KR101266616B1

KR101266616B1 - 광전 배선 모듈

Info

Publication number: KR101266616B1
Application number: KR1020110126145A
Authority: KR
Inventors: 이익균; 이승훈; 박건철; 송인덕
Original assignee: 엘에스엠트론 주식회사
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: CN103959121A; US20140326861A1; US9448361B2; CN103959121B; WO2013081390A1

Abstract

본 발명은 기기 내에서 보드 간 대용량 데이터 고속 전송을 위한 광전 배선 모듈에 관한 것으로, 광 직접 접속(butt-coupling), 수동 광학 정렬(passive-alignment)을 위한 수평 정렬 구조의 광소자 패키지(예; VCSEL PKG, PD PKG) 기반의 광전 배선 모듈을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 광전 배선 모듈에 있어서, 기판; 상기 기판에 장착된 프레임; 신호의 광전 변환 또는 전광 변환을 수행하는 광소자 패키지; 상기 광소자 패키지의 구동을 제어하는 광제어소자; 및 상기 광소자 패키지에서 출사되거나 상기 광소자 패키지에 입사되는 광신호를 전송하는 광전송로를 포함하며, 상기 프레임에는 전기단자가 형성되어 있고, 상기 프레임에 상기 광소자 패키지가 장착되고, 상기 프레임의 내부에 상기 광제어소자가 배치되어 상기 기판에 장착되며, 상기 프레임의 내부 바닥면에 홈이 형성되어 있고, 상기 광제어소자가 상기 프레임 내부 바닥면의 홈을 통해 상기 기판의 전극패드에 장착되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈을 제공한다.

Description

광전 배선 모듈{Optical Interconnection Module}

본 발명은 광전 배선 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기기 내에서 보드 간 대용량 데이터 고속 전송을 위한 광전 배선 모듈에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 광 직접 접속(butt-coupling), 수동 광학 정렬(passive-alignment)을 위한 수평 정렬 구조의 광소자 패키지(예; VCSEL PKG, PD PKG) 기반의 광전 배선 모듈에 관한 것이다.

최근의 전자 기기(예; 스마트폰, 스마트TV, 컴퓨터, 태블릿 PC, 디스플레이, 디지털 카메라, 캠코더, MP3, 게임기, 네비게이션 등)은 IT 기술 발전에 힘입어 고성능, 고속화, 집적화 및 소형화(박형화)가 진행되고 있다.

최근의 전자 기기 트렌드는 기기 내 보드 간에 고화질, 3D 영상 콘텐츠와 같은 대용량 데이터 고속 전송 기술을 요구하고 있으며, 이에 따라 신호 감쇄, 노이즈, EMI/EMC, Impedance Matching, Cross Talk, Skew, 연결배선 소형화 등이 큰 이슈로 부각되고 있다.

일반적으로, 기기 내 데이터 전송에 있어 구리 기반의 배선, 즉 전기 커넥터가 사용되고 있다.

그러나, 구리 배선은 대용량 데이터 고속 전송 니즈를 충족시키지 못할 뿐만 아니라, 앞서 언급한 최근의 전자 기기 트렌드에 부합한 각종 기술적 이슈를 해소하지 못하고 있다.

이를 해결하기 위한 기술로 최근에 광 배선 기술이 연구, 개발되고 있다. 즉, 광 배선은 수십 채널의 병렬 전기신호 라인을 직렬 광신호 라인으로 대체하여 대용량 데이터 고속 전송이 가능하며, 노이즈, EMI/EMC, Impedance Matching, Cross Talk, Skew, 연결배선 소형화 등의 기술적 문제를 해소할 수 있다.

도 1은 기기 내 보드 간 연결에 사용되는 종래기술의 광 케이블 모듈에 대한 일실시예 사시도이다.

도 1에 도시된 광 케이블 모듈은 일본 등록특허 제4631671호(발명의 명칭: "광 케이블 모듈 및 광 케이블 모듈을 가지는 전자 기기")[이하 '종래기술1'이라 함]에 개시된 내용이며, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 1의 광 케이블 모듈은 송신부(10a)와 수신부(10b)로 구성되며, 송신부는 기판(6a) 상의 VCSEL 칩(3a), 전극패드(5a), 본딩 와이어(7a), 액상수지(8a) 및 높이지지부재(4a)로 구성되고, 수신부는 기판(6b) 상의 PD 칩(3b), 전극패드(5b), 본딩 와이어(7b), 액상수지(8b) 및 높이지지부재(4b)로 구성되고, 송신부와 수신부 간의 연결 배선으로 광도파로(2)로 구성된다.

도 1의 광 케이블 모듈 동작을 살펴보면, 송신부와 연결된 메인보드의 전기신호(즉 영상 데이터)는 기판(6a) 상의 전극패드(5a)를 통한 Driver-IC[미도시]의 제어를 통해 VCSEL 칩(3a)에서 광신호로 변환되며, VCSEL 칩(3a)로부터 윗방향으로 수직 출사되어 광도파로(2)의 끝단의 45° 미러면에 반사되어 광도파로(2)를 통해 수신부로 전송된다.

