AI 가속기, 고성능 서버 프로세서와 HBM의 집적도가 높아지면서 반도체 패키징 기술도 빠르게 변화하고 있다.
과거에는 패키지기판이 주로 칩과 메인보드를 전기적으로 연결하는 역할에 집중했다면, AI 반도체에서는 대면적화, 고밀도 배선, 높은 입출력 수, 저손실 신호 전송, 전력 공급 안정성, 휨 제어까지 동시에 만족해야 한다.
이러한 요구에 대응하기 위한 차세대 소재 가운데 하나가 유리기판이다.
특히 유리 내부에 수직 연결 통로를 형성하는 TGV(Through-Glass Via) 기술을 이용하면 기판의 앞면과 뒷면을 짧은 경로로 연결할 수 있어 2.5D·3D 패키징, 칩렛, 고성능 컴퓨팅 및 고밀도 반도체 패키징에 적용할 수 있다.
2026년 9월 열린 KPCA Show 2026에서도 삼성전기는 AI·서버용 차세대 패키지기판 가운데 하나로 유리기판을 공개하고, 유리 소재 내부에 미세 연결 통로를 형성한 뒤 금속으로 채우는 기술과 정밀 표면 가공 기술을 핵심 기술로 소개했다.
따라서 TGV 유리기판을 선정할 때는 단순히 “유리 웨이퍼” 또는 “TGV 기판”이라고 지정하는 것만으로는 충분하지 않다.
유리 조성, 열팽창계수, 두께와 평탄도, TGV 구조, 금속화 방식, 표면 상태와 신뢰성 검사 조건까지 함께 검토해야 한다.
왜 AI·HBM 패키징에서 유리기판이 주목받는가?
AI 패키지는 일반적인 반도체 패키지보다 크고 복잡하다.
하나의 패키지 안에 GPU 또는 AI 가속기, 여러 개의 HBM, 입출력 칩렛 및 다양한 기능 칩을 배치하려면 대면적 기판에서도 높은 치수 안정성을 유지해야 한다.
기판 크기가 커질수록 열과 공정 응력에 의한 휨 문제가 커질 수 있다.
유리는 높은 치수 안정성과 우수한 표면 평탄도를 확보할 수 있으며, 재료 조성을 조정해 열팽창 특성을 설계할 수 있다는 장점이 있다. 또한 비교적 낮은 유전 손실 특성 때문에 고속 신호를 처리하는 첨단 패키징용 소재로 연구되고 있다.
삼성전기 역시 2026년 발표에서 유리 코어를 적용하면 기존 유기 소재 기반 기판과 비교해 휨을 줄이고 신호 및 전력 특성을 개선할 가능성이 있다고 설명했다.
그러나 모든 유리가 동일한 특성을 가지는 것은 아니다.
TGV 유리기판에서는 어떤 종류의 유리를 선택하는지가 후속 공정과 신뢰성에 직접적인 영향을 줄 수 있다.
1. 유리 조성은 무엇을 기준으로 선택해야 하는가?
첨단 패키징용 유리기판에는 붕규산 유리, 무알칼리 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 용융 실리카, 감광성 유리 등 여러 계열이 검토될 수 있다.
각 재료는 열팽창계수, 유전 특성, 기계적 강도, 화학적 안정성 및 TGV 가공 특성이 다르다.
따라서 재료 선택은 가격만으로 판단하기 어렵다.
예를 들어 HBM 또는 AI 패키징에서 실리콘 칩과 가까운 위치에 사용하는 경우에는 열팽창 차이에 의한 응력을 줄이는 것이 중요할 수 있다.
고속 신호 전송이 중요한 경우에는 유전율과 유전 손실도 확인해야 한다.
반면 미세 TGV를 대량으로 형성해야 한다면 레이저 또는 식각 공정과의 호환성이 중요하다.
결국 유리 조성은 TGV 형성 방식, 목표 두께, 금속화 공정, 패키지 구조 및 최종 사용 온도를 함께 고려해 선정해야 한다.
2. CTE는 왜 중요한가?
CTE는 열팽창계수를 의미한다.
