KR100523992B1 - Architectures of multi-chip-module having optical interconnections - Google Patents
Architectures of multi-chip-module having optical interconnectionsInfo
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Abstract
본 발명은 다수의 반도체 칩이 실장되고, 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결을 이용하는 다칩 모듈(MCM) 구조에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 다칩 모듈내 다수의 반도체 칩간 전송 신호를 표면 발광 레이저와 이에 대응되는 광검출기를 이용한 광도파로(Optical waveguide)를 통하여 전송하도록 함으로써 신호를 고속으로 전송할 수 있으며, 금속 회로 배선이 형성되는 동일 기판상에 상기 광도파로를 형성함으로써 다칩 모듈의 소형화가 가능하게 되는 이점이 있다. 또한 다칩 모듈내 반도체 칩간 광연결을 위한 표면 방출 레이저와 광검출기가 자기 정렬 특성을 갖는 플립 칩 솔더 본딩에 의해 실장되므로 정렬 마진이 커서 광정렬이 용이하며, 패키징이 용이하게 되는 이점이 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multi-chip module (MCM) structure in which a plurality of semiconductor chips are mounted and use optical connections in signal transmission between semiconductor chips. That is, according to the present invention, a signal can be transmitted at high speed by transmitting a plurality of semiconductor chip transmission signals in a multi-chip module through an optical waveguide using a surface emitting laser and a corresponding photodetector. By forming the optical waveguide on the same substrate, the miniaturization of the multi-chip module is possible. In addition, since the surface emitting laser and the photodetector for optical connection between the semiconductor chips in the multi-chip module are mounted by flip chip solder bonding having self-aligning characteristics, the alignment margin is large, so that the alignment is easy and the packaging is easy.
Description
본 발명은 전자 패키징(Microelectronic Packaging)에 관한 것으로, 특히 다수의 반도체 칩이 실장되고, 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결이 이용되는 다칩 모듈(MCM: Multi-Chip-Module) 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to microelectronic packaging, and more particularly, to a multi-chip module (MCM) structure in which a plurality of semiconductor chips are mounted and an optical connection is used in signal transmission between semiconductor chips. .
통상적으로 MCM이라 함은 하나의 회로 기판에 2개 이상의 반도체 칩이 실장되어 하나의 시스템 빌딩 블락을 형성하는 패키지를 의미한다. In general, the MCM refers to a package in which two or more semiconductor chips are mounted on one circuit board to form one system building block.
반도체 칩들은 통상 플립칩 본딩(Flip-chip-bonding) 또는 TAP 본딩에 의해 MCM 기판에 부착되며, 통상 반도체 칩 사이의 신호 송수신은 회로기판에 형성된 다수의 전기적 배선을 통해 이루어진다. MCM은 단일 칩 캐리어에 패키징된 단독의 반도체 칩들을 사용하는 경우에 비해 칩간 배선 길이를 줄일 수 있고, 파워 서플라이 인덕턴스를 낮출 수 있으며, 정전 용량 로딩 효과를 줄일 수 있는 등 시스템 성능 향상을 가져올 수 있어 현재 많이 사용되고 있다.The semiconductor chips are usually attached to the MCM substrate by flip-chip bonding or TAP bonding, and signal transmission and reception between the semiconductor chips is usually performed through a plurality of electrical wires formed on the circuit board. MCMs can improve system performance by reducing inter-chip wiring length, lowering power supply inductance and reducing capacitive loading compared to using single semiconductor chips packaged in a single chip carrier. It is used a lot now.
그러나 칩간 신호 전송이 전기적 배선을 통해서만 이루어지는 MCM은 배선의 밀도가 높고, 많은 수의 상대적으로 거리가 긴 배선을 필요로 하는 차세대의 고속 병렬 컴퓨터 시스템 등에는 적용이 어려운 문제점이 있다. 링크의 길이가 길어지면 전송선 효과가 전기 배선의 성능을 좌우하게 되는데, 전송선 효과는 전기 배선의 길이가 전기 신호 파장의 약 1/10보다 커지는 경우 현저하게 나타나기 때문이다. However, MCM, which transmits signals between chips only through electrical wiring, has a problem in that it is difficult to be applied to next-generation high-speed parallel computer systems requiring high wiring density and a large number of relatively long wiring. If the length of the link is longer, the transmission line effect determines the performance of the electrical wiring, because the transmission line effect is remarkable when the length of the electrical wiring is larger than about 1/10 of the wavelength of the electrical signal.
