글라스 기판의 도입과 반도체 패키징의 미래

인텔, 차세대 고급 패키징을 위한 글라스 기판 발표

인텔은 차세대 반도체 패키징에 필요한 글라스 기판을 발표하며, 2030년까지 본격적인 상용화를 목표로 하고 있습니다. 이 새로운 기판은 반도체 패키지 내 트랜지스터의 집적도를 증가시키고, 무어의 법칙을 지속적으로 확장하여 데이터 중심 애플리케이션의 발전을 지원할 것입니다. 인텔의 패키징 및 테스트 개발 총괄 부사장인 바박 사비는 “수년간의 연구 끝에 인텔은 업계를 선도하는 고급 패키징용 글라스 기판을 개발하였으며, 이를 통해 고객사와 파운드리 고객들에게 혁신을 지속적으로 제공할 것”이라고 강조했습니다.

 

 

글라스 기판의 중요성

현재의 유기 기판과 비교해, 글라스 기판은 뛰어난 평탄도, 열적 안정성 및 기계적 안정성을 갖추고 있습니다. 이를 통해 기존보다 훨씬 높은 밀도의 인터커넥트가 가능해지며, AI와 같은 데이터 집약적 작업에 필요한 고성능 패키지를 제작할 수 있습니다. 2030년 이후에도 무어의 법칙을 이어가려면, 유기 기판의 한계를 극복하고 전력 소비 및 수축 문제 등을 개선하는 것이 필수적이며, 글라스 기판이 이를 해결하는 중요한 열쇠로 주목받고 있습니다.

글라스 기판의 작동 원리와 장점

글라스 기판은 고속 신호 전송, 전력 공급 개선, 안정성을 제공하며, 더 많은 트랜지스터를 한 패키지에 통합할 수 있는 기계적, 물리적, 광학적 특성을 갖고 있습니다. 이를 통해 더 큰 칩렛(complex chiplets)을 패키징할 수 있어 성능, 밀도, 유연성을 높이고, 전력 소비를 줄이면서도 경제적인 솔루션을 제공합니다. 데이터 센터, AI, 그래픽스와 같은 고성능 응용 분야에서 먼저 활용될 예정입니다.

 

작동 원리

글라스 기판은 기존 유기 기판에 비해 뛰어난 기계적, 물리적, 광학적 특성을 활용하여 반도체 패키지의 성능을 향상시킵니다. 이를 통해 트랜지스터와 다양한 소자들이 하나의 패키지 내에서 고밀도로 결합되며, 시스템 인 패키지(System-in-Package, SiP) 형태로 설계될 수 있습니다. 이러한 구조는 하나의 패키지에서 여러 개의 칩렛(chiplets)을 고밀도로 결합하여, 서로 다른 기능을 수행하는 칩들을 조화롭게 작동시킬 수 있습니다. 글라스 기판의 평탄도와 열적 안정성은 이러한 미세한 구성 요소들의 배치와 신호 전달을 최적화할 수 있게 해줍니다.

 

장점

고밀도 인터커넥트 가능: 글라스 기판은 뛰어난 평탄도와 열적 안정성 덕분에 더 높은 밀도의 인터커넥트(회로와 회로를 연결하는 선)를 구현할 수 있습니다. 이는 AI, 고성능 컴퓨팅(HPC), 5G 통신과 같은 데이터 집약적 응용 분야에서 중요하며, 효율적인 데이터 전송과 낮은 지연 시간, 높은 처리 속도를 제공합니다.

열적 및 기계적 안정성: 글라스 기판은 열 팽창 계수(CTE)가 실리콘과 유사하여, 반도체 칩의 팽창과 수축에 잘 대응할 수 있습니다. 이로 인해 칩의 변형이나 패키지 내에서의 스트레스를 줄일 수 있어 신뢰성이 증가합니다.

미세 패턴 구현: 유리 기판은 미세 패턴을 정확하게 구현할 수 있는 특성이 있어, 기존의 유기 기판에 비해 훨씬 정밀한 설계를 가능하게 합니다. 이는 반도체 집적도가 증가할수록 필수적인 요소이며, 회로가 복잡해질수록 더 작은 선폭과 고밀도 배선이 요구됩니다.

고온에서의 안정성: 글라스 기판은 높은 온도에서 우수한 안정성을 보여주며, 이는 전력 공급 및 신호 라우팅 설계 규칙에서 유연성을 제공합니다. 이를 통해, 기판 내에 유도 소자나 축전기를 삽입하여 고속 신호 전송과 보다 효율적인 전력 공급을 실현할 수 있습니다. 이러한 특성은 고성능 응용에 있어서 중요한 요소로 작용합니다.

