KR100226047B1 - 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하는 수지 조성물에 있어서, 용융실리카가 표면 피복된 질화알루미늄 충전제를 무기충전제 총량중 45중량% 이상 포함하고 나머지의 무기충전제는 용융 실리카 또는 합성 실리카로 구성된 무기충전제를 전체 수지 조성물에 대해 80 중량% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 고열전도도 및 저열팽창계수의 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 솔더 내크랙성 뿐만 아니라 열발산효과가 우수하기 때문에 고신뢰성 고집적 반도체소자 밀봉에 매우 적합하다.
Description
본 발명은 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 무기충전제가 용융 실리카가 표면에 피복된 질화알루미늄(FSCAN : Fused Silica Coated Aluminium Nitride)이 혼합된것임을 특징으로 하는 내크랙성과 열발산이 뛰어난 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 반도체 패키이지의 대형화, 복합화 및 표면실장화라는 기술동향에 따라 반도체소자에 있어서 미세화, 소자 크기의 대형화, 셀(Cell) 면적의 축소, 다핀화 및 박형화가 급속하게 진전되고 있다. 반도체 패키이지의 디자인의 개선도 활발하게 진행되고 있는데, 박형화에 의한 박형 패키이지 (Thin Package) 뿐만 아니라 BGA (Ball Grid Array), MCM (Multi Chip Module), KGD (Known Good Die) 및 3D(Dimensional) 메모리 큐브 등의 패키이지도 이미 실용화된지 오래이며, 일부는 신뢰성 개선의 목적으로 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다. 이 중에서도 3D-메모리 큐브는 보다 큰 메모리 용량을 목적으로 등장한 것으로서, 예를 들어 4MDRAM TSOJ(Thin Small Outline J-leaded Package)를 적충하는 등 기존의 메모리 반도체를 병렬 연결한 대용량의 반도체 패키이지라 할 수 있다.
이와 같은 대형 반도체소자를 소형·박형 패키이지로 밀봉한 수지 밀봉형 반도체 장치에서는 외부 환경의 온도 및 습도 변화에 따른 열응력에 기인하여 패키이지 크랙 또는 알루미늄 패드 부식 발생 등, 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 특히, 단품의 메모리를 적충시킨 메모리 큐브의 경우 적충으로 인한 층과 층 사이의 접촉에 따른 열의 발생 및 발산이 심각한 문제가 되고 있으며, 따라서 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 성형재료에 대해서는 우수한 내크랙성과 고열전도도의 특성이 요구된다.
종래의 내크랙성을 부여하는 기술로서는 탄성률을 낮추는 방법과 열팽창계수를 낮추는 방법이 있으며, 구체적으로 탄성률을 낮추는 방법으로는 일본특허공개 소63-1894호 및 일본특허공개 평5-291436호에서와 같이 각종 고무 성분에 의한 개질이 검토되어 열안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합, 개질시키는 방법이 광범위하게 채택되고 있다. 그러나, 이 방법에서 실리콘 오일은 성형재료의 기저 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없어 기저 수지 중에 미립자 분산되므로 내열성을 유지한 채 저탄성률을 달성할 수는 없다.
저열팽창화에 의해 내크랙성을 부여하는 종래의 방법으로는 팽창계수가 낮은 무기충전제, 특히 용융 실리카의 충전량을 늘리는 방법이 있는데, 이러한 방법은 무기충전제의 충전량 증가에 따라 에폭시 수지 성형재료의 유동성이 저하되고 탄성이 커지는 단점을 갖는다. 이와 관련하여 일본특허공개 소64-11355호에서는 구형 충전제의 입도분포 및 입자크기를 조절함으로써 다량의 충전제를 배합할 수 있는 기술을 제안하기도 하였다.
한편, 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 열전도도를 향상시키는 방법은 무기충전제를 다량으로 배합하되, 무기충전제로서 용융 실리카가 아닌 결정형 실리카를 적용하는 극히 제한된 방법만이 채택되고 있다. 다만 결정형 실리카 이외에 알루미나(Al2O3), 또는 알루미늄 나이트라이드(AIN) 등 고열전도도의 무기충전제를 적용하는 경우도 있다.
반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 열전도도를 높이는 가장 효율적인 방법은 상기와 같이 고열전도도의 무기충전제를 적용하는 것이라 할 수 있으나, 고열전도도의 무기충전제는 열팽창계수가 매우 높아 고신뢰성에 요구되는 내크랙성에는 매우 취약한 단점을 나타내게 된다. 특히 고집적의 3차원 메모리 큐브에서는 최소 4MDRAM 이상의 반도체를 단품으로 적층하기 때문에 4MDRAM 박형 패키이지에 필요한 신뢰성으로써 뛰어난 내크랙성이 요구되며, 따라서 단순히 고열전도도의 무기충전제를 적용하는 방법은 변성 실리콘 오일을 다량 적용하는 방법에도 한계가 따를 만큼 높은 열팽창계수를 나타내어 고열전도도와 저응력을 동시에 달성할 수 없는 한계를 갖는다.
