KR100734906B1

KR100734906B1 - 연성 광 ｐｃｂ를 이용한 광연결 장치

Info

Publication number: KR100734906B1
Application number: KR1020050053657A
Authority: KR
Inventors: 조한서; 황성환; 박효훈
Original assignee: 한국정보통신대학교 산학협력단
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-07-03
Also published as: KR20050072736A

Abstract

본 발명은 광신호를 전달할 수 있는 다층의 폴리머 광도파로층을 포함하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치에 관한 것이다. 즉, 본 발명에서는 연성 광 PCB의 구조에 의해 통상의 전기적인 연성 PCB로는 전송하기 어려운 고속의 신호를 전송할 수 있으며, 광결합 거리가 짧아서 마이크로 렌즈를 사용할 필요가 없고, 광송신 및 수신 모듈을 수동적인 정렬방법으로 조립이 가능하여 제조비용을 감소시킬 수 있게 된다. 또한 현재 핸드폰과 노트북 등과 같이, 경성한 기판 상에서 전기적인 연결만 가능한 연성 PCB도 사용하고 있는데, 향후 고속, 대용량의 데이터가 요구되는 여러 응용분야에서 본 발명의 연성 광 PCB가 쉽게 적용될 수 있다.

광연결, 광도파로, 광송신모듈, 광수신모듈, PCB, 연성

Description

연성 광 ＰＣＢ를 이용한 광연결 장치{OPTICAL INTERCONNECT USING FLEXIBLE OPTICAL PRINTED CIRCUIT BOARD}

도 1은 종래 경성 광 PCB를 이용한 광연결 장치 구조 예시도,

도 2는 종래 경성 광 PCB를 이용한 광연결 장치 구조의 광도파로층 상세 구조도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치의 단면도,

도 4는 상기 도 3의 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치의 광송신모듈 단면 확대도,

도 5는 상기 도 3의 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치의 광수신모듈 단면 확대도,

도 5은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치에서 광연결 거리 (t)에 따른 광결합 손실 그래프 예시도,

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치를 종래의 경성 PCB와의 결합한 전체 구성도.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

1: 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치

2: 광도파로층

3: 구리배선층

4: 유전체층

5: 필름 덮개층

6: 송신부에서 45°반사면

7: 수신부에서 45°반사면

8: 송신부의 전기적 커넥터

9: 수신부의 전기적 커넥터

10: 광원소자

11: 송신칩

12: 솔더범프

16: 송신부의 히트싱크

20: 광검출기 소자

21: 수신칩

본 발명은 광 PCB(Printed Circuit Board)를 이용한 광연결 장치에 관한 것으로, 특히 연성 PCB용 기판에 폴리머 광도파로층이 형성되어 있는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치에 관한 것이다.

광연결 기술은 수 내지 수백 미터(m) 거리의 시스템간 데이터 전송, 수십 센티미터 내지 수 미터 거리의 시스템 내 백플랜 간 데이터 버스 전송, 수십 센티미터 거리의 시스템 내 보드간 연결, 보드상에서 수 내지 수십 센티미터 거리의 칩간 데이터 링크등에 광범위하게 응용되고 있다.

그리고 연결 매개체는 자유공간 연결, 광섬유 리본, 또는 폴리머 광도파로 어레이를 이용한 연결 방식 등이 다양하게 시도되고 있다. 이중에서, 전송 거리가 비교적으로 짧은 거리인 보드간 광연결의 응용을 위해서는 현재의 PCB(Printed circuit board) 기술에 적용할 수 있는 구조로 발전되어야 할 필요가 있다.

현재까지는 주로 광섬유 또는 폴리머 광도파로가 PCB내에 적층되어 있는 형태의 경성 광 PCB를 이용한 광연결 기술이 주로 연구되고 있지만, 연성 PCB의 응용분야가 점차 넓어지고 있는 추세여서 연성 광 PCB도 수요가 상당히 발생할 것으로 예상되며, 많은 전자제품에서 연성 PCB를 통한 고속의 신호전송이 점점 더 요구되고 있는 상태이다.

