KR20110064691A - 광 경로를 구비한 메모리 모듈, 및 그 메모리 모듈을 포함한 전기전자장치, - Google Patents

광 경로를 구비한 메모리 모듈, 및 그 메모리 모듈을 포함한 전기전자장치, Download PDF

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Abstract

본 발명의 사상은 메모리와 메모리 컨트롤러 사이에 고속 인터커넥션이 형성됨으로써 고속으로 데이터가 처리될 수 있는 메모리 모듈, 특히, 기존 전기적 링크를 통해 전송했던 전기적 신호를 광 링크를 통해 광신호로 대체할 수 있는 광 경로가 구비된 메모리 모듈 및 그 메모리 모듈을 포함하는 전기전자장치, 및 그 메모리 모듈의 제조방법을 제공한다. 그 메모리 모듈은 광신호 입출력 장치(optical I/O)를 구비한 적어도 하나의 메모리 패키지; 상기 메모리 패키지가 실장되고, 상기 광신호 입출력 장치로 광신호를 전달할 수 있는 광 경로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB: printed circuit substrate); 및 상기 메모리 패키지를 상기 인쇄회로기판으로 실장하고, 상기 광신호 입출력 장치와 상기 광 경로 사이에서 굴절율을 매칭(matching) 시키는 매개체부;를 포함한다.

Description

광 경로를 구비한 메모리 모듈, 및 그 메모리 모듈을 포함한 전기전자장치,{Memory module in which optical beam path is formed, and electrical and electronic apparatus comprising the same Memory module}
본 발명은 메모리 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 광신호를 이용하는 메모리 모듈 및 그 메모리 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
컴퓨터는 데이터의 저장 및 검색을 위해 동적 랜덤 액세스 메모리 유닛(Dynamic Random Memory unit): DRAM) 또는 싱크로너스 랜덤 액세스 메모리 유닛(Synchronous Dynamic Random Memory unit): SDRAM)과 같은 다수의 메모리 유닛을 사용한다. 초기의 컴퓨터는 컴퓨터 메인 보드, 즉 시스템 보드 또는 마더 보드 상에 직접 장착된 개별 메모리 유닛을 사용하였다. 컴퓨터 및 그 내부에서 사용되는 프로그램이 크기가 커지고 점차 복잡해짐에 따라, 대용량의 고속 메모리 유닛이 요구되었으며 시스템 보드는 충분한 개수의 개별 메모리 유닛을 수용할 수 없었다.
이러한 문제점에 대한 해결책으로 복수의 메모리 유닛으로 형성되는 메모리 모듈이 만들어졌다. 이러한 메모리 모듈은 현재에 계속 사용되고 있으며, 주로 2 뱅크 단일 인라인 메모리 모듈(Single In-line Memory Module: SIMM) 또는 1 뱅크 이중 인라인 메모리 모듈(Dual In-line Memory Module: DIMM) 등으로 사용되고 있다. 이와 같은 메모리 모듈이 CPU와 같은 제어장치와 전기적 신호를 교환함으로써, 메모리 칩에 저장된 데이터에 대한 저장, 검색 등의 처리가 수행된다.
본 발명의 사상이 해결하고자 하는 과제는 메모리와 메모리 컨트롤러 사이에 고속 인터커넥션이 형성됨으로써 고속으로 데이터가 처리될 수 있는 메모리 모듈, 특히, 기존 전기적 링크를 통해 전송했던 전기적 신호를 광 링크를 통해 광신호로 대체할 수 있는 광 경로가 구비된 메모리 모듈 및 그 메모리 모듈을 포함하는 전기전자장치, 및 그 메모리 모듈의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 사상은 광신호 입출력 장치(optical I/O)를 구비한 적어도 하나의 메모리 패키지; 상기 메모리 패키지가 실장되고, 상기 광신호 입출력 장치로 광신호를 전달할 수 있는 광 경로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB: printed circuit substrate); 및 상기 메모리 패키지를 상기 인쇄회로기판으로 실장하고, 상기 광신호 입출력 장치와 상기 광 경로 사이에서 굴절율을 매칭(matching) 시키는 매개체부;를 포함하는 광 경로를 구비한 메모리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 인쇄회로기판의 광 경로는, 상기 인쇄회로기판의 수평 방향으로 형성되고 코어(core) 및 클래드(clad)를 포함한 광도파로; 상기 광도파로 끝단 부분으로 형성되어 광을 수직으로 반사시키는 리플렉터(reflector); 및 상기 인쇄회로기판의 수직 방향으로 형성되고, 상기 리플렉터로부터 반사된 광을 상기 광신호 입출력 장치 방향으로 칼러메이티드(collimated) 또 는 포커싱(focusing) 시키는 드럼 렌즈(drum lens);를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 광도파로의 상기 코어는 실리콘으로 형성되고, 상기 클래드는 실리콘 옥사이드(SiO2)로 형성되며, 상기 드럼 렌즈는 실리콘 옥사이드로 형성되되, 상기 광신호 입출력 장치 방향의 상부 끝단 부분으로 볼록 렌즈가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광신호 입출력 장치는 광신호를 파장에 따라 선택적으로 입출력시키는 그래이팅 커플러(grating coupler) 또는 가우시안 그래이팅 커플러(Gaussian grating coupler)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 메모리 패키지는 메모리 칩을 지지하는 지지 기판을 포함하며, 이러한 지지 기판의 상기 광신호 입출력 장치에 대응되는 부분으로 광 경로가 형성되며, 상기 지지 기판의 광 경로 역시 끝단으로 볼록 렌즈가 형성된 드럼 렌즈 구조로 형성될 수 있다. 한편, 상기 매개체부는, 상기 메모리 패키지를 상기 인쇄회로기판으로 실장하는 솔더 볼; 및 상기 광신호가 투과할 수 있는 투명재질로 형성되고, 상기 메모리 패키지의 광 경로와 상기 인쇄회로기판의 광 경로 사이에 배치되어 광의 굴절율을 매칭시키는 굴절율 매칭부(refractive index matching unit)를 포함할 수 있다.
