KR20020065096A - 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저디바이스 패키징 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직정렬로 신호를 입사시킬 수 있는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈은 하부기판과, 다이 본딩에 의해 상기 하부기판 상에 형성되는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드와, 상기 하부기판 상에 형성되고 와이어 본딩에 의해 상기 수직 공동 표면 방출 레이저다이오드에 접속되는 다수의 리드핀과, 상기 하부기판과 대면되게 설치되는 상부기판과, 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드와 대응되도록 상기 상부기판 상에 형성되어 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드에서 방출된 광을 집광시키기 위한 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 반도체 칩 형태의 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징을 사용하고 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스의 크기를 줄여, 여러 형태의 광소자와 수직정렬로 광 도파로에 신호를 입사시킬 수 있으며, 또한 인쇄회로 기판에 실장하여 사용할 수 있다.

Description

표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈{The Surface Mounted Packaging Module Of VCSEL Device}

본 발명은 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈에 관한 것으로, 특히 수직정렬로 신호를 입사시킬 수 있는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈에 관한 것이다.

인터넷 사용자의 폭발적인 증가와 전송 데이터의 대용량화 추세에 따라 초고속 전송망이 요구되었고, 이에 기존의 동선을 이용한 통신 네트워크의 한계를 극복하기 위해 광을 이용한 초고속 통신망의 실현이 이루어져가고 있으며, 이는 레이저 다이오드를 통하여 가능하게 되었다. 사용되는 광원으로는 레이저 다이오드와 함께 수직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser : 이하 "VCSEL"라 함)가 있는데 이는 기존의 모서리 발광 레이저 다이오드와는 달리 반도체 기판 상에 적어도 하나의 P층과 적어도 하나의 N층을 포함하는 복수개의 수평층들의 적층구조의 스택(stack)에 대하여 수직방향으로 광을 발산한다. 이 광원에서 발산된 광은 퍼짐이 적고 원형 광에 가까우며, 출력되는 광의 펄스 폭이 0.8나노미터로 좁아 고속동작이 가능하다. 또한 동작 문턱 전류가 수 밀리암페어로 매우 낮을 뿐만 아니라, 웨이퍼 레벨에서 테스트가 가능하므로 전력 소모와 가격적인 면에서도 매우 유리하다. 현재는 데이터 통신을 위한 TO-46 형태의 850나노미터 대역의 단파장 영역에서 멀티모드 광섬유를 이용할 수 있는 VCSEL이 대부분이다.

현재 이러한 VCSEL의 장점을 이용하여 여러가지 종류의 응용제품이 출시되었지만, 표면 실장 소자(Surface Mount Device : 이하 "SMD"라 함)형태에 VCSEL만 부착하여 렌즈를 덮은 형태로서 단순하게 광학 센서로 사용할 수 있을 뿐, 고속의 데이터전송에서는 사용될 수 없는 단점이 있다. 또한, 이러한 TO-46형태는 트랜지스터보다 2~3배 높이가 높아 교환기, 광전송 시스템등에 똑바로 실장할 수 없어 옆으로 눕혀 실장하므로 수평 방출 방식에만 응용할 수 있어 VCSEL 패키지 모듈을 이용한 응용에는 적용하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 수직정렬로 신호를 입사시킬 수 있는 SMD 형태의 VCSEL 디바이스 패키징 모듈을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈의 내부를 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈의 내부를 나타내는 도면.

도 3은 도1 및 도2에 도시된 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈의 내부를 렌즈와 함께 패키징한 외부를 나타내는 도면.

도 4는 도 3에 도시된 렌즈의 위치를 나타내는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 측면도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1,3 : 리드 2 : 수직공동표면방출 레이저다이오드

4 : 와이어 본딩 5 : 하부기판

6 : 서브스트레이트 8 : 발광 윈도우

10 : 모니터 포토다이오드 12 : 렌즈

15 : 상부기판

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈은 하부기판과, 다이 본딩에 의해 상기 하부기판 상에 형성되는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드와, 상기 하부기판 상에 형성되고 와이어 본딩에 의해 상기 수직 공동 표면 방출 레이저다이오드에 접속되는 다수의 리드핀과, 상기 하부기판과 대면되게 설치되는 상부기판과, 상기수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드와 대응되도록 상기 상부기판 상에 형성되어 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드에서 방출된 광을 집광시키기 위한 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상부 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 도1 내지 도4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈의 내부를 나타내는 도면이다.

