TO封装半导体激光器的结构设计

1、TO封装半导体激光器结构设计摘要TO封装技术,其实就是指Transistor Outline 或者Through-hole封装技术,也就是全封闭式封装技术。是现在在应用中上比较常用的微电子器件的封装方式。TO封装的相对于其他的封装技术,他的长处在于在于寄生参数比较小,而且成本很低,工艺也相对来说简单,使用起来更加的灵活方便,所以这种封装器经常用于低频率以下LD,还有LED以及光接收器件和组件的封装。而且其内部容量很小,只有四根引线,是不能安装半导体致冷器的。这些年来,随着激光器阈值的降低,对于许多的类似迎用,例如短距离通信以及背板之间的连接,以致冷TO封装激光器获得了及其全面的应用。在封装成本

2、上拥有着极大优势的由于TO封装,以及人们对封装技术的大量研究,TO封装激光器的速率已经高达10Gb/s,近年来高速TO形式封装激光器越来越受到人们的青睐。在TO 封装半导体激光器中，采用高热导率过渡热沉与热沉组合的结构，可有效增强 TO 封装半导体激光器的散热特性，尤其是采用双 热沉结构，更可将激光器芯片工作产生的热量通过 N 边和 P 边同时导向基座，进而更为有效 地增强 TO 封装的半导体激光器的散热能力，大幅度地去降低激光器有源区的节温，尽量减小激光器的热阻，从而延长半导体激光器的使用寿命。 关键词：TO封装 ，半导体激光器 ，光电子器件The Structure Design of T

3、O Packaging the Semiconductor LaserABSTRACTTO packaging technology, is refers TO the Transistor Outline or Through - hole encapsulation technology, which is fully enclosed packaging technology. Is now in the application of microelectronic devices that are widely used in the packaging. TO encapsulate

4、 the relative TO other packaging technology, his strength is that lies in the parasitic parameters are small, and the cost is low, technology is relatively simple, use rise more convenient, so this wrapper is often used for low frequency under the LD, and leds and the light receiving device and comp

5、onent encapsulation. And its internal capacity is very small, only four lead, can't be installed semiconductor refrigerator. Over the years, with the reduction of laser threshold for many similar applications, such as the short distance communication and the connection between the back, with out

6、 cooling TO encapsulate laser and its comprehensive application. Has a great advantage in packaging costs due TO packaging, as well as a number of studies of encapsulation technology people, TO encapsulate laser rate is as high as 10 gb/s, in recent years high speed TO form enclosed laser more and m

7、ore get the favour of people.In TO encapsulate semiconductor lasers, transitional heat sink with high heat conductivity and heat sink combination structure, which can effectively enhance the TO encapsulate the cooling characteristics of semiconductor laser, especially with double heat sink structure

8、, but also will work the heat generated by the laser chip by N and P while at the same time guide base, thus more effectively enhance the TO encapsulate semiconductor laser cooling capacity, significantly reduce the laser active OuDeJie temperature, reduce the laser thermal resistance, extend the se

9、rvice life of semiconductor laser. Key words: TO packaging ， Semiconductor laser， Optoelectronic devices目 录第一章 发展状况及意义11.1器件封装设计的重要性21.2半导体激光器61.3封装技术71.4中国封装技术与外国封装技术的比较81.5半导体封装技术91.5.1半导体封装91.5.2 CPU封装101.5.3 封装时主要考虑的因素101.6研究意义11第二章 理论研究112.1常用参数112.2主要的研究对象及功能122.3背景技术12第三章 设计143.1参数设计143.1.1光学

10、参数设计143.1.2电学参数设计153.1.3极限值设计163.2 TO封装半导体激光器结构设计163.2.1组成部分设计173.2.2部分组成材料设计173.3封装方法设计183.4 TO封装半导体激光器制作工艺步骤设计20第四章 与同类比较级用途前景214.1优点214.2用途21第五章 总结与展望22参考文献23致谢25第一章 发展状况及意义TO封装技术，其实就是指Transistor Outline 或者Through-hole封装技术，也就是全封闭式封装技术。是现在在应用中上比较常用的微电子器件的封装方式。TO封装的相对于其他的封装技术，他的长处在于在于寄生参数比较小，而且成本很低

11、，工艺也相对来说简单，使用起来更加的灵活方便，所以这种封装器经常用于低频率以下LD，还有LED以及光接收器件和组件的封装。而且其内部容量很小，只有四根引线，是不能安装半导体致冷器的。这些年来，随着激光器阈值的降低1，对于许多的类似应用，例如短距离通信以及背板之间的连接，以致冷TO封装激光器获得了及其全面的应用。在封装成本上拥有着极大优势的由于TO封装，以及人们对封装技术的大量研究，TO封装激光器的速率已经高达10Gb/s，近年来高速TO形式封装激光器越来越受到人们的青睐。“封装”一词随着集成电路芯片制造技术的快速发展而出现。半个世纪前，当晶体管问世，以及后来集成电路芯片的诞生，改变了微电子器件

