KR101940721B1 - 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 채널별 능동정렬에 따라 광결합 효율을 향상시키면서 광모듈 교체를 용이하게 하기 하기 위한 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법에 관한 것으로서, TO(Transistor Outline)-can 기반의 다채널 광모듈 구조물로서, 상기 다채널 광모듈 구조물의 모듈 하우징에 탑재되며, 복수개의 리드핀들이 TO-스템(stem)에 배치되어 있는 모듈 조립체; 상기 리드핀들의 사이 위치를 기준으로 상기 TO-스템(stem)의 상면에 배치되고, 일측전극패드와 타측전극패드가 소자상면에 형성되어 있는 열전소자; 상기 다채널 광모듈 구조물의 다채널 광원 및 광결합기인 복수개의 광원광검출기칩이 상면전극패드에 의해 각각 실장되어 있고, 상기 일측전극패드 및 상기 타측전극패드에 비접촉되도록 상기 열전소자의 소자상면에 배치되는 복수개의 서브마운트; 및 상기 광원광검출기칩에 전원을 인가하면서 미세정렬을 하도록, 상기 서브마운트 각각의 상편전극패드와 상기 열전소자의 일측전극패드 또는 타측전극패드를 서로 전기적으로 연결시키는 정렬지그;를 포함한다.
Description
본 발명은 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원 또는 광검출기를 포함한 광원광검출기칩에 대한 채널별 능동정렬이 가능하고, 채널교체가 가능한 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법에 관한 것이다.
근래 들어, 광을 이용한 물리량 측정 시스템에서 수십 나노미터의 파장가변광원이 요구되고 있다.
일반적으로 출력 중심파장이 다른 다수 개의 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)에 전류를 순차적으로 변조하여 출력되는 빛의 파장은 시간에 따라 선형적으로 안정되게 변화될 필요가 있다.
또한 광통신 분야에서도 데이터 양이 급속도로 증가됨에 따라, 파장 분할 다중화(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 방식을 채택하여서, 파장이 다른 다수 광원을 멀티플렉싱(multiplexing) 하여 하나의 광섬유로 전송할 수 있는 다채널 광모듈 형태의 기술이 나타나고 있으며, 다채널 광모듈 또는 광모듈 패키징 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광모듈 패키징 시 광결합 손실을 최소화 하기 위해 각 구성소자는 수동정렬 또는 능동정렬이 요구된다. 수동정렬 방식에서는 광원광검출기칩의 전원을 인가하지 않고, 미리 설계되어 표시된 위치에 구성소자들이 본딩된다.
반면, 능동정렬 방식에서는 광원광검출기칩에 전원을 인가하여 빛을 발광 및 수광시킨 상태에서, 각 광원광검출기칩에 대한 정렬이 이루어짐으로써, 최적의 광결합 효율을 가진 상태에서 광원광검출기칩 및 그와 관련된 구성소자들이 본딩된다.
따라서, 수동정렬 방식은 패키징이 단순한 반면 정확도가 떨어지고, 능동정렬 방식은 광결합효율이 높지만, 광원광검출기칩에 전원을 인가하는 과정에서 매우 복잡하고 정밀한 정렬 과정이 요구되는 단점이 있다.
예컨대, 종래 기술로서 하기의 선행기술문헌의 특허문헌 1에서는, 기판에 실장되어 있는 다채널 발광 또는 수광소자와 광섬유 간의 광결합을 수동으로 정렬할 수 있는 광모듈 구조물이 개시되어 있다. 여기에서, 렌즈광섬유연결부는 광을 집광하고 가이드하는 초점렌즈와 광의 진행방향을 변경하는 프리즘 및 광섬유를 고정하고 정렬하는 광섬유 커넥터를 단일 구조물로 만들어져 있으며, 기판구멍를 통해 연결될 수 있는 정렬기준부에 끼워져서 수동정렬된다.
그러나 특허문헌 1의 단일모드의 경우에는, 광섬유 코어 크기 혹은 광소자(예: 광결합기 또는 분배기)의 도파로 단면 크기가 수 um로 작기 때문에, 소자들간의 광결합 효율이 좋지 않아 대략 ±1μm 이하의 정렬 정밀도가 요구된다.
그러므로 수동정렬을 하기 위해서는 각 구성소자들의 제작공차를 최소화할 수 있는 고정밀 가공이 되어야 하므로 공정 비용이 많이 들고, 고정밀 가공이 되더라도 수동정렬만으로 ±1μm 이하의 정렬 정밀도를 달성하는 것은 매우 어렵다. 그러므로, 높은 광결합 효율을 위해서는 능동정렬이 필요하다.
한편, 하기의 특허문헌 2는 TOSA(Transmitter Optical SubAssembly) 구조에 관한 것으로서, 렌즈 어레이를 이용하여서, VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이 광원을 광섬유로 커플링 시키는 구조와 그 방법에 대해 설명하고 있다.
이런 종래 기술의 특허문헌 2에서는 VCSEL 어레이 광원이 일정한 간격을 가지는 어레이 형태로 제작이 되었고, 렌즈 또한 어레이로 제작이 된 경우이므로 채널별 오차가 매우 작기 때문에 각 채널별 정렬이 아닌 전체 채널을 능동정렬할 수 있다.
그러나, 예를 들어 광통신에서의 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)의 광원 파장간격이 20nm 정도이고, 수십 나노미터의 파장가변을 할 수 있는 파장가변 광모듈인 경우에는 각 채널별 광원의 출력 파장이 수nm 정도의 간격을 이루므로 어레이 형태의 광원으로 제작하는 것이 불가능해진다.
그러므로, 단일 광원광검출기칩(예: 광원 및 광검출기로 이루어져 있거나 광원 또는 광검출기로 이루어진 칩)을 제작하여 다이본딩 또는 플립칩 본딩하여 사용하게 되는데, 본딩의 오차가 수 μm 정도이고, 싱글모드 광섬유 혹은 다파장의 광원을 집속시켜주는 먹스(MUX)의 도파로 단면 크기도 9 μm 정도로 작기 때문에 본딩에 의한 조금의 오차에 의해 커플링 효율이 많이 낮아지게 된다. 그러므로, 광원광검출기칩을 개별적으로 능동정렬 하는 것이 필요하다.
그러나, 앞서 설명한 것과 같이 능동정렬 방식은 광원광검출기칩이 동작 상태를 유지하게 한 상태에서만 가능하기 때문에, 광원광검출기칩에 전류를 인가하기 위하여 와이어 본딩을 해야 하고, 그러면 와이어 본딩에 의해 광원광검출기칩을 움직일 수 없으므로 정렬이 불가능한 문제점이 있다.
이러한 채널간의 정렬 문제 외에도, 다채널 패키징에서 가장 애로사항 중 하나가 일부 채널이 고장 날 경우, 그 고장난 채널만 교체가 되지 않기 때문에 전체 광모듈을 버려야 하는 문제점이 있다.
그러므로, 본 발명과 관련된 물리량 측정 시스템의 파장가변 광모듈 및 다채널 광송수신 모듈 패키징 기술 분야에서, 광원 또는 광검출기의 역할을 수행하는 광원광검출기칩과 광소자 간의 직접 혹은 간접(예: 발광 혹은 수광되는 광이 렌즈 혹은 빔스플리터 등을 경유하여 결합되는 경우) 광결합 시, 채널별 그 결합 효율을 향상시킬 수 있도록, 채널별 광원광검출기칩에 대한 능동정렬을 가능하게 하고, 다채널 중 일부 혹은 전체 채널이 작동하지 않을 때, 채널 교체가 가능하게 하는 기술 개발이 시급히 요구되는 실정이다.
