기판 시리즈 (PCB vs Si vs Glass; PCB편 w/ CCL)

 최근 PCB에 들어가는 CCL (동박적층판) 업체를 검토했는데, 인터넷에 공개된 자료들을 기반으로 공부한 내용들을 하나씩 정리해보려 한다. 고성능/고속 신호 반도체에 대한 수요가 늘어나면서, 칩을 전기적으로 연결하는 반도체 기판에 대한 관심도 높아지고 있다. 앱솔릭스에서는 유리기판 생산을 위한 Capex 투자를 늘리고 있으며, 삼성전기 등도 양산 시점을 2027년으로 잡고 있다. [1] 반도체 패키지 기판은 단순히 칩을 얹고 I/O를 제공하는 구조체를 넘어서, 고속 인터커넥트, 고밀도 회로 배선, EMI 제어, 열 관리 등 차세대 시스템의 핵심 기반으로 자리 잡고 있다.

 오랜 기간 FR‑4, BT Resin 기반의 전통적 재료였던 기판은 이제 ABF(Ajinomoto Build-up Film) 등 초미세 라인/스페이스 구축과 칩렛 통합, 2.5D/3D 패키지, HBM 인터포저 등의 복잡한 기능을 소화하는 고성능 substrate로 진화하고 있다. 최근에는 특히 저유전 손실 재료(High‑speed Low‑Dk&Df)와 유리(interposer, glass substrate) 기반 기판이 주목받고 있다. 5G‑X, AI‑acceleration, 서버, 고해상도 센서용 패키지 등에서 고주파‧초고속 신호 요구가 급증함에 따라, Megtron‑계열 저유전 PCB, Teflon 계열, 그리고 유리 기반 RDL 인터포저까지 다양한 재료와 설계 방식이 공존하게 되었다. 이러한 변화는 기판의 전기적 성능, 기계적 안정성, 생산성 간 균형을 재정의하고 있다. 이번 시리즈에서는 기존에 많이 활용되었던 PCB의 발전 동향과 현재 고성능 칩을 위해 많이 활용되는 실리콘 기판, 차세대 기판으로 불리는 유리기판에 이르기까지 다양한 기판의 특성을 분석할 예정이며, 이번 글에서는 PCB를 먼저 다뤄볼 예정이다.

왼쪽: 컴퓨터로 설계한 PCB / 오른쪽: 실제로 구현한 PCB (출처: 위키백과)

PCB (Printed Circuit Board) 

 PCB는 소형 가전 등 간단한 회로 설계에 적용되는 단층 PCB (한 면만 구리 도금으로 배선)이나 양면 PCB (기판 앞뒤에 구리 도금하고, Via (홀)로 연결)과 서버/반도체 패키지 등에 적용되는 다층 PCB (3~50층 정도의 내부 Layer에 회로를 집적)로 나뉜다. (이 글에서는 다층 PCB를 조금 더 자세하게 다룬다.)

 다층 PCB는 도체층(구리층)과 절연층(프리프레그(Prepreg)), 코어 (구리/유전체 등으로 이루어진 회로)를 교차로 쌓아 만든다. 내부층에는 전력(Power Layer), 접지(Ground Layer), 내부 신호선(Signal Layer)이 있고, 외부 층에는 일반적으로 입출력 패드와 IC와의 연결, 고속 신호선이 있다. 최근, 고주파/고속 신호 전송을 요구하는 Application이 늘어나면서, 이를 위한 PCB 개발도 이루어지고 있다. 고속 신호일수록 전자파처럼 동작하므로, 단순한 도선이 아니라 전송선(transmission line)처럼 설계해야 하는데, 신호 반사나 간섭, 지터 등의 이슈가 생긴다. 이런 이슈 등을 해결하기 위해서는 GND (접지)와의 전송선 등의 거리 제어, 정밀한 구조 설계, 새로운 소재 등이 필요하다.

