藍光半導體激光器封裝外殼設計分析

【關鍵詞】藍光半導體激光器；封裝外殼；設計分析

引言

隨著光電子技術的飛速發(fā)展，藍光半導體激光器逐漸在各類科研和工業(yè)領域應用。相較于紅光和近紅外激光器，藍光激光器有更短的波長，能實現(xiàn)更小的聚焦光斑。隨著海洋開發(fā)與智能海洋裝備的發(fā)展，激光技術逐步向深海方向延伸，但傳統(tǒng)用于陸地環(huán)境的封裝方案難以直接移植至海洋場景，因此對封裝技術提出了更嚴苛的要求。

一、海下封裝外殼的功能要求

藍光半導體激光器正不斷拓展海下環(huán)境的應用領域，目前海底通信、潛航器測距、激光雷達、海底光譜探測都開始使用藍光半導體激光器，而這些任務一般都需要把設備長期部署于數(shù)百米甚至千米級的海域深處，工作環(huán)境遠比陸地苛刻。封裝外殼作為激光器與外部環(huán)境之間的機械邊界，是保障器件極端條件下穩(wěn)定、長期運行的核心關鍵。主要的外殼功能要求如下。

（一）高壓承載能力

隨著深度增加，外部每增加10米水深，水壓約增加0.1 MPa。千米級深度所承受的壓力達10 MPa以上，相當于100個大氣壓。封裝外殼須具備足夠的結構強度與剛性，才能在此類高靜水壓力下不發(fā)生變形和破裂，從而避免內(nèi)部激光芯片、光學元件或電子系統(tǒng)被擠壓損壞。這要求材料本身具備高屈服強度，封裝結構具備合理的應力分布設計，避免出現(xiàn)應力集中區(qū)域[1]。

（二）氣密性與水密性

半導體激光芯片極易受濕度變化影響，一旦密封未達標讓水汽或鹽霧滲入封裝腔體，很容易腐蝕電極、電路板等導電元件，污染光學鏡片，讓鏡片光斑畸變、功率衰減，嚴重影響器件壽命和性能。因此，封裝設計必須達到高等級氣密封閉（一般要求泄漏率小于10-6 Pa·m3/s）要求，使用焊接封裝、金屬玻璃釬焊、陶瓷-金屬封接等方式替代傳統(tǒng)橡膠密封圈，從根源上防止?jié)B漏。

（三）防腐蝕能力

海水中溶解有大量氯、鎂、鈉、硫酸根離子等腐蝕性物質(zhì)，若材料選擇不當或結構設計存在微縫、間隙、水滲透層，封裝表面短時間內(nèi)就會腐蝕穿孔，失去密封和機械防護功能。所以封裝外殼必須選用高耐蝕性金屬（如鈦合金、哈氏合金、Inconel合金）或陶瓷涂層材料，并使用陽極保護、電位控制或犧牲陽極等方式延緩腐蝕過程。

二、藍光半導體激光器封裝外殼設計難點

（一）極端水壓下結構強度要求高

深海環(huán)境中藍光半導體激光器封裝外殼將承受極端的靜水壓力。以1 000米海深為例，外部水壓約為10 MPa，是大氣壓的近百倍。如果封裝結構設計不合理或材料強度不足，外殼很快就會產(chǎn)生嚴重彈性形變、塑性塌陷，甚至使用初期即結構失效，破壞內(nèi)部敏感芯片和光學系統(tǒng)。

從工程力學角度看，外殼結構受壓后的變形情況與材料的屈服極限、幾何結構、壁厚分布以及載荷傳遞路徑相關。深海封裝設計一般會避免使用薄壁、方形、尖角類結構，因為這類結構在內(nèi)外壓差作用下極易成為應力集中區(qū)，使結構屈服或失穩(wěn)破壞。因此常見的深海耐壓封裝形態(tài)主要為厚壁圓柱殼、球形殼、圓頂結構等。

