CN117979816A - 一种量子芯片封装基板及量子计算机 - Google Patents

一种量子芯片封装基板及量子计算机 Download PDF

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方翁武
郭居上
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Abstract

本申请公开了一种量子芯片封装基板及量子计算机；涉及量子芯片领域，解决量子比特需求的增加带来的集成度低及增加串扰的问题，本申请在信号传输线周围与金属化孔处设置回流地孔，减小地回流的阻抗，降低串扰，改善信号质量。通过在过孔换层处，设置回流地孔，可以消除过孔带来的谐振。基板的顶层设置有保护地线，可以提供一种电磁屏蔽的保护，降低基板上信号传输线的串扰影响，提高信号传输线的稳定性和减小信号传输线之间的串扰。另外，增加回流地孔和保护地线不仅可以减小串扰问题，从传热的角度也增加了大量传热路径，采用信号传输线打回流地孔，在减小串扰的基础上，对基板进行高密度布线，提高集成度。

Description

一种量子芯片封装基板及量子计算机
技术领域
本申请涉及量子芯片领域，特别是涉及一种量子芯片封装基板及量子计算机。
背景技术
随着量子比特数的增加，量子芯片封装基板呈现出高密度、高速度的发展趋势，芯片封装基板的设计和加工都会变得越来越精细和具有技巧性，其带来的串扰问题越发严峻。
通常，量子比特被沿一条线性路径排列。这种结构简单直观，易于实现。然而，随着量子比特数量的增加，线性排列可能会导致量子比特之间的串扰和操作时间的增加。为了解决高密布线的串扰问题，可以通过增加走线间距、增加绝缘材料、减小平行走线长度等。但这又使得信号线间的距离较大，整体集成度较低。
由此可见，如何解决量子比特需求的增加带来的集成度较低及串扰增加的问题，是本领域人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种量子芯片封装基板及量子计算机，解决量子比特需求的增加带来的集成度较低及串扰增加的问题。
为解决上述技术问题，本申请提供一种量子芯片封装基板，包括：顶层、多个中间层、底层；
所述顶层、多个所述中间层、所述底层依次通过金属化层实现电连接；
所述中间层上设置多条信号传输线，所述信号传输线通过金属化孔连接到所述顶层的焊盘；
所述信号传输线周围与所述金属化孔处设置回流地孔，所述回流地孔接地；所述顶层上的过孔换层处设置保护地线，所述保护地线接地。
可选的，上述量子芯片封装基板中，每隔预设条数的所述信号传输线设置一条所述保护地线。
可选的，上述量子芯片封装基板中，多个所述中间层的多条所述信号传输线等间隔排列。
可选的，上述量子芯片封装基板中，所述保护地线上设置回流地孔。
可选的，上述量子芯片封装基板中，每隔二十分之一传输波长设置一个所述回流地孔，所述传输波长为电磁波在基板中的传输波长。
可选的，上述量子芯片封装基板中，所述等间隔的距离为三倍所述信号传输线的线宽。
可选的，上述量子芯片封装基板中，所述信号传输线为带状线。
可选的，上述量子芯片封装基板中，所述信号传输线通过所述焊盘与连接器连接。
可选的，上述量子芯片封装基板中，还包括：量子比特阵列；
所述量子比特阵列设置在所述顶层上。
为解决上述技术问题，本申请还提供一种量子计算机，包括上述的量子芯片封装基板。
本申请所提供的量子芯片封装基板，包括：顶层、多个中间层、底层；所述顶层、多个所述中间层、所述底层依次通过金属化层实现电连接；所述中间层上设置多条信号传输线，所述信号传输线通过金属化孔连接到所述顶层的焊盘；所述信号传输线周围与所述金属化孔处设置回流地孔，所述回流地孔接地；所述顶层上的过孔换层处设置保护地线，所述保护地线接地。本申请信号传输线需要通过金属化孔换层到顶层。在信号传输线周围与所述金属化孔处设置回流地孔，用于提供可靠的地引导路径，减小地回流的阻抗，降低串扰，通过在信号传输线周围设置回流地孔，使信号就近回流，改善信号质量。通过在过孔换层处，设置回流地孔，可以消除过孔带来的谐振。基板的顶层设置有保护地线，可以提供一种电磁屏蔽的保护，降低基板上信号传输线的串扰影响。提高信号传输线的稳定性和减小信号传输线之间的串扰。另外，增加回流地孔和保护地线不仅可以减小串扰问题，从传热的角度也增加了大量传热路径。采用信号传输线打回流地孔，在减小串扰的基础上，对基板进行高密度布线，提高集成度。
