KR20180043124A - 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조 - Google Patents

적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조 Download PDF

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KR20180043124A
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Abstract

본 발명은 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 별도의 밀봉 패키지 없이 광수신 모듈을 적층구조로 패키지 구조화하여 콤팩트한 사이즈로 제작할 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조는, 파장 분할 다중화(WDM)의 광수신 모듈에 있어서, 광 선로 종단에 위치한 광 커넥터와 광수신 모듈을 연결하기 위한 광 접속부; 빛의 손실을 줄이고 역다중화 소자의 크기를 줄이기 위해 상기 광 접속부로부터 수신되는 광신호를 각 파장의 광신호로 분리한 후 분리된 각각의 광신호를 집광 및 반사하는 광 패키지부; 상기 광 패키지부로부터 반사된 광신호를 수신한 후 전기신호로 변환하는 전치 증폭 소자부; 상기 전치 증폭 소자부를 통해 변환된 전기 신호를 외부 회로로 전송하기 위한 인쇄회로기판; 상기 광 패키지부의 구성요소들이 조립되는 제1 실리콘 기판; 및 상기 전치 증폭 소자부의 구성요소들이 조립되는 제2 실리콘 기판;을 포함하되, 상기 제1 실리콘 기판과 제2 실리콘 기판의 양측 사이를 솔더 접착을 통해 접착하여 밀봉이 되게 하면서 적층구조로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조{Package structure of wavelength multiplexing array optical receiving module using laminated structure}
본 발명은 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 별도의 밀봉 패키지 없이 광수신 모듈을 적층구조로 패키지 구조화하여 콤팩트한 사이즈로 제작할 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조에 관한 것이다.
또한, 상,하부 실리콘 기판을 플립칩 본딩 공정을 통해 위치 정렬하여 접착함으로써 실시간 모니터링 및 조립을 위한 별도의 구성요소를 마련할 필요가 없고, 모듈의 내부를 밀봉시킬 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조에 관한 것이다.
아울러, 실리콘 기판의 홈부에 각 구성요소들이 정렬 및 조립됨에 따라 외력에 의한 구성요소들의 손상 및 정렬상태 변형 등이 방지되므로 기계적 내구성을 향상시킬 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조에 관한 것이다.
최근 증강현실(AR)을 기반으로 한 스마트폰 게임이 전 세계적으로 열풍을 불고 있고, 이와 같은 게임의 종류 또한 점차 다양하게 증가하고 있다. 하지만, 증강현실(AR) 콘텐츠를 구동시키기 위해서는 상당히 많은 양의 데이터 트래픽이 발생하여 시스템에 과부하가 걸리게 된다. 그럼에도, 해당 서비스를 쾌적하게 즐길 수 있는 방법은 바로 '광통신' 기술 덕분이다.
유무선 통신 기술들 중 하나인 광통신은 기존의 전기신호 대신 빛을 이용한 통신수단으로 많은 양의 데이터를 끊김 없이 초고속으로 전달할 수 있는 기술이다.
인터넷 보급률, 인터넷 평균속도 및 광대역 인터넷 1위의 인터넷 강국인 우리나라에선 당연하게 쓰이는 기술이지만 아직 통신 인프라가 미흡한 나라에서는 각광을 받고 있는 사업이다.
이미 한 가닥의 광섬유를 사용하여 10Gbps 이상의 전송 용량을 갖는 광통신 기술이 상용화되어 있고, 최근에는 하나의 광섬유에 10Gbps 또는 25Gbps의 전송 속도를 갖는 서로 다른 파장의 광신호를 다중화시켜 수십 내지 100Gbps의 데이터를 전송하는 파장 분활 다중화(WDM, Wavelength Division Multiplexing) 방식의 광통신이 사용되고 있으며, 그 이상의 전송속도를 구현하기 위한 개발이 계속되고 있다.
광통신 기술을 가장 많이 사용하고 있는 대형 인터넷 포탈 회사의 경우 대규모 데이터 센터를 운영하고 있는데, 수백 Gbps의 전송속도를 충족시키기 위해 데이터 센터는 아주 큰 규모로 세밀하게 연결되어 있다. 이러한 데이터 센터의 광통신 모듈의 밀도를 높이기 위해서는 광통신 모듈의 크기를 줄이는 것이 중요하다.