封裝外殼設計時一般依據(jù)經(jīng)典薄殼理論或有限元仿真結果計算最大應力、屈服安全系數(shù)以及殘余形變量，確定合適的壁厚。實際會引入1.5～2.0倍的安全系數(shù)抵御材料老化、制造誤差或突發(fā)沖擊[2]。

（二）光學對準精度高

不同于普通光源，半導體激光器發(fā)出的光束方向性和發(fā)散性較強，必須使用準直、聚焦或耦合等方法精準調(diào)控。藍光半導體激光器波長更短，光束質(zhì)量更高，光斑尺寸更小，就更需要嚴格控制準直角度、出光方向和焦點位置。一旦封裝時對準偏差過大，超出了允許范圍，就很容易嚴重影響激光輸出效率、光束質(zhì)量及耦合成功率。

首先，從激光器的物理發(fā)射特性看，激光器出射光具有高發(fā)散角的特點，一般在幾十度范圍，遠高于一般光纖耦合或自由空間傳輸所能接受的角度。這就要求封裝時必須加入準直透鏡、微型光學元件或耦合結構調(diào)整發(fā)散，而這些光學器件必須與激光芯片的發(fā)光區(qū)域嚴格對位，偏差容忍度在幾微米以內(nèi)，甚至更低。

其次，光學對準并非一次性完成，激光器使用時受到溫度波動、長時間工作或機械振動影響，光學路徑可能發(fā)生微小偏移，如果封裝外殼結構設計未能提供足夠的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，初期精確對準也可能在后續(xù)使用中逐步失效。這種“后期漂移”的情況往往難以檢測，但卻會使光功率下降、耦合效率惡化甚至激光束發(fā)散失控，影響整機性能[3]。

此外，深海環(huán)境有高壓、高濕、低溫、機械沖擊等多重復雜因素影響，溫度變化可能讓材料熱膨脹不匹配，進而使透鏡與激光芯片之間的位置關系偏移；結構輕微變形也會使光軸偏斜，影響出光方向。

（三）材料與可靠性

藍光激光器工作波長較短，通常為450 nm左右，這一波段的光子能量更高，封裝材料更容易受到高能光輻照的影響。例如，某些塑料或有機膠粘劑在長時間藍光照射下會分子鏈斷裂、黃變甚至碳化，這些劣化過程緩慢累積，短期內(nèi)難以檢測，卻會在器件長期運行時逐步削弱其性能，成為讓激光器壽命受限的主要隱患。

深海海水富含Cl-、SO2-4等離子成分，這些成分與常規(guī)金屬接觸以后，很容易加速金屬表面氧化。如果使用普通不銹鋼（如304、316）外殼，浸泡到海水里很容易腐蝕，且封裝縫隙、焊縫或螺紋連接處易形成腐蝕微裂紋。這是因為封裝外殼或內(nèi)部材料微小的滲漏通道都會讓水汽或雜質(zhì)進入封裝腔體，污染激光芯片和光學元件。

三、藍光半導體激光器封裝外殼設計

（一）散熱結構設計

藍光半導體激光器封裝外殼的散熱結構設計是一個系統(tǒng)化、流程化的工程過程，具體的設計流程如下。

1.熱設計需求分析

工程師需要從產(chǎn)品規(guī)格書和應用場景中獲取芯片功耗、預期工作溫度范圍、熱阻上限、環(huán)境冷卻方式（自然對流/風冷/液冷）、封裝尺寸限制等基本數(shù)據(jù)。由于需要海下應用，還需考慮環(huán)境溫度波動小、散熱空間有限、水體熱導率較高等特點。

2.熱建模與初步仿真

基于上述需求進行初步熱建模分析，使用軟件建立“激光芯片—基板—封裝外殼”的熱傳導路徑模型。模擬分析芯片結溫、熱流密度分布、溫度梯度和熱點位置，通過假設理想材料和簡化結構快速評估不同熱路徑設計下的散熱能力。海水作為環(huán)境冷卻介質(zhì)時，對流換熱能力較強，封裝外殼外表面設計可引入增強對流結構（如散熱鰭片或粗糙表面處理）提升換熱能力。

