차세대 반도체 패키징용 유리기판 소재 공정기술 동향
<목차>
0. 요약
1. 유리기판 소재 공정기술의 개요
2. 국내외 시장 동향
3. 국내외 기술 동향
4. 시사점
출처 및 참고자료
0. 요약
- 최근 동향
3차 산업을 이끌었던 컴퓨터·인터넷 기술은 4차 산업혁명을 촉진시키고 AI 기술을 핵심 동인으로 하여 상품 서비스의 생산·유통·소비 전 과정에서 모든 것이 연결되고 지능화되었다. 이에 따라 반도체 시장은 고성능 컴퓨팅(HPC: High performance computing)을 중심으로 한 비메모리 반도체가 견인하고 있다. 특히 인공지능 시스템에서 대용량 빅데이터의 효율적 처리(speed/cost)를 위해서는 고성능 메모리·GPU·CPU 등 반도체 패키지가 필요하다. 반도체 FAB 공정기술을 통한 성능 및 집적도 개선은 한계에 봉착했으며, 특히 28㎚ 이하 반도체 FAB 공정 투자 비용 증가로 인해 패키지 공정 투자가 경제적인 것으로 분석된다.
- 기술의 개념
유리기판 소재 공정기술은 고성능 메모리·GPU·CPU 반도체 패키지에 필요한 대면적 구현이 가능하고 고밀도 적층을 위한 유리기판 소재 및 가공 기술이다. 플라스틱 기판에 비해 평탄도가 우수하여 미세 배선이 유리하고, 실리콘 기판에 비해 전기적 손실이 적을 뿐 아니라 열팽창계수를 최적화하여 대면적 기판에서의 신뢰성 향상이 가능한 기술이다.
- 기술의 개념
유리기판 소재 및 공정기술은 고성능 컴퓨팅(HPC)을 위해 반도체 실리콘 인터포저(반도체 공정)와 플라스틱 기판(PCB 공정)을 일체화시키고 수동소자 내장形 3차원 구조를 고밀도 적층한 기술을 의미한다.
- 시사점
최근 HPC의 급격한 확대 보급에 따라 관련 고집적 패키지 기술에 대한 국내 산업 공급망 및 생태계가 시급히 확보되어야 한다. 그러나 핵심 기초 소재인 박판 유리기판 제조기술은 100% 해외 수입에 의존하고 있어 관련 기술의 조속한 확보가 요구된다. 유리기판을 이용한 고밀도 배선 패키지 기판은 플라스틱 소재 기반 패키지 기판이 가진 패턴 밀도의 한계와 신뢰성 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 본고에서는 차세대 반도체용 글라스 패키지 제조기술의 정의, 등장 배경, 시장 전망, 기업 등 종합적인 동향을 공유하고자 한다.
1. 유리기판 소재 공정기술의 개요
1) 기술의 개념
유리기판 소재 공정기술은 고성능 메모리·GPU·CPU 반도체 패키지에 필요한 대면적 구현이 가능하고 고밀도 적층을 위한 유리기판 소재 및 가공 기술이다. 플라스틱 기판에 비해 평탄도가 우수하여 미세 배선이 유리하고, 실리콘 기판에 비해 전기적 손실이 적을 뿐 아니라 열팽창계수를 최적화하여 대면적 기판에서의 신뢰성 향상이 가능한 기술이다. 즉, 고성능 컴퓨팅(HPC)을 위해 반도체 실리콘 인터포저(반도체 공정)와 플라스틱 기판(PCB 공정)을 일체화시키고 수동소자 내장形 3차원 구조를 고밀도 적층한 기술을 의미한다.
