KR20030075487A - 광도파로와 마이크로렌즈를 이용한 칩간 광연결 구조 - Google Patents
광도파로와 마이크로렌즈를 이용한 칩간 광연결 구조 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 다수의 반도체 칩이 실장되고, 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결이 이용되는 다칩 모듈(MCM: Multi-Chip-Module) 구조에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 다칩 모듈내 다수의 반도체 칩간 전송 신호를 표면 발광 레이저와 이에 대응되는 광검출기를 이용한 광도파로(Optical waveguide)를 통하여 전송하도록 함으로써 신호를 고속으로 전송할 수 있는 이점이 있다. 또한 광도파로와 광신호의 포커싱을 위한 마이크로렌즈가 리소그라피 공정에 의해 동일한 광기판의 양면에 제조됨에 따라 두 광소자의 정렬도를 높일 수 있으며, 플립 칩 본딩 기술을 이용해 회로 기판과 광기판을 접합하여 두 기판 사이에 매우 정밀한 측면 정렬도를 얻을 수 있는 이점이 있다. 또한 광송/수신부가 형성된 회로 기판과 수동 광부품이 형성된 광기판의 특성을 개별적으로 평가할 수 있으므로써 최종적으로 만들어지는 광연결 모듈의 수율을 높일 수 있고, 성능을 최적화할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 전자 패키징(Microelectronic Packaging)에 관한 것으로, 특히 다수의 반도체 칩이 실장되고, 반도체 칩 사이의 신호 전송에 있어서 광연결이 이용되는 다칩 모듈(MCM: Multi-Chip-Module) 구조에 관한 것이다.
통상적으로 MCM이라 함은 하나의 회로 기판에 2개 이상의 반도체 칩이 실장되어 하나의 시스템 빌딩 블락을 형성하는 패키지를 의미한다.
반도체 칩들은 통상 플립칩 본딩(Flip-chip-bonding) 또는 TAP 본딩에 의해 MCM 기판에 부착되며, 통상 반도체 칩 사이의 신호 송수신은 회로기판에 형성된 다수의 전기적 배선을 통해 이루어진다. MCM은 단일 칩 캐리어에 패키징된 단독의 반도체 칩들을 사용하는 경우에 비해 칩간 배선 길이를 줄일 수 있고, 파워 서플라이 인덕턴스를 낮출 수 있으며, 정전 용량 로딩 효과를 줄일 수 있는 등 시스템 성능향상을 가져올 수 있어 현재 많이 사용되고 있다.
그러나 칩간 신호 전송이 전기적 배선을 통해서만 이루어지는 MCM은 배선의 밀도가 높고, 많은 수의 상대적으로 거리가 긴 배선을 필요로 하는 차세대의 고속 병렬 컴퓨터 시스템 등에는 적용이 어려운 문제점이 있다. 링크의 길이가 길어지면 전송선 효과가 전기 배선의 성능을 좌우하게 되는데, 전송선 효과는 전기 배선의 길이가 전기 신호 파장의 약 1/10보다 커지는 경우 현저하게 나타나기 때문이다.
상기 전송선 효과는 표피효과를 통해 전기 신호를 감쇠시킬 뿐만아니라 배선이 적절히 종단되지 않으면 신호의 다중반사를 일으킨다. 또한 신호의 주파수가 높아지면 금속 배선의 기생 정전용량에 의한 RC 신호지연이 증가되어 시스템의 대역폭이 제한되고 전력소모가 증가되어 EMI 문제를 유발하는 등 시스템 성능에 좋지 않은 영향을 미친다. 따라서 전기적 배선을 통해 신호 전송이 이루어지는 MCM의 성능은 개별 칩의 성능보다는 칩간 신호 전송 링크의 성능에 의해 결정된다.
이상과 같은 전기적 배선의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 MCM 내 칩간을 광선로로 연결하는 방법들이 시도되어 왔다. 상기 광연결은 대역폭이 넓고 크로스토크 및 신호간 간섭에 둔감하며, 칩간에 고속의 신호 전송이 가능하고 배선 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한 시스템의 전력소모, 크로스토크, 전자기적 간섭을 줄일 수 있는 등 전기적 배선을 이용하여 신호를 전송하는 경우 발생하는 많은 문제점을 해결할 수 있다.
