典型的光电子器件封装
光电子封装技术[1]
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光电子器件的封装技术
吴懿平 博士 华中科技大学 教授/博导；上海交通大学 特聘教授
光电子封装是光电子器件、电子元器件及功能应用材料的系统集成。光电子封装在光通 信系统中可分为如下级别的封装：芯片 IC 级的封装、器件封装、模块封装、系统板封装、子 系统组装和系统组装。光电子器件的封装技术来自于市场驱动，光通信的发展需要光器件满 足如下需要：更快的传输速率，更高的性能指标、更小的外形尺寸；增加光电集成的水平和 程度；低成本的封装工艺技术。从早期的双列直插、蝶形封装到同轴封装以及微型化的 Mini-DiL 封装、SFF（Small Form Factor）封装，都是顺应上述需要。而射频（RF）和混合信 号封装技术、倒装芯片技术（FC）促进了高速光电子器件的发展。光模块封装的形式也在实 际应用中从分离模块封装发展为收发合一模块封装， 从多引脚输出的封装形式 （如： 19 SC 双 插拔）发展为 SFF 小型化封装形式，引脚封装逐步被热插拔封装取代，同时，从热插拔的封 装形式（GBIC）发展为 SFP 的小型化封装形式。本文主要介绍光通信领域中的光电子有源器 件及模块的封装技术。 一、光电子器件封装形式 1 光电子器件和模块的封装形式 光电子器件和模块的封装形式，根据其应用的广度可以分为商业标准封装和客户要求的 专有封装。其中商业标准封装又可分为同轴 TO 封装、同轴器件封装、光电子组件组装和光电 子模块封装等几种。 对于同轴器件封装来说有同轴尾纤式器件（包括：同轴尾纤式激光器、同轴尾纤式探测 器、尾纤型单纤双向器件）和同轴插拔式器件（包括：同轴插拔式激光器、同轴插拔式探测 器、同轴插拔式单纤双向器件） 。其封装接口的结构有 SC 型、FC 型、LC 型、ST 型、MU-J 等形式。 光电子组件封装的封装结构形式有双列直插式封装 （DIP） 、 蝶形封装(Butterfly Packaging)、 小型化双列直插式封装（Mini-DIL）等几种。 光电子模块封装的结构形式有：19 SC 双端插拔型收发合一模块、19 双端尾纤型收发 合一模块，以及 SFF、SFP、GBIC、XFP、ZEN-Pak、X2 等多厂家协议标准化的封装类型。 此外，还有各种根据客户需要设计的专有封装。 2 光电子器件和模块的封装工艺 光电子器件、组件和模块在封装过程中涉及到的工艺按照封装工艺的阶段流程和程序， 可以具体细分为： 驱动及放大芯片（IC）封装：这类封装属于普通微电子封装工艺。这类封装的主要形式 有小外形塑料封装（SOP 或 SOIC） ；塑料有引线封装（PLCC） 、陶瓷无引线封装（LCCC） ； 方形扁平封装（QFP）球栅阵列封装（BGA）以及芯片尺寸封装（CSP 或 uBGA） 。 裸芯片（Die）封装：这类封装包括各种 IC 及半导体发光和接收器件，主要形式有：板载 芯片（COB） ；载带自动键合（TAB） ；倒装芯片（Flip Chip）等。目前，在光电子器件及组件 中发光和接收的裸片与集成芯片（IC）或 I/O 外引线的连接，就是基于陶瓷板载芯片的共晶焊 接或胶结以及金丝球键合（Bonding） 。 器件或组件（Device &. Component）封装：这类封装是指将上述板载芯片如何与光纤或 连接器进行耦合封装，从而达到光互连的目的。 模块封装：这类封装就是传统的 SMD 封装，即将光器件或组件与 PCB 板电互连，然后 通过各种 MSA 协议或客户指定的外壳进行封装的工艺形式。
新型半导体光电子器件的集成与封装技术研究
新型半导体光电子器件的集成与封装技术研究随着现代科技的发展，半导体光电子器件在光通信、计算机、医疗、能源等领域扮演着重要角色。
为了提高半导体光电子器件的性能和集成度，研究人员们不断探索新型的集成与封装技术。
本文将重点探讨这些技术的最新研究进展。
一、背景随着信息技术与光学技术的快速发展，传统的电子器件已经无法满足市场对于高速传输和大容量存储的需求。
半导体光电子器件由于其光电转换效率高、带宽大以及体积小的特点，成为了未来的发展方向。
然而，单独的半导体光电子器件无法充分发挥其潜力，因此研究人员们开始探索新型的集成与封装技术。
