转自洞见热管理
光通信（Optical Communication）是一种利用光波作为传输媒介进行信息传递的技术。通常，光通信系统使用激光或LED等光源，通过光纤作为传输介质，以非常高的速度传输大量数据。光通信广泛应用于长距离通信、数据中心的网络连接、大规模的互联网传输等领域。光通信的优势包括高带宽、低损耗和抗干扰能力强。
光模块（Optical Module）是光通信系统中的一种关键设备。它的作用是实现电信号和光信号之间的转换，也可以实现光信号的调制、解调以及信号的放大和传输。发射端将电信号转换成激光信号，然后调制激光器发出的激光束，通过光纤传递，在接收端接收到激光信号后再将其转化为电信号，经调制解调后变为信息。该产品被广泛应用于 5G 前传、光接入网络、城域网和数据中心等场景，处于光通信领域的金字塔尖。
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关于“光模块”
TOSA（Transmit Optical Sub-Assembly）：主要负责将电信号转换为光信号，由光源（发光二极管或激光二极管）、光接口、监控光电二极管、金属或塑料外壳、电接口组成。光源多数采用激光二极管，功耗低、功率大并且耦合效率高。
02
光模块的心脏之“激光器”
激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，是大量光学材料和元器件组成的综合系统，居于整个激光产业链的核心中枢位置，主要由光学系统、电源系统、控制系统和机械机构四个部分组成，其中光学系统主要由泵浦源（激励源）、增益介质（工作物质）和谐振腔等光学器件材料组成。增益介质是光子产生的源泉，通过吸收泵浦源产生的能量，使得增益介质从基态跃迁到激发态。由于激发态为不稳定状态，此时，增益介质将释放能量回归到基态的稳态。在这个释能的过程中，增益介质产生出光子，且这些光子在能量、波长、方向上具有高度一致性，它们在光学谐振腔内不断反射，往复运动，从而不断放大，最终通过反射镜射出激光，形成激光束。作为终端设备的核心光学系统，激光器的性能往往直接决定激光设备输出光束的质量和功率，是下游设备最核心的部件。
光模块中激光器主要有VCSEL（垂直腔面发射激光器）、FP（法布里-珀罗激光器）、DFB（分布式反馈激光器）和EML（电吸收调制激光器）。其中VCSEL属于面发射的类型、FP/DFB/EML属于边发射类型。
VCSEL激光器用在多模光模块中，适用于短距离传输且成本收益比较高，由于A1训练集群中GPU间互联需求大幅提升，预计其会快速增长；FP主要应用于中低速无线接入短 距离市场，由于存在损耗大、 传输距离短的问题，部分应用场景逐步被DFB激光器芯片取代；DFB主要应用长距离的传输，如FTTx接入网、传输网、无线基站、数据中心内部互联等；EML激光器应用在单模光模块中，适用于长距离互联，多用于上层交换机互联以实现大规模AI集群。
磷化铟（InP）衬底用于制作FP、DFB、EML 边发射激光器芯片和PIN、APD 探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓（GaAs）衬底用于制作 VCSEL面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D 感测等领域。国内厂商已掌握大部分器件制造技术，有些核心器件如高功率半导体激光芯片等仍依赖进口，而国外激光器龙头企业依靠全产业链整合实现产品低成本、高性能及高稳定性。
03
激光芯片的封装方式
为了保护激光芯片免受任何机械应力和热应力的影响，因为诸如砷化镓这样的激光材料非常脆弱，所以几乎每一个二极管激光器或任何其他激光器件都需要进行激光封装。此外，密封封装的方法可防止灰尘或其他污染物进入激光器；烟雾、灰尘或油污会对激光器造成即时或永久性的损坏。最重要的是，随着技术的进步，高功率二极管激光器的出现需要精巧的封装设计，以便通过底座和安装的散热片来帮助散发其在工作过程中产生的热量。
半导体激光器芯片的封装形式多种多样，不同的封装方式适用于不同的应用场景，以满足特定的性能要求、散热需求以及成本考虑。
（1）TO（Transistor Outline）封装
激光器芯片安装于热沉上，通过金丝与电气引脚连接。其上再封装金属管帽和用于透出激光的玻璃盖片密封窗。TO-CAN封装的壳体通常为圆柱形，因为其体积小，难以内置制冷，散热困难，难以用于大电流下的高功率输出，故而难以用于长距离传输。目前最主要的用途还在于2.5Gbit/s及10Gbit/s短距离传输。但成本低廉，工艺简单。
