AI 반도체의 성능 경쟁이 치열해지면서 반도체 산업의 관심은 더 이상 미세공정만을 향하고 있지 않습니다.
GPU, AI 가속기, HBM, CPU, 입출력 칩렛 등 서로 다른 기능을 가진 여러 반도체를 하나의 패키지 안에서 얼마나 빠르고 효율적으로 연결할 수 있는지가 전체 시스템 성능을 결정하는 중요한 요소가 되고 있습니다.
이에 따라 첨단 패키징 기술의 중요성이 빠르게 높아지고 있습니다.
특히 최근에는 기존의 실리콘 인터포저와 유기 기판뿐 아니라 유리 기판이 차세대 AI 및 고성능 컴퓨팅 패키징용 소재로 주목받고 있습니다.
인텔은 유리 기반 패키징 기술이 대형 AI 및 고성능 컴퓨팅 패키지에서 낮은 휨, 높은 치수 안정성, 높은 연결 밀도와 전력 공급 측면에서 잠재적인 장점을 제공할 수 있다고 설명하고 있습니다. 2026년에도 인텔은 유리 기판을 차세대 첨단 패키징의 중요한 연구 방향 가운데 하나로 제시하고 있습니다.
그렇다면 AI 반도체에는 왜 유리 기판이 필요할까요?
그리고 기존의 실리콘 기판 및 인터포저, 세라믹 기판과는 어떤 차이가 있을까요?
AI 반도체 시대에는 왜 패키징이 더 중요해질까?
과거에는 하나의 반도체 칩 안에 가능한 많은 기능을 집적하는 방식이 일반적이었습니다.
하지만 반도체 공정이 미세해질수록 설계와 생산 비용이 증가하고, 모든 기능을 하나의 거대한 칩 안에 넣는 방식에도 한계가 나타나기 시작했습니다.
이에 따라 최근에는 여러 개의 작은 칩을 각각 제조한 후 하나의 패키지 안에서 연결하는 칩렛 구조가 빠르게 확대되고 있습니다.
imec 역시 최근 수년 동안 칩렛 기반 구조가 본격적으로 확대되고 있으며, 개별 칩렛을 제조한 뒤 첨단 연결 기술을 이용해 하나의 패키지로 통합하는 방식이 차세대 고성능 반도체의 중요한 방향이라고 설명하고 있습니다.
AI 반도체 패키지를 단순하게 표현하면 다음과 같습니다.
GPU 또는 AI 가속기
＋
HBM
＋
입출력 칩렛
＋
전력 공급 구조
＋
고속 신호 연결
이 모든 요소가 하나의 패키지 안에서 작동해야 합니다.
따라서 패키지 기판은 단순히 반도체 칩을 받쳐주는 판이 아닙니다.
신호를 전달하고, 전력을 공급하며, 칩의 위치를 유지하고, 열과 기계적 응력을 관리하는 핵심 구조물입니다.
1. 실리콘 인터포저는 왜 AI 반도체에 많이 사용될까?
현재 AI와 고성능 컴퓨팅용 첨단 패키징에서 가장 중요한 기술 중 하나는 실리콘 인터포저입니다.
대표적인 구조에서는 GPU와 여러 개의 HBM을 하나의 실리콘 인터포저 위에 배치하고 매우 미세한 금속 배선을 통해 서로 연결합니다.
TSMC의 CoWoS-S 역시 실리콘 인터포저를 기반으로 논리 반도체와 HBM을 고밀도로 연결하는 대표적인 2.5D 패키징 기술입니다. TSMC는 현재 CoWoS 기술을 AI 및 고성능 컴퓨팅 제품을 위한 핵심 첨단 패키징 플랫폼으로 활용하고 있습니다.
실리콘 인터포저의 가장 큰 장점
실리콘의 가장 큰 장점은 매우 미세한 배선을 구현할 수 있다는 점입니다.
기존 반도체 제조 기술을 활용할 수 있기 때문에 매우 높은 연결 밀도를 구현하기에 유리합니다.
AI 가속기와 HBM 사이에서는 짧은 시간에 엄청난 양의 데이터가 이동해야 합니다.
따라서 배선 길이를 줄이고 연결 밀도를 높이는 것이 매우 중요합니다.
실리콘 인터포저는 이러한 고속·고밀도 연결에 적합합니다.
imec도 실리콘 인터포저가 미세 피치, 전기적 성능 및 열적 특성이 중요한 고성능 응용 분야에서 이미 확립된 기술이라고 설명하고 있습니다.
