Special 인공지능 컴퓨팅을 위한 소재 및 소자기술 개발 동향(2)

인공지능 시대에 기여하는 유리기판 기술 현황 및 개발 방향

이규성_한국전자통신연구원 지역ICT융합연구실 실장

1. 서론

최근 고성능 컴퓨팅(HPC, high performance computing), 생성형 인공지능(AI, artificial intelligence), 대규모 언어모델(LLM, large language model) 등 AI 시대가 도래하였고, 이러한 급속한 기술 발전의 근간이 된 인공지능(AI) 반도체는 초고집적화, 대용량 메모리 대역폭, 저전력 소비 및 고신뢰성에 대한 요구를 동시에 받고 있다. 반도체 산업은 미세가공 공정의 한계 극복과 성능 향상을 이룰 수 있는 다양한 방법 중 첨단 패키징 기술이 핵심 경쟁력으로 부각되기 시작했고, 당분간 주요 중점 기술분야로 각광을 받을 것으로 보인다. AI 반도체의 집적도 증가와 함께 면적의 확장, 이종 칩의 접합이 중요성이 커지면서, 유리기판 기술은 기존 유기기판 및 실리콘 인터포저의 한계를 뛰어넘는 차세대 패키징 기판의 대안으로 주목받고 있다. 특히, 이러한 유리기판을 활용한 유리 인터포저의 제조를 위한 유리 관통 비아(TGV, through-glass-via) 기술은 고밀도 수직 인터커넥트 형성을 통한 신호 전달과 우수한 열적, 전기적 특성, 대면적 확장성을 동시에 제공하여 AI 반도체를 위한 이종 집적 플랫폼의 핵심 기술로 많은 관심을 받고 있다.

2. 유리기판 기술 개요

유리기판은 첨단 패키징 분야에 적용하는데 있어서 소재 자체가 갖는 낮은 유전 손실, 우수한 평탄도, 열 안정성, 대면적 공정 진행의 용이성 등의 장점이 있다. 실리콘 인터포저와 비교했을 때, 유리 소재는 낮은 유전 특성으로 AI 가속기와 메모리 사이의 고주파 신호 전송 특성이 우수하다. 유리의 물리적, 구조적 특성인 우수한 평탄도는 정밀 배선 형성과 대면적 기판 공정에 적합하여 제조 생산 효율성이 높은 것으로 보인다. 반면, 유리가 갖는 높은 취성(brittle)으로 인한 핸들링의 어려움과 열팽창 계수(CTE, coefficient of thermal expansion) 정합 이슈와 미세 비아 형성의 어려움 등 기술적인 난제 해결이 진행 중이다. 

유리기판에 대한 관심은 2023년 인텔에서 유리기판을 적용한 시제품 칩과 차세대 첨단 패키징 기술로 유리기판 적용 계획을 발표하면서 주목받기 시작하였고 SKC 자회사인 앱솔릭스, 삼성전자는 삼성전기 등을 통한 유리기판 기술개발이 점차 확대되고 있다. 인텔의 경우 EMIB(embedded multi-die interconnect bridge) 기술을 유기기판과 함께 적용 중이나 장기 로드맵 상 유리기판을 사용하는 예상을 발표하였고, 유기기판이나 실리콘 기판을 완전히 대체하기 보다는 유리기판을 적용한 최적의 AI 반도체 시스템에 적용되는 방향으로 이해되고 있다. 

기존 유기기판의 경우 저렴한 제조 비용과 대량 생산에 유리한 장점이 있지만, 고주파 손실과 정밀 배선 형성의 어려움이 있으며, 대면적 기판 적용 시 warpage 발생에 대한 해결이 요구되고 있다. 실리콘 인터포저의 경우 높은 집적도 대응과 정밀 배선 형성이 가능하여 이종 집적 칩에 다양하게 활용되고 있으나, 대면적 적용의 제한과 비용 증가에 대한 제약 사항이 있다. 따라서, 이러한 다른 소재의 기판과 비교하여 유리기판은 성능과 비용 측면에서 유리한 대안 기술로 평가되고 있다.

유리기판은 높은 온도의 공정 적용성과 우수한 평탄도로 유기기판 대비 패키징용 기판에 적합한 특성을 가질 수 있다. 기계적으로도 우수한 특성과 대면적 패키징 설계와 공정을 적용할 수 있는 장점과 전력 전달 및 고속 신호 전송에 유리할 것으로 보이며 광 인터커넥트와 캐패시터 등 유리기판 제조 과정 중에 직접 결합한 글래스 코어 기판으로도 적용도 가능하다. 절연소재인 유리의 유전상수는 실리콘의 3분의 1 수준이고 손실계수도 낮아서 데이터 전송 시 기판 손실과 기생 효과를 줄이고 신호 전송 특성에 유리하다. 실리콘 인터포저의 경우 추가적인 절연층 증착이 필요하지만 유리의 경우 자체 절연 특성으로 제조 비용 절감 효과를 얻을 수 있고, warpage 특성 제어에도 유리할 것으로 예상되고 있다.

그림 1. AI 반도체에 적용되는 유리기판 및 TGV 개념도

3. TGV(Through-Glass Via) 핵심 기술 동향

3-1. TGV 형성 공정

TGV는 주로 레이저 가공, 화학적 에칭, 레이저-에칭 하이브리드 가공 공정을 이용하여 형성된다. 최근에는 초단파 펄스 레이저(ps-fs)를 이용한 미세 비아 가공이 널리 보급되고 있으며, 미세 크랙 최소화와 비아 고종횡비 구현이 주요 이슈이고, 화학적 에칭의 중요성이 점차 커지고 있다. 기본적으로 TSV(through-silicon-via)와 유사하지만, 재료 특성과 공정 차이에 의한 상이한 구조와 공정을 적용하고 있다. 이는 비정질 구조를 갖는 유리의 낮은 유전 상수와 우수한 안정성 확보가 가능한 것과 달리, 높은 취성, 낮은 열전도율, 제한적인 에칭 선택성 등 공정 상 한계가 있다. 이러한 특성으로 TGV 기술은 단일 공정이 아니라 레이저 가공, 화학 에칭, 레이저 에칭을 조합한 형태로 기술개발이 진행 중이다. 

그림 2. 유리기판을 적용한 TGV 공정 예시

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