KR100806420B1 - 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 구리 또는 은으로 도금된 리드 프레임과 에폭시 수지 조성물 간의 접착력이 향상되고, 솔더 리플로우 공정 후 계면 박리가 감소하여 패키지의 신뢰성을 월등히 향상시킬 수 있는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 이미다졸 실란 커플링제, 메르캅토 실란 커플링제 및 에폭시 실란 커플링제를 혼합하여 사용한다.
반도체소자, 에폭시, 이미다졸 실란, 메르캅토 실란, 커플링제

Description

반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 {Epoxy resin composition for sealing semiconductor element}
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물의 부착력을 측정하기 위한 리드 프레임과 에폭시 수지 조성물로 구성된 시편 및 상기 시편에 가하는 인장력을 표시한 개략도이다.
본 발명은 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 특정구조의 커플링제를 사용함으로써 리드 프레임(lead frame)과 에폭시 수지 조성물 간의 부착력이 향상되고 솔더 리플로우(solder reflow) 공정후 계면 박리가 감소하여 패키지의 신뢰성이 향상되는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
통상적으로 반도체 소자의 제조단계는 패턴설계단계, 기판제작단계, 부품삽입단계, 솔더링(soldering)단계, 컷팅단계 및 세척단계로 크게 나누어 볼 수 있다. 상기 솔더링 단계의 솔더 리플로우 공정은 다른 단계의 온도보다 20℃이상 높은 고온의 납용액으로 급속히 처리되기 때문에 반도체 소자의 봉지재(sealing material) 의 신뢰성이 특히 요구되며 이러한 품질이 최종 반도체 소자의 품질을 좌우하는 큰 요인이 되고 있다. 또한 계속적으로 반도체용 재료에서 환경 유해물질을 배제하려는 움직임이 대두되면서 기존의 솔더링에 사용되던 납을 다른 금속으로 대체하는 작업이 진행중이다. 이러한 경향에 따라 기존의 반도체 봉지재 대신 260℃ 이상의 솔더 리플로우 공정에서도 크랙(crack)이나 계면 박리현상을 발생시키지 않는 고신뢰성 봉지재가 요구되고 개발되어 오고 있다.
그러나 일반적인 종래의 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 사용되고 있는 하기 화학식 3으로 표시되는 에폭시 실란 형태의 커플링제만을 사용하는 것으로는 260℃ 이상의 솔더 리플로우 공정에서 봉지재의 크랙이나 리드 프레임과 봉지재 간의 계면 박리 현상을 막을 수 없었다.
Figure 112001035400311-pat00001
이에 본 발명의 목적은, 전술한 바와 같이 고온 솔더 리플로우 공정에서 고신뢰성을 확보하기 위해 특정 구조를 갖는 커플링제를 혼합하여 사용함으로써 신뢰성이 월등히 향상된 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은, 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충진제, 커플링제, 난연제, 착색제 및 첨가제로 이루어진 에폭시 수지 조성물에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 이미다졸 실란 커플링제, 하기 화학식 2로 표시되는 메르캅토 실란 커플링제 및 하기 화학식 3으로 표시되는 에폭시 실란 커플링제를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112001035400311-pat00002
Figure 112001035400311-pat00003
화학식 3
Figure 112001035400311-pat00004
상기 식에서 R1 및 R2는 탄소수 18 이하인 알킬기 및 방향족 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이고, R3는 하이드록시기를 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 10이하의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이며, R4는 탄소 수 5이하의 알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이다. 또한, R5는 탄소수 6이하의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이고, R6는 탄소수 5이하인 알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이며, n은 1 내지 3의 정수이고, m은 2이하이면서 n+m=3을 만족하는 정수이다.
이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충진제, 커플링제, 난연제, 착색제 및 첨가제로 이루어지며, 특히 상기 화학식 1로 표시되는 이미다졸 실란 커플링제, 상기 화학식 2로 표시되는 메르캅토 실란 커플링제 및 상기 화학식 3으로 표시되는 에폭시 실란 커플링제를 혼합하여 사용하게 된다.