12、的发展史。由于这些微电子元器件很小且容易碎;但同时他的高性能，和大量的优势，所以为了充分利用半导体元器件的强大功能，我们需要对他补强、密封和大力发展，为了预防因为外力因素或环境影响而导致的破坏，我们需要去研究出与外电路可靠安全的电气连接方式，并且得到有效地机械及绝缘等方面的电气保护。2“封装”的概念正是在这种情况下被提出的的。从狭义概念的来说，利用膜技术和微细加工的技术，将芯片及其他的电子器件在框架或电路板上进行布置，然后粘贴固定他们以及相互连接，从而将接线端子引出，并且利用可塑性绝缘介质的灌封固定，将整个集成电路构成整体的、立体结构的技术，就是封装。从广义概念来讲，“封装”是指整个大型的封装

13、工程，也就是将基板与封装体相连接固定，从而装配成一个完整的封装系统，并且可以确保整个封装系统综合性能的工程。而“狭义”和“广义”的含义相对理解，就构成了整个全面的封装的概念。1.1器件封装设计的重要性 当下，电子通讯和上网冲浪已经成为我们生活和工作中难以缺少的一部分，人们可以通过电子邮件、电话、电视等进行信息交流呵数据传送，在互联网上查询资料和进行其他生活方面的事情。随着快速发展的通信技术，高速光电子器件也被大力发展，用于大容量高速率通信的半导体光电子器件主要就有激光器、光调制器、光探测器等。现在，光电子器件的响应速度已经成为大容量、宽带光网络的瓶颈，迫切需要研究半导体光电子器件的测试分析方法

14、和封装方法和封装设计。光电子器件的主要应用领域是光纤通信。在20世纪90年度初期，光纤通信技术的主要用途仍然是电话、传真等。那时人们对通信容量的技术要求并不高，上百兆速率的网络已经是宽带网了。对于这样低速率的光电子器件，借助微电子器件发展起来的封装技术，不难解决光电子器件的封装设计问题。因此，人们将研究重点主要放在光电子芯片的研制和生产上。随着光电子器件速率的不断提高，普通的微电子器件的封装技术早就难以满足光电子器件快速发展的要求，于是工程师开始借鉴微波器件的封装技术。高速光电子器件经历了与微电子非常类似的发展历程：从TO封装二极管、蝶形封装到BGA封装的集成芯片，到现在所有的光电子器件封装形

15、式都有微电子封装的影子。在过去很长的一段时间里，大家普遍认为提高光电子器件频率响应特性的关键在于芯片的设计与制作，封装设计并不重要。正是因为有微电子器件的封装技术可以借用，长期以来，光电子器件的封装设计没有受到足够的重视。其实，国外早就开始注重器件的封装设计，IEEE协会有封装方面专业委员会和学报。器件封装是实现高频性能的最后一步，也是关键一步。失败的封装设计将导致器件器件高频相应特性大大下降，使得芯片研制的努力白费。为了提高电子元器件的整体性能，应该将器件的封装设计也一并视为整个器件设计的一部分，从芯片刚开始设计的时候，就应当提前去考虑整个器件将会遇到的的封装问题。比如芯片上面金丝引线的长度

16、，并非随意而为之，它是由电极焊盘所处的位置去决定的，焊接技术以及焊接设备决定着电极焊盘的大小，电极焊盘的位置和大小选择应该随着封装设计一起考虑。封装设计设计的好能够充分体现出光电子芯片的性能，最大程度降低封装寄生参数，这是封装设计追求的最终目标3。图1.1TO 封装半导体激光器Fig1.1 TO packaging the semiconductor laser图1.2 TO封装半导体激光器Fig1.2 TO packaging the semiconductor laser （a）插拔式 （b）窗口式 （c）带尾纤式图1.3 TO的外部连接方式Fig1.3 TO the outside of

17、 the connection图1.4 激光器 图1.5 半导体激光器Fig 1.4 Laser Fig 1.5Semiconductor laser1.2半导体激光器半导体物理学的迅速发展，以及后来被发明出来的晶体管，使很多电子方面的科学家们早在六十前就决定发明出可利用的半导体激光器，上世纪的六十年代初，很多国家的科学小组实验室就已经在进行半导体激光器方面的研究工作。， 尼古拉·巴索夫教授，这位来自苏俄列别捷夫物理研究所的教授，在理论分析这方面的工作是最为著名的。在上世纪年代，来自麻省理工学院林肯实验室的两名教授，克耶斯先生（Keyes）和和奎斯特先生（Quist），在“固体器件研

18、究国际会议”上，首次提出了砷化镓材料所发生的光发射这一有趣现象，这次发言极大引起了来自美国的通用电气研究实验室工程师-哈尔博士（Hall）的兴趣，开完会议以后，归途中的他的火车上写下有关数据。等到家时，哈尔先生已经制定好了研制半导体激光器计划，并邀请其他同事，奋斗数周，获得他们计划中成功。早期的激光二极管是有着有很多实际限制的，譬如，只能在77K低温环境下，以微秒脉冲工作，又经历数年，可以在室温下正常工作的连续器件，才由贝尔实验室圣彼得堡约飞物理研究所制造出来。然而一直等到70年代中期，足够可靠的半导体激光器才出现。半导体激光器体积最小的只有米粒大小。依赖于不同种类激光材料的所产生的工作波长，

