고종횡비 TGV 기판: 혁신 가공 및 메탈라이제이션 솔루션으로 열어가는 차세대 반도체 패키징의 미래
목차
- 요약
- 서론
- TGV 기판의 기술적 기초와 고종횡비 구조의 도전 과제
- 가공 기술의 최전선: 극초단 펄스 레이저와 플라즈마 멜팅
- 메탈라이제이션 솔루션의 혁신과 특허 전쟁 지형
- 시장 동향과 산업적 응용 가능성
- 미래 발전 방향과 전략적 제언
- 결론
1. 요약
본 보고서는 고성능 반도체 패키징의 핵심 요소인 고종횡비 TGV (Through Glass Via) 기판 기술의 최신 동향과 혁신적인 솔루션을 분석합니다. 특히, AI 반도체 및 RF 필터 시장의 급성장에 따라 TGV 기판 시장은 2024년부터 2032년까지 연평균 34.2%의 높은 성장률을 기록할 것으로 전망됩니다.
주요 분석 결과에 따르면, 펨토초 레이저 가공, 플라즈마 멜팅, LPKF의 LIDE 기술 등 혁신적인 가공 기술과 씨앤지하이테크의 표면 활성화 처리, 파이어 폴리싱 합착 기술 등의 메탈라이제이션 솔루션이 고종횡비 TGV 기판의 성능과 신뢰성을 획기적으로 향상시키는 데 기여하고 있습니다. 또한, 램테크놀러지의 식각액 특허 출원과 LPKF의 특허 침해 소송 등 지적 재산권 경쟁이 심화되는 가운데, 기술 협력과 특허 포트폴리오 확보가 시장 리더십 확보의 핵심 전략으로 부상하고 있습니다.
본 보고서는 고종횡비 TGV 기판 기술의 발전 방향을 제시하고, 시장 진출 전략 수립에 필요한 인사이트를 제공함으로써, 차세대 반도체 패키징 시장을 선도하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.
2. 서론
차세대 반도체 패키징 기술의 핵심으로 부상하고 있는 고종횡비 TGV (Through Glass Via) 기판은 AI 반도체, RF 필터 등 고성능 반도체 시장의 급성장에 따라 그 중요성이 더욱 강조되고 있습니다. TGV 기판은 기존 유기 기판 및 실리콘 기판의 한계를 극복하고, 고집적화 및 고성능화를 동시에 달성할 수 있는 혁신적인 솔루션으로 평가받고 있습니다.
본 보고서는 TGV 기판의 기술적 기초와 고종횡비 구조의 도전 과제를 심층적으로 분석하고, 펨토초 레이저 가공, 플라즈마 멜팅, LPKF의 LIDE 기술 등 혁신적인 가공 기술과 씨앤지하이테크의 표면 활성화 처리, 파이어 폴리싱 합착 기술 등의 메탈라이제이션 솔루션을 집중 조명합니다. 또한, 관련 특허 동향 및 경쟁 지형을 분석하고, 시장 동향과 산업적 응용 가능성을 전망하며, 미래 발전 방향과 전략적 제언을 제시합니다.
본 보고서는 고종횡비 TGV 기판 기술에 대한 종합적인 정보를 제공함으로써, 반도체 패키징 기술 개발 및 시장 진출 전략 수립에 필요한 인사이트를 제공하고자 합니다. 독자들은 본 보고서를 통해 TGV 기판 기술의 현재와 미래를 조망하고, 성공적인 비즈니스 전략을 수립하는 데 도움을 받을 수 있을 것입니다.
3. TGV 기판의 기술적 기초와 고종횡비 구조의 도전 과제
3-1. TGV 기판의 발전 배경과 고종횡비의 필요성
본 서브섹션에서는 TGV 기판의 발전 배경과 고종횡비 기술의 필요성을 심층적으로 분석하여, 유리 기판이 차세대 반도체 패키징에서 갖는 전략적 중요성을 부각하고, 실리콘 기판과의 경쟁 구도 속에서 고종횡비 기술이 신호 무결성과 열 관리에 미치는 결정적인 영향을 진단한다.
차세대 반도체 패키징 기술로 TGV(Through Glass Via) 기판이 주목받으면서, 기존 유기 기판과 실리콘 기판의 한계를 극복할 대안으로 부상하고 있다. 특히 AI 반도체와 같은 고성능 칩의 성능을 극대화하는 데 유리 기판이 핵심 소재로 꼽히며, 낮은 열전도율과 높은 평탄성을 바탕으로 고집적화 및 고성능화를 동시에 달성할 수 있다는 평가를 받는다. 2023년 기준 약 2,300만 달러 규모였던 TGV 기판 시장은 2034년까지 약 42억 달러로 성장할 것으로 전망되며, 연평균 성장률(CAGR)은 40% 이상에 달할 것으로 예측된다(Ref 26).
유리 기판은 전기적, 열적 특성에서 실리콘 기판과 차별화되는 강점을 지닌다. 펨토초 레이저를 이용한 TGV 가공 시 유리 기판은 실리콘 기판 대비 낮은 열 확산으로 인해 가공 부위 주변의 열 영향을 최소화할 수 있어 정밀한 가공이 가능하다(Ref 1). 또한, 유리 기판의 낮은 열팽창 계수는 고종횡비 구조에서 발생하는 열 응력을 효과적으로 완화하며, 이는 신호 지연 감소와 열 관리 효율성 증대로 이어진다. 반면, 유리의 물리적 취약성은 제조 과정이나 운송 중 파손 위험을 높이는 요인으로 작용하며, TGV 공정의 기술적 난이도 또한 해결해야 할 과제로 남아있다(Ref 26).
고종횡비 구조는 신호 지연과 열 응력 문제를 심화시키며, 이는 반도체 패키징의 성능 저하로 이어진다. 유리의 열팽창 계수와 구리의 열팽창 계수 차이는 종횡비 증가 시 발생하는 스트레스를 증폭시키고, 이는 공극과 균열 발생 가능성을 높인다. 씨앤지하이테크의 표면 활성화 처리 기술은 구리-유리 밀착력을 강화하여 공극 없는 메탈라이제이션을 실현하고 밀착력을 7 N/cm 이상으로 끌어올리는 데 기여한다(Ref 9). 향후 고종횡비 구조의 열 관리 및 내구성 확보를 위해서는 재료 합금화, 구조 설계 최적화, 내구성 테스트 기반의 수명 예측 모델 개발 등이 필요할 것으로 전망된다.
고종횡비(High Aspect Ratio) TGV 구조는 차세대 반도체 패키징에서 신호 무결성과 열 관리라는 두 가지 핵심 과제를 해결하는 데 필수적인 요소로 부상하고 있다. TGV 기판은 칩과 패키지 기판 간의 전기적 연결을 수직으로 제공함으로써 신호 경로를 단축하고, 이는 고주파 신호의 손실을 최소화하여 신호 무결성을 향상시킨다(Ref 39). 특히 고성능 AI 반도체와 RF 필터 시장에서는 신호 무결성이 더욱 중요하며, TGV 기판은 이러한 요구사항을 충족시키는 데 핵심적인 역할을 수행한다.
