유리 인터포저와 유리 기판 | 차세대 반도체 패키징 기술의 이해

 

반도체 산업에서 패키징 기술의 혁신은 전체 성능과 효율성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 특히 최근 AI 반도체의 발전으로 인해 더 많은 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 새로운 패키징 설루션이 필요해졌습니다. 이러한 맥락에서 유리 인터포저와 유리 기판은 모두 차세대 반도체 패키징 기술로 주목받고 있지만, 그 정의와 역할, 특성에는 분명한 차이가 있습니다. 둘 다 유리 소재를 사용하지만 반도체 패키지 내에서 수행하는 기능과 적용 방식이 다르므로 명확히 구분하여 이해할 필요가 있습니다.

1. 유리 인터포저의 정의와 특성

1-1. 유리 인터포저는 반도체 칩과 기판 사이에서 브리징 역할을 하는 중간 연결 부품.

기존에 사용되던 실리콘 인터포저를 유리 소재로 대체한 것으로, 실리콘 칩과 최종 장착되는 기판 또는 인쇄 회로 기판(PCB) 사이의 브리징 플랫폼 역할을 합니다. 유리 인터포저는 레진 코어를 사용하는 기존 반도체 기판에서 실리콘 인터포저를 대체할 수 있는 기술입니다.

1-2. 유리 인터포저는 기존의 플립칩볼그리드어레이(FC-BGA) 구조를 그대로 유지하면서 실리콘 인터포저만 유리로 대체하는 방식.

이는 실리콘 인터포저가 고가인 점을 고려할 때, 비용 절감 효과가 큰 장점이 있습니다. 실리콘 인터포저는 값비싼 소재로 인해 고성능 반도체 가격 상승의 주된 원인 중 하나였습니다.

1-3. 유리 인터포저의 기술적 사양

열팽창계수(CTE)는 약 3 정도, 두께는 400마이크로미터(μm), TGV(Through Glass Via, 유리 관통 전극) 직경은 40μm 수준으로 확인됩니다. 이러한 특성은 실리콘 인터포저를 대체하기 위한 목적에 최적화되어 있으며, TGV 직경을 작게 만드는 것을 선호하는 경향이 있습니다.

 

2. 유리 기판의 정의와 특성

1-1. 유리 기판은 글래스 코어 기판(Glass Core IC Substrate).

반도체 기판의 코어 소재를 기존의 유기 소재(유리섬유 강화 에폭시 레진, FR4)에서 유리로 대체한 제품입니다. 반도체 패키지에서 유리 기판은 GPU·HBM → 실리콘 인터포저 → 플립칩볼그리드어레이(FC-BGA) 구성 중 FC-BGA를 대체하는 패키지 기판입니다.

1-2. 유리 기판의 주요 역할은 반도체 칩과 전자기기 속 메인보드를 연결.

반도체 칩의 전기 신호 통로 간격은 상당히 미세한 반면, 메인보드 통로 간격은 상대적으로 큽니다. 유리 기판은 칩 통로에 맞게 전기 신호를 받고 이를 메인보드에 맞춰 전달하는 중개업자 역할을 수행합니다.

1-3. 유리 기판의 기술적 사양

열팽창계수가 약 7 정도, 두께는 800μm, TGV 직경은 100~120μm 수준으로, 유리 인터포저보다 두껍고 TGV 직경도 더 큰 특징이 있습니다. 유리 코어 기판은 인터포저가 추가로 필요하지 않도록 유기 코어보다 TGV 밀도가 높아야 하며, TGV와 종횡비(aspect ratio) 모두 작게 만들려는 흐름이 있습니다.

 

3. 유리 인터포저와 유리 기판의 핵심 차이점

독일 레이저 솔루션 업체 LPKF에 따르면, 반도체 글래스 기판 기술은 '글래스 인터포저'와 '글래스 코어 기판'으로 명확히 구분되며, 두 기술의 요구사양도 각기 다릅니다. 두 기술의 가장 뚜렷한 차이점은 다음과 같습니다.

첫째, 기술적 위치와 역할이 다릅니다.

유리 인터포저는 기존 실리콘 인터포저를 대체하는 중간 연결 층으로, 반도체 칩과 패키지 기판 사이에 위치합니다. 반면 유리 기판은 FC-BGA 자체를 대체하는 것으로, 패키지의 기본 구조를 형성하는 역할을 합니다.

둘째, 물리적 사양이 다릅니다.

유리 인터포저는 열팽창계수가 약 3이고 두께가 400μm, TGV 직경이 40μm인 반면, 유리 기판은 열팽창계수가 약 7이고 두께가 800μm, TGV 직경이 100~120μm로 더 두껍고 TGV도 더 큽니다. 이러한 차이는 각 기술이 수행하는 역할과 요구되는 성능 특성이 다르기 때문입니다.

셋째, 적용 목적이 다릅니다.

