KR0177305B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 장치의 신뢰성을 높이기 위하여 내열충격성 및 내크랙성이 향상된 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 에폭시 수지, 페놀 수지, 이미드 변성 실리콘 화합물, 무기 충진제, 경화 촉진제 및 커플링제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 폴리비닐알콜, 폴리클로로프린, 페놀 및 알킬스티렌 수지중에서 선택되는 적어도 2종의 혼합물로 이루어지는 접착력 부여제를 더 포함한다.
Description
[발명의 명칭]
반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 고온 내열성 및 내크랙성을 향상시켜 신뢰성을 높인 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
종래에는 트랜지스터, 집적회로(IC), 고집적회로(LSI) 및 초고집적회로(VLSI)와 같은 반도체 소자의 밀봉시 세라믹, 유리 또는 금속 등을 사용하여 왔으나, 가격이 비싸고 대량 생산에 적합하지 못하여 군사적 용도 등의 일부 제한적 영역에서만 사용되고 있으며, 근래에는 이들 소재 대신 에폭시계, 실리콘계, 페놀계, 이미드계, 프탈레이트계 등의 열경화성 수지가 사용되고 있다. 특히 에폭시 수지는 전기 절연성, 기계적 특성, 내열성, 내습성 등이 다른 수지보다 월등히 우수하기 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 전기전자부품이나 반도체 장치의 밀봉에 널리 이용되고 있다.
최근에는 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 반도체 칩의 크기가 대형화하고, 많은 정보의 전달로 다핀화 추세에 있는 반면, 표면실장형 팩키지의 확산과 더불어 소형화와 박형화가 이루어지고 있다. 예를 들어 고집적 메모리 소자의 경우 반도체 칩의 면적이 200mm이고 두께가 1.0mm 이하이며, 주문형 반도체(ASIC) QFP(Quad Flat Package)의 경우 500 핀 정도의 것이 개발되었다. 이러한 반도체 소자의 표면실장시 215-260℃의 열이 가해지므로 내부 응력이 발생할 수 있으며, 또한 팩키지 보관중에 외부로부터 흡수된 수분의 기화 팽창으로 수지 조성물과 리드프레임(Leadframe) 및 다이페들(Die Paddle)간의 박리로 인하여 내습성이 저하될 수 있고, 더욱 심한 경우에는 팩키지 크랙을 초래할 수 있다. 이와 같은 불량을 방지하기 위하여 반도체 업계에서는 방습 곤포 등의 엄격한 습도 관리를 함으로써 대처하고 있으나, 봉지제 자체에도 팩키지 크랙을 발생시키지 않는 품질이 강하게 요구되고 있다.
종래의 반도체 소자의 밀봉용으로 사용된 에폭시 수지 조성물은 실리콘 변성 수지를 사용하여 내부 응력을 감소시켰으나, 밀봉시 점도 상승으로 인해 성형성이 불량하고 내습성이 저하되었다. 또한, 충진제의 고충진화로 선팽창 계수를 낮추고 수분 흡수율을 감소시켜 반도체 팩키지의 표면실장시 크랙 발생을 억제시켰으나, 이 경우 유동성이 현저히 저하되어 반도체 소자와 리드를 연결하는 본드 와이어가 절단되거나 심한 경우 미충진의 문제가 발생하고, 팩키지 내부 및 외부의 보이드(Void)가 증가되는 현상을 보였다. 한편, 저점도 수지를 사용하여 조성물의 유동성을 향상시키려는 시도를 하였으나, 수지의 가교 밀도가 낮아져 내열성, 성형성, 이형성 등의 기본적인 특성의 저하를 야기시켰다.