19、一般从0.6微米到1.55微米不等，接下来由于更多的应用需求，更短波长的器件的发展着从来没有停下过脚步。据闻，利用二三四价元素的产生的化合物，在低温环境下甚至都可以得到越0.46微米的输出(如依靠ZnSe为工作物质的半导体激光器)，而10毫瓦以上的输出功率也被波长0.50微米至0.51微米不等的室温连续器件所实现。虽然至今为之，商业化的实现依旧很困难，但未来一定可以大批量的生产运用于我们的生活当中。半导体激光最为重要的应用领域就是光纤通信，一边是世界大范围的长距离海底光纤，一边则有着各种地区网络。地区网络则保函高速的计算机网、卫生通讯网络、航空航天电子系统、高清闭路电视网络等。但就现在而言，仍

20、是这类器件的最大销售市场。其他的应用包括自由空间光通信、激光指示、高速打印、固体激光泵浦源、及医疗应用等。图1.6半导体激光器Fig 1.6 Semiconductor laser同质结型激光器，是来源于上个世纪六十年代初期的半导体激光器类型，其原理，是利用一种半导体材料上所制作形成的结二极管，在正向大电流注人的情况下，空穴则会不断地向区被注人，而电子也会同时源源不断地向区注人。以这样的工作方式，载流子分布情况的反转，在之前的那个PN结耗尽区内被成功实现了，因为空穴的的迁移速度没有电子的迁移速度那么快，再这样的情况下，有源区发生了辐射以及复合现象，从而发射会出来荧光，进而在特定的情况下发生激光

21、，这种半导体激光器就只能以脉冲形式去工作。异质结构半导体激光器的发展，就是半导体激光器第二阶段的发展史，如，由2种不同带隙的半导体材料薄层所组成的半导体激光器材料，GaAs和GaAlAs，于是最早出现了单异质结构激光器。而单异质结注人型激光器（SHLD）的工作原理，其实就是利用由异质结所提供的势垒，使得注入电子，被牢牢的限制在GaAs P一N结的P区以内，进而使降低阀值电流的密度降低。虽然单异质结注人型激光器，他的的数值相比于同质结激光器的数值，已经降低了整整一个数量级，但是在室温下正常工作，对于单异质结激光器来说，依旧难以实现。上世纪七十年代，终于实现可以在室温下连续工作的激光器，那就双异质

22、结GaAs-GaAlAs（砷化镓镓铝砷）激光器。他的诞生不断的在拓宽可用波段，而调谐性能以及线宽也被大幅度的提高。而在半导体激光器件里面，被广泛应用着的，就死是拥有有双异质结构、成熟、高性能、并电注人式GaAs的二极管激光器。 “如果把超薄膜的半导体层去作为半导体激光器的激括层，从而产生量子效应的话，会有怎样的结果?” 随着半导体激光器的研究发展，科学家们开始思考这个问题。加之因为MBE、MOCVD等技术的快速发展。从而，在上世纪80年度产生了世界上第一个半导体量子阱激光器，半导体激光器的各种性能由此而得到大幅度的提升。此后，因为已经成熟的MOCVD,MBE技术，可以造出更高质量、超精细的薄层

23、材料，由此，性能更加精良的量子阱激光器被开发出来，而阑值电流变得更加低、输出功率变的更加高，频率响应更加的好，光谱线窄以及温度稳定性更高便是他的优点。半导体激光器开始向着不同方向的发展，始于在上世纪七十年代末，这两个方向，分别是信息型激光器-以传递信息为存在目的，以及另一类功率型激光器-以提高光功率为存在目的。受到泵浦固体激光器等其他应用的大力推动，高功率半导体激光，于上个世纪九十年代取得了突破性发展，半导体激光器的输出功率显著增加便是证明，但与此同时，在国内样品器件输出才仅仅达到六百瓦的情况下，对于外国某些国家来说，千瓦级并且高功率的半导体激光器，早就都已经被商品化。同晶体二极管一致，半导体

24、激光器的基础原理，也是材料的PN结特性，而且两者的外观及其类似，所以，通常情况下，二极管激光器（或者激光二极管）便成为半导体激光器的另一个别名。由于物质结构上的不同，比较特殊的是某些物质激光，他们产生的具体过程。常用的化学物质有砷化镓、硫化镉、磷化铟以及硫化锌等。电子束激励，光泵浦以及电注入这三种形式，就是他的激励方式。半导体激光器件的种类，从另一角度来说，也可分为双异质结、同质结以及单异质结这三种几种。相比较与同质结激光器以及单异质结激光器，会得出结论，那就是他们在室温时只能是脉冲器件，而在室温时就可以可实现连续工作状态的，则是双异质结激光器。半导体激光器是最实用以及重要的激光器。它轻小的体

25、积、长时间的寿命，并且可以辅助其工作电流与电压，仅仅是通过及其简单的注入电流这样方式来经行。由于与集成电路可以同时兼容，因此他的另一特点，便是可以经行单片集成。并且还可以使用极高Hz的频率，进行电流调制，从而得到高速调制的激光输出。因为存在这些优点，所以半导体激光器其广泛的应用在很多领域，包括激光通信、光陀螺、光存储、激光打印、测量以及勘测雷达等等多种科学领域与技术方面。为了适应EDFL以及EDFA等产品的技术需要，所以大功率LD也被很大程度的发展起来。同时使用了以光纤Bragg光栅材料，作选频滤波，进而大幅改善了其输出稳定性，同时也极大地提高了泵浦效率。半导体激光器，作为已经发展成熟，并且进

