[정보통신신문=차종환기자]

국내 연구진이 첨단 반도체 개발의 키를 쥐고 있는 패키징(Packaging) 분야의 핵심원천 신소재 기술개발에 성공, 반도체 강국의 신화를 계속 써 나가는데 청신호가 켜졌다. 향후 본 기술은 자율주행, 데이터센터 등 고성능이 필요한 AI반도체 제조의 핵심 소재기술로 사용될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 자체 보유한 나노 소재기술을 이용해 세계 최초로 반도체 공정에 꼭 필요한 신소재를 개발하는 데 성공했다.

특히 본 기술은 기존 일본이 보유한 기술 대비 95% 전력 절감이 가능한 획기적인 반도체 칩렛 기술이다. 공정단계도 기존 9단계를 3단계로 대폭 줄였다.

연구진이 개발한 95% 절전 첨단 반도체 칩렛 패키징 기술은 반도체 웨이퍼에 연구원이 개발한 신소재인 비전도성 필름(NCF)을 붙인 후 타일처럼 생긴 칩렛에 면 레이저를 조사해 경화하는 총 3단계로 이뤄진다.

그동안 반도체 업계에서는 첨단 반도체 패키징 공정에 주로 일본 소재를 사용해 왔다. 하지만 공정이 총 9단계를 거치는 등 복잡하고 다양한 장비가 사용되며 높은 전력소모, 청정실 유지비용, 유해물질 배출 등이 큰 단점이었다.

아울러, 대만반도체제조회사(TSMC), 인텔, 삼성전자 등 글로벌 반도체 기업들이 수 나노미터(㎚)의 첨단 반도체 선단으로 만들어진 고밀도 칩을 위한 새로운 집적 기술개발에 박차를 가하고 있다.

기존 기술로는 칩렛 집적기술이 요구하는 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 칩간 연결통로라 할 수 있는 접합부의 세척 불가능, 상온에서 접합의 필요성 등이 적용하기 어렵다는 단점도 있었다.

연구진이 개발한 기술은 자체 보유한 나노소재 설계기술과 나노신소재를 활용해 20여년 핵심원천기술 연구 끝에 독자 개발해 냈다.

개발한 공정은 첨단 반도체 웨이퍼 기판에 개발한 나노 신소재를 적용한 후 다양한 웨이퍼에서 제작된 칩렛으로 타일을 만들어 1초 정도의 면 레이저를 쏘아서 접합 공정을 완성하고 후경화 공정으로 완료된다.

연구진이 개발에 성공한 핵심 신소재는 고분자 필름으로 만들었다. 10~20㎛ 두께의 에폭시 계열 소재에 환원제 등이 첨가된 나노소재다. 본 소재에 레이저를 쏘면 반도체 후공정(패키징)의 단계에서 세척, 건조, 도포, 경화 등에 이르는 전단계를 해결한다.

따라서 ETRI가 개발에 성공한 나노 신소재는 소재가 갖는 특수성으로 인해 반도체 후공정에 필요한 접합소재 역할과 각 단계에 이르는 소재 특징을 갖고 있는 셈이다.

아울러 기존에는 웨이퍼에서 분리한 칩을 보드에 붙여 1개씩 잘라서 쓰는 방식이었다. 이런 방식도 연구진의 나노 신소재 덕분에 칩렛을 웨이퍼 기판에 마치 타일을 붙이듯 직접 찍어 붙이는 게 가능해졌다.

이처럼 본 기술은 공정이 간단해 전체 생산라인을 기존 20미터 이상을 4미터로 줄일 수 있다. 질소 가스도 필요 없어 유해물질이 발생하지 않는 장점도 있다.

첨단 칩렛 패키지에 적용할 수 있는 고정밀 공정이라는 특징도 있다. 특히 고정밀 공정을 개발하기 위해 세계 최초로 상온(25℃)에서 집적 공정이 가능하다는 것이 특징이다. 기존 공정들은 모두 스테이지 온도를 100℃로 가열해 전력 소모는 물론 열 팽창으로 인한 오차 증가, 신뢰성 저하의 문제를 가지고 있었다.

최광성 ETRI 실장은 “그동안 첨단 반도체 패키징과 마이크로 LED 디스플레이 분야는 일본 소재와 장비 기술에 대한 의존도가 높았다”며 “기술 격차가 커서 자립화가 쉽지 않는 상황이었는데 저전력, 친환경이라는 새로운 시장의 요구에 연구진의 성과가 답해 원천기술의 상용화가 기대된다”고 밝혔다.

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