“Intra-DC 통신을 위한 1.6Tbps 광트랜시버용 광소자 부품 기술 개발(실행과제번호: 24HH6610, 25HH9110)” 사업으로 개발된 연구 결과물인 “임피던스 정합 실리콘 인터포저 기술”을 수요 업체에 이전하고자 함
- 최근 데이터센터 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 환경에서 인공지능(AI) 연산 수요가 급격히 증가함에 따라, 광트랜시버 내부에서 발생하는 고주파 손실과 불연속을 최소화하기 위한 고주파 패키징 기술의 중요성이 증가하고 있음
- 특히, 전기 인터페이스의 대역폭이 수십 GHz까지 확장됨에 따라 광소자 구동부와 외부회로 사이에서 임피던스 부정합으로 인한 RF 반사손실과 삽입손실이 시스템 성능을 제한하는 주요 요인으로 부각되어, 임피던스 정합 인터포저 기술이 새로운 대안으로 주목받고 있음
- 실리콘 인터포저는 발전된 반도체 공정을 이용하므로, 미세 고정밀 전송선로 배선이 가능하고, 국내의 다양한 반도체 파운드리 서비스를 이용하여 공정이 가능함
- ETRI에서는 “Intra-DC 통신을 위한 1.6Tbps 광트랜시버용 광소자 부품 기술 개발(실행과제번호: 23HB3410, 24HH6610, 25HH9110)” 사업을 진행하여 200Gbps PAM4 동작용EML 칩을 집적할 수 있는 “임피던스 정합 실리콘 인터포저 기술”을 확보하였음
- 글로벌 데이터센터 시장은 400Gbps에서 800Gbps, 나아가 1.6Tbps급 광트랜시버로의 전환이 가속화되고 있으며, 채널당 전송속도 증가에 따라 광모듈 내부의 고주파 특성 확보는 제품 경쟁력의 핵심 요소로 자리매김하고 있음
- 본 기술은 200Gbps 이상급 PAM4 신호 전송을 위한 채널 구조를 기반으로 확장 설계가 가능하도록 플랫폼화되어 있어, 향후 800Gbps 및 1.6Tbps 광트랜시버 개발 시에도 적용 가능한 고주파 인터커넥트 핵심 기반기술로 활용될 수 있음
- 임피던스 정합 실리콘 인터포저 기술은 특정 EML 광소자 뿐만 아니라, 실리콘 포토닉스나 LiNBO3 기반 광소자와 고속 전자소자에도 사용될 수 있어 활용도가 매우 높음
- 특히, AI 데이터센터 및 HPC 시스템에서 요구되는 초고속, 저지연 인터페이스 시스템을 만족할 수 있어 차세대 초고속 광모듈 설계 기술 확보에도 기여 가능함
- 따라서, 본 기술의 기술이전은 국내 광트랜시버 또는 광모듈 제조업체가 고주파 패키징 핵심 기술을 자립적으로 확보하고, 해외 선도업체와의 기술 격차를 감소시킴과 함께 차세대 초고속 광모듈 시장에서 기술 경쟁력을 확보하는데 기여할 것으로 기대됨
- 본 기술이전 대상인 “임피던스 정합 실리콘 인터포저”는 70 GHz 이하의 고주파 대역에서 RF 반사손실(S11) -10 dB 이하의 특성을 만족하는 임피던스 정합 구조를 구현함
- 다채널 EML 광원 소자의 최적 동작을 고려하여 RF/DC 전기배선 길이를 최소화하고 배치를 최적화한 전송선로를 설계함으로써 RF 반사손실을 최소화함
- 실리콘 인터포저 상/하면에 고주파 전송선로를 형성하고 Cu TSV(Through Silicon Via)를 통해 전기적으로 연결하여 0 ~ 70 GHz 주파수에서 RF 신호를 저손실로 전송할 수 있는 구조를 구현함
