KR20020084080A - 활성 디바이스 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수개의 전기 접촉 패드가 형성된 적어도 편평한 표면을 갖는 기판, 적어도 하나의 광도파관 및 다수개의 전극이 형성된 표면을 갖는 칩을 포함하는 활성 디바이스 어셈블리에 관한 것이다. 상기 칩 표면은 상기 기판의 편평한 표면과 마주하고, 상기 전기 접촉 패드는 상기 전극에 전기적 접촉을 갖는다. 상기 접촉 패드 및 상기 전극은 상기 칩과 상기 기판 사이의 기계적 접속을 제공하고, 상기 기판의 열팽창계수는 길이 방향으로 상기 칩의 열팽창계수와 동일하거나 크다.

Description

활성 디바이스 어셈블리{Active device assembly}

본 발명에 따르면, 활성 디바이스는 상기 디바이스에 형성된 도파관에서 광 신호 이동의 성질(강도, 상, 방향 같은)을 변화시키기 위한 전기적 신호의 특성을 갖는 디바이스이다. 활성 디바이스에서 사용된 상기 전기적 신호는 통상적인 전기통신 범위인 수백 MHz 내지 수 GHz의 마이크로파이다.

상기 활성 디바이스는 전기통신 디바이스이고, 이들은 리튬 니오베이트(niobate), 리튬 탄탈레이트(tantalate) 등과 같은 결정질 물질로 이루어지고, 예컨대 티탄 확산에 의해 상기 결정질 물질의 어느 한 표면에 형성된 광도파관을 갖는 칩을 포함한다. 그리고, 전극이 스위칭 또는 변조(modulation) 기능을 수행하기 위해 전기적 신호를 제공하도록 바람직하게는 상기 칩의 동일한 표면에 형성된다.

그러한 디바이스의 패키징은 고비용의 밀봉 또는 반 밀봉 금속 패키지로 이루어지고, 상기 패키지 벽을 통하는 전기적 접속이 상기 전극에 상기 전기적 신호를 전달하기 위해 금속 핀(스위치용) 또는 동축 접속기(변조기용) 주위의 세라믹 피드쓰루(feedthrough) 또는 유리에 의해 금속 시일(seal)로 이루어진다.

상기 패키지 위의 접촉 핀 또는 접속기에서 상기 칩 위의 전극으로 전기적 접속은 상기 핀에 대한 직접적인 솔더링, 와이어 결합(고주파수 운전용 리본) 및/또는 세라믹 조각(strip) 라인으로 이루어진다.

광섬유는 상기 패키지 벽에서 피드쓰루를 통하고, 일반적으로 상기 광학적 신호를 추가하거나 제거하기 위해 또는 상기 칩에 상기 광도파관을 형성하기 위해 섬유-차단제 및 UV 경화성 접착제에 의해 상기 칩에 고정된다. 밀봉 패키지를 위해 상기 패키지 벽과 상기 광학 섬유 사이의 시일이 이루어져야 한다.

상기 디바이스의 패키징은 또한, 상기 패키지 베이스에 직접 또는 상기 패키지 베이스에 서브마운트(submount) 고정된 칩을 페이스-업(face-up) 기술, 즉, 광학적 및 전기적 도파관이 없는 칩의 표면상에 페이스-업 기술로 고정하는 단계를 더욱 포함한다.

일반적으로, 상기 패키지 또는 상기 서브마운트 상의 칩 마운팅 영역은 충분한 컴플라이언스(compliance)를 가지거나 또는 상기 서브마운트를 포함하는 물질은 상기 리튬 니오베이트와 유사한 열팽창계수를 갖는다. 상기 열 부합(mismatch)은 특히, 칩 수송시와 같은 상기 디바이스의 비-운전 단계 동안 칩 손상의 위험을 제거하기 위해 작다.

상기 비-운전 단계들에서 상기 디바이스의 우수한 성질을 보장하기 위해, 이른바 열 순환(thermal cyclings)이라는 엄격한 시험이 수행되고, 이는 상기 디바이스를 온도 변화에 적용시키는 단계, -40℃ 내지 -20℃ 사이의 최소로부터 시작하는 단계, 및 +70℃ 내지 +85℃ 사이의 최대에 도달시키는 단계로 구성되고, 이는 통상적인 전기통신 디바이스의 온도 범위이다.

이 패키징 기술의 예는 오도넬의 문헌(O'Donnell, "Packaging and Reliability of Active Integrated Optical Components", European Conference on Integrated Optics, 1995 paper Th C4, pp. 585-590, and in Nagata et al., "Mechanical Reliability of LiNbO₃Optical Modulators Hermetically Sealed in Stainless Steel Packages", Optical Fiber Technology, 1996, Vol. 2, pp. 216-224)에서 확인될 수 있다.