본 발명의 사상은 또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 상기 메모리 모듈; 상기 메모리 모듈로 전달하기 위한 광신호를 생성하는 광 소스(light source); 데이터 처리 및 제어를 위한 연산장치 및 제어장치를 구비한 중앙처리장치(central processing unit: CPU) 또는 마이크로-프로세서(micro-processor); 상기 메모리 모듈로부터 전달된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 중앙처리장치 또는 마이크 로-프로세서로 전달하고, 상기 중앙처리장치 또는 마이크로-프로세서로부터의 전기적 신호를 광신호로 변환하여 상기 메모리 모듈로 전달하는 광전 변환기(optic/electric convertor); 및 상기 메모리 모듈, 광 소스, 중앙처리장치 또는 마이크로-프로세서, 및 광전 변환기가 실장되는 시스템 보드;를 포함한 전기전자장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시스템 보드 상으로 상기 메모리 모듈 및 상기 광전 변환기 사이에 광신호 전달을 위한 광도파로가 형성될 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 광신호 입출력 장치를 구비한 메모리 패키지를 제조하는 단계; 인쇄회로기판 내에 상기 광신호 입출력 장치로 광신호를 전달할 수 있는 광 경로를 형성하는 단계; 및 상기 메모리 패키지를 매개체 물질을 이용하여 상기 인쇄회로기판에 실장하는 단계;를 포함하는 메모리 모듈 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 드럼 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 리플렉터가 형성된 부분의 상기 광도파로 상부로 소정 홈을 형성하는 단계; 상기 홈으로 실리콘 옥사이드를 증착하여 상기 홈을 매립하는 단계; 및 상기 실리콘 옥사이드 상면을 볼록한 형태로 형성하기 위하여 열처리 또는 리플로우 공정을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 의한 메모리 모듈 및 그 메모리 모듈을 포함하는 전기전자장치, 및 그 메모리 모듈의 제조방법은, 메모리 칩에 광신호 입출력 장치가 형성되 고, 또한, 인쇄회로기판 내에 광신호가 전달될 수 있는 광 경로가 형성됨으로써, 광신호를 통해 메모리 칩과 메모리 컨트롤러 사이에 데이터 처리 또는 제어를 위한 신호들을 교환하여, 고속으로 데이터 처리를 수행할 수 있다.
특히, 인쇄회로기판 내의 광 경로 중 리플렉터를 통해 광신호 입출력 장치로 광신호가 수직으로 입사되는 부분이 드럼 렌즈 구조로 형성됨으로써, 광신호를 광신호 입출력 장치로 칼러메이티드 또는 포커싱하여 입사시킴으로써, 광 커플링 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 메모리 패키지의 지지 기판에 형성되는 광 경로 역시 드럼 렌즈 구조로 형성됨으로써, 광신호 입출력 장치로부터 인쇄회로기판의 광 경로로 입사되는 광신호의 광 커플링 손실을 최소화할 수 있다. 대안적으로, 광신호 입출력 장치에 그래이팅 커플러, 특히 가우시안 그래이팅 커플러가 형성됨으로써, 지지 기판의 광 경로를 드럼 렌즈 구조로 형성하지 않고도 인쇄회로기판의 광 경로로 입사되는 광신호의 광 커플링 손실을 최소화할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 모듈에 대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 메모리 모듈(1000)은 메모리 패키지(100), 인쇄회로기판(200, Printed Circuit Substrate: PCB) 및 매개체부(300)를 포함한다.
메모리 패키지(100)는 메모리 칩(110), 지지 기판(120) 및 밀봉재(130)를 포함한다. 메모리 칩(110)은 DRAM, SDRAM, DDR-SDRAM(Double Date Rate-SDRAM), DDR2-SDRAM(Double Date Rate2-SDRAM), DDR3-SDRAM(Double Date Rate3-SDRAM), RDRAM(Rambus-DRAM) 등 다양한 동적 메모리 칩일 수 있다. 또한, 때에 따라, 낸드 플래쉬(Nand Flash)나 노아 플래쉬(Nor Flash)와 같은 플래쉬 메모리 칩일 수도 있다.
메모리 칩(110)은 기존과 달리 광신호를 입력받고 출력할 수 있는 광신호 입출력 장치(115, Optical I/O)를 포함한다. 광신호 입출력 장치(115)는 외부로부터 입력된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 메모리 칩 내의 셀들로 전달하는 기능을 하고, 또한 메모리 칩 내의 셀들로부터의 전기적 신호를 광신호로 변환하여 외부로 전달하는 기능을 한다. 한편, 광신호 입출력 장치(115)에는 입출력되는 광신호에 대한 커플링 효율을 증가시키기 위하여 그래이팅 커플러(Grating Coupler) 또는 가우시안 그래이팅 커플러(Gaussian Grating Coupler)가 형성될 수 있다. 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러에 대한 내용은 도 7 및 도 8 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
지지 기판(120)은 메모리 칩(110)에 결합하여 메모리 칩(110)을 지지하는 기능을 하며, 지지 기판(120)의 내외부에는 메모리 칩(110)에 전기적으로 연결되는 배선(122)이 형성될 수 있다. 이러한 배선을 통해 메모리 칩으로 전원 전압이나 그라운드가 인가될 수 있다. 한편, 지지 기판(120)의 중심부, 즉 메모리 칩(110)의 광신호 입출력 장치(115)에 대응되는 부분으로는 광신호가 전달될 수 있는 광 경로가 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 지지 기판(120)에 형성된 광 경로는 빈 공간인 홈(H2)일 수 있다.