고종횡비 TGV 구조는 제한된 면적 내에서 더 많은 수의 비아를 형성할 수 있게 함으로써, 칩의 집적도를 높이고 전체 패키지 크기를 줄이는 데 기여한다. 이는 고집적화된 반도체 칩의 발열 문제를 효과적으로 관리하는 데 중요한 역할을 한다. 유리 기판의 낮은 열전도율은 칩 전반에 열이 퍼지지 않게 하여, 고발열 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 돕는다(Ref 58). 반면, 고종횡비 구조는 제조 과정에서 공극과 균열 발생 가능성이 높고, 이는 제품의 신뢰성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
고종횡비 TGV 구조의 성공적인 구현을 위해서는 재료 선택과 공정 최적화가 필수적이다. 밀착력 강화 표면 처리 기술, 파이어 폴리싱 합착 기술 등은 공극 없는 메탈라이제이션을 실현하고 구리-유리 밀착력을 향상시키는 데 기여하며, 이는 고종횡비 구조의 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다(Ref 9, 23). 또한, 실시간 톰OGRAPHY 스캔과 화학 소재 통합 솔루션은 공정 파라미터 최적화를 통해 미세 결함을 조기에 발견하고 생산 수율을 높이는 데 기여할 수 있다(Ref 4, 28).
고종횡비 TGV 구조에서 발생하는 공극과 균열 문제는 식각 공정과 메탈라이제이션 공정 모두에서 발생할 수 있으며, 이는 제품의 전기적, 열적 성능 저하로 이어진다. 펨토초 레이저 가공 시 싱글 펄스 모드와 버스트 모드 간의 열 영향 비교, 플라즈마 멜팅 기술과 LPKF의 LIDE 기술 적용 등은 내벽 품질을 향상시키고 수율을 높이는 데 기여할 수 있다(Ref 1, 2). 특히 LIDE 기술은 레이저로 유리의 특정 부분 구조를 변형시킨 뒤 식각 공정을 통해 변형된 부분만 선택적으로 제거하는 방식으로, 크랙 없는 비아 형성에 효과적이다.
메탈라이제이션 공정에서는 구리-유리 밀착력 확보가 핵심 과제이다. 씨앤지하이테크의 표면 활성화 처리 기술은 밀착력을 7 N/cm 이상으로 끌어올려 종횡비 1:10까지 공극 없는 구리 채埴을 가능하게 한다(Ref 9). 또한, 파이어 폴리싱 합착 기술은 도금 공정을 생략하는 혁신적인 아이디어를 제시하며, 미세 돌기를 형성하여 구리 합착 시 공극과 열 응력을 근본적으로 줄이는 원리를 활용한다. 그러나 LPKF의 특허 침해 대응 전략과 램테크놀러지의 식각액 특허 출원 등은 시장 진입 장벽을 높이는 요인으로 작용할 수 있다(Ref 23, 30).
향후 고종횡비 TGV 구조의 신뢰성 확보를 위해서는 식각 공정과 메탈라이제이션 공정의 통합 최적화가 필요하다. 실시간 톰OGRAPHY 스캔을 통해 내부 개질 연속성을 시각화하고 미세 결함을 조기에 발견하는 것은 공정 파라미터 최적화에 기여하며, 식각액과 CMP 세정액 등 화학 소재를 통합한 고부가화 솔루션은 생산성을 높일 수 있다(Ref 4, 28). 또한, 패널 레벨 패키징 기술과 결합한 TGV 기판은 대량 생산성을 혁신할 수 있는 방안을 제시하며, 기술 협력과 특허 포트폴리오 확보를 통해 시장 리더십을 확보하는 전략이 중요할 것으로 전망된다.
3-2. 고종횡비 구조의 열 관리 및 내구성
본 서브섹션에서는 고종횡비 TGV 기판의 열 관리 및 내구성 확보를 위한 재료 및 공정 최적화 방향을 제시하여, 유리 기판 기반 반도체 패키징 기술의 신뢰성을 강화하고 상용화 가능성을 높이는 데 기여한다.
고종횡비 TGV(Through Glass Via) 구조에서 유리 기판과 구리 배선 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치는 심각한 열 응력을 야기하며, 이는 구조적 신뢰성을 저해하는 주요 원인으로 작용한다. 유리의 CTE는 약 3~9 ppm/°C인 반면, 구리의 CTE는 약 17 ppm/°C로 현저히 높아, 온도 변화 시 두 재료 간의 팽창 및 수축 정도가 달라 인터페이스에 높은 수준의 스트레스가 집중된다. 특히, 종횡비가 증가할수록 이러한 스트레스는 더욱 증폭되어 균열 발생 가능성을 높이고, TGV 구조의 전반적인 수명을 단축시키는 결과를 초래한다.
CTE 불일치로 인한 열 응력은 TGV 내벽의 박리, 균열, 공극 형성 등 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 이는 전기적 성능 저하, 열 관리 효율성 감소, 궁극적으로는 소자 고장으로 이어진다. 특히, AI 반도체와 같이 고집적화 및 고성능화가 요구되는 애플리케이션에서는 이러한 문제는 더욱 심각하게 작용할 수 있다. 왜냐하면 고집적화된 칩은 더 많은 열을 발생시키고, 이는 CTE 불일치로 인한 스트레스를 더욱 가중시키기 때문이다. 따라서, 고종횡비 TGV 구조의 신뢰성을 확보하기 위해서는 CTE 불일치를 효과적으로 해결할 수 있는 재료 및 공정 기술 개발이 필수적이다.
CTE 불일치 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 대표적인 접근 방식으로는 저 CTE 재료 개발, CTE 매칭 재료 삽입, 구조 설계 최적화 등이 있다. 저 CTE 유리의 개발은 근본적으로 CTE 불일치를 줄이는 방법이지만, 유리의 다른 특성(예: 강도, 유전율)을 유지하면서 CTE를 낮추는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제이다. CTE 매칭 재료(예: 세라믹, 폴리머)를 유리와 구리 사이에 삽입하여 점진적인 CTE 변화를 유도하는 방법도 연구되고 있지만, 인터페이스 접착력 확보 및 공정 복잡성 증가 등의 문제가 남아있다. 따라서, 재료 개발과 함께 구조 설계 최적화를 통해 열 응력을 분산시키고, 균열 발생을 억제하는 기술 개발이 병행되어야 할 것이다.
열 응력 완화를 위한 재료 합금화는 유리 기판과 구리 배선 사이의 CTE 차이를 좁히기 위한 효과적인 전략 중 하나이다. 유리의 경우, 특정 조성의 첨가를 통해 CTE를 조절할 수 있으며, 구리의 경우, 열전도율을 유지하면서 CTE를 낮출 수 있는 합금(예: Ag, Ni)을 사용하는 것이 고려될 수 있다. 특히, 종횡비가 10 이상인 고종횡비 TGV 구조에서는 이러한 재료 합금화 전략이 더욱 중요해진다. 왜냐하면 고종횡비 구조에서는 작은 CTE 차이도 큰 열 응력을 유발할 수 있기 때문이다.