2) 기술의 범위
- 유리기판 소재
반도체 패키징용 유리기판 소재는 저유전손실 붕규산 유리 및 알루미노규산계 유리 소재를 박판 형태로 제조 및 가공하여 반도체 고집적 유리 패키징 부품과 device에 적용하는 것이다. 패키지용 유리기판은 현재 Corning, AGC, Schott, NEG 등 소수 해외 기업들이 기술을 독점하고 있으며, 우리나라는 100% 수입에 의존하고 있다. 미국 Corning社의 경우 붕규산(BS: Borosilicate)·알루미노규산(AS: Alumino–silicate) 유리를 공급하고 있으며, 독일 Schott社의 경우 붕규산·알루미노규산·소다석회·감광성 유리와 결정화 유리 등 다양한 조성의 유리 소재를 공급하고 있다. 특히 붕규산 유리는 대표적인 저열팽창 유리 소재로서 석영 유리, 소다라임 유리 및 알루미노규산 유리 등 다른 유리 소재 대비 열팽창계수가 30~60x10−7/℃로 제어가 자유로운 동시에 주요 구성 성분이 SiO2와 B2O3로 기본적으로 저유전 특성을 지니고 있어 고집적 패키징용 핵심 소재로 사용되고 있다. 한편 RF용 안테나와 바이오칩용 감광성 결정화 유리는 Schott가 주로 제공하고 있다. 감광성 유리는 독일, 미국, 일본 등에서 이미 20여 년 전부터 적용하고 있으며, 대표적인 상품으로는 Epson의 잉크젯 프린터 헤드가 있다.
유리기판은 주로 wafer와 panel 형태로 WLC, TGV interposer, WL optics (Lens와 DOE), IR cut filter, 글라스 캐리어 등 소자의 종류나 기능에 따라 형상을 달리해 적용되고 있다.
*BS: Borosilicate, AS: Alumino–silicate, BAS: Boro–aluminosilicate,
PGC: photosensitive glass–ceramics
**Schott 社 24GHz, Corning社 20GHz
***결정화 전 유리 상태
****Schott社 Tg(유리전이온도), Corning Tst(스트레인점), 일반적으로 Tg>Tst
- 유리기판 가공
패키지용 유리기판에 대한 홀 가공 기술은 유리 종류별로 차이가 있다. 붕규산, 알루미노규산, 소다석회(SL: Soda lime) 등에는 레이저 가공 방식을 적용하고, 감광성 결정화 유리에는 MEMS 공정과 유사하게 노광·화학 에칭 방법이 적용되고 있다. 일반적으로 유리기판에 대한 정밀 레이저 가공 방법은 Laser Induced Deep Etching(LIDE) 기술이 사 용되는데, LPKF Laser & Electronics AG社에서 개발된 2–step 공정으로서 고비용/장시간 공정기술인 마스크나 노광 공정 없이도 정밀 via hole pattern 구현이 가능하다. Pulsed laser를 이용해 유리기판의 전체 두께 방향으로 변화를 준 뒤, wet etching을 통해 laser가 조사된 부분의 다른 식각 속도를 이용하여 매우 정밀하고 유리에 따라 100:1 수준까지 높은 aspect ratio를 가진 via hole 구조를 제조할 수 있다.
감광성 AS계 결정화 유리의 가공 방법은 핵 형성제인 은 이온과 광 증감제인 Ce 이온을 함유한 LAS계 유리에 자외선 조사 후 열처리하면 LS(Lithium silicate) 결정이 생성된다. LS 결정은 HF에 대해 주변의 유리보다 10배 이상 빠른 속도로 식각이 되어 노광된 형태대로 복잡 패턴을 형성하는 방식이며, 일반적인 positive 방식이라 할 수 있다.
감광성 AS계 결정화 유리를 이용하여 패턴을 만드는 기술은 노광 후 식각되는 부분에 따라 구분되는데, 노광 부분이 에칭되면 positive이고 비노광 부분이 에칭되면 negative로 분류한다. negative가 positive에 비해 3배 정도의 고해상도로 구현되며, 국내 중소기업이 원천기술을 보유하고 있다.
- 유리기판이 적용되는 부품 및 시스템
유리기판이 적용되는 부품 및 시스템에는 유리기판이 적용되는 부품 및 시스템에는 FO–WLP 반도체 패키지, 액추에이터와 센서, 이미지 센서, 메모리, 로직, RF device, 전력소자, 광학소자, 마이크로 유체 바이오칩 등이 있으며, [그림 2]에서 응용 분야를 나타냈다.
