KR101430634B1 - 광 모듈 - Google Patents

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KR101430634B1
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Abstract

광 모듈이 제공된다. 이 광 모듈은 제 1 깊이의 제 1 트렌치 및 제 1 깊이보다 낮은 제 2 깊이의 제 2 트렌치를 갖는 광학대, 광학대의 제 1 트렌치 내에 제공된 렌즈, 광학대의 제 2 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩, 및 제 1 및 제 2 트렌치들을 제외한 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판을 포함한다. 광학대는 금속 광학대 또는 실리콘 광학대이다.

Description

광 모듈{Optical Modules}
본 발명의 광 모듈에 관한 것으로, 더 구체적으로 고주파 신호 전달을 위한 광 모듈에 관한 것이다.
10 Gbps 이상의 광 송신 또는/및 광 수신 모듈(module)에서 고주파 신호를 전송 및 처리하기 위하여 금속 패키지(package) 내부에는 세라믹 서브마운트(ceramic submount)가 사용되고 있으며, 금속 패키지 외부에는 연성 인쇄회로 기판(Flexible Printed Circuit Board : FPCB)이 사용되고 있다. 이와 같은 세라믹 서브마운트 및 연성 인쇄회로 기판에서는 공면 도파로(CoPlanar Waveguide : CPW) 형태의 전극이 사용되고 있다. 또한, 고주파 신호를 반사 없이 전송하기 위하여 단자부하 정합저항 소자(termination matching resistor)가 세라믹 서브마운트 상에 박막 형태(thin-film type)로 집적될 뿐 아니라, 공진(resonance)에 의한 고주파 신호의 왜곡 현상을 방지하기 위하여 상부 접지(ground) 전극 및 하부 접지 전극을 전기적으로 연결하여주는 비아 홀(via hole)이 형성된다. 이와 같은 박막 형태의 정합저항 소자 및 비아 홀을 세라믹 서브마운트 상에 형성하는 것은 높은 비용을 소요하는 공정으로, 광 모듈을 제작하기 위한 전체 비용의 상당한 부분을 차지한다. 게다가, 세라믹 서브마운트 상에 고품질의 박막 형태의 정합저항 소자를 형성하거나, 정교한 비아 홀을 형성하는 것은 고도의 기술력을 필요로 한다.
이에 더하여, 세라믹 서브마운트를 사용하는 광 모듈 구조는 금속 패키지 몸체에 세라믹 피드-쓰루(feed-through)가 형성되어 있어, 금속 패키지 내부에 있는 세라믹 서브마운트의 고주파 전송 선로는 와이어 본딩(wire bonding)에 의하여 세라믹 피드 쓰루에 형성된 고주파 전송 선로와 연결되며, 금속 패키지 외부에서는 연성 인쇄회로 기판의 고주파 전송 선로와 세라믹 피드-쓰루에 형성된 고주파 전송선로가 서로 납땜(soldering)에 의하여 연결된다. 일반적으로, 고주파 신호가 와이어 본딩에 의하여 여러 단계를 거쳐 연결되는 경우, 특성 임피던스(characteristic impedance) 부정합(mismatch)에 의하여 고주파 신호가 반사되기 때문에, 광 모듈의 고주파 신호 특성이 심각하게 저하된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 특성 임피던스의 부정합을 최소화하고, 그리고 고주파 공진을 억제하여 고주파 신호 특성을 향상시킬 수 있는 광 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 광 모듈을 제공한다. 이 광 모듈은 제 1 깊이의 제 1 트렌치 및 제 1 깊이보다 낮은 제 2 깊이의 제 2 트렌치를 갖는 광학대와, 광학대의 제 1 트렌치 내에 제공된 렌즈, 광학대의 제 2 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩과, 제 1 및 제 2 트렌치들을 제외한 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판과, 렌즈 및 반도체 칩이 제공된 광학대, 및 연성 인쇄회로 기판을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 둘러싸는 금속 패키지 부재를 포함할 수 있다. 광학대는 금속 광학대 또는 실리콘 광학대일 수 있다. 상기 금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고, 상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 슬릿을 통해 상기 금속 패키지 부재의 외부로 연장될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판에 대향하는 광학대의 하부면의 전면을 덮도록 제공된 열전 소자를 더 포함할 수 있다.
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금속 패키지 부재에 세라믹 피드-쓰루가 제공되고, 세라믹 피드-쓰루는 금속 패키지 부재의 외부에서 외부 연성 인쇄회로 기판과 전기적으로 연결되고, 그리고 연성 인쇄회로 기판은 금속 패키지 부재의 내부에서 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판은 리본 와이어 또는 본딩 와이어에 의해 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결되고, 그리고 외부 연성 인쇄회로 기판은 솔더링에 의해 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결될 수 있다.
