KR100813919B1

KR100813919B1 - 인쇄회로기판용 광연결블럭 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100813919B1
Application number: KR1020050134928A
Authority: KR
Inventors: 서용곤; 윤대원; 임영민; 윤형도; 김명진; 김회경
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2008-03-18
Also published as: KR20070071454A

Abstract

본 발명은 인쇄회로기판용 광연결블럭 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다자세하게는 평면 기판층, 하부클래드층, 코어층, 상부클래드 층으로 구성된 곡선구간으로 이루어진 광연결블럭의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 평면 기판층; 상기 평면 기판층 위에 놓이며, 소정의 파장에 대해 광투명성을 가진 물질로 된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 위에 놓이며, 상기 하부 클래드층의 굴절률보다 큰 굴절율을 가진 광학 폴리머로 된 곡선구간을 포함하는 광도파로가 형성된 코아층; 및 상기 하부 클래드층 위에 놓이며, 상기 광학 폴리머의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어, 상기 코아층의 광도파로를 감싸는 상부 클래드층을 포함하는 인쇄회로기판용 광연결블럭으로 이루어짐에 기술적인 특징이 있다.

따라서, 상기 광 PCB의 광연결블럭을 구조를 통한 다채널 및/또는 다층의 광연결블럭을 제조하여 VCSEL과 도파로, 그리고 PD사이의 광결합을 효과적으로 연결할 수 있고, 다채널의 광 PCB, 다층의 광 PCB에 적용가능하다. 또 광연결블럭을 광PCB에 붙여 커넥터형식으로 사용이 가능하여 광PCB와 광PCB의 연결을 쉽게 할 수 있다. 또한 이러한 광연결 블럭은 집적화 기술을 이용하기 때문에 대량생산과 저가격화에 유용한 효과가 있다.

광연결블럭, 광도파로, 테이퍼 형, 광연결구조, 광 PCB구조

Description

인쇄회로기판용 광연결블럭 및 그 제조방법 {optical connection block for PCB and method for fabrication thereof}

도 1a는 종래의 광 PCB 구조의 단면도,

도 1b는 종래의 다른 광 PCB 구조의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 광 PCB 구조의 단면도,

도 3a는 본 발명에 따른 8채널 광연결블럭의 사시도,

도 3b는 본 발명에 따른 8채널 광연결블럭의 평면도,

도 3c는 3b에 따른 8채널 광연결블럭의 A-A의 단면도,

도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따르는 광연결블럭의 제조방법,

도 5a는 본 발명에 따르는 다채널 다층 광연결블럭의 사시도,

도 5b는 본 발명에 따른 다채널 다층 광연결블럭의 평면도,

도 5c는 5b에 따른 다채널 다층 광연결블럭의 A-A단면도,

도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 광연결블럭에서의 도파로 구조변경의 예, 및

도 7은 본 발명에 따르는 광연결블럭을 이용한 응용예이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : PCB(printed circuit board) 200 : 광도파로

300 : 광연결블럭

400 : VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)

500 : PD(Photo Diode) 600 : 클래딩

600a : 하부클래딩 600b : 상부클래딩

700 : 코어 800 : 기판

900 : 광 PCB 보드

본 발명은 인쇄회로기판용 광연결블럭 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 평면 기판층, 하부클래드층, 코어층, 상부클래드 층으로 구성된 곡선구간으로 이루어진 광연결블럭의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 따른 광 PCB 구조의 단면도이다.

광도파로(2)가 실장되어 있는 PCB(1)와 광 송수신칩을 연결하기 위해서는 광의 경로가 손실이 매우 적게 90도로 꺾여져야 효과적으로 광신호를 전송할 수 있는데, 도 1a에 도시된 바와 같이, 광송수신 칩과 실장되어 있는 광도파로(2) 사이에 45도로 거울(3)을 삽입하여 광신호를 전달하는 경우이다. VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)(4)에서 나온 빛이 거울(3)을 만나 수직으로 꺾여지고 이 빛이 광도파로(2)에 삽입된 후, 광도파로(2)를 지나 거울(3)에서 다시 90도로 꺾여서 PD(Photo Diode)(5)에 입사되는 구조이다. 또한, 1b에 도시된 바와 같이, 거울을 삽입하는 대신 실장되는 광도파로의 양끝단(3)을 45도로 만들어 VCSEL(4)에서 나온 빛이 도파로(2)를 만나 90도 꺾이고 이 빛이 도파로(2)를 통과한 후, 끝단(3)에서 다시 90도 반사후 PD(5)에 도달하게 된다.

