[차세대 반도체] 반도체 유리기판의 정의와 그 가능성

 

 

 

 

반도체 유리기판의 정의와 그 가능성 (느낌이블로그)

 

 

 

최근 반도체 섹터 내에서 유리기판이라는 새로운 테마가 형성되어 그 인기가 뜨거운 상황인데요.

 

기존에 반도체 기판이라고 하면 전자기기를 분해했을 때, 보이는 초록색 PCB 판때기를 많이 생각하셨을 겁니다.

 

유리기판이라고 한다면 이 초록색 PCB 기판이 유리로 대체된다는 뜻일까요?

 

지금부터 함께 보시죠.

 

 

반도체 유리기판이란?

 

1) 반도체 유리기판은 기존 실리콘 및 유기 소재 대신 유리 코어층을 채용한 기판을 말하며, 유리 소재를 사용한 반도체 기판 마찬가지로 칩과 전자기기를 연결하는 역할을 함.

 

2) 다시 말해, 향후 반도체 패키징 공정에 사용될 유리 기판(Glass-core substrate)은 플라스틱 기판의 유기 소재(에폭시) 코어층 대신 유리 코어층을 채용한 기판임.

 

3) 앞서 언급한 반도체 기판이란 반도체 칩과 컴퓨터 메인보드를 연결하는 부품을 말하는데, 현재는 플라스틱 계열 소재가 주로 사용되지만 플라스틱 계열 소재는 표면이 거칠어 미세 회로 형성이 어려운 상황임.

 

4) 반면 유리기판은 표면이 평탄해 미세 회로 구현이 용이하며, 열과 휘어짐에도 상대적으로 강해 대면적으로 제작이 가능함.

 

5) 업계에서는 유리기판이 구현할 수 있는 선폭은 5um 미만으로 기존 반도체 기판에서 구현 가능한 선폭 수준인 8~10um보다 절반 수준으로 보고 있음.

 

6) 또한, 유리기판은 기존 반도체 기판 대비 두께가 얇아서 반도체의 신호 전달 속도를 높이면서 전력 효율까지 개선시킬 수 있음.

 

 

7) 최근 고성능 컴퓨팅, 통신장비, AI, 빅데이터 등의 기술이 발전하면서 많은 양의 데이터를 빠르게 처리하는 고성능 반도체의 수요가 증가하고 있는 상황임.

 

8) 갈수록 미세해지는 반도체 미세공정에서 기판 위에 칩과 MLCC 등을 효율적으로 배치하는 패키징의 중요성이 커지고 있음.

 

9) 기존 반도체 기판은 칩과 MLCC를 많이 배치할수록 휘어질 가능성이 크지만, 이에 비해 유리기판은 열과 휘어짐에도 상대적으로 강해 대면적으로 제작이 가능함.

 

10) 여기에 유리 기판은 표면이 아닌 기판 내부에 MLCC를 심을 수 있기 때문에 MLCC가 차지하던 공간을 활용해 반도체 칩을 더 넣을 수 있으며, 결국 같은 크기의 기판들보다 더 집적도 높은 반도체 칩을 구현할 수 있음.

 

11) 이러한 이유로 반도체 업계에서는 유리 기판을 반도체 패키징 시장의 게임 체인저로 보고 있으며, 실제로 유리 기판을 반도체 공정에 채용한다면 반도체 미세공정을 두 세대 이상 앞당기는 효과가 있을 것으로 예상됨.

 

12) 다만 유리의 특성상 누적 압력이나 외부 충격에 쉽게 깨져 수율이 떨어질 수 있으며, 이는 유리기판이 그동안 시장으로 진입하지 못한 결정적 이유임.

 

13) 유리기판이 대세로 자리 잡기 위해선 관련 기술개발과 공정 최적화가 이뤄져야하며, 아직 주요 반도체 기업들은 유리기판 공급망을 완전히 구축하지 못한 상태임.

 

 

 

 

반도체 기판 소재의 역사

 

1) 실제로 반도체 기판의 소재는 15~20년 주기로 변화해왔는데, 1970년대에는 리드프레임이 주류였으며 이는 현재 높은 신뢰성이 필요한 전장용 반도체 분야에서 주로 활용되고 있음.

 

2) 현재는 방열 특성이 중요한 적용처에 주로 활용되고 있는 세라믹 소재 기판은 1990년대에 도입되었고, 2000년 이후부터 현재까지 유기기판이 주로 활용되고 있음.

 

3) 업계에서는 2030년 전후로 유리기판 도입이 전망되고 있으며, 기판 소재의 변화는 트랜지스터 집적도를 높이는 방향으로 발전해왔음.

 

4) 결국 현재의 유기기판 마찬가지로 미세회로 및 대면적화의 한계에 봉착한 상황이며, 이에 대한 해결책으로 실리콘 인터포저가 활용되고 있으나 문제는 비싼 가격임.

 

5) 이러한 이유로 유기기판보다 회로가 미세하고 대면적화가 가능하면서도, 실리콘 인터포저 대비 저렴한 가격의 장점을 모두 가진 유리기판은 향후 좋은 대안이 될 수도 있음.

 

6) 유리기판의 기본적인 아이디어는 디스플레이 OLED 및 LCD 패널에 TFT와 회로층을 구현한 공정 기술에서 벤치마킹 했으며, 이는 반도체 기판 산업에서도 동일한 접근이 가능함.

 

7) 업계에선 2026년 이후 유리기판이 본격적으로 반도체 제조에 쓰일 것으로 내다보고 있으며, 실제로 지난해 5월 유리 기판 사업 진출을 선언한 인텔은 유리기판에 10억 달러(약 1조3000억원)를 투자해 오는 2030년까지 상용화를 목표로 세웠음.

