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貼片式邊射型雷射(SMD LD)即將迎來應用大爆發

雷射二極體發展半世紀以來,產品及用途大致上可依其波長的不同而分類;波長小於 700nm 者的產品包含 DVD、AOC、RVD-ROM、雷射筆及條碼等;波長介於 750~980nm 且功率小於 100 mW 的產品包含 Audio-CD、CD-ROM、 CD-R/RW 及雷射印表機;功率介於 100 mW~10W 的其主要用於醫學用途, 產品包含 SSL Pumps、EDFA Pumps 及 Multimode;功率大於 10W 的其主要 用於工業及醫學用途,產品包含 SSL Pumps 及 Multistripe Bars;波長介於 980~1550nm 主要為光通訊及 EDFA Pumps;另外 Array 主要用於醫學、工業、 國防及 SSL Pumps。

下圖為全球LD市場規模的統計表:

▲ 圖一 2020~2025年全球雷射產值預估 資料來源:Strategies Unlimited (2020/04)


我們觀察到,近來不少新興產業帶動雷射產業的全新應用發展,例如虛擬實境感測,穿戴式光療裝置、實時監測等,這些新應用需求的趨勢特點是穿戴式設備、微型化等。然而既有雷射封裝體普遍為 TO 封裝形式,尺寸體積動輒為數公分,而且生產時仍需以人工插件方式進行,極不利於新應用的發展所需。

讓我們由另外一個視角來觀察雷射產業發展進程,發光二極體與雷射二極體結構上非常相近,大約也在相同的時間開始發展。發光二極體發展進程如下:

  • 第一階段是專注在磊晶技術的開發,改善晶體品質,調整量子井結構,提高光電轉換效率,促使亮度提升。

  • 第二階段研發量能轉向投注在製程開發,發展出許多慧心巧思的製程方法,例如表面粗化,錐狀晶粒結構等,提高光擷取效率。

  • 第三階段則是開發封裝應用,從一開始的插件式lamp,再發展出貼片式封裝,並且將散熱設計及透鏡整合進封裝結構,根據不同應用需求展開型式多樣的貼片封裝,於是發光二極體市場蓬勃發展。貼片式封裝也漸漸成為半導體元件的主流封裝。

熟知半導體製程的讀者們應該也意識到,這樣的發展歷程與矽半導體發展的過程也是高度相似,由早期微米製程進展到奈米節點製程,摩爾定律的進展逐漸難以維持,最新的研發重點逐漸轉向先進立體封裝。

雷射二極體的發展模式和發光二極體非常類似,但到第三階段則幾乎停滯,仍以TO CAN為主要封裝型式,而TO CAN是為插件式,是舊一代的封裝,上電路板須人工作業,組裝成本高。雖然有面射型雷射二極體面世,可直接使用發光二極體的貼片式封裝,但面射型雷射的光源模態和功率無法同時兼得,限制了其應用範圍。且邊射型雷射有制式成熟的光學透鏡模組,是面射型雷射難以企及的優勢。


▲圖二、雷射二極體TO CAN封裝


▲圖三、發光二極體貼片式封裝

近來,照明應用也開始混合使用雷射二極體和發光二極體,例如長距監控照明,光療照明等,表示雷射二極體有機會取代一部分發光二極體。若雷射二極體有方便使用的封裝型式,甚至和發光二極體相同的封裝,那可預期雷射二極體將會更容易打開照明應用。

本公司開發的開發的次毫米微型轉向鏡使得邊射型雷射得以實現輕薄短小的 SMD LD形式封裝,相較傳統 TO 封裝體,體積將大幅下降為原有的 1/10。預期不久的將來,新物種SMD LD 將如同發光二極體 (LED)產業一樣,由於雷射封裝結構上的創新,將迎來一波雷射應用大爆發。


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