AI 칩은 만들어도 기판이 없다? 반도체 공급을 막는 새로운 병목

AI 칩을 더 만들려 해도 칩을 올리는 패키지 기판이 부족해 생산이 막히고 있다는 소식으로 시작한다. 기판의 배선과 전원 설계, 층을 쌓는 빌드업 공정, 휨과 수율 문제를 단계별로 짚고, 유리기판이 이런 문제를 어디까지 풀 수 있는지와 고객이 생산 능력을 미리 확보하는 흐름을 정리한다.

⏱ 00:00인텔은 실적 발표에서 첨단 패키징에 쓰는 기판의 업계 전반적 공급 부족이 생산 확대를 제약한다고 밝혔다. 칩을 만드는 웨이퍼 공정과는 별개로, 칩을 조립할 기판에서도 공급이 막혀 있다는 의미다. 이어 제출된 분기 보고서에는 미래 기판 공급을 확보하기 위한 두 건의 계약이 언급됐다. 고객이 몇 년 뒤에 쓸 기판을 지금부터 준비하고 있다는 뜻으로 읽을 수 있다.

같은 시기 브로드컴과 일본 Toppan의 합작사가 싱가포르에 연면적 약 9만 5천 제곱미터 규모의 기판 공장을 열었다. 칩 설계 고객과 기판 공급 업체가 생산 기지에 함께 참여한 구조이며, 실제 제조 시작은 올해 말이 목표라고 한다.

⏱ 01:49칩은 아래쪽 연결점으로 신호와 전기를 주고받는데, 이 연결점은 아주 좁은 간격에 모여 있다. 반면 서버 보드의 연결 간격은 넓어서 둘을 바로 붙일 수 없다. 그래서 칩과 보드 사이에 패키지 기판이 들어가 간격을 펼쳐 주는 중간 다리 역할을 한다.

이번 공장에서 만드는 FCBGA 기판은 칩의 연결면을 아래로 향하게 붙이고, 기판 아래에 작은 납 공을 배열해 서버 보드와 이어 준다. 기판 안에는 가느다란 구리 배선이 그려져 있어 칩에서 올라온 연결을 나누어 보내고 보드에 맞는 간격으로 펼친다.

⏱ 03:58칩의 기능이 늘고 주고받는 데이터가 많아지면 배선이 지나갈 자리가 부족해진다. 선이 서로 겹치면 원치 않는 곳으로 전기가 흐를 수 있어, 배선을 더 가늘고 촘촘하게 만드는 것이 핵심 과제가 된다. 다만 칩에 전기를 공급할 자리도 남겨야 해서 모든 연결에 같은 방식을 적용할 수는 없다.

구리선은 폭이 좁아질수록 저항이 커져 전달 중 열로 소모되는 에너지가 늘고, 칩에 걸리는 전압이 떨어질 수 있다. 그래서 신호선과 별도로 넓은 구리 영역을 두어 전류를 나눠 보내고, 순간적인 전류 요구에 대비해 가까운 곳에 캐패시터를 배치해 전압이 출렁이는 것을 줄인다. 삼성전기가 10월 21일 엔비디아와의 기판 공급 협력을 발표하며 MLCC와 실리콘 캐패시터를 기판 안에 넣는 기술을 소개한 것도 이런 설계 흐름과 맞닿아 있다.

⏱ 05:00신호선이 한 평면에서 서로 부딪히면 위층과 아래층으로 나눠 배치한다. 층 사이에는 전기가 통하지 않도록 절연 재료를 넣고, 층을 옮겨야 하는 곳에만 구멍을 내어 구리로 연결한다. 이 작은 통로를 비아라고 부른다. 이렇게 층을 차례로 쌓는 방식을 빌드업이라고 하며, ABF는 아지노모토가 만든 빌드업 절연 필름의 이름으로 기판 전체가 아니라 배선층 사이의 절연 재료를 가리킨다.

