1. 서론

1) 개발기술의 중요성 및 필요성

(1) 산업의 특성

인쇄전자회로기판 시장은 전방 및 후방 산업이 유기적으로 연결되어 연쇄 파급효과가 큰 연관사업임. 인쇄전자회로기판은 전방산업 (모바일 기기, 컴퓨터, TV, 등의 전자 정보 가전기기, 자동차, 항공산업 등)의 수요에 크게 영향을 받는다.

현재 모바일기기, 자동차, 디지털가전 등의 다기능화, 고성능화에 따라 정보저장, 연산제어, 증폭, 변환 등의 기능을 수행하고 있는 핵심부품인 반도체의 특징이 다품종화, 고속화, 집적화, 저전력화, 경박단소화 되고 있다. 특히 최근 IT 기기의 경박 단소화 및 융복합화에 따라 인쇄전자회로기판의 요구사항(고집적, 미세선폭, embedded, 박판화)이 크게 변화되고 있다. 이에 따라 다양한 분야의 기능이 융복합된 반도체의 수가 증가하면서 반도체산업은 주문 후 생산방식으로 다품종화 되었으며, 전방산업의 제품주기가 짧아짐에 따라 반도체 제품의 설계 생산 주기도 매우 빨라지고 있다. 따라서 반도체 생산 메이커는 많은 비용을 반도체 검사용 특수 인쇄전자회로기판 개발에 투입하고 있으며, 고정밀/고신뢰성 특성을 요구하고 있다.

또한 인쇄전자회로기판은 후방산업(인쇄전자회로기판 소재, 적층 필름 소재, 에칭용액 등 화학 소재 등)인 인쇄전자회로기판 소재성능에 따라 전자제품(전방산업 제품) 등의 성능·크기·디자인이 결정되는 까닭에 정밀하고 신뢰성 있는 인쇄전자회로기판의 개발이 매우 중요하다(그림 1).

▲ 그림 1. 인 쇄전자회로기판 산업의 구성 개요

㈜스마트코리아에서는 범용 인쇄전자회로기판에서 반도체 검사장비용 특수 인쇄전자회로기판을 생산하는 업체이며, 인쇄전자회로기판 설계부터 생산까지 전공정을 구축하였다. 이를 바탕으로 주문 생산 방식의 다품종 소량 생산을 필요로 하는 고부가가치 특수 인쇄전자회로기판 생산이 가능하며, 또한 자체 제품 설계, 제작, 생산시스템을 통해 고객에게 최성을 품질을 갖는 제품을 단기간 안에 납품 가능한 공정 라인을 확보하고 있다. 표 1은 스마트코리아에서 개발하여 생산, 판매되고 있는 제품 품목이다. 

▲ 표 1. 인쇄전자회로기판 라인

현재 ㈜스마트코리아는 하드웨어적으로는 최고 수준의 특수 인쇄전자회로기판을 생산할 수 있는 시스템이 완비되어 있으며, 각각의 제조 공정에 대한 기술은 일정 수준에 도달해 있지만, 신규 다층 압착 기술에 요구되는 화학재료 및 공정을 이해할 수 있는 전문 인력의 부족으로 인해 신규 기술 개발이 미흡한 상태다. 또한 레이저 가공 기술에 대한 인력의 부재로 인해 미세 패터닝 기술의 개발이 어려운 상황이다. 

이에, 본 과제 연구수행을 통해 다층 압착 및 레이저 미세 패터닝에 대한 기술지원을 통한 신규 기술 개발 시 특수 인쇄전자회로기판 제품 생산이 가능할 것으로 판단된다. 

(2) 산업의 성장성

세계 인쇄전자회로기판 시장은 모바일 전자 기기 및 반도체 시장의 폭발적인 성장에 힘입어 연평균 4% (한국 7%)의 성장률을 보이고 있으며, 향후 2015년까지 연평균 4.7%의 성장률을 보이며 지속적인 성장을 할 것으로 전망된다.