패키지가 가열되거나 냉각될 때 모든 재료는 팽창과 수축을 반복한다.
문제는 실리콘, 유리, 구리, 유기 절연재료 등 서로 다른 소재의 CTE가 동일하지 않다는 것이다.
예를 들어 TGV 내부를 구리로 채운 구조에서는 구리와 유리가 온도 변화에 따라 서로 다른 비율로 팽창할 수 있다.
이 차이가 반복되면 TGV 주변의 유리에 응력이 집중되고, 장기적으로 균열이나 계면 박리, 구리 돌출과 같은 문제가 나타날 수 있다. 최근 TGV 신뢰성 연구에서도 이러한 열기계적 불일치가 핵심 관리 항목으로 다뤄지고 있다.
따라서 RFQ 단계에서는 단순히 유리 종류만 지정하기보다 필요한 CTE 범위 또는 결합하려는 소재 정보를 함께 제공하는 것이 좋다.
특히 실리콘 다이와의 직접적인 구조적 결합이 필요한 경우에는 실리콘과의 CTE 관계를 우선적으로 검토해야 한다.
3. 두께와 평탄도는 대면적 패키징에서 더욱 중요하다
HBM과 AI 가속기의 패키지 크기가 커질수록 기판 평탄도 관리가 어려워진다.
유리기판 자체의 휨뿐 아니라 양면에 형성되는 재배선층과 구리 회로의 응력도 전체 기판 변형에 영향을 줄 수 있다.
따라서 구매 사양에서는 단순한 평균 두께만 확인해서는 안 된다.
두께 허용오차, TTV, Bow, Warp, 국부 평탄도 등을 함께 관리하는 것이 좋다.
특히 미세 범프 또는 하이브리드 본딩과 결합될 경우 기판의 일부 영역이 높거나 낮으면 접합 압력이 균일하지 않아 수율 저하로 이어질 수 있다.
최근 유리기판 신뢰성 연구에서도 재배선층과 유리 사이의 응력, 대면적 기판의 Warpage와 유리 파손 가능성이 주요 과제로 지적되고 있다.
4. TGV 직경은 작을수록 좋은가?
반드시 그렇지는 않다.
TGV 직경을 줄이면 같은 면적 안에 더 많은 수직 연결을 배치할 수 있기 때문에 고밀도 패키징에는 유리하다.
하지만 직경이 작아지면서 유리 두께가 동일하게 유지되면 TGV의 종횡비가 증가한다.
종횡비가 높아지면 홀 내부에 균일한 시드층을 형성하고 구리를 채우는 과정이 어려워질 수 있다.
특히 깊고 좁은 TGV에서는 금속이 입구부터 먼저 성장해 내부가 완전히 채워지기 전에 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 내부에 공극이나 이음부가 남을 가능성도 있다.
따라서 TGV 직경은 단독으로 결정하면 안 된다.
유리 두께, 홀 깊이, 피치, 테이퍼각, 금속화 방식, 요구 전류 및 목표 배선 밀도를 함께 고려해야 한다.
고밀도 신호 연결용 TGV와 전력 공급용 TGV는 동일한 구조가 최적이라고 볼 수 없다.
5. TGV 홀 형성 방식에 따라 품질이 달라진다
TGV를 만드는 방식에는 레이저 드릴링, 선택적 레이저 식각, 레이저 유도 심부 식각, 습식 또는 건식 식각, 감광성 유리 공정 등이 있다.
각 기술에는 장단점이 있다.
레이저 가공은 높은 생산성과 유연성을 제공할 수 있지만 공정 조건이 적절하지 않으면 홀 입구 주변의 미세 균열, 치핑, 잔류물 또는 측벽 거칠기가 증가할 수 있다.
선택적 레이저 식각과 레이저 유도 심부 식각은 높은 종횡비와 정밀 구조 구현을 목표로 개발되고 있으며 AI 반도체 패키징용 TGV 기술에서도 중요한 공정으로 평가되고 있다.
따라서 고객이 TGV 기판을 검사할 때는 직경만 측정해서는 충분하지 않다.