Low-Dk (저유전) CCL (Copper Clad Laminate, 동박적층판)

 고주파/고속 신호에 필요한 PCB 수요가 늘어나면서, 코어와 프리프레그에 적용되는 소재들에 대한 개발도 이루어졌다. 기존 PCB는 FR-4 (Flame Retardant-4)라는 소재를 주로 사용했는데, 가공성이 우수하고 저렴하다는 특징이 있다. 단, 고주파/고속 신호에서는 Low-Dk (저유전) CCL (Copper Clad Laminate, 동박적층판)이 적용되고 있는데, Low-DK CCL은 동박 (구리)와 유전율이 낮은 유전체로 구성된 복합소재를 말한다. 유전율이 낮아야 고속신호 전송 및 고주파 신호에 유리하다고 하는데 이 부분이 헷갈렸었다. 유전체는 단순히 절연의 기능만 수행하는 것으로 생각했는데, 유전율이 낮은 것이 고주파 전송이랑 무슨 관계가 있는 것인지가 헷갈려서 조금 더 스터디를 했다. 저속 신호 (MHz 이하)일 때는 구리에 전류 (I)가 흐르면서, 신호가 전달되지만, 고속 신호 (GHz 이상)일 때는 구리가 경계면이 되는 유전체를 통해 전자기파 (EM wave)로 신호가 전달된다. 유전체에서는 유전율이 높을수록 전자기파가 느려진다는 물리적 원칙에 따라, 고속 신호에서는 유전체의 유전율이 작을수록 빠르고 손실이 적은 신호 전송이 가능해진다. 따라서, Low-Dk CCL에 대한 개발이 이뤄지고 있는데, Megtron (Panasonic), Rogers (Rogers Corp.)가 가장 유명하고, 국내에서는 두산전자가 유명하다.

1) Megtron

 Panasonic에서 개발한 Megtron은 고속 서버/고밀도 PCB나 통신용 PCB에 주로 적용되며, 유전율은 약 3.3~3.7 (@1GHz), 유전 손실은 약 0.002~0.005다. 일반 적층형, 다층 PCB용으로 고속 신호 전송은 가능하나 미세화는 ABF보다 조금 떨어진다. 통신용 PCB는 유전 손실이 반도체 PCB보다 낮아야 한다.

2) Rogers

 Rogers는 초고주파 RF 회로에 특화된 소재로, 유전율은 약 2.2~3.5 (@1 GHz)며, 유전 손실은 약 0.0009 ~ 0.003이다. 초 저 손실과 안정적 전파 특성을 위해 테플론(PTFE) 계열이 많이 사용되며, 가공도 까다롭다. 가공이 까다로운 이유는 테플론 (PTFE)나 세라믹 계열의 특수 재질을 사용하기 때문이다. PTFE는 연질이고, 가공 시 변형이나 찢김이 발생하며, 세라믹은 너무 단단해서 드릴 마모가 심하다. 따라서, 고주파 특성은 매우 우수하지만, 드릴링, 라미네이션, 접착, 패턴 가공 등 모든 공정에서 특별한 장비와 노하우가 필요하기 때문에 상대적으로 단가가 비싸다.

3) 두산 전자BG (부문) (다양한 포트폴리오 보유)

 두산 (전자 BG)는 대표적인 국내 CCL 제조사 (다른 사업도 있음)로 FR-4부터 고속/고주파용 저유전 CCL까지 다양한 제품을 생산하고 있다. 위에서 소개한 제품군들보다 가격 경쟁력이 우수하고, RF/고속용에서 평가가 좋다. 특히, 엔비디아의 AI 가속기에 사용되는 CCL을 양산한다는 점에서 주목을 받았다. 과거 호퍼 (Hopper) 모델에서는 듀얼 밴더였으나, 블랙웰 (Blackwell) 모델부터는 독점 공급자로 선정되었고, [3] 차세대 GPU 개발에도 참여하고 있다는 얘기가 있다. '24년 4분기 엔비디아 向 CCL 매출이 약 1천억원을 상회하는 등 관련 매출은 꾸준하게 우상향하고 있다. 

 RF에서도 뛰어난 경쟁력을 가지고 있으며, 77 GHz 대역 차량 레이더에도 적용되고 있다. [4] mmWave 등 6G에도 적용이 될 수 있지만, 개인적으로 5G/6G의 Outdoor 환경에 mmWave를 적용하는 것은 단기적으로 현실성이 떨어진다고 생각하기 때문에, 레이더 등 다른 적용처의 매출이 커지지 않을까 생각한다. Value Chain의 가장 아래에 위치한 '소재'에 속하기 때문에 사업 초반 매출이 빠르게 성장하기는 어려워도, 산업군과 고객사만 잘 잡으면, 매출이 빠르게 성장하고 마진율도 좋은 사업이라는 생각이 들었다.

