KR101309820B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자 - Google Patents

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지, 경화제, 경화 촉진제, 무기 충전제 및 난연제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 난연제로 하기 화학식 1로 표시되는 뵈마이트를 포함하며, 상기 뵈마이트는 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1~20 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 연소 시 인체 및 환경에 유해한 부산물을 발생시키는 난연제를 사용하지 않고서도 우수한 난연성을 달성할 수 있으며 성형성 및 신뢰성도 충분히 달성되는 이점을 갖는다:
[화학식 1]
AlO( OH )

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR ENCAPSULATING SEMICONDUCTOR DEVICE AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 난연성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 반도체 소자가 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 밀봉용으로 사용되는 에폭시 수지 조성물의 난연성은 UL-94 V-0 정도로 요구되고 있다. 난연성은 소위 수직연소 시험(vertical burn test)이라고 불리는 보험업자 연구소 시험(underwriter laboratories test) UL 94에 따라서 측정될 수 있다. UL 94 시험은 ASTM D635 표준에 의해서 수행되고, 물질에는 솜을 발화시키는 시편의 능력뿐만 아니라 연소 시간(flame time), 글로우 시간(glow time), 연소의 정도를 포함하는 여러 관찰되는 특징에 기초한 V 등급이 주어진다.
난연성을 확보하기 위해, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 제조 시에 난연제로는 일반적으로 브롬에폭시 또는 삼산화안티몬(Sb2O3)을 사용한다. 그러나 이러한 할로겐계 난연제 또는 삼산화안티몬을 사용하여 난연성을 확보한 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 경우 소각 시나 화재 시 다이옥신(dioxin)이나 다이퓨란(difuran)등의 유독성 발암물질이 발생하는 것으로 알려져 있다. 또한 할로겐계 난연제의 경우, 연소시 발생하는 HBr 및 HCl등의 가스로 인해 인체에 유독할 뿐만 아니라 반도체 칩(chip)이나 와이어(wire) 및 리드 프레임(lead frame)의 부식(corrosion)을 발생시키는 주요한 원인으로 작용하는 점 등의 문제가 있다. 이에 대한 대책으로서 포스파젠(phosphazene)이나 인산 에스테르와 같은 인계 난연제 또는 질소원소 함유 수지와 같은 새로운 난연제가 검토되고 있으나, 인계 난연제의 경우 수분과 결합하여 생성되는 인산 및 폴리인산이 반도체의 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 발생하고 질소원소 함유 수지의 경우 난연성이 부족한 문제점이 있다.
또한 실리카 등의 무기 충전제 함량을 높여 난연성을 부여하는 방법도 검토되고 있으나, 무기 충전제의 함량 증가로 난연성과 신뢰성을 확보할 수는 있지만, 유동성의 급격한 저하와 분산 및 반응성 저하로 성형성, 공정성이 나빠지는 문제점이 있다.
본 발명은 열안정성 및 신뢰성이 우수한 비할로겐계 난연제인 뵈마이트(boehmite)를 적용함으로서, 우수한 난연성을 갖는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 관점은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지, 경화제, 경화 촉진제, 무기 충전제 및 난연제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 난연제로 하기 화학식 1로 표시되는 뵈마이트를 포함하며, 상기 뵈마이트는 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1~20 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다:
[화학식 1]
AlO( OH )
상기 뵈마이트의 평균입경은 0.1~10㎛일 수 있다.
상기 무기 충전제는 실리카를 포함할 수 있다.
구체예에서 상기 뵈마이트와 상기 실리카의 중량비는 1:3 ~ 1:900으로 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지 2~15 중량%, 경화제 0.5~12 중량%, 경화 촉진제 0.01~2 중량%, 무기 충전제 70~95 중량% 및 뵈마이트 0.1~20 중량%로 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 에폭시수지는 하기 화학식 2로 표시되는 에폭시수지를 전체 에폭시수지 중 10~90중량%로 포함할 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112010087397414-pat00001
(상기식에서, n은 1 내지 7 사이의 정수임)
상기 경화제는 하기 화학식 4로 표시되는 페놀 수지를 전체 경화제중 10~90중량%로 포함할 수 있다:
[화학식 4]
Figure 112010087397414-pat00002
(상기 식에서, n은 1 내지 7 사이의 정수임).
본 발명의 다른 관점은 상기 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 관점은 에폭시 수지 조성물로 반도체 소자를 밀봉한 것이 특징인 반도체 소자에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 열안정성 및 신뢰성이 우수한 비할로겐계 난연제인 뵈마이트(boehmite)를 적용함으로서, 우수한 난연성을 갖는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지; 경화제; 경화 촉진제; 무기 충전제 및 뵈마이트를 포함한다.
에폭시수지
본 발명의 에폭시수지로는 반도체 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 에폭시수지라면 특별히 제한되지 않으며, 분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 함유하는 에폭시 화합물인 것이 바람직하다. 이와 같은 에폭시수지로는 페놀 또는 알킬 페놀류와 히드록시벤즈알데히드와의 축합물을 에폭시화함으로써 얻어지는 에폭시수지, 페놀 노볼락형 에폭시수지, 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시수지, 비페닐형 에폭시수지, 다관능형 에폭시수지, 나프톨 노볼락형 에폭시수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 노볼락형 에폭시수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 글리시딜에테르, 비스히드록시비페닐계 에폭시수지, 디시클로펜타디엔계 에폭시수지 등을 들 수 있다.
특히 바람직한 에폭시수지로서 하기 화학식 2로 표시되는 바이페닐(biphenyl) 유도체를 포함하는 노볼락 구조의 페놀아랄킬형 에폭시수지를 들 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112010087397414-pat00003
(상기식에서, n은 1 내지 7 사이의 정수임)
상기 화학식 2의 페놀아랄킬형 에폭시수지는 페놀 골격을 바탕으로 하면서 중간에 바이페닐을 가지고 있는 구조를 형성하여 흡습성, 인성, 내산화성, 및 내크랙성이 우수하며, 가교 밀도가 낮아서 고온에서 연소 시 탄소층(char)을 형성하면서 그 자체로 어느 정도 수준의 난연성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 구체예에서, 상기 에폭시수지는 상기 화학식 2로 표시되는 에폭시수지를 전체 에폭시수지 중 10~90중량%로 포함할 수 있다. 상기 범위에서 우수한 난연성과 유동성의 물성 발란스를 가질 수 있고, 반도체 소자를 봉지하는 저압 이송성형 공정에서 성형 불량이 발생하지 않는다. 바람직하게는 12~85 중량%, 더욱 바람직하게는 15~80 중량%이다.
또한, 에폭시수지는 상기 화학식 2의 에폭시수지와 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시수지, 비페닐형 에폭시수지, 비스페놀 F형 에폭시수지, 비스페놀 A형 에폭시수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1가지 이상의 혼합물일 수 있다.
바람직하게는 하기 화학식 3으로 표시되는 바이페닐형 에폭시수지와 조합하여 사용될 수 있다:
[화학식 3]
Figure 112010087397414-pat00004