3) 기술의 등장 배경
반도체 FAB 공정기술을 통한 성능 및 집적도 개선은 한계에 봉착했으며, 특히 28㎚ 이하 반도체 FAB 공정 투자 비용 증가로 인해 패키지 공정 투자가 경제적인 것으로 분석된다.
단순 미세화를 통한 반도체 성능 향상의 한계 봉착으로 FC, SiP, FI/FO–WLP, TSV* 등 패키징 기술이 개발되었다. 저전력·고성능·소형화를 위해 미세공정의 대안으로 패키징 기술의 중요성과 고성능 패키징 기판 소재에 대한 혁신이 요구되고 있다. 또한 칩렛 디자인의 문제점으로 지적되는 여러 개로 분리된 칩 사이의 연결이 느려지거나 위상차 발생 가능성을 극복할 수 있도록 여러 개의 칩렛을 빠르게 연결할 수 있는 기술 개발이 필요했다.
* FC(Flip Chip), SiP(System in Package), FI/FO–WLP(Fan In/ Fan out–Wafer Level Package), TSV(Through Silicon Via)
** FEM(Front End Module): 휴대 전화 내 안테나와 알에프IC (RFIC) 단을 연결해 송수신 신호를 분리하는 역할, 필터링 및 증폭 역할을 하는 모듈로서 수신신호 필터링 필터를 내장한 수신단 FEM, 송신신호를 증폭하는 전력증폭기(PA) 내장 송신단 FEM으로 구분되며, 휴대 전화 송수신을 자유롭게 하고 다양한 환경에서 통화를 가능케 하는 기술
2. 국내외 시장 동향
기존 고성능 반도체 패키징用 기판소재의 단점으로 지적되는 고주파 대역의 높은 삽입 손실(−20㏈ 이상), 높은 표면조도, 낮은 기계적 강도 및 내열성을 극복하기 위해서 유리기판 적용이 요구되었다[표 3]. 또 실리콘 인터포저에 요구되는 면적이 점차 확장됨에 따라 제작 비용이 기하급수적으로 증가하기 때문에 대면적 구현이 용이한 유리기판이 대안으로 제시되고 있다. 유리기판은 대면적 구현이 가능하면서 플라스틱 기판에 비하여 평탄도가 우수하여 미세 배선에 유리하고 실리콘 기판에 비해 전기적 손실이 적다는 장점이 있으며, 열팽창계수를 최적화하여 대면적 기판에서의 신뢰성 향상이 가능하다. 현재 유리 패키지 적용 시 배선 및 적층 절연 소재 및 공정 개발이 미진하며, 유리 자체의 취성을 극복할 수 있는 공정기술의 개발이 요구된다. 또 박판 유리기판 소재는 현재 Corning, AGC, Schott, NEG 등 해외 소수 기업들이 기술을 독점하고 있으며, 100% 수입에 의존하 는 실정으로 국내 산업 공급망의 안정성 확보를 위해서는 국내 제조기술 확보가 시급히 진행되어야 한다. HPC 반도체 시장은 시장조사기관에 따라 차이가 있으나 2028년까지 연평균 10% 성장이 전망되고 있으며, 반도체 칩 성능의 한계 극복을 위한 패키징 수요 증가로 인해 HPC 패키징 시장은 연평균 25% 이상 성장할 것으로 기대된다. 이에 따른 HPC 패키징용 기판 시장 또한 연평균 25%씩 성장한다면 2028년 약 59억 달러 규모가 될 것으로 예상하고 있다(그림 11). Business Research Insight에 따르면 이 중 유리 웨이퍼 시장은 2028년까지 연평균 5.1%씩 성장하여 규모가 5.732억 달러로 추정하고 있다.*
* Business Research Insights(2023), [2023~2030] 반도체 유리 웨이퍼 시장 규모·동향·연구 보고서(2023.09.25.)
3. 국내외 기술 동향
1) 해외 기술 동향
- HPC용 패키킹 기술은 시스템반도체 시장에 대한 지배력이 높은 대만 TSMC의 2.5D 방식이 주로 사 용되고 있으며, 반도체 소자(chipset) 간 거리를 단축하여 성능을 개선하고 있다.
