- 시스템의 크기가 패키지의 크기에 좌우되고 시스템의 크기를 작게 하려는 시장의 요구로 하나의 패키지에 센서와 신호 처리, 전력, RF 디바이스, 안테나 등 다양한 부품을 집적하여 전체 시스템의 크기를 줄이는 데에 기여하고 있으며 이에 따라 다양한 디바이스를 집적하는 패키지 기술이 개발 중
- 센서 소자는 응용 분야에 따라 다양한 소재로 제작되며 동작원리와 작동환경이 다양하다는 특징을 가지고 있으며 이에 따라 요구되는 패키지의 특성도 다양하게 존재
- 구체적으로 진공 특성을 요구하는 센서, 불활성 분위기를 요구하는 센서, 고온에서 혹은 저온에서 작동하는 센서, 외부 환경과 물리적으로 연결되어야 하는 센서, 유연한 센서, 늘어나야 되는 센서, 인체에 삽입되는 센서, 특정 부분이 공기 혹은 액체와 접촉해야 하는 센서 등 너무나 다양하며 이에 따라 센서 패키지의 표준화가 쉽지 않으며 수요자에 요구에 따른 맞춤형 패키지 개발이 진행
- 최근에는 flexible, stretchable, implantable 기능이 추가적으로 요구됨에 따라 외부 환경에 의한 변형이 쉽고 인체 친화적인 소재로 패키징하는 기술이 발전
- 대부분 센서 혹은 신호 처리 디바이스는 변형의 한계를 보이는 경우가 있으며 이러한 경우 flexible, stretchable의 특성을 패키지 특히 배선에서 보이도록 개발
- 이러한 배선은 낮은 전기 저항과 뛰어난 신축성을 보여야 하며 이를 구현하기 위해 나노 기술의 개발 및 적용이 필요
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 진공 혹은 불활성 분위기 유지 패키징 기술
- 센서를 이루는 물질이 공기 중 물질과 반응하거나 이로 인해 부식하는 경우 진공 혹은 불활성 분위기를 유지해야 하며 이를 위해 패키지 소재로 실리콘이나 유리와 같이 높은 진공도를 유지할 수 있는 소재가 적용되고 있으며 이러한 소재들을 접합할 때 밀봉소재 및 공정 기술 개발이 중요
● 멀티 센서 및 멀티 칩 집적 기술
- 시스템의 크기를 줄이기 위해 하나의 패키지 내에 다양한 센서와 신호처리 디바이스를 집적하는 기술 개발이 중요해지고 있는 실정
- 종래에는 유기 기판 상에 센서와 신호처리 칩을 이차원으로 배열하는 정도였지만 최근에는 실리콘 관통 홀(Through Silicon Via) 혹은 유리 관통 홀(Through Glass Via) 기술을 적용하여 3차원으로 센서와신호처리 칩을 집적하여 집적도를 높이고 패키지 크기를 매우 작게 하는 기술이 개발
- Fan-Out Wafer Level Package(FOWLP) 기술은 다양한 종류의 센서와 디바이스를 집적하기에 좋은 플랫폼을 제공하기 때문에 최근에 중점적으로 개발
- FOWLP 기술에서 유연한 기판과 봉지재를 적용하여 유연한 FOWLP를 구현하는 기술이 개발되고 있으며 이와 연관된 적합한 소재와 안정적인 공정 기술을 개발하는 것이 중요
● 전기 전도도 혹은 임피던스를 유지하면서 유연하거나 신축성이 있는 배선 기술
- 유연하거나 신축성이 요구되는 곳에 적용되는 경우 패키지를 구성하는 신호선의 전기적인 임피던스가 배선의 변형에 따라 변화하여 전기적인 손실이 증가하는 경우가 발생하여 센서 혹은 디바이스의 전기적인 특성이 외부 회로에 효과적으로 전달되지 않는 경우가 발생 가능
- 이를 방지하려면 신호선과 그라운드선의 간격의 비율을 변형에 따라 일정하게 유지하여 배선과 관련된 전기적 기생성분인 캐패시턴스와 인덕턴스의 비를 일정하게 유지하는 것이 관건
- 외부 응력에 따라 기판 상의 유전체의 변형률과 배선의 변형률을 일정하게 유지시킬 수 있는 나노 전극 소재 개발이 필수적이며, 기판에 나노 전극 소재의 임피던스를 유지하기 위해 오차 범위 내에서 형성할 수 있는 공정 기술 개발도 함께 개발되어야 함이 중요
● 밀리미터파에서 전기적 손실이 적은 패키지 개발
- 매우 많은 데이터의 효과적인 전송을 위해 5G 통신이 센서 모듈에 적용되는 경우 5G 대역에서 적용되는 밀리미터 대역에서 전기적인 손실이 적은 패키징 소재 개발이 중요
- 유전 손실을 줄일 수 있는 기판 소재 개발과 더불어 플렉시블한 소재를 개발할 경우 응용 분야가 확대될 것으로 예상되며, 금속 배선의 경우 표면 처리 기술이 중요하며 이를 구현하기 위해 적절한 나노 기술이 개발되어야 함이 핵심
● 인체에 무해한 패키징 소재 기술
- 생체 신호를 측정하기 위하여 패치 형태로 피부에 부착하거나, 인체에 삽입하는 경우 인체와 패키지가 물리적으로 접촉하고 특히 패키지 소재가 최종적으로 인체와 접촉하기 때문에 인체에 무해한 패키징 소재 기술개발이 매우 중요
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
●
MEMS
패키징 기술-MEMS는 가장 많이 적용되는 센서 기술이며 이에 대한 패키징 기술은 웨이퍼 레벨 패키징, TSV 및 TGV 기술을 이용한 초소형, 고집적 패키징 기술을 의미
