유리관통전극

구조와 역할

유리관통전극(TGV)은 유리기판을 수직으로 관통하는 금속 충전 비아로, 기판 상면의 칩 연결 패드와 하면의 PCB 연결 패드를 전기적으로 잇는 역할을 합니다. 구조적으로는 유리에 형성된 관통홀 내벽에 접착층(Ti/TiW)과 시드층(Cu)을 증착한 뒤, 전해 도금으로 구리를 완전히 충전(conformal 또는 full-fill)하는 형태입니다. TGV의 직경, 피치, 충전 방식에 따라 전기적 특성과 신뢰성이 결정됩니다. 일반적으로 직경 30~80μm, 피치 60~200μm 범위에서 설계되며, 유리 두께에 따라 종횡비(aspect ratio)가 3:1에서 10:1까지 다양합니다. TGV는 단순 전기 연결 외에도 열 전달 경로, 접지면(ground via) 역할을 겸하며, 고밀도 TGV 배열은 전력 공급망(PDN)의 임피던스를 낮추는 데 기여합니다.

홀 형성

TGV의 홀 형성은 유리기판 공정에서 가장 기술적 난도가 높은 단계 중 하나입니다. 주요 방법으로는 레이저 직접 천공(laser direct drilling), 레이저 유도 습식 식각(LIDE, Laser Induced Deep Etching), 포토감광유리 식각(APEX 유리), 초음파 드릴링 등이 있습니다. 레이저 직접 천공은 속도가 빠르지만 홀 벽면에 열 영향부(HAZ)와 마이크로 크랙을 남길 수 있어, 후처리 식각이 필수적입니다. LIDE 방식은 펨토초 레이저로 유리 내부에 변질 영역을 형성한 뒤 HF 용액으로 선택적으로 식각하여, 벽면 품질이 우수하고 크랙 발생이 적습니다. 홀 형성 후에는 세정(SC-1/HF 혼합 또는 DI water 초음파)과 열처리(어닐링)로 잔류 응력을 완화합니다.

금속화 충전

홀 형성 후에는 금속을 충전하여 전기 전도 경로를 완성합니다. 먼저 접착층(Ti 또는 TiW, 20~100nm)을 PVD(물리기상증착)로 증착하고, 구리 시드층(100~500nm)을 이어 증착합니다. 고종횡비 홀에서는 PVD만으로 벽면 피복이 부족할 수 있어, 무전해 도금(electroless Cu deposition)으로 시드를 보강하기도 합니다. 이후 전해 구리 도금으로 홀 내부를 완전히 충전합니다. 도금 조건(전류밀도, 첨가제 조성, 교반 방식)은 보이드(void)와 심(seam) 없는 충전을 위해 정밀 제어해야 합니다. 바텀업(bottom-up) 충전 방식은 홀 하단부터 구리가 성장하도록 첨가제를 조절하는 기법으로, 보이드 발생을 최소화할 수 있습니다.

• 접착층 재료: Ti, TiW, Cr(유리-구리 계면 접착력 확보)
• 시드층 두께: 100~500nm(PVD) + 0.5~1μm(무전해, 선택적)
• 전해 도금 전류밀도: 0.5~3 A/dm²(충전 품질과 속도의 균형)
• 충전 방식: 바텀업(bottom-up) 또는 슈퍼필(superfill) 선호

전기 특성

TGV의 전기 특성은 단위 비아 저항(via resistance), 기생 인덕턴스, 기생 정전용량으로 평가됩니다. 구리로 완전 충전된 TGV의 단위 저항은 직경과 길이에 따라 수 mΩ~수십 mΩ 범위이며, 실리콘 TSV와 동등 수준입니다. 유리의 낮은 유전상수(Dk ~5) 덕분에 비아 간 커플링 정전용량이 실리콘(Dk ~11.7) 대비 절반 이하로 낮아, 고속 신호 전달 시 크로스토크(crosstalk) 감소에 유리합니다. 전력 전달망(PDN) 관점에서도 TGV의 낮은 인덕턴스는 전압 강하를 줄이는 데 기여합니다.

결함 원인

TGV의 주요 결함은 보이드(도금 미충전 공간), 크랙(홀 벽면 또는 유리 표면), 접착 불량(금속-유리 계면 박리), 전기적 불량(오픈·고저항)으로 분류됩니다. 보이드는 도금 첨가제 조성 부적합이나 교반 불균일에서 기인하며, X-ray CT로 비파괴 검사합니다. 크랙은 레이저 천공 시 열 충격이나 후속 열처리 시 잔류 응력 해소 과정에서 발생합니다. 접착 불량은 유리 표면 처리 부족(수산기 부족, 오염)이 원인이며, 습열 시험에서 가속 열화되어 나타나는 경우가 많습니다. 결함 방지를 위해서는 각 공정 단계의 인라인 검사와 공정 파라미터 SPC 관리가 필수적입니다.

TGV 수율 참고

학회 발표 기준 TGV 단일 비아 수율은 99.9% 이상을 목표로 하지만, 수천 개 비아가 하나의 기판에 집적되면 기판 단위 수율은 급격히 낮아집니다. 비아 수 N개인 기판의 수율은 (단일 비아 수율)^N으로 근사할 수 있어, 단일 비아 수율 0.01%의 차이가 기판 수율에 큰 영향을 미칩니다.

TSV 비교

유리관통전극(TGV)과 실리콘관통전극(TSV)의 가장 큰 차이는 기판 소재에서 비롯됩니다. TSV는 실리콘 웨이퍼에 형성되며, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)로 홀을 가공합니다. 실리콘은 전도체이므로 TSV 주변에 SiO₂ 절연 라이너를 별도로 형성해야 하지만, 유리는 자체가 절연체여서 라이너가 불필요합니다. 이는 공정 단계 축소와 비아 피치 축소에 유리합니다. 반면 유리는 실리콘보다 열전도율이 현저히 낮고 취성이 커서, 열 관리와 핸들링에서 불리합니다. 경제적 측면에서 TGV는 패널 기반 대면적 가공이 가능해 단위 면적당 비용이 잠재적으로 낮지만, 현재는 양산 인프라가 부족해 실제 비용 비교는 아직 어렵습니다.

1. 절연 라이너 불필요 → 비아 피치 축소 가능(TGV 장점)
2. 패널 기반 가공 → 대면적 확장 용이(TGV 장점)
3. 열전도율 낮음 → 별도 열 관리 필요(TGV 단점)
4. 취성 → 핸들링 자동화 필수(TGV 단점)

이 글은 AI(인공지능)의 도움을 받아 작성되었습니다.