상기 전송선 효과는 표피효과를 통해 전기 신호를 감쇠시킬 뿐만아니라 배선이 적절히 종단되지 않으면 신호의 다중반사를 일으킨다. 또한 신호의 주파수가 높아지면 금속 배선의 기생 정전용량에 의한 RC 신호지연이 증가되어 시스템의 대역폭이 제한되고 전력소모가 증가되어 EMI 문제를 유발하는 등 시스템 성능에 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서 전기적 배선을 통해 신호 전송이 이루어지는 MCM의 성능은 개별 칩의 성능보다는 칩간 신호 전송 링크의 성능에 의해 결정된다.The transmission line effect not only attenuates the electrical signal through the skin effect but also causes multiple reflections of the signal if the wiring is not terminated properly. In addition, the higher the frequency of the signal, the higher the RC signal delay caused by the parasitic capacitance of the metal wiring, which limits the system bandwidth and increases power consumption, which adversely affects system performance. Therefore, the performance of MCMs that transmit signals through electrical wiring is determined by the performance of the chip-to-chip signal transmission link rather than the performance of individual chips.
이상과 같은 전기적 배선의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 MCM 내 칩간을 광선로로 연결하는 방법들이 시도되어 왔다. 상기 광연결은 대역폭이 넓고 크로스토크 및 신호간 간섭에 둔감하며, 칩간에 고속의 신호 전송이 가능하고 배선 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한 시스템의 전력소모, 크로스토크, 전자기적 간섭을 줄일 수 있는 등 전기적 배선을 이용하여 신호를 전송하는 경우 발생하는 많은 문제점을 해결할 수 있어 현재 연구가 활발히 진행중에 있다.As a way to solve the above problems of the electrical wiring has been attempted to connect the chips between the MCM in the optical path. The optical connection has a wide bandwidth, insensitive to crosstalk and inter-signal interference, enables high-speed signal transmission between chips, and increases wiring density. In addition, many problems that occur when transmitting signals using electrical wiring, such as reducing power consumption, crosstalk, and electromagnetic interference of the system, can be solved.
도 1은 종래 광연결을 적용한 MCM 구조를 도시한 것으로, 종래 MCM 은 반도체 칩, 표면 방출 광원(10), 광검출기(20)가 실장된 회로기판(30), 회로기판(30) 위에 놓여지며 광회절 소자(41,42)로 구성된 회절 광기판(40), 회절 광기판(40) 위쪽에 놓여지는 거울면(51,52)을 가진 거울 광기판(50)으로 구성되어 있다. 동작을 살펴보면, 표면 방출 광원(10)으로부터 발생된 광신호는 광원 바로 위쪽에 놓인 회절 소자(41)에 의해 방향이 바뀌고, 거울면(51,52)에서 반사되어 광검출기(20) 위에 놓인 회절 소자(42)로 입사되어 광검출기(20)로 전달된다. 1 illustrates an MCM structure using a conventional optical connection, and a conventional MCM is placed on a semiconductor chip, a surface emitting light source 10, a circuit board 30 on which the photodetector 20 is mounted, and a circuit board 30. A diffractive optical substrate 40 composed of optical diffraction elements 41 and 42 and a mirror optical substrate 50 having mirror surfaces 51 and 52 placed above the diffractive optical substrate 40. In operation, the optical signal generated from the surface emitting light source 10 is redirected by the diffraction element 41 placed directly above the light source, and is reflected by the mirror surfaces 51 and 52 to be diffracted on the photodetector 20. Incident on element 42 is delivered to photodetector 20.
그러나 상기한 구조에서는 회로기판(30)과 회절 광기판(40) 간의 광정렬(Optical align) 뿐만아니라 회절 광기판(40)과 거울 광기판(50)간의 광정렬이 추가로 요구되어 광정렬 및 패키징에 어려움이 있었다. 또한 종래 광연결 MCM 구조는 상기 도 1에서 보여지는 바와 같이 광신호가 반사면을 통하여 전달되는 구조이므로 반도체 칩사이의 거리가 멀어지는 경우 회절 광기판과 거울 광기판 사이의 간격도 넓어져야 하는 문제점이 있었으며, 아울러 정렬 마진이 광경로(Optical path length)에 반비례하여 감소되는 문제점이 있었다. 또한 상기한 구조를 가지는 칩간 광연결 모듈의 두께는 2㎝ 내외로 매우 두껍기 때문에 MCM을 소형화하는데 한계가 있었다.However, in the above structure, the optical alignment between the diffractive optical substrate 40 and the mirror optical substrate 50 as well as the optical alignment between the circuit board 30 and the diffractive optical substrate 40 is further required. There was a difficulty in packaging. In addition, the conventional optically connected MCM structure has a problem that the optical signal is transmitted through the reflecting surface as shown in FIG. 1, so that the distance between the diffractive optical substrate and the mirror optical substrate should be widened when the distance between the semiconductor chips increases. In addition, the alignment margin was reduced in inverse proportion to the optical path length (Optical path length). In addition, since the thickness of the chip-to-chip optical connection module having the above structure is very thick, about 2 cm, there was a limit to miniaturizing the MCM.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 광연결을 적용한 다칩 모듈 구조에서의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 광도파로(Optical waveguide)를 통하여 반도체 칩간의 신호를 고속으로 전송할 수 있고, 광정렬이 용이하여 정렬 마진이 크며, 소형화가 가능하도록 하는 광연결을 적용한 다칩 모듈 구조를 제공함에 있다. Accordingly, an object of the present invention is to solve a problem in a multi-chip module structure using a conventional optical connection, and can transmit signals between semiconductor chips at high speed through an optical waveguide, and easily align the optical alignment. This is to provide a large, multi-chip module structure using an optical connection to enable a miniaturization.