KR100189095B1 - 고신뢰성 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내크랙성이 우수하고 고온다습 조건하에서 알루미늄 패드(Aluminum Pad)의 부식을 발생시키지 않는 등 그 신뢰성이 우수한 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 나프탈렌(Naphthalene)계 에폭시 수지와 비스페놀(Bisphenol)계 에폭시 수지를 중량비 [1]/[11]=5/5∼9/1로 이루어진 혼합물을 전체 에폭시 수지에 대해 50중량% 이상 포함하는 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일, 및 무기충전제를 필수 성분으로 하며, 무기충전제가 수지 조성물 전체에 대해 78중량% 이상 함유된 것을 특징으로 하는, 내크랙성과 알루미늄 패드 부식에 대한 저항력이 뛰어난 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
Description
[발명의 명칭]
고신뢰성 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 내크랙성이 우수하고 고온다습 조건하에서 알루미늄 패드(Aluminum Pad)의 부식을 발생시키지 않는 등 그 신뢰성이 우수한 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 나프탈렌(Naphthalene)계 에폭시 수지와 비스페놀(Bisphenol)계 에폭시 수지가 중량비 5/5∼9/1로 이루어진 혼합물이 전체 에폭시 수지에 대하여 50중량% 이상 포함된 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하며, 무기충전제가 조성물 전체에 대해 78중량% 이상 함유된 것을 특징으로 하는 내크랙성과 알루미늄 패드부식에 대한 저항력이 뛰어난 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
[종래 기술 및 발명의 배경]
최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며 이에 따른 배선의 미세화, 소자크기의 대형화 및 다층배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부환경으로부터 보호하는 패케이지(Package)는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면실장이라는 관점으로부터 소형화 및 박형화가 가속화되고 있다.
이와 같이 대형 반도체 소자를 소형 및 박형 패케이지에 밀봉하는 수지 밀봉형 반도체 장치에서는 외부환경의 온도 및 습도변화에 따른 열응력에 기인하여 패케이지 크랙 또는 알루미늄 패드 부식 발생 등의 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 따라서 현재 이들의 해결책으로써는 밀봉용 에폭시 수지 성형재료의 고신뢰성화가 강하게 대두되고 있으며, 세부 방법으로 저응력화를 위한 탄성률을 낮추는 방법, 열팽창계수를 낮추는 방법 등이 소개되고 있고, 부식 발생을 억제하기 위한 방법으로 고순도의 에폭시 수지, 또는 경화제의 사용, 이온 포착제(Ion Trapper) 적용에 의한 불순물의 저하 및 무기충전제를 고충전하여 수분 흡습량을 저하시키는 방법이 있다.
탄성률을 낮추는 방법으로써는, 일본 특허 특개소 63-1894 및 특개평 5-291436에서와 같이 각종 고무 성분에 의한 개질이 검토되어 열적 안정성이 우수한 실리콘 종합체를 배합, 개질시킨 에폭시 수지 성형재료가 폭 넓게 채택되고 있다. 이 방법에서 실리콘 오일은 성형재료의 기저 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없기 때문에 기저 수지 중에 미립자 분산되므로 내열성을 유지한 채 저탄성률을 이룰 수 있다. 또한 저열팽창화에 대해서는 열팽창계수가 낮은 무기충전제의 충전량을 늘리는 방법이 최선으로, 다만 무기충전제의 충전량 증가에 따른 에폭시 수지 성형재료의 저유동성과 고탄성이 문제가 되나 일본 특허 특개소 64-11355에서는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기의 조절을 통하여 다량의 충전제를 배합할 수 있는 기술이 소개되기도 하였다.