이러한 기술의 일예가 하기 선행기술문헌에 개시되어 있다.
하기 선행기술문헌에는 광소자가 설정위치에 마운트되는 베이스플레이트 상에 설치되기 위한 설치부와 제1기준홀과 상기 제1 기준홀과 제1 간격을 두고 형성되는 제2 기준홀을 가지는 정렬플레이트; 상기 광소자와 광통신하는 광섬유가 고정설치되고, 상기 제1 기준홀에 삽입되는 제1 포스트와 상기 제2 기준홀에 삽입되는 제2 포스트를 가지는 광섬유 고정블럭; 및 상기 광섬유 고정블럭과 상기 정렬플레이트를 둘러싸는 하우징; 을 포함하되, 상기 제2 포스트는 상기 제1 포스트의 상기 제1 기준홀에 삽입보다 더 헐겁게 상기 제2 기준홀에 삽입되며, 상기 설정위치는 상기 제1 기준홀과 상기 제2 기준홀을 통과하는 제1 기준선과 상기 제1 기준선과 교차하고 제1 기준홀로부터 제2 간격을 둔 위치에 위치하며, 상기 제1 기준홀을 사이에 두고 상기 제2 기준홀의 맞은편에 위치하는 제2 기준선에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전송경로 확장기에 대해 개시되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술은 광섬유고정블럭과 정렬플레이트를 둘러싸기 위해 고가의 하우징이 설치되며, 하우징으로 밀봉하는 구조의 경우에는 다양한 광소자 부품들 하나하나를 일일이 조립하고 이를 부착하고 정렬해야 하기 때문에 공정이 복잡하고 가격이 상승되는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1480025호(2014.12.31. 등록)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 별도의 밀봉 패키지 없이 광수신 모듈을 적층구조로 패키지 구조화하여 길이, 높이 및 폭을 줄여 콤팩트한 사이즈로 제작할 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조를 제공하는 것이다.
또한, 상,하부 실리콘 기판을 플립칩 본딩 공정을 통해 위치 정렬하여 접착함으로써 실시간 모니터링 및 조립을 위한 별도의 구성요소를 마련할 필요가 없고, 모듈의 내부를 밀봉시킬 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조를 제공하는 것이다.
또한, 실리콘 기판의 홈에 각 구성요소들이 정렬 및 조립됨에 따라 외력에 의한 구성요소들의 손상 및 정렬상태 변형 등이 방지되므로 기계적 내구성을 향상시킬 수 있는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조는, 파장 분할 다중화(WDM)의 광수신 모듈에 있어서, 광 선로 종단에 위치한 광 커넥터와 광수신 모듈을 연결하기 위한 광 접속부(110); 빛의 손실을 줄이고 역다중화 소자의 크기를 줄이기 위해 상기 광 접속부(110)로부터 수신되는 광신호를 각 파장의 광신호로 분리한 후 분리된 각각의 광신호를 집광 및 반사하는 광 패키지부(120); 상기 광 패키지부(120)로부터 반사된 광신호를 수신한 후 전기신호로 변환하는 전치 증폭 소자부(130); 상기 전치 증폭 소자부(130)를 통해 변환된 전기 신호를 외부 회로로 전송하기 위한 인쇄회로기판(140); 상기 광 패키지부(120)의 구성요소들이 조립되는 제1 실리콘 기판(150); 및 상기 전치 증폭 소자부(130)의 구성요소들이 조립되는 제2 실리콘 기판(160);을 포함하되, 상기 제1 실리콘 기판(150)과 제2 실리콘 기판(160)의 양측 사이를 솔더(170) 접착을 통해 접착하여 밀봉이 되게 하면서 적층구조로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 접속부(110)는, 광선로 종단에 형성된 광섬유 커넥터와 결합되는 리셉터클(111); 상기 리셉터클의 내부공간에 위치되어 광선을 정렬해주는 페룰(112); 상기 리셉터클과 페룰 사이에 위치되는 원통형의 슬리브(113); 및 상기 페룰의 후단측과 리셉터클의 내부에 위치되어 입력된 분산광을 평행광으로 변환시키는 언덕형 굴절률 렌즈(114)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 패키지부(120)는, 광신호 역다중화 소자인 유리블록(121); 상기 유리블록의 일측면에 형성되어 광신호를 통과시키는 무반사막 코팅(122); 상기 유리블록의 