KR101256814B1 - 완전 수동정렬 패키징된 광모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광모듈을 패키징하는 방법 및 그 방법을 이용하여 패키징된 광모듈에 관한 것이다. 자세하게는 광모듈을 패키징함에 있어서, 모든 정렬을 수동정렬 방식을 통하여 정렬한 완전 수동정렬 패키징된 광모듈에 관한 것이다. 본 발명은 구동회로, 수신회로를 포함하는 기판; 직선상에 형성되는 하나 이상의 수동정렬홀 및 사각홈을 구비하고, 상기 사각홈 내에 하나 이상의 정렬패턴들을 구비하며, 상기 기판상에 실장되는 서브마운트; 상기 서브마운트의 정렬패턴을 기준으로 본딩되며, 상기 구동회로와 전기적으로 연결된 광원; 상기 서브마운트의 정렬패턴을 기준으로 본딩되며, 상기 수신회로와 전기적으로 연결된 광검출기칩; 제1 정렬홀, 제2 정렬홀을 포함하며, 상기 수동정렬홀상에 정렬볼을 결합한 후 상기 정렬볼과 상기 제1 정렬홀을 수동정렬 방식으로 결합하여 상기 서브마운트 상에 실장되는 상부광학부품; 및 정렬핀을 구비하며, 상기 정렬핀에 의해 상기 제2 정렬홀과 정렬되어 결합되는 광섬유 커넥터;를 포함하며는 수동정렬 패키징된 광모듈을 제공한다. 본 발명에 의하면 능동정렬 방식에 의한 광모듈의 패키징에 비해서 패키징 비용이 절약되고, 생산능력이 향상되는 효과가 있다. 이러한 광모듈의 패키징 기술을 응용하여 능동광케이블형 광모듈, 어레이형 광연결용 광모듈, 광USB, 광HDMI, 광DVI, 광Display-port 등의 광모듈을 저가로 대량생산 할 수 있는 효과가 있다.

Description

완전 수동정렬 패키징된 광모듈 및 그 제조방법 {All passive aligned optical module and manufacturing method thereof}

본 발명은 광모듈을 패키징하는 방법 및 그 방법을 이용하여 패키징된 광모듈에 관한 것이다. 자세하게는 광모듈을 패키징함에 있어서, 모든 정렬을 수동정렬 방식을 통하여 정렬한 완전 수동정렬 패키징된 광모듈에 관한 것이다.

능동광케이블형 광모듈, 어레이형 광연결용 광모듈, 광USB, 광HDMI, 광DVI, 광Display-port 등의 광모듈에서는, 경우에 따라 다소 차이가 있지만, 대략적으로 싱글모드인 경우는 광섬유와 광원/광검출기 사이의 정렬 정밀도를 ±1㎛ 이하를 요구하고, 멀티모드인 경우는 ±5㎛ 정도의 정렬 정밀도를 요구하고 있다.

이렇게 매우 정밀한 구조의 광결합 장치를 제작하기 위해서 종래의 기술에서는 고정밀의 스테이지와 외부 전원을 이용하는 능동정렬 방식으로 광섬유와 광원/광검출기를 광결합시키고 고정시켰다. 이 능동정렬 방식은 광원/광검출기가 동작 상태를 유지하게 한 상태에서 광섬유를 X-Y-Z축 뿐만 아니라 회전축까지 정밀 조절하면서, 최대 광결합이 이루어지는 위치를 찾기 때문에 작업 시간 및 공정 장비, 공정 비용 등이 많이 든다.