텍트로닉스(Tektronix)사의 미국특허 제5,123,065호는 활성 디바이스에 대한 패키지에서 리튬 니오베이트 칩을 고정하는 것과 동시에 상기 전극들에 대한 전기적 신호를 가져오는 것에 대한 다른 접근 방식을 기술한다. 모듈은 정면을 아래로 하는 방향(또는 플립-칩(flip-chip))에서 전기-광학 변환기(transducer)가 고정된 편평한 표면을 갖는 세라믹 기판을 갖고, 이는 도파관 및 전극을 갖는 표면이 상기 기판의 그러한 편평한 표면과 마주하도록 한다. 상기 세라믹 기판은 Al₂O₃이다. 상기 기판은 RF 또는 마이크로파 파워의 외부 소스를 상기 디바이스의 전극 구조에 접속시키기 위한 전기적 통로를 제공하기 위해 그 위에 형성된 금속화된 영역을 갖는다. 솔더 컬럼은 상기 기판 위에 형성된 금속화된 영역으로부터 상기 전기-광학 변환기 모듈 위의 접촉 영역에 연장하고, 상기 변환기를 상기 기판에 고정시킨다.상기 칩은 스페이서에 의해 상기 기판으로부터 벗어나서 위치되고, 비-도전성 물질로 형성되고, 솔더 컬럼에 포함된다.

그리고, 다른 솔더 컬럼은 상기 금속화된 전도체를 상기 전기-광학 변환기 위의 상기 전극 구조에 접속시킨다. 광학 섬유는 또한, 솔더 예비성형체에 의해 상기 칩에 고정된다.

출원인은 활성-디바이스 칩을 상기 기판에 직접 접촉시키는 실험을 수행하였고, 실험적으로 상기 칩이 균열됨을 확인하였다. 이 실험에서, 상기 기판 재료의 열팽창계수는 상기 칩의 열팽창계수 보다 낮았다. 출원인은 상기 칩에서의 균열이 상기 칩 재료의 인장에 대한 낮은 저항성과 함께 저온 조건에서 상기 칩과 기판의 열팽창계수와 관련될 수 있음을 확인하였다.

수동 디바이스의 패키징 기술에서, 전기 접속은 포함되지 않고, 상기 수동 디바이스가 실리콘 기재 수지를 사용하여 캡슐화되고, 플라스틱 케이스 안으로 끼어 넣어져서 저비용 방식으로 사용되었다. 어떠한 전기적 접속도 없기 때문에, 외부 환경 요인이 상기 전기적 성능을 저하시킬 수 있는 위험이 없다. 스미토모(Sumitomo)사의 미국특허 제5,696,860호는 예컨대, 광학 디바이스를 포함하는 광학 디바이스 모듈, 상기 광학 디바이스의 제1 및 제2 말단에 각각 직접 연결된 광학 섬유를 지지하는 제1 및 제2 섬유 접속기, 및 상기 전체 모듈 바디(module body)를 밀봉하기 위한 제1 수지로 전체적으로 몰드된 인클로저 바디(enclosure body)를 기술한다. 실리콘 수지, 우레탄 수지 같은 겔 형태의 제2 수지는 상기 인클로저 바디 및 모듈 바디 사이에 위치된다.

출원인은 상기 칩의 운전 조건을 용이하게 하기 위하여, 상기 칩과 상기 기판 사이의 전기적 및 기계적 접속을 향상시키는 문제점을 제기하였다.

출원인은 상기 기판과 상기 칩이 직접 접촉하는 상태가 되면, 상기 전기적 접속이 개선될 것을 확인하였다. 이러한 상황에서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 칩의 열팽창계수와 동일하거나 그 보다 크면, 상기 칩과 상기 기판 사이의 접촉은 상기 칩에 손상을 가하거나, 균열을 야기하지 않을 것이다.

본 발명은 스위치(switch), 위상기(phase shifter), 변조기(modulator), 감쇠기(attenuator) 등과 같은 전기-광학 디바이스의 패키징에 관한 것이다.

더욱 일반적으로, 본 발명은 활성 디바이스에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기-광학 변조기와 같은 활성 디바이스를 패키징하는 것을 도시하고,

도 2는 리튬 니오베이트 칩 상의 도파관 및 전극 패턴의 일례를 도시하고,

도 3a는 본 발명에서 사용되는 기판의 상부 표면에 대한 일례로, 전기 패턴이 도 2의 전극 패턴과 일치함을 도시하고,

도 3b는 도 3a의 기판의 하부 표면을 도시하고,

도 4는 패키징 단계에서, 본 발명에 따른 패키지된 전기-광학 스위치를 도시한다.

본 발명의 제1관점에 따라, 본 발명은

다수개의 전기 접촉 패드가 형성된 적어도 편평한 표면을 갖는 기판,

적어도 하나의 광도파관 및 다수개의 전극이 형성된 표면을 갖는 칩,

상기 기판의 평면과 마주하고, 기계적으로 접속하는 상기 칩 표면,

상기 전극과 전기적 접촉하는 전기 접촉 패드를 포함하고,

상기 기판의 열팽창계수는 길이 방향으로 상기 칩의 열팽창계수와 동일하거나 큰 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리에 관한 것이다.

