스마트 생산 확대, 고신뢰 접합·패키징 기술 확보 달렸다

4차 산업혁명은 기존 제조업과 ICT(정보통신기술)를 융합해 설계·생산·판매·서비스 전 분야에 이르기까지 모든 과정을 실시간으로 정보를 교환하여, 스스로가 통제가 가능한 스마트 제조 패러다임으로 진화하겠다는 내용을 담고 있다. 따라서 세계 각국은 ICT를 활용한 제조업 강화를 위하여 국가적 전략을 추진하고 있다. 특히 21세기 초반까지 높은 인건비를 절감할 목적으로 세계 각지로 공장을 이전하였던 미국 제조업은 2008년 금융위기 이후 국가 경쟁력의 근간으로 재인식되었다. 최근 트럼프 정부에서는 스마트 생산 기술 주도를 통하여 제조업 르네상스 재건을 범국가적 차원에서 노력하고 있다. 한국 정부도 2016년부터 제조업 혁신 3.0사업의 일환으로 한국형 스마트 생산 기술개발과 모델 공장 구축에 본격적으로 나서고 있다.

스마트 생산의 핵심은 스마트 센서를 이용하여 제품 및 생산 공정 등 전 주기의 데이터를 수집하고, 이를 관리·분석하여 신속하고 최적화된 대응을 하는데 있다. 이를 표준화된 통합 스마트 제조 프레임워크에서 관리하는 기술이 매우 중요하다. 이를 위한 핵심 기술로 디지털 트윈(Digital Twin), 디지털 쓰레드(Digital Thread), 대리모델(Surrogate Model), 성능보증(Performance Assurance), 적층제조(Additive Manufacturing)를 철저히 준비하고 있다. 특히 사이버 물리시스템(CPS: Cyber Physical System)과 IoT(사물인터넷)의 기술이 중심이 되고 있다.

4차 산업혁명의 바람이 반도체 제조공장과 전자패키징 공장에도 강하게 불고 있다. 아직 CPS 개념은 포함되지 않지만, 제조시스템에서 웨이퍼가 팹(Fab)에 들어가서 수백 번의 단위 공정을 진행하고 조립 및 검사를 거치는 물류와 공정장비 및 운영관리 면에서 APC(Advanced Process Control)가 적용되고 있다. 공정모듈의 온도, 압력, 가스유량 등 주요 공정인자에 대한 실시간 데이터를 해당 장비와 클린룸 내외의 사무실에서 모니터링하며 자동 원격제어가 가능하다. 각 공정모듈에서의 여러 가지 센서 데이트를 실시간 모니터링 후 FDC(Fault Detection and Classification)까지 가능하다. 이런 공장은 2010년 들어서면서 본격화 되었지만, 최근 이슈가 되고 있는 인공지능(AI) 기술의 응용 측면에서, 육안검사를 완전히 대체할 검사 기술은 아직 보완이 필요하다. 특히 이러한 기술을 국내 중소기업에서 적용하기 위해서는 대규모 투자에 따른 위험 부담을 덜 수 있는 표준화 작업이 선행되어야 한다.

이제 우리의 신체와 주위 환경은 수많은 모바일 전자제품이 웨어러블(wearable) 또는 임베디드(embedded) 형태로 친숙히 심어져 있다. 매일 타고 다니는 자동차는 환경 및 안전에 대한 규제가 엄격해지고 자동차 탑승객의 편의장치가 늘고 자율주행장치가 개발되면서 전자제품으로 인식될 정도이다. 미래의 먹거리를 위해서 글로벌 시가총액 1위인 애플과 2위 구글은 드론과 로봇사업을 매각하고 자율주행차에 집중하고 있다. 또한 전기차와 하이브리드차는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)모듈, IPM(Intelligent Power Module)과 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)듈이 필수적이다. 2020년의 파워모듈 세계 시장규모(출하 기준)는 80억3천만달러에 이를 것으로 예측된다. 최근 파워모듈의 고효율화를 위하여 Si(실리콘)기반 파워반도체를 대신하여 SiC(탄화규소)기반 파워반도체에 대한 개발이 활발해지고 있으며, SiC기반 파워반도체를 적용한 파워모듈은 효율이 높아지고 동작온도가 높아져서 기존에 적용하던 마이크로 접합기술 및 패키징 기술도 진보하고 있다.