따라서 근래에 들어 직선 채널 도파로, 90°각도로 구부러진 코너를 갖는 광도파로, 채널이 교차(Crossover)하는 광도파로 등의 광도파로 소자 또는 제조 기술을 다칩 모듈에 적용함으로써 신호 전송 링크의 대역폭을 넓힐 수 있는 칩간 광연결 구조가 제안되고 있으며, 대표적인 구조로 Si 캐리어에 박막 광도파로를 형성한 구조가 있다. 상기 구조에서 Si 캐리어는 반도체 칩과 측면 방출 광원 및 광검출기를 올려놓기 위한 기판으로 사용됨과 아울러 광도파로가 형성되는 기판으로도 사용된다. 이때 상기 광도파로는 Si 캐리어를 식각하여 메사(Mesa) 구조를 만든 후 표면을 산화시켜 SiO2하부 클래딩 층을 얻고, 이 위에 SiO2보다 굴절률이 높은 유전체 물질을 증착하여 코어층을 형성한 것이다. 측면 방출 레이저와 광도파로의 광결합(Optical coupling), 광도파로와 광검출기의 광결합을 위해 Si 캐리어를 식각하여 측면 방출 레이저와 광검출기를 올려 놓는다. 제1반도체 칩의 전기적 신호는 측면 방출 광원에서 광신호로 변환되고 박막 광도파로를 통해 광검출기에 전달된 후, 전기적 신호로 바뀌어 제2반도체 칩으로 연결된다.
그러나 상기한 구조는 Si 반도체 칩과 광검출기가 Si 캐리어에 직접 제작될 수 있다는 이점은 있으나, Si 캐리어의 식각면 위에 반도체 칩, 측면 방출 광원 및 광검출기를 올려 놓아야하므로 식각면의 결함이 모듈의 신뢰성 및 특성에 영향을 주게 되며, Si 캐리어 식각의 기술적 어려움으로 인해 제작이 힘들다는 문제점이 있었으며, 또한 광결합 효율을 높이기 위해 측면 방출 레이저와 광도파로의 높이를 정확히 일치시켜야 하므로 광정렬(Optical align)이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 광도파로를 통하여 반도체 칩간의 신호를 고속으로 전송할 수 있고, 성숙된 단위 광소자 제조 기술을 바탕으로 제조된 개별 광부품을 이용할 수 있으며, 광정렬이 용이하여 정렬 마진이 큰 칩간 광연결을 가지는 마이크로렌즈를 이용한 다칩 모듈간 광연결 구조를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마이크로렌즈를 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서, 전기 배선이 형성되는 회로 기판과; 상기 회로 기판 위쪽에 상기 회로 기판과 플립 칩 솔더 본딩을 통해 접합되며 상기 전기 배선이 형성된 면에 대응되는 반대 쪽 면에 광 배선이 형성되는 레이저광의 투과성이 좋은 광기판과; 임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 레이저 어레이와; 상기 표면 방출 레이저 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과; 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 도파시키는 광도파로와; 상기 광도파로를 통해 도파되는 광을 수광하는 광검출기 어레이와; 상기 광기판상 광도파로가 형성된 면에 대응되는 반대 쪽 면에 형성되어 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 포커싱하여 광도파로로 인가시키며, 상기 광도파로로부터 도파된 상기 출사광을 포커싱하여 상기 광검출기 어레이로 인가시키는 마이크로렌즈와; 상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 칩간 광연결 구조의 수직방향 단면도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 칩간 광연결 구조의 수평방향 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예의 동작을상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로렌즈를 이용한 칩간 광연결 구조의 수직/수평 방향 단면도를 각각 도시한 것이다.
상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 광연결을 가지는 다칩 모듈(100)은 회로기판(102)과, 회로기판(102) 위에 배치된 제1반도체 칩(104)의 전기적 신호에 따라 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 레이저 어레이(108) 및 레이저 어레이(108)를 구동하기 위한 레이저 구동 칩(106)과, 표면 방출 레이저에서 발진된 광이 광기판(118)의 한쪽 면에 형성된 광도파로(120)의 45도 반사면(122)에 모이도록 광기판(118)의 다른 한쪽 면에 형성된 제1마이크로렌즈(126)와, 광도파로(120)에서 출사하는 광을 광검출기 어레이(110)로 모아주는 제2마이크로렌즈(128)와, 제2마이크로렌즈(128)로부터 입사되는 광을 수광하는 광검출기 어레이(110) 및 광신호를 다시 전기적 신호로 복원하는 광수신기 회로 칩(112)과, 광수신기 회로 칩(112)으로부터 전기적 신호를 수신하는 제2반도체 칩(114)을 포함하여 구성된다.