따라서, 본 발명에서는 반도체 밀봉용 수지에 일반적으로 요구되는 특성인 내습성, 기계적 강도, 성형성 등을 만족시키면서 기존의 에폭시 수지 조성물보다 내열충격성 및 내크랙성이 크게 향상된 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 에폭시 수지, 페놀 수지, 이미드 변성 실리콘 화합물, 무기 충진제, 경화 촉진제 및 커플링제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 폴리비닐알콜, 폴리클로로프린, 페놀 및 알킬스티렌 수지중 적어도 2종의 혼합물로 이루어지는 접착력 부여제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 통상적으로 사용되는 성분 이외의 접착력 부여제를 더 포함하는 것이 특징이다.
접착력 부여제로는 폴리비닐알콜, 폴리클로로프린, 페놀 및 알킬스티렌 수지중에서 선택되는 적어도 2종을 혼합하여 사용할 수 있으며, 전 조성물에 대하여 0.01-6 중량부를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1-5중량부이다. 0.01 중량부 이하를 사용할 경우에는 내크랙성 효과가 제대로 나타나지 않고, 6중량부를 초과할 경우에는 수지 조성물 본재의 특성이 저하된다. 또한 폴리비닐알콜과 폴리클로로프린은 분자량이 1000-100,000인 것이 바람직하고, 전체 접착력 부여제에 대해 폴리비닐알콜은 10-70 중량부, 폴리클로로프린은 5-85 중량부, 페놀은 3-40 중량부, 알킬스티렌 수지는 10-70 중량부로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에서 에폭시 수지로는 분자내 또는 말단에 에폭시기를 2개 이상 함유한 크레졸 노볼락 에폭시 수지, 비페닐 에폭시 수지, 나프탈렌기가 도입된 고내열성 수지 등을 사용할 수 있다. 이때 에폭시 수지는 당량이 150-320이고, 불순물 함량이 200ppm 이하인 것이 바람직하며, 5-20 중량부의 양으로 사용할 수 있다. 불순물로서 가수분해성 염소 이온의 농도가 200ppm 이상이면 밀봉된 반도체 소자내의 알루미늄 배선 등의 부식을 촉진시켜 바람직스럽지 못하다. 또한 에폭시 당량이 300 이상이면 가교 밀도의 감소로 내열성 및 기계적 강도의 저하를 초래하며, 에폭시 당량이 150 이하이거나 연화점이 54℃ 이하이면 플래시 발생이 현저하고, 연화점이 110℃이상이면 유동성의 저하로 밀봉 작업에 어려움이 생긴다.
본 발명의 조성물에서 페놀 수지는 경화제로서의 역할을 하며, 연화점이 70-110℃이고 분자내에 히드록시기를 2개 이상 함유하는 페놀 수지, 페놀아랄킬 수지, 페놀다이사이클로펜타다인 수지 등을 사용할 수 있다. 페놀 수지는 3 내지 15 중량부의 양으로 사용할 수 있으며, 에폭시 수지의 에폭시기 수에 대하여 페놀성 히드록시기의 비가 0.5-1.5인 것이 바람직하고 0.7-1.3인 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위 밖에서는 반응이 충분히 진행되지 못하여 내열성, 내습성 등 경화물의 특성이 저하된다.
본 발명의 조성물에 사용되는 이미드 변성 실리콘 화합물은 저응력화를 위한 가소성 부여제의 역할을 하며, 예를 들면 아민기를 함유한 폴리실록산과 이미드를 반응시켜 제조할 수 있다. 이 성분의 배합 비율은 전체 조성물의 0.2-6 중량부가 바람직한데, 0.2 중량부 미만일 경우에는 저응력화 효과가 제대로 나타나지 않고, 6 중량부를 초과할 경우에는 수지 조성물의 유리전이온도를 낮추어 내열성의 저하를 초래할 수 있다.
