半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。具有体积小、寿命长等优点，被广泛应用于激光加工、激光通信、光存储、光陀螺、测距以及雷达等方面，在工业加工、医疗美容、光纤通信、无人驾驶、智能机器人等方面有着广泛的应用。艾邦建有陶瓷基板产业群，欢迎上下游企业加入微信群，长按识别二维码即可加入。

一、半导体激光器封装技术

封装是半导体激光器芯片必不可少的后端工艺。封装包括芯片封装和保护壳封装，不仅可以形成闭合电路、保护芯片，也是芯片散热的重要方式。芯片封装是把芯片直接焊接在不同结构、不同材料的热沉上的一种方法，热沉的作用主要是把芯片发光时产生的热量散掉，保证芯片能持续稳定的工作。

DPC陶瓷基板热点应用——半导体激光器

图 COS封装结构示意图

COS封装常见于高功率半导体激光器单管的封装中，首先采用焊料将半导体激光器芯片封装到过渡热沉上，形成COS（Chip On Submount）结构。这种封装结构体积小，集成度高且允许进行二级封装以满足不同的应用场合，例如进一步烧结到铜热沉上，也可烧结到管壳内并进行光纤耦合输出，对COS采取下一步的封装方式，如F-mount型封装、C-mount型封装、Butterfly封装（蝶形封装）、TO封装等，经过封装后的激光器芯片可降低腔面被污染的几率，不易被损坏，便于携带。

F-mount封装

半导体激光器F-mount封装结构如下图所示，从上到下依次为激光芯片、过渡热沉和铜热沉。使用金锡焊料烧结技术将芯片依次封装到SiC、AlN 过渡热沉上，形成 COS结构，然后使用铟焊料将 COS 焊接到铜热沉上，完成 F-mount 结构封装。F-mount封装散热途径短，散热效率高。

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图半导体激光器F-mount封装结构示意图

C-mount型封装

C-mount封装的结构为比较薄的方形体，中心处只有一个螺孔，用来固定激光器；只有一个飘带作为负电极，底座金属材料作为正电极。它的底座一般称为热沉，材料常选择为导热率极高的铜或者其他高导材料。此封装通常用焊料直接将芯片的P面焊接在热沉上，通过导线（金线或其他导电的金属线）将芯片上的电极与外部电极相连接。

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图 C-mount，来源：PhotonTec

在所有芯片封装结构的种类里边C-mount封装结构是最普遍的一种，也是最简单的一种。由于其结构简单、固定方便、便于安装、输出功率适中、价格适中、工作温定、寿命长等特点，使得C-mount封装应用十分广泛。但是由于自身材料、结构等的限制，使得其散热性能相对稍差，输出功率不能太高，功率过高时芯片产生的过多热量无法及时排出，芯片会因温度过高而烧坏。

TO封装

TO 封装技术十分成熟，广泛的应用于工业生产当中，常用于品体管器件的封装如激光二极管、光接收器件、发光二极管等的封装。TO 封装的结构主要由光学元件、管帽、底座等部分组成，而且这些组成部分必须高度同轴。TO封装的光学元件主要指芯片和导线；管帽一般是模塑型的，材料主要是合金或者传统的不锈钢，根据不同需要管帽上会匹配相应透镜或不加透镜；底座一般为无氧铜或者铜质合金等材料。

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图 TO封装

TO封装如图所示，其结构十分小巧，内部只有二到四跟引脚，容量十分有限，底座一般为三个管脚。TO型半导体激光器，工作时激光从管帽中间镂空（或者有透镜）处射出部分激光器会在封装前在其内部安装光电探测器，这样探测器会接收到部分激光，根据光的强度反馈到外部控制系统，外部系统通过光强的变化来改变输入电流的大小已保证激光器能稳定工作。TO封装加工成本低、制作工艺简单、使用方便快捷、工作稳定、用途十分广泛。

