KR101622469B1

KR101622469B1 - 수동광정렬을 위한 옵티컬블럭을 구비하는 광모듈 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101622469B1
Application number: KR1020140084109A
Authority: KR
Inventors: 이승훈; 김영호; 우경녕; 이익균; 박건철
Original assignee: 엘에스엠트론 주식회사
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2014-07-05
Publication date: 2016-05-19
Also published as: KR20150005861A; EP3018510A4; EP3018510A1; US20160216463A1; CN105408785A; US9964718B2; CN105408785B; WO2015002520A1

Abstract

본 발명은 기기 내에서 보드 대용량 데이터 고속 전송 또는 기기 간 대용량 데이터 고속 전송을 위해 광소자, 광전송부재를 포함하여 모듈화하되, 모듈내부에서 광소자와 광전송부재 간에 광정렬을 완료함으로써 외부 PCB 기판에 실장시 발생될 수 있는 광정렬오차를 제거할 수 있는 광모듈에 관한 것으로, 광 신호를 전송하기 위한 광전송부재, 광전송부재(100)로 광신호를 출사하거나 또는 광전송부재(100)로부터 광신호를 입사받는 광소자(200), 광소자(200)가 장착되는 기판(210), 광소자(200)와 외부회로간의 전기접속을 위한 전극패드(220), 광소자(200)와 광전송부재(100)간의 광정렬을 위해 형성되는 광전송부재장착부가 구비된 옵티컬블럭(300)를 포함하여 이루어지되, 광전송부재장착부는, 광축방향으로 상기 기판에 대해 수직하게 상기 옵티컬블럭상에 광전송효율이 최대가 되는 최적의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모듈을 제공한다. 또한, 광전송부재장착부의 형상은, α는 광전송부재장착부의 폭, 상기 β는 광전송부재장착부의 깊이라 할 때, 폭에 대한 깊이의 비율(aspect ratio)에 대하여 β≥α의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 광모듈을 제공한다. 또한, 상기 기판(210)의 일면에 상기 광소자(200)를 마운팅 및 실장하고, 광소자(200)의 광입출사포인트2차원평면상위치를 산출한 후, 기판(210) 위에 광소자(200)를 함입하도록 옵티컬블럭(300)의 모재(母材)를 형성하며, 이후, 모재 상에 전단계에서 산출된 광입출사포인트2차원평면상위치에 광전송부재장착부(310)를 성형하고, 광전송부재장착부(310)에 광전송부재(100)를 장착하는 과정을 갖는 광모듈의 제조방법을 제공한다.

Description

수동광정렬을 위한 옵티컬블럭을 구비하는 광모듈 및 그 제조방법{A photoelectric module comprising an optical block for passive light alignment and a manufacturing method thereof.}

본 발명은 기기 내에서 보드 대용량 데이터 고속 전송 또는 기기 간 대용량 데이터 고속 전송을 위해 광소자, 광전송부재를 포함하여 모듈화하되, 모듈내부에서 광소자와 광전송부재 간에 광정렬을 완료함으로써 외부 PCB 기판에 실장시 발생될 수 있는 광정렬오차를 제거할 수 있는 광모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 측정된 광소자 실장위치에 광전송부재장착부를 가공하는 것을 통해 수동광정렬을 실현할 수 있는 옵티컬블럭을 구비하는 광모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 기기 내 또는 기기 간에 고화질, 3D 영상 콘텐츠와 같은 대용량 데이터 고속 전송 기술이 대두되고 있으며, 또한 신호 감쇄, 노이즈, EMI/EMC, Impedance Matching, Cross Talk, Skew, 연결배선 소형화 등이 이슈화 되고 있다.

일반적으로, 기기 내 또는 기기 간 데이터 전송에 있어, 즉 기기 내에서는 구리 배선 기반의 전기 리드가 사용되고, 기기 간에서는 이를 이용한 케이블이 사용되고 있으나, 구리 배선은 대용량 데이터 고속 전송 니즈를 충족시키지 못할 뿐만 아니라, 앞서 언급한 각종 기술적 이슈를 해소하지 못하고 있다.

이를 해결하기 위한 기술로 최근에 광 연결 기술이 연구 개발되고 있다. 광 모듈은 수십 채널의 병렬 전기신호 라인을 직렬 광 신호 라인으로 대체하여 대용량 데이터 고속 전송이 가능하며, 노이즈, EMI/EMC, Impedance Matching, Cross Talk, Skew, 연결배선 소형화 등의 기술적 문제를 해소할 수 있다.

광학소재를 이용한 광 전송 및 광 연결 기기 등을 다양한 이용환경에 적용하기 위해 많은 종류의 광 커넥터, 광모듈 등의 제품이 개발되고 있다. 이들은 분리되어 있는 두 개 이상의 광경로(light pathway)를 연결하는 커넥팅 기능을 기본적으로 제공함과 동시에, 굴절, 반사, 간섭 및 회절 등의 광학적 현상을 이용하여, 광 신호 전송로를 형성 및 변경하고, 광 신호를 증폭 또는 병합하는 기능 등을 추가로 제공한다. 이러한 구성을 갖는 광 요소는 두 개의 다른 영역-광영역 및 전기영역-을 연결하는 기능을 하거나, 또는 광영역과 광영역을 연결하는 역할을 수행하면서, 동시에 최적의 전송효율을 보장하기 위한 설계를 제공한다. 문제는 광커넥터시스템 등에 포함되는 구성요소들에 내재하고 있는 오차들이다. 예를 들어, 광소자를 기판위에 장착하는 장비(다이 본더 등)에는 필연적으로 오차가 내재하므로, 광소자의 최종적인 실장 위치는 불확정적이며, 광전송부재의 경우에도 코어의 중심이 편심되는 등 제조 영역의 오차가 발생한다는 점이다.

위에서 언급된 문제점을 해결하기 위해, 능동 광정렬(active optical alignment)의 공정이 대두되었다. 능동 광정렬이란, 광소자 등 광신호 전송을 위한 구성요소들이 최적으로 배치 또는 배열되어 최적의 광 전송효율을 내는 지점 내지 상태를 탐색하여 찾아내고, 그러한 지점 내지 상태를 유지할 수 있도록 고정하는 일련의 과정을 의미한다. 그러나, 능동 광정렬은 작업과정에 시간이 많이 소요되어 대량생산에는 부적합하므로, 최근에는 커넥터 내부에 구조적 요소들을 설계배치하여 광정렬을 도모하거나, 직접 광요소들의 위치를 광경로상에 배치하려는 수동광정렬의 방식이 확산되는 추세이다.

또한, 전자기기가 소형화됨에 따라, 그에 사용되는 광커넥터 등의 광기기에 있어서도 소형화, 저배화의 이슈가 있어, 이러한 요구사항을 충족하기 위한 기기 내부의 요소들에 있어 기존 레이아웃을 최적화하거나 새로운 레이아웃을 고안하는 것이 중요해지고 있다.

도 1의 광 모듈[이하 '종래기술1'이라 함]은 송신부(10a)와 수신부(10b) 및 송신부와 수신부 간의 연결 배선인 광 전송로(2)로 구성된다. 송신부는 기판(6a) 상의 VCSEL 칩(3a), 전극패드(5a), 본딩 와이어(7a), 액상수지(8a) 및 높이지지부재(4a)로 구성되고, 수신부는 기판(6b) 상의 PD 칩(3b), 전극패드(5b), 본딩 와이어(7b), 액상수지(8b) 및 높이지지부재(4b)로 구성된다.

도 1의 광 모듈의 동작을 살펴보면, 송신부와 연결된 보드로부터의 전기신호는 기판(6a) 상의 전극패드(5a)를 통한 Driver-IC[미도시]의 제어를 받아 VCSEL 칩(3a)에서 광 신호로 변환 및 수직 출사되고, 광전송로(2)의 끝단에 형성된 45° 미러 면에 반사되어 경로를 바꾼 후, 광전송로(2)를 통해 수신부로 전송된다.

수신부에서는 광전송로(2)의 끝단에 형성된 45° 미러 면에 반사되어 경로를 바꾼 후, 기판(6b) 상의 PD 칩(3b)으로 입사되고, 기판(6b) 상의 전극패드(5b)를 통한 IC[미도시]의 제어를 통해 PD 칩(3b)에서 전기신호로 변환되어 수신부와 연결된 보드로 입력된다.

