성균관대 기계공학부 이은호 교수 연구팀은 다이치코리아-비아코어(Via Core) 컨소시엄과 반도체 유리기판 유리관통비아(TGV) 주변 열응력을 줄이는 설계 방안을 제시했다고 3일 밝혔다.
구리 배선과 유리 사이에 유연한 고분자층을 넣고, 그 두께만큼 비아 구멍(PCB나 반도체 기판에서 서로 다른 층에 있는 전기적 배선을 수직으로 연결하는 작은 구멍)을 키워 전기저항을 높이지 않는 방식이다.
TGV는 유리기판 위아래 회로를 전기적으로 잇는 통로다. 온도가 오르내리면 구리와 유리의 팽창·수축 정도가 달라 비아 주변 유리에 응력이 쌓인다. 깨지기 쉬운 유리 특성상 이 응력은 기판 신뢰성을 좌우하는 변수로 꼽힌다.
연구팀은 구멍 전체를 구리로 채우지 않고 안쪽 벽만 도금해 가운데를 비운 구조를 분석했다. 유연한 고분자층은 구리와 유리 사이에서 두 재료의 변형 차이를 흡수하는 완충재 역할을 한다. 이론 모델과 열·기계 해석으로 비교한 결과, 기준 설계에 유연한 고분자층을 넣으면 유리 응력이 중간층 없는 구조보다 약 34~59% 낮아지는 것으로 예측됐다.
중간층 없는 구조의 응력을 1로 놓으면 응력비는 0.41~0.66이다. 반면 단단한 중간층을 넣었을 때 감소 폭은 3~5%에 그쳤다. 같은 위치라도 중간층 재료에 따라 완충 효과가 크게 갈린 셈이다.
관건은 전기적 성능과 맞교환이었다. 구멍 크기를 고정한 채 고분자층을 두껍게 하면 전류가 흐르는 구리 단면적이 줄어든다. 연구팀은 구멍 반경을 고분자층 두께만큼 넓혀 구리 단면적을 유지했다. 이 설계에서는 고분자층이 두꺼울수록 유리 응력이 더 낮아졌고, 계산된 비아 전기저항은 늘지 않았다. 응력과 저항 가운데 어느 한쪽을 희생하지 않아도 되는 설계 조건을 찾은 것이다.
실제 시편 측정도 병행했다. 연구팀은 시편 5개 비아 39개를 대상으로 250~1000회 반복 가열·냉각 전후 구리 표면 높이를 레이저 현미경으로 비교했다. 비아 둘레에서 관찰된 높이 변화는 약 0.2~0.5μm(마이크로미터) 수준이었다. 응력 감소 폭은 해석으로 도출한 예측치다.
연구 결과는 제1저자인 성균관대 박사과정 정현우 연구원이 3~6일 부산에서 열리는 반도체 패키징 국제학술대회 ISMP 2026에서 발표한다.
유리기판은 기존 유기 기판보다 표면이 평탄하고 대면적화·미세 배선에 유리해 AI 반도체용 차세대 패키지 기판으로 주목받는다. 다만 TGV·도금 공정에서 수율과 신뢰성을 확보하는 것이 양산 걸림돌로 꼽힌다.
삼성전기는 고객사 품질·신뢰성 검증이 길어지면서 양산 목표를 2027년에서 2028년으로 조정했다. SKC 자회사 앱솔릭스, LG이노텍, 인텔 등도 개발과 양산 준비에 속도를 내고 있다.
김시소 기자 siso@etnews.com