수신부에서는 광도파로(2)의 끝단의 45° 미러면을 통해 광신호가 아랫방향으로 수직 반사되어 기판(6b) 상의 PD 칩(3b)으로 입사되며, 기판(6b) 상의 전극패드(5b)를 통한 TIA[미도시]의 제어를 통해 PD 칩(3b)에서 전기신호로 변환되어 수신부와 연결된 디스플레이보드로 입력된다.

도 2는 기기 내 칩 간 연결에 사용되는 종래기술의 광전 변환 모듈에 대한 일실시예 사시도이다.

도 2에 도시된 광전 변환 모듈은 대한민국 등록특허 제810665호(발명의 명칭: "광전변환모듈 및 그 제조방법")[이하 '종래기술2'라 함]에 개시된 내용이며, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 2의 광전 변환 모듈은 PCB(500) 상에 송신부(200)와 수신부(300)가 구성되며, 송신부와 수신부 간의 연결 배선으로 광도파로(400)가 구성된다.

송신부(200)는 IC기판(200a)과, 이 IC기판(200a)의 상면에 형성된 전극패드(211, 212), 이 IC기판(200a)의 측면에 형성된 전극패드(220)와, 상기 전극패드(211, 212)를 통해 IC기판(200a)의 상면에 본딩된 Driver-IC(230)와, 상기 전극패드(220)를 통해 IC기판(200a)의 측면에 본딩된 VCSEL 칩(251)으로 구성된다.

수신부(300)는 IC기판(300a)과, 이 IC기판(300a)의 상면에 형성된 전극패드(311, 312), 이 IC기판(300a)의 측면에 형성된 전극패드(320)와, 상기 전극패드(311, 312)를 통해 IC기판(300a)의 상면에 본딩된 TIA(330)와, 상기 전극패드(320)를 통해 IC기판(300a)의 측면에 본딩된 PD 칩(350)으로 구성된다.

도 3은 기기 내 보드 간 연결에 사용되는 종래기술의 광전기 복합형 커넥터에 대한 일실시예 사시도이다.

도 3에 도시된 광전기 복합형 커넥터는 일본 공개특허 제2010-266729호(발명의 명칭: "광전기 복합형 커넥터")[이하 '종래기술3'이라 함]에 개시된 내용이며, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 3의 광전기 복합형 커넥터는 기기 내 보드에 장착된 리셉터클(receptacle)이라 불리는 전기커넥터(30)에 체결(mating)되는 플러그(plug)(20)로 구성되며, 상기 플러그(20)는 하우징(21), 이 하우징(21)의 양 측면에 장착된 전기단자(22)와 그라운드단자(23), 하우징(21)의 내부 바닥면에 장착된 그라운드판(24), 이 그라운드판(24)에 장착된 서브 마운트(25) 상의 VCSEL 칩(26), Driver-IC(27), 전기단자(22) 및 그라운드단자(23)와 VCSEL 칩(26) 및 Driver-IC(27) 간의 연결 배선 기능의 본딩 와이어(28), 하우징(21) 내부에 삽입된 광파이버(29)를 포함한다.

그런데, 종래기술1은 VCSEL 칩과 광도파로 간에 45° 미러면을 이용한 수직 정렬 구조를 가지고 높이지지부재를 사용하기 때문에 광 손실 문제, 광 결합 이격거리 발생 문제, 저배화가 불리하여 소형화할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 종래기술1은 VCSEL 칩 보호를 위해 밀봉 액상수지를 사용하기 때문에 액상수지 팽창으로 광도파로가 영향을 받아 광 포커싱이 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

또한, 종래기술1은 제조 공정에서 광도파로 45° 가공 공정이 필요하며, VCSEL 칩과 광도파로 간 정렬을 수작업에 의해 미세하게 조정해야 되기 때문에 양산 속도가 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 종래기술2는 IC기판의 측면에 VCSEL 칩을 전극패드와 솔더볼을 사용해 장착하기 때문에 VCSEL 칩의 고정을 보장하지 못하며, 그에 따라 VCSEL 칩의 물리적 장착 불안정성 문제점이 있다.

또한, 종래기술2는 VCSEL 칩의 표면에 광도파로를 접착제를 사용해 장착하기 때문에 광도파로의 물리적 고정을 보장하지 못하며, 그에 따라 광 포커싱이 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

또한, 종래기술2는 제조 공정에서 pick-up 장비를 사용해 VCSEL 칩을 IC기판의 측면에 위치시켜 장착하는데 공정 신뢰성을 보장하지 못해 양산성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 종래기술3은 그라운드판(24)을 사용하는데, 이 그라운드판(24)은 PCB와는 달리 금속체이기 때문에 소자 연결 및 장착을 위한 배선을 형성할 수 없다. 즉, 종래기술3은 그라운드판(24) 위의 Driver-IC(27)와 하우징(21) 측면의 전기단자(22) 간을 와이어 본딩 공정으로 전기적 연결해야 되는데, 소형화, 저배화 사이즈의 플러그(20) 상에서 본딩 와이어(28)를 구현하기가 어려우며, 특히 전기단자(22)의 핀(pin) 수가 많아지는 경우에는 와이어 본딩 공정이 현실적으로 불가능하다.

