유리 기판(패키징 방식의 진화,FC-BGA 코어,유리 기판의 장점)

 

요즘 소부장 재료들에 대해 공부를 하고있습니다. 반도체주가 워낙 시장에서의 주도주이다 보니 그 주변을 살피지 않을 수 없었습니다. 오늘은 유리 기판에 대해 알아보시죠!

유기 기판을 대신해 반도체 패키징에서 강력한 대체 소재로 열에 더 강하고, 표면이 평평해서 안정성면에서 더 유리한 유리 기판이라는 녀석이 있습니다.

유리 기판은 반도체 패키징에서 기존의 실리콘 인터포저를 대체하는 방식과, FR(플라스틱) 기판 대신 유리를 중간층에 배치하는 방식(글래스 코어 기판) 두 가지로 나뉩니다.

두 방식 모두 유리의 뛰어난 특성을 활용하여 전력 효율성을 크게 개선할 수 있습니다. 또한 더 미세한 회로 패턴(라운 패턴) 구현이 가능하며, 전력 소비를 줄이고 신호 손실을 최소화할 수 있습니다. 열 전도성도 우수하여 칩 작동 시 발생하는 열을 효과적으로 방출함으로써 장치의 안정성과 발열 관리를 동시에 향상시킵니다.

 자세히 알아보겠습니다. 자 같이 보시죠!

 

 

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1. 패키징 방식의 진화 (와이어 본딩에서 FC-BGA까지)

반도체 칩은 단독으로 동작하는 것이 아니라, 스마트폰이나 컴퓨터 내부에서 다른 칩이나 메모리(SSD 등)와 끊임없이 상호작용하며 수많은 데이터를 주고받아야 합니다. 과거에는 이러한 칩과 기판 사이의 연결을 위해 '와이어 본딩(Wire Bonding)'이라는 기술을 사용했습니다. 이는 말 그대로 미세한 전선을 칩의 가장자리에서 기판으로 연결하는 방식입니다. 하지만 반도체가 미세화되고 처리해야 할 데이터 통로(I/O)가 기하급수적으로 늘어나면서 칩 가장자리에만 전선을 연결하는 1차원적인 방식은 물리적인 한계에 부딪혔습니다. 전선을 거쳐 신호가 이동하므로 신호 지연(Delay)과 손실이 발생하고, 옆으로 공간을 차지해 효율성도 떨어졌기 때문입니다.

이를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 'BGA(Ball Grid Array)'입니다. BGA는 칩의 밑면 전체 면적에 동그란 솔더볼(납땜 볼)을 격자무늬로 배열하여 신호를 전달하는 2차원적 방식입니다. 칩 가장자리가 아닌 밑면 전체를 활용하므로 더 많은 통로를 확보할 수 있고, 신호 전달 거리도 짧아졌습니다. 여기서 한 단계 더 진화한 기술이 현재 널리 쓰이는 '플립칩 BGA(FC-BGA)'입니다. 이는 칩의 신호 전달 부위에 범프(미세한 돌기)를 형성한 뒤, 칩을 '뒤집어서(Flip)' 기판에 직접 맞닿게 붙이는 혁신적인 방식입니다. 와이어 자체가 필요 없어 신호 전달 거리가 극단적으로 짧아지며, 훨씬 더 많은 입출력 단자를 촘촘하게 배치할 수 있습니다. 또한, 불필요한 전선 연결이 사라짐으로써 저항이 줄어 발열과 전력 손실이 크게 감소하고, 붕 떠 있는 공간이 없어 패키지의 전체적인 부피까지 줄일 수 있는 강력한 장점을 제공합니다. 현재의 고성능 칩들은 대부분 이 FC-BGA 방식을 채택하여 메인보드와 연결되고 있습니다.

요약
기존 와이어 본딩의 물리적 한계를 극복하기 위해 칩 밑면을 활용하는 BGA와 칩을 뒤집어 기판에 직접 붙이는 플립칩 BGA(FC-BGA) 기술로 발전해 왔습니다.
이를 통해 신호 전달 거리를 단축하고 입출력 단자 수를 획기적으로 늘리며 발열, 전력 손실, 패키지 부피를 모두 줄일 수 있었습니다.

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2. FC-BGA 코어 - 기판의 한계 직면

현대의 반도체 산업은 무어의 법칙을 뛰어넘는 폭발적인 컴퓨팅 성능 향상을 요구받고 있으며, 이에 따라 엔비디아의 GPU나 최신 프로세서에는 수백억 개의 트랜지스터가 집적되고 있습니다. 이렇게 칩의 성능이 극대화되면서 외부로 주고받아야 할 신호의 양도 폭증하게 되었습니다. 하지만 이 과정에서 심각한 '발열'과 '전력 소모' 문제가 대두되었습니다. 온도가 비정상적으로 높아지면 반도체 내부의 전자들이 불안정해져 양자 터널링 효과가 발생하거나, 신호들이 서로 간섭(Interference)하여 데이터 품질이 훼손되는 현상이 일어납니다.