특히 반도체 기술과 통신기술을 융합한 컨버전스 고도화로 자동차와 로봇, 바이오테크놀로지, 홈 네트워크, 보안 등 신규 비즈니스 확대를 통한 성장성이 매우 높음에 따라 예측되는 성장률 4.7%로보다 더 높은 신장 가능성을 가지고 있다. 또한 반도체 검사 장비의 경우, 2012년 이후 미세패턴화된 반도체칩에 대한 수요의 증가로 인해 고스펙 검사 장비에 대한 수요 증가로 약 3%정도의 연평균 성장률을 보이며 반도체 검사용 장비 시장이 확대될 것으로 전망된다. 이에 따라, 반도체 검사장비용 특수 인쇄전자회로기판 시장도 유사 비율인 연평균 3%의 시장 성장률을 보일 것으로 예측되며, 2015년 반도체 검사용 특수 인쇄전자회로기판 시장은 약 23억 4,400만달러 규모를 형성할 것으로 전망된다(표 2).

▲ 표 2. 연도별/국가별 세계 인쇄전자회로기판 시장 규모 (단위: 백만 달러)

2) 국내외 관련 기술의 현황

(1) 사업화대상기술의 개요

모바일 기기의 경박단소화 및 반도체칩의 집적화, 그리고 기기 간 통신에 의해 전자 정보기기의 고기능화/초소형화가 급격히 이루어지고 있다. 이에 따른 전자 정보기기의 부품 개발의 사이클이 극단적으로 짧아지고 있으며, 해당 부품들의 성능도 초고도화 되고 있는 실정이다. 해당 초고도화 부품들을 테스트하기 위한 테스트 검사용 인쇄전자회로기판의 개발 또한 상기 제품 개발 사이클에 맞추어 개발되고 있는 상황이다. 이에 따라 다양하고 복잡한 반도체 칩 등의 특성을 평가하기 위해 인쇄전자회로기판 또한 최고 스펙의 검사 특성 능력을 집적화, 소형화하는 것이 필요하다. 이를 위해 수십장의 인쇄전자회로기판을 적층하는 초다층화 인쇄전자회로 기판의 제조와 더불어 패턴의 선폭을 줄일 수 있는 미세선폭 기술이 요구된다(그림 2).

▲ 그림 2. PCB 제품별 분류

초다층 인쇄전자회로기판은 단면 혹은 양면 인쇄전자회로기판을 제조 후 여러 장의 서로 다른 인쇄전자회로기판을 적층하여 interconnection 하는 형태로 제조된다. 한장씩 회로를 형성하며 인쇄전자회로기판 층수를 늘려가는 빌드업 방식이 있으나, 이는 긴 제조시간 및 비싼 공정단가로 인해 범용적으로 적용할 수 있는 기술이 아니다. 현재의 다층 인쇄전자회로기판 제조는 단수의 인쇄전자회로기판들을 guide pin을 통해 적층하는 방식이나, guide pin의 불량 등으로 인해 층간 정합도 관리가 어려워 불량을 유발하고 있는 실정이다. 이에 본 과제에서는 신규 다층 적층 기술의 개발을 통해 특수 인쇄전자회로기판에 적용 가능한 다층 인쇄전자회로기판 신규 제작 기술을 개발하고자 한다.

또한 인쇄전자회로기판의 초고집적화에 필수요소인 미세 배선 선폭 기술을 개발하고자 한다. 배선 형성은 전체 도체 도막을 형성 후 필요한 부분만 남기고 제거하는 방식과, 필요한 부분만 배선을 형성하는 방식이 있다. 기존 노광 방식의 식각 공정의 저렴한 공정 비용으로 인해 현재 대부분의 인쇄전자회로기판은 노광, 현상, 에칭의 공정 순서를 갖는 포토리소그래피 방법을 통해 진행하고 있다. 그러나 포토리소그래피 공정 중 에칭 공정에서 식각 이방성을 갖는 화학 식각의 방법 특성상, 배선의 open 과 short이 발생하여 불량을 높이고, 미세패턴을 형성하는 것이 어렵다. 따라서 본 과제에서는 레이저 조사 기술을 통해 미세선폭을 쉽게 구현하는 기술을 개발하여 인쇄전자회로기판의 초고집적화 특성을 구현하고자 한다.

