반도체 패키징에서 주목받고 있는 유리 기판 (Glass Core Substrate)

안녕하세요! 오늘은 최근 반도체 업계에서 큰 주목을 받고 있는 유리 기판(Glass Core Substrate)에 대해 알아보겠습니다. 유리 기판은 2023년 Intel의 발표와 함께 큰 관심을 받기 시작했습니다. 현재 Intel에서 핵심 과제로 개발 중인 유리 기판이 무엇인지, 왜 주목받고 있는지 이야기해보고자 합니다.

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유리 기판 패널

유리 기판(Glass Core Substrate)이란 무엇인가?

유리 기판은 반도체 칩을 위한 새로운 종류의 기판입니다. 기존의 유기 기판 대신 유리를 핵심 소재로 사용하는 이 기술은 반도체 칩의 구조적 안정성을 제공하며, 칩과 다른 온패키지 다이 간의 신호 전달을 용이하게 할 것으로 기대됩니다. 유리 기판은 더 복잡하고 많은 반도체 칩이 함께 결합된 (Heterogeneous Integration) 반도체 패키징을 가능하게 하여, 차세대 반도체 패키지에 큰 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.

유기 기판과 유리 기판의 차이점. Source: Intel

 

왜 주목받고 있는가?

• TGV(Through-Glass Vias)의 작은 피치: 유리 기판은 TGV 기술을 활용하여 신호를 더 좁은 피치로 전달할 수 있습니다. 이는 기존의 유기 기판보다 전체적으로 더 많은 수의 비아(via)를 사용할 수 있게 하여, 신호 및 파워 전달 측면에서 우세합니다. 결과적으로 더 많은 신호를 더 작은 공간에서 처리할 수 있게 됩니다.
• 열 팽창 계수: 유리의 열 팽창 계수는 실리콘과 유사하여, 열로 인한 변형을 최소화합니다. 이는 더 큰 칩을 안정적으로 제작할 수 있게 합니다. 열로 인한 변형이 실리콘과 유사한 것이 중요한 이유는 GPU의 크기 변화를 보면 쉽게 이해할 수 있습니다. 기존의 유기 기판 위에 더 많은 칩이 올라가면서 기판의 크기가 계속 커지고 있습니다.

Nvidia의 RTX4070Ti GPU (좌), A100 가속기 (중), 차세대 가속기 Blackwell (우)

기본적으로 열로 인한 변형은 반도체 제조 공정에서 중요했지만, 이제는 패키지 단위에서도 매우 중요해지고 있습니다. 그 이유는 커지는 패키지의 휨 현상이 반도체 칩의 균열을 유발할 수 있고, 보드와의 연결에도 악영향을 끼치기 때문입니다. 현재의 추세를 보면, 반도체 칩을 더 많이 쌓기 위해서는 수직 방향(3D)으로 더 쌓거나 기판의 크기를 더 키우는 (2.xD) 방향으로 진행될 것으로 보입니다.

하지만 지금까지 유기 기판으로 잘 만들어왔는데, 왜 집적도를 높여야 하는지에 대한 의문이 들 수 있습니다. 기존의 차세대 반도체 패키지(Advanced Package)는 반도체 칩 사이의 연결을 위해 반도체 칩과 유기 기판 사이에 연결 층을 사용합니다. 대표적으로 Silicon Interposer와 EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge)가 있습니다.

이종 집적 (Heterogenous Integration) 솔루션. Source: Intel

Silicon interposer는 2.5D 집적 회로 패키징 기술로, 실리콘 기판을 이용해 여러 개의 칩을 연결합니다. 고성능 반도체나 HBM의 경우 연결해야 하는 Bump의 수가 너무 많아져 선폭이 수십 마이크로미터 단위까지 작아져야 합니다. 이러한 선을 유기 기판에 구현하는 것은 불가능하기 때문에, 미세 회로를 그릴 수 있는 실리콘 웨이퍼에 그린 후 반도체 칩을 올려 연결하고 Interposer를 기판 위에 올려 만드는 방식이 TSMC의 CoWoS이며, Nvidia의 A100이 이런 식으로 만들어졌습니다.

하지만 유리 기판은 여전히 기판이므로 (Substrate) 연결하는 선이나 Via의 거리가 Si Interposer나 Si Bridge보다 크기 때문에 이를 대체하는 것은 불가능합니다. 따라서 유리 기판이 나오더라도 지금까지의 패키지 솔루션이 쓰이지 않는 것이 아니고, 기존 기술을 보완하는 패키지 솔루션이 나오는 것이라고 받아들이면 될 것입니다.

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결론 및 전망

유리 기판은 반도체 산업에 혁신을 가져올 잠재력을 가지고 있습니다. 더 높은 기계적 강도와 신호 및 파워 무결성, 그리고 더 큰 칩 패키징을 가능하게 하는 이 기술은 특히 고성능 컴퓨팅 및 AI 분야에서 큰 변화를 일으킬 것으로 기대됩니다. 초기 비용과 복잡한 제조 과정의 도전 과제에도 불구하고, 유리 기판의 도입이 성공적으로 이루어진다면, 향후 10년 내에 반도체 산업의 중요한 기술로 자리 잡을 것입니다.