KR100874116B1 - 광전변환모듈 - Google Patents

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KR100874116B1
KR100874116B1 KR1020070097680A KR20070097680A KR100874116B1 KR 100874116 B1 KR100874116 B1 KR 100874116B1 KR 1020070097680 A KR1020070097680 A KR 1020070097680A KR 20070097680 A KR20070097680 A KR 20070097680A KR 100874116 B1 KR100874116 B1 KR 100874116B1
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printed circuit
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임영민
김회경
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전자부품연구원
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Abstract

본 발명은 광전변환모듈에 관한 것으로서, 인쇄회로기판에 관통 홀을 형성하고, 외부로부터 광 도파로 필름을 관통 홀 내부에 삽입시키고, 광 도파로 필름의 끝 단에 광 투과성 수지를 형성하며, 광전변환소자를 관통 홀 및 광 도파로 필름과 대응되도록 인쇄회로기판에 접합시켜 광 접속시킴으로써, 광 접속 효율을 향상시키고 광 손실을 줄이는 광전변환모듈이 개시된다.
광 도파로 필름, 광 접속, 광전변환소자, 광 투과성 수지

Description

광전변환모듈{ Photoelectric conversion module }
본 발명은 광전변환모듈에 관한 것이다.
최근, 정보통신기술은 전송되는 데이터의 고속화 및 대용량화의 경향에 있 으며, 그에 따른 고속 통신 환경을 실현하기 위한 광 통신 기술의 개발이 진행되고 있다.
일반적으로 광 통신에서는 송신 측의 광전변환소자(발광 소자)에서 전기 신호를 광신호로 변환하고, 변환된 광신호를 광 파이버 또는 광 도파로를 이용하여 수신 측으로 전송하며, 수신 측의 광전변환소자(수광 소자)에서 수신한 광신호를 전기 신호로 변환한다.
이러한 광전변환소자가 시스템 내에 적용되어 상용화되기 위해서는 전기 접속 및 광 접속이 효율적으로 이루어지도록 구성되어야 한다.
도 1은 종래의 광전변환모듈을 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(Printed Circuit Board : PCB)(10) 상부에 발광 소자(20)가 솔더 볼(Solder Ball)(11) 및 접합 패드(13)에 의해 접합되 어 있고, 상기 발광 소자(20)를 구동시키는 구동 회로를 내장한 반도체 칩(30)이 인쇄회로기판(10) 상부에 접합되어 있다.
상기 발광 소자(20)는 상기 반도체 칩(30)에 의해 구동되어 빛을 발생시키는데, 상기 발광 소자(20)에서 발생한 빛은 광 도파로(40)에 입사하여 광 도파로(40)를 따라 진행하게 된다.
이때, 상기 발광 소자(20)에서 발생한 빛을 광 도파로(40)로 입사시키기 위해, 광 도파로(40)의 끝 단에 단면이 45°의 기울기를 가진 반사 미러(45)를 형성한다.
이렇게 하면, 발광 소자(20)에서 발생한 빛이 상기 반사 미러(45)를 통해 반사되어 진행 경로가 90도 바뀌게 되고, 광 도파로(40)로 입사하여 광 도파로(40)를 따라 진행하게 된다.
그리고, 상기 인쇄회로기판(10) 상에는 상기 광 도파로(40)를 고정하기 위해 고정 블록(50)을 형성한다.
여기서, 상기 발광 소자(20)로는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 또는 LED(Light Emitting Diode) 등이 사용될 수 있으며, 상기 광 도파로(40)의 반대편에 PD(Photo Diode)와 같은 수광 소자(미도시)를 더 형성하여 상기 광 도파로(40)를 진행하는 빛을 검출하도록 구성할 수 있다.
광전변환모듈의 경우 발광 소자 및 수광 소자와 광 도파로 간의 광 접속(Optical Interconnection) 효율이 매우 중요한데, 종래의 광전변환모듈의 경우발광 소자 및 수광 소자와 광 도파로 간의 상호 이격된 거리로 인하여 광 접속 효율이 낮다는 단점이 있다.
예를 들어, 발광 소자로서 VCSEL을 사용하는 경우, 상기 VCSEL은 공기 중에 빛을 출사할 때의 발산각이 25도 ~ 30도 정도가 되기 때문에 광 도파로와의 이격된 거리가 길어질수록 광 결합 효율은 크게 떨어지게 된다.
