KR100215026B1 - 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용한 반도체 장치 - Google Patents

반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용한 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이 조성물로 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 에폭시 수지, 경화제, 무기 충진제, 경화 촉진제, 커플링제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 특수 첨가제로서 로진에스테르, 스틸렌 부타디엔수지 및 인덴수지에서 선택된 2종 이상을 포함시킨 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 종래의 기계적 강도, 성형성, 내습성 등 일반물성을 만족시키면서, 기존의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 보다 접착성과 내크랙성이 우수하여 고밀도 표면실장형 팩키지 봉지에 높은 신뢰성을 나타낸다.

Description

반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용한 반도체 장치{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR SEALING SEMICONDUCTORS AND SEMICONDUCTOR DEVICES ENCAPSULATED THEREWITH}
본 발명은 접착성을 향상시켜 신뢰성을 높인 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이 조성물로 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다.
종래에는 집적회로(IC), 고집적 회로(LSI) 및 발광 다이오드와 같은 전자 부품의 밀봉시 세라믹, 유리 또는 금속 등을 이용한 기밀봉지 방식이 사용되어 왔으나, 가격이 비싸고 대량생산에 적합하지 못하여 근래에는 비용이 저렴하고 대량생산이 가능한 수지 봉지 방식이 보편화되어 사용되고 있다. 특히 에폭시 수지는 전기 절연성, 기계적 특성, 내열성, 내습성 등이 다른 수지보다 월등히 우수하기 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 전기 전자 부품이나 반도체 장치의 밀봉에 널리 이용되고 있다.
최근에는 반도체 소자의 집적도가 증가함에 따라 반도체 칩의 크기가 대형화되고 있는 반면, 표면실장형 팩키지의 확산과 더불어 소형화와 박형화가 이루어지고 있다. 이러한 반도체 소자의 표면실장시 215 내지 260℃의 열이 가해지므로 내부 응력이 발생할 수 있으며, 또한 팩키지 보관중에 외부로부터 흡수된 수분의 기화 팽창으로 수지 조성물과 리드프레임(Leadframe) 및 다이패들(Die Paddle)간의 박리로 인하여 내습성이 저하될 수 있고, 더욱 심한 경우에는 팩키지 크랙을 초래할 수 있다. 특히 칩과 수지 조성물간의 박리는 칩위에 부착된 본드와이어의 절단을 초래할 수 있어 심각한 문제점으로 대두되고 있다. 이와 같은 불량을 방지하기 위하여 반도체 업체에서는 방습곤포 등의 엄격한 습도 관리를 함으로서 대처하고 있으나 한편 봉지제에도 박리 및 팩키지 크랙이 발생하지 않는 품질이 강하게 요구되고 있다.
이에 일본 특개평5-31547 및 평6-49330에서는 실리콘 변성수지를 사용하여 내부 응력을 감소시켰으나, 밀봉시 점도 상승으로 인해 성형성이 불량하고 내습성이 저하됨으로 인하여 표면실장시 팩키지크랙이 발생하는 결점이 있었다. 일본 특개평4-164954, 평4-198252 및 평5-230118에서는 충진제의 고충진화로 굴곡강도를 높이고 수분 흡수율을 감소시켜 반도체 팩키지의 표면실장시 크랙 발생을 억제시켰으나, 이 경우 유동성이 현저히 저하되어 반도체 소자와 리드를 연결하는 본드 와이어가 절단되거나 심한 경우 미충진의 문제가 발생하고, 팩키지 내부 및 외부의 보이드(Void)가 증가되는 현상을 보였다. 또한 아민계 실란 커플링제를 사용할 경우에는 봉지제의 내습성과 리드프레임 또는 다이패들과의 접착력을 향상시킬 수는 있었으나, 이를 함유하는 조성물은 보전 안정성이 낮아 유동성 저하를 초래하는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 전술한 반도체 봉지용 수지의 일반적 요구 특성인 내습성, 기계적 강도, 성형성 등을 만족시키며, 기존의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물보다 팩키지 내부 계면의 박리를 억제하고 내크랙성을 향상시킨 반도체 소자 봉지용 열경화성 수지 조성물을 제조하기 위해 기존의 에폭시 수지 조성물에 특수 첨가제를 사용하였다.
