유리 기판이란 무엇일까요? 유기 기판을 대체하고 AI 컴퓨팅에 혁명을 일으키고 있는 이 핵심 기술에 대한 종합 가이드입니다.

인공지능(AI) 열풍이 전 세계를 휩쓸면서 대규모 언어 모델과 고성능 컴퓨팅(HPC)에 대한 칩 성능 수요가 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 그러나 반도체 업계는 냉혹한 물리적 현실에 직면하고 있는데, 바로 무어의 법칙이 점차 한계에 다다르고 있다는 점입니다.

제한된 공간에 더 많은 트랜지스터를 집적하기 위해 칩 제조업체들은 2D 평면 설계에서 3D 적층 방식으로 전환해 왔으며, 이러한 경쟁의 승패를 가르는 핵심 요소는 칩 제조 자체에서 “고급 패키징”으로 옮겨갔습니다. 이러한 기술 혁명 속에서 “게임 체인저”로 여겨지는 기술, 바로 유리 기판이 주목받고 있습니다. 주요 제조업체들도 관련 계획을 수립하고 있으며, 2026년에서 2030년 사이에 양산이 예상됩니다. 유리 기판이란 정확히 무엇일까요? 그리고 왜 AI 시대의 구세주가 될 수 있을까요? 이 글에서 심층적으로 분석해 보겠습니다.

포장의 한계를 뛰어넘다: 유기 담체에서 유리 기판으로의 기술 진화

웨이퍼 기판은 반도체 패키징 공정에서 없어서는 안 될 “기반”으로, 잘게 자른 다이를 고정하고 외부 회로를 연결하는 데 사용됩니다. 기판이 지지할 수 있는 칩의 수가 많을수록 전체 트랜지스터 수와 성능이 향상됩니다. 반도체 개발 역사를 되돌아보면, 기판 재료는 1970년대의 리드 프레임에서 1990년대의 세라믹 기판으로, 그리고 현재 가장 널리 사용되는 유기 재료 기판으로 두 번의 주요 변천사를 거쳤습니다.

1. リードフレーム：最も伝統的かつ低コストのパッケージング技術です。薄い金属フレーム（通常は銅または鉄ニッケル合金）と「櫛形」のリードで構成されています。

작동 방식: 칩은 프레임 중앙에 배치되고, 칩의 신호는 와이어 본딩을 통해 프레임의 핀에 연결됩니다.
장점: 매우 저렴한 비용, 우수한 전기 및 열 전도성, 그리고 성숙한 제조 공정.
단점: 크기가 비교적 커서 고밀도 및 다중 접점을 가진 고급 컴퓨팅 칩을 처리할 수 없습니다.
응용 분야: 전력 관리 IC, 자동차 전자 장치 및 일반 가전 제품 칩에서 흔히 찾아볼 수 있습니다.

2. 세라믹 기판: 알루미나 또는 질화알루미늄과 같이 열 안정성과 절연성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다.

특징: 이 세라믹은 고온에 매우 강하며, 열팽창 계수(CTE)가 웨이퍼의 열팽창 계수와 매우 유사하여 고온과 저온이 번갈아 가며 변할 때 발생하는 불균일한 팽창으로 인한 웨이퍼 손상을 방지할 수 있습니다.
장점: 탁월한 내열성, 우수한 절연성, 고온 고압 조건에서도 매우 높은 물리적 안정성을 자랑합니다.
단점: 가격이 비싸고, 깨지기 쉽고, 제조 과정이 비교적 복잡하다.
응용 분야: 고출력 LED, 항공우주 전자 장치, 전기 자동차 전력 모듈(IGBT), 고주파 통신.

3. 유기 기판(IC 기판): 이는 주류 스마트폰과 컴퓨터 칩에 가장 일반적으로 사용되는 기판입니다. 가장 유명한 예로는 블루투스(BT) 기판과 ABF 기판이 있습니다.

구성: 에폭시 수지와 유리 섬유 등의 유기 재료로 구성되어 있습니다.
이점:
- 높은 배선 밀도: 매우 작은 공간에 촘촘한 배선을 설치할 수 있습니다.
- 슬림하고 가벼워 모바일 기기에 적합합니다.
단점: 세라믹만큼 열을 잘 발산하지 못하고 열로 인해 변형(뒤틀림)이 발생하기 쉽습니다.
응용 분야: 휴대폰 프로세서, 그래픽 카드 GPU, 컴퓨터 CPU (ABF 기판은 현재 핵심 전략 소재입니다).