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광연결을 가지는 다칩 모듈 구조에 있어서, 한쪽 면에는 전기 배선이 형성되고 대응되는 다른 한쪽 면에는 광배선이 형성된 레이저광의 투과성이 좋은 광-회로 기판과; 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 레이저 어레이와; 상기 표면 방출 레이저 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과; 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 도파시키는 광도파로와; 상기 광도파로를 통해 도파되는 광을 수광하는 광검출기 어레이와; 상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 하며, According to an aspect of the present invention, there is provided a multi-chip module structure having an optical connection, comprising: an optical-circuit substrate having good transmittance of a laser beam having electrical wiring formed on one side thereof and an optical wiring formed on the other side thereof; A surface emitting laser array which converts an electrical signal transmitted from any first semiconductor chip into a corresponding optical signal and emits modulated light of a predetermined wavelength; A laser drive chip for driving said surface emitting laser array; An optical waveguide for guiding light emitted from the surface emitting laser array; An array of photodetectors for receiving light guided through the optical waveguide; And an optical receiver circuit chip converting an optical signal received from the photodetector array into an electrical signal and applying the same to a target second semiconductor chip.
또한, 광연결을 가지는 다칩 모듈 구조에 있어서, 한쪽 면에는 전기 배선이 형성되는 레이저광의 투과성이 좋은 회로 기판과; 상기 회로 기판과 접합되며 상기 전기 배선이 형성된 면에 대응되는 반대 쪽 면에 광 배선이 형성되는 레이저광의 투과성이 좋은 광기판과; 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 레이저 어레이와; 상기 표면 방출 레이저 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과; 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 도파시키는 광도파로와; 상기 광도파로를 통해 도파되는 광을 수광하는 광검출기 어레이와; 상기 회로 기판과 광기판간 접합부 형성되어 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 포커싱하여 광도파로로 인가시키며, 상기 광도파로로부터 도파된 상기 출사광을 포커싱하여 상기 광검출기 어레이로 인가시키는 마이크로렌즈와; 상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.In addition, a multi-chip module structure having an optical connection, comprising: a circuit board having good transmittance of a laser beam having electrical wiring formed on one surface thereof; An optical substrate having a high transmittance of laser light bonded to the circuit board and having an optical wiring formed on a surface opposite to the surface on which the electrical wiring is formed; A surface emitting laser array which converts an electrical signal transmitted from any first semiconductor chip into a corresponding optical signal and emits modulated light of a predetermined wavelength; A laser drive chip for driving said surface emitting laser array; An optical waveguide for guiding light emitted from the surface emitting laser array; An array of photodetectors for receiving light guided through the optical waveguide; A microlens formed between the circuit board and the optical substrate, focusing the light emitted from the surface emitting laser array and applying the light to the optical waveguide, and focusing the output light guided from the optical waveguide to the photodetector array; And an optical receiver circuit chip converting the optical signal received from the photodetector array into an electrical signal and applying the same to a target second semiconductor chip.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the operation of the preferred embodiment according to the present invention.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광연결을 가지는 MCM의 수직/수평 방향 단면도를 각각 도시한 것이다. 상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 광연결을 가지는 다칩 모듈(100)은 광회로 기판(102)과 기판위에 배치된 제1반도체 칩(104)의 전기적 신호에 따라 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 레이저 어레이(106) 및 상기 레이저 어레이(106)를 구동하기 위한 레이저 구동 칩(108)과 기판의 다른 쪽 면에 형성되어 광신호를 전송하며 표면 방출 레이저에서 출사된 광의 경로를 90°방향 전환시키는 45°반사면(110)이 형성된 광도파로(112)와 광도파로에서 출사하는 광을 수광하는 광검출기 어레이(114) 및 광신호를 다시 전기적 신호로 복원하는 광수신기 회로 칩(116)과 광수신기 회로 칩(116)으로부터 전기적 신호를 수신하는 제2반도체 칩(118)을 포함하여 구성된다.2 and 3 illustrate cross-sectional views in a vertical / horizontal direction of an MCM having an optical connection according to a first embodiment of the present invention. 2 and 3, the multichip module 100 having the optical connection emits modulated light having a predetermined wavelength according to an electrical signal of the optical circuit board 102 and the first semiconductor chip 104 disposed on the substrate. Formed on the surface emitting laser array 106 and the laser driving chip 108 for driving the laser array 106 and the other side of the substrate to transmit an optical signal and to pass the path of the light emitted from the surface emitting laser by 90 °. An optical waveguide 112 having a 45 ° reflecting surface 110 for redirecting, a photodetector array 114 for receiving light emitted from the optical waveguide, and an optical receiver circuit chip 116 for restoring the optical signal back to an electrical signal And a second semiconductor chip 118 for receiving an electrical signal from the optical receiver circuit chip 116.