능동정렬 조립방식에 의한 종래의 양방향 광 송수신기는 모서리 발광 레이저(Edge Emitting Laser)가 사용되므로 고온에서 성능 저하가 극심하고, 모니터 포토다이오드를 사용한 피드백 제어가 요구되며 재료비가 비쌀 뿐만 아니라 타원형 빔을 원형으로 만들기 위해 렌즈 광학계의 구조가 복잡해지는 문제점이 있다. 또한 종래의 양방향 광 송수신기에서는 통신 채널의 한쪽에 수직 발광 다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers : VCSEL)를 사용하였더라도 반대쪽에는 Non-VCSEL을 사용하므로써 VCSEL의 장점을 극대화시키지 못할 뿐만 아니라 능동 정렬 공정이 5분 이상 소요되므로 시장에서 대량 수요가 있더라도 이를 충족시킬 수가 없었다. 그리고 TO 캔을 광 모듈의 하우징에 고정시키기 위하여 접착제를 사용하는 경우, 모듈의 온도가 변하게 되면 접착제와 주변 금속과의 온도 팽창 계수 차이로 인하여 TO 캔이 미세하게 이동하여 이에 따라 초점이 이동하므로 접착제를 사용하는 대신 레이저로 국부 용접을 하는 공정이 필수적이기 때문에 대량 생산하기에 부적합하고 고가의 조립 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.

이에 반해 픽엔 플레이스 (pick and place) 방식의 수동정렬 조립은 광원/광검출기를 동작시킬 별도의 장치가 필요하지 않으며, 단순히 각 부품을 제 위치에 가져다가 놓은 방식을 취하기 때문에 공정 시간, 장비, 비용 등이 적게 든다. 이 수동정렬 방식에서의 가장 큰 걸림돌은 고정밀의 구조물을 가지는 광모듈을 패키징하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 광모듈의 제조공정에서 능동정령방식을 배제하고 완전 수동정렬 방식으로 광모듈을 패키징하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다. 완전 수동정렬 방식이란 광모듈을 제조함에 있어서 정밀하게 가공된 기구적 조립으로만 광모듈을 제조하는 방식으로, 광모듈 제조공정 중에 능동정렬방식이 배제되므로 공정 시간의 단축, 비용의 절감에 매우 효과적인 패키징 방법이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명은 구동회로, 수신회로를 포함하는 기판; 직선상에 형성되는 하나 이상의 수동정렬홀 및 사각홈을 구비하고, 상기 사각홈 내에 하나 이상의 정렬패턴들을 구비하며, 상기 기판상에 실장되는 서브마운트; 상기 서브마운트의 정렬패턴을 기준으로 본딩되며, 상기 구동회로와 전기적으로 연결된 광원; 상기 서브마운트의 정렬패턴을 기준으로 본딩되며, 상기 수신회로와 전기적으로 연결된 광검출기칩; 제1 정렬홀, 제2 정렬홀을 포함하며, 상기 수동정렬홀상에 정렬볼을 결합한 후 상기 정렬볼과 상기 제1 정렬홀을 수동정렬 방식으로 결합하여 상기 서브마운트 상에 실장되는 상부광학부품; 및 정렬핀을 구비하며, 상기 정렬핀에 의해 상기 제2 정렬홀과 정렬되어 결합되는 광섬유 커넥터;를 포함하며는 수동정렬 패키징된 광모듈을 제공한다.

본 발명은 상기 수동정렬 패키징된 광모듈에 있어서, 상기 수동정렬홀의 중심을 이은 선상에 상기 광원의 발광부와 상기 검출기칩의 수광부의 중심이 위치하는 것을 특징으로 하는 수동정렬 패키징된 광모듈을 제공한다.