밀봉재(130)는 메모리 칩(110)을 밀봉하며, 이러한 밀봉재(130)는 일반적으로 리신(resin) 등으로 형성된 폴리머 몰드일 수 있다.
본 실시예에서, 인쇄회로기판(200) 내에는 기존과 달리 광신호가 전달될 수 있는 광 경로가 형성된다. 광 경로는 광도파로(210, waveguide), 리플렉터(220, reflector) 및 홈(H1)을 포함할 수 있다. 광도파로(210)는 광이 가이딩(guiding) 또는 구속되어 전송되는 코어(212, core) 및 코어(212)를 감싸는 클래드(214)를 포함할 수 있다. 이러한 광도파로(210)에서 코어(212) 및 클래드(214)의 굴절율(refractive index) 차이를 크게 할수록 광학적으로 광을 좀더 타이트하게 구속(confinement)할 수 있고, 그에 따라, 광도파로의 광 가이딩(optical guiding) 효율을 높여, 보다 작은 광 패스를 구현할 수 있다.
본 실시예에서는 코어(212)로 실리콘을 사용하고, 클래드(214)로 실리콘 옥 사이드(SiO2)를 사용할 수 있다. 실리콘과 실리콘 옥사이드의 굴절율 차이는 약 2.0이다. 이러한 재료에 기초하여, 광도파로 제작시, 코어(212)를 통해 전달되는 광의 싱글 모드 컨디션을 유지하기 위해서 코어(212)의 폭을 500㎚ 이하 및 높이 250㎚ 이하의 매우 작은 단면을 가지도록 형성할 수 있다. 한편, 이러한 작은 사이즈를 갖는 광도파로에 광을 커플링하기 위해서 기존 광통신에서 많이 사용되는 방식인 SMF(Single Mode Fiber)를 사용하면 커플링 효율(coupling efficiency)이 매우 떨어지게 된다. 왜냐하면, SMF의 모드 필드 지름(mode field diameter)이 거의 10㎛ 이상이기 때문이다.
그에 따라, 그래이팅 커플러(grating coupler)를 이용하여 광을 광도파로에 입출력시킨다. 또한, 좀더 높은 효율을 얻기 위해서 그래이팅 커플러에 입사되는 광은 높은 퀄러티(quality)를 갖는 칼러메이티드(collimated) 광일 수 있다. 다만, LD(laser Diode)와 같은 광 소스로부터 인쇄회로기판(200)의 광도파로(210)로 입사되는 광은 이미 높은 퀄러티를 갖는 칼러메이티드 광이기 때문에 그 부분에 대한 광 커플링 효율은 고려할 필요가 없다.
한편, 광도파로(210)로부터 메모리 칩(110)의 광신호 입출력 소자(115)로 광이 입사될 때, 보통 광신호 입출력 소자(115)에는 수광 소자인 PD(Photo Diode)가 설치되어 있으므로, PD로 입사되는 광의 퀄러티보다는 PD의 액티브 영역의 사이즈와 입사되는 광의 사이즈의 크기에 의해서 광 커플링 효율이 결정된다. 따라서, PD로 입사되는 광, 즉 광도파로(210)로부터 출력된 광의 사이즈가 적절히 조절되어야 한다. 예컨대, 광도파로(210)로부터 출력된 광이 칼러메이티드 광이 되도록 하는 것이 바람직하다. 커플링 효율에 대한 내용은 도 6a 및 6b 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
광도파로(210) 끝단 부분으로는 광을 90°반사시키기 위한 리플렉터(220), 예컨대 미러가 형성된다. 리플렉터(220)는 광도파로(210)에 대하여 45°경사를 유지하도록 형성됨으로써, 광도파로(210)를 통해 전송된 광을 90°수직방향으로 반사시킬 수 있다.
리플렉터(220)를 통해 반사된 광은 인쇄회로기판(200)의 수직방향으로 형성된 빈 공간(H1)을 통해 전파되고, 다시 굴절율 매칭부(320, refractive index matching unit) 및 지지 기판(122) 상에 형성된 빈 공간인 홈(H2)을 통해 광신호 입출력 장치(115)로 입력된다.
매개체부(300)는 솔더 볼(310) 및 굴절율 매칭부(320)를 포함한다. 굴절율 매칭부(320)는 투명한 재질로 형성되고, 지지 기판(120)의 광 경로와 상기 인쇄회로기판(200)의 광 경로 사이에 배치되어 인쇄회로기판(200) 상의 광 경로와 지지 기판(120) 상의 광 경로 사이의 굴절율 차이를 적절히 매칭시킨다. 따라서, 굴절율 매칭부(320)는 인쇄회로기판(200) 상의 광 경로와 지지 기판(120) 상의 광 경로 사이의 굴절율 차이를 적절히 매칭시킬 수 있는 굴절율을 갖는 재질로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시에의 경우에는 굴절율 매칭부(320)에 접하는 지지 기판(120) 및 인쇄회로기판(200)의 광 경로가 둘 다 빈 공간인 홈들(H2, H1)이므로 굴절율 매 칭부(320)의 굴절율은 크게 고려할 필요는 없다.
솔더 볼(310)은 굴절율 매칭부(320)가 형성되는 부분 이외의 부분으로 형성되어 메모리 패키지(100)를 상기 인쇄회로기판(200)에 안정적으로 실장시키는 기능을 한다. 한편, 이러한 솔더 볼(310)은 지지 기판(120)의 배선과 상기 인쇄회로기판(200)에 형성된 배선(미도시)를 전기적으로 연결하여, 메모리 칩으로 전원 전압이나 그라운드를 인가할 수 있도록 한다.