특히, 상기 칩은 리튬 니오베이트 칩일 수 있다.

바람직하게는, 상기 접촉 패드는 도전성 접착제(glue)에 의해 상기 전극과 접촉하고 있다.

특히, 상기 칩은 전기-광학 변조기이다.

또한, 상기 칩은 스위치이다.

본 발명의 다른 관점은 적어도 하나의 광도파관 및 다수개의 전극이 형성된표면을 갖는 칩을 포함하는 광학 평면 활성 디바이스를 패키징하고 어셈블링하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은,

다수개의 접촉 패드가 형성된 적어도 편평한 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계,

상기 칩 표면을 상기 기판의 편평한 표면과 마주하도록 배치하는 단계,

전기적 접속 및 기계적 접속을 제공하기 위해 상기 접촉 패드와 상기 전극을 접속시키는 단계를 포함한다.

상기 기판을 제공하는 단계는 길이 방향으로 상기 칩의 열팽창계수와 동일하거나 큰 열팽창계수를 갖는 기판을 선택하는 단계를 포함한다.

도 1은 패키지된 전기-광학 디바이스(1)를 도시하고, 특히, 상기 디바이스는x-컷 리튬 니오베이트 칩(2)을 포함하는 변조기이다. 상기 칩(2)은 55mm의 길이, 2mm의 폭, 및 1mm의 두께로 절단된 것이다. 변조기의 칩에 대한 일반적인 치수는 길이 45-60mm, 폭 1-5mm, 두께 0.5-1.5mm이다.

본 발명은 전술된 바와 같이 다른 활성 디바이스에 동일하게 적용가능하다.

상기 리튬 니오베이트는 비등방성 물질이고, 결정학적 축에 따라 다른 열팽창계수를 나타낸다. x-컷 칩에 대하여(도 2), 상기 열팽창계수는 x와 y축에서 15.4×10^-6m/℃이고, z축에서 7×10^-6m/℃이다. 상기 y축은 본 발명에서 "길이 방향"을 의미할 것이다. 동일한 정의가 z-컷 칩의 경우에도 또한 적용된다. 상기 x축 방향은 상기 시트로부터 지시하고 있는 화살표 끝을 나타내는 검은 점으로 도 2에 나타나 있다.

여전히 도 2에서, 간단하게, 상기 리튬 니오베이트 칩(2)의 "상부" 표면으로 본 발명에서 언급되고 있는 상기 리튬 니오베이트 칩(2)의 한 표면 위에 광도파관(21)이 티탄 확산 같은 종래 기술로 형성된다. 그리고, SiO₂같은 유전체 물질의 수 미크론 두께 층이 도포되고(미도시), 동일 평면상 구조의 전극(22, 23, 24)이 증착된다. 상기 특정 변조기가 실현됨에 따라, 광도파관(21), 완충층 및 전극 구조(22, 23, 24)가 종래 방식으로 구조될 수 있다. 도 2의 예에서, 상기 광도파관(21)에 대한 마하-젠더(Mach-Zehnder) 구조가 나타나 있고, 동일 평면상의 이동-파(travelling-wave) 전극 구조는 그라운드 전극(24) 뿐만 아니라, 두 개의 말단 패드(22a, 22b)를 갖는 RF 전극(22), 하나의 말단 패드(23a)를 갖는 DC 또는 바이어스(bias) 전극(23)을 포함한다. 도 1을 참조하면, 상기 패키지된 변조기(1)는 고주파 제품, 예컨대, 로저스(ROGERS)사의 TMME^TM같은 세라믹 열경화성 고분자 조성물의 절연성 재료로 형성된다. 상기 예에서, 상기 기판(3)은 길이 46.7mm, 폭 9.2mm, 두께 1.6mm의 치수를 갖는다. 기판(3)은 도 3a, 3b에 상세히 도시된다.

