해피레포트 - [테마특강]초고속 광모듈 패키징기술 현황과 전망

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[테마특강]초고속 광모듈 패키징기술 현황과 전망

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들어가는 말 전자, 광전자 산업에서 패키징 기술은 다양한 소자의 기능을 최종적으로 구현하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 세계 최고의 광통신 인프라를 배경으로 인터넷 강국으로 인정받고 있는 국내의 광 인터넷 망 핵심 부품인 광모듈 패키징 기술은 이미 세계적인 수준에 도달해 있다. 광 모듈이란 빛과 전기적 성질을 이용하여 정보를 교환하는 기능을 수행하며, 앞으로 광 가입자망(Fiber To The Home : FTTH)의 전개에 따라 초고속 대용량 광 시스템에, 고속화, 저가격, 소형화 광 모듈 부품 사용이 더욱 증가할 것으로 예상된다. ◇광모듈패키지 기술 왜 필요한가 광모듈 패키지 기술의 일차적인 목적은 광통신 시스템에서 요구하는 광학적, 전기적 신호 전달 기능을 광소자 칩으로부터 상위 광 통신 시스템으로 외부의 물리적, 환경적 변화로부터 모듈을 안정적으로 보호하며 정보 전달을 하는 것이다. 실제 광소자 칩의 크기는 연필로 종이 위에 찍는 점 정도의 크기(0.3mm x 0.4mm)로 매우 작기 때문에 전기적 신호 입출력을 위해서는 회로가 설계되어 있는 비교적 넓은 기판에 칩을 고정시켜, 칩 전극에서 외부로 신호선이 연결되어야 한다. 광신호 전달을 위해서는, 칩과 머리카락 굵기의 약 6분의 1인 정도인 10μm 정도의 광섬유 중심축이 정렬되어 빛이 교환되어야 한다. 따라서 광소자 칩이 제대로 성능을 발휘하기 위해서는 칩 설계 시에 후속 패키지 공정 가능성이 고려하여야 하며, 패키징 공정 역시 핵심 기술인 광학 설계, RF 설계, 미세 부품 설계 및 정밀한 정렬 공정 등에 대한 높은 기술력을 보유해야 한다. 그리고 무엇보다도 광모듈 패키징 기술의 가장 중요한 사항은 패키징된 결과물이 고객에게 전달될 수 있는 최초 형태의 제품으로서 고객의 다양한 구매 판단 기준에 절대적인 영향을 미친다는 것이다 ◇기술발전에 따른 시장 변화 지난 몇 년간 계속된 세계 광통신 산업의 침체로 인하여 광모듈 가격은 큰 폭으로 하락하였고, 광통신 시스템을 제작하는 업체들은 균일한 품질 특성을 갖는 제품을 보다 낮은 가격에 구매하고자 하는 요구는 더욱 거세지고 있다. 모듈 종류에 따라 다소 차이는 있지만, 패키징 생산 비용이 광모듈 전체 비용의 50%정도를 차지하고 있으며, 이는 패키징 생산 비용이 10% 이하인 일반 전자 모듈에 비하면 매우 높은 수치이다. 기본적으로 전자 모듈에 비하여 광모듈 패키징 생산 비용이 고가인 것은 광소자에서 발광한 빛의 높은 결합 효율을 얻기 위해 가격이 비싼 광학 및 정밀 가공 부품이 사용되어야 하며, 자동화 공정의 어려움으로 인하여 제품 품질과 생산량이 담당 근로자의 개인적 능력에 좌우되기 때문이다. <그림 1>은 패키징 생산 비용의 주요 항목을 나타낸 것으로, 원재료 가격, 인건비, 낮은 생산 수율에 의해 손실되는 재료비, 재공정비, 장비 가격 순으로 구성되어 있다. ◇기술개발 어디까지 왔나 또한 광모듈 기술 개발 속도가 제품 표준화에 필요로 하는 시간보다 빠르게 진행되고 있기 때문에, 인텔, 브로드컴, JDS, 인피니온,스미토모, 맥심 등 광모듈 관련 업체들이 멀티소스협정(MSA)을 통한 실질적인 표준화를 제정하여 운영하고 있다. 