(상기 화학식 3에서 R은 탄소수 1~4의 알킬기, n은 0 내지 7 사이의 정수임.)
상기에서 바람직하게는 R은 메틸기, 에틸기 이며, 더욱 바람직하게는 메틸기이다.
상기 화학식 3의 바이페닐형 에폭시수지는 수지 조성물의 유동성 및 신뢰성 강화 측면에서 바람직하다.
이들 에폭시수지는 단독 혹은 병용하여 사용될 수 있으며, 에폭시수지에 경화제, 경화 촉진제, 이형제, 커플링제, 응력완화제 등의 기타 성분과 멜트 마스터배치(melt master batch)와 같은 선반응을 시켜 만든 부가 화합물도 사용할 수 있다. 또한 내습 신뢰성 향상을 위해 에폭시수지 중에 함유된 염소 이온(ion), 나트륨 이온(sodium ion), 및 그 밖의 이온성 불순물이 낮은 것을 사용한 것이 바람직하다.
상기 에폭시수지는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 2 내지 15 중량%, 바람직하게는 2.5 내지 12 중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 10 중량%일 수 있다.
경화제
본 발명의 경화제는 반도체 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 것으로 2개 이상의 반응기를 가진 것이라면 특별히 한정되지 않는다.
구체예로는 페놀아랄킬형 페놀수지, 페놀 노볼락형 페놀수지, 자일록(xylok)형 페놀수지, 크레졸 노볼락형 페놀수지, 나프톨형 페놀수지, 테르펜형 페놀수지, 다관능형 페놀수지, 디시클로펜타디엔계 페놀수지, 비스페놀 A와 레졸로부터 합성된 노볼락형 페놀수지, 트리스(하이드록시페닐)메탄, 디하이드록시바이페닐을 포함하는 다가 페놀 화합물, 무수 말레인산 및 무수 프탈산을 포함하는 산무수물, 메타페닐렌디아민, 디아미노디페닐메탄, 디아미노디페닐설폰 등의 방향족 아민 등을 들 수 있다.
특히 바람직한 경화제로는 하기 화학식 4로 표시되는, 분자 중에 바이페닐 유도체를 포함하는 노볼락 구조의 페놀아랄킬형 페놀수지를 들 수 있다.
[화학식 4]
Figure 112010087397414-pat00005