하지만 패키지가 커질수록 문제가 생긴다
AI 칩의 성능이 증가하면서 하나의 패키지 안에 들어가는 HBM과 칩렛의 수도 늘어나고 있습니다.
그러면 인터포저와 패키지의 전체 면적 역시 커져야 합니다.
실제로 TSMC는 2026년 AI 수요 증가에 대응하기 위해 더 큰 CoWoS 플랫폼을 개발하고 있으며, 2028년에는 약 10개의 대형 연산 칩과 20개의 HBM 적층 구조를 통합할 수 있는 14 레티클 크기의 CoWoS 생산을 계획하고 있다고 발표했습니다.
패키지가 커지면 다음과 같은 문제가 더욱 중요해집니다.
- 제조 비용
- 기판 휨
- 열팽창
- 배선 균일도
- 접합 수율
- 대면적 가공
- 전력 공급
바로 이러한 이유 때문에 업계에서는 실리콘 이외의 새로운 기판 소재도 함께 연구하고 있습니다.
그중 대표적인 소재가 유리입니다.
2. 반도체용 유리 기판이란?
반도체 패키징에서 말하는 유리는 일반적인 창문용 유리가 아닙니다.
정밀하게 조성되고 가공된 특수 유리 소재를 의미합니다.
반도체 패키징용 유리는 매우 높은 평탄도와 치수 안정성이 요구되며, 필요에 따라 내부에 수많은 미세 관통홀을 형성할 수 있습니다.
이 미세 관통 구조를 TGV라고 합니다.
TGV는 유리의 앞면과 뒷면을 전기적으로 연결하기 위한 미세 구멍입니다.
TGV 내부에 구리와 같은 금속을 채우면 기판 상부와 하부 사이에서 전기 신호와 전력을 전달할 수 있습니다.
실리콘 인터포저에서 TSV를 사용한다면 유리에서는 TGV가 유사한 역할을 합니다.
인텔 역시 차세대 유리 기반 첨단 패키징 연구에서 다양한 형태의 TGV와 금속화 기술을 핵심 기술로 개발하고 있습니다.
3. AI 반도체에서 유리 기판이 주목받는 첫 번째 이유: 대형 패키지
AI 반도체는 패키지가 계속 커지는 방향으로 발전하고 있습니다.
GPU 한 개만 사용하는 것이 아니라 여러 연산 칩, HBM, 입출력 칩렛 등을 동시에 배치해야 하기 때문입니다.
패키지 크기가 증가하면 가장 먼저 문제가 되는 것 중 하나가 휨입니다.
서로 다른 소재를 접합한 패키지는 온도가 변할 때 각각 다른 비율로 팽창하거나 수축합니다.
이 차이가 커지면 패키지 전체가 휘어질 수 있습니다.
패키지가 작을 때는 작은 변형이 큰 문제가 되지 않을 수 있지만, 패키지가 커질수록 같은 비율의 변형도 실제 변위가 커질 수 있습니다.
이는 미세 범프 접합, 배선 신뢰성 및 패키지 수율에 영향을 줄 수 있습니다.
인텔은 유리 코어 기판의 주요 장점 중 하나로 대형 패키지에서의 낮은 휨과 높은 치수 안정성을 제시하고 있습니다.
4. 두 번째 이유: 높은 연결 밀도
AI 반도체가 발전할수록 GPU와 HBM 사이에서 처리해야 하는 데이터 양이 빠르게 증가합니다.
따라서 패키지 기판 내부에는 더 많은 신호선이 필요합니다.
같은 면적에서 더 많은 신호선을 배치하려면 배선 폭과 간격을 줄여야 합니다.
이때 기판의 표면 평탄도와 치수 안정성이 매우 중요합니다.
기판이 가공 과정에서 쉽게 변형되거나 팽창하면 미세한 배선을 정확한 위치에 형성하기 어렵기 때문입니다.
인텔은 유리의 높은 치수 안정성을 이용하면 기존 기판보다 높은 연결 밀도의 패키징 구조를 구현할 가능성이 있다고 보고 있습니다.
5. 세 번째 이유: TGV
유리 기판에서 가장 중요한 가공 기술 가운데 하나가 TGV입니다.