상기 종래의 광전변환모듈과 같은 구조에서는 발광 소자와 광 도파로 간의 광 결합 손실이 약 2dB ~ 3dB 이상 나타나게 되는데, 이 경우 원하는 광량을 얻기 위해서는 발광 소자의 출력 및 수광 소자의 이득을 높여야 하며, 이로 인해 소비전력이 증가한다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 발광 소자 및 수광 소자와 광 도파로 사이에 렌즈를 설치하여 광 결합 효율을 향상시키려는 방안이 제시되었으나, 이 경우 렌즈를 상기 발광 소자 및 수광 소자와 광 도파로 사이에 설치하기 위한 추가적인 공정이 필요하며, 이는 대량 생산에 걸림돌이 된다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 광전변환모듈은 광 도파로의 한쪽 단면에 45도 반사 미러를 형성하는데, 광전변환모듈의 제조 공정 시 상기 45도 반사 미러를 형성하는 데는 많은 공정을 필요로 하며, 그 과정에서 광전변환모듈의 신뢰성을 크게 떨어뜨린다는 문제점이 있다.
따라서, 광 도파로에 45도 반사 미러를 형성하지 않고, 광전변환소자와 광 도파로를 가까운 거리에서 직접 광 접속시키는 방안이 필요하다.
본 발명의 광전변환모듈의 바람직한 실시예는, 인쇄회로기판 상부에 IC 기판이 접합되어 있고, 상기 IC 기판 상부에 반도체 칩이 접합되어 있고, 상기 IC 기판의 상부면에 형성된 실장용 홈에 위치하여 상기 반도체 칩 하부에 광전변환소자가 접합되어 있고, 상기 광전변환소자 하부의 IC 기판을 관통하며 제1 관통 홀이 형성되어 있고, 상기 제1 관통 홀과 대응되는 위치에 상기 인쇄회로기판을 관통하며 제2 관통 홀이 형성되어 있고, 외부로부터 광 도파로 필름이 상기 제1 관통 홀 및 제2 관통 홀 내부에 삽입되어 상기 광전변환소자와 대응되어 있고, 상기 광전변환소자와 상기 광 도파로 필름 사이에 광 투과성 수지가 형성되어 광 접속되는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에 의하면, 광전변환소자와 광 도파로 필름 간의 거리를 수십 ㎛이내의 거리로 조절하여 직접 광 결합함으로써, 광 결합 손실을 1dB 이내로 줄일 수 있다.
그리고, 광전변환소자와 광 도파로 필름 사이에 광 도파로와 굴절률이 비슷하고 광전변환소자의 사용 파장에서 광 투과성이 좋은 광 투과성 수지를 사용함으로써, 광 커플링 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 광 도파로에 45도 반사 미러를 형성하지 않게 되므로 제조 비용을 줄일 수 있고, 광전변환모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 광전변환모듈에 대해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 광전변환모듈의 제1 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(100)상에 구동 회로를 포함하는 반도체 칩(110)이 접합되어 있고, 상기 반도체 칩(110)과 상호 이격되며, 상기 반도체 칩(110)에 의해 구동되는 광전변환소자(120)가 인쇄회로기판(100)에 접합되어 있고, 상기 광전변환소자(120) 하부에 상기 인쇄회로기판(100)을 관통하는 관통 홀(130)이 형성되어 있고, 상기 관통 홀(130) 내부에 광 도파로 필름(140)이 삽입 되어 상기 광전변환소자(120)와 광 접속되어 있고, 상기 광전변환소자(120)와 상기 광 도파로 필름(140) 사이에 광 투과성 수지(150)가 형성되어 이루어진다.
이와 같이 구성된 본 발명의 광전변환모듈에 있어서, 상기 인쇄회로기판(100)으로는 절연 기판의 일면에만 배선을 형성한 단면 인쇄회로기판, 양면에 배선을 형성한 양면 인쇄회로기판 및 다층으로 배선한 다층 인쇄회로기판(Multi Layered Board : MLB) 등이 사용될 수 있으며, 최근 고밀도 및 소형화 회로에 대한 요구의 증가에 따라 다층 인쇄회로기판이 주로 사용된다.
상기 다층 인쇄회로기판은 배선 영역을 확대하기 위해 배선이 가능한 층을 추가로 형성한 것인데, 구체적으로 다층 인쇄회로기판은 내층과 외층으로 구분된다.
상기 내층에는 전원 회로, 접지 회로, 신호 회로 등의 회로 패턴(105)을 형성하며, 내층과 외층 간 또는 외층 사이에는 절연층을 형성한다. 이때, 각 층의 배선은 비아 홀을 이용하여 연결한다.
상기 반도체칩(110)은 상기 광전변환소자(120)를 구동시키기 위한 것으로, 반도체칩(110)에는 광전변환소자(120)를 구동하기 위한 구동 회로가 내장되어 있다.
상기 반도체칩(110)은 상기 광전변환소자(120)로 제어신호를 발생시켜 전기 신호를 광신호로 또는 광신호를 전기 신호로 변환시킨다.
