KR100447547B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1) 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 수지, 2) 경화제, 3) 경화촉진제, 4) 변성 실리콘 오일 및 5) 무기 충전제를 필수 성분으로 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이며, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 고온 내크랙성, 경화 특성 및 기계적 특성 등이 향상되어 반도체 패키지 성형시 우수한 신뢰성 및 성형특성을 시현한다:

[화학식 1]

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy Resin Composition For Packaging Semiconductor Device}

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 구조의 에폭시 수지를 포함하고 무기 충전제가 고충전된 것을 특징으로 하는, 고온 내크랙성, 경화 특성 및 기계적 특성이 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며 이에 따른 배선의 미세화, 소자크기의 대형화 및 다층배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부환경으로부터 보호하는 패키지(Package)는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점으로부터 소형·박형화가 가속화되고 있다.

이와 같이 대형 반도체 소자를 소형·박형 패키지에 밀봉한 수지 밀봉형 반도체 장치에서는 외부환경의 온도 및 습도 변화에 따른 열응력에 기인하여 패키지 크랙 또는 알루미늄 패드 부식 발생 등의 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 따라서 현재 이의 해결책으로서 밀봉용 에폭시 수지 성형재료의 고신뢰성화가 강하게 대두되고 있으며, 세부 방법으로 저응력화를 위해서는 탄성률을 낮추는 방법, 열팽창계수를 낮추는 방법 등이 소개되고 있고, 부식 발생 억제를 위해서는 고순도의 에폭시 수지 또는 경화제의 사용 또는 이온 포착제(Ion Trapper)의 적용에 의해 불순물 함량을 저하시키는 방법 및 무기 충전제를 고충전하여 수분 흡습량을 저하시키는 방법 등이 소개되고 있다.

탄성률을 낮추는 방법으로서는, 각종 고무 성분에 의한 개질(참조: 일본 특허공개 소 63-1894호 및 평 5-291436호)이 검토되어, 열적 안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합, 개질시킨 에폭시 수지 성형재료가 폭넓게 채택되고 있다. 이 방법에서 실리콘 오일은 성형재료의 기저 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없어서 기저 수지 중에 미립자 분산되므로, 내열성을 유지한 채 저탄성률을 이룰 수 있다.

또한 저열팽창화에 대해서는, 열팽창계수가 낮은 무기 충전제의 충전량을 늘리는 방법이 최선으로, 다만 무기 충전제의 충전량 증가에 따른 에폭시 수지 성형재료의 저유동성과 고탄성이 문제가 되나, 이에 대한 해결책으로 일본 특허공개 소 64-11355호에서는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기의 조절을 통하여 다량으로 배합할 수 있는 기술이 소개되기도 하였다.

그러나, 이러한 종래의 방법에서는 보이드(Void) 발생과 같은 성형불량의 문제가 한계점으로 지적되어 왔다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특정 구조의 에폭시 수지의 사용에 의해 에폭시 수지 성형재료의 내흡습성 및 인성특성을 향상시킴과 아울러, 무기 충전제의 고충전화에 의해 에폭시 수지 성형재료의 흡습율 및 열팽창계수를 저감시키고 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 반도체 패키지 성형시 발생하는 보이드(Void) 발생을 억제함으로써, 성형특성과 신뢰성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공함을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 1) 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 수지, 2) 경화제, 3) 경화촉진제, 4) 변성 실리콘 오일 및 5) 무기 충전제를 필수 성분으로 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다:

[화학식 1]

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 사용된 성분 1)의 에폭시 수지는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 에폭시 수지로서, 에폭시 당량이 200~250인 고순도의 에폭시 수지이어야 하며, 연화점은 90~120℃ 범위가 적당하다:

[화학식 1]

또한 본 발명에 따르면, 상기 성분 1) 이외에 통상의 에폭시 수지로서 에폭시 당량이 150~200인 바이페닐 에폭시 수지 또는 에폭시 당량이 170~230인 오르소 크레졸 노볼락 에폭시 수지를 병용할 수도 있다.