TGV를 이용하면 유리 기판의 앞면과 뒷면을 수직 방향으로 연결할 수 있습니다.
구조를 단순화하면 다음과 같습니다.
상부 회로
↓
TGV
↓
유리 기판
↓
하부 회로
TGV 내부에는 일반적으로 전기 전도성을 확보하기 위한 금속화 공정이 추가됩니다.
그러나 TGV는 단순히 유리에 구멍만 뚫으면 완성되는 기술이 아닙니다.
실제 반도체 패키징에서는 다음과 같은 항목을 정밀하게 관리해야 합니다.
- TGV 직경
- TGV 간격
- 기판 두께
- 테이퍼 각도
- 위치 정확도
- 홀 내부 표면 상태
- 금속 충진 상태
- 기포 및 빈 공간
- 기판 휨
- 전체 홀 균일도
따라서 유리 기판의 품질은 유리 소재 자체뿐 아니라 미세홀 가공, 금속화, RDL 형성, 접합 공정의 조합에 의해 결정됩니다.
6. 유리는 전기적 절연 소재라는 장점도 있다
유리는 기본적으로 전기적 절연성이 높은 소재입니다.
이는 패키지 내부에서 수많은 전기 배선을 서로 분리하고 고속 신호를 전달해야 하는 상황에서 유리한 특성이 될 수 있습니다.
AI 반도체는 단순한 연산 성능뿐 아니라 신호 무결성과 전력 무결성이 중요합니다.
연결 밀도가 증가할수록 신호 간 간섭과 전력 공급 문제도 함께 증가할 수 있기 때문입니다.
유리 코어와 TGV, 미세 RDL을 조합하면 대면적 기판 안에서 신호와 전력을 동시에 전달하기 위한 다양한 구조를 설계할 수 있습니다. 인텔은 유리 기반 패키징을 전력 공급 안정성과 차세대 고밀도 연결을 위한 핵심 후보 기술 가운데 하나로 평가하고 있습니다.
7. 그렇다면 세라믹 기판은 어떤 역할을 할까?
세라믹 기판 역시 반도체 산업에서 매우 중요한 소재입니다.
대표적인 소재는 다음과 같습니다.
- 알루미나
- 질화알루미늄
- 질화규소
세라믹 소재는 전기 절연성과 내열성, 기계적 안정성이 필요한 반도체 및 전자 부품에서 널리 사용됩니다.
특히 질화알루미늄은 높은 열전도성과 전기 절연성을 동시에 가지고 있어 열 발생이 많은 전자 부품용 기판 및 패키지에 적합합니다.
교세라에 따르면 질화알루미늄 기판은 150 W/(m·K) 이상의 높은 열전도도를 구현할 수 있으며, 열팽창계수가 실리콘과 비교적 가까워 반도체와 접합했을 때 열응력을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
8. 세라믹 기판의 핵심 장점은 열관리
AI 반도체에서도 열은 매우 중요한 문제입니다.
하지만 모든 패키징 소재가 동일한 역할을 하는 것은 아닙니다.
실리콘 인터포저가 초미세 연결에서 강점을 가진다면 세라믹은 다음과 같은 조건에서 특히 강점을 보입니다.
고출력
고온 환경
전기 절연
열 방출
장기 신뢰성
예를 들어 질화알루미늄은 열전도성이 높으면서 동시에 전기 절연성을 유지할 수 있기 때문에 고열 발생 소자나 전력전자 응용에서 중요한 기판 소재가 될 수 있습니다.
따라서 세라믹 기판은 유리 기판이나 실리콘 인터포저를 단순히 대체하는 소재라기보다 서로 다른 문제를 해결하는 소재로 이해하는 것이 더 정확합니다.
9. 유리·실리콘·세라믹 기판 비교
| 비교 항목 | 유리 기판 | 실리콘 인터포저 | 세라믹 기판 |
|---|---|---|---|
| 미세 배선 | 매우 유망 | 매우 우수 | 용도에 따라 다름 |
| 대형 패키지 | 매우 유망 | 면적 증가 시 비용 부담 | 가능 |
| 전기 절연 | 매우 우수 | 절연 구조 필요 | 매우 우수 |
| 수직 연결 | TGV | TSV | 금속 비아 |
| 열전도 | 상대적으로 낮음 | 우수 | 소재에 따라 매우 우수 |
| 기판 휨 관리 | 장점 기대 | 우수 | 우수 |
| 미세공정 생태계 | 성장 단계 | 매우 성숙 | 성숙 |
| 대표 용도 | 차세대 AI/HPC 패키징 | HBM·칩렛·2.5D 패키징 | 전력·열관리·고신뢰성 부품 |
이 표에서 중요한 것은 어느 하나의 소재가 모든 항목에서 가장 뛰어난 것은 아니라는 점입니다.