동작을 살펴보면, 제1반도체 칩(104)의 전기적 신호에 따라 구동되는 레이저 구동 칩(106)에 의해 표면 방출 레이저 어레이(108)를 이루는 표면 방출 레이저가 각각 독립적으로 구동되며, 구동회로(106)에 의해 고속으로 온/오프되는 표면 방출 레이저 어레이(108)로부터 광신호가 출력된다. 표면 방출 레이저 어레이(108)에서 출사된 광은 제1마이크로렌즈(126)에서 모아지고 광도파로(120)의 45도 반사면(122)에서 반사되어 광도파로(120)로 입사된다. 이어 광도파로(120)를 따라 전송된 광은 45도 반사면(123)에서 반사되어 출사되며, 광도파로(120)로부터 출사된 광은 제2마이크로렌즈(128)에 의해 모아진 후, 광검출기 어레이(110)로 입사된다. 그리고 제2마이크로렌즈(128)로부터 출사되는 광은 광검출기 어레이(110)에서 각각 독립적으로 수광되어 광수신기 회로 칩(112)에서 광신호가 전기적 신호로 변환되며, 광전 변환된 전기적 신호가 제2반도체 칩(114)으로 전달된다. 또한 이때, 제1반도체 칩(104)과 제2반도체 칩(114)이 광송신부와 광수신부를 함께 가지고 있는 경우에는 상기한 방법으로 양방향 신호전송이 가능하게 된다.
이때 표면 방출 레이저 어레이(108)로는 수직 공진형 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이를 이용하며, 광검출기 어레이(110)를 이루는 광검출기로는 MSM 포토다이오드 또는 p-i-n 포토 다이오드를 이용한다. 여기서 표면 방출 레이저 어레이(108)는 기판 방향으로 광을 방출하는 구조(Bottom-emitting structure)를 가지며, 광검출기 어레이(110)는 기판 방향으로 광이 입사되는 구조(Bottom illuminated structure)를 갖는다. 상기 구조에서 광수신기 회로 칩(112)과 광검출기 어레이(110)는 하나의 칩으로 구성될 수 있다. 광기판(118)은 표면 방출 레이저 어레이(108)를 이루는 표면 방출 레이저의 발진 파장에서 투광성이 우수한 실리카 유리, 실리케이트 유리, 사파이어 등과 같은 물질이다. 반도체 칩(104,114)은 마이크로프레서서(MPU: Micro Processor Unit), 메모리 등과 같은 반도체 칩을 의미한다.
광기판(118)위에 형성되어 광기판(118)을 따라 평면 방향으로 광신호를 전송시키는 역할을 수행하는 광도파로(120)는 마이크로렌즈(126,128)의 대향면에 형성되며, 광도파로(120)의 양끝단은 45도 각도로 절단된 반사면(122,123)을 가진다.또한 상기 45도 반사면(122,123)에는 반사 효율을 증대시키기 위해 Ag, Au 등과 같은 금속 박막을 코팅할 수 있다. 광도파로(120)는 레이저 발진 파장에서 광도파 손실이 적고, 열적, 화학적 안정성이 우수한 폴리이미드(Polyimide)계 고분자, 비정질 Si3N4, SiO2-TiO2유리 등과 같은 재료로 만들어지는 다모드(Multimode) 광도파로이다. 광도파로의 클래딩(124)은 광도파로(120)에 광을 구속시킴과 동시에 광도파로를 보호하는 역할을 하며, 광도파로 물질보다 굴절률이 작은 물질로 이루어진다. 마이크로렌즈(126,128)로는 굴전렌즈(Refractive lens) 또는 회절렌즈(Diffractive lens)가 이용될 수 있다. 굴절렌즈는 광기판(118) 위에 감광제(Photoresist) 재료를 이용하여 thermal reflow 방법으로 만들어지거나 광기판(118)을 직접 식각하여 만들어진 평면-볼록(Plano-convex) 렌즈일 수 있다. 또한 굴절렌즈는 Ag+-Na+이온 교환(Ion-exchange) 방법을 이용해 만든 것으로 기판 안쪽 방향으로 굴절률이 점차 감소하는 굴절률 분포 렌즈(Graded index lens)일 수 있다. 굴절률 분포렌즈가 이용되는 경우에는 마이크로렌즈가 형성된 기판은 평평한 표면을 갖게 된다. 굴절률 분포 렌즈를 형성하기 위해서는 Na2O가 5%(중량비) 이상 함유된 실리케이트 유리 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 회절렌즈는 다단 식각을 통해 광기판(118)에 직접 형성시킬 수도 있다.
