Dong Min Kim1, Tae Kyoung Lee1, Tae Ho Lee2 and Myung Yung Jeong3,†
1Education program for SAMSUNG advanced integrated circuit, Pusan National University, Geumgeong-gu, Busan-si, 609-735 Korea
2The Institute of Opto-Mechatronics, Pusan National University, Geumgeong-gu, Busan-si, 609-735 Korea
3Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University, Geumgeong-gu, Busan-si, 609-735 Korea (2012년 5월 29일 접수: 2012년 6월 12일 수정: 2012년 6월 21일 게재확정)
초 록: 최근 정보전송량이 증대됨에 따라 PCB는 고속 정보전송 및 박형화가 요구되고 있다. 하지만 기존의 전기적
PCB는 EMI, 실장밀도 등의 문제로 고속전송에 한계가 있어 기존의 전기 회로층에 광 회로층을 접목한 광 PCB가 그 해 결책으로 대두되고 있다. 광 PCB 구현에서 가장 중요한 요소는 광 접속기술로 고효율, 수동정렬에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 따라서 본 논문에서는 광도파로에 렌즈를 일체형으로 제작하고 이를 보호하는 구조물을 정렬키로 사용 한 장착형 광도파로 구조를 제안하였고, 광 및 구조 시뮬레이션을 통해 제안한 구조의 접속효율 및 구조적 안정성을 해 석하였다. 광 시뮬레이션 결과 제안된 구조는 렌즈가 없는 구조와 비교해 송신부에서 약 1.86배, 수신부에서 약 1.42배의 높은 접속효율을 가지며, 구조 해석에서는 탈착과정에서 내부의 렌즈에 응력 및 변형이 발생하지 않음을 확인하였다. 따 라서 본 논문에서 제안된 구조가 높은 접속효율을 가지고, 구조적 안정성을 가짐을 보였다.
Abstract: Recently, by the increasing of data transmission rates, PCB is required high-speed data transmission rates and thin packaging. So optical PCB which is the combination of electrical layer and optical layer can be one of the solution to overcome the limitations of conventional electrical PCB. The most important factor in the implementation of optical PCB is optical interconnection. So the research on high-efficiency and passive alignment has been active. In this paper, we suggest built-in lens pluggable waveguide and we simulate its coupling efficiency and structural stability. Optical simulation results show that the proposed structure has higher efficiency than no lens structure about 1.86 times in transmitter and about 1.42 times in receiver. In structure simulation, inner lens has no damage in desorption process.
Therefore, we shown that the proposed structure has a high coupling efficiency and structural stability.
Keywords: Optical PCB, interconnection, pluggable, built-in lens
1. 서 론
정보화 사회가 도래됨에 따라 스마트폰, 태블릿PC, 노 트북 등 휴대용 디지털 기기가 널리 보급되고 있다. 이러 한 디지털 기기는 점점 소형화 및 고성능화되는 추세이 고, 데이터의 실시간 및 3D화에 따라 정보전송량이 증대 되고 있다. 따라서 전자기기에서 소자를 실장하고 소자 간 신호전송 역할을 하는 PCB(Printed circuit board)는 박 형화 및 10 Gbps 이상의 고속 정보전송이 요구된다.
PCB에서 고속 정보전송을 하기 위해서는 높은 반송주 파수를 통해 넓은 대역폭을 가져야 한다. 하지만 기존의 구리도선 기반의 전기적 PCB는 높은 주파수에서 발열에
의한 잡음발생, EMI(Electromagnetic interference), 표피 효과(Skin effect) 등의 문제가 발생하고, 이는 고속 정보 전송을 제한하는 요인이 된다. 또한 신호의 대용량 전송 을 위해서는 신호의 병렬전송이 필요한데, 전기적 PCB 에서는 집적화를 위해 도선의 두께를 줄이고, 도선 간 간 격을 줄이는 연구가 이루어지고 있으나 이 역시 도선 간 간섭, Skew, 소자 간 임피던스 정합 등에 의한 문제로 한 계가 있다.