고순도의 오르토 크레졸 노볼락(ortho-cresol novolac)형 에폭시 수지가 소개되고(일본 특허 특공소 62-26649), 신무수물 경화제를 대체할 수 있는 페놀(phenol) 수지가 개발된 이래 반도체 소자의 알루미늄 배선의 부식발생 문제는 거의 해결되었으며 특히 폴리이미드 수지를 이용한 반도체 소자의 표면 코팅으로 알루미늄 배선의 부식 문제를 100% 억제시켰다고 할 수 있다. 그러나 전극으로 사용되는 알루미늄 패드는 골드 와이어(gold wire)와 접속시켜야 하기 때문에 에폭시 수지 조성물과 직접적인 접촉을 하고 있어 부식이 발생하기 쉽고 이에 따른 전기적 저항의 증가 등 치명적인 불량이 야기되고 있는 실정이다. 이를 해결할 수 있는 방법으로 에폭시 수지 조성물과 알루미늄 패드와의 접착강도를 향상시키고 수분 흡습량이 적으며 불순물 농도가 낮은 에폭시 수지 조성물이 요구되고 있으나, 반도체의 특성이나 에폭시 수지 조성물의 취약으로 인해 만족할 만한 에폭시 수지 성형재료를 얻을 수 없었다.
본 발명자들은 예의 검토 연구한 결과, 특정의 화학구조식을 갖는 에폭시 수지를 혼합한 혼합물을 사용하고 무기충전제의 총량을 78중량% 이상 적용할 경우 솔더 내크랙성 및 알루미늄 패드 부식에 강한 에폭시 수지 경화물을 얻을 수 있음을 알고 본 발명을 개발하기에 이른 것이다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 수지의 저탄성률화 및 저흡습화를 달성하여 솔더 내크랙성이 우수하고 나아가 알루미늄 패드 부식에 대한 저항력이 뛰어난 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기의 상세한 설명 및 실시예의 의하여 구체화될 것이다.
[발명의 요약]
본 발명의 에폭시 수지 조성물은
(1) 하기 화학구조식 [Ia]부터 [Id]의 어느 하나로 표시되는 나프탈렌계 에폭시 수지, 하기 화학구조식 [II]로 표시되는 비스페놀계 에폭시 수지, 및 다른 에폭시 수지로 구성되고, 상기 [I] 및 [II]의 중량비가 [I]/[II]=5/5∼9/1이며, 상기 [I] 및 [II]의 합이 전체 에폭시 수지에 대하여 50중량% 이상 포함하는 에폭시 수지 혼합물;
(상기식에서 n은 1 내지 3의 정수임)
(상기식에서 n은 1 또는 2이고, R1및 R2는 알킬기를 나타냄)
(상기식에서 n은 1 내지 3의 정수임)
(상기식에서 n은 1 또는 2이고, R은 H 또는 메틸기임)
(2) 경화제;
(3) 경화촉진제;
(4) 변성 실리콘 오일; 및
(5) 무기 충전제;
를 필수 성분으로 하고 성분(5)의 무기 충전제가 수지 조성물 전체에 대하여 78중량% 이상 함유되는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
[발명의 구체예에 대한 상세한 설명]
이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물에 사용되는 에폭시 수지 성분은 에폭시 수지의 혼합물 형태이다. 즉 상기 에폭시 수지 성분(1)은 상기 화학구조식 [Ia]부터 [Id]의 어느 하나로 표시되는 나프탈렌계 에폭시 수지, 상기 화학구조식 [II]로 표시되는 비스페놀계 에폭시 수지, 및 다른 에폭시 수지(들)로 구성되는 혼합물 형태이다. 여기서 [I] 및 [II]의 중량비는 [I]/[II]=5/51∼9/1이며, [I] 및 [II]의 합이 전체 에폭시 수지에 대하여 50중량% 이상 포함하는 에폭시 수지 혼합물이 바람직하다.
