度具体值，按照冷源的能量传递，由能量传输件传递至导热件，故将工作环境温度具体值施加在初始模型上量子芯片封装结构远离所述冷源的一端上的导热件上远离量子芯片封装结构的一端的设置更加贴近实际情况，进而使仿真的结果更加准确可靠。
具体的，基于经验热源设置所述初始模型的第一热量条件包括:
设置所述经验热源的功率具体值，且根据所述经验热源的位置和/或所述经验热源与所述量子芯片封装结构的安装关系确定所述热源具体施加在所述初始模型上的位置。其中，在实际的量子芯片封装结构中，经验热源的热量包括量子芯片封装结构内的芯片区的芯片工作热量、连接芯片的信号线的工作热量两者中的一种或者两者的组合。因此，在设置所述经验热源的功率具体值的过程中，需要根据实际情况，设置量子芯片的发热功率以及连接量子芯片的信号线的发热功率。为了提高仿真的效率，在初始模型中省略了与量子芯片连接的信号线，因此将信号线产生的热量通过焦耳定律转换成具体的功率值施加于量子芯片上。
具体的，在基于所述量子芯片封装结构的自身特点设置初始模型的第一参数条件的过程中，第一参数条件包括量子芯片封装结构的结构决定的接触热阻以及量子芯片封装结构的材质决定的材料物性参数。具体而言，在该初始模型的第一参数的设置过程中，由于在热力学的仿真分析中，只有在接触面不平整或者有空隙的前提下，才会考虑接触热阻的影响，在初始模型中，边界处均紧密连接，故接触热阻的影响可以忽略不计，因此，为了提高仿真效率，不设置接触热阻。
除此之外，该初始模型中，主要包括量子芯片封装盒、量子芯片、导热件，其中，量子芯片封装盒的材质为铝，量子芯片的材质为硅、导热件的材质为铜，设置以上材质在工作温度时的相关材料物性参数，具体包括，以上材质在工作温度时的导热系数及比热容。在第一边界条件的设置过程中，已经将工作温度设置为20mK，因此取20mK时，铝、硅、铜的导热系数及比热容，作为仿真的第一参数条件。为了仿真结果的准确性，作为一种优选方案，还可以取20mK附近温度的以上材料的相关物性参数条件进行仿真，作为验证，提高仿真结果的可靠性。
基于第一边界条件、第一热量条件和第一参数条件对初始模型进行热力学仿真计算，获得所述初始模型的第一热力学仿真结果。其中，根据实际需求，第一热力学仿真结果包括以下参数的一种或其组合：
芯片区的温度分布、芯片区的周围温度分布、量子芯片封装结构内部整体的温度分布、量子芯片封装结构的各部件的传热作用、量子芯片封装结构内的传热路径。其中，通过以上热力学仿真结果可以直观的了解到量子芯片的工作环境，基于此，判断量子芯片的工作性能。另外，通过量子芯片封装结构的各部件的传热作用、量子芯片封装结构内的传热路径的结论，可以清晰的得到量子芯片封装结构各部分的实际导热情况。通过以上仿真结果，可以帮助技术人员判断量子芯片封装结构是否符合标准，并且以上仿真结果可以作为技术人员对量子芯片结构进行优化升级的理论基础，加强量子芯片封装结构热量传导的能力，以此提升量子芯片的工作性能。
进一步的，如图2所示，为了使仿真的结果更加准确，本发明提供的量子芯片封装装置的热力学仿真方法还包括以下步骤：
S2-1：当所述第一热力学仿真结果小于等于目标结果时，在所述初始模型的所述量子芯片封装结构外部添加第一元件；
S2-2：基于所述第一元件更新所述第一参数条件后获得第一扩展模型；
S2-3：对所述第一扩展模型进行仿真计算，获得所述第一扩展模型中的所述芯片区的第二热力学仿真结果。
具体的，当第一热力学仿真结果小于等于目标结果时，即可判定初始模型构建正确。具体而言，当第一热力学仿真结果中的芯片区的温度分布、芯片区的周围温度分布、量子芯片封装结构内部整体的温度分布中的最高温度小于等于目标温度，即可证明初始模型构建正确，其中目标结果选取量子计算机的量子芯片封装结构以及量子芯片在实际运行中的理论温度最大值。
在确定第一热力学仿真结果小于等于目标结果，即第一热力学仿真结果正确后，为了使热力学仿真结果更加精确，在初始模型的量子芯片封装结构外部添加第一元件，以使建立的仿真模型更加贴近实际情况。更具体的，所添加的第一元件包括制冷盘以及能量传输件，其中，制冷盘通过能量传输件与量子芯片封装结构相连，为量子芯片提供极低温的工作环境。
通过比较选取的不同温度下材料的物性参数所取得的第一次热力学仿真结果，可以得到更加精确的材料物性参数，在对初始模型添加第一元件后，根据第一次热力学仿真结果，更新第一参数条件，以使所取得的仿真结果更加接近实际情况。具体而言，由于对初始模型添加第一元件后，整个仿真模型各部件仍然是紧密连接的状态，因而，接触热阻对仿真结果的影响较小，为了提高仿真效率，不做考虑。另外，在第一次热力学仿真结果的基础上，进一步更新材料物性参数。由于在第一次热力学结果中发现，材料的导热系数对于热量传导的影响较大，因而，作为一种优选方案，可以仅根据实际情况，对材料的导热系数进行更新，以此缩短整个仿真的进程。
根据实际情况，添加第一元件后，基于第一元件更新第一参数条件后获得第一扩展模型。其中，在量子计算机实际的运行过程中，由制冷盘通过能量传输件使量子芯片封装装置以及量子芯片置于极低温的工作环境，因此，为了还原实际运行情况，使仿真结果更加可靠，作为一种优选方案，调整冷源施加的具体位置，将冷源设置于制冷盘的上方，其中，冷源温度保持不变，即量子芯片封装结构的工作环境温度不变，继续设置为20mK。
除此之外，对初始模型添加第一元件，对于热源的设置并无影响，仍保留第一热量条件的设置。