도 1 및 도 2는 종래 광섬유 또는 폴리머 광도파로가 PCB내에 적층되어 있는 형태의 광 PCB를 이용한 대표적인 광연결 모듈 구조를 도시한 것으로, 상기 도 1의 광모듈 구조는 PCB 내 끝단면에 45°반사면을 가지는 폴리머 광도파로(Polymer waveguide)(100)가 내장되어 있으며, 보드(Printed circuit board)(102) 위에 광신호를 송신하고 수신하는데 필요한 광소자와 IC 회로 및 마이크로 렌즈가 BGA(Ball Grid Array) 기판에 집적되어 있는 구조이며, 또한 상기 도 2의 광모듈 구조는 폴 리머 광도파로(100)가 PCB내에 적층되어 있고 광학적 비아 홀이 뚫려 있으며 그위에 광소자가 집적되어 있는 광송신 모듈 또는 광수신 모듈(200)이 집적되고, 폴리머 광도파로(100)와 광송신 모듈(200)과의 광학적인 연결은 광신호의 반사(beam reflection)를 위한 광도파로가 광학적 비아 홀에 삽입되어 이루어지는 구조이다.

그러나 상기 도 1과 같은 종래 광모듈 구조는 두께가 1.2mm∼3.2mm 인 경성 PCB에 적용될 수 있는 구조이며, 통상적으로 사용되는 VCSEL의 발산각이 15°이기 때문에 충분한 광접속 효율을 유지하기 위해서는 모듈과 광 PCB상에 마이크로렌즈가 사용되어야 하는 문제점이 있었다.

또한 상기 도 2와 같은 광모듈 구조에 있어서는 광신호의 반사를 위한 전달체의 반사면 높이가 광 PCB내에 적층되어 있는 광도파로의 코어(core) 위치와 일치되어야 하는데 통상적인 PCB의 제작 공정상 보드두께 방향으로의 위치 공차는 전체 두께의 10%로 유지되므로 광도파로 코어의 두께 방향으로의 위치 공차는 보드 두께에 따라 120∼320μm가 되어 전달체의 반사면과 광도파로의 코어를 수동정렬(passive alignment)방식으로 일치시키기가 매우 어려운 문제점이 있으며, 또한 연성 PCB의 경우처럼 기판 두께가 수백 μm 이하로 매우 얇은 경우는 이에 해당하는 두께를 가지는 전달체를 정밀하게 제작하는 것 자체가 매우 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 연성 PCB를 구성하는 각종 층에 광신호를 전달할 수 있는 다층의 폴리머 광도파로층을 포함하는 연성 광 PCB를 이용한 광연 결 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치로서, 광신호를 전송할 수 있는 다층의 광도파로층을 포함하는 다층의 연성 재질 광 PCB와, 상기 연성 광 PCB의 최상층에 위치되어 전기신호를 광신호로 변환시켜 상기 다층의 광도파로층으로 전송시키는 광송신모듈과, 상기 광송신모듈로부터 출사된 광신호를 수신하여 전기신호로 변환시키는 광수신모듈을 포함하며,

상기 광송신모듈은, 전기적 신호를 광신호로 전환시키주는 수직 발광 레이저 및 다이오드를 이용한 광원소자와, 상기 광원소자와 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 연결되며, 상기 광원소자로부터 광신호가 출사되도록 구동시키는 송신칩을 포함하고, 상기 광수신모듈은, 수신된 광신호를 전기적 신호로 전환시켜주는 수직 감광 다이오드를 이용한 광검출소자와, 상기 광검출소자와 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 연결되며, 상기 광검출소자로부터 변환된 전기적 신호를 증폭시키는 수신칩을 포함하는 것을 특징으로 한다.

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

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연성 광 PCB의 전체적인 구조(1)를 도시한 것으로, 상기 도 3을 참조하면, 본 발명의 연성 광 PCB의 층 구성은 폴리머 광도파로층(2), 구리배선층(3), 유전체층(4) 및 필름 덮개층(5) 등으로 이루어진다.

상기 폴리머 광도파로층(2)에는 광신호를 직각으로 전달시켜주는 기능을 하 는 45°반사면(6)이 송신부 및 수신부에 있고, 통상적인 대로 상기 도 2에서 보여지는 바와 같이 코어(core)와 크래드(clad)층으로 이루어진다. 또한 폴리머 광도파로층(2)은 통상적인 리소그라피 공정으로 제작되거나 hot embossing 및 rolling등의 방법으로 제작되며, 45°반사면(6,7)은 diamond blade에 의한 grooving 방법 등으로 정밀한 위치에 형성되고, 반사효율 높이기 위한 목적으로 반사면에 금 또는 알루미늄과 같은 금속을 코팅한다.