동작을 살펴보면, 상기 제1반도체 칩(104)의 전기적 신호에 따라 구동되는 레이저 구동회로(108)에 의해 표면 방출 레이저(106)가 각각 독립적으로 구동되며, 상기 구동회로(108)에 의해 고속으로 온/오프되는 표면 방출 레이저(106)로부터 광신호가 출력된다. 상기 표면 방출 레이저 어레이(106)에서 출사된 광은 광도파로(112)의 45도 반사면(110)에서 반사되어 광도파로(112)로 입사된다. 이어 광도파로(112)를 따라 전송된 광은 45도 반사면(113)에서 다시 반사되어 광검출기(114)에서 수광되는 것이다. In operation, the surface emitting laser 106 is independently driven by the laser driving circuit 108 driven according to the electrical signal of the first semiconductor chip 104, and is driven at a high speed by the driving circuit 108. An optical signal is output from the surface emitting laser 106 which is turned on / off. The light emitted from the surface emitting laser array 106 is reflected at the 45 degree reflective surface 110 of the optical waveguide 112 and is incident on the optical waveguide 112. Subsequently, the light transmitted along the optical waveguide 112 is reflected by the 45 degree reflective surface 113 to be received by the photodetector 114.
이때, 상기 다칩 모듈에서 광수신기 회로 칩(116)과 광검출기 어레이(114)는 하나의 칩으로 구성될 수 있으며, 제1, 제2반도체 칩(104,118)은 마이크로 프로세서(MPU:Micro Processor Unit), 메모리 등과 같은 반도체 칩으로 구현될 수 있다. 상기 표면 방출 레이저 어레이(106)로는 수직 공진형 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이를 이용하며, 광검출기 어레이(114)를 이루는 광검출기로는 MSM 포토다이오드 또는 p-i-n 포토다이오드를 이용한다. 상기 광-회로기판(102)는 표면 방출 레이저의 발진 파장에서 투광성이 우수한 실리카 유리, 유리, 사파이어 등과 같은 물질로 이루어진다. 상기 광도파로(112)는 레이저 발진 파장에서 광손실이 적고, 열적, 화학적 안정성이 우수한 폴리이미드(polyimide)계 고분자, 비정질 Si3N4, SiO2-TiO2 유리 등과 같은 재료로 만들어지는 다모드(multimode)의 매립형 평면 광도파로이며 코어의 크기는 100μm 이내이고, 클래딩의 두께는 50μm 이내로 광도파로의 두께가 200μm를 넘지 않는다. 상기 광도파로(112) 양단에 형성되는 45도 반사면(110)은 다이아몬드 블레이드를 이용한 다이싱, 레이저 가공, 식각기를 이용한 식각 등의 방법으로 만들어 질 수 있으며, 45도 반사면에는 반사 효율을 증대시키기 위해 Ag, Au 등과 같은 금속 박막을 코팅할 수 있다. 한편 표면 방출 레이저의 총 발산각을 θ, 표면 방출 레이저(106)와 기판(102)과의 거리를 d1, 광회로 기판(102)의 두께를 d2, 광도파로의 하부 클래딩의 두께를 d3, 코어의 크기의 1/2을 d4라고 하면, 45도 반사면(110)에서 레이저 빔의 스폿의 크기 ω는 아래의 [수학식 1]에서와 같이 계산되어 질 수 있으며, 45도 반사면을 통한 레이저 빔의 입사 효율 η은 ω/d4 비의 함수로 주어진다.In this case, in the multichip module, the optical receiver circuit chip 116 and the photodetector array 114 may be configured as one chip, and the first and second semiconductor chips 104 and 118 may be microprocessor units (MPUs). It can be implemented as a semiconductor chip, such as a memory. The surface emitting laser array 106 uses a vertical resonance surface emitting laser (VCSEL) array, and the photodetector constituting the photodetector array 114 uses an MSM photodiode or a pin photodiode. The optical circuit board 102 is made of a material such as silica glass, glass, sapphire or the like which has excellent light transmittance at the oscillation wavelength of the surface emitting laser. The optical waveguide 112 is a multi-mode made of a material such as polyimide-based polymer, amorphous Si 3 N 4 , SiO 2 -TiO 2 glass with low optical loss at the laser oscillation wavelength and excellent thermal and chemical stability. It is a multimode embedded planar optical waveguide, the core size is within 100μm, the thickness of the cladding is within 50μm and the thickness of the optical waveguide does not exceed 200μm. The 45 degree reflective surface 110 formed at both ends of the optical waveguide 112 may be made by a method such as dicing using a diamond blade, laser processing, or etching using an etching machine. The 45 degree reflective surface increases reflection efficiency. In order to make a metal thin film such as Ag, Au and the like can be coated. The total divergence angle of the surface-emitting laser is θ, the distance between the surface-emitting laser 106 and the substrate 102 is d1, the thickness of the optical circuit board 102 is d2, and the thickness of the lower cladding of the optical waveguide is d3, the core. When the half of the size of d4 is d4, the size ω of the spot of the laser beam in the 45 degree reflective surface 110 can be calculated as in Equation 1 below, and the laser through the 45 degree reflective surface The incident efficiency η of the beam is given as a function of the ω / d4 ratio.
