유리기판: 차세대 반도체 패키징 혁신의 핵심

반도체 패키징 기술이 고도화됨에 따라 기존 기판이 가진 한계를 극복할 새로운 대안이 필요해지고 있다. 특히, AI 및 고성능 컴퓨팅(HPC)의 발전과 함께 패키지 기판의 중요성이 커지고 있으며, 그 중심에 '유리기판(Glass Substrate)'이 떠오르고 있다. 유리기판은 기존 유기(Organic) 기판과 실리콘(Silicon) 인터포저의 단점을 보완하면서도 비용과 성능에서 혁신적인 강점을 제공한다.

 

유리기판이란?

유리기판은 반도체 패키지 기판의 코어를 유리로 대체한 것으로, 기존 인터포저(Interposer)를 없애고 패키지 기판 자체에서 미세 회로를 구현하는 방식이다. 반도체 칩이 고성능화될수록 더 많은 전자 신호를 처리해야 하며, 이를 위해 인터포저가 필요하지만, 기존 방식에는 기술적·비용적 한계가 존재했다.

유리기판(출처: SKC)

기존 인터포저 방식의 한계점

① 유기 인터포저(Oragnic Interposer)

• 기술적 한계: 대면적화에 적합하지 않음
• 열 관리 문제: 높은 열팽창 계수로 인해 발열 시 휨(Warpage) 발생
• 제조 공정 문제: 낮은 평탄도로 인해 미세 회로 구현이 어려움

유기 인터포저는 기존의 패키지 기판과 유사한 소재를 사용하지만, 열에 약하고 평탄도가 낮아 대면적화 및 미세 회로 구현에 어려움이 있다. 특히 AI 칩처럼 높은 발열이 발생하는 환경에서는 휨 현상이 발생하여 신호 전달의 신뢰성이 낮아질 수 있다.

 

② 실리콘 인터포저(Silicon Interposer)

• 성능 우위: 높은 평탄도와 낮은 열팽창 계수로 기능적 한계는 적음
• 비용 부담: 유기 인터포저보다 10배 이상 비싸며, 패키징 업체에 부담
• 제조 한계: 웨이퍼에서 생산 가능한 크기가 제한적이며, 공급량이 적음

실리콘 인터포저는 성능이 우수하지만, 비용이 비싸고 생산성이 낮아 대량 적용이 어렵다. 특히, 하나의 실리콘 웨이퍼에서 생산할 수 있는 인터포저 수량이 제한적이기 때문에 공급망 문제도 존재한다.

 

	유기 인터포저(Organic Interposer)	실리콘 인터포저(Silicon Interposer)
내용	재배선층(RDL), 화학적 합성을 통해 만든 고분자 물질과 구리 배선으로 구성	전공정에서 사용되는 TSV 공정이 적용되어 실리콘에 구멍을 뚫어 배선하는 방식
적용	CoWoS-R	CoWoS-S
장점	가격이 저렴	휨(Warpage) 현상이 없고 평탄도가 높아 미세회로 구현이 용이하고 대면적화에도 적합
단점	휨(Warpage) 현상이 있어 기판 대면적화에 불리 평탄도가 낮아 미세회로 구현에 부적합	비싼 가격 새로운 설비투자 필요 패키징은 후공정인데 전공정 설비를 이용함에 따른 문제 발생

 

인터포저(Interposer) 출처: Semiengineering

유리기판이 제공하는 해결책

유리기판은 위의 문제점을 극복하며 인터포저를 대체할 수 있는 최적의 솔루션으로 떠오르고 있다.

 

① 높은 열 안정성으로 휨(Warpage) 문제 해결

유리기판은 실리콘보다도 열팽창 계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)가 낮아 고온 환경에서도 휨 현상이 발생하지 않는다.

• 대면적화가 가능하여 AI 및 HPC 패키징에 적합
• 칩의 동작 신뢰성을 높이고, 발열로 인한 성능 저하를 방지

 

② 미세 회로 구현으로 인터포저 대체 가능

유리기판 자체에서 미세 패턴을 형성할 수 있어, 별도의 인터포저 없이도 고밀도 배선이 가능하다.

• 기존 실리콘 인터포저 대비 10배 더 많은 신호를 전달 가능
• 패키징 공정 단순화 → 제조 비용 절감 효과

 

③ 제조 비용 절감 및 대량 생산 가능

유리기판은 실리콘 인터포저 대비 생산성이 높고 비용이 저렴하다.

• 웨이퍼 단위가 아닌 패널 형태로 제작 가능 → 대형 기판 생산 가능
• 기존 실리콘 인터포저 대비 제조 단가 50% 절감

 

④ 패턴 왜곡 감소로 신호 무결성 향상

반도체 회로 패턴이 미세화될수록 신호 간섭과 패턴 왜곡이 문제로 떠오르고 있다.

• 유리기판은 기존 대비 패턴 왜곡을 50% 줄일 수 있음
• 신호 전달 속도 및 정확성이 향상되어 고성능 칩 설계에 최적

 

유리기판이 반도체 패키징 산업에 미치는 영향

① 고성능 반도체 패키징의 새로운 패러다임

AI, 클라우드, 5G 등의 발전으로 반도체 패키징 기술이 더욱 중요해지고 있다.

• HBM + 고성능 GPU를 위한 차세대 패키징 기판으로 유리기판이 최적
• TSMC, 삼성전자, 인텔 등 주요 반도체 기업들이 연구 및 개발에 투자 중

 

② 패키징 공급망 변화

기존 패키징 업체들이 유기 기판과 실리콘 인터포저 중심의 전략을 변경해야 한다.

• 유리기판의 채택이 늘어나면서 새로운 패키징 생태계 조성
• 기존 PCB 업체들도 유리기판 기술 개발에 집중

 

③ 반도체 패키징 비용 절감 효과

고급 패키징 기술이 필요하지만, 비용 문제로 인해 적용이 어려웠던 기업들에게 유리기판이 새로운 기회를 제공한다.

• HPC·AI 반도체 패키징 비용 절감 가능
• 대량 생산이 가능하여 산업 전반에 긍정적 영향

AI 반도체(출처: SK하이닉스)

결론: 유리기판, 차세대 반도체 패키징의 핵심 기술

유리기판은 기존 패키징 기술의 한계를 극복하며 반도체 패키징 기술 혁신을 주도할 핵심 솔루션으로 떠오르고 있다.

• 열에 강하고 휨 현상이 없음 → 고성능 반도체 패키징에 적합
• 인터포저 없이도 미세 회로 구현 가능 → 비용 절감 및 공정 단순화
• 실리콘 대비 저렴한 비용과 대량 생산 가능성 → 반도체 산업 전반의 공급망 혁신

TSMC, 삼성전자, 인텔 등 주요 기업들이 유리기판 기술 개발에 속도를 내고 있는 만큼, 향후 몇 년 내로 유리기판이 패키징 시장의 대세로 자리 잡을 가능성이 크다.

 

 

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