KR100216523B1 - 전기흡수변조기 모듈 구조 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 장치의 패키징 및 제작 방법에 관한 것으로써, 전기흡수변조기 모듈 구조 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 종래기술에서는 실제입력신호가 변조기로 전달될 수 있도록 하기 위하여 매우 정교한 패키지의 설계 및 제조 방법이 요구되고, 10Gbps 이상의 초고속의 비트율에서는 설계 및 제조방법에 따라서 그 특성이 크게 좌우되며, 또한, 본딩와이어의 길이에 의해 발생하는 기생 인덕턴스로 인하여 입력신호의 열화를 가져 올 수 있는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에서는 전송선으로부터 들어온 입력 신호가 전기흡수변조기의 p-측 전극에 도달하게 하고 전기흡수변조기를 통하여 접지로 들어가게 되어 있고, 동시에 한쪽이 접지가 된 50Ω 매칭저항에도 연결되어, 전기흡수변조기와 매칭저항이 병렬로 연결되는 구조를 제공함으로써, 와이어본딩을 최소한의 길이로 제한할 수 있고, 또한 동시에 50Ω 매칭이 될 수 있는 것이다.
Description
본 발명을 광통신의 광송신 기술에 응용되는 광송신 모듈의 일종인 전기흡수변조기 모듈의 구조 및 제작에 관한 것이다.
이 분야의 종래의 기술은 50Ω 매칭 저항을 전송선과 같은 기판에 올려놓고 전기흡수변조기에 신호가 도달하기 전에 매칭저항을 통하게 되었으므로 실제입력 신호가 전기흡수변조기에 도달할 수 있지 못하는 단점이 있었다. 본 발명은 구조를 바꿈으로써 이것을 해결하게 되었다.
본 발명의 고조로서는 와이어본딩 개소는 3군데가 되지만 기존의 전송선 상에 50 매칭로드를 구현한 경우보다 훨씬 더 향상된 소신호변조대역폭을 가질 수 있을 뿐만 아니라 입력반사계수도 최소화할 수 있어서 10Gbps 이상의 초고속 전송용 전기흡수변조기 모듈 패키지의 제조방법을 제공할 수 있다.
제1a도는 윗면이 p-측인 전기흡수변조기의 평면도.
제1b도는 제1a도의 측면도.
제2a도는 윗면이 Au-Sn 솔더로 덮혀 있고, 나머지 면이 모두 급속화(metalized)도니 다이어몬드 기판의 평면도.
제2b도는 제2a도의 측면도.
제3a도는 전송선의 평면도.
제3b도는 임피던스 매칭을 위한 매칭로드의 평면도.
제4a도는 전송선, 매칭로드, 전기흡수변조기를 올려놓는 금속안장의 평면도.
제4b도는 제4a도의 측면도.
제5a도는 금속안장에 전송선, 매칭로드, 전기흡수변조기를 조림한 후 평면도.
제5b도는 제5a도의 측면도.
제6a도는 전기흡수변조기의 p 측과 매칭로드를 연결하고, 전기흡수변조기의 p 측과 입력 전송선을 연결하고, 입력 전송선과 매칭로드를 연결한 후의 평면도.
제6b도는 제6b도의 측면도.
제7a도는 완성된 전기흡수변조기 모듈에 SMA 또는 K-커넥터를 부착한 평면도.
제7b도는 제7a도 측면도.
제8도는 본 발명의 실시예에 따른 전시흡수변조기의 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : p-측 전극 2 : 전기흡수변조기
3 : 활성부분
4 : n-측 전극 및 다이본딩을 위한 금속화막
5 : 다이어몬드 기판
6 : 다이어몬드 기판의 다이본딩부분
7 : 다이어몬드 기판의 측면 금속화 부분
8 : 다이어몬드 기판의 윗면의 금속화 부분
9 : 전송선 10 : 전송선의 박막화 금속
11 : 매칭 로드 12 : 박막저항
13 : 매칭로드의 와이어본딩 패드
14 : 비아 구멍(via hole) 15 : 금속안장
16 : 전기흡수변조기가 올려질 부분
17 : 전송선이 올려질 부분 18 : 매칭로드가 올려질 부분
19∼21 : 제1 내지 제3 본딩 와이어 22 : SMA 또는 K-커넥터
본 발명은 반도체 장치의 패키징 및 제조 방법에 관한 것으로써, 특히 전기흡수변조기의 패키징에 관한 것이다.