본 실시예의 메모리 모듈은 메모리 칩에 광신호 입출력 장치가 형성되고 또한, 지지 기판 및 인쇄회로기판으로 광신호를 전달할 수 있는 광 경로가 형성됨으로써, 기존 전기신호 대신에 광신호를 통해 메모리 칩을 제어함으로써, 고속의 데이터 처리를 수행할 수 있도록 한다.
도 2는 도 1의 메모리 모듈의 변형예를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 메모리 모듈(1000a)은 도 1의 메모리 모듈(1000)과 유사하나, 인쇄회로기판(200) 상에 형성된 광 경로 중 홈(H1) 부분에서 차이점을 갖는다. 그에 따라, 도 1에서 이미 설명한 동일 구성요소 부분에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예의 메모리 모듈(1000a)에서, 인쇄회로기판(200) 상의 광 경로는 광도파로(210), 리플렉터(220) 및 드럼 렌즈(230)를 포함한다. 즉, 도 1의 인쇄회로기판(200)의 홈(H1)이 드럼 렌즈(230)로 대체된다. 전술한 바와 같이 광도파로로부터 출력된 광이 광신호 입출력 장치(115)로 높은 광 커플링 효율을 가지면서 입사 되록 하기 위해서 칼러메이티드 광이 되도록 하는 것이 바람직하다. 일반적으로 매질 내에서 전송되는 광이 공기 중으로 나오게 되면 발산(divergence)하게 된다. 이와 같이 광이 발산하게 되면 광 커플링 효율이 낮아지게 됨은 자명하다. 따라서, 광도파로(210)로부터 출력된 광이 발산하지 않고 칼러메이티드 또는 어느 정도 중심으로 포커싱(focusing) 되도록 해야한다. 여기서 포커싱은 일반 볼록 렌즈 등과 같이 어느 한점으로 포커싱한다는 의미가 아니라 칼러메이트드와 비슷하게 매우 약간 포커싱(slightly forcusing)한다는 의미이다.
이러한 칼러메이티디 또는 약간의 포커싱을 위해 홈 부분에 드럼 렌즈(230)가 형성된다. 드럼 렌즈(230)는 상부 끝단으로 칼러메이티드 또는 약간의 포커싱을 위해 상당히 큰 곡률 반경(radius of curvature)을 갖는 볼록 렌즈가 형성된다. 이러한 드럼 렌즈(230)는 홈(H1) 부분으로 실리콘 옥사이드를 증착한 후 리플로우 공정을 통해 실리콘 옥사이드를 부풀려 형성할 수 있다.
한편, 인쇄회로기판(200)의 홈 부분으로 드럼 렌즈(230)가 형성됨으로써, 그 상부로 형성되는 굴절율 매칭부(320)의 형상이 도 1의 굴절율 매칭부(320)와 조금 차이를 가질 수 있다. 즉, 평평하게 형성되지 않고 드럼 렌즈(230)의 상부 볼록 렌즈에 기인하여 내부 방향으로 굴곡을 가질 수 있다.
본 실시예의 메모리 모듈(1000a)은 인쇄회로기판(200)의 홈 부분으로 드럼 렌즈(230)가 형성됨으로써, 광도파로(210)로부터 출력된 광을 칼리메이티드 또는 약간의 포커싱을 할 수 있고, 그에 따라 광신호 입출력 장치(115)로 높은 광 커플 링 효율을 가지고 광신호를 입력시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 메모리 모듈의 또 다른 변형예를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 메모리 모듈(1000b)은 도 2의 메모리 모듈(1000)과 유사하나, 지지 기판(120) 상에 형성된 광 경로인 홈(H2) 부분에서 차이점을 갖는다. 그에 따라, 도 1 또는 도 2에서 이미 설명한 동일 구성요소 부분에 대한 설명은 생략한다.
본 실시예에의 메모리 모듈(1000b)에서, 지지 기판(120)의 광 경로인 홈(H2)에는 하부의 인쇄회로기판(200)에서의 홈(H1)과 유사하게 드럼 렌즈(125)가 형성된다. 드럼 렌즈(125)는 하부 끝단으로 칼러메이티드 또는 약간의 포커싱을 위해 상당히 큰 곡률 반경(radius of curvature)을 갖는 볼록 렌즈가 형성된다. 이러한 드럼 렌즈(125)는 인쇄회로기판(200) 상의 드럼 렌즈(230)와 마찬가지로 홈(H2) 부분으로 실리콘 옥사이드를 증착한 후 리플로우 공정을 통해 실리콘 옥사이드를 부풀려 형성할 수 있다.
이와 같이, 지지 기판(120)의 광 경로가 드럼 렌즈(125) 구조로 형성되고, 그에 따라 광신호 입출력 장치(115)로부터 출력되는 광신호가 칼러메이티드 또는 약간 포커싱되어 하부의 인쇄회로기판(200)의 광 경로로 입사됨으로써, 광 커플링 효율이 증가될 수 있다. 그러나, 광신호 입출력 장치(115)에 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러가 형성되어 있는 경우에는 그러한 커플러를 통해 출력되는 광이 어느 정도 칼러메이티드 광이기 때문에 반드시 지지 기판(120)의 광 경로 를 드럼 렌즈로 형성할 필요는 없다.
한편, 지지 기판(120)의 홈(H2) 부분으로 드럼 렌즈(125)가 형성됨으로써, 그 하부로 형성되는 굴절율 매칭부(320)의 형상이 도 1 또는 도 2의 굴절율 매칭부(320)와 조금 차이를 가질 수 있다. 즉, 평평하게 형성되지 않고 드럼 렌즈(125)의 하부 볼록 렌즈에 기인하여 내부 방향으로 굴곡을 가질 수 있다.