본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 상기 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 개별 또는 단일 광원광검출기칩에 대하여, 전기적 커플링이 가능한 정렬지그와, 와이어 본딩된 열전소자의 일측전극패드 및 타측전극패드를 이용하여 능동정렬이 이루어진 이후, 광원광검출기칩을 포함한 광유니트가 정렬지그를 통해 고정되게 함으로써, 광원광검출기칩별, 즉 채널별 능동정렬이 가능하고, 일부 혹은 전체 채널에 문제가 발생하였을 시 광유니트 및 정렬지그의 교체가 가능하고, 채널별 광결합 효율을 향상시킬 수 있고, 일부 채널 고장시 광모듈을 버리게 되는 시간적, 경제적으로 소모적인 일을 해소할 수 있는 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의한 다채널 광모듈 구조물은 TO(Transistor Outline)-can 기반의 다채널 광모듈 구조물로서, 상기 다채널 광모듈 구조물의 모듈 하우징에 탑재되며, 복수개의 리드핀들이 TO-스템(stem)에 배치되어 있는 모듈 조립체; 상기 리드핀들의 사이 위치를 기준으로 상기 TO-스템(stem)의 상면에 배치되고, 일측전극패드와 타측전극패드가 소자상면에 형성되어 있는 열전소자; 상기 다채널 광모듈 구조물의 다채널 광원 및 광결합기인 복수개의 광원광검출기칩이 상면전극패드에 의해 각각 실장되어 있고, 상기 일측전극패드 및 상기 타측전극패드에 비접촉되도록 상기 열전소자의 소자상면에 배치되는 복수개의 서브마운트; 및 상기 광원광검출기칩에 전원을 인가하면서 미세정렬을 하도록, 상기 서브마운트 각각의 상편전극패드와 상기 열전소자의 일측전극패드 또는 타측전극패드를 서로 전기적으로 연결시키는 정렬지그;를 포함한다.
상기 모듈 조립체는, 상기 모듈 조립체의 온도를 측정할 수 있도록, 상기 열전소자의 타측전극패드에 실장되는 서미스터를 더 포함한다.
상기 다채널 광모듈 구조물은, 상기 광원광검출기칩에서 각각 발산된 다채널 광원을 각각 포커싱할 수 있는 렌즈 일체형 PLC(Planer Light-wave Circuit) 장치이거나, 또는 상기 광원광검출기칩별로 마련된 각각의 광섬유로 상기 다채널 광원을 각각 집속시킬 수 있는 장치인 광소자를 더 포함한다.
상기 다채널 광모듈 구조물은, 상기 광소자와, 상기 서미스터와, 상기 리드핀들과, 상기 열전소자와, 상기 광원광검출기칩과, 상기 서브마운트와, 상기 정렬지그를 외부 환경으로부터 보호하도록, 상기 TO-스템(stem)위에 안착되고 상기 광소자가 설치된 모듈 하우징의 테두리부에 결합되는 하우징 커버를 더 포함한다.
상기 정렬지그는, 상기 광원광검출기칩 또는 광섬유에 끼워질 수 있는 크기의 구멍을 갖는 가이드링부; 상기 가이드링부의 일측면과 타측면에서 각각 상기 서브마운트의 측면 위치까지 상기 서브마운트의 길이 방향을 따라 연장된 한 쌍의 연장부(extension member); 상기 연장부 각각의 끝에서 하향으로 절곡되어 있는 다리부(leg member); 상기 다리부의 끝에서 상기 서브마운트의 측면의 바깥쪽 방향으로 각각 절곡되어 있는 한 쌍의 날개부(wing member); 및 상기 날개부의 저면과 상기 다리부의 저면과 상기 연장부의 저면 및 상기 가드링부의 양측 저면에 일체형으로 적층되어 있는 금속코팅부;를 포함하고, 상기 날개부의 저면에 대응하는 상기 금속코팅부의 일부분이 상기 열전소자의 상기 일측전극패드 또는 상기 타측전극패드에 접촉되고, 상기 연장부의 저면에 대응하는 상기 금속코팅부의 타부분이 상기 서브마운트의 상기 상면전극패드에 접촉된다.
상기 정렬지그의 상기 가이드링부는, 상기 광원광검출기칩의 측면을 비접촉 상태로 감싸도록 상기 연장부의 두께와 동일하게 형성되어 있다.
상기 정렬지그의 상기 가이드링부는, 상기 광섬유의 원주면을 비접촉 상태로 감싸고, 광섬유와 상기 광원광검출기칩간의 버트 커플링(butt coupling)시 사용되는 인캡슐런트(encapsulant)가 흐르지 않도록, 상기 연장부의 두께에 비해 상대적으로 크게 형성되어 있다.
상기 정렬지그의 상기 날개부는, 상기 정렬지그의 사용 또는 교체를 위하여, 상기 일측전극패드 또는 상기 타측전극패드의 폭의 절반보다 작은 제 1 날개부 길이를 가지고 있거나, 상기 폭의 절반보다 큰 제 2 날개부 길이를 가지고 있다.
상기 정렬지그는 상기 금속코팅부를 제외하고 세라믹 재질 또는 절연소재로 형성되어 있다.
상기 다채널 광모듈 구조물은, 상기 서브마운트 위에 올려진 상기 정렬지그를 상기 열전소자의 상기 일측전극패드 및 상기 타측전극패드 쪽으로 가압하거나, 상기 서브마운트를 평면 방향으로 이동시키도록, 상기 정렬지그의 다리부를 잡을 수 있는 그립퍼(gripper)를 더 포함한다.
상기 그립퍼는, 능동정렬시 발산되는 빛 또는 광섬유에 대하여 장애물이 되지 않도록, 상기 정렬지그의 양측에 위치된 다리부 사이의 거리에 대응하게 이격 배치되어 있는 한 쌍의 핀셋부(tweezers); 상기 핀셋부 각각의 상단에서 수평하게 1차 절곡되어 있고, 절개부를 향하여 서로 가까워지도록 2차 절곡되어 있고, 상기 절개부에서 서로 합체되어서, 상기 핀셋부가 상기 다리부의 외측면에 대하여 마찰력을 발휘하도록, 상기 마찰력에 대응한 탄성력을 갖는 몸체부; 및 상기 핀셋부의 반대쪽 위치를 기준으로 상기 몸체부에 일체형으로 형성된 손잡이부;를 포함한다.
상기 그립퍼는, 상기 손잡이부가 상기 몸체부로부터 상기 절개부의 연장 방향을 따라서 돌출된 직선바 형태로 형성되어 있다.
상기 그립퍼는, 상기 손잡이부가 상기 몸체부로부터 절개부의 연장 방향에 대하여 수직한 방향으로 꺾여 연장된 절곡바 형태로 형성되어 있다.
상기 그립퍼는 세라믹 재질 또는 금속 재질로 형성되어 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법은, TO(Transistor Outline)-can 기반의 다채널 광모듈 구조물에서 그립퍼 및 정렬지그를 사용하여 광원광검출기칩의 능동정렬을 수행하는 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법에 있어서, 상기 광원광검출기칩을 독립된 서브마운트 위에 플립칩 본딩하여 광유니트를 제작하는 단계; 상기 광유니트를 열전소자 위에 배열하고 서미스터를 열전소자의 타측전극패드 위에 본딩하는 단계; 상기 열전소자의 열전소자전극, 일측전극패드, 타측전극패드, 서미스터를 TO-스템의 리드핀에 와이어 본딩하는 단계; 상기 광유니트의 서브마운트 위에 정렬지그를 배치하는 단계; 상기 정렬지그를 그립퍼로 누른 상태에서 상기 광유니트에 전원을 인가하는 단계; 상기 눌려진 정렬지그를 통해 통전된 상태의 상기 광유니트 및 정렬지그를 상기 그립퍼로 이동시키면서 광결합 효율이 가장 큰 위치를 찾아 정렬위치로 결정하는 단계; 및 상기 결정된 정렬위치를 기준으로 상기 정렬지그 및 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계;를 포함한다.