상기에서 일반적으로 d2 > d1, d3, d4의 관계식이 만족되므로, 상기 효율 η은 주로 광회로 기판(102)의 두께 d2에 의해 결정된다. 즉, 아래의 [수학식 2]에서와 같은 조건하에서 효율 η이 20%를 넘도록 하는 광회로 기판의 두께는 400㎛ 보다 작게 되며,Since the relation of d2> d1, d3, d4 is generally satisfied in the above, the efficiency η is mainly determined by the thickness d2 of the optical circuit board 102. That is, the thickness of the optical circuit board having the efficiency η of more than 20% under the same conditions as in Equation 2 below is smaller than 400 μm,
이때 통상 반도체 칩의 두께가 1mm 이내이므로 본 발명의 실시 예에 따른 다칩 모듈은 2mm 이내의 두께로 제조가 가능하게 된다. In this case, since the thickness of the semiconductor chip is usually 1 mm or less, the multi-chip module according to the embodiment of the present invention may be manufactured to a thickness of 2 mm or less.
상기 다칩 모듈은 광회로 기판(102)의 한쪽면에 금속 회로 배선을 형성하는 공정과, 기판의 다른 한쪽면에 광도파로 및 45도 반사면을 형성하는 공정과, 표면 방출 레이저 어레이 및 검출기 어레이를 플립 칩 솔더 본딩 기술을 이용하여 실장하는 공정과, 반도체 칩(104,118)과 레이저 구동 칩(108) 및 광수신기 칩(116)을 부착하는 공정을 통해 쉽게 구현된다. 상기에서 솔더 범프(119) 재료는 광도파로 물질에 따라 선택적으로 적용되며, 유리 전이 온도가 낮은 고분자 광도파로의 경우에는 In 또는 In 합금을, 유리 전이 온도가 높은 유리 광도파로의 경우에는 Au-Sn계 합금을 사용할 수 있다. 반도체 칩과 레이저 드라이버 칩 및 광수신기 칩도 플립 칩 본딩을 이용하여 접합하는 것이 바람직하나 와이어 본딩을 이용하여 접합하여도 무방하다. 상기 다칩 모듈은 리소그라피(lithography) 공정을 이용하여 동일한 기판 위에 금속 회로 배선 및 광도파로를 형성하고, 플립 칩 솔더 본딩의 자기 정렬(Self-alignment) 특성을 이용하여 표면 방출 레이저 어레이(106) 및 검출기 어레이(114)를 접합하므로 복잡한 광정렬 과정이 필요치 않으며, 매우 높은 정렬도를 얻을 수 있게 된다.The multi-chip module comprises the steps of forming a metal circuit wiring on one side of the optical circuit board 102, forming an optical waveguide and a 45 degree reflecting surface on the other side of the substrate, and a surface emitting laser array and a detector array. It is easily implemented through a process of mounting using flip chip solder bonding technology and attaching the semiconductor chips 104 and 118, the laser driving chip 108, and the optical receiver chip 116. The solder bump 119 material is selectively applied according to the optical waveguide material, and In or In alloy is used for the polymer optical waveguide having a low glass transition temperature, and Au-Sn for the glass optical waveguide having a high glass transition temperature. Type alloys can be used. The semiconductor chip, the laser driver chip and the optical receiver chip are also preferably bonded using flip chip bonding, but may be bonded using wire bonding. The multichip module uses a lithography process to form metal circuit wiring and an optical waveguide on the same substrate, and utilizes a self-alignment property of flip chip solder bonding to use a surface emitting laser array 106 and a detector. Bonding the arrays 114 eliminates the need for complicated light alignment processes and allows for very high alignment.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광연결을 가지는 MCM의 수직/수평 방향 단면도를 각각 도시한 것이다. 상기 도 4 및 도 5를 참조하면, 광연결을 가지는 다칩 모듈(200)은 한쪽면에는 레이저 구동 칩(208), 표면 방출 레이저 어레이(206), 제1, 제2 반도체 칩(204,218), 광검출기 어레이(214) 및 광수신기 회로 칩(216)이 실장되며 다른 한쪽면에는 마이크로렌즈(220)가 형성된 회로 기판(201)과, 또한, 한쪽면에는 45도 반사면(210,213)이 형성된 광도파로(212)가 형성되고 다른 한쪽면에는 마이크로렌즈(220)가 형성된 광기판(202)을 포함하여 구성된다. 