도 2에 도시된 광전기 복합형 커넥터는 일본 공개특허 제2010-266729호(발명의 명칭: "광전기 복합형 커넥터")[이하 '종래기술2'이라 함]에 개시된 내용이며, 이를 설명하면 다음과 같다. 도 2의 종래기술2는 기기 내 보드에 장착된 리셉터클(receptacle)이라 불리는 커넥터(30)에 체결되는 플러그(plug)(20)로 구성되며, 상기 플러그(20)는 하우징(21), 이 하우징(21)의 양 측면에 장착된 전기단자(22)와 그라운드단자(23), 하우징(21)의 내부 바닥면에 장착된 그라운드판(24), 이 그라운드판(24)에 장착된 서브 마운트(25) 상의 VCSEL 칩(26), Driver-IC(27), 전기단자(22) 및 그라운드단자(23)와 VCSEL 칩(26) 및 Driver-IC(27) 간의 연결 배선 기능의 본딩 와이어(28), 하우징(21) 내부에 삽입된 광파이버(29)를 포함한다.

도 3에 도시된 종래기술3은 광소자(40)가 실장되어 있는 PCB기판(50), 광전송부재(80)을 수납하고, 광신호를 직각으로 편향하는 기능을 하는 45도 광반사면 및 광신호를 집약하는 렌즈부를 구비하는 광투과성 재료로 된 OSA(Optical Sub Assembly)(70), 광전송부재를 OSA에 고정하는 가이드부재(90) 및 PCB기판위에 안착되고, 광전송부재로부터의 광신호를 높은 전송효율로 광소자로 전송하거나, 광소자로부터의 광신호를 높은 전송효율로 광전송부재로 전송하는 광정렬을 위한 구조인 광정렬부재(60)를 포함하여 이루어진 광커넥터를 제공하는데, 특히, 광정렬부재(60)과 OSA(70) 각각에 형성된 얼라인돌기(71) 및 얼라인홈부(61)의 결합에 의해 광정렬이 이루어진다.

JP

2010-266729

A

종래기술1은 광로의 90도 변경을 위해, 광 전송부재의 끝단면이 축 방향과 45°를 이루도록 하는 절삭하는 추가 가공 공정이 필요할 뿐만 아니라, 광소자를 회로기판에 실장하는데 사용되는 다이본더(die bonder)에 필연적으로 존재하는 장비오차를 보정하기 위해 능동 광정렬(active optical alignment) 공정이 필수적으로 포함되어야 한다. 종래기술1에서의 광정렬 공정은, 광소자의 구동회로를 가동한 후, 발생한 광신호에 대해 광스펙트럼분석기(optical spectrum analyzer) 등의 계측장비를 활용하여 전송효율을 측정하고, 이 전송효율이 소정의 조건을 만족하는 상태를 탐색하여, 해당 상태에서의 위치에 광소자, 광전송부재를 순차적으로 고정시키는 단계로 이루어진다. 그런데, 이러한 능동 광정렬을 거치면, 일정 수준 이상의 광 전송효율을 보장하기는 하지만, 기본적으로 시행착오(trial and error)기법에 근거하므로, 상대적으로 많은 시간과 비용이 든다는 문제가 존재한다.

한편, 종래기술2는 그라운드판(24) 위의 Driver-IC(27)와 하우징(21) 측면의 전기단자(22) 간을 와이어 본딩 공정으로 전기적 연결해야 되는데, 소형화, 저배화 사이즈의 플러그(20) 상에서 본딩 와이어(28)를 구현하기가 어려우며, 특히 전기단자(22)의 핀(pin) 수가 많아지는 경우에는 와이어 본딩 공정이 난해해진다. 또한, 종래기술2는 소형 사이즈의 플러그(20) 하우징(21) 내부에 모든 소자 및 부품을 실장해야 하므로, 공정 난이도가 높고, 상대적으로 크기가 큰 Driver-IC(27)가 플러그측에 위치하므로, 플러그의 소형화가 곤란할 수 있다는 문제점이 존재한다.

또한, 종래기술2은 웨이퍼로 제작한 서브 마운트(25)에 VCSEL 칩(26)을 올려 그라운드판(24)에 장착한 상태에서 광파이버(29)를 그라운드판(24)에 올려 VCSEL 칩(26)과 광 정렬하는데, VCSEL 칩(26)과 광파이버(29)가 상대적으로 고정되지 않아 광 정렬이 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다. 또한, 플러그(20)를 리셉터클(30)에 체결하거나(꽂거나) 리셉터클(30)로부터 착탈하는데(빼는데)있어 플러그에 손으로 잡을 수 있는 부분이 없어 조작이 어려운 문제점이 있다.

종래기술3에 있어, 광정렬과 관련하여 고려할 수 있는 오차로서는, PCB기판(50)과 광정렬부재(80)와의 사이, 광정렬부재(60)와 OSA(70)과의 사이, 광전송부재(80)와 OSA(70)와의 사이에서 각각 발생하는 오차가 누적된다. 각각의 오차에 대해 상세하게는, 광정렬부재(60)의 PCB기판(50)으로의 안착에 있어, 광정렬부재의 얼라인홈부(61)의 단면중심의 연결선상에 광소자(40)가 정렬되지 않는 경우 발생하는 오차, 광정렬부재의 얼라인홈부(61) 및 OSA의 얼라인돌부(71)의 가공오차 및 조립오차로 인해 발생하는 오차, 광전송부재(80)가 OSA(70)의 정해진 위치에 장착되지 않음으로써 발생하는 오차 등이 누적된다는 것이다. 이 뿐만 아니라, 광소자의 다이본딩 과정에서도 장비오차로 인해 광소자가 정해진 위치에 실장되지 않는 경우에도 광전송효율이 감소하게 되는 등 종래기술3 발명의 구성요소에 내재하지 않는 외부의 오차요인도 함께 누적되어 발생되므로 전체 오차가 설계시보다 크게 될 수 있다. 즉, 광정렬을 확보하기 위해서는 이러한 오차들을 동시에 모두 관리하여야 하는데, 이로써 전체(overall)광전송효율은 낮게 될 가능성이 크다는 것이다. 또한, 광정렬을 확보하고 안정적인 장착에 필요한 구조를 제공하기 위해 많은 수의 부품이 사용되고 있으므로 원가문제 및 제조복잡성문제에 있어 불리할 뿐만 아니라, PCB기판에 광소자가 직접 실장되는 구성으로 인해(비모듈화), 종래기술3의 구성을 다른 어플리케이션에 직접 적용할 가능성은 없게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응 하기 위하여 제안된 본 발명은, 신호를 전송하기 위한 광전송부재(100), 광소자, 기판(210) 및 전극패드(220), 광소자(200)와 상기 광전송부재(100)간의 광정렬을 위해 형성되는 광전송부재장착부(310)가 구비된 옵티컬블럭(300)를 포함하여 이루어지되, 광전송부재장착부는, 광축방향으로 상기 기판에 대해 수직하게 상기 옵티컬블럭상에 광전송효율이 최대가 되는 최적의 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모듈을 제공한다.

또한, 광전송부재장착부(310)의 형상은, 폭에 대한 깊이의 비율(aspect ratio)에 대하여 깊이가 폭 이상이 되는 조건을 충족하는 광모듈을 제안한다.

또한, 상기 기판(210)의 일면에 상기 광소자(200)를 마운팅 및 실장하고, 광소자(200)의 광입출사포인트2차원평면상위치를 산출한 후, 기판(210) 위에 광소자(200)를 함입하도록 옵티컬블럭(300)의 모재(母材)를 형성하며, 이후, 모재 상에 전단계에서 산출된 광입출사포인트2차원평면상위치에 광전송부재장착부(310)를 성형하고, 광전송부재장착부(310)에 광전송부재(100)를 장착하는 과정을 갖는 광모듈의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 많은 시간과 복잡한 단계로 이루어지는 능동광정렬을 생략하고, 수동광정렬을 활용한다는 제1효과, 다이본더 등 공정장비가 갖는 공정오차를 흡수하여 전체적인 개선을 가져온다는 제2효과, 본 발명의 광모듈을 다양한 다른 시스템에 일종의 소자로서 응용 또는 확장 사용하여, 모듈화의 이점을 가져온다는 제3효과를 갖는다.

