[논문]광 PCB의 광 회로층 제작 및 패키징 기술

김태훈; 허석환; 정명영

doi:10.6117/kmeps.2015.22.1.001

광 PCB의 광 회로층 제작 및 패키징 기술
Fabrication for Optical Layer and Packaging Technology of Optical PCB 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.22 no.1, 2015년, pp.1 - 5

김태훈 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과) , 허석환 (삼성전기(주)) , 정명영 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, data throughput of smart electric devices increases dramatically. There is a great interest in a new technology which exceeds the limit of electrical transmission method. Optical PCB can supplement the weakness of electrical signal processing, the research for optical PCB is very active. In this paper, we propose the thermal imprint lithography process to fabrication optical layer of optical PCB and experiment to optimize the process conditions. We confirm process time, pressure, process temperature, demolding temperature and fabricate optical interconnection structure which has $45^{\circ}$ tilted mirror surface for confirm the interconnection efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

광전송 기술은 칩 레벨, 보드 레벨 등으로 구분되어 자유공간을 이용한 방법이나 광섬유를 통한 방법, 광도파로를 이용한 방법 등 여러 방법을 통하여 연구가 이루어지고 있다. 고분자 광도 파로를 이용한 방법은 임프린트 공정을 이용할 수 있어 저비용 대량생산에 용이하고, 기계적 안정석이 우수하며, 다소 복잡한 형태의 광 회로층 제작도 비교적 간단하게 할 수 있어, 이에 대한 연구가 활발하다.
본 논문에서는 최근 연구되고 있는 다양한 고분자 광 도 파로 기반의 광 회로층 제작 기술에 대해 소개하고자 한다.
일반적인 대칭구조의 1×2 y-branch는 입력되는 신호를 절반으로 나누어 출력하므로, 이상적인 1×2 y-branch의경우 분기된 신호 세기가 입력 신호 세기에 비해 3dB 정도이지만, 광 도파로의 길이, 분기 부분의 각도, 광 도파로 벽면의 조도 및 결함, 광 도파로의 치수 정밀도에 의해 더욱 큰 손실이 발생하게 된다. 임프린트 공정에 의해 광 회로층을 제작하기 위한 공정조건을 찾기 위해 실험을 진행하였다.

제안 방법

Gold mirror의 공차에 따라 광 접속 효율이 결정될 수 있으므로, 이를 시뮬레이션을 진행하여, gold mirror의 공차를 설정하였다. 이 과정에서 사용된 VCSEL의 방사각은 12º 이며, 코어와 클래드의 굴절률은 1.
광 도파로는 두께 300 μm, 높이(h)는 200~400 μm까지 100 μm단위로 변화를 주었고, 반사각도(θPM)는 45º를기준으로 0.5º 씩 변화를 주었으며, 종축방향(Δx), 수평방향(Δz)으로 1 μm 씩 변화를 주며 진행하였다.
5 MPa의 결과와 비교하여 큰 차이를 보이지 않았다. 두 번째로 성형온도의 영향을 확인하였다. 압력은 3.
23 μm인 직선패턴 Si 스탬프를 이용하였다. 성형변수로 온도 140℃, 압력 3.5 MPa, 시간 35sec, 이형온도 80℃를 기준으로 하고 수행하였다. 첫 번째 성형변수로 공정압력의 영향을 확인하기 위해 성형압력을 1.
세 번째로 이형온도에 따른 영향을 확인하였다. 성형압력 3.5 MPa, 시간 35sec, 성형온도 140℃로 고정하고, 이형온도를 80℃부터 110℃까지 10℃단위로 변화시키며 관찰하였다. 유리전이온도 근처에서 이형하는 경우 2 μm가량 선폭 변화가 발생하였고, 그 이외의 온도에서는 이형과정에서 발생하는 치수 변화는 확인되지 않아, 소재의 유리전이온도보다 낮은 온도에서 이형하는 것이 바람직하다.
성형온도가 130℃ 이하인 경우 선폭의 변화폭이 10 μm 이상이었지만, 140℃ 이상에서는 거의 일정하였다. 세 번째로 이형온도에 따른 영향을 확인하였다. 성형압력 3.
두 번째로 성형온도의 영향을 확인하였다. 압력은 3.5 MPa, 시간을 35sec, 이형온도를 85℃로 고정하고, 성형온도를 110℃~150℃까지 10℃씩 변화시키며 관찰하였다. 성형온도가 130℃ 이하인 경우 선폭의 변화폭이 10 μm 이상이었지만, 140℃ 이상에서는 거의 일정하였다.
임프린트 공정에 의해 제작되는 광 도파로의 도파 손실은 공정 과정에서 발생하는 치수 오차 및 각종 결함에 의해 크게 좌우될 수 있다. 앞서 thermal 임프린트 방식에서 공정 변수들이 최종 형상 정밀도에 미치는 영향에 대해 분석하였다. PMMA를 이용한 마이크로 채널 및 사각 패턴의 제작에서는 압력 2.
5 MPa, 시간 35sec, 이형온도 80℃를 기준으로 하고 수행하였다. 첫 번째 성형변수로 공정압력의 영향을 확인하기 위해 성형압력을 1.6 MPa, 2.5 MPa, 3.5 MPa로 설정하고 시간은 35sec, 온도는 140℃, 이형온도 80℃로 고정하였다. 변수로 설정된 성형압력에서는 1.