(상기 식에서, n은 1 내지 7 사이의 정수임.)
상기 화학식 4의 페놀아랄킬형 페놀수지는 상기 페놀아랄킬형 에폭시수지와 반응하여 탄소층(char)을 형성하여 주변의 열 및 산소의 전달을 차단함으로써 난연성을 달성하게 된다.
상기 화학식 4의 페놀수지는 전체 경화제중 10~90중량%로 포함할 수 있다. 상기 범위에서 난연성 및 유동성의 우수한 발란스를 얻을 수 있다. 바람직하게는 12 내지 85 중량%이며, 더욱 바람직하게는 15 내지 80 중량%이다.
상기 경화제는 화학식 4의 페놀 수지와 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(xylok) 수지, 디사이클로펜타디엔형 수지으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1가지 이상의 혼합물일 수 있다.
바람직하게는 구체예에서는 화학식 4의 페놀 수지와 함께 하기 화학식 5로 표시되는 자일록(xylok)형 페놀수지를 혼합하여 사용할 수 있다:
[화학식 5]
Figure 112010087397414-pat00006

(상기 식에서 n은 0 내지 7 사이의 정수임.)
상기 화학식 5의 자일록형 페놀수지는 수지 조성물의 유동성 및 신뢰성 강화 측면에서 바람직하다.
이들 경화제는 단독 혹은 병용하여 사용될 수 있으며, 경화제에 에폭시수지, 경화 촉진제, 이형제, 커플링제, 응력완화제 등의 기타 성분과 멜트 마스터배치(melt master batch)와 같은 선반응을 시켜 만든 부가 화합물로도 사용할 수 있다. 
상기 경화제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.5 내지 12 중량%, 바람직하게는 1 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 2 내지 8 중량%일 수 있다.
무기 충전제
본 발명에 사용되는 무기 충전제는 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성의 향상과 저응력화를 위하여 사용되는 물질이다. 일반적으로 사용되는 예로는 용융실리카, 결정성 실리카, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 클레이(clay), 탈크, 규산칼슘, 산화티탄, 산화안티몬, 유리섬유 등을 들 수 있다.
바람직하게는 저응력화를 위해서는 선팽창계수가 낮은 용융실리카를 사용한다. 상기 용융실리카는 진비중이 2.3 이하인 비결정성 실리카를 의미하는 것으로 결정성 실리카를 용융하여 만들거나 다양한 원료로부터 합성한 비결정성 실리카도 포함된다.
용융실리카의 형상 및 입경은 특별히 한정되지는 않는다. 한 구체예에서는 평균입자가 0.1 ~ 35㎛인 용융 또는 합성실리카를 사용할 수 있다. 다른 구체예에서는 평균 입경 5~30㎛의 구상용융실리카를 50~99 중량%, 평균입경 0.001~1㎛의 구상용융실리카를 1~50 중량%를 포함한 용융실리카 혼합물을 전체 무기 충전제에 대하여 40~100 중량%가 되도록 포함할 수 있다. 이 경우 반도체 소자 제작 시의 성형성이 우수한 장점이 있다. 상기 용융구상실리카에는 도전성의 카본이 실리카 표면에 이물질로서 포함되는 경우가 있으나 극성 이물질의 혼입이 적은 물질을 선택하는 것도 중요하다. 
본 발명에서 무기 충전제의 사용량은 성형성, 저응력성, 고온강도 등의 요구 물성에 따라 다르다. 구체예에서는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 70 내지 95 중량%일, 바람직하게는 75 내지 92 중량%일 수 있다.
뵈마이트
상기 뵈마이트는 무기계 난연성 첨가제로 하기 화학식 1로 표시될 수 있다:
[화학식 1]
AlO( OH )
상기 뵈마이트(boehmite)는 기존에 무기계 난연성 재료로 사용되던 알루미나, 수산화 알루미늄에 비해서 열안정성, 분산성, 난연성이 우수하며 고순도, 무독성의 특징을 가지고 있다.
일반적으로 수산화 알루미늄(aluminium hydroxide)은 200~230℃의 비교적 낮은 온도에서 탈수 반응이 시작, 300℃에서 10% 정도의 급격한 질량손실이 발생된다. 반도체 소자 밀봉용으로 사용되는 에폭시 수지 조성물의 성형온도는 160~200℃이고, 솔더링 또는 기판 실장공정에서의 온도는 240~270℃ 정도이므로, 수산화 알루미늄을 사용한 에폭시 수지 조성물은 난연 특성은 확보할 수는 있지만, 반도체 패키지의 성형 및 솔더링, 기판 실장공정 등에서 성형품의 내열안정성이 떨어지고, 발생되는 수분에 의한 내부응력 증가로 제품의 신뢰도에 문제가 있다.
본 발명에서는 뵈마이트를 적용함으로써, 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있다. 상기 뵈마이트는 약 340℃에서 탈수반응이 일어나고, 약 400℃까지 질량손실이 1% 이내이므로, 반도체 패키지의 성형 및 솔더링, 기판 실장공정 등에서 높은 내열안정성으로 우수한 신뢰도를 발현할 수 있다.