상기 기판(3)의 양 표면은 17 ±1㎛의 두께로 전기증착된 구리로 덮인다. 그리고, 본 발명에서 편의상 상기 기판(3)의 "상부" 표면으로 언급되는 상기 기판(3)의 한 표면 위에 상기 전기증착된 구리가 광-에칭되어 접촉 패턴을 생성하고, 이는 상기 칩의 상부 표면의 전극 구조와 일치하고, 적당한 전기적 통로가 상기 전기적 신호를 운반하거나 상기 그라운드처럼 대조 전위에 접속되도록 채택된다. 에칭되고, Ni 및 Au의 얇은 층에 의해 덮인 금속화된 패드(31, 32, 33) 및 그라운드 금속화된 영역(35)을 포함하는 상기 접촉 패턴의 실시예는 도3a에 나타낸다. 상기 Ni 및 Au의 얇은 층의 두께는 칩과 기판 사이의 공간을 결정하도록 선택될 수 있다. 금속화된 패드(31, 32, 33)의 폭은 1.4mm이고, 각 금속화된 패드(31, 32, 33)는 바람직하게는 0.4mm의 폭에 이르는 테이퍼 말단(tapered end)을 갖는다. 이롭게는, 금속화가 없는 채널(34)이 상기 기판(3)의 상부 표면으로 절단될 수 있고, 상기 채널(34)은 1mm 폭 및 거의 0.6mm 깊이를 갖는다. 50 ohm 칩 저항기(36)는 납/솔더 합금으로의 전-솔딩 작용에 의해 상기 기판(3)에 솔더되어 상기 금속화된 패드(33)를 상기 인접한 그라운드 금속화된 영역(35)과 접속된다. 편의상 상기 기판(3)의 "하부"로 언급되는 도 3b에 도시된 상기 기판(3)의 다른 표면 위에, 두개의영역(37, 38)이 상기 금속화된 패드(32, 33)에 상응하는 영역에서 금속화가 없는 상태로 남아있을 수 있다. 상기 영역(37, 38)은 3.4 ×2mm의 치수를 갖는다.

상기 기판(3)의 하부 표면 위의 상기 영역(37, 38) 뿐만 아니라, 상기 칩 저항기(36)와 상기 기판(3)의 상부 표면 위의 상기 채널(34)의 기능이 하기 상세히 설명된다.

도 1에서, 종래의 동축 접속기(4, 5), 예컨대, SMA 접속기는 상기 기판(3)에 고정된다. 이롭게는 상기 접속기(4, 5)는 기판(3)에 솔더되는 고정 핀(4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c)을 갖는다. 특히, 접속기(4, 5) 사이의 핀(4a, 4c, 5a, 5b, 5c)는 상기 금속화된 그라운드 영역(35)에 솔더되고(도 3a), 접속기(4)의 상기 핀(4b)은 상기 금속화된 패드(31)에 솔더되고, 접속기(5)의 상기 핀(5b)은 상기 금속화된 패드(32)에 솔더된다. 상기 접속기(4, 5)로부터 돌출하는 다른 핀들(미도시)은 이롭게는 상기 동축 접속기(4, 5)의 완전한 고정을 이루기 위해 상기 기판(3)의 하부 표면에 솔더될 수 있다.

상기 접속기(4, 5)를 상기 기판(3)에 고정하는 것과 관련하여, 상기 기판(3)의 폭은 이롭게는 그러한 고정을 위해 적당한 표면을 가지도록 하기 위해 상기 칩(2)의 폭 보다 크다.

이롭게는, 에폭시 테크놀로지사의 제품인 Epotek^TM417과 같은 도전성 에폭시 접착제를 상기 금속화된 패드(31, 32, 33) 및 상기 금속화된 그라운드 영역(35)에 도포한다. 특히, 상기 도전성 접착제는 바람직하게는 상기 금속화된 패드(31, 32,33) 위의 테이퍼 영역 위에, 및 상기 금속화된 그라운드 영역(35) 위의 중심 채널(34)에 인접한 영역에 도포하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 칩(2)의 상부 표면은 플립-칩 방식으로 상기 기판(3)의 상부 표면에 결합되고, 그러한 방식에서, 상기 칩(2)의 상기 전극 구조의 상기 말단 패드(22a, 22b, 23a)는 각각 상기 기판(3)의 상기 금속화된 패드(32, 33, 31)와 각각 결합한다. 게다가, 상기 광도파관(21)을 포함하는 상기 칩(2)의 상기 중심 영역, 상기 RF 전극의 상기 주요부(22) 및 상기 바이어스 전극의 주요부(23)는 상기 기판(3)의 중심 절단 채널(34)(존재한다면)과 결합한다. 상기 칩(2) 위의 상기 그라운드 전극(24)은 상기 기판(3) 위의 상기 금속화된 그라운드 영역(35)과 결합한다. 이러한 방식에서, 상기 어셈블리 칩-기판에 대한 전기 접속 및 고정 메커니즘은 이롭게는 동일하다. 또한, 납/솔더 합금 같은 솔더는 상기 도전성 에폭시 접착제에 부가하여 고정을 위해 사용될 수 있다. 상기 도전성 접착제의 두께는 50nm 미만, 바람직하게는 25nm이고, 상기 칩은 상기 기판에 매우 인접해 있다.

상기 기판(3) 위에 상기 칩(2)의 고정 단계는 상기 선택된 도전성 접착제에 따라 결정되는 온도에서 수행되고, Epotek^TM417의 경우에 60℃이다.

