▲ 인하대 제조혁신전문대학원 반도체 패키징 소부장 연구팀이 개발한 10um급 에어로졸 3D프린터

국내 연구진이 초미세복잡 전도성 패턴을 직접 3D프린팅 할 수 있는 에어로졸 3D프린터와 양산 시스템을 개발해 반도체 첨단 패키징, EMI 차폐 등 다양한 분야에 혁신을 불러올 것으로 기대되고 있다.

인하대학교 제조혁신전문대학원 반도체 패키징 소부장 연구팀(주승환·이수진·조기현·장병록 교수 및 석박사과정 대학원생)은 10um(마이크로미터)에서 100um 크기의 회로를 웨이퍼에 직접 적층할 수 있는 에어로졸 3D프린팅 장비를 개발했다고 14일 밝혔다. 10um 급 해당 장비의 선진국인 미국에 이어 한국에서는 최초다.

최근 반도체 산업의 최대 이슈인 반도체 패키징은 반도체 칩을 탑재될 기판(PCB)에 적합한 형태로 만드는 공정을 말하는 것으로 고온, 고습 등 외부 충격에서 칩을 보호하기 위해 반드시 필요하다. 반도체 칩 미세화 한계에 따른 성능·수율 문제를 극복하고자 보다 많은 칩을 넣어 통합하기 위해 기존 와이어 본딩과 같은 전통 패키징 기술을 넘어 2.5D/3D 패키징과 같은 첨단 패키징 기술이 부상하고 있다.

전기신호를 전달하기 위해 칩과 기판을 구리선으로 연결하는 와이어 본딩 기술은 한번에 하나의 와이어를 연결하는 등 대량생산 환경에서 비효율적이며, 와이어를 물리적으로 연결하기 때문에 패키징 내에 더 많은 공간을 요구하는 등 한계에 봉착했다.

이를 대체하는 기술로 주목받는에어로졸3D 프린팅 기술은 전자 잉크를 분사해 회로 패턴을 구현하는 것으로 Market and Market에 따르면 에어로졸과 같은 Direct Writing기술이 와이어 본딩 기술을 연평균 10% 대체할 것으로 전망되고 있다.

인하대 반도체 패키징 연구팀이 개발한 에어로졸 3D프린팅 장비는 에어로졸 젯 프린팅(Aerosol Jet Printing, AJP) 기술을 기반으로 반도체 패키징 공정에서 필요한 미세하고 복잡한 전도성 패턴을 직접 인쇄할 수 있다.

특히 연구실 수준을 넘어 양산에 적합하도록 에어로졸 3D프린팅 시스템도 함께 개발했다. 고고정밀 멀티 노즐과 함께 막힘 방지 및 세척 시스템이 장착돼 24시간 가동이 가능하고, 실시간 인공지능 기반 제어 시스템으로 안정적 생산이 가능하다.

또한 반도체 소재별 다층 패턴을 3D 소자에 프린팅하기 위한 interconnect 설계를 개발했으며, 전자 및 광통신 칩 간의 고속 전기 인터커넥트를 인쇄하는 에어로졸 젯 기술로 2.5D 패키징을 구현할 예정이다.

연구팀은 현재 개발 중인 멀티 노즐을 적용해 기존 생산 시스템에 비해 20배 이상 고속으로 생산이 가능하다고 밝혔다. 또한 기존 잉크젯 기술과 비교해 30um 이하 초미세 프린팅이 가능하고, 전기력으로 용액을 제어하는 전기수력학(EHD:Electro-hydrodynamic) 잉크젯 프린팅 기술과 달리 고전압이 필요 없고, 속도가 삘라 반도체 산업에 적합할 것으로 기대하고 있다.

이번 장비 개발에 있어 장비 및 공정 개발은 주승환 교수가, 소재 개발은 장병록 교수가, 반도체 패키징은 이수진 교수가, 전산 유동해석은 조기현 교수 등이 협업했다. 연구팀은 현재 멀티잉크젯 방식 노즐에 대한 특허출원을 진행 중이며 에어로졸 3D프린팅 장비에 대한 연구결과를 글로벌 저널에 논문 발표할 계획이다.

주승환 인하대 교수는 “연구팀이 개발한 에어로졸 3D프린팅 기술은 2.5D/3D 첨단 패키징,고정밀 EMI 차폐, 와이어 본딩 대체, 테스트 기판 제작 등에 활용이 가능할 뿐만 아니라 웨이퍼에 회로를 직접 프린팅 할 수 있어 고가의 식각 공정도 대체할 수 있다”며 “국내 기업들과 양산시스템으로 발전시켜 국내 첨단산업 경쟁력 강화에 기여하겠다”고 밝혔다.

▲ 에어로졸 3D프린팅 시스템은 양산에 초점을 맞춰 개발됐다.