금속 패키지 부재는 렌즈에 인접하는 부위에 창을 구비하면서 외부 페룰과의 연결을 위한 리셉터클을 포함할 수 있다.
연성 인쇄회로 기판 상에 제공되는 매칭저항 소자를 더 포함할 수 있다.
반도체 칩은 전계흡수형 변조기 집적 레이저, 커패시터, 포토다이오드, 레이저 다이오드 또는 서미스터 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
연성 인쇄회로 기판은 도전 선로, 하부 접지 선로 및 도전 선로와 하부 접지 선로 사이에 개재된 절연층을 포함할 수 있다. 도전 선로는 신호 전송 선로, 상부 접지 선로 및 전극 선로를 포함할 수 있다.
연성 인쇄회로 기판은 상부 접지 선로와 하부 접지 선로를 전기적으로 연결하기 위한 비아 홀을 가질 수 있다. 상부 접지 선로와 하부 접지 선로는 비아 홀의 적어도 일부를 채우는 도전 물질에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판의 하부 접지 선로는 광학대와 전기적으로 연결될 수 있다. 하부 접지 선로와 광학대는 실버 페이스트를 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
신호 전송 선로 및 상부 접지 선로는 공면 도파로 또는 마이크로스트립 선로일 수 있다.
절연층은 2~4 범위의 유전율을 갖고, 그리고 0.001~0.05 범위의 유전 손실을 가질 수 있다.
절연층은 폴리이미드 또는 테프론을 포함할 수 있다.
절연층은 20~80 μm 범위의 두께를 가질 수 있다.
금속 광학대는 동텅스텐, 구리, 코바, 알루미늄 합금 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
실리콘 광학대는 실리콘 기판 및 실리콘 기판 상에 제공된 금 도금층을 포함할 수 있다.
광학대의 일 표면 상에 제공된 금 도금층을 더 포함할 수 있다.
렌즈는 금속 하우징으로 고정된 렌즈 또는 베어 칩 형태의 사각 렌즈일 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 광 모듈을 제공한다. 이 광 모듈은 열전 소자, 열전 소자 상에 제공되되, 렌즈가 제공된 제 1 광학대, 렌즈가 제공된 영역을 제외한 제 1 광학대 상에 제공되되, 트렌치를 갖는 제 2 광학대, 제 2 광학대의 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩, 트렌치를 제외한 제 2 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판, 및 열전 소자, 렌즈가 제공된 제 1 광학대, 반도체 칩이 제공된 제 2 광학대 및 연성 인쇄회로 기판을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 둘러싸는 금속 패키지 부재를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 광학대들은 금속 광학대 또는 실리콘 광학대일 수 있다. 상기 금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고, 상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 슬릿을 통해 상기 금속 패키지 부재의 외부로 연장될 수 있다.
금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고, 연성 인쇄회로 기판은 슬릿을 통해 금속 패키지 부재의 외부로 연장될 수 있다.
금속 패키지 부재에 세라믹 피드-쓰루가 제공되고, 세라믹 피드-쓰루는 금속 패키지 부재의 외부에서 외부 연성 인쇄회로 기판과 전기적으로 연결되고, 그리고 연성 인쇄회로 기판은 금속 패키지 부재의 내부에서 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판은 리본 와이어 또는 본딩 와이어에 의해 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결되고, 그리고 외부 연성 인쇄회로 기판은 솔더링에 의해 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결될 수 있다.
금속 패키지 부재는 렌즈에 인접하는 부위에 창을 구비하면서 외부 페룰과의 연결을 위한 리셉터클을 포함할 수 있다.
연성 인쇄회로 기판 상에 제공되는 매칭저항 소자를 더 포함할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 또 다른 광 모듈을 제공한다. 이 광 모듈은 열전 소자, 열전 소자 상에 제공되되, 렌즈가 제공된 제 1 광학대, 제 1 광학대로부터 이격되어 열전 소자 상에 제공되되, 트렌치를 갖는 제 2 광학대, 제 2 광학대의 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩, 제 2 트렌치를 제외한 제 2 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판, 및 열전 소자, 렌즈가 제공된 제 1 광학대, 반도체 칩이 제공된 제 2 광학대 및 연성 인쇄회로 기판을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 둘러싸는 금속 패키지 부재를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 광학대들은 금속 광학대 또는 실리콘 광학대일 수 있다. 상기 금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고, 상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 슬릿을 통해 상기 금속 패키지 부재의 외부로 연장될 수 있다.
