一、引言
半导体激光器封装的核心目标在于通过挥接、电路连接、机械固定和密封等手段，将其转变成一个具备一定功能的组件, 以便更便捷地应用于实际场景。封装的基本要求包括有效保护半导体激光器核心组件，确保其不受恶劣环境影响，并且封装设计过程中需考虑如何缩小器件规模、降低成本，并保持半导体激光器性能稳定。针对高频调制激光器而言，在封装过程中引入的所有电连接都会对整个设备输出特性产生影响。因此，高频半导体激光器封装技术除了考虑上述问题外，还需要关注在封装时使用的载体、焊料、金线等在高频电路中带来的寄生参数对激光器高频调制特性造成的影响。
二、功率半导体器件先进封装工艺
（一）焊料蒸镀
焊料蒸镀是在封装用热沉上蒸镀一层焊料，用来将芯片焊接在热沉上。焊料蒸镀前需要对热沉和焊料表面的杂质进行清洗，来保证焊料和热沉的洁净度，两者的洁净度将对芯片烧结的效果产生直接影响，进而影响到激光器的散热性能及其使用寿命。
对于In焊料的蒸银通常选用热蒸发真空锻膜机来实现，其蒸发原理如图3.1所示，图中1、2分别为两个电极；3为钼舟用来放置待蒸爆料；4为真空室；5为燥料的蒸发气流；6为待镀物体夹具。蒸镀前需要使用酒精棉擦拭真空室，去除真空室内的固体杂质。将In择料放在钼舟中，在真空环境中使用电加热的方法加热钼舟，达到爆料的焰点，真空状态下达到熔点的哈马里奥能够非常容易的以分子或原子的状态进入真空室。而待蒸镀的热沉固定在择料的上方一定距离处，当蒸发的焊料分子气流遇到温度较低的热沉时，焊料便凝结在热沉上，形成薄膜。通过热蒸发的电流可以控制焊料蒸发的速率，薄膜的厚度便可以在分子量级上进行增长。因此相对于电镀和化学镀而言，采用真空蒸镀方式镀的薄膜的附着力强、致密性好、纯度高，其机械性能和化学性能都要好。
图2.6热蒸发真空镀膜原理图
（二）芯片贴片
在半导体激光器的制造过程中，芯片在烧结之前要经过贴片工艺，将其牢固地固定在热沉上。贴片时使用吸管一般使用显微镜，通过显微镜观察芯片的贴片位置，贴片时需要注意小心摆放芯片的位置，因为蒸镀的铟焊料具有一定的粘性，用力过大容易破坏热沉上的焊料薄膜。芯片贴片时还应注意芯片的贴片位置一定要保证芯片的发光面与热沉端面相切，有效保护发光面不会被熔化的焊料污染，贴片的位置也会影响激光器的散热性能。
（三）共晶烧结
在半导体激光器封装过程中，共晶烧结工艺扮演着关键角色。这一流程包括将预先制造的芯片与焊料放置在热沉上进行烧结，以确保半导体激光器在运行时表现出优异的热传导性能。
烧结的具体工艺步骤如下：贴片好的热沉在共晶炉中固定到加热位置，打开氮气阀门给共晶炉输入氮气，为芯片的烧结提供保护；给共晶炉快速升温加热到焊料的熔点以上20℃，铟焊料的烧结温度选取180℃，金锡合金的温度一般选取300℃；对调整好位置的芯片施加一定的力，使其粘到焊料上；共晶炉快速降温，完成芯片的烧结工艺。
三、功率半导体器件先进封装优化设计
（一）载体设计
在半导体激光器封装中，载体是一项至关重要的组成部分。与热沉不同的是，除了导热外在载体上还可以制备电路，在一些应用中通常会在载体上设计两个对应的电极构成正负电极，两个电极的尺寸及其相互间的间距是高频设计时寄生参数的主要来源。载体设计一般是从载体的材料选择以及结构设计两方面进行。在选择上通常应选用导热特性好、绝缘性好的材料，例如Si、SiC、AIN等材料。结构设计方面是以缩短电极之间距离为目的。
（二）热沉设计
热沉材料选取时，材料的热导率是所要考虑的关键参数，热导率越大激光器的散热特性越好，同时还应考虑到不同材料之间的热膨胀系数的匹配性。因为温度在不同材料间传递时不同的膨胀系数会产生一定的热应力形成热变形，变形严重时会对激光器的芯片产生致命损害，表2-1为几种常见的热沉材料及其参数。
表4-1常见热沉材料及其参数
激光器芯片中废热主要是在有源区产生，有源区的废热散热时，其热量传播路径是垂直于发热面向下呈梯度传播。图4.1为两种不同热沉结构时激光器的散热路径图，从中可以看出芯片下部没有阻挡的热沉结构散热能力要比带有圆孔形状的热沉散热特性好。
图4.1 半导体激光器散热路径
（三）金丝设计
四、总结
本文首先对半导体激光器的封装类型进行分类，分为管芯封装和外壳封装两类。对常见的C-Mount封装、D-Mount封装、TO封装以及蝶形封装的封装形式及技术原理进行详细分析，发现C-Mount封装类型使用管壳小的封装类型利于器件的小型化，而D-Mount封装类型对散热路径进行了优化适用于大功率的半导体激光器封装，蝶形封装管壳的激光器由于空间大可以内置热敏电阻、制冷器等器件特别适用于高频调制应用。随后对半导体激光器的封装工艺：渡膜、贴片、烧结、键合，进行了详细介绍，并对每一步骤的注意事项进行总结，结合工艺流程对高频封装设计方式进行，载体方面可以对载体的结构进行设计成凹槽型载体结构或凸起电极结构，来缩短使用的金丝长度，另外使用多根金丝并联或者金带能进一步改善高频性能，热沉结构的设计有利于半导体激光器的高效散热。
参考文献
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