激光器封装简要说明
QCL in butterfly package
图1，封装好的激光器外形
上图包括外壳，引脚，激光出射窗口，热沉，TEC模块，热敏电阻，激光器模块。
外壳：尺寸2*2.5*1cm3
材质要求：底部采用传热性较好的纯铜，并在内部与TEC模块紧密接触（用导热胶与TEC制热面粘结），侧面与顶部可采用其他材料。
两边对称引脚接口，位于侧面的中上部位，以较方便连接内部
部件为宜。
透镜窗口，高度在侧面中部以上，位于前侧面的中心位置，方
便激光的输出以及内部激光器的放置，大小以透镜为标准。引脚：两边对称排列2*4根，圆柱形，铜质，直径1.27mm，长度3.5cm，引脚间距2mm。
激光出射窗口：使用材料BaF2。
热沉：使用导热系数较大的纯铜（也可以采用其他材质，视条件而定，要求导热系数较好）。厚度不小于0.15cm。
TEC模块：1.5*1.5*0.33cm3。底部与外壳紧密接触，上部与热沉接触良好，TEC 周围使用隔热材料做成的隔热圈，减少制热面产生的热量向制冷面传递。热敏电阻：采用贴片式热敏电阻。
激光器模块：封装详细结构如图2。
图2，激光器模块封装建议图
如图2所示为激光器模块封装的建议图；
*所提供的激光器裸管中阳极与阴极（此处阳极，阴极是为了方便表达，封装时对应为裸管的上下表面）表层都没有镀上欧姆接触层，在封装激光器模块前需在激光器上下两面镀上欧姆接触层，皆为Ti/Au（40/120nm），在上表面为了使得金丝能与欧姆接触层更好的连接，需再镀上5um厚的Au。
阴极（基板为）铜或铝，它与激光器的阴极短接，作为激光器的阴极来使用，同时也是为了较快地散热，它的厚度见附图。基板的下方应加一层导热性好的绝缘层，使得激光器基板与热沉有较好的电隔离，且不影响其导热性能。
中间红色一层为绝缘层，采用高绝缘材料，其厚度见附图。
上面一层为阳极接触层，同样可以用铜片或者铝片（首先选择铜），阳极的铜板不一定要求与图示上所画大小，但要求保持较低的电阻。阳极上面的两个黑色方块为阳极触点，用8根细金丝（或者铜丝）与激光器的阳极连接。
激光器的激光出射面在面向读者的方向。
阳极和阴极分别通过铜丝与外壳上的管脚连接。
图3，激光器各个部件示意图
图3所示为除激光器外的封装示意图。其中外壳管脚只需8个（并非如图所示的14个）。
激光器外壳腔内部各部分叠放层次如图所示。
激光器模块与与热敏电阻都贴在热沉上，热敏电阻的长度与激光器模块的宽度和刚好等于热沉的长度,其放置方向如下图所示。如图4中激光器出光口应与出光窗口的中心点在同一线上，且尽量靠近出光窗口，以便得到最好的出光效果。
图4，激光器模块，热敏电阻及热沉摆放示意图最后，是各个电气部件与各引脚的连接图。如图5所示：
图5，外壳管脚排列图，以透镜左边为第一管脚以下是各个管脚建议连接图：
激光器阳极，阴极共占1个管脚；TEC（正极，负极分别占2个管脚）共4个管脚；热敏电阻占2个管脚；总共需管脚数为8个。
使用材料热导系数（常温）
纯铜：376.8--401W/（m 。K ）
纯铝：217.7--237W/（m 。K ）
I A t E /)(/12θθλ-**=
其中E 为在时间t 内所传递的热量，A 为截面面积，I 为长度，12θθ-为两个截面的温度差。
激光器产生热量计算公式
极限值（增加足够的余量）W A V KHz s 62.1318152=***μ
实际使用值W A V KHz s 3.0215101=***μ
按极限值来设计；
TEC 工作电压3.3V 电流2A
最大制冷量W A V 62.4%7023.3=**
由于使用金属外壳，激光器工作温度为室温，
工作温度差为20°C 时。
由于所有材料为传热材料，
Q = h*A*(tw-t∞)
式中：
q 为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m^2；
tw 、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K ；
A 为壁面面积，单位m^2；
Q 为面积A 上的传热热量，单位W ；
h 称为表面对流传热系数，单位W/(m^2.K)。
铜的表面对流传热系数约50W/(m^2.K)
铝的表面对流传热系数约50W/(m^2.K)
(tw-t∞)=20
Q = h*A*(tw-t∞)=50*4*10-4*20=0.4W
综上所述，在计算激光器最大工作条件时（假设激光器工作的功耗全部转化为热能并全部用来使铜片发热，且加上空气对铜片热沉的热传导），最大为1.62+0.4=2.02W,而tec 的制冷量为4.62W ，所使用的TEC 制冷片符合要求。
