인하대학교 제조혁신전문대학원&MSCL 연구실

1. 연구실과 기고자 분에 대한 소개 부탁드립니다. 홈페이지 바로가기

안녕하세요. 태성에스엔이 매거진 독자 여러분, 반갑습니다. 저는 인하대학교 제조혁신전문대학원 원장을 맡고 있으며, MSCL 연구실을 이끌고 있는 현승균 교수입니다. 저희 연구실은 반도체 패키징 공정 최적화 및 열적, 전기적, 기계적 물성을 평가하여 신뢰성 향상을 목표로 연구하고 있으며, 칩과 모듈을 접합하는 Die attach, DBC와 AMB 기판의 Substrate 등 다양한 반도체 부품에서의 신뢰성 특성 평가 및 접합 장치를 통한 시편 제조부터 전단 강도 테스트 및 열 충격 테스트를 이용한 신뢰성 분석 등을 통해 데이터를 얻고 분석하는 연구를 하고 있습니다. 또한 국가 연구 과제로 Magnetite(Fe3O4) 나노 입자를 활용한 전자기장 패턴 기판 개발을 추가적으로 연구하고 있죠.

2. Ansys를 사용하게 된 계기와 연구 분야에서 어떻게 활용되고 있는지 안내 부탁드립니다.

저희 연구실이 Ansys를 활용하게 된 이유는 반도체 패키징 공정에서 필수적인 열-구조 연성 해석을 정밀하게 수행하기 위해서입니다. 전력 반도체 패키징에서는 소재 간 열팽창 차이로 인한 잔류 응력과 계면 손상이 빈번히 발생하며, 이는 곧 신뢰성 저하로 이어집니다. 따라서 이를 사전에 예측하고 개선 방향을 찾을 수 있는 해석 도구가 필요했고, 복잡한 열·기계적 거동을 동시에 고려할 수 있는 Ansys Mechanical을 적극적으로 활용하게 되었죠. Ansys 소프트웨어를 통해 저희는 접합 공정에서 Ag-Cu-Ti, 다공성 구리와 같은 다양한 소재 적용 시 발생하는 응력과 변형을 분석하여 최적의 조건을 도출하고 있습니다. 또한 −40~250 ℃의 열 충격 환경을 가상으로 구현해 계면에서 나타나는 박리, 균열, 공극 성장과 같은 손상 거동을 예측하고, 이를 실제 실험 결과와 비교해 신뢰성을 검증하고 있습니다. 더 나아가 세라믹–다공성 Cu와 같은 다층 구조에서 발생하는 열팽창 불일치 문제를 분석해 구조적 안정성을 높일 수 있는 설계 방안을 제시하고 있습니다. 이러한 해석적 접근은 실험만으로 확인하기 어려운 계면 내부 응력과 손상 메커니즘을 규명하는 데 효과적이며, 설계 초기 단계에서 잠재적 문제를 사전에 파악하고 개선할 수 있게 합니다. 결과적으로 반도체 패키징의 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.

< 그림 1 (위) Bulk Cu 접합 공정과 비교 대상인 Ag-Cu-Ti 다공성 구리 형상, (아래) 기공 사이즈 변화 > 

< 그림 2 Ansys를 활용한 다공성 구리 열 사이클에 따른 열응력 해석> 

최근 연구 과제에서는 Magnetite(Fe3O4) 나노 입자를 활용한 전자기장 패턴 기판 개발을 수행하면서 정확한 전자기장 세기를 예측하고 발열에 대한 해석을 연계하며 이후 Magnetite(Fe3O4) 나노 입자 거동까지 예측하기 위한 Multi-Physics 해석이 필요했기 때문에, Ansys Maxwell과 Ansys Icepak을 활용하게 되었고, 차후 Ansys Rocky까지 활용할 예정입니다. 나노 입자를 활용한 전자기장 패턴 기판은 반사형 디스플레이 및 박판형 디스플레이로 활용되며, 자기장 패턴의 기판은 Planar Spiral Coil 등을 활용합니다. 또한 기판 상단부에 부착되는 자성 입자 필름, 보상 필름(프리즘, 가우스 필름 등)에 가해지는 정밀한 자속 밀도, 발열 등이 매우 중요합니다. Ansys Maxwell에서 제공되는 Coil 디자인의 예시는 매우 다양하여 기판 Coil 제작 시 활용할 수 있는 예시가 다양하며 Multi-Spiral Coil 등을 쉽게 제작할 수 있어서 매우 활용도가 높았습니다.