본 발명에서 사용되는 에폭시 수지 조성물은 3 내지 15중량%의 에폭시 수지, 3 내지 15중량%의 경화제, 0.1 내지 1.0중량%의 경화 촉진제, 70 내지 92중량%의 무기 충진제, 0.1 내지 1.0중량%의 커플링제(상기 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3으로 표시되는 커플링제의 총합), 1.0중량% 이내의 착색제, 2중량% 이내의 난연제, 및 1 내지 5중량%의 기타 첨가제를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 에폭시 수지는 특별히 한정되는 것은 아니며, 오르소 크레졸 노볼락형, 비페닐형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2이상의 수지를 혼합하여 사용하고, 전체 에폭시 수지 사용량은 3 내지 15중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 경화제는 페놀 수지로서 특별히 한정되는 것은 아니며, 노볼락형, 자일록형, 멀티아로마틱형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디시클로펜타 디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 2이상의 수지를 혼합하여 사용하고, 전체 경화제 사용량은 3 내지 15중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 무기 충진제로는 특별히 한정되는 것은 아니며, 고순도의 천연실리카, 합성실리카, 용융실리카, 알루미나 등을 사용하고, 성상은 구상 및 각상을 모두 적용할 수 있다. 본 발명에서 목적하는 고신뢰성을 달성하기 위해서는 무기 충진제를 70 내지 92중량%로 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 난연제는 기존의 브롬화 에폭시와 삼산화안티몬을 사용한 경우, 적인 또는 인 화합물을 사용한 경우, 및 난연성 수지의 사용에 의한 무난연제의 경우를 모두 포함하고 있으며, 모든 경우에 있어 동일한 결과를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 커플링제로는, 통상의 커플링제인 상기 화학식 3으로 표시되는 에폭시 실란을 0.07 내지 0.9중량%로 사용하면서, 상기 화학식 1로 표시되는 이미다졸 실란 커플링제 0.02 내지 0.3중량% 및 상기 화학식 2로 표시되는 메르캅토 실란 커플링제 0.01∼0.2중량%로 혼합하여 사용할 수 있으며, 본 발명에 있어서 반도체의 고신뢰성화를 위해서는 상기 3가지 커플링제의 총합이 0.1 내지 1.0중량%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 화학식 1로 표시되는 이미다졸 실란 커플링제의 경우 점성이 높은 액상 화합물로서, 에폭시 수지 조성물 내에서의 분산을 위해 전처리를 실시하는데, 에폭시 수지 또는 경화제인 페놀 수지를 110∼150℃에서 용융시킨 후 상기 이미다졸 실란 커플링제를 천천히 주입하여 혼합한 후 냉각하여 분쇄하여 사용하며, 이렇게 전처리를 실시하는 것이 본 발명에서 목적으로 하는 반도체의 고신뢰성화에 바람직하다.
한편, 상기 화학식 2로 표시되는 메르캅토 실란 커플링제의 경우 저점도의 액상 화합물로서, 고분산성 확보를 위하여 무기 충진제에 전처리하여 사용하는 것이 본 발명에서 목적으로 하는 반도체의 고신뢰성화에 바람직한데, 무기 충진제의 저속 교반중에 메르캅토 실란 커플링제를 스프레이로 분사하여 전처리하게 된다.
또한, 본 발명에서는 일반적으로 적용되는 이형제, 착색제, 개질제, 경화 촉진제 등을 첨가하는 것도 가능하다.