따라서 기존의 전기 회로층에 광 회로층을 접목시킨 광 PCB(Optical PCB)에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있 다.1-3) 광 신호전달 시스템에서 광원은 수백 THz의 반송 주파수를 가지므로 수 GHz의 전기신호와 비교해 대역폭
†Corresponding author E-mail: [email protected]
이 매우 넓다. 따라서 고속 정보전송이 가능하다. 또한 신 호 간 간섭이 없고 신호 간 지연이 짧기 때문에 병렬전송 에 유리하여 고집적화가 가능하다.2)
광 PCB를 구현하는데 가장 중요한 요소는 광소자와 광 도파로 간의 접속(Interconnection)으로, 접속효율을 높이 고 수동정렬이 가능토록 하는 방법에 대한 연구가 활발 히 수행되고 있다.4-5) 기존의 광 PCB구조는 광 회로층이 기판 내부에 임베디드 되는 구조를 주로 사용하고 있다.
하지만 Fig. 1에서와 같이 기판은 적층 및 소자실장과정 에서 고온고압의 영향을 받게 되고, 고분자 기반의 광 회 로층은 고온고압에 의해 열변형이 발생하여 뒤틀림 및 비 정렬 문제가 생긴다. 이는 접속효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. 또한 광원 자체의 빔발산에 의해 소자와 도 파로 간 거리가 증가함에 따라 도파로의 코어 밖으로 손 실되는 빛의 양이 많아져서 접속효율이 떨어지고, 이는 광 PCB의 성능을 저하시키는 주요 요인이다.
그리고 기존의 수동정렬 구조 광 PCB는 별도의 커넥 터를 이용하여 소자와 도파로를 정렬하는 구조이다. 하 지만 이는 전체 패키징의 두께가 증가하게 되어 기판의 박형화에 한계를 가지고 있다.6-9)
따라서 본 논문에서는 높은 접속효율을 가지면서 수동 정렬이 가능하도록 렌즈 일체형 광도파로와 렌즈 보호를 위한 구조물을 정렬키로 사용하는 구조를 제안하고, 광 학 시뮬레이션과 구조 시뮬레이션을 통해 최적화된 광도 파로 구조를 설계 및 해석하였다.
2. 렌즈 일체형 광도파로 접속 개념
Fig. 2에 본 논문에서 새롭게 제안된 광도파로의 모식 도를 나타내었다. 래치 구조를 통해 기판과 광도파로의 탈착이 가능하도록 하였으며 렌즈보호를 위한 외부 구조 를 정렬키로 사용하였다. 렌즈와 외부 구조의 형상은 열 적 리플로우에 의한 마이크로 렌즈 제작 방법을 이용하 여 제작이 가능하다.10-11) 이와 같은 구조는 기존 임베디 드 구조 및 커넥터를 사용한 수동정렬 구조와 비교해 여 러 가지 이점을 가질 수 있다. 먼저, 탈착이 가능한 구조 를 만듦으로써 광 회로층과 전기 회로층의 제작공정을 분 리할 수 있다. 따라서 적층 및 소자실장 공정에서 열과 압 력에 의해 발생하는 고분자 광도파로의 열변형 문제를 원 천적으로 없앨 수 있다. 또한, 광도파로에 렌즈를 일체형 으로 제작함으로써 광원에서 발산하는 광을 모아 손실을 줄여 높은 접속효율을 가질 수 있다.12) 장착형 구조의 경 우 탈착과정에서 기판과 광도파로 간 마찰에 의해 렌즈 표면이 손상되어 빛의 산란에 의해 접속손실이 증가할 수 있는데, 렌즈 외부의 구조물을 통해 탈착과정에서 발생 하는 도파로 표면손상으로부터 렌즈를 보호함으로써 렌 즈를 통한 효율의 신뢰성을 향상시키고 정렬키로 사용되 어 수동정렬을 가능케 한다. 끝으로 제안된 구조는 별도 의 연결장치를 필요로 하지 않고 직접적으로 수동정렬이 가능하기 때문에 기판의 박형화가 가능하다.