일측면에 형성되어 광신호를 반사시키는 반사막 코팅(123); 상기 무반사막 코팅 및 반사막 코팅이 형성된 상기 유리블록의 타측면에 일정한 간격으로 형성되어 해당되는 대역의 파장을 통과시키는 박막필터(124); 상기 박막필터로부터 분리되어 수평으로 발산되는 평행광을 하방향으로 수직하게 변환시키는 반사 거울(125); 및 상기 반사 거울의 하측에 위치하여 상기 반사 거울로부터 반사된 평행광을 초점광으로 변환시켜주는 어레이 렌즈(126)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전치 증폭 소자부(130)는, 발산되는 초점광에 따른 전기 신호를 검출하는 어레이 광검출 소자(131); 상기 어레이 광검출 소자에서 검출된 전기 신호를 증폭하여 출력시키는 어레이 전치 증폭 소자(132); 금속으로 밀봉되어 증폭된 신호를 상기 인쇄회로기판(140)으로 전달하는 비아홀(133); 상기 어레이 광검출 소자와 어레이 전치 증폭 소자를 연결하고, 상기 어레이 전치 증폭 소자와 비아홀을 연결하여 신호가 흐르도록 하는 와이어(134)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 무반사막 코팅(122)과 반사막 코팅(123)은, 상기 유리블록(121)의 일측면에 형성되되, 광이 입력되는 유리블록의 소정 영역에 형성되는 무반사 코팅과 상기 무반사 코팅이 형성된 영역을 제외한 영역에 형성되는 반사막 코팅으로 구분되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 실리콘 기판(150)은, 상기 광 패키지부(120)의 구성요소들을 조립하기 위한 홈부가 형성되고, 플립칩 본딩 공정을 통해 정렬하여 접착하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 어레이 렌즈(126)는, 상기 박막필터(124)에 대응되는 방향인 반사 거울(125)의 일측면 또는 상기 반사 거울의 하부면에 일체로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 실리콘 기판(160)은, 상기 전치 증폭 소자부(130)의 구성요소들을 조립하기 위한 홈부가 형성되고, 전치 증폭 소자부의 구성요소들이 정해진 패턴으로 자동 본딩 공정에 의해 다이 본딩 및 와이어 본딩으로 접착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 실리콘 기판(150) 및 제2 실리콘 기판(160)은, 깊은 홈 엣칭(deep grove etching)으로 상부가 개방된 홈부(180)가 형성되고, 드라이 엣칭 공정을 통해 구성요소 중 하나인 칩이 위치할 수 있도록 안착홈(181)이 형성되며, 상기 홈부의 하부 일측에 비아홀(133)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조는, 각종 데이터들을 빠른 속도로 연결하기 위해서 데이터 센터의 규모가 크고 광케이블이 조밀하게 연결될 수 있도록 별도의 밀봉 패키지 없이 광수신 모듈을 적층구조로 패키지 구조화하여 길이, 높이 및 폭을 줄여 콤팩트한 사이즈로 제작이 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한, 상,하부 실리콘 기판을 플립칩 본딩 공정을 통해 위치 정렬하여 접착함으로써, 실시간 모니터링 및 조립을 위한 별도의 구성요소를 마련할 필요가 없으므로 생산효율을 향상시킬 수 있고, 실리콘 기판 내에 설치된 칩들을 밀봉하는 효과가 있다.
또한, 실리콘 기판의 홈에 각 구성품들이 정렬 및 안착 됨에 따라 외력에 의한 구성품들의 손상 및 정렬 상태 변형 등이 방지되므로 기계적 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 적층구조를 보여주는 평면도 및 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 광신호의 이동과정을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 어레이 렌즈의 실시예를 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 조립 공정을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 실리콘 기판의 다른 실시예를 보여주는 도면.
