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

阱的位置由标准光刻工艺定义。暴露区域的氧化层使用缓冲氧化物蚀刻 (BOE) 进行蚀刻，然后进行深度反应离子蚀刻 (DRIE) ，以蚀刻晶圆暴露区域的硅，来创建约20μm深的阱。图 3(d) 显示了放置在准备组装的底部铝连接器主体中的对准柱内的切块硅阱芯片。

铝连接器主体具有2毫米高的铝对准柱，用于固定硅阱芯片、聚酰亚胺膜和电缆，并为对准提供额外支撑。硅阱芯片放置在底部铝连接器主体的对准柱内聚酰亚胺膜放置在硅阱芯片上，Cu柱面朝上并对齐，使得每个柱都与硅芯片上的阱对齐。

然后将两条柔性超导电缆放置在膜的顶部，其中12个信号线焊盘(在每条电缆上)朝上。通过使用铝对准柱和上的凹口特征，柔性电缆上的信号焊盘与膜上的铜柱对齐。电缆的边缘 桥接连接器的焊盘朝下放置，并通过桥接连接器和电缆上提供的Au接触焊盘连接到柔性电缆走线。

最后，将顶部铝连接器体放置在桥接连接器上，并用螺钉将其夹紧到底部铝连接器体上，压缩整个组件。这种方法背后的想法是通过铜柱分配独立且等量的压力。使用精密扭矩扳手对每个螺钉施加等量的扭矩。图5显示了整个测试结构与商业连接器倒装焊接到柔性电缆的In 凸点组装在一起。

图5.中间带有桥接连接器，两端带有商用连接器的组装电缆。完整组装的测试结构的总长度约为 9.2 厘米。

五、表征方法

图6显示了用于评估连接器组件电气特性的测量设置。两块带有商用连接器封装的印刷电路板(PCB)安装在带有横向调节槽的机械支撑板上，以提供一种支持可变长度的机制，使用适当的连接器安装扭矩将每根电缆上的商用连接器拧紧到 PCB 上。

图6. 用于在液氮或液氦中进行低温测量的直流测量装置，显示已安装(左上)和未安装(右上)电缆连接器组件的测量连接板。右中面板显示了带有低温电缆织机和相关直流连接的测量板的底面。底部面板显示了带有电连接头(左侧)和真空罐(右侧)的浸入式探头的全长视图。

每个 PCB 上都有一个温度二极管，用于准确记录组件两端的温度。假设连接器组件的温度接近PCB上的温度二极管的温度，但无法在当前测量配置中记录该温度。Cryoloom 电缆用于将探头内部连接到测试组件。该组件被密封在连接到浸入式探头末端的真空罐内，测量是在真空环境中进行的(即在这些测量中没有使用He交换气体)。高RRR铜箔用作真空垫圈，并作为从不锈钢真空罐外部到内部到 PCB 和测试组件的热传输路径，以帮助测试组件的热化。

将探头浸入液氮中进行室温至约77 K的测量，然后浸入液氦中进行约77 K-4.2 K的测量。对于多线测量，在冷却和测量期间使用直流开关矩阵在信号线之间切换。分别使用Agilent 34220 A NanoVolt/Micro-Ohm Meter或 Keithley 2400 Source Measure Unit 和 Lake Shore Model 224 温度监测器，测量每条线路的直流电阻和二极管的温度读数。

我们注意到，由于与使用开关矩阵相关的测量时间限制，以及样品冷却发生的速度，特别是在超导过渡区， 无法准确获得样品的实际温度，在该温度范围内，部分测量结果较为粗糙。然而，从电阻状态到超导状态的转变在测量结果中很明显。为了更详细地探索过渡区域，选择了一组线进行单线测量，以更准确地捕获过渡区域中的电阻与温度的关系。这些结果的详细信息将在下一节中描述。

六、结果和讨论

A. 初始粗略表征

用桥接连接器组装两个柔性电缆部分后，按照上一节所述进行表征。对于此处描述的测试样本，发现12条线路中有9条是在室温下连接的。随着温度的降低，所有连接线的电阻都显著下降，如图7的归一化电阻所示。

