국내 연구진, 온도 제어로 반도체 패키징 휨 문제 개선 기술 개발

반도체 회로 미세화 작업이 한계에 이르면서 반도체 패키징이 차세대 기술로 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 패키징 신뢰성을 높일 수 있는 후공정 기술을 개발했다.

3일 카이스트(KAIST)에 따르면, 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 메사추세츠공과대학(MIT) 브라이언 워들 교수 연구팀과 함께 ‘반도체 패키지의 신뢰성 강화를 위한 접합 온도 제어 기반의 경화 공정’을 개발하는 데 성공했다. 

반도체 패키지의 주된 재료인 EMC(Epoxy Molding Compund)는 열을 가하면 화학반응이 일어나 단단해지는 경화 반응(Curing reaction)을 보인다. 경화 공정은 시간에 따른 온도·압력 변화를 패키지의 두께가 얇아짐에 따라 공정 후 재료 간 열수축 차이로 뒤틀리는 휨(Warpage) 현상이 나타나게 된다. 

공동 연구팀은 이 문제를 해결하고자 EMC와 기판 사이의 접합 온도를 정확히 예측하고 휨현상을 제어할 수 있는 경화 공정을 개발했다.

연구팀은 반도체 패키지의 접합 온도를 낮추기 이번 연구에서 두 재료의 접합이 일어나는 온도 직전에 급격히 온도를 낮춰주는 접합 온도 제어 기반의 EMC 경화 공정 기술을 구현했다.

열경화성 고분자인 EMC는 경화 공정 중 기판과 접합이 발생하는 온도 직전에 상온으로 급랭을 하게 되면 경화 반응을 억제해 접합 온도를 상온에 가깝게 유도할 수 있고, 이후 재가열을 통해 EMC를 완전히 경화시킬 수 있다.

이 과정을 통해 패키지의 접합 온도와 사용 온도 차이를 줄여 요소 간 열수축 차이에 의한 길이 변화 차이를 최소화해 휨을 줄일 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

이를 위해서는 재료 사이의 정확한 접합 온도를 분석하는 것이 중요하다. 연구팀은 경화 공정 중에 발생하는 EMC의 화학적 수축을 고려한 접합 온도를 구하는 식을 유도해 변형율 측정 시스템을 활용해 이를 검증하는 데 성공했다.

연구팀은 새로운 경화 공정을 통해 기존 EMC 경화 공정 대비 반도체 패키지의 휨은 27% 감소하고 EMC와 기판 경계면의 기계적 강도는 약 40% 상승했다고 전했다. 또 급랭 과정을 포함하는 경화 공정을 거친 EMC의 기계적 물성은 기존 공정과 차이가 없음을 확인했다고 부연했다.

연구 책임자인 김성수 교수는 “이번 연구는 반도체 패키지에서 지속 대두되고 있는 휨 문제를 해결해 반도체 패키지의 수율을 높이고 내구성도 강화할 수 있을 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 연구 의미를 설명했다.

KAIST 기계공학과 박성연 박사가 제1 저자로 참여하고 한국연구재단, BK 사업, 국제협력사업 시그니쳐 프로젝트(Signature project)의 지원으로 수행된 이번 연구결과는 ‘ACS applied materials&interfaces’에 지난 3월1일 자로 게재됐으며 연구 우수성을 인정받아 표지 논문 으로 선정됐다.