도 6은 도 5에 따른 실리콘 기판의 변형예를 보여주는 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 출원인은 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 적층구조를 보여주는 평면도 및 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조는 광 접속부(110), 광 패키지부(120), 전치 증폭 소자부(130), 인쇄회로기판(140), 제1 실리콘 기판(150) 및 제2 실리콘 기판(160)을 포한하다.
상기 광 접속부(110)는 광선로 종단에 형성된 광섬유 커넥터와 결합되는 리셉터클(111), 상기 리셉터클의 내부공간에 위치되어 광선을 정렬해주는 페룰(112), 상기 리셉터클과 페룰 사이에 위치되는 원통형의 슬리브(113) 및 상기 페룰의 후단측과 리셉터클의 내부에 위치되어 입력된 분산광을 평행광으로 변환시키는 언덕형 굴절률 렌즈(114)를 포함한다.
이때, 상기 페룰(112), 슬리브(113) 및 언덕형 굴절률 렌즈(114)는 리셉터클(111)의 내부에서 상호 동일한 중심축을 갖는다.
특히, 평행광을 형성시키는 언덕형 굴절율 렌즈는 적당한 초점 거리를 갖는 볼록 렌즈로 대체 가능하다.
상기 광 접속부(110)는 페룰과 슬리브만으로 구성된 종래의 리셉터클부와 대비하여 언덕형 굴절률 렌즈(114)를 추가로 삽입한 것을 특징으로 하며, 언덕형 굴절률 렌즈 또는 볼록 렌즈는 분산광을 평행광으로 변환하는 기능을 한다.
상기 언덕형 굴절률 렌즈(114)는 완벽한 평행광을 만들기 위한 초점 거리의 위치가 언덕형 굴절률 렌즈(114)를 적용하여 별도의 능동 정렬 없이 비교적 완벽한 평행광을 만들 수 있다.
또한, 언덕형 굴절률 렌즈(114)는 원통형 구조를 갖는 리셉터클(111) 내부에 동일한 원통형 구조의 페룰(112)과 별도의 정렬 공정 없이 리셉터클(111)에 삽입 장착되는 구조를 취함으로써 기계적인 정밀도만으로도 정확한 위치에 고정시키는 것이 가능하다.
이에 따라, 본 발명에 따른 광 접속부(110)는 종래의 광수신 모듈에서 평행광을 만들기 위해서는 구성되는 비구면 볼록 렌즈와, 상기 비구면 볼록렌즈를 정확한 초점 거리에 위치시키기 위하여 광검출 소자의 광전류를 측정하면서 비구면 볼록렌즈의 위치를 찾아 고정시키는 능동 정렬 방식을 사용함에 따른 조립 공정의 복잡함과 제조 수율 저하의 문제점들이 해소될 수 있다.
한편, 상기 광 패키지부(120)는 빛의 손실을 줄이고 역다중화 소자의 크기를 줄이기 위해 상기 광 접속부(110)로부터 수신되는 광신호를 각 파장의 광신호로 분리한 후 분리된 각각의 광신호를 집광 및 반사한다.
상기 광 패키지부(120)는 광신호 역다중화 소자인 유리블록(121), 상기 유리블록의 일측면에 형성되어 광신호를 통과시키는 무반사막 코팅(122), 상기 유리블록의 일측면에 형성되어 광신호를 반사시키는 반사막 코팅(123), 상기 무반사막 코팅 및 반사막 코팅이 형성된 상기 유리블록의 타측면에 일정한 간격으로 형성되어 해당되는 대역의 파장을 통과시키는 박막필터(124), 상기 박막필터로부터 분리되어 수평으로 발산되는 평행광을 하방향으로 수직하게 변환시키는 반사 거울(125) 및 상기 반사 거울의 하측에 위치하여 상기 반사 거울로부터 반사된 평행광을 초점광으로 변환시켜주는 어레이 렌즈(126)를 포함한다.
상기 무반사막 코팅(122)과 반사막 코팅(123)은, 상기 유리블록(121)의 일측면에 형성되되, 광이 입력되는 유리블록의 소정 영역에 형성되는 무반사 코팅과 상기 무반사 코팅이 형성된 영역을 제외한 영역에 형성되는 반사막 코팅으로 구분되어 형성된다.
