반도체 유리기판은 무엇인가?

 

먼저 열팽창계수에 대해 개념에 대해 간단히 설명하면,

대부분의 물체는 열을 받으면 부피가 커지고, 커지는 정도를 표기하는 지표로 열팽창계수라고 하는 수치입니다.

유리의 열팽창계수는 4ppm/C정도이지만 플라스틱은 최소 5배에선 20배정도 높습니다.

그래서 발광다이오드를 통해 열을 지속적으로 받는 디스플레이에서는 유리 기판 기술이 먼저 사용되었습니다.

열에 강하고 단단한 성질을 가진 유리 물질은 가공하기 어렵다는 단점을 가지고 있고 반대로 플라스틱은 열을 가하면 잘 부러지고, 가공이 쉽다. 그래서 반도체용 기판에는 대량생산에 용이하고 구리와 결합이 쉬운 플라스틱 기판이 주로 사용되었다.

 

유리 기판이 부각되는 이유?

반도체 기판은 반도체 칩과 전자기기를 연결하는 역할을 한다. 하지만 최근 'AI 반도체'가 새로운 패러다임으로 떠오르면서, 방대한 양의 데이터를 고속 처리하는 능력이 필수로 떠올랐다.

첨단 반도체 크기가 점점 작아지고 회로간 간격이 줄어드는 가운데, 반도체 성능과 전력 효율을 끌어올리기 위해 '트랜지스터'는 더 많이 탑재되고 있다.

결국 기존 반도체 공정에서 사용하는 '플라스틱(유기) 기판'이 감당하기 힘들 정도로 트랜지스터 수가 많아졌다. 결국 열에 약한 플라스틱 기판은 트랜지스터 수의 확장을 감당하기 어려울 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 새로운 기술인 유리 기판이 부각되고 있다.

 

유리기판은 평탄성이 좋아 보다 세밀한 회로 형성도 가능하고, 절연성이 높다는 점, 전기신호 손실이 적고 신호전달 속도 측면에서도 강점이 있습니다.
또한, 최근 인공지능(AI)인프라 투자 확산으로 유리 기판 적용에 대한 기대감이 커지고 있습니다. AI 반도체용 칩은 면적이 크고, 미세 회로를 커버할 수 있는 고집적 패키지 기판이 필요합니다. 기존 패키지 기판은 면적이 커질수록 휘어짐 문제를 해결하기가 어렵습니다. 집적도 역시 마찬가지입니다. 유리기판이 최근 반도체 기판의 핵심 소재로 각광받는 이유입니다.

 

유리 기판 예상되는 어려움?

유리 기판도 '유리'라는 소재에서 오는 한계점이 존재합니다.

누적 압력이나 외부 충격에 취약해 파손되기 쉽다. 따라서 유리 기판 내 미세한 전극 통로인 유리관통전극(TGV)를 형성하기 매우 어렵다. TGV는 초정밀 구멍을 뚫어 상·하부 회로를 전극으로 연결해, 유리 기판 공정에 있어 핵심적인 기술로 꼽힌다. 또 (플라스틱 등) 유기 기판 대비 열 저항성이 높으나, 이 또한 500도가 넘는 고온에서는 변형되기 쉽다는 문제점들이 있습니다. .

또한, 흠집, 크랙이 생기지 않도록 하는 절단기술, 구멍을 내는 등의 공정의 고도화가 필요합니다. 그렇지 않으면 기판의 수율이 떨어져 생산 및 상용화에 걸림돌이 될 것이라고 합니다.
구멍 잘 내고 잘 자르는 기술 외에도 구멍 속을 구리로 채우는 도금 기술 역시 안정적으로 이뤄져야 합니다. 이 외에도 많은 부분에 기술이 개발되어야 합니다.

현재 고온 및 외부 충격에 강한 반도체용 유리 소재가 계속 개발되고 있고, 실리콘 기판의 공정온도가 800~900도라면 유리 기판 공정은 400도 이하로 떨어트려야 하는 과제가 있으나 연구개발을 통해 해결할 수 있을 것으로 전망된다.

 

                                                                  앱솔릭스사의  글라스 기판 패키지 구조

향후 전망?

주요 반도체 업체들이 유리기판 도입에 적극적으로 나서고 있으며, 특히 인텔은 오는 2030년 전까지 유리기판을 채용할 것이라 밝히고 있으나 유리 기판에 대한 업계의 요구가 높아짐에 따라 이 보다 빠른 속도로 상용화가 이뤄질 것이라는 기대가 있습니다. 실제 삼성전기는 2025년에 유리기판을 쓴 반도체 패키지 기판 시제품을 생산한 뒤 2026~2027년 양산에 들어갈 것이라고 밝히기도 했습니다.

 

* 개인 리서치 자료이기 때문에 일부 틀린 내용이 있을 수 있습니다.

https://digi-info.tistory.com/54

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