제1효과와 관련하여서는, 광전송부재장착부(310)의 끝단의 중심위치를 광소자(200)의 광입출사포인트와 정렬하는 구성을 통해 광전송부재장착부(310)에 광전송부재(100)를 장착하는 것만으로도 광정렬효과를 보장할 수 있도록 하는 구성을 제안한다.

제2효과와 관련하여서는, 일반적으로 수십 마이크로미터의 오더(order)를 갖는 칩본딩(chip bonding) 또는 다이본더 장비의 작동오차를 감수하거나, 이를 최소화하려는 것이 아니라, 이들 오차가 반영되어 실제 실장된 광소자(200)의 최종 실장 위치를 측정하고, 그 위치에 광전송부재(100)를 정렬하는 과정을 통해, 광전송효율을 증대시키며, 공정오차로 인한 광정렬불량률을 감소시킬 수 있다. 즉 공정장비의 오차를 애초에 포함하여 그 영향력을 없애려는 것이다.

제3효과와 관련하여서는, 본 발명의 광모듈은 광소자(200), 옵티컬블럭(300), 광전송부재(100) 등 최소 개수의 부품을 채택하여 모듈화하고, 특히 광부품에 있어서의 핵심 품질요소인 광정렬은 본 발명의 광모듈 내부에서 단독으로 해결하므로, 본 발명인 광모듈을 다른 어플리케이션-일례로 휴대폰 등의 전자기기-에서 사용하는 경우 어플리케이션과 본 발명의 광모듈 사이에서는 더 이상 광정렬의 이슈가 발생하지 않게 되어 소위 광정렬용 ‘소자’로서 기능하게 된다. 이에 해당 어플리케이션에는 광정렬을 위한 별도의 구조 또는 정렬용 키가 필요 없게 되므로, 광모듈을 포함하여 시스템 전체적인 관점에서의 광신호의 손실은 감소시키고, 어플리케이션의 저배화 및 소형화 이슈에 부응할 수 있을 뿐만 아니라, 어플리케이션의 메인공정에서 일일이 광부품들을 광정렬할 필요가 없게 되어 공정시간 및 공정비용을 감축할 수 있다. 나아가 광소자를 어플리케이션의 기판 위에 실장하지 아니하고, 본 발명의 내부에 모듈화하여 포함시킴으로써, 어플리케이션측에서의 패턴 설계가 상대적으로 간단해지므로, 본 발명의 광모듈은 광전변환이 필요한 다양한 외부기기에서 PCB기판에 직접 실장 또는 슬롯에 결착하는 등의 여러가지의 태양으로 활용할 가능성이 크다 할 수 있다.

도 1은 종래기술1의 광전송부재(100)를 45도 가공하여 광도파로를 형성하는 것을 나타내는 설명도.
도 2는 종래기술2의 플러그 및 리셉터클로 구성된 광 모듈에 대한 설명도.
도 3은 종래기술3의 광소자와 광전송부재 사이의 광정렬을 위한 구성(비모듈화)을 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어, 광소자(200)의 기판(210)에의 실장을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어, 옵티컬블럭(300)의 모재를 기판(210)상에 형성하는 것을 도시하는 사시도.
도 6은 본 발명의 광모듈의 광전송부재장착부(310)의 성형의 일실시예를 나타내는 사시도.
도 7은 본 발명의 광전송부재장착부(310)에 탭부(312)를 추가로 가공하는 실시예를 나타내는 사시도.
도 8은 본 발명의 광전송부재장착부(310)에 광전송부재(100)가 장착되는 일실시예를 나타내는 사시도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어, 광전송부재장착부(310)의 제원 및 광전송부재(100) 장착을 위한 파라미터들을 나타내는 설명도.
도 10는 본 발명의 일실시예에 있어, 옵티컬블럭(300) 및 광소자(200) 등의 상대적 위치를 나타내는 단면도.
도 11은 본 발명의 광투과부(311) 형상 및 코어추가삽입부(313)의 일실시예를 나타내는 설명도.
도 12는 본 발명의 광모듈의 제조방법을 이루는 각 단계의 선후관계를 나타내는 순서도.

본 발명의 광모듈은, 광 신호를 전송하기 위한 광전송부재(100), 광전변환을 위한 광소자(200), 광소자(200)가 장착되는 기판(210), 광소자(200)와 외부회로간의 전기접속을 위한 전극패드(220), 광소자(200)와 광전송부재간의 광정렬을 위해 형성되는 광전송부재장착부(310)가 구비된 옵티컬블럭(300)을 주요구성요소로 갖는다.

광신호 및 전기신호의 관점에서 보면, 본 발명의 광모듈이 송신부에 사용되는 경우는, 탑재되는 광소자(200)는 레이저다이오드(laser diode) 또는 VCSEL이 되며, 외부 구동회로로부터 제어되는 광소자(200)로부터 출사된 광신호는 광전송부재(100)의 코어(core)부로 진입하여 전송된다. 또한 광모듈이 수신부에 사용되는 경우는, 탑재되는 광소자(200)는 포토다이오드(photo diode)가 되며, 광전송부재(100)로부터 전송되어 온 광신호는 광소자(200)의 광입사면에 입사된 후, 광소자(200)의 광전변환 작용으로 인해 전기신호로 변환되어 전극패드(220)를 통해 외부회로로 전송되게 된다.

광정렬보장과 관련하여서, 본 발명은 광소자(200)의 광입출사면과 광전송부재(100)에 의해 전송되는 광신호가 서로 수직을 이루도록 하는, 소위 버트 커플링(butt coupling) 방식을 채택하여 구현한다. 이러한 방식으로 광소자(200)와 광전송부재를 연결하는 경우, 광전송부재 및 광소자(200)에서 입출사되는 광신호가 즉시 서로간 통할 수 있다는 장점이 있으나, 수평기판의 상면에 실장되는 광소자(200)의 광입출사면과 광신호의 진행방향은 상대적으로 수직을 이루게 되므로, 광전송부재를 고정하기 위한 별도의 구조가 필요한데, 본 발명은, 이러한 기능을 옵티컬블럭(300)이 담당하고 있다.

버트 커플링의 경우, 이상적인 완전 광정렬(ideal optical alignment)의 조건은, 상기 광소자(200)의 광입출사포인트가 상기 광전송부재의 노출된 코어(core)단면의 중심에 최대한 정확하게 일치하면서, 이들간의 거리를 최소화하는 것을 통해 구현할 수 있다. 그러나, 광커넥터를 구성하는 내부의 각 구성요소 상호간의 위치 오차 및 각 구성요소에 내재하는 제작오차를 감안한다면, 위와 같은 완전 광정렬은 불가능하다. 따라서, 현실적으로 가능한 수준의 광정렬을 위해, 다음의 두가지 광정렬 방법을 고려할 수 있다.

첫째, 광전송부재(100)와 광소자(200)의 상대적 위치를 계속 변화시키면서 광전송효율이 최대가 되는 지점을 탐색하고, 상기 광전송효율이 최대가 되는 시점에서의 위치에 광전송부재(100)와 광소자(200)의 상대적 위치를 고정하는 제1광정렬방법과 둘째, 광전송부재(100)가 탑재되는 플랫폼역할을 하는 부재인 플랫폼부를 두고, 광전송부재를 장착하기 전에, 미리 플랫폼부와 광소자(200)를 광정렬해두어, 별도의 광정렬공정없이 광전송부재를 플랫폼부에 장착하는 것만으로 광정렬을 보장할 수 있게 하는 제2광정렬방법이 있다. 제1광정렬 방법은 소위 능동광정렬(active optical alignment)이며, 제2광정렬 방법은 소위 수동광정렬(passive optical alignment)이라 할 수 있다. 제1광정렬 방법은 광측정장비를 활용하여 측정된 광전송효율을 이용하므로, 광정렬에 대한 신뢰도가 높은 반면, 몇 단계에 걸쳐 광전송시스템의 구성요소들의 장착 위치를 순차적으로 정렬하여 고정해야 하므로, 공정이 복잡해지고, 전체공정시간이 길어지게 된다. 제2광정렬 방법은 플랫폼부에 존재하는 광전송부재장착부(310)의 중심축의 위치를 광소자(200)의 광입출사포인트에 대해 소정의 오차범위내에 들어오게 하는 방법을 제안하는 것으로 귀결된다. 이러한 플랫폼부를 이용하여 광전송부재(100)의 장착이 완료되면, 별도의 능동광정렬 작업이 필요없게 되어 전체공정 속도 및 제조비용을 절감할 수 있게 되는데, 본 발명은 이와 같은 수동광정렬을 위한 구성을 제안한다.