상기 무반사막 코팅(122)은 언덕형 굴절률 렌즈(114)를 통해 입사되는 광이 유리블록(121)에 반사됨에 따른 손실을 최소화시켜주는 역할을 하고, 반사막 코팅(123)은 반대측에 형성된 박막필터로부터 반사되어 되돌아 온 광이 다시 반사되어 그 다음 박막필터로 입사되도록 하는 역할을 한다.
즉, 상기 광 패키지부(120)는 정해진 굴절률과 두께를 갖는 유리블록 일측면의 일부 영역에 무박사막 코팅(122)을 하고 같은 면의 또 다른 영역에는 반사막 코팅(123)을 한 후 정해진 크기를 갖도록 잘라낸 다음 잘라낸 유리블록(121)을 그 단면이 평행 사변형의 형태가 되도록 정밀한 각도로 연마한 후, 미리 제작된 박막필터(124)들을 유리블록의 코팅부가 형성된 일측면과 대응되는 타측면에 정해진 위치에 순차적으로 부착하는 공정을 통해 제작될 수 있다.
상기 반사 거울(125)은 박막필터(124)로부터의 광신호를 하층의 어레이 광검출 소자(131)로 반사하기 위한 구성으로 일정각도(약 45ㅀ)로 기울어져 형성되고, 한쪽 면에 반사막이 코팅된 막대 형태의 거울 형태로 형성될 수 있다.
상기 어레이 렌즈(126)는 이렇게 반사된 발산광을 초점광으로 변환시키는 렌즈를 하나의 부품으로 집적화한 것이며 반사 거울(125)과 어레이 렌즈(126)를 하나로 결합함으로써 불필요한 부피 및 공간을 절감할 수 있다. 그러나, 필요에 따라 어레이 렌즈부와 반사 거울부를 분리하여 두 개의 별도 부품으로 구성하는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 광신호의 이동과정을 보여주는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 어레이 렌즈의 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 어레이 렌즈(126)는 상기 박막필터(124)에 대응되는 방향인 반사 거울(125)의 일측면 또는 상기 반사 거울의 하부면에 일체로 설치될 수 있다.
상기 반사 거울(125) 및 어레이 렌즈(126)의 순서는 상관없으며 어레이 렌즈(126)의 위치에 따라 제1 실리콘 기판(150)의 형상이 달라질 수 있다.
(a)의 경우 어레이 렌즈(126)가 반사 거울(125)의 하부에 위치할 때는 제1 실리콘 기판(150)에 관통의 유무에 관계없이 어레이 렌즈(126)가 안착될 홈이 필요하다.
(b)의 경우 어레이 렌즈(126)가 반사 거울(125)의 일측면에 위치할 때는 제1 실리콘 기판(150)에 어레이 렌즈(126)가 안착되는 홈이 필요하지 않으나, 반사거울(126) 및 어레이 렌즈(126)의 위치가 변동될 수 있다.
한편, 상기 전치 증폭 소자부(130)는 발산되는 초점광에 따른 전기 신호를 검출하는 어레이 광검출 소자(131), 상기 어레이 광검출 소자에서 검출된 전기 신호를 증폭하여 출력시키는 어레이 전치 증폭 소자(132), 금속으로 밀봉되어 증폭된 신호를 상기 인쇄회로기판(140)으로 전달하는 비아홀(133), 상기 어레이 광검출 소자와 어레이 전치 증폭 소자를 연결하고, 상기 어레이 전치 증폭 소자와 전치전달홈을 연결하여 신호가 흐르도록 하는 와이어(134)를 포함한다.
상기 어레이 광검출 소자(131)는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자를 말하며, 대표적으로 PIN 포토다이오드(PIN-PD) 또는 광신호의 증폭기능이 있는 아발란치 포토다이오드(APD) 등이 있다.
상기 어레이 광검출 소자(131)는 복수 개의 소자를 단일부품으로 하나의 반도체 기판 위에 형성함에 따라 각 광검출 소자의 정렬이 용이한 장점이 있다.
어레이 전치증폭 소자(132)는 어레이 광검출 소자(131)로부터 전달된 전기신호를 증폭하여 주는 것으로 신호를 선택하여 조절할 수 있도록 한다.