在进行上述操作后，对第一扩展模型进行仿真计算，获得第一扩展模型中的芯片区的第二热力学仿真结果。值得说明的一点是，在初始模型上添加第一元件进行仿真的目的在于，一方面为了还原实际情况，验证第一次仿真结果的准确性，另一方面也为了验证冷却盘以及能量传输件在量子芯片封装结构的热量传输中的影响程度。作为一种优选方案，还可以获取第一扩展模型的芯片区的温度分布、芯片区的周围温度分布、量子芯片封装结构内部整体的温度分布、量子芯片封装结构的各部件的传热作用、量子芯片封装结构内的传热路径中的任意一种或者组合，根据实际需求进行仿真结果的输出。
进一步的，如图3所示，为了继续提高仿真结果的准确性，本发明提供的量子芯片封装装置的热力学仿真方法还包括以下步骤：
S3-1：当所述第二热力学仿真结果与所述第一热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，在所述第一扩展模型的所述量子芯片封装结构内部添加第二元件；
S3-2：基于所述第二元件继续更新所述第一参数条件和所述第一热量条件后获得第二扩展模型；
S3-3：对所述第二扩展模型进行仿真计算，获得所述第二扩展模型中的所述芯片区的第三热力学仿真结果。
S3-4：当所述第三热力学仿真结果与所述第二热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，则获得更新后的所述第一参数条件作为目标参数；
具体的，当第二热力学仿真结果与第一热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，即可证明第一次热力学仿真结果的准确性，以及对初始模型添加的第一元件，对于热量的传导并无明显影响，除此之外，更加精确了材料物性参数的取值区间。其中，更具体的，第一预设范围为10-3-10-2mK。
为了继续提高仿真结果的准确性，以及获取更加精确的相关材料的物性参数，对第一扩展模型中量子芯片封装结构的内部按照实物中各部件的分布，向内部添加第二元件，以此获得更加精准的模型，基于此，获取更加精确的结果。具体而言，添加的第二元件包括：PCB板、铜箔、信号线、低温胶，其中，更具体的，在量子芯片封装盒内部芯片区的四周放置用于PCB板；将铜箔贴合设置于PCB板的上、下方；同时，对量子芯片封装盒的上部进行开孔处理，用于供信号线将PCB板的端口与量子芯片上的各接口一一连接；将低温胶设置于量子芯片的下部，以此实现量子芯片与量子芯片封装盒的连接。通过向量子芯片内部添加第二元件，所得到的仿真模型与实际运行中的量子芯片封装结构一致，以此确保仿真结果的严谨性。
基于第二元件继续更新第一参数条件和第一热量条件后获得第二扩展模型。在仿真过程中，由于热量的传导，添加第二元件后获得的模型中的各个部件的材料物性参数处于动态变化的过程，为了使仿真过程更加贴近实际，设置各种材料工作时温度区间下的物性参数，通过函数拟合的方式，使得材料物性参数在仿真过程中随着温度的变化而变化，从而获得最真实的仿真结果。更具体的，添加的第二元件中，信号线的材料为铝、PCB板的材料为环氧树脂、铜箔的材料为铜。
除此之外，值得说明的一点是，由于在第一扩展模型的量子芯片封装结构内部添加第二元件，使得该模型的内部出现空隙以及接触面不平的现象，在这种情况下，接触面的接触热阻应当予以考虑，以确保仿真结果的准确性。具体而言，接触热阻添加的位置包括量子芯片与量子芯片封装盒连接处、量子芯片封装盒中各部分的连接处、PCB板与量子芯片封装盒的连接处、PCB板与信号线的连接处、信号线与量子芯片的连接处。
在量子芯片封装盒的内部添加第二元件后，因为此时的仿真模型已与实际工作中量子芯片封装结构以及量子芯片一致，因此，适应性的对第一热量条件进行更新。具体而言，根据实际运行情况，将信号线产生的热量通过焦耳定律转换成具体的功率值施加于PCB板的端头处，其中，功率具体值与第一热量条件中的设置保持一致。
对第二扩展模型进行仿真计算，获得第二扩展模型中的所述芯片区的第三热力学仿真结果。值得说明的一点是，在第一扩展模型上的量子芯片封装结构内部添加第二元件进行仿真的目的在于，在第二次热力学仿真结果的基础上继续还原实际情况，以取得更加精确的仿真结果。
作为一种优选方案，还可以获取第二扩展模型的芯片区的温度分布、芯片区的周围温度分布、量子芯片封装结构内部整体的温度分布、量子芯片封装结构的各部件的传热作用、量子芯片封装结构内的传热路径中的任意一种或者组合，根据实际需求进行仿真结果的输出。
当第三热力学仿真结果与第二热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，则获得更新后的第一参数条件作为目标参数。具体而言，当第三热力学仿真结果与第二热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，即可确定对于第一参数条件的更新的合理正确性，其中，更具体的，第一预设范围为10-3-10-2mK。
通过此次对于第一参数条件的更新，将相关材料的物性参数的范围更加精确。因此，将更新后的第一参数条件作为目标参数，以此作为基础实现所述量子芯片封装结构的优化设计，加强量子芯片的工作性能。
值得说明的一点是，作为一种优选的方案，由于在第二次热力学仿真结果中已经能判定冷却盘以及冷却盘以及能量传输件在量子芯片封装结构的热量传输中的影响极小，因而，可以将冷却盘以及能量传输件忽略，以此节省计算资源，提高仿真效率。适应性的，将冷源设置于量子芯片封装盒的下部，其他条件设置与第一边界条件中的设置保持一致。另外，第一参数条件和第一热量条件的更新与对第二扩展模型中的更新保持一致。