 

8) AMD는 반도체 기판 제조사들과 유리기판 성능 평가를 진행하는 등 공급사를 물색하고 있는 것으로 알려졌으며, 국내에서는 삼성전기와 SKC 자회사 앱솔릭스, LG이노텍이 유리기판 개발에 나서고 있음.

 

9) 향후 글로벌 유리기판 시장의 규모는 2023년 71억달러(약 9조7800억원)에서 오는 2028년 84억달러(약 11조5700억원)으로 연평균 3.59% 성장할 것으로 내다보고 있음.

 

 

 

 

유리 기판이 갑자기 주목받는 이유

 

1) 유리 기판이 최근 들어 주목받게 된 원인은 당연히 AI의 급격한 확산때문임.

 

2) 기존에는 유리기판이 오버 스펙으로 분류되었지만, 향후 AI의 데이터 처리량이 기하급수적으로 증가하기 때문에 현재 추세로는 2030년부터 2.5D/3D 패키징으로 트랜지스터 수 확장세를 감당하기 어려울 것임.

 

3) 결국 AI 반도체용 칩은 면적이 크고 미세 회로를 커버할 수 있는 고집적 패키지 기판이 필요할 것이며, 현재 엔비디아의 주력 AI용 반도체(A100, H100)는 TSMC에서 CoWoS 방식으로 제조되고 있음.

 

4) 하지만 TSMC의 CoWoS 패키징 비용은 현재도 매우 높은편인데, 시간이 지날수록 AI의 데이터 처리량이 기하급수적으로 늘어난다면 반도체 집적도와 함께 패키징 비용도 지속적으로 증가할 것으로 예상됨.

 

5) 이는 실리콘 인터포저에 GPU를 올리는 비용이 지속적으로 높아진다는 뜻이며, GPU를 쌓을수록 패키징 수율은 떨어질 수밖에 없음.

 

6) 하지만 유리 기판을 채택할 경우 실리콘 인터포저를 생략할 수 있어 패키징 비용을 낮출 수 있고, 더 많은 트랜지스터를 집적시키는 것이 가능해지기 때문에 최근들어 다시 조명받고 있는 상황임.

 

7) 인텔은 반도체 패키징 공정에 유리 기판을 채택할 경우 2030년까지 단일 패키지 내에서 1조개의 트랜지스터를 집적시킬 수 있을 것으로 전망하고 있음.

 

8) 물론 아직 양산을 위해 넘어야 할 장벽들이 많지만, HPC 업체들은 이르면 2026년부터 유리기판을 채용할 것으로 전망되며 AI 가속기와 서버 CPU 등 하이엔드 제품에 선제적으로 탑재될 것으로 예상됨.

 

 

 

 

유리기판의 한계점과 요구되는 기술적 변화

 

1) 앞서 말한대로 유리 기판을 대량 양산한다고 가정해도 현재 기술력으로는 그 수율이 불확실한 상황임.

 

2) 물론 고성능 반도체를 만들고자 하는 고객사의 강한 요구로 유리기판을 충분히 비싸게 팔 수 있다면 낮은 수율을 보전 받을 수 있음.

 

3) 실제로, 일본 업체들이 생산하는 최선단 FC-BGA 수율은 30% 내외에 불과한데 고객사들은 높은 판가를 통해 수익을 보전해주고 있는 상황이며, 최근 Intel, AMD 등 주요 업체들이 경쟁적으로 유리 기판 도입 검토에 나서고 있음은 긍정적임.

 

4) 물론 유리 기판은 이미 20년 가까이 연구가 진행되고 있는 기술이지만 아직까지 상용화되지 못했는데, 가장 큰 원인으로는 유리기판을 만드는 과정에서 구멍을 뚫는 드릴 기술이 고도화되지 않았기 때문임.

 

 

5) 반도체 기판은 위층과 아래층이 전기가 통해야 되므로 코어층 표면에 드릴로 구멍을 뚫고, 구멍에 구리를 덮어 위층의 회로선과 아래층의 회로선을 만날 수 있게 만들어야함.

 

6) 이러한 드릴 기술이 최근들어 상용화 레벨에 가까워지고 있는 상황이며, 현재 유리 기판을 제조하는 방식 중 가장 메이저한 공정은 TGV (Through Glass Via : 유리 관통 전극) 방식임.

 

7) 이는 실리콘 인터포저의 TSV와 유사한 공정인데, 유리 기판에 홀을 뚫는 건식 공정(레이저)과 홀 내부의 파티클 및 평탄도(TTV)를 향상시키는 습식 식각 공정으로 구성되어 있으며 유리 기판 제조 공정들 중 가장 핵심임.

 

8) 또한 TGV 공정을 구현하기 위해서는 먼저 펄스가 짧은 고에너지 레이저(펨토 레이저 등)를 사용해서 미세 Hole을 형성해야하며, 이후 HF 에칭 공정으로 Hole 사이즈를 넓힘.

 

9) 이렇게 형성된 TGV에 전도성 소재를 균일하게 충진 하는 것 또한 쉽지 않은데, 미세한 구멍을 동도금하는 공정 난이도가 높기 때문임.

 

10) 또한 유리 소재의 내충격성을 감안하여 회로층을 몇 층까지 쌓을 수 있는지 아직까지 연구가 필요한 상황이며, 유기 소재 대비 투명하기 때문에 기존 광학 계측 시스템으로 기판 검사 공정에도 한계가 있음.