기계연·프로텍, 반도체 생산성 100배 높이는 기술 상용화

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과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원의 송준엽 부원장 연구팀과 반도체 장비기업 프로텍이 반도체 후공정 생산성을 100배 높일 수 있는 ‘갱 본더(Gang-Bonder)’ 장비를 개발했다고 11일 밝혔다.

패널레벨 갱 본더. /사진=한국기계연구원

갱 본더 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 조립 장비다. 패널 레벨 패키지는 반도체를 웨이퍼나 각각의 칩 단위가 아닌 패널 단위로 한 번에 패키징해 생산속도를 향상시킨 첨단 후공정 기술이다.

연구팀은 비접촉식 압력 인가 방식과 다중 셀 세라믹 히터 기술을 핵심으로 하는 갱 본더 방식을 적용해 300㎜×300㎜ 이상 대면적 유연 반도체 패키지 패널 조립 장비를 개발하는데 성공했다. 열에 의한 휨이나 손상을 최소화하고 생산성은 극대화한 것으로 반도체 칩 후공정의 생산성을 크게 개선할 것으로 기대된다.

갱 본더 기술은 기존 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 세계적인 상용화 사례는 없다.

연구팀은 갱 본더 방식 패키징을 구현하기 위해 특수 기체를 이용해 칩과 접촉하지 않고 압력을 인가하는 기술을 개발했다. 이 방식을 활용하면 칩이나 기판 두께의 편차가 발생해도 균일한 압력을 가할 수 있고 칩 정렬이 틀어지는 조립 오차도 해결 가능하다.

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 진행해 균일한 열전달이 가능한 기술이다.

송준엽 기계연 부원장은 “이번에 개발한 갱 본더 장비는 유럽, 일본 등 반도체 장비 선도국가의 소수 업체가 주도하는 최고 사양 반도체 조립 장비보다 앞선 세계 최고 수준 기술”이라며 “웨어러블 디바이스, 스마트카드, 메디컬 디바이스, Micro-LED 디스플레이뿐 아니라 AI 반도체 패키지와 같은 웨이퍼 및 패널 레벨 패키지 초정밀 조립 분야에도 활용될 수 있다”고 설명했다.

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