KR100217763B1 - 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 PDFInfo
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이 조성물로 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라 (1) 하기 화학식 1 및 2의 에폭시 수지를 포함하는 에폭시 수지 5 내지 20 중량부;
(상기식에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7및 R8은 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이거나 CF3이고, 적어도 이들중 하나는 CF3이다)
(상기식에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7및 R8은 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이다); (2) 페놀 수지 3 내지 15 중량부; (3) 경화 촉진제 0.01 내지 2 중량부; (4) 무기 충진제 65 내지 90 중량부; 및 (5) 커플링제 0.01 내지 2 중량부를 포함하는 에폭시 수지 조성물은 접착성, 내습성 및 내크랙성이 우수하며, 기존의 에폭시 수지 조성물에 비해 내습성, 접착력 및 내크랙성이 우수하여 고밀도 표면실장형 팩키지의 봉지에 높은 신뢰성을 나타낸다.
Description
[발명의 명칭]
반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용한 반도체 장치
[발명의 상세한 설명]
[발명의 목적]
본 발명은 내습성과 접착성이 향상되어 반도체 소자 내부 계면의 박리 및 팩키지 크랙을 감소시킬 수 있는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이 조성물로 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
종래에는 트랜지스터, 집적 회로(IC), 고집적 회로(LSI) 및 초고집적 회로(VLSI)와 같은 반도체 소자의 밀봉시 세라믹, 유리 또는 금속 등을 이용한 기밀봉지 방식이 사용되어 왔으나, 가격이 비싸고 대량생산에 적합하지 못하여 군사적 용도 등의 일부 제한적 영역에서만 사용되고 있으며, 근래에는 이들 소재 대신 에폭시계, 실리콘계, 페놀계, 아미드계, 프탈레이트계 등의 열경화성 수지가 사용되고 있다. 특히 에폭시 수지는 전기 절연성, 기계적 특성, 내열성, 내습성 등이 다른 수지보다 월등히 우수하기 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 전기전자부품이나 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 본드 와이어의 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 저하되며, 수지 밀봉 후 스테이닝(Staining) 현상이 발생하는 결점이 있다. 일본 특개평4-164954, 평4-198252 및 평5-230118에서는 충진제의 고충진화로 선팽창 계수를 낮추고 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. 한편, 일본 특개평6-145301 및 미합중국 특허 5,166,228 호에서는 다관능기 에폭시 수지를 사용하여 내열성을 개선시켰으나, 이 방법은 상대적으로 유리전이 온도를 상승시켜 내습성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해, 본 발명자들은 내습성과 접착성이 우수한 에폭시 수지를 적용하여, 기존의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물보다 팩키지 내부 계면의 박리를 억제하고 내크랙성을 향상시킨 반도체 소자 봉지용 열경화성 수지 조성물을 제조하였다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명에서는 내습성과 접착성이 향상된 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이 조성물로 봉지된 반도체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 (1) 하기 화학식 1 및 2의 에폭시 수지를 포함하는 에폭시 수지 5 내지 20 중량부;
(상기식에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7및 R8은 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이거나 CF3이고, 적어도 이들중 하나는 CF3이다)
(상기식에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7및 R8은 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이다); (2) 페놀 수지 3 내지 15 중량부; (3) 경화 촉진제 0.01 내지 2 중량부; (4) 무기 충진제 65 내지 90 중량부; 및 (5) 커플링제 0.01 내지 2 중량부를 포함하는 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
또한 본 발명에서는 상기 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물로 봉지된 반도체 장치를 제공한다.