에폭시 수지 [I] 및 [II]의 중량비인 [I]/[II]가 5/5보다 작을 경우에는, 예를 들어 3/7 또는 1/9의 경우에는, 솔더 내크랙성이 취약해지고, 9/1보다 클 경우에는, 예를 들어 10/0의 경우에는, 알루미늄 패드 부식에 대한 저항력이 없어질 뿐만 아니라 성형성을 확보하기에 매우 어렵고 접착강도가 저하된다. 에폭시 수지 [I] 및 [II]는 그 당량이 각각 210∼250 및 150∼190의 범위이며 불순물 함량이 10ppm이하인 고순도의 에폭시 수지이어야 한다. 에폭시 수지 [I] 및 [II]와 병행하여 사용되는 에폭시 수지는 1분자중 2개 이상의 에폭시기를 갖는 것이면 어느 것이라도 적용 가능하다. 예를 들면 일반적으로 사용되는 크레졸 노볼락 수지, 페놀 노볼락 수지, 바이페닐, 비스페놀 A, 디사이클로펜타디엔 등을 단독 또는 2종류 이상 병행해서 사용할 수 있다. 그러나 내열 크랙성 및 성형성을 고려하면 에폭시 당량이 180∼220인 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지가 바람직하다. 에폭시 수지 [I] 및 [II]와 병행하여 사용되는 에폭시 수지는 전체 에폭시 수지 혼합물에 대하여 50중량% 미만 사용하는 것이 바람직하다. 즉 에폭시 수지 [I] 및 [II]의 합이 전체 에폭시 수지에 대하여 50중량% 이상 포함하는 에폭시 수지 혼합물이 바람직하다.
에폭시 수지 [I] 및 [II]의 합이 전체 에폭시 수지에 대하여 50중량% 미만으로 사용할 경우에는 저흡습과 고접착을 달성할 수 없어 알루미늄 패드 부식에 대한 저항력이 없어지게 된다.
본 발명의 에폭시 수지 혼합물 성분(1)은 전체 수지 조성물에 대하여 3.5∼9.0중량%로 사용된다.
본 발명에 사용된 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, 이를 단독 또는 2종류 이상 병행하여 사용할 수 있다. 그러나 가격 및 성형성의 관점에서 페놀 노볼락형 수지를 경화제 전체의 50중량% 이상 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지와 경화제의 조성비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8∼1.2인 것이 좋으며, 또한 경화제는 전체 수지 조성물에 대하여 2.1∼6.5중량%로 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 성분(3)의 경화촉진제는 상기 성분(1)과 성분(2)의 경화반응을 촉진하기 위해 필요한 성분으로, 예를 들어 벤질디에틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류; 2-메틸이미다졸, 2-페놀이미다졸 등의 이미다졸류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기포스핀류; 및 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 테트라페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 있으며, 이 중에서 1종 또는 2종 이상을 병용해도 좋고, 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1∼0.3중량%가 좋다.
본 발명에 사용된 성분(4)의 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 좋으며 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일, 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.5∼1.5중량% 사용할 수 있다. 다만, 실리콘 오일을 1.5중량% 이상 초과하여 사용시는 표면 오염이 발생하기 쉽고 레진 블리드(resin bleed)가 길어질 우려가 있으며 0.5중량% 미만으로 사용시에는 충분한 저탄성률을 얻을 수가 없게 된다.
본 발명에 사용된 무기충전제(5)는 그 평균입자가 0.1∼35.0㎛인 용융 또는 합성 실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 충전량은 수지 조성물 전체에 대해 78중량% 이상 사용하여야 한다. 78중량% 이하로 무기충전제를 사용할 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없으며 또한 수분의 침투가 용이해져 알루미늄 패드 부식에 치명적이 된다. 다만, 무기충전제의 충전량 상한선은 성형성을 고려하여 선정하여야 하며, 좋게는 85중량% 미만을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 분쇄형과 구형의 실리카를 분쇄형과 구형의 구성조성비 7/3∼0/10인 혼합형태가 좋으며 특히 고순도의 제품이라야 한다.
또한 본 발명의 성형재료에는 브로모 에폭시의 난연제, 삼산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등의 난연조제; 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제; 카본블랙, 유기 또는 무기 염료 등의 착색제; 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제 등을 필요에 따라 사용할 수 있다.
이상과 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니더로 용융혼련하며, 냉각, 분쇄과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법이 사용되고 있다.
본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로써는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 인젝션(Injection) 성형법이나 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형가능하다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
[실시예 1-4]
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 실시예 1에서는 에폭시 수지로서 상기 구조식 [Ia]의 수지를 사용하였고, 실시예 2에서는 에폭시 수지로서 상기 구조식 [Ib]의 수지를 사용하였고, 실시예 3에서는 에폭시 수지로서 상기 구조식 [Ic]의 수지를 사용하였으며, 실시예 4에서는 에폭시 수지로서 상기 구조식 [Id]의 수지를 사용하였다.