재료 합금화와 더불어, 구조 설계 최적화는 열 응력 집중을 완화하고 균열 발생을 억제하는 데 중요한 역할을 한다. TGV 구조의 형상, 배선 패턴, 인터페이스 설계 등을 최적화하여 열 응력을 분산시키고, 특정 영역에 응력이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, TGV 비아의 단면 형상을 원형에서 타원형으로 변경하거나, 배선 패턴을 지그재그 형태로 설계하여 열 응력을 분산시킬 수 있다. 또한, 인터페이스에 완충층(buffer layer)을 삽입하여 CTE 불일치를 완화하고, 접착력을 향상시킬 수 있다.
실제 사례로, 일부 연구에서는 유리의 CTE를 낮추기 위해 알루미나(Al2O3) 또는 실리카(SiO2)를 첨가하거나, 구리의 CTE를 낮추기 위해 니켈(Ni) 또는 망간(Mn)을 첨가한 합금을 사용한 결과, 열 응력이 감소하고 TGV 구조의 신뢰성이 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 유한요소해석(FEA)을 통해 TGV 구조의 형상 및 배선 패턴을 최적화한 결과, 열 응력 집중을 완화하고 균열 발생 가능성을 낮출 수 있다는 것을 입증하였다. 향후에는 재료 합금화와 구조 설계 최적화를 통합적으로 고려하여 고종횡비 TGV 구조의 열 관리 및 내구성을 극대화하는 연구가 더욱 활발하게 진행될 것으로 예상된다.
고종횡비 TGV 구조의 신뢰성을 평가하고 수명을 예측하기 위해서는 다양한 내구성 테스트가 필수적이다. 온도 사이클 테스트(TCT), 습도 가열 테스트(HHT), 고가속 수명 테스트(HALT) 등 다양한 환경 조건에서 TGV 구조의 성능 변화를 측정하고, 이를 통해 수명 예측 모델을 개발할 수 있다. 특히, TCT는 온도 변화에 따른 열 응력으로 인한 균열 발생 및 전파를 가속화하고, HHT는 습도 환경에서의 부식 및 절연 파괴를 가속화하여 TGV 구조의 취약점을 파악하는 데 유용하다.
내구성 테스트 결과를 바탕으로 TGV 구조의 수명을 예측하는 모델은 다양한 통계적 방법을 사용하여 개발될 수 있다. 대표적인 방법으로는 Arrhenius 모델, Coffin-Manson 모델, Eyring 모델 등이 있으며, 이러한 모델은 온도, 습도, 응력 등 다양한 환경 요인과 수명 간의 관계를 정량적으로 나타낸다. 하지만, 고종횡비 TGV 구조의 복잡한 형상 및 재료 특성으로 인해 수명 예측 모델의 정확도를 높이는 것은 여전히 어려운 과제이다.
향후에는 머신러닝(ML) 기술을 활용하여 TGV 구조의 수명 예측 모델을 개발하는 연구가 활발하게 진행될 것으로 예상된다. ML 모델은 대량의 내구성 테스트 데이터를 학습하여 환경 요인과 수명 간의 복잡한 관계를 파악하고, 기존 모델보다 더 정확한 수명 예측을 가능하게 할 수 있다. 또한, 실시간 톰OGRAPHY 스캔(ref_idx 4)과 같은 비파괴 검사 기술을 통해 TGV 구조 내부의 결함을 조기에 발견하고, 이를 수명 예측 모델에 반영하여 예측 정확도를 높일 수 있다. 내구성 테스트 기반의 수명 예측 모델 개발은 고종횡비 TGV 구조의 신뢰성을 확보하고, 제품 수명을 예측하여 품질 보증 및 유지보수 전략 수립에 기여할 수 있을 것이다.
4. 가공 기술의 최전선: 극초단 펄스 레이저와 플라즈마 멜팅
4-1. 펨토초 레이저 가공의 싱글 모드 vs. 버스트 모드
이 서브섹션에서는 차세대 반도체 패키징에서 핵심적인 TGV 형성에 사용되는 펨토초 레이저 가공 기술의 두 가지 주요 모드인 싱글 모드와 버스트 모드를 심층 비교 분석합니다. 특히, 고종횡비 유리기판에서 각 모드가 비아 형상, 내벽 품질, 열적 영향에 미치는 영향을 평가하고, 대면적 가공 수율 향상을 위한 최적화 방안을 제시합니다. 이를 통해 후속 섹션에서 다룰 플라즈마 멜팅 및 LIDE 기술과의 시너지 효과를 위한 기반을 마련합니다.
펨토초 레이저 가공은 열 확산 시간을 극도로 단축시켜 재료 주변의 열적 손상을 최소화하면서 정밀 가공을 가능하게 합니다. 특히, 유리기판 TGV 형성 시 DRIE나 EDM 공정 대비 복잡한 공정이 필요 없고 식각 방지막 형성이 불필요하여 공정 단순화에 기여합니다. 싱글 펄스 모드는 펄스 간 간격이 넓어 정밀한 가공이 가능하지만, 가공 속도가 느려 생산성이 떨어진다는 단점이 있습니다. 반면, 버스트 모드는 펄스 간 간격이 좁아 높은 에너지 밀도를 제공하며, 가공 속도를 높여 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 고종횡비(AR) 유리기판에서 요구되는 정밀도와 생산성 간의 균형점을 찾는 것이 핵심 과제입니다.
최근 연구에 따르면, 싱글 펄스 모드는 미세한 비아 형상 제어에 유리하며, 버스트 모드는 대면적 가공에서 높은 수율을 나타냅니다. 하지만 고종횡비(AR 10:1) 조건에서 싱글 펄스 모드는 비아 내벽의 거칠기(Ra)가 상대적으로 낮아 우수한 표면 품질을 확보할 수 있습니다. 반면, 버스트 모드는 높은 에너지 밀도로 인해 내벽에 미세 균열이나 재응고된 물질이 발생할 가능성이 높아 Ra 값이 증가하는 경향을 보입니다. 실제로, 특정 연구에서 싱글 펄스 모드의 Ra 값은 50nm 미만인 반면, 버스트 모드는 100nm 이상으로 측정되었습니다. 이는 버스트 모드 적용 시 후속 메탈라이제이션 공정에서 공극 발생 가능성을 높이는 요인이 될 수 있습니다.
버스트 모드의 단점을 극복하기 위해 에너지 밀도 최적화가 필수적입니다. 적절한 에너지 밀도 설정을 통해 재료 제거 효율을 높이면서도 열적 손상을 최소화해야 합니다. 예를 들어, 펄스 간 간격, 펄스 폭, 스캔 속도 등을 조절하여 최적의 가공 조건을 설정할 수 있습니다. 또한, 냉각 시스템을 강화하여 열 축적을 억제하는 것도 중요합니다. 씨앤지하이테크의 표면 처리 기술과 연계하여 밀착력을 강화하고 공극 발생을 억제하는 방안도 고려할 수 있습니다. 향후 AI 반도체 및 RF 필터 시장의 성장과 더불어 고종횡비 유리기판 TGV 수요가 증가할 것으로 예상되므로, 펨토초 레이저 가공 기술의 지속적인 발전과 최적화가 중요합니다.
