يتطلب تصميم لوحة دوائر مطبوعة (PCB) للتحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل التعامل مع فيزياء غير موجودة في درجة حرارة الغرفة. تعمل هذه اللوحات داخل ثلاجات التخفيف عند درجات حرارة الميليكلفن (mK)، حيث تتغير الثوابت العازلة القياسية، وتنخفض مقاومة النحاس بشكل كبير (أو يصبح فائق التوصيل)، ويمكن للشوائب المغناطيسية أن تدمر الترابط الكمي. تتخصص APTPCB (مصنع APTPCB للوحات الدوائر المطبوعة) في تصنيع هذه التوصيلات البينية عالية الدقة حيث تكون الميزانيات الحرارية وسلامة الإشارة محدودة للغاية.
إجابة سريعة (30 ثانية)
- التخلص من المواد المغناطيسية: تحتوي تشطيبات ENIG أو ENEPIG القياسية على النيكل، وهو مغناطيسي ويعطل ترابط الكيوبت. استخدم الفضة بالغمر، أو الذهب الناعم (مباشرة على النحاس)، أو طلاءً خاصًا غير مغناطيسي.
- مراعاة تغير $D_k$ في درجات الحرارة المنخفضة: تنخفض الثوابت العازلة للركيزة عند 4 كلفن مقارنة بـ 300 كلفن. قم بمحاكاة المعاوقة باستخدام بيانات المواد المبردة، وليس أوراق البيانات الخاصة بدرجة حرارة الغرفة.
- التبريد الحراري أمر بالغ الأهمية: يجب ألا توصل مسارات الإشارة حرارة زائدة من مراحل درجة الحرارة الأعلى (4 كلفن) إلى غرفة الخلط (10-20 ملي كلفن). استخدم أشكال مسارات محددة أو مواد فائقة التوصيل (مثل النيوبيوم أو الألومنيوم) حيثما ينطبق ذلك.
- موثوقية الموصلات: يجب أن تتحمل موصلات SMPM أو GPPO الدورات الحرارية دون تشقق وصلات اللحام بسبب عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE).
- خشونة السطح: عند ترددات الميكروويف (4-8 جيجاهرتز)، تزيد خشونة النحاس من الفقد. استخدم رقائق النحاس VLP (ملف تعريف منخفض جدًا) أو HVLP.
- النظافة: بقايا التدفق والأكسدة قاتلة للمرنانات عالية الجودة (Q). بروتوكولات التنظيف الصارمة إلزامية.
متى تنطبق (ومتى لا تنطبق) لوحة الدوائر المطبوعة للتحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل
استخدم هذه التقنية عندما:
- تقوم بتوجيه الإشارات من/إلى معالج كمومي داخل مبرد كريوجيني أو ثلاجة تخفيف.
- تكون درجة حرارة التشغيل أقل من 4 كلفن (نطاق الهيليوم السائل) أو تصل إلى مستويات الملليكلفن.
- تتراوح ترددات الإشارة من التيار المستمر إلى 12+ جيجاهرتز (عادةً 4-8 جيجاهرتز لقراءة/التحكم في الكيوبت).
- تحتاج إلى لوحة دوائر مطبوعة لتغذية المبرد الكريوجيني لربط مراحل درجة الحرارة (مثل 300 كلفن إلى 50 كلفن، أو 4 كلفن إلى ملي كلفن).
- النظافة المغناطيسية مطلب صارم لمنع فقدان الترابط.
لا تستخدم هذه التقنية عندما:
- يكون التطبيق عبارة عن اتصال RF قياسي بدرجة حرارة الغرفة (استخدم عمليات لوحة الدوائر المطبوعة عالية التردد القياسية بدلاً من ذلك).
- تكون المواد المغناطيسية (النيكل، الحديد) مقبولة في مسار الإشارة.
- تكون هناك حاجة لنقل طاقة عالية (تتمتع المسارات فائقة التوصيل بحدود تيار حرجة منخفضة).
- تكون التكلفة هي المحرك الأساسي على الأداء؛ تتطلب هذه اللوحات مواد ومعالجة متخصصة.
