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반도체 패키징, 소재기술 자립으로 일본의 벽을 넘다.

생기원, 對日의존도 87%인「에폭시 소재」수입 대체할 국산 원천기술 개발

세계 최고 수준의 열팽창특성 구현, 삼화페인트에 기술 이전해 양산 준비 완료

□ 반도체 제조의 가장 마지막 단계인 패키징(Packaging)* 공정에는 대일(對日)의존도가 약 87%에 달하는 외산 소재가 사용된다.

ㅇ ‘에폭시 밀봉재(EMC, Epoxy Molding Compound)’라 불리는 이 소재는 열경화성 고분자의 일종인 에폭시 수지를 기반으로 만든 복합소재로, 반도체 칩을 밀봉해 열이나 습기, 충격 등 외부환경으로부터 보호해주는 역할을 한다.

ㅇ 반도체 전·후 공정에 사용되는 유기 소재들 중 세계시장 규모가 약 1.5조원 규모로 가장 큰 핵심소재이지만, 최고 등급의 에폭시 물성이 필요해 대부분 일본산 제품 수입에 의존해왔다.

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 새로운 에폭시 수지 제조 원천기술을 개발하고, 이를 이용해 일본산 제품보다 열팽창 성능이 우수한 에폭시 밀봉재를 제작해 국산화에 성공했다.

ㅇ 일반적으로 대다수의 소재들은 온도 상승에 따라 부피 변화가 동반되며 그 변화값을 ‘열팽창계수’라고 하는데, 반도체 패키징에서는 에폭시 수지의 열팽창계수를 줄이는 것이 공정의 신뢰성과 용이성을 크게 좌우한다.

ㅇ 그런데 일본산 상용 에폭시는 반도체 칩보다 훨씬 높은 열팽창계수를 지녀 패키징 과정에서 부품 전체가 휘는 불량 문제를 종종 일으켜왔다.

ㅇ 최근 반도체가 점차 대면적화되면서 휨 현상이 심각해짐에 따라 기존보다 더 낮은 열팽창계수를 가진 에폭시 밀봉재 개발이 중요해졌다.

□ 생기원 섬유융합연구부문 전현애 박사 연구팀은 10년의 연구개발 기간을 거쳐 새로운 화학 구조의 에폭시 수지를 독자적으로 설계·합성하고, 이를 기반으로 세계 최고 수준의 저(低)열팽창특성을 갖는 에폭시 소재 기술을 구현해냈다.

ㅇ 지금까지의 에폭시 소재 기술은 구성성분의 대다수를 차지했던 보충재(실리카)의 함량을 높여 열팽창계수를 낮추는데 초점이 맞춰졌으나, 점도가 지나치게 높아져 공정 용이성이 떨어지는 한계가 있었다.

ㅇ 반면 연구팀은 에폭시 수지 자체의 구조 변화만을 통해 소재의 공정 용이성을 그대로 유지하면서 열팽창계수를 반도체 칩과 거의 유사한 ‘3ppm/℃’ 수준까지 조절했다는 점에서 차별화된다.

□ 개발된 기술은 반도체 패키징에 사용되는 모든 형태의 에폭시 소재 제조에 활용할 수 있으며, 대량 합성도 용이하다는 장점이 있다.

ㅇ 또한 이를 활용한 에폭시 밀봉재의 경우, 일본산 제품의 한계였던 12인치(inch) 이상의 대면적 패키징이 가능해 향후 인공지능, 자율주행차 등에 필요한 고성능 반도체 제작에 폭넓게 적용될 것으로 예상된다.

ㅇ 개발된 기술은 2018년 10월 도료 제조 전문기업 ‘삼화페인트공업㈜’에 이전 완료됐으며, 삼화페인트공업㈜는 현재 신규 에폭시 수지 4종의 양산을 안정화하여 고순도·고수율의 톤(ton)단위 생산시스템을 구축했다.

□ 전현애 박사는 “생기원 대표기술 ‘키-테크(Key-Tech)’ 성과 중 하나로, 일본기업의 영향이 절대적인 반도체 소재 분야에서 기술 우위를 뒤바꿀 수 있는 독보적인 원천기술”이라고 밝히며, “앞으로 양산된 제품이 시장에 성공적으로 출시·정착될 수 있도록 밀착 지원할 것”이라고 말했다.

ㅇ 한편 이번 연구는 생기원 기관 고유사업을 통해 진행됐으며, 현재 국내 특허 14건과 미국, 일본, 중국, 유럽 등 해외특허 28건이 등록된 상태다.

ㅇ ‘키-테크(Key-Tech)*’란 국가 R&D혁신을 주도하고 소·부·장 독립을 뒷받침할 수 있는 생기원 대표기술로, 뿌리산업 등 전통 제조업의 공정개선부터 4차 산업혁명 기반의 차세대 생산시스템까지 다양한 분야의 143개 기술들로 구성돼 있다.

* 제조산업 지능화를 여는 열쇠이자 중소·중견기업 기술혁신 마스터키라는 의미