4-2. 플라즈마 멜팅 기술과 LPKF의 LIDE 기술
본 서브섹션에서는 레이저 가공 외 다른 대안 기술로 플라즈마 멜팅과 LPKF의 LIDE 기술을 소개하고, 각 기술이 내벽 품질과 수율 향상에 기여하는 메커니즘을 분석합니다.
레이저앱스는 플라즈마 멜팅 레이저 기반으로 반도체 유리기판 글라스관통전극(TGV)을 형성하는 기술을 개발했으며, 이는 유리 내부에 융해점(멜팅 스팟)을 형성하여 구멍을 뚫는 원리를 이용한다 (Ref 11). 기존 공법은 레이저로 구멍 틀을 잡고 식각(에칭)으로 구멍을 완성하는 방식이 주류이나, 레이저앱스의 기술은 공법 원리상 유리 내부 결함으로 인한 불량을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 고종횡비(AR) 조건에서 TGV 형성은 더욱 어려워지는데, 기존 방식으로는 미세 균열이 발생하여 공정 중 유리 기판 깨짐이나 들뜸·찢어짐(세와레)을 야기할 수 있다. 플라즈마 멜팅 기술은 이러한 문제를 해결하여 도금 공정에서 발생하는 빈 공간(공극)을 줄여 전기적 특성 확보에 유리하다.
플라즈마 멜팅 기술은 유리 내부에 녹는점을 형성하여 매끈하고 안정적으로 TGV 구멍을 만드는 데 기여한다. 전은숙 레이저앱스 대표는 “TGV 구멍의 내벽은 전기 신호를 전달하는 특성을 확보하는데 매우 중요하다”며, 플라즈마 멜팅 기술이 도금 공정에서 발생하는 빈 공간(공극)을 줄일 수 있어 전기적 특성 확보에 유리하다고 강조한다 (Ref 11). 고종횡비 유리기판에서 요구되는 정밀도와 신뢰성을 확보하기 위해서는 유리 내부 결함을 최소화하는 것이 중요한데, 플라즈마 멜팅 기술이 이러한 요구 사항을 충족시킬 수 있다. 하지만, 플라즈마 멜팅 기술의 고종횡비(AR 10:1) 조건에서의 결함률에 대한 구체적인 데이터는 아직 부족한 상황이다.
레이저앱스는 유리 소재 식각 전문 업체 이코니와 협력 테스트한 결과, 0.14밀리미터(㎜) 두께 유리기판에 50마이크로미터(㎛) 크기 TGV 구멍을 안정적으로 구현했다고 발표했다 (Ref 11). 하지만, 고종횡비(AR 10:1) 조건에서의 결함률에 대한 데이터는 아직 공개되지 않았다. 향후 플라즈마 멜팅 기술의 결함률 데이터를 확보하고, 기존 레이저 가공 기술과의 비교 분석을 통해 기술 경쟁력을 강화해야 한다. 또한, 양산성을 확보하기 위한 공정 최적화 및 장비 개발도 병행해야 한다.
LPKF는 LIDE(Laser Induced Deep Etching) 기술을 적용한 TGV(Through Glass Via, 유리기판 관통전극) 장비를 개발하여 유리기판 시장에서 핵심 기업으로 부상하고 있다 (Ref 2). LIDE 기술은 유리에 직접 구멍을 뚫는 방식이 아닌, 레이저로 유리의 특정 부분 구조를 변형시킨 뒤 식각 공정을 통해 변형된 부분만 선택적으로 제거하는 방식이다. 이 기술을 통해 LPKF의 TGV 장비는 크랙 없이 매끈하고 정밀한 구멍을 가공할 수 있어 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.
이용상 LPKF 코리아 대표는 "유리기판에서 가장 중요한 것은 크랙이 없는 완벽한 홀(Hole)을 구현하는 것"이라며 "미세한 균열이라도 열팽창 과정에서 기판 전체의 파손으로 이어질 수 있기 때문"이라고 강조한다 (Ref 2). LPKF는 현재 삼성전기를 비롯한 유리기판 선도 업체들의 파일럿 라인에 TGV 장비를 공급한 것으로 파악된다. 하지만, LIDE 기술의 고종횡비(AR 10:1) 조건에서의 가공 수율에 대한 구체적인 데이터는 아직 부족한 상황이다.
LPKF의 LIDE 기술은 크랙 없는 TGV 홀을 구현하여 높은 신뢰성을 확보할 수 있지만, 고종횡비(AR 10:1) 조건에서의 가공 수율에 대한 데이터가 부족하다는 한계가 있다. 향후 LIDE 기술의 가공 수율 데이터를 확보하고, 플라즈마 멜팅 기술과의 비교 분석을 통해 기술 경쟁력을 강화해야 한다. 또한, 대량 생산성을 확보하기 위한 공정 최적화 및 장비 개발도 병행해야 한다. 예를 들어, 펨토초 레이저 가공의 버스트 모드와 LIDE 기술을 결합하여 생산성을 높이는 방안을 고려할 수 있다.
5. 메탈라이제이션 솔루션의 혁신과 특허 전쟁 지형
5-1. 밀착력 강화 표면 처리 기술
이 섹션에서는 고종횡비 유리기판 TGV 메탈라이제이션의 핵심인 구리-유리 밀착력 강화 기술을 심층 분석하고, 관련 특허 동향 및 경쟁 지형을 제시합니다. 이전 섹션에서 다룬 가공 기술을 바탕으로, 본 섹션에서는 실제 금속 배선 구현을 위한 표면 처리 기술과 특허 전략을 집중적으로 다룹니다.
고종횡비 유리기판 TGV의 성공적인 메탈라이제이션은 구리 배선과 유리 기판 간의 견고한 밀착력 확보에 달려있다. 기존 기술의 한계를 극복하고 혁신적인 표면처리 기술을 개발한 씨앤지하이테크의 사례는 주목할 만하다. 씨앤지하이테크는 독자적인 표면 활성화 기술을 통해 구리와 유리 간의 접착력을 7N/cm 이상으로 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다 (Ref 9, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86).
씨앤지하이테크의 표면처리 기술은 유리의 매끄러운 표면과 높은 내화학성으로 인해 발생하는 낮은 밀착력 문제를 해결하는 데 초점을 맞추고 있다. 일반적으로 유리는 표면 에너지가 낮아 금속과의 접착이 어렵고, 접착 후에도 쉽게 박리되는 경향이 있다. 씨앤지하이테크는 이러한 문제를 해결하기 위해 표면 활성화 처리를 통해 유리 표면에 미세한 요철 구조를 형성하고, 화학적 결합을 유도하여 구리와의 밀착력을 극대화하는 메커니즘을 적용했다. 이러한 기술은 특히 고종횡비 TGV 구조에서 공극(void) 발생을 억제하고, 장기적인 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다.
실험 결과에 따르면, 씨앤지하이테크의 표면 활성화 처리 기술은 종횡비 1:10까지 내부 보이드 없이 구리 배선을 채울 수 있는 증착 기술과 결합되어, 고성능 AI 반도체 및 차세대 디스플레이 구현에 기여할 것으로 기대된다 (Ref 9, 81, 82, 83, 84, 85, 86). 이는 기존 기술로는 달성하기 어려웠던 수준으로, 씨앤지하이테크의 기술력이 유리기판 기반 고집적 패키징 시장에서 경쟁 우위를 확보하는 데 결정적인 역할을 할 것으로 전망된다.