القواعد والمواصفات
البيئات المبردة لا ترحم. يمكن أن يؤدي انتهاك واحد لهذه القواعد إلى جعل التجربة الكمومية عديمة الفائدة.
| القاعدة | القيمة/النطاق الموصى به | لماذا يهم | كيفية التحقق | إذا تم تجاهله |
|---|---|---|---|---|
| الانتهاء السطحي | فضة بالغمر، OSP، أو ذهب ناعم مباشر (بدون نيكل) | النيكل مادة مغناطيسية حديدية ويسبب دوامات مغناطيسية/فقدان التماسك. | تحليل XRF لتأكيد محتوى النيكل بنسبة 0%. | تنخفض أوقات تماسك الكيوبت ($T_1$, $T_2$) بشكل كبير. |
| المادة العازلة | Rogers 4003C, 3003، أو Kapton (مرن) | عامل تبديد منخفض ($\tan \delta$) ومعامل تمدد حراري (CTE) مستقر عند درجات الحرارة المبردة. | مراجعة أوراق بيانات مواد لوحات الدوائر المطبوعة من Rogers للتحقق من منحنيات درجات الحرارة المبردة. | عدم تطابق المعاوقة بسبب تغير $D_k$؛ تشقق ميكانيكي. |
| معاوقة المسار | $50\Omega \pm 2\Omega$ (فردي), $100\Omega \pm 5\Omega$ (تفاضلي) | تسبب الانعكاسات موجات واقفة تسخن الثلاجة وتفسد النبضات. | قياس TDR (انعكاس المجال الزمني). | انعكاس الإشارة؛ ضعف دقة الكيوبت. |
| نوع النحاس | نحاس مدلفن ومُلدّن أو مُرسب كهربائياً (VLP) | يقلل النحاس الأملس من خسائر تأثير الجلد عند ترددات الميكروويف. | فحص بالمقياس السطحي (profilometer) على الرقائق الخام. | فقدان إدخال أعلى؛ توهين الإشارة. |
| الثقوب الحرارية (Vias) | مصغرة أو مملوءة بمادة فائقة التوصيل | الثقوب النحاسية القياسية توصل الحرارة. الثقوب فائقة التوصيل تمنع الحرارة ولكنها تمرر التيار. | النمذجة الحرارية للتراص. | تفشل الثلاجة في الوصول إلى درجة الحرارة الأساسية (mK). |
| قناع اللحام | يُزال من خطوط الإشارة (أو يُزال بالكامل) | قناع اللحام يسبب فقدانًا وهو استرطابي. | الفحص البصري. | زيادة الفقد العازل؛ إطلاق الغازات في الفراغ. |
| مطابقة معامل التمدد الحراري (CTE) | المحور السيني/الصادي: 16-17 جزء في المليون/درجة مئوية (مطابقة النحاس) | يمنع الانفصال الطبقي أثناء التبريد من 300 كلفن إلى 0.01 كلفن. | تحليل ميكانيكي حراري (TMA). | انفصال لوحة الدائرة؛ دوائر مفتوحة بعد التبريد. |
| عزم ربط الموصل | خاص بموصلات SMPM/SMA (مثل 0.2-0.5 نيوتن متر) | عزم الربط الزائد يكسر وصلات اللحام الباردة؛ عزم الربط الناقص يفشل في البرودة. | معايرة مفتاح العزم. | توصيلات متقطعة أثناء الدورات الحرارية. |
| بقايا التدفق | نظافة من الفئة 3 حسب معيار IPC أو أفضل | تصبح البقايا مصادر فقدان عازل وضوضاء. | اختبار كروماتوغرافيا الأيونات. | قياسات صاخبة؛ انخفاض عامل جودة الرنان (Q-factor). |
| التأريض | فتحات توصيل كثيفة (بتباعد $\lambda/20$) | يمنع رنين التجويف داخل الركيزة. | محاكاة كهرومغناطيسية (HFSS/CST). | تداخل بين خطوط التحكم. |
خطوات التنفيذ
اتبع هذا التسلسل لضمان أن تعمل لوحة الدوائر المطبوعة للتحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل بشكل صحيح عند درجات حرارة الميليكلفن.
