Glass Interposer 시대를 여는 핵심 기술: TGV Cu 도금액과 Bridge 충진 공정
핵심 요약
- 유리기판이 주목 받는 이유 : 신호 손실이 작고(Df ≤0.005), 열에 의한 변형과 수분 흡수가 적어 AI/HPC용 반도체 패키지에 적합합니다.
- 기존 도금의 한계: TGV 입구가 먼저 막히면 내부에 빈 공간(Void)이나 틈(Seam)이 남아 제품 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.
- 해결 방법: PPR(Periodic Pulse-Reverse)로 홀 중앙에 Cu Bridge를 먼저 만든 뒤 DC 도금으로 남은 공간을 채우는 2단계 공정이 결함 없는 충진에 유리합니다.
주요 내용
AI와 고성능 컴퓨팅(HPC)이 발전하면서 반도체 패키지에는 더 많은 신호선을 더 좁은 공간에 배치해야 합니다. 이에 따라 기존 유기물·실리콘 기판의 한계를 보완할 소재로 Glass Interposer(유리 인터포저)가 떠오르고 있습니다.
Glass Interposer는 칩과 기판 사이에서 신호를 연결하는 얇은 유리층입니다. 유리 내부의 미세 관통 홀인 TGV를 구리로 채워 전기 신호가 위아래로 이동할 수 있게 합니다.
1. 왜 유리기판과 Glass Interposer가 주목받을까요?
HBM, Chiplet, 2.5D/3D 패키지는 많은 칩을 좁은 공간에서 빠르게 연결해야 합니다. 이때 기판이 열에 휘거나 신호가 약해지면 성능과 수명이 떨어질 수 있습니다. 유리기판은 표면이 매끄럽고 열·습기에 안정적이어서 차세대 고성능 패키징 소재로 주목받고 있습니다.
| 구분 | 유기물 (Organic) | 실리콘 (Silicon) | 유리 (Glass) |
| 표면 거칠기 (nm) | 400~600 | ≤ 10 | ≤ 10 |
| 열팽창 계수 (CTE, ppm/K) | 3~17 | 2.9~4.0 | 3~9 |
| 탄성계수 (유연함, GPa) | 10~40 | 165 | 50~90 |
| 수분 흡수율 (%) | 0.04 | 0 | 0 |
| 유전손실 (Df) | 0.005~0.02 | 0.01~0.05 (조건 의존) | ≤ 0.005 |
| 대표 기판 사이즈 (mm) | 415×510 | Ø300 | 415×510 , 515×510 |
유리기판의 4가지 핵심 장점
- 신호 손실이 작습니다(Df ≤0.005) : 고주파 신호가 지나갈 때 감쇠가 적어 고속 데이터 전송에 유리합니다.
- 열에 의한 변형이 적습니다(CTE 3~9 ppm/K). : 실리콘 칩과 열팽창 특성이 비슷해 대면적 패키징 시 휨/뒤틀림을 줄일 수 있습니다.
- 대형 패널 생산이 가능합니다. : 원형 웨이퍼보다 넓은 사각 패널을 활용할 수 있어 생산성과 원가 측면에서 유리합니다.
- 수분을 흡수하지 않습니다(0%). : 습기에 따른 변형과 전기적 불량을 줄여 장기 신뢰성을 높일 수 있습니다.
2. TGV를 구리로 빈틈없이 채우려면?
TGV(Through-Glass Via)는 유리기판을 위아래로 관통하는 미세한 구멍입니다. 이 안을 구리로 채우면 칩 사이에
전기 신호가 흐를 수 있습니다.
하지만 일반적인 DC(직류) 도금은 구리가 홀 입구에서 빠르게 자라 입구가 먼저 막힐 수 있습니다. 이 경우 내부에 빈 공간(Void)이나 대형 틈(Seam)이 남아 전기적 연결과 내구성에 문제가 생길 수 있습니다.
TGV 충진 방식과 주요 한계
- DC 도금: 입구가 먼저 막혀 큰 Seam 또는 Void가 생길 수 있습니다.
- Conformal 도금: 벽면이 고르게 자라지만 중앙에 틈이 남을 수 있습니다.
- Bottom-up 도금: 한쪽 방향 성장에 적합해 양쪽이 열린 관통 홀에는 제약이 있습니다.
