왜 지금 유리기판인가? 반도체 패키징의 새로운 게임 체인저
반도체 패키징 기술은 반도체 칩의 성능을 최종적으로 결정짓는 핵심 요소입니다. 과거에는 칩 자체의 미세화 기술이 중요했지만, 최근에는 칩렛(Chiplet) 기술과 함께 패키징 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI)과 같은 분야에서 더 많은 기능과 더 빠른 속도를 요구하면서, 기존 기판의 한계를 극복할 새로운 솔루션이 필요하게 되었습니다.
기존 인쇄회로기판(PCB)은 대면적화의 어려움과 신호 전달 속도 제한이라는 숙제를 안고 있습니다. 이러한 배경 속에서 유리기판은 반도체 패키징 기술의 혁신을 이끌 차세대 기판으로 주목받고 있습니다.
유리기판이란 무엇인가? 정의, 특징 및 글라스 기판과의 관계
유리기판(Glass Substrate)은 반도체 패키징에 사용되는 기판의 일종으로, 기존의 플라스틱이나 세라믹 소재 대신 유리를 주 재료로 사용합니다. 여기서 ‘글라스 기판’이라는 용어는 유리기판과 거의 동일한 의미로 사용되지만, 때로는 디스플레이용 기판을 지칭할 때도 쓰일 수 있습니다.
유리기판의 주요 특징은 다음과 같습니다.
- 얇고 매끈한 표면: 유리는 플라스틱에 비해 훨씬 평탄하고 매끄러운 표면을 제공하여, 더욱 미세한 회로 패턴을 구현할 수 있습니다.
- 고성능: 유리의 낮은 유전율과 유전 손실은 전기 신호의 빠른 전달을 가능하게 하여, 고성능 반도체 칩의 성능을 극대화합니다.
유리기판이 필요한 이유 : PCB, 인터포저의 한계를 넘어
기존의 PCB는 대면적화가 어렵고, 전기적 특성 한계로 인해 고성능 반도체 패키징에 제약이 있었습니다. 특히 고주파 환경에서 신호 손실이 커지는 문제가 있었습니다.
인터포저는 칩과 기판 사이에서 전기적 연결을 중재하는 역할을 합니다. 실리콘 인터포저는 고성능을 제공하지만, 제조 비용이 매우 높습니다. 유기 인터포저는 가격이 저렴하지만, 열에 약하고 대면적화가 어렵다는 단점이 있습니다.
유리기판은 이러한 문제점을 해결합니다.
- 대면적화 용이: 유리는 열팽창 계수가 낮아 대면적에서도 안정적인 형태를 유지할 수 있습니다.
- 고성능: 유리의 우수한 전기적 특성은 신호 손실을 줄이고, 데이터 전송 속도를 향상시킵니다.
- 비용 효율성: 유리기판은 실리콘 인터포저에 비해 제조 비용이 저렴하며, 유기 인터포저보다 성능이 우수합니다.
유리기판의 뛰어난 장점 : 성능 향상, 전력 효율, 그리고…
유리기판은 기존 PCB 대비 다음과 같은 장점을 가집니다.
- 표면 매끄러움: 유리의 매끄러운 표면은 초미세 회로 패턴 형성에 유리하여, 반도체 칩의 집적도를 높일 수 있습니다.
- 얇은 두께: 유리기판은 얇게 제작할 수 있어, 전체 패키지의 두께를 줄이고 경량화를 가능하게 합니다.
- 신호 전달 속도 향상: 유리의 낮은 유전율과 유전 손실은 전기 신호의 빠른 전달을 가능하게 하여, 데이터 처리 속도를 향상시킵니다.
- 전력 효율 개선: 유리기판은 낮은 전기 저항을 가져 전력 소비를 줄이고, 발열을 감소시키는 효과가 있습니다.
- 대면적화 용이: 유리는 열팽창 계수가 낮아 대면적에서도 안정적인 형태를 유지할 수 있어, 대형 반도체 칩의 패키징에 적합합니다.
- 초미세 선폭 패키징 구현 적합: 정밀한 회로 구현이 가능하여 고성능 반도체 패키징에 유리합니다.