현재 널리 사용되는 플립칩 BGA(FC-BGA) 기판은 단순히 칩을 받쳐주는 판이 아니라, 내부에 전력 공급(VDD), 접지(Ground), 그리고 미세한 구리선 라우팅이 복잡한 다층 구조로 설계된 핵심 부품입니다. 특히 기판의 중심을 잡아주는 '코어(Core)' 층은 전력 전달과 신호 간섭 방지의 중추적인 역할을 담당합니다. 신호 통로가 많아지면 엘리베이터 역할을 하는 비아(Via) 홀을 뚫어 기판의 층을 계속 쌓아 올리면 될 것 같지만, 기존의 에폭시 수지와 같은 유기 소재 기반의 코어는 치명적인 약점을 가지고 있습니다. 바로 고온의 열에 매우 취약하다는 점입니다.

고성능 칩에서 발생하는 엄청난 열을 받으면 기존 유기 기판 소재는 팽창하여 휘어지거나 변형(Warping)이 발생하게 됩니다. 기판 면적을 넓게 만들수록 이러한 휘어짐 현상은 더욱 심해지며, 칩과 기판 사이의 결합을 헐렁하게 만들어 신뢰성을 크게 떨어뜨립니다. 특히 고주파 신호 전송 시 이러한 물리적 변형은 심각한 신호 왜곡을 초래하고 저항을 증가시켜 결국 더 많은 열을 발생시키는 악순환을 만듭니다. 결국 기존의 유기 소재 코어 기판으로는 칩의 대형화와 발열 문제를 동시에 통제하며 더 높은 집적도를 구현하는 데 명확한 한계에 직면하게 된 것입니다.

요약
칩의 고성능화로 데이터 처리량과 발열이 폭증하면서, 기존 에폭시 수지 등 유기 소재 기반의 FC-BGA 코어 기판은 열에 의한 휘어짐 현상에 직면했습니다.
기판의 물리적 변형은 칩과의 결합력을 떨어뜨리고 고주파 신호 왜곡 및 신호 간 간섭을 유발하여 차세대 반도체를 감당하기 어려운 한계점을 노출했습니다.

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3. 유리 기판의 장점- 한계를 돌파할 게임 체인저

기존 FC-BGA 기판이 가진 열에 의한 휨 현상과 신호 무결성 저하 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 대안으로 급부상한 것이 바로 '글래스 코어 기판(유리 기판)'입니다. 앞서 언급한 복잡한 다층 구조의 FC-BGA 기판 중, 뼈대이자 중추 역할인 코어(Core) 부분을 기존 플라스틱이나 유기 소재에서 유리(Glass) 소재로 전면 교체하는 기술을 의미합니다.

유리를 코어 소재로 채택했을 때 얻을 수 있는 가장 결정적인 장점은 탁월한 '열 안정성'입니다. 유리 소재는 기존 재료에 비해 열팽창 계수가 현저히 낮기 때문에, 고성능 반도체가 내뿜는 극한의 고온 환경에서도 팽창하거나 휘어지는 변형이 거의 발생하지 않습니다. 이러한 단단하고 평탄한 물성 덕분에 반도체 칩의 크기가 더욱 커지더라도 기판을 훨씬 넓고 안정적으로 대면적화하여 제조할 수 있습니다.

또한, 유리는 본질적으로 전기가 통하지 않는 매우 우수한 절연체입니다. 절연 특성이 뛰어나기 때문에 고주파 대역의 신호가 이동할 때 발생하는 신호 손실과 잡음을 최소화할 수 있으며, 배선 간의 신호 간섭 현상도 획기적으로 줄일 수 있습니다. 이러한 안정성을 바탕으로, 유리기판은 기존보다 훨씬 미세한 마이크로 단위의 배선을 촘촘하게 형성할 수 있는 잠재력을 지닙니다. 신호 간섭이 적기 때문에 코어를 중심으로 더 많은 배선 레이어를 밀도 높게 적층 하는 것이 가능해집니다. 결과적으로 글래스 코어 기판은 폭발적으로 증가하는 I/O 단자 수를 무리 없이 감당하면서 칩의 발열로 인한 휨 문제까지 해결할 수 있어, 다가오는 시대의 고성능 컴퓨팅을 구현할 필수 불가결한 넥스트 스텝으로 전 세계 수많은 기업들의 집중적인 투자를 이끌어내고 있습니다.

요약
기판의 중심 코어를 유리 소재로 대체하면 탁월한 열 안정성 덕분에 고온에서도 기판이 휘어지지 않아 칩의 대면적화에 완벽히 대응할 수 있습니다.
유리의 우수한 절연성은 신호 손실과 간섭을 최소화하여, 기존보다 훨씬 미세하고 밀도 높은 배선 적층을 가능하게 하는 차세대 핵심 기술입니다.

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결론

고성능 컴퓨팅 시대가 도래함에 따라 반도체의 발열과 복잡한 신호 처리 문제는 기존 기판 기술의 한계를 노출시켰습니다. 뛰어난 열 안정성과 절연성을 지닌 유리 기판은 이러한 물리적 제약을 극복하고 칩의 대면적화와 미세 배선을 가능하게 합니다. 이는 차세대 반도체 성능을 극대화할 필수 혁신 기술로, 향후 글로벌 반도체 시장의 핵심 경쟁력이 될 것입니다.

참고 : https://www.youtube.com/watch?v=JDroEzSJoOI