KR100452136B1 - 광도파로가 매몰된 다층 광기판에서 광연결봉을 이용한광연결 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 반도체 칩이 실장되고 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결이 이용되는 다칩 모듈 구조의 다층 보드간 신호 전송에 있어 광연결봉을 이용한 광연결 구조에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 반도체 칩 주변에 어레이로 형성된 광원 및 포토다이오드 등과 같은 광송/수신부와 광기판에 접착 형성된 광연결봉 어레이와 광기판속에 매몰된 광도파로 어레이를 통하여 신호를 송/수신할 수 있도록 한 다층 또는 층간 광연결 구조를 구현한다. 따라서 상기 광연결 구조에서는 광연결봉의 길이를 조절하거나 광연결봉의 반사면에 방향을 적절히 조절함으로써 광도파층을 선택하여 빛을 전송시킬 수 있으며, 광송/수신부에서 출사 및 입사되는 광의 손실을 최소화할 수 있다. 또한 광경로의 정렬 정밀도를 높일 수 있는 광도파로에의 광연결의 효율을 극대화할 수 있으며, 회로 기판에 광소자 구동회로 소자와 광소자들을 플립 칩 본딩 방법으로 인쇄회로기판에 부착하여 광모듈의 패키징을 쉽게하고 광부품의 정렬 오차를 극소화할 수 있다.

Description

광도파로가 매몰된 다층 광기판에서 광연결봉을 이용한 광연결 구조{ARCHITECTURE OF OPTICAL INTERCONNECTION USING OPTICAL CONNECTION RODS IN WAVEGUIDE-EMBEDDED MULTI-LAYER CIRCUIT BOARD}

본 발명은 광연결 패키징에 관한 것으로, 특히 다수의 반도체 칩이 실장되고 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결이 이용되는 다칩 모듈 구조의 다층 보드간 신호 전송에 있어 광연결봉을 이용한 광연결 구조에 관한 것이다.

통상적으로 다칩 모듈(MCM: Multi-Chip-Module)이라 함은 하나의 회로 기판에 2개 이상의 반도체 칩이 실장되어 하나의 시스템 빌딩 블락을 형성하는 패키지를 의미한다.

한편, 현재 사용되고 있는 마이크로 프로세서, 메모리 같은 반도체 칩들이 여러개 실장되어 있는 다칩 모듈의 PCB에서는 칩간 신호 전송에 있어서 전기적 배선을 통해서만 이루어지기 때문에 칩간 전송속도가 높아지는 경우 신호간섭과 신호지연으로 인해 전송거리에 제한이 발생되어 배선의 밀도가 높고, 많은 수의 상대적으로 거리가 긴 배선을 필요로 하는 차세대의 고속 병렬 컴퓨터 시스템 등에는 더 이상 전기적 배선의 적용이 어려운 문제점이 있었다.

이를 위해 종래에는 전기적 배선의 문제점을 해결하기 위해 다칩 모듈의 칩간을 광선로로 연결하는 방법들이 시도되어 왔는데, 이는 상기 광연결이 대역폭이 넓고 크로스토크 및 신호간 간섭에 둔감하며, 칩간에 고속의 신호 전송이 가능하고 배선 밀도를 증가시킬 수 있으며, 또한 시스템의 전력소모, 크로스토크, 전자기적 간섭을 줄일 수 있는 등 전기적 배선을 이용하여 신호를 전송하는 경우 발생하는 많은 문제점을 해결할 수 있기 때문이다.

