KR100250770B1 - 내습성과 접착성이 개선된 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

내습성과 접착성이 개선된 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 장치의 신뢰성을 높이기 위하여 에폭시 수지 조성물의 내습성과 접착력을 향상시킨 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 구조식(1) 및 (2)와 같은 구조를 갖는 에폭시 수지와 구조식(3) 및 (4)와 같은 페놀수지를 함유하는 것을 특징으로 하는 수지 조성물이다.

Description

내습성과 접착성이 개선된 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물
본 발명은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로 더욱 상세하게는 신규 에폭시 수지와 경화제를 사용하여 내습성과 접착성을 향상시켜 반도체소자 내부의 박리 및 패키지 크랙을 억제시킨 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
종래에는 트랜지스터, 집적 회로(IC), 고집적 회로(LSI), 초고집적 회로(VLSI)와 같은 반도체 소자의 밀봉에 세락믹이나 유리, 금속 등을 이용한 기밀봉지 방식이 사용되어 왔으나, 제조 비용이 비싸고 대량 생산에 적합하지 못하여 군사적 용도 등 일부 제한적 영역에서만 사용되고 있으며, 근래에는 이들 소재 대신에 에폭시계, 실리콘계, 페놀계, 이미드계, 프탈레이트계 등의 열경화성 수지가 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 증가하여 반도체 칩의 크기가 커지고 있는 반면 표면 실장형 패키지의 확산과 더불어 소형화와 박형화가 이루어지고 있다. 이러한 반도체 소자를 표면실장할 때 215-260℃의 열이 가해져 내부 응력이 발생할 수 있으며, 또한 패키지 보관 중에 외부로부터 흡수된 수분의 기화 팽창으로 수지 조성물과 리드프레임(Leadframe) 및 다이 패들(Die Paddle)간의 박리로 인하여 내습성이 저하될 수 있고, 더욱 심한 경우에는 패키지 크랙이 발생할 수 있다. 특히 칩과 수지 조성물 간의 박리는 칩 위에 부착된 본드 와이어의 절단을 초래할 수 있어 심각한 문제점으로 대두되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 반도체 업체에서는 방습 곤포 등의 엄격한 습도 관리를 함으로써 대처하고 있으나 한편 봉지제에도 박리 및 패키지 크랙이 발생하지 않는 품질이 강하게 요구되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로는 일본 공개 특허 平5-31547, 平6-49330과 같은 실리콘 변성 수지를 이용하여 내부 응력을 감소시키는 기술이 있으나, 이는 밀봉시 점도 상승으로 인한 성형성 불량과 내습성이 저하되는 결점이 있고, 수지 밀봉 후 스테이닝(Staining) 현상이 발생할 수 있다. 또한 미국 특허 제5,294,825호에서는 저점도 에폭시 수지를 사용하여 충전제의 고충전화로 수분 흡수율을 감소시켜 패키지 표면 실장시 크랙 발생을 억제시켰으나, 이 경우 패키지 내부 및 외부의 보이드(Void)가 많이 발생하고 플래쉬(Flash) 및 블리드(Bleed) 등 성형성 저하를 야기시키기 쉽고 원재료 혼련시 공정을 안정화시키기 힘들다. 한편 일본 공개 특허 平6-145301, 미국 특허 제5,166,228호에서는 다작용기 에폭시 수지를 사용하여 내열성을 개선하였으나, 이 기술은 유리 전이 온도가 상승하여 내습성이 저하되는 문제점이 있다.
이에 본 발명자는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 예의 노력한 결과, 내습성과 접착성이 우수한 에폭시 수지 및 경화제를 적용하여, 기존의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물보다 패키지 내부 경계면의 박리 및 크랙을 억제시킨 수지 조성물을 완성하기에 이르렀다.
이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용되어질 수 있는 에폭시 수지는 에폭시기를 분자내 또는 말단에 최소한 2개 이상 함유한 수지, 예를 들면 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디시클로 펜타디엔형 에폭시 수지 등 기존의 에폭시 수지에 하기(1), (2)와 같은 구조식을 갖는 에폭시 수지(일본 화약 주식회사 제조, 판매)를 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 에폭시 수지의 당량은 150~320이고, 불순물 함량은 400ppm 이하이며, 구조식(1), (2)의 에폭시 수지의 사용량은 전체 조성물 100을 기준으로 하여 5~20 중량부이다. 가수 분해성 염소 이온의 농도가 400ppm 이상일 경우 밀봉된 반도체 소자 내의 알루미늄 배선 등의 부식을 촉진시킨다.