연성 광 PCB의 최상층에는 전기신호를 광신호로 변화시켜주는 기능을 하는 광송신모듈(100)과 광신호를 전기신호로 변환시켜주는 기능을 하는 광수신모듈(200)이 집적되어 있다. 광송신모듈(100)에서 출사된 광신호는 해당되는 파장에 대해 투명한 유전체층(4)을 통과하여 폴리머 광도파로층(2)에 형성되어 있는 45°반사면(6)에서 반사되어 폴리머 광도파로(2)를 따라 도파하다가 반대편의 광수신모듈(200) 밑에 있는 45°반사면(7)에서 반사되어 광수신모듈(200)로 입사된다. 광송신 모듈(200)을 구동시키기 위한 전기적 신호는 연성 광 PCB 끝에 있는 전기적 커넥터(8)에 의해서 입력되고, 광수신 모듈(200)에서 출력되는 전기적 신호는 그 반대편에 있는 전기적 커넥터(9)를 통해서 출력된다. 전기적 커넥터(8,9)는 연성 PCB에 통상적으로 사용되는 solder fusing, pressure contact, clamp-type connector 등으로 이루어진다.

도 4는 상기 광 PCB 모듈 구조내 광송신 모듈(100)을 확대 도시한 것이다. 상기 도 4를 참조하면, 광송신모듈(100)에는 능동소자로서 전기적 신호를 광신호로 전환시켜주는 VCSEL(10) (vertical-cavity surface-emitting laser)만이 집적되거 나, 또는 VCSEL(10)에서 광신호가 출사하도록 구동시켜주는 기능을 하는 송신칩(11)이 같이 집적된다. 연성 광 PCB와의 전기적인 연결을 위해 송신칩(11)과는 솔더(12)를 이용하여 접합된다.

도 5는 상기 광 PCB 모듈 구조내 광수신모듈(200)을 확대 도시한 것이다. 상기 도 5를 참조하면, 광수신모듈(200)에서도 마찬가지로 수신된 광신호를 전기적 신호로 전환시켜주는 포토다이오드(photodiode)(20)만이 능동소자로서 있거나, 전기적 신호를 증폭시켜주는 수신칩(21)이 같이 집적된다. 또한, 송신 또는 수신 광모듈(100, 200)에서 발생하는 열을 제거해주기 위한 목적으로 금속 등으로 만들어진 히트싱크(16, 26)가 광송신모듈(100)과 광수신모듈(200)에 직접 부착되거나, 또는 연성 광 PCB의 반대면에 고정된다.

도 6은 상기 도 3에서와 같은 연성 광 PCB 구조에서 광송신모듈(100) 또는 광수신모듈(200)에서의 광소자의 광출력부 또는 광입력부와 폴리머 광도파로(2)의 코어의 중심간의 거리인 "광결합거리(t)" 에 따른 광접속 손실을 도시한 그래프 예시도이다. 본 발명의 실시 예에서는 멀티모드 광연결 시스템에서 통상적으로 사용되는 ray tracing 기법을 광접속 손실 측정을 위한 실험 방법으로 사용하였다.

상기 도 6을 참조하면, 폴리머 광도파로(2)에서 광신호가 도파되는 코어(core)의 폭과 높이에 따라 광연결 거리(t)에 따른 광접속 손실의 의존성은 상당히 다름을 알 수 있다. 통상적으로 사용되는 연성 PCB의 두께인 10~100μm와 폴리머 광도파로(2)의 크래드 및 코어의 두께, 솔더범프(12)의 높이를 모두 고려하면 광연결거리(t)는 50-400μm가 되며, 이 범위에서 광도파로(2)의 폭과 높이가 모두 50μ m인 경우가 실험을 행한 코어의 크기 중에서 가장 손실이 작았으며, 그 범위는 -0.5∼-2.3dB로 매우 작았다. 여기에 폴리머 광도파(2)로의 도파손실 (0.1∼0.3dB/cm)과 통상적인 수신칩의 수신감도 -16dBm 및 VCSEL(10)의 평균파워를 0dBm으로 고려해보면, 연성 광 PCB를 통해 광신호를 전송할 수 있는 거리(D)는 최대40∼150cm가 되어 칩간 광연결 뿐만 아니라 보드간 광연결에도 적용할 수 있게 된다.

