第四章 光纤耦合模块的封装技术
光纤耦合模块的封装主要包括三部分：半导体激光器的封装，光纤耦合工艺的研究，以及模块整体的结构设计。在整个模块的封装过程中需要对半导体激光器的载体器件、耦合光路的基板进行设计，模块的整体结构设计需合理，一方面满足激光器散热的要求，另一方面也要考虑耦合调试的可操作性。
§4-1半导体激光器的封装
单管芯半导体激光器体积小，封装类型多样化。目前基于管芯的封装主要有：B-mount，C-mount，D-mount和TO-mount以及蝶式封装、准平面封装等。目前，我们主要采用C-mount形式的封装，采用In焊料烧结，其封装工艺和技术都比较成熟，典型结构如图4.1所示。这种封装可支持1-8W的大功率半导体激光器，但输出功率增大就会造成器件退化。这是由于In焊料在高电流下易产生电迁移和电热迁移问题，影响半导体激光器的稳定性。只有将芯片结温维持在一个较低的温度，用In焊料烧结激光器芯片到一个热膨胀系数（CTE）不匹配的Cu载体才可获得高功率输出。
图4.1 C-mount典型封装结构
Fig. 4.1 The typical package structure of C-mount
目前，为了使光纤耦合模块输出功率更高、可靠性更好、体积更小，COS（Chip On Submount）的封装形式被广泛采用。高可靠性封装对工作温度与固熔点的比值要求是0.4-0.6
[43]
，从图4.2可以看出
AuSn焊料在高温工作时仍符合这个要求。研究预计，AuSn焊料封装的器件寿命是In封装器件寿命的6.5倍，图4.3为不同焊料激光器加速寿命测试对比曲线。
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图4.2 工作温度/固熔点与工作温度关系 图4.3不同焊料激光器加速寿命测试对比 Fig.4.2 Temp vs. Temp/ solder melt point Fig. 4.3 Accelerated life test of different solder LD 高可靠性的封装，目标就是减小应力和热阻。由于焊料与激光器管芯直接接触, 焊料的质量直接影响到激光器的热传导和寿命。AuSn烧焊是获得大功率输出耦合模块的必备工艺，但AuSn的延展性较差，需要选取合适的热沉并优化烧焊工艺过程，以提高烧焊质量。
4-1-1热沉的优化
AuSn合金的延展性较差，可以将焊料蔓延的问题降到最小，但也面临新的挑战。首先是不同CTE（线性热膨胀系数）材料匹配带来的应力。两种各向同质材料结合产生的应力可用公式4-1表示
[44]
。
??E1E2(?1??2)(Tf?Ts) （4.1）
E1?E2其中，E为弹性模量，α为热膨胀系数，Tf为焊料的固熔点，Ts为工作温度。当焊料无限薄时，可以看出应力与芯片及热沉的热膨胀系数关系密切。如果应力大于激光器材料的屈服应力，激光器会断裂。许多材料的CTE接近芯片衬底的CTE，但它们的热导率都很低，CTE匹配并且高热导率的材料很难制造。目前，COS封装一般采用AlN做过渡热沉，再将AlN烧焊到无氧铜热沉上。AlN材料的CTE与管芯匹配较好，且有利于电极与管壳的隔离。目前，使用的AlN厚度一般为0.3mm，0.5mm，1mm，为了更好散热取AlN厚度为0.3mm。接下来主要优化无氧铜热沉的尺寸，使载体器件的设计更加合理化。
首先，建立Ansys有限元分析模型示意图4.4。芯片的最大输出功率为5W，光电转换效率约为50%，则热输出功率为5W。芯片尺寸：腔长2mm，发光区宽度100μm，芯片的生热率为2.5310W/m。铜和AlN的导热系数分别为400W/（m2℃）和180 W/（m2℃），将底面控温在25℃。
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图4.4 Ansys有限元模拟分析模型及网格划分 Fig. 4.4 The model and meshing of Ansys simulation
将无氧铜热沉的长度和宽度设置足够大，分析不同热沉厚度与热阻的关系。热沉的厚度分别取
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0.5mm、1 mm、2 mm、3 mm，进行热稳态分析后得到芯片结温分布图4.5，最高结温分别为41.99℃，42.976℃，44.077℃，44.773℃。
图4.5.1 热沉厚度= 0.5 mm 图4.5.2 热沉厚度=1 mm
图4.5.3 热沉厚度= 2mm 图4.5.4 热沉厚度=3mm
图4.5 不同热沉厚度的芯片结温分布图