3.結構方案設計與建模細化

設計人員需提出1～3套散熱結構方案，如采用金屬基板加散熱片方案、陶瓷基底加熱沉方案或集成熱電制冷器制冷模塊的復合結構。考慮到海下工作環(huán)境相對恒溫，可優(yōu)先考慮利用海水直接對流散熱的“自然水冷結構”。隨后使用計算機輔助設計軟件（ComputerAided Design，CAD）軟件進行結構建模并將其導入熱仿真平臺，進行更精細的三維熱場分析[4]。

4.材料選型與界面設計

結合結構方案，考慮熱導率、熱膨脹系數(shù)、加工性能、可靠性等因素，選取合適的封裝材料。例如，芯片下基板可選用鋁氮化物陶瓷以獲得高導熱與低熱膨脹的兼容性，熱界面材料選用導熱硅脂或相變材料以降低接觸熱阻。

5.結構優(yōu)化與樣機驗證

完成材料定型和結構布置后，基于熱仿真反饋進一步細化結構設計，熱點區(qū)域做局部加強（增加銅柱、調(diào)整螺釘孔布局、優(yōu)化底座厚度等）。優(yōu)化完成后，制作樣機或熱測試平臺進行散熱結構實測驗證，測試結果需與仿真模型對比，必要時重新調(diào)整模型參數(shù)，形成設計閉環(huán)。

（二）光學窗口和準直結構設計

藍光半導體激光器的光學窗口與準直結構設計需嚴格圍繞芯片光學參數(shù)、輸出應用需求及封裝空間條件，以下為該結構設計的具體步驟。

1.解析激光芯片光學特性

查詢芯片規(guī)格書獲取出光面尺寸、發(fā)散角（通常為水平30°～40°、垂直15°～25°）、出射高度及光功率密度等參數(shù)，調(diào)整好準直光學系統(tǒng)的基本配置，如透鏡焦距、出光方向以及光學窗口的相對位置。

2.確定輸出形式與光束精度指標

結合應用需求明確激光器輸出目標。例如，自由空間應用激光器時，控制光束平行度小于2 mrad、遠場光斑直徑小于0.8 mm，偏移角不超過±0.5°。若為光纖耦合應用，需保障入射位置誤差±2 μm內(nèi)。

3.布置光路

基于三維結構模型布置好芯片出光點、透鏡位置和窗口出射面，將三點空間配準，其中窗口位置設置到殼體上蓋或側(cè)壁，開窗直徑設置為理論光斑的2～3倍。透鏡位置使用臺階限位式或嵌入式卡槽固定，固定時注意預留微調(diào)余量，以便于后期對準時調(diào)整位置。

4.制定光學對準方案與固定方式

建議使用主動對準方法高精度封裝，即在芯片通電發(fā)光狀態(tài)下使用XYZ納米級平臺實時調(diào)整透鏡位置，以獲得最大出射功率與最優(yōu)遠場光斑。對準完成后，使用紫外線固化膠固定結構，固定位置設計限位臺階。

5.封裝窗口并驗證光束方向

光學窗口安裝后，利用干涉儀或激光準直檢測平臺測試出射光斑中心偏移與發(fā)散角，確認是否在容差范圍內(nèi)。若光軸偏移超出設計指標，需修正透鏡安裝結構或出光窗口位置，并重復對準過程。

6.輸出關鍵尺寸與裝配參考數(shù)據(jù)

完成設計后，將光學路徑中所有關鍵尺寸、透鏡與芯片的相對位置、窗口厚度與材料參數(shù)等數(shù)據(jù)記錄入物料清單和裝配工藝文件中，供后續(xù)批量生產(chǎn)使用。

