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KR100411577B1 - 광섬유 접속부 및 그것의 사용 방법 - Google Patents

광섬유 접속부 및 그것의 사용 방법 Download PDF

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KR100411577B1
KR100411577B1 KR10-2001-0001285A KR20010001285A KR100411577B1 KR 100411577 B1 KR100411577 B1 KR 100411577B1 KR 20010001285 A KR20010001285 A KR 20010001285A KR 100411577 B1 KR100411577 B1 KR 100411577B1
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Abstract

본 발명은 12 채널 광폭 광섬유 케이블을 12 채널 수직 공진기형 표면 발광 레이저(VCSEL) 송신기 및 다중 채널 수직 정렬 집적 다이(PAID) 수신기에 접속하는 패키지에 관한 것이다. 이 패키지는 광섬유 케이블에 평행한 특정 다이를 수직으로 향하게 하고, 다른 어떤 다이를 수평으로 향하게 하여 조립체 패키지의 높이를 낮출 수 있다. 이 조립체는 수직으로 향한 광전자 다이를, 가요성 회로를 매개로 수평 방향의 라미네이트(laminate)에 수직으로 부착시킬 수 있게 한다.

Description

광섬유 접속부 및 그것의 사용 방법{FIBER OPTIC CONNECTION AND METHOD FOR USING SAME}
본 광섬유 접속부에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 말하면 다중 채널 광섬유 케이블을 다중 채널 수직 공진기형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser: VCSEL) 송신기 및 다중 채널 수직 정렬 집적 다이(Perdendicularly Aligned Integrated Die: PAID) 수신기에 결합하기 위한 구조 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 다중 채널 광섬유 케이블을 다중 채널 VCSEL 송신기 및 다중 채널 PAID 수신기에 접속하기 위한 라미네이트 패키지를 구성하고자 한 것이다. 수신 다이 및 송신 다이(이하, "광전자 다이"라 함)의 활성 표면은 모두 라미네이트 패키지(laminate package)에 대하여 수직 방향으로 배치된다. 이 패키지는 케이블들이 테일스톡(tail stock)을 통해서 직접 플러그식으로 장착되는 최종 사용자 카드에 직접 납땜될 수 있다. 다시 말해서, 케이블이 카드로부터 이 카드의 평면에 평행한 방향으로 인출될 수 있다.
이러한 구조의 장점은 다음과 같다.
1) 스트레인 경감 기구, 래치 디텐트 기구 및 안전 기구가 합체되어 있으며,
2) 상용(常用) 공정 및 재료를 사용하고,
3) 고속 동작 및 저렴한 가격의 플라스틱 볼 그리드 어레이(plastic ball grid array: PBGA) 라미네이트를 포함하며,
4) 두 부분으로 이루어진 구성을 취하여 각 부분을 독립적으로 시험함으로써, 전체 수율이 향상되고,
5) 패키지로부터의 방열(放熱)에 대하여 2가지의 조치가 가능하며,
6) 전기적인 누화, RF 방출 및 외부 RF에 대한 민감성(susceptibility to external RF)을 최소화하기 위한 다양한 기구를 합체하고 있고,
7) 광학면 및 전자 소자를 손상되지 않게 보호하는 몇 가지 기구를 합체하고 있다.
능동 소자가 한 면에만 있는 고체 디바이스(solid state devices)(종종, "다이" 또는 "칩"이라고 부름)는 대개 카드에 평행하게 실장(實裝)되고 그것들의 광학적 활성부는 광을 수광(受光) 또는 발광을 위하여 수직으로 배치되기 때문에, 이러한 형태의 구성을 개발하는 것은 어려운 것으로 판명되었다. 그러므로, 방출 또는 수신된 광이 카드에 대하여 평행하게 패키지로 입사하도록 광전자칩을 카드에 대하여 수직으로 향하게 하는 수단을 마련하여 프로파일(카드로부터 돌출된 높이)을 최종 사용자가 요구하는 사양의 제한을 만족시킬 만큼 충분히 낮게 유지하는 것이 필요해지고 있다.
상기 구조에 합체되는 기구 중에는 다음과 같은 것이 있다.
1) 비교적 약한 볼 그리드 어레이(ball grid array: BGA) 라미네이트의 강도 및 강성을 높이는 오버몰드 BGA(이는 세심하게 정렬되어 정위치에 유지되어야 하는 광학 장치가 패키지 내에 합체되기 때문에 필요하다),
2) 광학적 부분들이 혼란되지 않도록, 카드에 기계적으로 직접 접속되는 케이블/커넥터용의 스트레인 경감부가 합체된 패키지,
3) 비교적 저렴한 재료, 조립 절차 및 표준 공정의 이용,
4) a) 수신기로부터 송신기로의 누화, b) RF 전력의 방사 및 c) RF 픽업에 대한 민감성을 최소화 하기 위한, 캐리어상의 핀, 쉬라우드(shroud), 두 부분으로 이루어진 리드(lid), BGA 내의 분리된 접지부,
5) 비용과 손상에 대한 민감성을 최소화하기 위한 오버몰드된 패키지의 많은 표준 기구의 합체,
6) (수율을 높게, 그리고 가격을 낮게 유지하기 위한) 조립/시험 방안의 개선,
7) 광전자 부품들을 고속 작동을 위하여 충분히 냉각된 상태로 유지하기 위한 패키지로부터의 방열을 위한 이중 경로 마련 방안.관련 기술의 설명
병렬 광섬유 링크(parallel fiber obtic link)의 일반 요건을 만족시키는 패키지 및/또는 제품을 개발하기 위한 많은 시도가 있어 왔다. 미국 정부 투자로 IBM사에서 엠. 에스. 코헨(M. S. Cohen) ["Packaging Aspects of the Jitney Parallel Optical Interconnect" (1998년 ECTC, 1206-1215 면)]과 제이. 크로우(J. Crow) 등["The Jitney Parallel Optical Interconnect" (1996년 ECTC, 292-300 면)]에 의하여 개발된 패키지인 JITNEY 프로젝트를 위하여 개발된 패키지는, 쌍방향의 광학적 링크를 완성하기 위하여, 별도의 송신기 모듈과 수신기 모듈, 그리고 2 매의 별도의 케이블로 구성되었다. 이 케이블은 20 가닥의 광섬유를 포함하여 20 채널의 정보를 풀데이터 송신 속도로 동시에 송신한다. 이러한 구성으로, 매 비트 시간마다 4 비트의 오버헤드(overhead)와 함께 2 바이트의 정보 송신이 가능해졌다. 송신기 모듈은 드라이버칩(차동 입력)과 VCSEL 송신기 칩을 포함한다. 이들 두 칩은 모두 히트싱크에 장착되었다. 히트싱크와 칩은 상기 송신기 모듈 및 카드 대하여 평행하게 배치된다.
특별히 설계된 어레이 렌즈가 VCSEL로부터 방출된 (카드에 대하여 수직인) 광을 상기 카드에 평행하게 배치된 광섬유의 입력면(input face)으로 지향되게 방향을 전환시키는 작용을 한다. 유사하게, 수신기 모듈은 역시 이 모듈에 대하여 평행하게 배치된 수신기 칩(차동 출력 발생)을 내장했다. 전술한 바와 동일한 어레이 렌즈를 사용하여 광섬유로부터 방출되는 광을 카드에 수직인 방향으로 방향 전환시키며, 따라서 검출될 광은 수신기의 감광 표면에 거의 수직으로 수신기의 표면으로 입사한다. 지트니 패키지에서는 몇 가지 유사점을 찾을 수 있지만, (송신기로부터 수신기로의) 누화의 문제를 해결하려는 시도가 없었다. 이 패키지는 2개의 별도의 모듈을 사용하였다. 지트니 패키지에는 별도의 스트레인 경감부가 있었으며, (BGA 대신) 리드 프레임을 사용하였고, 일반적으로 채널마다 초당 1 Gbit 이상의 데이터 송신 속도를 지원할 것으로 예상되는 패키징 기술을 사용하지 않았다.
모토롤라 옵토버스(Motorola Optobus) 프로젝트를 위하여 개발된 2 종류의 링크 트랜시버 모듈이 두 편의 논문, 즉 "Characteristics of VCSEL Arrays for Parallel Optical Interconnects"[1996년 ECTC(Electronic Components and Techonlogy Conference), 279-291 면]과 "Optobus I: A Production Parallel Fiber Optical Interconnect"(1997년 ECTC, 204-209 면)에 기재되어 있다. 이들 두 모듈은 공통적으로 복수의 패키지 특성, 즉 1) 표면 발광(發光)하는 VCSEL 어레이가 사용되고, 광로(光路)는 호스트 카드의 평면과 평행하며, 광전자 소자는 모듈의 BGA 라미네이트에 수직으로 장착되고, 2) 성형된 플라스틱 도파로 구조체가 광전자 다이로/광전자 다이로부터 리본 광케이블(ribbon optical cables)의 MT 커넥터로 종결되는 광섬유의 단부면으로 광을 유도하며, 3) 광전자 소조립체가 위에 장착된, 글로브 캡슐화된(glob encapsulated) 다중 칩 핀 그리드 어레이 라미네이트 보드가 마련되고, 4) 결과적으로 형성되는 패키지는 비밀봉형이다(nonhermetic).