마이크로렌즈(126,128)의 초점거리(f)는 가우스 렌즈 공식(Gaussian lens formula)을 이용하여 결정할 수 있다. 즉, 제1마이크로렌즈(126)-광도파로(120)의 중심 사이의 거리를 Si1, 제1마이크로렌즈(126)-표면 방출 레이저 어레이(108)사이의 거리를 So1, 제2마이크로렌즈(128)-광도파로(120)의 중심 사이의 거리를 So2, 제2마이크로렌즈(128)-광검출기 어레이(110) 사이의 거리를 Si2라고 하면 가우스 렌즈 공식은 아래의 [수학식 1]에서와 같이 주어지며,
상기 다칩 모듈 구조에서는 아래의 [수학식 2]에서와 같이 주어질 수 있다.
상기 광연결 모듈은 크게 제1, 제2반도체 칩(104,114), 레이저 구동 칩(106) 및 표면 방출 레이저 어레이(108), 광검출기 어레이(110) 및 광수신기 회로 칩(112)을 회로 기판(102)에 플립 칩 솔더 본딩 기술을 이용해 부착하는 공정과, 상기 광기판(118)의 한쪽 면에는 양 끝에 45도 반사면을 갖는 광도파로 어레이(120)를 형성하고, 다른 한쪽 면에는 제1,제2 마이크로렌즈(126,128)를 형성하는 공정과, 상기와 같이 형성된 회로 기판(102)에 상기과 같은 구조를 갖는 광기판(118)를 플립 칩 솔더 본딩 기술을 이용하여 접합하는 공정을 통해 쉽게 조립된다. 여기서 솔더 범프(130) 재료는 광도파로 물질에 따라 선택적으로 적용되며, 유리 전이 온도가 낮은 고분자 광도파로의 경우에는 In 또는 In 합금을, 유리 전이 온도가 높은 유리 광도파로의 경우에는 Au-Sn 계 합금을 사용할 수 있다.
이러한 조립 공정은 특성이 최적화된 광소자를 사용할 수 있는 이점과 함께, 마이크로렌즈(126,128)와 광도파로 어레이(120)를 리소그라피 공정을 이용하여 동일한 광기판의 양면에 제조할 수 있기 때문에 상기 두 광부품의 정렬도를 매우 높게 조절할 수 있게 된다. 또한 자지 정렬 특성을 갖는 플립 칩 본딩 기술을 이용함으로써 회로 기판(102)과 광기판(118) 사이에 매우 높은 측면 정렬도를 얻을 수 있게 된다.
한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다칩 모듈내 다수의 반도체 칩간 전송 신호를 표면 발광 레이저와 이에 대응되는 광검출기를 이용한 광도파로(Optical waveguide)를 통하여 전송하도록 함으로써 신호를 고속으로 전송할 수 있는 이점이 있다.
또한 광도파로와 광신호의 포커싱을 위한 마이크로렌즈가 리소그라피 공정에 의해 동일한 광기판의 양면에 제조됨에 따라 두 광소자의 정렬도를 높일 수 있으며, 플립 칩 본딩 기술을 이용해 회로 기판과 광기판을 접합하여 두 기판 사이에매우 정밀한 측면 정렬도를 얻을 수 있는 이점이 있다.
또한 광송/수신부가 형성된 회로 기판과 수동 광부품이 형성된 광기판의 특성을 개별적으로 평가할 수 있으므로써 최종적으로 만들어지는 광연결 모듈의 수율을 높일 수 있고, 성능을 최적화할 수 있는 이점이 있다.