증폭된 신호는 상기 비아홀(133)을 통해 인쇄회로기판(140)으로 전달되는데, 이때 비아홀은 제2 실리콘 기판(160)에 형성된 홈에 밀봉을 함과 동시에 전기 신호가 전달될 수 있도록 금속을 채울 수 있다.
상기 와이어(134)는 어레이 광검출 소자(131)와 어레이 전치증폭 소자(132)를 어레이 전치증폭 소자(132)와 비아홀(133)에 각각 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 와이어 본딩(Wire Bonding) 공정으로 접착시킬 수 있다.
여기에서 와이어 본딩 공정이란 부품의 전극에 리드선 등을 붙이는 공정으로, 가열된 펠릿(Pellet)에 리드선을 얹고 순간적으로 가열 압착하는 방법이다.
한편, 상기 광 패키지부(120)의 구성요소들이 조립되는 제1 실리콘 기판(150)은 광 패키지부(120)의 구성요소들인 유리블록(121), 박막필터(124), 반사 거울(125) 및 어레이 렌즈(126)가 안착되어 고정되며, 각 구성요소들이 안착되어 위치 정렬 및 고정될 수 있도록 홈부(미도시)를 형성하기 위해 엣칭(Etching) 방법으로 가공될 수 있다.
상기 제1 실리콘 기판은 어레이 렌즈와 대응되는 위치에 관통되는 일정 크기의 홈을 형성할 수 있으나, 광신호 전달에 있어서 빛의 파장이 실리콘을 통과할 수 있어 관통의 유무와 무관하다. 이때, 상기 제1 실리콘 기판을 통하여 광신호가 전달되는 경우에는 광신호의 손실을 최소화하기 위하여 제1 실리콘 기판의 표면에 무반사막 코팅을 할 수 있다.
특히, 각 구성요소들의 정렬 및 안착을 위한 홈부가 형성된 제1 실리콘 기판(150)에 의해 각 구성요소들 중에서 어레이 렌즈(126)의 경우, 플립칩 본딩(Flip Chip Bonding) 공정을 통해 정렬하여 접착함으로써 종래의 능동 정렬을 수행할 필요 없이 기계적인 정밀도만으로 위치 정렬이 가능하다.
종래의 광통신 모듈은 구성요소를 조립할 때 각각의 구성요소를 조립하고 정렬할 때마다 모니터링하여 각도를 확인해야 하기 때문에 생산성이 떨어지고 가격이 증가하는 등의 문제점이 있었으나, 플립칩 본딩 공정을 통해 광통신 모듈을 조립할 때 평행광의 각도를 맞추기 위한 액티브한 실시간 모니터링이 필요 없게 된다.
또한, 반사 거울(125)의 경우, 각도 조절, 안착을 위한 별도의 구성요소를 마련할 필요가 없게 됨으로써, 제조공정 시간 및 비용을 감소시켜 생산 효율성이 향상될 수 있다.
또한, 제1 실리콘 기판(150)의 홈에 각 구성품들이 정렬 및 안착됨에 따라 외력에 의한 구성요소들의 손상 및 정렬 상태 변형 등이 방지됨으로써 광 패키지부(120)의 기계적 내구성 또한 향상될 수 있다.
한편, 상기 전치 증폭 소자부(130)의 구성요소들이 조립되는 제2 실리콘 기판(160)은 상기 제1 실리콘 기판(160)의 하부에 위치하며, 상기 전치 증폭 소자부의 구성요소들이 각각 안착되어 위치 정렬 및 고정될 수 있도록 홈부(미도시)를 형성하기 위해 엣칭(Etching) 방법으로 가공될 수 있다.
상기 제2 실리콘 기판에는 전치 증폭 소자부의 구성요소들이 정해진 패턴으로 자동 본딩 공정에 의해 다이 본딩 및 와이어 본딩으로 접착된다.
상기 제2 실리콘 기판(160)의 홈부에 전치 증폭 소자부의 구성요소들이 정렬 및 안착됨에 따라 외력에 의한 구성품들의 손상 및 정렬 상태 변형 등이 방지됨으로써 전치 증폭 소자부의 기계적 내구성 또한 향상될 수 있다.