이러한 저손실 도파로의 조립으로 후의 손실은 십분의 몇 dB/cm이다. 안전 목표를 달성하고 검출기에 도달하는 광출력량을 증대시키기 위하여, 이 트랜시버의 송신기 부분의 도파로와 수신기 부분의 도파로를 동일하게 구성하지 않는다. 송신측의 도파로는 광이 VSCEL로부터 광섬유로 입사하는 경우 입사 광선의 개구수(開口數)가 증대하도록 설계된다. 수신기측의 도파로는 광섬유로부터 광검출기까지의 결합 효율(coupling efficiency)이 향상되도록 설계된다. 광전자 다이 상의 광학적 활성 소자의 어레이를 도파로 어레이를 수용하는 몰딩된 구조체에 정렬시키기 위하여, 수동적인 정렬 공정(passive alignment procedure)이 사용된다(즉, 광학 소자들은 이 공정 중에 전기적으로 활성화되지 않는다).
옵토버스 트랜시버(상기 1996년 논문에 개재된 것)에서는, 전기 신호를 광전자 다이로 전달하는 리드 프레임이 오버몰드되어 도파로 어레이의 지지 구조체로서 기능한다. 리드 프레임의 마무리 처리된 단부로부터 각 광전자 다이의 상부면에 있는 접점 패드까지 전기적 접속이 이루어진다. 몰딩된 도파로 구조체의 측부를 따라 인출 지점(exit points)까지 뻗고 그 후에 하방으로 부착 지점까지 절곡되는 각 리드 프레임 도체의 다른 단부는 라미네이트 보드(laminate board)의 상부면에 있는 패드에 전기적으로 접속된다.
옵토버스 I 트랜시버(상기 1997년 논문에 게재된 것)에서는, 기존의 트랜시버에 있어서의 표준 리드 프레임의 전기적 기능을 대체하기 위하여 테이프 자동화 접합(tape automated bonding: TAB) 리드 프레임이 사용된다. 이 TAB 리드 프레임의 일단부에 있는 도체는 광전자 다이에 전기적으로 접촉되고, 타단부에서는 라미네이트 보드의 상부면상의 접점에 대한 전기적으로 접촉한다. TAB 리드 프레임은 두 단부 사이에서 90도 굴곡된다. 또한, 몰딩된 도파로 구조체와 광전자 다이 사이의 정렬은 수동적인 정렬 기술을 사용하여 달성된다.
파롤리(PAROLLI) 프로젝트[지멘스사(Simens)] [에이치. 카스텐센(H. Karstensen) 등의 논문, "Parallel Optical Link for Multichannel Gigabit Rate Interconnections" (1988년 ECTC, 747-754 면)]는 광을 90도 방향 전환시키는 광커플러를 포함하였다. 다중 모드 광섬유 어레이가 이송 몰딩된(transfer-molded) 홀더 내에 수용되었다. 광섬유 어레이의 단부는 소정 각도로 연마되었고, 광학적 활성 칩이 연마된 파셋(polished facets) 아래의 위치에서 다이 접합되었으며, 따라서 광은 원하는 경로를 따랐다. 파셋 내에 칩을 배치하기 위하여, 능동적인 정렬법이 사용되었다. 광커플러는 MT 타입의 광커넥터에 맞춰졌다. 비밀봉형 패키징(non-hermetic packaging)이 사용되었다.
링크를 형성하기 위하여, 2 개의 분리된 12 채널 모듈이 사용되었는데, 하나의 모듈은 송신기용이고 다른 하나는 수신기용이었다. 각 재널에 대한 데이터 속도가 1 Gbit/s인 AC 결합 링크가 형성되었고, 각 채널에 대한 데이터 속도가 500 Mb/s인 DC 결합 링크가 형성되었다.
스루풋(throughput)이 25 Gbit/s를 초과하는 PARABIT(NTT) 40 채널 병렬 광학 상호 접속 모듈[케이. 카츄라(K. Katsura) 등의 논문, "Packaging for a 40 channel Parallel Optical Interconnection Module with an Over 25 Gbit/s Throughput", (1998년 ECTC, 755-761 면)]은 하나의 모듈에 20 개의 송신 채널과 20 개의 수신 채널로 구성되는 트랜시버를 포함하였으며, 다중 모드 광섬유를 사용하였다. 850 ㎛ VCSEL 및 GaAs 핀 포토다이오드와 함께, 250 mm의 광섬유 피치가 사용되었다. 광은 중합체 도파로에 의하여 광학적 활성칩 내외로 송신되었는데, 상기 중합체 도파로는 광자 경로의 방향을 전환시키기 위하여 45도로 절단되었다. 도파로에 대한 칩의 수동적인 정렬이 사용되었는데, 이때 인덱스 정렬 원리(principle of index alignment)가 채용되었다. 도파로를 광섬유에 결합시키기 위하여, 독특한 "나섬유(裸纖維)" 커넥터가 사용되었다. 여기에서, 나섬유들은 커넥터의 단부로부터 돌출되었다. 나섬유들은 중합체 도파로에 맞춰진 마이크로 모세관에 삽입되었다. 양호한 물리적 접촉을 유지하기 위하여, 섬유들을 구부려서 도파로의 단부에 일정한 힘을 발생시켰다.
POLO 980nm 듀폰(DuPont) 프로젝트[케이. 한(K. Hahn) 등의 논문, "Gigabyte/sec Data Communications with the POLO Parallel Optical Link"(1996년 ECTC, 301-307 면)]에서는, 하부 방출 VCSEL 어레이 칩이 PIN 포토다이오드로 사용되었다. 이들 칩은 각기 10 채널씩가지며, 넓은 간격을 두고 배치된 2개의 서브 모듈 내에 합체되었다. 각 채널은 1 Gbit/s로 동작하도록 계획되었다. MT 커넥터 내외로 광을 송신하는 광커플러는 중합체 도파로를 기초로 하였으며, 상업적으로 입수 가능한 "폴리가이드(Polyguide)"(듀퐁사) 도파로로 구성되었다. 폴리가이드의 단부면에 45도 사면을 마련하여 경면(鏡面)을 형성함으로써 광로의 90도 방향 전환이 달성되었다. 폴리가이드를 정렬시키기 전에 광학적 활성 칩을 우선 다이 접합을 하였다.
히다찌사(HITACH) 패키지[에이. 미우라(A. Miura) 등의 논문, "Reliable, Compact, CMOS Interface, 200 Mbit/s X 12-channel Optical Interconnects Using Single-Mode Fiber Arrays" (1997년 ECTC, 225-230 면)과 에이. 타카이(A. Takai) 등의 논문, "200 Mb/s/ch 100-m Optical Subsystem Interconnections Using 8-Channel 1.3-mm Laser Diode Arrays and Single-Mode Fiber Array" (1994년, J. Lightwave Tech., 12권, 260-270 면)]는 단일 모드 섬유 어레이를 사용하는 200 Mb/s X 12 채널 광학 상호 접속부를 포함하였다. 분리된 송신기 모듈과 수신기 모듈인 HITACHI 모듈은 장파장 단일 모드로 작동하도록 설계되었다. 이 목적으로, 1.3 ㎛ 단면 발광형 레이저가 사용되었으며 완전히 기밀 밀봉되었다. 광학적 결합을 위하여 평면형 마이크로 렌즈가 사용되었다. 송신기 모듈과 수신기 모듈듈 모두에 12 채널 어레이가 사용되었다. 각 채널은 200 Mbit/s로 작동하였다. 정밀한 위치 설정을 위하여 섬유를 실리콘 V자형 홈에 배치하였다. 우선 스테레오 마이크로스코프 영상 처리를 사용하여 대략적인 정렬을 행하고, 그 후에 컴퓨터 제어, 이차원 스캐닝(two-dimensional scanning)을 사용하여 정밀한 조정을 행하였다.
3.5 Gbit/s X 4 채널 상호 접속부(NTT)[엔. 타나카(N. Tanaka) 등의 논문, "3.5 Gb/S X 4 ch Optical Interconnection Module for ATM Switching System" (1997년 ECTC 210-216 면)]는 광섬유가 마이크로 모세관 내에 격납되어 있는(encased) 4 채널 섬유 어레이를 제공하기 위하여 실리콘 V자형 홈 기술을 사용하여 다중 채널 광섬유 패키지용 구조를 제공하였다. 광섬유의 단부를 반구형 렌즈 형태로 가공하였다. 포토다이오드에 대해서도 같은 원리가 사용되었으나, 이 경우 광섬유에 형성된 렌즈는 사면으로 연마되었다. 두 경우 모두, 사용되는 섬유 피치가 250 mm 였다. 각 채널은 3.5 Gbit/s로 동작하였다.