전기흡수변조기는 레이저다이오드에서 발생한 장파장의 레이저를 받아들여서 입력된 전기신호에 의해 출력되는 레이저광이 변조되는 구조로 되어 있다. 이러한 전기흡수변조기는 레이저다이오드의 경우와는 달리 입력신호에 대해 순방향으로 접속되어 있고, 바이어스 전압은 역방향으로 가하게 되어 있다. 이 경우 입력임피던스를 50Ω으로 매칭하기 위하여 전기흡수변조기에 대해 평행하게 50Ω의 저항을 달게 됨으로써 가능하다. 그러나 이 경우 실제입력신호가 변조기로 전달될 수 있도록 하기 위하여 매우 정교한 패키지의 설계 및 제조방법이 요구된다. 낮은 비트율에서는 크게 문제될 것이 없지만, 10Gbps 이상의 초고속의 bit rate에서는 설계 및 제조방법에 따라서 그 특성이 크게 좌우된다.
또한, 본딩와이어의 길이에 의해 발생하는 기생인덕턴스로 인하여 입력신호의 열화를 가져 올 수 있다. 본 발명은 이러한 점을 고려하여 와이어본딩을 최소한의 길이로 제한할 수 있는 구조, 또한, 동시에 50Ω매칭이 될 수 있는 구조 및 그 제작방법을 제안하고자 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 전기흡수변조기 모듈의 구조는, 기존의 p-側 上位 구조(p-side up structure)의 전기흡수변조기를 그대로 사용하며, 효과적인 열방출을 위하여 전기흡수변조기의 하부에 다이어몬드 기판(5)을 사용하며, 이 다이아몬드 기판은 6면이 모두 금속화되어 있어서 전기적으로도 전기흡수변조기의 n-측(4)과 연결되어 접지선과 직접 전기적 접속이 가능하게 되어 있는 구조이다. p-측은 전송선의 금속화부분(10)과 와이어본딩되고, 동시에 임피던스 정합을 위하여 매칭로드에도 와이어본딩된다. 또한, 전송선과 매칭로드를 다시 한번 와이어본딩함으로써 매칭로드와 전기흡수변조기와 평행하게 되는 구조가 됨으로써, 전기적으로 폐회로를 구성하게 된다.
이에따른 본 발명의 전기흡수변조기 모듈을 제작하는 공정은 다음과 같다.
먼저, 제1공정을 제1a도 및 제1b도를 참조하여 설명한다.
여기서, 제1a도는 만들어진 일반적인 p-측 상위 전기흡수변조기(2)의 평면도이고, 제1b도는 그에 대한 측면도를 나타낸 것이다.
두께는 0.1㎜ 정도가 되도록 래핑한 다음, p-측(1)은 전송선(9) 및 매칭로드(11)와 연결될 수 있도록 순금으로 금속화되어 있고, n-측(4)은 접지측과 연결될 수 있도록 역시 순금으로 금속화되어 있다. 이때 금속화 두께는 3000Å 정도이고, 그 하부 금속측은 Ti/Pt/Au(=1,500Å/3,000Å/500Å)을 전자빔(E-beam)으로 증착한다.
다음으로, 제2공정을 제2a도 및 제2b도를 참조하여 설명한다.
여기서, 제2a도는 윗면이 Au-Sn 솔더로 덮여있고, 나머지 면이 모두 금속화(metalized)된 다이어몬드 기판의 평면도이고, 제2b도는 그에 대한 측면도이다.