이에 (사)대한용접접합학회의 마이크로접합·패키징위원회(MPC)에서는 2018년 10월24일 오후 1시부터 서울 COEX 회의실 300호에서 고신뢰 접합-패키징 기술과 4차 산업혁명 대응 스마트 생산 기술의 접목에 대한 산학연의 연구 및 제품개발 현황에 대한 기술을 공유하고, 해결방안을 논의하는 추계 컨퍼런스를 마련하게 되었다.

전자·전장부품 첨단화·소재변화에 접합·패키징 진보, 상용화 기술 대응해야

10월24일 MPC 컨퍼런스 개최, 삼성·하나마이크론 등 車·전자 이슈 논의

이날 울산과학기술원의 권대일 교수는 산업정보예측을 이용한 스마트 생산기술 및 사례를 소개하는데, GE와 보잉의 사례를 중심으로 산업인터넷+빅데이터분석+물리지식(도메인지식)+인공지식을 핵심으로 하는 PHM(Prognostics and Health Management) 개념과 기술 적용방법을 자동차 생산에 접목시킨 사례를 공유한다. 또한 미르기술의 이제원이사는 인더스트리 4.0 대응 스마트 표면실장(SMT) 공정기술을 소개하고, 자동 티칭에서 자동 디버깅, M2M 통신, 그리고 데이터 출력까지 가능한 스마크 표면실장 기기의 현황, 적용 사례, 문제점과 이를 극복하기 위한 미래 기술을 공유한다.

4차 산업혁명 시대를 준비하는 기업체로 하나마이크론의 임재성 박사는 전세계 시장을 석권하고 있는 자동차·핸드폰 지문센서의 핵심 패키징 기술과 설계에서 시뮬레이션 조립 그리고 신뢰성평가에 이르기까지의 HANAflex 제조시스템에 대한 기술을 공유한다. 또한 MPC 심포지움에서는 미국과 일본의 해외 개발 사례와 함께 국내 친환경 자동차의 고온접합기술과 OSP 표면처리 기술 적용을 위한 신뢰성 분석 사례를 발표한다. 미국 텍사스대학의 김충언 교수는 자율주행 자동차와 비행기의 핵심 반도체 부품의 접합부에서 발생하기 쉬운 EM(Electro-Migration) 파괴의 사례와 방지 기술을 공유한다. 일본 다무라화학의 이영재 센터장은 전장용 PCB에 적용되는 OSP 표면처리 기술을 소개한다. EU의 환경규제, 가격 경쟁력과 기판의 생산성 향상으로 인해 OSP 적용이 증가하고 있고, 이 표면처리의 장·단점에 대한 정보를 공유한다.

삼성전자의 구자명 박사는 모바일 제품 마이크로 용접 및 접합 기술을 소개한다. 특히 솔더링 자동화, Flux-less 솔더링, Al합금과 이종금속 접합, 3D 솔더링, 커넥터-less 접합, 고신뢰성 저온 접합, Micro 일괄 접합 등 접합-패키징 관련 산업에 앞으로 접목 될 수 있는 생산 기술을 공유한다. 마지막으로 전자 패키징 신뢰성 평가 전문 기업체인 아프로 R&D의 백승관 팀장은 자동차 전장품 신뢰성 시험 및 분석 사례를 소개한다. 전장품 신뢰성 시험으로는 솔더, PCB, 제품, 기타 커넥터와 컨포멀 코팅 등 평가항목별로 필요한 열충격 시험, 고온고습 시험, 가속내습성 시험(HAST), 진동내구 시험, 가속스트레스 시험(HALT) 방법을 설명하고, 신뢰성 시험 후 평가로 비파괴 검사와 파괴 검사 방법을 설명하고 많은 사례를 소개한다.

필자는 MPC 위원장으로서 앞으로 지속적으로 전자 접합 및 패키징 산업에서 요구하는 선도 기술을 발굴하고, 상용화에 대한 문제를 고민하고 해결할 수 있는 자리를 만들고자 한다. 부디 이번 컨퍼런스가 기업, 연구소 및 학계에서도 산업의 변화에 적극 대응하고 동종 산업간 협력하여, 최종적으로는 세계적인 접합-패키징 소재와 기술을 선도하고 AI 기반 스마트 생산 기술로 무장한 국내 중소기업을 육성하는데 도움이 되기를 바란다.

▲ 팹에서의 생산성 측정(Adopted from Michael Quirk & Julian Serda)

▲ MPC 2018 추계컨퍼런스 프로그램