1 Gbyte/s 어레이(NEC)[티. 나가호리(T. Nagahori)의 논문, "1-Gbyte/sec Array Transmitter and Receiver Modules for Low Cost Optical Fiber Interconnection" (1997년 ECTC 210-216 면)]에서는 단면 발광형 레이저와 관련하여 사용되는 실리콘 V자형 홈을 포함하였다. 단면 발광형 레이저(edge-emitting laser)는 모니터 포토다이오드와 마찬가지로, 땜납 범프 기술에 의하여 실리콘 기판에 대하여 수동(受動)으로 정렬되었다. 이 어레이에서는 아무런 렌즈도 사용되지 않았다. 광은 실리콘 기판에 사면을 에칭하고 금속화함으로써 포토다이오드에 대하여 90도 방향 전환되었다. 1.3 ㎛의 파장이 사용되었다. 200 Mbit/s로 동작하는 8 개의 채널은 각각 1 Gbit/s의 스루풋을 제공하였다.
POINT 프로젝트 [GE사, Amp사, 허니웰사(Honeywell), 얼라이드 시그널사(Allied Signal)] [와이. 에스. 리우(Y. S. Liu) 등의 논문, "Plastic VCSEL Array Packaging and High Density Polymer Waveguides for Board and Backplane Optical Interconnect" (1998년 ECTC 999-1005 면)]에서는, 보드와 이면(裏面)의 광학적 상호 접속을 위하여 플라스틱 VCSEL 어레이 패키지에 고밀도 중합체 도파로가 마련되었다. POINT 프로젝트는 저가의 VCSEL과 수신기 어레이 패키징(receiver array packaging)의 실현 가능성을 보여주기 위한 검증 프로젝트였다. 이 프로젝트에서는, 광학적 활성 칩을 도선이 미리 형성된 중합체 박막에 부착하기 위하여 GE 프로세스를 사용하였다. 다음, 이러한 구조에 양호한 기계적 안정성을 부여하기 위하여, 에폭시 캡슐화재(encapsulant)를 주입하였다. 칩을 덮어 중합체 박막을 형성하였다. 이 중합체 박막을 정밀 레이저 미세 가공 시스템으로 패터닝하여 이 박막에 수동적인 정렬 특징부를 만들었다. 이들 정렬 특징부를 칩 위의 기준 마크에 일치시킨다. 이들 정렬 특징부는 광학적 활성 칩에 대한 중합체 도파로의 수동적인 위치 정렬에 사용되었다. 이 시스템은 패키지의 송신기측 및 수신기측 각각에 대하여 10 채널을 허용하였다. 이들 모듈들은 완전한 기능 시험을 명백히 받지 않았다.
다른 한 가지 패키지는 OETC[루슨트사, IBM사, 허니웰사, 미네소타 대학, 일리노이 대학]에 의하여 개발되었다[와이. 엠. 웡(Y. M. Wong) 등의 논문, "Optoelectronic Technology Consortium Parallel Optical Data Link: Components, System Applications, and Simulation Tools", 1996년 ECTC, 269-278 면].
또 다른 하나의 패키지[휴렛 패커드 래버러토리사(Hewlett Packard Laboratories), 노쓰 캐롤라이나 대학]가 "The PONI-1 Parallel-Optical Link"(1999 년, ECTC, IEEE, 763-769면)라는 제목의 논문에서 피. 로젠버그(P. Rosenberg) 등에 의하여 개시되었다. PONI 디바이스는 수신 기능과 송신 기능을 분리시켰으며, 트랜시버 디바이스나, 송신 기능부와 수신 기능부의 근접을 허용하는 패러데이 장벽을 개시하지 않았다. 최종의 정밀 결합 전에 핀을 예비 정렬될 수 있게 하는 수단도 개시되지 않았다. PONI 디바이스는 MT 커넥터의 금속 히트싱크/베이스에 대한 직접적인 핀 결합을 허용하였다. PONI 정렬 방안은 전기적 활성 광전자 소자에 정렬 공정을 지원하기 위하여 에너지가 공급되지 않았다고 하는 점에서 "수동" 정렬이었다. 광전자 칩에 인접하여 전자 칩이 실장되었는데, 이들 두 칩 모두 PONI 패키지가 실장된 보드에 대하여 수직으로 실장되어 전체 패키지의 높이 프로파일을 상당히 증대시켰다. 칩들이 서로 근접하여 배치되었기 때문에, 민감한 광전자 부품으로부터의 방열이 문제였는데, 그 이유는 더 큰 내열성 전자 디바이스도 역시 방열을 필요로 했기 때문이다. 즉, 비교적 내열성인 디바이스로부터의 방열은 더 민감한 광전자 소자를 손상시키지 않고 성취되었어야 했다."병렬의 광학적 상호 접속(PARALLEL OPTICAL INTERCONNECT)"을 발명의 명칭으로, 1995년 5월 30일자로 스워훈(Swirhun) 등에게 허여된 미국 특허 제5,420,954호에는, 복수 가닥의 광섬유를 광전자 디바이스 어레이에 결합시키는 광학적 상호 접속부가 설명되어 있다. 이 특허는 칩과 광섬유 케이블 사이의 병렬 접속부를 개시하고 있다. 이들 부품은 매우 근접하여 접속되지만, 탈착 가능한 부품이 민감한 광전자 부품에 근접해 있는 것은 바람직하지 않다."복수 개의 광도파로의 레이저 어레이에 대한 미조정(未調整) 결합용 장치(DEVICE FOR THE UNADJUSTED COUPLING OF A NUMBER OF OPTICAL LASER ARRAY)"를 발명의 명칭으로, 1998년 10월 6일자로 헤만(Hehmann)에게 특허 허여된 미국 특허 제5,818,994호에는, 레이저 어레이에 대한 광섬유의 결합이 개시되어 있다. 이 특허는 광전자 소자와 광섬유 어레이간의 탈착 불가능한 접속을 교시하고 있다."사이드 인젝션 광섬유 커플러(SIDE INJECTION FIBER OPTIC COUPLER)"를 발명의 명칭으로 하여, 1998년 11월 3일자로 플린트(Flint)에게 특허 허여된 미국 특허 제5,832,150호에는, 레이저 다이오드의 비대칭 광선을 광섬유 케이블에 결합시키는 커플러가 설명되어 있다. 이 커플러는 레이저 방사를 반사시키기 위한 반사성 단부면을 구비하고 있다. 광섬유를 소정 각도 연마하여 형성한 입력 파셋(input facet)이 레이저 방사를 광섬유에 공급하는 어레이의 중심축에 거의 평행하다."병렬의 광학적 상호 접속(PARALLEL OPTICAL INTERCONNECT)"을 발명의 명칭으로 하여, 스워훈(Swirhun)에게 1997년 5월 20일자로 허여된 미국 특허 제5,631,988호에는, 복수 가닥의 광섬유를 평행하게 배향된 광전자 디비이스 어레이에 결합시키는 광학적 상호 접속부가 개시되어 있다."레이저 어레이를 광섬유 어레이에 결합시키는 방법(METHOD FOR COUPLING LASER ARRAY TO OPTICAL FIBER ARRAY)"을 발명의 명칭으로 하여, 1992년 6월 9일자로 폴리(Foley) 등에게 허여된 미국 특허 제5,121,457호에는, 개별적인 광섬유들을 그것들의 발광 디바이스에 대하여 정밀한 관계로 정렬시키기 위하여 V자형 홈을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 광섬유들은 45도로 연마된 단부면 파셋(end face facets)을 구비하고 있는데, 이들 파셋은 정합하는 구조의 표면에 수직으로 부착된다."병렬의 광트랜시버 링크(PARALLEL OPTICAL TRANSCEIVER LINK)"를 발명의 명칭으로 하여 노딩(Nodding) 등에게 1996년 11월 12일자로 허여된 미국 특허 제5,454,814호에는, 평행한 방향의 광섬유 커넥터와 정합하는 광학적 상호 접속 모듈이 개시되어 있다. 이 송수신기 링크는 전자 신호를 VCSEL로 전달하기 위한 금속화된 특징부를 갖는 사파이어 윈도우를 포함한다."병렬의 광학적 컴퓨터 링크용 저가 패키징(LOW COST PACKAGING FOR PARALLEL OPTICAL COMPUTER LINK)"를 명칭으로 하는 발명에 대하여 코헨(Cohen) 등에게 1998년 7월 14일자로 허여된 미국 특허 제5,781,682호에는, 병렬 광케이블의 커넥터를 송신기 또는 수신기 어레이에 결합하기 위한 커플링 장치가 개시되어 있다."광전자 커플링 및 그 제조 방법(OPTOELECTRONIC COUPLING AND METHOD OF MAKING SAME)"을 발명의 명칭으로 하여, 길리랜드(Gilliland) 등에게 1998년 6월 30일자로 허여된 미국 특허 제5,774,614호에는, 단부면이 가요성 광도파로에 장착되는 본 발명의 것과 유사하게 가요성 기판에 부착 정렬되는 광전자 디바이스를 제공하는 커플링이 개시되어 있다. 이 가요성 광도파로에 의하여 접속부의 방향이 결정될 수 있다. 본 발명은 스트레인 경감 래치, RF 격리부, 전기적 누화 저감부, 히트싱크를 합체하고, 보호 오버몰딩을 형성한다고 하는 점에서 이 특허와 구별된다."광 트랜시버 모듈을 갖는 광학 버스 및 그 제조 방법(OPTICAL BUS WITH OPTICAL TRANSCEIVER MODULES AND METHOD OF MANUFACTURE)"을 발명의 명칭으로 하여 레비(Lebby) 등에게 1995년 7월 11일자로 허여된 미국 특허 제5,432,630호에는, 병렬 케이블을 부착하기 위한 결합 특징부는 물론, 반도체 디바이스와 광전자 디바이스를 모두 포함하는 트랜시버 모듈이 개시되어 있다. 광 커플러는 광섬유 어레이로 만든 광커플러가 아니라 몰딩된 도파로 어레이이다. 오버몰딩은 사용되지 않으며, 또한 스트레인 경감이나 어떤 예비 정렬이 어떻게 달성되는 가에 관한 상세한 설명이 없다. 발광 또는 수광 디바이스에 대한 이면측 전기 접점에 대해서 아무런 설명이 없다. 여러 가지 발열 소자로부터 열이 방열되게 하는 수단도 마련되어 있지 않다. 이는 특히 작동 속도가 고속인 경우에 중요할 것이다. 라미네이트의 상부면에서 광전자 칩으로 전류를 전도하는 가요성 회로가 설명되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 수평 방향으로 배치된 광섬유 케이블과 수직 방향으로 배치된 광전자 다이 사이에 개량된 커플링 조립체를 제공하는 것이다.본 발명의 다른 한 가지 목적은 호스트 카드로부터 신호를 받아서 광전자 다이로 송신하기 위한 상응하는 고전류 신호를 발생시키고, 또 광전자 다이에 의하여 발생된 저전류 신호를 받아서 수신된 신호를 호스트 카드로 송신하기에 적합한 레벨까지 증폭 및 디지털화 하는 방법을 제공하는 데 있다.본 발명의 역시 또 다른 한 가지 목적은 수직 방향으로 배치된 다이를 구비하고, 수평 방향으로 배치된 병렬 광섬유 케이블을 수용하는 트랜시버로서, 광커넥터에 의하여 패키지 물품의 외부에서 접근 가능한 부품에 가해지는 힘이 실질적으로 광전자 다이로부터 기계적으로 격리되는 트랜시버에 관한 것이다.
