KR0160161B1 - 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 (A) 에폭시수지 100중량부, (B) 페놀 수지 85 내지 170중량부 (C) 커플링제 4 내지 20 중량부, (D) 실리콘 변성수지 10 내지 130중량부, (E) 실리카 분말 800 내지 1500중량부, (F) 경화 촉진제 0.5 내지 10중량부 및 기타첨가제로 이루어진 수지밀봉형형 반도체장치용 에폭시수지 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수지밀봉형 반도체장치용 수경화형 에폭시수지 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 탄성율이 낮고 수지조성물과 리이드 프레임과의 부착성이 양호하기 때문에 내습성이 뛰어나며, 유리전이온도가 기존제품보다 일찍 형성되는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물에 관한 것이다.
에폭시수지를 이용한 반도체장치 밀봉방식은 세라믹이나 유리, 금속등을 이용한 밀봉방식보다 비용이 저렴하고 대량생산이 가능하다는 이점 때문에 최근 에폭시수지에 의한 밀봉이 보편화 되고 있다. 특히 에폭시수지는 기계적인 특성이나 전기절연특성, 내습성, 내열성등이 우수하기 때문에, 높은 신뢰성이 요구되는 전기절연 재료로서 전기제품, 전자제품, 반도체 장치의 밀봉등에 널리 이용되고 있다. 최근 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 알루미늄 배선이 1미크론 이하로 미세화 되고, 반도체 칩의 크기가 커지고 있는 반면에, 표면 실장형 수지 패키지의 등장과 급격한 확산으로 인하여 수지 패키지의 크기는 점점 작아지고 또 박판화 되어가므로서 고신뢰성을 가진 수지조성물이 요구되어지고 있다. 이런 박판화, 소형화된 수지 패키지를 납땜시키기 위하여 땜납에 침지하게 되거나 고온, 고습조건에 방치하게 되면 패키지에 크렉이 생기거나 금선의 단선, 또는 수지 조성물과 리이드프레임과의 박리로 인한 내습성의 저하로 인해 알루미늄 배선의 부식등 여러가지 문제점이 발생한다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여 수지 조성물의 내부응력을 낮주거나 내열성을 향상시키는 기술이 전전되어 있다. 즉, 수지 조성물의 내부응력을 낮추기 위하여 수지조성물에다 부타디엔계 고무를 첨가하는 기술이 제안되었으나 이같은 고무 변경 수지는 수지 밀봉후 패키지 외관이 불량해 질 뿐만 아니라 내습성이 저하되는 결점등이 있다.
또한 실리콘 변성수지는 내부응력을 감소시키는 효과와 외관은 양호하나 밀봉시 점도의 상승으로 인한 성형성 불량과 미반응성 실리콘으로는 인한 내습성이 불량하게 되는 단점이 있다. 그리하여 이런 내습성의 저하는 반도체 칩상의 금속부식을 야기시키고 또한 땜납 심지시 패키지 크랙을 유발시킨다. 또한 내부 응력을 낮추기 위해서는 선팽창계수를 낮추는 방법이 있다. 그러나 선팽창계수를 낮추기 위하여 실리카를 고충진시키면 성형성이 불량해지고 탄성율이 증가하는 경향이 있다. 그리고 내열성을 높이기 위하여 다관능기의 에폭시나 페놀을 사용하면 유리전이점이 상승하나 이에 반하여 프리볼륨의 증가로 내습성이 불량해지는 결점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 신뢰성이 우수한 실리콘 변성수지를 이용하여 탄성율을 낮추고, 저분자량의 노볼락 에폭시수지와 다관능기를 함유한 에폭시를 사용하여 저흡습, 내열성을 향상시킴과 동시에 고 충진이 가능한 실리카를 사용하여 선팽창계수를 낮추어 반도체 패키지 크랙을 예방하고, 반응성이 빠른 비페닐에폭시 및 다관능기의 페놀을 사용하여 유리전이온도를 조기에 형성시켜 후경화에 소모되는 시간을 절약하여 반도체장치의 생산성을 향상시키고, 수지조성물과 금속재료와의 박리 현상을 최소화하므로서 신뢰성이 높은 수지밀봉형 반도체 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 조성물은 (A) 에폭시수지 100중량부, (B) 페놀 수지 85 내지 170중량부 (C) 커플링제 4 내지 20 중량부, (D) 실리콘 변성수지 10 내지 130중량부, (E) 실리카 분말 800 내지 1500중량부, (F) 경화 촉진제 0.5 내지 10중량부 및 기타첨가제로 이루어진다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용된 (A) 에폭시수지로는 글리시딜 에테르형 에폭시수지, 글리시딜 에스테르형 에폭시수지, 글리시딜 아민형 에폭시수지, 할로겐화 에폭시수지, 비페닐 에폭시수지, 노볼락 변성 다관능 에폭시수지 및/또는 비스페놀 에폭시수지 등을 들 수 있다. 이들중 에폭시수지의 당량이 150 내지 250정도인 비스페놀 에폭시수지와 노볼락 변성 다관능 에폭시수지를 이용할 경우 특히 우수한 반응성 및 열적 특성을 얻는다. 본 발명에서는 하기 식(I)로 표시되는 비스페놀형 에폭시 10 내지 70중량% 와 하기 식(II)로 표시되는 다관능기의 노볼락 변성 에폭시수지 30 내지 90중량% 를 혼용하므로서 수지들간의 결합을 촉진시켜 유리전이온도를 조기형성시켜 내열성이 양호한 수지조성물을 얻었다.
