생기원, 일본 의존도 87% 반도체 핵심 소재 국산화 성공

▲한국생산기술연구원에서 개발한 에폭시 수지와 이를 활용해 삼화페인트공업에서 제작한 에폭시 수지 시제품 (사진제공=한국생산기술연구원)

일본에 대한 의존도가 87%에 달하는 에폭시 소재의 국산 원천기술이 개발됐다. 이에 반도체 제조의 가장 마지막 단계인 패키징(Packaging) 공정에서 대일(對日) 의존도가 크게 낮아질 것으로 기대된다.

한국생산기술연구원은 섬유융합연구부문 전현애 박사 연구팀은 10년의 연구개발 끝에 새로운 에폭시 수지 제조 원천기술을 개발, 일본산 제품보다 열팽창 성능이 우수한 에폭시 밀봉재(EMC)를 제작해 국산화에 성공했다고 16일 밝혔다.

에폭시 밀봉재는 열경화성 고분자의 일종인 에폭시 수지를 기반으로 만든 복합소재로 반도체 칩을 밀봉해 열이나 습기, 충격 등 외부환경으로부터 보호하는 역할을 한다.

반도체 전·후 공정에 사용되는 유기 소재 중 세계 시장 규모가 약 1조5000억 원으로 가장 큰 핵심 소재이지만, 최고 등급의 에폭시 물성이 필요해 대부분 일본산 제품 수입에 의존해왔다.

전 박사 연구팀은 새로운 화학 구조의 에폭시 수지를 독자적으로 설계·합성하고, 이를 기반으로 세계 최고 수준의 저(低)열팽창 특성을 갖는 에폭시 소재 기술을 구현해냈다.

일반적으로 대다수의 소재는 온도 상승에 따라 부피 변화가 동반되고, 그 변화 값을 '열팽창계수'라고 부른다.

반도체 패키징에서는 에폭시 수지의 열팽창계수를 줄이는 것이 공정의 신뢰성과 용이성을 크게 좌우한다.

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

지금까지의 에폭시 소재 기술은 구성성분 대다수를 차지하던 보충재(실리카)의 함량을 높여 열팽창계수를 낮추는 데 초점이 맞춰졌다.

그러나 이 경우 점도가 지나치게 높아져 공정 용이성이 떨어지는 한계가 있었다.

전 박사 연구팀이 개발한 기술은 에폭시 수지 자체의 구조 변화만을 통해 소재의 공정 용이성을 그대로 유지하면서 열팽창계수를 반도체 칩과 거의 유사한 '3ppm/℃' 수준까지 조절했다는 점에서 차별화된다.

또 반도체 패키징에 사용되는 모든 형태의 에폭시 소재 제조에 활용할 수 있고 대량 합성도 용이하다는 장점이 있다.

이 기술을 활용한 에폭시 밀봉재는 일본산 제품의 한계였던 12인치(inch) 이상의 대면적 패키징이 가능해 향후 인공지능, 자율주행차 등에 필요한 고성능 반도체 제작에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.

해당 기술은 2018년 10월 도료 제조 전문기업인 삼화페인트공업에 이전됐으며, 삼화페인트공업이 이 기술을 활용한 신규 에폭시 수지 4종의 양산 준비를 완료했다.

전 박사는 "일본 기업의 영향이 절대적인 반도체 소재 분야에서 기술 우위를 뒤바꿀 수 있는 독보적인 원천기술"이라며 "앞으로 양산된 제품이 시장에 성공적으로 출시·정착하도록 밀착 지원하겠다"고 말했다.