도 도 1은 본 발명의 패키지 물품의 일부를 형성하는 다이 지지 라미네이트의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 라미네이트 위에 배치된 오버몰드 프레임의 사시도이다.
도 3은 광전자 다이(예컨대, 송신기, 바람직하기로는 VCSEL 송신기, 또는 광수신기) 및 가요성 회로를 지지하고, 도 2에 도시된 오버몰드 프레임 내에 수용되는 2개의 히트싱크 캐리어의 사시도이다.
도 4는 서로에 대하여 설정된 위치에 배치되어 있는 트랜시버의 몇 개의 부품을 보여주는 사시도이다. 도면에서, 트랜시버의 일측에는 가요성 회로가 하부에서 인출되는 히트싱크 캐리어가 도시되어 있는데, 명확을 기하기 위하여 광커플러는 도시되어 있지 않다. 트랜시버의 타측에는 광커플러에 고착된 히트싱크 캐리어가 도시되어 있다. 이 트랜시버의 타측은 히트싱크 캐리어의 하부에서 가요성 회로가 인출되고, 이 가요성 회로의 한 단부가 광전자 다이의 한쪽 연부에 인접한 것을 보여 주고 있는데, 광전자 다이와 가요성 회로간의 접합부는 보이지 않는다.
도 5는 위에 광섬유 커넥터가 부착된 병렬 광섬유 케이블을 리테이너의 수납 구멍에 접근시키는 상태에서 도시한 사시도이다. 트랜시버의 2개의 부분의 각 선단부에는 2개의 광커플러가 하나씩 부착된다.
도 6은 도 5의 광섬유 커넥터 및 병렬 광섬유 케이블과 함께, 적절한 위치에 배치된 패키지 물품의 선택된 부품들을 보여주는 사시도이다. 도시된 트랜시버의 부품은 2 개의 히트싱크 캐리어, 하나의 광전자 다이, 하나의 가요성 회로, 상기 라미네이트, 상기 오버몰드 프레임 및 패러데이 장벽 실드이다. 오버몰드 프레임 내에는 리테이너를 적절한 정렬 상태로 수용하는 특징부들이 도시되어 있다.
도 7은 도 3, 도 4 및 도 6에 도시된 가요성 회로의 평면도이다. 도시된 가요성 회로는 그 위에 보강 부재가 부착되어 있고, 가요성 회로의 일부로서 트랜시버 내에 조립되기 전에 제거되는 접점 패드의 배선 그리드를 포함한다.
도 8은 조립된 본 발명의 패키지 물품의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 라미네이트
12 : 와이어 접합 다이
14 : 단자 패드
16 : 접지 패드
18 : 광전자 다이
20 : 광섬유 케이블
22 : 오버몰드 프레임
24 : 패러데이 장벽 실드
25 : 패키지 커버
26 : 히트싱크 캐리어
28 : 가요성 회로
29 : 이차원 패드 어레이
30 : 광섬유 접속 조립체
32 : 광커플러
34 : 광섬유 케이블 단자
36 : 병렬 광섬유 커텍터
36' : 보호 하우징
38 : 리테이너
40 : (광커플러의) 핀
41 : 캐리어 구멍
50 : 트랜시버
본 발명에 따르면, 다중 채널 광섬유 케이블을 다중 채널 수직 공진기형 표면 발광 레이저(VCSEL) 송신기에 결합하고, 제2의 다중 채널 광섬유 케이블을 다중 채널 수직 정렬 집적 다이(PAID) 수신기에 결합하는 단일 패키지가 제공된다. 수신 및 송신(광전자) 다이 양자 모두의 활성 표면은 함께 라미네이트 패키지의 평면에 대하여 수직 방향으로 향한다. 패키지는 최종 사용자 카드에 직접 납땜될 수 있고, 그것의 케이블이 테일스톡을 통해서 직접 플러그식으로 삽입할 수 있다. 다시 말해서, 케이블은 카드로부터 카드의 평면에 대하여 평행한 방향으로 인출된다.
패키지 물품은 라미네이트 테이블(laminate table) 또는 보드(이하, "라미네이트"라 약칭함)를 포함하고, 이 라미네이트 위에, 바람직하기로는 와이어 접합부(wirebonds) 또는 당업계에서 공지된 다른 부착 수단에 의하여 부착되는 증폭기 다이가 지지된다. 라미네이트는 선택적으로는 RF 격리 목적의 패러데이 장벽 실드를 내장하는 오버몰드 프레임을 지탱한다. 오버몰드 프레임은 병렬 광섬유 케이블의 단부에 부착되는 광커넥터를 수용하는 광학적 소조립체를 지지한다. 리테이너가 광커플러를 실질적으로 포위한다. 광커플러에는 히트싱크 캐리어(heatsink carrier)가 부착되며, 이 히트싱크 캐리어는 광전자 다이를 지지한다. 히트싱크 캐리어의 한 가지 기능은 광전자 다이로부터 열을 방열시키는 것이다. 히트싱크 캐리어로 전달된 열은 근처의 대기 중으로 소산된다. 선택적으로, 상기 열은 열전도 요소를 통해서 패키지 커버(package cover)로 흐른 후에 대기 중으로 소산되어도 된다.
광전자 다이에는 가요성 회로가 전기적으로 접속된다. 가요성 회로 자체는 히트싱크 캐리어에 전기적으로 접속될 수 있다. 가요성 회로는 접착제에 의하여 히트싱크 캐리어에 기계적으로 지지된다. 가요성 회로의 한 가지 목적은 전기 신호를 라미네이트 상의 패드로부터 라미네이트의 평면에 대하여 실질적으로 수직인 광전자 다이 상의 패드로 방향을 전환시키는 것이다.
광전자 다이 상의 광전자 소자는 광커플러 및 커넥터 내의 광섬유 단부면들과 정렬되며, 이에 따라 광신호는 광전자 소자로부터 광섬유로 이동한다. 선택적으로, 광전자 다이와 근처의 광커플러의 단부면 사이의 공간에는 실질적으로 투명한 물질이 채워진다. 이 투명한 물질도 또한 이들 두 요소 사이의 약한 기계적 링크로서 작용한다. 따라서, 광커플러에 가해진 충격력이 광전자 다이에 악영향을 미치는 것이 방지된다. 이 투명한 물질은 또한 환경적 오염원으로부터 광전자 다이를 보호하는 데에 도움이 된다.
광커플러 소조립체는 광커플러, 히트싱크 캐리어, 광전자 다이 및 가요성 회로로 구성된다. 광커플러는 그것의 한 선단부가 히트싱크 캐리어에 고착된다. 병렬 광섬유 케이블의 일단부에 고착된 광섬유 커넥터는 리테이너의 리셉터클 내에 부분적으로 수용되어 래치 기구에 의하여 광커플러의 다른 선단부에 맞닿은 상태로 고정된다. 광커플러는 실질적으로 보호 하우징 내에 탑재된 광섬유 어레이를 포함한다. 보호 하우징과 광섬유의 단부면은 이 광섬유의 단부면들이 광학적 마무리면(optical finish)을 갖도록 준비된다.
광학적 소조립체는 리테이너에 부착된 광커플러 소조립체로 구성된다. 구체적으로, 광커플러 소조립체의 광커플러 부분은 리테이너 내의 수납 구멍에 끼워맞춰진다. 리테이너는 그것을 오버몰드 프레임 내의 유사한 상보적 특징부에 정렬시키는 작용을 하는 기계적 특징부를 구비하고 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 리테이너와 광커플러 소조립체는 상호 접착된다.
