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VCSEL激光器為什么要用DPC陶瓷基板

13 2023-03-17
DPC陶瓷基板
VCSEL在3D面部識(shí)別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、汽車艙內(nèi)傳感以及自動(dòng)駕駛汽車(如激光雷達(dá))和機(jī)器視覺等方面有著廣闊的應(yīng)用空間,發(fā)展迅速,也是DPC陶瓷基板的熱點(diǎn)應(yīng)用之一。


一、什么是VCSEL激光器?


VCSEL激光器是垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)的簡稱,是一種以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的激光二極管,從其頂面垂直發(fā)射高效光束。1977年,日本東京工業(yè)大學(xué)伊賀健一(Kenichi Iga)教授為首的研究小組首次提出制造垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的設(shè)想,并在1979 年首次實(shí)現(xiàn)了 77 K 溫度下可脈沖工作的 VCSEL 激光器。
VCSEL的結(jié)構(gòu)

如上圖所示,VCSEL 激光器主要由上下的分布布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector,DBR)、中心的發(fā)光區(qū)結(jié)構(gòu)組成形成。

VCSEL 的應(yīng)用

與其他類型的激光器相比,VCSEL具有多種優(yōu)點(diǎn),包括:

1.  易于制造和集成:VCSEL的制造過程相對(duì)簡單,可以用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝制造,而且可以與其他電子元件集成在一起,形成高度集成化的系統(tǒng)。
2.  高效率:VCSEL的電-光轉(zhuǎn)換效率高,能夠在低功率下實(shí)現(xiàn)高光輸出,比如用于光通信、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。
3.  高速度:VCSEL的速度可以達(dá)到數(shù)千兆比特每秒(Gbps),適用于高速數(shù)據(jù)傳輸。
4.  窄的光束:VCSEL的光束非常窄,能夠更好地聚焦和定位,適用于激光雷達(dá)、光通信等領(lǐng)域。
5.  長壽命:VCSEL的壽命長,能夠在長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的輸出。
6.  低成本:VCSEL的制造成本相對(duì)較低,可以大規(guī)模生產(chǎn),適用于大規(guī)模應(yīng)用。

VCSEL在制造成本、功率轉(zhuǎn)換效率、速度、集成度等方面都具有優(yōu)勢(shì),因此在光通信、光存儲(chǔ)、激光雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)Yole研究數(shù)據(jù),全球VCSEL市場將從2021年的12億美元增長到2026年的24億美元,期間復(fù)合年增長率為13.6%。

全球VCSEL市場

二、VCSEL為何要用DPC基板


DPC陶瓷基板具備了高導(dǎo)熱、高絕緣、高線路精準(zhǔn)度、高表面平整度及熱膨脹系數(shù)與芯片匹配、可垂直互連等諸多特性,極大滿足了VCSEL的封裝要求,在VCSEL的應(yīng)用方面具有廣泛的前景。

1.散熱性好


VCSEL的芯片轉(zhuǎn)化效率低導(dǎo)致其存在嚴(yán)重散熱問題,DPC基板垂直互連,形成內(nèi)部獨(dú)立的導(dǎo)電通道,陶瓷本身既是絕緣體,又能散熱,實(shí)現(xiàn)熱電分離。

2.可靠性高

VCSEL芯片功率密度很高,需要考慮芯片和基板熱膨脹失配導(dǎo)致的應(yīng)力問題,而陶瓷基板具有與VCSEL高匹配的熱膨脹系數(shù)。此外DPC陶瓷基板可實(shí)現(xiàn)金屬邊框與陶瓷基板的一體成型,緊密結(jié)合,避免了后期組裝過程中額外的粘貼工序、配位精度等問題,以及膠水老化帶來的可靠性問題。

3.垂直互連

VCSEL封裝需要把透鏡架設(shè)到芯片上方,即基板是需要做成三維腔室,DPC基板具有高可靠垂直互連的優(yōu)勢(shì)適用于垂直共晶焊接。


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