또한, 종래기술3은 소형 사이즈의 플러그(20) 하우징(21) 내부에 모든 소자 및 부품을 실장하고 본딩 와이어(28)를 해야 되고, 전기단자(22)와 그라운드단자(23)를 형성하기가 어려워 공정 난이도가 높고, 양산성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 종래기술3은 웨이퍼로 제작한 서브 마운트(25)에 VCSEL 칩(26)을 올려 그라운드판(24)에 장착한 상태에서 광파이버(29)를 그라운드판(24)에 올려 VCSEL 칩(26)과 광 정렬하는데, VCSEL 칩(26) 부분에서 광파이버(29)를 고정하지 못해 광 포커싱이 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다.

또한, 종래기술3은 플러그(20)의 하우징(21) 내부에 소자 실장 공간 확보를 위해 전기단자(22)가 하우징(21) 외부 측벽에만 형성된 구조이기 때문에 리셉터클(30)과 체결 시 이중 접점 구조를 제공하지 못해[즉 1 contact 구조이므로] 플러그(20)와 리셉터클(30)의 전기 접속 신뢰성을 보장하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 종래기술3은 플러그(20)를 리셉터클(30)에 체결하거나(꽂거나) 리셉터클(30)로부터 착탈하는데(빼는데) 있어 플러그에 손으로 잡을 수 있는 부분이 없어 조작이 어려운 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 저가격, 소형화(높이/면적), 대량 생산성(제조 용이성, 공정 단순화)을 보장하면서, 광 결합 신뢰성 보장, 부품 장착 물리적 안정성 보장을 위한, 기기 내에서 보드 간 대용량 데이터 고속 전송을 위한 광전 배선 모듈을 제공하고자 한다.

즉, 본 발명은 저비용, 고신뢰성의 제조 공정을 가지면서 기기 내 보드에 범용적으로 적용될 수 있는 상용화 가능한 광전 배선 모듈을 제공하고자 하며, 특히 광 직접 접속(butt-coupling), 수동 광학 정렬(passive-alignment)을 위한 수평 정렬 구조의 광소자 패키지(예; VCSEL PKG, PD PKG) 기반의 광전 배선 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광전 배선 모듈에 있어서, 기판; 상기 기판에 장착된 프레임; 신호의 광전 변환 또는 전광 변환을 수행하는 광소자 패키지; 상기 광소자 패키지의 구동을 제어하는 광제어소자; 및 상기 광소자 패키지에서 출사되거나 상기 광소자 패키지에 입사되는 광신호를 전송하는 광전송로를 포함하며, 상기 프레임에는 전기단자가 형성되어 있고, 상기 프레임에 상기 광소자 패키지가 장착되고, 상기 프레임의 내부에 상기 광제어소자가 배치되어 상기 기판에 장착되며, 상기 프레임의 내부 바닥면에 홈이 형성되어 있고, 상기 광제어소자가 상기 프레임 내부 바닥면의 홈을 통해 상기 기판의 전극패드에 장착되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈을 제공한다.

상기와 같은 본 발명은 광전 배선 모듈의 소자 및 부품을 별도의 가공 없이 그대로 사용할 수 있으며, 저비용, 고신뢰성으로 대량 생산이 용이하며, 이러한 소자 및 부품을 기판에 장착하는 공정이 용이하여 제조 속도 등의 양산성을 보장할 수 있다. 아울러, 광전송로의 미러면 가공 공정을 하지 않아도 된다.

또한, 본 발명은 광소자 패키지와 광전송로 간의 수평 정렬 구조로서, 렌즈, 미러 등의 별도의 부재 없이 광소자 패키지와 광전송로가 서로 근접된 거리로 광 직접 접속(butt-coupling)될 수 있고, 광소자 패키지와 광전송로 결합 시 계측장비로 측정을 하면서 위치 조정 등을 수행하는 능동 광학 정렬이 아닌 수동 광학 정렬(passive-alignment)을 할 수 있고, 광 결합 신뢰성 보장, 부품 장착 물리적 안정성 등을 보장할 수 있다.

또한, 본 발명은 수직 정렬이 아닌 수평 정렬 구조를 가지기 때문에 광 결합 이격거리를 최소화하여 광 정렬 신뢰성을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 전기 커넥터 기능의 프레임을 기판 위에 장착해 프레임 내에 전기 부품과 광 부품을 배치하는 구조를 가져 소형화, 저배화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 응용 제품의 내부 보드에 적용이 용이하고, 성능, 신뢰성을 보장할 수 있어 광전 배선 모듈의 상용화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 플러그와 리셉터클 체결 시 이중 접점 구조를 제공하므로 광전 배선 모듈의 전기 접속 신뢰성을 보장할 수 있다.

또한, 본 발명은 본딩 와이어를 사용하지 않기 때문에 플러그에 다수의 협피치 전기단자 핀을 형성할 수 있어 핀 수에 무관하게 플러그 형태의 광전 배선 모듈을 구현할 수 있다.