二、集成技术的研究进展1. 混合集成技术混合集成技术将不同材料的光电子器件集成在一起，以实现更高的性能。
常见的混合集成技术包括通过微纳加工将器件聚合到一块衬底上，或者使用分离的光电子器件通过光波导进行数据传输。
此外，研究人员还通过材料和工艺的优化，提高不同材料的互补性，进一步提高了集成技术的效果。
2. 基于硅光子技术的集成硅光子技术是近年来较为热门的研究方向之一。
通过在硅基底上进行材料堆叠、控制光的传输和调控，研究人员成功实现了在硅上集成多个光电子器件的目标。
硅光子技术的发展为半导体光电子器件的集成与封装提供了新的思路和方法。
三、封装技术的研究进展1. 波导封装技术波导封装技术是一种将光学器件与光纤连接的封装方法。
通过在器件上制作波导结构，将光信号从光学器件导出并与光纤连接。
在波导封装技术的研究中，研究人员不断优化波导的制作工艺、材料选择以及耦合效率的提高，以提高封装的稳定性和性能。
2. 端面封装技术端面封装技术是一种将光学器件与外界相连的封装方法。
通过将光学器件的端面与光纤进行直接连接，实现光信号的输入和输出。
在端面封装技术的研究中，研究人员致力于提高连接的精度和稳定性，降低插入损耗，从而提高器件的性能和可靠性。
四、封装材料的研究进展1. 光学封装材料光学封装材料在集成与封装技术中起着重要的作用。
光器件封装详解有源光器件的结构和封装
有源光器件的结构和封装目录1有源光器件的分类 ........................................................................................错误!未指定书签。
2有源光器件的封装结构 .................................................................................错误!未指定书签。
2.1光发送器件的封装结构 ...........................................................................错误!未指定书签。
2.1.1同轴型光发送器件的封装结构 ..........................................................错误!未指定书签。
2.1.2蝶形光发送器件的封装结构..............................................................错误!未指定书签。
2.2光接收器件的封装结构 ...........................................................................错误!未指定书签。
2.2.1同轴型光接收器件的封装结构 ..........................................................错误!未指定书签。
2.2.2蝶形光接收器件的封装结构..............................................................错误!未指定书签。
2.3光收发一体模块的封装结构....................................................................错误!未指定书签。
常用光电子器件介绍
主要光电子器件介绍【内容摘要】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，本文从几种常见的光电子器件的介绍来展示光纤通信技术的发展。
【关键词】光纤通信光电子器件【正文】光自身固有的优点注定了它在人类历史上充当不可忽略的角色，随着人类技术的发展，其应用越来越广泛，优点也越来越突出。
将优点突出的光纤通信真正应用到人类生活中去，和很多技术一样，都需要一个发展的过程。
从宏观上来看，光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件及光通信系统设备等三个部分，本文主要介绍几种常见的光电子器件。
1、光有源器件1)光检测器常见的光检测器包括：PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