이때 상기 구성에서 마이크로렌즈(220)는 회로 기판(201)에만 형성될 수도 있고, 광기판(202)에만 형성될 수도 있다.4 and 5 illustrate cross-sectional views in a vertical / horizontal direction of an MCM having an optical connection according to a second embodiment of the present invention. 4 and 5, the multi-chip module 200 having an optical connection may include a laser driving chip 208, a surface emitting laser array 206, first and second semiconductor chips 204 and 218, and light on one side thereof. An optical waveguide in which a detector array 214 and an optical receiver circuit chip 216 are mounted, and a circuit board 201 having a microlens 220 formed on one side thereof and a 45 degree reflective surfaces 210 and 213 formed on one side thereof. 212 is formed, and the other side includes a light substrate 202 having a microlens 220 formed thereon. In this configuration, the microlens 220 may be formed only on the circuit board 201 or may be formed only on the optical substrate 202.
동작을 살펴보면, 본 발명의 제2실시 예인 상기 도 4 및 도 5와 같이 구성된 다칩 모듈에서는 상기 도 2 및 도 3에서와는 달리 표면 방출 레이저 어레이(206)와 45°반사면(210)간에 마이크로렌즈(220)가 설치되어, 표면 방출 레이저 어레이(206)로부터 출사된 광이 마이크로렌즈(220)에서 포커싱된 후, 광도파로(212)의 45°반사면(210)에서 반사되어 광도파로(212)로 입사된다. 그리고 광도파로(212)를 따라 전송된 광은 45°반사면(213)에서 출사되어 마이크로렌즈(220)에 의해 포커싱된 후, 광검출기 어레이(214)로 입사된다. Referring to the operation, in the multi-chip module configured as shown in FIGS. 4 and 5 according to the second embodiment of the present invention, unlike in FIGS. 2 and 3, a microlens (eg, between the surface emitting laser array 206 and the 45 ° reflecting surface 210) is used. 220 is installed, and the light emitted from the surface emitting laser array 206 is focused on the microlens 220 and then reflected by the 45 ° reflecting surface 210 of the optical waveguide 212 to the optical waveguide 212. Incident. The light transmitted along the optical waveguide 212 is emitted from the 45 ° reflecting surface 213, focused by the microlens 220, and then incident to the photodetector array 214.
도 6은 상기 표면 방출 레이저 어레이(206)로부터 출사된 광의 전송손실을 도시한 도면으로, 상기 도 6의 (a)에서와 같이 마이크로렌즈(220)를 통하지 않은 광은 광의 퍼짐 특성으로 인해 레이저 어레이(206)로부터 출사된 광 중 80%의 광만이 45°반사면에 반사되어 광도파로(212)로 전송되므로써 전송 중 광손실이 발생하는 것을 알 수 있으며, 상기 도 6의 (b)에서와 같이 마이크로렌즈(220)를 통해 모아진 광은 레이저 어레이(206)로부터 출사된 광 중 100%의 광이 그대로 45°반사면에 반사되어 광도파로(212)로 전송되므로써 전송 중 광손실 발생이 방지되는 것을 알 수 있다.FIG. 6 is a diagram illustrating a transmission loss of light emitted from the surface emitting laser array 206. As shown in FIG. 6 (a), the light that does not pass through the microlens 220 is a laser array due to the light spreading characteristic. Since only 80% of the light emitted from 206 is reflected on the 45 ° reflecting surface and transmitted to the optical waveguide 212, it can be seen that light loss occurs during transmission. As shown in FIG. The light collected through the microlens 220 is 100% of the light emitted from the laser array 206 is reflected to the 45 ° reflecting surface as it is transmitted to the optical waveguide 212 to prevent the occurrence of light loss during transmission Able to know.