도 1은 기기 내 보드 간 연결에 사용되는 종래기술의 광 케이블 모듈에 대한 일실시예 사시도.
도 2는 기기 내 칩 간 연결에 사용되는 종래기술의 광전 변환 모듈에 대한 일실시예 사시도.
도 3은 기기 내 보드 간 연결에 사용되는 종래기술의 광전기 복합형 커넥터에 대한 일실시예 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 광전 배선 모듈에 대한 일실시예 사시도.
도 5는 도 4의 광전 배선 모듈의 분해도.
도 6은 본 발명에서 제시하는 광소자 패키지를 설명하기 위한 사시도.
도 7은 본 발명의 광전 배선 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 조립도.
도 8은 본 발명의 광전 배선 모듈이 적용되는 기기를 보여주기 위한 설명도.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 광전 배선 모듈에 대한 일실시예 사시도이고, 도 5는 도 4의 광전 배선 모듈의 분해도이고, 도 6은 본 발명에서 제시하는 광소자 패키지를 설명하기 위한 사시도이고, 도 7은 본 발명의 광전 배선 모듈의 제조 공정을 설명하기 위한 조립도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광전 배선 모듈은 소자(부품)의 장착 및 연결을 위한 배선 및 전극패드[미도시]가 형성된 기판(41), 보드 상의 리셉터클[미도시]에 체결(mating)되어 전기 접속 기능의 전기단자(43)가 장착된 프레임(42), 광소자 패키지(45)의 구동을 제어하는 광제어소자(44), 신호의 광전 변환 또는 전광 변환을 수행하는 광소자 패키지(45), 광소자 패키지(45)에서 출사되거나 광소자 패키지(45)에 입사되는 광신호를 전송하는 광전송로(46)를 포함한다.

본 발명의 광전 배선 모듈은, 프레임(42)에 광소자 패키지(45)가 장착되고, 프레임(42) 및 광소자 패키지(45)가 기판(41) 위에 안착되고, 이 프레임(42)의 바닥면의 홈을 통해 광제어소자(44)가 기판(41) 위에 안착되어 기판(41)에 함께 장착되고서 광소자 패키지(45)에 광전송로(46)가 삽입 장착된다.

즉, 본 발명의 광전 배선 모듈은 기판(41) 상에 전기 부품[전기단자(43), 광제어소자(44)]과 광 부품[광소자 패키지(45)]이 장착되는 것이며, 전기 부품이 전기 접속 커넥터 기능의 프레임(42) 내에 위치되는 것이다. 다시 말하면, 본 발명은 '기판 상 플러그 내 소자 배치 구조'를 가진다.

부언 설명하면, 광제어소자(44)는 프레임(42)에 장착되는 것이 아니라, 기판(41) 위에 장착되는 것이며, 이를 위해 프레임(42)의 바닥면에 광제어소자(44)가 통과될 수 있는 홈이 형성되어 있는 것이다.

앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 광전 배선 모듈은 전기단자(43)가 보드 상의 리셉터클에 체결(mating)되어 기기 내 보드 간 데이터 전송 연결에 사용된다.

즉, 본 발명의 프레임(42) 및 전기단자(43)는 주지의 전기 커넥터[플러그]의 기능을 하는 것이며, 도면에 도시된 형상, 구조로 한정되는 것은 아니다. 다시 말하면, 본 발명의 광전 배선 모듈의 전기단자(43) 및 프레임(42)은 B2B(Board to Board) 커넥터의 다양한 형상, 구조를 가지는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.

상기 프레임(42)은 그 양 측면의 내벽 및 외벽에 리셉터클에 전기적 체결되는 전기단자(43)가 장착되고, 그 측면의 전기단자(43)에 연결되어 바닥면에 형성된 전기리드(43a)가 구비된다. 이러한 프레임(42)은 플라스틱 사출물 등으로 구성될 수 있으며, 주지의 전기 커넥터 공정으로 제조될 수 있다.

특히, 본 발명의 프레임(42)은 그 양 측면의 내벽 및 외벽에 전기단자(43)가 형성되어 있어 리셉터클에 체결 시 이중 접점 구조를 제공하므로 광전 배선 모듈의 전기 접속 신뢰성을 보장하고 플러그와 리셉터클 간 체결이 빠지는 것을 방지할 수 있는 것이다. 이는 프레임(42) 내부에 본딩 와이어를 사용하지 않아도 되어 내부 공간 확보가 이루어져서 이중 접점 구조로 전기단자(43)를 형성할 수 있기 때문이다.

상기 기판(41)은 각종 소자를 장착(실장)하기 위한 배선 및 전극패드를 구비하고 있다. 즉, 기판(41)의 배선을 통해 프레임(42)의 전기단자(43), 전기리드(43a), 광제어소자(44) 및 광소자 패키지(45)가 전기적 연결된다.