본 발명의 수지 조성물 중의 에폭시 수지 함량은 3.5~15.0중량%인 것이 바람직하며, 특히 상기 성분 1)의 에폭시 수지 이외에 상술한 바와 같은 통상의 에폭시 수지를 병용하는 경우에는, 성분 1)의 수지가 전체 에폭시 수지의 50 중량% 이상을 차지하는 동시에 전체 조성물의 3.0 중량% 이상이 되도록 사용하여야 한다. 성분 1)의 에폭시 수지의 함량이 상기 범위에 미달이면 본 발명에서 목적한 내흡습성 및 내크랙성의 향상 효과를 얻을 수 없는 반면, 상기 범위를 초과하면 미반응 에폭시기가 다량 발생하고 비경제적이므로 좋지 않다.

본 발명에서 성분 2)의 경화제로서는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100~200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok) 수지, 디사이클로펜타디엔 수지 등이 사용될 수 있으며, 이 중 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 병용할 수 있다. 그러나 가격 및 성형성의 관점에서 페놀 노볼락 수지를 전체 경화제의 50중량% 이상 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 수지 조성물 중의 경화제 함량은 2.0~10.5중량%인 것이 바람직하며, 이때 전체 조성물 중의 에폭시 수지와 경화제의 조성비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8~1.2의 범위에 들도록 조절되어야 한다. 경화제의 함량이 2.0중량% 미만이면 경화반응이 충분히 이루어지지 않는 반면, 10.5중량%를 초과하면 패키지 내에 잔류물이 형성되어 신뢰성이 저하되고 비경제적이므로 좋지 않다.

본 발명에 사용된 성분 3)의 경화촉진제는 상기 성분 1)과 2)의 경화반응을 촉진하기 위해 필요한 성분으로, 예를 들어 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류, 테트라페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 사용가능하며, 이 중 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 병용할 수 있다.

본 발명의 수지 조성물 중의 경화촉진제 함량은 전체 조성물 대비 0.1~0.3 중량%인 것이 바람직하다. 경화촉진제의 함량이 0.1중량% 미만이면 경화 속도가 느려져서 생산성이 감소하는 반면, 0.3중량%를 초과하면 원하는 경화 특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 수지 조성물의 보관안정성이 나빠져서 좋지 않다.

본 발명에서 성분 4)의 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체를 사용하며, 바람직하게는 에폭시기를 갖는 실리콘 오일, 아민기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실기를 갖는 실리콘 오일로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 사용한다.

본 발명의 수지 조성물 중의 변성 실리콘 오일 함량은 0.5~1.5중량%인 것이 바람직하다. 변성 실리콘 오일을 전체 조성물 대비 1.5중량%를 초과하여 사용하면 표면 오염이 발생하기 쉽고 레진 블리드(resin bleed)가 길어질 우려가 있으며, 0.5 중량% 미만으로 사용시에는 충분한 저탄성률을 얻을 수 없게 된다.

본 발명에서 성분 5)의 무기 충전제로는 평균입자가 0.1~35.0㎛인 용융 또는 합성 실리카를 사용하며, 충전량은 전체 조성물 대비 73~90 중량%인 것이 바람직하다. 73 중량% 미만으로 무기 충전제를 사용할 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없으며, 또한 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 특성에 치명적이 된다. 반면, 무기 충전제의 충전량이 90중량%를 초과하면 수지 조성물의 유동성 저하로 인해 성형성이 나빠질 우려가 있다.

상술한 성분들 이외에도, 본 발명의 에폭시 수지 조성물에는 브로모 에폭시계 난연제, 삼산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등의 난연조제, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제, 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제 등을 필요에 따라 첨가할 수 있다.

본 발명의 에폭시 수지 조성물을 제조하는 데에는 특수한 장치나 방법이 필요치 않으며, 소정의 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더로 용융혼련하고, 이어서 냉각, 분쇄과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법이 일반적으로 사용되고 있다.

본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는방법으로서는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 인젝션(Injection) 성형법이나 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 후술하는 실시예 및 비교예에서의 물성평가방법은 다음과 같다.

