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최첨단 초소형 IT기기를 위한 고집적/Flex 반도체 기판 솔루션, 2Metal COF

2023-04-13

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첨단 IT 기기 개발을 담당하는 A씨는 최근 제품 성능 고도화 과제로 고민이 많다. 성능을 높이기 위해서는 필연적으로 기기 내 탑재되는 부품 수가 늘어나야 하는데, 그 과정에서 제품이 두꺼워지거나 크기가 커지는 문제가 생기기 때문이다. 요즘 기술 경쟁은 고성능이면서도 얼마나 소형화를 이루었는지에 대한 싸움이기에, A씨 또한 한정된 공간에 많은 부품들을 탑재하기 위해 효율적인 설계에 가장 집중하고 있다. 이처럼 최근 모든 개발자들의 화두는 “초소형”과 “실장 공간 절약”이 됐다.

개발자는 오늘도 고민한다. 고성능이면서 더 작고, 더 얇은 제품을 더 빨리 지속적으로 만들어내야 하기 때문이다. 그래서 던지는 메시지.

"여기, 작은 기판이 있습니다. 아주 얇고, 잘 휘어지죠. 첨단 IT 기기에 적용되는 2Metal COF는 부품 소형화, 실장 공간 효율화를 위한 최적의 솔루션입니다.”

 

유연하고 얇은 기판, 왜 필요할까?

하나의 IT 제품이 여러 기능을 가졌다는 것은, 다시 말해서 각 기능을 실현하기 위한 여러 부품을 실장해야 하는 것을 뜻한다. 작은 단말기에 대체로 들어가는 최소한의 부품만 따져봐도 두뇌 역할을 하는 애플리케이션프로세서(AP), 카메라 기능을 위한 이미지센서, 디스플레이 구동칩(DDI) 등 다양하다.

하드웨어와 소프트웨어의 발달은 더 얇고, 더 강력한 제품을 추구한다. 앞서 언급한 것처럼 기기는 초슬림, 초소형화되는 추세다. 대표적인 사례가 웨어러블 디바이스다. 몸에 착 붙여 써야 하므로 당연히 몸집은 초소형이 되어야 한다. 작아졌어도 캐치해야 하는 정보는 더 많아졌고, 그에 따라 센서도 더 많이 실장해야 한다. 한정된 공간 안에 최대한 많은 기능을 탑재하도록 설계해야만 고품질의 디바이스가 가능하다. 남는 공간은? 당연히 배터리의 몫이다. 고집적화 설계만이 충전을 덜해도 오래 가는 강력한 디바이스를 만들어낼 수 있다.

물론, 설계만 잘한다고 해서 최적의 효율을 내는 건 아니다. 잠깐 여행을 간다고 가정해보자. 캐리어에 필요한 짐을 모두 싸려면 둘둘 말려서 어디에나 집어 넣을 수 있는 셔츠나 수건의 역할이 중요해진다. 딱딱하고 휘어지지 않는 짐은 공간 효율을 떨어트린다. 눈치 채셨겠지만, 초소형 기기의 공간 효율을 위해서는 이렇게 자유롭게 휘어질 수 있는 플렉서블한 기판의 역할이 중요하다.

반도체 기판은 각 부품을 물리적으로 실장하고, 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 쉽게 말해 부품의 뼈대 역할을 한다고 보면 된다. 기기를 유연하게 만들기 위해서는 뼈대가 유연해야 한다. 잘 휘어지는 기판의 진가는 이 때 발휘된다. 다양한 형태로 부품을 만들 수 있기 때문이다. 유연하면서 얇은 기판은 공간을 효율적으로 사용할 수 있게 하고, 같은 크기에 더 많은 부품을 배치할 수 있게 한다.

그래서 LG이노텍은 얇고 유연한 고집적 기판, 그 중에서도 2Metal COF를 솔루션으로 제안한다. 2Metal COF란 박막인쇄회로 필름형 반도체 패키지 기판인 COF(Chip On Film)를 양면으로 배치한 플렉서블 기판을 말한다. 양면으로 패턴을 배치할 수 있기 때문에 같은 크기로 더 높은 성능의 부품을 구현할 수 있다. 결국 플렉서블 기판 중에서도 한 단계 더 업그레이드된 버전이라고 볼 수 있다.