이러한 본 발명의 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 각 원료들을 혼합한 후 용융 혼합기(Kneader)를 이용하여 80℃ 내지 130℃의 온도에서 용융 혼합하여 상온으로 냉각시키고 분말상태로 분쇄한 후 블렌딩 공정을 거치는 일반적인 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 및 2
에폭시 수지로는 비페닐형 에폭시 수지를 사용하고, 경화제로는 자일록형 및 멀티아로마틱형 페놀수지를 당량비로 50 대 50으로 혼합하여 사용하고, 커플링제로는 상기 화학식 3으로 표시되는 에폭시 실란 커플링제, 하기 화학식 4 및 5로 표시되는 커플링제를 혼합하여 사용하며, 무기 충진제는 실리카를 사용하였다. 각 성분의 함량은 하기 표 1과 같고, 각 원료들을 함께 믹싱한 후 용융 혼합, 냉각, 분쇄, 블렌딩 공정을 거치고 일정크기로 타정하였다. 이때, 하기 화학식 4로 표시되는 이미다졸 실란 커플링제는 경화제인 페놀 수지 1.44중량%(페놀수지 3.6중량%의 40%)를 채취하여 110℃에서 용융시킨 후 상기 이미다졸 실란 커플링제를 천천히 주입하여 혼합한 후 냉각하여 분쇄하였고, 하기 화학식 5로 표시되는 메르캅토 실란 커플링제는 무기 충진제인 실리카 전체를 저속 교반시키면서 상기 메르캅토 실란 커플링제를 스프레이로 분사하여 전처리하였다.
Figure 112001035400311-pat00005
Figure 112001035400311-pat00006
이렇게 얻어진 에폭시 수지 조성물을 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 도 1과 같은 부착력 측정용 시편을 제작하여 항온항습(85℃/85% RH) 48시간 조건에서 흡습시키기 전후에 구리 리드 프레임과의 부착력을 측정하였고, Si3N4 칩이 부착된 LQFP 패키지(Body size : 24mm×24mm×1.4mm, 176리드)에 몰딩한 다음 175℃에서 4시간동안 후경화시키고, 항온항습(85℃/85%RH) 48시간 조건에서 흡습시킨 후 IR-리플로우(최고온도=260℃) 를 3회 연속 인가한 후에 초음파 탐상기(SAT)를 이용하여 리드 프레임과 봉지재간의 계면 박리현상을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
각 성분 및 함량을 하기 표 1과 같이 혼합하여 상기 실시예 1과 동일하게 에폭시 수지 조성물을 제조하였고, 분석결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 단위 실시예 1 실시예 2 비교예 1
에폭시수지 중량% 6.7 6.7 6.7
페놀수지 중량% 3.6 3.6 3.6
경화촉진제 중량% 0.2 0.2 0.2
실리카 중량% 87.2 87.2 87.2
첨가제 중량% 0.6 0.6 0.6
브롬화에폭시 중량% 0.4 0.4 0.4
삼산화안티몬 중량% 0.8 0.8 0.8
화학식 3 중량% 0.4 0.4 0.5
화학식 4 중량% 0.05 0.07
화학식 5 중량% 0.05 0.03
물성 평가 결과
구리와의 부착력 (흡습전) MPa 4.5 5.3 3.8
구리와의 부착력 (흡습후) MPa 4.3 4.9 3.1
패키지 박리 (패드상부) % 0 0 100
패키지 박리 (패드하부) % 10 0 40
실시예 3∼5
각 성분 및 함량을 하기 표 2와 같이 혼합하여 상기 실시예 1과 동일하게 에폭시 수지 조성물을 제조하였고, 분석결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 2∼4
각 성분 및 함량을 하기 표 2와 같이 혼합하여 상기 실시예 1과 동일하게 에폭시 수지 조성물을 제조하였고, 분석결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 단위 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예 2 비교예 3 비교예 4
에폭시수지 중량% 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7
경화제 중량% 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6
경화촉진제 중량% 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
실리카 중량% 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2 87.2
첨가제 중량% 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
브롬화에폭시 중량% 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
삼산화안티몬 중량% 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
화학식 3 중량% 0.19 0.28 0.47 0.14 0.20
화학식 4 중량% 0.30 0.02 0.02 0.30 0.35 0.05
화학식 5 중량% 0.01 0.2 0.01 0.20 0.01 0.25
물성 평가 결과
구리와의 부착력 (흡습전) MPa 5.3 4.4 4.6 4.0 3.9 3.5
구리와의 부착력 (흡습후) MPa 5.0 3.8 4.0 3.3 3.2 2.9
패키지 박리 (패드상부) % 20 15 20 80 85 80
패키지 박리 (패드하부) % 0 5 10 40 50 70
각 물성별 측정 방법은 다음과 같다.