바람직하게는 상기 뵈마이트의 평균입경은 0.1~10㎛일 수 있다. 상기 범위에서 유동성과 신뢰성이 보다 우수하다. 바람직하게는 1~7㎛일 수 있다.
상기 뵈마이트는 전제 에폭시 수지 조성물 중 0.1~20 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 우수한 분산성과 함께 내충격성, 신뢰성, 성형성이 우수하며, 목적하는 난연 효과를 얻을 수 있다.
한 구체예에서 상기 뵈마이트와 상기 실리카의 중량비는 1:3 ~ 1:900으로 포함할 수 있다. 상기 범위에서 우수한 난연성과 신뢰도의 발란스를 얻을 수 있다.
경화 촉진제
상기 경화 촉진제는 에폭시수지와 경화제의 반응을 촉진하는 물질이다. 예를 들면, 3급 아민, 유기금속화합물, 유기인화합물, 이미다졸, 붕소화합물 등이 사용 가능하다. 3급 아민에는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디에틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀과 트리-2-에틸헥실산염 등이 있다. 유기 금속화합물에는 크로뮴아세틸아세토네이트, 징크아세틸아세토네이트, 니켈아세틸아세토네이트 등이 있다. 유기인화합물에는 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄브로마이드, 테트라페닐포스포늄브로마이드, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논 부가물 등이 있다. 이미다졸류에는 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-아미노이미다졸, 2메틸-1-비닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-헵타데실이미다졸 등이 있다. 붕소화합물에는 테트라페닐포스포늄-테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 테트라페닐보론염, 트리플루오로보란-n-헥실아민, 트리플루오로보란모노에틸아민, 테트라플루오로보란트리에틸아민, 테트라플루오로보란아민 등이 있다. 이외에도 1,5-디아자바이시클로[4.3.0]논-5-엔(1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene: DBN), 1,8-디아자바이시클로[5.4.0]운덱-7-엔(1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene: DBU) 및 페놀 노볼락 수지염 등을 사용할 수 있다. 특히 바람직한 경화 촉진제로는 유기인화합물, 아민계 또는 이미다졸계 경화 촉진제를 단독 혹은 혼합하여 사용하는 것을 들 수 있다. 상기 경화 촉진제는 에폭시수지 또는 경화제와 선반응하여 만든 부가물을 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에서 경화 촉진제의 사용량은 에폭시 수지 조성물 총 중량에 대하여 0.01 내지 2 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 0.02 내지 1.5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 1 중량%이다. 
실란 커플링제
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 커플링제를 더 포함할 수 있다. 상기 커플링제는 실란 커플링제일 수 있다. 사용될 수 있는 실란 커플링제는 에폭시수지와 무기 충전제 사이에서 반응하여, 에폭시수지와 무기 충전제의 계면강도를 향상시키는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 에폭시 실란, 아미노 실란, 우레이도 실란, 머캅토 실란 등일 수 있다. 상기 커플링제는 단독으로 사용할 수 있으며 병용해서 사용할 수도 있다.
상기 커플링제는 에폭시 수지 조성물 총 중량에 대해 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 3 중량%일 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%이다.
이외에도, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위에서 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제; 카본블랙, 유기염료, 무기염료 등의 착색제; 및 변성 실리콘 오일, 실리콘 파우더, 실리콘 레진 등의 응력완화제 등을 필요에 따라 추가로 함유할 수 있다.