تحديد الميزانية الحرارية احسب أقصى حمل حراري مسموح به لمرحلة التبريد المحددة (على سبيل المثال، 10 $\mu W$ في غرفة الخلط). يحدد هذا عرض المسار، وسمك النحاس (0.5 أونصة مقابل 1 أونصة)، واختيار الركيزة.
اختيار المواد المتوافقة مع درجات الحرارة المنخفضة اختر ركائز مثل Rogers RO4003C أو أنواع معينة من البولي إيميد لتطبيقات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لتغذية المبرّد. تجنب FR4 تمامًا بسبب الفقد العالي وضعف الاستقرار الحراري. استشر قسم الهندسة في APTPCB لمعرفة المخزون الحالي من الرقائق غير المغناطيسية.
المحاكاة باستخدام المعلمات المبرّدة اضبط محاكاة التراص الخاصة بك. عادةً ما تنخفض ثابت العزل الكهربائي ($D_k$) للمواد القائمة على PTFE بنسبة 1-2% مع تبريد المادة إلى 4 كلفن. صمم عرض المسار للمقاومة الباردة، وليس للمقاومة عند درجة حرارة الغرفة.
توجيه إشارات الميكروويف التفاضلية طبق استراتيجيات توجيه الميكروويف التفاضلية المبرّدة. استخدم اقترانًا محكمًا للأزواج التفاضلية لرفض ضوضاء الوضع المشترك. تأكد من أن مطابقة الطول دقيقة (< 0.1 مم) للحفاظ على تماسك الطور لنبضات الميكروويف.
تطبيق تشطيب سطحي غير مغناطيسي حدد "لا نيكل" بشكل صريح في ملاحظات التصنيع. اطلب الفضة بالغمر (ImmAg) أو الذهب المباشر. تأكد من أن مصنع التصنيع ينظف النحاس جيدًا قبل الطلاء لمنع مشاكل الأكسدة.
التصنيع والحفر نفذ الحفر بتفاوتات صارمة (± 0.5 ميل أو أفضل). بالنسبة للمسارات فائقة التوصيل (مثل النيوبيوم المرسب على السيليكون، أو رقائق PCB المتخصصة)، يلزم معالجة في غرفة نظيفة لمنع التلوث.
التجميع باستخدام لحامات درجات الحرارة المنخفضة استخدم لحامات قائمة على الإنديوم أو سبائك خالية من الرصاص محددة تظل مطيلية في درجات الحرارة المبردة. يمكن أن يصبح SAC305 القياسي هشًا.
التحقق (درجة حرارة الغرفة والبرودة) قم بإجراء فحوصات استمرارية التيار المستمر (DC) ومسح باستخدام محلل الشبكة المتجه (VNA) في درجة حرارة الغرفة. لاحظ أن المقاومة ستنخفض (أو تختفي) في البرودة، لذا فإن فحوصات درجة حرارة الغرفة تتحقق فقط من الاتصال، وليس الأداء النهائي.
أنماط الفشل واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
| العَرَض | السبب المحتمل | فحص تشخيصي | الإصلاح / الوقاية |
|---|---|---|---|
| فقدان إدخال عالٍ | فقدان عازل أو نحاس خشن | قم بقياس $S_{21}$ باستخدام VNA. تحقق مما إذا كانت القناع قد تُرك على المسارات. | استخدم نحاس VLP؛ أزل قناع اللحام من مسارات التردد اللاسلكي (RF). |
| انزياح تردد الرنين | تغير $D_k$ عند درجة حرارة منخفضة | قارن رنين درجة حرارة الغرفة مقابل رنين البرودة. | نمذجة $\Delta D_k$ (حوالي -2% لـ PTFE) أثناء التصميم. |
| دائرة مفتوحة في البرودة | تشقق برميل الفتحة (عدم تطابق CTE) | فحص مقاومة التيار المستمر (DC) أثناء التبريد (مراقبة مستمرة). | استخدم مواد لوحة الدوائر المطبوعة المرنة (Flex PCB) أو حشوات الفتحات عالية الموثوقية؛ تجنب اللوحات السميكة. |
| تفكك الكيوبت | شوائب مغناطيسية | قم بقياس أوقات $T_1$. تحقق من مواصفات الطلاء. | انتقل إلى طلاء غير مغناطيسي؛ تحقق من مواد جسم الموصل (نحاس/بريليوم نحاس، بدون نيكل). |
| هروب حراري | توصيل حراري مفرط | ترتفع قراءات مقياس حرارة الثلاجة. | قلل المقطع العرضي للنحاس؛ استخدم فواصل حرارية أو مسارات فائقة التوصيل. |
| تداخل الإشارة | تأريض ضعيف / تباعد | قياس $S_{41}$/$S_{31}$. | زيادة تباعد المسارات؛ إضافة فتحات توصيل أرضي ("سياج خشبي"). |
قرارات التصميم
صلب مقابل مرن مقابل صلب-مرن للتوصيلات البينية التي تربط مراحل درجة حرارة مختلفة (مثل 4K إلى mK)، غالبًا ما تستخدم تصاميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لتغذية المبرّد تقنية لوحات الدوائر المطبوعة الصلبة-المرنة (Rigid-Flex PCB). يقلل قسم البولي إيميد المرن من التوصيل الحراري بسبب سمكه الرقيق، بينما تدعم الأقسام الصلبة الموصلات عالية الكثافة.