본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 무기 충진제로는 용융 실리카 분말, 결정 실리카 분말, 유리 섬유, 알루미나 분말, 마그네시아 분말, 산화 실리콘, 타르, 석면 등을 들 수 있으며, 용융 실리카 부말과 결정 실리카 분말이 경제성, 고밀도 및 저선팽창계수 측면에서 가장 바람직하다. 충진제의 배합량은 에폭시 수지, 경화제 및 무기 충진제의 종류에 따라 달라지나, 트랜스퍼 성형 공정에 적용하기 위해서는 전 조성물에 대하여 65-90 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 65 중량부 이하를 사용할 경우에는 열팽창이 커져 내열성, 내크랙성 및 내습성 등의 물성이 저하되고, 90중량부 이상 사용할 경우에는 유동성이 저하되어 반도체 소자와 리드프레임을 연결하는 본드 와이어의 휨이나 절단이 발생하며, 더욱 심한 경우에는 밀봉이 불가능하게 된다.
본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 경화 촉진제로는 유기 포스핀계 화합물을 들수 있으며, 그 예로는 트리페닐 포스핀, 트리부틸 포스핀, 트리사이클로헥실 포스핀, 메틸디페닐 포스핀 등의 3급 포스핀 화합물, 부틸페닐 포스핀, 디페닐 포스핀 등의 2급 포스핀 화합물과 페닐 포스핀, 옥틸 포스핀 등의 1급 포스핀 화합물이 있다. 이중에서 트리페닐 포스핀이 신뢰성 측면에서 가장 바람직하다. 경화촉진제는 전 조성물에 대하여 0.1-1.0 중량부 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에서 무기 충진제의 표면 처리에 사용되는 커플링제는 에폭시, 머캡토, 비닐 및 아민 관능기를 함유한 실란계 화합물 등이 있으며, 그 사용량은 0.1-2 중량부가 바람직하다.
상기한 성분들 이외에 본 발명의 조성물에 난연제, 착색제, 이형제 등의 통상의 첨가제를 적당히 배합하여 사용하는 것이 바람직하다.
유기 난연제로는 브롬이 치환된 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 또는 비스페닐계 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 그 사용량은 0.8-5중량부가 바람직하다. 무기 난연제로는 삼산화안티몬을 예로 들 수 있으며, 그 사용량은 유기 난연제의 사용량에 따라 0.5-5 중량부 범위내에서 배합하는 것이 바람직하고, 1-15㎛ 범위내의 입도분포를 갖는 것이 바람직하다.
착색제로는 카본 블랙을 예로 들 수 있고, 0.1-1 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 0.1 중량부 미만일 경우 원하는 색도를 얻을 수 없고, 1.0 중량부 이상일 경우 봉지제의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
이형제로는 천연 왁스, 합성 왁스, 고급 지방산과 금속염류, 산아미드 에스테르 및 파라핀 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으며 0.1-2 중량부 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 필요로 하는 각 성분을 롤밀(Roll Mill)이나 니더(Kneader)등의 혼합장치를 사용하여 균일하게 혼합하여 성형 재료로 제조할 수 있으며, 혼합 방법은 특별한 제한이 없으나, 접착력 부여제와 가소성 부여제를 에폭시 수지 또는 페놀 수지에 고온에서 혼합하여 투입하는 것이 분산성을 향상시켜 내열성 및 내열충격성을 개선시킬 수 있으므로 바람직하게, 실리카는 커플링제를 고속 믹서기내에서 분무하여 표면처리한 후 투입하는 것이 바람직하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예]
하기 표 1에 나타낸 성분 및 조성비로 각 성분들을 배합하여 롤밀로 가열 용융 혼련하고 냉각시킨 다음 이를 일정한 입도로 분쇄하여 성형 재료를 제조하였다.
1. 에폭시 수지
I : 에폭시 당량이 198, 연화점이 66℃인 ortho-크레졸노볼락 에폭시 수지(상품명: 일본화학사 EOCN-65)
II : 에폭시 당량이 192, 연화점이 107℃인 비페닐 에폭시 수지(상품명: 유카쉘사 YX-4000H)
2. 커플링제
III : 에폭시계 실란수지, 글리시독시 프로필 트리메틸실란
IV : 아민계 실란 수지, 아미노프로필트리에톡시실란
3. 페놀 수지 : 히드록시 당량이 107이고 연화점이 85℃인 페놀 노볼락수지(상품명: 메이와사 HF-1)
4. 이미드 변성 실리콘 수지 : 디페닐메탄 비스말레이미드 디메틸실론산
5. 무기 충진제 : 입경5-15㎛의 분쇄상 용융 실리카와 입경 20-40㎛의 구상 실리카를 3:7로 혼합한 것.