패키지 물품은 단일 라미네이트 상의 송신 및 수신용 트랜시버일 수 있다.발명이 속하는 기술 분야 및 그 분야의 종래 기술에서 설명된 종래 기술과 본 발명의 몇 가지 차이점은 다음과 같다.본 발명의 패키지는 그 구조 어디에서도 도파로로서 작용하는 중합체 박막을 사용하지 않는다. 광전자 칩으로부터 광커플러까지의 거리에 걸친 광학적으로 투명한 매체의 사용은 예상되지만 이는 광 안내 구조는 아니다.본 발명은 광커플러를 형성하는 데에 광섬유 스터브 어레이(an array of fiber stubs)를 사용한다.본 발명은 모듈에 실리콘 벤치(silicon bench)(실리콘 V자형 홈) 기술을 사용하지 않는다. 다만, 모듈의 광커플러 부분의 구조에는 실리콘 벤치 기술을 사용할 수 있다. 실리콘 벤치 기술은 케이블에서 광섬유 어레이를 종결시키는 데에 사용되는 커넥터의 페룰부(ferrule portion)를 제조하는 데에 사용할 수도 있다.본 발명은 모듈 내에서 자기 정렬 땜납 범프 부착 기술을 사용하지 않는다.본 발명은 단면 발광형 레이저가 아닌 표면 발광형 레이저를 사용하는 트랜시버 모듈에 관한 것으로서 미소 렌즈를 사용하지 않는다.본 발명은 리드 프레임을 사용하지 않는다.바람직한 제작 방법으로는 능동 정렬(active alignment)이 사용된다.
첨부 도면을 참고로 하여, 후술되는 상세한 설명을 고찰하면 본 발명이 완벽하게 이해될 수 있다. 도면에서는, 명확 및 간결을 기하기 위하여 본 발명의 광학적 조립체의 유사한 요소 및 부품에는 도면 전체적으로 동일한 부호 및 번호를 사용하였다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 탈착 가능한 다중 채널 병렬 광섬유 케이블을 해당하는 다중 채널 수직 공진기형 표면 발광 레이저(VCSEL) 송신기에 결합시키고, 또 탈착 가능한 다중 채널 병렬 광섬유 케이블을 다중 채널 수직 정렬 집적 다이(PAID) 수신기에 결합시키는 패키지를 특징으로 한다.
병렬 광섬유 케이블의 광섬유들의 방향은 패키지 물품이 부착되는 호스트 카드에 평행하다. 광전자 디바이스들은 또한 어레이를 이루거나, 또는 다른 예정된 패턴으로 구성되어도 좋다는 것을 이해하여야 한다.
이 트랜시버에서는 광전자 다이들의 평면의 방향을 라미네이트 평면에 대하여 수직이 되게 함으로써 패키지의 높이를 감소시킬 수 있다. 수직 방향의 송신 및 수신 광전자 다이는 가요성 회로를 매개로 하여 수평 방향의 라미네이트에 부착된다.
이제 도 1을 참고로 하면, 라미네이트(10)가 와이어 접합 다이(12)를 수평으로 지지한다. 이들 와이어 접합 다이(12)는 라미네이트 표면의 평면에 대하여 평행하게 위치한다. 도 3에 도시된 2 개의 광전자 다이(18) 또는 전기 신호를 광신호로 전환시키고(레이저) 광신호를 전기 신호로 전환하는(수신기) "변환 다이(translating die)" 중 하나가 히트싱크 캐리어(heatsink carrier)(26)에 고착되고, 와이어 접합 다이(12)에 관하여 수직인 방향을 취한다. 라미네이트(10)의 평면은 수직 방향의 광전자 다이(18)에 관하여 거의 수직(즉, 수평)이다.
이 전체 구조는 트랜시버(50)(도 8)의 프로파일(profile)을 낮게 하는 장점이 있다. 라미네이트(10)의 저면에는 도시되지 않은 전기 접점 패드 또는 볼이 배치되는데, 이들 접점 패드 또는 볼은 호스트 카드로부터 트랜시버 내의 전자 소자로 전자 신호를 중계할 목적으로 호스트 카드(도시되지 않음)에 직접 납땜되어도 좋으며, 한편으로는 광섬유 케이블(20)이 테일스톡(tail stock)을 통해서 직접 플러그식으로 접속될 수 있다. 다시 말해서, 광섬유 케이블(20)은 전체 트랜시버(50)(도 6)로부터 라미네이트(10)의 수평 방향 평면에 대하여 평행하게 인출된다.
라미네이트(10)의 상부면 위에는, 도 2에 사시도로 도시되어 있는 오버몰드 프레임(22)이 안장되어 접합되어 있다. 오버몰드 프레임(22)은 절반부가 트랜시버(50)의 송신부를 전기적으로 격리시키고 다른 절반부는 수신부를 전기적으로 격리시키는 패러데이 장벽 실드(24)를 수용할 수 있다. 이러한 전기적 격리는 용량 결합 및 유도 결합된 고주파 전기 신호를 감소시키고, 또 트랜시버(50)로부터 방사되는 전자력(電磁力)의 양을 감소시키는 두 가지 기능을 한다.
오버몰드 프레임(22)은 광전자 다이(18)가 부착된, 도 3 및 도 4에 도시된 히트싱크 캐리어(26)를 지지 및 포위한다. 병렬 광섬유 케이블(20)(도 5)은 2개의 부분(20a, 20b)으로 분할되어 병렬 광섬유 커넥터(36)로 종결되어 있다. 병렬 광섬유 커넥터(36)는 리테이너(38)에 삽입되어 병렬 광섬유 커넥터(36)의 송신측과 수신측을 그들 각각의 리테이너 리셉터클과 대략적으로 정렬시킨다. 병렬 광섬유 커넥터(36)의 두 부분(36a, 36b)이 각각 리테이너(38)의 리셉터클(38a, 38b)에 부분적으로 삽입된 후에는 도시되지 않은 미세 정렬 핀과 맞물린다. 완전한 삽입이 이루어진 후, 커넥터의 두 부분(36a, 36b)의 각 단부면은 정위치에 유지되어, 광이 개별적인 광전자 디바이스의 각 소자 및 병렬 광섬유 케이블 내에 있는 대응하는 광섬유의 섬유 단부면 사이를 통과할 수 있게 된다. 광전자 다이(18) 및 선택적으로 히트싱크 캐리어(26)에는, 가요성 회로(28)가 고착된다.
가요성 회로(28)의 한 가지 기능은 라미네이트(10)상의 패드로부터 가요성 회로(28) 상의 배선까지의 접속을 편리하게 실시하도록 하는 방향으로 배치되는 제1 부착 단부를 제공하는 데 있다. 이를 위해서, 가요성 회로(28)의 제1 단부는 라미네이트(10)에 거의 평행해야 한다. 가요성 회로(28) 상의 개별적인 배선 채널 또는 리드선은 라미네이트(10)의 표면에서 단자 패드 어레이(14)를 따라 일정 간격을 두고 배치된 근처의 단자 패드와 거의 정렬된다.
가요성 회로(28)의 제2 기능은 광전자 다이(18) 상의 패드로부터의 접속을 편리하게 실시하도록 하는 방향으로 배치되는 제2 부착 단부를 제공하는 데 있다. 이를 위해서는, 가요성 회로(28)의 제2 단부가 광전자 다이(18)에 거의 평행하여야 하며, 이 경우 가요성 회로(28) 상의 개별적인 배선 채널(리드선)도 또한 광전자 다이(18)에 있는 근처의 대응하는 패드(도시되지 않음)에 거의 정렬된다. 광전자 다이(18)에 있는 패드는 가요성 회로(28) 상의 배선 채널에 전기적으로 접속되는데, 상기 가요성 회로는 히트싱크 캐리어(26)에 기계적으로, 또는 다른 방법으로 고착된다. 선택적으로는, 히트싱크 캐리어(26)로부터 가요성 회로(28) 상의 배선 채널까지의 전기적 접속부를 마련해도 좋다.
가요성 회로(28)는 그것의 두 단부 사이에서 약 90도 절곡되는데, 그 이유는 광전자 다이(18)가 라미네이트(10)에 대하여 수직이기 때문이다. 그러므로, 병렬 광섬유 커넥터(36)(도 8)는, 접속하는 동안과 접속 후에, 호스트 카드(도시되지 않음)에 평행하게 도 6 및 도 8에 도시된 광섬유 커플링 조립체(30)에 접근하는데, 상기 호스트 카드에는 광섬유 커플링 조립체(30)의 라미네이트(10)가 부착된다.