- 미국의 인텔은 반도체 기판의 폼팩터가 대형화됨에 따라 플라스틱 기판이 한계에 도달했다고 판단하여 휨 변형 관리와 조립 수율 등의 확보를 위해 지난 10년간 유리기판 개발에 10억 달러 규모로 투자했다. 현재 애리조나 팹에 R&D 센터를 운영 중이며, 2030년 내에 유리기판을 이용한 패키지 제품 출시를 발표한 바 있다**. 유리기판의 고온 내구성으로 인해 패턴 왜곡 발생률이 50% 낮고 평탄도도 매우 낮아 리소그래피의 초점 심도를 개선할 수 있다. 또 매우 촘촘한 레이어 간 인터커넥트 오버레이에 필요한 구조적 안정성을 갖추고 있으며, 이로 인해 유리기판에서 인터커넥트 밀도를 10배 높일 수 있다. 인텔은 유리가 가진 개선된 기계적 특성으로 인해 매우 높은 조립 수율로 초대형 폼팩터 패키지 구현이 가능할 것으로 기대하고 있다.
** THEELEC, 인텔, 2030년 內 ‘글라스 기판’ 상용화 (23.9.18)
- 2023년 조지아공대는 ECTC학회에서 유리기판 코어에 ABF(Ajinomoto Build–up Film)를 절연층으로 하여 최소 배선폭 2/2㎛를 갖는 4층 기판을 시연한 바 있다. 3DGS社는 인텔, 록히드마틴, 무라타, 가와세 등으로부터 투자를 받아 감광성 유리를 이용한 반도체 패키지, 100GHz 이상에서도 작동되는 초고속통신용 각종 디바이스를 생산한 바 있다.
- 독일의 경우 ‘고주파 응용 분야를 위한 초소형 전자 시스템 구현을 위한 유리 인터포저 기술(GlaRA)’ 프로젝트를 통해 광대역 밀리미터파 칩용 유리 기반 SiP로서 신뢰할 수 있는 인터포저 기술을 개발하여 특성화했으며, 이로써 100GHz 이상의 주파수에서 센서(레이더) 및 통신에 사용할 수 있는 모듈 등에 대한 적용 가능성을 기대하고 있다. 글라스 패키지의 크기는 5.9x4.4x0.8㎜이며, SiGe 기술의 레이더 ASIC, 외부 전자 장치에 대한 모든 전기 연결 및 특성화를 위한 테스트 구조 및 렌즈 안테나의 통합 1차 이미터로도 사 용할 수 있는 도파관을 연결하였다.
- 독일의 미크로그라스는 현재 Schott社의 FOTURAN을 각종 유체소자 중심으로 사업을 진행하다 미국 회사에 합병되었으며, Schott社는 각종 반도체 패키지, 파워인덕터, 초고속통신 소자 등에 대한 적용을 목표로 감광성 유리 사업을 활발히 추진 중이다.
- 일본의 DNP(Dai Nippon Printing)는 2024년 양산을 목표로 배선 저항 증가 문제와 배선 간 절연 저항 저하 문제를 극복할 수 있는 40㎜×40㎜ 크기의 글라스 인터포저 개발을 진행하고 있다. DNP社는 2023년 GCS가 보다 큰 폼팩터 제공을 위해 FC–BGA(Flip–Chip Ball–Grid–Array) 등의 수지 기반 기판을 개선한 유리기판(GCS: Glass–Core Substrate)과 TGV(Through–Glass–Via)를 개발했다. 2023년 DNP는 ECTC학회에서 300㎜×400㎜ 유리기판을 이용하여 2㎛ 이하의 피치를 갖는 금속층 형성이 가능함을 발표한 바 있다.
- 일본의 Ajinomoto社는 고밀도 배선 공정에 가 장 많이 적용되고 있는 대표적 Build-up 소재인 ABF를 독점 공급하고 있으며, Kyocera社는 2008년부터 웨이퍼레벨 패키징으로 0806급 표면탄성파 필터의 양산을 개시했다. 한편 포토마스크 제조 등으로 유명한 유리 전문업체인 Hoya社는 1995년부터 신사업 부문 및 관련 회사(Hoya Candeo)를 설립 후 소재 판매 금지 및 독자 사용, 반도체용 기판 생산 개시 후 현재 사업을 철수한 상태이나 잉곳(ingot) 제작기술은 Corning, Schott보다 높은 기술력을 보유한 것으로 알려져 있다.