금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고, 연성 인쇄회로 기판은 슬릿을 통해 금속 패키지 부재의 외부로 연장될 수 있다.
금속 패키지 부재에 세라믹 피드-쓰루가 제공되고, 세라믹 피드-쓰루는 금속 패키지 부재의 외부에서 외부 연성 인쇄회로 기판과 전기적으로 연결되고, 그리고 연성 인쇄회로 기판은 금속 패키지 부재의 내부에서 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판은 리본 와이어 또는 본딩 와이어에 의해 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결되고, 그리고 외부 연성 인쇄회로 기판은 솔더링에 의해 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결될 수 있다.
금속 패키지 부재는 렌즈에 인접하는 부위에 창을 구비하면서 외부 페룰과의 연결을 위한 리셉터클을 포함할 수 있다.
연성 인쇄회로 기판 상에 제공되는 매칭저항 소자를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 광 모듈은 트렌치(trench) 형성이 용이한 금속 광학대 또는 실리콘 광학대를 사용하여 고주파 신호 전송을 위해 연성 인쇄회로 기판과 전기적으로 연결함으로써, 특성 임피던스의 부정합을 최소화하고, 그리고 고주파 공진을 억제할 수 있다. 이에 따라, 광 모듈의 고주파 신호 특성이 향상될 수 있다. 또한, 10 Gbps 이상, 특히 25 Gbps 고주파 신호의 특성이 향상될 수 있다. 게다가, 종래의 세라믹 서브마운트를 사용하는 광 모듈보다 낮은 비용으로, 그리고 기술적으로 용이하게 광 모듈이 제작될 수 있다. 그 결과, 저가이면서 우수한 품질을 갖는 광 모듈이 제공될 수 있다.
게다가, 본 발명의 과제의 해결 수단에 따르면 광 모듈은 종래의 세라믹 서브마운트보다 열전도도가 높은 금속 광학대를 사용할 수 있기 때문에, 향상된 열 방출 특성을 가질 수 있으며, 그리고 작은 소모 전력을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도;
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈을 설명하기 위해 도 1의 A 부분을 나타내는 개략적인 구성 평면도;
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈을 설명하기 위해 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 모듈을 설명하기 위한 개략적인 구성 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈을 설명하기 위해 도 1의 A분분을 나타내는 개략적인 구성 평면도이고, 그리고 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈을 설명하기 위해 도 2의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 광 모듈(100A)은 열전 소자(Thermo-Electric Cooler : TEC, 110), 광학대(120), 렌즈(lens, 140), 반도체 칩들(152, 154, 156, 158), 연성 인쇄회로 기판(130), 매칭저항 소자(matching resistor, 150) 및 금속 패키지 부재(100)를 포함한다.
금속 패키지 부재(100) 내부에 초소형 열전 소자(110)가 제공된다. 열전 소자(110)는 지지판(104) 및 지지 기둥(106)에 의해 금속 패키지 부재(100) 내부에 제공될 수 있다. 통상적으로, 지지판(104) 및 지지 기둥(106)은 열전 소자(110)는 열전 소자(110)에 포함될 수 있다. 즉, 지지판(104), 지지 기둥(106) 및 열전 소자(110)는 하나의 열전 소자 구조체일 수 있다. 광 모듈(100A)의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위한 것으로, 광 모듈(100A)의 안정적인 구동을 보장할 수 있다.
열전 소자(110) 상부에 광학대(120)가 제공된다. 광학대(120)는 제 1 트렌치(122) 및 제 2 트렌치(124)를 가질 수 있다. 제 1 트렌치(122)는 제 1 깊이를 갖고, 제 2 트렌치(124)는 제 1 깊이보다 낮은 제 2 깊이를 가질 수 있다. 광학대(120)는 열 전도도(thermal conductivity) 및 전기 전도도(electrical conductivity)가 우수할 뿐 아니라, 열 팽창(thermal expansion)이 적은 금속 재질을 사용할 수 있다. 광학대(120)는 금속 광학대(Metal Optical Bench : MOB) 또는 실리콘 광학대(Silicon Optical Bench : SiOB)일 수 있다. 금속 광학대는 동텅스텐(copper-tungsten : CuW), 구리, 코바(kovar), 알루미늄(Al) 합금, 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 금속 광학대의 표면에는 전기 전도도를 더욱 향상시키기 위한 금 도금(gold plating)층이 추가로 제공될 수 있다. 실리콘 광학대는 실리콘 기판 및 실리콘 기판 상에 제공된 금 도금층을 포함할 수 있다. 실리콘 기판은 열 전도도가 우수할 수 있으며, 그리고 금 도금층은 전기 전도도를 향상시킬 수 있다.