상기 정렬지그 및 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계에서는, 상기 정렬지그의 연장부 저면 및 날개부 저면 끝단에 본딩 소재를 도포하여서, 상기 광유니트에 접속된 상기 정렬지그의 금속코팅부, 상기 열전소자의 일측전극패드 및 타측전극패드에 대한 전기적 접촉이 유지된다.
상기 정렬지그 및 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계에서는, 상기 정렬지그의 연장부 저면 및 날개부 저면의 금속코팅부가 솔더로 구성될 경우, 가열에 의한 솔더링이 이루어져서, 상기 솔더로 이루어진 금속코팅부를 통하여 서브마운트의 상면전극패드와 상기 열전소자의 일측전극패드 및 타측전극패드에 대한 전기적 접속이 유지된다.
본 발명에 의한 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법은, 단일 모드 및 다채널 광모듈 패키징 시 개별 광원광검출기칩에 직접 와이어 본딩을 하지 않고도 전기적 커플링이 가능한 정렬지그를 이용하여 전원이 인가된 상태에서 광원광검출기칩 및 그 광원광검출기칩을 실장하고 있는 서브마운트를 이동시킬 수 있으므로써, 채널별 능동정렬이 가능하여 그 광결합 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법은, 광원광검출기칩이 실장된 서브마운트 전체를 열전소자에 직접 본딩하지 않고, 정렬지그를 통하여 서브마운트의 상편전극패드와 열전소자의 일측전극패드 또는 타측전극패드가 연결되기 때문에 일부 혹은 전체 채널에 문제가 발생하였을 시 문제가 있는 채널만 교체가 가능하여 광모듈 구조물의 재활용이 가능한 이점이 있다.
본 발명에 의한 다채널 광모듈 구조물 및 그의 구조물 패키징 방법은, 정렬지그 자체가 광원광검출기칩 및 열전소자를 서로 통전시키는 커플링 수단이자 정렬 수단이므로, 일부 혹은 전체 채널에 문제가 있을 때, 해당 문제점을 일으킨 채널만 교체할 수 있음으로써, 그 외의 다른 공정에 대한 시간 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광모듈 구조물의 모듈 하우징과 하우징 커버의 분리 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 모듈 조립체의 사시도.
도 3a와 도 3b는 도 2에 도시된 정렬지그의 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 광원광검출기칩의 능동정렬에 사용되는 그립퍼의 사시도.
도 5는 도 2에 도시된 정렬지그의 교체 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 6은 도 1에 도시된 다채널 광모듈 구조물에서 광원광검출기칩의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 7은 본 발명의 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 8a 내지 도 8f는 도 7에 도시된 방법을 설명하기 위한 사시도들.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 응용예에 따른 정렬지그의 사시도.
도 10은 본 발명의 응용예에 따른 그립퍼의 사시도.
도 11은 도 9a의 정렬지그와 도 10의 그립퍼를 이용한 광원광검출기칩의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 모듈 조립체의 사시도.
도 3a와 도 3b는 도 2에 도시된 정렬지그의 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 광원광검출기칩의 능동정렬에 사용되는 그립퍼의 사시도.
도 5는 도 2에 도시된 정렬지그의 교체 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 6은 도 1에 도시된 다채널 광모듈 구조물에서 광원광검출기칩의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 7은 본 발명의 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 8a 내지 도 8f는 도 7에 도시된 방법을 설명하기 위한 사시도들.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 응용예에 따른 정렬지그의 사시도.
도 10은 본 발명의 응용예에 따른 그립퍼의 사시도.
도 11은 도 9a의 정렬지그와 도 10의 그립퍼를 이용한 광원광검출기칩의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 사시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 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 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광모듈 구조물의 모듈 하우징과 하우징 커버의 분리 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예는 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing)의 광원 파장간격이 20nm 정도이고, 수십 나노미터의 파장가변을 할 수 있는 파장가변 다채널 광모듈을 위한 것일 수 있다.
본 실시예는 TO(Transistor Outline)-can(예: 티오-캔) 기반의 다채널 광모듈 구조물(100)로서, 모듈 하우징(110), 모듈 조립체(200), 하우징 커버(300)를 포함한다.
다채널 광모듈 구조물(100)은 하기에 설명할 바와 같이 서미스터(thermistor)와 열전소자(thermoelectric module)가 모듈 조립체(200)에 구비되어 온도 안정형 장치로 구성될 수 있다.
다채널 광모듈 구조물(100)은 모듈 조립체(200)에서 다채널을 이루도록 배치된 광원광검출기칩에서 각각 발산된 다채널 광원을 각각 포커싱할 수 있는 렌즈 일체형 PLC(Planer Light-wave Circuit) 장치인 광소자(120)를 더 포함한다.
광소자(120)는 다채널 광모듈 구조물(100)의 모듈 하우징(110)의 전방 위치에 설치된다. 여기서, 광소자(120)는 광결합기 또는 분배기일 수 있다.
광소자(120)의 상부에는 메인 광섬유(130)가 결합되어 있다. 광소자(120)의 저부에는 각 채널별 렌즈(140)가 설치되어 있다.
렌즈(140)의 아래쪽으로 이격된 위치에는 모듈 조립체(200)의 TO-스템(210)(예: 티오 스템)이 배치된다. TO-스템(210)의 일측 상면은 모듈 하우징(110)의 저부에 고정된다.
하우징 커버(300)는 광소자(120) 쪽으로 향하여 개구되고, 나머지 커버 부위는 반원 상면, 전방 곡면 및 반원 저면에 의해 폐쇠된 구조물로서, 미 도시된 볼트 또는 클램프 등에 의해 다채널 광모듈 구조물(100)의 모듈 하우징(110)에 결합될 수 있다.
이런 하우징 커버(300)는 광소자(120)와, 하기에서 상세히 설명할 서미스터, 리드핀들, 열전소자, 광원광검출기칩, 서브마운트, 정렬지그를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 담당한다. 이를 위해서, 하우징 커버(300)는 TO-스템(210) 위(예: 스템 테두리 상면에 형성된 안착 테두리홈(211))에 안착되고 상기 광소자(120)가 설치된 모듈 하우징(110)의 테두리부(111)에 결합될 수 있다.
만일 하우징 커버(300)가 볼트 방식으로 조립될 경우에는 상기 테두리부(111) 및 상기 하우징 커버(300)의 고정부(301)에 미 도시되어 있지만 복수개로 이격 배치된 볼트 구멍들이 더 형성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 모듈 조립체의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 모듈 조립체(200)는 앞서 설명한 다채널 광모듈 구조물의 모듈 하우징에 탑재 또는 결합되는 장치일 수 있다.
복수개(예: 8개)의 리드핀(220)들이 모듈 조립체(200)의 TO-스템(210)에 배치되어 있다. 예컨대, 리드핀(220)들은 도 1 또는 도 2를 참조할 때, 각 리드핀(220)은 TO-스템(210)에 형성된 복수개의 핀구멍 각각의 절연 부싱(212)에 결합되어 있다. 각 리드핀(220)의 상부는 TO-스템(210)의 상측 공간으로 돌출되며, 각 리드핀(220)의 하부는 TO-스템(210)의 하측 공간으로 연장된다. 리드핀(220)의 하부는 미 도시된 외부 장치에 접속될 수 있다.
상기 외부 장치와 다채널 광모듈 구조물간의 전기적 결합 이후에는, 외부 장치의 전원 또는 신호는 리드핀(220) 쪽으로 전달되고, 절연 부싱(212)에 의해서 TO-스템(210) 쪽으로는 전달되지 않을 수 있다.