그러나 종래 전기적 배선 대신에 PCB상에 광도파로를 통해 칩간 광선로를 연결하는 광배선 구조에서는 광소자와 광PCB간의 연결에 있어 주로 광의 집속을 위한 집속렌즈를 사용하고 있으며, 실리콘 광학 벤치나 BGA(Ball Grid Array)를 이용한 정밀 정렬을 시도하고 있어, PCB상에 광도파로를 적층시 정렬이 불안정하게 되며, 또한 렌즈-광원소자, 렌즈-광도파로간 정렬이 불안정하게 되는 문제점이 있었다. 또한 상기 정밀 정렬을 위해 실리콘 광학 벤치를 사용하는 경우에는 정밀한 정렬을 위해 과도한 비용이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 다수의 반도체 칩이 실장되고 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결이 이용되는 다칩 모듈 구조의 다층 보드간 신호 전송에 있어 광연결봉을 이용한 광연결 구조를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광도파로가 매몰된 다층 광기판에서 광연결봉을 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서, 상기 광기판의 전기 배선면에 형성되며, 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 광원 어레이와; 상기 표면 방출 광원 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과; 상기 전기 배선면에 형성되며, 상기 표면방출 광원 어레이로부터 출사된 변조광을 수광하는 광검출기 어레이와; 상기 전기 배선면과 광도파로를 연결하는 관통 구멍에 삽입되며, 한쪽 끝이 경사진 반사면을 구비하여 상기 표면방출 광원 어레이에서 출사된 변조광을 경사진 반사면에서 반사시켜 광도파로 어레이에 입사시키고, 상기 광도파로 어레이를 통해 도파된 광을 경사진 반사면에서 반사시켜 상기 광검출기 어레이로 제공하는 광연결봉 어레이와; 상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 칩간 광연결 구조의 수직 단면도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 회로 기판간 광연결 구조의 수직 단면도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광기판의 관통 구멍을 도시한 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 다양한 광연결봉 형태를 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광연결봉을 이용한 반도체 칩간 광연결 구조의 수직방향 단면도를 도시한 것이다.

상기 도 1을 참조하면, 광연결을 가지는 다칩 모듈(100)은 광원 어레이(102) 및 광원소자를 구동하기 위한 칩(104)과 전기적 회로기판(106)과 광도파로 어레이(108)가 다층으로 이루어져 있는 광기판과, 광원에서 발진된 광이 광도파로 어레이(108)에 전송되도록 광기판의 다른 한 쪽면에 형성된 광연결봉 어레이(110)와, 광연결봉 어레이로부터 입사되는 광을 수광하는 포토다이오드 어레이(112) 및 광신호를 다시 전기적 신호로 복원하는 광수신기 회로 칩(114)과 이러한 반도체 칩을 광기판에 플립 칩 본딩을 할 수 있도록 하는 솔더 범프(116)를 포함하여 구성된다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광연결봉을 이용한 반도체 칩간 광연결 구조의 수직방향 단면도를 도시한 것이다.

상기 도 2를 참조하면, 광원소자(102) 및 포토 다이오드(112)의 구조상 2차원적 어레이로 인한 광전송 경로의 복잡성을 해결할 목적으로 각기 다른 층의 광기판 사이에 매몰된 광도파로(105)에 간의 광연결을 위한 광연결봉(112)을 광도파로(105)에 접착시킬 수 있다. 여기서, 각기 다른 층의 광도파로간 광연결을 위한 광연결봉(112)은 연결봉의 양쪽에 경사진 반사면(111)을 가진다. 두 개의 경사진 반사면(111)은 광의 경로에 따라서 서로 반대방향, 수직방향, 동일한 방향으로 이루어질 수 있다.

광원 어레이(102)로는 수직 공진형 표면방출 레이저(Vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL) 어레이 및 발광 다이오드(LED) 어레이를 이용하며, 포토 다이오드 어레이(112)로는 MSM 포토 다이오드 또는 p-i-n 포토 다이오드를 이용한다. 상기에서 광원은 광기판 방향으로 광을 출사하는 구조(Top-emitting structure)를 가지며, 포토 다이오드 어레이는 광기판 방향에서 광이 입사되는 구조(Top-illuminated structure)를 갖는다. 광원 어레이(102)에 전송되는 전기적 신호나 포토다이오드 어레이(112)로 전송되는 전기적 신호를 송출 및 입출하는 반도체 칩은 마이크로 프로세서(Micro Processor Unit), 메모리 등과 같은 반도체 칩일 수 있다.