除此之外，在本发明提供的量子芯片封装装置的热力学仿真方法中，在对初始模型、第一扩展模型以及第二扩展模型的进行仿真计算的过程中，还包括：
对模型进行网格划分；
对划分网格后的模型进行仿真计算。
其中，对模型进行网格划分之前还包括：确定能够反映模型特点的部分作为简化后的模型。此种设置，可以大幅度节约计算资源，提高仿真效率，加快仿真进程，由于模型的对称性，在实际仿真过程中，沿着垂直于量子芯片表面的方向进行等分切割，取其中之一作为简化后的模型。作为一种优选方案，使用1/4等分进行切割，取其中之一作为简化后的模型进行仿真。
更具体的，对模型进行网格划分包括：
对芯片区按照第一网格尺寸进行划分；
对芯片区的周围区域按照第二网格尺寸进行划分；
对量子芯片封装结构内的其它区域按照第三网格尺寸进行划分；
其中：第三网格尺寸大于所述第二网格尺寸，所述第二网格尺寸大于所述第一网格尺寸。由于在实际的仿真的过程中，对于芯片区的热量传导的相关仿真计算最为复杂严格，因此，此种网格划分方式，能够同时兼顾仿真结果的准确性以及仿真的效率。
综上所述，本发明提供了一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，通过建立量子芯片封装结构的初始模型之后，基于所述量子芯片封装结构的工作环境、经验热源以及量子芯片封装结构的自身特点设置用于热力学仿真的第一边界条件、第一热量条件及第一参数条件，进而真实有效的实现了量子芯片封装盒的热力学仿真。本发明能够真实有效的得到量子芯片封装结构的热力学参数，并基于此进行量子芯片封装结构的升级优化，从而为量子芯片提供更加稳定的工作环境。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，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。
Claims (13)
1.一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法，其特征在于，包括：
建立关于量子芯片封装结构的初始模型；
基于所述量子芯片封装结构的工作环境设置所述初始模型的第一边界条件；
基于经验热源设置所述初始模型的第一热量条件；所述经验热源为量子芯片封装结构内可能产生热量的因素；
基于所述量子芯片封装结构的自身特点设置所述初始模型的第一参数条件；
基于所述第一边界条件、所述第一热量条件和所述第一参数条件对所述初始模型进行热力学仿真计算，获得所述初始模型的第一热力学仿真结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述量子芯片封装结构的工作环境设置所述初始模型的第一边界条件包括：
确定所述量子芯片封装结构在稀释制冷机内的安装位置与稀释制冷机内的冷源之间的能量传输件的能耗影响；
在所述能量传输件不存在能耗影响的情况下，确定稀释制冷机内的冷源温度为所述量子芯片封装结构的工作环境温度具体值，及确定所述工作环境温度具体值施加在所述初始模型上量子芯片封装结构远离所述冷源的一端。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于经验热源设置所述初始模型的第一热量条件包括：
设置所述经验热源的功率具体值，且根据所述经验热源的位置和/或所述经验热源与所述量子芯片封装结构的安装关系确定所述热源具体施加在所述初始模型上的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经验热源的热量包括至少下列之一或者其组合：
量子芯片封装结构内的芯片区的芯片工作热量、连接芯片的信号线的工作热量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一参数条件包括所述量子芯片封装结构的结构决定的接触热阻、所述量子芯片封装结构的材质决定的材料物性参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一热力学仿真结果至少包括下列之一或者其组合：
所述芯片区的温度分布、所述芯片区的周围温度分布、所述量子芯片封装结构内部整体的温度分布、所述量子芯片封装结构的各部件的传热作用、所述量子芯片封装结构内的传热路径。
7.根据权利要求1－6任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述第一热力学仿真结果小于等于目标结果时，在所述初始模型的所述量子芯片封装结构外部添加第一元件，并基于所述第一元件更新所述第一参数条件后获得第一扩展模型；
对所述第一扩展模型进行仿真计算，获得所述第一扩展模型中的所述芯片区的第二热力学仿真结果。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述第二热力学仿真结果与所述第一热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，在所述第一扩展模型的所述量子芯片封装结构内部添加第二元件，并基于所述第二元件继续更新所述第一参数条件和所述第一热量条件后获得第二扩展模型；
对所述第二扩展模型进行仿真计算，获得所述第二扩展模型中的所述芯片区的第三热力学仿真结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述第三热力学仿真结果与所述第二热力学仿真结果的差值的绝对值在第一预设范围内，则获得更新后的所述第一参数条件作为目标参数；