이어 상기 45°반사면(213) 반사되어 출사되는 광은 광검출기(214)에서 각각 독립적으로 수광되어 광수신기(216)에서 광신호가 전기적 신호로 변환되며, 광전 변환된 전기적 신호가 제2 반도체 칩(218)으로 전송된다. 이때 제1, 제2 반도체 칩(204,218)이 광송신부와 광수신부를 함께 가지고 있는 경우에는 상기한 방법으로 양방향 신호전송이 가능하게 된다.Subsequently, the light reflected by the 45 ° reflecting surface 213 and then emitted is independently received by the photodetector 214 so that the optical signal is converted into an electrical signal by the photoreceptor 216, and the photoelectrically converted electrical signal is converted into a second semiconductor chip. 218 is sent. In this case, when the first and second semiconductor chips 204 and 218 have both an optical transmitter and an optical receiver, bidirectional signal transmission can be performed by the above method.
이때, 상기 마이크로렌즈(220)는 Ag+-Na+ 이온교환(ion-exchange) 방법을 이용해 만든 것으로 렌즈가 형성된 기판의 표면은 평평하다. 또한 각각의 마이크로렌즈(220)는 기판 안쪽 방향으로 굴절률이 점차 감소하는 굴절률 분포 렌즈(graded index lens)이다. 회로 기판(201) 및 광기판(202)으로는 표면 방출 레이저의 발진 파장에서 투광성이 우수하고 이온 교환 방법으로 마이크로렌즈 제작이 가능한 Na2O가 5% 이상 함유된 실리케이트 유리 기판을 사용한다. 본 실시 예에서는 표면 방출 레이저 어레이(206)에서 출사된 광이 마이크로렌즈(220)에 의해 45°반사면 포커싱되며, 또한 45°반사면에서 출사된 광이 광검출기(214)에 포커싱된다. 따라서 상기 도 2 및 도 3에 도시된 다칩 모듈에서보다 45°반사면을 통한 레이저빔의 입사 효율과 45°반사면에서 출사한 광의 광검출기(214)에서의 수광 효율이 향상된다.In this case, the microlens 220 is made by Ag + -Na + ion-exchange method, the surface of the substrate on which the lens is formed is flat. In addition, each microlens 220 is a graded index lens in which the refractive index gradually decreases toward the inside of the substrate. As the circuit board 201 and the optical substrate 202, a silicate glass substrate containing 5% or more of Na 2 O which is excellent in light transmittance at the oscillation wavelength of the surface emitting laser and which can be manufactured by microlenses by an ion exchange method is used. In the present embodiment, the light emitted from the surface emitting laser array 206 is focused on the 45 ° reflecting surface by the microlens 220, and the light emitted from the 45 ° reflecting surface is focused on the photodetector 214. Accordingly, the incident efficiency of the laser beam through the 45 ° reflecting surface and the light receiving efficiency of the light detector 214 of the light emitted from the 45 ° reflecting surface are improved than in the multichip module illustrated in FIGS. 2 and 3.
상기 다칩 모듈 구조에서 마이크로렌즈(220)의 직경(D)은 표면 방출 레이저 어레이(206)의 레이저 간 간격(P)보다 작아야하므로, 표면 방출 레이저의 총 발산각을 θ라고 하면 마이크로렌즈(220)의 초점거리(f)는 아래의 [수학식 3]에서와 같은 조건을 만족한다.In the multi-chip module structure, the diameter D of the microlens 220 should be smaller than the inter-laser spacing P of the surface-emitting laser array 206, so that the total divergence angle of the surface-emitting laser is? The focal length f of satisfies the same condition as in [Equation 3] below.
또한 표면 방출 레이저 어레이(206)와 기판(201)과의 거리를 d1, 광도파로의 하부 클래딩의 두께를 d3, 코어의 크기의 1/2를 d4라고 하면, 유리기판(201,202)의 두께 d2는 아래의 [수학식 4]에서와 같은 조건을 만족하도록 설정되며,If the distance between the surface emitting laser array 206 and the substrate 201 is d1, the thickness of the lower cladding of the optical waveguide is d3, and the half of the size of the core is d4, the thickness d2 of the glass substrates 201 and 202 is It is set to satisfy the condition as shown in [Equation 4] below.
이때 아래의 [수학식 5]에서와 같은 조건에서 2f 구도를 만족하는 유리기판의 두께는 약 500㎛가 되므로, 본 발명의 실시 예에 따른 다칩 모듈은 3mm 이내의 두께로 제조가 가능하게 된다.At this time, since the thickness of the glass substrate that satisfies the 2f composition under the same conditions as in [Equation 5] is about 500 μm, the multichip module according to the embodiment of the present invention can be manufactured to a thickness within 3 mm.
