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(dá)到7億美元，而隨著對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的需要以及5G技術(shù)的逐步普及，預(yù)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(shù)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(dǎo)體激光技術(shù)中有重大突破。

Yole預(yù)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(fù)合年增長率達(dá)31%。市場數(shù)據(jù)無疑證明了VCSEL是光子市場增長最快的細(xì)分領(lǐng)域之一。

資料來源：Yole

一、VCSEL激光器

VCSEL本質(zhì)上是一種半導(dǎo)體激光器，激光器是用來發(fā)射激光的裝置，而半導(dǎo)體激光器則是以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)發(fā)射激光的器件，根據(jù)激光芯片的結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)耦合且耦合效率也會高的多

（2）垂直出光更易于實(shí)現(xiàn)二維平面和光電集成

（3）閾值電流低

（4）光電轉(zhuǎn)換效率高

（5）使用壽命長

（6）調(diào)制能力強(qiáng)

（7）能夠與大規(guī)模集成電路進(jìn)行集成

（8）無須解理，封裝后即可進(jìn)行在片實(shí)驗(yàn)

（9）在很寬的溫度和電流范圍內(nèi)都以單縱模工作

VCSEL在傳感器應(yīng)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(jié)構(gòu)更加簡單、體積更小、距離更加精準(zhǔn)。

二.VCSEL應(yīng)用趨勢

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

1、手機(jī)市場加持

TOF是目前主流的三種 3D Sensing技術(shù)路線之一，另兩個分別為雙目立體成像和結(jié)構(gòu)光，目前已經(jīng)比較成熟的方案是結(jié)構(gòu)光和 TOF。TOF因具有結(jié)構(gòu)簡單、模組尺寸更小、探測距離更遠(yuǎn)、材料成本更低優(yōu)勢迅速成為在移動端被眾人普遍認(rèn)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(biāo)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(xué)傳感器”，而到iPhone X不僅延續(xù)了上述應(yīng)用，更是在前置的人臉識別模組上共同運(yùn)用3D結(jié)構(gòu)光和TOF光學(xué)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(shù)在智能手機(jī)上的應(yīng)用前景。但事實(shí)上，5G為VCSEL行業(yè)帶來的遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)用的飛速增長刺激下，車用激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)需求無疑將再添新高。

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

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

三、VCSEL封裝

VCSEL的芯片轉(zhuǎn)化效率低導(dǎo)致其存在嚴(yán)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(zhì)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(dǎo)致的應(yīng)力問題。而DPC陶瓷電路板使金屬邊與陶瓷基板緊密結(jié)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(jié)構(gòu)是垂直結(jié)構(gòu)，DPC陶瓷電路板具有獨(dú)特的高解析度、高平整度及高可靠垂直互聯(lián)等技術(shù)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(shè)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(chǎn)品，其材質(zhì)均為無機(jī)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(shù)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(jìn)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(jìn)行電鍍增厚，在薄膜金屬化的陶瓷板上采用影像轉(zhuǎn)移方式制作線路，再采用電鍍封孔技術(shù)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(dǎo)熱、高絕緣、高線路精準(zhǔn)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(dú)有優(yōu)點(diǎn)已使其成為光電子應(yīng)用中的關(guān)鍵器件，有強(qiáng)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(zhuǎn)換效率，低工作電壓，高調(diào)制帶寬和高產(chǎn)額。

相信在3D傳感、5G通信等多領(lǐng)域的需求推動下，及各廠商的研發(fā)投入及經(jīng)驗(yàn)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(yīng)用領(lǐng)域。