여기서, n은 1내지 10인 정수이다.
또한 성분(B)는 에폭시수지성분(A)의 경화제로 작용하는데, 그예서는 노볼락형 페놀수지, 페놀 아르알킬수지, 비스페놀형 수지, 레졸형 페놀수지 또는 변성 페놀수지 등이 있다. 이들 페놀수지는 2가지 이상을 혼용하여 사용하여도 좋으나 본 발명에서는 경화반응을 향상시킨 기 위하여 하기 식(III)으로 표시되는 다관능기의 변성 페놀수지를 도입하여 보다 빠른 유리전이온도가 형성될 수 있도록 하였다. 바람직하게는 하기 식(III)으로 표시되는 다관능기의 변성 페놀수지 단독 또는 노볼락 페놀과 혼용하되 전체 페놀함량중 50중량% 이상을 함유한다. 또한 이런 변성 페놀을 사용할 경우 양호한 부착력과 빠른 반응성, 그리고 유리전이온도에 비하여 비교적 낮은 흡습을 갖는 제품을 얻을 수 있으므로서 박판화된 표면 실장형 패키지에 높은 신뢰성을 주는 것이 그 특징이라 하겠다.
여기서, R는 CH3또는이다.
본 발명에 사용된 에폭시수지(A)와 페놀수지(B)와의 배합비율은 에폭시수지의 에폭시당량과 페놀성 수산기 당량과의 당량비로 조절하는 바, 이들 당량비가(에폭시 당량/수산기당량) 0.8 내지 1.3이 되도록 조절하는 것이 좋다. 만일 이들 당량비가 이범위보다 낮으면 미경화로 인한 성형성이 불량해지고 이 범위보다 높으면 경화된 후 강도가 저하되고 흡습율이 증가되는 문제점이 발생한다. 따라서, 에폭시수지 100중량부에 대하여 상기 페놀수지는 85 내지 170중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시수지 조성물의 주원료인 에폭시수지는 가수분해성 염소이온의 함량이 0.1중량% 이하인 것을 사용하는 것이 반도체 칩중의 알루미늄등 금속재료의 부식을 방지하기 위하여 바람직하다. 또한 페놀수지가 상기 범위를 벗어날 경우 성형성이 불량해지고 내습성이 저하된다.
그리고 수지 조성물중 (C)는 커플링제로서 에폭시수지 조성물중 주로 유기분과 무기분, 그리고 금속소재와의 결합력을 높여주는 역할을 한다. 상기 커플링제에는 여러가지가 있으나 실란계 커플링제가 가장 많이 사용되고 있다. 본 발명에서는 사용된 커플링제는 아미노기를 함유한 실린계 커플링제로서 에폭시기를 갖는 커플링제보다도 반응성이 빠르므로 속경화형 수지조성물을 이루는데 보다 적합하다 할 수 있다. 상기 커플링제는 에폭시수지 100중량부에 대하여 4 내지 20중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 만일 성분(C)의 함량이 일정량보다 적으면 강도의 저하와 원하는 반응성을 얻을 수 없고, 많을 경우는 수지조성물내에 겔입자를 형성시킬 위험이 있다.
상기 조성물 성분중 (D)는 실리콘 변성수지로서 에폭시수지 조성물의 내부응력을 낮춰지는 역할을 하는데 여기에 사용되는 실리콘 오일의 반응기로는 에폭시 또는 카르복실, 아민, 또는 메타크릴옥시등로서 예로 들 수 있는데 이들을 에폭시에 반응시켜 만든 것이다. 본 발명에서 사용된 실리콘 변성수지는 아민기를 가진 실리콘 오일을 TMA(Tri Mellitic Anhydride)와 1차로 반응시켜 실리콘 이미드를 만든후 다시 2차로 에폭시 수지와 100-200℃에서 반응시켜 실리콘 변성수지를 만들어 사용하였다. 만일 성분(D)의 배합비율이 에폭시수지 100중량부에 대하여 10중량부 미만이면 최종제품의 내부응력 저하를 기대할 수 없고, 130중량부 이상이면 내습성이 저하되고 성형성이 불량해진다. 본 발명에 바람직한 실리콘 변성수지는 하기 (IV)로 표시된다.