광학대(120)의 제 1 트렌치(122) 및 제 2 트렌치(124)의 내부에는 각각 렌즈(140) 및 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)이 제공될 수 있다. 제 2 트렌치(124)의 제 2 깊이는 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)의 높이와 실질적으로 동일하거나 작을 수 있다. 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)은 전계흡수형 변조기 집적 레이저(Electro-absorption Modulated Laser : EML, 152), 포토다이오드(PhotoDiode : PD, 154), 커패시터(capacitor, 156), 서미스터(thermistor, 158) 또는 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)를 포함할 수 있다.
렌즈(140)에 인접하는 금속 패키지 부재(100)의 부위에는 광을 송신, 수신 또는 송/수신에 필요한 창(170)을 구비하는 경통(pipe, 160) 및 경통(160)에 체결되면서 외부 페룰(ferrule, 180)과의 연결을 위한 리셉터클(receptacle, 165)이 제공될 수 있다. 창(170)은 사파이어(sapphire)를 포함할 수 있다. 페룰(180)과 창(170) 사이에는 아이솔레이터(isolator, 190)가 제공될 수 있다.
공면 도파로 또는 마이크로스트립 선로(MicroStrip Line : MSL) 형태의 고주파 신호 전송 선로(136s)를 갖는 연성 인쇄회로 기판(130)이 금속 패키지 부재(100)의 외부에서 금속 패키지 부재(100)의 슬릿(slit, 102)을 통해 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)이 위치하고 있는 금속 패키지 부재(100)의 내부까지 연장된다. 연성 인쇄회로 기판(130)은 금속 패키지 부재(100)의 내부에서 제 1 및 제 2 트렌치들(122, 124)을 제외한 광학대(120)의 상부면을 덮을 수 있다. 즉, 광학대(120) 상의 연성 인쇄회로 기판(130)의 형상은 제 1 및 제 2 트렌치들(122, 124) 부분이 없는 구조로 가공된 모양일 수 있다. 금속 패키지 부재(100)의 외부로 연장된 연성 인쇄회로 기판(130)의 외부 인쇄회로 기판(미도시)에 연결될 수 있다.
반도체 칩들(152, 154, 156, 158)은 광학대(120)의 제 2 트렌치(124)의 내부에 열 전도도가 매우 우수한 솔더 페이스트(solder paste) 혹은 실버 페이스트(silver paste)를 매개로 고정될 수 있다. 광학대(120)는 열전도 기능을 수행할 뿐 아니라, 고주파 신호의 접지 기능을 함께 수행할 수 있다. 또한, 열전 소자(110)의 정밀한 동작을 위해서 서미스터(158)를 다른 반도체 칩(152, 154 또는 156) 근처에 배치해야 하는데, 제 2 트렌치(124)의 내부에 다른 반도체 칩(152, 154 또는 156)과 함께 배치함으로써, 다른 반도체 칩(152, 154 또는 156)에서 발생하는 열을 정확히 감지할 수 있다.
연성 인쇄회로 기판(130)은 광학대(120)의 상부에 전기 전도도가 우수한 실버 페이스트를 이용하여 부착할 수 있다. 이에 따라, 연성 인쇄회로 기판(130)의 접지 선로(132)와 광학대(120)가 전기적으로 연결되어 동일한 접지로 갖도록 형성될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판(130)은 도전 선로(136d, 136g, 136s), 절연층(134) 및 하부 접지 선로(132)로 구성될 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)의 도전 선로(136d, 136g, 136s)는 신호 전송 선로(136s), 상부 접지 선로(136g) 및 전극 선로(136d)를 포함할 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)의 도전 선로(136d, 136g, 136s)의 신호 전송 선로(136s) 및 상부 접지 선로(136g)는 공면 도파로 또는 마이크로스트립 선로 형태일 수 있다.
연성 인쇄회로 기판(130)의 절연층(134)은 유전율(dielectric constrant)이 2 내지 4 범위인 값을 가지며, 그리고 유전손실(dissipation factor)이 0.001 내지 0.05 범위인 매우 낮은 값을 가질 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)의 절연층(134)은 고주파 신호 전송에 적합한 폴리이미드(polyimide) 또는 테프론(teflon)을 포함할 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)의 절연층(134)은 20 내지 80 μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 바람직하게는, 연성 인쇄회로 기판(130)의 절연층(134)은 약 50 μm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 연성 인쇄회로 기판(130)의 절연층(134)은 신뢰성 특성을 보장하기 위하여 흡습(moisture absorption)이 3 % 이하의 낮은 흡습 특성을 갖는 재료일 수 있다.
