面向柔性薄膜超导传输线的电缆对电缆连接器
|
摘要 我们描述了在使用电缆到电缆连接器连接多条柔性超导电缆的可靠且有用的技术方面的初始方法和进展。测试结构包含多个组件，包括柔性薄膜超导电缆、桥接连接器、硅阱芯片和带有铜柱的聚酰亚胺膜。 这项工作中使用的薄膜超导电缆包含12条平行的Nb线。用于连接两条超导电缆的桥接连接器具有带状线结构，其中有12条平行的、间距为300 µm的超导 Nb 传输线。硅阱芯片和带有铜柱的聚酰亚胺膜已用于组件中，用于高精度微机械对准，并在电缆和桥接连接器的接触点上施加均匀的压力。 在真空低温环境中，在293 K至4.2 K的温度范围内测量了连接的柔性电缆的信号迹线的直流电阻。我们提供了设计、制造、组装和测试结果的详细信息，表明这是一种很有前途的电缆到电缆连接方法。 一、引言 量子和低温系统应用正在迅速扩展，随着对更高计算性能的不断追求，快速成为研究兴趣的前沿。随着需要低温冷却的应用数量的增加，对各种互连技术和解决方案的需求也在增加增加，以满足这些系统中的需求，例如最小化互连横截面。最小化互连横截面是能够通过更密集的系统和最小化热负载，来实现量子和低温系统有效运行的重要因素。 许多研究小组已经开发出应对低温互连挑战的解决方案，潜在解决方案包括气密密封电缆和低温兼容内插器，一些研究小组还发现了各种灵活互连技术的成功例子。灵活互连相对于其他技术的优势在于能够增加低温系统内的互连密度，通过减少系统内每个互连的总热质量来减轻热负荷，并通过较低的热导率布线将低温系统/阶段与过热隔离。这些优点使灵活的互连成为一种理想的解决方案。 但与此同时，它的一个缺点是在存在损坏(通过热循环或材料疲劳)时会导致缺乏可靠的模块化连接。过去已经有了解决这一缺点的解决方案，但本文的研究希望通过设计、制造和表征，为柔性超导传输线的电缆到电缆连接方案提供另一种解决方案。 二、设计和配置 这种自对准连接器方法使用小凸块(或柱子)在所需的接触区域施加局部压力。这种设计在下面的硅芯片中使用切口，从而使得柱子能够垂直移动，以提供机械柔顺性。图1是这项工作设计和制造的不同组件，包括薄膜柔性电缆、桥接连接器、带有铜柱的聚酰亚胺膜、硅阱芯片和顶部/底部铝连接器主体件。
图1. 分解结构中连接器组件的3D视图，显示了该连接方案的组件和组装顺序。 使用LPKF ProtoMat S103对底部和顶部铝连接器体进行精细钻孔和铣削。铣削底部和顶部铝连接器体件时，LPKF ProtoMat系统提供了足够的精度和高特征分辨率。底部铝连接器主体具有2毫米高的铝对齐结构(或柱)和螺纹孔，以在组装过程中实现柔性电缆和连接器部件的精确机械对齐，并允许通过顶部铝连接器主体夹紧连接器组件( 由通孔组成)和螺钉。 硅阱芯片将硅阱蚀刻到20μm的深度，直径为250μm，间距为300μm。聚酰亚胺膜在固化的10μm厚的聚酰亚胺顶部具有10μm高的Cu柱(或凸点)。桥接连接器由一个完整的带状线组成以Nb为导体，固化的聚酰亚胺HD-4110为电介质的传输线结构。 对于这项工作中执行的直流测试，桥接连接器没那么复杂，尽管它有望在未来表征带状线电缆之间的连接时有用薄膜柔性电缆由12根平行Nb信号线组成，在20μm 厚的固化聚酰亚胺HD-4110上的信号迹线之间的间距为300μm。4μm厚的聚酰亚胺HD-4100用作信号迹线的保护层，连接处带有凹槽开口区域以暴露顶部走线导体。聚酰亚胺膜和硅阱芯片的组合作为组件中机械柔顺的一种手段，将独立且足够相等的压力分配到桥接连接器走线和电缆连接位置上的每个接触位置。 三、制造 本节介绍薄膜超导电缆、桥接连接器、聚酰亚胺膜和硅阱芯片的不同制造工艺和流程。 A. 柔性薄膜超导电缆 柔性薄膜电缆的叠层如图 2 所示。聚酰亚胺 HD-4110 通过旋涂沉积在熔融石英晶片上，并使用光刻法进行图案化。聚酰亚胺在氮气环境烘箱中在375°C下固化，达到 20μm 的标称厚度。Nb/Au 的信号轨迹是通过传统的光刻剥离工艺定义的。
