全球市場最新研究報告顯示，2020年全球5G物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模即將達到7億美元，而隨著對物聯(lián)網(wǎng)設備的需要以及5G技術的逐步普及，預計到2025年，市場數(shù)據(jù)將成倍增長至63億美元。

隨著5G物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與普及，3D Sensing和傳感技術即將迎來一輪極速成長。而VCSEL作為3D Sensing和傳感系統(tǒng)的核心器件，無疑是會在半導體激光技術中有重大突破。

Yole預計VCSEL市場將從2019年的12.47億美元增長到2024年的37.75億美元，復合年增長率達31%。市場數(shù)據(jù)無疑證明了VCSEL是光子市場增長最快的細分領域之一。

資料來源：Yole

一、VCSEL激光器

VCSEL本質上是一種半導體激光器，激光器是用來發(fā)射激光的裝置，而半導體激光器則是以半導體材料為工作物質發(fā)射激光的器件，根據(jù)激光芯片的結構，半導體激光器可分為邊發(fā)射激光器（EEL）和垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。

VCSEL相較于EEL有如下優(yōu)勢：

（1）圓形光斑更易于與光纖實現(xiàn)耦合且耦合效率也會高的多

（2）垂直出光更易于實現(xiàn)二維平面和光電集成

（3）閾值電流低

（4）光電轉換效率高

（5）使用壽命長

（6）調制能力強

（7）能夠與大規(guī)模集成電路進行集成

（8）無須解理，封裝后即可進行在片實驗

（9）在很寬的溫度和電流范圍內都以單縱模工作

VCSEL在傳感器應用也展現(xiàn)了其優(yōu)異的性能，相比早期3D攝像頭系統(tǒng)使用的LED光源，結構更加簡單、體積更小、距離更加精準。

二.VCSEL應用趨勢

由于紅外線元件應用市場逐步增長，帶動現(xiàn)階段終端手機3D感測技術、車用光達與光纖傳輸?shù)呐畈l(fā)展

1、手機市場加持

TOF是目前主流的三種 3D Sensing技術路線之一，另兩個分別為雙目立體成像和結構光，目前已經(jīng)比較成熟的方案是結構光和 TOF。TOF因具有結構簡單、模組尺寸更小、探測距離更遠、材料成本更低優(yōu)勢迅速成為在移動端被眾人普遍認可。

TOF的其工作原理是通過以VCSEL激光源作為發(fā)射端向目標發(fā)射連續(xù)的紅外光線，再由以紅外CIS作為接收端接收物體傳回的光信號。

蘋果早在iPhone 7的后置主攝像頭模組上配置了一顆“TOF光學傳感器”，而到iPhone X不僅延續(xù)了上述應用，更是在前置的人臉識別模組上共同運用3D結構光和TOF光學傳感器組件，把VCSEL TOF直接推向了一個高峰。

VCSEL廠商普遍看好ToF技術在智能手機上的應用前景。但事實上，5G為VCSEL行業(yè)帶來的遠遠不止這些。

2、汽車市場崛起

全球自動駕駛的浪潮奔涌下，更受中央政治局常委會提出“新基建”應用的飛速增長刺激下，車用激光雷達產業(yè)需求無疑將再添新高。

相比目前價格昂貴的機械式激光雷達來說，VCSEL的固態(tài)激光雷達可以比較好的實現(xiàn)車載需要的性能。VCSEL的固態(tài)激光雷達具有更高的可靠性、穩(wěn)定性并尺寸小型化，為汽車領域大規(guī)模應用激光雷達奠定了基礎。

VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲和光通信應用的核心器件，應用在光并行處理、光識別、光互聯(lián)系統(tǒng)、光存儲等領域。隨著工藝、材料技術改進，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領域的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，逐漸應用于工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設備等商業(yè)級應用以及3D感知等消費級應用。

三、VCSEL封裝

VCSEL的芯片轉化效率低導致其存在嚴重散熱問題，想要解決這個問題那我們就需要從根本——芯片材質著手，而傳統(tǒng)線路板FR-4和FE-3顯然是無法滿足這一要求的，陶瓷板材則一直以其散熱性能作為主打優(yōu)勢，自然是能夠很好地解決VCSEL的散熱差問題。

VCSEL的功率密度很高，陶瓷電路板具有與VCSEL高匹配的熱膨脹系數(shù)，從而解決則芯片和基板熱膨脹失配導致的應力問題。而DPC陶瓷電路板使金屬邊與陶瓷基板緊密結合，避免了后期組裝過程中額外的粘貼工序、配位精度等問題，以及膠水老化帶來的可靠性問題。

VCSEL的結構是垂直結構，DPC陶瓷電路板具有獨特的高解析度、高平整度及高可靠垂直互聯(lián)等技術優(yōu)勢更適用于其垂直共晶焊接，消除了LTCC、HTCC等厚膜基板尺寸精度不高，線路粗擦等缺陷。

VCSEL是需要把透鏡架設到芯片上方，即基板是需要做成三維腔室，斯利通陶瓷電路板不僅可以做出平面電路板更是可以做出三維電路板——圍壩產品，其材質均為無機陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)匹配，制備過程中不會出現(xiàn)脫層、翹曲等現(xiàn)象。

DPC薄膜技術的陶瓷電路板幾乎滿足了VCSEL的封裝要求。斯利通DPC陶瓷電路板又稱直接鍍銅陶瓷電路板，主要用蒸發(fā)、磁控濺射等面沉積工藝進行基板表面金屬化，先是在真空條件下濺射鈦然后再濺射銅顆粒，再進行電鍍增厚，在薄膜金屬化的陶瓷板上采用影像轉移方式制作線路，再采用電鍍封孔技術形成高密度雙面布線間的陶瓷電路板。

DPC陶瓷基板具備了高導熱、高絕緣、高線路精準度、高表面平整度及熱膨脹系數(shù)與芯片匹配等諸多特性，在高功率VCSEL元件封裝中迅速占據(jù)了重要地位。

四、VCSEL—未來可期

VCSEL的高速發(fā)展和獨有優(yōu)點已使其成為光電子應用中的關鍵器件，有強大的生命力。近年來，性能優(yōu)異的VCSEL不斷被研究發(fā)展，主要涉及其低閾值電流，高輸出功率，高電光轉換效率，低工作電壓，高調制帶寬和高產額。

相信在3D傳感、5G通信等多領域的需求推動下，及各廠商的研發(fā)投入及經(jīng)驗積累下，全球采用陶瓷電路板封裝VCSEL芯片將會取得長足發(fā)展，并拓展越來越多的應用領域。