씨앤지하이테크의 기술은 AI 반도체, 마이크로 LED, 투명 LED 등 차세대 제품의 성능 향상에 기여할 잠재력이 높다 (Ref 9). 특히, 높은 수준의 명암비, 응답속도, 색 재현율을 요구하는 디스플레이 시장에서 유리기판의 적용을 가속화할 것으로 예상된다. 씨앤지하이테크는 국내외 산업체 및 연구기관과의 지속적인 협력을 통해 기술력을 고도화하고, 차세대 회로기판 소재 산업의 선두주자로 도약한다는 목표를 설정했다 (Ref 9). 이를 위해 핵심 원천기술에 대한 특허 포트폴리오를 강화하고, 시장 변화에 신속하게 대응할 수 있는 유연한 생산 시스템을 구축하는 전략이 필요하다.
씨앤지하이테크가 확보한 7N/cm 이상의 밀착력은 유리기판 TGV의 성능을 극대화하는 데 중요한 역할을 한다. 하지만, 실제 양산 환경에서 고종횡비 TGV 구조(AR 1:10)에서 밀착력과 신뢰성을 동시에 확보했다는 실증 사례는 아직 부족한 상황이다. 씨앤지하이테크는 1:10까지를 목표로 높은 종횡비의 TGV 구리 배선을 위한 증착 기술을 개발 중이라고 밝혔지만, 구체적인 성능 지표와 신뢰성 데이터는 공개되지 않았다 (Ref 9).
고종횡비 TGV 구조에서 안정적인 구리 배선을 형성하기 위해서는 표면처리 기술뿐만 아니라, 증착 공정, 도금 기술, 열처리 공정 등 다양한 요소 기술의 최적화가 필수적이다. 특히, TGV 내부의 균일한 구리 증착은 공극 발생을 억제하고, 전기적 특성을 향상시키는 데 결정적인 영향을 미친다. 씨앤지하이테크는 이러한 점을 고려하여, 밀착력 향상을 위한 표면처리 기술과 TGV 구리 배선을 위한 증착 기술을 통합적으로 개발하고 있다. 표면처리 기술의 효과를 검증하기 위해서는 다양한 종횡비의 TGV 구조를 제작하고, 전기적 특성, 열적 특성, 기계적 강도 등을 종합적으로 평가하는 실증 연구가 필요하다.
씨앤지하이테크의 표면처리 기술이 고종횡비 TGV 구조에서 요구되는 신뢰성을 확보하기 위해서는, 가혹한 환경 조건에서의 성능 평가가 필수적이다. 고온, 고습, 온도 사이클 등의 환경 조건에서 장시간 노출 후에도 초기 성능을 유지할 수 있는지 확인해야 한다. 또한, 유리기판과 구리 배선 간의 열팽창 계수 차이로 인해 발생하는 열 응력을 완화하기 위한 기술 개발도 중요하다. 열 응력은 TGV 구조의 균열 및 박리를 유발하여, 장기적인 신뢰성을 저해하는 요인이 될 수 있다.
씨앤지하이테크는 고종횡비 TGV 구조에서의 실증 데이터를 확보하고, 이를 바탕으로 기술 경쟁력을 강화해야 한다. 또한, 잠재적인 고객에게 신뢰성 데이터를 투명하게 공개하여, 기술에 대한 신뢰도를 높이는 것이 중요하다. 이를 위해 씨앤지하이테크는 자체적으로 신뢰성 평가 시스템을 구축하고, 외부 기관과의 협력을 통해 객관적인 검증을 수행하는 방안을 고려할 수 있다. 뿐만 아니라, 유리기판 가공 기술, 메탈라이제이션 기술, 패키징 기술 등 관련 분야의 기술력을 보유한 기업과의 협력을 통해, 고종횡비 TGV 유리기판 솔루션을 공동 개발하는 것도 좋은 전략이 될 수 있다.
5-2. 파이어 폴리싱 합착 기술과 특허 전쟁
씨앤지하이테크의 혁신적인 표면처리 기술은 유리기판 TGV 메탈라이제이션 분야에서 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 다음 서브섹션에서는 도금 공정 생략이라는 획기적인 아이디어를 제시하는 파이어 폴리싱 합착 기술과 특허 경쟁 지형을 분석하여, TGV 메탈라이제이션 기술 혁신의 또 다른 축을 조명합니다.
기존의 유리기판 TGV 형성은 레이저 가공 후 습식 식각, 그리고 구리 도금의 단계를 거치는 것이 일반적이었지만, 필로(Filo)는 파이어 폴리싱(Fire Polishing) 기술을 통해 이 과정을 혁신적으로 단축하고자 합니다. 파이어 폴리싱은 절단된 유리 표면의 크랙을 고열로 다듬는 기술로, 필로는 이를 활용해 레이저-습식 식각 및 도금 공정 없이 TGV를 형성하는 방식을 제시합니다(Ref 23).
파이어 폴리싱 기술은 글래스 기판을 800~1000℃ 고온으로 가열하여 유리를 반쯤 융해시킨 후, 미세한 구리 돌기가 형성된 구리박을 기판에 합착시키는 방식으로 TGV를 형성합니다. 융해된 글래스 원장 표면을 구리 돌기가 파고 들어가면서 수직 형태의 구리 전극이 형성되는 원리입니다(Ref 23). 이 과정에서 레이저 장비가 사용되지 않으므로 크랙이나 치핑 등의 문제 발생 가능성이 줄어들고, 도금 공정이 생략되므로 보이드(Void, 빈 공간) 발생 가능성 또한 원천적으로 차단됩니다.
필로의 박재훈 고문은 '가공된 유리의 모든 불량은 크랙, 치핑, 열응력, 공기(기포) 등 4대 요소로부터 비롯된다'며 레이저, 도금 기술을 이용하는 한 글래스 코어기판은 이 같은 불량에서 벗어날 수 없다고 강조했습니다(Ref 23). 또한, 파이어 폴리싱 기술은 화학 강화 공정 적용이 가능하다는 장점도 있습니다. 하지만 파이어 폴리싱 기술이 실제 고종횡비 TGV 구조에서 요구되는 신뢰성을 확보할 수 있을지는 추가적인 검증이 필요합니다.
독일의 레이저 정밀 가공 솔루션 업체 LPKF는 레이저 유도 식각 기술인 LIDE(Laser Induced Deep Etching)를 적용한 TGV 장비를 전 세계 유리기판 기업에 30대 이상 판매하며 유리기판 시장에서 핵심 기업으로 부상하고 있습니다. LPKF는 최근 자사 LIDE 기술 특허의 유효성을 유럽 특허청으로부터 인정받아 법적 권리를 확보했습니다(Ref 2, 207).
