반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

반도체 및 마이크로일렉트로닉스 패키징의 소형화는 물리적 한계에 도달하고 있다. 이종 집적(Heterogeneous integration)과 광학 패키징을 발전시키기 위해서는 새로운 접근 방식이 필요하다. 예를 들어, 킵아웃 존(keep-out zones)을 최소화하거나 광학 배리어(Optical barrier) 역할을 할 수 있는 초미세 접착제 구조물인 마이크로 댐(Micro Dam)이 그 해결책이 될 수 있다. 

자료제공/ 델로 인더스트리얼 어드히시브즈(DELO Industrial Adhesives)

모든 전자 기기의 핵심에는 반도체 칩이 있으며, 이는 PCB상에 다른 고성능 부품들과 함께 설치되어 최종 애플리케이션에 통합된다.

최소 공간에서 최대 기능을 구현하기 위해, 마이크로일렉트로닉스 산업은 오랫동안 이종 집적 기술에 의존해 왔다. 이는 서로 다른 기능을 가진 개별 제조 칩을 시스템 인 패키지(System-in-package)로 결합하는 방식이다. 그러나 통합되는 기능이 늘어나고 제품의 소형화가 가속화됨에 따라, 인쇄 회로 기판 상의 가용 면적은 점점 더 줄어들고 있다. 

동시에, 제조 공정상의 제약으로 인해 유효 면적이 불필요하게 낭비되는 경우가 빈번하다. 대표적인 예로 킵아웃 존이다. 이 영역은 저항기 또는 센서와 같은 부품이 인캡슐런트(Encapsulant) 및 캐필러리 언더필(CUF, Capillary Underfill)에 의해 오염되지 않도록 보호하는 역할을 한다. 킵아웃 존의 경계를 정의하기 위해 플로우 스톱(Flow-stop) 구조물이 적용되며, 가용 면적을 최대한 확보하기 위해 해당 구조물은 가능한 한 소형화되어야 한다. 

이미지 1. 플로우 스토퍼로 사용되는 마이크로 댐의 모식도. 

초미세 접착제 구조물을 통해 킵아웃 존 최소화에 기여 (출처: DELO)

초소형 마이크로 댐의 구조

마이크로 댐은 미니어처 배리어 역할을 수행하며 킵아웃 존에 필요한 공간을 축소할 수 있는 현미경적 크기의 초미세 접착제 구조물이다. 폭 100 µm 미만의 구조물 구현이 가능하며, 접착제 소재 특성과 디스펜싱 기술이 핵심적인 역할을 담당한다.

소재 측면에서, 마이크로 댐의 형성은 높은 표면 장력, 최소 수축률, 그리고 고유한 유동 특성을 갖춘 특수 접착제를 통해 구현된다. 이러한 특성은 해당 소재의 높은 TI 지수(Thixotropy index) 6.6에 반영된다. TI 지수는 두 가지 상이한 전단 속도에서의 접착제 점도 비율을 나타내며, 이 특성을 통해 중간 경화 없이도 안정적인 본드라인 형상을 유지하면서 최대 30mm/s 이상의 속도로 디스펜싱이 가능하다. 

사용되는 디스펜싱 니들의 직경은 100µm 미만으로, 이는 대략적으로 사람 모발의 두께에 해당한다. 약 1mm 높이의 초소형 배리어 구축을 위해, 20개 이상의 초미세 라인을 중간 경화 없이 연속적으로 층층이 적용하여 종횡비 5 이상을 달성할 수 있다. 

마이크로 구조물의 디스펜싱은 웻온웻(Wet-on-Wet) 방식으로 수행된다. 즉, 적용된 모든 본드라인은 UV 광을 이용하여 수 초 내에 단일 공정으로 완전 경화된다. 이는 각 적용 레이어마다 별도의 경화 단계가 요구되는 기존 방식 대비 공정 시간을 현저히 단축한다. 

순수 UV경화 외에도, 마이크로 댐 접착제는 열 경화 단독 또는 광·열 복합 경화 방식으로도 경화가 가능하다. 이를 통해 마이크로 댐은 순수 광 경화 적용 분야뿐만 아니라, 음영 영역(Shadow area)으로 인해 완전한 UV 경화가 어려운 애플리케이션에도 활용 가능하다.

플로우 스톱 이외의 애플리케이션: 광학 센싱 및 LED 패키징 

플로우 스토퍼로서의 역할 외에도, 초미세 구조물의 형성은 광학 센서 패키징 분야에서도 유의미한 장점을 제공한다. 예를 들어, 근접 센서(Proximity sensor)에서는 송신부(Transmitter)와 수신부(Receiver) 간의 신호 간섭을 방지하기 위해 배리어가 적용된다. 기존 디스펜싱 기술로는 충분히 좁은 배리어의 적용이 불가능하여, 두 유닛 간의 거리를 축소하고 소형 하우징을 구현하는 데 제약이 있었다.

이미지 2. 마이크로 댐 (자주색으로 표시)이 적용된 근접 센서의 도해. 

마이크로 구조물은 송신부와 수신부 간의 신호 간섭을 방지한다. (출처: DELO)

마이크로 댐의 세 번째 애플리케이션은 LED패키징이다. 최근 수년간 어레이 내 개별 다이(Die)의 집적 밀도는 지속적으로 증가해 왔다. 각 다이 간의 명확한 광학적 분리를 보장하기 위해서는 매우 낮은 광 투과율을 가진 구조물이 요구된다. 핵심 과제는 라인 교차점이 가능한 한 눈에 띄지 않도록 겹치는 그리드 구조를 구현하는 것으로, 이는 기존 디스펜싱 기술로는 제한적으로만 달성이 가능했다. 