目前的光检测器基本能满足了光纤传输的要求，在实际的光接收机中，光纤传来的信号及其微弱，有时只有1mW左右。
为了得到较大的信号电流，人们希望灵敏度尽可能的高。
光电检测器工作时，电信号完全不延迟是不可能的，但是必须限制在一个范围之内，否则光电检测器将不能工作。
随着光纤通信系统的传输速率不断提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
由于光电检测器是在极其微弱的信号条件下工作的，而且它又处于光接收机的最前端，如果在光电变换过程中引入的噪声过大，则会使信噪比降低，影响重现原来的信号。
因此，光电检测器的噪声要求很小。
另外，要求检测器的主要性能尽可能不受或者少受外界温度变化和环境变化的影响。
2)光放大器光放大器的出现使得我们可以省去传统的长途光纤传输系统中不可缺少的光－电－光的转换过程，使得电路变得比较简单，可靠性也变高。
早在1960年激光器发明不久，人们就开始了对光放大器的研究，但是真正开始实用化的研究是在1980年以后。
随着半导体激光器特性的改善，首先出现了法布里－泊罗型半导体激光放大器，接着开始了对行波式半导体激光放大器的研究。
另一方面，随着光纤技术的发展，出现了光纤拉曼放大器。
半导体激光芯片 封装原理
半导体激光芯片封装原理半导体激光芯片封装原理半导体激光芯片是一种重要的光电子器件，其封装是保护芯片并提供电气和光学连接的关键步骤。
封装技术的好坏直接影响着半导体激光芯片的性能和可靠性。
本文将从封装原理的角度来介绍半导体激光芯片封装的相关内容。
一、封装的目的和意义半导体激光芯片是一种微观的器件，需要封装来保护芯片免受外界环境的影响。
封装的主要目的有以下几点：1. 保护芯片：封装可以提供对芯片的物理保护，防止其受到机械应力、湿度、温度等因素的影响，从而确保芯片的长期可靠性。
2. 提供电气连接：封装不仅可以提供对芯片的电气保护，还可以通过引脚和线路将芯片与外部电路连接起来，实现信号的输入和输出。
3. 提供光学连接：半导体激光芯片通常需要与光纤或其他光学器件连接，封装可以提供对光学连接的保护和支持。
二、封装的基本原理半导体激光芯片封装的基本原理包括材料选择、封装结构设计和封装工艺控制。
1. 材料选择：封装材料应具有良好的热导性、机械强度和尺寸稳定性。
常用的封装材料有金属、陶瓷和塑料等。
不同的材料具有不同的特性，需根据具体要求选择合适的材料。
2. 封装结构设计：封装结构设计包括芯片定位、引脚布局和封装尺寸等。
合理的结构设计可以提高封装的稳定性和可靠性，减小电磁干扰和热阻。
3. 封装工艺控制：封装工艺控制是确保封装质量的关键。
包括焊接、封装密封、引脚连接等工艺步骤。
工艺参数的控制和优化可以提高封装的可靠性和一致性。
三、常见的封装方式半导体激光芯片的封装方式多种多样，常见的封装方式有以下几种：1. TO封装：TO（Transistor Outline）封装是一种常见的金属外壳封装方式，具有良好的散热性能和机械强度，适用于功率较大的激光芯片。
2. DIP封装：DIP（Dual In-line Package）封装是一种双列直插式封装方式，引脚通过插入PCB板上的孔进行连接，适用于低功率的激光芯片。
3. SMD封装：SMD（Surface Mount Device）封装是一种表面贴装封装方式，通过焊接引脚与PCB板的焊盘连接，具有体积小、重量轻、适应高密度集成等优点。
光器件封装工艺
光器件封装工艺1. 引言光器件封装工艺是指将光学元件（如激光二极管、光纤等）与电子元件（如芯片、电路板等）相结合，形成完整的光电子系统的过程。
在光通信、激光加工、医疗设备等领域中，光器件封装工艺起到至关重要的作用。
本文将详细介绍光器件封装工艺的流程、材料选择、常见问题及解决方案。
2. 光器件封装工艺流程2.1 设计和制造基板在进行光器件封装之前，首先需要设计和制造基板。
基板的设计应考虑到电路布局、信号传输和散热等因素。
常用的基板材料有陶瓷基板和有机基板，选择合适的材料可以提高整个系统的性能。
2.2 焊接焊接是将光学元件与电子元件相连接的关键步骤。
常见的焊接方法包括手工焊接和自动化焊接。
手工焊接适用于小批量生产，而自动化焊接适用于大规模生产。
在焊接过程中，需要注意温度控制、焊接时间和焊接质量的检测。
2.3 封装封装是将光学元件和电子元件放置在封装盒中，并固定在基板上的过程。
