반도체 접합 공정을 1596배 빠르게

한양대 김학성 교수팀, 반도체 부품 접합 기술 개발

고강도 펄스광(Intense pulsed light; IPL)을 이용한 플립칩(Flip-chip) 접합 기술 개략도. 한양대 제공

[파이낸셜뉴스] 한양대 기계공학부 김학성 교수팀이 반도체 패키징 공정에서 시간을 단축하고 온도를 낮추기 위해 고강도 펄스광(IPL)을 활용한 기술을 개발했다. 이 기술로 반도체 부품을 '납땜'할 때, 순간적으로 강렬한 빛을 쪼이는 새로운 기술을 써서 기존 방식보다 무려 1596배 빠르게 작업을 마칠 수 있다.

김학성 교수는 17일 "이번에 개발한 접합 기술은 반도체 부품 간의 물리적 결합 신뢰도를 크게 높이는 동시에 공정 효율성 측면에서도 큰 진전을 이룬 결과"라며, "향후에는 2.5D·3D 통합 패키지, 고대역폭 메모리(HBM) 등 다양한 반도체 패키징 분야로의 적용 가능성을 확대해 나갈 계획"이라고 말했다.

연구진은 이 기술이 고성능 스마트폰, 서버, 자율주행차 등 첨단 전자기기에 적용되는 반도체 패키징의 성능과 신뢰성을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 전망했다. 또한 고집적 메모리, 고성능 프로세서, 복합 기능 시스템온칩(SoC) 등 미래 반도체가 요구하는 고속·저전력·소형화 요건에 부응할 수 있는 핵심 공정 기술로 자리매김할 것으로 보고 있다.

이 기술은 반도체 부품을 '납땜'하듯 붙일 때, 순간적으로 강렬한 빛을 쪼이는 새로운 방식이다. 이 기술을 사용하면 기존 방식으로는 90초나 걸리던 작업을 눈 깜짝할 사이인 56.4밀리초 만에 끝낼 수 있다. 또한, 접합 시 최고 온도도 250도에서 221.7도로 낮아져 반도체 부품이 받는 열 부담을 줄여 더 안정적으로 만들 수 있다.

특히 납땜 과정에서 생겨 접합부를 약하게 만드는 '금속 간 화합물(IMC)'이라는 층의 두께를 기존 방식의 6마이크로미터(μm)에서 아주 얇은 약 800나노미터(nm)로 크게 줄였다. IMC 층이 얇아지면 접합부의 신뢰성과 내구성이 획기적으로 좋아진다.

이처럼 공정 시간과 온도를 줄이고 IMC 층을 얇게 만든 결과, 반도체 칩이 기판에 얼마나 단단하게 붙어있는지를 나타내는 '다이 전단 강도'가 기존 방식보다 30%나 강해졌다.

한편, 연구진은 이 기술을 재료 및 나노기술 분야의 권위 있는 국제 학술지 'ACS 응용재료 및 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'에 발표했으며, 학술지에서는 이 기술의 우수성을 인정해 표지논문으로 채택했다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자