반도체 패키징용 '감광성 결정화 유리' 소재 개발

- 200mm급 대면적 유리기판 시편 제작 및 미세 관통비아 형성 기술 확보 -
- 굴곡강도 440MPa 구현… 기존 붕규산염 유리 대비 약 2배 수준 -
- AI 반도체·고성능 컴퓨팅용 차세대 패키징 기판 소재 국산화 기대 -

□ 한국세라믹기술원(원장 윤종석)이 국내 산·학·연 공동연구를 통해 차세대 반도체에 사용되는 특수 유리 소재인 감광성 결정화 유리(Photosensitive Glass-Ceramics)를 개발해 국산화의 기반을 마련했다.
        
 ㅇ 한국세라믹기술원은 ㈜하스, 한국항공대학교, 엘엑스글라스와 함께 반도체 칩을 연결하는 유리기판에 미세한 구멍인 관통비아(TGV, Through Glass Via)를 만들 수 있는 소재와 가공 기술을 개발하고, 지름 200mm급 유리기판 시편 제작과 강도 향상 등의 성과를 거뒀다.
  
□ 최근 인공지능(AI) 반도체와 고성능 컴퓨팅(HPC) 시장이 커지면서 여러 반도체 칩을 작고 촘촘하게 연결할 수 있는 첨단 패키징 기판의 중요성이 높아지고 있다.
        
 ㅇ 유리기판은 반도체 칩을 올려놓고 연결하는 받침판으로 기존 플라스틱 계열 기판보다 표면이 매끄럽고 열에 의한 변형이 적어 작은 회로를 촘촘하게 만들고 전기 신호의 손실을 줄이는 데 유리하다.
        
 ㅇ 하지만, 유리는 충격에 깨지기 쉽고 기판의 위아래를 연결하는 미세한 구멍을 일정한 크기로 만들기도 어려워 튼튼한 소재와 정밀한 가공 기술을 확보하는 것이 상용화의 주요 과제였다.
        
□ 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자외선에 반응하는 감광성 결정화 유리 소재를 개발하고 원료의 배합부터 유리기판 제작, 자외선 조사, 열처리, 화학용액을 이용한 가공에 이르는 기술을 확보했다.
        
 ㅇ 감광성 결정화 유리는 자외선을 쬐고 열을 가하면 빛을 받은 부분에 선택적으로 결정이 생기는 특수 유리다.
          
 ㅇ 해당 부분을 화학용액으로 제거하면 여러 개의 미세한 구멍을 정밀하게 만들 수 있어 반도체 패키징에 활용할 수 있다.
          
 ㅇ 연구팀은 개발한 소재를 활용해 지름 200mm급 대면적 유리기판 시편을 제작했으며, 동일 소재의 100mm급 기판에서 미세 구멍을 형성할 수 있다는 것도 확인했다.
         
□ 특히, 이번 연구에서는 유리기판의 대면적화 가능성뿐만 아니라 소재의 강도와 미세한 구멍을 정밀하게 만드는 기술에서도 성과를 거뒀다.
        
 ㅇ 개발 소재의 굴곡강도(휘는 힘을 견디는 정도)는 동일 시험조건에서 440MPa로 측정돼 기존 붕규산염 유리보다 약 2배 높은 강도를 나타냈으며, 향후 유리기판을 더 얇게 만들고 제조 과정에서 깨질 위험을 줄이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
        
 ㅇ 지름 60∼200㎛(마이크로미터, 1mm의 1,000분의 1) 크기의 미세한 구멍을 만들 수 있음을 확인했으며, 두께 1.5mm 유리기판을 완전히 관통하는 구멍을 만드는 데도 성공했다.
        
 ㅇ 구멍의 앞면과 뒷면 지름은 각각 109㎛와 106㎛로 차이가 3㎛에 불과해 구멍의 크기와 모양을 정밀하게 조절할 수 있음을 확인했다.
         
□ 한국세라믹기술원 한윤수 박사는 “국내에서도 반도체 패키징용 감광성 결정화 유리 소재를 설계하고 제조할 수 있는 기술적 기반을 마련했다”며, “향후 대면적화와 미세 가공 기술을 고도화해 차세대 반도체 패키징 소재의 국산화와 산업현장 적용에 기여하겠다”고 말했다.
         
□ 한편, 이번 연구 성과는 산업통상부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행중이며, 2028년까지 300mm급 대면적 유리기판 제작과 미세 가공 기술을 고도화 해나갈 예정이다.