제2공정은 다이어몬드 기판(5)의 제작 과정으로서, 화학증착법(Chemical Vapor Deposition)으로 두께 0.1㎜로 성장시킨 것을 전기흡수변조기보다 가로, 세로가 0.1㎜ 크게 잘라서 사용한다. 다이어몬드의 6면을 모두 순금으로 3000Å정도 증착한 다음, 윗면에 대해 Au-Sn(6)을 증착한다. 다이어몬드 기판의 열전도도는 13W/㎝℃로써 구리의 3.9W/㎝℃ 보다 3배나 높다.
따라서 전기흡수변조기로부터 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.
또한, 다이어몬드 기판 이외에도 탄화실리콘(SiC)기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 제3공정을 제3a도 및 제3b도를 참조하여 설명한다.
여기서, 제3a도는 전송선의 평면도이고, 제3b도는 임피던스 매칭을 위한 매칭로드의 평면도이다.
제3공정은 박만 전송선(9) 및 매칭로드(11)의 제작 과정으로써, 전송선(9)의 경우(제3a도 참조), 두께 0.381㎜의 산화알루미늄 또는 질화알루미늄 가판에 대해 50Ω일때는 기판 금속(10)의 폭이 0.260㎜가 되도록 만든다.
그리고 전송선(microstrip line)이므로 기판의 뒷면은 전 기판에 걸쳐서 순금을 입힌다.
제3b도에 도시된 바와 같이, 매칭로드(11)의 경우, 전송선의 경우와 마찬가지의 선폭을 가지도록 만들되, 와이어본딩이 되는 부분(13) 다음에 곧바로 시트(sheet) 저항 50Ω/□인 TaN를 입혀서 박막저항(12)을 형성시켜 저항이 50Ω±1%가 되도록 트리밍(tri㎜ing)과정을 거친다. 박막저항 이후에는 세로로 긴 모양 또는 원형의 경우는 여러 개의 비아 구멍(14)을 만들어서 접지인 기판의 뒷면과 전기적으로 연결되도록 한다. 물론 뒷면 전체에 순금을 입힌다.
전송선의 구조로는 제3a도에 나타난 바와 같이, 마이크로스트립 라인(microstrip line)으로 할 수 있고, 접지를 갖는 코플라나 도파로(coplanar waveguide with ground)의 구조로도 만들 수 있다.
다음으로 제4 공정을 제4a도 및 제4b도를 참조하여 상세히 설명한다.
여기서, 제4a도는 전송선, 매칭로드, 전기흡수변조기를 올려놓는 금속안장의 평면도이고, 제4b도는 제4a도의 측면도이다.
제4공정은 전송선(9), 매칭로드(11), 다이어몬드기판(5) 및 전기흡수변조기(2)를 올려놓을 수 있는 금속안장(15)의 제조공정이다.
금속안장(15)은 그 재질에 있어서 열전도도가 좋고, 전기흡수변조기의 열팽창계수와 비슷한 금속을 사용하는 데, Kovar 또는 10% Cu - 90% W 합금을 사용하고, 그 모양은 제4a도 및 제4b도에서 보는 바와 같이 만든다.
다이어몬드기판 및 전기흡수변조기가 올려질 부분의 가로 및 세로는 다이아몬드 기판보다 0.1㎜ 크게 만들고, 높이는 전송선 기판의 두께가 0.381㎜인 경우 0.181㎜ 올라오도록 가공하고, 전송선 기판의 두께가 0.635㎜인 경우 0.435㎜ 올라오도록 가공한다. 이것은 후속 공정인 와이어본딩 공정에서 본딩와이어 길이를 줄이기 위하여 다이어몬드기판과 전기흡수변조기의 높이가 전송선 및 매칭로드의 두께와 일치하도록 하여, 전송선 및 매칭로드를 가능한 한 서로 가까이 부착하기 위한 지지대 역할을 한다. 금속안장(15)은 후속 공정인 기판 부착 작업과 전기전도도를 위하여 순금으로 1.2㎛ 이상 도금한다.