이하, 본 발명의 구성요소에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

광소자(200)는 전술한 바와 같이, 본 발명이 광신호의 수신부 및 송신부에 모두 적용가능하다는 점에서 VCSEL, LD(Laser Diode) 뿐만 아니라, PD(Photo Diode)가 될 수 있다. 광전송부재(100)는 공지의 옵티컬 파이버(optical fiber)가 되며, 그 직경이나 단면 형상에는 제한이 없다.

기판(210)은 그 위에 광소자(200)가 실장되고, 후술할 옵티컬블럭(300)을 지지하는 역할을 하며, PCB, 플렉서블PCB(FPCB) 등을 사용할 수 있다.

전극패드(220)는 광소자(200)와 외부회로와의 전기신호 송수신의 매개역할을 하며, 전술한 기판(210) 위에 소정의 패턴을 갖도록 형성한다. 광소자(200)의 단자 개수 만큼의 전극패드(220)가 형성되어야 하는데, 도 4의 실시예에서는, 광소자(200)의 단자가 2개이므로, 전극패드(220)도 2개가 형성되어 있다. 전극패드의 형상은 실시하는 상황에 따라 다르게 설정할 수 있는데, 도 4의 실시예에서는 기판(210)의 전면을 덮도록 형성되어 있고, 기판(210)의 상면에서 측면을 거쳐 하면에 이르도록 되어 있어, 본 발명의 광모듈은 하면에 범프를 형성하는 SMT 또는 리플로우(reflow) 공정을 통해, 별개의 회로기판에 실장될 수 있도록 구성되었다 할 수 있으나, 전극패드(220)가 반드시 이러한 형상에 한정될 것은 아니다. 전극패드(220)는 구리, 은 등의 도전성 금속으로 형성하는 것이 바람직하며, 수십에서 수백 마이크로미터의 두께를 갖는 도금막의 형태로 형성하는 것도 가능하다. 도금막을 형성하는 방법의 일실시예로는 일렉트로포밍(electroforming)의 공정을 적용할 수 있다. 일렉트로포밍(electroforming)이란 전해주조, 전주도금이라 칭하기도 하며, 전기로 인한 금속의 전착으로 그 조직이 치밀해 두께가 아무리 얇아도 매우 단단하고 주물로 만들어진 입체물보다 훨씬 가벼우면서도 표면의 연마도, 광택도 등이 우수하다. 본 발명에서도, 왁스 등으로 전극패드의 형상을 반영하여 모형을 제작하고, 제작된 모형의 겉면에 전기도금의 원리로 금속을 전착시킨 후, 모형은 제거하고 순수 금속화된 전극패드를 제조할 수 있다. 또는 몰드모형을 만들어 그 빈 공간에 도금부재를 주입하여 형상을 형성하는 방식을 채택할 수도 있다. 양극(+)에는 금속을, 다른 음(-)극에는 모형을 매달아 전해액에 넣고, 전류를 흐르게하고 일정한 시간이 결과하면 일정한 두께의 금속이 고르게 부착된다

옵티컬블럭(300)은, 광신호를 투과할 수 있도록 성형되어 광신호경로를 형성하는 제1기능, 광소자(200) 등을 내부에 함입하도록 성형되어 이들을 보호하는 패키징부재로서의 제2기능, 광전송부재(100)를 장착하여 고정하는 제3기능, 소정의 위치에 광전송부재장착부(310)를 형성해두어 광정렬을 확보하게 하는 제4기능, 별도의 광투과부(311)의 형상을 담지하여 광신호의 정확한 전송을 돕는 제5기능을 수행하는 구성요소이다. 이러한 옵티컬 블록은, 두 개의 이상의 파트로 성형한 후 이를 결합하여 구성할 수도 있겠지만, 하나의 단일파트로 성형하는 것이 더 바람직하다.

제1기능과 관련하여, 옵티컬블럭(300)은, 투명부재의 내부에서 일정 거리만큼을 광신호가 통과하므로, 상기의 투명부재의 제작에 있어, 광전송에 사용되는 광신호의 파장 대역에 대해 투과율이 70% ~ 100% 이 되는 소재를 사용하여야 한다. 이러한 투과율 높은 소재로서 바람직하게는, 실리콘(silicon)계, 에폭시(epoxy)계, ABS, 아크릴(acrylic)계, 폴리올레핀(polyolefine)계 및 또는 이들의 공중합체 중 어느 하나 이상을 선택하여 적용할 수 있다. 특히 실리콘 수지(resin)는, 그 구성에 있어 분자구조는 규소와 산소가 번갈아 있는 실록산 결합의 형태로 된 규소를 뼈대로 하며, 규소에 메틸기, 페닐기, 히드록시기 등이 첨가된 열 가소성 또는 열 경화성 수지로서, 전기 절연성, 내구성 및 내열성이 우수하다. 이러한 특성 중 특히 내열성과 관련하여서는, 섭씨 300도 정도까지 온도가 상승하는 표면실장장비(SMT), 리플로우(reflow)장비 등에 의한 공정 중에도 열에 의한 형태변형 또는 파괴나 광학적 투명성 저하가 거의 없다는 것이다. 즉, 추후에 본 발명의 광모듈이 실시되는 환경에서, 광모듈이 SMT등의 공정으로 실장되는 과정에서 또는 주변 소자들의 실장을 위해 리플로우(reflow)공정에 노출되는 경우에도 상기 광모듈의 옵티컬블럭(300)에 요구되는 물성의 열화(degradation)는 거의 없다는 의미이다.

제2기능과 관련하여서는, 보통 패키지 공정에서 사용되는 고상 봉지재(EMC) 또는 언더필(underfill) 등 봉지재는 반도체 칩을 먼지, 충격으로부터 보호하여 외부환경의 영향을 저감을 목적으로 하는 포장재이며, 이를 통해 플립칩 본딩 또는 SMT 공정의 솔더링 부위나 와이어 본딩의 접속부 등을 보호할 수 있는 것인데, 본 발명에서의 투명부재도 봉지재로 사용되는 소재로 제작되므로, 이러한 기능을 기본적으로 갖추게 된다.