상기 본 발명의 제2실시 예에 따른 다칩 모듈은 유리 기판에 이온 교환 방법으로 마이크로렌즈(220)를 만드는 공정과, 한쪽면에 마이크로렌즈가 형성된 기판의 다른쪽 면에 금속 회로 배선을 형성하고 표면 방출 레이저 어레이 및 광검출기 어레이를 플립 칩 솔더 본딩 기술을 이용해 회로기판을 만드는 공정과, 한쪽면에 마이크로렌즈가 형성된 기판의 다른쪽 면에 광도파로 및 45°반사면을 형성하여 광기판을 만드는 공정과, 회로 기판과 광기판을 접합하는 공정을 통해 조립된다. 회로기판과 광기판을 만드는 공정은 상기 제1실시 예의 경우와 동일하며 다만 각각의 기판에 두 기판을 접합할 때 필요한 정렬 마크가 추가된다. 완성된 회로 기판과 광기판은 정렬마크에 의해 서로 정렬되고 UV로 경화 가능한 에폭시로 접합된다. 회로기판과 광기판이 별개의 기판에 제조되므로 솔더 범프(219) 재료 선택에 있어서 제약이 완화된다. 또한 광송수신부가 형성된 회로 기판과 수동 광부품이 형성된 광기판의 특성을 개별적으로 평가할 수 있으므로써 최종적으로 만들어지는 다칩 모듈의 수율을 높일 수 있으며, 성능을 최적화할 수 있다.In the multi-chip module according to the second embodiment of the present invention, a microlens 220 is formed on a glass substrate by an ion exchange method, and a metal circuit wiring is formed on the other surface of the substrate on which one surface of the microlens is formed. A process of making a circuit board using flip chip solder bonding technology of an emitting laser array and a photodetector array, and forming an optical substrate by forming an optical waveguide and a 45 ° reflecting surface on the other side of the substrate where the microlens is formed on one side. And a process of bonding the circuit board and the optical substrate together. The process of making a circuit board and an optical substrate is the same as in the first embodiment, except that alignment marks necessary for bonding two substrates to each substrate are added. The finished circuit board and the photovoltaic board are aligned with each other by alignment marks and bonded with UV curable epoxy. Since the circuit board and the photonic substrate are manufactured on separate substrates, the constraints on the selection of the solder bump 219 material are relaxed. In addition, by individually evaluating the characteristics of the circuit board on which the optical transmitter and receiver are formed and the optical substrate on which the passive optical component is formed, the yield of the finally produced multichip module can be increased and performance can be optimized.
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.Meanwhile, in the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the invention should be determined by the claims rather than by the described embodiments.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다칩 모듈내 다수의 반도체 칩간 전송 신호를 표면 발광 레이저와 이에 대응되는 광검출기를 이용한 광도파로(Optical waveguide)를 통하여 전송하도록 함으로써 신호를 고속으로 전송할 수 있으며, 금속 회로 배선이 형성되는 동일 기판상에 상기 광도파로를 형성함으로써 다칩 모듈의 소형화가 가능하게 되는 이점이 있다.As described above, the present invention can transmit a signal at a high speed by transmitting a transmission signal between a plurality of semiconductor chips in a multi-chip module through an optical waveguide using a surface emitting laser and a corresponding photodetector. By forming the optical waveguide on the same substrate on which the circuit wiring is formed, there is an advantage that the miniaturization of the multichip module is possible.
또한 다칩 모듈내 반도체 칩간 광연결을 위한 표면 방출 레이저와 광검출기가 자기 정렬 특성을 갖는 플립 칩 솔더 본딩에 의해 실장되므로 정렬 마진이 커서 광정렬이 용이하며, 패키징이 용이하게 되는 이점이 있다.In addition, since the surface emitting laser and the photodetector for optical connection between the semiconductor chips in the multi-chip module are mounted by flip chip solder bonding having self-aligning characteristics, the alignment margin is large, so that the alignment is easy and the packaging is easy.
도 1은 종래 광연결을 가지는 다칩 모듈 구조 예시도,1 is a diagram illustrating a multi-chip module structure having a conventional optical connection;
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 광연결을 가지는 다칩 모듈의 수직/수평 방향 단면도,2 and 3 are cross-sectional views in a vertical / horizontal direction of a multichip module having an optical connection according to a first embodiment of the present invention;
도 4 및 도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 광연결을 가지는 다칩 모듈의 수직/수평 방향 단면도,4 and 5 are cross-sectional views in a vertical / horizontal direction of a multichip module having an optical connection according to a second embodiment of the present invention;
도 6은 상기 4 및 도 5의 다칩 모듈내 표면 방출 레이저 어레이(206)로부터 출사된 광의 전송손실을 도시한 도면.6 shows transmission loss of light emitted from the surface emitting laser array 206 in the multichip module of FIGS. 4 and 5 above.
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