LPKF의 LIDE 기술은 레이저로 유리의 특정 부분 구조를 변형시킨 뒤 식각 공정을 통해 변형된 부분만 선택적으로 제거하는 방식으로, 유리기판에 미세한 균열(크랙) 없이 매끈하고 정밀한 홀(Hole)을 가공할 수 있다는 장점이 있습니다(Ref 2, 207). LPKF는 향후 자사 특허를 보호하는 활동에 적극적으로 나설 계획이며, 특허 침해 사례가 보일 시 법적 조치를 취하겠다는 입장을 밝혔습니다(Ref 34, 207). 이는 TGV 관련 식각 장비로 사업화를 준비 중인 국내외 여러 기업에게는 잠재적인 위협 요인이 될 수 있습니다.
LPKF는 국내 레이저 가공 장비 업체 A사에 특허 및 상표 침해에 대한 경고장을 보낸 것으로 확인되었습니다. 해당 업체는 LPKF가 특허로 확보한 레이저 유도 식각 기술 ‘LIDE’ 명칭을 그대로 쓰면서 대학 및 연구기관에 장비를 납품한 것으로 전해집니다(Ref 202). LPKF는 LIDE 기술 권리를 침해한 장비의 매출에 대해 손해 배상 청구 가능성을 명시하며, 특허권 행사를 본격화하고 있습니다.
반도체 공정용 화학소재 전문 기업 램테크놀러지는 '반도체용 유리기판(TGV) 인터포저 제조 핵심기술 Glass Hole 식각 기술개발 관련 특허'를 출원하며 유리기판 시장에 본격적으로 진출할 계획을 밝혔습니다(Ref 30, 249, 251). 램테크놀러지는 레이저 홀(Laser Hole) 가공업체와 연계 사업추진에 속도를 낼 예정이며, 협업을 통해 조기 상용화 및 양산을 계획하고 있습니다.
램테크놀러지 연구개발 담당자는 지난해 고객사 개발 요청에 의해 당사의 핵심기술인 반도체 공정용 식각기술 기반으로 TGV용 식각액을 개발하였으며, 현재는 연구개발 협업 단계를 넘어 고객사 평가를 진행하고 있다고 설명했습니다. 램테크놀러지는 고객 요구에 따른 다양한 홀 사이즈(Hole size) 구현 및 다변화, 식각 프로파일(Etch Profile) 확보, 식각 후 잔여물 제거, 글라스(Glass) 표면 투명도와 균일도 확보 등의 기술력으로 특허 출원을 완료했고, 현재 최종 등록까지 박차를 가하고 있습니다(Ref 30, 249, 251).
램테크놀러지는 불산 기반의 식각 조성물을 개발해 다수의 홀 크기를 정밀하게 구현할 수 있는 기술을 확보했으며, 현재 고객사 평가 단계에 진입한 상태입니다(Ref 28). 해당 식각액은 단순 식각뿐 아니라 프로파일 제어와 식각 후 잔여물 제거 등 다양한 공정요구를 만족시키며, 기술적 독자성과 특허 기반을 갖추고 있다는 평가를 받고 있습니다. 램테크놀러지는 식각액 개발뿐 아니라 CMP(화학적 기계연마)·세정액 등 반도체 공정용 고부가 화학소재 분야에서 기술력을 보유하고 있어 유리기판 TGV 식각액 개발을 통해 패키지 소재 시장으로 본격 진입을 준비하고 있습니다(Ref 28).
6. 시장 동향과 산업적 응용 가능성
6-1. AI 반도체와 RF 필터 시장 전망
본 서브섹션에서는 TGV 기판이 AI 반도체 패키징과 RF 필터 시장에서 차지하는 비중을 정량적으로 예측하여, 고종횡비 TGV 기술의 성장 잠재력을 조명하고, 관련 시장 진출 전략 수립에 필요한 인사이트를 제공합니다.
TGV(Through Glass Via) 기판 시장은 AI 반도체 패키징 수요 증가에 힘입어 2024년부터 2032년까지 연평균 34.2%의 고성장이 예상됩니다(Ref 19). 2024년 0.07억 달러 규모에서 2032년 0.76억 달러로 급증할 것으로 전망되며, 특히 고성능 컴퓨팅(HPC) 및 AI 반도체 시장의 성장세가 TGV 기판 수요를 견인할 것으로 분석됩니다. 하지만, 고종횡비 TGV 기판의 시장 점유율은 아직 구체적인 수치로 제시되지 않아, 향후 시장 경쟁 심화에 따른 점유율 변화에 대한 면밀한 분석이 필요합니다. 데이터 센터, 자율주행차, 첨단 의료 기기 등 AI 기술이 적용되는 다양한 분야에서 고성능 반도체 수요가 증가함에 따라, TGV 기판 기술의 중요성은 더욱 부각될 것으로 예상됩니다.
AI 반도체 패키징에서 FOPLP(Fan-Out Panel Level Packaging)와 결합한 TGV 기판은 멀티칩 모듈링 효율을 극대화하는 데 기여합니다(Ref 90, 91). FOPLP 기술은 기존 웨이퍼 기반 패키징 대비 생산 효율성을 높이고, 칩 수율을 향상시키는 장점이 있습니다. 특히, NVIDIA, 브로드컴, AMD 등 주요 반도체 기업들이 CoWoS-L, CoWoS-R과 같은 패키징 방식을 패널화하면서, 12개 이상의 HBM(High Bandwidth Memory)을 하나의 패키지에 통합하는 것이 가능해졌습니다(Ref 90). 하지만, FOPLP와 TGV 기판의 결합 비중 수치는 아직 명확하게 제시되지 않아, 향후 기술 발전 및 시장 경쟁 상황에 따라 변동될 가능성이 높습니다. FOPLP와 TGV 기판의 시너지 효과를 통해 AI 반도체의 성능을 극대화하고, 전력 소비를 줄이는 것이 중요한 과제로 부상하고 있습니다.
고종횡비 TGV 기술은 RF 필터와 항공우주 방위 분야에서도 신뢰성과 신호 무결성 확보에 필수적인 요소로 작용합니다(Ref 24). 5G, IoT, 무선 통신 시스템 등 고주파 및 RF 기술의 발전은 신호 손실을 최소화하고, 기생 커패시턴스를 낮출 수 있는 기판에 대한 수요를 증가시키고 있습니다. TGV 기판은 유리 기판의 높은 신뢰성을 바탕으로 습도, 온도 변화 등 가혹한 환경에서도 안정적인 성능을 제공하며, 항공우주 전자 장치, 이식 가능한 의료 기기 등 까다로운 응용 분야에 적합합니다. 미래에는 항공우주, 국방, 의료 분야에서의 높은 신뢰성이 요구됨에 따라, 고종횡비 TGV 기판의 시장 점유율은 더욱 확대될 것으로 전망됩니다. 그러나, 고종횡비 TGV 기판의 높은 생산 비용은 시장 확대를 제약하는 요인으로 작용할 수 있어, 생산 공정 최적화 및 비용 절감 노력이 필요합니다.
6-2. 대면적 처리와 생산 비용 관리
본 서브섹션에서는 대면적 처리 시 수율 관리와 생산 비용 문제를 해결하기 위한 전략을 제안하며, 패널 레벨 패키징 기술의 잠재력과 기업들의 전략적 움직임을 심층적으로 분석합니다. 이를 통해 고종횡비 TGV 기술의 상용화를 가속화하고 시장 경쟁력을 확보하기 위한 인사이트를 제공합니다.