 

* ABF (Ajinomoto Build-up Film)

 전통적인 CCL은 아니지만, 기능적으로 패키지 기판용 CCL과 유사한 역할을 하는 필름 ABF도 있다. ABF는 주로 반도체 패키지 (CPU/GPU)에 적용되며, 유전율은 약 3.2~3.8 (@1 GHz), 유전 손실은 약 0.004~0.01이다. 패턴 미세화가 가능하다는 특징 때문에, 배선/접속이 중요한 반도체 패키지에 주로 적용된다. 수 GHz 대역에서 주로 사용되며, 열/기계적 '안정성'이 중요하기 때문에 필름 타입으로 개발되었다. 다른 CCL들과 비슷하게 적층형이긴 하지만, 필름 타입이라고 별도로 정의하는 것은 이유가 있다. 일반 프리프레그는 단순한 접착용 절연 시트고 CCL에 따로 붙여야 하지만, ABF는 그 자체로 고유의 유전 특성을 가진 절연재 필름이기 때문에, 절연/패턴 형성/Via 형성까지 가능한 기능성 필름이다. (단순히 얇다는 의미의 필름이 아님.) ABF 필름은 균일도, 유전 특성, 열팽창 특성이 매우 뛰어나기 때문에 1um 이하의 배선, 50um 이하의 micro-via 형성도 가능하다. 공정은 1) ABF 필름을 코어 기판 위에 라미네이션 2) 레이저 드릴로 Via 형성 3) 구리 도금으로 회로 형성 4) 반복해서 층으 빌드업 하는 형태로 이루어진다. 유리기판과도 함께 적용되는 연구/개발이 이루어지고 있다.

 

 Conclusion

 AI 반도체/방산 등 전방 산업이 고성능 PCB를 요구함에 따라서 이를 위한 저유전 CCL과 소재 등의 개발 및 양산도 이루어지고 있다. ABF 등 반도체에 주로 적용되는 소재가 있는가 하면, Megtron/Rogers처럼 고주파에 강점을 가진 CCL도 있다. 국내에서는 두산전자가 엔비디아의 Value Chain에 들어가는 등 좋은 성과를 보이고 있다. 시장은 꾸준히 커질 것으로 보이지만, 조금 더 깊게 따져봐야 할 부분도 있다. 고주파/고속 신호에 민감한 고급 CCL은 단순 절연 재료가 아니라 정밀 유전체/전송 소재이기 때문에, 정밀한 소재 양산을 위해서는 수율 확보도 중요한 이슈다. 또한, 아직은 Si 기판이 비싸서 HBM와 GPU 연결에만 제한적으로 적용되고 있지만, Si 기판, Glass 기판 등 차세대 기판이 등장하고 Supply Chain이 안정화되면, 반도체/고주파 영역에서의 PCB의 포지셔닝이 애매해질 수 있다. 단, PCB는 오랜 기간 안정성이 증명된 기술이며 단가 경쟁력도 훨씬 뛰어나기 때문에 단기적으로 높은 점유율을 차지할 것이라 생각한다. 특히 CCL은 CCL $\rightarrow$ PCB $\rightarrow$ 반도체 $\rightarrow$ Application (e.g., AI/방산/자율주행)로 이어지는 Value Chain을 가지고 있는데, 전방 산업들의 성장과 각 산업에서 Critical 한 성능 이슈들도 공부해야 우리가 검토하는 CCL이 어느 Vendor를 잡고 점유율을 확대할 수 있을지 가늠할 수 있을 것 같다.

 

Reference

[1] 곳간 채운 앱솔릭스, 반도체 유리기판 생산 늘린다 - 전자신문

곳간 채운 앱솔릭스, 반도체 유리기판 생산 늘린다

[2] 삼성전기, 유리기판 선도...주가 부양 이슈로 주목 | 한국경제

삼성전기, '유리기판' 선도...주가 부양 이슈로 주목

[3] https://www.businesskorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=232197&utm_source=chatgpt.com

Doosan Electronics BG Starts Mass Production of CCL for NVIDIA's Blackwell AI Model

[4] https://www.doosanelectronics.com/kr/media/news/21000495?utm_source=chatgpt.com

뉴스 : 뉴스 & 미디어 : (주)두산 전자