대부분의 MSA는 향후 수요가 증가할 것으로 예측되는 트랜시버(transceiver)와 트랜스폰더(transponders)에 집중되어 있으며, 광모듈 크기, 핀 배열 순서, 전기적 연결 방법에서부터 최소한의 광학적 특성, 전송 속도, 전송 거리, 소모 파워, uncooled LD 사용여부 등에 따라 SFP, XFP, XENPAK, X2로 합의되어 적용되고 있다. 2004년 미국에서 개최된 광통신학회(Optical Fiber Communication : OFC) 전시회에서는 포트밀도, 포트 설계의 유연성, 포트 당 가격을 절감할 수 있고 시스템에 장착하여 동작시 모듈 특성을 실시간으로 모니터링하고, 쉽게 교체가 가능한 플러그형 SFP 모듈이 가장 큰 관심을 끌었다. 국내 광모듈 패키징 업체들 역시 세계 광통신 시장의 침체로 인한 가격 하락으로 인하여 어려움을 겪고 있으나, 가입자용 양방향 모듈의 경우에는 일본에서 반제품(TOSA, ROSA)을 들여와 완제품으로 조립하여 일본으로 수출하는 국제 분업화된 형태로 생산하고 있다. 그러나 <그림 1>에서 알 수 있듯이 광모듈 패키징 비용 중 인건비가 차지하는 비중이 23% 정도로 높기 때문에 저렴한 인건비 (패키징 공정 관련 미국 근로자 인건비의 1/20)를 앞세운 중국 기업이 진출하기에 매우 유리한 분야이며 이번 2월 미국에서 개최한 OFC 전시회에서 중국 기업이 출시한 제품군을 살펴보면 외형적으로는 국내 업체 제품과 격차가 거의 없는 것으로 판단된다. 국내 광모듈 패키징 기술 연구는 ETRI 광통신소자 연구부에서 활발히 진행되고 있으며, 작년에 벤처 업체에 기술 이전한 반도체 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier : SOA) 기반의 4x4 스위치 모듈을 비롯하여 파장 가변 레이저 다이오드 (Tunable Laser Diode : TLD), 40 급 초고속 광검출 모듈 및 RF 광변환용 아날로그 모듈레이터 모듈 등의 고성능 광모듈용 패키징 기술이 축적되었고, 2003년부터는 향후 2∼3년 이내 수요가 매우 증가할 것으로 예상되는 광 가입자망(Fiber To The Home)용 저가격 PON 모듈용에 필수적인 패키징 기술 연구가 수행되고 있다. <그림 2>는 ETRI에서 제작된 파장 가변 레이저를 패키징한 광 송신 모듈 예로, 그동안 레이저 다이오드 외부 파장 안정화(wavelength locker)조절 부분을 하나의 패키지 내부에 집적화한 모듈이다. 레이저 다이오드를 중심으로 앞부분은 칩에서 발광된 빛이 2개의 비구면 렌즈 조합과 광섬유를 통하여 외부로 전달될 수 있도록 가변적 거리이동 기능의 U 블록을 설계, 제작하여 레이저 웰딩 공정으로 고정하였고, 뒷부분은 2개의 모니터 광검출 소자가 에탈론(etalon) 통과 전후의 광 출력비를 이용하여 파장 안정화기능을 할 수 있는 소형 구조체를 삽입하여 모듈 특성을 구현하였다. 패키징된 모듈(2a)는 주입전류를 가변시켜 30nm 대역의 50 GHz 채널 간격으로 70개 이상의 출력 파장 특성을 보여주고 있다. <그림 3>은 ETRI에서 국내 최초로 도파로형(Waveguide) PIN 광검출 소자와, 전치 증폭기(Trans-Impedance Amplifier : TIA)를 하이브리드 집적하여 제작한 40 급 광 검출기 모듈로, 35GHz 이상의 초고속 주파수 응답 특성 및 해외 선진 경쟁사의 상용 제품보다도 우수한 수신감도 특성을 보여주고 있다. 40 급 광 검출 모듈이란 CD 7장 정도에 해당하는 40 기가비트(Gb)의 정보를 1초에 수신하는 모듈로, 광섬유를 통해 전달되는 빛 신호의 손실을 최소화하여 광 검출 소자에 전달해야 하는 것이 중요한 문제 중의 하나이다. 