연성 인쇄회로 기판(130)의 도전 선로(136d, 136g, 136s)의 말단들 각각의 상부에는 광학대(120)의 제 2 트렌치(124)에 집적된 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)과의 전기적인 연결을 위한 입/출력 패드(I/O pad, 137i, 137o)가 제공될 수 있다. 입/출력 패드(137i, 137o)의 상부에서 본딩(bonding) 능력을 향상시키기 위하여 금 도금층이 더 제공될 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)의 전극 선로(136d)의 출력 패드들(137o)과 열전 소자(110)의 열전 소자용 전극 패드들(112) 사이는 본딩 와이어들(bonding wire, 139)에 의해 전기적으로 접속될 수 있고, 그리고 연성 인쇄회로 기판(130)의 신호 전송 선로(136s) 및 전극 선로(136d)의 출력 패드들(137o)과 반도체 칩들(152, 154, 156, 158) 사이도 본딩 와이어들(139)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다. 특히, 연성 인쇄회로 기판(130)의 신호 전송 선로(136s)의 출력 패드들(137o)과 전계흡수형 변조기 집적 레이저(152)의 전계흡수형 변조기 집적 레이저용 전극 패드들(153) 사이는 리본 와이어(ribbon wire)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
광학대(120)의 제 2 트렌치(124)에 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)이 집적되어 있고, 그리고 연성 인쇄회로 기판(130)은 제 2 트렌치(124)의 주변에 제공되어 있기 때문에, 반도체 칩들(152, 154, 156, 158)과 연성 인쇄회로 기판(130) 사이의 전기적인 연결부 및 연결경로가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 고주파 신호의 손실 및 임피던스 부정합이 최소화될 수 있다.
연성 인쇄회로 기판(130)의 신호 전송 선로(136s) 및 상부 접지 선로(136g)는 접지된 공면 도파로(Grounded CPW : GCPW) 또는 마이크로스크립 선로 형태의 고주파 전송 선로일 수 있다. 즉, 연성 인쇄회로 기판(130)의 상부 접지 선로(136g) 및 하부 접지 선로(132)가 서로 연결되어 접지된 공면 도파로를 구성할 수 있다. 접지된 공면 도파로가 제공되는 경우에는 접지된 공면 도파로의 상부 접지 선로(136g)와 하부 접지 선로(132)의 전위를 맞추어 공진 현상을 억제하기 위한 비아 홀(via hole, 138)이 더 제공될 수 있다. 비아 홀(138)의 직경은 약 100 ~ 250 um 범위의 값을, 그리고 서로 인접하는 비아 홀들(138) 사이의 간격은 약 500 ~ 900 um 범위의 값을 가질 수 있다. 비아 홀(138)은 툴 드릴링(tool drilling) 또는 레이저 드릴링(laser drilling) 방법에 의해 용이하게 형성될 수 있다. 접지된 공면 도파로의 상부 접지 선로(136g)와 하부 접지 선로(132)는 비아 홀(138)의 적어도 일부를 채우는 도전 물질에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
전계흡수형 변조기 집적 레이저(152)에서 방출되는 광을 광 섬유로 정렬 및 집속(focusing)하기 위한 렌즈(140)가 금속 패키지 부재(100)의 내부에 집적된다. 렌즈(140)는 광학대(120)의 제 1 트렌치(122)의 바닥에 고정되는 구조를 가질 수 있다. 렌즈(140)는 금속 하우징(metal housing)으로 고정된 렌즈 또는 베어 칩(bare chip) 형태의 사각 렌즈(square lens)일 수 있다. 렌즈(140)가 베어 칩 형태의 사각 렌즈일 경우에는 에폭시(epoxy) 또는 솔더로 광학대(120)의 제 1 트렌치(122)의 바닥에 고정될 수 있다. 또한, 서스(Steel Us Stainless : SUS) 링(ring)에 베어 칩 형태의 렌즈가 고정되어 있을 경우에는 렌즈(140)는 레이저 웰딩(laser welding) 방법에 의하여 광학대(120)의 제 1 트렌치(122)의 바닥에 고정될 수 있다. 이때, 렌즈(140) 바깥의 서스 링과 광학대(120)의 표면이 레이저 웰딩에 의하여 고정될 수 있다. 특히, 렌즈(140)를 레이저 웰딩에 의하여 광학대(120)에 고정하고자 할 때에는 레이저 웰딩성이 우수한 재질의 광학대(120)가 사용될 수 있다. 예를 들면, 동텅스텐, 코바 등과 같은 금속을 사용되는 금속 광학대일 수 있다.
