随着数据中心对于数据传输带宽与传输速率需求的持续提升，传统的铜缆电气连接已经无法满足高带宽、低延迟的需求。因此，光通信技术因其具备的高带宽、远距离传输能力、低功耗以及抗干扰性等优点，逐渐成为数据中心内部机柜之间乃至数据中心间数据传输的主要方式。但由于光路必须保持透明，光元件和器件对潮湿敏感，且对散热要求高，数据中心内保障数据传输的关键组件光模块大需要可靠性极高的封装。而先进陶瓷作为一类化学稳定好、机械强度高、导热性能良好的高性能材料，在光模块封装领域展现出了独特的优势。

一、陶瓷封装基板、管壳、基座

芯片的封装通常可分为气密性封装和非气密性封装两种方式，其中气密性封装是指将电子组件完全密封在一个充满惰性气体且不透气的外壳内，以防止空气中的水分、氧气以及其他污染物进入封装体内部，避免了器件内部的氧化、腐蚀以及其他形式的降解，能够确保器件的长期稳定性和可靠性。因此，光纤骨干网、城域网、宽带接入、物联网和数据中心等系统的光电发射及接收、光开关、控制等对可靠性要求较高的光通信器件和模块都需要用到气密性封装。

气密性封装材料主要有金属、陶瓷、玻璃等，其中陶瓷材料具有绝缘性能好、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻、导热性能好等特点，除了可提供优异性的气密性外，还能够有效地将热量从光模块内部传导至外部冷却系统，从而保持内部组件的工作温度在一个安全范围内，并满足高频高速信号传输的综合性能，因此陶瓷封装基板、管壳及基座等陶瓷产品是光器件气密性封装的首选材料。目前，光通信用陶瓷产品常常需要进行金属化，将其制备成多层共烧陶瓷（HTCC）绝缘结构，以此为器件提供电信号传输通道和光耦合接口，提供机械支撑和气密保护，解决芯片与外部电路互连，实现高速率电信号和光信号的转换、耦合和传输。

陶瓷基板（图源：网络）

陶瓷封装管壳（图源：网络）

陶瓷封装基座（来源：新纳陶瓷）

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二、陶瓷热沉

半导体激光器等光器件在工作时，并不会将注入电流完全转换成输出光电子，一部分将会以热量的方式作为能量损耗。而随着AI技术以及5G通信的发展，单个光模块的功率也越来越大，越容易积攒大量的热量，如果这些热量无法及时排除，将会对元器件性能产生诸多不利影响。

一般来说，器件的有两种散热途径，一是由周围空气的自然对流进行散热，但这种方式这能散发小部分热量，因此剩余的大部分热量需要通过热传导的方式散热，将热量由温度高的一端传递到温度低的一端。而热沉就是进行热量传递的重要载体，属于散热技术的关键核心部件。目前热沉通常采用陶瓷、钨铜合金、金刚石等材料制备，并通过自身的结构设计（如鳍片、肋条等）增加散热面积，以此达到为器件快速散热的目的。其中，氮化铝、氧化铍、碳化硅等陶瓷材料与Si、InP、GaAs等半导体材料的热膨胀系数较为匹配，在半导体激光器中得到了广泛应用。

氮化铝陶瓷热沉（来源：青岛沃晟微电子有限公司）

三、陶瓷插芯及套筒

光纤连接器是光纤通信系统中不可缺少的无源器件，主要用于光纤线路的连接、发射机输出端口/光接收机输入端口与光纤之间的连接、光纤线路与其他光器件之间的连接等。为了使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中，需要使用精密设计（成品精度需达到亚微米级）的插芯并配合陶瓷套管来固定光纤，实现光纤的两个端面的物理对接，使光信号可以连续而形成光通路。

目前，可用于制备插芯的材料有陶瓷、金属或塑料，其中以二氧化锆制备而成陶瓷插芯应用较广，主要材质是二氧化锆（ZrO₂），具有热稳定性好，硬度高，熔点高，耐磨，加工精度高等特点。

陶瓷插芯（来源：潮州三环）

四、微型半导体制冷片

随着光模块功率越来越大，为了保证光器件有效散热，除了可采用热沉片进行被动散热外，某些大功率光器件还需要采用一些主动手段对其进行散热，MicroTEC（微型半导体制冷片）就是是光芯片精准控温的有效解决方案。

MicroTEC（来源：铋盛半导体）

典型的半导体制冷片器由两个陶瓷基板构成的导热绝缘层以及陶瓷基板之间的p 型和 n 型半导体材料（碲化铋）组成。当直流电通过这些半导体元件时，会在接点处产生热能与冷能的转移，即在一侧会吸收热量并冷却，而另一侧则会释放热量并升温，从而实现制冷或加热的效果。通常，半导体制冷片中两侧的陶瓷基板主要是用于给冷热端面提供良好的冷热传导，并使模块内的电气元件与模块热侧的散热器和冷侧被冷却的物体绝缘，目前常采用Al2O3（氧化铝）、BeO（氧化铍）、AlN（氮化铝）等材料。

小结

随着数据中心和高性能计算（HPC）系统在人工智能（AI）智能设备中的广泛应用，光模块的作用变得愈加重要。而由于优异的化学稳定性、机械强度以及导热性能，包括封装基板、封装管壳、陶瓷插芯、半导体制冷器等陶瓷产品在光模块的不同的组件都发挥着关键作用，其需求将会随光模块的发展而得到一定提升。

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