생산은 작은 기판을 하나씩 만들지 않고 큰 패널에 여러 개를 함께 가공한 뒤 나눈다. 기판이 커지면 한 패널에서 나오는 개수가 줄고, 층이 많아지면 층마다 레이저 구멍 뚫기와 구리 형성을 반복해야 해서 작업량도 늘어난다. 같은 출하량을 맞추려면 장비와 공정의 여유를 더 확보해야 한다.

⏱ 08:28칩을 붙일 때는 열을 가해 작은 금속 연결부를 접합한다. 이때 기판 안의 구리, 절연재, 실리콘 칩은 열에 늘어나는 정도가 서로 달라 당기는 힘이 생기고, 판이 휘어지는 워피지가 나타날 수 있다. 판이 커질수록 양끝의 높이 차이가 커져 연결점이 맞지 않을 위험도 커진다.

그래서 상온에서 평평하게 만드는 것만으로는 부족하고, 재료 선택과 층 배치 단계부터 이 힘을 줄이도록 설계해야 한다. 열을 가해 보며 변형을 확인하고 공정 조건을 조정하는 작업도 따라온다. 또한 연결이 끊기거나 엉뚱하게 붙은 불량을 기판 단계에서 걸러내야 칩 조립 비용의 낭비를 막을 수 있다. 수율은 공정에 넣은 양에서 불량을 뺀 뒤 요구 조건을 만족하는 비율이며, 공장을 크게 지어도 수율이 안정되지 않으면 약속한 물량을 맞추기 어렵다.

⏱ 10:28휨 문제를 줄이기 위해 더 평평하고 치수가 안정적인 유리를 쓰자는 접근이 나온다. 하나는 기존 유기 기판의 수지에 유리섬유 천을 보강재로 넣는 방식이다. Nittobo가 소개하는 T-glass도 열에 따른 크기 변화를 줄이려는 유리섬유 직물이다. 다른 하나는 기판의 중심을 받치는 코어 자체를 유리로 만드는 차세대 유리 코어 기판이다. 두 방식은 이름에 유리가 들어가도 바꾸는 부품과 공정이 다르며, 유리 코어를 쓴다고 빌드업 공정이 모두 사라지는 것은 아니다.

유리는 깨지기 쉬워 가공과 이송 과정에서 구멍 주변의 깨짐과 균열이 문제가 되고, 유리와 금속의 접착도 과제로 꼽힌다. 유리를 관통하는 연결 구멍인 TGV에 구리를 제대로 채우는 것도 중요하다. 제조 중 임시로 받치는 유리 캐리어는 이미 생산에 쓰이지만, 완성품 안에 남는 유리 코어나 유리 인터포저는 아직 초기 단계로 보는 것이 맞다. 캐리어의 양산 경험을 유리 코어의 실적으로 그대로 읽을 수 없는 이유다.

⏱ 13:26기판은 칩 설계와 맞물려 있어 크기만 맞는 다른 판으로 대체하기 어렵다. 연결 배치와 배선이 제품별로 설계되어 있으므로 기판 업체와 구조를 맞추고, 칩과 기판을 조립한 패키지가 실제 사용 조건에서 작동하는지 검증하는 시간이 필요하다. 칩 일정과 공장 설비 일정이 어긋나면 칩이 나와도 기판은 아직 준비 중일 수 있어, 칩 회사와 기판 회사가 몇 년 앞을 함께 계획해야 한다.

브로드컴은 Toppan의 FCBGA 기판을 가장 많이 사는 고객이며, 엔비디아도 삼성전기, 유니마이크론과 생산 능력을 예약하는 계약으로 물량을 준비하고 있다. 예약된 생산 능력이 실제 물량이 되려면 증설과 제품 검증을 거쳐야 하므로, 앞으로는 고객 제품에 쓸 기판이 얼마나 꾸준하고 안정적으로 공급되는지를 살펴보는 것이 중요하다.