이롭게는, 상기 절단 중심 채널(34)은 상기 고정 단계 동안 상기 광도파관의 기계적 손상의 위험을 감소시키며, 여기서, 상기 칩과 기판 사이에 스페이서가 없고, 상기 도전성 접착제의 두께와 함께, 상기 기판(3) 상의 금속화의 두께는 상기 기판(3)으로부터 상기 칩(2)이 벗어날 정도는 아니다. 이롭게는,언더필러(underfiller)가 상기 칩과 상기 기판 사이의 공간을 충전하는데 사용될 수 있다. 상기 언더필러는 상기 칩과 상기 기판 사이의 점착력을 개선시키고, 습기의 침입을 막는 효과를 갖는다. 상기 언더필러는 상기 칩과 상기 기판 사이의 공간에 충전될 정도로 충분한 유동도를 가져야하고, 게다가, 상기 언더필러는 전기적 절연체이다.

광섬유(6, 7)는 상기 칩(2)에 종래의 방식, 예컨대, 종래의 섬유 블록(8, 9)(섬유 변발(fibre pigtailing))에 의해 부착된다. 또한, 광섬유(6, 7)는 상기 기판(3)에 상기 동일한 칩(2)을 결합시키는 상기 단계 전에 상기 칩(2)에 부착될 수 있다.

섬유 변발과 관련하여, 상기 기판(3)의 길이는 상기 변발 단계에 관련된 접착제와의 불일치를 피하기 위해 바람직하게는 상기 칩(2)의 길이 보다 작다.

변발 섬유 블록(8, 9)과 함께 칩(2), 기판(3), 접속기(4, 5), 섬유(6, 7)를 포함하는 어셈블리는 바람직하게는 실리콘형 수지(10)로 캡슐화된다.

본 발명의 의도에 적합한 실리콘형 수지는 실라텍 코프(Silatec Corp.)사의 145 RTV 제품의 열가소성 수지이다.

이 수지는 상기 디바이스에 물리적 보호를 제공하는 동시에, 유연성 있는 섬유 피드쓰루를 제공하고, 상기 섬유에 전체에 걸쳐서 적당한 피드쓰루를 장착하는 시간 소비 노력을 없앨 수 있다.

상기 캡슐화된 어셈블리는 바람직하게는 두 개의 반쪽, 각각 상부의 반쪽 및 하부의 반쪽으로 제조된 플라스틱 케이스(11)로 넣어지고, 이는 상기 칩(2), 상기기판(3) 및 섬유 변발에 대해 최종적으로 단단한 보호를 제공한다. 상기 케이스(11)는 바람직하게는 플라스틱 재료로 만들어지나, 상기 케이스는 금속 재료, 알루미늄 등일 수 있다. 적당한 플라스틱 재료는 발록스 인크(Valox Inc.)사의 VALOX^R420 제품이다.

상기 접속기(4, 5)는 상기 필수적인 전기 입력을 제공하기 위해 상기 플라스틱 케이스(11)의 상기 두 개의 반쪽 사이에 적절히 들어간다.

상기 캡슐화 단계 동안, 변발 섬유 블록(8, 9)과 함께, 칩(2), 기판(3), 섬유(6, 7)을 포함하는 어셈블리는 바람직하게는 상기 플라스틱 케이스(11)의 상기 하부 반으로 놓여진다. 그리고, 그렇게 형성된 전체 어셈블리는 액체 상태에서 상기 실리콘 수지(10)로 충전된 몰드에 놓여 경화된다.

상기 몰드의 제거 후, 상기 플라스틱 케이스(11)의 상부가 상기 전체 디바이스에 근접하여 보호하기 위하여 추가된다. 바람직하게는 상기 플라스틱 케이스(11)의 상기 두 개의 반쪽(상부와 하부)은 스크류 또는 다른 고정 수단의 사용없이 함께 닫히는 잠금 결합을 갖도록 고안될 수 있다.

변조기(1)의 운전은 하기와 같다.

도1-3을 참고하면, RF 신호 발생기(미도시)는 상기 변조 신호를 상기 변조기(1)에 제공하기 위하여 상기 접속기(5)에 부착된다. 상기 RF 신호는 상기 금속화된 패드(32)에 의해 운반되고, 상기 금속화된 패드(32)의 상기 테이퍼 영역(32') 위에 도포된 상기 도전성 접착제에 의하여 상기 칩(2) 위의 상기 RF 전극 패드(22a)에 전송된다. 상기 RF 신호는 상기 RF 전극(22)을 따라 이동하고, 상기 전극 패드(22b)를 통하고, 상기 금속화된 패드(33)의 상기 테이퍼 영역(33') 위에 도포된 도전성 접착제에 의해 상기 금속화된 패드(33)에 전송된다. 여기로부터, 상기 RF 신호는 상기 저항기(36)를 통하여 상기 그라운드된 금속화(35)로 전송된다.