2) 국내 기술 동향
SKC 자회사인 Absolics(SKA)를 시작으로 삼성전기, LG이노텍 등에서 글라스 패키지 개발을 공개했다.* 2022년 SK Absolics(SKA)는 HPC용 글라스 패키지를 제안했고, 미국에 대규모 공장 건설과 국내에도 파일럿 라인을 구축하여 연구를 진행 중이며, 패키징 분야 스타트업 설계회사인 Chipletz에 투자를 진행 중이다. SKA의 패키지는 자체적으로는 1.5D로 표현하고 있으며, 글라스 내에 수동소자를 내장시키고 Chipset들을 유리판에 최대한 근접하도록 설계했다.
* THEELEC(2023), https:// www.thelec.kr/news/ articleView.html?idxno=26075
SKA의 글라스 패키지는 유리 고유의 특성인 저유전 손실, 낮은 열팽창, 실리콘 인터포저보다 큰 유리 원판이라는 특성을 이용해 저전력, 고주파, 보다 많은 Chipset과 Accelerator 등을 표면 실장할 수 있어 고속통신 등에 유리할 것으로 기대된다.
국내에서는 “마이크로머시닝 기술을 이용한 25만 픽셀급 고해상도 포커싱 엑스레이 그리드 개발”(’15~’16, 오피트社), “감광성 유리를 이용한 고 내전압 커패시터 구조 및 공정 개발”(’21~’23, KETI) 등 소재를 수입하여 부품화하 는 연구가 진행되었으나, 유리 소재 자체에 대한 기술 개발은 현재까지 이루어지지 않고 있다. 최근 필옵틱스는 기존에 글라스 기판 패키징 공정에 필요한 TGV, DI 노광기, 레이저 ABF(아지노모토 빌드업 필름) 드릴링 장비 등을 개발하여 고객사에 시운전 중이다. 한편 디스플레이 습식 장비 제조업체인 에프엔에스테크도 글라스 코어 식각 공정을 개발 중이다.
4. 시사점
최근 HPC의 급격한 확대 보급에 따라 관련 고집적 패키지 기술의 국내 산업 공급망 및 생태계가 시급히 확보되어야 한다. 그러나 핵심 기초 소재인 박판 유리기판 제조기술은 100% 해외 수입에 의존하고 있어 국내 기술의 조속한 확보가 요구된다. 특히 붕규산 유리는 다른 유리 소재 대비 용융점이 높고, 용융 시 내화물 침식과 균질성 확보가 어려워 기술적 난이도가 높다. 이를 박판형 유리기판으로 성형·가공하는 제반 공정기술도 기술 이전이 금지된 중요 보안 기술로 현재 해외 선진사만 보유하고 있어 국내 산업 경쟁력 향상을 위해서는 반드시 자립화가 필요하다. 또한 박판 알루미노규산(AS) 감광성 유리는 반도체, 바이오칩 제조사에서 20여 년간 주로 RF 레이더 소자, 필터, lab-on-a chip과 같은 제품에 적용되어 왔으며, 최근 5G 기지국 부품용 High Q 커패시터에도 사 용되는 등 소재의 활용 가능성이 더욱 높아지고 있다. 2000년대 초부터 소재의 국산화·상용화 노력을 해왔지만, 최근에야 비로소 관련 소재기술의 개발 수요가 발생 및 증가하는 실정으로 이 또한 자립화가 요구되고 있다. 유리기판을 이용한 고밀도 배선 패키지 기판은 플라스틱 소재 기반의 패키지 기판이 가진 패턴 밀도의 한계와 신뢰성 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 인텔, SKA, 삼성전기 등에서 2026~2030년 양산을 목표로 기술 개발을 추진하고 있으나, 대부분의 유리 소재, build-up 소재 및 장비를 코닝, 쇼트, 아지노모토, 아토텍 등에 의존하는 실정이다. 그럼에도 고밀도 배선 유리 패키지 기술은 첨단 반도체 패키지의 집적도를 높이면서 실리콘 인터포저 기판에 비해 크게 비용을 절감할 수 있다. 또 첨단 반도체 공급망 내재화에 기여할 수 있어 현재 빠른 속도로 성장하고 있는 AI, 데이터 서버, 자율 주행용 등 첨단 반도체 제품의 생태계 성장을 촉진 시킬 것으로 기대한다.
