原创 DPC陶瓷基板的技术及应用-VCSEL激光器

全球市场最新研究报告显示，2020年全球5G物联网市场规模即将达到7亿美元，而随着对物联网设备的需要以及5G技术的逐步普及，预计到2025年，市场数据将成倍增长至63亿美元。
随着5G物联网的发展与普及，3D Sensing和传感技术即将迎来一轮极速成长。而VCSEL作为3D Sensing和传感系统的核心器件，无疑是会在半导体激光技术中有重大突破。
Yole预计VCSEL市场将从2019年的12.47亿美元增长到2024年的37.75亿美元，复合年增长率达31%。市场数据无疑证明了VCSEL是光子市场增长最快的细分领域之一。

资料来源：Yole

一、VCSEL激光器

VCSEL本质上是一种半导体激光器，激光器是用来发射激光的装置，而半导体激光器则是以半导体材料为工作物质发射激光的器件，根据激光芯片的结构，半导体激光器可分为边发射激光器（EEL）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

VCSEL相较于EEL有如下优势：

（1）圆形光斑更易于与光纤实现耦合且耦合效率也会高的多

（2）垂直出光更易于实现二维平面和光电集成

（3）阈值电流低

（4）光电转换效率高

（5）使用寿命长

（6）调制能力强

（7）能够与大规模集成电路进行集成

（8）无须解理，封装后即可进行在片实验

（9）在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作

 VCSEL在传感器应用也展现了其优异的性能，相比早期3D摄像头系统使用的LED光源，结构更加简单、体积更小、距离更加精准。

二.VCSEL应用趋势

由于红外线元件应用市场逐步增长，带动现阶段终端手机3D感测技术、车用光达与光纤传输的蓬勃发展

1、手机市场加持

TOF是目前主流的三种 3D Sensing技术路线之一，另两个分别为双目立体成像和结构光，目前已经比较成熟的方案是结构光和 TOF。TOF因具有结构简单、模组尺寸更小、探测距离更远、材料成本更低优势迅速成为在移动端被众人普遍认可。

TOF的其工作原理是通过以VCSEL激光源作为发射端向目标发射连续的红外光线，再由以红外CIS作为接收端接收物体传回的光信号。

苹果早在iPhone 7的后置主摄像头模组上配置了一颗“TOF光学传感器”，而到iPhone X不仅延续了上述应用，更是在前置的人脸识别模组上共同运用3D结构光和TOF光学传感器组件，把VCSEL TOF直接推向了一个高峰。

VCSEL厂商普遍看好ToF技术在智能手机上的应用前景。但事实上，5G为VCSEL行业带来的远远不止这些。

2、汽车市场崛起

全球自动驾驶的浪潮奔涌下，更受中央政治局常委会提出“新基建”应用的飞速增长刺激下，车用激光雷达产业需求无疑将再添新高。

相比目前价格昂贵的机械式激光雷达来说，VCSEL的固态激光雷达可以比较好的实现车载需要的性能。VCSEL的固态激光雷达具有更高的可靠性、稳定性并尺寸小型化，为汽车领域大规模应用激光雷达奠定了基础。

VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现，逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。

三、VCSEL封装

VCSEL的芯片转化效率低导致其存在严重散热问题，想要解决这个问题那我们就需要从根本——芯片材质着手，而传统线路板FR-4和FE-3显然是无法满足这一要求的，陶瓷板材则一直以其散热性能作为主打优势，自然是能够很好地解决VCSEL的散热差问题。

VCSEL的功率密度很高，陶瓷电路板具有与VCSEL高匹配的热膨胀系数，从而解决则芯片和基板热膨胀失配导致的应力问题。而DPC陶瓷电路板使金属边与陶瓷基板紧密结合，避免了后期组装过程中额外的粘贴工序、配位精度等问题，以及胶水老化带来的可靠性问题。

VCSEL的结构是垂直结构，DPC陶瓷电路板具有独特的高解析度、高平整度及高可靠垂直互联等技术优势更适用于其垂直共晶焊接，消除了LTCC、HTCC等厚膜基板尺寸精度不高，线路粗擦等缺陷。

VCSEL是需要把透镜架设到芯片上方，即基板是需要做成三维腔室，而斯利通陶瓷电路板不仅可以做出平面电路板更是可以做出三维电路板——围坝产品，其材质均为无机陶瓷材料，热膨胀系数匹配，制备过程中不会出现脱层、翘曲等现象。

DPC薄膜技术的陶瓷电路板几乎满足了VCSEL的封装要求。斯利通DPC陶瓷电路板又称直接镀铜陶瓷电路板，主要用蒸发、磁控溅射等面沉积工艺进行基板表面金属化，先是在真空条件下溅射钛然后再溅射铜颗粒，再进行电镀增厚，在薄膜金属化的陶瓷板上采用影像转移方式制作线路，再采用电镀封孔技术形成高密度双面布线间的陶瓷电路板。

DPC陶瓷基板具备了高导热、高绝缘、高线路精准度、高表面平整度及热膨胀系数与芯片匹配等诸多特性，在高功率VCSEL元件封装中迅速占据了重要地位。

四、VCSEL—未来可期

VCSEL的高速发展和独有优点已使其成为光电子应用中的关键器件，有强大的生命力。近年来，性能优异的VCSEL不断被研究发展，主要涉及其低阈值电流，高输出功率，高电光转换效率，低工作电压，高调制带宽和高产额。

相信在3D传感、5G通信等多领域的需求推动下，及各厂商的研发投入及经验积累下，全球采用陶瓷电路板封装VCSEL芯片将会取得长足发展，并拓展越来越多的应用领域。