광섬유에서 빛 신호가 직접적으로 전파하는 통로 직경은 약 10μm 정도이며, 이러한 광섬유를 통해 나온 빛 신호를 3μm 면적의 광검출 소자 수광부에 정렬하는 공정이 필요하게 된다. 따라서 소자와의 광 결합 효율 정도가 매우 중요하게 되며, 최대 광 결합 효율을 위한 비구면 렌즈(aspherical lens)가 채택되었다. 광 섬유와 렌즈는 원형의 금속 몸체에 고정시키게 되며, 금속 몸체는 능동 정렬 방식인 레이저 웰딩 기술을 이용하여 패키지 외곽 면(metal housing)에 고정시키게 된다. 초고속 광검출 소자 칩을 통해 나오는 약 40 GHz의 초고속 RF 신호는, 금선을 통하여 TIA로 전달되어 증폭된다. 일반적으로 광검출 소자와 TIA, TIA와 전송선로간 전기 신호 연결을 위하여 금선을 사용하게 되며 이때 전송선로와 금선 사이에 급격한 형상 변화로 인해 전송 선로 상에서 일정하게 유지되던 전자기장의 형태가 특정한 주파수에서 급격한 변화를 일으켜 공진(resonance)현상이 발생하게 된다. 이러한 공진은 일정 주파수의 전기신호가 전달되는 것을 약화시키기 때문에 공진 방지를 위한 RF 설계가 최적화되었다. 전치 증폭기에서 증폭된 고속의 전기 신호 손실을 최소화하며 모듈 하우징의 V 커넥터(사용범위 65 GHz)와 연결하기 위해 공진 현상 억압(suppression)을 최대화한 균일한 특성의 세라믹 회로 기판이 설계 제작되었다. 특히, 이번에 개발된 세라믹 회로 기판은 국내 기업의 기술로 제작되었으며 그동안 해외에서 수입되던 부품을 국산화했다는 것이 또 하나의 성과이다. 위와 같이 패키징된 광 검출 모듈은 1mV 세기의 광입력에서 400mVpp(peak to peak) 출력전압을 얻었으며, 1.815 피크초(ps)의 RMS jitter 등의 우수한 특성을 보여주고 있다. ◇향후 광모듈 패키징기술 전망 2004 OFC 전시회에서 많은 전문가들이 그동안 꽁꽁 얼어붙었던 세계 광통신 시장이 점차 회복세로 진입할 것으로 전망하고 있으나, 국내 업체들이 제품 경쟁력을 확보하기 위해서는 제품 가격의 50%이상을 차지하는 패키징 생산 비용을 절감하기 위한 부품, 공정 표준화 및 자동화기술이 개발 적용되어야 할 것으로 판단된다. ETRI 광통신소자연구부의 경우 4 x 4 반도체 광 증폭기 스위치 모듈, 파장 안정 가변 레이저 모듈, 40Gbps급 하이브리드 집적 초고속 광검출 모듈 등의 고성능 광모듈 패키징 기술을 개발하면서 주요 핵심 기술인 광학 설계, 초고속 RF 설계, 레이저 웰딩 공정기술 등을 국제 경쟁력 수준까지 확보했기 때문에 향후 세계 시장의 선점과 기술 경쟁에서 우위를 점할 것으로 예측된다. 필자 : 문종태 △1986년 홍익대 금속공학과 졸업 △1990년 홍익대 금속공학과 석사 △1995년 홍익대 금속공학과 박사 △1996∼1997년 전자통신연구원 광모듈 패키징팀 포스트닥(post-Doc.) △1998∼2000년 현대전자 선행기술 연구소 패키징팀 팀장 △2001년∼현재 전자통신연구원(ETRI) 기반기술 연구소 집적광모듈팀 팀장

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