전원 또는 신호는 각 리드핀(220)으로부터 연장된 와이어 본딩선(280)을 통해서 열전소자(230) 쪽으로 전달될 수 있다. 예컨대, 와이어 본딩선(280)은 해당 리드핀(220)과 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 사이와 같이, 각각 대응하여 전기적으로 접속되어야 하는 구성 요소의 사이에 형성될 수 있다.
모듈 조립체(200)는 열전소자(230), 광원광검출기칩(240), 서브마운트(250), 정렬지그(260)를 포함한다.
열전소자(230)는 리드핀(220)들의 사이 위치를 기준으로 상기 TO-스템(210)의 상면에 배치 또는 고정된다. 이런 열전소자(230)의 소자상면에는 열전소자(230)의 전원 공급 또는 신호전달용 회로로 구성된 일측전극패드(231)와 타측전극패드(232)가 형성되어 있다. 일측전극패드(231)와 타측전극패드(232)는 서브마운트(250)가 설치될 공간을 사이에 두고 서로 이격 배치되어 있다.
열전소자(230)는 별도의 열전소자전극(239)을 더 구비하여 온도 조절을 위한 작동을 수행할 수 있다.
열전소자(230)의 일측전극패드(231)는 복수개로서, 서브마운트(250)를 중심으로, 서브마운트(250)에 비접촉되는 일측 위치(예: 좌측)에서 서브마운트(250)의 배열 방향을 따라 이격 배치된다. 즉, 열전소자(230)의 일측전극패드(231)는 각 광원광검출기칩(240)의 플러스 전극으로서 서로 분리 되어 있다.
열전소자(230)의 타측전극패드(232)는 서브마운트(250)를 중심으로, 서브마운트(250)에 비접촉되는 타측 위치(예: 우측)에서 서브마운트(250)의 배열 방향을 따라 일체형으로 연장 배치된다. 즉, 열전소자(230)의 타측전극패드(232)는 각 광원광검출기칩(240)의 마이너스 전극으로 모든 광원광검출기칩(240)의 공통 그라운드(common ground)로 사용될 수 있다. 타측전극패드(232)에는 서미스터(270)를 실장시킬 수 있는 영역이 더 마련되어 있을 수 있다.
광원광검출기칩(240)은 다채널 광모듈 구조물(100)용 광원 또는 광검출기, 혹은 광원 및 광검출기로서의 기능을 수행할 수 있도록 구성된 칩 형태의 소형 장치일 수 있다. 광원광검출기칩(240)은 능동정렬을 위해서 독립된 서브마운트(250)에 전기적으로 통전 가능하도록 실장되어 사용된다. 이렇게 실장된 광원광검출기칩(240) 및 서브마운트(250)는 광유니트일 수 있다.
예컨대, 도 8a를 참조하면, 각 서브마운트(250)의 상면에는 한 쌍(예: 플러스 전극 및 마이너스 전극)의 상면전극패드(251)가 형성되어 있다. 또한, 광원광검출기칩(240)의 저면에는 상기 상면전극패드(251)에 각각 대응하여 통전되도록 한 쌍(예: 플러스 전극 및 마이너스 전극)의 저면전극패드(241)가 형성되어 있다.
광원광검출기칩(240)의 저면전극패드(241)는 미 도시된 에폭시(epoxy)나 솔더(solder) 등과 같은 고정 수단 또는 실장 소재를 이용하여서, 서로 전기적으로 통전 가능하게 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)에 접속될 수 있다. 예컨대, 플립칩 본딩을 통해서, 광원광검출기칩(240)의 저면전극패드(241)가 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)에 전기적으로 상호 결합되어서, 도 8b에 도시된 광유니트(U)가 만들어질 수 있다.
광원광검출기칩(240)이 각각 실장된 복수개의 서브마운트(250), 즉 복수개의 광유니트(U)는 상기 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)에 비접촉되도록 상기 열전소자(230)의 소자상면에 배치된다.
정렬지그(260)는 기본적으로 능동정렬을 위한 수단이면서, 추가적으로 전기 통전 소자의 기능을 수행하도록 구성되어 있다.
정렬지그(260)는 광원광검출기칩(240)에 전원을 인가하면서 미세정렬(예: 전원이 광원광검출기칩에 인가된 상태에서 광원광검출기칩 및 서브마운트로 이루어진 조립체인 광유니트(U)를 미세하게 움직이면서 수행하는 능동정렬)을 하도록, 상기 서브마운트(250) 각각의 상편전극패드(251)와 상기 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 또는 타측전극패드(232)를 서로 전기적으로 연결시키는 역할을 담당한다.
또한, 모듈 조립체(200)는 다채널 광모듈 구조물의 온도 안정화를 위하여, 다채널 광모듈 구조물(100)의 온도 또는 모듈 조립체(200)의 온도(예: 열전소자의 온도)를 측정할 수 있도록, 상기 열전소자(230)의 타측전극패드(232)에 실장되는 서미스터(270)를 더 포함한다.
도 3a와 도 3b는 도 2에 도시된 정렬지그의 사시도이다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 정렬지그(260)는 가이드링부(261), 연장부(262)(extension member), 다리부(263)(leg member), 날개부(264)(wing member) 및 금속코팅부(265)를 포함하고, 이들은 일체형으로 구성되어 있다.
가이드링부(261)는 하나의 링 형태의 구조물이며, 나머지 연장부(262), 다리부(263), 날개부(264) 및 금속코팅부(265)들은 가이드링부(261)를 기준으로 서로 대향적으로 배치되어 쌍을 이루도록 제작되어 있다.
정렬지그(260)는 가이드링부(261), 연장부(262), 다리부(263) 및 날개부(264)와 같은 구조에 금속코팅부(265)를 결합시키고 있음에 따라서 광유니트에 대한 전기적 커플링 및 능동정렬을 가능케 한다.
즉, 정렬지그(260)는 날개부(264)의 저면에 대응하는 금속코팅부(265)의 일부분(265b)이 플러스 전극과 마이너스 전극에 각각 대응하도록 도 2의 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 또는 상기 타측전극패드(232)에 접촉되고, 상기 연장부(262)의 저면에 대응하는 상기 금속코팅부(265)의 타부분(265c)도 플러스 전극과 마이너스 전극에 각각 대응하도록 상기 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)에 접촉 또는 본딩에 의해 전기적으로 통전되도록 고정될 수 있다.
가이드링부(261)는 광원광검출기칩 또는 광섬유에 끼워질 수 있는 크기의 구멍을 갖는다.
연장부(262)는 상기 가이드링부(261)의 일측면과 타측면에서 각각 서브마운트의 측면 위치까지 서브마운트의 길이 방향을 따라 연장된다.
다리부(263)는 연장부(262) 각각의 끝에서 하향으로 절곡되어 있고, 서브마운트의 두께에 대응한 하향 연장 길이를 갖는다.
날개부(264)는 상기 다리부(263)의 끝에서 상기 서브마운트의 측면의 바깥쪽 방향으로 각각 절곡되어 있다. 날개부(264)의 연장 방향은 레벨 차이 상 아래의 위치에서 연장부(262)의 연장 방향에 대하여 평행을 이룰 수 있다.
금속코팅부(265)는 날개부(264)의 저면과 다리부(263)의 저면과 연장부(262)의 저면 및 가드링부(261)의 양측 저면에 일체형으로 적층되어 있다.
또한, 정렬지그(260)의 가이드링부(261)의 저면 중간 영역에는 금속코팅부(265)가 없으므로, 정렬지그(260)의 일측 날개부가 플러스 전극이 되고, 정렬지그(260)의 타측 날개부가 전기적으로 분리된 마이너스 전극이 될 수 있다.