따라서 본 발명의 목적은 상술한 종래 기술상의 문제점들을 극복하는 것으로, 저열팽창계수 및 고열전도도를 동시에 달성하여 솔더 내크랙성이 우수하고 나아가 열발생에 의한 메모리 반도체의 오동작 발생을 방지할 수 있는 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 연구한 결과, 무기 충전제로서 용융 실리카, 또는 합성실리카를 80중량% 이상 적용하되 이중 45중량% 이상을 용융 실리카가 표면 피복된 질화알루미늄 (FSCAN)을 사용할 경우 솔더 내크랙성이 뛰어나고 열전도도, 높은 에폭시 수지 경화물을 얻을 수 있슴을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 포함하는 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 용융실리카가 표면 피복된 질화알루미늄 충전제를 무기충전제 총량중 45중량% 이상 포함하고 나머지의 무기충전제는 용융 실리카 또는 합성 실리카로 구성된 무기충전제를 전체 조성물에 대해 80 중량% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 기저 수지로 사용되는 에폭시수지는 적어도 2개 이상의 에폭시기를 갖는 것이면 어는 것이든 적용 가능하다. 예를 들어, 일반적으로 사용되는 크레졸 노볼락 수지, 페놀 노볼락 수지, 비페닐, 비스페놀A, 디사이클로펜타디엔 등을 단독 또는 2종류 이상 병행해서 사용할 수 있는데, 내열 크랙성, 성형성의 관점에서 에폭시 당량이 180-220이고 불순물 함량이 10 ppm 이하인 고순도 올소 크레졸 노볼락형 수지 및 비페닐계 에폭시 수지를 선별하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 에폭시수지는 전체 조성물에 대해 5.0 ∼ 10.0 중량% 사용한다.
본 발명에서 경화제로는 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 단독으로 사용하거나 또는 2 종류 이상 병행하여 사용할 수 있다. 그러나 가격 및 성형성의 관점에서 페놀 노볼락형 수지를 경화제 전체의 50중량% 이상 사용하는 것이 바람직하며, 자일록형 경화제를 단독으로 사용하는 것도 바람직하다. 에폭시 수지와 경화제의 조성비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8∼1.2 인 것이 좋으며, 또한 경화제의 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 2.0∼10.0 중량%인 것이 바람직하다.
본 발명에서 경화촉진제는 에폭시수지와 경화제의 경화반응을 촉진하기 위해 필요한 성분으로, 예를 들어 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류, 2-메틸아미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류, 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 사용될 수 있으며, 이들을 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상을 병용해도 좋다. 이러한 경화촉진제의 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.05 ∼ 0.2 중량%가 좋다. 경화촉진제의 함량이 0.05 중량% 미만이면 경화시간의 지연으로 생산성이 떨어지고, 이와 반대로 0.2 중량%를 초과하는 경우에는 경화시간이 너무 짧아지기 때문에 성형 불량이 발생하기 쉽다.
또한 본 발명에서는 가소성부여제로서 변성 실리콘 오일이 사용되는데, 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 좋으며, 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 변성 실리콘 오일의 첨가량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 0.5-1.5 중량%이며, 변성 실리콘 오일을 1.5 중량% 이상 초과하여 사용하는 경우에는 표면 오염이 발생하기 쉽고 레진 블리드가 길어질 우려가 있으며, 0.5 중량% 미만으로 사용시에는 충분한 저탄성률을 수득할 수 없게 된다.
본 발명에서 사용된 무기충전제는 용융 실리카가 표면에 피복된 질화알루미늄 (FSCAN)을 무기충전제 총량 중 45 중량% 이상 함유하고, 그 나머지는 평균입자가 0.1∼35.0㎛인 용융 또는 합성 실리카를 함유하는 것으로, 이러한 무기충전제의 함량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 80중량% 이상이어야 한다.
무기충전제 가운데 용융 실리카가 표면에 피복된 질화알루미늄의 함량이 45 중량% 미만이면 에폭시 수지 조성물에 충분한 고열전도도를 부여할 수 없게 되므로, 본 발명에서 상기 FSCAN의 함량은 총 무기충전제 함량중 45 중량% 이상인 것이 필수적이다.
또한 무기충전제의 전체 수지 조성물에 대한 함량은 80 중량% 이상이어야 저열팽창화를 실현할 수 있으며 80 중량% 보다 적게 사용할 경우에는 수분의 침투가 용이해져 솔더 리플로우(Solder reflow)시 내크랙성이 저하되고 알루미늄 패드 부식에도 치명적이 될 수 있다. 다만, 무기충전제의 충전량의 상한선은 성형성을 고려하여 선정하여야 하는데, 에폭시 수지의 점도를 고려하면 82∼85중량%의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.
