[发明专利]用于低温装置热化的低温包装

说明书

使用配置有柱组的盖来形成热化结构，盖是低温器件(LTD)的低温外壳的一部分。包括LTD的芯片配置有空腔组，该空腔组中的腔具有腔轮廓。来自所述柱组且对应于所述空腔的柱具有柱轮廓，使得所述柱轮廓使所述柱在间隙容差内与所述空腔轮廓的所述空腔耦合以将所述芯片热耦合到所述盖以用于在所述芯片的低温操作中的热耗散。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于半导体或超导芯片的冷却装置。更具体地，本发明涉及用于低温器件热化的低温包装。

背景技术

如在此使用的，“低温”范围是指低温温度范围，该低温温度范围开始于或约为77开尔文(K)或更低，并且低至至少1毫开尔文(0.001K)，并且在一些情况下使用目前可用的技术低至可行，例如至0.000001K。“低温”是在低温温度范围内的温度。半导体装置和/或超导装置在工作时产生热量。在低温温度范围内操作的设备在操作时也产生热量，但是热量移除在低温操作中提出了独特的挑战。

在低温温度范围内操作的装置在下文中被称为“低温装置”或“LTD”(复数个LTD)。大多数在低温温度下操作的LTD依赖于在这些温度下展现超导特性的材料。为了能够从在低温温度范围内操作的结构移除热量，材料必须在低温温度范围内是良好的热导体。对于在特定温度范围内被视为良好热导体的材料，该材料必须表现出至少阈值水平的热导率，同时在该温度范围内作为热导体操作。例如，根据说明性实施例，在4开尔文下大于1瓦特/(厘米*K)的热导率是在给定温度范围内(包括在低温温度范围内)的良好热导率的可接受的阈值水平。

结构的热化是将热量传导至结构或从结构传导热量的过程和设备。结构的热化通常需要物理地附接到该结构的良好的热导体，以便向结构导热/从结构导热，视需要而定。说明性实施例认识到，为了良好的热化，介入发热元件与散热元件之间的一定量的材料(其中该材料是低温温度范围内的不良热导体)在热化LTD中存在困难。

硅和蓝宝石是用于制造LTD的衬底材料的一些常见示例。说明性实施例认识到，通常，在低温温度范围内，硅、蓝宝石或其他常用衬底材料倾向于变成不良的热导体。由此，说明性实施例认识到，如果在衬底的一个表面(例如，顶表面)上制造LTD，并且从衬底的相对表面(例如，底表面)尝试热化，由于顶部的发热器件和附接到衬底的底部的热化结构之间的居间的硅或其他衬底材料，热化对于期望的水平不是有效的。

许多LTD的尺寸沿着每一侧仅在几微米至几毫米内，并且包括制造在仅700至750微米(um)并且可以高达毫米(mm)厚的衬底材料上/中的易碎芯片。为了减少介于发热器件和热化结构之间的衬底材料的量，目前可用的技术向下研磨、蚀刻、研磨和/或抛光衬底的底侧至约基本上小于原始厚度，例如至400-500um。说明性实施例认识到，以此方式减薄晶圆或基板显著增加了芯片开裂、LTD失效的机会，并且由于芯片的刚度减小(并且因此在芯片与热化结构之间维持足够的热接触或耦合的能力减小)而仍未发生良好的热化。

一些LTD包括多于一个芯片，这些芯片经由易碎焊料凸块(例如，使用软焊料材料)彼此耦合。例如，量子处理器可以以倒装芯片配置制造，其中一个芯片——包括具有连接点的读出电路的中介芯片——被翻转到第二芯片——包括量子位和接触焊盘的量子位芯片——上，从而使得连接点和接触焊盘对准并且面向彼此。中介件上的连接点可以使用软焊料材料冷焊接到量子位芯片上的接触焊盘。这些焊料凸块将该中介件保持在距该量子位芯片的一个预定距离处以便在所得到的量子处理器中产生某些电特性。倒装芯片配置中芯片之间的距离是倒装芯片配置的正确操作中的重要因素。

说明性实施例认识到，由于上述原因，具有降低的刚性的减薄的量子位芯片不仅可以导致差的热化或缺陷，而且使得难以维持与中介件的间隔距离，由于这个额外的原因导致LTD故障。如果中介芯片被铣削/蚀刻/研磨/抛光和热化，则在倒装芯片组件的中介芯片侧上可能发生相同的问题。