 

2Metal COF가 경쟁력 있는 이유

2Metal COF가 가진 확실한 경쟁력이 무엇이기에 LG이노텍이 “최첨단 기기를 위한 솔루션”으로 제시하는 걸까. 이를 이해하기 위해서는 기존에 사용되던 유연한 기판의 한계가 무엇이었으며, 2Metal COF는 그 한계를 어떻게 극복했는지 알아볼 필요가 있다.

그간 업계에서는 유연한 기판으로 ‘연성회로기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)’을 주로 사용했다. FPCB는 기존의 딱딱한 기판을 유연한 소재로 만든 것을 말한다. FPCB는 에칭(Etching) 공법을 적용해 만든다. 에칭은 원판을 구리로 도금한 뒤 회로를 형성할 부분만을 코팅하고 나머지는 화학 약품으로 식각하는 회로 형성 공법이다. 다만 이 공법은 구현할 수 있는 선폭이 제한적이다. 미세패턴을 구현할 수 없다는 치명적 단점 때문에 고성능 반도체용 기판으로 사용하기에는 다소 어려움이 있다.

반면 2Metal COF는 MSAP 라 불리는 미세회로제조공법(Modified Semi Additive Process)을 쓴다. 패턴을 미리 새긴 뒤, 그 외 부분을 코팅하고 나머지 영역을 도금하는 방식이다. 앞서 FPCB가 회로 역할을 하는 부분만 남기고 깎아내는 방식으로 패턴을 구현했다면, 2Metal COF는 원하는 대로 패턴을 새긴 후 남은 부분을 코팅하는 게 다른 점이다. 학교 미술 시간 때 그린 판화를 생각하면 편한데, 배경을 모두 깎아내는 것보다는 원하는 밑그림만 깎아내는 게 훨씬 쉽고, 섬세하게 원하는 모양을 만들어낼 수 있다.

따라서 2Metal COF가 공정 특성상 미세 패턴을 그리는 데 유리하다. 미세 패턴을 더 쉽게 그릴 수 있다면 한정된 공간 내에 4,000개 이상의 회로를 형성할 수 있는 것도 가능하다. 2Metal COF 기판이 스마트폰, 모니터는 물론, 모든 고성능·초소형 IT 기기에 적용될 수 있는 이유다.


<동일 회로 기준의 2Metal COF vs FPCB 비교>

더불어 2Metal COF는 필름타입으로 구부러지고 돌돌 말리는 등 유연한 특징을 갖고 있어, 부품 설계 시 실장 공간을 자유롭게 정할 수 있다는 장점이 있다. 앞서 언급한 것처럼, IT제품 안에 탑재되는 부품의 두께가 얇아지고 크기가 작아지니 남는 공간이 늘어나게 된다. 이 공간을 활용해 배터리를 확대하면 그만큼 배터리 용량을 늘릴 수 있다. 개발자들의 설계 자유도가 높아지는 셈이다.

지금까지 설명한 2Metal COF의 가장 큰 강점을 정리해보면 “미세 패턴을 구현할 수 있는 유연한 기판”이라는 것이다. 효율적인 제품 구성을 위해 부품 소형화, 실장 공간 효율화가 고민인 개발자들에게 2Metal COF가 최적의 솔루션이 될 수 있다.

 

LG이노텍의 경쟁력, 어디에서 나오나

1. 미세패턴(16㎛ 개발) 기술력 기반 글로벌 시장 리딩

LG이노텍은 필름 타입 기판 부문에서 20년 이상 양산 경험을 가진 기업이다. 이를 바탕으로 “세계 최고의 미세패턴 기술을 구현할 수 있다”는 것이 LG이노텍이 내세우는 강점이다. 2Metal COF의 필름 두께는 70마이크로미터(㎛) 정도로, 반도체용 기판 중에서는 가장 얇은 수준이다. 이렇게 얇은 기판에 미세 패턴을 구성하기 위해서는 섬세함과 안정성 등을 갖춘 기술 역량이 필요하다.