اختيار الموصلات موصلات SMA القياسية كبيرة جدًا بالنسبة للمعالجات ذات العدد الكبير من الكيوبتات. يُفضل استخدام موصلات SMP و SMPM والموصلات متعددة المحاور. تأكد من أن جسم الموصل غير مغناطيسي (فولاذ مقاوم للصدأ مُخمل أو نحاس بريليوم مطلي بالذهب) وأن قوة التثبيت مناسبة لبيئة الاهتزاز لأنبوب النبض.
مسارات فائقة التوصيل في بعض التصميمات المتقدمة، يجب أن تكون مسارات لوحة الدوائر المطبوعة نفسها فائقة التوصيل. يتضمن ذلك ركائز متخصصة (مثل السيليكون أو الياقوت) أو طلاء النحاس القياسي بلحام فائق التوصيل (SnPb أو InPb) لتقليل المقاومة إلى الصفر تحت درجة الحرارة الحرجة ($T_c$).
الأسئلة الشائعة
س: هل يمكنني استخدام FR4 القياسي للوحات الدوائر المطبوعة للتحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل؟ ج: لا. يتمتع FR4 بمماس فقدان عالٍ عند ترددات الميكروويف، وخصائص تمدده الحراري غير متوقعة عند درجات الحرارة المبردة، مما يؤدي إلى فشل ميكانيكي.
س: لماذا يُحظر النيكل في لوحات الدوائر المطبوعة هذه؟ A: النيكل مادة مغناطيسية حديدية. حتى الطبقات الرقيقة من النيكل في الطلاء (مثل ENIG) تشوه تجانس المجال المغناطيسي المطلوب لتشغيل الكيوبت، مما يسبب فقدانًا سريعًا للتماسك الكمي.
س: كيف أتعامل مع تغير المعاوقة من درجة حرارة الغرفة إلى درجة الحرارة المبردة؟ ج: صمم للحالة الباردة. نظرًا لأن $D_k$ ينخفض، فإن المسارات المصممة لـ $50\Omega$ عند 300K قد تصبح $52\Omega$ عند 20mK. غالبًا ما يكون من الأفضل أن تكون سعوية قليلاً عند درجة حرارة الغرفة حتى يصل الخط إلى $50\Omega$ عند درجة حرارة التشغيل.
س: ما هي المدة الزمنية اللازمة لهذه اللوحات المتخصصة؟ ج: نظرًا للمواد غير القياسية (Rogers/Taconic) ومتطلبات المعالجة الصارمة غير المغناطيسية، فإن المهل الزمنية عادة ما تكون أطول من اللوحات القياسية. تتطلب خدمات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة عادة من 2 إلى 4 أسابيع حسب توفر المواد.
س: هل أحتاج إلى الحفر الخلفي (backdrilling) لهذه لوحات الدوائر المطبوعة؟ ج: نعم. بالنسبة لإشارات التردد العالي (4-8 جيجاهرتز وما فوق)، تعمل جذوع الفتحات (via stubs) كهوائيات أو مرشحات. يزيل الحفر الخلفي الجزء غير المستخدم من الفتحة للحفاظ على سلامة الإشارة.