图7. 完全组装的测试结构中，线路的归一化直流电阻从293 K到4.2 K。10 mA测试电流用于所有测量。

目前尚不清楚第9行在约225 K和第2行在约110 K 时的急剧下降，但可能与机械运动有关，随着结构冷却提供增强的接触。80 K附近的较小下降是在浸入式探头从LN2移动到LHe的过程中。

表1为减去引线电阻后，在293 K、77 K和4.2 K处的所有线路的2线电阻测量值。连接信号线的直流电阻在4.2 K时从15Ω到38Ω不等。这些测量结果提供了对连接器组件在广泛范围内的功能和性能以及向低于10 K的明显超导状态的急剧转变的初步了解。

表1：293 K、77 K 和 4.2 K时，测量的线路电阻(使用 10 MA 测试电流)。

B. 包括临界电流在内的精细表征

虽然图7的结果令人鼓舞，但过渡周围测量的粗糙性质是不可取的。因此，为了在过渡区域获得更清晰的结果，我们对单线进行了更精细的测量。此外，通过对4.2 K下连接线路的电阻进行更深入的调查，发现用于电阻测量的电流似乎已超过连接结构的一部分的临界电流值。

对于迄今为止显示的测量结果，使用了Agilent 34420 A，它提供10 mA的直流电流来测量 1-100Ω范围内的电阻。图8显示了与图9所示相同的线路的电阻变化，使用Keithley 2400在4.2 K下测量，直流电流从0增加到12 mA。

图8.组装测试结构的三个连接信号线在4.2 K时的电阻与电流。可以观察到多个临界电流水平，最低为 500 µA。

图9.使用100 µA测试电流，完全组装测试结构的归一化直流电阻从30 K到4.2 K。在单独的冷却过程中单独测量线，并且在冷却之间没有拆卸连接器结构。

在组装多个组件(桥接连接器和柔性电缆)以进行连接时，每条线路都观察到多个(通常为三个)临界电流水平，并且这些组件中的每一个都可能具有相关的临界电流。观察到的最低临界电流约为500μA，低于该电流应观察到完全转变为超导状态。使用高于测量的信号路径最低临界电流的供电电流，解释了图 7 和表 I 中所示的结果。

为了准确测量临界转变温度，从室温到4.2 K分别测量了3条连接线(3、4和5)。图9显示了与图7相比具有更精细温度分辨率的线的归一化电阻与温度的关系结果。使用 Keithley 2400 源测量单元测量每条线路的直流电阻，其中测试电流保持恒定在 100 μA，远低于约 500 μA 的最低临界电流。由于电流小于临界电流，当温度降低到临界温度以下时，3 个测量信号路径中的每一个都显示完全转变为超导状态。转变在 9 K 附近开始，在 6 K 附近似乎几乎完成。

C. 关于变异和可靠性的附加评论

所观察到的9条连接线和3条线中的开路电阻的变化，归因于桥接连接器中电镀铜通孔的变化。计划对未来的设计和制造工艺进行修改，以提高通孔工艺和性能的一致性。在可靠性方面，进行了有限数量的热循环(室温到/从 77 K)和重复的组装/拆卸循环。虽然此处未提供详细信息，但我们认为，结果表明本文中描述的连接器方法有望用于超导电缆到电缆连接器。

七、结论

在这项工作中，我们描述并展示了一种用于超导柔性薄膜并行传输线电缆的电缆对电缆连接器的新方法。桥接连接器以及局部压力应用和相应的机械对准保持组件被用于直流电阻在 293 K 到 4.2 K 的温度范围内测量了完全组装结构中的迹线，发现信号路径是具有多个临界电流水平的超导。

对于未来的设计、制造、组装和挑战，这个初始演示提供了有用的信息，有助于实现密集的柔性薄膜超导电缆到电缆连接器方案，以满足未来的低温电子和计算应用需求。