< 그림 3 박판 수평형 솔레노이드 기판 >

<그림 4 Ansys Maxwell 활용 자기장 해석 >

3. Ansys등 CAE 해석 소프트웨어를 이용했을 때 해석 속도와 정확도는 얼마나 향상되었나요?

■ GPU 가속을 통한 해석 효율성 향상

저희 연구팀에서 활용하고 있는 Ansys CAE 해석 소프트웨어는 특히 HPC의 병렬 처리 기술을 활용하여 대규모 해석의 연산 속도 향상을 통해 분석 과정이 효율적으로 진행되었으며, 그 결과 시간적 비용을 절감하고 전체 개발 일정 단계가 단축되는 데 기여할 수 있었습니다. 특히 Ansys Maxwell, HFSS, Fluent 등에서는 GPU 가속 해석 옵션을 지원하고 있기 때문에, 본 연구에 GPU 가속 해석 기능을 적용함으로써 대규모 메쉬 모델에서는 CPU 기반 해석 대비 최대 차이를 많이 보이는데 이는 해석에 소요되는 시간적 비용을 매우 단축시켜 연구의 효율성을 증대시켰습니다.

■ 사용자 친화적 UX/UI

Ansys Maxwell은 Ansys Electronics 프로그램으로 별도로 제공되며, 전자기장에 관련된 해석을 하는 연구자에게는 매우 편리한 인터페이스를 갖고 있다는 것이 큰 장점이라 생각합니다. 이는 해석 속도 및 정확도 향상도 중요하지만, 소프트웨어에 익숙해지는 데 큰 도움이 되죠.

4. 태성에스엔이에서 공급드리는 제품과 고객 서비스의 차별화된 장점에 대한 의견 부탁드립니다.

■ 전문자료실부터 이러닝까지

저희 연구팀에서 최근 Ansys 소프트웨어를 활용하면서 태성에스엔이에서 제공되는 고객 서비스에 대한 가장 큰 장점은 태성에스엔이 홈페이지에 제공되는 전문 자료실 및 이러닝입니다.

사실 매번 오프라인 일정을 맞춰 교육을 듣지 못하는 경우가 많은 것이 현실이기 때문에, Ansys 프로그램의 기본 교육이나 응용 교육 등을 듣기 위해 기존 타 사이트에서 제공되는 부실한 영상을 참조하곤 했죠. 그러나 태성에스엔이 홈페이지에서는 기본 교육부터 응용 교육까지 각 분야별 다양한 영상을 제공하기 때문에 Ansys 소프트웨어를 활용하는 연구자에게는 매우 큰 도움이 되었습니다.

■ 기술 세미나부터 매거진, 기타 콘텐츠까지

또, 최신 해석 기술이 적용된 기술 세미나를 통해 최신 트렌드와 실무 적용 사례를 학습할 기회를 제공해주는 기술 전문 매거진 ANZINE과 체험존 또한 Ansys 소프트웨어를 통해 자신이 어떤 연구를 할 수 있으며 활용할 것인지를 사전에 알게 되어 도움이 되었고요. 이건 태성에스엔이만의 큰 장점이라 생각합니다.

5. 마지막으로 향후 연구실의 기술 발전과 비전에 대한 설명과 함께 태성에스엔이에 바라는 점을 말씀해주세요. 

저희 연구실은 향후 반도체 패키징 분야에서 다공성 구리를 활용한 이종 접합의 신뢰성 향상과 이를 검증할 Multi-Physics 해석을 중심으로 연구를 확대하고자 합니다. 특히 SiC 기반 차세대 전력 반도체 모듈의 열·기계적 특성 분석, 다층 구조에서의 응력 완화 메커니즘 규명, 전자기장 패턴을 활용한 멀티피직스 해석을 통해 고신뢰성 패키징 플랫폼을 구축하고 최적화하는 것이 필요한 상황입니다. 또한 Ansys Maxwell을 활용한 자성 나노 입자 거동을 연계 해석하기 위한 Ansys Rocky 활용이 빠질 수 없고요. 위 연구를 통해 첨단 패키징 공정 최적화와 신뢰성 평가 기술을 확보하여 전기차, 데이터 센터, AI 반도체 등 고출력·고신뢰성 응용 분야에 적용 가능한 기술적 기반을 마련하고자 합니다. 이를 통해 소재–구조–공정–해석을 아우르는 통합 연구 거점으로 성장하는 것을 목표로 하고 있고, 해당 과정에서 태성에스엔이의 지원은 매우 중요한데요. 최신 Ansys 소프트웨어와 HPC/GPU 기반 해석 환경, CAE 고급 세미나 및 실습 교육, 산학 공동 연구 프로젝트 연계 등의 지원은 연구 성과를 강화하는 데 큰 도움이 됩니다. 아울러 다양한 산업 적용 사례와 최신 해석 기술을 제공하는 태성에스엔이의 전문 세미나와 온라인 교육 콘텐츠는 연구자들의 역량 제고에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

저희는 태성에스엔이와의 협력을 통해 연구 역량을 지속적으로 확장하고, 다양한 분야에서 성과를 이어가겠습니다. 많이 지켜봐 주세요.