본 발명의 조성물에서 (1) 성분인 에폭시 수지는 상기 화학식 1 및 2의 혼합물만으로 구성될 수도 있으나 이들과 분자내 또는 말단에 에폭시기를 2개 이상 함유한 수지, 예를 들면 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 또는 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지를 적정 비율로 혼합한 것일 수도 있다. 이 때 에폭시 수지의 당량은 150 내지 320이고, 불순물 함량이 400 ppm 이하인 것이 바람직하며, 그 사용량은 전조성물 100 중량부에 대해 5 내지 20 중량부이다. 불순물로서 가수분해성 염소 이온의 농도가 400ppm 초과이면 밀봉된 반도체 소자내의 알루미늄 배선 등의 부식을 촉진시켜 바람직스럽지 못하다. 그 적절한 구성비는 에폭시 수지 전체 100 중량부에 대해 화학식 1 및 2를 합한 양이 차지하는 비율은 10 내지 90 중량부인 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 사용될 수 있는 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 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 0.01 내지 1.0 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물에 무기 충진제로는 반도체 봉지용 에폭시 수지에 통상적으로 사용되는 것을 들 수 있으며, 특히 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 전조성물 100 중량부에 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 조성물에 사용될 수 있는 가소제로는 실리콘계 화합물로서 예를 들면 에폭시기, 아민기, 비닐기, 카르복실기, 수산기, 히드록실기 등을 갖는 실리콘오일, 실리콘 고무 또는 이들 실리콘계 화합물과 페놀 노볼락, 노볼락 에폭시 수지 등의 유기 중합체와의 공중합체를 들 수 있다.
무기 충진제의 표면처리에 사용되는 커플링제는 에폭시, 머캡토, 아민, 비닐 및 아민 관능기를 갖는 실란계 커플링제가 바람직하며, 이의 사용량은 0.01 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.
[실시예 및 비교예]
하기 표 1에 나타낸 성분 및 조성비로 각 성분들을 배합하여 롤밀로 가열 용융 혼련하고 냉각시킨 다음 이를 일정한 입도로 분쇄하여 성형 재료를 제조하였다.
1. 에폭시 수지
I : EOCN-1020-70(일본화약)
II : 화학식 1에서 R, R가 각각 CF이고, R, R, R, R, R및 R이 각각 메틸인 수지
III : 화학식 2에서 R, R, R및 R가 각각 메틸인 수지
2. 경화제 : 페놀 노볼락 수지 : PSM4326(군영화학)
3. 경화 촉진제 : 트리페닐포스핀
4. 가소제 : 실리콘 분말 : E-602(다우 도레이)
5. 커플링제
I : 에폭시 트리메틸 실란 : KBM403(신에쯔)
II : 비닐트리메틸 실란 : S-210(치소)
6. 유기난연제 : 브롬 노볼락 수지 : BREN-S(일본화약)
7. 무기난연제 : 안티모니 옥사이드 : Sb203
8. 착색제 : 카본블랙
9. 이형제
I : 카나우바 왁스
II : 폴리에틸렌 왁스 : San-151p(산요카세이)
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 QEP)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.
[발명의 효과]
이상에서 살펴본 바와 같이, 화학식 1 및 2를 갖는 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 기존의 에폭시 수지 조성물에 비해 내습성, 접착력 및 내크랙성이 우수하여 고밀도 표면 실장형 팩키지의 봉지에 높은 신뢰성을 나타냄이 그 특징이라 할 수 있다.
Claims (4)
- (1) 하기 화학식 1 및 2의 에폭시 수지를 포함하는 에폭시 수지 5 내지 20 중량부;(상기식에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7및 R8은 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이거나 CF3이고, 적어도 이들중 하나는 CF3이다)(상기식에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7및 R8은 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이다); (2) 페놀 수지 3 내지 15 중량부; (3) 경화 촉진제 0.01 내지 2 중량부; (4) 무기 충진제 65 내지 90 중량부; 및 (5) 커플링제 0.01 내지 2 중량부를 포함하는 에폭시 수지 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 (1) 성분은 상기 화학식 1 및 2의 화합물과 분자내 또는 말단에 2개 이상의 에폭시기를 함유한 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 또는 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
- 제2항에 있어서, 상기 (1) 성분 중에서 상기 화학식 1 및 2를 합한 양이 차지하는 비율은 10 내지 90%인 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
- 제1항의 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물로 봉지된 반도체 장치.
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| KR1019960046243A KR100217763B1 (ko) | 1996-10-16 | 1996-10-16 | 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용한 반도체 장치 |
Publications (2)
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| KR19980027450A KR19980027450A (ko) | 1998-07-15 |
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- 1996-10-16 KR KR1019960046243A patent/KR100217763B1/ko not_active IP Right Cessation
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