본 발명에서는 팩키지 내부 계면의 박리가 억제되고 내크랙성이 향상되고, 내습성, 기계적 강도, 성형성 등의 일반 물성이 만족스러운 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이 조성물로 봉지된 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 에폭시 수지, 경화제, 무기 충진제, 경화 촉진제, 커플링제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 특수 첨가제로서 로진에스테르, 스틸렌 부타디엔수지 및 인덴수지에서 선택된 2종 이상을 포함시킨 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
또한 본 발명에서는 상기 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물로 봉지된 반도체 장치를 제공한다.
본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 에폭시 수지는 분자내 또는 말단에 에폭시기를 2 개 이상 함유한 수지, 예를 들면 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지 등을 들 수 있고, 이들은 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 에폭시 수지의 당량은 150 내지 300이고, 연화점은 50 내지 110℃이고, 불순물 함량이 400ppm 이하인 고순도 에폭시 수지가 바람직하며, 그 사용량은 5 내지 20 중량부가 바람직하다. 불순물로서 가수분해성 염소 이온의 농도가 400ppm 초과이면 밀봉된 반도체 소자내의 알루미늄 배선 등의 부식을 촉진시켜 바람직스럽지 못하다. 또한 에폭시 당량이 300 초과이면 가교 밀도가 감소되어 내열성 및 기계적 강도의 저하가 초래되며, 에폭시 당량이 150 미만이거나, 연화점이 50℃ 미만이면 플레쉬 발생이 현저하게 나타나게 되며, 연화점이 110℃ 초과이면 유동성의 저하로 밀봉작업에 어려움이 생긴다.
본 발명의 조성물에 사용되는 경화제로는 분자내 수산기를 2개 이상 함유하는 페놀 노볼락 수지, 페놀아르알킬 수지, 페놀디시클로펜타디엔 수지, 나프톨형 수지, 비페닐형 페놀 수지 등을 들 수 있고, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 사용량은 에폭시 수지의 에폭시기 수에 대하여 페놀성 수산기의 비가 0.5 내지 1.5인 것이 바람직하고, 0.7 내지 1.3인 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위밖에서는 반응이 충분히 진행되지 못하여 내열성, 내습성 등 경화물의 특성이 저하된다.
본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 무기 충진제로는 반도체 봉지용 에폭시 수지에 통상적으로 사용되는 것을 들 수 있으며, 용융 실리카 분말과 결정 실리카 분말이 경제성, 고밀도 및 저선팽창계수 측면에서 가장 바람직하다. 그 형상은 유동성을 고려하여 파쇄형과 구형을 적절히 사용하며, 파쇄형의 경우 반도체 칩에 미치는 국소 응력을 방지하기 위하여 75㎛ 이상의 것을 0.5% 이하로 제한하여 사용하는 것이 바람직하다. 충진제의 배합량은 에폭시 수지, 경화제 및 무기 충진제의 종류에 따라 달라지나, 트랜스퍼 성형 공정에 적용하기 위해서는 전 조성물에 대하여 65 내지 90 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 65 중량부 미만을 사용할 경우에는 열팽창이 커져 내열성, 내크랙성 및 내습성 등의 물성이 저하되고, 90 중량부를 초과하여 사용할 경우에는 유동성이 현저히 저하되어 반도체 소자와 리드프레임을 연결하는 본드 와이어의 휨이나 절단이 발생하며, 더욱 심한 경우에는 밀봉이 불가능하게 된다.
본 발명의 조성물에는 에폭시 수지와 경화제의 반응을 촉진시키기 위해 경화 촉진제를 첨가할 수 있다. 사용될 수 있는 경화 촉진제로는 이미다졸 화합물, 1,8-디아자비시클로(5,4,0) 운데센(DBU) 등의 시클로아미딘 유도체와 트리페닐포스핀, 메틸디페닐포스핀 등의 포스핀 유도체, 3급 아민 등을 들 수 있다. 경화 촉진제의 사용량은 전조성물에 대하여 0.1 내지 1.0 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 특수 첨가제로는 로진에스테르, 스틸렌 부타디엔수지, 인덴수지 중 2개 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 전조성물 100 중량부에 대해 0.01 내지 5 중량부를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량부가 적당하다. 0.01 중량부 미만을 사용할 경우에는 접착성 및 내크랙성 효과가 제대로 나타나지 않고, 5 중량부를 초과하여 사용할 경우에는 수지 조성물의 본래 특성이 저하되는 문제가 있다. 로진 에스테르는 로진산과 알콜의 반응으로 얻어지며, 로진산류의 예로는 아비에트산 수지, 네오아비에트산 수지, 디히드로아비에트산 수지, 테트라히드로아비에트 수지, 피마르산 수지, 이소피마르산 수지, 팔레스트산 수지 등을 들 수 있고, 알콜류의 예로는 부탄올, 헥산올, 옥탄올, 데칸올, 2-에틸 헥산올, 펜타에틸트리톨, 글리세롤, 글리콜 등을 들 수 있다. 또한 스틸렌 부타디엔 수지와 인덴수지의 분자량은 100 내지 100,000 범위인 것이 바람직하다.