도 2 및 도 3a를 참조하면, 정렬지그(260)의 가이드링부(261)는 광원광검출기칩(240)의 측면을 비접촉 상태로 감싸도록 상기 연장부(262)의 두께와 동일하게 형성되어 있다.
정렬지그(260)는 금속코팅부(265)를 제외하고 세라믹 재질 또는 절연소재로 형성되어 있다. 따라서, 광원광검출기칩(240)에 대한 통전은 금속코팅부(265)를 통해서만 이루어질 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 광원광검출기칩의 능동정렬에 사용되는 그립퍼의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 다채널 광모듈 구조물은 앞서 설명한 도 3a의 정렬지그(260)의 날개부(264)를 누르면서 다리부(263)를 잡을 수 있는 그립퍼(400)(gripper)를 더 포함한다.
그립퍼(400)는 외력(예: 작업자의 인력 또는 정렬 작업용 로봇의 구동력)에 의해서, 후술될 바와 같이, 미세정렬, 즉 능동정렬시, 광유니트 위에 올려진 정렬지그(260)를 열전소자의 일측전극패드 및 타측전극패드 쪽으로 가압하거나, 광유니트를 평면 방향으로 이동시키는 역할을 담당한다.
그립퍼(400)는 능동정렬과 서브마운트 고정이 끝난 이후에 광유니트로부터 분리되는 도구일 수 있다.
그립퍼(400)는 세라믹 재질 또는 금속 재질로 형성되어 있고, 탄성력을 발생시킬 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
그립퍼(400)는 핀셋부(410)(tweezers), 몸체부(420) 및 손잡이부(430)를 포함한다.
핀셋부(410)는 한 쌍으로 이루어진다. 핀셋부(410)는 능동정렬시 발산되는 빛 또는 광섬유에 대하여 장애물이 되지 않도록, 정렬지그의 양측에 위치된 다리부 사이의 거리에 대응하게 이격 배치되어 있다. 예컨대, 핀셋부(410)의 사이의 거리는 탄성 변형 범위 내에서 정렬지그의 양측에 위치된 다리부 사이의 거리보다 약간 더 작게 형성된다. 그립퍼(400)의 핀셋부(410)의 안쪽 공간으로 정렬지그를 위치시킬 때, 탄성 변형 범위 내에서 절개부(425)를 기준으로 핀셋부(410) 및 몸체부(420)가 서로 멀어지는 방향으로 탄성 변형을 일으키고, 이후, 탄성 접촉에 의한 마찰력으로 핀셋부(410)가 정렬지그의 다리부를 잡을 수 있게 된다. 물론, 정렬지그가 고정된 상태에서 그립퍼(400)를 들어 올리면, 정렬지그의 다리부로부터 그립퍼(400)가 분리될 수도 있다.
몸체부(420)는 핀셋부(410) 각각의 상단에서 수평하게 1차 절곡되어 있고, 절개부(425)를 향하여 서로 가까워지도록 2차 절곡되어 있고, 상기 절개부(425)에서 서로 합체되어 있다. 핀셋부(410)가 정렬지그의 다리부의 외측면에 대하여 마찰력을 발휘하도록, 몸체부(420)는 상기 마찰력에 대응한 탄성력을 갖는다.
그립퍼(400)는 절개부(425)를 구비하고 있기 때문에, 핀셋부(410) 및 몸체부(420)가 일종의 탄성력을 갖는 자유 단부로서 대상물인 광유니트를 잡고 이동시킬 수 있는 역할을 담당할 수 있다.
손잡이부(430)는 핀셋부(410)의 반대쪽 위치를 기준으로 상기 몸체부(430)에 일체형으로 형성된다. 이때, 손잡이부(430)의 일측 끝부위는 절개부(425)의 위치에서 몸체부(430)와 일체형으로 연결된다. 손잡이부(430)의 타측 끝부위는 자유 단부이다.
또한, 능동정렬 작업자의 편의성을 위해서, 그립퍼(400)는 몸체부(420)를 기준으로 핏셋부(410)의 반대쪽 위치에 손잡이부(430)가 형성된다. 이때, 손잡이부(430)는 몸체부(420)로부터 상기 절개부(425)의 연장 방향을 따라서 돌출된 직선바 형태로 형성되어 있다.
도 5는 도 2에 도시된 정렬지그의 교체 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예는 교체 사용을 가능케 하기 위하여, 서로 다른 규격의 정렬지그(260, 260a)들이 제공될 수 있다.
예컨대, 1차 설치용 정렬지그(260)가 열전소자의 일측전극패드(231)와 타측전극패드(232)의 1차 접합 영역(233, 234)에 능동정렬 이후 고정, 즉 접착될 수 있다.
만일 정렬지그 작업에서 오류가 있어서, 재 능동정렬이 필요한 경우, 일단 고정된 정렬지그(260)는 교체 작업을 통해서 열전소자로부터 분리된다.
그러나, 1차 접합 영역(233, 234)과 1차 설치용 정렬지그(260)의 날개부의 금속코팅부(265)는 1차 접착 및 분리에 의해 훼손되기 때문에 다채널 광모듈 구조물의 모듈 조립체를 재사용 할 수 없는 문제점을 발생시킨다.
이러한 문제점 해결을 위해서, 본 실시예에 따른 정렬지그(260, 260a)의 날개부(264, 264a)는 상기 정렬지그(260, 260a)의 사용 또는 교체를 위하여, 상기 일측전극패드(231) 또는 상기 타측전극패드(232)의 폭(m3)의 절반보다 작은 제 1 날개부 길이(m1)를 가지고 있거나, 상기 폭(m3)의 절반보다 큰 제 2 날개부 길이(m2)를 가지고 있다. 여기서, 교체용 정렬지그(260a)의 제 2 날개부 길이(m2)는 기 설치된 정렬지그(260)의 제 1 날개부 길이(m1)보다 상대적으로 크고, 일측전극패드(231) 또는 상기 타측전극패드(232)의 폭(m3)보다는 작게 설계되어 있을 수 있다.
즉, 2차 설치용 정렬지그(260a)는 그의 날개부(264a)를 제외하고 1차 설치용 정렬지그(260)와 동일한 스펙을 가지고 있다.
따라서, 교체 작업을 통해 2차 설치용 정렬지그(260a)의 금속코팅부(265a)가 열전소자의 일측전극패드(231)와 타측전극패드(232)의 오염된 1차 접합 영역(233, 234)(예: 안쪽 영역) 옆의 깨끗한 2차 접합 영역(235, 236)(예: 바깥쪽 영역)에 능동정렬 이후 전기적으로 접착됨으로써, 모듈 조립체를 버리지 않고 재사용할 수 있게 된다.
즉, 정렬지그(260, 260a)들은 다채널에서 일부 혹은 전체 채널에 문제가 발생하였을 시 해당 광유니트의 채널만을 교체할 수 있는 장점이 있다.
예컨대, 채널 교체를 위해 기존에 본딩되어 있는 서브마운트와 정렬지그(260)를 서로 분리하게 되면 열전소자의 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)가 부분적으로 손상될 수 있다. 그러나, 광원광검출기칩이 실장된 새로운 서브마운트를 열전소자에 다시 실장할 때는 이전의 정렬지그(260)의 날개부(264) 보다 더 긴 날개부(264a)를 가진 정렬지그(260a)가 교체 사용됨으로써, 열전소자의 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)에서 손상되지 않은 부분(예: 2차 접합 영역(235, 236))에 교체용 정렬지그(260a)가 본딩될 수 있고, 결국 새로운 서브마운트를 열전소자에 잘 고정할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 도 1에 도시된 다채널 광모듈 구조물에서 광원광검출기칩의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따르면 능동정렬은 와이어 본딩선(280)을 통해 광원광검출기칩(240)에 전원을 인가한 상태에서 이루어진다.