홀 입구와 출구 직경, 테이퍼각, 측벽 거칠기, 미세 균열, 치핑 및 잔류물을 함께 확인해야 한다.
6. 금속화는 TGV 성능을 좌우하는 핵심 공정이다
유리에 홀을 만드는 것만으로는 전기적 연결이 이루어지지 않는다.
TGV 내부에 전도성 재료를 형성해야 한다.
현재 TGV 금속화에서는 스퍼터링, 무전해 도금, 원자층 증착 또는 화학기상증착과 같은 방식으로 초기 금속층을 형성한 후 구리 전기도금을 적용하는 방식이 연구되고 있다.
여기서 중요한 것은 시드층의 연속성이다.
홀 내부의 일부 영역에 시드층이 충분히 형성되지 않으면 이후 구리 도금도 균일하게 진행되기 어렵다.
특히 높은 종횡비 TGV에서는 홀 중앙 또는 측벽 일부에서 시드층이 얇아지는 문제가 나타날 수 있다.
따라서 금속화 사양에서는 단순히 “Cu filled”라고만 정의하기보다 금속 구조와 요구되는 충진 상태를 명확하게 협의하는 것이 좋다.
7. 완전 구리 충진과 등각 금속화는 목적이 다르다
TGV 금속 구조는 사용 목적에 따라 달라질 수 있다.
일부 설계에서는 TGV 내부 전체를 구리로 채우고, 다른 구조에서는 홀 벽면에만 금속층을 형성할 수 있다.
완전 구리 충진은 낮은 전기저항과 높은 전류 전달 측면에서 유리할 수 있지만 구리의 체적이 커지는 만큼 유리와의 열팽창 차이에 의한 응력도 커질 수 있다.
반면 등각 금속화 방식은 사용하는 구리의 양을 줄일 수 있지만 전기저항 및 후속 배선 연결 방식을 별도로 검토해야 한다.
최근 연구에서는 완전 구리 충진 외에도 폴리머 플러그, 전도성 페이스트 및 복합 구조 등 다양한 방식이 검토되고 있다.
따라서 최적의 구조는 “구리를 많이 채울수록 좋다”는 방식으로 결정할 수 없다.
신호, 전력, 열응력, 공정 비용과 신뢰성을 함께 비교해야 한다.
8. TGV 내부 Void와 Seam은 반드시 관리해야 한다
TGV 금속화에서 대표적으로 확인해야 하는 결함은 Void와 Seam이다.
Void는 금속 내부에 남아 있는 빈 공간이며 Seam은 서로 다른 방향에서 성장한 도금층이 만나면서 중앙에 형성될 수 있는 경계 또는 틈이다.
이러한 결함은 전기저항의 균일성을 떨어뜨리고 열 사이클 과정에서 응력 집중점으로 작용할 수 있다.
그 외에도 시드층 불연속, 구리와 유리 사이의 계면 박리, 유리 균열 및 구리 돌출이 주요 TGV 신뢰성 문제로 보고되고 있다.
따라서 양산용 TGV 기판에서는 외관 검사만으로 품질을 판단해서는 안 된다.
필요한 경우 단면 검사, 비파괴 검사 또는 전기적 검사를 결합해야 한다.
9. 어떤 검사를 해야 하는가?
HBM·AI용 TGV 유리기판의 검사는 크게 기판 자체, TGV 형상, 금속화 상태 및 신뢰성으로 나눌 수 있다.
먼저 유리기판에서는 두께, TTV, Bow, Warp, 표면 거칠기, 스크래치, 칩 및 균열을 확인해야 한다.
TGV 형상에서는 홀 직경, 피치, 위치 정밀도, 테이퍼, 측벽 품질과 미세 균열을 확인하는 것이 중요하다.
금속화 이후에는 도금층 균일도, TGV 저항, 시드층 연속성, Void, Seam, 계면 박리와 구리 돌출 여부를 평가할 수 있다.
양산 신뢰성 평가에서는 열 사이클, 고온 저장, 습도 시험, 전류 스트레스 및 기계적 하중 등을 응용 조건에 맞게 선택할 수 있다. 최근 TGV 연구에서도 이러한 복합적인 신뢰성 평가 체계의 필요성이 강조되고 있다.