무기충전제 중 FSCAN을 제외한 나머지 부분으로는 FSCAN의 형태가 완전 구형이 아니므로 주로 구형의 용융 또는 합성 실리카를 단독으로 사용하는 것이 좋으나, 강도의 향상을 위하여 성형성이 허용되는 범위내에서 분쇄형의 실리카를 사용할 수도 있다. 특히 FSCAN을 포함하는 무기충전제는 고순도의 제품이라야 한다.
본 발명의 조성물에는 브로모 에폭시의 난연제, 삼산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등의 난연조제, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제, 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란등의 커플링제 등을 필요에 따라 첨가사용할 수 있다.
이상과 같은 원재료를 이용하여 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량의 재료들을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니더로 용융 혼련한 후, 냉각시켜서 분쇄기를 이용하여 분말화하는 방법이 사용되고 있다.
본 발명에서 얻어진 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체소자를 밀봉하는 방법으로는 분말상태의 조성물을 타정기로 타정한 후 이렇게 하여 제조된 타블렛 형태의 수지 조성물을 고주파 예열기를 이용하여 예열시킨후 170∼180℃에서 90∼120초간 트랜스퍼 몰딩 프레스로 성형하는 저압 트랜스퍼 성형법, 인젝션 (Injection) 성형법 또는 캐스팅(Casting) 등의 방법이 사용될 수 있다.
본 발명의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 고열전도도 및 저열팽창계수를 시현할 수 있기 때문에 솔더 내크랙성 뿐만 아니라 열발산 효과가 우수하여 고신뢰성 고집적 반도체 밀봉에 매우 적합하다.
이하에서 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하나, 이하의 실시예들은 본 발명의 구체적인 실시태양을 예시하는 것일 뿐으로 본 발명의 보호범위를 제한하거나 한정하는 것으로 해석해서는 안된다.
[실시예 1∼4]
본 발명의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조한다음, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 80℃에서 10분간 용융혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 본 발명의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
이렇게 하여 수득된 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 대하여 스파이랄 플로우를 측정하였으며, 시험편을 제작, 175℃에서 6시간 후경화시킨 뒤, 굴곡강도, 탄성률, 및 흡습률을 측정하였다. 또한 열전도도 측정용 시험편을 제작하여 4.5×10-3cal/cm sec ℃의 목표 열전도도의 달성 여부를 검토하였다.
본 발명에서 이용된 물성 평가 방법은 다음과 같다.
[물성 측정 방법]
1) 스파이랄플로우(Spiral Flow) : EMMI 규격에 준해 금형을 제작하여 성형온도 175℃, 성형압력 70kg/cm2에서 유동길이를 평가.
2) 굴곡강도 (Kg/mm2) 및 굴곡탄성율 (Kg/mm2) :
UTM을 사용하여 ASTM D190에 의해 측정.
3) 열팽창계수 α(℃-1) : ASTM D696에 의해 TMA(Thermomechanical Analyzer)를 이용하여 측정.
4) 열전도도 (cal/cm sec ℃) : 열전도도 측정설비를 30분 동안 가동한 후 성형품을 열전도도 측정설비로 60초 동안 측정.
5) 흡습율(%) : 성형품을 121℃ 2기압 수증기 중에 주어진 시간 동안 방치한 후 포화 흡수율을 측정.
6) 내크랙성 : 48 OFP를 성형하여 후경화시킨 후 85℃/65% RH의 항온항습 조건하에서 각각 48, 168시간 동안 흡습시킨 뒤 245℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 전처리를 실시하여 패키이지 크랙발생수를 측정하였다. 내크랙성에서의 숫치 중 분모는 시료수를, 분자는 불량갯수를 나타낸다.
[비교예 1∼4]
하기 표 2에 나타낸 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 실시예 1과 같은 방법으로 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하고, 제반 물성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[표 1]
[표 2]
상기 표 1 및 표 2의 비교를 통해 본 발명의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 용융 실리카가 피복된 질화알루미늄을 포함하는 무기충전제를 사용함으로써 고열전도도를 발현할 수 있슴과 동시에 솔더 내크랙성이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
Claims (3)
- 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 포함하는 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 무기충전제가 용융 또는 합성 실리카와 용융 실리카가 표면에 피복된 질화알루미늄이 혼합된 것임을 특징으로 하는 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 무기충전제의 배합량이 전체 수지 조성물에 대하여 80 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 무기충전제가 용융실리카가 표면 피복된 질화알루미늄 충전제를 무기충전제 총량중 45중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 고열전도도 및 저열팽창계수의 반도체소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
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