이때, 본 실시예는 앞서 상세히 설명한 바와 같은 광원광검출기칩(240), 서브마운트(250), 정렬지그(260) 및 그립퍼(400)의 구성을 통해서 서브마운트(250)를 포함한 광유니트(U)의 능동정렬에 대응한 움직임을 세밀하게 조절할 수 있다.
이때, 그립퍼(400)는 사용자의 힘 또는 별도의 자동화 설비(예: 정렬 작업용 로봇) 등에 의해 수평 이동될 수 있고, 이에 따라 광원광검출기칩(240)이 실장된 서브마운트(250) 및 정렬지그(260)도 열전소자(230)의 일측전극패드(231)와 타측전극패드(232) 위에서 움직이면서, 광원광검출기칩(240)과 광소자(120)의 렌즈(140)간 능동정렬이 이루어질 수 있다.
광원광검출기칩(240)이 실장된 서브마운트(250)를 정렬할 수 있는 정렬지그(260)는 앞서 상세히 설명한 바와 같이, 지그 아랫면의 양쪽이 금속으로 코팅이 되어 있는 금속코팅부이므로, 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)와 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 또는 타측전극패드(232)가 전기적으로 연결될 수 있다.
이런 상태에서, 정렬이 끝난 후에는 정렬지그(260)의 연장부 저면 및 날개부 저면 끝단에 에폭시 등과 같은 본딩 소재를 도포하여서, 광유니트에 접속된 정렬지그(260)의 금속코팅부, 서브마운트(250)의 상면전극패드(251), 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)에 대한 전기적 접촉이 신뢰성 있게 유지 또는 고정될 수 있다.
만일, 정렬지그(260)의 연장부 저면 및 날개부 저면의 금속코팅부가 솔더(예: AuSn)로 구성될 경우, 정렬이 끝난 다음에 미리 정한 온도(예: 수백 ˚C)의 가열에 의한 솔더링이 이루어져서, 솔더로 이루어진 금속코팅부를 통하여 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)와 열전소자(230)의 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)에 대한 전기적 접속이 유지될 수 있다.
이렇게 정렬지그(260)가 그립퍼(400)에 의해 서브마운트(250)를 가압한 상태에서 본딩 혹은 솔더링이 되고 나면, 그 접합력에 의해 서브마운트(250)가 열전소자에 견고하게 고정될 수 있다. 따라서, 별도로 서브마운트(250)의 저면이 열전소자(230)의 소자상면에 고정될 필요가 없고, 도 5를 통해 설명한 바와 같이, 일부 혹은 전체 채널 고장시 정렬지그(260)만을 새로운 2차 설치용 정렬지그(260a)로 교체함으로써, 광유니트 또는 서브마운트(250)가 열전소자(230)로부터 쉽게 제거 또는 분리될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 8a 내지 도 8f는 도 7에 도시된 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법은, TO-can 기반의 다채널 광모듈 구조물에서 그립퍼 및 정렬지그를 사용하여 광원광검출기칩의 능동정렬을 수행하는 단계별 방법을 개시한다. 이러한 단계별 방법을 통해서, 다채널 광모듈 구조물의 채널별 광유니트(예: 광원광검출기칩 및 서브마운트)와 광소자 간의 광결합 효율이 높아질 수 있는 채널별 능동정렬이 용이하게 이루어질 수 있다.
예컨대, 본 실시예에 따른 방법은 상기 광원광검출기칩을 독립된 서브마운트 위에 플립칩 본딩하여 광유니트를 제작하는 단계(S10)와, 상기 광유니트를 열전소자 위에 배열하고 서미스터를 열전소자의 타측전극패드 위에 본딩하는 단계(S20)를 포함한다.
계속해서, 본 실시예에 따른 방법은 상기 열전소자의 열전소자전극, 일측전극패드, 타측전극패드, 서미스터를 TO-스템의 리드핀에 와이어 본딩하는 단계(S30)와, 상기 광유니트의 서브마운트 위에 정렬지그를 배치하는 단계(S40)와, 상기 정렬지그를 그립퍼로 누른 상태에서 상기 광유니트에 전원을 인가하는 단계(S50)와, 상기 눌려진 정렬지그를 통해 통전된 상태의 상기 광유니트 및 정렬지그를 상기 그립퍼로 이동시키면서 광결합 효율이 가장 큰 위치를 찾아 정렬위치로 결정하는 단계(S60), 및 상기 결정된 정렬위치를 기준으로 상기 정렬지그 및 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계(S70)를 포함한다.
도 7과 도 8a를 참조하면, 광유니트를 제작하는 단계(S10)에서는 광원광검출기칩(240)의 저면에 형성된 저면전극패드(241)가 에폭시(epoxy)나 솔더(solder) 등과 같은 실장 소재를 이용한 플립칩 본딩 방식으로 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)에 본딩됨으로써, 도 8b에 도시된 광유니트(U)가 된다.
특히, 서브마운트(250)의 상면에는 광원광검출기칩(240)의 배치 또는 정렬을 위하여 정렬 인디케이터(252)(indicator)가 더 형성되어 있다.
즉, 작업자는 단일 광원광검출기칩(240)을 실장할 수 있는 서브마운트(250)에 표시된 정렬 인디케이터(252)를 보면서, 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)와 광원광검출기칩(240)의 저면전극패드(241)를 맞추어 플립칩 본딩 작업을 용이하게 수행할 수 있다.
이렇게 만들어진 광유니트(U)의 서브마운트(250)는 도 8c 및 도 8d에 도시된 바와 같이 열전소자(230)에 배열 및 실장된다.
이때, 도 8c에 도시한 바와 같이, 서브마운트(250)에 있는 정렬 인디케이터(252)와 열전소자(230)에 있는 소자 인디케이터(238)(예: 각 채널이 위치해야 하는 지점을 표시함)를 통하여 설계된 위치에 수동정렬이 이루어질 수 있다. 여기서, 소자 인디케이터(238)와 정렬 인디케이터(252)는 1:1로 상호 정합될 수 있는 위치를 기준으로 형성되어 있다. 특히 서브마운트(250)가 열전소자(230)에 올려 졌을 때 상호 육안으로도 일치 여부가 확인될 수 있도록, 예컨대, 정렬 인디케이터(252)는 마커 형태로 제작될 수도 있다.
또한, 도 7 및 도 8c를 참조하면, 서미스터(270)를 열전소자(230)의 타측전극패드(232) 위에 본딩하는 단계(S20)를 통해서, 서미스터(270)가 열전소자(230)에 실장된다. 즉, 서미스터(270)는 미리 설계된 위치를 기준으로 실장되어서, 열전소자(230)의 온도를 제어하기 위해 필요한 다채널 광모듈 구조물의 실시간 온도를 측정할 수 있게 된다.
도 7 및 도 8d를 참조하면, 상기 열전소자(230)의 열전소자전극(239), 일측전극패드(231), 타측전극패드(232), 서미스터(270)를 TO-스템의 리드핀(220)에 와이어 본딩하는 단계(S30)와 같이, 작업자는 전원 공급을 위하여 와이어 본딩 작업을 수행한다. 이에 따라, 와이어 본딩에 의해 만들어진 각 와이어 본딩선(280)은 전원을 열전소자(230) 및 서미스터(270)에 모두 공급할 수 있는 상태가 된다. 여기서, 리드핀(220)은 1개만 도시되고 나머지는 생략되어 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이 복수개로 이루어진 것을 의미할 수 있다.
또한, 해당 와이어 본딩선(280)을 통해서, 광원광검출기칩(240)용 전원을 공급하기 위한 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)도 전원을 공급받을 수 있는 상태가 될 수 있다.