다음으로, 제5공정을 제5a도 및 제5b도를 참조하여 설명한다.
여기서, 제5a도는 금속안장에 전송선, 매칭로드, 전기흡수변조기를 조립한 후 평면도이고, 제5b도는 제5a도의 측면도이다.
제5공정은 만들어진 금속안장(15)에 전송선(9), 매칭로드(11), 다이아몬드기판(5)과 전기흡수변조기(2)를 부착시키는 공정이다.
먼저, 다이어몬드기판(5)과 전기흡수변조기(2)를 부착시킨다. 이때 공정온도는 305℃이다. 그런 다음, 다이어몬드 기판(5)과 금속안장(15)과의 부착을 위해 은(銀)이 함유된 에폭시(Epo-Tek 사의 H20E)로 부착시킨다. 이때 경화온도는 150℃ 이며, 경화시간은 5분이다. 그 후, 전송선은 전송선이 올려질 부분(17)에, 매칭로드(11)는 매칭로드가 올려질 부분(18)에 다이아몬드 기판 부착 방법과 동일하게 부착한다. 이때 에폭시를 사용하지 않는 경우는 일반적인 37% Pb - 63% Sn 조성의 땜납을 사용하여 250±5℃에서 부착시킨다.
다음으로, 제6공정을 제6a도 및 제6b도를 참조하여 설명한다.
여기서, 제6a도는 전기흡수변조기의 p 측과 매칭로드를 연결하고, 전기흡수변조기의 p 측과 입력 전송선을 연결하고, 입력 전송선과 매칭로드를 연결한 후의 평면도이고, 제6b도는 제6a도의 측면도이다.
제6공정은 상기 제5공정에서 만들어진 전송선, 매칭로드, 전기흡수변조기에 대해 전기적 연결을 위하여 와이어본딩하는 공정이다.
전기흡수변조기의 밑면(4)(제1b도 참조)은 n-측 전극이고, 금속안장 위에 다이본딩된 형태이므로 접지된 상태에 있다.
제8도의 회로도에 따라 전기흡수변조기의 p-측 전극(1)에서 전송선의 박막금속(10)으로의 와이어본딩(9) 및 매칭로드의 와이어본딩패드(13)에 대한 와이어본딩(19)한다. 또한 전송선의 박막금속(10)에서 매칭로드의 와이어본딩패드(13)를 연결하는 와이어본딩(21)을 다시 실시함으로써 와이어본딩으로 인한 인덕턴스 성분을 줄이고자 한다. 이때 본딩와이어의 크기는 폭 5mil, 두께 1mil 인 리본 와이어를 사용하여 가능한 한 짧게 본딩한다.
이러한 제6공정은 상기 제4공정에서 만들어진 전송선(9)과 상기 제5공정에서 만들어진 금속안장(15)을 부착하고, 신뢰도 검사를 위해 양쪽을 금속화한 산화알루미늄 기판(17)을 금속안장(15)에 부착시키는 공정이다.
그리고 전송선은 금속안장의 낮은 부분에 90%Sn-10%Au의 땜납으로 230℃에서 부착시킴으로써 금속안장이 전기적으로는 접지되도록 한다.
산화알루미늄 기판의 아래쪽은 은 함유 에폭시(Epo-Tek 사의 H20E)로 150℃에서 5분간 경화시킨다. 윗쪽은 제5a도에서 보는 바와 같이, 전송선의 신호선(12)으로부터 와이어본딩(18)한 다음, 산화알루미늄 기판의 다른 쪽 끝에서는 일반 동선(19)을 일반 땜납을 사용하여 납땜하여 금속 안장의 접지와 함께 전기흡수변조기에 전류를 흘릴 수 있는 연결이 된다. 이 두 선으로 전기흡수변조기에 전류를 가할 수 있으려면 전기흡수변조기의 윗면 즉 p-측이 접지와 연결되어야 한다. 이를 위해 와이어본딩(20)을 함으로써 연결한다.