유사하게, DC 신호 발생기(미도시)는 상기 변조기(1)를 그것의 반응 곡선에 대한 정확한 운전 지점을 한쪽으로 치우치게 하기 위하여 상기 접속기(4)에 부착된다. 상기 DC 신호는 상기 금속화된 패드(31)에 의해 운반되고, 상기 패드(23a)를 통하여, 상기 칩(2) 위에, 상기 금속화된 패드(31)의 상기 테이퍼 영역(31') 위에 도포된 상기 도전성 접착제에 의하여 상기 바이어스 전극(23)에 전송된다. 상기 실리콘 수지(10)에 의한 상기 디바이스의 캡슐화는 상기 디바이스(1)를 적절하게 보호하고, 예기치 않은 쇼크에 대비하여 상기 플라스틱 케이스(11)에 놓는다. 상기 기판(3) 상의 상기 칩(2)의 상술된 플립-칩 결합 방법에 의하여, 상기 캡슐(11)을 형성하는 유전재료와 상기 활성 디바이스(1) 내에 포함된 전기장 사이의 상호작용의 위험이 없고, 상기 전극(22, 23)과 상기 접촉 패드(31, 32, 33)는 가려지고, 보호되는데, 이는 그러한 결합 방법에 의해 그들이 상기 실리콘 수지와 직접 접촉하지 않기 때문이다. 상기 기판(3)의 상기 하부 표면 위의 비-금속화된 영역(37, 38)(도 3b)은 상기 전기장의 공기를 통하여 확산이 자유롭게 일어나도록 하는 기능을 기본적으로 갖는다.

도 4를 참조하면, 플립-칩 패키징 기술의 다른 적용을 하기에 나타낸다. 상기 도면은 플립-칩 방식으로 기판(3')에 결합된 칩(2')을 포함하는 스위치(1')를 도시한다. 상기 칩(2')의 상부 표면 위에, 도파관이 형성되고(미도시), 전극(20')이 증착된다.

상기 기판(3')의 상부 표면 위에, 전기적 통로 및 패드(30')가 상기 변조기에 대해 기술된 동일한 방법으로 형성된다. 상기 패턴은 상기 칩(2')의 상부 표면 위의 전극 구조와 일치하여야 한다. 동축 접속기는 상기 변조기의 경우에서처럼 포함되지 않고, 종래의 일련의 접촉 핀(4')이 상기 금속화된 통로(30')에 상응하여 상기 기판(3')에 솔더될 수 있다.

그리고, 상기 기판(3') 위에 상기 칩(2')의 결합 단계가 상기 기판(3')의 금속화된 패드 위에 도전성 접착제를 점착시키고, 상기 칩(2')의 상부 표면이 상기 기판(3')의 상부 표면에 향하도록 하여 수행될 수 있다. 도 4는 상기 어셈블리 칩을 도시하고, 여기서, 기판은 플라스틱 케이스(11')의 하부 반쪽에 놓인다. 광섬유(미도시)는 도 1의 광섬유(6, 7)와 유사하게 상기 칩(2')의 말단에 변발될 것이고, 그러한, 변발 단계는 또한, 상기 기판(3') 위의 상기 칩(2')의 결합 전에 수행될 수 있다.

상기 케이스 상부 반쪽에 의한 상기 플라스틱 케이스(11')의 캡슐화와 닫힘이 상기 변조기에 대해 기술된 바와 같이 수행된다.

상기 기술된 방법의 변형으로, 상기 칩(2, 2')의 상부 표면은 이롭게는 패시베이트(passivate) 되어 상기 플라스틱 케이스(11, 11')의 비밀봉성 성질에 의한 문제점을 경감시킨다. 문제는 예컨대, 외부 오염, 예컨대, 습기에 의해 야기될 수있다.

패시베이션(passivation) 단계는 상기 기판(3, 3') 위에 상기 칩(2, 2')의 결합 전에 수행될 수 있고, 상기 칩의 상부 표면을 적어도 4㎛의 두께를 갖는 광민감성 물질의 층으로 덮고, 상기 전극과 상기 칩(2, 2')의 상기 기판(3, 3')에 고정을 위해 요구된 비패시베이트된 영역을 남긴다. 적당한 광민감성 물질은 BCB(benzaciclobutan)이다.

이롭게는, 몰딩 단계는 상기 섬유 변발의 영역에서 상기 캡슐화 물질과 상기 플라스틱 케이스(11, 11') 사이의 공간을 남기는 방식으로 수행될 수 있다.

출원인은 그러한 영역에서 상기 열 순환 동안 상당한 응력이 발생하고, 상기 칩(2, 2')과 상기 변발 섬유 블록 사이의 상기 결합 부분에서 열팽창 때문에 상기 변발에 손상을 가하는 연속하는 위험이 있음을 확인하였고, 상기 캡슐화 물질(10)과 상기 플라스틱 케이스(11, 11')의 벽 사이에 상당 공간을 남기는 것에 의해, 어떠한 응력의 발생없이 열팽창이 이루어질 수 있었다.

바람직하게는, 상기 공간은 상기 섬유 블록에 상응하여 상기 몰드의 상기 하부 반쪽의 벽에 만들어진 적당한 통로의 홀(hole) 중에 교차된 슬라이딩 부재의 삽입에 의해 생성된다.