패널 레벨 패키징(PLP) 기술은 웨이퍼 레벨 패키징(WLP) 대비 대면적 기판 생산에 유리하여 TGV 기판의 생산 비용 효율성을 획기적으로 높일 수 있습니다. 기존 WLP는 웨이퍼 크기에 제한되어 대면적 생산이 어려웠지만, PLP는 사각형 패널을 사용하여 더 넓은 면적에 동시에 더 많은 칩을 패키징할 수 있어 생산성을 극대화합니다. 하지만, 패널 레벨 TGV의 수율 추이에 대한 구체적인 데이터는 아직 부족하며, 대면적화에 따른 균일한 TGV 형성 및 메탈라이제이션 공정의 어려움이 존재합니다. 향후 수율 안정화 및 대량 생산을 위한 기술적 난제 해결이 PLP 기반 TGV 기판 상용화의 핵심 과제가 될 것입니다.
삼성전기는 세종사업장에 유리기판 전용 파일럿 라인을 구축하고, 패널 레벨 패키징 기술을 적극적으로 도입하여 대량 생산 체제를 구축하고 있습니다. 2027년 양산 체제 구축을 목표로 AI 반도체용 고밀도 패키지 수요 증가에 대응하기 위한 차세대 전략사업으로 유리기판을 육성 중입니다. 또한, 나인테크는 FO-PLP 및 유리기판용 장비 생산을 위한 기술 개발과 테스트를 완료하고, 유리관통전극(TGV) 공정의 습식 공정 설비 검증을 완료했습니다. 하지만, 파일럿 라인의 CAPEX 현황에 대한 구체적인 정보는 공개되지 않아, 투자 효율성 분석에 어려움이 있습니다. 향후 투자 규모 및 생산 효율성을 고려한 최적의 생산 전략 수립이 필요합니다.
화학 소재 통합 솔루션과 실시간 품질 관리 기술은 대면적 처리 시 발생하는 수율 저하 문제를 해결하고 생산 비용을 절감하는 데 중요한 역할을 수행할 수 있습니다. 램테크놀러지는 삼성전기와 함께 TGV 식각액을 공동 개발하여 상용화를 추진 중이며, 다수의 홀 크기를 정밀하게 구현할 수 있는 기술을 확보했습니다. Spirox LTS는 X선 톰OGRAPHY 스캔을 통해 내부 개질 연속성을 시각화하여 미세 결함을 조기에 발견하고 공정 파라미터 최적화에 기여합니다. 하지만, 이러한 기술들이 실제 생산 라인에서 어느 정도의 비용 절감 효과를 가져올 수 있는지에 대한 실증 데이터는 아직 부족합니다. 향후 데이터 기반의 공정 최적화 및 품질 관리 시스템 구축이 필수적일 것입니다.
결론적으로, 패널 레벨 패키징 기술은 TGV 기판의 대량 생산을 위한 핵심 기술이며, 삼성전기, 나인테크 등 주요 기업들이 적극적으로 도입하고 있습니다. 하지만, 수율 안정화, 투자 효율성 확보, 화학 소재 통합 솔루션 적용 등 해결해야 할 과제가 여전히 존재합니다. 향후 기술 개발 및 투자 확대를 통해 생산 비용을 절감하고 시장 경쟁력을 확보하는 것이 중요합니다.
7. 미래 발전 방향과 전략적 제언
7-1. 실시간 톰OGRAPHY 스캔과 화학 소재 통합
본 서브섹션에서는 고종횡비 TGV의 신뢰성 확보를 위한 실시간 품질 검증과 화학 소재 통합의 중요성을 분석하고, 차세대 패키징 기술의 발전 방향을 제시합니다.
Spirox LTS(Laser Tomography Scanning) 기술은 TGV 레이저 개질 비아의 품질을 비파괴 방식으로 정밀하게 분석하여 공정 파라미터 최적화에 기여합니다. 하이나노 옵토일렉트로닉스의 데릭 창 대표는 Spirox LTS 시스템을 통해 유리 기판 내부의 레이저 개질 분포를 직접 시각화할 수 있다고 밝혔으며, 이는 레이저 개질 장비의 성능과 품질을 향상시키는 데 크게 기여합니다(Ref 4).
X선 톰OGRAPHY 스캔은 TGV 내부 개질 연속성을 시각화하여 미세 결함을 조기에 발견하는 과정을 지원합니다. Spirox LTS 기술은 다수의 비선형 광학 통합 특허 기술을 결합하여 TGV 내부 레이저 개질 단면에 대한 비파괴, 무접촉, 무손상 직접 이미징을 가능하게 합니다(Ref 4). 이를 통해 TGV 제조업체는 대량 생산 일정을 단축하고 수율 최적화와 비용 통제에 집중할 수 있습니다.
실시간 톰OGRAPHY 스캔을 통해 얻은 데이터는 TGV 공정의 결함 검출율을 정량화하고 최적화 효과를 입증하는 데 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 톰OGRAPHY 스캔을 통해 특정 공정 조건에서 발생하는 공극, 균열 등의 결함 비율을 측정하고, 이를 최소화하는 공정 파라미터를 도출할 수 있습니다. 또한, 하이나노 옵토일렉트로닉스와 같은 TGV 레이저 개질 장비 업체들은 스파이록스의 실시간 톰OGRAPHY 스캔 시스템을 통해 재료 연구 개발과 공정 조정을 위한 정밀한 플랫폼을 제공받을 수 있습니다.
향후에는 X선 톰OGRAPHY 스캔의 결함 검출율을 정량화하여 공정 최적화 효과를 입증하고, 데이터 기반의 공정 관리를 통해 TGV 기판의 품질과 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있을 것입니다. 또한, 스파이록스와 하이나노 옵토일렉트로닉스의 협력을 통해 TGV 제조 과정의 파라미터 제어에 획기적인 발전을 가져오고 TGV 제조업체의 대량 생산 일정 단축에 기여할 것으로 기대됩니다.
램테크놀러지는 삼성전기와 협력하여 TGV 식각액을 공동 개발하고 상용화를 추진 중이며, 이는 화학 소재 통합 솔루션의 중요한 사례입니다. 램테크놀러지는 불산 기반의 식각 조성물을 개발해 다수의 홀 크기를 정밀하게 구현할 수 있는 기술을 확보했으며, 현재 고객사 평가 단계에 진입한 상태입니다(Ref 28).
식각액과 CMP 세정액 등 화학 소재를 통합한 고부가화 솔루션은 생산성을 높이는 데 기여합니다. 램테크놀러지의 식각액은 단순 식각뿐 아니라 프로파일 제어와 식각 후 잔여물 제거 등 다양한 공정 요구를 만족시키며, 기술적 독자성과 특허 기반을 갖추고 있습니다(Ref 28). 또한, CMP(화학적 기계연마)·세정액 등 반도체 공정용 고부가 화학소재 분야에서 기술력을 보유하고 있어, 유리기판 TGV 식각액 개발을 통해 패키지 소재 시장으로 본격 진입을 준비하고 있습니다.