본 발명은 상기 수동정렬 패키징된 광모듈을 제작하는 방법에 있어서, 상기 서브마운트에 상기 광원과 광검출기칩을 상기 정렬패턴을 기준으로 정렬하여 본딩하는 단계; 상기 구동회로와 수신회로를 기판상에 다이본딩 또는 플립칩본딩하는단계; 상기 구동회로와 수신회로를 각각 상기 광원과 광검출기칩에 와이어본딩하는 단계; 상기 서브마운트 상의 수동정렬홀에 상기 정렬볼을 올려놓고 접착하는 단계; 상기 광학부품의 제1 정렬홀을 상기 정렬볼에 맞추어 수동정렬하는 단계; 상기 광섬유 커넥터의 정렬핀을 상기 광학부품의 제2 정렬홀에 결합하는 단계;를 포함하는 수동정렬 패키징된 광모듈을 제작하는 방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 능동정렬 방식에 의한 광모듈의 패키징에 비해서 패키징 비용이 절약되고, 생산능력이 향상되는 효과가 있다. 이러한 광모듈의 패키징 기술을 응용하여 능동광케이블형 광모듈, 어레이형 광연결용 광모듈, 광USB, 광HDMI, 광DVI, 광Display-port 등의 광모듈을 저가로 대량생산 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 서브마운트
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 기판상에 서브마운트를 실장하고 구동회로와 수신회로를 와이어본딩 및 다이본딩한 모습을 도시한 도면
도 3은 서브마운트에 광학부품을 수동정렬하여 실장한 모습
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광학부품에 광섬유 커넥터(MT 페룰)을 결합한 모습
도 5는 본 발명의 일실싱예에 따른 수동정렬 패키징된 광모듈의 제조방법을 순서대로 나타낸 도면

광 신호 데이터 전송시, 정확한 정렬이 매우 중요하다. 광 섬유가 매우 적은 치수를 갖기 때문에, 이러한 섬유를 다른 섬유, 렌즈 혹은 광학 장치로 정렬하는 것은 고 정밀을 요한다. 이런 고 정밀은 결과적으로 광 통신 네트워크의 구현 비용을 증가시킨다. 광 네트워크 구성요소 정렬시, 주요 세 가지 요소를 정밀하게 정렬하여야 한다. 이러한 요소는 수직 발광 다이오드(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers : VCSEL) 및 PIN 어레이와 같은 광전자 장치의 활성영역(active region), 광 신호의 초점을 맞춰 조사하는 광 렌즈 및 광 섬유를 포함한다. 광전자 장치를 렌즈로 정렬하는 여러 공정이 수행되어 왔지만 광 섬유를 렌즈로 정렬하기 위한 저렴하고 효과적인 방법이 요구되고 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 수동정렬 광모듈은 구동회로(210), 수신회로(220)를 포함하는 기판(200); 수동정렬홀(110)과 사각홈(120)을 구비하고, 상기 사각홈(120) 내에 하나 이상의 정렬패턴(130)들을 구비하며, 상기 기판(200)상에 실장되는 서브마운트(100); 상기 서브마운트(100)의 정렬패턴(130)을 기준으로 본딩되며, 상기 구동회로(210)와 전기적으로 연결된 광원(140); 상기 서브마운트(100)의 정렬패턴(130)을 기준으로 본딩되며, 상기 수신회로(220)와 전기적으로 연결된 광검출기칩(150); 제1 정렬홀(310), 제2 정렬홀(320)을 포함하며, 상기 수동정렬홀상(110)에 정렬볼(320)을 결합한 후 상기 정렬볼(320)과 상기 제1 정렬홀(310)을 수동정렬 방식으로 결합하여 상기 서브마운트(100) 상에 실장되는 상부광학부품(300); 및 정렬핀(410)을 구비하며, 상기 정렬핀(410)에 의해 상기 제2 정렬홀(330)과 정렬되어 결합되는 광섬유 커넥터(400);를 포함한다.

본 실시예의 서브마운트(100)는 두 개의 원형의 수동정렬홀(110)을 구비한다. 수동정렬홀(110)의 크기에 따라 정렬볼(320)의 높이가 결정되고, 이에 따라 서브마운트(100)와 그 위에 실장되는 광학제품(300)간의 간격이 결정되므로 수동정렬홀(110)의 크기를 정확하게 조절하는 것이 매우 중요하다. 광원(140) 및 (광검출기칩(150)과 광학제품(300)간의 정확한 정렬을 위하여 두 개의 수동정렬홀(110)의 중심을 이은 선상에 광원(140)의 발광부 및 광검출기칩(150)의 수광부의 중심이 위치되도록 설계하는 것이 중요하다. 50um 코어 지름을 가지는 멀티모드 광섬유를 기준으로 볼 때, 일반적으로 이 위치의 정렬 오차는 5um 이내로 유지되어야 한다.