제 3기능과 관련하여서, 옵티컬블럭(300)에 형성되는 광전송부재장착부(310)의 제원이 문제되는데, 광전송부재장착부(310)의 주요 제원은 광전송부재장착부(310)의 깊이와 폭이다. 상기 광전송부재장착부(310)의 깊이는, 광전송부재(100)의 일반적인 직경이 수백 마이크로미터인 것을 감안할 때, 너무 깊게 형성될 필요는 없으나, 광전송부재(100)가 장착된 후, 빠지지 않을 정도로는 충분히 고정될 수 있도록 결정되어야 한다. 본 발명에서는 본 발명의 실시환경에서의 광전송부재(100) 장착 신뢰성을 제고하기 위해, 광전송부재장착부(310)의 폭에 대한 깊이의 비인 애스팩트레이쇼(aspect ratio)의 개념을 도입하여, 광전송부재장착부(310)의 폭보다 깊이가 같거나 더 길게 형성되도록 하는 것을 제안한다. 즉, 이러한 조건의 충족하에서는 광전송부재(100)와 광전송부재장착부(310)의 내측면사이에 작용하는 정지마찰력의 합이 통상적인 실시환경에서의 진동 등의 광전송부재(100)의 탈거외력보다 크게 작용하므로 장착의 신뢰성을 보장할 수 있다고 본다. 반면, 광전송부재장착부의 애스팩트레이쇼와 관련하여 폭보다 깊이가 작은 경우는, 광전송부재 장착 후 광전송부재와 전송부재장착부의 내측벽면 사이의 접촉면적이 본 발명에서의 그것보다 상대적으로 작아지게 되며, 이는 광전송부재의 삽입상태를 유지하기 위한 유일한 지지력(holding force)인 정지마찰력 크기의 감소를 야기하여 광전송부재의 탈거 가능성이 크다고 본다. 이 경우, 정지마찰력에 의한 장착성 확보를 신뢰할 수 없으므로, 광전송부재장착홀은 그 의미가 축소되어 광전송부재장착위치를 제시하는 기능만을 하게 된다. 그러므로, 이 경우 장착신뢰성 확보를 위해, 필수적으로 광전송부재와 광전송부재장착부의 내벽면에 접착제를 도포하여 고정하거나-이 때는 접착제가 흘러 광전송부재의 코어나 옵티컬블럭의 광투과부에 , 옵티컬블럭상에 광전송부재의 고정을 위한 별도의 구조-일례로 리브(lib)구조-를 갖추거나 광전송부재를 수직하방으로 당겨 탈거되지 않도록 하는 별도의 구조가 필요하게 된다. 반면 본 발명에서는 이러한 접착제나 별도의 구성을 구비할 필요없이, 광전송부재장착부의 형상(폭보다 깊이가 큰)과 함께, 후술하는 바와 같은 끼워맞춤공차의 면밀한 관리를 통해 광전송부재의 장착신뢰성을 확보할 수 있다는 의미를 가진다. 이는 상기 별도의 구조를 구비하거나, 접착제를 도포하는 공정을 두는 데 필요한 비용과 공정시간을 절감할 수 있다는 뜻도 된다. 도 9에 도시된 실시예에서의 상기 조건은 광전송부재장착부(310)의 폭(α)과 깊이(β) 에 있어, β≥ α이 된다. 추가적으로, 필요이상으로 광전송부재장착부(310)의 깊이가 커지는 경우, 옵티컬블럭(300)의 높이(b)값이 커지게 되어, 결과적으로 광모듈의 저배화에 지장을 줄 수 있음을 감안한다. 나아가, 도 9에 도시한 바와 같이 광전송부재장착부의 바닥면에 후술할 광투과부(311)가 형성되는 경우, 해당 광투과부 형상의 최고점에서의 두께(도 9에서의 a값)로 인해, 광전송부재의 장착 시, 광전송부재와 광전송부재장착부 간의 측면접촉부위 면적이 줄어들고, 그 결과, 이 부재들간에 작용하는 정지마찰력의 크기가 감소하여, 외력에 의해 광전송부재가 탈거될 가능성이 커진다. 따라서, 이러한 경우에는, β≥ α+ a의 조건을 충족하도록 애스팩트레이쇼를 설정하는 것이 바람직할 것이다. 이렇게 되면, 광전송부재의 광전송부재장착부로의 삽입깊이가 최소 α가 되어 장착신뢰성을 확보하게 된다.

광전송부재장착부(310)의 폭은, 도 9의 실시예에서는 α값이 되는데, 이는 광전송부재의 직경값(c)과 관련이 있다. 즉, 전술한 바와 같이 광전송부재장착부(310)의 형상에 있어 애스펙트레이쇼(aspect ratio)의 조건을 만족한다 하더라도, 광전송부재(100)의 직경이 광전송부재장착부(310)의 폭보다 현저히 작은 경우, 즉 c<< α가 되는 경우, 손쉽게 탈거되는 문제가 발생한다. 또한, 광전송부재(100)의 직경이 광전송부재장착부(310)의 폭보다 현저히 큰 경우, 즉 α<<c 가 되는 경우에는, 광전송부재(100)의 장착이 불가능하게 될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 광전송부재(100)와 광전송부재장착부(310)간에 헐거운끼워맞춤공차 또는 억지끼워맞춤공차의 적용을 배제하고, 중간끼워맞춤공차를 적용하여 관리할 것을 제안하며, 탈거방지를 더 보장하기 위해 광전송부재의 삽입부위에 에폭시 수지 등으로 된 접착제를 도포하여 장착하는 것을 추가로 고려할 수 있다. 이렇게 광전송부재와 광전송부재장착부와의 사이 간격이 양의 값으로 존재하는 경우, 이러한 간격의 크기보다 광전송부재장착부의 깊이가 현저하게 커야 광전송부재의 장착신뢰성이 확보될 수 있음은 자명하다. 이와 별개로, 광전송부재의 피복이 탄성을 가진 소재로 된 경우에는 억지끼워맞춤공차로 관리되더라도 끼워맞춤의 과정에서 피복이 압축되어 장착이 가능할 수 있다는 것을 감안한다. 다만, 피복의 압축을 위해서는 광전송부재의 내측면에 요철 구조를 구비하거나, 광전송부재의 피복 자체가 주름을 형성할 수 있는 구조로 되어 있다면 더 바람직할 것이다.

제4기능에 관련하여, 광정렬을 확보하기 위한 최적 위치를 선정하는 방법으로서 두 가지 실시예를 고려할 수 있다. 하나는 소위 비전 피드백(vision feedback)으로서, 최적 위치를 광소자의 실장 지점의 상방에 위치한 촬상장치를 이용하여 광소자를 촬영하고, 촬영된 광소자의 이미지로부터 추출된 광소자의 광신호입출사포인트의 위치로 결정하는 방법인데, 이와 관련하여서는 후술하기로 한다.

다른 하나의 실시예는, 광전송부재장착부 형성의 최적위치를 결정함에 있어, 광전송부재장착부를 구비하도록 몰딩 또는 사출성형의 방법으로 성형된 옵티컬블럭에 광전송부재를 장착한 상태로 기판상에서 위치 변경하면서 광전송효율을 측정하여 작업자가 임의로 결정한 값 이상의 광전송효율이 확보되는 위치를 탐색하는 과정을 반복하여 결정하는 방식이다. 옵티컬블럭을 광모듈의 기판에 고정하기 전에 소위 능동 광정렬(active optical alignment)를 수행한다는 것인데, 능동 광정렬의 개략적 절차는 다음과 같다. 본 발명인 광모듈을 구동하고, 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer) 등의 측정장비를 사용하여 광전송효율을 계산하며, 광전송효율이 소정의 기준-실시자가 사용환경에 맞게 임의로 설정한다. 일례로 90%-을 넘어서는 때를 탐색하기 위해 이 과정을 반복 수행한다. 옵티컬블럭은, 광전송효율이 설정한 기준을 넘어서는 때에, 그 시점에서의 위치에 고정하게 되는데, 고정 방법으로는 레이저 용착, 자외선 경화형 접착제(UV adhesive) 등을 상기 투명부재의 바닥면에 도포하여 부착하는 방식 등을 고려할 수 있다.

그리고, 광전송부재장착부(310)의 전반적인 형상은 도 11에 나타난 실시예에서와 같이 내벽면에 더 큰 마찰력을 발생시키기 위한 쐐기형상-(e), (f)-을 실시하는 등 다양하게 설정할 수 있다.

제5기능과 관련하여 제안되는 광투과부(311)는, 광소자입출사면과 광전송부재(100)의 광신호입출사면을 서로 접촉적 연결을 하지 않고서도, 광정렬을 보장하기 위한 구성이다. 도 11에는 상기 투명부재에 형성된 광전송부재장착홀의 바닥면에 형성되어 있는 광투과부(311)를 다양한 형상으로 형성한 실시예가 나타나 있다. 광전송부재장착부(310) 바닥면에 형성된 광투과부(311)에 적용되는 렌즈 형상은 광소자(200)의 종류, 스펙, 동작 특성 등에 따라 다르게 선택할 수 있다. 광소자가 VCSEL칩인 경우, VCSEL이 점광원으로 작용하여 광신호가 입출사포인트로부터 퍼져 나가거나, VCSEL 칩이 SMT공정 등으로 기판에 실장되는 과정에서 기판에 대해 수평으로 실장되지 않아, 광신호가 기판에 대해 수직으로 방출되지 않거나, 칩 실장 공정에서, 장비의 작업 오차로 인해 칩의 중심이 지정된 위치로부터 이격되어 실장되는 경우가 발생할 수 있으며, 이런 상황들하에서는 광신호가 광전송부재의 코어단면 내부로 진입하지 못해, 광신호의 손실이 야기될 수 있다. 이러한 광신호 손실을 없애기 위해 출사광을 평행광으로 변환하여 광전송부재의 코어단면에 신뢰성 있게 입사하도록 하여야 하는데, 이는 도 11(c)에 도시된 바와 같이 기판측에서 옵티컬블럭(300)을 향해 광투과부(311)를 보았을 때, 오목렌즈의 형상을 갖도록 가공하는 것을 통해 구현된다. 다시 말하면, 이러한 광투과부는 콜리메이터의 역할을 하게 되어, 광신호는, 방출 시에 어느 정도의 편향(deviation)이 있더라도 광투과부 통과 후에는 광전송부재장착홀의 깊이방향과 평행하게 진행하므로, 높은 신호전송효율을 보장할 수 있다. 이 때, 렌즈의 곡률반경이 커질수록 초점거리가 길어지는 것을 고려하여, 렌즈형상의 곡률을 결정하여야 한다.