다음으로, 제7공정을 제7a도 및 제7b도를 참조하여 설명한다.
여기서, 제7a도는 완성된 전기흡수변조기 모듈에 SMA 또는 K-커넥터를 부착한 평면도이고, 제7b도는 제7a도의 측면도이다.
제7공정은 상기 제6공정에서 완성된 전송선, 전기흡수변조기, 매칭로드를 포함하는 금속안장(15)에 대해 전송선 반대쪽에 SMA, K-커넥터 등(22)을 연결하면 임피던스, 열 특성 향상을 고려한 초고속 전송용 전기흡수변조기 모듈이 완성된다.
이상과 같은 본 발명은 임피던스 정합을 고려한 전송선 기판을 사용하고, 열 특성 향상을 위해 다이어몬드 또는 탄화실리콘 기판을 사용하고, 매칭로드를 전기흡수변조기와 평행되도록 연결하는 종래 초고속 전기흡수변조기 모듈과 비교하여 간단한 구조로 되어 있으므로 제작이 용이하고, 초고주파 신호에도 잘 적응할 수 있도록 설계되어 있으므로 10Gbps 이상의 초고속 전기흡수변조기 모듈의 제작에 적용하여 생산성을 높일 수 있고, 고성능을 이룩할 수 있는 것이다.
본 발명의 목적은 전기흡수변조기를 조립하여 초고속 전송 모듈을 만듦에 있어서 임피던스 정합을 고려한 전송선을 사용함과 동시에 와이어본딩 길이를 줄임으로써 고주파 특성 향상과 다이어몬드 기판을 사용함으로써 열 특성 향상을 꾀하고 조립 공정의 단순화를 이룩함으로써 제작을 용이하게 하기 위한 것이다.
Claims (9)
- 전송선(9), 매칭로드(11), 다이어몬드 기판(5) 및 p측 전극 상위 구조의 전기흡수변조기(2)를 올려놓기 위해, 상기 다이어몬드 기판(5) 및 전기흡수변조기(2)를 올려놓을 부분의 높이를 본딩와이어 길이를 줄이기 위해 상기 전송선(9) 및 매칭로드(11)의 두께와 일치하도록 하고, 상기 전송선 및 매칭로드를 가능한 한 가까이 부착하기 위한 지지대 역할을 하기 위해 돌출되고, n-측 전극(4)부분이 되는 모양으로 형성된 금속안장(15)과, 상기 금속안장(15)의 돌출부분 상면에 부착되어 상기 전기흡수변조기(2)로부터 발생하는 열을 효과적으로 방출함과 동시에 상기 전기흡수변조기(2)의 밑면에 부착되어 전기적으로 접속되는 다이어몬드 기판(5)과, 상기 금속안장(15) 상면에 전기적으로 접지되도록 땜납에 의해 부착되고, 양면을 금속화한 산화알루미늄기판(17)의 양면에 박막 금속(10)이 부착된 전송선(9)과, 상기 금속안장(15) 상면에 부착되고, 양면을 금속화한 산화알루미늄기판(17)의 양면에 박막금속(10)이 부착되되 상기 양면중 상면에 부착된 금속박막의 중앙부분에 삽입되는 박막저항(12)을 구비하고, 양면에 형성된 박막금속(10)의 일측단을 통과시켜 상기 금속안장(15)과 전기적으로 연결되도록 형성된 비아 구멍(14)을 구비하며, 타측단의 상면 금속박막이 와이어본딩 되는 부분인 패드(13)를 갖는 매칭로드(11)와, 상기 매칭로드(11)의 패드(13)와 상기 전기흡수변조기(2)의 p 측전극(6)을 연결하기 위한 제1 본딩 와이어(19)와, 상기 매칭로드(11)의 패드(13)와 상기 전기흡수변조기(2)의 p 측전극(6)과 입력전송선(9)을 연결하기 위한 제2 본딩 와이어(20)와, 상기 매칭로드(11)의 패드(13)와 상기 입력 전송선(9)을 연결하여 와이어본딩으로 인한 인덕턴스를 줄이기 위한 제3 본딩 와이어(21)와, 및 상기 금속안장(15)에 대해 전송선(9) 반대쪽에 연결되어 임피던스 및 열 특성을 향상시키기 위한 커넥터(22)를 구비한 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 다이어몬드 기판(5) 대신에 탄화실리콘 기판(SiC)을 사용하는 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 비아 구멍(14)은 세로로 긴 모양 또는 원형인 경우 여러개로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 전송선(9)은 마이크로스트립 라인을 사용한 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 전송선(9)은 은함유 에폭시에 의해 상기 산화알루미늄기판(17)의 양면에 박막 금속(10)과 부착된 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 매칭로드(11)와 전기흡수변조기(2)가 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 다이어몬드 기판(5)은 상기 전기흡수변조기(2)보다 가로, 세로의 길이가 소정 길이만큼 큰 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 구조.