4. 유리 기판: 이는 포장 분야의 떠오르는 스타이자 활발히 개발되고 있는 차세대 기술입니다.

필요성: AI 칩이 점점 더 커지고 빨라짐에 따라 기존의 유기 기판은 불균일한 가열로 인해 변형될 수 있습니다.
이점:
- 극도로 높은 평탄도: 유기 기판보다 더 미세한 선을 식각할 수 있습니다.
- 높은 열 안정성: 쉽게 변형되지 않습니다.
- 집적화: 여러 칩을 더욱 촘촘하게 패키징할 수 있도록 합니다.
단점: 기술적 진입 장벽이 매우 높고 현재 비용이 많이 든다.
응용 분야: 미래의 고성능 AI 컴퓨팅 칩 및 서버 프로세서.

현재 인공지능(AI)과 고성능 컴퓨팅에 대한 수요가 폭발적으로 증가함에 따라, 기존의 유기 기판(PCB와 유사한 소재에 유리 섬유를 적층한 형태)은 점차 한계를 드러내고 있습니다. 유기 기판은 가공이 용이하고 고속 전송이 가능하다는 장점이 있지만, 칩과의 열팽창 계수(CTE) 차이가 매우 크다는 것이 치명적인 단점입니다. 고온 환경에서 두 소재의 열팽창률 차이로 인해 접합부가 쉽게 파손될 수 있습니다. 따라서 과열 및 소손을 방지하기 위해 “열 스로틀링”을 통해 칩의 성능을 강제로 저하시켜야 하므로 장시간 최고 성능을 유지하기 어렵습니다. 또한, 유기 소재는 대규모 생산 시 변형이 발생하기 쉬워 트랜지스터 밀도에 심각한 제약을 초래합니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 “유리 기판”이라는 새로운 기술이 등장했습니다.

유리 기판이란 무엇인가요?

간단히 말해, “유리 기판”은 칩 패키징에 사용되는 새로운 유형의 코어 캐리어 소재입니다. 이는 ABF 열경화성 에폭시 수지 기판과 같은 기존의 유기 수지를 특수 유리 소재로 대체하는 것을 목표로 합니다.

칩 패키징 공정에서 기판은 웨이퍼에서 잘라낸 베어 다이를 고정하고 칩을 외부 회로에 연결하는 “기반” 역할을 합니다. 전통적으로 리드프레임과 세라믹 기판에서 가장 주류적인 유기 재료 기판으로 발전해 왔습니다. 반면, 유리 기판은 유리의 우수한 물리적 특성과 TGV(Through-Glass Via) 기술을 활용하여 더욱 정밀한 회로 배선을 가능하게 함으로써 차세대 고밀도 패키징 구현의 핵심 기술로 자리매김하고 있습니다.

유리 기판과 유기 담체 간의 차이점

아래 표는 차세대 유리 기판과 현재 주류 유기 기판(예: ABF)의 물리적 특성, 성능 및 상용화 측면에서의 차이점을 자세히 비교합니다.