도 7의 상기 광유니트의 서브마운트 위에 정렬지그를 배치하는 단계(S40)에 의해서, 도 8e에 도시된 바와 같이, 광유니트(U)의 서브마운트(250)를 움직일 수 있는 정렬지그(260)는 서브마운트(250) 위에 올려지게 된다.
도 7의 정렬지그를 그립퍼로 누른 상태에서 상기 광유니트에 전원을 인가하는 단계(S50)는 도 8f에 도시된 바와 같다.
즉, 도 8e를 참조하면, 전원은 리드핀(220), 와이어 본딩선(280), 일측전극패드(231), 타측전극패드(232), 정렬지그(260)를 통해 광유니트(U)의 모든 광원광검출기칩(240)에 인가될 수 있다.
광결합 효율이 가장 큰 위치를 찾아 정렬위치로 결정하는 단계(S60)는 도 8f를 통해 설명될 수 있다.
도 8f를 참조하면, 그립퍼(400)는 정렬지그(260)를 열전소자(230) 쪽으로 가압될 수 있고, 이때 정렬지그(260)를 통해서 광유니트(U)에 대한 통전을 유지시켜주는 역할을 한다. 또한, 그립퍼(400)는 상기 통전 상태에서 능동정렬을 위해 평면 방향으로 이동 또는 정지될 수 있고, 이러한 그립퍼(400)의 움직임에 대응하여, 정렬지그(260) 및 광유니트(U)도 이동 또는 정지될 수 있다.
즉, 작업자는 그립퍼(400)를 누른 상태에서, 광유니트(U)를 미세정렬하되, 광결합 효율이 가장 큰 위치(예: 결정된 정렬위치)에서 정렬지그(260)의 날개부의 저면의 금속코팅부가 일측전극패드(231) 및 타측전극패드(232)에 밀착될 수 있는 미세정렬 또는 능동정렬을 수행한다.
도 8f에는 미 도시되어 있지만, 그립퍼(400)를 누른 상태를 유지하면서, 도 7에 도시된 상기 정렬위치를 기준으로 상기 정렬지그(260) 및 광유니트(U)를 열전소자(230)에 고정하는 단계(S70)가 수행될 수 있다.
상기 정렬지그(260) 및 광유니트(U)를 열전소자(230)에 고정한다는 의미는 정렬지그(260)의 날개부의 저면에 해당하는 금속코팅부를 각각 일측전극패드(231)와 타측전극패드(232)에 전기적으로 통전 가능하게 본딩시켜 고정하는 것뿐만 아니라, 서브마운트(250)의 상면전극패드(251)와 정렬지그(260)의 연장부(262) 저면에 해당하는 금속코팅부도 상호 전기적으로 통전 가능하게 본딩시켜 고정하는 것일 수 있다.
정렬이 끝난 이후에는 그립퍼(400)가 정렬지그(260)로부터 제거될 수 있다.
위와 같은 단계를 반복 수행함으로써, 모든 광유니트(U)의 능동정렬이 이루어질 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 응용예에 따른 정렬지그의 사시도이고, 도 10은 본 발명의 응용예에 따른 그립퍼의 사시도이고, 도 11은 도 9a의 정렬지그와 도 10의 그립퍼를 이용한 광원광검출기칩의 능동정렬 방법을 설명하기 위한 사시도.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명의 응용예에 따른 정렬지그(260b)는 그의 가이드링부(261a)가 도 11에 도시된 각 채널별 광섬유(121)의 원주면을 비접촉 상태로 감싸고, 광섬유(121)와 광원광검출기칩간의 버트 커플링(butt coupling)시 사용되는 인캡슐런트(encapsulant)가 흐르지 않도록, 연장부(262)의 두께에 비해 상대적으로 크게 형성되어 있다.
즉, 도 9a의 정렬지그(260b)(예: B타입 지그)와 도 3a의 정렬지그(260)(예: A타입 지그)와 같이, 본 실시예의 정렬지그(260, 260b)는 광모듈 패키징 구조물에 따라 여러 형태를 가질 수 있다. 또한, 응용예에 따른 정렬지그(260b)의 가이드링부(261a)의 저면에는 광유니트의 광원광검출기칩을 수용하기 위한 저면홈부(261b)가 더 형성되어 있을 수 있다. 또한, 저면홈부(261b) 쪽으로 관통된 가이드링부(261a)의 관통홀(261c)은 하기의 도 11의 광섬유(121)를 삽입시킬 수 있는 크기를 갖는다.
응용예에 따른 정렬지그(260b)의 날개부(264)도 미 도시되어 있지만, 도 5에서 설명한 바와 같은 제 2 날개부 길이(m2)를 갖도록 변형 제작될 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 렌즈(140)를 이용하여 광원광검출기칩(240)과 광소자 간의 광 커플링을 할 경우에는 응용예에 따른 정렬지그(260b)와 정렬지그(260) 중 어느 하나가 사용될 수도 있다.
반면, 도 11에 도시된 바와 같이, 응용예에 따른 다채널 광모듈 구조물의 광소자(120a)는 광원광검출기칩별로 마련된 각각의 광섬유(121)로 다채널 광원을 각각 집속시킬 수 있는 장치일 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 광결합기 또는 분배기인 광소자(120a)는 렌즈가 없는 타입의 장치일 수 있다.
각 광섬유(121)는 광유니트 내부의 광원광검출기칩에 버트 커플링(butt coupling)될 수 있다. 광원광검출기칩과 광섬유(121)는 인캡슐레이션(encapsulation)된 구조물을 형성한다. 이런 인캡슐레이션된 구조물에서는 도 9a 및 도 9b에 도시된 정렬지그(260b)가 사용될 수 있다. 여기서, 응용예에 따른 정렬지그(260b)는 인캡슐레이션의 몰드 역할을 수행할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 응용예에 따른 그립퍼(400a)의 형상도 다르게 형성되거나, 도 11의 다채널 광모듈의 구조물에 대응하게 설계될 수 있다.
즉, 그립퍼(400a)는 손잡이부(430a)가 몸체부(420)로부터 절개부(425)의 연장 방향에 대하여 수직한 방향으로 꺾여서 연장된 꺾쇠 형태 또는 절곡바 형태로 형성될 수 있다.
