[논문]광 패키징 및 인터커넥션 기술

김동민; 류진화; 정명영

doi:10.6117/kmeps.2012.19.4.013

광 패키징 및 인터커넥션 기술
Optical Packaging and Interconnection Technology 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.19 no.4, 2012년, pp.13 - 18

김동민 (부산대학교 차세대전자기판회로학과) , 류진화 (한국전자통신연구원) , 정명영 (부산대학교 WCU 인지메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

By the need for high-speed data transmission in PCB, the studies on the optical PCB has been conducted with optical interconnection and its packaging technology. Particularly, the polymer-based optical interconnection has been extensively studied with the advantages such as cost-effective and ease of process. For high-efficiency and passive alignment, the studies were performed using the 45 degree mirrors, MT connector, and etc. In this work, integrated PLC device and fiber alignment array block was fabricated by using imprint technology to solve the alignment and array problem of optical device and the optical fiber. The fabricated integrated block for optical interconnection of PLC device has achieved higher precision of decreasing the dimensional error of the patterns by optimization of process and its insertion loss has an average value of 4.03dB, lower than criteria specified by international standard. In addition, a optical waveguide with built-in lens has been proposed for high-efficiency and passive alignment. By simulation, it was confirmed that the proposed structure has higher coupling efficiency than conventional no-lens structure and has the broad tolerance for the spatial offset of optical waveguide.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 최근 연구되고 있는 다양한 고분자 광도파로 기반의 광 인터커넥션 기술과 패키징 기술을 살펴보고, 고정밀도, 고효율, 수동정렬을 위한 일체형 평면 광소자 제작과 렌즈 일체형 광도파로를 이용한 새로운 형태의 광 인터커넥션 기술을 소개하고자 한다.

가설 설정

(b) Waveguide core patterns with mirror structures for half reflection and full reflection.