图6，封装示意图（未详尽参数请在前文查找）
激光器封装简要说明
QCL in butterfly package 图1，封装好的激光器外形 上图包括外壳，引脚，激光出射窗口，热沉，TEC模块，热敏电阻，激光器模块。 外壳：尺寸2*2.5*1cm3 材质要求：底部采用传热性较好的纯铜，并在内部与TEC模块紧密接触（用导热胶与TEC制热面粘结），侧面与顶部可采用其他材料。 两边对称引脚接口，位于侧面的中上部位，以较方便连接内部 部件为宜。 透镜窗口，高度在侧面中部以上，位于前侧面的中心位置，方 便激光的输出以及内部激光器的放置，大小以透镜为标准。引脚：两边对称排列2*4根，圆柱形，铜质，直径1.27mm，长度3.5cm，引脚间距2mm。 激光出射窗口：使用材料BaF2。
热沉：使用导热系数较大的纯铜（也可以采用其他材质，视条件而定，要求导热系数较好）。厚度不小于0.15cm。 TEC模块：1.5*1.5*0.33cm3。底部与外壳紧密接触，上部与热沉接触良好，TEC 周围使用隔热材料做成的隔热圈，减少制热面产生的热量向制冷面传递。热敏电阻：采用贴片式热敏电阻。 激光器模块：封装详细结构如图2。 图2，激光器模块封装建议图 如图2所示为激光器模块封装的建议图； *所提供的激光器裸管中阳极与阴极（此处阳极，阴极是为了方便表达，封装时对应为裸管的上下表面）表层都没有镀上欧姆接触层，在封装激光器模块前需在激光器上下两面镀上欧姆接触层，皆为Ti/Au（40/120nm），在上表面为了使得金丝能与欧姆接触层更好的连接，需再镀上5um厚的Au。 阴极（基板为）铜或铝，它与激光器的阴极短接，作为激光器的阴极来使用，同时也是为了较快地散热，它的厚度见附图。基板的下方应加一层导热性好的绝缘层，使得激光器基板与热沉有较好的电隔离，且不影响其导热性能。 中间红色一层为绝缘层，采用高绝缘材料，其厚度见附图。 上面一层为阳极接触层，同样可以用铜片或者铝片（首先选择铜），阳极的铜板不一定要求与图示上所画大小，但要求保持较低的电阻。阳极上面的两个黑色方块为阳极触点，用8根细金丝（或者铜丝）与激光器的阳极连接。
半导体激光器封装技术及封装形式
半导体激光器封装技术及封装形式 半导体激光器的概念半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。 半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件： （1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。 半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。 半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。 半导体激光器的封装技术一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。 但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导
DFB蝶形封装激光器
DFB 蝶形封装激光器 1,描述 分布式反馈特定波长激光器, 波长1550±2nm,输出光功率≥10mw,内置 光隔离器, 带制冷的14脚蝶形外壳,直径为900um 紧套管,长度为1m 的 单模尾纤，连接器FC/APC 2,性能规格 2.1,极限值 参数 符号 最小 最大 单位 激光器反向电压 V RLMAX — 2.0 V 正向电流 I FLMAX — 150 mA 工作温度范围 T O -20 70 ℃ 贮藏温度范围 T stg -40 85 ℃ 光电二极管反向电压 V RPDMAX — 10 V 光电二极管正向电流 I FPDMAX — 2 mA 热敏电阻温度 — — 100 ℃ 制冷器工作电流 — — 1.9 A 2.2,电特性 参数 符号 测试条件 最小 典型 最大 单位 峰值光功率 P P — 10 — — mW 阈值电流 I TH CW — 14 25 mA 驱动电流 — P O =10mW — 100 — mA 激光器正向电压 V LF P O =10mW — 1.4 2.0 V 激光器工作温度 T LD — 22 — 30 ℃ 监视器反向压 V RMON — 3 5 10 V 监视器电流 I RMON P O =10mW 0.01 — 2 mA 监视器暗电流 I D I F =0mA,V R MON =5V — 0.01 0.1 μA 输入阻抗 Z IN — — 25 — Ω 热敏电阻电流 I TC — 10 — 100 μA 热敏电阻阻抗 R TH T L =25℃ 9.5 — 10.5 k Ω 制冷器电流 I TEC T L =25℃, T around =70℃ — — 1.2 A 制冷器电压 V TEC T L =25℃, T around — — 3.5 V
