量子计算的概念自上世纪提出后，目前已发展出了包括超导量子、光子、离子阱、量子点等众多技术路线。在这众多的技术路线中，由于超导量子方向与传统半导体技术的兼容性强，超导量子的制备和可扩展性都具有较大优势，因而成为主要研究方向。超导量子芯片需要在极低温环境下工作，以降低环境噪声对比特的影响。超导量子比特工作原理是利用约瑟夫森结在极低温环境下的非线性电路特性，构建不同能级间距的能级态，并选择其基态和第一激发态构成二能级系统。
在传统半导体芯片中，通过外端输入的电压信号对晶体管进行开关控制从而实现0和1的转变。在超导量子芯片中，量子比特需要通过微波信号进行调控其基态和激发态。多个量子比特要实现协同工作，需要通过电容、电感或谐振器进行相互耦合。由于量子比特信息具备不可复制性，单个量子比特需要足够的时间进行独立操作计算，所以量子比特的相干时间是其核心指标之一。除了比特的质量，比特的数量同样重要，否则无法完成大量的计算。在超导量子芯片中，考虑到电磁场的串扰影响，各结构间都要保留足够的间隔，因此量子比特的先进封装集成是最为有效的方案。
传统半导体封装，侧重于不同功能器件的模组化，从而实现芯片功能化的集成以及物理保护。而超导量子比特中的封装集成，主要解决芯片平面布线空间不足问题。由于量子比特本身比较脆弱，对环境噪声十分敏感，同时又采用微波信号进行操控读取，因此在考虑量子比特的集成时，对材料、线路结构设计以及工艺有更高的要求，同时还需要考虑电磁干扰以及信号衰减。
稀释制冷机是目前唯一能满足超导量子芯片工作温度需求的设备，但其内部空间极为有限。超导量子芯片需要排布大量的测控线。当量子比特数量较少时一般采用单平面排布设计。但此时需要对线路的排布进行优化，以降低各线路之间的影响。目前最常用的方式就是采用空桥方案，利用架空的超导传输线相互接地，以实现降低线路间的干扰以及节省线路排布空间的目的。随着量子比特数量增加,单平面已无法满足排线空间需求。目前的做法是向第3个维度发展，即3D集成。由于超导量子线路结构大多通过电容电感耦合的方式进行连接，因此可以将量子比特和读出控制分成2个单独的平面，再利用电容电感进行耦合连接，利用超导金属作为机械支撑和信号连通。为了实现芯片低温超导，因此需要选择合适的超导金属作为上下芯片连接层。而超导线路结构十分脆弱，高温及腐蚀性环境都对其具有很强的破坏性，因此作为连接层的金属必须可以在较低的温度下进行压焊连接，同时在超低温下能有较好的机械性能。
由于整个线路必须满足超导性，因此不同材料之间的界面问题是该封装技术的难点之一。一般通过对基体表面进行UBM处理，以达到去除氧化层的目的，增加基体材料之间的结合力，防止形成金属间化合物。除了要处理不同材料间的界面问题，上下层芯片的间距需要严格按照设计要求进行控制，以满足电性设计标准。通常的做法是在硅片上刻蚀硅柱，限制压焊过程铟柱的压缩量。由于硅柱的存在，上下芯片的间距得到了有效控制，同时芯片不同位置的翘曲也得到有效改善，在不引入对电磁场过多干扰的前提下，进行间距的控制。当比特数量继续增加，上下层结构也无法满足排线的空间需求，就需要更多的平面进行比特的扩展。目前的做法是将两面的图形结构线路通过TSV内的导线进行连通，与第2个芯片进行连接，通过W这种正反面的连接，充分利用正反面空间，解决排线密集占空间的问题。
鉴于传统半导体的发展路线和超导量子的发展趋势，未来先进的封装集成技术将是超导量子计算机的主要技术发展方向之一。研究表明，TSV技术有望将比特规模提升至1000量级，可实现超导量子计算机的初步商业化应用。而要实现百万比特的通用量子计算机，除了新一代的理论发展或者封装集成技术外，还需要极力发展低温制冷设备以满足芯片体积和大量的测控线的空间需求。经过近几十年的快速发展， 超导量子在退相干时间、门保真度、比特规模化集成等方面都取得了很大的进展。然而要实现超导量子计算机的商业化应用，比特数量至少需要突破1000量级，要实现通用量子计算则需要百万量级。因此量子比特的大规模集成技术将成为未来人类的重点研究项目。目前人类在超导量子计算机领域取得的成果，让人们看到了超导量子计算机的商用化可能。相信可商用化的超导量子计算机在不久的将来将成为现实。
参考文献：
陆新军：《基于约瑟夫森结的超导量子芯片进展概述》
熊康林、郑亚锐：《量子计算机研究进展》