연성 인쇄회로 기판(130)에는 고주파 신호를 왜곡 없이 단자부하(termination)하기 위한 임피던스 매칭저항 소자(150)가 솔더링(soldering) 혹은 플립칩 본딩(flip-chip bonding)에 의하여 제공될 수 있다. 매칭저항 소자(150)는 일반적인 인쇄회로 기판에 적용가능한 표면 실장 소자(Surface Mount Device : SMD) 형태일 수 있다. 매칭저항 소자(150)는 고주파에서 기생 커패시턴스(parasitic capacitance) 또는/및 기생 인덕턴스(parasitic inductance)와 같은 기생 성분이 작을 수 있도록, 그 크기가 200 ~ 600 um 범위의 값을 가질 수 있다. 매칭저항 소자(150)는 매칭저항 소자용 전극 패드(137r)와 전계흡수용 변조기 집적 레이저용 전극 패드(153)를 연결하는 본딩 와이어(139)에 의해 전계흡수용 변조기 집적 레이저(152)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이하 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 모듈들이 설명된다. 도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시예들 각각에 따른 광 모듈의 개략적인 구성 단면도들이다. 전술한 본 발명의 실시예를 통해 설명한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 사용하고 그 설명은 생략한다.
도 4를 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈(100B)이 전술한 본 발명의 실시예에 따른 광 모듈(100A)과 다른 점은, 광학대의 구성이 다르다는 점이다.
광 모듈(100B)은 열전 소자(110), 제 1 및 제 2 광학대들(120a, 120b), 렌즈(140), 반도체 칩들(152, 154, 및 도 2의 156, 158 참조), 연성 인쇄회로 기판(130), 매칭저항 소자(도 3의 150 참조) 및 금속 패키지 부재(100)를 포함한다.
제 1 광학대(120a) 상에는 렌즈(140)가 제공될 수 있다. 렌즈(140)가 제공된 영역을 제외한 제 1 광학대(120a) 상에 트렌치(124)를 갖는 제 2 광학대(120b)가 제공될 수 있다. 제 2 광학대(120b)의 트렌치(124)의 내부에는 반도체 칩들(152, 154, 및 도 2의 156, 158 참조)이 제공될 수 있다. 제 1 광학대(120a) 상에 제 2 광학대(120b)를 제공하는 방법은 앞서 본 발명의 실시예에서 설명된 광학대의 표면에 제공된 금 도금층 사이의 접합에 의해 가능할 수 있다. 또한, 제 1 광학대(120a) 상에 제 2 광학대(120b)를 제공하는 방법은 제 1 및 제 2 광학대들(120a, 120b)의 금 도금층들 사이에 실버 페이스트를 적용하여 접합하는 것에 의해 가능할 수 있다.
도 5를 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈(100C)이 전술한 본 발명의 실시예에 따른 광 모듈(100A)과 다른 점은, 광학대의 구성이 다르다는 점이다.
광 모듈(100C)은 열전 소자(110), 제 1 및 제 2 광학대들(120c, 120d), 렌즈(140), 반도체 칩들(152, 154, 및 도 2의 156, 158 참조), 연성 인쇄회로 기판(130), 매칭저항 소자(도 3의 150 참조) 및 금속 패키지 부재(100)를 포함한다.
제 1 광학대(120c) 상에는 렌즈(140)가 제공될 수 있다. 제 1 광학대(120c)로부터 이격되어 열전 소자(110) 상에 트렌치(124)를 갖는 제 2 광학대(120d)가 제공될 수 있다. 제 2 광학대(120d)의 트렌치(124)의 내부에는 반도체 칩들(152, 154, 및 도 2의 156, 158 참조)이 제공될 수 있다.
도 6을 참조하여 설명되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 모듈(100D)이 전술한 본 발명의 실시예에 따른 광 모듈(100A)과 다른 점은, 연성 인쇄회로 기판(130)이 금속 패키지 부재(100)의 내부에만 제공된다는 점이다.
광 모듈(100D)은 열전 소자(110), 광학대(120), 렌즈(140), 반도체 칩들(152, 154, 및 도 2의 156, 158 참조), 연성 인쇄회로 기판(130), 매칭저항 소자(도 3의 150 참조) 및 금속 패키지 부재(100)를 포함한다.