상기 반도체 칩(110)은 솔더 볼(101) 및 범프(102)를 이용한 플립 칩 본 딩(Flip Chip Bonding) 방식에 의해 인쇄회로기판(100)과 접합되어 전기적으로 연결된다.
이때, 상기 범프(102)는 상기 인쇄회로기판(100)의 내층에 형성된 회로 패턴(105)들과 각각 전기적으로 연결된다.
상기 인쇄회로기판(100)과 반도체 칩(110) 간의 접합은 플립 칩 본딩 방식뿐만 아니라 본딩 와이어(Bonding Wire)를 이용한 와이어 본딩 방식으로 이루어질 수 있으며, 상기 플립 칩 본딩과 와이어 본딩 방식을 혼용하여 이루어질 수도 있다.
상기 광전변환소자(120)는 인쇄회로기판(100)에 상기 반도체 칩(110)과 이격되어 접합되며, 상기 반도체 칩(110)의 제어에 따라 구동되어 전기 신호를 광신호로 또는 광신호를 전기 신호로 변환한다.
상기 광전변환소자(120)는 상기 반도체 칩(110)과 마찬가지로, 솔더 볼(101) 및 범프(102)를 이용한 플립 칩 본딩(Flip Chip Bonding) 방식에 의해 인쇄회로기판(100)과 접합되며, 이러한 플립 칩 본딩 방식뿐만 아니라 본딩 와이어(Bonding Wire)를 이용한 와이어 본딩 방식으로 접합할 수 있고, 상기 플립 칩 본딩과 와이어 본딩 방식을 혼용하여 접합할 수도 있다.
상기 광전변환소자(120)는 수광 소자 또는 발광 소자로서, 예를 들어 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser), LED(Light Emitting Diode), PD(Photo Diode) 등이 사용된다.
상기 광 도파로 필름(140)은 상기 광전변환소자(120) 하부의 인쇄회로기판(100)을 관통하며 형성된 관통 홀(130) 내부에 삽입됨으로써 상기 광전변환소자(120)와 직접 광 접속되고, 광 투과성 수지(150)에 의해 상기 광전변환소자(120)와 접합된다.
여기서, 상기 광 투과성 수지(150)는 광 도파로 필름(140)과 비슷한 굴절률을 가지고, 광전변환소자(120)의 사용 파장에서 광 투과성이 좋은 폴리머 계열의 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 광 투과성 수지(150)는 1.4 ~ 1.6의 굴절률을 가지고, 상기 광전변환소자(120)에서 출사되는 광의 파장에서 80 ~ 95%의 광 투과율을 가지는 에폭시인 것이 바람직하다.
이와 같이, 광전변환소자(120) 하부의 인쇄회로기판(100)을 관통하는 관통 홀(130)을 형성하고, 연성이 있는 광 도파로 필름(140)을 관통 홀(130) 내부로 삽입한 후, 광 투과성 수지(150)로 접합시키면 광 도파로 필름(140)과 광전변환소자(120)가 직접 광 접속되도록 양 소자 간의 거리를 수십 ㎛이내의 거리로 조절할 수 있어, 광 접속 효율을 향상시킬 수 있다.
실제 본 발명의 광전변환모듈에 의하면, 광전변환소자(120)와 광 도파로 필름(140) 간의 광 결합 손실을 1dB 이내로 줄일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 인쇄회로기판(100)과 반도체 칩(110) 사이 및 상기 인쇄회로기판(100)과 광전변환소자(120) 사이에는 언더 필 부재(Under-fill Material)(160)가 형성된다.
상기 언더 필 부재(160)는 외부 온도 변화시 각 부품들 간의 열팽창계수 차이에 의해 발생하는 스트레스를 완화시키며, 각 부품들 사이의 접합 상태를 유지시키는 역할을 한다.
그리고, 상기 언더 필 부재(160)는 상기 반도체 칩(110) 및 광전변환소자(120)에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 역할을 한다.
또한, 상기 인쇄회로기판(100) 하부에 상기 광 도파로 필름(140)을 감싸며 보호 수지(170)가 형성되는데, 상기 보호 수지(170)는 광 도파로 필름(140)의 흔들림에 의한 손상을 방지하여 준다.
본 발명에서는 광소자와 광 도파로 사이의 간격을 수십 ㎛ 이내로 유지시킬 수 있기 때문에 기존의 광전변환모듈에 비하여 우수한 광 접속 효율을 가지게 된다.