이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 스파이랄 플로우(spiral folw)를 측정하였으며 시험편을 제작, 175℃에서 6시간 후경화시킨 뒤, 굽곡강도 및 탄성률, 흡습률, 추출수의 이온불순물, pH, 전기전도도를 측정하였다. 또한 48 QFP(Quad Flat Package)를 성형하여 후경화시킨 후 85℃/65%RH의 항온항습 조건에서 각각 48 및 168시간 동안 흡습시킨 뒤, 245℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 전처리를 실시하여 패케이지 크랙을 관찰하였다. 전처리후에는 121℃ 및 100%RH의 PCT(Pressure Cooker Tester)를 사용하여 각각 168, 240, 300 시간동안 수분을 흡습시킨 뒤 알루미늄 패드의 부식 발생 상황을 관찰하여 에폭시 수지 조성물이 알루미늄 패드의 부식에 미치는 영향을 검토하였다. 물성결과도 표 1에 나타나 있다.
[비교실시예 1-4]
표 2에 나타난 바와 같이, 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 상기 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며, 각 물성의 측정 및 패케이지 크랙, 알루미늄 패드 부식 등을 관찰하였다.
표 1과 표 2의 비교를 통해 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 솔더 내크랙성과 알루미늄 패드 부식 저항성 등, 신뢰성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉할 경우 솔더 내크랙성 뿐만 아니라 알루미늄 패드 부식에 대한 저항이 매우 우수하기 때문에 이것을 이용하는 것으로부터 크랙의 발생과 알루미늄 패드 부식의 발생을 억제하는 양호한 반도체 소자를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.
Claims (8)
- (1) 하기 화학구조식 [Ia],[Ib],[Ic] 및 [Id]로 이루어진 군으로부터 선택되는 나프탈렌계 에폭시 수지, 하기 화학구조식 [II]로 표시되는 비스페놀계 에폭시 수지, 및 다른 에폭시 수지로 구성되고, 상기 [I] 및 [II]의 중량비가 [I]/[II]=5/5∼9/1이며, 상기 [I] 및 [II]의 합이 전체 에폭시 수지에 대하여 50중량% 이상 포함하는 에폭시 수지 혼합물:(상기식에서 n은 1 내지 3의 정수임)(상기식에서 n은 1 또는 2이고, Rl및 R2는 알킬기를 나타냄)(상기식에서 n은 1 내지 3의 정수임)(상기식에서 n은 1 또는 2이고, R은 H 또는 메틸기임)(2) 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(xylok) 수지 및 디사이클로펜타디엔 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 경화제; (3) 벤질디에틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 및 트리(디메틸아미노메틸)페놀의 3급 아민류; 2-메틸이미다졸 및 2-페놀이미다졸의 이미다졸류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀 및 페닐포스핀의 유기포스핀류; 및 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트 및 테트라페닐포스핀 테트라페닐보레이트의 테트라페닐보론염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 경화촉진제; (4) 변성 실리콘 오일; 및 (5) 평균입자가 0.1∼35.0㎛인 용융 또는 합성 실리카로서, 수지 조성물 전체에 대하여 78중량% 이상 함유되는 무기충전제; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 혼합물 성분(1)은 전체 수지 조성물에 대하여 3.5∼9.0중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 다른 에폭시 수지는 1분자중 2개 이상의 에폭시기를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제3항에 있어서, 상기 다른 에폭시 수지는 크레졸 노볼락 수지, 페놀 노볼락 수지, 바이페닐, 비스페놀 A, 및 디사이클로펜타디엔로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 경화제(2)는 전체 수지 조성물에 대하여 2.1∼6.5중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 경화촉진제(3)의 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1∼0.3중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 변성 실리콘 오일(4)은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.5∼1.5중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제7항에 있어서, 상기 변성 실리콘 오일(4)은 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일, 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
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