본 실시예의 메모리 모듈(1000b)은 인쇄회로기판(200)의 홈 부분으로 드럼 렌즈(230)가 형성되고, 또한, 지지 기판(120)의 홈 부분에도 드럼 렌즈(125)가 형성됨으로써, 광도파로(210) 또는 광신호 입출력 장치(115)로부터 출력된 광이 광신호 입출력 장치(115) 또는 광도파로(210)로 칼러메이티드 또는 약간 포커싱되어 입사될 수 있고, 그에 따라 광신호 입출력 장치(115) 또는 광도파로(210)에서 높은 광 커플링 효율을 가지고 광신호가 입출력될 수 있다.
도 4a는 도 1의 인쇄회로기판 부분을 좀더 상세하게 보여주는 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 도 1의 메모리 모듈(100)과 같이 인쇄회로기판(200) 상의 빈 공간인 홈(H1)을 통해 광이 전달되는 경우, 도시된 바와 같이 광이 발산하게 되고, 그에 따라 광신호 입출력 장치(115)로의 광 커플링 효율이 떨어질 수 있다. 물론 홈(H1)의 깊이가 매우 작은 경우에는 그 차이가 미미할 수도 있다.
도 4b는 도 2 또는 도 3의 인쇄회로기판 부분을 좀더 상세하게 보여주는 단면도이다.
도 4b를 참조하면, 도 2 또는 도 3의 메모리 모듈(1000a, 1000b)과 같이, 인 쇄회로기판(200)의 홈(H1) 부분에 드럼 렌즈(230)가 형성되는 경우에, 리플렉터(220)를 거쳐 광도파로(210)로부터 출력된 광이 드럼 렌즈(230)에 의해 칼러메이티드 또는 약간 포커싱되고, 그에 따라 광신호 입출력 장치(115)로의 광 커플링 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 도 4b의 인쇄회로기판 상에 형성되는 드럼 렌즈를 통해 광이 칼러메이티드 또는 포커싱되는 원리를 보여주는 구성도이다.
도 5를 참조하면, 일반적으로 렌즈(420)를 통과한 광의 경로는 광 소스(400)와 렌즈(420)까지의 거리, 즉 워킹 거리(Working Distance: D), 렌즈(420)의 굴절율(n), 그리고 렌즈의 곡률 반경(Radius of Curvature: R)에 의해 결정된다. 이러한 원리는 광선광학(ray optics)와 가우시안 광학(Gaussian Optics) 관점에서 정량적으로 설명될 수 있다. 그에 따라, 본 실시예들에서 이용하는 드럼 렌즈를 위와 같은 원리에 기초하여 인쇄회로기판(200) 또는 지지 기판(120)의 홈들(H1, H2)에 형성하는 것이 바람직하다.
도 6a 및 6b는 모드 필드의 미스 매치에 따른 커플링 효율 계산을 설명하기 위한 원리도이다.
전술한 바와 같이, 광신호 입출력 장치(115)에는 PD가 설치되어 있기 때문에, 광 커플링 효율은 PD로 입사하는 빔의 퀄러티보다는 단순히 PD의 액티브 영역의 사이즈와 입사되는 광의 사이즈에 따라서 결정될 수 있다. 그에 따라, 광의 사이즈, 다른 말로 각 광의 모드 필드 프로파일(mode field profile)이 미스 매칭된 경우의 광 커플링 효율은 다음과 같이 설명될 수 있다.
먼저, 도 6a와 같이 싱글 모드 피버(Single Mode Fiber: SMF)로 원형 광이 전달될 때의 광 커플링 효율(η1)은 다음 식(1)과 같다.
η1 =(2w1wSMF)/(w1 2 + wSMF 2)................................식(1)
여기서, wSMF는 싱글 모드 피버를 통해 전송될 수 있는 광 단면(A)의 반지름을 나타내고, w1는 싱글 모드 피버로 입사되는 광 단면(B)의 반지름을 나타낸다. 식(1)을 통해 알 수 있듯이, wSMF과 w1이 정확히 일치하는 경우를 제외하고는 광 커플링 효율(η1)은 항상 1보다 작다.
다음, 도 6b와 같이 싱글 모드 피버로 타원형 광이 전달될 때의 광 커플링 효율(η2)은 다음 식(2)와 같다.
η2 =(4w1w2wSMF 2)/{(w1 2 + wSMF 2)(w2 2 + wSMF 2)}....................식(2)
여기서, wSMF는 역시 싱글 모드 피버를 통해 전송될 수 있는 광 단면(A)의 반지름을 나타내고, w1는 싱글 모드 피버로 입사되는 타원형 광 단면(C)의 장축 반지름을 나타내며, w2는 타원형 광 단면(C)의 단축 반지름을 나타낸다. 타원형 광의 경우는 식(2)에 기인하여 광 커플링 효율(η2)이 1이 될 수는 없다. 그러나, 되도록 wSMF를 w2와 동일하게 근접시킴으로써, 광 커플링 효율을 높일 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들의 광신호 입출력 장치(optical I/O)에 적용되는 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러에 대한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 그래이팅 커플러(117)는 광도파로의 양 끝단으로 그래이팅(grating), 즉 격자(G1, G2)가 형성됨으로써 구현될 수 있다. 이러한 그래이팅 커플러(117) 중에서 가우시안 광학에 기인하여 좀더 정밀하게 형성된 그래이팅 커플러를 가우시안 그래이팅 커플러라고 하기도 한다.