[물성평가 방법]

1) 스파이럴 플로우(Spiral Flow)

EMMI 규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도 175℃, 성형압력 70Kgf/㎠에서 유동길이를 측정함

2) 유리전이온도(Tg)

TMA(Thermomechanical Analyser)로 측정함

3) 열팽창계수(α)

ASTM D696에 의거 측정함

4) 굴곡강도 및 굴곡탄성율

UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190에 의거 측정함

5) 신뢰성

프리컨디셔닝(Preconditioning)후 열충격 환경시험기(Temperature Cycle Tester)에서 1,000 싸이클 경과후, 비파괴 검사기인 SAT(Scanning AcousticTomograph)로 크랙 및 패키지 박리(delamination)발생 유무를 조사함.

a) 프리컨디셔닝

각각 실시예 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물로 밀봉한 SOJ형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후, 5 싸이클의 열충격 시험을 거쳐 다시 85℃/85% 상대습도 조건하에서 168시간 동안 방치시킨 다음, 235℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켰다. 그 후 패키지 크랙 및 패키지 박리 발생 유무를 조사하여, 이 단계에서 크랙 또는 박리가 발생되었을 경우, 다음 단계인 1,000 싸이클의 열충격 시험은 진행하지 않았다.

b) 열충격 시험

상기 프리컨디셔닝 과정을 통과한 반도체 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 1 싸이클로 하여 총 1,000 싸이클을 진행한 후, 비파괴 검사기인 SAT를 이용하여 패키지 내부 및 외부의 크랙 및 박리 발생 유무를 조사하였다.

6) 성형성

광학현미경으로 패키지 내부의 보이드(void) 발생 갯수를 측정하였다(visual inspection).

<실시예 1~2>

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 상기 1차 조성물을 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 최종 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.

이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 상술한 방법으로 물성을 평가하였으며, 에폭시 수지 조성물로 밀봉한 반도체 패키지에 대하여 신뢰성 및 성형성을 평가하였으며, 신뢰성은 열충격 시험에서의 패키지 크랙 및 패키지 박리 발생빈도로, 성형성은 보이드 발생빈도로 각각 나타내었다. 결과는 하기 표 2와 같다.

<비교예 1~2>

하기 표 1에 나타난 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 상기 실시예에서와 동일한 방법으로 에폭시 수지 조성물과 반도체 패키지를 제조하여 물성, 신뢰성 및 성형성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 고온 내크랙성, 경화 특성 및 기계적 특성 등이 향상되어 반도체 패키지 성형시 우수한 신뢰성 및 성형특성을 시현한다.

Claims (5)

1. 다음의 성분들을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:

   1) 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 수지:

   [화학식 1]

   2) 경화제;

   3) 경화촉진제;

   4) 변성 실리콘 오일; 및

   5) 무기 충전제.
2. 제 1항에 있어서, 상기 조성물이 에폭시 수지로서 상기 성분 1) 이외에 에폭시 당량이 150~200인 바이페닐 에폭시 수지 또는 에폭시 당량이 170~230인 오르소 크레졸 노볼락 에폭시 수지를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 에폭시 수지가 3.5~15.0중량%;

   상기 경화제가 2.0~10.5중량%;

   상기 경화촉진제가 0.1~0.3중량%;

   상기 변성 실리콘 오일이 0.5~1.5중량%; 및

   상기 무기 충전제가 73~90중량%

   포함된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
4. 제 3항에 있어서, 상기 에폭시 수지가 상기 성분 1), 및 에폭시 당량이 150~200인 바이페닐 에폭시 수지 또는 에폭시 당량이 170~230인 오르소 크레졸 노볼락 에폭시 수지의 혼합 수지인 경우, 상기 성분 1)이 전체 에폭시 수지의 50 중량% 이상, 전체 수지 조성물의 3.0 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
5. 제 3항에 있어서, 상기 경화제로서 페놀 노볼락 수지를 전체 경화제의 50중량% 이상 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.