무기 충진제의 표면처리에 사용되는 커플링제는 에폭시, 머캡토, 아민, 비닐 관능기를 갖는 실란계 커플링제가 바람직하며, 이의 사용량은 0.1 내지 2 중량부가 바람직하다.
유기 난연제로는 브롬이 치환된 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 또는 비스페닐계 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 그 사용량은 0.7 내지 5 중량부가 바람직하다. 무기 난연제로는 삼산화안티몬을 예로 들 수 있으며, 그 사용량은 유기 난연제의 사용량에 따라 0.5 내지 5 중량부 범위내에서 배합하는 것이 바람직하고, 1 내지 15㎛ 범위내의 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다.
착색제로는 카본블랙을 예로 들 수 있고, 0.1 내지 1 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 0.1 중량부 미만을 사용할 경우에는 원하는 색도를 얻을 수 없고, 1.0 중량부를 초과하여 사용할 경우에는 봉지제의 전기적 특성이 저하되는 문제가 있다.
이형제로는 천연 왁스, 합성 왁스, 고급 지방산과 금속염류, 산아미드 에스테르 및 파라핀 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 0.1 내지 2 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 필요로 하는 각 성분의 소정량을 롤밀(Roll Mill)이나 니더(Kneader) 등의 혼련장치를 사용하여 균일하게 혼합한 후, 냉각, 분쇄하여 제조할 수 있으며, 혼합 방법은 특별한 제한이 없으나, 에폭시 수지와 페놀 수지에 접착 부여제를 고온에서 혼합하여 투입하는 것이 분산성을 향상시켜 신뢰성을 개선시킬 수 있으므로 바람직하며, 실리카는 커플링제를 고속 믹서기 내에서 분무하여 표면처리한 후 투입하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀 더 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.
실 시 예 및 비 교 예
하기 표 1에 나타낸 성분 및 조성비로 각 성분들을 배합하여 롤밀로 가열 용융 혼련하고 냉각시킨 다음 이를 일정한 입도로 분쇄하여 성형 재료를 제조하였다.
성분 조성비(중량부)
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
에폭시 수지 I 70 70 70 70 70
II 30 30 30 30 30
경화제 55 55 55 55 55
경화 촉진제 2 2 2 2 2
실리카 파쇄형 370 370 370 370 370
구형 530 530 530 530 530
특수 첨가제 I 9 6 0.6 40
II 3 3 0.1 10
III 4 7 0.3 30
커플링제 I 3 3 3 3 3
II 2 2 2 2 2
유기 난연제 12 12 12 12 12
무기 난연제 9 9 9 9 9
이형제 I 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
II 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
착색제 3 3 3 3 3
1. 에폭시 수지 I : KP757B(아라가와)
II : NC7000(일본화약)
2. 경화제 : 페놀 노볼락 수지 : PSM4326(군영화학)
3. 경화 촉진제 : 트리페닐포스핀
4. 커플링제 I : 에폭시 실란 커플링제 : A-187(일본유니온카바이드)
II : 메켑토 실란 커플링제 : S-810(치소)
5. 유기난연제 : 브롬 노볼락 수지 : BREN-S(일본화약)
6. 무기난연제 : 안티오니 옥사이드 : Sb203
7. 특수첨가제 : 로진 에스테르 수지 : SYLVATAC 2103(아리조나화학)
II : 스틸렌 부타디엔 수지 : AMSCO RES 4151(유니온오일)
III : 분자량이 2000인 인덴 수지
8. 이형제 I : 카나우바 왁스
II : 폴리에틸렌 왁스 : San-161p(산요카세이)
9. 착색제 : 카본블랙
상기에서 얻은 성형 재료를 트랜스퍼 성형기를 사용하여 170 내지 180℃, 70㎏/㎠, 90 내지 120 초의 조건에서 성형시키고, 다시 170℃ 이상의 온도에서 6 시간 동안 후경화시켜 시편을 제작하여 하기한 실험 방법 및 조건으로 물성을 측정하였다:
(1) 굴곡강도 및 굴곡탄성율
ASTM D790에 의거하여 시편을 제작하고 UTM(ZWICK010)을 사용하여 측정하였다.