그래이팅 커플러(117)에 형성되는 그래이팅 사이즈, 즉 그래이팅의 주기는 입사되는 광의 폭(w)과 파수 벡터(k-vector)에 의해 결정될 수 있다. 그에 따라, 그래이팅 커플러에 적절한 그래이팅이 형성됨으로써, 해당 입사광이 높은 광 커플링 효율을 가지고 그래이팅 커플러(117)에 광 결합할 수 있다. 그래이팅 커플러(117)로 광이 커플링하기 위한 조건은 이하 도 8에서 설명에서 기술된다.
도 8은 도 7의 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러를 통한 광 커플링 원리를 보여주는 원리도이다.
도 8을 참조하면, 우선, 입사광이 그래이팅 커플러로 높은 광 커플링 효율을 가지고 광결합하기 위해서는 그 위상이 일치하여야 한다. 그러한 위상 매칭 조건은 다음 식(3)으로 나타난다.
βν = β0 + ν2π/Λ...................................식(3)
여기서, ν는 정수이고, Λ는 그래이팅의 주기를 나타내며, βν는 ν번째 모드의 위상을 나타내며, β0은 기본(fundamental) 모드의 위상을 나타낸다.
또한, 광이 광도파로 구속되기 위한 조건인 가이딩 조건(guiding condition)은 다음 식(4)로 나타난다.
αm =κn3sinθm=(2π/λ0n3)sinθm........................식(4)
여기서, m는 정수이고, λ0 기본 모드 광의 파장을 나타내며, κ는 파수로서 파장의 역수이다. 또한, αm는 m번째 모드 광의 굴절율 조건값이고, θm는 m번째 모드 광의 입사각도이다. 한편, 도 8에서, w는 입사된 광의 폭을 나타내고, n1은 클래드의 굴절율을 나타내고, n2는 코어의 굴절율을 나타내며, n3는 광도파로 외부 또는 클래드의 굴절율을 나타낸다.
입사광이 광도파로에 가이딩되기 위해서는 κn3<αm<κn2의 관계를 만족해야 한다.
9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 모듈을 포함하는 전기전자장치를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예의 전기전자장치는 메모리 모듈(1000), 광 소스(1200, light source), 중앙처리장치(1300, Central Processing Unit: CPU), 광전 변환기(1400, optic/electric convertor) 및 시스템 보드(1500)를 포함한다.
메모리 모듈(1000)은 도 1에서 설명한 메모리 모듈이고, 그에 따라, 메모리 모듈(1000)은 메모리 칩(110)에 광신호 입출력 장치(115)에 형성되어 있고, 또한, 인쇄회로기판(200)에 광 경로가 형성되어 있다. 한편, 본 실시예의 전기전자장치에 포함되는 메모리 모듈은 도 1의 메모리 모듈(1000)뿐만 아니라, 도 2 또는 도 3의 메모리 모듈(1000a, 1000b) 일 수 있음은 물론이다. 이러한 메모리 모듈(1000)은 시스템 보드(1500)에 형성되어 있는 소켓(1100)을 통해 시스템 보드(1500)로 결합된다.
광 소스(1200)는 LD와 같은 광학 소자로서, 칼러메이티드 광을 생성하여 메모리 모듈(1000)로 공급한다. 중앙처리장치(1300)는 데이터 처리 및 제어를 위한 연산장치 및 제어장치를 구비하여 데이터를 처리하거나 시스템의 각 구성요소들을 전반적으로 제어한다. 한편, 중앙처리장치(1300)라고 명명하였으나, 중앙처리장치(1300)는 소형 컴퓨터나 모바일 장치 등에 사용되는 마이크로-프로세서(micro-processor)일 수도 있다.
광전 변환기(1400)는 메모리 모듈(1000)로부터 전달된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 중앙처리장치(1300)로 전달하고, 중앙처리장치(1300)로부터의 전기적 신호를 광신호로 변환하여 메모리 모듈(1000)로 전달할 수 있다. 한편, 광전 변환기를 통해 광신호를 생성하여 메모리 모듈(1000)로 바로 전달할 수도 있지만, 일반적으로는 광 소스(1200)를 통해 광을 생성하고 그러한 광에 해당 신호를 실어 광신호로서 메모리 모듈로 전달하게 된다.
시스템 보드(1500)로는 전술한 각 구성요소들, 즉, 메모리 모듈(1000), 광 소스(1200), 중앙처리장치(1300), 광전 변환기(1400) 등이 실장되게 된다. 한편, 메모리 모듈(1000)과 광전 변환기(1400) 사이에는 광신호를 전달하기 위한 광도파로(1600)가 형성될 수 있다.
본 실시예의 전기전자장치는 광신호를 전송할 수 있는 광신호 입출력 장치 및 광 경로가 메모리 모듈에 형성되며, 또한, 중앙처리장치 전단으로 광신호를 전기신호로, 그리고 전기신호를 광신호로 변환하는 광전 변환기가 설치됨으로써, 광신호를 이용하여 데이터 처리 및 제어를 고속으로 수행할 수 있다.
도 1 ~ 3의 메모리 모듈에 대한 제조과정을 설명하면 다음과 같다. 설명을 편의를 위해 도 1 ~ 3을 참조하여 설명한다.
먼저, 광신호 입출력 장치(115)를 구비한 메모리 패키지(100) 제조한다. 좀더 구체적으로는 설명하면, 메모리 칩(110)에 광신호 입출력 장치(115)를 형성한다. 이러한 광신호 입출력 장치는 메모리 칩(110) 내의 셀들로 전기적으로 연결되어 입력된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 각 셀들로 공급하고, 또한 각 셀들로부터의 전기적 신호를 광신호로 변환하여 인쇄회로기판(200)의 광도파로(210)로 공급한다. 한편, 지지 기판(120)에 배선을 형성하고, 또한 광신호 입출력 장치(115)에 대응되는 부분으로 광 경로를 형성한다. 이러한 광 경로는 빈 공간인 홈(H2)이 될 수도 있고, 또는 실리콘 옥사이드로 형성한 드럼 렌즈(125)일 수 있다.
