隨著數(shù)據(jù)中心對于數(shù)據(jù)傳輸帶寬與傳輸速率需求的持續(xù)提升，傳統(tǒng)的銅纜電氣連接已經(jīng)無法滿足高帶寬、低延遲的需求。因此，光通信技術(shù)因其具備的高帶寬、遠(yuǎn)距離傳輸能力、低功耗以及抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部機(jī)柜之間乃至數(shù)據(jù)中心間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞健５捎诠饴繁仨毐３滞该鳎庠推骷Τ睗衩舾校覍ι嵋蟾撸瑪?shù)據(jù)中心內(nèi)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組件光模塊大需要可靠性極高的封裝。而先進(jìn)陶瓷作為一類化學(xué)穩(wěn)定好、機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能良好的高性能材料，在光模塊封裝領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)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(gè)充滿惰性氣體且不透氣的外殼內(nèi)，以防止空氣中的水分、氧氣以及其他污染物進(jìn)入封裝體內(nèi)部，避免了器件內(nèi)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(wěn)定性和可靠性。因此，光纖骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、寬帶接入、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心等系統(tǒng)的光電發(fā)射及接收、光開關(guān)、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(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，除了可提供優(yōu)異性的氣密性外，還能夠有效地將熱量從光模塊內(nèi)部傳導(dǎo)至外部冷卻系統(tǒng)，從而保持內(nèi)部組件的工作溫度在一個(gè)安全范圍內(nèi)，并滿足高頻高速信號傳輸?shù)木C合性能，因此陶瓷封裝基板、管殼及基座等陶瓷產(chǎn)品是光器件氣密性封裝的首選材料。目前，光通信用陶瓷產(chǎn)品常常需要進(jìn)行金屬化，將其制備成多層共燒陶瓷（HTCC）絕緣結(jié)構(gòu)，以此為器件提供電信號傳輸通道和光耦合接口，提供機(jī)械支撐和氣密保護(hù)，解決芯片與外部電路互連，實(shí)現(xiàn)高速率電信號和光信號的轉(zhuǎn)換、耦合和傳輸。

陶瓷基板（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

陶瓷封裝管殼（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

陶瓷封裝基座（來源：新納陶瓷）

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二、陶瓷熱沉

半導(dǎo)體激光器等光器件在工作時(shí)，并不會將注入電流完全轉(zhuǎn)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(shù)以及5G通信的發(fā)展，單個(gè)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(shí)排除，將會對元器件性能產(chǎn)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(jìn)行散熱，但這種方式這能散發(fā)小部分熱量，因此剩余的大部分熱量需要通過熱傳導(dǎo)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(jìn)行熱量傳遞的重要載體，屬于散熱技術(shù)的關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如鰭片、肋條等）增加散熱面積，以此達(dá)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(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)較為匹配，在半導(dǎo)體激光器中得到了廣泛應(yīng)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(tǒng)中不可缺少的無源器件，主要用于光纖線路的連接、發(fā)射機(jī)輸出端口/光接收機(jī)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(fā)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(shè)計(jì)（成品精度需達(dá)到亞微米級）的插芯并配合陶瓷套管來固定光纖，實(shí)現(xiàn)光纖的兩個(gè)端面的物理對接，使光信號可以連續(xù)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(yīng)用較廣，主要材質(zhì)是二氧化鋯（ZrO₂），具有熱穩(wěn)定性好，硬度高，熔點(diǎn)高，耐磨，加工精度高等特點(diǎn)。

陶瓷插芯（來源：潮州三環(huán)）

四、微型半導(dǎo)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(jìn)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(jìn)行散熱，MicroTEC（微型半導(dǎo)體制冷片）就是是光芯片精準(zhǔn)控溫的有效解決方案。

MicroTEC（來源：鉍盛半導(dǎo)體）

典型的半導(dǎo)體制冷片器由兩個(gè)陶瓷基板構(gòu)成的導(dǎo)熱絕緣層以及陶瓷基板之間的p 型和 n 型半導(dǎo)體材料（碲化鉍）組成。當(dāng)直流電通過這些半導(dǎo)體元件時(shí)，會在接點(diǎn)處產(chǎn)生熱能與冷能的轉(zhuǎn)移，即在一側(cè)會吸收熱量并冷卻，而另一側(cè)則會釋放熱量并升溫，從而實(shí)現(xiàn)制冷或加熱的效果。通常，半導(dǎo)體制冷片中兩側(cè)的陶瓷基板主要是用于給冷熱端面提供良好的冷熱傳導(dǎo)，并使模塊內(nèi)的電氣元件與模塊熱側(cè)的散熱器和冷側(cè)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(jié)

隨著數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算（HPC）系統(tǒng)在人工智能（AI）智能設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，光模塊的作用變得愈加重要。而由于優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度以及導(dǎo)熱性能，包括封裝基板、封裝管殼、陶瓷插芯、半導(dǎo)體制冷器等陶瓷產(chǎn)品在光模塊的不同的組件都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其需求將會隨光模塊的發(fā)展而得到一定提升。

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