각 소재가 해결하려는 문제가 다릅니다.
10. 유리 기판이 실리콘 인터포저를 대체할까?
유리 기판에 대한 관심이 증가하면서 종종
“앞으로 유리가 실리콘을 대체하는 것인가?”
라는 질문이 나옵니다.
하지만 현재 상황에서는 그렇게 단순하게 판단하기 어렵습니다.
실리콘 인터포저는 이미 AI와 HBM 패키징에서 높은 연결 밀도와 실제 양산 경험을 확보하고 있습니다.
TSMC의 CoWoS-S 역시 실리콘 인터포저를 이용해 AI 및 고성능 컴퓨팅용 칩과 HBM을 연결하고 있습니다.
유리 기판의 강점은 다른 곳에 있습니다.
특히 패키지가 더 커지고, 더 높은 치수 안정성과 낮은 휨이 요구되며, 대면적에서 많은 TGV와 배선을 구현해야 하는 경우 유리가 새로운 선택지가 될 가능성이 있습니다.
따라서 미래의 AI 패키징은 하나의 소재가 모든 것을 대체하는 방향보다는
실리콘 인터포저
＋
실리콘 브리지
＋
유리 기판
＋
RDL
＋
세라믹 기판
등을 제품 요구사항에 따라 선택하거나 조합하는 방향으로 발전할 가능성이 높습니다.
11. 2026년 유리 기판 기술은 어디까지 발전했을까?
유리 기판은 아직 모든 AI 반도체에서 사용되는 주류 기술은 아닙니다.
하지만 단순한 실험실 연구 단계만으로 보기도 어렵습니다.
인텔은 2026년에도 AI와 고성능 컴퓨팅용 차세대 패키징 기술로 유리 코어 기판과 TGV 기술을 지속적으로 공개하고 있습니다.
또한 2026년 8월 인텔과 렌즈 테크놀로지는 AI 시대의 차세대 반도체 패키징을 위한 유리 기판 기술 개발 협력을 발표했습니다. 양사는 유리 기반 패키징을 이용해 더 높은 연결 밀도와 전력 효율을 지원하는 기술 개발을 추진할 계획이라고 밝혔습니다.
이는 유리 기판이 연구 단계에서 공급망과 제조 기술 개발 단계로 점차 확대되고 있다는 신호로 볼 수 있습니다.
다만 현재 AI 패키징 시장에서는 실리콘 인터포저와 유기 기판, RDL 기반 구조가 여전히 매우 중요한 위치를 차지하고 있습니다.
12. 유리 기판을 구매할 때 무엇을 확인해야 할까?
유리 기판은 단순히
가로 × 세로 × 두께
만 전달해서 구매하기 어려운 반도체 소재입니다.
응용 목적에 따라 여러 사양을 함께 정의해야 합니다.
소재 종류
유리의 조성과 물성은 열팽창, 가공성, 절연성 및 신뢰성에 영향을 줍니다.
따라서 어떤 패키징 공정에 사용할 것인지 먼저 확인해야 합니다.
크기
원형 웨이퍼 형태인지 대형 패널 형태인지 확인해야 합니다.
향후 대형 패키징에서는 대면적 가공 능력이 더욱 중요해질 수 있습니다.
두께
유리 두께는 기계적 강도뿐 아니라 TGV의 깊이와 가공 난이도에도 영향을 줍니다.
TTV
TTV는 기판 전체의 두께 편차를 의미합니다.
포토 공정, 금속화, 접합 및 미세 배선에서는 기판 두께의 균일성이 중요합니다.
대형 기판에서는 Bow와 Warp가 중요한 품질 항목입니다.
기판의 휨이 지나치게 크면 이후의 노광, 접합, 배선 형성 및 조립 공정에 영향을 줄 수 있습니다.
표면 거칠
미세 RDL이나 접합 공정을 적용할 경우 표면 상태도 중요합니다.
기판 표면의 결함이나 과도한 거칠기는 후속 박막 및 금속화 공정에 영향을 줄 수 있습니다.