메모리 칩(110)에 광신호 입출력 장치(115)의 형성 및 지지 기판(120)으로 광 경로를 형성한 후에, 메모리 칩(110)을 지지 기판(120)에 결합한다. 메모리 칩(110)과 지지 기판(120)의 결합은 전도성 접착제를 이용할 수 있다. 메모리 칩(110)과 지지 기판(120)의 결합 후에 메모리 칩(110)을 밀봉재(130)로 밀봉한다. 한편, 때에 따라, 밀봉재(130)에 의한 밀봉 전에 지지 기판(120) 하부로 솔더 볼(310)을 형성할 수도 있다.
메모리 패키지(100) 형성 후에, 인쇄회로기판(200)에 배선을 형성하고, 또한, 내부로 광신호를 전달할 수 있는 광 경로를 형성한다. 광 경로는 전술한 바와 같이 광도파로(210), 리플렉터(220) 및 드럼 렌즈(230)를 포함한다. 물론 때에 따라 드럼 렌즈(230) 대신에 빈 공간의 홈(H1)이 형성될 수도 있다.
인쇄회로기판(200)에 광 경로를 형성한 후에, 메모리 패키지(100)와 인쇄회로기판(200)을 솔더 볼(310)과 굴절율 매칭부(320)를 통해 결합한다. 굴절율 매칭부(320)는 지지 기판(120)의 광 경로와 인쇄회로기판(200)의 광 경로, 예컨대, 지지 기판(120)의 드럼 렌즈(125)와 인쇄회기판(200)의 드럼 렌즈(230) 사이에 배치되도록 형성하여 양쪽의 굴절율을 매칭시킨다. 한편, 솔더 볼(310)은 메모리 패키지(100)를 인쇄회로기판(200)에 안정적으로 결합시키는 기능과, 지지 기판(120)의 배선과 인쇄회로기판(200)을 배선을 전기적으로 연결하는 기능을 한다.
도 10a ~ 10c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 모듈 제조과정 중 인쇄회로기판 상에 드럼 렌즈를 형성하는 과정을 보여주는 단면도들이다.
도 10a를 참조하면, 먼저, 리플렉터(220)가 형성된 부분의 광도파로(210) 상부의 소정 부분으로 홈(H1)을 형성한다. 홈(H1)은 리플렉터(220)를 통해 반사된 광이 정확하게 광신호 입출력 장치로 입사될 수 있는 위치로 형성될 수 있다. 이러한 홈(H1)은 포토리소그라피 공정 및 식각 공정을 통해 소정 폭을 가지고 형성될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 홈(H1) 내부로 실리콘 옥사이드(230a)를 증착하여 홈(H1)을 매립한다. 한편, 때에 따라 상부로 평탄화시키기 위한 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정이 수행될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 인쇄회로기판(200)을 소정 온도로 가열하여, 실리콘 옥사이드를 리플로우(reflow)시킨다. 이러한 실리콘 옥사이드 리플로우 공정을 통해 실리콘 옥사이드가 부풀어 상부로 소정 곡률 반경을 갖는 볼록 렌즈가 형성된다. 홈(H1)으로 채워진 실리콘 옥사이드 및 상부에 형성된 볼록 렌즈가 드럼 렌즈(230)를 형성한다.
지금까지, 인쇄회로기판(200) 상으로 드럼 렌즈(230)를 형성하는 과정을 설명하였지만, 만약 지지 기판(120)에 드럼 렌즈(125)를 형성하는 경우에도 동일한 방법이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 11a 및 11b는 드럼 렌즈가 형성된 인쇄회로기판의 평면도 및 측면도이다.
도 11a를 참조하면, 일반적으로 인쇄회로기판(200) 상으로 다수의 메모리 패키지(100)가 실장된다. 그에 따라, 인쇄회로기판(200) 상으로 다수의 드럼 렌즈(230)가 형성되며, 그러한 다수의 드럼 렌즈(230)는 각 메모리 패키지(100) 내로 형성된 광신호 입출력 장치에 대응되는 위치에 형성된다.
도 11b는 도 11a의 인쇄회로기판(200)에 대한 측면도로서, 드럼 렌즈(230)의 상부가 볼록 렌즈와 같은 구조를 가짐을 확인할 수 있다. 다만, 각 드럼 렌즈(230)도면상 곡률반경이 매우 작게 도시되어 있지만, 이는 상부로 볼록 렌즈가 형성됨을 강조하기 위한 것으로, 실제로는 드럼 렌즈(230)의 상부로 형성되는 볼록 렌즈 부분의 곡률 반경은 칼러메이티드 광 또는 약간의 포커싱된 광 형성을 위해서 매우 클 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 모듈에 대한 단면도이다.
도 2는 도 1의 메모리 모듈의 변형예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1의 메모리 모듈의 또 다른 변형예를 보여주는 단면도이다.
도 4a는 도 1의 인쇄회로기판 부분을 좀더 상세하게 보여주는 단면도이다.
도 4b는 도 2 또는 도 3의 인쇄회로기판 부분을 좀더 상세하게 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4b의 인쇄회로기판 상에 형성되는 드럼 렌즈를 통해 광이 칼러메이티드 또는 포커싱되는 원리를 보여주는 구성도이다.
도 6a 및 6b는 모드 필드의 미스 매치에 따른 커플링 효율 계산을 설명하기 위한 원리도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들의 광신호 입출력 장치(optical I/O)에 적용되는 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러에 대한 단면도이다.