상기와 같은 종래기술에서 도 1a와 같은 경우는 거울을 기판내에 45도로 삽입하기가 쉽지 않고, 설사 삽입된다고 해도 진동이나 외부환경에 의해 45도 미러가 영향을 받아 신뢰성 있는 광전송이 어렵다. 또한, 도 1b와 같은 경우는 양끝단이 45도로 된 광도파로를 PCB내에 실장하기가 쉽지 않고, 실장된 후에 각도에 변형이 생길 수 있으며, 90도 반사율이 좋지 않아 따로 반사가 잘 일어나도록 추가의 코팅이 필요하여 비용이 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광도파로 집적화 기술을 이용해서 광연결블럭을 제조하여, 인쇄회로 기판과 광 송수신칩 사이에 넣어 광신호를 연결하는데 사용하고, 또한, 광연결블럭을 칩이나 보드에 붙여 칩과 칩 혹은 보드와 보드의 광신호의 연결을 하기 위한 인쇄회로기판에서의 광연결블럭 구조 및 그 제작방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 평면 기판층; 상기 평면 기판층 위에 놓이며, 소정의 파장에 대해 광투명성을 가진 물질로 된 하부 클래드층; 상기 하부 클래드층 위에 놓이며, 상기 하부 클래드층의 굴절률보다 큰 굴절율을 가진 광학 폴리머로 된 곡선구간을 포함하는 광도파로가 형성된 코아층; 및 상기 하부 클래드층 위에 놓이며, 상기 광학 폴리머의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어, 상기 코아층의 광도파로를 감싸는 상부 클래드층을 포함하는 인쇄회로기판용 광연결블럭에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 평면 기판 위에 상기 소정 파장의 광신호에 대해 광투명성을 가진 물질을 사용하여 하부 클래드층을 형성하는 제 1단계; 상기 하부 클래드층 위에 상기 하부 클래드층을 형성하는 물질보다 굴절률이 큰 광학폴리머를 코어층으로 형성하는 제 2단계; 상기 코어층에서 광도파로의 곡선구간이 놓여야 할 부분의 코어층 표면에 코어 마스킹 패턴을 형성하는 제 3단계; 상기 코어 마스킹 패턴이 형성되지 않은 부분의 광학 폴리머를 식각하는 제 4단계; 상기 코어 마스킹 패턴을 제거하는 제 5단계; 및 상기 광도파로를 둘러싸도록 상기 코어층에 상기 광학 폴리머보다 굴절률이 낮은 상부 클래드를 형성하는 제 6단계를 포함하는 인쇄회로기판에서의 광연결블럭의 제조방법에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설 명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 광 PCB구조의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광연결블록(300)내에 다채널의 광도파로가 있어 광 송수신칩과 광도파로가 실장되어 있는 PCB(100)와 직접적으로 맞닿아 있어 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)(400)에서 나온 빛이 광연결블럭(300)의 곡선구간을 통해 전달되고, 이 빛이 광도파로(200)를 통과한 후 끝단에서 다시 광연결블럭(300)의 곡선구간을 통해 PD(Photo Diode)(500)에 도달하게 된다.

