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EEL PACKAGING

解鎖邊射型雷射的SMD封裝潛力

45° 次毫米微型轉向鏡可把 EEL 水平光路轉為垂直出光,讓雷射導入低剖面、可自動貼裝的 SMD/COB 封裝。

Morgan Song · · 已更新:

傳統 EEL TO-Can 封裝體積龐大且不適用 SMT 自動化,與現代微型光電模組對小尺寸與自動化需求的矛盾對比

第一部分:引言 — 現代光電產品的「微型化困境」

在當今這個由光達 (LiDAR)、3D 感測、高速光通訊等尖端應用所驅動的時代,市場對於光電模組的要求日益嚴苛:「更小、更便宜、更高性能」已不再是選擇題,而是生存的必要條件。然而,一個核心的矛盾長期以來困擾著整個產業:性能卓越、應用廣泛的邊射型雷射 (Edge-Emitting Lasers, EELs),卻被長期侷限在體積龐大、成本高昂且不適用於現代自動化產線的傳統 TO-Can 金屬罐式封裝中。

這個瓶頸不僅限制了產品設計的想像力,更阻礙了 EEL 進入大規模、成本敏感的消費性市場。如何突破此一困境?本文將深入探討一種創新的解決方案,它不僅源於光學元件的重新設計,更關鍵的是,它體現了一種跨足光學、半導體製程與高分子材料科學的「整合性解決方案」思維。

第二部分:問題的根源 — 為何傳統方案無法滿足未來需求?

要解決問題,必先理解其根源。傳統 EEL 封裝方案的限制是系統性的。

TO-Can 封裝的時代侷限:

物理尺寸硬傷:

高度動輒達到 15mm,在今日追求極致輕薄的電子產品中,顯得格格不入。

TO-Can 封裝高度約 15mm 且需人工插件,無法相容 SMT 自動化;石英轉向鏡散熱不良且鍍層易脫落,影響 EEL 雷射封裝可靠性

落後的製程:

依賴人工插件與波峰焊,完全無法與當今電子製造業的主流——全自動化表面貼裝技術 (Surface Mount Technology, SMT)——相容。這直接導致了生產效率低落(速度慢5倍)與高昂的勞動及設備成本。

傳統光路轉向方案的不足:

要將側向發光的 EEL 導入 SMT 流程,需要將封裝體改變為 SMD 封裝形式,勢必要將光路轉 90 度。然而,傳統的石英 (Quartz) 轉向鏡方案本身也面臨瓶頸。石英玻璃的導熱性差,不利於高功率雷射的熱管理;同時,其傳統的研磨製程在微縮至次毫米等級時,成本與精度都面臨極限,且反射鍍膜與石英基材的附著力也是一個潛在的可靠性隱憂。

第三部分:解決方案的誕生 — 一個源於「材料思維」的微型元件案例研究

面對上述挑戰,我們沒有將其視為單純的光學問題,而是從更根本的「材料」與「製程」角度出發,進行了多層次的思考。這款「次毫米微型轉向鏡」的誕生,正是此一思維流程的最佳體現。

第一層思考:選擇正確的「基材」— 矽 (Silicon) 我們摒棄了傳統光學領域慣用的石英,轉而選擇了半導體產業的核心材料—矽。這一決策背後的考量是:

優異的熱傳導性: 矽的導熱能力遠勝石英,能有效解決雷射晶片運作時的散熱問題,提升元件的穩定性與壽命。

無縫的製程相容性: 採用矽基材,意味著此元件的製造可完全融入成熟、高產量、高精度的半導體製程,帶來巨大的規模化成本優勢,並確保了客戶能將其無縫整合至現有的 SMT 產線中。

第二層思考:為「自動化生產」而設計 (Design for Manufacturing) 一個元件的價值,不僅在其性能,更在於它能否為客戶的產線帶來效益。我們精心設計了元件的幾何中心,使其能完美匹配自動化取放設備 (Pick-and-Place) 的吸嘴,從而顯著提升貼裝的穩定性與單位小時產能 (UPH)。

矽基次毫米微型轉向鏡優異導熱性與半導體製程相容,專為自動化 Pick-and-Place 設計,提升 EEL SMD 封裝的 UPH 產能

傳統轉向鏡底部設計導致環氧膠材沿邊角爬升污染鏡面;點量抗爬膠幾何設計透過改變接觸角度,有效阻擋膠材爬升維持光學面潔淨

第三層思考:預見並解決「材料交互作用」的挑戰 — 抗爬膠設計 【核心連結點】 這是整個解決方案中最能體現跨領域整合思維的一環,也是將光學元件設計與高分子專業知識深度連結的關鍵。 在精密的固晶 (Die Attach) 製程中,工程師常面臨一個棘手的問題:「爬膠現象」。用於固定晶片的高分子膠材(如環氧樹脂 Epoxy),會因毛細現象沿著傳統石英鏡的尖銳邊角向上爬升,最終污染光學反射鏡面,導致產品直接失效。 這個問題的本質,是固態元件與液態高分子材料之間的交互作用。若缺乏對膠材物理特性與流體力學的深刻理解,便無法從根本上解決。 因此,我們設計了獨特的底座造型,透過改變元件與膠材的接觸角度和介面,徹底抑制了爬膠現象的發生。這項設計的成功,並非偶然,它源於我們對高分子材料行為的預判與掌握。一個優秀的元件設計,必須預先考慮到它在真實產線上與其他材料(如膠材)的交互作用。這正是點量「材料科學為本」的設計哲學體現。

第四部分:成果與展望 — 賦能產業的世代升級

透過這種整合性的設計思維,我們不僅僅是創造了一個元件,更是為產業提供了一把解鎖未來的鑰匙。導入此技術所帶來的效益是革命性的:

比較項目 傳統 TO-Can 封裝 採用微型反射器的SMD封裝 改善係數
封裝高度 ~15mm ~1mm 縮小 15 倍
支架材料成本 5x (相對值) 1x (相對值) 成本降至 1/5
後段生產方式 人工插件 / 浸錫銲接 全自動 SMT 製程世代升級
生產速度 1x (相對值) 5x (相對值) 速度提升 5 倍
設備成本 3x (相對值) 1x (相對值) 投資降至 1/3

資料來源:點量公司內部研究整理

EEL 從 TO-Can 封裝升級為矽基微型轉向鏡 SMD 封裝的效益對比:封裝高度縮小 15 倍、材料成本降至 1/5、生產速度提升 5 倍、設備投資降至 1/3

這個微型轉向鏡,已不僅是一個被動元件,更是一個關鍵的**「賦能技術 (Enabling Technology)」**,它為整個邊射型雷射產業,打開了進入大規模、低成本、全自動化市場的康莊大道。

第五部分:結論 — 從一個元件,看見解決製造難題的核心能力

回顧整個開發歷程,次毫米微型轉向鏡的成功,完美印證了一種跨領域的整合思維。它不僅是光學設計的勝利,更是對半導體製程、自動化設備,乃至高分子膠材行為深刻洞察的結晶。

如同我們在微型轉向鏡設計中對「抗爬膠」問題的精準解決,點量公司的核心專長,正在於深入理解並客製化開發適用於各種先進封裝與精密組裝的「高分子膠材配方」。

我們相信,真正有價值的創新,源於從根本上解決客戶在真實製造環境中遇到的難題。無論您是在尋求突破性的光電封裝方案,還是在為您的產品尋找能提升良率與信賴性的客製化膠材,我們都將以同樣的「材料科學為本」的思維,為您提供從源頭解決問題的方案。