	유리 기판	유기 기질(ABF)
주요 재료	주요 재료	유기 수지(ABF 등), 유리 섬유 적층재.
평탄	매우 높은 수준입니다. 초평탄 특성은 리소그래피 초점 및 정밀 에칭에 유리하며, 패턴 왜곡 가능성을 50%까지 줄여줍니다.	품질이 떨어집니다. 표면이 거칠고 가공 과정에서 변형되기 쉽습니다.
상호 연결 밀도	매우 높은 성능 향상(10배 개선). TGV 피치는 100마이크로미터 미만으로, 동일 면적에 50% 더 많은 칩을 배치할 수 있습니다.	제한적입니다.소재의 물리적 특성상, 개구부 수와 배선 밀도가 유리보다 훨씬 낮습니다.
열 안정성(CTE)	훌륭합니다. 열팽창 계수(CTE)가 실리콘 웨이퍼와 유사하며 700°C 이상의 온도도 견딜 수 있어 고온에서도 변형이 덜 발생합니다.	좋지 않습니다. 칩의 열팽창 계수와의 차이가 너무 커서 고온에서 팽창 및 변형이 발생하기 쉽고, 이로 인해 연결 불량이 발생할 수 있습니다.
신호 및 전력 소비	손실이 적고 속도가 빠릅니다. 유전율이 낮아 신호 감쇠가 적으며, 두께를 절반으로 줄일 수 있어 전력 소비를 낮출 수 있습니다.	고주파 손실은 상당합니다. 온도 제어에는 열 스로틀링이 필요하며, 이는 칩이 최고 성능을 유지할 수 있는 시간을 제한합니다.
크기 기능	초대형 면적 제작이 가능하며, 120×120mm와 같은 대형 코어 크기를 지원하여 초대형 AI 모듈의 요구 사항을 충족합니다.	크기 제한. 제한된 크기 내에 더 많은 트랜지스터를 수용하기 어렵고, 큰 트랜지스터는 변형되기 쉽습니다.
기술 성숙도 및 비용	개발 단계에 있어 비용이 상대적으로 높습니다. 주요 과제로는 TGV 드릴링 및 금속 접착 문제가 있으며, 양산은 2026년에서 2030년 사이에 이루어질 것으로 예상됩니다.	이는 비교적 저렴한 비용으로 이용 가능한 성숙한 기술입니다. 처리가 용이하며 현재 업계 표준이자 시장 주류를 대표합니다.

이 기술이 왜 새롭게 주목받게 되었을까요?

반도체 산업에서 유리 기판의 급속한 성장은 주로 기존 기술의 물리적 한계와 AI 세대의 궁극적인 성능에 대한 요구에서 비롯됩니다. 트랜지스터 소형화가 물리적 한계에 다다르면서 무어의 법칙 발전 속도가 둔화됨에 따라 업계는 칩렛 및 3D 패키징 기술에서 돌파구를 찾고자 했습니다. 그러나 AI 학습 및 추론에 필요한 막대한 연산 능력은 칩 크기와 전력 소비의 급격한 증가를 초래했습니다. 기존 기판은 이러한 대면적 패키지를 지원할 때 고온에서의 변형 및 신호 전송 문제를 극복하는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 유리 기판은 탁월한 구조적 지지력과 신호 전송 능력을 통해 이러한 문제를 완벽하게 해결하며, 첨단 패키징 기술을 지원하고 칩 성능 향상을 지속하는 데 중요한 요소로 자리매김하고 있습니다.

유리 기판의 장점

기존 소재와 비교했을 때, 유리 기판은 물리적 및 전기적 측면에서 압도적인 이점을 보여주는데, 주로 다음과 같은 측면입니다.

최상의 평탄도 및 높은 상호 연결 밀도: 유리는 타의 추종을 불허하는 평탄도를 자랑하며, 포토리소그래피 공정의 초점 심도를 크게 향상시켜 더욱 정밀한 식각을 가능하게 합니다. 이를 통해 비아(TGV) 간격을 100마이크로미터 이내로 줄일 수 있어 상호 연결 밀도를 10배까지 직접적으로 증가시킬 수 있습니다. 동일한 면적에서 유리 기판은 50% 더 많은 다이를 수용할 수 있어 패키지 내 트랜지스터 수를 크게 늘릴 수 있습니다.
탁월한 열 안정성과 신뢰성: 이 유리는 700°C 이상의 고온을 견딜 수 있으며, 열팽창 계수(CTE)는 실리콘 웨이퍼와 매우 유사합니다. 이는 기존 유기 소재의 팽창 및 변형 문제를 해결하고, 고온에서의 패턴 변형 가능성을 50% 감소시키며, 웨이퍼 파손 위험을 크게 줄여 연결 신뢰성을 보장합니다.
고속 전송 및 최고 성능 유지: 낮은 유전 손실과 뛰어난 방열 특성을 지닌 유리 기판은 신호 전송 속도를 높이고 전력 소비를 줄일 뿐만 아니라, 칩이 과열로 인한 강제적인 속도 저하(열 스로틀링)를 방지하여 더 오랫동안 최고 성능을 유지할 수 있도록 합니다.
더욱 얇고 큰 패키징 가능성: 유리 기판의 두께를 약 절반으로 줄일 수 있어 디바이스를 더욱 얇고 가볍게 만드는 데 유리합니다. 동시에 업계에서는 120×120mm와 같은 초대형 유리 코어를 개발하여 유기 기판의 크기 한계를 뛰어넘고 AI 초대형 모듈의 패키징 요구 사항을 완벽하게 충족하고 있습니다.