- 이러한 기술 개발을 통해 3축 가속도 센서의 경우 2012년 대비 2017년의 크기를 비교하면 약 70%의 크기 감소를 확보하였으며, MEMS 시장은 RF, 라이다, 3D 센서, Spectral 센서, 지문인식센서, 가스 센서, 자성 센서, 이미지센서 등을 의미
- 이중 오실레이터 분야는 2017년부터 2023년까지 연평균 50% 이상의 성장을 RF 센서의 경우 30% 이상의 성장을, Micro-fluidics 센서의 경우 15% 이상의 성장을 보일 것으로 예측
● 자동차용 센서 패키징 기술
- 자동차용 센서는 레이더, 라이다, 화학 센서, 자성 센서, 압력 센서, 이미지 센서, TPMS, 관성 센서, 초음파 센서로 2016년 약 110억 달러에서 2022년 230억 달러로 성장할 것으로 예상되어 연평균 약 13.7%의 성장률을 보일 것으로 예상
- 이러한 자동차용 센서에 사용되는 패키징 기술은 MEMS 센서 패키징 기술과 유사하여 wafer level packaing 기술, TSV 및 TGV 기술을 활용한 초소형, 고집적 패키징 기술이 대부분 활용되는 상황
● 바이오 센서 패키징 기술
- 바이오 센서는 2018년 177억 달러에서 2023년 312억 달러로 연평균 12%의 성장률로 성장할 것으로 예측
- e-건강관리(예 : 현장 진료, 가정 진단), 식품, 수질, 실내/실외 공기 모니터링, 농업, 보안, 심박수, 호흡 속도, 포도당, 질병 진단/감지에 대한 비 침습적 모니터링을 제공하는 웨어러블 바이오 센서 등 다양 - 이러한 분야에 소요되는 패키징 센서에는 다양한 환경에 안정적으로 동작할 수 있는 신뢰성 확보가
중요하며, 특히 웨어러블일 경우 유연 및 신축적인 배선 및 패키징 기술 확보가 중요
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 센서 및 디바이스의 열 변형을 최소화하는 접합 소재 및 공정 기술
- 센서를 만드는 데 사용되는 소재는 열에 강한 세라믹, 반도체 소재에서부터 열에 약한 고분자에 이르기까지 다양하며 경우에 따라 세라믹과 고분자를 복합하는 등 다양한 조합으로 개발 중
- Rigid 혹은 soft한 기판에 센서 혹은 디바이스를 접합할 때 기판의 열 변형을 최소화함은 물론 센서 혹은 디바이스와 기판과의 열 팽창 계수 차이에 의한 접합부 변형을 최소화할 수 있는 접합 기술 개발이 중요 - 특히 기판이나 센서가 열에 약한 소재로 구성되어 있을 경우 종래의 접합 소재나 공정을 적용하면 낮은
온도에서 공정을 수행할 수밖에 없고 이로 인해 양산성이 매우 떨어지는 경우가 발생
- 열 변형을 최소화하여 센서의 특성을 그대로 유지하면서 양산성을 확보하는 접합 소재 및 공정 기술 개발이 관련 센서의 시장 진입 및 활성화를 위해 필수적인 요소 기술
● 외부의 응력에 손쉽게 변형 가능한 패키지 및 배선 기술
- 인체삽입형 센서의 경우 응용에 따라 생체기관에 물리적인 힘을 최소화하며 변형해야 하는 등 외부 응력에 쉽게 변형해야 하며 동시에 전기적 기계적 안정성이 필요
- 외부 응력에 쉽게 변형하며 기계적 전기적 안정성을 확보하는 배선 기술을 구현하기 위해서는 나노소재 및 공정 기술 확보가 매우 중요
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
3차원 집적을 이용한 초소형 고밀도 패키징 기술
Through Silicon Via 형성 기술 나노소재를 이용한 TSV 충진 기술
나노소재를 적용한 고열전도도를 갖는 thermal interface material 개발 기술
열 변형을 최소화하는 접합 소재 및 공정 기술
나노소재에 기반을 둔 저온 접합 소재 기술 기판 및 센서의 열 변형을 최소화하는 접합 공정 기술
접합부의 신뢰성을 유지시킬 수 있는 나노소재 기반 접합 소재 및 구조 구현 기술 필요한 부분만 열을 가하여 접합할 수 있는 선택적 접합 공정 기술
인체에 친화적인 패키징 소재 기술
인체에 친화적인 웨어러블 패치용 접착제 기술 인체에 친화적인 삽입 모듈용 봉지재 소재 기술 외부의 응력에 손쉽게 변형 가능한
패키지 및 배선 기술
나노소재에 기반한 높은 변형률과 안정적인 전기적 기계적 안정성을 확보한 배선 기술 나노소재 기반의 유연성 전극 형성 기술
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 서울과학기술대학교
- 부드러운 재료 내에 재진입 보조 프레임을 통합하여 이론적 한계를 넘어서 고유한 탄성 특성을 갖는 프로그램이가능한 기계적 메타 엘라스토머를 개발
- 보조 엘라스토머의 영률과 포 아송 비는 보조 기하학 디자인과 재료 선택을 변경하여 조절 가능
● 한국전자통신연구원
- 국소 부위 가열 기술을 이용하고 솔더 기반 유기 나노 촉매 기술을 이용하여 150℃ 이하에서 유연 기판에 고분자 세라믹 복합 소재로 구성된 지문 인식 센서를 안정적으로 접합하는 기술을 개발
● ㈜네패스
-FOWLP 기술을 이용하여 77GHz RF 디바이스와 안테나를 하나의 패키지로 집적한 센서 패키지를 개발