이러한 그립퍼(400a)의 손잡이부(430a)는 광원광검출기칩과 광섬유(121)를 인캡슐레이션(encapsulation)하는 복수개의 구조물 사이 공간에서 구조물이 없는 자유 공간 쪽으로 빠져나오도록 배치될 수 있으므로, 능동정렬 과정에서 손잡이부(430a)가 장애물로 작용하지 않게 되어, 용이한 능동정렬 작업이 가능케 될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 다채널 광모듈 구조물 110 : 모듈 하우징
200 : 모듈 조립체 210 : TO-스템
220 : 리드핀 230 : 열전소자
240 : 광원광검출기칩 250 : 서브마운트
260, 260a, 260b : 정렬지그 270 : 서미스터
280 : 와이어 본딩선 300 : 하우징 커버
400 : 그립퍼 U : 광유니트
200 : 모듈 조립체 210 : TO-스템
220 : 리드핀 230 : 열전소자
240 : 광원광검출기칩 250 : 서브마운트
260, 260a, 260b : 정렬지그 270 : 서미스터
280 : 와이어 본딩선 300 : 하우징 커버
400 : 그립퍼 U : 광유니트
Claims (17)
- TO(Transistor Outline)-can 기반의 다채널 광모듈 구조물에 있어서,
상기 다채널 광모듈 구조물의 모듈 하우징에 탑재되며, 복수개의 리드핀들이 TO-스템(stem)에 배치되어 있는 모듈 조립체;
상기 리드핀들의 사이 위치를 기준으로 상기 TO-스템(stem)의 상면에 배치되고, 일측전극패드와 타측전극패드가 소자상면에 형성되어 있는 열전소자;
상기 다채널 광모듈 구조물의 다채널 광원 및 광결합기인 복수개의 광원광검출기칩이 상면전극패드에 의해 각각 실장되어 있고, 상기 일측전극패드 및 상기 타측전극패드에 비접촉되도록 상기 열전소자의 소자상면에 배치되는 복수개의 서브마운트; 및
상기 광원광검출기칩에 전원을 인가하면서 미세정렬을 하도록, 상기 서브마운트 각각의 상편전극패드와 상기 열전소자의 일측전극패드 또는 타측전극패드를 서로 전기적으로 연결시키는 정렬지그;를 포함하고,
상기 정렬지그는,
상기 광원광검출기칩 또는 광섬유에 끼워질 수 있는 크기의 구멍을 갖는 가이드링부;
상기 가이드링부의 일측면과 타측면에서 각각 상기 서브마운트의 측면 위치까지 상기 서브마운트의 길이 방향을 따라 연장된 한 쌍의 연장부(extension member);
상기 연장부 각각의 끝에서 하향으로 절곡되어 있는 다리부(leg member);
상기 다리부의 끝에서 상기 서브마운트의 측면의 바깥쪽 방향으로 각각 절곡되어 있는 한 쌍의 날개부(wing member); 및
상기 날개부의 저면과 상기 다리부의 저면과 상기 연장부의 저면 및 상기 가이드링부의 양측 저면에 일체형으로 적층되어 있는 금속코팅부;를 포함하고,
상기 날개부의 저면에 대응하는 상기 금속코팅부의 일부분이 상기 열전소자의 상기 일측전극패드 또는 상기 타측전극패드에 접촉되고, 상기 연장부의 저면에 대응하는 상기 금속코팅부의 타부분이 상기 서브마운트의 상기 상면전극패드에 접촉되는 것인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 모듈 조립체는,
상기 모듈 조립체의 온도를 측정할 수 있도록, 상기 열전소자의 타측전극패드에 실장되는 서미스터를 더 포함하는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 2 항에 있어서,
상기 다채널 광모듈 구조물은,
상기 광원광검출기칩에서 각각 발산된 다채널 광원을 각각 포커싱할 수 있는 렌즈 일체형 PLC(Planer Light-wave Circuit) 장치이거나, 또는 상기 광원광검출기칩별로 마련된 각각의 광섬유로 집속시킬 수 있는 장치인 광소자를 더 포함하는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 3 항에 있어서,
상기 다채널 광모듈 구조물은,
상기 광소자와, 상기 서미스터와, 상기 리드핀들과, 상기 열전소자와, 상기 광원광검출기칩과, 상기 서브마운트와, 상기 정렬지그를 외부 환경으로부터 보호하도록, 상기 TO-스템(stem)위에 안착되고 상기 광소자가 설치된 모듈 하우징의 테두리부에 결합되는 하우징 커버를 더 포함하는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 정렬지그의 상기 가이드링부는,
상기 광원광검출기칩의 측면을 비접촉 상태로 감싸도록 상기 연장부의 두께와 동일하게 형성되어 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정렬지그의 상기 가이드링부는,
상기 광섬유의 원주면을 비접촉 상태로 감싸고, 광섬유와 상기 광원광검출기칩간의 버트 커플링(butt coupling)시 사용되는 인캡슐런트(encapsulant)가 흐르지 않도록, 상기 연장부의 두께에 비해 상대적으로 크게 형성되어 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정렬지그의 상기 날개부는,
상기 정렬지그의 사용 또는 교체를 위하여, 상기 일측전극패드 또는 상기 타측전극패드의 폭의 절반보다 작은 제 1 날개부 길이를 가지고 있거나, 상기 폭의 절반보다 큰 제 2 날개부 길이를 가지고 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 정렬지그는 상기 금속코팅부를 제외하고 세라믹 재질 또는 절연소재로 형성되어 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다채널 광모듈 구조물은,
상기 서브마운트 위에 올려진 상기 정렬지그를 상기 열전소자의 상기 일측전극패드 및 상기 타측전극패드 쪽으로 가압하거나, 상기 서브마운트를 평면 방향으로 이동시키도록, 상기 정렬지그의 다리부를 잡을 수 있는 그립퍼(gripper)를 더 포함하는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 10 항에 있어서,
상기 그립퍼는,
능동정렬시 발산되는 빛 또는 광섬유에 대하여 장애물이 되지 않도록, 상기 정렬지그의 양측에 위치된 다리부 사이의 거리에 대응하게 이격 배치되어 있는 한 쌍의 핀셋부(tweezers);
상기 핀셋부 각각의 상단에서 수평하게 1차 절곡되어 있고, 절개부를 향하여 서로 가까워지도록 2차 절곡되어 있고, 상기 절개부에서 서로 합체되어서, 상기 핀셋부가 상기 다리부의 외측면에 대하여 마찰력을 발휘하도록, 상기 마찰력에 대응한 탄성력을 갖는 몸체부; 및
상기 핀셋부의 반대쪽 위치를 기준으로 상기 몸체부에 일체형으로 형성된 손잡이부;를 포함하는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 11 항에 있어서,
상기 그립퍼는,
상기 손잡이부가 상기 몸체부로부터 상기 절개부의 연장 방향을 따라서 돌출된 직선바 형태로 형성되어 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 11 항에 있어서,
상기 그립퍼는,
상기 손잡이부가 상기 몸체부로부터 절개부의 연장 방향에 대하여 수직한 방향으로 꺾여 연장된 절곡바 형태로 형성되어 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- 제 11 항에 있어서,
상기 그립퍼는 세라믹 재질 또는 금속 재질로 형성되어 있는 것
인 다채널 광모듈 구조물.
- TO(Transistor Outline)-can 기반의 다채널 광모듈 구조물에서 그립퍼 및 정렬지그를 사용하여 광원광검출기칩의 능동정렬을 수행하는 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법에 있어서,
상기 광원광검출기칩을 독립된 서브마운트 위에 플립칩 본딩하여 광유니트를 제작하는 단계;
상기 광유니트를 열전소자 위에 배열하고 서미스터를 열전소자의 타측전극패드 위에 본딩하는 단계;
상기 열전소자의 열전소자전극, 일측전극패드, 타측전극패드, 서미스터를 TO-스템의 리드핀에 와이어 본딩하는 단계;
상기 광유니트의 서브마운트 위에 정렬지그를 배치하는 단계;
상기 정렬지그를 그립퍼로 누른 상태에서 상기 광유니트에 전원을 인가하는 단계;
상기 눌려진 정렬지그를 통해 통전된 상태의 상기 광유니트 및 정렬지그를 상기 그립퍼로 이동시키면서 광결합 효율이 가장 큰 위치를 찾아 정렬위치로 결정하는 단계; 및
상기 결정된 정렬위치를 기준으로 상기 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계;를 포함하는 것
인 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계에서는,
상기 정렬지그의 연장부 저면 및 날개부 저면 끝단에 본딩 소재를 도포하여서, 상기 광유니트에 접속된 상기 정렬지그의 금속코팅부, 상기 열전소자의 일측전극패드 및 타측전극패드에 대한 전기적 접촉이 유지되는 것
인 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법.
- 제 15 항에 있어서,
상기 광유니트를 열전소자에 고정하는 단계에서는,
상기 정렬지그의 연장부 저면 및 날개부 저면의 금속코팅부가 솔더로 구성될 경우, 가열에 의한 솔더링이 이루어져서, 상기 솔더로 이루어진 금속코팅부를 통하여 서브마운트의 상면전극패드와 상기 열전소자의 일측전극패드 및 타측전극패드에 대한 전기적 접속이 유지되는 것
인 다채널 광모듈 구조물 패키징 방법.
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