특히, 상기 전치 증폭 소자부(130)의 구성요소들이 일체화된 제2 실리콘 기판과 광 패키지부(120)가 일체화된 제1 실리콘 기판을 조립하기 위해서는 제2 실리콘 기판의 상부 양측면에 솔더(170) 접착을 통해 접착하여 적층구조로 이루어지도록 한다.
이처럼, 상기 제1 실리콘 기판과 제2 실리콘 기판을 플립칩 본딩 공정을 통해 위치 정렬하여 접착함으로써, 별도의 밀봉 패키지 없이 광수신 모듈을 적층구조로 패키지 구조화하여 길이, 높이 및 폭을 줄여 콤팩트한 사이즈로 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 모듈의 내부를 밀봉시켜 제2 실리콘 기판에 조립되어 있는 일렉트릭한 칩들을 외부로부터 보호할 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 조립 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조는, 전치 증폭 소자부(130)의 일체화가 완성되면 금속 솔더(170)를 통해 제2 실리콘 기판(160)의 상부에 부착하여 제1 실리콘 기판(150)과 접착하여 고정한다. 이때 제1,2 실리콘 기판은 플립칩 본딩 공정을 이용하여 상하부를 정렬하여 고정할 수 있다.
밀봉을 하는 이유는, 광 패키지부(120)는 밀봉의 유무와는 관계가 없으나, 어레이 광검출 소자(131) 및 어레이 전치증폭 소자(132)가 조립되어 있는 제2 실리콘 기판(160)의 밀봉이 불량률에 가장 밀접하기 때문이다.
따라서, 상기 제1,2 실리콘 기판의 외부 둘레를 따라 금속 솔더로 밀봉함에 따라, 별도의 밀봉된 패키지 안에 넣지 않아도 밀봉 효과가 있고, 부피를 줄일 수 있으며, 수율이 증가함에 따라 가격이 저렴해지는 효과가 있다.
도 5는 본 발명에 따른 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조의 실리콘 기판의 다른 실시예를 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5에 따른 실리콘 기판의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 실리콘 기판(150) 및 제2 실리콘 기판(160)은, 깊은 홈 엣칭(deep grove etching)으로 상부가 개방된 홈부(180)가 형성되고, 드라이 엣칭 공정을 통해 구성요소 중 하나인 칩이 위치할 수 있도록 안착홈(181)이 형성되며, 상기 홈부의 하부 일측에 비아홀(133)이 형성될 수 있다.
따라서, 실리콘 기판에 조립되는 구성요소의 종류 및 위치에 따라 비아홀을 사용할 수 있고, 도 6에서와 같이 실리콘 기판을 커버처럼 사용할 수도 있다.
한편, 상기에서 도 1 내지 도 6을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 도 6의 구성 및 기능에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
또한, 본 발명에 따른 적층구조는 여러 개의 파장을 한 번에 사용하기 위해 다중화하는 방법을 적용하였지만 필요에 따라 구조에 상관없이 독립적인 구조 또는 어레이 형태의 구조 모두 적용될 수 있음으로 특별히 한정하지 않는다.