이제, 도 8을 참고로 하면, 광섬유 커플링 조립체(30)는 광커플러(32), 히트싱크 캐리어(26), 가요성 회로(28) 및 광전자 다이(18)로 구성된다. 광섬유 조립체에는 케이블 선단부(34)가 플러그식으로 삽입된다. 광커플러(32)는 히트싱크 캐리어(26)에 부착된다. 히트싱크 캐리어(26)에는 광전자 다이(18)가 부착된다. 이러한 부착은 도시되지 않은 열 및 전기 전도성 접착제에 의하여 이루어진다. 리테이너(38)가 광커플러(32)를 유지한다. 각 광커플러(32)의 일단부는 대응하는 광전자 다이(18)와 마주하며, 각 광커플러(32)의 타단부는 개별적인 광섬유 커넥터 부분(36a, 36b)의 광학적으로 종결된 단부면과 마주한다. 광커플러(32)는 리테이너(38) 내에 거의 포위되어(도 5), 광커플러(32)의 일단부가 리테이너(38)의 일단부로부터 돌출하는 한편, 광커플러(32)의 타단부는 리테이너(38)가 포위하는 영역 내에 수용된다. 리테이너(38)의 2 개의 부분 각각은 또한 각 광섬유 커넥터(36)를 하나씩 수용한다. 각 병렬 광섬유 커넥터(36)의 단부면은 대응하는 리테이너(38) 내에서, 역시 리테이너(38) 내에 고착되어 있는 광커플러(32)의 단부면에 대하여 정밀하게 위치 조정된다.
병렬 광섬유 커넥터(36)의 각 부분은 광커플러와의 정밀한 정렬을 위한 정렬 특징부를 갖는 광학적 페룰(optical ferrule)로 구성된다. 보호 하우징(36′)이 리테이너(38)의 각 리셉터클(38a, 38b)에 대략적으로 정렬되어 있는 커넥터 부분(36a, 36b)을 수용하여, 광섬유 커넥터(36)를 부분적으로 그것의 리테이너(38) 내에 확고하게 유지시킨다. 광섬유 커넥터(36)를 리테이너(38) 내에 유지시키는 수단은 보호 하우징(36′) 및 리테이너 내에 몰딩되는 스냅 체결부로 구성되는 래치 기구(예컨대, RJ)이다.
리테이너와 부착된 광섬유 커플링 조립체(30)는 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이 오버몰드 프레임(22) 내에 지지된다.
다시 도 1을 참고로 하면, 라이네이트(10)는 접지 패드(16)와 단자 패드(14)를 포함한다. 접지 패드는 히트싱크 캐리어에 전기적으로 결합시키는 데 사용될 수 있다. 이들 접지 패드는 또한 패러데이 장벽 실드에 전기적으로 결합시키는 데에도 사용될 수 있다. 단자 패드(14)는 가요성 회로(28)(도 4) 상의 리드선에 전기적으로 결합시키는 데 사용될 수 있다.
이제, 도 3을 참고로 하면, 광전자 다이(18)(예컨대, GaAs)는 히트싱크 캐리어(26) 위에 배치된다. 광커플러(32)는 히트싱크 캐리어(26) 상의 위치 설정부에 부착되며, 광커플러(32)의 광학적 활성 영역, 즉 개별적인 광섬유 단부면이 광전자 다이(18)의 광학적 활성 영역에 대하여 정밀하게 정렬된다. 설명 목적상, 활성 영역이 선형으로 도시되어 있지만, 어떤 다른 어레이 구성 또는 다른 소정의 패턴도 채택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이들 활성 영역은 송신기측의 개별적인 VCSEL과 수신기측의 개별적인 PAID 광검출기이다.
광커플러(32)와 히트싱크 캐리어(26)의 조립 및 정렬을 보조하기 위하여, 도 3에는 도시되지 않은 광커플러(32)의 핀(40)을 수용하기 위한 캐리어 구멍(41)이 마련되어 있다.
광전자 다이(18)로부터의 방열(放熱)은 히트싱크 캐리어(26)에 의하여 촉진되는데, 이 히트싱크 캐리어는 광전자 다이로부터 패키지 커버(25)(도 8)로의 열 흐름을 위한 낮은 열저항의 전달 경로를 제공하며, 상기 패키지 커버는 패키지 물품으로부터의 방열을 보조한다. 히트싱크 캐리어(26)는 다이캐스팅된 아연, 몰딩된 알루미늄, 마그네슘 또는 구리로 제조될 수 있다. 히트싱크 캐리어(26)의 모금속은 아연 및 니켈과 같은 여러 가지 금속으로 도금 또는 처리되며, 최종적으로 금으로 도금할 수도 있다. 금은 가요성 회로(28)로의 채널 배선의 부착성을 향상시킬 목적으로 선택적으로 피복될 수 있다. 채널 배선의 한 가지 부착 방법은 단일 지점 테이프 자동화 접합법(single point tape automated bonding)이다. 히트싱크 캐리어(26)는 성형, 스탬핑, 코이닝 및 몰딩과 같은 다양한 공지의 기술을 사용하여 제작할 수 있다.
오버몰드 프레임(22)에는, 리테이너(38)와 오버몰드 프레임(22) 양자 모두에 몰딩된 정렬부를 사용하여 광학적 소조립체가 배치된다. 광학적 소조립체로부터 뻗은 가요성 회로(28)는 히트싱크 캐리어(26)의 곡선형 하부의 형상에 따르도록 절곡되며, 이에 따라 가요성 회로(28)는 그것의 단부가 라미네이트(10)의 표면에 거의 평행하게 접촉하게 놓이도록 그것의 경로가 전환된다.
가요성 회로(28)의 노출된 단부 근처에, 라미네이트(10)의 상부면에 있는 단자 패드(14)에 대한 전기적 접속부가 형성된다. 이 전기적 접속부는 와이어 접합, 테이프 자동화 접합 또는 산업 분야에서 일반적으로 행해지는 다른 수단에 의하여 접합될 수 있다. 또한, 히트싱크 캐리어(26)를 전도성 접착제를 사용하여 라미네이트(10)의 표면에 배치된 접지 패드(16)에 접합할 수 있다.
별법으로 또는 추가적으로, 접지 패드(16)에 패러데이 장벽 실드(24)(도 2)를 부착해도 좋다. 패러데이 장벽 실드(24)는 또한 패키지 커버(25)(도 8)와 물리적/전기적으로 접촉된 상태로 배치되어도 좋다. 패키지 커버(25)는 광전자 다이(18)로부터 히트싱크 캐리어(26)를 거쳐 전달되는 열을 방열시키는 히트싱크로서 사용될 수도 있다. 접지 패드(16)에 대한 여러 가지 접속은 여러 가지 표면의 전도성 및 비전도성 부분에 적합한 물질인 전도성 에폭시를 사용하면 달성될 수 있는데, 이에 따라 소자들을 높은 치수 및 위치 정밀도로 제조할 필요성을 감소시킨다.
광전자 다이를 위한 전술한 열의 흐름 경로 이외에, 와이어 접합 다이(12)로부터 볼 그리드선 어레이 라미네이트(10) 및 그 저면의 솔더 볼을 거쳐 패키지 조립체가 탑재되는 호스트 카드까지의 열 흐름 경로가 제공된다. 별법으로, 라미네이트(10)는 솔더 볼이 없이 수납 소켓(도시되지 않음)에 대한 접속을 위한 패드 어레이를 구비하도록 제작되어도 좋다.
단층 가요성 회로(28)는 폴리이미드 캐리어상의 전기 트레이스(예컨대, 선폭 0.002 인치 및 간격 0.002 인치)가 있는 구리층을 구비하고, 솔더 마스크 재료가 구리층의 일부를 선택적으로 덮는다. 구리 배선은 금이나 주석과 같은 화학적 반응성이 덜한 금속으로 피복되어도 좋다. 층간 관통 비아 접속부(thru-via interlayer connections) 및 그리드 평면을 함께 사용하여, 다층 가요성 회로의 밀도 및 성능을 높일 수 있다.
구리 배선의 리드선 중 몇 가닥의 리드선에 대한 전기 접속을 용이하게 하기 위하여, 폴리이미드 캐리어를 관통하여 윈도우를 마련해도 좋다. 가요성 회로(28)는 개방 윈도우를 구비하고 현가(懸架)된 리드선(suspended leads)이 이 윈도우 영역에 걸쳐 있다. 몇 가닥의 현가된 리드선은 금속 히트싱크 캐리어(26)에 전기적으로 접속되어도 좋다. 가요성 회로의 리드선은 또한 윈도우 영역에 캔틸레버 형태로 배치되어도 되고, 또한 가요성 회로의 단부로부터 뻗어 있어도 된다. 캔틸레버형 리드선은 히트싱크 캐리어(26)에 전기적으로 접속되어도 좋다. 현가 리드선과 캔틸레버형 리드선은 윈도우 영역에 번갈아 형성되어, 선택적으로는 히트싱크 캐리어(26) 상의 준비된 지역에 전기적으로 결합되어도 좋다. 히트싱크 캐리어(26)에 대한 가요성 회로 리드선의 전기적 결합은 전자 소자 패키지 산업 분야에서 잘 알려져 있는 단일 지점 테이프 자동화 접합 공정에 의한 가열 및 초음파 조건 하의 접합에 의하여 달성될 수 있다.
히트싱크 캐리어(26)에 대한 광커플러(32)의 정렬은 이 광커플러(32)의 일부인 작은 핀(40)(도 8)을 히트싱크 캐리어(26)에 형성된 큰 치수의 구멍(도시되지 않음)에 삽입함으로써 달성된다. 이러한 배치는 히트싱크 캐리어(26)와 광커플러(32) 사이를 대략적으로 정렬시킨다. 핀(40)과 이들 핀의 해당 구멍 사이의 환형 갭에는 UV 경화성 접착제(에폭시)가 채워진다. 이 에폭시는 자외선광에 의하여 경화된 후에 광커플러(32)를 그것의 정렬된 위치에 견고하게 유지시킨다.