- 낮은 소비전력: 전력 효율성이 높아 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
- 높은 절연성: 전기적 간섭을 최소화하여 신호의 안정성을 높입니다.
- 낮은 전기 신호 손실: 고주파 환경에서도 신호 손실이 적어 데이터 전송 효율을 높입니다.
- 고주파 특성: 고주파 신호 처리 능력이 뛰어나 5G, 6G 통신 등 차세대 통신 시스템에 적합합니다.
유리기판 상용화를 위한 과제 : TGV 공정, 균열 제어, 그리고…
유리기판 상용화를 위해서는 다음과 같은 기술적 과제를 해결해야 합니다.
- TGV(Through Glass Via) 공정 고도화: 유리에 미세한 구멍을 뚫어 전극을 형성하는 TGV 공정은 유리기판 제조의 핵심 기술입니다. 이 공정의 정밀도와 생산성을 높이는 것이 중요합니다.
- 유리 절단 기술: 유리기판을 원하는 크기로 정확하게 절단하는 기술은 수율 향상에 필수적입니다.
- 측면 크랙 방지: 유리 절단 시 발생하는 측면 크랙은 기판의 강도를 약화시키므로, 이를 방지하는 기술이 필요합니다.
- 구멍 속 구리 채우는 기술: TGV를 통해 형성된 구멍 속에 구리를 균일하게 채우는 기술은 전기적 연결의 신뢰성을 확보하는 데 중요합니다.
- 패터닝 기술: 유리기판 위에 미세한 회로 패턴을 정확하게 형성하는 기술은 반도체 칩의 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다.
- 포토레지스트 도포 기술: 유리기판 위에 포토레지스트를 균일하게 도포하는 기술은 패터닝 공정의 성공에 필수적입니다.
- 수동 소자 내장 기술: 유리기판 내부에 저항, 커패시터 등 수동 소자를 내장하는 기술은 패키지의 크기를 줄이고 성능을 향상시키는 데 기여합니다.
- 레이어 적층 기술: 여러 층의 유리기판을 정밀하게 적층하는 기술은 복잡한 회로를 구현하고, 패키지의 기능을 확장하는 데 필요합니다.
글로벌 유리기판 시장 동향 : 인텔, AMD, NVIDIA 그리고 관련 기업들
글로벌 유리기판 시장은 초기 단계이지만, 고성능 반도체 수요 증가와 함께 빠르게 성장할 것으로 예상됩니다.
- 인텔: 2030년까지 유리기판을 채택하겠다는 목표를 발표하며, 유리기판 기술 개발에 적극적으로 투자하고 있습니다.
- AMD: 주요 반도체 기판 업체들과 유리기판 성능 평가를 진행하며, 2025~2026년 고성능 GPU, CPU 등에 유리기판을 우선 적용할 것으로 예상됩니다.
- NVIDIA: 아직 구체적인 계획은 발표하지 않았지만, 첨단 패키징 기술에 대한 관심이 높아 유리기판 도입 가능성이 있습니다.
주요 관련 기업 동향은 다음과 같습니다.
- 제조업체: 삼성전기, 앱솔릭스, 다이니폰프린팅(DNP), 이비덴 등
- 소부장 업체: 필옵틱스, 에스이에이, 켐트로닉스, 하나기술, 코닝, 쇼트 등
국내 소부장 업체들은 유리기판 시장 선점을 위해 TGV 장비, 유리 절단 장비, 습식 장비 등을 개발하고 있습니다.
유리기판, 반도체 산업의 미래를 어떻게 변화시킬 것인가?
유리기판은 기존 기판의 한계를 극복하고, 고성능 반도체 칩의 성능을 극대화할 수 있는 혁신적인 기술입니다. 향후 HPC, AI 등 첨단 분야에서 유리기판의 수요가 증가할 것으로 예상되며, 관련 시장은 빠르게 성장할 것입니다.
유리기판 기술 개발과 상용화에 성공하는 기업은 반도체 산업의 새로운 강자로 부상할 수 있으며, 국내 소부장 업체들에게도 새로운 성장 기회를 제공할 것입니다. 유리기판은 반도체 산업의 미래를 긍정적으로 변화시킬 잠재력을 가진 핵심 기술입니다.
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