封装盒的选择应考虑到光学元件的保护、信号传输和散热等因素。
常见的封装盒材料有金属、陶瓷和塑料等。
不同的封装方式适用于不同的应用场景，如TO-Can、SMD等。
2.4 测试与质量控制完成光器件封装后，需要进行测试与质量控制。
测试包括光学性能测试、电气性能测试和可靠性测试等。
通过测试可以评估光器件封装的质量，并对不合格产品进行筛选和修复。
3. 光器件封装工艺材料选择3.1 基板材料选择基板材料在光器件封装中起到承载电子元件和传输信号的作用。
常见的基板材料有陶瓷基板（如铝氮化铝）和有机基板（如FR-4）。
陶瓷基板具有优异的导热性能和耐高温性能，适用于高功率应用；而有机基板成本较低，适用于一般应用。
3.2 封装盒材料选择封装盒的材料选择与光学元件的保护、信号传输和散热等因素密切相关。
金属封装盒具有良好的散热性能和电磁屏蔽性能，适用于高功率应用；陶瓷封装盒具有优异的耐高温性能和机械强度，适用于特殊环境下的应用；塑料封装盒成本较低，适用于一般应用。
光器件封装类型 -回复
光器件封装类型-回复什么是光器件封装类型？光器件封装是将光学元件和电子元件封装在特定的外壳中，以保护元件并提供适当的电气和机械连接。
光器件封装类型根据其形状、封装材料和封装方式的不同可以分为多种类型。
下面将详细介绍几种常见的光器件封装类型。
1. 点接触TO封装（Turret Oval）：这种封装通常用于高功率激光器和半导体激光器等光学器件。
TO封装的外壳形状为圆柱形，其顶部通常有一个平台，用于安装激光二极管。
封装材料通常为金属，如铜或铝，以便散热。
2. 双向封装（Dual Inline Package，简称DIP）：这种封装通常用于光耦合器等光学器件。
DIP封装的外壳形状为长方形，带有引脚，使器件能够与电路板进行连接。
封装材料通常为塑料或陶瓷。
3. 表面贴装封装（Surface Mount Package，简称SMD）：这种封装通常用于微型光学器件，如光纤连接器和激光二极管等。
SMD封装的外壳形状为长方形或方形，可以直接粘贴在电路板的表面，与之相连的引脚位于封装底部。
4. 插装封装（Through-Hole Package）：这种封装通常用于光电二极管和其他光学器件。
插装封装的外壳形状为长方形或方形，带有引脚，使器件能够通过孔洞插入电路板并与之连接。
封装材料通常为塑料或陶瓷。
5. 确定封装（Fixed Package）：这种封装通常用于光学器件的保护和固定。
确定封装的外壳形状和尺寸可以根据特定的器件要求进行设计。
封装材料通常为塑料、金属或玻璃。
以上是几种常见的光器件封装类型，每种封装类型都有其特点和适用范围。
根据光学器件的要求，选择适当的封装类型可以确保器件的性能和可靠性。
除了上述提到的封装类型，还有一些特殊的封装类型，如球形封装、等等，可以根据具体需求进行选择。
在设计和制造过程中，光学器件封装类型的选择十分重要。
封装类型的选择直接影响到器件的性能、可靠性、散热效果和使用环境等因素。
因此，制造商和工程师需要根据不同的应用需求和技术要求，仔细选择合适的封装类型，并使用合适的工艺和材料进行封装。
信息光学中的光电二极管等器件封装工艺分析
信息光学中的光电二极管等器件封装工艺分析信息光学是光电子技术的重要分支，其在现代通信、显示与传感器等领域中起着至关重要的作用。
而光电二极管（Photodiode）作为信息光学中的关键器件之一，在光电子领域发挥着重要的作用。
为了保证光电二极管的稳定性和可靠性，合理的封装工艺显得尤为重要。
本文将对信息光学中的光电二极管等器件封装工艺进行分析。
一、光电二极管封装工艺的的重要性光电二极管作为光电子器件的核心部件之一，其封装工艺直接影响到器件的性能和可靠性。
优秀的封装工艺能够提供良好的电磁屏蔽和隔离效果，同时保证光电二极管的环境密封性和耐高温性。
这样才能有效地保护器件内部结构，延长器件的使用寿命，提高器件的稳定性和可靠性。
二、光电二极管封装工艺的常见方式1. 芯片背面封装：将光电二极管芯片粘结在金属基底上，通过金属基底的封装结构提供良好的机械支撑和散热效果，同时保护芯片免受外界环境的影响。
2. 真空封装：将光电二极管芯片和接触电路封装在真空环境中，可有效降低器件内部与外界的电磁干扰，提高器件的工作效率和可靠性。
