유리기판 반도체: AI 시대를 이끄는 차세대 반도체 혁신 기술

AI와 고성능 컴퓨팅(HPC)의 발전으로 반도체 기술의 진화가 가속화되고 있습니다. 특히, 유리기판은 기존 유기기판의 한계를 극복하며 차세대 반도체 패키징 기술로 주목받고 있습니다. 본 글에서는 유리기판 반도체의 기술적 특성과 산업적 의미를 구체적으로 살펴보겠습니다.

 

유리기판 반도체란 무엇인가?

유리기판 반도체는 전통적인 유기기판 대신 유리를 기판으로 사용하는 기술입니다. 유리는 실리카(SiO₂) 기반의 소재로, 내열성과 내습성이 뛰어나며, 우수한 절연 특성을 가지고 있어 전기 신호의 간섭을 최소화할 수 있습니다. 또한 유리기판은 얇고 평탄도가 높아 초미세 공정에 적합합니다. 기존의 유기기판은 열변형에 취약하고 배선 간 간섭 문제로 고속 신호 전달에 한계가 있었지만, 유리기판은 이를 효과적으로 해결할 수 있는 대안으로 부상하고 있습니다.

AI 및 고성능 컴퓨팅에서는 대규모 데이터의 초고속 처리와 낮은 지연 시간, 안정적인 열 관리가 중요한 요소입니다. 유리기판은 이러한 기술적 요구 사항을 만족시킬 수 있는 최적의 소재로, 특히 2.5D 및 3D 패키징 기술과 결합할 때 그 진가를 발휘합니다.

 

유리기판의 기술적 장점

1. 고밀도 배선 구현

유리기판은 패턴 폭을 미세하게 설계할 수 있어 기존 유기기판보다 훨씬 더 많은 배선을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 칩 간 신호 전달 속도를 높이고, 면적당 처리 용량을 극대화할 수 있습니다. 이 같은 고밀도 설계는 고성능 서버, 데이터센터, AI 전용 프로세서 등에 필수적입니다.

2. 우수한 열 관리

AI 반도체는 작동 중 발생하는 열이 매우 높기 때문에 효율적인 열 확산 기술이 필요합니다. 유리는 열팽창 계수가 낮고 열전도성이 유기기판보다 낮아, 열로 인한 변형이나 회로 손상을 줄일 수 있습니다. 또한 방열판과의 결합 구조에서도 안정성을 확보할 수 있어, 냉각 효율을 높이는 데 유리합니다.

3. 전기적 특성 향상

유리기판은 낮은 유전율(Dielectric Constant)을 가지고 있어 전자파 간섭(EMI)이 적고 신호 손실을 줄일 수 있습니다. 이는 특히 고주파 신호가 많은 AI, 6G 통신, 양자컴퓨팅 등 미래 지향적 기술에 유리한 특성입니다.

4. 평탄성과 정밀도

유리의 고유한 평탄성은 다층 회로를 정밀하게 적층하는 데 유리하며, 초정밀 광학 장비 및 반도체 노광 공정에서도 정밀도를 확보할 수 있는 기반이 됩니다.

 

산업계의 움직임

글로벌 반도체 업계는 유리기판의 상용화를 위한 기술 개발과 양산 설비 투자에 속도를 내고 있습니다.

• 인텔(Intel)은 2023년 말 유리기판 기술을 공식 발표하며, 기존 유기기판 대비 50% 이상의 신호 속도 개선 및 집적도 향상을 달성했다고 밝혔습니다. 인텔은 2030년까지 모든 고성능 패키지에서 유리기판 적용을 목표로 하고 있습니다.
• 삼성전기는 차세대 AI 반도체 생태계를 위해 유리기판 개발 전담 조직을 신설하고, 세라믹과 유리 소재 복합기술을 활용한 패키징 테스트를 시작했습니다. 특히 미국, 일본, 대만 등 반도체 강국들과 협력하여 글로벌 공급망을 강화하고 있습니다.
• Absolics(SKC 자회사)는 미국 조지아주에 약 6억 달러를 투자해 유리기판 생산 공장을 건설 중이며, 이를 통해 AI, 국방, 의료용 반도체에 최적화된 유리기판을 공급할 계획입니다. 이 시설은 미국 정부의 첨단 반도체 산업 육성 전략과도 맞물려 있습니다.
• LG이노텍 역시 최근 유리기판 기술 개발을 위한 신규 특허를 출원하며 후발 주자로서의 경쟁력을 확보하고자 움직이고 있습니다.

유리기판의 도전 과제

기술적으로 유리기판은 우수한 특성을 지녔지만, 양산 공정의 난이도와 비용이 가장 큰 도전 과제입니다. 유리는 깨지기 쉬운 소재로, 반도체 패키징 공정 중 발생할 수 있는 물리적 충격이나 열 스트레스를 견디기 위한 강화 기술이 필요합니다. 또한 기판 내 다층 구조 형성 시 레이저 및 화학적 식각 공정의 정밀도가 요구되며, 기존 장비와의 호환성도 고려되어야 합니다.

이외에도, 유리기판을 생산할 수 있는 설비가 전 세계적으로 한정되어 있어 초기 공급망이 불안정한 점도 리스크 요소로 작용합니다. 하지만 대기업들의 기술 투자와 정부 차원의 인센티브 정책이 맞물리며 빠른 시간 내 상용화 기반을 구축할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

AI, 고성능 컴퓨팅, 6G, 자율주행차 등 미래 산업을 뒷받침할 반도체 기술은 점점 더 높은 성능과 정밀도를 요구하고 있습니다. 이러한 변화에 대응하기 위한 핵심 솔루션 중 하나가 바로 유리기판입니다.

유리기판은 고밀도 배선, 뛰어난 열 제어, 신호 무결성 향상이라는 강점을 기반으로, 고성능 반도체 패키징 기술의 새로운 표준이 될 가능성이 큽니다. 인텔, 삼성전기, Absolics 등 글로벌 주요 기업들이 기술 확보에 나서면서, 유리기판의 상용화는 더 이상 먼 미래가 아닌 현실로 다가오고 있습니다.

향후 유리기판 기술은 스마트폰, 서버, 클라우드, AI 칩, 자율주행 반도체뿐 아니라 양자컴퓨팅, 의료기기, 우주항공 등 다양한 산업군에서 폭넓게 활용될 전망입니다. 따라서 관련 기술에 대한 지속적인 연구 개발과 산업 생태계 구축이 중요한 과제가 될 것입니다.