에너지 효율성: 글라스 기판은 더 큰 크기의 패키지를 높은 수율로 조립할 수 있도록 돕습니다. 이를 통해 제조 비용이 절감및 생산성을 개선할 수 있으며, 패키지의 전력 소비를 줄이면서도 높은 성능을 유지할 수 있습니다.

 

이와 같은 장점들은 반도체 집적도를 극대화하고, 1조 개 트랜지스터 패키지와 같은 미래의 목표를 달성하기 위한 기반을 제공합니다. 이러한 특성들은 기존 유기 기판을 대체하여 향후 반도체 시장에서 더욱 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

 

글라스 기판의 단점과 극복 과제

비용 문제

글라스 기판은 기존의 유기 기판과 비교할 때 생산 비용이 더 높습니다. 유리의 특성상 고도의 가공 및 제조 기술이 필요하며, 대량 생산을 위한 제조 인프라가 충분히 확립되지 않은 상황입니다.

생산 공정을 최적화하고, 규모의 경제를 달성하여 비용을 낮추는 것이 중요합니다. 이를 위해, 반도체 업계에서는 더 효율적인 제조 기술 개발과 공정 자동화 및 글라스 기판의 대량 생산이 가능한 설비 투자 확대를 목표로 하고 있습니다.

 

취약성 및 내구성 문제

유리는 깨지기 쉬운 특성이 있어 기계적 충격이나 스트레스를 받을 경우 손상될 가능성이 큽니다. 이러한 내구성 문제는 반도체 패키징에서 높은 신뢰성을 요구하는 경우, 특히 조립 및 테스트 단계에서 큰 장애물로 작용할 수 있습니다.

소재 강화 기술(예: 강화 유리 사용) 및 기판 표면 처리 기술을 통해 충격 저항성을 개선하는 방법이 연구되고 있습니다. 또한, 기판을 보호할 수 있는 고강도 패키징 기술 개발 역시 내구성 문제 해결에 기여할 수 있습니다.

 

기판 가공의 복잡성

글라스 기판은 유기 기판보다 가공이 더 복잡합니다. 높은 정밀도와 얇은 두께로 제작되기 때문에 레이저 커팅과 정밀 공정 기술이 필요합니다. 이러한 제조 과정은 시간이 많이 소요되며, 공정의 정밀도 확보가 어렵습니다.

보다 정교한 가공 기술을 개발하고, 기판 제조 공정의 자동화 수준을 높이는 것이 중요합니다. 특히, 레이저 및 정밀 절단 기술의 혁신을 통해 글라스 기판의 제조 효율성을 개선할 필요가 있습니다.

 

업계 표준 및 호환성 문제

글라스 기판은 아직 널리 사용되지 않아, 유기 기판과 비교해 업계 표준화가 부족합니다. 따라서 기존 시스템과의 호환성 문제도 발생할 수 있으며, 대규모로 활용되기까지 시간이 필요합니다.

업계 전반에서 협력과 표준화를 통해 호환성을 개선하고, 반도체 및 기판 제조사 간의 협력을 강화해야 합니다. 기술 표준화가 이루어질 경우, 다른 제조사들이 쉽게 채택할 수 있게 되어 더 빠르게 시장에 확산될 수 있습니다.

 

대규모 생산 기술의 미흡

유리의 가공이 정밀하고 복잡한 특성으로 인해 대규모 생산 능력이 아직 성숙되지 않았습니다. 이는 반도체 수요에 비해 공급이 제한적일 가능성을 나타냅니다.

제조 장비 및 공정 최적화, 자동화 기술을 활용하여 대량 생산이 가능하도록 인프라를 강화하는 것이 필요합니다. 인텔과 같은 주요 기업들의 연구 개발 및 투자 확대가 이 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다.

글라스 기판은 기존 유기 기판에 비해 많은 장점이 있지만, 대량 생산과 높은 비용 문제, 내구성 및 표준화 측면에서 여러 과제가 존재합니다. 이를 극복하기 위해 기술적 개선과 생산 공정의 혁신이 필요하며, 업계의 협력이 요구됩니다.

 

글라스 기판은 높은 온도에서도 견딜 수 있으며, 기판 내에 유도 소자 및 축전기를 삽입할 수 있는 특성을 통해 전력 공급을 최적화하고 고속 신호 처리를 지원합니다. 

 

참고:

https://www.intel.com/content/www/us/en/newsroom/news/intel-unveils-industry-leading-glass-substrates.html#gs.htinpg