本申请还提供一种量子计算机，包括上述的量子芯片封装基板，效果同上。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种量子芯片封装基板的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种中间层的示意图；
其中，附图标记如下：11为顶层、12为中间层、13为底层、111为保护地线、112为焊盘、121为信号传输线、122为金属化孔、123为回流地孔。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种量子芯片封装基板及量子计算机。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
量子芯片封装基板呈现出高密度、高速度的发展趋势，芯片封装基板的设计和加工都会变得越来越精细和具有技巧性，其带来的串扰问题越发严峻。
通过将各条信号传输线两两之间隔离开，并通过给个信号线填充屏蔽材料，防止各条信号传输线之间产生串扰，其信号线全是共面波导传输线，并且隔开距离较大，集成度不够。填充屏蔽材料大大增加了制造成本。使用绝缘层包裹信号线解决串扰问题，可扩展性差，不能适用于高密度的信号走线，即多比特量子芯片封装基板。仅适合比特数较少的量子芯片，若为增加比特数而增加基板的大小导致封装谐振腔增大，截止频率降低，得不偿失。
高密度的信号线走线，采用共面波导作为传输线的走线形式，串扰相对较大，若要减小串扰需要增加间距，导致封装基板尺寸增加，谐振腔截止频率可能降低，或者通过增加绝缘材料，这样增加了成本。
在信号线之间填充屏蔽材料或在其上附着绝缘材料无疑增加了基板制造成本，同时屏蔽材料的安装定位增加了安装的难度，对于在信号线上附一层绝缘材料增加了基板工艺的复杂性，也会降低信号线的散热效率。
为解决上述问题，本实施例提供一种量子芯片封装基板，图1为本申请实施例提供的一种量子芯片封装基板的示意图，图2为本申请实施例提供的一种中间层的示意图，如图1、2所示，包括：顶层11、多个中间层12、底层13；
所述顶层11、多个所述中间层12、所述底层13依次通过金属化层实现电连接；
所述中间层12上设置多条信号传输线121，所述信号传输线121通过金属化孔122连接到所述顶层11的焊盘112；
所述信号传输线121周围与所述金属化孔122处设置回流地孔123，所述回流地孔123接地；所述顶层11上的过孔换层处设置保护地线111，所述保护地线111接地。
本实施例中，基板包括顶层11、多个中间层12、底层13，顶层11可能包含量子比特和用于执行量子门操作的超导元件或者用于控制量子比特的线路，例如微波控制线路或脉冲发生器。可以根据实际环境需要设置具体元件。
中间层12设置多条信号传输线121，可能包含多个中间层12，具体根据应用需要设置。信号传输线121可以是微带线、共面波导、带状线等。信号传输线121需要通过金属化孔122换层到顶层11。
底层13与顶层11都需要接地，底层13通常起到支撑和保护基板的作用，需要具有良好的机械性能和稳定性，能够承受外部压力和环境的影响。底层13还需要具有良好的导热性能，可以帮助将芯片产生的热量传导出去。
本实施例在信号传输线121周围与所述金属化孔122处设置回流地孔123，本实施例提到的回流地孔123又叫缝合地孔、回流地过孔等，是一种将中间层12连接到接地面的结构，用于提供可靠的地引导路径，减小地回流的阻抗，降低串扰，并确保量子计算元件的正常工作。通过在信号传输线121周围设置回流地孔123，使信号就近回流，改善信号质量。通过在过孔换层处，设置回流地孔123，可以消除过孔带来的谐振。回流地孔123可以连接至顶层11接地，也可以连接到底层13接地。
