유리기판의 열팽창은 작을수록 좋을까?

AI 반도체 패키지가 커지면 칩과 배선을 안정적으로 붙잡는 기판도 중요해진다. 유리가 온도 변화에 덜 늘어나고 치수를 잘 유지한다면, 열팽창계수가 가장 작은 유리를 고르면 될까?

패키지에는 유리만 있는 것이 아니다. 칩·구리 배선·수지층이 서로 붙어 있어 한 재료의 장점이 다른 접합부의 부담으로 옮겨 갈 수 있다.

유리기판의 열팽창은 작은 숫자 자체보다, 함께 붙이는 재료와 공정 온도에 얼마나 잘 맞는지로 평가해야 한다.

1. 열팽창계수에는 상대 재료가 필요하다

열팽창계수, 즉 CTE는 온도가 변할 때 길이가 원래 길이의 얼마만큼 변하는지를 나타낸다. 3ppm/K라면 온도 1K 변화에 길이가 약 100만분의 3만큼 변한다는 뜻이다. 여기서 비교하는 것은 길이 방향의 계수다.

SCHOTT의 패키징용 유리 패널 안내는 3~8ppm/K와 그 이상의 CTE를 제공한다고 설명한다. 유리도 조성과 제품에 따라 팽창 정도를 달리 설계할 수 있다. 공개 사양표의 계수 범위에는 20~300℃라는 온도 조건도 붙어 있다.

칩과의 팽창 차이를 줄인 선택이 구리와의 차이까지 동시에 줄이지는 않는다. “CTE가 낮다” 다음에는 반드시 “어느 재료와 어느 온도 구간에서 맞췄는가”를 물어야 한다.

2. 같은 팽창 차이도 길이가 커지면 더 큰 변위가 된다

OpenStax의 선형 열팽창 설명은 계수를 일정하게 보는 근사에서 길이 변화가 ‘CTE × 처음 길이 × 온도 변화’라고 설명한다. 서로 붙이지 않은 두 재료가 자유롭게 늘어날 때의 길이 차이는 두 CTE의 차이로 계산할 수 있다.

교육용으로 유리 A의 CTE를 3, 유리 B를 8, 구리를 17ppm/K로 고정하자. 구리 17은 교재의 대표값이고 유리 두 값과 아래 길이는 가정이다. 실제 제품 측정값이나 패키지 설계 계산이 아니다. 모두 같은 온도로 균일하게 100K 올라간다고 가정한다. 온도 차이 100K는 100℃ 차이와 같고, 1µm는 0.001mm다.

첫 행에서 유리 A는 15µm, 구리는 85µm 늘어나므로 차이는 70µm다. 길이를 두 배로 하면 차이도 두 배가 된다. 더 많이 팽창하는 유리 B는 같은 길이에서 오히려 구리와의 차이가 작다.

다만 붙어 있는 실제 패키지는 두 재료가 각자 자유롭게 늘어날 수 없다. 접합부의 구속, 층의 두께와 변형에 버티는 정도인 강성, 형상에 따라 응력과 변형이 달라진다. 140µm는 균열 길이나 기판의 휨 높이가 아니다. 이 계산은 크기와 온도 변화가 왜 중요한지 보여 줄 뿐, 파손 확률을 계산하지 않는다.

3. 판 전체의 안정성과 비아 주변의 균열을 나누어 본다

TGV는 유리를 관통하는 작은 구멍에 금속을 넣어 위아래를 전기적으로 연결하는 구조다. 판 전체가 평탄해도 구리와 유리가 만나는 구멍 주변에는 국소적인 응력이 생길 수 있다. 판의 길이를 그대로 비아의 균열 계산에 넣어서는 안 된다.

2021년 Corning 연구진의 원주 방향 균열 연구는 비아를 둘러싸는 방향의 균열을 다뤘다. HPFS 용융실리카 유리의 평균 외경 47.5µm 구리 TGV를 400℃에서 열처리한 뒤 냉각하는 조건이었다. 해당 시험에서는 구리 금속화 두께가 12µm 미만일 때 그 균열이 관측되지 않았고, 더 두꺼워지면 발생 가능성이 커졌다.

이 결과는 모든 유리기판에 적용할 두께 기준이 아니다. 재료·비아 형상·공정이 고정된 사례다. 여기서 얻을 판단 기준은 유리의 CTE만 비교하지 말고 비아의 지름·형상·금속 두께와 접합 구조까지 함께 확인하라는 것이다.

4. 최고 온도가 같아도 가열 속도가 결과를 바꿀 수 있다

Corning의 공개 특허 EP3774682B1, 실시예 2는 다른 조건의 시험을 보여 준다. 실리카가 90mol% 이상인 유리에 구리로 채운 비아를 만들었다. 시편은 14×14mm, 비아는 952개였으며 지름·간격·깊이는 각각 50·100·300µm였다.

아래 두 조건은 모두 공기 중에서 420℃까지 가열하고 30분 유지한 뒤 약 120분 동안 노 안에서 냉각했다. 각 가열 속도에서 시편 하나를 50~500배 광학현미경으로 검사해 비아에서 바깥으로 뻗는 방사 방향 균열을 셌다.

특허는 느린 가열에서 구리의 응력 완화가 더 진행된 것으로 해석하며, 구리가 표면 밖으로 돌출되는 정도도 달라졌다고 보고한다. 균열을 줄이는 공정이 다른 형상 변화와 공정 시간에도 영향을 줄 수 있다는 뜻이다.

두 조건의 가열 시간은 네 배 차이지만 전체 공정 처리량이 네 배 차이라는 뜻은 아니다. 유지·냉각·다른 공정과 장비 구성이 남아 있다. 또한 관측한 균열 0개는 양산 불량률 0%나 모든 온도에서의 안전을 입증하지 않는다. 이 시험은 특정 시편의 열처리 결과이며 AI 패키지의 고객 인증 성적표가 아니다.

5. 신뢰성 발표를 읽을 때 시험표를 요청한다

“열에 강하다”는 설명을 보면 어떤 유리와 어떤 금속화 구조를 시험했는지부터 적는다. 온도의 최저·최고값뿐 아니라 가열·냉각 속도, 유지 시간, 반복 횟수와 시험 후 검사 항목을 함께 확인한다.

처음부터 있던 결함과 시험 중 새로 생긴 결함도 구분해야 한다. NIST의 유리 균열 연구는 작은 기존 결함에서 균열이 성장하며 수명에 영향을 줄 수 있음을 설명한다. 겉으로 깨지지 않았다는 관찰만으로 전기 연결과 장기 신뢰성이 확인된 것은 아니다.

실제로 사용할 패키지와 시험 시편의 크기·층 구성·비아 구조가 다르면 그 차이를 어떻게 검증했는지 묻는다. 균열·박리·구리 돌출과 전기저항 변화 가운데 무엇을 합격 기준으로 삼았고, 몇 개의 시편과 생산분을 검사했는지도 남긴다.

투자자가 확인할 것은 가장 낮은 CTE를 가진 회사의 이름보다 고객이 요구하는 구조에서, 필요한 처리 시간과 비용으로, 어떤 신뢰성 조건을 통과했는가다. 그 시험의 범위가 구체적일수록 소재의 장점을 실제 공급 능력으로 연결하기 쉬워진다.