(2) 다층 bonding을 통한 고다층 lay-up 제조 기술 개발

기존 4층 인쇄전자회로기판 제작의 경우, 양면으로 회로 형성된 인쇄전자회로기판기판을 단순 접합하는 mass lamination 기법을 통해 손쉽게 가능하였다(그림 3).

▲ 그림 3. 기존 4층 인쇄전자회로기판 제작

4층 이상의 초다층 인쇄전자회로기판 제작의 경우, 크게 Rivet lamination, Pin lamination, Bonding lamination의 3가지 제조 기술이 있다. Rivet lamination은 Pin lamination과 개념적으로 유사한 기술이며, 차이점은 pin이 고정된 지그 형태를 사용하는 반면, rivet은 형태가 고정되어 않은 guide 형태를 사용하여 제작 가능한 인쇄전자회로기판의 디자인 한계가 없다는 장점이 있다.

▲ 그림 4. Rivet lamination

Rivet의 경우 초다층 적층이 가능한 기술이나, 물리적으로 rivet을 고정하는 과정에서 rivet이 필연적으로 굽힘이 발생하게 되는데, 이때 rivet의 뒤틀림이나 과도한 압축이 발생하여 편심이 틀어지는 불량이 발생하는 근본적인 문제가 있다(그림 5). 

▲ 그림 5. 정상과 Rivet 고정 이상 발생 그림

이에 반해 bonding 방식은 rivet이나 pin 등의 물리적 고정 장치를 사용하지 않음으로써, 가이드의 물리적 압축으로 인한 불량이 없음. 다만 전체 인쇄전자회로기판을 쌓은 후 압착(press) 하기 전 층 간 뒤틀림 등을 방지하기 위해 인쇄전자회로기판 가장 자리의 국소 부위 부분만을 선택적으로 선행 bonding 하는 공정이 필요하며, 이를 가접 본딩이라고 한다. 가접 본딩은 가열된 막대팁을 통해 열을 특정 부위에 전달하여 접착하는 기술이며, 이러한 기술 특성상, 다층 인쇄전자회로기판을 제작할 경우 열전달 효율 문제로 인해 쌓을 수 있는 인쇄전자회로기판의 층수가 제한된다는 단점이 있다(그림 6).

▲ 그림 6. Bonding 방식

본 과제에서는 상기의 다층 압착 방식이 갖는 문제를 해결하고자 신규 적층 방식을 개발하고자 한다. 개발의 핵심은 bonding 방식의 장점과 빌드업 인쇄전자회로기판제조 방식의 장점을 융합한 기술이다. 즉, 다층의 인쇄전자회로기판을 한번에 bonding 하는 방식이 아닌, bonding이 가능한 인쇄전자회로기판의 수만큼 적층 후 가접 본딩 후, 해당 과정을 나머지 인쇄전자회로기판에 대해 적용하는 방식이다. 이를 통해 최종 인쇄전자회로기판 스택이 완성되면, 전체 press를 통해 한번에 다층 인쇄전자회로기판을 형성하게 된다. 이를 통해 물리적 rivet이나 pin등의 사용없이 층간 정합도를 유지하며 초다층 인쇄전자회로기판 제작이 가능하게 된다(그림 7).

▲ 그림 7. 신규 Bonding 작업 방식

(3) Chemical + Laser의 하이브리드 에칭을 이용한 미세 선폭 구현 기술 개발

인쇄전자회로기판 기판의 회로증대 및 정밀도 향상을 위한 배선 패턴의 미세화와 고밀도화가 요구되면서 인쇄전자회로기판의 미세 선폭 형성 기술이 매우 중요하게 된다. 현 인쇄전자회로기판 배선 형성 기술은 기존 포토리소그래피의 공정을 그대로 차용하였으나, 감광성 재료로 포토레지스트를 쓰는 것이 아닌, dry film을 사용한다는 것이 큰 차이점으로 구현 가능한 해상도의 한계가 있다. 특히 노광 후 현상 공정 및 현상 후 에칭 공정에서 화학약품의 이등방성 식각 특성으로 인해 배선의 open과 short 불량이 다발하게 된다(그림 8).