另外，量子芯片的顶层11设置有保护地线111，在过孔换层到键合焊盘112处，最容易引发串扰处，增加保护地线111。通过在顶层11设置保护地线111，可以提供一种电磁屏蔽的保护，降低外部电磁噪声对信号传输线的影响。保护地线111连接到量子芯片中的接地结构，以将电荷积累导入到地线，维持量子比特的电荷中性状态。保护地线111可以提高信号传输线121的稳定性和减小信号传输线121之间的串扰。顶层11的保护地线111结构还可能用于一定程度的热管理，帮助散热，维持芯片的温度在合适的范围内。
通过本实施例提供的量子芯片封装基板，包括：顶层11、多个中间层12、底层13；所述顶层11、多个所述中间层12、所述底层13依次通过金属化层实现电连接；所述中间层12上设置多条信号传输线121，所述信号传输线121通过金属化孔122连接到所述顶层11的焊盘112；所述信号传输线121周围与所述金属化孔122处设置回流地孔123，所述回流地孔123接地；所述顶层11上的过孔换层处设置保护地线111，所述保护地线111接地。本申请信号传输线121需要通过金属化孔122换层到顶层11。在信号传输线121周围与所述金属化孔122处设置回流地孔123，用于提供可靠的地引导路径，减小地回流的阻抗，降低串扰，通过在信号传输线121周围设置回流地孔123，使信号就近回流，改善信号质量。通过在过孔换层处，设置回流地孔123，可以消除过孔带来的谐振。基板的顶层11设置有保护地线111，可以提供一种电磁屏蔽的保护，降低基板上信号传输线的串扰影响，提高信号传输线的稳定性和减小信号传输线之间的串扰。另外，增加回流地孔123和保护地线111不仅可以减小串扰问题，从传热的角度也增加了大量传热路径。采用信号传输线121打回流地孔123，在减小串扰的基础上，对基板进行高密度布线，集成度高。
根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，每隔预设条数的所述信号传输线121设置一条所述保护地线111。
保护地线111通常连接到量子芯片中的接地结构。通过良好设计的保护地线111结构，可以减小电磁互感效应。这对于确保信号线路的稳定性和减小信号传输线121之间的串扰是至关重要的。保护地线111可以是每个信号线间增加一个，也可以是每2-4个信号线间增加一个保护地线111，或者更多，可以根据信号基板走线的数量以及指标灵活调整，以在最小的成本上达到符合技术指标的方案。
在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，多个所述中间层12的多条所述信号传输线121等间隔排列。
信号传输线121等间隔排列有助于降低相邻传输线之间的互电感和互电容，从而减小传输线之间的耦合，提高信号传输线121之间的隔离度。有助于简化传输线的布线，使布线更加规整有序，降低制造复杂性，减小电路板的复杂度。具体的等间隔数据可能会根据量子芯片的架构、应用需求和制造工艺而有所不同。可以通过电磁仿真，以找到最优的等间隔距离，以确保信号传输线121之间的低串扰和高隔离度。具体地，所述等间隔的距离为三倍所述信号传输线121的线宽。
根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，所述保护地线111上设置回流地孔123。通过保护地线将电流回流到地面。回流地孔的设置主要用于安全和防护地线的目的，回流地孔不仅可以减小串扰问题，从传热的角度也增加了大量传热路径。
本实施例中，在保护地线111周围也设置有回流地孔123，减小串扰问题，增加散热路径。
根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，每隔二十分之一传输波长设置一个所述回流地孔123，所述传输波长为电磁波在基板中的传输波长。
电磁波在基板中的传输波长取决于波在介质中的传播速度和频率。不同类型的基板结构会有不同的波导特性，需要根据传输波长确定回流地孔123的间隔距离。
根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，所述信号传输线121为带状线。