본 발명에서 기판(41)은 단면 PCB, 양면 PCB, 다층 PCB, FPC, IC기판, 인터포저 등 절연 특성을 갖는 기재로 이루어지면 족하고, 고밀도, 소형화 회로 구현이 용이한 다층 PCB인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 종래기술3과 같은 금속체 그라운드판이 아닌 PCB를 기판으로 사용하여 소자 연결 및 장착이 용이하며, 본딩 와이어를 사용하지 않기 때문에 협피치의 전기단자(43) 핀(pin) 수가 많아지더라도 광전 배선 모듈을 구현할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명에서는 종래기술3과 같은 와이어 본딩 공정이 아닌 리플로우(reflow) 공정 등으로 프레임(42)의 전기리드(43a)와 광제어소자(44) 및 광소자 패키지(45)를 기판(41)에 장착하여 전기적 연결이 이루어지기 때문에 소형화, 저배화 사이즈의 플러그 전기커넥터로 광전 배선 모듈을 구현할 수 있으며, 양산성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 기판(41)은 플러그 손잡이 기능을 한다. 즉, 광전 배선 모듈의 프레임(42)의 전기단자(43)를 리셉터클(30)에 체결하거나(꽂거나) 리셉터클(30)로부터 착탈하는데(빼는데) 있어 이 기판(41)을 손으로 잡아서 쉽게 조작하면 된다.

아울러, 이러한 기판(41)은 광전 배선 모듈의 커버(덮개) 기능을 하여 광제어소자(44) 및 광소자 패키지(45)의 외부 차폐 작용을 도모한다.

한편, 배경기술에서 설명한 것과 같이 본 발명의 광전 배선 모듈은 송신부와 수신부를 구비한다. 예컨대, 기기 내에서 보드 간 대용량 데이터 고속 전송의 광전 배선 모듈의 경우에 송신부가 CPU가 탑재된 메인보드에 장착되고 수신부가 디스플레이보드에 장착되고 이 송신부와 수신부 간에 광전송로가 구성된다.

본 발명의 광전 배선 모듈의 송신부와 수신부는 도면에 도시된 형상, 구조와 동일하며, 다만 송신부에는 발광제어소자, 발광소자 패키지(예; VCSEL 패키지)가 구비되고, 수신부에는 수광제어소자, 수광소자 패키지(예; PD 패키지)가 구비된다.

상기 광제어소자(44)는 신호의 광전 변환(예; PD에서) 또는 전광 변환(예; VCSEL에서)을 수행하는 광소자 패키지(45)의 구동을 제어하는데, 광전 배선 모듈의 송신부에는 광제어소자로서 발광제어소자가, 수신부에는 광제어소자로서 수광제어소자가 장착된다.

즉, 발광제어소자는 제1전기단자를 통해 입력받은 전기신호 신호처리를 거쳐 이 전기신호가 광신호로 변환되도록 발광소자 패키지를 구동, 제어한다. 이러한 발광제어소자는 SerDes 칩, Driver-IC, 저항기 등의 부품으로 구성될 수 있다.

수광제어소자는 수광소자 패키지를 구동, 제어하여 광전송로로부터 입력받은 광신호를 전기신호로 변환되도록 하여 신호처리 한다. 이러한 수광제어소자는 TIA(Trans-impedance Amplifier), 증폭기, SerDes 칩 등의 부품으로 구성될 수 있다.

상기 광전송로(46)는 광도파로, 광파이버(예; POF 등) 등으로 구현될 수 있으며, 광 전송 매개체로서 코어, 클래드를 구비하면 족하다.

다음으로, 도 6을 참조하여 광소자 패키지(45)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광소자 패키지(45)는 외부의 개구부 및 내부의 공동을 갖는 하우징(51)과, 이 하우징(51)에 장착되는 리드(52)와, 이 리드(52)에 장착되는 광소자 칩(53)을 포함한다. 이러한 본 발명의 광소자 패키지를 일명 'Side View 광소자 패키지'라 정의할 수 있으며, 하우징과 리드와 광소자 칩을 패키징하여 구현한 것이다.

상기 광소자 칩(53)은 'F'자 형태의 2개의 리드(52)에 걸쳐 장착된다. 이러한 광소자 칩(53)은 그 칩 표면으로부터 광을 출사하거나 그 칩 표면으로 광을 입사받는 부품이며, 예를 들어 VCSEL 등과 같은 발광소자 칩 또는 PD 등과 같은 수광소자 칩일 수 있다. 즉, VCSEL인 경우의 광소자 칩(53)은 리드(52)를 통해 광제어소자(44)로부터 입력받은 전기신호를 광신호로 변환하여 그 표면 방향, 즉 하우징(51)의 개구부 방향으로 출사한다. 후술하겠지만, 이 하우징(51)의 개구부에 광전송로(46)가 장착되는 것에 따라 VCSEL의 출사 광이 광전송로(46)로 입력된다.

상기 리드(52)는 광소자 칩(53)이 장착된 상태로 하우징(51)의 바닥면으로부터 하우징(51)의 내부 공동으로 삽입되어 장착된다. 이러한 리드(52)의 하우징 장착에 있어 광소자 칩(53)은 하우징 공동 중앙에 위치하게 되며, 광소자 칩(53)의 출사면 또는 입사면 방향이 하우징(51)의 개구부를 향하게 장착된다.