مسرد المصطلحات (المصطلحات الرئيسية)
| المصطلح | التعريف |
|---|---|
| ثلاجة التخفيف (Dilution Refrigerator) | جهاز تبريد يوفر تبريدًا مستمرًا لدرجات حرارة منخفضة تصل إلى 2mK، ويستخدم لإيواء معالجات الكم. |
| فقدان التماسك الكمي (Decoherence) | فقدان المعلومات الكمومية بسبب التفاعل مع البيئة (الضوضاء، الحرارة، المجالات المغناطيسية). |
| $D_k$ (ثابت العزل الكهربائي) | مقياس لقدرة المادة على تخزين الطاقة الكهربائية. يتغير مع درجة الحرارة، مما يؤثر على الممانعة. |
| ظل الخسارة ($\tan \delta$) | مقياس لقوة الإشارة المفقودة كحرارة في المادة العازلة. كلما كان أقل، كان أفضل. |
| CTE (معامل التمدد الحراري) | المعدل الذي تتمدد أو تتقلص به المادة مع تغيرات درجة الحرارة. عدم التطابق يسبب التشققات. |
| الموصلية الفائقة | حالة تقوم فيها المادة بتوصيل الكهرباء بمقاومة صفرية تحت درجة حرارة حرجة ($T_c$). |
| ممر الكريوستات | واجهة تسمح للإشارات الكهربائية بالمرور بين مناطق درجة حرارة مختلفة في الكريوستات مع الحفاظ على الفراغ والعزل الحراري. |
| ENEPIG | نيكل لاكهربائي بلاديوم لاكهربائي ذهب بالغمر. ENEPIG القياسي مغناطيسي؛ "ENEPIG غير المغناطيسي" يستخدم كيمياء محددة ولكنه نادر. |
| تأثير القشرة | ميل تيار التيار المتردد للتدفق بالقرب من سطح الموصل. عند درجات حرارة الميلي كلفن، يمكن أن يغير تأثير القشرة الشاذ الخسائر. |
| التثبيت الحراري | تقنيات ميكانيكية لضمان أن تكون الكابلات ولوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) عند نفس درجة حرارة مرحلة الثلاجة التي تم تركيبها عليها. |
طلب عرض سعر
بالنسبة لمشاريع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) للتحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل، غالبًا ما تكون عروض الأسعار التلقائية القياسية عبر الإنترنت غير كافية بسبب المتطلبات الصارمة للمواد والطلاء.
للحصول على مراجعة دقيقة لتصميم قابلية التصنيع (DFM) وعرض سعر، يرجى تقديم:
- ملفات جربر (Gerber Files): يفضل تنسيق RS-274X.
- رسم الطبقات (Stackup Drawing): حدد المواد العازلة وأوزان النحاس بوضوح.
- ملاحظات التصنيع: اذكر بوضوح "لا يوجد طلاء نيكل" و "تطبيق مبرد (CRYOGENIC APPLICATION)".
- متطلبات المعاوقة (Impedance Requirements): اذكر المعاوقة والتردد المستهدفين (على سبيل المثال، 50Ω عند 6 جيجاهرتز).
- الحجم: كمية النماذج الأولية (عادة 5-10 قطع) مقابل الإنتاج.
اتصل بـ APTPCB مباشرة إذا كنت بحاجة إلى مساعدة في اختيار الترتيب غير المغناطيسي المناسب لتطبيقك الكمي.
الخلاصة
تُعد لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للتحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل الجسر الحاسم بين الإلكترونيات ذات درجة حرارة الغرفة ومعالج الكم. يعتمد النجاح على التحكم الصارم في المواد المغناطيسية، ومطابقة المعاوقة الدقيقة لإشارات التوجيه التفاضلي للميكروويف المبردة، والإدارة الحرارية القوية. من خلال الالتزام بقواعد التصميم المتخصصة هذه والشراكة مع مصنع ذي خبرة مثل APTPCB، فإنك تضمن أن أجهزتك تدعم، بدلاً من أن تعيق، التماسك الكمي.