UV 경화가 시작되기 직전에, 광전자 다이(18)의 활성 부분들은 광커플러(32)의 대응하는 광학적 활성 부분과 정밀하게 정렬된다. 이러한 정렬 공정은 능동 정렬(能動整列)(active alignment)로서 공지된 공정을 사용하여 이루어지는데, 이 공정에 있어서는, 가요성 회로(28)의 일단부에 있는 큰 이차원 패드 어레이(29)(도 7)에 전자 신호를 인가함으로써 송신 광전자 다이이거나 또는 송신 광전자 다이인 적합한 광전자 다이(18)에 전력이 인가된다. 광신호는 광커플러(32)의 커넥터 단부에 임시로 부착된 도시되지 않은 광케이블 및 이 광케이블의 타단부에 임시로 접속되는 모니터 광전자 디바이스를 통과한다.
모니터 광전자 디바이스에 대하여 송신 및 수신되는 전자 신호는 정렬 공정 중에 사용된다. 예를 들면, 송신 광전자 다이(18)를 정렬시키기 위하여, 위치 설정 장치에 의하여 광커플러(32)가 히트싱크 캐리어(26)에 대하여 고정되어 있는 동안 가요성 회로(28)의 큰 패드로 전자 신호가 인가된다. 도 8에 도시된 핀(40)에 대향하여 배치된 광커플러의 핀(40)이 히트싱크 캐리어(26)에 마련된 큰 치수의 구멍(41)에 삽입되고, 핀과 구멍(41) 사이의 갭에 UV 경화성 접착제가 채워진다. 캐리어에 마련된 구멍(41)의 직경은 대응하는 핀의 직경보다 더 크다. 이에 따라, 히트싱크 캐리어(26)에 미리 장착되어 가요성 회로상의 배선과 전기적으로 접촉하고 있는 송신 광전자 다이의 하나 이상의 광학적 활성 소자들이 활성화된다. 송신 광전자 다이(18)의 광학적 활성 소자들로부터 광이 방출된다. 개별적인 광학적 활성 소자의 광은 광커플러(32)의 해당하는 광학적 활성부로 입사한다. 광은 광커플러(32)를 통과하여 이 광커플러의 말단에서 해당하는 광학적 활성부로부터 방출된다. 그 후, 광은 해당하는 광학적 활성부에 있는 임시의 병렬 광섬유 케이블 로 도입하고, 그 케이블을 통해서 진행하여 도시되지 않은 광검출기로 방출된다. 따라서, 송신 광전자 다이(18)의 각 광학적 활성 소자로부터 방출되는 광은 해당하는 광검출기까지 거의 송신된다. 위치 설정 장치를 사용하여 광전자 다이(18)에 대한 광커플러(32)의 상대적인 위치를 이동시킴으로써 정렬 작업이 완료되며, 따라서 관련 광검출기 내에서 발생된 전류를 측정하여 결정되는 최적량의 광이 결합된다.
광전자 다이(18)와 광커플러(32) 사이에 실리콘 또는 광학적으로 투명한 UV 경화성 에폭시를 도포하여 광전자 다이(18)의 표면을 패시베이션화 할 수 있다. 이 물질은 또한 대기중으로 통과하지 않는 광학적 경로를 제공한다. 이렇게 하면 유리한 것은, 입구 또는 출구의 어느 곳에서는 프레넬 반사에 기인한 비교적 큰 광출력의 손실이 발생하기 때문이다.
라미네이트(10)에 배치되는 전력면과 접지면(도시하지 않음)의 분리가 광전자 다이(18)의 송신기 부분과 수신기 부분 사이의 누화를 감소시키고 잡음을 억제한다.
전자기 간섭(EMI)을 억제하기 위하여, 도시되지 않은 스플릿 히트싱크 커버를 사용해도 좋다. 경제성을 고려하여, 히트싱크 커버를 스탬핑으로 제조할 수 있다. 이 히트싱크 커버의 기능은 열소산성을 제공하는 것이다. 이 히트싱크 커버에 의하여 소산되는 열은 실질적으로 광전자 다이(18)에서 발생되는 것으로 열전도에 의하여 히트싱크 캐리어(26) 및 패키지 커버(25)로 전달되며, 이 경우 히트싱크 캐리어(26)와 패키지 커버(25) 사이의 임의의 갭은 선택적으로는 당업계에서 잘 알려져 있는 열전도성 화합물로 채워진다.
송신 조작과 관련하여 본 발명을 전반적으로 설명하였으나, 본 발명의 장치는 또한 수신 기능을 수행하는 데에도 동일하게 적합하다고 하는 것을 이해하여야 한다. 다시 말해서, 패키지 제품은 송신시에는 호스트 카드로부터 신호를 받아서 대응하는 고전류 신호를 생성하여 광전자 다이로 송신하며, 수신측에서는 광전자 다이에 의하여 생성된 저전류 신호를 받아서 증폭하고, 수신된 신호를 호스트 카드로 송신하기에 적합한 수준으로 디지털화 한다.
특정 조작 조건 및 환경에 맞게 변경된 다른 수정물 및 변경물은 당업자에게는 명백할 것이기 때문에, 본 발명이 설명을 목적으로 선택된 예로서 한정되는 것으로 고려되지는 않으며, 본 발명의 진정한 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는 모든 변경물 및 수정물을 포괄한다.
특허권에 의하여 보호받고자 개시된 본 발명은 첨부된 특허 청구 범위에 제시되어 있다.
본 발명에 따르면, 수평 방향으로 배치된 광섬유 케이블과 수직 방향으로 배치된 광전자 다이 사이에 개량된 커플링 조립체를 제공된다. 본 발명은 호스트 카드로부터 신호를 받아서 광전자 다이로 송신하기 위한 상응하는 고전류 신호를 발생시키고, 또 광전자 다이에 의하여 발생된 저전류 신호를 받아서 수신된 신호를 호스트 카드로 송신하기에 적합한 레벨까지 증폭 및 디지털화 하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 광커넥터에 의하여 패키지 물품의 외부에서 접근 가능한 부품에 가해지는 힘이 실질적으로 광전자 다이로부터 기계적으로 격리되는 트랜시버를 제공한다. 나아가, 광섬유 케이블에 평행한, 예컨대 광전자 다이와 같은 디바이스를 수직 방향으로 배치하고, 증폭기 다이와 같은 다른 디바이스를 수평 방향으로 배치함으로써 조립체 패키지의 높이를 낮출 수 있으며, 수직 방향의 광전자 다이를, 가요성 회로를 매개로 수평 방향의 라미네이트에 수직으로 부착시킬 수 있다

Claims (30)

  1. 광섬유 케이블을 호스트 카드에 광학적으로 결합시키고, 호스트 카드에 작동적으로 연결되는 패키지로서,
    광전자 소자를 지지하는 라미네이트와;
    상기 라미네이트에 작동적으로 연결되고 이 라미네이트에 의하여 지지되는 전기 신호 증폭용 증폭기 다이와;
    상기 라미네이트에 전기적으로 연결되고 이 라미네이트에 의하여 지지되어 상기 증폭기 다이로부터 증폭된 전기 신호를 수신하는 가요성 회로와;
    상기 증폭기 다이에 의하여 발생된 증폭된 전기 신호를 받아서 그에 상응하는 광신호를 발생시키도록 상기 가요성 회로에 전기적으로 연결된 광전자 다이
    를 포함하는 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가요성 회로에 작동적으로 연결되고 상기 광전자 다이에 부착되어 상기 광전자 다이로부터의 열을 방열시키는 히트싱크 캐리어를 더 포함하는 것인 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광전자 다이와 광학적으로 연결되어 이 광전자 다이로부터 광신호를 수신하여 처리하는 광학적 소조립체를 더 포함하고,
    상기 광학적 소조립체는 광커플러와 광케이블을 구비한 탈착가능한 광커넥터를 포함하는 것인 패키지.
  4. 호스트 카드에 작동적으로 연결 광섬유 케이블로부터 광신호를 수신하는 광커플러 소조립체로서,
    전기 신호를 받고, 이에 응답하여 광신호를 생성하는 광전자 다이와;
    상기 광전자 다이에 전기적으로 연결된 가요성 회로와;
    상기 광전자 다이에 광학적으로 연결되어 상기 광전자 다이로부터 광신호를 수신하는 광커플러와;
    상기 가요성 회로에 작동적으로 연결되고, 상기 광전자 다이에 부착되어 상기 광전자 다이로부터 열을 방열시키는 히트싱크 캐리어
    를 포함하는 광커플러 소조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광커플러에 탈착 가능하게 접속되어 이 광커플러와 광학적으로 연결되는 광커넥터와, 상기 광커플러에 작동적으로 연결되고 상기 광커넥터에 탈착 가능하게 연결되어 상기 광커플러와 광커넥터를 정렬시키는 리테이너를 더 포함하는 것인 광커플러 소조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광커넥터가 광케이블을 더 포함하는 것인 광커플러 소조립체.