유리 인터포저는 주로 대면적 실리콘 인터포저를 대체하는 것을 목표로 하며, TGV 직경을 작게 만드는 것을 선호합니다. 반면 유리 기판은 FC-BGA의 코어층을 대체하는 것을 목표로 하며, 인터포저가 추가로 필요하지 않도록 유기 코어보다 TGV 밀도가 높아야 합니다.

 

3. 유리 소재의 장점과 반도체 패키징에 미치는 영향

유리 소재가 반도체 패키징에서 주목받는 이유는 여러 가지 우수한 특성 때문입니다. 유리는 기존의 유기 소재보다 열적, 기계적, 전기적 특성이 우수하여 고성능 컴퓨팅 시대의 요구사항을 충족시킬 수 있습니다.

 

유리 소재는 열에 강한 특성을 가지고 있습니다. KB증권이 인용한 자료에 따르면, 유기 소재의 열 팽창열팽창 계수는 3~17ppm/K인 반면, 유리의 열팽창 계수는 3~9ppm/K로 더 낮습니다. 이는 열로 인한 워피지(Warpage, 휨 현상)를 줄여 반도체의 신뢰성을 높이는 데 기여합니다.

 

또한 유리는 표면 거칠기가 유기 소재보다 훨씬 우수합니다. 유기 소재는 400~600㎚ 수준인 반면 유리는 10㎚ 이하로 매우 매끄럽습니다. 표면이 매끄러운 특성은 미세한 회로 패턴 형성과 레이어 적층에 유리하여 더 높은 집적도를 가능하게 합니다.

 

유리는 절연성이 우수하고 전기적 특성도 뛰어납니다. 매우 낮은 유전 손실을 가지고 있어 고주파 신호를 다룰 때 신호 손실이 적고, 이는 5G 통신, RF 기기, 고속 데이터 통신 등에 유리합니다6. 또한 절연성이 좋아 특정 칩에서 발생한 열이 다른 칩으로 전달될 우려가 적고, 전류 누출이 적어 무선주파수(RF) 특성도 좋습니다.

4. 유리 인터포저와 유리 기판의 산업적 응용 및 개발 현황

주요 빅테크 기업들과 반도체 업체들은 유리 인터포저와 유리 기판의 개발 및 적용에 큰 관심을 보이고 있습니다. 애플은 차세대 모바일 프로세서(AP)에 기존 기판 대신 유리 기판 적용을 검토 중이며, AMD도 여러 기판 업체와 유리 기판 성능 평가를 진행하고 있습니다. 인텔은 10년 전부터 유리 기판 상용화를 준비해 왔으며, 지난해 9월에는 유리 기판을 적용한 반도체 시제품을 공개하기도 했습니다.

 

국내에서는 삼성전기와 SKC가 유리 기판 상용화 전쟁 참전을 공식화했고, LG이노텍도 사실상 개발에 뛰어든 상태입니다. 또한 삼성전자 반도체 부문은 차세대 패키징 소재인 '유리 인터포저' 개발에 착수했으며, 코닝의 유리를 활용해 켐트로닉스와 필옵틱스 등 회사에게 유리 인터포저 생산을 맡기는 방안을 고려 중인 것으로 알려졌습니다.

 

현재 유리 인터포저는 일부 의료기기 등 틈새시장 제품에 사용되고 있으며, 유리의 내화학성이 실리콘보다 좋기 때문에 특정 응용 분야에서 장점을 가집니다4. 그러나 전문가들은 유리 기판과 유리 인터포저의 상용화가 단기간에 이루어지기는 어려울 것으로 전망합니다. 유리 기판의 치명적인 단점 중 하나는 외부 충격이나 압력에 취약하다는 점으로, 수율(제조품 중 양품 비율)을 개선하는 것이 과제로 남아있습니다.

5. 결론

유리 인터포저와 유리 기판은 비슷한 소재를 사용하지만 반도체 패키지 내에서 수행하는 역할, 기술적 사양, 적용 목적 등에서 명확한 차이가 있는 별개의 기술입니다. 유리 인터포저는 기존 실리콘 인터포저를 대체하여 칩과 기판 사이의 중간 연결 층 역할을 하는 반면, 유리 기판은 FC-BGA의 코어층 자체를 대체하는 기술입니다.

 

두 기술 모두 유리 소재의 우수한 특성 - 낮은 열팽창계수, 매끄러운 표면, 우수한 절연성과 전기적 특성 - 을 활용하여 기존 유기 소재 기반 패키징 기술의 한계를 극복하고자 합니다. 이는 AI와 고성능 컴퓨팅 시대에 증가하는 데이터 처리량과 발열 문제를 해결하는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

 

현재 글로벌 반도체 업계와 국내 주요 기업들은 유리 인터포저와 유리 기판 기술 개발에 적극적으로 나서고 있지만, 외부 충격에 취약한 유리의 특성으로 인한 수율 문제 등 해결해야 할 과제도 남아있습니다. 향후 유리 코어와 유리 인터포저 방식은 각각 패키징 제품의 적용처와 개발 방향성에 따라 발전하거나 병용하는 형태로 진화할 것으로 예상됩니다.

 

 

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