▲ 그림 8. 노광 후 현상공정 및 현상 후 에칭공정

이에 반해 레이저 패터닝의 경우 기존 포토리소그래피에 비해 높은 해상력을 가진 까닭에 미세선폭 구현이 가능하다. 뿐만 아니라, 별도의 마스크 제작 없이 디지털 설계도면으로 가공이 가능하여 공정 원가 비용 절감이 가능하다. 또한, 원하는 부분만 국소적으로 패터닝이 가능하기에 불량 배선을 국소적으로 repair 하여 불량률을 획기적으로 개선할 수 있다. 

또한 필요할 경우, 단순 스캐너 방식이 아닌, stepping 방식을 도입하여 대면적화가 가능하며, 연속이동 방법 적용시 고속가공이 가능한 장점이 있다. 다만, 현 포토리소그래피의 값싼 공정 비용을 고려할 때, 대면적으로 고속가공하는 레이저의 비용은 상대적으로 비싸지는 단점이 있다. 따라서 기존 값싼 공정과 융합 가능한 신규 기술의 개발이 필요하다(그림 9).

▲ 그림 9. 레이저 패터닝 공정

본 과제에서는, 포토리소그래피 방식의 값싸고 효율적인 공정의 장점과 국소 부위를 효율적으로 미세선폭 구현 가능한 레이저 가공 기술의 융합을 통해 대면적 미세선폭 구현 기술을 개발하고자 한다. 이종 가공 방식의 장점만을 결합하여 대면적 미세선폭을 값싸고 빠르게 구현하는 원천 기술의 확보가 가능할 것으로 기대하며, 해당 기술을 통해 repair 기술에 접목 시 불량률을 획기적으로 개선할 것으로 기대한다(그림 10).

▲ 그림 10. 이종 가공 방식

3) 기술개발 시 예상되는 기술적 · 경제적 파급 효과

(1) 사업화 성공 시 예상되는 파급효과 및 활용방안

한국은 글로벌 인쇄전자회로기판 시장에서, 중국, 일본, 대만에 시장 점유율 13%로 4위를 차지하고 있으나, 고부가가치가 가능한 고성능 특수 인쇄전자회로기판 시장의 경우 일본, 대만의 높은 기술 장벽으로 인해 시장 진입이 어려운 상황이다.

범용 인쇄전자회로기판의 경우 중국 장치산업의 규모경제 효과로 인한 저가공략을 통해 시장을 독과점하고 있는 상황으로, 한국 인쇄전자회로기판 시장은 샌드위치 상황이다. 따라서 현재 고부가가치 특수 인쇄전자회로기판 시장 내에 안전하게 안착하지 않으면 도태될 상황이다.

본 과제를 통해 이루고자하는 기술개발은 고부가가치 특수 인쇄전자회로기판의 제조가 가능할 뿐만 아니라 범용 인쇄전자회로기판 제조에도 적극 활용될 수 있는 기술이며, 기존 제품 불량률을 개선하여 원가 절감 개선이 가능할 것으로 기대한다.

이를 통해 고객사의 새로운 니즈를 충족함과 동시에 글로벌 시장에서의 제품 경쟁력을 높임으로써 시장점유율을 확대해 나갈 수 있다. 또한 인쇄전자회로기판 시장은 전/후방 연계산업임과 동시에 대/중/소 기업간의 분업구조에 의한 장치산업으로서, 인쇄전자회로기판 시장 점유율 확대를 통해 다양한 분야의 고용창출이 가능할 것으로 기대한다.

한국생산기술연구원