3. 焊接封装：采用焊接方式将光电二极管芯片与接触电路连接起来，并通过封装材料进行密封，以提供良好的机械强度和防潮性能，同时降低对器件的热影响。
三、光电二极管封装工艺的优化方向1. 材料优化：选择具有良好导热性能和尺寸稳定性的封装材料，以提高器件的散热效果和长期稳定性。
2. 真空封装技术的改进：采用新型的真空封装技术，降低封装过程对芯片温度的影响，减小封装材料与芯片的热应力，提高器件的寿命和可靠性。
3. 工艺参数优化：通过合理调整封装工艺中的温度、压力和时间等参数，保证芯片与封装材料之间的紧密贴合，提高封装工艺的稳定性和一致性。
四、光电二极管封装工艺的测试方法1. 温度循环测试：通过对封装好的光电二极管进行高低温交替循环测试，评估器件的耐寒性和耐热性能，以及封装工艺的可靠性。
2. 需求分析：根据光电二极管的具体应用需求，测试器件的响应时间、频率响应和线性度等性能指标，以评估封装工艺对器件性能的影响。
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CTE /10-6K-1
4.1 6.9 7.2 4.5 17.6 23.6 12.6 17.3 5.8 4.45 5.35
热导率 /[W/(m.K)]
150 25 260 180 400 230 65.2 32.9 17 168 138
6
新型金属封装材料
金属基复合材料(MMC)：是以Mg、Al、 Cu、Ti等金属或金属间化合物为基体，以 颗粒、晶须、短纤维或连续纤维为增强体的 一种复合材料。
21
马鞍焊架形状对WIAD的影响
（a）model-1
(b) model-2 马鞍焊架在有限元模型中的形状
(c) model-3
❖ 马鞍焊架形状
– 焊点形态及焊接位置 – 热量传导过程 – 残余应力分布
哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院
电子器件与组件结构设计
王华涛
办公室：A 楼208 Tel：5297952 Email：wanghuatao@
1
第八章 金属封装结构
金属封装的概念； 金属封装的特点； 金属封装的材料； 新型金属封装材料； 金属封装的工艺； 案例
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常用金属封装材料
Al、Cu、Mo、 材料
W、钢、可伐合
Si
金、 CuW(10/90)、
Al2O3 BeO
CuW(15/85)、 AlN
CuMo(15/85)、
Cu
Ni-Fe合金
Al
钢
不锈钢
可伐合金
W
Mo
密度 /(g.cm3)
2.3 3.61 2.9 3.3 8.9 2.7 7.9 7.9 8.2 19.3 10.2
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光导纤维与管芯的对准技术
➢ 无源对准
耦合效率低 成本低
适用于多模光纤及耦合效 率要求不高的光电子器件 （如光电探测器）
一般不能返修
对各种服役条件（热循环， 机械冲击，振动）及加工 工艺的容余度大
对准精度为几个微米
➢ 有源对准
耦合效率高 成本高
适用于单模光纤及耦合效 率要求高的光电子器件 （如半导体激光二极管）
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蝶形封装鞍形焊接架上，对位 后，有两束激光从两个相对方向焊接马鞍形架，然 后把光纤套筒焊接在马鞍架上
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蝶形封装工艺流程
➢ 完成光纤耦合后，采用传统的平行缝焊接封装盖板
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光电子封装中的耦合技术
光纤引出是组装的关键工艺，通常称为耦合:
– 光纤与管芯对准（无源对准和有源对准） – 光纤固定（熔焊，钎焊和环氧树脂粘结）
能量密度差20％ 能量密度差对焊后变形影响
能量密度差30％
– 两束入射激光能量不平衡导致残余应力分布不均匀，造成焊后对准偏移 – 即使两束激光能量相同，模拟结果ABCDE点都产生位移使马鞍焊架下凹
台湾国立中山大学 W. H. Cheng, IEEE Trans. on Advanced. Packaging , 2001