  7. 광섬유 케이블을 호스트 카드에 탈착가능하게 결합하고, 호스트 카드에 작동적으로 연결되는 패키지로서,
    전기 신호를 수신하는 가요성 회로와,
    상기 가요성 회로에 작동적으로 연결되고, 상기 전기 신호를 수신하며, 이에 응답하여 광신호를 생성하는 광전자 다이와;
    상기 가요성 회로에 작동적으로 연결되고, 상기 광전자 다이에 부착되어 광전자 다이로부터 열을 방열시키는 히트싱크 캐리어
    를 포함하는 패키지.
  8. 제7항에 있어서,
    광전자 소자를 지지하는 라미네이트와,
    상기 라미네이트에 작동적으로 연결되어 이 라미네이트에 의하여 지지되는 전기 신호 증폭용 증폭기 다이와,
    상기 광전자 다이와 광학적으로 연결되고, 광커플러 및 광케이블을 구비한 탈착 가능한 광커넥터를 포함하며, 상기 광전자 다이로부터의 광신호를 수신하여 처리하는 광학적 소조립체와;
    상기 광커플러에 작동적으로 연결되고, 상기 광커넥터에 탈착가능하게 결합되어, 상기 광커플러와 광커넥터를 정렬시키는 리테이너
    를 더 포함하는 것인 패키지.
  9. 수평 방향으로 배치된 광섬유 케이블을 탈착 가능하게 수용하는 패키지로서,
    라미네이트에 작동적으로 연결된 하나 이상의 변환 다이와 광전자 다이 사이에 배치된 가요성 회로와;
    하나 이상의 히트싱크 캐리어와;
    상기 라미네이트의 배향을 규정하는 수평면에 거의 평행한 방향으로 상기 라미네이트로부터 인출되도록 상기 하나 이상의 변환 다이에 연결되어 있는 광섬유 케이블과;
    상기 라미네이트에 의하여 지지되고, 상기 가요성 회로, 상기 광전자 다이 및 상기 하나 이상의 히트싱크 캐리어를 수용하는 공동을 구비하는 오버몰드 프레임
    을 포함하고, 상기 하나 이상의 히트싱크 캐리어는 상기 광전자 다이에 작동적으로 연결되고, 상기 오버몰드 프레임의 공동은 상기 하나 이상의 히트싱크 캐리어, 상기 광전자 다이 및 상기 가요성 회로를 포위 및 고정하는 것인 패키지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가요성 회로를 상기 하나 이상의 히트싱크 캐리어에, 상기 라미네이트를 상기 가요성 회로에, 그리고 상기 광전자 다이를 상기 하나 이상의 히트싱크 캐리어에 부착시키기 위한 접착제를 더 포함하는 것인 패키지.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 수평 방향의 한 세트의 광섬유 케이블을 수직 방향의 변환 다이에 결합시키는 패키지로서,
    거의 수평 방향의 라미네이트를 규정하는 평면에 대하여 거의 평행하게 배치된 하나 이상의 광섬유 케이블과;
    상기 하나 이상의 광섬유 케이블이 상기 라미네이트로부터 이 라미네이트의 방향을 규정하는 수평면에 거의 평행한 방향으로 인출되도록 상기 라미네이트와 상기 하나 이상의 광섬유 케이블 사이에 작동적으로 배치된 가요성 회로와;
    상기 라미네이트에 의하여 지지되는 오버몰드 프레임과;
    광전자 다이를 구비한 히트싱크 캐리어
    를 포함하고, 상기 오버몰드 프레임은 상기 가요성 회로, 상기 광전자 다이 및 상기 히트싱크 캐리어를 수용하는 공동을 구비하는 것인 패키지.
  17. 호스트 카드와 통신하는 패키지로서, 청구항 16에 따른 구조를 가지며 상기 호스트와의 사이에서 전자 신호를 송신하도록 상기 호스트 카드에 근접하여 배치되는 패키지.
  18. 제9항 및 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 하나 이상의 RF 장벽 실드를 더 포함하고, 상기 오버몰드 프레임은 하나 이상의 광전자 다이를 RF 절연시키도록 상기 하나 이상의 RF 장벽 실드를 수용하는 것인 패키지.
  19. 제9항 및 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 하나 이상의 광전자 다이와 상기 하나 이상의 광섬유 케이블 사이에 배치된 광섬유 커플링을 더 포함하는 것인 패키지.
  20. 제19항에 있어서, 리테이너를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 광전자 다이와 상기 하나 이상의 광섬유 케이블 사이에 배치된 상기 광섬유 케이블은 상기 리테이너에 스냅 체결되며, 이 리테이너는 상기 히트싱크 캐리어에 부착되는 것인 패키지.
  21. 제19항에 있어서, 상기 광섬유 커플링은 오버몰딩을 포함하는 것인 패키지.
  22. 제19항에 있어서, 상기 광섬유 커플링은 일단부가 상기 광전자 다이에 연결된 광커플러를 포함하고, 이 광커플러는 타단부에서 광커넥터에 부착되며, 이 광커넥터는 상기 하나 이상의 광섬유 케이블에 연결되는 것인 패키지.
  23. 병렬 광섬유 케이블의 일단부에 고착되는 병렬 광섬유 커넥터를 수용하는 송신용 광전자 소조립체로서,
    캐리어에 고착된 송신 광전자 디바이스와, 전기 신호 송신 디바이스, 그리고 리테이너 및 상기 캐리어에 고착된 광신호 송신 디바이스를 구비하는 광전자 소조립체와;
    라미네이트 및 상기 리테이너에 고착된 오버몰드 프레임
    을 포함하는 송신 광전기 소조립체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전기 신호 송신 디바이스는 상기 라미네이트로부터의 전자 신호를 상기 송신 광전자 디바이스에 전자적으로 결합시키며, 상기 광전자 디바이스는 전자 신호를 광신호로 변환시키며, 상기 광신호 송신 디바이스는 광신호를 상기 병렬 광섬유 커넥터에 광학적으로 결합시키고, 상기 리테이너는 상기 병렬 광섬유 커넥터를 탈착 가능하게 유지시키는 것인 패키지.
  25. 호스트 전자 베이스에 배치된 외부의 접점 패드 어레이에 전기적으로 연결되며, 외부 전자 소자를 기계 및 전기적으로 수용하도록 배치된 전자 패키지 소조립체로서,
    상기 외부 접점 패드에 전기적으로 접속하기 위한 제1 접점 패드 어레이와, 상기 외부 전자 소자에 전기적으로 접속되는 제2 접점 어레이와 상기 제1 접점 패드 어레이를 상기 제2 접점 패드 어레이 및 상기 전자 디바이스에 전기적으로 접속시키는 라미네이트 배선을 구비하고, 라미네이터에 고착된 전자 디바이스와;
    상기 전자 디바이스를 실질적으로 캡슐화하는 격납부(encasement portion)와 상기 외부 전자 소자를 수용하는 정렬 수단을 구비한 오버몰드 프레임
    을 포함하는 전자 패키지 소조립체.
  26. 전자 신호에 의하여 호스트 전자 기판에 전기적으로 연결되고, 외부 전자 소자를 기계 및 전기적으로 수용하게 되어 있는 전자 패키지 소조립체로서,
    전자 디바이스와;
    라미네이트 배선을 포함하는 라미네이트와;
    상기 전자 신호를 상기 라미네이트 배선에 전기적으로 연결시키는, 제1 라미네이트 표면 상의 제1 접점 패드 어레이와;
    제2 라미네이트 표면에 배치된 제2 접점 패드 어레이와;
    상기 외부 전자 소자를 수용하는 정렬 수단과 격납부를 구비하는 오버몰드 프레임
    을 포함하고, 상기 라미네이트 배선은 전기 루트를 형성하여 상기 제1 접점 패드 어레이를 상기 전자 디바이스 및 상기 제2 접점 패드 어레이에 전기적으로 접속시키고, 상기 전자 디바이스는 상기 제2 라미네이트 표면에 고착되어 실질적으로 상기 격납부내에 격납되어 있는 것인 전자 패키지 소조립체.
  27. 하나 이상의 광섬유 케이블을 하나 이상의 변환 다이에 광학적으로 결합시키는 방법으로서,
    증폭 다이로부터의 전기 신호를 호스트 카드가 전기적으로 연결되는 라미네이트에 배치된 가요성 회로에 인가하는 전기 신호 인가 단계와;
    전기 신호를 광신호로 변환시키는 전기 신호 변환 단계와;
    상기 광신호를 광커플러에 인가하여, 이 광커플러가 상기 광신호를 상기 하나 이상의 광섬유 케이블에 부착된 광학적 커넥터로 송신하도록 하는 광신호 인가 단계
    를 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 전기 신호 인가 단계에서 사용되는 광전자 다이로부터 열을 방열시키는 방열 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 방열 단계를 수행하도록 상기 하나 이상의 변환 다이에 작동적으로 연결되는 히트싱크를 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 광커플러에 작동적으로 연결되고, 또 상기 광커넥터에 탈착 가능하게 결합되어 광커플러를 상기 광커넥터의 하나 이상의 광섬유와 정렬시키도록 리테이너를 마련하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
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