隨著數據中心對于數據傳輸帶寬與傳輸速率需求的持續提升，傳統的銅纜電氣連接已經無法滿足高帶寬、低延遲的需求。因此，光通信技術因其具備的高帶寬、遠距離傳輸能力、低功耗以及抗干擾性等優點，逐漸成為數據中心內部機柜之間乃至數據中心間數據傳輸的主要方式。但由于光路必須保持透明，光元件和器件對潮濕敏感，且對散熱要求高，數據中心內保障數據傳輸的關鍵組件光模塊大需要可靠性極高的封裝。而先進陶瓷作為一類化學穩定好、機械強度高、導熱性能良好的高性能材料，在光模塊封裝領域展現出了獨特的優勢。

一、陶瓷封裝基板、管殼、基座

芯片的封裝通常可分為氣密性封裝和非氣密性封裝兩種方式，其中氣密性封裝是指將電子組件完全密封在一個充滿惰性氣體且不透氣的外殼內，以防止空氣中的水分、氧氣以及其他污染物進入封裝體內部，避免了器件內部的氧化、腐蝕以及其他形式的降解，能夠確保器件的長期穩定性和可靠性。因此，光纖骨干網、城域網、寬帶接入、物聯網和數據中心等系統的光電發射及接收、光開關、控制等對可靠性要求較高的光通信器件和模塊都需要用到氣密性封裝。

氣密性封裝材料主要有金屬、陶瓷、玻璃等，其中陶瓷材料具有絕緣性能好、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、重量輕、導熱性能好等特點，除了可提供優異性的氣密性外，還能夠有效地將熱量從光模塊內部傳導至外部冷卻系統，從而保持內部組件的工作溫度在一個安全范圍內，并滿足高頻高速信號傳輸的綜合性能，因此陶瓷封裝基板、管殼及基座等陶瓷產品是光器件氣密性封裝的首選材料。目前，光通信用陶瓷產品常常需要進行金屬化，將其制備成多層共燒陶瓷（HTCC）絕緣結構，以此為器件提供電信號傳輸通道和光耦合接口，提供機械支撐和氣密保護，解決芯片與外部電路互連，實現高速率電信號和光信號的轉換、耦合和傳輸。

陶瓷基板（圖源：網絡）

陶瓷封裝管殼（圖源：網絡）

陶瓷封裝基座（來源：新納陶瓷）

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二、陶瓷熱沉

半導體激光器等光器件在工作時，并不會將注入電流完全轉換成輸出光電子，一部分將會以熱量的方式作為能量損耗。而隨著AI技術以及5G通信的發展，單個光模塊的功率也越來越大，越容易積攢大量的熱量，如果這些熱量無法及時排除，將會對元器件性能產生諸多不利影響。

一般來說，器件的有兩種散熱途徑，一是由周圍空氣的自然對流進行散熱，但這種方式這能散發小部分熱量，因此剩余的大部分熱量需要通過熱傳導的方式散熱，將熱量由溫度高的一端傳遞到溫度低的一端。而熱沉就是進行熱量傳遞的重要載體，屬于散熱技術的關鍵核心部件。目前熱沉通常采用陶瓷、鎢銅合金、金剛石等材料制備，并通過自身的結構設計（如鰭片、肋條等）增加散熱面積，以此達到為器件快速散熱的目的。其中，氮化鋁、氧化鈹、碳化硅等陶瓷材料與Si、InP、GaAs等半導體材料的熱膨脹系數較為匹配，在半導體激光器中得到了廣泛應用。

氮化鋁陶瓷熱沉（來源：青島沃晟微電子有限公司）

三、陶瓷插芯及套筒

光纖連接器是光纖通信系統中不可缺少的無源器件，主要用于光纖線路的連接、發射機輸出端口/光接收機輸入端口與光纖之間的連接、光纖線路與其他光器件之間的連接等。為了使發射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收光纖中，需要使用精密設計（成品精度需達到亞微米級）的插芯并配合陶瓷套管來固定光纖，實現光纖的兩個端面的物理對接，使光信號可以連續而形成光通路。

目前，可用于制備插芯的材料有陶瓷、金屬或塑料，其中以二氧化鋯制備而成陶瓷插芯應用較廣，主要材質是二氧化鋯（ZrO₂），具有熱穩定性好，硬度高，熔點高，耐磨，加工精度高等特點。

陶瓷插芯（來源：潮州三環）

四、微型半導體制冷片

隨著光模塊功率越來越大，為了保證光器件有效散熱，除了可采用熱沉片進行被動散熱外，某些大功率光器件還需要采用一些主動手段對其進行散熱，MicroTEC（微型半導體制冷片）就是是光芯片精準控溫的有效解決方案。

MicroTEC（來源：鉍盛半導體）

典型的半導體制冷片器由兩個陶瓷基板構成的導熱絕緣層以及陶瓷基板之間的p 型和 n 型半導體材料（碲化鉍）組成。當直流電通過這些半導體元件時，會在接點處產生熱能與冷能的轉移，即在一側會吸收熱量并冷卻，而另一側則會釋放熱量并升溫，從而實現制冷或加熱的效果。通常，半導體制冷片中兩側的陶瓷基板主要是用于給冷熱端面提供良好的冷熱傳導，并使模塊內的電氣元件與模塊熱側的散熱器和冷側被冷卻的物體絕緣，目前常采用Al2O3（氧化鋁）、BeO（氧化鈹）、AlN（氮化鋁）等材料。

小結

隨著數據中心和高性能計算（HPC）系統在人工智能（AI）智能設備中的廣泛應用，光模塊的作用變得愈加重要。而由于優異的化學穩定性、機械強度以及導熱性能，包括封裝基板、封裝管殼、陶瓷插芯、半導體制冷器等陶瓷產品在光模塊的不同的組件都發揮著關鍵作用，其需求將會隨光模塊的發展而得到一定提升。

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