상기 식에서 R은 탄소수가 1~3인 선형 또는 브렌치된 알킬그룹이고, R1~R4는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 탄소수가 1~4개의 알킬기, 또는 페닐, 톨루일, 또는 나프타닐과 같은 방향족이며, n은 20내지 200인 정수이다.
성분(E)는 실리카 분말로서 크게 나누어 용융 실리카, 결정성 실리카, 합성 실리카등이 있고 형태로는 파쇄형과 구형이 있다. 이들 실리카 분말은 2종 이상을 혼합사용할 수 있는데, 예를들어 파쇄형 용융실리카 또는 결정성 실리카 400 내지 800중량부와 구형 용융실리카 400 내지 1100중량부로 이루어진 분말이 본 발명에 바람직하다. 더욱이 구형의 실리카를 사용할 경우 반도체 칩에 응력을 좀 더 감소시킬 수 있으며 수지조성물의 흐름성을 보다 양호하게 만들 수 있다.
또한 실리카 분말은 반도체 칩상의 소프트 에러를 방지하기 위하여 α 선량이 낮아야 하고, 토륨 및 우라늄의 함량이 1.0ppb이하인 합성 실리카를 사용하는 것이 좋다. 그리고 본 발명에서 사용되는 실리카 분말의 적절한 사용량은 에폭시수지 100중량부에 대하여 800-1500중량부로서 만일 이보다 적은 양을 사용할 경우 선팽창 계수의 증가 및 흡습의 증가로 인하여 땜납 침지시 불량이 발생할 가능성이 높아지고, 이보다 많은 양을 사용하면 조성물의 점도상승으로 인하여 성형성의 나빠진다. 그리고 실리카의 고충진을 위해 보다 바람직한 실리카의 입도분포로는 입자중 25-35미크론의 함량이 60 내지 75중량부, 10-17미크론의 함량이 15 내지 25중량부, 1-5미크론의 함량이 5 내지 10중량부를 혼용함이 바람직하다.
상기 성분(F)는 에폭시 조성물의 경화 촉진제로서 포스핀과 포스핀 유도체 또는 아민계, 및 이미다졸과 그 유도체 등이 주로 사용되고 있으나 신뢰성을 고려할 때 포스핀 계통을 사용함이 보다 바람직하나 경화시간이 이미다졸류의 촉진제보다 느리므로 속경화형으로는 이미다졸계가 더욱 좋다. 그러나, 이미다졸계의 촉매를 단독으로 사용하면 내습성의 불량원인이 되므로 이런 문제들을 감안한다면 포스핀 계통과 이미다졸류의 촉매를 적절히 혼용하는 것이 가장 좋다. 예를 들어, 전체사용된 경화촉진제에 대하여 포스핀류 함량이 5 내지 25중량%, 이미다졸류 함량이 75 내지 95중량%의 비율로 혼용된 것이 바람직하다. 상기 경화 촉진제의 사용량은 에폭시 수지 100중량부에 대하여 0.5 내지 10중량부가 바람직하다.
그리고, 기타 첨가제로 에폭시수지 100중량부에 대하여 이형제 3 내지 20중량부, 난연제 15 내지 50중량부, 또는 착색제 1 내지 10중량부가 첨가될 수 있다. 상기 이형제는 반도체 패키지와 몰드와의 분리를 도와주는 것으로서 그 종류로는 천연왁스와 합성왁스, 에스테르니 금속염, 파라핀, 또는 산 아미드등이 있고 이들은 2종 이상을 혼용하여 사용하여도 좋다. 상기 난연제는 패키지에 난연성을 부여하기 위한 첨가제로 삼산화 인티몬, 브로모톨루엔, 헥사브로모 벤젠 등이 있다. 이들의 함량이 15-30중량부를 벗어나게 되면 난연성이 저하 되거나 성형성이 나빠지게 된다. 상기 착색제는 주로 카본블랙을 사용한다.