도1을 참조하면, 하부기판(5)상의 서브스트레이트(6)에 고정시키기 위해 합금형 다이 본딩(die bonding)되는 다이상태의 VCSEL 다이오드(2)와, 다이상태의 VCSEL 다이오드(2) 중앙의 표면에 원형의 발광 윈도우(8)와, 하부기판(5) 상의 양끝단에 위치하는 SMD 형태의 제1 내지 제4 리드 핀(1a 내지 1d)을 구비한다. 여기서, 제1 및 제2 리드 핀(1a,1b)은 와이어 본딩(4)을 통해 다이상태의 VCSEL 다이오드(2)와 연결되며, 제3 및 제4 리드 핀(1c,1d)은 와이어 본딩(4)을 통해 서브스트레이트(6)와 연결된다.

도2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈의 내부를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 하부기판(5)상의 서브스트레이트(6)에 고정시키기 위해 다이 본딩(die bonding)되는 다이상태의 VCSEL 다이오드(2)와, 다이상태의 VCSEL 다이오드(2) 중앙의 표면에 원형의 발광 윈도우(8)와, 다이상태의 VCSEL 다이오드(2)의 양옆으로 일정한 간격을 두고 서브스트레이트(10) 상에 위치한 2개의 모니터 포토다이오드(10)와, 하부기판(5) 상의 양끝단에 위치하는 SMD 형태의 제1 내지 제4 리드 핀(1a 내지 1d)을 구비한다. 여기서, 제1 리드 핀(1a)은 와이어 본딩(4)을 통해 다이상태의 VCSEL 다이오드(2)와 연결되며, 제2 및 제3 리드 핀(1b,1c)은 와이어 본딩(4)을 통해 서브스트레이트(6)와 연결되며, 제4 리드 핀(1d)은 와이어 본딩(4)을 통해 2개의 모니터 포토다이오드(10)와 연결된다.

도3은 도1 및 도2의 형태로 구성된 것을 패키징한 SMD 형태 VCSEL의 외부를 나타내는 도면이다.

도3을 참조하면, 하부기판(5)의 중앙에 본딩되는 다이상태의 VCSEL 다이오드(2)와, 하부기판(5)의 양끝단에 위치하는 제1 내지 제4 리드 핀(3a 내지 3d)과, 상부기판의 홈에 위치하며 다이상태의 VCSEL 다이오드에서 방출된 광을 집광시키는 렌즈(12)를 구비한다.

도1의 형태로 패키징 되었을 경우, 제1 및 제2 리드 핀(3a,3b)은 VCSEL의 양극과 연결되는 리드 핀이며 제3 및 제4 리드 핀(3c,3d)은 VCSEL의 음극과 연결되는 리드 핀이다.

VCSEL 다이오드(2)는 300 ×300 ×200마이크로미터 정도의 크기이며, 중앙의 표면에 있는 원형의 발광 윈도우(8)로부터 850nm 대역의 파장을 가진 원형의 광이 10°∼18°정도로 퍼지면서 발광한다. VCSEL에서 발광된 광은 렌즈(12)를 통해 출력되며, 필요시 패키징 외부에 별도의 전기적 회로의 구성을 통해 광 출력세기를제어할 수도 있다.

도2의 형태로 패키징 되었을 경우, 제1 리드 핀(3a)은 VCSEL의 양극과 연결되는 리드 핀이고, 제2 및 제3 리드 핀(3b,3c)은 VCSEL의 음극과 모니터 포토 다이오드(10)의 양극에 동시에 연결되는 리드 핀이며, 제4 리드 핀(3d)은 모니터 포토 다이오드(10)의 음극으로 연결되는 리드 핀이다.

