기계연구원, 반도체 생산성 100배 높이는 상용 기술개발

㈜프로텍과 손잡고 갱본더(Gang-Bonder)' 장비 개발

생산성은 높고 불량은 줄여, 다양한 초정밀분야 활용가능

[대전=뉴시스] 기계연구원이 개발한 패널 레벨 'gang bonder' 장비. 패널 기판을 한번에 본딩할 수 있는 장비로 웨어러블 디바이스용 유연 반도체 패키지 및 고성능의 반도체칩 등을 빠르게 생산할 수 있다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국기계연구원은 ㈜프로텍과 공동으로 반도체 후공정의 생산성을 기존보다 100배 이상 높일 수 있는 '갱 본더(Gang-Bonder)' 장비를 개발했다고 11일 밝혔다.

기계연 송준엽 부원장 연구팀과 프로텍이 개발한 Gang-Bonder 장비는 머리카락의 절반보다 얇은 20㎛급 유연 반도체 칩을 파손없이 고집적 유연기판에 배열하고, 조립정밀도 ±2㎛ 이내로 접속 및 적층시킬 수 있는 대면적의 패널 레벨 패키지(Panel level Packaging) 조립 장비다.
 
패널 레벨 패키지는 반도체를 웨이퍼나 각각의 칩 단위가 아닌 패널 단위로 한 번에 패키징해 생산속도를 크게 향상시킨 첨단 후공정 기술을 말한다.

이번에 연구팀은 비접촉식 압력 인가 방식과 다중 셀 세라믹 히터 기술을 핵심으로 하는 Gang-Bonding 방식을 적용해 300㎜×300㎜ 이상 대면적 유연 반도체 패키지 패널 조립 장비를 개발하는데 성공했다.

 이 장비는 열에 의한 휨이나 손상을 최소화하고 생산성은 극대화할 수 있어 향후 반도체 칩 후공정의 생산성을 획기적으로 개선할 것으로 기대된다.

 특히 연구팀이 기존의 일반적인 후공정 방식(TC Bonder)과 Gang-Bonder 방식의 생산성을 비교한 결과, 시간당 반도체 생산량(UPH)이 100배 이상 증가하는 것으로 확인됐다.

Gang-Bonder 기술의 핵심은 반도체 칩을 기판에 하나씩 조립하던 기존 방식과 달리 여러 개의 칩을 동시에 조립하는 기술로 낮은 온도에서 일차적으로 칩을 간소하게 조립한 뒤 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.

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 있다.

이어 연구팀은 300㎜×300㎜ 이상의 대면적을 20℃/sec 이상으로 고속 승온 및 냉각할 수 있는 다중 셀 세라믹 히터(온도 균일도 ±2% 이내)를 개발했다. 이 기술은 유연 기판을 셀로 나눠 가열하되, 이를 동시에 진행해 균일한 열전달이 가능하게 한 기술이다. 생산 공정의 속도는 높이고 불량은 줄일 수 있다.

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, AI 반도체 패키지 등 초정밀 조립분야에 활용될 수 있다"고 말했다.


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