- 윗면이 p측 전극(1)이고 밑면이 n측전극(4)인 전기흡수변조기(2)를 준비하는 제1 공정과, 다이어몬드의 6면을 순금으로 증착한 후 그 증착된 면에 소정 두께로 Au-Sn을 증착하여 다이어몬드 기판(5)을 만드는 제2 공정과, 산화알루미늄 또는 질화알루미늄 기판에 박막금속(10)을 마이크로스트립 라인으로 형성하고, 그 기판의 뒷면에 순금을 입힌 소정 폭의 전송선(9)을 만드는 제3 공정과, 상기 전송선(9)과 동일한 선폭을 가지도록 만들되, 와이어본딩되는 부분에 박막저항(12)을 형성시킨 후 상기 박막금속(10)의 일측단을 관통하는 비아 구멍(14)을 형성한 매칭로드(11)를 만드는 제4 공정과, 상기 만들어진 전송선(9), 매칭로드(11), 다이어몬드 기판(5) 및 전기흡수변조기 (2)를 올려놓을 수 있도록 하고, 상기 다이어몬드 기판(5) 및 전기흡수변조기 (2)가 올려질 부분의 가로 및 세로 길이는 다이어몬드 기판(5) 보다 소정 길이만큼 크게 만들며, 그 높이는 전송선 기판의 두께 보다 소정 두께만큼 돌출되도록 가공하여 금속안장(15)을 만드는 제5 공정과, 상기 금속안장(15)에 전송선(9), 매칭로드(11), 다이어몬드 기판(5), 및 전기흡수변조기(2)를 소정 온도에서 에폭시에 의해 부착하는 제6 공정과, 상기 전송선(9), 매칭로드(11), 및 전기흡수변조기(2) 상호간을 전기적으로 연결시키기 위해 와이어본딩하는 제7 공정과, 상기 제6공정에서 형성된 금속안장(15)에 산화알루미늄 기판(17)을 부착시키는 제8 공정과, 및 상기 전송선(9), 전기흡수변조기(2), 매칭로드(11)를 포함한 금속안장(15)에 대해 전송선 반대쪽에 커넥터를 연결하는 제9 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 제작방법.
- 제8항에 있어서, 상기 제6 공정은 은이 함유된 에폭시를 이용하는 것을 특징으로 하는 전기흡수변조기 모듈 제작방법.
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|---|---|---|---|
| KR1019960061302A KR100216523B1 (ko) | 1996-12-03 | 1996-12-03 | 전기흡수변조기 모듈 구조 및 그 제작방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019960061302A KR100216523B1 (ko) | 1996-12-03 | 1996-12-03 | 전기흡수변조기 모듈 구조 및 그 제작방법 |
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| KR19980043444A KR19980043444A (ko) | 1998-09-05 |
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ID=19485553
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