도 8은 도 7의 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러를 통한 광 커플링 원리를 보여주는 원리도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 모듈을 포함하는 전기전자장치를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 10a ~ 10c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 모듈 제조과정 중 인쇄회로기판 상에 드럼 렌즈를 형성하는 과정을 보여주는 단면도들이다.
도 11a 및 11b는 드럼 렌즈가 형성된 인쇄회로기판의 평면도 및 단면도이다.
<도면에 주요부분에 대한 설명>
100: 메모리 패키지 110: 메모리 칩
115: 광신호 입출력 장치 117: 그래이팅 커플러
120: 지지 기판 122: 배선
130: 밀봉재 200: 인쇄회로기판
210: 광도파로 212: 코어
214: 클래드 220: 리플렉터
230a: 실리콘 옥사이드 125, 230: 드럼 렌즈
300: 매개체부 310: 솔더 볼
320: 굴절율 매칭부 400: 광 소스
420: 렌즈 1000: 메모리 모듈
1100: 소켓 1200: 광 소스
1300: CPU 또는 마이크로-프로세서 1400: 광전 변환기
1500: 시스템 보드
1600: 시스템 보드 광도파로

Claims (12)

  1. 광신호 입출력 장치(optical I/O)를 구비한 적어도 하나의 메모리 패키지;
    상기 메모리 패키지가 실장되고, 상기 광신호 입출력 장치로 광신호를 전달할 수 있는 광 경로가 형성되어 있는 인쇄회로기판(PCB: printed circuit substrate); 및
    상기 메모리 패키지를 상기 인쇄회로기판으로 실장하고, 상기 광신호 입출력 장치와 상기 광 경로 사이에서 굴절율을 매칭(matching) 시키는 매개체부;를 포함하는 광 경로를 구비한 메모리 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 광 경로는,
    상기 인쇄회로기판의 수평 방향으로 형성되고 코어(core) 및 클래드(clad)를 포함한 광도파로;
    상기 광도파로 끝단 부분으로 형성되어 광을 수직으로 반사시키는 리플렉터(reflector); 및
    상기 인쇄회로기판의 수직 방향으로 형성되고, 상기 리플렉터로부터 반사된 광을 상기 광신호 입출력 장치 방향으로 칼러메이티드(collimated) 또는 포커싱(focusing) 시키는 드럼 렌즈(drum lens);를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  3. 제3 항에 있어서,
    상기 광도파로의 상기 코어는 실리콘으로 형성되고, 상기 클래드는 실리콘 옥사이드(SiO2)로 형성되며,
    상기 드럼 렌즈는 실리콘 옥사이드로 형성되되, 상기 광신호 입출력 장치 방향의 상부 끝단 부분으로 볼록 렌즈가 형성되는 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광신호 입출력 장치는 광신호를 파장에 따라 선택적으로 입출력시키는 그래이팅 커플러(grating coupler) 또는 가우시안 그래이팅 커플러(Gaussian grating coupler)를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 메모리 패키지는,
    메모리 칩;
    상기 메모리 칩이 결합되고, 상기 메모리 칩으로 연결되는 전기 배선이 형성되어 있으며, 상기 인쇄회로기판의 광 경로에 대응하여 광신호 전달을 위한 경로가 형성되어 있는 지지 기판; 및
    상기 메모리 칩을 밀봉하는 밀봉재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 지지 기판의 광 경로는 광이 투과할 수 있는 투명 재질로 형성되거나 또는 공간인 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  7. 제7 항에 있어서,
    상기 지지 기판의 광 경로가 투명 재질로 형성된 경우,
    상기 광 경로는 상기 인쇄회로기판 방향의 끝단으로 볼록 렌즈가 형성된 드럼 렌즈 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 매개체부는,
    상기 메모리 패키지를 상기 인쇄회로기판으로 실장하는 솔더 볼; 및
    상기 광신호가 투과할 수 있는 투명재질로 형성되고, 상기 메모리 패키지의 광 경로와 상기 인쇄회로기판의 광 경로 사이에 배치되어 굴절율을 매칭시키는 굴절율 매칭부(refractive index matching unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 모듈.
  9. 제1 항의 메모리 모듈;
    상기 메모리 모듈로 전달하기 위한 광신호를 생성하는 광 소스(light source);
    데이터 처리 및 제어를 위한 연산장치 및 제어장치를 구비한 중앙처리장치(central processing unit: CPU) 또는 마이크로-프로세서(micro-processor);
    상기 메모리 모듈로부터 전달된 광신호를 전기적 신호로 변환하여 상기 중앙처리장치 또는 마이크로-프로세서로 전달하고, 상기 중앙처리장치 또는 마이크로-프로세서로부터의 전기적 신호를 광신호로 변환하여 상기 메모리 모듈로 전달하는 광전 변환기(optic/electric convertor); 및
    상기 메모리 모듈, 광 소스, 중앙처리장치 또는 마이크로-프로세서, 및 광전 변환기가 실장되는 시스템 보드;를 포함한 전기전자장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 광 경로는,
    상기 인쇄회로기판의 수평 방향으로 형성되고 코어 및 클래드를 포함한 광도파로;
    상기 광도파로 끝단 부분으로 형성되어 광을 수직으로 반사시키는 리플렉터; 및
    상기 인쇄회로기판의 수직 방향으로 형성되고, 상기 리플렉터로부터 반사된 광을 상기 광신호 입출력 장치 방향으로 칼러메이티드 시키거나 포커싱 시키는 드럼 렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전자장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 광신호 입출력 장치는 그래이팅 커플러 또는 가우시안 그래이팅 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전자장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 시스템 보드 상으로 상기 메모리 모듈 및 상기 광전 변환기 사이에 광신호 전달을 위한 광도파로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전기전자장치.
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