상기 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 바람직하다. 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 등을 단독 또는 혼합하여 전체 에폭시 수지 조성물중 0.05~2 중량% 사용할 수 있다. 상기 범위에서 표면 오염이 발생하지 않고 레진 블리드가 길어지지 않으며, 충분한 저탄성률을 얻을 수 있다.
이상과 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량을 헨셀 믹서(Hensel mixer)나 뢰디게 믹서(Lodige mixer)를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀(roll-mill)이나 니이더(kneader)로 용융 혼련한 후, 냉각, 분쇄과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법이 사용되고 있다.
본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로써는 저압 트랜스퍼 성형법이 일반적으로 사용될 수 있다. 그러나, 인젝션(injection) 성형법이나 캐스팅(casting) 등의 방법으로도 성형이 가능하다. 상기 방법에 의해 에폭시 수지 조성물을, 구리계 리드프레임(예: 은 도금된 구리 리드프레임), 니켈합금계 리드프레임, 상기 리드프레임에 니켈과 팔라듐을 포함하는 물질로 선도금후 은(Ag) 및 금(Au) 중 하나 이상으로 도금된 리드프레임 등과 부착시켜 반도체 소자를 밀봉한 반도체 장치를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
하기 실시예 및 비교실시예에서 사용된 각 성분의 사양은 다음과 같다:
(A) 에폭시수지
(a1)페놀아랄킬형 에폭시수지: Nippon Kayaku에서 제조된 NC-3000 제품을 사용하였다.
(a2)바이페닐형 에폭시수지: Japan Epoxy Resin에서 제조된 YX-4000H 제품을 사용하였다.
(a3)오르소 크레졸 노볼락형 에폭시수지: Nippon Kayaku에서 제조된 EOCN-1020-55 제품을 사용하였다.
(B) 경화제
(b1)페놀아랄킬형 페놀수지: Airwater에서 제조된 HE200C-10 제품을 사용하였다.
(b2)자일록형 페놀수지: Airwater에서 제조된 HE100C-10 제품을 사용하였다.
(C) 무기 충전제: 평균입경이 14㎛인 실리카를 사용하였다.
(D) 뵈마이트 :TAIMEI chemical에서 제조된 C-30을 사용하였다.
(D')수산화알루미늄: Sumitomo chemical에서 제조된 CL303을 사용하였다.
(E) 경화촉진제: Hokko에서 제조된 트리페닐포스핀을 사용하였다.
(F) 실란커플링제: γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란 (KBM-403, Shin Etsu silicon)을 사용하였다.
실시예 1~6
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해, 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 계량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합함으로써 분말 상태의 1차 조성물을 제조하고, 연속 니이더를 이용하여 최고 온도 110℃에서 용융 혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
상기와 같이 수득된 에폭시 수지 조성물에 대하여 하기와 같은 방법으로 물성 및 신뢰성을 평가하였다. 본 발명에 의한 에폭시 수지 조성물의 물성 및 난연성, 신뢰성, 성형성 시험결과를 하기 표 3에 나타내었다.
비교예 1~4
하기 표 2에 나타난 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 계량하여 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며, 각 조성물의 물성 및 난연성, 신뢰성, 성형성 시험결과를 하기 표 4에 나타내었다.
[물성평가 방법]
1) 스파이럴 플로우(Spiral Flow)
EMMI-1-66에 준하여 평가용 금형을 사용하여 175℃, 70kgf/cm2에서 트랜스퍼 몰딩 프레스를 이용하여 유동길이(단위: inch)를 측정하였다. 측정값이 높을수록 유동성이 우수한 것이다.
2) 유리전이온도(Tg)
TMA(Thermomechanical Analyser)로 5℃/min 승온 조건 하에서 측정하였다(℃).
3) 전기전도도(㎲/㎝)
경화된 에폭시 수지 조성물 시험편을 분쇄기에서 약 #400MESH ~ #100MESH의 입자크기로 분쇄하고 분말화한 시료 2g±0.2㎎을 계량하여 추출용 병에 넣고, 증류수 80cc를 넣고, 100℃ OVEN 내에서 24시간 추출한 다음 추출수의 상등액을 이용하여 전기전도도를 측정하였다.