도 3a는 본 발명에 따른 8채널 광연결블럭의 사시도이고, 도 3b는 8채널 광연결 블럭의 평면도이며, 도 3c는 3b에 따른 8채널 광연결블럭의 A-A면의 단면도이다. 도면 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이, 광연결블럭은 90도로 휘어져 있으며, 들어온 빛이 자연스럽게 진행할 수 있도록 곡선구조를 나타내고 있다. 또한, 적층구조의 코어와 클래드를 통하여 다양한 채널구조를 형성할 수 있다. 광연결블럭은 기판층(800), 하부 클래드층(600a), 코어층(700) 및 상부 클래드층(600b)으로 구성된다. 기판층(800)은 규소(Si)나 유리(glass) 재질로 된, 표면의 평탄성이 좋은 평면 웨이퍼이다. 기판층(800) 표면위에 놓이는 하부 클래드층(600a)은 사용되는 광 파장에 대해 손실없이 통과가 잘 되도록 한, 즉 광투명성을 가진 물질로 된다. 코어층(700)은 하부 클래드층(600a)위에 광도파로가 형성된 층이다. 광연결블럭의 곡선구간은 하부 클래드층(600a)으로 사용된 물질보다 굴절율이 높은 도파로용 저손실 광학 폴리머로 형성된다. 상부 클래드층(600b)은 하부 클래드층(600a)위에, 광학 폴리머로 된 코어층의 주변을 감싼 형태로 형성된다. 상부 클래드층(600b)을 이루 는 물질은 광학 폴리머보다 굴절률이 낮은 물질로 되며, 보통은 하부 클래드층(600a)을 이루는 물질과 동일하다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따르는 광연결블럭의 제조방법이다.

먼저 평면 기판층(800)위에, 소정의 사용 광파장에 대한 광투명성이 좋은 물질로 된 하부 클래드층(600a)을 형성한다(도 4a). 하부 클래드층(600a)위에 광학 폴리머로서 코어층(700)을 형성한다(도 4b). 코어층(700)은 먼저, 스핀 코팅(spincoating)하여 광학 폴리머를 도포하고, 그 후 열처리(baking)하여 광학 폴리머의 표면의 재질이 균등하도록(uniform) 함으로써 형성된다. 코어층(700)에서 광도파로의 곡선구간이 위치해야 할 부분의 코어층(700)의 표면에 마스킹 패턴을 형성한다. 마스킹 패턴의 형성은 건/습식 식각 방법 또는 리프트 오프(lift-off) 방법에 따라 형성된다. 건/습식 식각 방법은, 먼저 코어층 물질보다 건식 식각 내성이 강한 폴리머, 금속 또는 실리카 박막을 마스킹 박막으로서 코어층(700)위에 형성한다. 포토 레지스트(photo resist)라는 감광 물질을 스핀 코팅하여 마스킹 박막 위에 도포한다. 광도파로의 곡선구간이 포함된 부분을 제외한 형태의 포토마스크(photomask)를 포토 레지스트위에 놓고 자외선을 조사한다. 그 후 현상(develop)과 열처리 과정을 거친 후 건식 식각 또는 습식 식각으로 포토 레지스트 패턴을 따라 마스킹 패턴을 형성한다. 리프트 오프(lift-off) 방식에 의한 마스킹 패턴 형성은, 먼저 코어층(700)위에 스핀 코팅 방법을 사용하여 포토 레지스트를 도포한 후 패턴이 그려진 포토 마스크를 기판에 정렬한 후 포토 레지스트에 선택적으로 자외선 광선을 조사한다. 이 공정이 끝나면 현상 및 열처리 과정을 거쳐 스퍼터링 (sputtering), E-빔(E-beam) 또는 열 증착(thermal evaporation)방법을 사용하여 마스킹 박막을 1차 폴리머층 위에 증착한다. 증착후 포토 레지스트를 리프트 오프함으로써 1차 마스킹 패턴을 형성한다. 상술한 리프트 오프 또는 건식, 습식 식각 방식에 의해 마스킹 패턴을 형성한 후, 마스킹이 되어있지 않은 부분을 식각한다(도 4c).

마스킹 패턴을 제거한 후 생성된 코어층(700)에 하부 클래드층(600a)과 동일한 물질로 된 상부 클래드층(600b)을 형성한다(도 4d).

위와 같은 방법 이외에도 하부클래드와 코어후막이 존재하는 기판에 직접적으로 마스크에 자외선을 조사한 후 현상(develop)하여 코어를 형성하고 스핀코팅으로 상부클래드를 형성하는 직접노광법, 마스크 패턴과 같은 마스터를 사용하여 마스터를 하부클래드나 코어 후막에 그대로 전사한 후 상부클래드를 코팅하는 몰딩(Molding)법, 그리고 자외선을 도파로 크기만큼 포커싱(focusing)하는 직접조사법 등에 의하여 하부클래드층, 코어층 및 상부클래드층을 형성할 수 있다.