또한, 리드(52)의 바닥면은 하우징(51)으로부터 돌출되는 형태를 가지며, 광소자 패키지(45)는 프레임(42)의 길이 방향 일단 측면에 형성된 홈부에 그 하우징(51)의 상단면과 리드(52)의 상단면이 삽입 장착된다. 광소자 패키지(45)가 프레임(42)의 홈부에 고정 장착되게 하기 위해 광소자 패키지(45)의 리드(52)의 일단 부분에 쐐기 형상이 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 광소자 패키지(45)가 프레임(42)에 장착된 경우에 광소자 패키지(45)의 하우징(51) 바닥면이 기판(41) 위에 맞닿게 장착되어 고정되고, 광소자 패키지(45)의 리드(52) 바닥면이 기판(41) 위의 전극패드 위에 맞닿게 장착된다.

상기 리드(52)는 기판(41)의 전극패드 위에 올려져서 장착되어 기판(41)과 광소자 칩(53) 간의 연결, 즉 전기신호 배선 기능을 하며, 금속성 도체 재료 등으로 구현될 수 있다.

상기 하우징(51)의 개구부를 통해 내부 공동에 광전송로(46)가 삽입되어 장착된다. 여기서, 하우징(51)의 내부 공동 끝단에는 광전송로(46)가 삽입되는 것을 멈추게 하는 고정 걸림턱을 가진다. 즉, 광전송로(46)의 끝단(바람직하게는 끝단의 코어)이 광소자 칩(53)의 출사면 또는 입사면에 거의 근접되는 위치까지 삽입되는 하우징(51) 내부 공동 끝단 부분에 고정 걸림턱이 형성되어 있다.

본 발명에서 하우징(51)은 플라스틱 사출물 등으로 제작될 수 있으며, 이 플라스틱 사출물을 제작한 후에 리드(52)에 광소자 칩(53)을 본딩하여 장착하는 공정 또는 이 플라스틱 사출물과 리드(52) 및 광소자 칩(53)을 인서트 몰딩(insert molding)하여 장착하는 공정으로 패키징하여 제작할 수 있다.

본 발명의 광소자 패키지(45)와 광전송로(46) 간의 광 결합에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

광소자 패키지(45)의 리드(52)가 기판(41)의 전극패드 위에 올려져 장착된 상태에서 광전송로(46)의 코어를 광소자 패키지(45)의 하우징의 개구부를 통해 걸림턱까지 삽입한다. 이때, 광소자 패키지(45) 하우징의 걸림턱에 의해 광전송로(46)의 코어 끝단이 광소자 패키지(45) 내부의 광소자 칩(53)의 출사면(또는 입사면)에 거의 근접되는 위치(예; 수십 ㎛ 이내의 이격 거리)까지 장착된다.

그리고, 광소자 패키지(45) 개구부 주위 또는/및 내부와 광전송로(46) 끝단 주위에 광 투과성 에폭시를 충진한다. 이는 서로 이격된 광전송로(46) 코어와 광소자 칩 출사면(또는 입사면) 사이의 광 결합을 보상하고, 광전송로(46) 코어의 흔들거림을 잡아줘 고정 부착되도록 한다. 여기서, 광 투과성 에폭시는 광전송로(46)와 비슷한 굴절률을 가지며, 광 투과성이 좋은 폴리머 계열의 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다. 일례로, 1.2 ~ 1.8의 굴절률을 가지고, 광전송로(46)의 파장 대역에서 80 ~ 95%의 광 투과율을 가지는 광 투과성 에폭시가 사용될 수 있다.

부가적으로, 상기 하우징(51)의 내부 공동에서 광전송로(46) 끝단의 코어와 광소자 칩(53)의 출사면 또는 입사면 간에 소정 이격거리가 있는데, 광 포커싱, 즉 광소자 칩(53)의 광이 전송로(46)의 코어에 정확하게 출사되게 하기 위해 하우징(51)의 내부에 렌즈 기능의 구조물 형상을 만들거나 렌즈를 더 장착할 수도 있다.

위와 같이 광소자 패키지(45)의 하우징(51) 내부에 광전송로(46)가 삽입되는 구조이므로 광전송로(46)를 흔들거리는 것을 잡아줘 물리적으로 고정을 보장해 광 정렬 신뢰성을 보장할 수 있는 것이다.

본 발명에서 도 6과 같은 광소자 패키지를 안출한 이유는 다음과 같다.

도 6의 광소자 패키지(45)는 기판(41) 위에 장착되어 그 광소자 칩(53)의 출사면 또는 입사면이 상기 기판(41) 상에서 상기 광전송로(46)와 평행한 동일 축 상에 배치된다. 즉, 광소자 칩(53)의 출사 방향(또는 입사 방향)과, 기판(41)의 길이 방향과, 광전송로(46)의 길이 방향이 동일한 수평 구조인 것이다.

일반적으로 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 수직 공진 표면 발광 레이저 다이오드)은 DBR 레이저가 그 끝이 돌려진 형태로서 통상의 LD와 다르게 광이 측면이 아닌 표면에서 방출된다.

즉, VCSEL 칩의 다이가 광전 배선 모듈의 기판 상면에 장착되어 기판 윗방향으로 광을 방출하며, 광전송로와 광 결합을 하기 위해 45° 미러면을 사용해 90°로 수직되게 경로 변경을 해 줘야 한다.