4) 굴곡강도 및 굴곡 탄성율(kgf/mm2 at 25℃)
ASTM D-790에 준하여 표준시편(125×12.6×6.4 mm)을 만든 후 175℃에서 4시간 경화시킨 이후에 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 25℃에서 3 point bending 방식으로 측정하였다.
5) 난연성
UL 94 V-0 규격에 준하여 1/8인치 두께를 기준으로 평가하였다.
6) 성형성
표 1 또는 2의 에폭시 수지 조성물로 MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 120초간 트랜스퍼 몰딩으로 성형시켜 반도체 칩 4개가 유기물 접착필름에 의하여 상하로 적층(stack)된 FBGA형 MCP(Multi Chip Package) (14mm×18mm×1.6mm) 패키지를 제작하였다. 175℃에서 4시간 동안 후경화(PMC;post mold cure)시킨 이후 상온으로 냉각하였다. 이후, 육안으로 패키지 표면에 관찰되는 보이드(void)의 개수를 측정하였다.
7) 내크랙성 평가(신뢰성 시험)
상기 성형성 평가에 사용된 패키지를 125℃에서 24시간 건조시킨 후, 5 사이클(1 사이클은 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 의미함)의 열충격 시험을 수행하였다. 이후, 패키지를 85℃, 85% 상대습도 조건 하에서 168시간 동안 방치한 후 260℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 1차로 프리컨디션 조건 이후에 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustical Tomograph)을 이용하여 크랙 발생 유무를 평가하였다. 이 단계에서 크랙이 발생 하였을 경우에는 다음 단계인 1000 사이클의 열충격 시험은 진행하지 않았다. 1차 프리컨디션 조건 이후에 크랙이 발생되지 않았을 경우에는 열충격 환경시험기(Temperature Cycle Test)에서 1000 사이클(1 사이클은 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 의미함)의 열충격 시험을 수행하였고, SAT을 이용하여 크랙 발생 유무를 평가하였다. 1차 프리컨디션 조건 이후와 열충격 시험 1000 사이클 평가 두 단계에서 크랙이 하나라도 발생한 반도체 소자 수를 측정하여 결과를 표 3 또는 4에 나타내었다.
구 성 성 분
(단위 : 중량%)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
(A) (a1) 2.39 2.17 2.59 0.72 0.48 0.92
(a2) 3.59 3.26 3.89 4.08 2.65 5.24
(B) (b1) 1.93 1.75 2.09 0.6 0.4 0.77
(b2) 2.89 2.62 3.13 3.40 2.27 4.37
(C) 87 84 87 80 73 87
(D) 1 5 0.1 10 20 0.5
(D') - - - - - -
(E) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
(F) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
카본블랙 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
카르나우바왁스 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
구 성 성 분
(단위 : 중량%)
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
(A) (a1) - - 0.65 0.54
(a2) 3.86 3.1 5.81 4.82
(a3) 1.74 - - -
(B) (b1) - - - -
(b2) 4.91 2.7 5.34 4.44
(C) 87 70 87 84
(D) - 23 - -
(D') - - - 5
(E) 0.2 0.2 0.2 0.2
(F) 0.4 0.4 0.4 0.4
난연제 브롬화에폭시수지 0.29 - - -
삼산화안티몬 1 - - -
카본블랙 0.3 0.3 0.3 0.3
카르나우바왁스 0.3 0.3 0.3 0.3
평 가 항 목 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
스파이럴 플로우(inch) 48 43 51 43 39 53
Tg(℃) 118 115 120 113 110 115
전기전도도(㎲/㎝) 15 17 12 18 21 12
굴곡강도(kgf/mm2) 16 14 17 13 12 17
굴곡탄성율(kgf/mm2) 2429 2332 2445 2294 2112 2455