26、展快的激光器类型，因为快范围的波长，简单的制作工艺、低廉的成本、可大量生产，加之袖珍的体积、轻巧的重量、长久的寿命，被快速的发展，应用于各个范围范围，已超过三百种。而对于半导体激光器来说，Gb局域网，依旧是她最主要的技术应用领域。半导体激光器应用之广泛，已覆盖了整个光电子学的领域，早已成为先今光电子科学领域不折不扣的核心技术。而半导体激光器在合成孔径雷达、警戒、激光模拟武器、激光测距、制导跟踪、自动化控制、引燃引爆、仪器检测等方面也获得了及其广泛的应用，开创了极为广阔的市场前景。上世纪八十年代，半导体激光器又开始积极的活跃于光纤通信系统这一方面，半导体激光器甚至都可以作为光纤通信的指示器、光源

27、，以及通过大规模集成电路的工艺来形成光电子系统。由于半导体激光器的优异特点：袖珍型、高效率，所以半导体激光器的发展轨迹，一开始就已经注定，应该去和光通信技术紧紧的联系在一起，由此产生的用途：在光通信、光互联、光变换、并行光波系统以及光信息处理和光储存，甚至计算机外部设备的光合等方面都有重要用途。所以说，半导体激光器的产生，极有效地推动了光电子技术革命的发展，直到今天，光通信领域中发展的最快、最为重要的激光光纤通信的光源，仍然是半导体激光器。半导体激光器和低损耗的光纤的联合，在光纤通信这一领域，产生了及其重大的影响，并加快了它的发展。所以可以说，若无半导体激光器的，就无当今世界的光通信。1.3封

28、装技术“封装”一词随着集成电路芯片制造技术的快速发展而出现。半个世纪前，当晶体管问世，以及后来集成电路芯片的诞生，改变了微电子器件的发展史。由于这些微电子元器件很小且容易碎;但同时他的高性能，和大量的优势，所以为了充分利用半导体元器件的强大功能，我们需要对他补强、密封和大力发展，为了预防因为外力因素或环境影响而导致的破坏，我们需要去研究出与外电路可靠安全的电气连接方式，并且得到有效地机械及绝缘等方面的电气保护。“封装”的概念正是在这种情况下被提出的的。从狭义概念的来说，利用膜技术和微细加工的技术，将芯片及其他的电子器件在框架或电路板上进行布置，然后粘贴固定他们以及相互连接，从而将接线端子引出，

29、并且利用可塑性绝缘介质的灌封固定，将整个集成电路构成整体的、立体结构的技术，就是封装。从广义概念来讲，“封装”是指整个大型的封装工程，也就是将基板与封装体相连接固定，从而装配成一个完整的封装系统，并且可以确保整个封装系统综合性能的工程。而“狭义”和“广义”的含义相对理解，就构成了整个全面的封装的概念。所谓的“封装技术”，其实是一种利用用陶瓷材料或绝缘塑料，将集成电路中的电子元件打包的技术。我们以CPU为例，我们在生活中看到的的体积以及外观并，其实不是真正的CPU样子，而是经过陶瓷材料或者绝缘塑料封装后的高一级产品。对于CPU芯片等电子元件来讲，封装技术封装是必须的，也相当的紧要。为防止空气中水

30、蒸气以及其他的杂质对芯片电路进行破坏性的腐蚀，而造成电子元件性能的下降，我们必须将其隔离起来。同时，经过封装后的芯片，相比较不封装的芯片来说，要更加的便于安装与运输。而且封装技术的优劣，不单单会影响到芯片元件自身性能的发挥，甚至还会影响与之相连接的电子器件的设计和制造，所以它的重要程度，可想而知。半导体集成电路芯片的封装，形象的说，可以是给他穿了一个外壳，这个外壳使得被封装的电子元件更加的方便安放、密封、保护、和固定以及对导热性能的增强，同时封装还是一座桥梁，一座连接芯片内部器件和外部电路芯片上的接点的桥梁，导线的作用是被连接到封装器件外壳的引脚，经过印刷电路板，引脚又与其他导线与其他的电子器

31、件建立了关系。所以，相对于很多的集成电路产品来说，封装技术都是极其重要的一环。现在我们所采用常规的CPU封装，是CPU内部被有绝缘效果的塑料材料或者陶瓷材料所封装起来，用以CPU的密封，以及芯片电热性能的提高。而伴随着当今处理器芯片越来越高的内频，越来越强大的功能，越来越多引脚数，被封装器件的形态也随之不断的在改变。封装的主要作用有：(1)物理保护。为避免空气中的杂质和水蒸气对芯片电路进行腐蚀性破坏，从而造成电子元件电气性能的下降，电子元件的封装，必不可少。保护芯片连接引线等，使比较脆弱易损坏的芯片元件避免受外力的损害，以及外部环境的影响，封装，必不可少；同样，利用封装技术使芯片和框架以及配套

