ETRI, 95%절전 반도체 패키징기술 최초개발

세계최초 ETRI 개발 신소재 적용 95% 절전 첨단반도체 칩렛 패키징 공정. (자료제공: ETRI)

국내 연구진이 최첨단 반도체 개발의 키를 쥐고 있는 패키징(Packaging) 분야의 핵심원천 신소재 기술개발에 성공, 반도체강국의 신화를 계속 써나가는데 청신호가 켜졌다. 이번 기술은 향후 자율주행, 데이터센터 등 고성능이 필요한 AI반도체 제조의 핵심 소재기술로 사용될 전망이다.
한국전자통신연구원(ETRI, 원장 방승찬)은 자체 보유한 나노 소재기술을 이용해 세계최초로 반도체 공정에 꼭 필요한 신소재를 개발해 냈다고 7월 28일 밝혔다.
연구진이 개발한 95% 절전 첨단반도체 칩렛 패키징 기술은 반도체 웨이퍼에 연구원이 개발한 신소재인 비전도성 필름(NCF)을 붙인 후 타일처럼 생긴 칩렛에 면 레이저를 조사(照射)해 경화하는 총 3단계로 이뤄진다. 기존 일본이 보유한 기술 대비 95% 전력 절감이 가능한 획기적인 반도체 칩렛 패키징 기술이다. 공정단계도 기존 9단계를 3단계로 대폭 줄였다.
그동안 반도체 업계에서는 첨단반도체 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 첨단반도체 선단으로 만들어진 고밀도 칩을 위한 새로운 집적 기술개발에 박차를 가하고 있다. 기존기술로는 칩렛 집적기술이 요구하는 수십 마이크로미터(㎛) 크기의 칩간 연결통로라 할 수 있는 접합부의 세척 불가능, 상온에서 접합의 필요성 등이 적용하기 어렵다는 단점도 있었다.
연구진이 개발한 공정은 첨단반도체 웨이퍼 기판에 개발한 나노 신소재를 적용한 후 다양한 웨이퍼에서 제작된 칩렛으로 타일을 만들어 1초 정도의 면 레이저를 쏘아서 접합 공정을 완성하고 후경화 공정으로 완료된다. 핵심 신소재는 고분자 필름으로 만들었다. 10~20㎛ 두께의 에폭시 계열 소재에 환원제 등이 첨가된 나노소재이다. 소재에 레이저를 쏘면 반도체 후공정(패키징)의 단계에서 세척, 건조, 도포, 경화 등에 이르는 전 단계를 해결한다.
기존에는 웨이퍼에서 분리한 칩을 보드에 붙여 한 개씩 잘라서 쓰는 방식이었다. 개발한 나노 신소재 덕분에 칩렛을 웨이퍼 기판에 마치 타일을 붙이듯 직접 찍어 붙이는 게 가능해졌다. 이처럼, 공정이 간단해 전체 생산라인을 기존 20ｍ 이상을 4ｍ로 즉, 20%로 줄일 수 있다. 질소 가스도 필요 없어 유해물질이 발생하지 않는 장점도 있다. 특히 고정밀 공정을 개발하기 위해 세계최초로 상온(25℃)에서 집적 공정이 가능하다는 것이 특징이다.
ETRI 이일민 창의원천연구본부장은“최근 ESG 경영이 반도체 디스플레이 업계의 화두이고 산업계에 친화적인 저전력 신공법을 누가 먼저 개발하느냐가 사활이 걸린 문제로 본 기술은 파급효과가 매우 큰 기술이다”고 말했다.
ETRI 최광성 실장은“그동안 첨단반도체 패키징과 마이크로 LED 디스플레이 분야는 일본 소재와 장비 기술에 대한 의존도가 높았다. 기술 격차가 커서 자립화가 쉽지 않은 상황이었는데 저전력, 친환경이라는 새로운 시장의 요구에 연구진의 성과가 답해 원천기술의 상용화가 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 『소재혁신선도 프로젝트』의 지원으로 연구 중이며, 소재혁신선도 프로젝트에는 KIST, 한국세라믹기술원, 한국생산기술연구원이 공동연구기관으로 참여 중이다. ETRI는 동시 전사-접합 기술 및 레이저에 신소재를 적용한 공정 기술과 소재 관련 연구를 통해 SCI 논문과 국내·외 특허 출원 및 등록 23건 성과를 얻었다.