상기 구조에서 광기판속에 매몰되어 있는 광도파로 어레이(105)에는 광 파장에서 광도파 손실이 적고, 열적, 화학적 안정성이 우수한 폴리이미드(Polyimide)계 고분자, 비정질 Si₃N₄, SiO₂-TiO₂유리 등과 같은 재료로 만들어지는 다모드(Multimode) 광도파로 어레이를 쓸 수 있다. 또한, 광도파로의 클래딩(107)은 광도파로(105)에 광을 구속시킴과 동시에 광도파로를 보호하는 역할을 수행하며, 광도파로 물질보다 굴절율이 작은 물질로 이루어진다. 광도파로(105)를 감싸고 있는 회로 기판은 전기적 신호를 전달할 수 있는 전기적 회로를 갖는다. 이러한 광기판(108)과 회로 기판(PCB)(106)을 다층으로 구성할 수 있으며, 하나의 회로 기판에서 다양한 반도체 칩을 실장할 수 있다.

상기 구조에서 광원과 포토다이오드간 광전달을 위해 형성된 광도파로(105)에 광을 연결할 수 있는 광연결봉 어레이(110)는 광전달에서 광손실이 적고, 열적, 화학적 안정성이 우수한 실리카 광섬유, 플라스틱 광섬유, 유리, 플라스틱 소재 등과 같은 재료로 만들어진다. PCB 회로기판(106)과 광도파로 어레이(105)로 이루어진 다층 광기판(108)에 접착된 광연결봉 어레이(110)는 도 3에서 보여지는 바와 같이, 광기판(108)에 형성된 원기둥 또는 사각형의 형태를 가진 관통구멍(110)에 삽입하여 광도파로 어레이(105)에 연결된다. 상기에서 광연결봉 어레이(111)의 길이를 조절함으로써 1층, 2층 및 다층의 광도파로 어레이(105)에 연결시킬 수 있게 된다. 광연결봉 어레이(111)와 광도파로 어레이(105)와 정확한 연결을 위해서는 광연결봉의 길이가 PCB기판(106)과 광도파로 어레이(108)의 두께를 고려한 값으로 결정된다.

PCB 회로 기판(106)과 광도파로 어레이(105)로 이루어진 광기판(108)에 형성되어 광기판(108)을 따라 평면 방향으로 광신호를 전송하는 광도파로 어레이(105)는 광연결봉 어레이(111)의 대향면에 형성되며, 광연결봉 어레이(112)의 광도파로 어레이(105) 대향면쪽은 경사진 각도로 절단된 반사면(113)을 가진다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 광연결봉 어레이의 형태도를 도시한 것으로, 상기 도 4a에는 광원 어레이로부터 광도파로 어레이 간 연결을 위한 광연결봉 어레이를 도시하였으며, 도 4b에는 광도파로 어레이 간 연결을 위한 광연결봉 어레이를 도시하였다. 이하 상기 도 4a 및 도 4b를 참조하면,

광연결봉 어레이의 경사진 반사면(200)에는 반사효율을 증대시키기 위해 Ag, Au, Al 등과 같은 금속 박막이나 고반사율 박막(204)으로 코팅할 수 있다. 또한, 광원 어레이(102)에서 출사하는 광을 광도파로 어레이(105)에 광손실을 줄이기 위해 광원 어레이 대향면에 광연결봉 어레이 밑면의 집속렌즈(208)와 무반사 코팅(202)을 형성할 수 있고, 광연결봉 어레이 옆면에 금속박막을 이용하여 반사코팅(206)을 할 수 있다. 뿐만 아니라, 광연결봉을 클래딩(212)으로 둘러싸여 있는 굴절률이 높은 광도파로용의 코아층(210)을 만들어 광연결의 효율을 높일 수 있다. 광연결봉 어레이와 광도파로 어레이사이의 간격에 의한 굴절률 변화를 상쇄시키고, 광연결봉 어레이의 광기판에 접착력을 향상시키기 위해 광연결봉 어레이와 광도파로 어레이 사이에 굴절률 매칭 오일이나 굴절률 매칭 폴리머나 굴절률 매칭 에폭시를 삽입할 수 있다.