Fig. 4.5 Chip junction temperature of different thickness of heat sink
从图4.5中可以看出随着无氧铜热沉厚度的增加，芯片结温的最大值逐渐增大。热阻反应介质间的传热能力，可定义为1w热量所引起的温升大小，即
Rth??T (4.2) ?P根据模拟的结果进行计算可以得到热阻与无氧铜热沉厚度的关系曲线图4.6
图4.6 热阻与热沉厚度关系
Fig. 4.6 Relationship of thermal resistance and heat-sink thickness
从图4.6中可以看出随着无氧铜热沉厚度的增加热阻呈增大趋势，为了减小热阻我们希望无氧铜的厚度要尽量小。
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在上一章的仿真模拟中得到上下位移对耦合效率影响较大，因此重点观察芯片Y方向的位移。将得到的温度场分布作为载荷进行热应力分析，表4.1为芯片和热沉的材料参数。
表4.1 材料参数
Table 4.1 The material parameters
材料名称 无氧铜 AlN瓷片 GaAs
弹性模量（GPa）
110 45 8.5
泊松比 0.3 0.3 0.31
热膨胀系数（10-6/℃）
17 4.5 5.8
不同热沉厚度时，芯片腔面Y方向最大位移如图4.7所示，从图中可以看出随着热沉厚度增加，芯片腔面Y方向最大位移有增大趋势，但即使在无氧铜热沉厚度为3mm时，最大位移也小于1μm，理论上这个位移对耦合的影响很小，可以忽略不计。
图4.7热沉厚度与芯片腔面Y方向的位移关系图
Fig. 4.7 Relationship of heat-sink thickness and chip cavity surface displacement
根据无氧铜热沉厚度与热阻及芯片腔面Y方向位移的关系可以得出热沉厚度越小越好，但对于耦合来讲，还要考虑马鞍架的高度和焊接基板的厚度，为了使焊接的可靠性更好，焊接基板和底座的厚度应尽可能厚一些，我们使用焊接基板加底座厚度为1.5mm，马鞍架高度为0.8mm，最终确定无氧铜热沉的厚度为2mm。另外，从图4.5可以看出无氧铜热沉的长度为4mm可以满足传热的要求，确定长度和厚度后，采用类似模拟计算可以得到无氧铜热沉宽度与热阻的关系如图4.8所示，从图中可以看出无氧铜热沉宽度大于3mm即可满足热阻要求。
图4.8无氧铜热沉宽度与热阻的关系
Fig. 4.8 Relationship of Cu heat-sink width and thermal resistance
对于芯片前腔面结温较高，可以考虑将热沉的形状改为台阶式，图4.9为台阶式热沉温度和Y方向
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位移分布图，最高结温为43.183℃，计算得到此时的热阻Rth?3.64℃/W，所以采用台阶式热沉可以降低热阻，此时Y方向的最大位移也只有0.7μm，可以忽略不计。
图4.9.1台阶式热沉温度分布 图4.9.2台阶式热沉Y方向位移
图4.9 台阶式热沉温度分布及芯片Y方向位移
Fig. 4.9 Temperature distribution and chip Y direction displacement of step heat-sink
综合上述分析确定载体的尺寸，无氧铜热沉尺寸：4mm33.5mm32mm，AlN瓷片的尺寸：4mm33mm30.3mm。
4-1-2 烧焊工艺优化
烧焊工艺是将管芯用焊料烧焊在热沉上。烧焊方法有真空烧结和成型气体保护烧结两种，根据焊料的性质和工艺选择。本文采用AuSn焊料氮气保护烧结，将管芯烧结到镀金的AlN过渡热沉上。烧焊过程主要涉及烧焊参数，烧焊参数主要有时间、压力、升降温速率等。按金相理论，加速冷却有利于获得精细致密的晶粒组织结构，也有利于形成平滑的接触界面和良好的粘结特性，从而达到良好的欧姆接触；而降温过程如果太快，载体热沉具有一定的热容量，内部温度不能和烧焊系统温度同步下降，因而会造成内部温度梯度应力的形成，所以降温又不能太快；烧焊过程中需要一定的压力来辅助得到良好的浸润状态，但压力过大容易造成焊料溢出，同时也容易损伤芯片，因此所有的烧焊参数需要综合考虑，并通过试验得到最佳优化。图4.10为优化得到的AuSn烧焊过程曲线。
图4.10 烧焊过程的温度与时间关系曲线
Fig. 4.10 Relationship curve of welding process temperature and time
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