이상의 조성물로 제조된 제품을 원하는 성형품으로 만들 때 에는 압축 또는 사출성형, 그리고 트랜스퍼성형을 이용 할 수 있다. 그러나 가장 일반적인 성형방법은 저압 트랜스퍼 성형을 이용하여 성형시키는 방법이고 성형후에는 에폭시수지 조성물을 170℃이상의 온도에서 4시간 이상 방치시켜 주어야 완전히 경화된 성형품을 얻을 수 있으나 본 발명은 후경화 시간이 없어도 이와 유사한 물성을 얻을 수 있는 것이 그 특징이라 할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예 및 비교예를 통하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 예들이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1 및 비교예 1 내지 3]
하기 표1에 기재된 비율로 각 성분들의 무게를 재고 이들중 충진제분말(실리카 분말에 삼산화인티몬 분말과 카본블랙을 첨가시킨 분말)을 헨셀믹서에 넣고 커플링제를 분사시켜 충진제분말을 전처리시킨후 나머지 성분들을 넣고 충분히 혼합한다. 이것을 70℃ 내지 110℃로 가열된 2축롤러나 니이더로 용융 혼련시킨 후 냉각시켜 에폭시수지 조성물을 만든다. 이어서 상기 조성물을 180℃의 저압 트랜스퍼로 2분 동안 성형시키고, 다시 170℃이상의 온도에서 일정시간 별로 후경화시켜서 시편을 제조하여 그 물성을 측정하여 하기 표2 및 3에 기재하였다. 시험 방법 및 조건을 하기 표4에 기재하였다.
상기 표4에 부터 알 수 있듯이, 본 발명에서 기술한 에폭시수지 조성물은 기존의 에폭시 수지조성물과 비교하여 탄성율이 낮고 수지조성물과 리이드 프레임과의 부착성이 양호하기 때문에 내습성이 뛰어나고, 유리전이온도가 기존제품보다 일찍 형성되므로 후경화시간을 줄 수 있다. 또한 땜납 침지시 고온에서도 패키지 크랙이 줄어듬을 알 수 있다. 그리고 이 에폭시수지 조성물은 성형성이 양호하고 후경화시간이 짧기 때문에 반도체장치의 생산성을 향상시킬 수 있는 수지조성물이라야 할 수 있다. 이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 에폭시수지 수지조성물은 반도체 산업이 날로 발전하고 있고 패키지의 양상도 점점 작아지고 박판화되어가고 있는 형상에 비추어 볼 수 속경화형 고밀도 표면 실장 패키지용으로 적합하다 하겠다. 또한 본 발명의 에폭시수지 조성물은 고온, 고습, 열충격하에서 높은 신뢰성을 보임이 그 특징이라 하겠다.
Claims (6)
- (A) 하기 식(I)로 표시되는 비스페놀형 에폭시 10 내지 70중량%와 하기 식(II)로 표시되는 다관능기의 노볼락 변성 에폭시수지 30 내지 90중량%로 이루어진 에폭시수지 100중량부, (B) 하기 식(III)으로 표시되는 다관능기의 변성 페놀수지 단독, 또는 노볼락 페놀과 혼용하되 전체 페놀함량중 50중량% 이상을 함유하는 페놀수지 85 내지 170중량부 (C) 실란계 커플링제 4 내지 20중량부, (D) 하기 식(IV)로 표시되는 실리카 변성수지 10 내지 130중량부, (E) 실리카 분말 800 내지 1500중량부, (F) 경화 촉진제 0.5 내지 10중량부 및 기타첨가제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물.여기서, n은 1내지 10인 정수이다.상기 식에서 R은 탄소수가 1~3인 선형 또는 브렌치된 알킬그룹이고, R1~R4는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 탄소수가 1~4개의 알킬기, 또는 페닐, 톨루일, 또는 나프타닐과 같은 방향족이며, n은 20내지 200인 정수이다.
- 제1항에 있어서, 상기 실리카 분말이 융용 실리카, 결정성 실리카, 및/또는 합성 실리카이고, 형태로는 파쇄형과 구형임을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물.
- 제2항에 있어서, 상기 실리카 분말이 파쇄형 용융실리카 또는 결정성 실리카 400 내지 800중량부와 구형 융용실리카 400 내지 1100중량부로 이루어진 것을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물.
- 제2항에 있어서, 상기 실리카 분말의 입도가 전체 실리카중에 25-35미크론의 입자함량이 50 내지 75중량%, 10-17미크론의 함량이 15 내지 25중량%, 및 1-5미크론의 함량이 5 내지 20중량%가 포함된 것을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 수지밀봉형 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 경화촉진제가 포스핀과 포스핀유도체, 또는 아민계, 및 이미다졸과 그 유도체이고, 전체사용된 경화촉진제에 대하여 포스핀류 함량이 5 내지 25중량%, 이미다졸류 함량이 75 내지 95중량% 의 비율로 혼용된 것을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 기타첨가제가 에폭시수지 100중량부에 대하여 이형제 3 내지 20중량부, 난연제 15 내지 50중량부, 또는 착색제 1 내지 10중량부임을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체장치용 속경화형 에폭시수지 조성물.
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