图2. 柔性薄膜超导电缆的横截面堆叠示意图。 在Nb沉积之前，执行一个简短的Ti吸气剂泵送步骤，以提高沉积系统中的真空度，其中晶片静止在屏蔽后面，而Ti以0.2 nm / s的速率进入腔室，持续250秒。在此吸气过程之后，再以22 RPM的速度旋转晶片，同时以约8 W / cm2的功率和4 mTorr的Ar压力溅射沉积Nb(直流溅射约30分钟)至250 nm的厚度，然后通过旋涂沉积4μm的HD-4100层，并通过光刻进行图案化以创建用于凸块和信号焊盘的开口。 聚酰亚胺HD-4100在225°C的温度下固化以保护 Nb 的超导性，然后将样品图案化为凸块下金属化 (UBM) 层。电子束物理气相沉积用于在样品上沉积由Ti (50 nm) / Cu (500 nm) 组成的UBM 层堆叠。在UBM层的剥离工艺之后，50 nm的Cu沉积在晶片上，作为In凸点电镀的种子层。然后对样品进行图案化以在Cu种子层上为 In 凸点创建开口。 In在凸点开口区域电镀，以提供与电缆商业连接器端(即不在桥接连接器区域)上的信号迹线的连接。然后通过使用激光释放工艺从熔融石英晶片释放薄膜电缆。商用连接器通过使用先前建立的工艺倒装焊接到薄膜电缆上存在的 In 凸点阵列。超导迹线上的桥接连接器接触垫区域顶部有一层薄金层以防止氧化。图 3(a) 显示了激光释放后和连接到商业连接器之前的柔性薄膜电缆。
图3. (a) 激光释放的柔性薄膜超导电缆(未连接到商业连接器)。(b) 单个桥接连接器，显示暴露的信号焊盘和顶部接地层。(c) 释放的聚酰亚胺膜显示铜柱区域和图案化的对准特征。 (d) 放置在底部铝连接器主体中的对准柱内的硅阱芯片。 B. 桥接连接器 桥接连接器(如图 3 (b) 所示)由信号迹线之间间距为 300 μm的带状线传输线组成。光定义HD-4110聚酰亚胺(εr = 3.2)用作带状线结构的介电材料。图4显示了桥接连接器的横截面制造工艺流程示意图。铝(20 nm) / Nb (250 nm)接地层是通过传统的光刻剥离工艺定义的。铝层通过电子束物理蒸汽沉积系统，而Nb是通过与电缆相同的程序溅射沉积的。
图4. 桥接连接器的横截面示意图和制造流程。 对约 20 μm 厚的 HD-4110 聚酰亚胺底部介电层进行图案化以创建通孔开口，然后在 225°C的氮气环境烘箱中完成固化，以保护底层 Nb 的超导性。底部电介质中的开放区域沉积有Ti(50 nm)/Cu(250 nm) 的捕获垫层，然后电镀Cu以形成底部接地信号通孔。然后对样品进行图案化和沉积，以形成 Al (20 nm)、Nb (250 nm) 和 Al (20 nm) 的信号层迹线。 约20μm的HD-4110 顶部介电层通过旋涂沉积并图案化以创建捕获垫层的开口，然后在 225°C 下固化。Cu 通孔再次电镀在 Ti/Cu 焊盘层的顶部，以继续形成信号层和接地层的通孔堆叠。然后将顶部接地层和 Nb (250 nm)、Au (20 nm) 的信号焊盘沉积在最顶层的电介质上，以完成带状线结构并在桥接连接器上提供暴露的接触区域。 C. 聚酰亚胺膜 对于聚酰亚胺膜(如图3(c)所示)，约10μm的聚酰亚胺HD-4110 被旋涂，并图案化在熔融石英晶片上。然后聚酰亚胺在氮气环境烘箱中在225°C下固化。用光刻法定义镀铜的区域，电镀铜以产生约 10 微米高的柱子。然后使用激光脱模工艺将膜从熔融石英晶片上脱模。在图3(c)中，还可以看到膜结构周边中光刻定义的凹口，这些凹口用于这些结构的自对准。这些凹口对应于图3中其他组件中的凹口和特征。 D. 硅阱芯片 |