대상 데이터

여기서는 thermal 임프린트 공정에서 일반적으로 사용되는 유리전이 온도 약 105℃의 PMMA(Polymethyl methacrylate)를 이용하였고, 성형변수 최적화를 위해 선폭과 높이가 각각 44.18 ,μm, 33.23 μm인 직선패턴 Si 스탬프를 이용하였다.

성능/효과

앞서 thermal 임프린트 방식에서 공정 변수들이 최종 형상 정밀도에 미치는 영향에 대해 분석하였다. PMMA를 이용한 마이크로 채널 및 사각 패턴의 제작에서는 압력 2.5 MPa 이상, 공정온도 140℃ 이상, 이형온도 100℃ 이하에서 원활하게 패턴이 복제되는 것을 확인하였다. 광 도파로를 제작하기 위해서는 복제된 패턴에 코어물질을 충진하고, 하부 클래드 제작과 유사한 방법으로 상부 클래드를 제작하면 된다.
결과적으로, gold mirror는 각도 45±1.5º , 수직 방향 0~119 μm, 종축방향 –33~19 μm, 수평방향 –32~32 μm의 범위 내에 있는 경우 최대의 효율을 보였다.
5 MPa로 설정하고 시간은 35sec, 온도는 140℃, 이형온도 80℃로 고정하였다. 변수로 설정된 성형압력에서는 1.6 MPa에서도 원형의 치수는 잘 복제되었으나, 모서리부분에서 충진성이 낮은 문제가 있었다. 그리고 2.
유리전이온도 근처에서 이형하는 경우 2 μm가량 선폭 변화가 발생하였고, 그 이외의 온도에서는 이형과정에서 발생하는 치수 변화는 확인되지 않아, 소재의 유리전이온도보다 낮은 온도에서 이형하는 것이 바람직하다.

후속연구

광 도파로를 제작하기 위해서는 복제된 패턴에 코어물질을 충진하고, 하부 클래드 제작과 유사한 방법으로 상부 클래드를 제작하면 된다. 제작하고자 하는 광 도파로의 형상 및 재료에 따라 공정온도, 압력, 시간, 이형온도 등 공정변수는 변화할 수 있으므로, 충분한 시뮬레이션 및 실험을 통해 적절한 공정 조건을 찾는 것이 중요할 것이다. 또한 임프린트 스탬프의 표면 거칠기가 큰 경우, 제작된 광 도파로에 그대로 표면 형상이 복제되어, 광 도파로의 벽면에 발생한 의도되지 않은 미세 패턴이 생길 수 있다.
이로 인해 광 도파 손실이 발생할 수 있어, 스탬프 제작 공정에도 주의를 기울여야 한다. 추후 이어지는 실험에서는 광 분배 구조의 최적화를 위한 시뮬레이션 및 실험, 제작을 진행하고, 광 분배 손실을 확인한다면, 최적화된 광 회로층을 구성할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구리선 기반의 전기적 신호 전송 방식의 한계는 무엇인가?	최근 보급되는 스마트폰, 태블릿 PC, 울트라 슬림 노트북 등의 스마트 기기는 대용량 고속 정보전송 기술이 필수적으로 필요하다. 하지만 일반적으로 사용되는 인쇄회로기판(Printed circuit board, PCB)은 구리선 기반의 전기적 신호 전송 방식을 사용하는데, 이는 데이터 전송 대역폭의 한계, EMI(Electromagnetic interference), 유전손실, 실장밀도, 소자 간 임피던스 정합 등의 문제로 인해 대용량 고속 정보전송이 어렵다. 고속으로 전기적 신호를 전송하기 위한 다양한 기술이 연구되고 있지만, 이는 높은 제작비용 및 소비전력 상승으로 인해 상용 제품에 적용하기에는 한계가 있다.
	광신호를 이용하여 데이터를 전송하는 기술의 장점은 무엇인가?	고속으로 전기적 신호를 전송하기 위한 다양한 기술이 연구되고 있지만, 이는 높은 제작비용 및 소비전력 상승으로 인해 상용 제품에 적용하기에는 한계가 있다. 반면 광신호를 이용하여 데이터를 전송하는 기술은 소비전력이 낮고, 병렬전송이 가능하며, 높은 실장밀도를 가질 수 있는 점 등 다양한 이점을 가지고 있어, 기존 전기회로와 광 회로층을 접목한 광 PCB 기술이 각광받고 있다.1-4)
	PCB 기판에 광케이블을 삽입하는 방식의 장단점은 무엇인가?	광 PCB 제작방법은 PCB 기판에 광케이블을 삽입하는 방식과 광 도파로를 형성시키는 방법이 있다. 플라스틱 광케이블(Plastic optical fiber, POF) 및 실리카 광케이블 (Silica optical fiber, SOF) 등을 이용하는 경우 손실이 적어 장거리 전송에 유리하지만, 광케이블 수가 증가하는 경우 결선작업이 복잡하고, 부피가 증가하게 된다. 반면, 광 도파로를 이용하는 경우 광케이블보다 손실이 커 수십 cm 이하에서 사용하여야 하고, 교차배열이 어려우며, 배선의 자유도가 낮은 단점이 있지만, 고집적화에 유리한 장점이 있다.

참고문헌 (9)

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K. Dhima, A. Mayer, S. Wang, S. Mollenbeck and H. C. Scheer, "A novel processing procedure for Y/UV-NIT with negative tone resists", Microelectronic Engineering, 110, 85 (2013).

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A. Finn, B. Lu, R. Kirchner, X. Thrun, K. Richter and W. J. Fischer, "High aspect ratio pattern collapse of polymeric UVnano-imprint molds due to cleaning", Microelectronic Engineering, 110, 112 (2013).

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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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