광소자가 PD 칩인 경우에는 광전송부재로부터의 전송되어 온 광신호를 집광하여 PD 칩의 수광부에 높은 전송효율로 조사될 수 있도록 광투과부(311)를 도 11(a) 또는 11(e)에 도시된 바와 같이, 옵티컬블럭(300)에서 기판을 향해 보았을 때, 볼록렌즈 형상으로 가공할 수 있다. 다시 말하면, 광신호는 광투과부의 경계면에서 굴절되어 렌즈의 초점을 향해 수렴되므로, PD칩의 수광부에 도달하는 효율이 증대될 수 있다는 것이다. VCSEL의 경우와 마찬가지로, 렌즈의 곡률반경이 커질수록 초점거리가 길어지는 것을 고려하여, 렌즈형상의 곡률을 결정하여야 하는데, 이와 관련되어 렌즈두께(도 9에서의 a)를 적절히 설정한다. 추가로, 평면 또는 평면 렌즈 형상이라고 하는 경우는, 옵티컬블럭(300)을 성형하는 공정에서 광전송부재장착부(310)의 바닥면에 별도의 렌즈 형상을 성형하지 않은 것으로 이해하면 된다.

또한, 광전송부재장착부(310)의 입구측에 탭(tab)부를 형성하여 두면, 광전송부재(100)의 장착을 용이하게 할 수 있는데, 그 적용의 취지상 탭부(312)의 형상은 도 7 및 도 10에 도시된 실시예의 경우에서와 같이 경사진(tapered) 형상을 갖도록 하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 광전송부재장착부(310)의 바닥면에 상기 광전송부재 중의 코어(core)가 더 깊이 삽입되기 위한 코어추가삽입부(313)를 더 형성하는 것을 고려할 수 있다. 즉, 도 11(j), 11(k)에 도시된 바와 같은 이러한 구성을 통해, 광신호를 전송하는데 직접적으로 관여하는 광전송부재(100)의 코어부를 광소자의 광신호입출사부에 더욱 근접하게 할 수 있어 신호전송효율을 증대시킬 수 있다. 코어추가삽입부(313)는 광전송부재(100)의 고정에는 관여하지 않으므로, 전술한 광전송부재장착부(310)의 폭의 경우와는 달리, 헐거운끼워맞춤공차로 관리하여도 무방할 것이다.

광투과부(311) 또는 코어추가삽입부(313)가 형성되는 경우, 광투과부 표면 또는 코아추가삽입부의 바닥면에 옵티컬블럭(300)의 소재와 같은 물질(97)을 도포 또는 부착하는 것을 고려할 수 있다. 이는 광투과부 또는 코어추가삽입부의 가공과정에서 가공작업의 한계로 인해, 또는 광투과부 또는 코어추가삽입부 표면에 연마 공정 등을 추가로 시행하기 어려운 상황에서, 광신호가 투과하는 표면의 조도(roughness)가 거친 경우, 광신호가 산란하여 광신호전송효율이 떨어짐을 방지하기 위해, 이들 가공면의 조도를 보상하기 위함이다. 이를 위해 사용되는 물질이 옵티컬블럭의 소재와 동일해야 하는 이유는, 이들이 서로 다르게 되면, 굴절률의 차이로 인해 계면에서 광신호가 바람직하지 않은 패턴으로 굴절될 수 있기 때문이다. 도 11에서는 광투과부(311)에 도포한 실시예-(h) 및 (i)- 와 코어추가삽입부(313)에 도포한 실시예-(l)가 나타나있다.

다음으로, 본 발명의 광모듈의 제조방법에 대해 각 단계별로 상술하기로 한다.

첫째, 기판(210)의 일면에 상기 광소자를 마운팅한다. 광소자(200)의 표면에 부착을 위한 페이스트 또는 접착제를 도포하고, 실장면에 부착하는 방법으로 마운트(mount)하는 것인데, 이러한 단계는 칩본더(chip bonder) 또는 다이 본더(die bonder)를 이용하여 자동화하는 것이 가능하다. 다이 본더는 일반적으로 공기흡착(suction)을 이용하여 칩의 일면을 들어올린 후, 칩의 실장위치에 마운트(mount)하는 작업을 수행한다. 이 때, 상기 페이스트는 도전성이 있는 것을 적용할 수 있다.

둘째, 광소자(200)를 실장한다. 마운트된 광소자(200)를 전극패드(220)에 전기적으로 접속하는 방법으로는 와이어 본딩, 플립 칩 본딩, SMT(surface mounting technology), 리플로우(reflow)의 방법 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

와이어 본딩은 광소자를 서브스트레이트에 전기적 접속하는 것으로, 열 압착 공정과 초음파 본딩 방식 등을 고려할 수 있다. 열 압착 공정은 열과 압력을 가하여 접합부를 형성하며 전기 방전 또는 토치를 이용하여 직경 10-20㎛인 와이어의 끝 부분을 용융시키고 압력을 가하여 볼 본드(Ball Bond)를 형성한다. 접합조건으로 캐펄래리팁(Capillary Tip)을 이용하여 두 번째 접합 위치에서 와이어(Wire)에 압력을 가하여 접합부를 형성하고 와이어를 끊는 방식으로 웨지 본드(Wedge Bond)라고 한다. 접합속도는 대략 6bpm(bond per minute)이다. 초음파 본딩 공정은 수직 방향의 압력과 수평 방향으로 60KHz 정도의 초음파 진동을 가하여 상온에서 와이어를 패드에 접합한다. 압력과 진동에 의해 산화 막이 파괴되어 금속 접촉이 발생하고 상온에서 작업하므로 냉접부(Cold weld)를 형성한다. 패드 양단의 접합부는 볼웨지(Ball-wedge) 또는 웨지-웨지 본드(Wedge-wedge bond) 형태이며 웨지-웨지본드(Wedge-wedge bond)인 경우 캐펄래리팁(Capillary Tip)과 다른 형태의 툴(Tool)을 사용할 수 있다. 와이어(Wire) 재료로서는 Au나 Cu를 사용하며 접합속도는 대략 240bpm(bond per minute)이다. 플립칩 본딩은 광소자를 서브스트레이트 후면에 장착하는 방법으로 광소자와 서브스트레이트를 금(Gold) 혹은 납땜 범프(Solder Bump) 등을 이용하여 접합하는 공정이다. 또한, 도전성 페이스트를 소자의 후면에 도포하고, 리플로우(reflow) 장비를 이용해 열풍을 가하면, 상기 페이스트가 용융되어 솔더볼을 형성하게 되는데, 이를 SMT(Surface Mount Technology)라 하며, 소자 패키징 공정시, 저배화 및 소형화에 유리하다. 도 4의 실시예에서는 와이어본딩의 방식으로 기판(210)에 광소자가 실장되어 있는데, 광소자 단자의 각각은 전극패드(220)의 각각에 개별적으로 연결되어야 관련된 전기신호를 처리할 수 있다.