浅谈大功率半导体激光器列阵封装技术
浅谈大功率半导体激光器列阵封装技术 摘要：现如今，科学和信息技术高速发展，大功率 半导体激光器列阵在工业、军事、医疗等诸多领域都有重要的应用。大功率半导体激光器阵列可广泛用于激光加工、激光测距、激光存储、激光显示、激光照明、激光医疗等。半导体激光芯片外延生长技术大功率半导体激光器的发展与 其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展。对大功率半导体激光器阵列封装技术的研究，可以增大器件性能和转换效率，具有重大意义。 关键字：“大功率”；“半导体激光器”；“列阵”；“激光”；“芯片” 1 管芯（bar）封装 在半导体激光器列阵的封装过程中，管芯封装管芯封装的好坏直接关系到管芯的导电、导热、焊接强度等。这个封装过程对半导体激光器列阵寿命和可靠性有巨大影响。在封装过程中，焊料与其它金属层生成的金属间化合物、焊料烧结过程中产生的空洞等对焊料性能有很大影响，焊料是管芯的导电导热通道，焊料性能的好坏直接影响到管芯的工作，影响半导体激光器列阵的寿命和可靠性。
在半导体激光器列阵的制作过程中，管芯上要制作 Ti/Pt/Au、Au/Ge/Ni等欧姆接触层，无氧铜上要镀Ni和Au。金属之间会生成复杂的金属间化合物（IMC），对bar的封装有较大影响。半导体激光器列阵在工作时，热沉提供良好的散热条件。但大功率半导体激光器列阵产生的热量很大，管芯温度仍然很高。这种情况下合金焊料各成分之间、焊料和芯片上的金属层之间存在扩散现象，产生IMC，由于IMC在列阵存放和工作时的过度生长和热疲劳，会对焊料结的可靠性产生不利的影响。由于IMC易碎的特性会使焊料焊接处机械强度变弱或导致界面的分层。它们对激光器的寿命和可靠性会产生影响。 2 焊料空洞 半导体激光器列阵的封装中，用于管芯（bar）焊接的焊料的选取与制备过程是极其关键的问题。因为焊料直接和管芯接触，是管芯和热沉之间的导电和导热通道。半导体激光器列阵工作时电流可高达100A。这些电流通过焊料流入管芯，而通过的横截面只有1mm×10mm。焊料要承受很高的电流密度，要求焊料有好的导电性、抗电迁移性。半导体激光器列阵热能散出的通道也是焊料，所以焊料要有良好的导热性和抗热迁移性。热量不能及时地传导出去，就会积聚在焊料附近，产生大的温度梯度而发生热迁移，在焊料中产生空洞，严重影响了焊料的导热性和导电性，使列阵管芯温度升高。
半导体激光器工艺知识详解
半导体激光器工艺知识详解 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。 半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。 半导体激光器的工作原理激光产生原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件： （1）增益条件：建立起激射媒质（有源区）内载流子的反转分布，在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现。将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 （2）要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对F—p腔（法布里一珀罗腔）半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一面构成F—P 腔。 （3）为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流
TO封装半导体激光器的结构设计
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 TO Packaging the Semiconductor Laser ABSTRACT TO 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 the relative TO other packaging technology, his