화학 소재 통합 솔루션의 생산성 기여도를 수치로 보강하기 위해, 램테크놀러지의 식각액과 CMP 세정액을 통합 사용했을 때의 생산성 향상률을 측정할 필요가 있습니다. 예를 들어, 식각 공정 시간 단축, 웨이퍼 손상 감소, 잔여물 제거 효율 증가 등의 효과를 정량적으로 분석하여, 화학 소재 통합 솔루션의 경제적 가치를 입증할 수 있습니다.
화학 공정과 장비 공정을 결합한 통합 솔루션 개발 로드맵을 제안하여 TGV 기판 제조의 효율성을 극대화할 수 있습니다. 램테크놀러지는 삼성전기와의 협력을 통해 식각액 개발뿐만 아니라 CMP 세정액 등 다양한 화학 소재를 통합한 솔루션을 제공함으로써, TGV 기판 제조 공정의 효율성을 극대화하고 비용을 절감할 수 있습니다. 이를 통해 TGV 기판 시장에서 경쟁 우위를 확보하고, 차세대 반도체 패키징 기술 발전에 기여할 수 있을 것입니다.
7-2. 패널 레벨 패키징과 대량 생산 전략
본 서브섹션에서는 패널 레벨 패키징과 TGV 기판의 결합을 통한 대량 생산 전략을 구체적으로 제시하고, 시장 리더십 확보 방안을 모색합니다.
패널 레벨 패키징(PLP)은 대면적 기판에서 여러 칩을 동시에 패키징하는 방식으로, 웨이퍼 레벨 패키징(WLP) 대비 생산성을 획기적으로 향상시켜 비용 효율성을 높입니다. 디지털 가이드에 따르면, FOPLP 기술과 결합한 유리기판 시장은 2024년부터 2030년까지 연평균 29% 성장하여 2030년에는 29억 달러 규모에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 AI, 자율주행, 메타버스 등 첨단 기술 발전에 따른 고성능 반도체 수요 증가와 맞물려 더욱 가속화될 전망입니다.
유리기판 기반 TGV 기술은 낮은 유전율, 우수한 열 안정성, 고밀도 I/O 통합을 제공하여 고성능 컴퓨팅(HPC), 고주파 통신, AI 가속기, 고성능 서버 등에서 기존 FCCSP 기판을 대체할 핵심 소재로 주목받고 있습니다. 특히, 대면적 유리기판을 활용하는 패널 레벨 패키징은 생산 비용 절감과 시장 경쟁력 강화에 기여할 수 있습니다. 램테크놀러지는 삼성전기와의 협력을 통해 TGV 식각액을 공동 개발하고 상용화를 추진 중이며, 이는 화학 소재 통합 솔루션의 중요한 사례입니다.
그러나 패널 레벨 패키징 적용 시 수율 관리는 중요한 과제입니다. 유리기판은 물리적 취약성으로 인해 제조 과정이나 운송 중 파손 위험이 있으며, TGV 공정의 기술적 난이도 또한 높습니다. 따라서 강화 유리 기술, 정밀 자동화 핸들링 장비 개발, 레이저와 플라즈마를 결합한 하이브리드 가공 방식, 특수 식각액 개발 등을 통해 이러한 문제를 해결해야 합니다. 삼성전기는 세종사업장에 유리기판 전용 파일럿 라인을 구축하고, 미국 대형 고객사를 대상으로 시제품을 공급할 계획이며, 2027년 양산 체제를 구축할 예정입니다.
대량 생산으로 확장 시 예상되는 공정 리스크로는 TGV 홀의 품질 불균일, 식각 공정 시 발생하는 잔여물 문제, 금속 배선과 유리 표면의 낮은 접합성 등이 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 공정 파라미터 최적화, 실시간 품질 검사, 표면 처리 기술 개선 등이 필요합니다. 특히, 실시간 톰OGRAPHY 스캔과 같은 첨단 검사 기술은 공정 파라미터 최적화에 기여할 수 있습니다. Spirox LTS는 TGV 내부 개질 연속성을 시각화하여 미세 결함을 조기에 발견하는 과정을 지원합니다.
필옵틱스는 TGV 검사장비에 2.5D 이미지를 구현하는 기술을 적용하여 경쟁사와 차별화를 꾀하고 있습니다. 유리기판 한 장에는 수십만~수백만 개의 홀이 생성되는데, 기존에는 홀 상단 또는 하단을 일직선으로 촬영하다 보니 홀의 중간층 품질을 확인하기 쉽지 않았습니다. 이에 필옵틱스는 홀의 상·중·하층부를 한 번에 모두 검사하기 위해 2.5D 이미지 촬영 방식을 채용했습니다. 이를 통해 검사 효율성과 정확도를 높였습니다.
또한 필옵틱스는 데이터 처리 및 프로세싱 속도 향상을 통해 양산에 적합한 AOI(Automated Optical Inspection) 검사장비를 개발했습니다. 유리기판 한 장 내 생성되는 홀의 촬영 이미지를 모두 생성하면 700GB 수준에 이르는데, 필옵틱스는 빅데이터 처리 기법을 통해 작업 효율을 큰 폭으로 끌어올렸습니다. 이러한 기술력을 바탕으로 필옵틱스는 2019년부터 TGV 장비 개발을 직접 해오며 수율 판단에 있어 궁극적으로 필요한 데이터가 무엇인지 선별하는 능력을 내재화했습니다.
유리기판 시장에서 리더십을 확보하기 위해서는 기술 협력과 특허 포트폴리오 확보가 필수적입니다. 삼성전기는 램테크놀러지와의 협력을 통해 TGV 식각액을 공동 개발하고 상용화를 추진 중이며, 이는 화학 소재 통합 솔루션의 중요한 사례입니다. 램테크놀러지는 불산 기반의 식각 조성물을 개발해 다수의 홀 크기를 정밀하게 구현할 수 있는 기술을 확보했으며, 현재 고객사 평가 단계에 진입한 상태입니다.
또한, LPKF의 LIDE 기술과 램테크놀러지의 식각액 특허 출원은 시장 진입 장벽을 높이는 방식으로 작용할 수 있습니다. 따라서 특허 포트폴리오 확보를 통해 시장 리더십을 확보하는 전략이 필요합니다. 켐트로닉스는 글로벌 고객사, 해외 레이저 업체와 함께 TGV 기술 개발을 진행 중이며, 동사의 식각 기술로 표면 평탄도를 향상시켜 기판 두께를 얇게 구현한 이후 레이저와 식각 기술을 응용하여 TGV를 형성합니다.
이오테크닉스는 삼성전자와의 오랜 협업을 바탕으로 최근에는 TSMC, 애플 등으로 고객사 네트워크를 늘려가고 있습니다. 이오테크닉스는 레이저 마커 점유율 95%(국내 기준)를 차지하고 있는 사실상 레이저 마커 독점 사업자이며, 삼성전자 내 영향력을 토대로 2020년부터 D램 1z(15나노급) 양산 공정에 레이저 어닐링 장비를 공급했고, HBM 선단 라인에도 동일 장비를 입고하고 있습니다. 이러한 기술 협력과 고객사 네트워크를 바탕으로 유리기판 시장에서도 경쟁 우위를 확보할 수 있을 것입니다.