금속 패키지 부재(100)에 세라믹 피드-쓰루(200)가 제공될 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)은 외부 연성 인쇄회로 기판(130e)과 금속 패키지 부재(100)의 세라믹 피드-쓰루(200)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 연성 인쇄회로 기판(130)은 금속 패키지 부재(100)의 내부에서 세라믹 피드-쓰루(200)의 세라믹 피드-쓰루용 패드(137eo)를 통해 전기적으로 연결되고, 그리고 외부 연성 인쇄회로 기판(130e)은 금속 패키지 부재(100)의 외부에서 세라믹 피드-쓰루(200)와 전기적으로 연결될 수 있다. 연성 인쇄회로 기판(130)의 입력 패드(137i)와 세라믹 피드-쓰루(200)의 세라믹 피드-쓰루용 패드(137eo)는 본딩 와이어(139)에 의해 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 외부 연성 인쇄회로 기판(130e)은 솔더링에 의해 세라믹 피드-쓰루(200)와 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 즉, 연성 인쇄회로 기판(130)과 외부 연성 인쇄회로 기판(130e)은 세라믹 피드-쓰루(130)를 매개로 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈은 트렌치 형성이 용이한 금속 광학대 또는 실리콘 광학대를 사용하여 고주파 신호 전송을 위해 연성 인쇄회로 기판과 전기적으로 연결함으로써, 특성 임피던스의 부정합을 최소화하고, 그리고 공진을 억제할 수 있다. 이에 따라, 광 모듈의 고주파 신호 특성이 향상될 수 있다. 또한, 10 Gbps 이상, 특히 25 Gbps 고주파 신호의 특성이 향상될 수 있다. 게다가, 종래의 세라믹 서브마운트를 사용하는 광 모듈보다 낮은 비용으로, 그리고 기술적으로 용이하게 광 모듈이 제작될 수 있다. 그 결과, 저가이면서 우수한 품질을 갖는 광 모듈이 제공될 수 있다.
게다가, 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈은 종래의 세라믹 서브마운트보다 열전도도가 높은 금속 광학대를 사용하기 때문에, 향상된 열 방출 특성을 가질 수 있으며, 그리고 작은 소모 전력을 가질 수 있다. 이에 따라, 신뢰성이 높은 광 모듈이 제공될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 실시예들에 따른 광 모듈은 고주파 신호 전송을 위해 금속 광학대 또는 실리콘 광학대와 연성 인쇄회로 기판을 전기적으로 연결함으로써, 종래의 세라믹 서브마운트 상에 고주파 신호의 단자부하를 위하여 박막 형태의 매칭저항 소자를 형성하는 매우 어렵고, 비용이 많이 드는 공정과는 달리, 연성 인쇄회로 기판에 용이하게 매칭저항 소자가 형성될 수 있다. 이에 따라, 저가이면서 우수한 품질을 갖는 광 모듈이 제공될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 금속 패키지
100A, 100B, 100C, 100D : 광 모듈
102 : 슬릿
104 : 지지판
106 : 지지 기둥
110 : 열전 소자
112 : 열전 소자용 전극 패드
120, 120a, 120b, 120c, 120d : 광학대
122, 124 : 트렌치
130 : 연성 인쇄회로 기판
130e : 외부 연성 인쇄회로 기판
132 : 하부 접지 선로
134 : 절연층
136d : 전극 선로
136g : 상부 접지 선로
136s : 신호 전송 선로
137i : 입력 패드
137o : 출력 패드
137eo : 세라믹 피드-쓰루 패드
137r : 매칭저항 소자용 전극 패드
138 : 비아 홀
139 : 본딩 와이어
140 : 렌즈
150 : 매칭저항 소자
152 : 전계흡수형 변조기 집적 레이저
153 : 전계흡수형 변조기 집적 레이저용 전극 패드
154 : 포토다이오드
156 : 커패시터
158 : 서미스터
160 : 경통
165 : 리셉터클
170 : 창
180 : 페룰
190 : 아이솔레이터
200 : 세라믹 피드-쓰루

Claims (21)

  1. 제 1 깊이의 제 1 트렌치 및 상기 제 1 깊이보다 낮은 제 2 깊이의 제 2 트렌치를 갖는 광학대;
    상기 광학대의 상기 제 1 트렌치 내에 제공된 렌즈;
    상기 광학대의 상기 제 2 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩;
    상기 제 1 및 제 2 트렌치들을 제외한 상기 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판; 및
    상기 렌즈 및 상기 반도체 칩이 제공된 상기 광학대, 및 상기 연성 인쇄회로 기판을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 둘러싸는 금속 패키지 부재를 포함하되,
    상기 광학대는 금속 광학대 또는 실리콘 광학대이고,
    상기 금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고,
    상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 슬릿을 통해 상기 금속 패키지 부재의 외부로 연장된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연성 인쇄회로 기판에 대향하는 상기 광학대의 하부면의 전면을 덮도록 제공된 열전 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 패키지 부재에 세라믹 피드-쓰루가 제공되고,
    상기 세라믹 피드-쓰루는 상기 금속 패키지 부재의 외부에서 외부 연성 인쇄회로 기판과 전기적으로 연결되고, 그리고