* 부착력 측정
도 1과 같은 형태의 시편을 제작하기 위해 리드 프레임과 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서 4시간동안 후경화시킨 다음, 85℃/85%RH 조건에서 48시간동안 방치하기 전과 후에 UTM(Universal Testing Machine)으로 도 2와 같은 방향으로 인장력을 가하면서 리드 프레임이 에폭시 수지 조성물과 떨어지는 지점의 부하를 측정하여 부착력 값(MPa)으로 환산한다. 이때, (1)은 에폭시 수지 조성물이고, (2)는 구리 프레임을 나타낸다.
* 패키지 박리 측정
SiN 칩이 부착된 LQFP 패키지(Body size : 24mm×24mm, 176리드) 몰드를 이 용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 다음, 175℃에서 4시간동안 후경화시키고 항온항습(85℃/85%RH) 조건에서 48시간동안 흡습시킨 후, IR-리플로우(최고온도=260℃)를 3회 연속 인가한 후에 초음파 탐상기(SAT)를 이용하여 패키지 패드부분의 박리율(%), 즉 봉지재와 패드 상부 및 SiN 칩 표면간의 계면과 봉지재와 패드 하부 리드 프레임간의 계면박리율(%)을 각각 10 캐비티(cavity)씩 측정하여 평균값을 나타내었다.
상기 실시예 및 비교예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 이미다졸 실란 커플링제, 메르캅토 실란 커플링제 및 에폭시 실란 커플링제를 혼합하여 얻은 수지 조성물로 반도체소자를 봉지할 경우, 리드 프레임과 에폭시 수지 조성물간의 부착력이 향상되고, 솔더 리플로우 공정 후 계면 박리가 감소하여 패키지의 신뢰성이 월등히 향상된다.

Claims (5)

  1. 3 내지 15중량%의 에폭시 수지, 3 내지 15중량%의 경화제, 0.1 내지 1.0중량%의 경화 촉진제, 70 내지 92중량%의 무기 충진제, 0.1 내지 1.0중량%의 커플링제, 1.0중량% 이내의 착색제, 2중량% 이내의 난연제, 및 1 내지 5중량%의 기타 첨가제로 이루어진 에폭시 수지 조성물에 있어서,
    상기 커플링제는 0.02 내지 0.3중량%의 하기 화학식 1로 표시되는 이미다졸 실란 커플링제, 0.01∼0.2중량%의 하기 화학식 2로 표시되는 메르캅토 실란 커플링제 및 0.07 내지 0.9중량%의 하기 화학식 3으로 표시되는 에폭시 실란 커플링제를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물:
    화학식 1
    Figure 112007057559709-pat00007
    화학식 2
    Figure 112007057559709-pat00008
    화학식 3
    Figure 112007057559709-pat00009
    상기 식에서 R1 및 R2는 탄소수 18 이하인 알킬기 및 방향족 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이고, R3는 하이드록시기를 포함하거나 포함하지 않는 탄소수 10이하의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이며, R4는 탄소 수 5이하의 알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이다. 또한, R5는 탄소수 6이하의 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이고, R6는 탄소수 5이하인 알킬기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나이며, n은 1 내지 3의 정수이고, m은 2이하이면서 n+m=3을 만족하는 정수이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 이마다졸 실란 커플링제는 에폭시 수지 또는 경화제인 페놀 수지를 110∼150℃에서 용융시킨 후 이미다졸 실란 커플링제를 천천히 주입하여 혼합한 후 냉각하여 분쇄하는 방법으로 전처리되어 사용되는 것을 특징으로 하 는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메르캅토 실란 커플링제는 상기 무기 충진제의 저속 교반중에 메르캅토 실란 커플링제를 스프레이로 분사하여 전처리하여 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
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