6. 경화 촉진제 : 트리페닐 포스핀
7. 유기 난연제 : BREN-S
8. 무기 난연제 : SbO
9. 착색제 : 카본 블랙
10. 이형제 : 카르나우바 왁스
11. 접착력 부여제
폴리비닐알콜 : 분자량이 3,000인 폴리비닐알콜
폴리클로로프린 : 듀퐁사, neoprene latex 115
페놀 : a-에틸벤질 알코올
알킬스티렌 : a-메틸스티렌(허큐레스사 Krystalex)
상기에서 얻은 성형 재료를 트랜스퍼 성형기를 사용하여 170-180℃, 70kg/㎠, 90-120초의 조건에서 성형시키고, 다시 170℃ 이상의 온도에서 4시간 동안 후경화시켜 시편을 제작하여 하기한 실험 방법 및 조건으로 물성을 측정하였다.
(1) 굴곡 강도 및 굴곡 탄성율
ASTM D790에 의거하여 시편을 제작하고 UTM(Zwick Z010)을 사용하여 측정하였다.
(2) 유리전이 온도
TMA(Seiko, SSC5200) 측정 장비를 사용하여 분 당 1-2℃로 온도를 증가시키면서 측정하였다.
(3) 선팽창계수
TMA 측정 장비를 사용하여 측정하였다.
(4) 수분 흡수율
제작된 시편을 85℃/85% 수증기의 분위기에서 168시간 방치한 다음 무게 변화를 측정하여 초기 무게에 대한 백분율로 나타내었다.
(5) 열충격 시험
제작된 시료 소자를 -195℃의 액체와 230℃의 액체에 30초간 담그는 것을 1회로 하여 30회 반복 실시하여 시편의 내부 및 외부의 크랙을 광학 현미경과 초음파 단층 촬영기로 관찰하였으며 크랙이 발생한 시편 수를 측정하였다.
상기 시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물로부터 제조된 성형품은 비교예의 수지 조성물로부터 제조된 성형품에 비해 내열충격성 및 내크랙성이 우수함을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 고밀도 표면실장형 팩키지 밀봉용으로 유용하다.
Claims (5)
- 에폭시 수지, 페놀 수지, 이미드 변성 실리콘 화합물, 무기 충진제, 경화 촉진제 및 커플링제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 폴리비닐알콜, 폴리클로로프린, 페놀 및 알킬스티렌 수지중에서 선택되는 적어도 2종의 혼합물로 이루어지는 접착력 부여제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 접착력 부여제가 전 수지 조성물에 대하여 0.01-6 중량부의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제1항에 있어서, 접착력 부여제로 사용되는 폴리비닐알콜과 폴리클로로프린의 분자량이 1000-10,000인 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제1항에 있어서 접착력 부여제 총량에 대해 폴리비닐알콜이 10-70 중량부, 폴리클로로프린 5-85 중량부, 페놀 3-40 중량부 및 알킬스티렌 수지 10-70 중량부의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 조성물.
- 제2항에 있어서, 이미드 변성 실리콘 화합물의 비스말레이미드기가 N,N'-1,3-디페닐에테르 말레이미드, N,N'-4,4'-디페닐설폰 비스말레이미드, N,N'-4,4'-디사이클로헥실메탄 비스말레이미드, N,N'-4,4'-디메틸사이클로헥산 비스말레이미드, N,N'-4,4'-디페닐사이클로헥산 비스말레이미드, N,N'-1,3'-크실리덴 비스말레이미드, 2,4-비스말레이미드 톨루엔 또는 2,6-비스말레이미드 톨루엔인 것을 특징으로 하는 조성물.
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Family Applications (1)
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| KR970065634A (ko) | 1997-10-13 |
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