32、基板的热膨胀系数相匹配，由此也可缓解因为外部环境（如温差）的变化过大而产生的表面张力，以及由于芯片自身工作释放能量而产生的张力，由此可以很大程度的防止芯片的损坏。同时由于散热的要求，封装当然是越薄越好（并非所有情况下封装越薄越好，此处为散热需要，并非指任何情况，例如从芯片的保护方面来讲，封装厚一点，能起到更好的保护作用），当芯片产生的功耗>2W时，我们可以利用在封装上增加散热片（或者热沉片），来增强电子元件的散热（冷却）功能；相反，当处于51OW情况时，有必要去采取强制冷却的措施。(2)电气连接。封装的尺寸调整功能，可以通过芯片的引线间距，来调整到实际所需要基板的大小以及两者间的间距，由

33、此更加方便操作。器件的封装在这里面起到巨大的变化作用：那就是由困难到容易易、由微小到庞大、由繁复到简洁，进而可降低工程的操作费用和材料费用，提高工程工作效率以及器件的可靠性，尤其通过实现布线长度还有阻抗配比，尽量地去降低连接电阻、电感和寄生电阻来保证高效的信号波形以及传输速度。(3)标准规格化。指封装的形态、大小、引脚的数量、引线长度、器件的间距等，有着严格的统一标准，这样一来，电子器件便于加工，同时和印刷电路板相互配合也更加默契，现在，相关领域企业单位的生产设备，生产线都具有产品通用性。对于封装客户、半导体制造业、电路板制造企业来说，给予了很大程度的方便，并且便于标准化。另一方面，裸芯片的实

34、装以及倒装就目前来看，还不具备这方面的优势。因为组装技术的好坏，不仅仅影响到芯片自身性能的发挥，同时也影响其所连接的电路板的设计、生产和制造，所以相对于很多的集成电路电子产品来说，元件的组装，都是极为关键的一个步骤。1.4中国封装技术与外国封装技术的比较当前，中国封装技术人才极度短缺，缺少制程式改善工具的培训，还有正规业务培训经费及方法的缺乏。我们的封装设备相对于国外技术太过落后，封装材料以及整个封装产业链都比不了人家，所生产的产品也存在质量不稳定的问题。对我们来说，封装技术研发能力的不足，生产工艺程序设计的不周全，可操作性能糟糕，执行能力很弱。我们缺少对封装设备经行维护保养的意识与能力，有经

35、验的设备维修工程师很少，并且可以经行封装实验的设备不齐全，封装测试及失效分析的能力不够。现在国内封装企业除极个别企业外，剩下的企业普遍规模比较小，从事低端末尾产品生产的居多，可持续发展能力差，极度缺乏向更高档方向发展的技术和资金。同时也缺少缺乏流程整合、持续改善、精细管理和团队精神，更是缺少现代化企业管理的制度和理念。但是，近几年国内封装测试业发展的速度同时也成为亮点。在二零零三年，我国IC封装测试企业实现了高达亿的销售收入，同比前一年增长百分之二十三点三，也就是说百分之七十的IC产业链销售收入已被收入囊中，成为高新技术经济的新亮点，成为整个微电子行业强有力的黑马。产能上的迅速提升，极大满足了

36、广阔市场的需求，譬如长电科技股份、安靠等公司，都在这一年企业的产量销售上，取得了优异的成绩。二零零四年的整个封装相关行业，他的发展任然处于一种高速的状态。经过对资料的调查与分析我们可以看出，很多的封装相关企业企业，大量地涌现，他们生机勃勃，对封装行业充满信心。当前，我国已经有一般八十多家半导体封装测试的企业，主要集中在我国沿海经济发展强的地区。早在十年前，我国已经占领了三分之一的全球封装领域市场，当时就有报告称，虽然目前的中国封装器件市场，仍是以日企为代表的国外厂商实力最为强盛，但是国内相关厂商正快速的发展也同样不容小觑，正在全力迎头赶上。其中，长电科技，作为我国半导体封装行业中唯一的一家上市

37、企业，更是首次进入封装市场前十五大供应商名列之中。二零零三年我国内封装器件市场的更是规模达7.55亿元，同比去年增长超过70%，是当之无愧成长最快的企业。另外，比如中外合资企业南通富士通公司、安盛公司、三星电子公司、无锡华润、天水华天公司、瑞萨苏州公司等在未来市场都有了长足的发展。而据我推测，封装半导体行业，在未来三年之中，仍然会在中国，在整个半导体产业链之中，继续占据着着主导地位，这是外资投向中国快速转移时最优先考虑的，同时也是最与国际先进高技术水平接轨，并且是整个半导体产业链中最具规模和最容易发展的一个行业。现如今，全世界正在迎来一个以电子计算机器件为主的电子信息技术时代，所以，随着它的发