Butterfly封装（蝶形封装）

Butterfly封装（蝶形封装）的壳体两侧有很多金属材料的管脚，外形看上去与蝴蝶十分相似，所以被叫做蝶形封装。蝶形封装的尺寸比 TO 封装要大很多，所以其内部可以放置敏感元件，如热敏电阻、光电探测器等，这些敏感元件可以监测激光器的温度、输出功率等。当输出功率不足时或者温度升高时敏感元件会将信息反馈到激光器外部的控制系统，控制系统会及时做出有效调整，这样便可及时的散去激光器工作时芯片发光产生的废热，不会因为温度过高烧毁器件，以有效保证激光器输出功率稳定。

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图 Butterfly封装结构

因为蝶形封装的散热能力较好，所以其多半封装功率较大的半导体激光器。蝶形封装主要用于传输间隔大、速率要求高的通信系统，因为蝶形封装完全能实现长距离、高速率和大功率等特点，足以保证通信系统的稳定性。

二、半导体激光器封装材料

①过渡热沉

激光器在连续工作时会产生大量的热，这些热量主要是通过热沉传导出去。过渡热沉通常用与激光器芯片热膨胀系数相差较小的材料制成，以减小硬焊料封装时芯片的残余应力，常用的热沉材料有氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、碳化硅陶瓷、钨铜合金、碳化硅晶片、金刚石薄膜片等；理想的过渡热沉应该与激光芯片膨胀匹配、具有高热导率，此外还要易加工、价格适宜。

②焊料

随着半导体激光器功率的逐渐提高，处于长时间工作状态的激光器对于芯片与热沉之间的热膨胀系数匹配性、导热性、导电性等性能有了进一步要求，激光器芯片与热沉的粘结工艺成为热沉技术的关键。由于焊料与激光器管芯直接接触，焊料的质量直接影响到激光器的热传导和寿命，焊料的选择在封装过程中至关重要。

表焊料参数

目前，国内用于半导体激光器组装的焊料一般分为两种：软焊料和硬焊料。这两种焊料各自具有其优缺点。

金属铟焊料（In）是常用的软焊料，具有良好的塑性形变特性且应力较小,但高温环境容易导致焊层晶须的生长，从而使焊层热疲劳加速，产生严重的电迁移现象，导致激光二极管过早失效。

AuSn焊料属于硬焊料，金锡焊料有很多优良的性能，其抗疲劳、抗蠕变性能优异，屈服强度高，导热性能好，无需助焊剂，也不存在严重的电迁移现象，但延展性差，烧结过程会引入过大应力，因此对焊接工艺的要求更加严格。

三、DPC陶瓷基板在激光器封装中的应用

直接镀铜（Direct Plating Copper, DPC）工艺首先利用真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被复曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制作。

图 DPC工艺流程

基于DPC工艺制造半导体激光器用陶瓷热沉，对氮化铝、碳化硅、氧化铍、金刚石等陶瓷基材进行金属化后，在特定区域预制微米级金锡薄膜制成，是保证光电子器件长期可靠使用的关键技术。

图半导体激光器用预制金锡氮化铝基板，炬光科技

据 Emergent Research 的报告数据， 2021 年，全球半导体激光器市场规模达到 81.9 亿美元，预计 2022-2030 年期间收入年复合增长率为 6.7%。各种应用领域对半导体激光器的需求正不断攀升，半导体激光器的发展将推动DPC陶瓷基板市场的增长。

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资料来源：

1.808nm高功率半导体激光器封装技术研究，赵子涵；

2.高功率半导体激光器散热方法综述，刘瑞科等；

3.碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究，倪羽茜等；

4.高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究，倪羽茜等.

