AI 칩 증설을 막는 기판 병목과 유리기판의 한계

AI 칩 생산을 늘리려면 칩을 얹는 패키지 기판도 함께 늘어야 하는데, 대형 다층 기판은 배선 설계, 빌드업 가공, 휨과 수율 관리가 겹쳐 공급이 빠듯하다. 유리기판은 휨 문제의 대안으로 거론되지만 공정 과제가 남아 있어, 당장은 기존 기판 증설과 고객의 선제적 공급 계약이 중요하다.

⏱ 00:00AI 칩을 더 만들고 싶어도 칩을 붙이는 패키지 기판이 부족해 생산을 늘리기 어렵다는 이야기가 나온다. 인텔은 10월 29일(미국 현지 시간) 실적 발표에서 첨단 패키징용 기판의 업계 전반적인 공급 부족이 생산 확대를 제약한다고 설명했다.

같은 시기 브로드컴과 일본 토판이 싱가포르에 세운 합작 기판 공장도 주목을 받고 있다. 고객이 설계뿐 아니라 기판 공급 능력까지 먼저 확보하려는 움직임이 보이는 셈이다.

⏱ 01:50칩은 실리콘 조각 안에 계산 회로를 넣은 부품이고, 그 아래에 붙어 칩과 서버 보드를 전기적으로 이어 주는 판이 패키지 기판이다. 칩 표면의 연결점은 매우 좁은 간격에 모여 있어서, 기판 안에 가는 구리 배선을 그려 넓은 간격으로 펼쳐 준다.

이번 공장에서 만드는 FCBGA 기판은 칩의 연결면을 아래로 향하게 붙이고, 아래쪽에 작은 납 공을 배열해 보드와 연결하는 구조다.

⏱ 04:00연결이 많아지면 같은 평면에서 선끼리 겹치기 때문에 여러 층을 쌓고, 층 사이를 절연 재료로 막은 뒤 필요한 곳에만 구멍을 뚫어 연결한다. 배선이 가늘고 좁을수록 저항이 커져 열로 에너지가 낭비되고 전압이 떨어질 수 있어, 넓은 구리 영역으로 전류를 나눠 보내는 설계도 함께 들어간다.

칩이 순간적으로 큰 전류를 요구할 때는 가까이 둔 캐패시터가 전압의 출렁임을 줄인다. 삼성전기는 엔비디아와의 협력 발표에서 적층 세라믹 캐패시터와 실리콘 캐패시터를 기판 안에 넣는 기술을 소개했다.

⏱ 06:00공장은 작은 기판을 하나씩 만들지 않고 큰 패널을 한꺼번에 가공한 뒤 잘라낸다. 기판 한 변이 두 배가 되면 면적은 네 배가 되는데 한 패널에서 나오는 개수는 크게 줄어들어, 같은 물량을 맞추려면 더 넓은 면적을 처리해야 한다.

층을 쌓는 빌드업 공정은 절연 필름을 얇게 붙이고 레이저로 구멍을 낸 뒤 구리를 채우는 과정을 층마다 반복한다. ABF는 아지노모토가 만든 빌드업 절연 필름의 이름이며, 기판 전체가 그 재료로 만들어지는 것은 아니다.

⏱ 08:30칩을 붙일 때는 열을 가하는데, 기판의 구리와 절연재, 실리콘 칩은 열에 따라 늘어나는 정도가 달라서 서로 당기는 힘이 생긴다. 이 힘 때문에 판이 휘는 현상이 나타나고, 판이 커질수록 양 끝의 높이 차이가 커져 연결점이 어긋날 수 있다.

공정 중에 불량을 걸러내고 남은 양품 비율을 수율이라고 한다. 공장을 크게 지어도 수율이 안정되지 않으면 약속한 날짜에 물량을 맞추기 어렵다.

⏱ 10:30유리는 평평하고 치수가 안정적이어서 휨 문제를 줄이는 대안으로 거론된다. 다만 기존 유기 기판에 유리 섬유 천을 보강재로 넣는 방식과, 기판 중심의 코어 자체를 유리로 바꾸는 방식은 구분해서 봐야 한다.

유리에 구멍을 뚫어 구리를 채우는 TGV 공정, 깨짐과 균열, 금속과의 접착 같은 과제가 남아 있고, 유리 코어와 유리 인터포저는 아직 초기 단계로 설명됐다. 제조 중에만 쓰는 임시 유리 캐리어는 이미 생산에 쓰이지만, 이것이 완성품에 남는 유리 코어의 실적을 대신하지는 않는다.

⏱ 14:00칩 회사들은 차세대 칩 일정에 맞춰 기판 공급을 미리 확보하고 있다. 브로드컴은 기판 업체와 합작 공장을 세웠고, 엔비디아는 삼성전기와 유니마이크론 등과 예약 계약을 맺어 생산 능력을 확보했다.

다만 공장을 짓고 가동하기까지는 몇 년이 걸리고, 기판은 칩 구조에 맞춰 설계되어 다른 판을 바로 끼워 쓸 수 없으며 신뢰성 검증도 필요하다. 그래서 앞으로는 제품이 얼마나 안정적으로 물량을 내보내는지를 지켜봐야 한다.