38、展，我们将越来越要求电子产品具有新能高、功能多、可靠性强、小型化、便携化以及大众化还有普及所要求的成本低廉等特点。在这种情况下，必然去要求将来的微电子封装技术要越来越好、越来越轻、越来越薄、封装密度更大、更强的电性能，更可靠的安全性，更高的性价比。1.5半导体封装技术1.5.1半导体封装半导体激光器的封装技术，发展与演变而来源于分立器件封装技术，但又不尽相同。一般情况下，管芯都是被封在封装体以内分立电子器件的最明显特征，这种封装几号的保护了管芯，同时保证了完成电气互连的成功性。然而半导体激光器的封装的作用，则是为了保证输出电信号的完成，以及对管芯正常工作的保证，由于既有电学参数的技术要求，又有

39、光学参数的技术要求，所以我们没有办法简单粗鲁的将分立器件的封装技术及工艺直接用于半导体激光器的封装身上。对于半导体器件的封装形式，按封装的外观不同、尺寸不同、结构分类不同等可以将其分为三类：即引脚插入型封装形式、表面贴装型封装形式以及高级封装形式。随着技术指标一代代的先进发展，我们经历了先DIP，再SOP，后QFP，次PGA，其次BGA，再到CSP最终到现在的SIP。总而言之，半导体封装的发展，经历了三次巨大的技术革新：第一次是在二十世纪八十年代，我们经历了从引脚插入式封装技术发展到表面贴片封装技术的历程，这极大地促进了印刷电路板上的器件组装密度；第二次是在二十世纪九十年代，为了改善了半导体器

40、件的性能，科研人员研究出球型矩阵封装技术，这项技术极大地满足了高效率的封装市场；第三次革新，就是现在，我们为了将封装面积尽可能的减到最小，从而发展出的极高精度的芯片级封装技术与系统封装技术等。所谓的“封装技术”，其实是一种利用用陶瓷材料或绝缘塑料，将集成电路中的电子元件打包的技术。同时封装还是一座桥梁，一座连接芯片内部器件和外部电路芯片上的接点的桥梁，导线的作用是被连接到封装器件外壳的引脚，经过印刷电路板，引脚又与其他导线与其他的电子器件建立了关系。所以，相对于很多的集成电路产品来说，封装技术都是极其重要的一环；随着技术指标一代代的先进发展，我们经历了先DIP，再SOP，后QFP，次PGA，其

41、次BGA，再到CSP最终到现在的SIP；随着芯片的面积和封装面积之比越来越接近于一致，他的适用的频率也越来越广泛，他的耐温性能也越来越强大，越来越多得引脚数，越来越小引脚间距，越来越小的重量，逐渐提高的可靠性，更加方便的使用方法等等。1.5.2 CPU封装TO封装属于CPU封装，若要了解TO封装，需先了解CPU封装。所谓的“封装技术”，其实是一种利用用陶瓷材料或绝缘塑料，将集成电路中的电子元件打包的技术。我们以CPU为例，我们在生活中看到的的体积以及外观并，其实不是真正的CPU样子，而是CPU电子元件经过绝缘陶瓷材料或绝缘塑料材料封装后的产物。为防止空气中水蒸气以及其他的杂质对芯片电路进行破坏

42、性的腐蚀，而造成电子元件性能的下降，我们必须将其隔离起来。同时，经过封装后的芯片，相比较不封装的芯片来说，要更加的便于安装与运输。而且封装技术的优劣，不单单会影响到芯片元件自身性能的发挥，甚至还会影响与之相连接的电子器件的设计和制造，所以它的重要程度，可想而知。1.5.3封装时主要考虑的因素1.芯片面积与封装面积之比尽量为一，以便提高封装工作效率；2.尽量减短引脚以减少延迟，但是引脚之间的距离要尽可能的远，用来保证引脚见互不干扰，；3.基于对器件散热的要求，封装能越薄越好4.CPU作为计算机内部的重要组成部分，其性能的好坏将会直接影响整个计算机的整体性能。所以CPU的封装对于计算机的生产环节来

43、说，极为重要。1.6研究意义 光纤通信技术的高速发展不断地对光电子器件的性能提出更高的要求，长久以来利用微电子封装技术来封装光电子器件的方法以逐渐失去效用，高性能的光电子器件的封装技术成为近几年国内外发展的重点，目前的封装技术也有待于进一步的提高。本课题旨在设计一种高性能的半导体激光器模块化封装结构，包括透镜耦合输出、电驱动等（电路部分不包括在内），以降低噪声，提高稳定性。本设计的目的同时也在于提供一种半导体激光器 TO 封装结构，其能有效增强 TO 封 装半导体激光器的散热能力，从而克服现有的半导体激光器 TO 管座封装形式散热不足、激光器稳定性较差等问题。第二章 理论研究2.1常用参数当我

44、们在经行一个设计之前，例如TO封装半导体激光器，在考虑其我们眼睛能看到的最直观的几何参数的时候，往往其他的一些事情也必须要考虑紧进去。如阈值电流，当我们将较低的电流注入结的时候，只会产生自发辐射，增益随着电流的增加而增加，结在达阈值电流时便会产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗比较小，我们如果去增大反射率，阈值就低。（3）由于半导体材料的结型，异质半导体激光器的结阈值电流的大小，远远要低于同质结。（4）温度越高的话，阈值就越高。 在考虑完阀值电流之后，我们还得去考虑半导体激光器中的激光方向性，因为半导体激光器较短小的谐振腔,较差劲的激光方向性等特