可以返修但费用昂贵
需要精心设计以保证产品 在各种服役条件下的可靠 性
对准精度为几百个纳米
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光电子封装有源对准技术
优点
– 连接强度高 – 毫微米级精度 – 清洁
缺点：
– 焊后残余应力大导致对准变形
➢ 焊接导致对准变形（WIAD) 的影响因素
– 入射激光能量与入射角 – 两束入射激光能量平衡性 – 焊点形态及焊接位置 – 焊接工艺
4
金属封装材料
金属封装材料要求
与芯片或陶瓷基板匹配的低CTE，减少或避免 热应力产生
良好的导热性，提供热耗散 良好的导电性，减少传输延迟 良好的电磁屏蔽能力 低密度、高强度、高硬度， 良好的加工性能 可镀覆性、可焊性和耐蚀性，易实现与芯片、
盖板、印刷板的可靠结合、密封和环境保护 较低的成本
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激光能量平衡性对WIAD的影响
激光焊接系统
– 两束激光入射角（45°±1） – 两束激光由成90°的光纤同时传
送
– 入射激光能量决定熔深及熔宽
➢ 导致两束激光能量失衡的因素
– 材料表面能量吸收的差别 – 传输两束激光所用光纤的差别 – 热量传导的不同
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激光能量平衡性对WIAD的影响
能量密度差15％
2
金属封装的概念
金属封装：是采用金属作为壳体或底座， 芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上 的一种电子封装形式。
应用场合：模件、电路与器件
多芯片微波模块 混合电路 分立器件封装 专用集成电路封装 光电器件封装 特殊器件封装
3
金属封装的特点
精度高，加工灵活 适合批量生产，相对价格低 散热及电磁场屏蔽性能优良，应用面广 可靠性高，可得到大体积的空腔
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光电子封装中的可靠性
Die bonding or Flip chip Welding, soldering or adhesive bonding
PD ＆ LED Transitional TEC
TEC
Optical Fiber ＆ Metal Ferrule
Soldering Adhesive bonding Resistance welding
与传统金属封装材料相比，优点：
可通过改变增强体种类、体积分数、排列方式或 改变基体合金，来改变材料的热物理性能，满足 封装热耗散的要求，简化封装设计
材料制造灵活，成本不断降低，避免了昂贵的加 工费用和材料损耗
特别研制的低密度、高性能金属基复合材料非常 适用于航空航天
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金属封装工艺流程
金属封装盖板制作
金属封装壳体制作
封装模具制作
玻璃绝缘子制作
金属引脚制作
绝缘子、引脚组装
组装到壳体上
封盖
贴片、键合
高温烧结
芯片减薄、划片
8
金属封装实例
光电子封装 LED封装散热结构设计 MEMS封装
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光电子器件的封装形式
蝶式封装
双列直插式封装
BGA封装
RF封装
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典型的光电子器件封装
Package
互连:
– 机械和电气连接 – 确保管芯与外界隔绝 – 芯片与光纤的光学对准
➢ 焊点可靠性的影响因素
– 残余应力应变 – 界面组织
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蝶形封装工艺流程
➢ 把热电致冷器（TEC）置于管壳底部，并用粘结技 术固定
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蝶形封装工艺流程
➢ 在TEC顶上组装光电组件。光电组件以小型化AlN支 架为基础（含LD管座、LD芯片、PD以及LD工作需 要的其他元器件）