셋째, 실장된 광소자(200)의 광입출사포인트2차원평면상위치를 산출한다. 이는 앞서 설명을 생략하였던 옵티컬블럭(300)의 제4기능과 관련이 있다. 이 값은 수동광정렬을 위한 설계에서 핵심적인 파라미터이며, 이는 산출된 광입출사포인트2차원평면상위치에 광전송부재장착부(310)의 중심축이 오도록 정확하게 광전송부재장착부(310)를 성형함으로써 곧바로 광정렬을 보장받을 수 있기 때문이다. 광전송부재(100)로서 그 직경이 수백마이크로미터에 불과한 것을 사용하는 경우, 육안으로 광소자(200)의 실장위치를 측정하고, 해당위치에 광전송부재장착부(310)를 가공하는 것은, 그 공정 정밀도를 고려하였을 때, 거의 불가능하므로, 본 발명에서는 카메라(camera)를 포함하여 구성되는 비전(vision)시스템을 이용하는 것을 제안하며, 이러한 구성을 소위 비전피드백(vision feedback) 공정이라 칭할 수 있다. 즉, 본 발명은, 미리 광소자(200)의 실장 위치를 정해놓고, 최소한의 오차를 가지고 실장되도록 관리하는 것을 목표로 하지 않고, ‘현실적으로 이미 일어난’ 광소자의 실장을 전제로 수용하고, 측정된 바로 그 위치에 광전송부재장착부(310)를 성형하는 것을 제안하는 것이다. 이로써, 다이본더(die bonder) 등에 필연적으로 내재된 작업오차를 제거하는 효과를 얻을 수 있어 광정렬을 보장할 수 있게 된다.

이러한 비전시스템은, 카메라 외에 이미지처리장치를 필수 구성요소로 가질 수 있다. 상기 비전시스템을 이용한 상기 광소자(200)의 광입출사포인트2차원평면상위치 산출방법에 있어서의 하나의 실시예를, 각 단계별로 상술하자면 다음과 같다. 하나, 광소자의 위치측정대상부위를 광소자의 형상에 따라 결정한다. 일례로 광소자의 외형에 있어 단면형상이 정원(正圓)인 경우, 하나의 기준점에 대해 거리가 최대가 되는 원주상의 특정점을 찾아 해당 기준점 및 특정점의 위치-이들은 지름을 형성한다-를 측정할 것을 결정하거나, 광소자의 외형의 단면 형상이 직사각형 또는 정사각형인 경우, 네 개의 꼭지점 중 대각선을 이루는 두 점의 위치를 측정할 것을 결정할 수 있다. 둘은, 카메라를 이용하여 실장된 광소자의 이미지를 촬영한다. 셋은, 그 이미지로부터 앞서 결정된 각 위치측정대상부위에 대해 2차원평면상위치값을 확정한다. 즉 상기 일례에서는 원주상의 지름을 이루는 두 개의 점 또는 사각형의 두 개의 꼭지점의 위치를 측정하는 것이다. 그 위치는 측정시스템의 절대좌표계에 대한 값일 수도 있고, 절대좌표값이 알려진 특정 참조점에 대한 상대좌표값이어도 무방하다. 2차원평면상위치값만으로 충분한 이유는, 광전송부재장착부(310)는 기판면에 대해 수직하게 형성되므로, 높이방향의 좌표값은 무의미하기 때문이다. 넷은, 전단계에서 확정된 각 위치측정대상부위의 2차원평면상위치값들로부터 광소자(200)의 광입출사포인트2차원평면상위치값을 계산한다. 이는 광소자마다 형상은 다를 수 있어도, 통상적으로 광입출사포인트는 광소자의 중심에 위치하도록 되어 있다는 전제하에 이루어지며, 상기 일례에서는 원주상의 두 개의 점의 중점 또는 사각형의 대각선을 이루는 두 꼭지점의 중점이 광입출사포인트가 될 것이므로, 각각의 점들의 위치좌표값의 평균계산을 통해, 해당 좌표시스템의 표시법으로 계산하여 산출하는 것이다. 상기 실시예는 광입출사포인트2차원평면상위치값을 구하는 하나의 일례로서 동일한 목적을 수행하는 다른 알고리즘을 배제하는 것이 아니다.

넷째, 기판(210) 위에 광소자(200)를 함입하도록 옵티컬블럭(300)의 모재(母材)를 형성한다. 이렇게 형성된 모재는 광소자를 함입하여 보호할 수 있는데, 광전송부재(100)의 신뢰성 있는 장착을 위해서는 모재는 기판(210)에 강하게 결합을 유지하는 것이 중요하다. 이처럼 모재를 기판(210) 위에 형성하는 방법의 하나의 실시예로서, 상기 기판(210) 위에 직접 사출성형 또는 몰딩하는 것을 고려할 수 있는데, 이 경우, 기판과의 강한 결합을 유지할 수 있고 모재는 기본적으로 광소자를 완전히 캡슐레이팅(encapsulation) 하게 된다. 또다른 실시예로서는, 하부에 광소자를 수납하는 공동(空洞, cavity)부의 형상을 구비하도록 사출성형 또는 몰딩 공정으로 모재를 사전 성형한 후, 이러한 모재를 기판(210) 위의 소정의 위치에 접착 또는 용착하는 방식이다. 이 경우는, 모재가 광소자를 캡슐레이팅하지는 않고, 단지 상기 공동부에 의해 일정한 이격거리를 갖고 덮는 형상을 갖게 되며, 모재의 기판(210)상 고정은, 별도의 접착제를 사용하거나, UV 레이저를 모재 표면에 조사하여 국소적으로 용융시킨 후 기판(210)에 용착시키는 방식을 적용할 수 있다. 이렇게 기판(210)위에 모재가 형성되어 있는 실시예가 도 5에 나타나 있다.

다섯째, 산출된 광입출사포인트2차원평면상위치에 대해 모재상의 광전송부재장착부(310)를 성형한다. 도 6 내지 도 10에 도시된 실시예에서는, 광전송부재장착부(310)의 형상이 원기둥 내지 원통 모양이므로, 앞서 산출된 광입출사포인트2차원평면상위치값을 중심점으로 하여, 별도로 결정되는 광전송부재장착부(310)의 직경을 갖도록 가공한다. 이러한 가공은, 레이저 가공, CNC가공공정 또는 드릴링가공공정에 의해 이루어질 수 있다. 이들 가공의 공통점은 작업부위의 정확한 위치값을 근거로 하여 가공을 하는 것이므로 본 발명의 광전송부재장착부(310)의 가공에 적합하다. 기계적 드릴링 공정의 경우, 정확한 위치에 실린더 형상을 갖는 홀을 생성시켜 자리를 잡는 제1단계와 제1단계에서 생성된 홀에 추가 절삭을 통해 정확한 홀의 지름을 만들어내는 보링(boring)의 제2단계로 가공을 진행할 수 있다. 이 경우, 1단계에서 정확한 위치를 잡는 것은 컴퓨터 및 기계를 이용하여 드릴링 팁(tip)을 이송 및 고정하여야 한다. CNC공정을 이용하는 경우는, 컴퓨터에 미리 홀의 형상정보를 입력하고, 그 정보에 의거하여 절삭을 진행하므로 가공시간을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 레이저가공공정은 비접촉 작업에 기반을 두고 있고, 자동화 라인 구성에 적합하며, 정밀제어가 가능하며, 고속의 스캔 속도로 인해 짧은 공정 시간 구현이 가능하다. 사용되는 레이저의 종류로는 UV 레이저, 이산화탄소 가스 레이저 등이 있으며, 천공방식에 따라 퍼커션식, 트레패닝(trepanning)식, 헬리컬(helical)식 등의 방식 중 선택하여 사용할 수 있다. 구체적인 작업은 기판(210)의 두께에 따라, 1회 샷(shot)의 에너지, 샷의 수, 전체 에너지합 등을 제어하여 공정을 실행한다. 이 경우도 샷이 앞서 산출된 광소자(200)의 광입출사포인트2차원상위치를 중심으로 가공을 시작할 수 있도록 그 제어는 컴퓨터 및 기계에 의해 정밀하게 이루어져야 한다. 이렇게 가공된 광전송부재장착부(310)의 실시예가 도 6에, 추가로 탭부(312)가 형성되는 실시예가 도 7에 나타나 있다. 탭부(312)의 형성에 있어서는, 기계적 드릴링 공정의 경우, 지정된 위치에 실린더 형상을 갖는 홀을 생성시키는 제1단계와 제1단계에서 생성된 홀에 추가 절삭을 통해 테이퍼(taper)경사면을 생성하는 제2단계로 가공을 진행할 수 있다. CNC및 레이저 가공공정을 이용하는 경우는, 컴퓨터에 미리 테이퍼형 홀의 형상정보를 입력하여 수행한다.