45、点,在PN结的垂直平面内,发散角最大时可达二十度到三十度;在PN结的水平面内约为十度左右。因为各种工作中产生的的损耗，目前所有的双异质结器件量子效率，在室温时最高只有百分之十，并且只有在低温环境下才可以达到百分之三十到百分之四十。而同样的，在一个光学的电子元件之中，必须不能不去提前了解并去考虑的东西，还有光谱宽度，因为半导体材料拥有极其特殊的电子结构，受激复合辐射发生在能带之间，所以激光线宽比较宽，而GaAs激光器，由于室温下谱线宽度约为几纳米，所以可见其单色性较差。所以我们为了能够方便激光的观察以及输出，GaAs激光器也是一个很不错的选择。在一般而言，普通半导体激光器工作温度常常是低于室温的

46、，10摄氏度至20摄氏度左右，但是电子元器件在工作条件下，由于其产生的功耗会产生热量，从而掉地TO封装半导体激光器寄生参数的增大，这是非常不好的，因为就整个系统来讲，我们所需要的寄生参数当然是越低越好，一个半导体激光器温度太高，会使得稳定性降低，对整个电路板系统都会产生损害。所以，对于温度的考虑，是这个半导体激光器设计完成最为核心的东西20。我们以下公式（2.1）来研究这个参数。 （2.1）在这其中，Ith温度为T时的阈值电流，I0代表了一个常数，T是指结区的绝对温度T0LD的特征温度，与电子器件的结构还有材料等有关。对于GaAs/GaALAs-LDT0=100150K；InGaAsP/InP

47、-LD T0=4070K。 在得知大概的温度系数之后，我们就可以去考虑对于完成它各个部件的组成，以及该组件所用的材料，常规来讲，为了达到适合的导电性和光的导透性，半导体激光器材料主要选取-族化合物（二元、三元或四元），大多为直接带隙材料，发光器件的覆盖波长范围从0.4m到10m。GaAlAs/GaAs是应用最普通的双异质结材料；与InP衬底匹配的GaInAsP四元合金用于1.31m和1.55m光电子器件最广泛。常见的材料参数为：禁带宽度、晶格常数、相对介电常数。由于太过复杂以及所学知识的局限性，此部分仅仅提一下，并不做深刻研究。该设计涉及的范围有：半导体激光器的封装技术，尤其涉及半导体激光器

48、TO 封装结构及方法，适于 GaAs 基、InP 基、GaN 基和 ZnO 基半导体激光器的 TO 封装。设计整个半导体激光器的几何结构，从双热沉这一特点，可以说，涉及了微电子温控领域。2.2 主要的研究对象及功能除了上面我们所看见的一些普通参数，另有一些参数，是在我的设计当中，会有可能完全或者部分用到的需要考虑的东西，也需要提前研究。例如，载体除了导热功能外，还需在表面上制作电路结构。而金丝功能是与外部电路进行电连接，为降低电感，越短越好。传输线相比金丝具有反射小、损耗低和可靠性高的优势，用于封装中较长距离的电连接，管壳内部和外部过渡部分同样是一段传输线连接。匹配电路是针对特定芯片的性能进行

49、灵活设计的，有多重方案。偏置网络的核心部件是电感器，为激光器芯片提供直流偏置，隔绝外部高频噪声的进入和内部交流信号的外泄。2.3背景技术半导体激光器由于制作简单，轻巧的体积与重量，长时间的工作寿命，高效率效率等，在光通信、光泵 浦、光存储和激光显示等领域得到广泛应用。而目前半导体激光器的输出功率偏小，限制了 半导体激光器的应用，因此，业界一直致力于提高半导体激光器的输出功率。目前大功率半 导体激光器面临的主要问题是大电流注入下激光器温度太高，导致半导体激光器的退化严 重，严重影响了半导体激光器的稳定性和工作寿命。因此，如何有效地把激光器中的热量传 导出去成为了半导体激光器封装中的技术难点。目前

50、的半导体激光器，一般采用的就利用TO 管座进行封装，传统的 TO 管座，由管壳，管舌，管 脚组成。管舌的形状一般为六棱柱，通常设在管壳的上面，管舌上粘结芯片，在管舌上封装封帽。这种 封装形式只能通过 TO 管舌把激光器芯片中的热量导向 TO 管座，散热效果非常有限，因此， 一些公司开始采用激光器倒装封装的形式来改善激光器的散热，但是就算使用倒装的形式，激光器中的热量仍然没有办法很好的导出，激光器芯片中的温度还是较高，这就影响了激光器的稳定性和寿命。在一般而言，普通半导体激光器工作温度常常是低于室温的，10摄氏度至20摄氏度左右，但是电子元器件在工作条件下，由于其产生的功耗会产生热量，从而掉地T

51、O封装半导体激光器寄生参数的增大，这是非常不好的，因为就整个系统来讲，我们所需要的寄生参数当然是越低越好，一个半导体激光器温度太高，会使得稳定性降低，对整个电路板系统都会产生损害。在参考了大量的文献之后，我设计出这种TO封装半导体激光器的结构，采用高热导率过渡热沉与热沉组合的结构，尤其是采用双热沉结构，可有效增强 TO 封装的半导 体激光器的散热能力，大幅地降低激光器有源区的节温，减小激光器的热阻，延长半导体激光器的寿命。有效增强 TO 封装半导体激光器的散热能力，从而克服现有的半导体激光器 TO 管座封装形式散热不足、激光器稳定性较差等问题。第三章 设计3.1参数设计3.1.1光学参数表3.