다시 말하면, 기판에 올려진 광전송로를 향해 광을 방출할 수 있게 VCSEL 칩을 기판에 장착할 수 없으며, 그에 따라, 종래기술에서 설명한 바와 같이 VCSEL 칩을 기판 상면에 장착하거나 기판 측면에 장착하는 경우에 많은 문제점이 발생함을 확인할 수 있다.

한편, 주지의 LED 패키지도 광 출사면의 반대면측[즉 칩의 다이 부분]에 리드가 형성된 구조이므로 이 역시 기판에 올려진 광전송로를 향해 광을 방출할 수 없다. 즉, LED 패키지 구조를 광전 배선 모듈에 전용하더라도 광 결합을 보장할 수 없는 것이다.

이에, 본 발명에서는 기판 위에서 VCSEL 칩과 광전송로가 평행한 동일 축 상에 배치되어 광 결합할 수 있게 하기 위해[주; 이를 본 발명에서는 '수평 정렬 구조'라 정의함] 도 6과 같은 광소자 패키지를 제시하며, 이로부터 광 직접 접속(butt-coupling), 수동 광학 정렬(passive-alignment)을 달성할 수 있는 것이다.

물론, VCSEL과 PD가 동일한 구조를 가지기 때문에 본 발명에서 PD도 도 6과 같이 광소자 패키지화 할 수 있다. 즉, 발광소자 패키지 및 수광소자 패키지는 상기 설명한 광소자 패키지(45)의 구조를 따른다. 여기서, 발광소자 패키지의 발광소자 칩은 소정 파장 대역 및 수~수십 Gbps 성능을 갖는 VCSEL, LED 등으로 구현될 수 있으며, 바람직하게는 VCSEL인 것이 좋다. 수광소자 패키지의 수광소자 칩은 PD 등으로 구현될 수 있다.

다음으로, 도 7을 참조하여 광전 배선 모듈의 조립 과정을 설명하면 다음과 같다.

플라스틱 사출물과 금속체를 이용하여 전기단자(43) 및 전기리드(43a)가 장착된 프레임(42)을 제작하고, 하우징(51)과 리드(52)와 광소자 칩(53)을 패키징하여 광소자 패키지(45)를 제작한다. 그리고, 이 광소자 패키지(45)를 프레임(42)에 장착한다.

그리고, 광소자 패키지(45)가 장착된 프레임(42)과 광제어소자(44)를 기판(41) 위에 위치시킨 상태에서 소자 장착 공정을 진행한다. 즉 프레임(42)의 전기리드(43a) 및 광소자 패키지(45)의 리드(52)를 기판(41) 상의 해당 전극패드 위에 올려서 장착한다.

본 발명에서는 프레임(42)과 광제어소자(44)를 기판(41)에 장착하는데 있어, 기판(41) 상에 개별적으로 또는 동시에 플립 칩 본딩(flip chip bonding), SMT, 리플로우(reflow), 와이어 본딩(wire bonding) 등과 같은 어느 하나의 공정 또는 선택적 조합 공정을 통해 장착될 수 있다.

바람직하게는, 기판(41)에 프레임(42)과 광제어소자(44)를 올리고서 1 번의 리플로우 공정으로 진행하며, 이때 리플로우 온도를 고려해 프레임(42) 및 하우징(51)은 온도 내구성 있는 플라스틱 사출물인 것이 좋다.

그리고, 기판(41)에 프레임(42)과 광제어소자(44)를 장착한 상태에서 광소자 패키지(45)에 광전송로(46)를 삽입 고정한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 광소자 패키지와 광전송로 간 광 결합 구조를 갖는 광전 배선 모듈은 다음과 같은 장점이 있다.

광소자 패키지 등을 포함하는 광전 배선 모듈의 소자 및 부품을 별도의 가공 없이 그대로 사용할 수 있으며, 저비용, 고신뢰성으로 대량 생산이 용이하며, 이러한 소자 및 부품을 기판에 장착하는 공정이 용이하여 제조 속도 등의 양산성을 보장할 수 있다. 아울러, 광전송로의 미러면 가공 공정을 하지 않아도 된다.

광소자 패키지와 광전송로 간의 수평 정렬 구조로서, 렌즈, 미러 등의 별도의 부재 없이 광소자 패키지와 광전송로가 서로 근접된 거리로 광 직접 접속(butt-coupling)될 수 있고, 광소자 패키지와 광전송로 결합 시 계측장비로 측정을 하면서 위치 조정 등을 수행하는 능동 광학 정렬이 아닌 수동 광학 정렬(passive-alignment)을 할 수 있고, 광 결합 신뢰성 보장, 부품 장착 물리적 안정성 등을 보장할 수 있다.

수직 정렬이 아닌 수평 정렬 구조를 가지기 때문에 광 결합 이격거리를 최소화하여 광 정렬 신뢰성을 도모할 수 있다.

전기 커넥터 기능의 프레임을 기판 위에 장착해 프레임 내에 전기 부품과 광 부품을 배치하는 구조를 가져 소형화, 저배화를 도모할 수 있다.

