光電子器件系統封裝

光電子器件系統封裝

光電子器件系統封裝是把光電子器件、電子元器件及功能應用原材料進行封裝的一個系統集成過程。光電子器件封裝在光通訊系統、數據中心、工業激光、民用光顯示等領域應用廣泛。主要可以分為如下幾個級別的封裝：芯片IC級封裝、器件封裝、模塊封裝、系統板級封裝、子系統組裝和系統集成。

1 光電子器件封裝形式

光電子器件與一般的半導體器件不同，它除了含有電學部分外，還有光學準直機構，因此器其封裝結構比較復雜，并且通常由一些不同得子部件構成。其子部件一般有兩種結構，一種是激光二極管、光電探測器等部分都安裝在密閉型得封裝里面。根據其應用可以分為商業標準封裝和客戶要求的專有封裝。其中商業標準封裝可以分為同軸TO 封裝，蝶形封裝。

1.1? TO封裝

同軸封裝是指管體內的光學元件（激光器芯片、背光探測器）、透鏡和外部連接的 光纖的光路在一同心軸線上。同軸封裝器件內部的激光器芯片和背光探測器貼裝在氮化鋁熱沉上，通過金線引線與外部電路實現導通，由于同軸封裝僅存在一個透鏡，相較于蝶形封裝提高了耦合效率。

TO管殼所用材料主要為不銹鋼或可伐合金。整個結構由底座、透鏡、外部散熱塊等部位組成，結構上下同軸。通常，TO封裝激光器的內部有激光器芯片（LD）、背光探測器芯片（PD）、L型支架等，若帶內部溫控系統如TEC則內部還需要熱敏電阻和控制芯片等部位。圖1.1為帶透鏡的TO激光器示意圖

圖1.1 帶透鏡的TO激光器

1.2? 蝶形封裝

由于外形像蝴蝶一樣，所以這種封裝形式被稱為蝶形封裝，如圖 1.2 所示為蝶形封 裝光器件的外形圖。蝶形封裝在高速率、長距離傳輸的光纖通信系統中技術應用的較為廣泛。具有一些特點，如蝶形封裝體內的空間大，易于半導體熱電制冷器的貼裝，實現對應的溫控功能；相關的激光器芯片、透鏡等元件易于在體內進行布局；管腿分布兩側，易于實現電路的連接；且結構方便進行測試與包裝。殼體通常為長方體，結構及實現功能通常比較復雜，可以內置制冷器、熱沉、陶瓷基塊、芯片、熱敏電阻、背光監控，并且可以支持所有以上部件的鍵合引線。殼體面積大，散熱好。

圖 1.2蝶形封裝激光器

2光電子器件封裝工藝

對半導體激光器芯片的封裝對可靠性的要求可參考 MIL-STD-883，在封裝過程中必須關注過度塊、熱沉、焊料、膠水等材料的熱傳導特性、熱膨脹系數、材料的擴散以及響應的工藝特性。

熱沉多選用銅、鎢銅、硅、陶瓷、可伐或各種其他合成材料等。通常情況下，裸芯片通過焊接或者銀膠粘結在陶瓷過度塊上，過度塊起到橫向散熱作用，避免發射器件局部溫度升高。此外過度塊的熱膨脹系數介于芯片材料熱沉之間，可以達到有效的熱變形匹配。從而有效減小安裝工藝過程中溫度變化或者固化過程中產生的應力。陶瓷AlN具有良好的線膨脹匹配能力且導熱良好，因此在實際生產中被廣泛的應用。

器件的封裝也可以分為封裝設計和封裝工藝。封裝設計階段需要根據使用的目標選擇封裝的結構，完成封裝機械結構的設計，盡量選擇現有的通用管殼。同時進行封裝的設計仿真包括熱仿真，應力仿真，射頻仿真。再說合計階段同時兼顧工藝的優化設計。如圖表2.1

表2.1 光電芯片封裝設計

完成了封裝的設計進行封裝的工藝驗證與封裝的實施。工藝流程如下表4.2

表2.2 光電子器件基本工藝