여섯째, 이렇게 가공된 광전송부재장착부(310)에 광전송부재(100)를 장착한다. 장착은 끼워맞춤에 의하는데, 장착의 신뢰성을 더욱 제고하기 위해, 장착 과정에서 광전송부재와 광전송부재장착홀의 사이에 에폭시 등의 접착제를 사용하여 고정하는 공정을 추가하는 것을 고려할 수 있다.

추가로, 광전송부재장착부(310)의 가공 단계와 장착 단계의 사이에 있어, 광전송부재장착부(310)의 바닥 부위, 즉 광투과부(311)이거나 코어추가삽입부(313)가 있는 경우, 코아추가삽입부의 바닥면에 옵티컬블럭(300)의 소재와 같은 물질을 도포 또는 부착하는 것을 고려할 수 있다. 이는 전술한 바와 같은 광전송부재장착부(310) 가공과정에서 가공의 정밀도의 한계로 인해, 또는 광전송부재장착부(310)의 내면의 연마 공정 등을 추가로 수행하기 어려운 상황에서, 광신호가 투과하는 표면의 조도가 거친 경우, 광신호가 산란하여 광신호전송효율이 떨어짐을 방지하기 위함이다. 이를 위해 사용되는 물질이 옵티컬블럭의 소재와 동일해야 하는 이유는, 이들이 서로 다르게 되면, 굴절률의 차이로 인해 계면에서 광신호가 바람직하지 않은 패턴으로 굴절될 수 있기 때문이다. 도 11에서는 광투과부(311)에 도포한 실시예-(h) 및 (i)- 와 코어추가삽입부(313)에 도포한 실시예-(l)이 나타나있다.

이하 본 발명의 광전송부재장착부의 제원과 관련하여 실시예를 기재한다.

[실시예 1]

광전송부재장착부의 깊이가 폭 이상이 되도록 설정하였다.

[실시예 2]

광전송부재장착부의 폭과 광전송부재의 직경간의 차이(공차로 인한 클리어런스)보다 광전송부재장착부의 깊이를 현저하게 크게 되도록 설정하였다.

[실시예 3]

광전송부재장착부의 바닥에 볼록렌즈형상의 광투과부를 형성하고, 광전송부재장착부의 깊이는, 광전송부재장착부의 폭과 볼록렌즈형상의 광투과부의 높이의 합 이상이 되도록 설정하였다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시 예에 불과하며, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시 예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

97 : 가공면 조도 보상 물질
100 : 광전송부재
200 : 광소자
210 : 기판
220 : 전극패드
230 : 본딩와이어
300 : 옵티컬블럭
310 : 광전송부재장착부
311 : 광투과부
312 : 탭부
313 : 코어추가삽입부

Claims

광소자 및 상기 광소자에 광축정렬되는 광전송부재를 포함하여 외부회로와의 광정렬이 필요없는 광모듈에 있어서,
광 신호를 전송하기 위한 광전송부재(100);
상기 광전송부재(100)로 광신호를 출사하거나 또는 상기 광전송부재(100)로부터 광신호를 입사받는 광소자(200);
상기 광소자(200)가 장착되는 기판(210);
광소자(200)와 외부회로간의 전기접속을 위한 전극패드(220);
상기 광소자(200)와 상기 광전송부재(100)간의 광축정렬을 위해 형성되는 광전송부재장착부가 구비된 옵티컬블럭(300);
을 포함하며,
상기 광전송부재장착부는, 광축방향으로 상기 기판에 대해 수직하게 상기 옵티컬블럭상에 광전송효율이 최대가 되는 최적의 위치에 형성되고,
상기 광전송부재장착부 형성의 최적위치는, 상기 광소자의 실장 지점의 상방에 위치한 촬상장치를 이용하여 광소자를 촬영하고, 상기 촬영된 광소자의 이미지로부터 추출된 상기 광소자의 광신호입출사포인트의 위치인 것을 특징으로 하는 광모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 광전송부재장착부의 형상은, 폭에 대한 깊이의 비율(aspect ratio)에 대하여 β≥α의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
(상기 α는 상기 광전송부재장착부의 폭, 상기 β는 상기 광전송부재장착부의 깊이임.)
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 광전송부재장착부 형성의 최적위치는, 상기 광전송부재장착부를 구비하도록 몰딩 또는 사출성형의 방법으로 성형된 상기 옵티컬블럭에 상기 광전송부재를 장착한 상태로 상기 기판상에서 위치 변경하면서 광전송효율을 측정하여 작업자가 임의로 결정한 값 이상의 광전송효율이 확보되는 위치를 탐색하는 과정을 반복하여 결정된 위치인 것을 특징으로 하는 광모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 옵티컬블럭(300)은 상기 광전송부재(100)로 전송되는 광신호의 파장 대역을 투과하는 소재로 된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
청구항 5에 있어서,
상기 광전송부재(100)로 전송되는 광신호의 파장 대역을 투과하는 소재는 실리콘(silicon)계, 에폭시(epoxy)계, ABS, 아크릴(acrylic)계, 폴리올레핀(polyolefine)계 또는 이들의 공중합체 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 광전송부재장착부의 바닥면에는 광투과부(311)가 더 형성되어 있고, 상기 광투과부(311)의 형상은 평면, 집광 기능을 하는 볼록렌즈 또는 분산되는 광신호를 평행광속(빛다발)으로 변환하는 오목렌즈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광 모듈.
청구항 7에 있어서,
상기 광투과부의 형상이 볼록렌즈이고,
상기 광전송부재장착부의 형상은, 폭에 대한 깊이의 비율(aspect ratio)에 대하여 β≥α+a 의 조건을 충족하여, 광전송부재의 광전송부재장착부에의 삽입 깊이가 α이상인 것을 특징으로 하는 광모듈.
(상기 a는 상기 볼록렌즈의 두께, 상기 α는 상기 광전송부재장착부의 폭, 상기 β는 상기 광전송부재장착부의 깊이임.)
청구항 7에 있어서,
상기 광투과부(311)의 표면에 상기 옵티컬블럭(300)의 소재와 같은 물질(97)을 도포 또는 부착하여 상기 광투과부의 가공면 조도(roughness)를 보상하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 광전송부재장착부와 상기 광전송부재(100)는, 소정의 끼워맞춤공차를 가지고 결합되는 것을 특징으로 하는 광모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 광전송부재장착부의 입구측에 탭(tab)부가 형성되어 광전송부재(100)의 장착을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 광전송부재장착부의 바닥면에 상기 광전송부재(100) 중의 코어(core)가 더 깊이 삽입되기 위한 코어추가삽입부(313)가 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
청구항 12에 있어서,
상기 코어추가삽입부(313)의 바닥면에 상기 옵티컬블럭(300)의 소재와 같은 물질(97)을 도포 또는 부착하여 상기 코어추가삽입부(313)의 가공면 조도(roughness)를 보상하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
청구항 1, 청구항 2, 또는 청구항 4 내지 청구항 13 중 선택되는 어느 하나의 항의 광모듈의 제조방법에 있어서,
(i) 상기 기판(210)의 일면에 상기 광소자(200)를 마운팅하는 단계(s10);
(ii) 상기 광소자(200)를 실장하는 단계(s20);
(iii) 상기 광소자(200)의 광입출사포인트2차원평면상위치를 산출하는 단계(s30);
(iv) 상기 기판(210) 위에 상기 광소자(200)를 함입하도록 상기 옵티컬블럭(300)의 모재(母材)를 형성하는 단계(s40);
(v) 상기 모재 상에 상기 (iii)단계에서 산출된 광입출사포인트2차원평면상위치에 상기 광전송부재장착부를 성형하는 단계(s50);
(vi) 상기 광전송부재장착부에 상기 광전송부재(100)를 장착하는 단계(s60);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광모듈의 제조방법.
청구항 1, 청구항 2, 또는 청구항 4 내지 청구항 13 중 선택되는 어느 하나의 항의 광모듈을 포함하여 이루어지는 전자기기에 있어서,
상기 광모듈과 회로기판간의 추가 광축정렬없이 상기 광모듈과 상기 회로기판간 전기접속으로만 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 전자기기.