이롭게는, 일부 홀(hole)은 상기 실리콘 수지가 상기 경화 단계 동안 그들을 충전하는 방식으로 상기 플라스틱 케이스(11, 11')의 하부 반쪽의 벽에 만들어진다. 따라서, 상기 케이스로의 일부 압출은 상기 캡슐화 중에 만들어진다. 그러한 압출은 경화 후, 상기 몰들의 제거시, 상기 플라스틱 케이스의 상기 하부 반쪽에서상기 캡슐화된 디바이스가 유지되도록 하는데 효과적이다. 이에 의하여, 상기 변발된 결합의 손상 위험이 또한 감소된다.

상기 기판(3, 3')을 형성하는 물질은 상술된 바와 같은 금속화 패턴을 진행하기 위하여 절연 물질이어야 하고, 또한, 이는 마이크로파 기구에 대해 적당해야 한다.

상술된 바와 같이, x-컷 리튬 니오베이트 칩에 대하여, 상기 y 축에서 열팽창계수는 15.4×10^-6m/℃이다.

이상적으로, 상기 기판을 형성하는 물질은 상기 어셈블리 칩-기판의 냉각시 열팽창계수 델타 때문에 응력 문제를 감소시키기 위해, 길이 방향에서 리튬 니오베이트의 열팽창계수와 동일한 열팽창계수를 갖는다.

저비용의 서브마운트 또는 패키지 물질을 찾기 위하여, 본 발명 이전에 수행된 실험에서, -40℃ 내지 +85℃의 열 순환이 연강(mild steel) 기판 위에 결합된 일련의 리튬 니오베이트 칩에 가해졌다. 결과로, 상기 리튬 니오베이트 칩의 10%에서 균열이 생겼다. 연강은 스테인리스 스틸에 비교하여 저비용이고, 이는 현재 활성 디바이스의 패키징 기술에 사용되나(예컨대, Nagata et al., "Mechanical Reliability of LiNbO₃Optical Modulators Hermetically Sealed in Stainless Steel Packages", Optical Fiber Technology, 1996), 13×10^-6m/℃에 가까운 열팽창계수, 즉, 리튬 니오베이트의 열팽창계수 보다 낮은 열팽창계수를 갖는다. 스테인리스 스틸은 17×10^-6m/℃의 열팽창계수를 갖는 것이 알려져 있고, 이는 리튬 니오베이트에 대하여 절대적 값에서 연강의 열팽창계수와 유사한 부합을 갖는다.

출원인에 의해 수행된 실험은 그럼에도 불구하고 리튬 니오베이트 보다 큰 열팽창계수를 갖는 물질의 기판에 길이 방향으로 고정될 때, 리튬 니오베이트 칩이 매우 적당히 작용하는 놀라운 결과를 나타내었다.

출원인은 이 결과가 냉각시 인장력 또는 압축력이 가해질때, 리튬 니오베이트는 다른 방법으로 작용한다는 가정에 의해 설명될 수 있고, 특히, 리튬 니오베이트 칩은 인장 저항성에 비하여 더욱 우수한 압축 저항성을 갖는 것으로 보인다.

따라서, 낮은 온도에서, 리튬 니오베이트 보다 큰 열팽창계수를 갖는 물질로 형성된 기판은 상기 리튬 니오베이트 보다 낮은 열팽창계수를 갖는 물질 보다 바람직하다. 특히 바람직하게는 상기 기판의 열팽창계수는 15.4×10^-6m/℃와 10×10^-6m/℃ 사이이다.

특히, 스테인리스 스틸이 리튬 니오베이트에 열적으로 결합되는 것으로 고려된다.

상기 기판에 대한 적절한 물질은 플립-칩 결합에 적용하기 위해 전기적 절연체이다. 상기 물질의 예는 세라믹 열경화성 고분자 조성물이다. 다른 예는 상기 칩가 동일한 물질의 기판을 사용하는 것이다. 이 경우에, 상기 기판은 모든 방향에서, 상기 칩의 열팽창계수와 일치한다.

이롭게는, 더욱 낮은 등급의 물질이 상기 기판에 대해 사용될 수 있고, 특히, 투명도와 같은 광학적 특성의 관점에서 낮은 등급의 물질이 사용될 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 이점을 갖는다.

상기 활성 디바이스(1, 1')의 플립-칩 패키징은 그것이 와이어 및/또는 리본 결합의 전체적인 사용을 감소시키고, 상기 전기적 신호가 전기적 통로에 의해 직접 상기 기판(3, 3')에 전달되고, 상기 도전성 접착제 또는 솔더에 의해 상기 칩(2, 2')에 전송되는 이점을 갖는다. 상기 기판에 대한 전기적 통로 및 금속화가 독립적으로 제조될 수 있고, 상기 칩의 상기 전극 구조가 일단 설계되면, 제조 공정이 전기공학의 방법들과 기계로 개선된다. 또한, 상기 접착체 및 칩 자체가 피크와 위치 결합 기계들에 의해 단단이 고정될 수 있다.