유리 기판의 응용 분야

위와 같은 장점을 바탕으로, 유리 기판은 “성능”과 “통합”에 대한 요구 사항이 매우 높은 분야에서 주로 사용될 것입니다.

AI 가속기 및 HPC(고성능 컴퓨팅): 이는 가장 시급한 요구 사항입니다. 대면적 칩플리팅과 HBM(고대역폭 메모리) 스태킹은 대규모 모델 학습에 필요한 연산 능력을 충족합니다.
CPO(공통 패키징 광학) 및 광전자 통합: 유리는 투명하여 광 도파관을 내장하기에 이상적이며, 이는 저지연 광 인터커넥트 및 미래 6G 통신을 추구하는 데이터 센터에 매우 중요합니다.
고급 3D 패키징 플랫폼: 팬아웃 또는 RDL용 대형 코어 캐리어 보드로서 복잡한 멀티칩 모듈을 지원합니다.
고급 소비자 전자제품: 현재는 비용이 높지만, 중장기적으로 극한의 발열 해소 기능을 갖춘 더욱 얇고 가벼운 노트북, 태블릿 또는 휴대폰에 대한 수요가 발생한다면, 이러한 기술도 검토 및 도입될 것입니다.

미래 유리 기판이 직면한 과제

유리 기판의 유망한 응용 가능성에도 불구하고, 실험실 단계에서 대규모 양산 단계로 나아가기 위해서는 여러 기술적, 산업적 난관을 극복해야 합니다. 가장 큰 난관은 유리 자체의 고유한 물성입니다. 유리의 깨지기 쉬운 성질 때문에 생산 및 취급 과정이 매우 어렵습니다. 파손율을 줄이고 생산 라인 수율을 유지하는 것은 제조 측면에서 해결해야 할 과제입니다.

또한, 핵심 기술인 유리 관통 비아(TGV) 기술 역시 매우 복잡합니다. 이 기술은 유리에 미세한 구멍을 정밀하게 뚫고 전도성 금속층으로 균일하게 채우는 것뿐만 아니라, 금속과 유리 계면 사이의 접착력 부족 문제를 극복하여 안정적이고 신뢰할 수 있는 연결을 보장해야 합니다.

시험 측면에서 볼 때, 기존의 전통적인 시험 장비는 대부분 불투명한 재료에 맞춰 설계되었기 때문에 유리의 높은 투명도와 독특한 반사 특성으로 인해 신호 왜곡이나 손실이 발생하기 쉽습니다. 이러한 문제 때문에 업계에서는 정확성을 확보하기 위한 새로운 광학 시험 및 측정 기술을 개발해야 했습니다.

最後，供應鏈的整合與成本控制也是一大阻礙，相較於已相當成熟的有機載板生態系，玻璃基板從材料、設備到封裝廠的協作模式仍處於磨合期，導致初期製造成本居高不下，這些都是未來幾年產業必須共同攻克的艱鉅挑戰。

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목차

포장의 한계를 뛰어넘다: 유기 담체에서 유리 기판으로의 기술 진화

유리 기판이란 무엇인가요?

유리 기판과 유기 담체 간의 차이점

이 기술이 왜 새롭게 주목받게 되었을까요?

유리 기판의 장점

유리 기판의 응용 분야

미래 유리 기판이 직면한 과제

Honway 다이아몬드 연삭 및 연마 소모품에 대한 자세한 정보

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목차

포장의 한계를 뛰어넘다: 유기 담체에서 유리 기판으로의 기술 진화

유리 기판이란 무엇인가요?

유리 기판과 유기 담체 간의 차이점

이 기술이 왜 새롭게 주목받게 되었을까요?

유리 기판의 장점

유리 기판의 응용 분야

미래 유리 기판이 직면한 과제

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