그리고, 광전변환소자와 광 도파로 필름 사이에 광 도파로와 굴절률이 비슷하고 광전변환소자의 사용 파장에서 광 투과성이 좋은 광 투과성 수지를 사용함으로써, 광 커플링 효율을 더 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 광전변환모듈의 제2 실시예를 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(200) 상부에 IC 기판(210)이 접합되어 있고, 상기 IC 기판(210) 상부에 반도체 칩(220)이 접합되어 있고, 상기 IC 기판(210)의 상부면에 실장용 홈(215)이 형성되어 있고, 상기 실장용 홈(215)에 위치 하여 상기 반도체 칩(220) 하부에 광전변환소자(230)가 접합되어 있고, 상기 광전변환소자(230) 하부의 IC 기판(210)을 관통하며 제1 관통 홀(240)이 형성되어 있고, 상기 제1 관통 홀(240)과 대응되는 위치에 상기 인쇄회로기판(200)을 관통하며 제2 관통 홀(250)이 형성되어 있고, 상기 제1 관통 홀 (240)및 제2 관통 홀(250) 내부에 삽입되어 광 도파로 필름(260)이 상기 광전변환소자(230)와 광 접속되어 있고, 상기 광전변환소자(230)와 상기 광 도파로 필름(260) 사이에 광 투과성 수지(270)가 형성되어 이루어진다.
그리고, 상기 인쇄회로기판(200)과 IC 기판(210) 사이 및 상기 IC 기판(210)과 반도체 칩(220) 사이에 언더 필 부재(Under-fill Material)(280)가 형성되어 있으며, 상기 인쇄회로기판(200) 하부에 상기 광 도파로 필름(260)을 감싸며 보호 수지(290)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 인쇄회로기판(200)과 상기 IC 기판(210)은 솔더 볼(201) 및 범프(202)를 이용한 플립 칩 본딩(Flip Chip Bonding) 방식에 의해 접합되어 전기적으로 연결된다.
상기 인쇄회로기판(200)과 IC 기판(210) 간의 접합은 플립 칩 본딩 방식뿐만 아니라 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식으로 이루어질 수 있으며, 상기 플립 칩 본딩과 와이어 본딩 방식을 혼용하여 이루어질 수도 있다.
상기 IC 기판(210)은 반도체 칩(220)이 인쇄회로기판(200)에 전기적으로 쉽 게 접속되도록 해주는 중간 매개체로서 사용된다.
즉, 상기 반도체 칩(220)은 전극의 수가 많고 전극 간격이 수십 ㎛에 불과하여 이를 인쇄회로기판(200)에 직접 접합시키려면, 인쇄회로기판(200)의 구조가 복잡해지고 비용도 크게 상승하게 되는데, 이를 방지하기 위해 반도체 칩(220)과 인쇄회로기판(200) 사이에 IC 기판(210)을 사용하여 반도체 칩(220)과 인쇄회로기판(200)을 전기적으로 접속시킨다.
특히, 상기 IC 기판(210)은 반도체 칩(220) 및 광전변환소자(230)가 다채널 어레이(Multi-channel Array)인 경우에 주로 사용된다.
상기 IC 기판(210)과 반도체 칩(220) 간의 접합은 플립 칩 본딩 방식 또는 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식으로 이루어질 수 있으며, 이를 혼용하여 이루어질 수도 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 종래의 광전변환모듈을 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 광전변환모듈의 제1 실시예를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 광전변환모듈의 제2 실시예를 나타낸 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200 : 인쇄회로기판 110, 220 : 반도체 칩
120, 230 : 광전변환소자 130, 240, 250 : 관통 홀
140, 260 : 광 도파로 필름 150, 270 : 광 투과성 수지
160, 280 : 언더 필 부재 170, 290 : 보호 수지

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 인쇄회로기판 상부에 IC 기판이 접합되어 있고;
    상기 IC 기판 상부에 반도체 칩이 접합되어 있고;
    상기 IC 기판의 상부면에 형성된 실장용 홈에 위치하여 상기 반도체 칩 하부에 광전변환소자가 접합되어 있고;
    상기 광전변환소자 하부의 IC 기판을 관통하며 제1 관통 홀이 형성되어 있고;
    상기 제1 관통 홀과 대응되는 위치에 상기 인쇄회로기판을 관통하며 제2 관통 홀이 형성되어 있고;
    외부로부터 광 도파로 필름이 상기 제1 관통 홀 및 제2 관통 홀 내부에 삽입되어 상기 광전변환소자와 대응되어 있고;
    상기 광전변환소자와 상기 광 도파로 필름 사이에 광 투과성 수지가 형성되어 광 접속되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판과 상기 IC 기판 사이 및 상기 IC 기판과 상기 반도체 칩 사이에 언더 필 부재가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판 하부에 상기 광 도파로 필름을 감싸며 보호 수지가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 광 투과성 수지는 1.4 ~ 1.6의 굴절률을 가지고, 상기 광전변환소자에서 출사되는 광의 파장에서 80 ~ 95%의 광 투과율을 가지는 에폭시인 것을 특징으로 하는 광전변환모듈.
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US8625938B2 (en) 2011-06-07 2014-01-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device having optical communicating part

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