3. 최적 구조 설계
렌즈를 사용한 광 접속구조는 렌즈의 반경, 광원과 광 도파로 코어 간의 거리에 따라 접속효율 차이가 크게 발 생한다. 따라서 본 논문에서는 광학 시뮬레이션을 통해 Fig. 3에 나타난 렌즈반경과 광소자와 광도파로 간 거리 에 대한 접속효율을 해석하여 최적화된 렌즈반경 및 거 리를 설계하였고, 구조 시뮬레이션을 통해 탈착 시 발생 하는 외부응력으로부터 렌즈가 가지는 구조적 안정성을 해석하였다.
Fig. 1. (a) Lamination process of optical layers (b) Distortion and mis-alignment of waveguide.
Fig. 2. Schematic of pluggable double-lens optical waveguide.
3.1. 광학적 접속 구조 설계
렌즈를 사용한 광 접속 기법의 효율은 렌즈의 반경과 광원과 코어 간 거리, 코어 및 클래드의 굴절률, 빔발산 각, 포토디텍터의 직경 등 다양한 광학변수 및 구조적 변 수에 의해 결정된다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 광학 시뮬레이션을 통해 송신부와 수신부에서 렌즈 반경 과 거리에 따른 접속효율을 구하여 최적화된 광학 구조 를 설계하였다.
시뮬레이션에 사용된 조건은 아래 Table 1과 같다. 코 어의 물성값은 상용재료인 ChemOptics사의 WIR30-500 의 값으로 설정하였고, 클래드 및 렌즈의 물성값은 동일 회사의 PMMA 시트의 값으로 설정하였다. 코어 및 클래 드 사이즈, 빔발산각, 포토디텍터 직경 등은 현재 광 PCB 연구에서 적용되는 일반적인 값을 적용하였다.
본 광학 시뮬레이션에서 광도파로의 끝단은 45o로 성
형되어 금속 코팅을 거친 100% 반사면이라고 가정하였
고13-15), 렌즈는 클래드 표면을 중심으로 반경이 일정한
반구 형태를 가진다.
본 시뮬레이션의 목적은 최적화된 렌즈 반경 및 거리 를 구하는 것이기 때문에 이종물질 경계면에서의 빛의 산 란, 매질로의 흡수손실 등은 무시하였다. 실제로는 이러 한 여러 가지 변수들에 의해 접속손실이 증가할 수 있다.
광 PCB는 구조상 광소자의 플립칩 본딩에 따른 솔더 볼의 높이 및 기판두께, 기판과 광도파로 간 간격, 클래 드 두께에 의해 광원과 광도파로 코어 사이에 거리가 존 재한다. 그리고 렌즈가 없는 구조의 경우 Fig. 5와 같이 거리가 증가함에 따라 광원의 발산에 의한 코어 외부로 의 손실로 인해 접속효율이 급격히 떨어진다. 반면 렌즈 를 사용할 경우, Fig. 4에서 보듯이 렌즈에 의해 발산하는 빛을 모아줌으로써 렌즈가 없는 구조와 비교해 전체적으 로 높은 접속효율을 가지는 것을 확인하였고, 이는 렌즈 의 반경 및 거리에 따라 다르게 나타난다.
렌즈의 반경 및 광원과 광도파로 코어 간 거리에 따른 광학 시뮬레이션 결과는 Fig. 6과 같다. 송신부에서는 렌 즈 반경이 60~70 µm, 거리는 270~330 µm일 때 효율이 100%로 가장 높게 나왔고, 수신부에서는 렌즈 반경이 70~80µm, 거리는 240 µm 이상일 때 효율이 100%로 가 장 높게 나왔다. 따라서 렌즈의 반경은 70 µm로 최적화 하였고, 거리는 패키징 두께를 줄이기 위해 최소값인 270µm로 최적화하였다. 이는 렌즈가 없는 구조가 270µm의 거리를 가질 때와 비교해 송신부에서 약 1.86 Fig. 3. The optical parameters of design for simulate the optical
coupling efficiency.