LG이노텍은 자체만의 새로운 공법 기술을 적용해 패턴 회로 폭을 16㎛까지 줄였다. 기존에는 18㎛정도까지 구현할 수 있었는데, 이보다 더 얇은 회로를 만든 것이다. 업계에서는 가장 좁은 수준이다. 회로 폭이 줄면 2Metal COF 표면에 더 많은 패턴의 회로를 그릴 수 있으며, 같은 크기에 실장할 수 있는 부품의 개수가 늘어나 고집적화가 가능하다.

미세패턴을 가능하게 하는 LG이노텍의 또 다른 기술력으로는 마이크로 비아 홀(Micro Via Hole)을 꼽을 수 있다. 마이크로 비아 홀은 말 그대로 구멍을 세밀하게 가공해 뚫는 공법을 말하며, 얇은 재료에 결함 없이 작은 구멍을 내기 위해 사용된다. 구멍을 작게 낼수록 기판 위에 배치할 수 있는 회로가 많아지고 결함이 생길 가능성도 낮아지기 때문에, 이러한 얇은 기판에는 마이크로 비아 홀을 적용한다.

2Metal COF는 양면으로 구현되는 기판으로, 두 층에 새겨진 미세한 패턴에 전기적 신호를 손실 없이 전달할 수 있어야 한다. 따라서 내부 층을 안정적으로 연결하는 마이크로 비아 홀 기술이 중요하다. LG이노텍은 머리카락의 4분의 1 굵기 수준인 25㎛까지 구현이 가능하다. 기존 FPCB에 배치되는 비아 홀이 55㎛였던 점을 감안하면, 그 크기가 2배 이상 줄어들었음을 알 수 있다.

더불어 LG이노텍의 2Metal COF는 수동소자(Passive Components)를 실장할 수 있는 기판 기술을 보유하고 있다. 수동소자는 능동적인 기능 없이 공급된 전력을 소비하거나 축적, 방출하는 부품을 말한다. 저항, 커패시터 등이 대표적이다. 입력된 신호 처리를 하는 능동소자와는 다르지만, 시스템의 신뢰성을 책임지고 있기 때문에 수동소자의 역할은 중요하다. 하지만 기존 기판의 경우에는 회로칩(IC) 종류의 부품만 실장할 수 있었다. 수동소자는 FPCB 등 또 다른 별개의 기판에 실장돼 별도의 공정과 공간이 필요했던 것인데, 이 과정에서 비효율이 발생했다.

LG이노텍은 문제점을 걷어내고 효율성을 높이기 위해 IC 외 수동소자도 2Metal COF에 한 번에 실장할 수 있는 기술 개발을 완료했다. 이렇게 되면 고객사는 두 종류의 기판을 사용하지 않아도 되기 때문에 번거로움이 줄어든다. 또한 하나의 기판에서 해결할 수 있기 때문에 공간 효율성도 높아진다. 이로써 IC와 수동소자를 동시에 탑재할 수 있는 2Metal COF를 제공해 높은 고객가치를 제공할 수 있게 된다.



<2Metal COF 미세패턴 기술>

 

LG이노텍은 세계 최고 수준의 미세패턴 기술력을 인정받아 글로벌 시장을 리딩하고 있다.
더불어 2Metal COF를 넘어 3Metal COF 등 다층 제품 개발 계획도 가지고 있다. 얇은 기판 부문에서 경쟁력을 지속해서 키워 나가겠다는 것이다. 얇은 COF 기판으로 유연한 고성능 IT제품을 구현할 수 있는 기회는 더욱 많아질 것으로 보인다.