5.焊料体系对高功率半导体激光器性能的影响，房玉锁,等；

6.大功率半导体激光器封装热应力研究，袁庆贺,等；

推荐展会：第六届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会

同期举办：热管理材料展

2024年8月28日-30日

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一、精密陶瓷产业链：

1、陶瓷器件及材料：MLCC、LTCC、HTCC、微波介质陶瓷、压电陶瓷、钛酸钡、碳酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化锆、玻璃粉、氮化铝、LTCC介质陶瓷粉体、稀土氧化物、生瓷带等；

2、精密陶瓷：氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化钇、结构陶瓷、高温陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷轴承、陶瓷球、半导体陶瓷（搬运臂、陶瓷劈刀、静电卡盘、蚀刻环……）、3D打印陶瓷、燃料电池（SOFC）隔膜片、穿戴陶瓷、光纤陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

3、陶瓷基板及封装外壳：陶瓷封装外壳、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜电路板、厚膜电路板、陶瓷封装基座、热沉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍、莫来石粉体及基板等；

4、金属材料：银粉、金粉、铜粉、镍粉、焊料（焊片、焊膏）、MLCC用内/外电极浆料、LTCC银浆、金浆、钨钼浆料、铜浆、靶材、无氧铜带、可伐合金、金属冲压件等；

5、助剂：陶瓷和导电浆料用分散剂、黏合剂、增塑剂、絮凝剂、矿化剂、消泡剂、润滑剂、烧结助剂等；

6、设备：

Ceramic processing equipment: sand mill, ball mill, vacuum degassing machine, three-roller machine, spray granulator, dry press, cast film machine, injection molding machine, 3D printer, mold, drying equipment, grinder, engraving machine, cutting machine, laser equipment, punching machine, hole filling machine, screen printing machine, laminating machine, laminating machine, isostatic press, hot cutting machine, leveling machine, debinding furnace, sintering furnace, brazing equipment, electroplating equipment, chemical plating, silver spraying machine, silver immersion machine, silver end machine, vacuum coating equipment, developing equipment, film removal equipment, etching machine, wet process equipment, plasma cleaning, ultrasonic cleaning, automation equipment, peel strength tester, AOI testing equipment, marking machine;

Packaging and testing equipment: chip mounter, wire bonding machine, capping machine, parallel seam welding capping machine, rib cutting machine, soldering equipment, laser resistance trimming machine, network analyzer, thermal cycle test equipment, thickness gauge, helium leak detector, aging equipment, appearance inspection, ultrasonic scanning microscope, X-ray inspection, laser marking, sorting equipment, package taping machine, etc.

7、耗材：离型膜、载带（塑料和纸质）、耐火材料、承烧板/匣钵（氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等）、承烧网、发泡胶、研磨耗材（金刚石微粉、研磨液）、精密网版、清洗剂、电镀药水等。

二、热管理产业链：

1、热管理材料：氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯、石墨、碳纳米管、空心玻璃微珠、导热粉体、散热基板、热沉（钨铜、钼铜、氮化铝、金刚石等）、铝碳化硅AlSiC、相变材料、导热凝胶、导热界面材料、导热垫片、导热胶带、灌封胶、热管/均热板；

2、散热器件：半导体制冷片（TEC）、IGBT散热器（铜、铝）、大功率晶体管散热器、通信基站散热壳体、液态金属散热器、插针式散热器等;

3、设备：压延机、涂布机、分条机、模切机、复卷机、切片机，CNC设备、压铸/冲压设备、热分析仪器、激光导热仪、导热系数仪、强度试验机、检测设备、自动化等。

三、功率半导体器件封装产业链：

1、材料：碳化硅，陶瓷衬板（DBC、AMB）、封装管壳、键合丝、散热基板（铜、铝碳化硅AlSiC）、导热硅凝胶、环氧灌封胶、焊料（预制焊片）、银膜/银膏、散热器（铜、铝）、功率引出端子（铜端子）、外壳（工程塑料PPS、PBT、高温尼龙）、清洗剂等；

2、设备及配件：真空焊接炉、贴片机、固晶机、引线键合机、X-ray、推拉力测试机、等离子清洗设备、点胶机、丝网印刷机、超声波扫描设备、动静态测试机、点/灌胶机、银烧结设备、垂直固化炉、甲酸真空共晶炉、自动封盖设备、高速插针机、弯折设备、超声波焊接机、视觉检测设备、推拉力测试机、高低温冲击设备、功率循环测试设备、打标机、检验平台、治具等；