TGV 사양
TGV가 필요한 경우 다음 항목을 명확하게 정의하는 것이 좋습니다.
- 홀 직경
- 홀 간격
- 홀 깊이
- 테이퍼
- 위치 공차
- 금속 충진 여부
- 홀 내부 품질
- 홀 수량
특히 대량의 TGV를 적용하는 경우 개별 홀의 품질뿐 아니라 전체 기판에서의 균일성이 매우 중요합니다.
13. 어떤 소재를 선택해야 할까?
결국 소재 선택은 패키징 목적에 따라 달라집니다.
매우 높은 연결 밀도가 가장 중요하다면
실리콘 인터포저
가 여전히 매우 강력한 선택입니다.
특히 GPU와 HBM처럼 매우 높은 대역폭이 필요한 칩 사이의 연결에 적합합니다.
대형 AI 패키지와 낮은 휨이 중요하다면
유리 기판
을 검토할 수 있습니다.
대형 패키지, 높은 치수 안정성, TGV 및 고밀도 배선을 동시에 구현하려는 차세대 패키징에서 유리의 중요성이 점차 커질 가능성이 있습니다.
열 방출과 전기 절연이 가장 중요하다면
세라믹 기판
이 더 적합할 수 있습니다.
특히 질화알루미늄과 같은 소재는 높은 열전도성과 전기 절연성을 동시에 요구하는 환경에서 강점을 가집니다.
결론
AI 반도체 시대에는 단순히 더 작은 트랜지스터를 만드는 것만으로 전체 시스템 성능을 높이기 어려워지고 있습니다.
GPU, HBM, 입출력 칩렛과 다양한 기능성 반도체를 하나의 패키지 안에서 빠르고 안정적으로 연결하는 기술이 점점 더 중요해지고 있습니다.
이 과정에서 기판 소재 선택은 매우 중요한 문제입니다.
실리콘 인터포저는 매우 높은 연결 밀도와 성숙한 미세가공 기술을 가지고 있습니다.
세라믹 기판은 높은 열전도성, 전기 절연성과 고신뢰성이 필요한 분야에서 강점을 가지고 있습니다.
그리고 유리 기판은 대형 AI 패키지, 낮은 휨, 높은 치수 안정성과 TGV 기반의 고밀도 연결을 위한 차세대 소재로 주목받고 있습니다.
따라서 앞으로의 경쟁은
“유리가 실리콘을 완전히 대체할 것인가?”
가 아니라
“AI 반도체 패키지의 목적에 따라 어떤 기판 소재와 연결 구조를 선택할 것인가?”
라는 문제가 될 가능성이 높습니다.
AI 반도체가 더욱 대형화되고 칩렛과 HBM의 수가 증가할수록 유리, 실리콘, 세라믹 소재의 역할 역시 더욱 세분화될 것입니다.
자주 묻는 질문
유리 기판이란 무엇인가요?
반도체 패키징에 사용되는 정밀 유리 소재입니다. 일반 유리와 달리 높은 평탄도와 치수 안정성이 요구되며, TGV와 미세 배선을 이용해 칩 또는 패키지 내부의 전기 연결을 구현할 수 있습니다.
TGV란 무엇인가요?
유리를 관통하는 미세홀 구조입니다. 내부를 금속화하면 기판 앞면과 뒷면 사이에서 신호 또는 전력을 전달할 수 있습니다.
유리 기판은 현재 AI 반도체에 대량 사용되고 있나요?
아직 모든 AI 반도체의 주류 기판으로 사용되는 단계는 아닙니다. 현재 실리콘 인터포저와 유기 기판이 중요한 역할을 하고 있으며, 유리는 차세대 대형 AI 및 고성능 컴퓨팅 패키지를 위한 기술로 개발되고 있습니다.
유리 기판이 실리콘 인터포저보다 무조건 좋은가요?
아닙니다. 초미세 연결에서는 실리콘 인터포저가 매우 강력한 장점을 가지고 있습니다. 유리는 대면적, 치수 안정성 및 낮은 휨 등이 중요한 차세대 패키징에서 주목받고 있습니다.
세라믹 기판은 AI 반도체에 사용할 수 있나요?
사용할 수 있습니다. 특히 열 방출과 전기 절연, 높은 신뢰성이 필요한 부품에서는 질화알루미늄과 같은 세라믹 소재가 유리할 수 있습니다.