Fig. 4. Optical simulation (a) Transmitter, (b) Receiver.
Fig. 5. The result of coupling efficiency by distance at no-lens structure.
배, 수신부에서 약 1.42배 향상된 효율을 나타내었다.
또한 장착형 구조의 경우 기판과 광도파로 간 치수공차, 마모 등에 의한 문제로 Fig. 7과 같이 도파로의 병진이동 및 기울임이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 렌즈를 사용함 으로써 병진이동 및 기울임에 따른 접속손실을 얼마나 보 상할 수 있는지를 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
Fig. 8과 Fig. 9에 시뮬레이션을 통해 병진이동과 기울 임에 대한 렌즈구조와 렌즈가 없는 구조의 접속효율을 비 교한 결과를 나타내었다. 시뮬레이션 결과, 병진이동 시 렌즈를 사용할 경우 송신부에서는 렌즈가 없는 구조와 비 교해 최소 3.3배 넓은 공차를 가지고, 수신부에서도 렌즈 가 없는 구조일 경우 약간의 병진이동에도 접속효율이 급 격히 감소하는 것이 비해, 제안된 렌즈구조는 ±15 µm까 지 100%의 효율을 가지는 것을 확인하였다. 그리고 렌즈 구조에서만 발생할 수 있는 도파로 기울임에 대한 시뮬 레이션 결과를 살펴보면 송신부의 경우 ±4o까지 90%이 Fig. 6. Results of optical simulation by the radius of lens and
distance (a) Transmitter, (b) Receiver.
Fig. 7. Translational sliding and tilting of optical waveguide.
Fig. 8. The result of coupling efficiency by translational sliding distance (a) Transmitter, (b) Receiver.
Fig. 9. The result of coupling efficiency by tilting angle (a) Transmitter, (b) Receiver.
상의 접속효율을 가지고, 수신부에서는 ±40o에서 100%
의 접속효율을 가짐을 확인하였다.
3.2. 기계적 접속 안정성 설계 및 해석
앞서 광학 시뮬레이션을 통해 가장 접속효율이 높은 렌 즈반경 및 거리를 설계하였다. 장착형 구조의 경우 반복 되는 탈착과정에서 기판과 광도파로 렌즈의 마찰에 의해 렌즈표면에 마모가 발생하여 빛의 산란에 의한 손실이 증 가할 수 있고, 이는 반복에 대한 광 PCB의 신뢰성을 떨 어뜨린다. 따라서 이러한 외부응력으로부터 렌즈를 보호 하기 위하여 본 논문에서는 렌즈를 보호할 수 있는 외부 구조를 정렬키로 설계하였고, 구조 시뮬레이션을 통해 탈 착과정에서 렌즈 일체형 광도파로에 작용하는 응력 및 변 형률을 해석하였고, 이를 통해 렌즈의 구조적 안정성을 확 인해보았다. Fig. 10과 같이 기판은 1 mm×1 mm×0.54 mm, 삽입된 도파로의 길이는 0.5 mm, 클래드 두께는 100 µm, 광도파로와 기판 사이의 틈은 50 µm로 모델링하였고, 탈 착소요시간은 10초로 설정하였다.
구조 해석을 위하여 사용된 기판 및 광도파로의 물리 적 특성을 Table 2에 나타내었다. 기판은 도선, 절연체, 솔 더 등 다양한 물질로 복합적으로 이루어져있고, 그 물성
값 또한 다양하다. 따라서 본 시뮬레이션에서는 기판에 서 대부분의 부피를 차지하고, 실제 광도파로와 접촉하 는 FR-4의 물성값을 기판에 적용하였고, 광도파로의 물 성값 역시 기판부와 접촉하는 클래드의 재질인 PMMA 의 물성값을 적용하였다.
