특허 개요
본 특허는 유리 기판과 반도체 칩 사이의 빛길을 연결하는 글래스 인터포저 기반 광연결 반도체 패키지입니다. 글래스 베이스 구조체에 실리카 제3 도파로와 패터닝된 실리콘 질화물(SiN) 박막 기반 제1 도파로를 형성하고, 포토닉 패키지 내부의 제2 도파로와 광 결합합니다. SiN 제1 도파로는 실리콘 또는 SiN 기반 칩 도파로와 실리카 도파로 사이에서 중간 굴절률 전환층으로 작동하며, 광섬유·에지 커플러·스위칭 어레이를 통해 광신호를 연결하거나 칩별 경로를 제어할 수 있습니다.
- 핵심 기능
포토닉 패키지의 제2 도파로에서 전달된 광신호는 SiN 기반 제1 도파로를 거쳐 글래스 베이스 구조체의 실리카 제3 도파로로 연결됩니다. 제1 도파로는 이종 도파로 사이의 굴절률 차이를 완화하고, 필요 시 스위칭 어레이로 복수 칩에 대한 광신호 경로를 선택·분배합니다.
- 차별 강점
기존 전기적 칩 간 연결은 대역폭과 신호 지연의 제약이 있고, 광섬유·실리콘 PIC·실리카 도파로를 직접 연결할 때는 굴절률 차이에 따른 광 결합 문제가 발생할 수 있습니다. 본 특허는 글래스 인터포저에 SiN 중간 도파로를 집적해 Si·SiN·Silica 포토닉스 간 전환을 구성하고, 수동 광학 기능 및 광신호 분배 기능을 패키지 수준에서 통합한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 AI 가속기 및 XPU 칩렛 패키징, 고대역폭 메모리·프로세서 간 광 인터커넥트, 광 집적 회로 기반 광학 I/O, 광스위칭 기반 다중 칩 시스템에 활용 가능하며, 데이터센터용 고속 광통신 패키지로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 AI 서버·가속기, 고성능 컴퓨팅, 데이터센터 네트워크, 광엔진 및 첨단 반도체 패키징 부품 분야의 광 연결 솔루션으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
글래스 베이스 구조체에 실리카 도파로와 SiN 도파로를 적층하고 포토닉 패키지의 도파로와 연결하는 구조 및 형성 방법이 실시예로 제시되었습니다. 다만 실제 패키지의 대면적 제조 수율, 장기 신뢰성·열관리, 칩 간 링크 손실 및 고속 동작 성능에 대한 실측 검증은 제시되지 않았습니다.
- 패키지 구조: 글래스 인터포저 위 실리카 제3 도파로·SiN 제1 도파로·포토닉 패키지 제2 도파로 연결
- 소자 구성: 광섬유, 에지 커플러, 리셉터클·페룰 커넥터 및 칩별 경로 제어용 스위칭 어레이
- 제조 조건: 전자 다이 본딩 압력 200kPa 이하, 전자 다이 본딩 온도 200～400℃
현재 성과
SiN 제1 도파로의 전파 손실은 실리카 기반 제3 도파로 대비 해당 범위일 수 있도록 제시되었습니다. SiN 도파로의 높은 내부 구속을 활용해 공정 변화, 치수 균일성 및 표면 거칠기에 대한 민감도를 낮추고 광학적 전환을 지원하는 구조입니다.
글래스 베이스 구조체에 관통 전극, 재배선 구조물, 실리카 도파로 및 SiN 도파로를 형성하고 포토닉 패키지를 부착하는 구조와 제조 방법이 제시되었습니다. 실제 칩 간 링크 손실, 고속 동작, 열관리 및 장기 신뢰성은 별도 시제품 평가로 확인이 필요합니다.
실리콘 또는 SiN 기반 포토닉 패키지 도파로와 글래스 내 실리카 도파로 사이에 SiN 중간 도파로를 배치해 이종 포토닉스 플랫폼 간 광 연결을 구성합니다. 광섬유 연결과 칩별 경로 제어용 스위칭 어레이를 글래스 인터포저 기반 패키지에 통합할 수 있는 점이 기존 전기적 연결 또는 직접 광 결합 방식과 구별됩니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 글래스 인터포저 및 이종 도파로 집적 공정의 제조 수율 검증
실제 칩 간 광 링크에서의 삽입 손실, 광 결합 효율 및 고속 동작 성능 실측
고속 전송 환경의 열관리와 장기 신뢰성 평가
광섬유·에지 커플러·스위칭 어레이를 포함한 응용별 패키지 조립 및 검증 공정 확립
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
광연결 탑재 반도체 패키지
10-2024-0104087 (2024.08.05)
1020250049172 (2025.04.11)
미등록 (심사 중)
김영현 (한양대학교 에리카산학협력단)
한양대학교 에리카산학협력단