상기 광연결 모듈은 크게 광원 어레이(102) 및 레이저 구동칩(104), 포토 다이오드 어레이(112) 및 광수신기 회로 칩(114)을 회로기판(100,200)에 솔더범프(116)를 이용한 플립 칩 솔더 본딩 기술을 이용해 접합하는 공정을 통해 쉽게 조립된다. 이러한 조립 공정은 특성이 최적화된 광소자를 사용할 수 있는 이점과 함께, 광연결봉 어레이(111)와 광원 어레이(102)와 포토 다이오드 어레이(112)에 대한 광부품의 정렬도를 자기 정렬 특성을 갖는 플립 칩 본딩 기술을 이용함으로써 매우 높게 조절할 수 있는 이점을 제공한다.

여기서, 광원 어레이(102)에서 방출되는 광의 퍼짐 효과와 포토 다이오드 어레이(112)로 입사되는 광의 퍼짐 효과에 의한 광손실을 감소시키고, 광의 집속을 위한 마이크로 렌즈를 사용하기 않기 위해서는 플립 칩 본딩시 솔더범프(116)의 높이를 광원소자와 포토다이오드의 창과 마주보는 광연결봉 어레이(111)의 밑면사이의 거리를 고려하여 결정한다.

이하 상기 도 2를 참조하여 광연결 구조의 동작을 살펴보면,

광원 어레이(102)에서 출사된 광은 광연결봉(111,112)를 통해 전송되고, 광연결봉 어레이(111,112) 한쪽끝의 경사진 반사면에서 반사되어 광도파로 어레이(105)로 입사된다. 광도파로 어레이(105)를 따라 전송된 광은 광연결봉의 경사진 반사면에서 다시 반사되어 포토 다이오드 어레이(112)의 창문쪽으로 출사된다. 광연결봉 어레이(111,112)로부터 출사되는 광은 포토 다이오드 어레이(112)에서 각각 독립적으로 수광되어 광수신기 회로칩(114)에서 광신호가 전기적 신호로 변환되며, 광전 변환된 전기적 신호가 반도체 칩으로 전달된다. 또한 반도체 칩이 광송신부와 광수신부를 함께 가지고 있는 경우에는 상기한 방법으로 양방향 신호전송이 가능하게 된다. 광도파로 및 PCB회로기판으로 이루어진 다층 광기판에 길이가 서로 다른 광연결봉을 광도파로에 접착시킴으로써 다층 광연결 구조를 이룰 수 있게 된다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 반도체 칩 사이의 신호를 광원에서 출사되는 광에 대응되는 포토다이오드를 이용하여 전송하게 되므로 병목 현상 없이 신호를 고속으로 전송할 수 있고, 광도파로 어레이와 광연결봉 어레이가 동일한 광기판에 제조되므로 레이저 다이오든에서 출사되는 광의 도파에 대한 정렬도를 높일 수 있으며, 광도파로에서 출사되는 광에 대한 광소자의 정렬도를 높일 수 있으며,아울러 플립 칩 본딩 기술을 이용해 광기판과 반도체 칩을 접합하므로 매우 정밀한 정렬도를 얻을 수 있는 이점이 있다.

또한 광도파로 및 PCB회로기판으로 이루어진 다층 광기판에 길이가 다른 광연결봉을 광도파로에 접착시킴으로써 다층 광연결 구조를 이룰 수 있으며, 광송수신부가 형성된 회로 기판과 광연결봉 어레이와 광도파로 어레이가 형성된 광기판의 특성을 개별적으로 평가할 수 있으므로 최종적으로 만들어지는 광연결 모듈의 광에 대한 수율을 높일 수 있고, 성능을 최적화할 수 있는 이점이 있다.