도 7은 상기 도3의 연성 광PCB의 기본구조를 응용한 일 실시 예이다. 경성 PCB(300)와 본 발명의 연성 광 PCB(1)의 혼성 결합을 통해서 층층이 놓여진 보드간의 연결을 상기 도 7에서 보여지는 바와 같이 이룰 수 있음을 보여주고 있다. 이것은 본 발명의 특징이자 연성 광 PCB의 특징이기도한 유연성에 근거한 것으로, 핸드폰 및 노트북 등의 다양한 형태로 전기적인 연결로만 이루어진 연성 PCB가 이용되고 있다. 이들 제품들은 향후 고속, 대용량화되면서 보다 많은 정보를 주고 받기 위해서 본 발명의 연성 광 PCB를 요구할 것으로 예상된다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 연성 광 PCB의 구조에 의해 통상의 전기적인 연성 PCB로는 전송하기 어려운 고속의 신호를 전송할 수 있으며, 광결합 거리가 짧아서 마이크로 렌즈를 사용할 필요가 없고, 광송신 및 수신 모듈을 수동적인 정렬방법으로 조립이 가능하여 제조비용을 감소시킬 수 있게 된다. 또한 현재 핸드폰과 노트북 등과 같이, 경성한 기판 상에서 전기적인 연결만 가능한 연성 PCB도 사용하고 있는데, 향후 고속, 대용량의 데이터가 요구되는 여러 응용분야에서 본 발명의 연성 광 PCB가 쉽게 적용될 수 있다.

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 발명에서는 연성 광 PCB의 구조에 의해 통상의 전기적인 연성 PCB로는 전송하기 어려운 고속의 신호를 전송할 수 있으며, 광결합 거리가 짧아서 마이크로 렌즈를 사용할 필요가 없고, 광송신 및 수신 모듈을 수동적인 정렬방법으로 조립이 가능하여 제조비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 현재 핸드폰과 노트북 등과 같이, 경성 기판 상에서 전기적인 연결만 가능한 연성 PCB도 사용하고 있는데, 향후 고속, 대용량의 데이터가 요구되는 여러 응용분야에서 본 발명의 연성 광 PCB가 쉽게 적용될 수 있는 이점이 있다.

Claims

연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치로서,

광 PCB 최상층에 증착되는 필름 덮개층과, 상기 필름 덮개층 하부에 형성되는 구리배선층과, 상기 구리배선층 하부에 형성되어 상기 광송신모듈로부터 출사된 광신호를 도파시키는 폴리머 광도파로층과, 상기 폴리머 광도파로층 상하부에 형성되어 상기 구리배선층과 폴리머 광도파로층을 분리시키는 유전체층으로 이루어지는, 광신호를 전송할 수 있는 다층의 광도파로층을 포함하는 다층의 연성 재질 광 PCB와,

상기 연성 광 PCB의 최상층에 위치되어 전기신호를 광신호로 변환시켜 상기 다층의 광도파로층으로 전송시키는 광송신모듈과,

상기 광송신모듈로부터 출사된 광신호를 수신하여 전기신호로 변환시키는 광수신모듈

을 포함하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 광도파로층은,

수직 입사 및 출사되는 광신호를 90°반사시키기 위해 광도파로 양 끝에 45°반사면을 가지며, 상기 45°반사면은 광결합 효율의 증대를 위해 금속물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치.
제1항에 있어서,

상기 광송신모듈은,

전기적 신호를 광신호로 전환시켜주는 수직 발광 레이저 및 다이오드를 이용한 광원소자와,

상기 광원소자와 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 연결되며, 상기 광원소자로부터 광신호가 출사되도록 구동시키는 송신칩

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치.
제4항에 있어서,

상기 광송신모듈은,

상기 광원소자 상부에 열 방출을 위한 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 광수신모듈은,

수신된 광신호를 전기적 신호로 전환시켜주는 수직 감광 다이오드를 이용한 광검출소자와,

상기 광검출소자와 플립칩 본딩을 통해 전기적으로 연결되며, 상기 광검출소자로부터 변환된 전기적 신호를 증폭시키는 수신칩

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치.
제7항에 있어서,

상기 광수신모듈은,

상기 광검출소자 상부에 열 방출을 위한 히트 싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성 광 PCB를 이용한 광연결 장치.
삭제