응용 제품의 내부 보드에 적용이 용이하고, 성능, 신뢰성을 보장할 수 있어 광전 배선 모듈의 상용화를 도모할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 광전 배선 모듈이 기기 내에 탑재되어 기기 내 보드 간 데이터 전송 연결에 사용되는 예시를 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 광전 배선 모듈이 적용되는 기기를 보여주기 위한 설명도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 기기 내에서 보드 간 대용량 데이터 고속 전송에 사용되기 위해 광전 배선 모듈이 보드에 장착된다.

기기 내 광전 배선 모듈에 대해 스마트폰에서 CPU와 디스플레이 간 영상 데이터 전송을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

기기 내 광전 배선 모듈에서, 송신부(91)가 메인보드에 장착(탈착)되어 전기적 접속이 이루어지며, 메인보드에서 보내는 전기신호가 송신부(91)의 발광제어소자로 입력된다. 한편, 수신부(92)가 디스플레이보드에 장착(탈착)되어 전기적 접속이 이루어지며, 수신부(92)의 수광제어소자로부터 수신되는 전기신호가 디스플레이보드로 입력된다.

전술한 본 발명의 다양한 실시예에서는 단방향 데이터 전송의 광전 배선 모듈을 예로 들어 설명하였으나, 제1기판에 송수신부를 함께 구성하고 제2기판에 송수신부를 함께 구성하여 양방향 데이터 전송의 광전 배선 모듈을 구현할 수 있으며, 제1기판 및 제2기판 각각에 다수의 송수신부, 즉 광소자 패키지 어레이를 구성하여 다채널 양방향 데이터 전송의 광전 배선 모듈을 구현할 수도 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 사출물 하우징에 광소자 칩을 패키징하여 광소자 패키지를 구성하였으나, 광소자(예; VCSEL, PD)와 광제어소자(예; Driver-IC, TIA, SerDes)를 사출물 하우징에 함께 단일 패키징하여 구현할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

41 : 기판 42 : 프레임
43 : 전기단자 43a : 전기리드
44 : 광제어소자 45 : 광소자 패키지
46 : 광전송로 51 : 하우징
52 : 리드 53 : 광소자 칩

Claims

광전 배선 모듈에 있어서,
기판;
상기 기판에 장착된 프레임;
신호의 광전 변환 또는 전광 변환을 수행하는 광소자 패키지;
상기 광소자 패키지의 구동을 제어하는 광제어소자; 및
상기 광소자 패키지에서 출사되거나 상기 광소자 패키지에 입사되는 광신호를 전송하는 광전송로를 포함하며,
상기 프레임에는 전기단자가 형성되어 있고, 상기 프레임에 상기 광소자 패키지가 장착되고, 상기 프레임의 내부에 상기 광제어소자가 배치되어 상기 기판에 장착되며,
상기 프레임의 내부 바닥면에 홈이 형성되어 있고, 상기 광제어소자가 상기 프레임 내부 바닥면의 홈을 통해 상기 기판의 전극패드에 장착되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 프레임의 일측 하면에 형성된 홈에 상기 광소자 패키지가 장착되고, 상기 프레임 하면에 형성된 전기리드와 상기 광소자 패키지 하면에 형성된 리드가 상기 기판의 전극패드에 장착되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 프레임의 전기단자와 상기 광제어소자 및 상기 광소자 패키지 간은 상기 기판에 형성된 배선을 통해 전기적 연결되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 프레임 양 측면의 내벽 및 외벽에 리셉터클에 전기적 체결되는 상기 전기단자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 광소자 패키지는,
상기 광전송로가 삽입되는 하우징과,
상기 하우징 외부 및 내부에 걸쳐 장착된 리드와,
상기 하우징 내부의 리드 부분에 장착된 광소자 칩
을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 6 항에 있어서,
상기 리드는 상기 하우징의 바닥면으로부터 내부 공동으로 삽입되어 장착되고, 상기 광소자 칩은 상기 하우징 내부의 공동 중앙에 위치한 상기 리드 부분에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 6 항에 있어서,
상기 하우징 외부의 리드 부분은 상기 하우징 바닥면으로부터 돌출되어 있고, 상기 프레임의 일측 하면에 형성된 홈에 상기 하우징의 상단면과 상기 리드의 상단면이 삽입 장착되어 상기 하우징 외부의 리드 부분이 상기 기판 위에 장착되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 8 항에 있어서,
상기 프레임 일측 하면의 홈에 상기 리드 상단면이 고정 장착되게 하기 위해 상기 리드 상단면의 일단 부분에 쐐기 형상이 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 6 항에 있어서,
상기 하우징의 개구부를 통해 내부 공동에 상기 광전송로가 삽입되고, 상기 하우징의 내부 공동에서 상기 광소자 칩의 출사면 또는 입사면에 근접되는 위치에 상기 광전송로가 삽입되는 것을 멈추게 하는 걸림턱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광소자 패키지는,
상기 광소자 칩의 출사면 또는 입사면이 상기 기판 상에서 상기 광전송로와 평행한 동일 축 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임의 전기리드 및 상기 광소자 패키지의 리드가 상기 기판 상의 전극패드 간에 플립 칩 본딩(flip chip bonding), SMT, 리플로우(reflow), 와이어 본딩(wire bonding) 중 어느 하나의 공정으로 상기 기판에 장착되는 것을 특징으로 하는 광전 배선 모듈.