본 실시예의 광원(140)은 수직 발광 다이오드 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser : VCSEL) 어레이로 구성될 수 있으며, 광검출기칩(150)은 포토 다이오드(Photo Diode : PD) 어레이로 구성될 수 있다. 본 실시예의 광원(140) 및 광검출기칩(150)은 어레이 칩을 사용하기 때문에 회전각측면에서 오차가 발생할 수 있다. 이들 오차를 모두 최소화하기 위해서 하나의 서브마운트(100)에 수동정렬홀(110)과 정렬패턴(130)이 동시에 들어 있어야 하며, VCSEL 어레이와 PD 어레이가 상부에 실장될 광학부품(300, 예를 들면 마이크로렌즈, 광섬유블록, 광도파로 블록 등)과의 일정 거리의 수직거리를 유지해야 하기 때문에 서브마운트(100)에는 사각홈(120)이 필요하다. 본 발명의 사각홈(120)은 제조상의 편의를 위하여 직사각형의 형상을 띈 것일 뿐 원형이나, 다각형 등으로 이루어진다 하더라도 그 제한이 없음은 자명하다. 서브마운트(100)의 사각홈(120)에 장착되는 광원(140) 및 광검출기칩(150)과 서브마운트(100)의 상부에 실장되는 광학제품(300)과의 이격을 위하여 사각홈(120)의 깊이를 수동정렬홀(110)의 깊이보다 깊게 형성할 수 있다. 또한, 사각홈(120)과 수동정렬홀(110)의 깊이를 동일하게 설계하여 제작할 경우 한 번의 패턴입력으로 사각홈(120)과 수동정렬홀(110)을 제조함으로써 서브마운트(100)의 제작공정을 단순화할 수 있다.

본 실시예의 기판(200)은 인쇄회로 기판(Printed Circuit Board : PCB)를 이용하는 것이 바람직하다. 기판(200) 위에 구동회로(210) 및 수신회로(220)를 다이본딩 또는 플립칩본딩하고, 본딩 전에 각종 R, L, C SMD 소자를 솔더링 할 수 있다. 상기 구동회로(210)는 광원(140)을 구동하며, 상기 수신회로(220)는 광검출기칩(150)을 구동한다. 상기 구동회로(210) 및 수신회로(220)를 각각 광원(140) 및 광검출기칩(150)에 와이어본딩 하며, 본딩된 와이어(부호 없음)를 보호하기 위하여 보호용 에폭시로 광원(140), 광검출기칩(150), 구동회로(210) 및 수신회로(220)를 도포할 수 있다.

본 실시예의 서브마운트(100)와 광학부품(300)은 정렬볼(320)에 의해서 정렬된다. 서브마운트(100)의 수동정렬홀(110)에 정렬볼(320)을 올려놓고 에폭시로 경화시킨 다음 광학부품(300)의 제1 정렬홀(310)을 정렬볼(320)에 맞추어 삽입하면 수종정렬방법으로 간단히 정렬이 끝나게 된다. 상기 정렬볼(320)에 의하여 광학부품(300)이 다소간의 오차를 발생시키면서 실장된다 하더라도 수동정렬에 의하여 정확한 위치에 광학부품(300)이 실장되므로 간단하게 정렬오차가 유지된다.

상부의 광학부품(300)은 제2 정렬홀을 구비하고 있으며, 정렬핀(410)을 가지고 있는 광섬유 커넥터(400)와 연결될 수 있다. 상기 광섬유 커넥터(400)는 상기 광원(140) 및 광검출기칩(150)에 대응되는 수 만큼의 마이크로렌즈를 포함할 수 있으며 광섬유 어레이 커넥터를 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 이에 한정되는 것은 아니나 MT 페룰(Ferrule) 등을 포함한다.