    상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 금속 패키지 부재의 내부에서 상기 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연성 인쇄회로 기판은 리본 와이어 또는 본딩 와이어에 의해 상기 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결되고, 그리고
    상기 외부 연성 인쇄회로 기판은 솔더링에 의해 상기 세라믹 피드-쓰루와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 패키지 부재는 상기 렌즈에 인접하는 부위에 창을 구비하면서 외부 페룰과의 연결을 위한 리셉터클을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 연성 인쇄회로 기판 상에 제공되는 매칭저항 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 칩은 전계흡수형 변조기 집적 레이저, 커패시터, 포토다이오드, 레이저 다이오드 또는 서미스터 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 연성 인쇄회로 기판은:
    도전 선로;
    하부 접지 선로; 및
    상기 도전 선로와 상기 하부 접지 선로 사이에 개재된 절연층을 포함하되,
    상기 도전 선로는 신호 전송 선로, 상부 접지 선로 및 전극 선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 상부 접지 선로와 상기 하부 접지 선로를 전기적으로 연결하기 위한 비아 홀을 가지되,
    상기 상부 접지 선로와 상기 하부 접지 선로는 상기 비아 홀의 적어도 일부를 채우는 도전 물질에 의해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 연성 인쇄회로 기판의 상기 하부 접지 선로는 상기 광학대와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 신호 전송 선로 및 상기 상부 접지 선로는 공면 도파로 또는 마이크로스트립 선로인 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 절연층은 2~4 범위의 유전율을 갖고, 그리고 0.001~0.05 범위의 유전 손실을 갖는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 절연층은 폴리이미드 또는 테프론을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 절연층은 20~80 μm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 광 모듈.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 광학대는 동텅스텐, 구리, 코바, 알루미늄 합금 또는 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 광학대는:
    실리콘 기판; 및
    상기 실리콘 기판 상에 제공된 금 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 렌즈는 금속 하우징으로 고정된 렌즈 또는 베어 칩 형태의 사각 렌즈인 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  20. 열전 소자;
    상기 열전 소자 상에 제공되되, 렌즈가 제공된 제 1 광학대;
    상기 렌즈가 제공된 영역을 제외한 상기 제 1 광학대 상에 제공되되, 트렌치를 갖는 제 2 광학대;
    상기 제 2 광학대의 상기 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩;
    상기 트렌치를 제외한 상기 제 2 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판; 및
    상기 열전 소자, 상기 렌즈가 제공된 제 1 광학대, 상기 반도체 칩이 제공된 상기 제 2 광학대 및 상기 연성 인쇄회로 기판을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 둘러싸는 금속 패키지 부재를 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 광학대들은 금속 광학대 또는 실리콘 광학대이고,
    상기 금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고,
    상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 슬릿을 통해 상기 금속 패키지 부재의 외부로 연장된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  21. 열전 소자;
    상기 열전 소자 상에 제공되되, 렌즈가 제공된 제 1 광학대;
    상기 제 1 광학대로부터 이격되어 상기 열전 소자 상에 제공되되, 트렌치를 갖는 제 2 광학대;
    상기 제 2 광학대의 상기 트렌치 내에 제공된 적어도 하나의 반도체 칩;
    상기 제 2 트렌치를 제외한 상기 제 2 광학대의 상부면을 덮도록 제공된 연성 인쇄회로 기판; 및
    상기 열전 소자, 상기 렌즈가 제공된 제 1 광학대, 상기 반도체 칩이 제공된 상기 제 2 광학대 및 상기 연성 인쇄회로 기판을 외부 환경으로부터 보호하기 위해 둘러싸는 금속 패키지 부재를 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 광학대들은 금속 광학대 또는 실리콘 광학대이고,
    상기 금속 패키지 부재는 슬릿을 갖고,
    상기 연성 인쇄회로 기판은 상기 슬릿을 통해 상기 금속 패키지 부재의 외부로 연장된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
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