출처 및 참고자료
1. 박갑열, 「디지털 시스템 패키지를 위한 글래스 인터포저 상의 글래스 관통비아 채널, 노이즈 커플링 및 억제 모델링과 측정을 통한 검증」, 한국과학기술원: 전기및전자공학부, 2018.
2. 김형준, 「화학가공 감광성결정화 유리에 대한 연구」, 한양대학교, 2000.
3. Park, Gapyeol, et al., “Design and Analysis of Receiver Channels of Glass Interposers for 5G Small Cell Front End Module”, 2018 IEEE 27th Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems(EPEPS), IEEE, 2018.10.; DOI:10.1109/EPEPS.2018.8534215
4. Dietrich T.R., et al., “Fabrication technologies for microsystems utilizing photoetchable glass”, Microelectronic Engineering, vol. 30 issue 1, pp. 497–504., 1996.01.
5. Kuramochi, et al., “Glass Interposer for Advanced Packaging Solution”, 2016 6th Electronic System–Integration Technology Conference(ESTC) 13–15 Sept. 2016.
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7. 「[2023~2030] 반도체 유리 웨이퍼 시장 규모, 동향, 연구 보고서」, Business Research Insights, 2023.09.25.
8. Nick Flaherty, “Industrial radar sensor is built in glass”, Technology News, (2021.01. 22)
9. Peter Clarke, “Glass substrate factory for chiplet packaging coming to Georgia”, Business news, 2021.11.15.
10. Nick Flaherty, “Glass interposer for next generation chiplet packaging”, Technology News, 2021.12.07.
11. Peter Clarke, “DNP improves chip packages with glass–cored substrate”, Technology News, 2023.03.20.
12. 송윤섭, “[르포]구미 앱솔릭스 R&D센터 "글라스 기판, 패키징 '게임체인저' 될 것"”, 「전자신문」, 2022.12.05.
13. 김경섭, “모바일 및 IOT 대응 3D/2.5D, 2.1D 반도체 패키지 기술”, 「주간기술동향」, 정보통신기술진흥센터, vol. 13, 2017.03.29.
14. 박윤구, “KC, 반도체 패키징 ‘게임체인저’ 글라스 기판 세계 최초 사업화”, 매일경제, 2021.10.28.
15. 노태민, “인텔, 2030년內 ‘글라스 기판’ 상용화…“AI·데이터센터에 먼저 적용””, THEELEC, 2023.09.18.
16. 이기종, “일본 DNP, 앱솔릭스와 경쟁하나...패키지 글래스기판 시장 뛰어든다”, THEELEC, 2023.08.25.
17. 이기종, “앱솔릭스, 삼성전기 이어 LG이노텍도 “패키지 글래스기판 개발 검토””, THEELEC, 2024.02.21.
18. 이기종, Theelec, “필옵틱스, 패키지 글래스 기판 장비 추가개발”, THEELEC, 2023.12.21.
19. SKC, 글라스 패키지 세미나 자료, 2022.
20. Corning, Semiconductor Glass Products Brochure.
21. Schott, Electrical Properties of SCHOTT Thin Glasses Brochure.
22. Corning, IMAPs Device Packaging Conference, 2014.3.12.
23. www.global.dnp/news/detail/20167149_4126.html
24. www.global.dnp/news/detail/20169052_4126.html
작성자
이건훈 세라믹 PD | 한국산업기술기획평가원(KEIT) 철강세라믹실 김형준 수석 | 한국세라믹기술원 엔지니어링소재센터 신용관 연구위원 | 한국산업기술기획평가원(KEIT) 철강세라믹실
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