Claims (18)
- 광도파로와 마이크로렌즈를 이용한 칩간 광연결 구조에 있어서,전기 배선이 형성되는 회로 기판과;상기 회로 기판 위쪽에 상기 회로 기판과 플립 칩 솔더 본딩을 통해 접합되며 상기 전기 배선이 형성된 면에 대응되는 반대 쪽 면에 광 배선이 형성되는 레이저광의 투과성이 좋은 광기판과;임의의 제1반도체 칩으로부터 전송되는 전기적 신호를 대응 광신호로 변환하여 소정 파장의 변조광을 출사하는 표면 방출 레이저 어레이와;상기 표면 방출 레이저 어레이를 구동하는 레이저 구동 칩과;상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 도파시키는 광도파로와;상기 광도파로를 통해 도파되는 광을 수광하는 광검출기 어레이와;상기 광기판상 광도파로가 형성된 면에 대응되는 반대 쪽 면에 형성되어상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사된 광을 포커싱하여 광도파로로 인가시키며, 상기 광도파로로부터 도파된 상기 출사광을 포커싱하여 상기 광검출기 어레이로 인가시키는 마이크로렌즈와;상기 광검출기 어레이로부터 수신된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 타겟 제2 반도체 칩으로 인가시키는 광수신기 회로 칩;을 포함하는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제1항에 있어서,상기 광기판은, 상기 표면 방출 레이저의 발진 파장에서 투광성이 우수한 실리카 유리, 유리, 사파이어 등과 같은 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제2항에 있어서,상기 광기판은, 상기 표면 방출 레이저의 발진 파장에서 투광성이 우수하고 이온 교환 방법으로 마이크로렌즈 제작이 가능한 Na2O가 5% 이상 함유된 실리케이트 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로렌즈는, 상기 회로 기판에 형성되는 표면 방출 레이저 어레이와 상기 광기판에 형성되는 광도파로간에 정렬 형성되며, 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사되어 상기 광도파로로 입사되는 광을 포커싱시키는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로렌즈는, 상기 광기판에 형성되는 광도파로와 상기 회로 기판에 형성되는 광검출기간에 정렬 형성되며, 상기 광도파로를 통해 도파되어 상기 광검출기로 입사되는 광을 포커싱시키는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제5항에 있어서,상기 마이크로렌즈는, Ag+-Na+이온 교환 방법에 의해 형성되는 것으로, 상기 광기판 안쪽 방향으로 굴절률이 점차 감소하는 굴절률 분포 렌즈인 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제6항에 있어서,상기 마이크로렌즈는, 다단 식각을 통해 상기 광기판에 직접 형성되는 회절 렌즈인 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제1항에 있어서,상기 표면 방출 레이저 어레이 및 광검출기 어레이는, 상기 회로 기판상에 플립칩 솔더 본딩을 이용하여 접합되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제8항에 있어서,상기 표면 방출 레이저 어레이는, 상기 광기판 방향으로 광을 방출하는 바텀-에미팅 구조(bottom-emitting structure)를 가지는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제8항에 있어서,상기 광검출기 어레이는, 상기 광기판 방향으로 광이 입사되는 바텀-일루미네이티드 구조(bottom-illuminated structure)를 가지는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제9항에 있어서,상기 표면 방출 레이저 어레이는, 수직 공진형 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이인 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제10항에 있어서,상기 광검출기 어레이는, MSM 포토다이오드 또는 p-i-n 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제1항에 있어서,상기 광도파로는, 상기 광기판상 광 배선 면에 상기 표면 방출 레이저 어레이 및 광검출기 어레이와 대응되게 형성되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제13항에 있어서,상기 광도파로의 일측 끝단에는, 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사되는 광이 광도파로를 통해 전송되도록 상기 출사 광을 광도파로 안으로 반사시키는 45도 반사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제14항에 있어서,상기 광도파로의 타측 끝단에는, 상기 표면 방출 레이저 어레이로부터 출사되어 상기 광도파로로 도파되는 광을 상기 광검출기로 반사시켜 상기 광검출기에서 수광되도록 하는 45도 반사면이 형성되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제13항에 있어서,상기 광도파로는, 레이저 발진 파장에서 광손실이 적고, 열적, 화학적 안정성이 우수한 폴리이미드계 고분자, 비정질 Si3N4, SiO2-TiO2유리 등과 같은 물질로 만들어지는 매립형 평면 광도파로인 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제14항 또는 제15항에 있어서,상기 45도 반사면은, 다이아몬드 블레이드를 이용한 다이싱, 레이저 가공 또는 식각기를 이용한 식각 중 어느 하나를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
- 제17항에 있어서,상기 45도 반사면은, 반사 효율을 증대시키기 위해 Ag, Au, 등과 같은 금속으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 칩간 광연결 구조.
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