2. 설계 최적화를 위한 AI 기반의 시뮬레이션 기술

기판은 수주 사업이다. 고객사의 주문이 들어오면 그대로 만들어주는 방식인 것이다. 따라서 기판 업체는 고객이 설계한 도면을 보고, 결함 없이 부품이 제 역할을 할 수 있도록 완벽하게 생산해낼 수 있어야 한다. 그간 고객사는 자신이 만든 부품이 제대로 구동되는 지 확인하기 위해 수 차례의 샘플 제작과 검증 과정을 거쳐야 했다. 이 과정이 반복되다 보니 개발 완료까지의 시간이 오래 걸렸다.

LG이노텍은 고객의 설계를 완벽하게 구현해야 한다는 업의 본질에 따라, AI 기반 시뮬레이션 서비스를 제공한다. 기판 생산에 본격적으로 들어가기 전, 미리 시뮬레이션을 진행해 사전에 검증 과정을 거치는 것이다. 이로써 고객사는 개발 기간을 단축하고 품질 검증에 드는 비용을 줄이는 한편, 설계를 최적화할 수 있다. 이는 20년 이상 쌓아 온 설계 데이터베이스 덕분에 가능한 일이다. 정교한 AI 구현을 위해서는 양질의 알고리즘과 더불어 다량의 고품질 데이터가 반드시 필요하다.

 

3. 차별화된 품질 정밀 분석 프로세스 및 소재 가공 기술 보유

LG이노텍은 2Metal COF를 생산하는 전체 공정에 자동 정밀 검사를 적용하고 있다. 열적 불균형(Warpage) 시뮬레이션이나 구조, 형상 분석 및 유·무기 성분 분석, 표면 분석 등 전반적인 기술 분석 플랫폼과 인프라를 구축해 놓고 검사를 진행한다. 사전에 꼼꼼한 검사를 진행하기 때문에 고객사는 최적의 제품이 어떤 형태를 갖춰야 하는지 미리 파악할 수 있고, 결과적으로 고품질 제품을 받아볼 수 있다.

또한 LG이노텍은 2Metal COF외 다양한 소재를 기반으로 한 기판을 양산하고 있다. ▲유리보다 유연하고 내열성이 뛰어난 폴리이미드 ▲얇은 동박과 절연필름을 적층시킨 플렉서블 동박 적층판(Flexible Cupper Clad Laminate, FCCL) ▲수지와 탄소 섬유를 일정 비율 함침시킨 복합소재 프리프레그(Pre-Preg) 등과 같은 소재를 이용하여 다양한 제품을 생산하고 있다.

LG이노텍은 풍부한 소재 가공 기술에서 차별화된 기술력을 보유하고 있음을 강점으로 내세운다. 소재 소자 중앙 연구소, 원소재 및 장비를 개발하는LG 그룹사와의 협력 체제를 갖추고 있기 때문에 가능한 부분이다. 따라서 LG이노텍은 고객의 수요에 맞는 소재와 설비를 개발할 수 있도록 지원하는 데도 역량을 쓰고 있다.

 

 

 

 

초슬림, 고성능 신제품을 개발하고 있다면? 2Metal COF를 떠올려보자!

그렇다면 이 얇고 유연한 2Metal COF, 어디에 사용할 수 있을까?

정답은 Everything, Everywhere다. 어느 한 범주를 특정하지 않고, 고집적(고성능) 및 초소형이 중요한 첨단 IT제품이라면 2Metal COF가 적용될 수 있다. 대표적으로 2Metal COF는 최근 화두가 되고 있는 고해상도의 VR 기기에도 쓸 수 있다.

하지만 이 외에도 2Metal COF의 적용 범주는 무궁무진하다. 일단 창의력을 발휘하기만 하면 2Metal COF는 그 상상을 현실로 구현하는 데 큰 도움을 줄 것이다. LG이노텍이 2Metal COF를 ‘부품 소형화, 실장 공간 효율화를 위한 최적의 해결책’이라 말하는 이유다.

지금까지 정형화된 형태의 틀을 깨고 더 작고, 가벼운 첨단 전자기기를 개발하고자 한다면, 혹은 얇고 유연하면서 고집적 기판 솔루션이 필요하다면, LG이노텍의 2Metal COF가 좋은 솔루션이 되지 않을까?

 

 

 

                              
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