또한, 상기 활성 디바이스(1, 1')의 플립-칩 패키징은 칩 저항기, 콘덴서(capacitor) 및 드라이버 같은 특정 요구에 따른 부가적 전기 부품들의 용이한 결합을 가능하게 한다. 그러한 부품들은 상기 기판(3, 3')에 설비되어 상기 동일한 전체 패키지 내에 부가적 기능을 제공할 수 있다. 더욱 복잡한 칩, 예컨대, 1×16 스위치가 많은 전기적 접속을 요구하는 경우에, 상기 접속은 상기 칩의 모서리에서 전극의 요구없이 이루어질 수 있고, 이는 상기 칩의 복잡성을 감소시킨다.

플라스틱 케이스는 제조하기에 단순하고, 비용이 낮아서 바람직하고, 상기 기판(3')에 솔더된 접촉 핀을 갖는 스위치의 패키징의 경우에, 플라스틱은 분리를 제공하기 때문에 상기 핀이 금속 케이스를 갖는 것처럼 상호 전기적으로 막힐 필요가 없기 때문에 더욱 바람직하다. 이롭게는, 이들 접촉 핀들은 종래의 전자 부품들과 동일한 방법으로 종래 전자 메인보드에 대한 상기 광전기 스위치의 고정을 가능하게 한다.

게다가, 상기 디바이스의 완전한 어셈블리가 켑슐화되는 경화성 수지는 상기 디바이스, 특히, 상기 디바이스에서 광학적 신호를 전달하는 광섬유를 물리적으로 보호한다. 상기 수지는 상기 입력/출력 광섬유에 대한 광학적 피드쓰루 없이 패키지를 갖도록 한다.

또한, 상기 플라스틱 케이스의 상기 두 개의 반쪽은 바람직하게는 스크류 또는 다른 고정 수단을 사용하지 않고, 잠금 결합에 의해 함께 닫힐 수 있다.

그러나, 플라스틱 케이스는 상기 활성 디바이스(1, 1')의 상기 플립-칩 패키징 기술에 대한 가능한 실시형태이고, 상기 플립-칩 기술을 갖는 활성 디바이스를 제조하기 위해 어떠한 경우에도 종래의 금속 패키지 등과 같은 다른 형태의 패키지들이 적당히 접속기 또는 핀 피드쓰루 및 쉴드(shield)에 대해 수정이 가능하며, 금속 케이스의 경우에, 실리콘 켑슐화가 필요없고, 금속 케이스는 플라스틱 케이스 보다 예기치 않은 쇼크에 더욱 저항성이 있다.

Claims (13)

1. 다수개의 전기 접촉 패드가 형성된 적어도 편평한 표면을 갖는 기판,

   적어도 하나의 광도파관 및 다수개의 전극이 형성된 표면을 갖는 칩,

   상기 기판의 평면과 마주하고, 기계적으로 접속하는 상기 칩 표면,

   상기 전극과 전기적 접촉하는 전기 접촉 패드를 포함하고,

   상기 기판의 열팽창계수는 길이 방향으로 상기 칩의 열팽창계수와 동일하거나 큰 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 접촉패드 및 상기 전극은 상기 칩과 상기 기판 사이의 기계적 접속을 제공하는 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
3. 제1항에 있어서, 상기 칩은 리튬 니오베이트(niobate) 칩인 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 리튬 니오베이트 기판인 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 세라믹 열경화성 고분자 조성물로 만들어진 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
6. 제1항에 있어서, 상기 어셈블리는 상기 칩과 상기 기판 사이에 배치된 언더필러(underfiller)를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
7. 제3항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수는 15×10^-6내지 20×0^-6m/℃인 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
8. 제1항에 있어서, 상기 접촉 패드는 도전성 접착제(glue)에 의해 상기 전극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
9. 제8항에 있어서, 상기 도전성 접착제는 에폭시 접착제인 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
10. 제1항에 있어서, 상기 칩은 전기-광학 변조기(modulator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
11. 제1항에 있어서, 상기 칩은 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성 디바이스 어셈블리.
12. 적어도 하나의 광도파관 및 다수개의 전극이 형성된 표면을 갖는 칩을 포함하는 광학 평면 활성 디바이스를 패키징하고 어셈블링하는 방법에 있어서,

    상기 방법은,

    다수개의 접촉 패드가 형성된 적어도 편평한 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계,

    상기 칩의 표면을 상기 기판의 편평한 표면과 마주하도록 배치하는 단계,

    전기적 접속을 제공하기 위해 상기 접촉 패드와 상기 전극을 접속시키는 단계를 포함하고,

    상기 기판을 제공하는 단계는 길이 방향으로 상기 칩의 열팽창계수와 동일하거나 큰 열팽창계수를 갖는 기판을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 평면 활성 디바이스를 패키징 및 어셈블링하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 접촉 패드와 상기 전극을 접속시키는 단계는 상기 칩과 상기 기판 사이의 기계적 접속을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.