과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이  포스트 코로나 시대에는 4차 산업혁명 패러다임의 흐름 속에 안전과 위험관리 관련 기술의 중요도가 높아짐에 따라, ‘디지털 전환’과 ‘안전’ 요인이 결합하며 진화할 것으로 전망했다.

한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 ㈜프로텍(대표 최승환)과 공동으로 반도체 후공정의 생산성을 기존보다 100배 이상 높일 수 있는 ‘Gang-Bonder(갱 본더)’ 장비를 개발했다.

기계연 송준엽 부원장 연구팀과 ㈜프로텍이 개발한 Gang-Bonder 장비는 머리카락 한 가닥(약40~70㎛)의 절반보다 얇은 20㎛급 유연 반도체 칩을 파손 없이 고집적 유연기판에 배열하고, 조립정밀도 ±2㎛ 이내로 접속 및 적층시킬 수 있는 대면적 규모의 패널 레벨 패키지(Panel level Packaging)1) 조립 장비다.

1)패널 레벨 패키지: 반도체를 웨이퍼나 각각의 칩 단위가 아닌, 패널 단위로 한 번에 패키징하여 생산속도를 크게 향상시킨 첨단 후공정 기술

연구팀은 비접촉식 압력 인가 방식과 다중 셀 세라믹 히터 기술을  핵심으로 하는 Gang-Bonding 방식을 적용하여 300㎜×300㎜ 이상 대면적 유연 반도체 패키지 패널 조립 장비를 개발하는데 성공했다. 열에 의한 휨이나 손상을 최소화하고 생산성은 극대화한 것으로, 향후 반도체 칩 후공정의 생산성을 획기적으로 개선할 것으로 기대된다.

▲ 패널레벨 Gang-Bonder

Gang-Bonder 기술은 기존의 반도체 칩을 기판에 하나씩 조립하던 방식과 달리 여러 개의 칩을 동시에 조립하는 기술이다. 낮은 온도에서 일차적으로 칩을 간소하게 조립한 다음, 다시 대량의 칩을 일괄 전기 접속하는 방식이다. 반도체 칩에 가하는 열손상은 줄이고 생산성은 높인 차세대 방식으로 세계적으로 아직 상용화 사례는 없다.

연구팀은 Gang-Bonder 방식의 패키징을 구현하기 위해 특수 기체를 이용하여 칩과 접촉하지 않고 압력을 인가하는 기술을 개발했다. 이 방식을 활용하면 칩 또는 기판의 두께 편차가 발생하더라도 균일한 압력을 가할 수 있고 칩의 정렬이 틀어지는 조립 오차를 해결할 수 있다.

▲ 3차원 플렉시블 반도체 패키지

현재 반도체 패키징 조립은 개별 칩마다 조립 헤드부분이 기계적으로 압력을 가하는 방식으로 이뤄진다. 이때 칩과 기판의 두께에 편차가 생기면 조립 오차가 발생할 수 있어 한 번에 만들 수 있는 양에 제한이 있었다.

또한 300㎜×300㎜ 이상의 대면적을 20℃/sec 이상으로 고속 승온 및 냉각할 수 있는 다중 셀 세라믹 히터(온도 균일도 ±2% 이내)도 개발했다. 연구팀이 개발한 기술은 유연 기판을 셀로 나누어 가열하되, 이를 동시에 진행하여 균일한 열전달이 가능하게 한 기술이다.

기존의 방식은 대면적을 한 번에 가열하는 단일 셀 구조로 열충격에 의한 히터 파손 문제로 가열 성능에 한계가 있다. 또 온도 분포가 균일하지 못해 안정적으로 공정을 지속하기 어렵고 생산성을 확보하기도 어렵다. 이 기술을 적용하면 생산 공정의 속도는 높이고 불량은 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 산업통상자원부의 ‘기계산업핵심기술개발사업’2) 지원을 받아 3차원 플렉시블 패키지 신 제조(공정/장비) 원천기술 개발 연구의 일환으로 수행됐다.

2) 사업기간 2016.06.01.~2020.05.31.(5년) / 총사업비 92.46억 원

기계연 송준엽 부원장은 “이번에 개발한 Gang-Bonder 장비는 유럽, 일본 등 반도체 장비 선도국가의 소수 업체가 주도하고 있는 최고 사양의 반도체 조립 장비보다 앞선 세계 최고 수준의 기술”이라며 “웨어러블 디바이스, 스마트카드, 메디컬 디바이스, Micro-LED 디스플레이뿐만 아니라, AI 반도체 패키지와 같은 웨이퍼 및 패널 레벨 패키지 초정밀 조립 분야에도 활용될 수 있어 관련 산업의 고속 성장에 따라 새로운 장비산업 창출로 확대될 것으로 기대된다”고 설명했다.