VCSEL 다이오드(2)는 300 ×300 ×200마이크로미터 정도의 크기이며, 중앙의 표면에 있는 원형의 발광 윈도우(8)로부터 850nm 대역의 파장을 가진 원형의 광이 10°∼18°정도로 퍼지면서 발광한다.

VCSEL에서 발광된 광은 렌즈(12)를 통해 출력되며, 일부의 광이 반사되어 2개의 모니터 포토 다이오드(10)에 영향을 주게되어, VCSEL의 광 출력 세기 정도에 따라 발생되는 모니터 포토 다이오드(10)의 전류를 통해 광 출력 세기를 조절할 수 있도록 한다. 여기서는 광 출력 세기를 조절하기 위해 모니터 포토다이오드(10)를 사용하므로 외부에 별도의 복잡한 전기적 회로가 불필요하다.

도4는 도3에 도시된 렌즈의 위치를 나타내는 SMD 형태 VCSEL의 측면도이다.

도4를 참조하면, 리드 핀이 상부기판과 하부기판에 모두 적용되어 있으므로 접속 방향에 따라 자유공간 전송과 도파로 전송이 모두 가능하도록 하는 동시에 렌즈(12)를 보호하기 위해 렌즈(12)의 상부기판의 아래쪽으로 들어가도록 패키징 된다.

자세히 설명하면, 자유공간으로 VCSEL모듈을 사용시에는 렌즈를 위쪽으로 하여 반대면이 도시되지 않은 인쇄회로기판에 고정이 되도록 사용하고, 광도파로에VCSEL모듈을 사용시에는 렌즈부분이 바닥, 즉 인쇄회로기판에 부착하여 사용하게 된다.

또한, 자유공간 전송과 도파로 전송 등 양면 사용이 가능하도록 주석-납 합금(Sn-Pb)도금이 되어있는 SMD형태의 리드 핀을 상부기판(5)과 하부기판(15)에 모두 적용하여 패키징된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈은 SMD형태의 VCSEL디바이스 패키징을 사용하여 자유공간상과 광 도파로 사이에 수직적인 정렬이 가능하고, 인쇄 회로 기판위에는 전도성 접합 물질을 사용하여 매우 손쉽게 실장하여 사용할 수 있으며 또한 고속 신호 데이터를 일정한 거리로 전송하기 위해 입력된 데이터를 VCSEL드라이브를 통해 동일 평면상에 SMD형태 VCSEL모듈로 인가 가능하므로써 임피턴스 불일치로 인한 광원의 노이즈 특성을 해소시킬 수 있다.

또한, SMD형태 패키징 내부에 포토 다이오드를 내장하여 광출력을 감지하는 방법을 사용하며, 외부에 회로의 구현으로 모듈 온도의 변화에도 일정한 광 출력을 유지시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 렌즈의 상부가 패키지 표면으로부터 안쪽으로 들어가게 패키징되어 자유공간 전송과 도파로 전송이 모두 적용할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (4)

1. 하부기판과,

   다이 본딩에 의해 상기 하부기판 상에 형성되는 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드와,

   상기 하부기판 상에 형성되고 와이어 본딩에 의해 상기 수직 공동 표면 방출 레이저다이오드에 접속되는 다수의 리드핀과,

   상기 하부기판과 대면되게 설치되는 상부기판과,

   상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드와 대응되도록 상기 상부기판 상에 형성되어 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 다이오드에서 방출된 광을 집광시키기 위한 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부기판 상에 다이 본딩되어 상기 렌즈로부터 반사된 빛에 의해 출력 광의 전력을 조절할 수 있는 다수의 모니터 포토 다이오드를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 리드 핀은 상기 상부 및 하부기판에 형성될 수 있으며 주석-납 합금(Sn-Pb)에 의해 도금되는 것을 특징으로 하는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부기판 상에는 상기 렌즈가 삽입되는 홈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 표면 실장 소자 형태의 수직 공동 표면 방출 레이저 디바이스 패키징 모듈.