응력 해석결과 아래 Fig. 11과 같이 탈착과정에서 외부 Fig. 10. The structural parameters of design.
Fig. 11. The result of stress analysis.
Table 2. Properties of substrate and waveguide for structural simulation
Substrate (FR-4)
Waveguide (PMMA)
Density(kg/m3) 1850 1180
Young's modulus(GPa) 27/27/22
(Ex/Ey/Ez) 1.8
Bulk modulus(GPa) - 2
Shear modulus(GPa) 27/27/22
(Gxy/Gyz/Gxz) 0.67
Poisson ratio 0.17/0.17/0.2
(υxy/υyz/υxz) 0.35
Tensile yield strength(MPa) 45 60
Compressive yield strength(MPa) 75 100
정렬키는 기판과의 접촉에 의해 응력이 발생하는 것에 비 해 내부 렌즈표면에는 응력이 작용하지 않았다. 따라서 내부렌즈가 탈착과정에서 마찰로부터 보호됨을 확인할 수 있고, 외부 정렬키에 작용하는 응력은 PMMA의 항복 응력에 비해 낮은 수준으로 나타나 탄성변형영역에 속하 는 것을 확인하였다.
그리고 변형률 해석결과 Fig. 12와 같이 탈착과정에서 외부 정렬키는 최대 0.213 mm/mm, 도파로 상부면은 최 대 0.021 mm/mm의 변형이 발생하는데 비해 내부렌즈는 탈착과정에서 전혀 변형이 발생하지 않았다.
따라서 제안된 광도파로 구조는 탈착과정에서 내부의 렌즈가 외부응력으로부터 보호됨으로써 구조적 안정성 을 가지고, 렌즈로 인해 높은 접속효율을 가질 수 있음을 확인하였다.
4. 결 론
본 논문에서는 대용량 고속 정보전송을 위한 광 PCB 에서 높은 접속효율을 가지고, 수동정렬이 가능한 렌즈 일체형 광도파로 구조를 설계하였다. 렌즈와 광도파로의 일체형 구조를 통해 발산하는 빛을 모아 접속효율을 높 였으며, 렌즈를 보호할 수 있는 구조를 정렬키로 사용하 여 렌즈의 구조적 안정성 및 수동정렬을 가능케 하였다.
광학 시뮬레이션을 통해 렌즈의 반경, 광원과 광도파로 간 거리에 따른 접속효율을 구하여 각각 70 µm, 270 µm 의 치수로 최적화 설계를 하였고, 렌즈가 없는 구조와 비 교해 송신부에서 약 1.86배, 수신부에서는 약 1.42배 향 상된 접속효율을 가지는 것을 확인하였다. 또한 장착형 구조에서 발생할 수 있는 병진이동, 기울임에 대한 시뮬 레이션 결과, 병진이동의 경우 송신부에서 ±35 µm, 수신 부에서 ±15 µm까지 100%의 접속효율을 유지하는 것을 확인하였고, 기울임의 경우 송신부에서 ±4o까지 90%이 상의 접속효율을 가지고, 수신부에서는 ±40o에서 100%
의 접속효율을 가짐을 확인하였다.
그리고 구조 시뮬레이션을 통해 탈착과정에서 광도파 로에서 발생하는 응력과 변형률을 해석한 결과 탈착과정 에서 내부렌즈에는 응력 및 변형이 발생하지 않아 구조 적으로 안정성을 가짐을 확인하였다.
따라서 본 논문에서 제시된 렌즈 일체형 광도파로를 통 해 광 PCB 접속에서 고효율 수동정렬이 가능함을 시뮬 레이션을 통해 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단을 통해 교육과학기술부의 세 계수준의 연구중심육성사업(WCU) (R31-20004)으로부 터 지원을 받아 수행되었습니다.
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