根据所述目标参数实现所述量子芯片封装结构的优化设计。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一预设范围设置为10－3－10－2mK。
11.根据权利要求1－7或8－10任一项所述的方法，其特征在于，对模型进行仿真计算包括：
对所述模型进行网格划分；
对划分网格后的模型进行仿真计算。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，对所述模型进行网格划分之前还包括：
确定能够反映模型特点的部分作为简化后的模型。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，对所述模型进行网格划分包括：
对所述芯片区按照第一网格尺寸进行划分；
对所述芯片区的周围区域按照第二网格尺寸进行划分；
对所述量子芯片封装结构内的其它区域按照第三网格尺寸进行划分；
其中：第三网格尺寸大于所述第二网格尺寸，所述第二网格尺寸大于所述第一网格尺寸。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111418718.9A CN116186954A (zh) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | 一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111418718.9A CN116186954A (zh) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | 一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116186954A true CN116186954A (zh) | 2023-05-30 |
Family
ID=86431113
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111418718.9A Pending CN116186954A (zh) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | 一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116186954A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012032849A (ja) * | 2010-07-28 | 2012-02-16 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体装置のシミュレーション方法及び装置 |
| WO2021081943A1 (zh) * | 2019-10-31 | 2021-05-06 | 华为技术有限公司 | 芯片堆叠封装结构及其封装方法、电子设备 |
| CN113139277A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-20 | 深圳佰维存储科技股份有限公司 | 封装结构散热优化方法、装置、可读存储介质及电子设备 |
| CN113177336A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-07-27 | 珠海一多监测科技有限公司 | 一种测温传感器的芯片结温测试方法、装置及存储介质 |
-
2021
- 2021-11-26 CN CN202111418718.9A patent/CN116186954A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012032849A (ja) * | 2010-07-28 | 2012-02-16 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体装置のシミュレーション方法及び装置 |
| WO2021081943A1 (zh) * | 2019-10-31 | 2021-05-06 | 华为技术有限公司 | 芯片堆叠封装结构及其封装方法、电子设备 |
| CN113139277A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-20 | 深圳佰维存储科技股份有限公司 | 封装结构散热优化方法、装置、可读存储介质及电子设备 |
| CN113177336A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-07-27 | 珠海一多监测科技有限公司 | 一种测温传感器的芯片结温测试方法、装置及存储介质 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王峰瀛;范晓波;: "高功率半导体整流管芯片散热效率计算仿真", 科学技术与工程, no. 21, 28 July 2018 (2018-07-28) * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107861040A (zh) | 一种基于仿真建模和短时试验的igbt间歇寿命试验方法 | |