연성
UL 94 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0


보이드 발생갯수
(Visual Inspection)
0 0 0 0 1 0
총시험한 반도체소자수 3000 3000 3000 3000 3000 3000


내크랙성 평가
(열충격시험)
크랙발생수
0 0 0 0 0 0
총시험한 반도체소자수 3000 3000 3000 3000 3000 3000
평 가 항 목 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
스파이럴 플로우(inch) 48 36 54 41
Tg(℃) 121 109 114 112
전기전도도(㎲/㎝) 14 22 11 18
굴곡강도(kgf/mm2 ) 17 10 16 14
굴곡탄성율(kgf/mm2) 2433 1965 2434 2297

연성
UL 94 V-0 V-0 V-0 V-1 V-0


보이드 발생갯수
(Visual Inspection)
0 38 0 1
총시험한 반도체소자수 3000 3000 3000 3000


내크랙성 평가
(열충격시험)
크랙발생수
1 3 0 2
총시험한 반도체소자수 3000 3000 3000 3000
상기 표 3 및 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물이 비교예에 나타난 기존의 에폭시 수지 조성물과 비교하여 난연성 UL 94 V-0를 확보하면서 동시에 성형성 및 신뢰성 면에서도 우수한 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (9)

  1. 에폭시수지, 경화제, 경화 촉진제, 무기 충전제 및 난연제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서,
    상기 난연제로 하기 화학식 1로 표시되는 뵈마이트를 포함하며, 상기 뵈마이트는 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1~20 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 1]
    AlO( OH )
  2. 제1항에 있어서, 상기 뵈마이트의 평균입경은 0.1~10㎛인 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무기 충전제는 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 뵈마이트와 실리카의 중량비는 1:3 ~ 1:900으로 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지 2~15 중량%, 경화제 0.5~12 중량%, 경화 촉진제 0.01~2 중량%, 무기 충전제 70~95 중량% 및 뵈마이트 0.1~20 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에폭시수지는 하기 화학식 2로 표시되는 에폭시수지를 전체 에폭시수지 중 10~90중량%로 포함하는 것이 특징인 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 2]
    Figure 112010087397414-pat00007

    (상기식에서, n은 1 내지 7 사이의 정수임)
  7. 제1항에 있어서, 상기 경화제는 하기 화학식 4로 표시되는 페놀 수지를 전체 경화제중 10~90중량%로 포함하는 것이 특징인 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 4]
    Figure 112010087397414-pat00008

    (상기 식에서, n은 1 내지 7 사이의 정수임).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 에폭시 수지 조성물로 반도체 소자를 밀봉한 것이 특징인 반도체 소자.
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