52、1 光学参数Table 3.1 Optical parameters 连续输出功率 Po200mW中心波长 c808 ± 5nm光谱宽度 3nm发光区面积30×1µm波长温度系数0.3nm/光束发散角 ×40×10deg石英透镜直径200m透镜折射率1.61柱状凸透镜焦距水平1319；垂直m对于表3.1，其中的光学参数，在没有时间经行大量的实验的情况下，我们借部分的祝宁华老师光电子器件微波封装和测试一书，以及海特公司TO56半导体激光器的参数，然后由部分参数去得到适合于这间TO封装半导体激光器的光学参数，在这其中，连续输出功率Po为200mW，

53、中心波长c为808 ± 5nm，光谱宽度 3nm，这几个参数是现在最常用半导体激光器的光学参数，我在此，并不敢擅自去设计新的参数出来，因为这几个参数应该是当今的，现有的最适合的参数数据；我的设计之中，使用的透镜，是以石英为材料的柱状凸透镜，由于整个TO半导体激光器的TO底座被设计为5.6mm，是故，我将其直径设计为相等大小TO底座条件下，其他同等产品所使用的200m的标准规格系数;而石英体柱状透镜的折射率，也是不会改变的1.61。由柱状透镜焦距f与半径r之间的关系，以及成像原理当中，物距相距以及焦距的关系，我们来计算透镜的水平与垂直焦距。在这里，喜欢偷懒的我使用了最为方便的一中假设条

54、件，该条件即为半导体激光器的发光面与透镜的焦点重合这一假设情况，在此假设条件之中，l=f，l=。也就是说，我已经是确定了柱状凸透镜焦距的垂直焦距为无穷大，而水平焦距，只要是理论安激光器到窗口的距离，在我们看来，就是代表了水平焦距。从一个方法设计来说，确实是有些投机取巧的意味，但是，无论投机不投机，得到了”巧”，我觉得，仍然是可以的。3.1.2电学参数表3.2 电学参数Table3.2 Electrical parameters斜率效率 Es 0.95W/A阈值电流 Ith 0.08A工作电流 Io 0.28A工作电压 Vf 2V串联电阻 Rd 1.5对于其中的电学学参数，由表3.1所示，在没有

55、时间经行大量的实验的情况下，我们借部分的祝宁华老师光电子器件微波封装和测试一书，以及海特公司TO56半导体激光器的参数，然后由部分参数去得到适合于这间TO封装半导体激光器的电学参数，如阈值电流，当我们将较低的电流注入结的时候，只会产生自发辐射，增益随着电流的增加而增加，结在达阈值电流时便会产生激光。晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。谐振腔的损耗比较小，我们如果去增大反射率，阈值就低。由于半导体材料的结型，异质半导体激光器的结阈值电流的大小，远远要低于同质结。温度越高的话，阈值就越高。由一系列的论证与已有的实验数据，我们得出上表所示的阈值电流。而斜率效率，我们则借用一下海特公司的TO56参数，他们应

56、该是不会反对的。现在，由图3.2所示的TO封装半导体激光器等效电路图，TO封装激光器组件的等效电路模型如图3.2所示,上图里面，我用两个电感L1,与L2和两个电容C1, C2来描述TO座引线形成的不连续性及传输线。P型电极到地电极的金丝,由 L5和R5分别取表示，两根用来连接地的金丝以及从载体上与P型电极相连的电极到,我们将其所产生的寄生参数被，统统的并入L5和R5中。C1与C2两者分别代表着TO座和引线这间的的电容；TO座引线电感我用L1和L2来显示，； L3、R3分别代表着连接载体上电极的金丝以及TO座引线的电感和电阻；C4、R4则是载体上电极和TO底座的地平面之间的电

57、容和电阻，L5、R5为连接载体上电极和激光器芯片上电极的金丝的电感和电阻；Cc、Rc为激光器芯片的寄生电容和电阻。由此，我们可以利用阈值电流以及常用电子器件的参数，去计算出其在正常工作时的电流，电压以及在串联电路中的电阻。整个的计算，所用到欧姆定律等简单的基础东西，但就是这些基础的公式，却很方便的，在产品没有正式生产前就以及得出工作时的参数。可以得出结论，利用这个TO封装半导体激光器的设计，我们能够实现室温连续输出功率200mW、300mW、500mW、1.0W。产品适用于固体激光器泵浦源、医学、目标指示、空间光通信等应用领域。3.1.3极限值表3.3极限值设计Table3.3 Limit value反向电压 Vr2.0V工作温度 To1030存储温度 Tstg-4085利用已知的光电学参数，在没有时间经行大量的实验的情况下，我们借部分的祝宁华老师光电子器件微波封装和测试一书，以及海特公司TO56