| CN111291532B (zh) | 片上系统互连可靠性仿真方法、装置、设备及存储介质 | |
| CN111722086B (zh) | 一种高功率处理器芯片老化测试的方法 | |
| Gao et al. | Thermal lifetime estimation method of IGBT module considering solder fatigue damage feedback loop | |
| CN111124004B (zh) | 测试板、测试架及高加速应力测试的温差控制系统及方法 | |
| CN103677011B (zh) | 一种适用于真空条件下面源黑体宽温度范围控制系统 | |
| CN103870612B (zh) | 一种获得igbt器件热阻的系统和方法 | |
| CN106774503A (zh) | 一种光模块壳温监控方法及装置 | |
| CN105357081A (zh) | 服务器测试系统、方法及控制系统、方法 | |
| Polom et al. | Spatially-varying electrothermal impedance analysis for designing power semiconductor converter systems | |
| Yang et al. | Distributed thermal modeling for power devices and modules with equivalent heat flow path extraction | |
| Zhou et al. | Electro-thermal-mechanical multiphysics coupling failure analysis based on improved IGBT dynamic model | |
| CN116186954A (zh) | 一种量子芯片封装结构的热力学仿真方法 | |
| Li et al. | Study on structure optimization of a dual IGBT module heat sink in a DC–DC converter under natural convection based on field synergy theory | |
| CN112327124B (zh) | 一种监测igbt模块热疲劳老化的方法及不均匀老化的方法 | |
| CN113985122A (zh) | 一种基于SolidWorks Flow Simulation的SiC功率分析方法 | |
| CN112285518A (zh) | 一种模组中led热阻模拟测试方法及系统 | |
| CN105024276A (zh) | 一种基于tec温控的半导体激光器的温度仿真方法 | |
| CN205749852U (zh) | 针对lm-80标准的大功率led灯珠的半导体冷却老化设备 | |
| Dong et al. | Parameter extraction method for Cauer model considering dynamic thermal diffusion boundaries in IGBT module | |
| CN113987747A (zh) | 一种考虑键合线断裂的igbt模块老化失效分析方法 | |
| CN116401803B (zh) | 量子芯片封装结构的热力学仿真方法、装置及存储介质 | |
| Hasmasan et al. | Modelling the clamping force distribution among chips in press-pack IGBTs using the finite element method | |
| CN113779839A (zh) | 一种非均匀热界面材料导热效果的计算方法 | |
| CN109684680A (zh) | 一种bga器件的焊球优化方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 230088 6th floor, E2 building, phase II, innovation industrial park, 2800 innovation Avenue, Hefei high tech Zone, Hefei City, Anhui Province Applicant after: Benyuan Quantum Computing Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: 230088 6th floor, E2 building, phase II, innovation industrial park, 2800 innovation Avenue, Hefei high tech Zone, Hefei City, Anhui Province Applicant before: ORIGIN QUANTUM COMPUTING COMPANY, LIMITED, HEFEI |
|
| CB02 | Change of applicant information |