光电子器件系统封装

光电子器件系统封装是把光电子器件、电子元器件及功能应用原材料进行封装的一个系统集成过程。光电子器件封装在光通讯系统、数据中心、工业激光、民用光显示等领域应用广泛。主要可以分为如下几个级别的封装：芯片IC级封装、器件封装、模块封装、系统板级封装、子系统组装和系统集成。

1 光电子器件封装形式

光电子器件与一般的半导体器件不同，它除了含有电学部分外，还有光学准直机构，因此器其封装结构比较复杂，并且通常由一些不同得子部件构成。其子部件一般有两种结构，一种是激光二极管、光电探测器等部分都安装在密闭型得封装里面。根据其应用可以分为商业标准封装和客户要求的专有封装。其中商业标准封装可以分为同轴TO 封装，蝶形封装。

1.1  TO封装

同轴封装是指管体内的光学元件（激光器芯片、背光探测器）、透镜和外部连接的 光纤的光路在一同心轴线上。同轴封装器件内部的激光器芯片和背光探测器贴装在氮化铝热沉上，通过金线引线与外部电路实现导通，由于同轴封装仅存在一个透镜，相较于蝶形封装提高了耦合效率。

TO管壳所用材料主要为不锈钢或可伐合金。整个结构由底座、透镜、外部散热块等部位组成，结构上下同轴。通常，TO封装激光器的内部有激光器芯片（LD）、背光探测器芯片（PD）、L型支架等，若带内部温控系统如TEC则内部还需要热敏电阻和控制芯片等部位。图1.1为带透镜的TO激光器示意图

图1.1 带透镜的TO激光器

1.2  蝶形封装

由于外形像蝴蝶一样，所以这种封装形式被称为蝶形封装，如图 1.2 所示为蝶形封 装光器件的外形图。蝶形封装在高速率、长距离传输的光纤通信系统中技术应用的较为广泛。具有一些特点，如蝶形封装体内的空间大，易于半导体热电制冷器的贴装，实现对应的温控功能；相关的激光器芯片、透镜等元件易于在体内进行布局；管腿分布两侧，易于实现电路的连接；且结构方便进行测试与包装。壳体通常为长方体，结构及实现功能通常比较复杂，可以内置制冷器、热沉、陶瓷基块、芯片、热敏电阻、背光监控，并且可以支持所有以上部件的键合引线。壳体面积大，散热好。

图 1.2蝶形封装激光器

2光电子器件封装工艺

对半导体激光器芯片的封装对可靠性的要求可参考 MIL-STD-883，在封装过程中必须关注过度块、热沉、焊料、胶水等材料的热传导特性、热膨胀系数、材料的扩散以及响应的工艺特性。

热沉多选用铜、钨铜、硅、陶瓷、可伐或各种其他合成材料等。通常情况下，裸芯片通过焊接或者银胶粘结在陶瓷过度块上，过度块起到横向散热作用，避免发射器件局部温度升高。此外过度块的热膨胀系数介于芯片材料热沉之间，可以达到有效的热变形匹配。从而有效减小安装工艺过程中温度变化或者固化过程中产生的应力。陶瓷AlN具有良好的线膨胀匹配能力且导热良好，因此在实际生产中被广泛的应用。

器件的封装也可以分为封装设计和封装工艺。封装设计阶段需要根据使用的目标选择封装的结构，完成封装机械结构的设计，尽量选择现有的通用管壳。同时进行封装的设计仿真包括热仿真，应力仿真，射频仿真。再说合计阶段同时兼顾工艺的优化设计。如图表2.1

表2.1 光电芯片封装设计

完成了封装的设计进行封装的工艺验证与封装的实施。工艺流程如下表4.2

表2.2 光电子器件基本工艺