국내 연구진이 반도체 생산성을 기존보다 100배 높일 수 있는 장비를 개발했다. 유럽과 일본 등 반도체 생산 장비 선도국보다 앞선 기술이다.
한국기계연구원(원장 박상진)은 반도체 제조 기업 프로텍(대표 최승환)과 공동 연구해 반도체 후공정 생산성을 기존보다 100배 이상 높일 수 있는 'Gang-Bonder(갱 본더)' 장비를 개발했다고 11일 밝혔다.
송준엽 기계연 부원장 연구팀과 프로텍이 개발한 이 장비는 머리카락 절반보다 얇은 20마이크로미터(㎛) 급 유연 반도체 칩을 파손 없이 고(高)집적 유연 기판에 배열할 수 있다. 조립 정밀도도 ±2㎛ 이내로 접속 및 적층할 수 있는 대면적 ‘패널 레벨 패키지(Panel level Packaging)’ 조립 장비다.
패널 레벨 패키지는 반도체를 웨이퍼나 각각의 칩 단위가 아닌 패널 단위로 한번에 패키징해 생산 속도를 크게 향상시킨 첨단 후공정 기술이다.
연구팀은 비접촉식 압력 인가 방식과 다중 셀 세라믹 히터 기술을 핵심으로 하는 갱 본딩(Gang-Bonding) 방식을 적용, 300㎜×300㎜ 이상 대면적 유연 반도체 패키지 패널 조립 장비를 개발하는데 성공했다. 기존 후공정 방식(TC Bonder)과 갱 본더 방식 생산성을 비교한 결과 시간당 반도체 생산량(UPH)이 100배 이상 증가하는 것을 확인했다.
갱 본더 기술은 기존 반도체 칩을 기판에 하나씩 조립하던 방식과 달리 여러 개 칩을 동시에 조립하는 기술이다. 낮은 온도에서 일차적으로 칩을 간소하게 조립한 뒤, 다시 대량의 칩을 일괄 전기 접속하는 방식이다. 반도체 칩에 가하는 열손상은 줄이고 생산성은 높인 차세대 방식으로 전 세계에서 아직 상용화 사례는 없다.
현재 반도체 패키징 조립은 개별 칩마다 조립 헤드 부분이 기계적으로 압력을 가하는 방식이다. 이때 칩과 기판의 두께에 편차가 생길 경우 조립 오차가 발생할 수 있어 한번에 만들 수 있는 양이 한정적이다.
이에 연구팀은 갱 본더 패키징 방식을 구현할 수 있도록 특수 기체를 이용해 칩과 접촉하지 않고 압력을 인가하는 기술을 개발했다. 이 방식을 활용하면 칩이나 기판 두께의 편차가 발생해도 균일한 압력을 가할 수 있으며 칩의 정렬이 틀어지는 조립 오차를 해결할 수 있다.
또 300㎜×300㎜ 이상 대면적을 20℃/sec 이상으로 고속 승온 및 냉각할 수 있는 다중 셀 세라믹 히터도 개발했다. 이 히터를 활용하면, 유연 기판을 셀로 나눠 동시 가열해 균일한 열 전달이 가능하다.
기존 방식은 대면적을 한번에 가열하는 단일 셀 구조로 열충격으로 인한 히터 파손 문제 때문에 가열 성능에 한계가 있다. 또 온도 분포가 균일하지 못해 안정적인 공정이 어렵고 생산성 확보도 한계가 있었다.
기계연은 이번에 개발한 장비를 적용해 생산 공정 속도는 높이고 불량은 줄일 수 있을 것으로 기대했다.
송준엽 기계연 부원장은 "갱 본더 장비는 유럽이나 일본 등 반도체 장비 선도 국가가 주도하고 있는 최고 사양 반도체 조립 장비보다 앞선 세계 최고 수준의 기술이다"라고 강조하며 "웨어러블 디바이스나 스마트카드, 인공지능(AI) 반도체 패키지 등 초정밀 조립 분야에 활용할 수 있어 새로운 장비 산업 창출을 확대할 수 있을 것이다"라고 기대했다.
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