마이크로 디스펜싱(Mirco-dispensing)의 새로운 접근 방식과 적합한 소재를 통해 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 라인 교차점에서 디스펜싱 속도 및 토출량을 조정함으로써 소재 축적을 효과적으로 방지할 수 있다.

소재와 디스펜싱 기술의 시너지

소형화된 구조물의 특성을 고려할 때, 디스펜싱 기술은 소재 자체와 동등하게 마이크로 구조물의 성공적인 형성에 있어 핵심적인 역할을 담당한다.

마이크로 댐 접착제의 디스펜싱에는 핀치 밸브(Pinch valve)를 탑재한 체적식 시스템이 적용되며, 최소 0.3nl의 정밀한 미세 디스펜싱이 가능하다. 디스펜싱 챔버 내 가동 부품을 제거함으로써 소재의 비의도적 혼합을 방지한다. 이는 소재 분리, 입자 파손 및 노즐 막힘을 방지하기 위해 은(Ag) 함유 소재와 같은 필러 함유 접착제에 특히 중요하다.

또한, 노즐로부터의 소재 토출 시 높은 챔버 압력이 불필요하여 일관된 디스펜싱 토출량을 보장한다. 핀치 밸브 내의 소재 안정화 장치는 접착제 온도를 지속적으로 일정하게 유지하여 소재의 안정적인 점도 특성을 확보한다.

마이크로 디스펜싱 시스템의 디스펜싱 헤드에는 초미세 노즐, 마이크로 밸브 및 기판 손상 방지를 위한 비접촉식 디스펜싱 메커니즘이 탑재되어 있다. 디스펜싱 토출량은 정밀하게 설정되어 일관된 정확도로 고속 적용이 가능하다. 모션 플랫폼(Motion platform)은 디스펜싱 헤드의 정확한 위치 결정 및 이동을 담당한다. 정밀하고 동적인 모션 제어를 통해서만 점(Dot) 또는 라인(Line)의 정확한 디스펜싱이 가능하며, 이는 최적의 디스펜싱 갭(Dispensing gap), 즉 물리적 디스펜싱 폭 또는 점 크기의 30~40%를 유지하기 때문이다.

디스펜싱 및 에이징(Aging) 테스트

초미세 구조물의 디스펜싱 정밀도를 검증하기 위해, 크로스 라인(Cross-line) 형상을 포함한 다양한 패턴이 디스펜싱되었다. 디스펜싱 이미지(이미지 3 참조)는 현대 자동차 헤드라이트 및 산업용 애플리케이션에 적용되는 마이크로 LED 어레이의 레이아웃과 유사하게 매우 근접하여 배치된 4개의 라인을 보여준다. 개별 적용 라인 간의 간격은 250µm 미만이다.

이미지  3. 디스펜싱 이미지 및 그래프는 매우 좁은 간격에서도 

라인을 정밀하게 도포할 수 있음을 보여준다. (출처: DELO)

경화된 마이크로 댐 소재의 에이징 후 성능을 검증하기 위해, 반도체 및 마이크로일렉트로닉스 산업에서 통용되는 시험 규격(예: JEDEC MSL 1)에 따라 다양한 에이징 거동 시험이 수행되었다.

인장 강도(Tensile strength), 파단 신율(Elongation at tear) 및 영률(Young’s modulus) 시험 결과, 소재 에이징이 기계적 특성에 미치는 영향은 최소 수준으로, 지속적으로 높은 신뢰성이 확보됨을 확인했다. 1,000시간(85°C, 상대 습도 85 %) 경과 후에도 인장 강도는 90 MPa, 파단 신율은 15 %를 유지한다. 탄성률은 동일 조건에서 1,000시간 후 소폭 증가에 그친다. 150°C의 고온 조건에서도 에이징 시험은 우수한 성능을 입증한다. 

이미지 4. 인장 강도 및 파단 신율 테스트 결과 (출처: DELO)

이미지. 5: 탄성률 테스트 결과 (출처: DELO).

접착 특성 또한 마이크로 구조물의 장기 안정성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 접착제가 적용되는 일반적인 기판 소재인 구리(Copper)와 FR4를 선택했다. 구리 및 FR4 기판에서 측정한 전단 강도(Shear strength) 결과, 신뢰성 저하 없이 높은 접착력이 안정적으로 유지됨을 확인했다. (이미지 6 참조)

이미지 6. 표준 시험 방법에 따른 전단 강도 테스트 결과 (출처: DELO)

결론

혁신적인 소재와 최첨단 디스펜싱 장비, 고정밀 모션 플랫폼의 유기적 결합은 전자 및 반도체 산업에서 마이크로 디스펜싱 기술의 한계를 한 단계 더 끌어올리고 있다. 우수한 정밀도와 재현성을 바탕으로 극소량의 접착제를 일관되게 도포하고, 소재 본연의 특성을 최대한 발휘함으로써 이종 집적 및 광학  패키징 분야에서 새로운 기준을 수립할 수 있다. 이를 통해 피처 폭(Feature width) 100 µm 미만의 사실상 무한한 자유형(Freeform) 구조물 구현이 가능해지며, 새로운 패키지 설계의 가능성을 열어준다.