- Bridge 도금 (당사 채택 방식) : Cu Bridge로 중앙을 먼저 연결한 뒤 위·아래 공간을 채워 Void-Free 충진에 유리합니다.
Bridge 방식은 어떻게 작동할까요?
- 입구 성장 억제: 억제제와 역전류를 이용해 입구가 먼저 닫히는 현상을 늦춥니다.
- 중앙 Bridge 형성: 구리 성장을 홀 중앙에 집중시켜 허리 부분을 먼저 연결합니다.
- 완전 충진: Center Bridge를 기준으로 위·아래 공간을 안정적으로 채워 내부 공극을 줄입니다.
3. Bridge 형성과 완전 충진을 잇는 2-Step 공정
TGV를 빈틈없이 채우려면 도금액의 성분과 전류 파형을 함께 제어해야 합니다. 핵심은 1단계에서 중앙 Bridge를 만들고, 2단계에서 남은 공간을 안정적으로 채우는 것입니다.
2-Step 도금 공정
1단계: Bridge 도금 (Bridge Step)
- 목표 : 홀 중앙에 Cu Bridge를 먼저 형성합니다.
- 방법 : 정방향 전류와 역방향 전류를 반복하는 PPR(Periodic Pulse-Reverse)를 적용합니다.
- 효과 : 입구의 과도한 성장을 억제하고 중앙부 성장을 유도합니다.
2단계: Via-Fill 도금(Fill Step)
- 목표 : Bridge 위·아래에 남은 공간을 구리로 채웁니다.
- 방법 : DC(Direct Current) 또는 최적화된 전류 파형을 적용합니다.
- 효과 : 내부 공극을 줄이고 표면을 균일하게 마무리합니다. (Leveling 확보)
도금액 속 첨가제는 어떤 역할을 할까요?
- 가속제(Accelerator): 구리 석출을 촉진해 필요한 위치의 성장을 빠르게 합니다.
- 억제제(Suppressor): 입구 표면에 강하게 흡착하여 구리의 성장을 늦춰 조기 폐쇄를 방지합니다.
- 레벨러(Leveler): 돌출된 구리 표면에 선택적으로 흡착하여 균일하고 매끄러운 평탄도를 유도합니다.
세 첨가제의 균형과 PPR 파형을 함께 최적화해야 안정적인 Bridge와 Full-Fill을 구현할 수 있습니다.
4. TGV Cu 도금 기술은 어디로 발전하고 있을까요?
Glass Interposer 상용화의 핵심 열쇠는 TGV 내부를 결함 없이(Void-Free) 구리로 완벽하게 충진하는 도금 및 공정 제어 기술에 달려 있습니다.
최근 반도체 패키징 소재 및 도금 업계에서는 다음과 같은 기술을 중심으로 연구 개발과 기술 혁신이 이루어지고 있습니다.
- 더 깊고 좁은 홀 충진 : Via 깊이를 지름으로 나눈 값인 종횡비가 15:1~20:1인 구조에서도 Void 없이 채우기 위한 첨가제와 공정이 개발되고 있습니다.
- 도금 시간 단축 : 전류 밀도를 높이면서도 입구 폐쇄를 막기 위해 PPR과 DC를 결합한 파형 및 고전류용 첨가제 조합을 연구하고 있습니다.
- Via 형상별 맞춤형 충진 공정 : Hourglass, Straight, Tapered 등 홀 모양에 따라 Bridge 위치와 전류 조건을 조정하는 가변형 2-Step 도금 공정 라이브러리가 구축되고 있습니다.
- 환경성과 수명 개선 : 첨가제 분해 부산물(By-Product)을 줄이고 도금액 교체 주기를 늘려 폐수와 운영비를 낮추는 방향으로 발전하고 있습니다.
당사는 도금액 조성과 전류 파형을 함께 최적화해, 다양한 TGV 구조에서 결함 없는 충진과 양산성 향상을 지원하는 솔루션을 개발하고 있습니다. 단순한 성능 구현을 넘어, 첨가제 분해 부산물을 최소화한 친환경적이고 장수명(Long Bath Life) 도금 솔루션을 통해 차세대 반도체 패키징 시장의 지속 가능한 성장을 이끌어 가겠습니다.