- 반도체 공정 기반 미세 전송선로 형성 기술을 적용하여 선폭 및 간격을 정밀하게 제어 및 구현하고, 임피던스 오차를 ±3 Ω 수준으로 최소화함
- Cu TSV 기반 고밀도 3D 인터커넥트 구조를 적용하여 고속신호 전송과 고집적 패키징에 적합한 전기적 연결 구조를 구현함
- 90 ~ 110 μm로 얇은 두께를 갖는 임피던스 정합 실리콘 인터포저를 구현하여 광송신 모듈 내부의 전기적 경로를 감소시키고 고속신호 전송시 RF 반사손실을 최소화함
- EML 광원 소자 구동을 위하여 박막저항(Thin-Film Resistor, TFR)를 실리콘 인터포저에 집적하여 별도의 매칭저항 사용을 줄이고 광송신 모듈의 집적도를 향상시킴
- EML 광원 소자 구동을 위한 DC 배선과 고주파 전송선로, TSV, 종단 매칭저항을 포함한 전체 RF 경로를 단일 실리콘 인터포저로 집적하여 설계함으로써 고집적 광송신 모듈 패키징 구조를 구현함
- 실리콘 인터포저는 수십 ~ 수백 μm 크기를 갖는 반도체 기반 공정으로 구현되므로, 공정순서/공정장비/공정조건 및 공정노하우가 중요하며, 기술이전시 해당 공정 기술 및 노하우를 포함하여 제공함
- 본 기술은 200 Gbps 이상급 PAM4 EML 구동 환경에 적용 가능하며, 향후 채널당 전송속도 증가에 따른 주파수 확장 설계가 가능한 실리콘 인터포저 플랫폼 기술을 제공함
가. 기술이전의 내용
- 임피던스 정합 실리콘 인터포저 기술
- 기술이전할 실리콘 인터포저의 특성
1. 인터포저의 두께는 90 ~ 110 μm 범위 이내로 측정
2. 인터포저의 RF 반사손실(S11)이 0 ~ 70 GHz 범위에서 -10 dB 이하로 측정
3. 인터포저에 형성된 전송선로의 TDR 임피던스가 47 ~ 53 Ω 이내로 측정
4. 인터포저에 집적된 박막저항은 37 ~ 43 Ω 범위로 측정
나. 기술이전의 범위
- 기술 문서 제공
- 임피던스 정합 실리콘 인터포저의 설계, 제작 및 평가 관련 기술교육 진행
1. 실리콘 인터포저의 고주파 전송선로 배치 및 설계 기술
2. 실리콘 인터포저의 공정 기술 및 노하우
3. 실리콘 인터포저의 고주파 특성 측정 및 분석 기술
- 본 기술은 다양한 분야에 적용될 수 있음
● 차세대 데이터 센터용 Intra-DC 광송수신 모듈
● 800Gbps 및 1.6Tbps급 초고속 광트랜시버용 고속 인터커넥트 플랫폼
● 200Gbps PAM4 동작용 EML 기반 광송신 모듈
● Co-packaged Optics(CPO) 구조의 고속 인터포저 기반 광전 집적 패키지
● 수십 GHz 이상 대역에서 임피던스 정합이 요구되는 RF/광 융합 패키징 분야
- 200Gbps 이상급 PAM4 기반 고주파 신호전송이 가능한 임피던스 정합 실리콘 인터포저 플랫폼 확보를 통해 차세대 광모듈 개발 기간을 단축시킬 수 있음
- 실리콘 인터포저 전송선로 설계를 통한 광송수신 모듈의 신호 무결성 확보 및 링크 마진을 개선할 수 있음
- 해외 선도기업 의존도가 높은 고주파 패키징 핵심 기술의 국산화 기반을 확보하여 국내 광트랜시버 기업의 고주파 설계 역량 내재화 및 기술 경쟁력 강화
- 차세대 데이터센터 통신 시장에서 고부가가치 핵심 부품 기술로 사업화하고, 향후 채널당 전송속도 증가에 대응 가능한 플랫폼 구조로 중장기 기술로 확장 가능함