다만 모든 제품에 동일한 시험 조건을 적용할 필요는 없다.
실제 검사 기준은 기판이 사용되는 패키지 구조와 고객의 신뢰성 요구조건에 맞게 정의해야 한다.
10. HBM·AI용 TGV 유리기판 RFQ에 포함해야 할 항목
TGV 유리기판을 문의할 때 가장 먼저 알려야 하는 것은 최종 응용 분야이다.
HBM 인터포저용인지, AI 가속기 패키지용인지, 칩렛 연결용인지, 광전 융합 패키지용인지에 따라 요구 사양이 달라질 수 있다.
그 다음 유리 재료 또는 요구 CTE, 기판 크기, 두께와 두께 공차를 지정한다.
TGV에서는 홀 직경, 피치, 홀 깊이, 테이퍼 요구조건, 홀 개수 및 패턴 도면이 필요하다.
금속화가 필요한 경우에는 구리 충진 여부, 금속층 구조, 목표 저항, 후속 재배선 공정과 표면 처리 요구사항도 함께 전달하는 것이 좋다.
마지막으로 TTV, Bow, Warp, 표면 거칠기, 균열과 치핑 허용 기준, 검사 방법 및 신뢰성 시험 요구사항을 정의해야 한다.
이 정보가 명확할수록 공급업체도 실제 제조 가능성과 비용을 정확하게 평가할 수 있다.
11. 유리기판 산업이 한국에서 중요한 이유
한국에서는 HBM, AI 반도체 및 첨단 패키징 투자가 확대되면서 유리기판 기술에 대한 관심도 빠르게 높아지고 있다.
삼성전기는 2026년 9월 KPCA Show에서 유리기판을 2.5D·2.1D 패키지기판과 함께 차세대 기술로 공개했으며, 미세 연결 통로 형성, 금속 충진 및 정밀 표면 가공 기술을 강조했다.
또한 2026년 7월에는 삼성전기와 일본 스미토모화학 계열사가 유리기판의 핵심 소재인 Glass Core 생산을 위한 합작 계획을 발표했으며, 양산 체계 구축을 추진하고 있다.
이는 유리기판이 단순한 연구개발용 소재에서 실제 첨단 패키징 공급망으로 이동하고 있다는 것을 보여준다.
특히 AI 가속기의 대형화와 고성능 메모리 적용 확대가 지속될 경우 대면적이면서도 높은 치수 안정성과 미세 배선 능력을 제공할 수 있는 기판 기술의 중요성은 더욱 커질 가능성이 있다.
결론
TGV 유리기판은 HBM, AI 가속기, 칩렛 및 차세대 첨단 패키징에서 중요한 후보 기술로 발전하고 있다.
하지만 성공적인 적용을 위해서는 단순히 유리의 종류나 TGV 직경 하나만 선택해서는 안 된다.
유리 조성과 CTE는 패키지의 열기계적 신뢰성에 영향을 주고, 두께와 평탄도는 대면적 패키지 조립과 미세 접합 수율에 영향을 줄 수 있다.
TGV 직경과 종횡비는 가공성과 금속화 난이도를 결정하며, 시드층과 구리 충진 상태는 전기적 특성과 장기 신뢰성에 직접적인 영향을 준다.
따라서 HBM·AI용 TGV 유리기판의 핵심은 가장 작은 홀이나 가장 낮은 CTE와 같은 단일 수치를 추구하는 것이 아니다.
최종 패키지 구조를 기준으로 유리 재료, TGV 형상, 금속화, 평탄도와 검사 기준을 하나의 시스템으로 설계해야 한다.
특히 향후 대면적 AI 패키지와 고밀도 HBM 통합이 확대될수록 공급업체를 평가하는 기준도 단순한 TGV 가공 가능 여부에서 벗어나 대면적 유리 가공, 미세홀 균일성, 금속 충진 품질, Warpage 관리 및 신뢰성 검증을 얼마나 안정적으로 수행할 수 있는가로 이동할 것이다.