온도제어로 반도체 패키징 내구성 40% 향상…KAIST 경화공정 개발 성공

급랭과 재가열로 구성된 접합 온도 기반 EMC 경화 공정 시스템. 사진=KAIST

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 기계공학과 김성수 교수 연구팀이 메사추세츠공과대학(MIT) 브라이언 워들 교수 연구팀과 반도체 패키지 신뢰성 강화를 위한 접합온도 제어기반 경화공정을 개발하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

반도체 패키지 주재료인 EMC는 열을 가하면 화학반응으로 단단해지는 경화 반응이 일어난다. 이에 따라 공정 후 재료 간 열 수축 차이로 인해 뒤틀리는 휨 현상이 나타나게 된다.

연구팀이 개발한 경화 공정은 EMC와 기판 사이 접합온도를 정확히 예측하고 휨 현상을 제어할 수 있는 공정이다.

열경화성 고분자인 EMC는 경화공정 중 기판과 접합이 발생하는 온도 직전에 상온으로 급랭하면 경화반응을 억제해 접합온도를 상온에 가깝게 유도할 수 있으며 이후 재가열을 통해 EMC를 완전히 경화시킬 수 있다. 이 과정을 통해 반도체 패키지 접합온도와 사용온도 차이를 줄여줌으로써 요소 간 열 수축 차이에 의한 길이 변화를 최소화해 휨을 줄일 수 있다.

연구팀은 경화공정 중에 발생하는 EMC 화학적 수축을 고려한 접합온도를 구하는 식을 유도했으며, 변형률 측정 시스템을 활용해 이를 검증했다.

이러한 과정을 통해 정확히 측정된 접합온도 직전에서 급랭과정을 도입한 새로운 경화공정을 통해 기존 EMC 경화공정 대비 반도체 패키지의 휨은 27% 감소하고, EMC와 기판 경계면의 기계적 강도는 약 40% 상승했다.

또 급랭과정을 포함하는 경화공정을 거친 EMC 기계적 물성은 기존 공정과 차이가 없음을 확인했다.

김성수 교수는 “새로운 EMC 경화공정은 경박단소화 추세의 반도체 패키지에서 지속적으로 대두되는 휨 문제를 해결함으로써 반도체 패키지 수율을 향상할 뿐만 아니라 내구성도 강화할 수 있을 기반기술이 될 것”이라고 연구 의미를 설명했다.

이번 연구는 국제학술지 'ACS applied materials&interfaces'에 지난 3월 1일자로 실렸다. 해당 논문 우수성을 인정받아 표지논문에 선정됐다.

이인희기자 leeih@etnews.com