제안 방법

3, 4는 MT 커넥터를 이용한 장착형 광 인터커넥션 기술에 관해 연구 발표된 문헌에 나타난 수동정렬 광회로층 공정개략도 및 제작된 장착형 모듈이다. MT-pin을 통해 모듈의 수동정렬을 가능케 하였고, 렌즈 어레이를 사용하여 광결합 효율을 향상시켰다. 삽입손실은 송신부에서 0.
광섬유 삽입부에는 포토레지스트를 사용하여 광소자 코어 충진 과정에서 코어 물질이 광섬유 삽입부로 침투하는 것을 방지하였으며, 광소자 코어 충진 공정이 끝난 후 현상액을 통해 광섬유 삽입부의 포토레지스트를 제거하였다.
광소자는 코어 크기가 50×50 µm인 1×2 스플리터이며, 광섬유용 채널은 광섬유 지름인 125 µm를 고려하여 설계하였다.
광소자와 광섬유의 광 정렬 및 연결 구조를 제작하기 위하여 광소자 패턴 및 광섬유를 삽입할 수 있는 Ugroove 형태의 광섬유용 채널 패턴을 설계하였다. 광소자는 코어 크기가 50×50 µm인 1×2 스플리터이며, 광섬유용 채널은 광섬유 지름인 125 µm를 고려하여 설계하였다.
1, 2는 다층 광회로 구현 연구 문헌에서 발표된 45° 미러를 이용한 광소자와 광도파로 간 인터커넥션의 개략도 및 제작된 광도파로 패턴이다. 기계가공을 통하여 임프린트용 광도파로 패턴을 직접적으로 제작하였으며, 본 문헌에서 제작된 광도파로의 도파손실은 0.11 dB/cm, 미러에 의한 손실은 2 dB 이하로 보고되었다.⁸⁾
따라서 광도파로와 그루브 사이의 치수 정밀도에 한계성을 내포하고 있다. 따라서 단일 공정을 통해 평면 광소자 패턴과 U-그루브 패턴을 동시에 제작하여 광섬유와 광소자의 정렬 및 접속을 동시에 구현하는 기법이 연구되었고, 아래 Fig. 5에 설계된 평면 광소자와 광섬유의 정렬을 위한 일체형 구조를 나타내었다.^11-12)
또한 광 PCB에서 광원 및 포토다이오드와 광도파로 간 고효율 수동정렬을 위하여 아래 Fig. 11과 같이 렌즈 일체형 광도파로 구조가 제안되었다.¹³⁾
사용된 광섬유는 다중 모드 광섬유로 코어의 크기는 50 µm이며, 광섬유의 코어와 광소자의 코어를 동일 평면에 형성하기 위하여 광섬유의 코어를 제외한 나머지 크기는 75 µm이므로 광섬유를 광소자와 동일한 높이에서 결합되기 위해 광소자보다 37.5 µm 깊게 설계하여 기하학적으로 광소자의 코어와 광섬유의 코어 중심축을 정렬시켰다.
설계된 광소자의 광정렬 및 연결 구조를 임프린트 패터닝 통해 구현하기 위하여 Fig. 6과 같이 두 번의 포토리소그래피 공정을 사용하여 깊이가 각각 다른 패턴을 실리콘 웨이퍼 위에 형성하였고, 니켈 전주도금법을 통해 Fig. 6(k)와 같이 양각의 니켈 스탬프를 제작하였다.
제거된 광섬유 삽입부에 광섬유를 실장하고 다이싱 공정을 통해 광섬유와 광소자 사이에 10 µm의 간격을 두었다. 여기에 굴절률 매칭 오일을 충진하고 광섬유를 광소자 쪽으로 최대한 밀착시켜 패키징하였다. 다이싱 공정을 통해 광소자와 광섬유 끝단의 표면조도를 개선하였고, 굴절률 매칭 오일을 통하여 광소자와 광섬유의 미결합에 의해 발생하는 광손실을 최소화 하였다.
제거된 광섬유 삽입부에 광섬유를 실장하고 다이싱 공정을 통해 광섬유와 광소자 사이에 10 µm의 간격을 두었다.
제안된 구조는 렌즈 및 보호구조물을 정렬키로 사용하여 탈착이 가능한 구조를 만듦으로써 PCB 공정과정에서 광 회로층과 전기 회로층의 제작공정을 분리할 수 있다. 따라서 PCB 공정에서 적층 및 소자실장 과정에서 수반되는 열과 압력에 의한 고분자 기반 광도파로의 열변형 문제를 원천적으로 없앨 수 있다.

성능/효과

여기에 굴절률 매칭 오일을 충진하고 광섬유를 광소자 쪽으로 최대한 밀착시켜 패키징하였다. 다이싱 공정을 통해 광소자와 광섬유 끝단의 표면조도를 개선하였고, 굴절률 매칭 오일을 통하여 광소자와 광섬유의 미결합에 의해 발생하는 광손실을 최소화 하였다.
MT-pin을 통해 모듈의 수동정렬을 가능케 하였고, 렌즈 어레이를 사용하여 광결합 효율을 향상시켰다. 삽입손실은 송신부에서 0.72 dB, 수신부에서 1.11dB로 보고되었으며, 92.8125 Gb/s의 전송에서 BER은 10^-12, 광손실은 6 dB로 나타나 대용량 정보전송에서 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.⁹⁾
임프린트 공정에 의해 제작된 PMMA 시트의 광소자와 광섬유 삽입부 패턴은 마스터인 니켈 스탬프와 비교해 1% 이하의 공정오차가 발생하였고, 이로 인해 제작된 평면 광소자의 광정렬 및 인터커넥션 구조가 유효하다고 판단할 수 있다.
제작된 1×2 스플리터의 아웃단 채널 1, 2에 대해 각각 10회 광손실을 측정하였고, 그 결과 평균 4.03 dB의 광손실을 가짐을 확인하였다.