带状线是由两个平行金属层之间夹着一层绝缘材料组成的传输线。其中，两个金属层分别作为中心导体和外部导体，而绝缘材料则用于隔离中心导体和外部导体。具有较低的传输损耗和较好的电磁屏蔽性能。它通常用于传输微波信号，并在量子计算中用于信号传输线121之间的通信和耦合。本申请通过带状线布线可以减小远端串扰和电磁辐射，提高了信号完整性和电磁兼容性。
根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，所述信号传输线121通过所述焊盘112与连接器连接。
通过焊盘112与连接器连接，可实现更多的功能扩展，连接至外部电源、外部电路、控制系统、测量设备，以实现通信、测试控制、信号读取等。
根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述量子芯片封装基板，所述顶层11上设置量子比特阵列。
量子比特阵列是指一组量子比特排列成一个特定的结构，使得它们可以相互作用、执行量子门操作，并在量子计算中执行特定的任务。可以具有不同的结构，包括线性排列、方形阵列、二维网格等。
最后本实施例提供一种量子计算机，包括上述量子芯片封装基板，在信号传输线121周围与所述金属化孔122处设置回流地孔123，用于提供可靠的地引导路径，减小地回流的阻抗，降低串扰，通过在信号传输线121周围设置回流地孔123，使信号就近回流，改善信号质量。通过在过孔换层处，设置回流地孔123，可以消除过孔带来的谐振。基板的顶层11设置有保护地线111，可以提供一种电磁屏蔽的保护，降低外部电磁噪声对信号传输线121的影响。提高信号传输线121的稳定性和减小信号传输线121之间的串扰。另外，增加回流地孔123和保护地线111不仅可以减小串扰问题，从传热的角度也增加了大量传热路径。通过采用信号传输线121打回流地孔123，在减小串扰的基础上，对基板进行高密度布线，提高集成度。
以上对本申请所提供的量子芯片封装基板及量子计算机进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种量子芯片封装基板，其特征在于，包括：顶层(11)、多个中间层(12)、底层(13)；
所述顶层(11)、多个所述中间层(12)、所述底层(13)依次通过金属化层实现电连接；
所述中间层(12)上设置多条信号传输线(121)，所述信号传输线(121)通过金属化孔(122)连接到所述顶层(11)的焊盘(112)；
所述信号传输线(121)周围与所述金属化孔(122)处设置回流地孔(123)，所述回流地孔(123)接地；所述顶层(11)上的过孔换层处设置保护地线(111)，所述保护地线(111)接地。
2.根据权利要求1所述的量子芯片封装基板，其特征在于，每隔预设条数的所述信号传输线(121)设置一条所述保护地线(111)。
3.根据权利要求1所述的量子芯片封装基板，其特征在于，多个所述中间层(12)的多条所述信号传输线(121)等间隔排列。
4.根据权利要求2所述的量子芯片封装基板，其特征在于，所述保护地线(111)上设置多个回流地孔(123)。
5.根据权利要求4所述的量子芯片封装基板，其特征在于，每隔二十分之一传输波长设置一个所述回流地孔(123)，其中，所述传输波长为电磁波在基板中的传输波长。
6.根据权利要求3所述的量子芯片封装基板，其特征在于，所述等间隔的距离为三倍所述信号传输线(121)的线宽。
7.根据权利要求1所述的量子芯片封装基板，其特征在于，所述信号传输线(121)为带状线。
8.根据权利要求1所述的量子芯片封装基板，其特征在于，所述信号传输线(121)通过所述焊盘(112)与连接器连接。
9.根据权利要求1所述的量子芯片封装基板，其特征在于，还包括：量子比特阵列；
所述量子比特阵列设置在所述顶层(11)上。
10.一种量子计算机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的量子芯片封装基板。
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