（三）封裝結構與材料選擇

藍光半導體激光器封裝結構設計，必須在滿足熱管理、光學對準、電氣連接、氣密保護等多重性能需求的前提下兼顧尺寸緊湊性、工藝可實現(xiàn)性與環(huán)境適應性。該部分通常按以下流程設計。

1.明確封裝結構所需實現(xiàn)的功能目標

設計初期結合芯片工作特性與使用環(huán)境明確封裝結構的功能邊界。海下激光器封裝不僅要承擔傳統(tǒng)的散熱、電連接、光學輸出功能，還需滿足高壓、強腐蝕、低溫甚至生物附著等極端海洋條件下的長期可靠運行的要求。此外，還需評估封裝是否要求外殼接地、電磁屏蔽或具備抗振特性等附加功能。

2.確定封裝結構層級和模塊劃分情況

封裝外殼一般由底座、中間功能模塊和頂蓋共同組成。底座用于安裝激光芯片，因此要具備良好的導熱性能和尺寸穩(wěn)定性；中間模塊由準直結構、電連接單元、光學窗口安裝區(qū)等功能集成部分組成；頂蓋的主要作用是密封和保護，還是激光出光的窗口承載部位。

3.封裝材料比選

海下使用環(huán)境的材料性能要求較高，選用材料時，必須要綜合考慮材料的機械強度、熱導率、耐腐蝕性、氣密性及電磁特性是否滿足要求，再考慮是否使用。一般底座部分的材料可以選用銅鉬復合材料、鋁氮化物陶瓷或鈦合金基底材料，這些材料兼具良好的導熱性和結構穩(wěn)定性，可以滿足底座部分的設計要求。中間結構部分一般使用Kovar合金、Invar合金或不銹鋼316L材料，這些材料熱膨脹系數(shù)與激光芯片、光學元件接近，異種材料界面耦合時比較適用；頂蓋部分作為光學窗口一般推薦使用藍寶石和透明陶瓷材料，以提高抗壓能力和海水長期耐蝕性。

4.結構細節(jié)設計與裝配接口規(guī)劃

完成材料初選后，進入封裝結構細化設計階段，需在殼體中預留光學準直元件的裝配槽、電極引出通孔、熱界面墊層安裝位等關鍵接口，并考慮好裝配順序與工藝限制。例如，設計殼體壁厚時，需兼顧熱傳導效率與機械強度；接口部位需提前規(guī)劃O形密封槽或焊封面，讓后續(xù)實現(xiàn)氣密封裝。

5.結構建模仿真與熱-力驗證

最終結構設計需導入計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真平臺進行熱場、力學與熱應力模擬，評估各部位在海下運行的熱分布、結構變形情況及應力集中區(qū)。如發(fā)現(xiàn)存在局部過熱、結構過薄或應力過大的區(qū)域，需回退模型重新調(diào)整幾何結構或更換材料。仿真結果合格后，輸出完整封裝結構圖及材料物料清單，為后續(xù)樣機打樣提供依據(jù)。

結語

封裝外殼設計必須滿足海下環(huán)境耐腐蝕、承壓能力強的要求，避免使用期間因微小結構變形或材料老化影響正常出光，造成出光偏差。同時，外殼材料還需滿足高強度、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)等要求，保證激光器持續(xù)應用的安全性和穩(wěn)定性。通過合理設計藍光半導體激光器，可以有效改善器件的散熱效率、工作穩(wěn)定性、出光精度及使用壽命，讓藍光激光器更廣泛應用。

參考文獻：

[1] 趙仁澤.1.06微米波長脊形條半導體激光器的長腔工作特性[D].長春：長春理工大學，2024.

[2] 許佩東.基于半導體激光器的低空洞率雙面貼合封裝關鍵技術研究[D].長春：長春理工大學，2023.

[3] 王娟.工業(yè)過程監(jiān)測多參量光纖光柵傳感網(wǎng)絡關鍵技術研究[D].長春：長春理工大學，2023.

[4] 陳佳旗.測溫型光纖電流互感器研究[D].唐山：華北理工大學，2023.