（2）基板形(Sub-mount，COS)封装
基板形（Sub-mount，COS）封装是一种将激光器芯片通过焊接、粘贴等方式安装到热沉上的方法，结构如下图所示。这种技术常用于制造各种电子设备，包括激光器。在激光器的应用中，COS封装可以提供良好的热管理和电气性能，同时减小了整体尺寸，提高了集成度。
（3）蝶形(Butterfly)封装
蝶形封装是光通信传输和激光泵浦二极管的标准封装形式。以下图是一种典型的蝶形封装，其中激光芯片位于氮化铝（AlN）热沉上。氮化铝底座安装在一个热电冷却器（TEC）上，TEC 则连接到一个由铜钨（CuW）、可伐合金（Kovar）或铜钼（CuMo）制成的基板上。
04
激光芯片封装用“热沉”
激光二极管（LD）芯片在工作时产生大量的热量，这些热量需要迅速导出以确保激光器的稳定性和延长使用寿命。为了有效地管理这些热量，陶瓷覆铜板作为热沉成为了LD芯片封装中的关键部分。目前常见的陶瓷覆铜板主要分为薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接键合铜陶瓷基板(DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(AMB)、直接电镀铜陶瓷基板(DPC)。其中DPC基板拥有表面图形线路精度高、可满足垂直互连、制作成本较低等优异特点常备用于LD芯片封装领域。
Kyocera为全球知名的激光芯片热沉供应商，当前主要以氮化铝陶瓷覆铜板热沉为主。氮化铝(AlN)有170、200、230W/mK选项可以选择。薄膜的构成有Au系薄膜和Cu系薄膜，Au系薄膜采用了LD搭载部无障碍物。Cu系厚Cu(ex.50μm)电镀，两者LD芯片的搭载都采用了Au/Sn蒸镀工艺。
陶瓷覆铜板不仅提供了结构支持，还承担了将热量从激光芯片传导到外部散热系统的作用，防止热积累造成激光器性能衰减和温度过高的问题。常见的陶瓷覆铜板材料有氧化铝、氮化铝、氮化硅。如下图是MARUWA所提供的氧化铝、氮化铝、氮化硅几类基板的参数对比。其中氮化铝具有更高的导热性常常被应用于高功率LD芯片领域。MARUWA可提供AlN-170/200/230三种类型的基板。
陶瓷材料特别适用于激光器封装中的热管理，主要体现在以下几个方面：
高热导率：陶瓷基板（尤其是氮化铝基板）的热导率较高，能够高效地将热量从激光二极管芯片传导到热沉或外部散热系统。氮化铝（AlN）基板的热导率接近200-250 W/m·K，远超普通金属基板，因此在高功率LD激光器的封装中，陶瓷基板是理想的选择。
优异的电绝缘性：除了良好的热导性，陶瓷材料通常还具有良好的电绝缘性能。这使得陶瓷基板不仅能承载LD芯片，还能在防止电流泄漏、短路等问题的同时，有效管理热量。
高耐温性与稳定性：陶瓷基板能够承受较高的工作温度和温度波动，这对于激光二极管芯片至关重要，尤其是在高功率或长时间运行的情况下，确保基板不会因温度变化而变形或退化。
良好的机械强度与可靠性：陶瓷材料的硬度和强度使其具有较高的抗机械应力能力，能够保护LD芯片免受外界物理力的影响。此外，陶瓷材料的热膨胀系数与金属材料（如铜、铝）相匹配，有助于减少热循环中的应力，从而提高封装的长期可靠性。
那么什么是DPC技术呢？
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激光芯片热沉—DPC技术
DPC技术是先其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu 层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作；DPC关键技术: 金属线路层与陶瓷基片的结合强度；电镀填孔。
DPC工艺流程示意图
DPC陶瓷基板制备前端采用了半导体微加工技术（溅射镀膜、光刻、显影等），后端则采用了印刷线路板（PCB）制备技术（图形电镀、填孔、表面研磨、刻蚀、表面处理等），因此具有以下优势特点：1）采用半导体微加工技术，陶瓷基板上金属线路更加精细（线宽/线距低至30μm~50μm，与线路层厚度相关），因此DPC陶瓷基板非常适合对精度要求较高的微电子器件封装；2）采用激光打孔和电镀填孔技术，实现了陶瓷基板上下表面垂直互连，可实现电子器件三维封装与集成，降低器件体积；3）低温制备工艺（300℃以下）避免了高温对基片材料和金属线路层的不利影响，同时也降低了生产成本。
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企业动态