후속연구

현재 광도파로 제작공정, 기판 내 광회로층 내장 등에 관한 연구는 이미 많은 발전을 이루었지만 고효율, 수동정렬, 고집적화를 목표로 한 광 인터커넥션 및 패키징에 관한 연구는 아직도 활발히 수행되고 있다. 광 인터커넥션 및 패키징 기술은 광 PCB의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심요소기술로써, 광 인터커넥션 기술을 통해 향후 광 PCB는 현재의 기술적 한계를 극복하고 대용량의 정보를 실시간으로 전송 및 처리할 수 있는 다기능화, 고집적화 광 PCB로 발전될 것으로 예상된다.
또한 스마트폰 및 고화질 영상기기 시장이 가파르게 증가하고 있고, 자동차 내 멀티미디어 정보처리 및 전송 시스템의 도입이 점차 증가됨에 따라 광 인터커넥션 및 패키징 기술에 대한 수요도 증가될 것으로 전망되며, 나아가 정보통신 분야뿐만 아니라 조선, 항공, 의료, 생명공학 등 각광받는 모든 미래 산업 분야 전반에 걸쳐 핵심원천기술로 발전할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	렌즈 일체형 광도파로 구조가 기판의 박형 패키징이 가능한 이유는?	장착형 구조의 경우 탈착과정에서 기판과 광도파로 간 마찰에 의해 렌즈표면이 손상되어 빛의 산란에 의해 접속손실이 증가할 수 있는데, 렌즈 외부의 구조물을 통해 탈착과정에서 발생하는 도파로 표면손상으로부터 렌즈를 보호함으로써 렌즈를 통한 효율의 신뢰성을 향상시키고 정렬키로 사용되어 수동정렬을 가능케 한다. 그리고 렌즈 일체형 광도파로를 사용한 구조는 별도의 연결장치를 필요로 하지 않고 직접적으로 수동정렬이 가능하기 때문에 기판의 박형 패키징이 가능한 장점이 있다.
	광신호 전송 기술의 이점은?	반면 광신호 전송 기술은 넓은 대역폭과 낮은 소비전력, 병렬전송 및 실장밀도 등 다양한 이점을 가지고 있어 기존의 전기회로층에 광신호 전송 기반의 광회로층을 접목한 광 PCB가 대용량 고속 정보전송에 대한 해결책으로 대두되어 현재 다양한 연구가 이루어지고 있다.3)
	엠보싱이나 임프린트 공정을 이용하는 고분자 광도파로를 이용한 방법의 장점은?	광전송 기술은 칩 레벨, 보드 레벨 등으로 구분되어 자유공간을 이용한 방법, 광섬유를 통한 방법, 고분자 광도파로를 이용한 방법 등 다양한 방법을 통해 연구가 이루어지고 있다. 이 중 고분자 광도파로를 이용한 방법은 엠보싱이나 임프린트 공정을 이용하므로 대량생산에 유리하고, 저가격으로 생산성이 높으며 기계적 안정성이 우수하고, 스플리터나 컴바이너 등과 같은 다양한 형태의 광소자패턴을 제작하기가 용이한 장점이 있어서 최근 광 인터커넥션 분야에서 많은 연구가 수행되고 있다.4-5)

참고문헌 (13)

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J. H. Ryu, P. J. Kim, C. S. Cho, E. H. Lee, C. S. Kim and M. Y. Jeong, "Optical Interconnection for a Polymeric PLC Device Using Simple Positional Alignment", Opt. Express, 19(9), 8571 (2011).

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Y. S. Kim, S. U. Cho, H. J. Kang and M. Y. Jeong, "A Study on the Imprinting Process for an Optical Interconnection of PLC Device", J. KSPE, 29(12), 1376 (2012).

원문보기 상세보기
D. M. Kim, T. K. Lee, T. H. Lee and M. Y. Jeong, "Design for High-Efficient Passive Optical PCB Interconnection by Using Built-In Lens Structure", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(2), 47 (2012).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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