110 : 광 접속부 111 : 리셉터클
112 : 페룰 113 : 슬리브
114 : 언덕형 굴절률 렌즈
120 : 광 패키지부 121 : 유리블록
122 : 무반사막 코팅 123 : 반사막 코팅
124 : 박막필터 125 : 반사 거울
126 : 어레이 렌즈
130 : 전치증폭 소자부 131 : 어레이 광검출 소자
132 : 어레이 전치증폭 소자 133 : 비아홀
134 : 와이어 140 : 인쇄회로기판
150 : 제1 실리콘 기판 160 : 제2 실리콘 기판
170 : 솔더 180 : 홈부 181 : 안착홈

Claims (9)

  1. 파장 분할 다중화(WDM)의 광수신 모듈에 있어서,
    광 선로 종단에 위치한 광 커넥터와 광수신 모듈을 연결하기 위한 광 접속부(110);
    빛의 손실을 줄이고 역다중화 소자의 크기를 줄이기 위해 상기 광 접속부(110)로부터 수신되는 광신호를 각 파장의 광신호로 분리한 후 분리된 각각의 광신호를 집광 및 반사하는 광 패키지부(120);
    상기 광 패키지부(120)로부터 반사된 광신호를 수신한 후 전기신호로 변환하는 전치 증폭 소자부(130);
    상기 전치 증폭 소자부(130)를 통해 변환된 전기 신호를 외부 회로로 전송하기 위한 인쇄회로기판(140);
    상기 광 패키지부(120)의 구성요소들이 조립되는 제1 실리콘 기판(150); 및
    상기 전치 증폭 소자부(130)의 구성요소들이 조립되는 제2 실리콘 기판(160);을 포함하되,
    상기 제1 실리콘 기판(150)과 제2 실리콘 기판(160)의 양측 사이를 솔더(170) 접착을 통해 접착하여 밀봉이 되게 하면서 적층구조로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 접속부(110)는,
    광선로 종단에 형성된 광섬유 커넥터와 결합되는 리셉터클(111);
    상기 리셉터클의 내부공간에 위치되어 광선을 정렬해주는 페룰(112);
    상기 리셉터클과 페룰 사이에 위치되는 원통형의 슬리브(113); 및
    상기 페룰의 후단측과 리셉터클의 내부에 위치되어 입력된 분산광을 평행광으로 변환시키는 언덕형 굴절률 렌즈(114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 패키지부(120)는,
    광신호 역다중화 소자인 유리블록(121);
    상기 유리블록의 일측면에 형성되어 광신호를 통과시키는 무반사막 코팅(122);
    상기 유리블록의 일측면에 형성되어 광신호를 반사시키는 반사막 코팅(123);
    상기 무반사막 코팅 및 반사막 코팅이 형성된 상기 유리블록의 타측면에 일정한 간격으로 형성되어 해당되는 대역의 파장을 통과시키는 박막필터(124);
    상기 박막필터로부터 분리되어 수평으로 발산되는 평행광을 하방향으로 수직하게 변환시키는 반사 거울(125); 및
    상기 반사 거울의 하측에 위치하여 상기 반사 거울로부터 반사된 평행광을 초점광으로 변환시켜주는 어레이 렌즈(126)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전치 증폭 소자부(130)는,
    발산되는 초점광에 따른 전기 신호를 검출하는 어레이 광검출 소자(131);
    상기 어레이 광검출 소자에서 검출된 전기 신호를 증폭하여 출력시키는 어레이 전치 증폭 소자(132);
    금속으로 밀봉되어 증폭된 신호를 상기 인쇄회로기판(140)에 전달하는 비아홀(133);
    상기 어레이 광검출 소자와 어레이 전치 증폭 소자를 연결하고, 상기 어레이 전치 증폭 소자와 비아홀을 연결하여 신호가 흐르도록 하는 와이어(134)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 무반사막 코팅(122)과 반사막 코팅(123)은,
    상기 유리블록(121)의 일측면에 형성되되, 광이 입력되는 유리블록의 소정 영역에 형성되는 무반사 코팅과 상기 무반사 코팅이 형성된 영역을 제외한 영역에 형성되는 반사막 코팅으로 구분되어 형성되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 기판(150)은,
    상기 광 패키지부(120)의 구성요소들을 조립하기 위한 홈부가 형성되고, 플립칩 본딩 공정을 통해 정렬하여 접착하는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 어레이 렌즈(126)는,
    상기 박막필터(124)에 대응되는 방향인 반사 거울(125)의 일측면 또는 상기 반사 거울의 하부면에 일체로 설치되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 실리콘 기판(160)은,
    상기 전치 증폭 소자부(130)의 구성요소들을 조립하기 위한 홈부가 형성되고, 전치 증폭 소자부의 구성요소들이 정해진 패턴으로 자동 본딩 공정에 의해 다이 본딩 및 와이어 본딩으로 접착되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 기판(150) 및 제2 실리콘 기판(160)은,
    깊은 홈 엣칭(deep grove etching)으로 상부가 개방된 홈부(180)가 형성되고, 드라이 엣칭 공정을 통해 구성요소 중 하나인 칩이 위치할 수 있도록 안착홈(181)이 형성되며, 상기 홈부의 하부 일측에 비아홀(133)이 형성되는 것을 특징으로 하는 적층구조를 적용한 파장 다중화 어레이 광수신 모듈의 패키지 구조.
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