다채널의 광연결블럭을 형성하기 위해서는 상부클래드 위에 다시 코어를 형성하고, 상기 공정을 반복하면 원하는 채널수에 맞는 광연결블럭을 형성할 수 있다.(도 4e)

도 5a는 본 발명에 따르는 다채널 다층 광연결블록의 사시도이고, 도 5b는 다채널 다층 광연결블럭의 평면도이며, 도 5c는 5b에 따른 다채널 다층 광연결 블럭의 A-A단면도이다. 도면 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 광연결블럭은 PCB내의 광도파로의 형태에 따라 다채널뿐만 아니라 다층적으로 제작할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 광연결블럭에서의 도파로 구조변경의 예이다. 도면에 도시된 바와 같이 광연결블럭의 접속 효율을 증가시키기 위해서 도파로 끝단에 테이퍼 형태로 광도파로 크기를 키워 각각의 형태에 적합한 곳에 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따르는 광연결블럭을 이용한 응용예이다. 광연결블럭은 광 PCB내의 송수신 칩과 도파로의 연결에만 사용되는 것이 아니라 임의의 광 PCB와 광 PCB를 연결하는데 사용되어 질 수 있는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 광 PCB 보드 끝단에 광연결 블럭을 접착하여 커넥터 형식으로 만든 후 광도파로가 실장되어 있는 PCB에 삽입하게 되면 보드와 보드사이의 광신호 연결이 용이하게 된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 광 PCB의 광연결블럭을 통하여, 종래의 광 PCB구조의 단점을 최소화하면서, VCSEL과 도파로, 그리고 PD사이의 광결합을 효과적으로 연결할 수 있고, 다채널의 광 PCB, 다층의 광 PCB에의 적용에 적합한 효과가 있다. 또한 광연결블럭을 광PCB에 붙여 커넥터형식으로 사용이 가능하여 광PCB와 광PCB의 연결을 쉽게 할 수 있다. 이러한 광연결 블럭은 집적화 기술을 이용하기 때문에 대량생 산과 저가격화에 유용한 효과가 있다.

Claims

평면 기판층;

상기 평면 기판층 위에 놓이며, 소정의 파장에 대해 광투명성을 가진 물질로된 하부 클래드층;

상기 하부 클래드층 위에 놓이며, 상기 하부 클래드층의 굴절률보다 큰 굴절률을 가진 광학 폴리머로 된 직선구간 및 곡선구간을 포함하는 광도파로가 형성된 코아층; 및

상기 하부 클래드층 위에 놓이며, 상기 광학 폴리머의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 물질로 형성되어, 상기 코아층의 광도파로를 감싸는 상부 클래드층

을 포함하며,

상기 광도파로가 형성된 코아층의 일단부 또는 양단부는 테이퍼 형태인 인쇄회로기판용 광연결블럭.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 광연결블럭은 커넥터 형식인 인쇄회로기판용 광연결블럭.
제 1항 또는 제 3항 중 어느 한 항의 광연결블럭이 다채널 또는 다층 구조를 이루는 인쇄회로기판.
평면 기판 위에 상기 소정 파장의 광신호에 대해 광투명성을 가진 물질을 사용하여 하부 클래드층을 형성하는 제1단계;

상기 하부 클래드층 위에 상기 하부 클래드층을 형성하는 물질보다 굴절률이 큰 광학폴리머를 코어층으로 형성하는 제2단계;

상기 코어층에서 광도파로의 직선구간 및 곡선구간이 놓여야할 부분의 코어층 표면에 코어 마스킹 패턴을 형성하되, 코어의 일단부 또는 양단부는 테이퍼 형태로 형성하는 제3단계;

상기 코어 마스킹 패턴이 형성되지 않은 부분의 광학 폴리머를 식각하는 제4단계;

상기 코어 마스킹 패턴을 제거하는 제5단계; 및

상기 광도파로를 둘러싸도록 상기 코어층에 상기 광학 폴리머보다 굴절률이 낮은 상부 클래드를 형성하는 제6단계

를 포함하는 인쇄회로기판용 광연결블럭의 제조방법.
삭제
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