도5는 본 발명을 이용하여 광모듈을 패키징하는 방법을 나타낸 도면이다. 먼저 서브마운트(100)에 광원(140)과 광검출기칩(150)을 정렬패턴(130)을 기준으로 정렬하여 정밀하게 본딩한다. 서브마운트(100)에 광원(140)과 광검출기칩(150)의 정밀 본딩 작업이 끝나면 구동회로(210)와 수신회로(220)를 기판(200) 상에 다이본딩하고 구동회로(210)와 수신회로(220)를 각각 광원(140)과 광검출기칩(150)에 와이어본딩한다. 서브마운트(200) 상의 수동정렬홀(110)에 정렬볼(320)을 올려놓고 에폭시로 경화시킨 다음 상부 광학부품(300)을 올려 놓는다. 이때 광학부품(300)의 제1 정렬홀(310)을 정렬볼(320)에 맞추어 삽입하면 수동정렬방법으로 간단히 정렬이 끝나게 된다. 광섬유 커넥터(400)의 정렬핀(410)을 광학부품(300)의 제2 정렬홀(330)에 결합하여 정렬을 완료한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.

100: 서브마운트
110: 수동정렬홀
120: 사각홈
130: 정렬패턴
140: 광원
150: 광검출기칩
200: 기판(PCB)
210: 구동회로
220: 수신회로
230: R,L,C SMD 소자
300: 상부 광학부품
310: 제1 정렬홀
320: 정렬볼
330: 제2 정렬홀
400: MT 페룰(Ferrule)
410: 정렬핀

Claims (3)

1. 구동회로와 수신회로를 포함하는 기판;
   직선상에 형성되며, 음각 형상을 갖는 하나 이상의 수동정렬홀 및 사각홈을 구비하고, 상기 사각홈 내에 형성된 하나 이상의 정렬패턴을 구비하며, 상기 기판상에 실장되는 서브마운트;
   상기 서브마운트의 정렬패턴을 기준으로 본딩되며, 와이어본딩에 의해 상기 구동회로와 전기적으로 연결되는 광원;
   상기 서브마운트의 정렬패턴을 기준으로 본딩되며, 와이어본딩에 의해 상기 수신회로와 전기적으로 연결되는 광검출기칩;
   제 1 정렬홀과 상기 제 1 정렬홀과 수직방향으로 형성된 제 2 정렬홀을 포함하며, 상기 수동정렬홀상에 정렬볼을 결합한 후, 상기 정렬볼과 상기 제 1 정렬홀을 수동정렬 방식으로 결합함으로써 상기 서브마운트 상에 실장되는 상부 광학부품; 및
   정렬핀을 구비하며, 상기 정렬핀에 의해 상기 제 2 정렬홀과 정렬되어 상기 상부 광학부품과 수직방향으로 결합되는 광섬유 커넥터를 포함하는 수동정렬 패키징된 광모듈.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 수동정렬홀의 중심을 이은 선상에 상기 광원의 발광부와 상기 검출기칩의 수광부의 중심이 위치하는 것을 특징으로 하는 수동정렬 패키징된 광모듈.
   
3. 제 1항의 수동정렬 패키징된 광모듈을 제작하는 방법에 있어서,
   상기 서브마운트에 상기 광원과 광검출기칩을 상기 정렬패턴을 기준으로 정렬하여 본딩하는 단계;
   상기 구동회로와 수신회로를 기판상에 다이본딩 또는 플립칩 본딩하는 단계;
   상기 구동회로와 수신회로를 각각 상기 광원과 상기 광검출기칩에 각각 와이어본딩하는 단계;
   상기 서브마운트 상의 수동정렬홀에 상기 정렬볼을 올려놓고 접착하는 단계;
   상기 광학부품의 제 1 정렬홀을 상기 정렬볼에 맞추어 수동정렬하는 단계;
   상기 광섬유 커넥터의 정렬핀을 상기 광학부품의 제 2 정렬홀에 결합하는 단계를 포함하는 수동정렬 패키징된 광모듈을 제작하는 방법.
   

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