Claims (11)

1. 단일 채널 광도파로가 매몰된 다층 광기판에서 광연결봉을 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서,

   상기 광기판의 전기 배선면에 형성되며, 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 광원 어레이와;

   상기 표면 방출 광원 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과;

   상기 전기 배선면에 형성되며, 상기 표면방출 광원 어레이로부터 출사된 변조광을 수광하는 광검출기 어레이와;

   상기 전기 배선면과 광도파로를 연결하는 관통 구멍에 삽입되며, 한쪽 끝이 경사진 반사면을 구비하여 상기 표면방출 광원 어레이에서 출사된 변조광을 경사진 반사면에서 반사시켜 광도파로 어레이에 입사시키고, 상기 광도파로 어레이를 통해 도파된 광을 경사진 반사면에서 반사시켜 상기 광검출기 어레이로 제공하는 광연결봉 어레이와;

   상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
2. 단일 어레이 광도파로가 매몰된 다층 광기판에서 광연결봉을 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서,

   상기 광기판의 전기 배선면에 형성되며, 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 광원 어레이와;

   상기 표면 방출 광원 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과;

   상기 전기 배선면에 형성되며, 상기 표면방출 광원 어레이로부터 출사된 변조광을 수광하는 광검출기 어레이와;

   상기 전기 배선면과 광도파로를 연결하는 관통 구멍에 삽입되며, 한쪽 끝이 경사진 반사면을 구비하여 상기 표면방출 광원 어레이에서 출사된 변조광을 경사진 반사면에서 반사시켜 광도파로 어레이에 입사시키고, 상기 광도파로 어레이를 통해 도파된 광을 경사진 반사면에서 반사시켜 상기 광검출기 어레이로 제공하는 광연결봉 어레이와;

   상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
3. 광도파로가 매몰된 다층 광기판에서 층간 연결이 가능한 광연결봉을 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서,

   상기 광기판의 전기 배선면에 형성되며, 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면방출 광원 어레이와;

   상기 표면 방출 광원 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과;

   상기 전기 배선면에 형성되며, 상기 표면방출 광원 어레이로부터 출사된 변조광을 수광하는 광검출기 어레이와;

   상기 전기 배선면과 광도파로를 연결하는 관통 구멍에 삽입되며, 한쪽 끝이 경사진 반사면을 구비하여 상기 표면방출 광원 어레이에서 출사된 변조광을 경사진 반사면에서 반사시켜 광도파로 어레이에 입사시키고, 상기 광도파로 어레이를 통해 도파된 광을 경사진 반사면에서 반사시켜 상기 광검출기 어레이로 제공하는 광연결봉 어레이와;

   상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광연결봉 어레이는, 다층의 광도파로간을 연결하는 관통 구멍에 삽입되며, 양쪽 끝에 경사진 반사면을 구비하여 임의의 한 광도파로를 통해 도파되는 광이 서로 다른 층의 광도파로를 통해 도파되도록 하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광연결봉 어레이는, 실리카 광섬유, 플라스틱 광섬유, 플라스틱, 유리 소재 중 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광연결봉 어레이의 끝에 형성된 입/출사면은, 입/출사면의 반사를 줄이기 위해 무반사막으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광연결봉 어레이의 끝에 형성된 경사진 반사면은, 반사효율의 증대를 위해 금속 박막 또는 고반사율의 고반사막으로 코딩되는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광연결봉 어레이의 측면은, 광도파 효율의 증대를 위해 금속 박막 또는 고반사막으로 코딩되는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광연결봉 어레이의 입/출사면은, 광접속효율의 증대를 위해 곡면으로 형성하는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광연결봉 어레이는, 광연결봉내 클래딩으로 둘러싸인 굴절률이 높은 광도파로용의 코아층을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 광연결봉 어레이는, 원통형, 사각형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광연결 구조.