(2) 유리전이 온도
TMA(SEIKO) 측정 장비를 사용하여 분당 1 내지 2℃로 온도를 증가시키면서 측정하였다.
(3) 선팽창계수
TMA 측정 장비를 사용하여 측정하였다.
(4) 수분 흡수율
제작된 시료를 85℃/85% 수증기의 분위기에서 100 시간 방치한 다음 무게 변화를 측정하여 초기 무게에 대한 백분율로 나타내었다.
(5) 점착성
제작된 시료 소자(100pin QFP)를 에폭시 수지 조성물로 175℃에서 성형하고, 이를 다시 6 시간 후경화시킨 다음, 121℃/100% RH 분위기에서 20 시간 방치하고, 이어서 215℃에서 15초 동안 납땜조에 침지시켜 다이패들과 봉지제 계면의 접착 상태를 초음파 탐상 장치(SONIX)로 접착상태를 관찰하여, 하기의 기준으로 평가한다.
O : 양호
△ : 부분박리
X : 불량
(6) 열충격 시험
제작된 시료 소자를 -195℃의 액체질소와 150℃의 납조에 20초 동안 담그는 것을 1회로 하여 30회 반복 실시한 후 40개의 성형체 중 성형체의 표면에 크랙이 발생한 시편 수를 측정하였다.
상기 시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시험항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
굴곡강도 (kgf/mm2) 17.0 17.3 17.5 16.1 17.2
굴곡탄성율(kgf/mm2) 1950 1960 1970 1870 1980
유리전이 온도(℃) 154 154 155 151 155
선팽창계수(x10-5/℃) 1.16 1.16 1.17 1.17 1.18
수분 흡수율(%) 0.25 0.25 0.24 0.29 0.24
접착성 O O X X X
열충격시험(불량수/시편수) 0/40 1/40 26/40 28/40 29/40
표 2에서 보듯이, 본 발명의 특수 첨가제를 함유한 에폭시 수지 조성물로부터 제조된 성형품은 비교예의 특수 첨가제를 첨가하지 않은 수지 조성물로부터 제조된 성형품에 비해 수지 조성물과 다이페들 간의 접착성이 좋고, 내열충격성이 우수함을 알 수 있었다. 또한 특수 첨가제의 양이 0.01 중량부 이하이면 특수 첨가제를 첨가하지 않았을 때와 내크랙성 효과에 큰 차이가 없으며, 5 중량부를 초과하여 사용했을 때에는 수지 조성물의 굴곡 강도, 유리전이온도, 내습성 등 본래 특성이 저하되었다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 종래의 기계적 강도, 성형성, 내습성 등 일반물성을 만족시키면서, 기존의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 보다 접착성과 내크랙성이 우수하여 고밀도 표면실장형 팩키지 봉지에 높은 신뢰성을 나타냄이 그 특징이라 할 수 있다.

Claims (3)

  1. 에폭시 수지 5 내지 20 중량부; 상기 에폭시 수지 중의 에폭시기 수의 0.5 내지 1.5 배의 페놀성 수산기를 함유하도록 하는 량의 경화제; 무기 충진제 65 내지 90 중량부; 경화 촉진제 0.1 내지 1.0 중량부; 커플링제 0.1 내지 2 중량부; 및 로진에스테르, 스티렌 부타디엔 수지 및 인덴수지 중에서 선택된 2종 이상의 혼합물 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 로진에스테르는 아비에트산 수지, 네오아비에트산 수지, 디하이드로아비에트산 수지, 테트라하이드로아비에트 수지, 피마르산 수지, 이소피마르산 수지, 팔레스트산 수지로부터 선택되는 산과 부탄올, 헥산올, 옥탄올, 데칸올, 2-에틸 헥산올, 펜타에틸트리톨, 글리세롤 및 글리콜로부터 선택되는 알콜을 반응시켜 얻는 것을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 스티렌 부타디엔 수지 또는 인덴수지는 분자량이 100 내지 100,000 범위인 것을 특징으로 하는 조성물.
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