[구조식 1]
Figure kpo00001
상기식에서 R1및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이고 n은 1 내지 10의 정수이다.
[구조식 2]
Figure kpo00002
상기식에서 n은 1 내지 10의 정수이다.
본 발명에서 사용되어질 수 있는 경화제로서 분자 내의 수산기를 2개 이상 함유하는 페놀 수지, 예를 들면 페놀 노볼락 수지, 페놀 아랄킬 수지, 페놀 디시클로 펜타디엔 수지 등 기존의 페놀 수지에 하기(3), (4)와 같은 구조식을 갖는 페놀수지를 각각 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 경화제의 사용량은 에폭시 수지의 에폭시기의 수에 대하여 페놀성 수산기의 비를 0.5~1.5의 범위 내에서, 바람직하기로는 0.7~1.3의 비율로 갖도록 배합하는 것이 적당하다. 상기 범위 밖에서는 반응이 충분히 진행되지 못해 내열성, 내습성 저하 등 경화물의 특성 저하가 일어난다.
[구조식 3]
Figure kpo00003
상기식에서 R1및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이고, n은 1 내지 10의 정수이다.
[구조식 4]
Figure kpo00004
상기식에서 n은 1 내지 10의 정수이다.
본 발명에서는 에폭시 수지와 경화제의 반응을 촉진하기 위하여 경화 촉진제를 배합하는 것이 바람직하다. 경화 촉진제로서는 이미다졸 화합물, 1, 8-디아자비시클로(5,4,0)운데센(DBU) 등의 시클로아미딘 유도체와 트리페닐 포스핀, 메틸디페닐 포스핀 등의 유도체, 3급 아민 등을 사용할 수 있다. 경화 촉진제의 사용량은 에폭시 수지 조성물 총량 100에 대하여 0.01~1.0 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 무기 충전제로는 반도체 봉지용 에폭시 수지에 통상적으로 사용되고 있는 것을 사용할 수 있으나, 그 중에도 용융 실리카 분말과 결정 실리카 분말이 경제성, 고밀도, 선팽창계수 측면에서 가장 적합하다. 그 형상은 파쇄형과 구형을 유동성을 고려하여 적절히 사용하며, 파쇄형의 경우 반도체 칩에 미치는 국소 응력을 방지하기 위하여 75㎛이상의 것을 0.5%이하로 제한하여 사용한다. 충전제의 배합량은 에폭시 수지, 경화제 및 무기 충전제의 종류에 따라 달라지나, 트랜스퍼 성형 공정에 적용하기 위해서는 전 조성물에 대하여 65~90 중량부를 사용하는 것이 적합하다. 65중량부 이하를 사용할 경우에는 열팽창이 커져서 내열성, 내크랙성 및 내습성 등의 물성이 저하되며, 90중량부 이상 사용할 때는 유동성이 현저히 저하되어 반도체 소자와 리드 프레임을 연결하는 본드 와이어의 휨이나 절단이 발생하고, 더욱 심한 경우에는 밀봉이 불가능하게 된다.
본 발명에서 사용되어질 수 있는 가소제는 실리콘계 화합물로서 예를 들면 에폭시기, 아민기, 비닐기, 카르복실기, 수산기, 히드록실기 등을 갖는 실리콘 오일, 실리콘 고무, 또는 이들 실리콘계 화합물과 페놀 노볼락, 노볼락 에폭시 수지 등의 유기 중합체와의 공중합체를 사용할 수 있고 그 사용량은 수지 조성물 총량 100에 대하여 0.1~3중량부가 적합하다.
무기 충전제의 표면 처리에 사용되는 커플링제는 에폭시, 머캡토, 비닐 및 아민 작용기를 갖는 실란계 커플링제로 그 사용량은 수지 조성물 총량 100에 대하여 0.01~2중량부가 적합하다.
유기 난연제는 브롬이 치환된 크레졸 노볼락형 에폭시 수지나 비스페닐계 에폭시 수지를 사용하며, 그 사용량은 0.7~5중량부가 적합하다. 무기 난연제는 삼산화 아티몬을 사용하며, 그 사용량은 유기 난연제의 사용량에 따라 수지 조성물 총량 100에 대하여 0.5~5중량부 범위 내에서 배합하는 것이 바람직하고, 1~15㎛내의 입도 분포를 갖는 것이 적합하다.
착색제는 카본 블랙을 사용하고 이형제는 천연 왁스, 합성 왁스, 고급 지방산과 금속염류, 산아마이 에스테르와 파라핀 등을 단독 혹은 혼합하여 사용한다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 상기 성분의 소정량을 롤밀(Roll Mill)이나 니더(Kneader) 등으로 혼련한 후, 냉각, 분쇄하여 제조할 수 있다. 이때 실리카는 커플링제를 고속 믹서기 내에서 분무하여 표면 처리한 후 투입하고 에폭시 수지와 페놀 수지는 고온에서 혼련 후 투입하는 것이 수지의 분산성을 높이는데 바람직하다.
이하 본 발명의 효과를 실시예에 의해 상세히 설명하지만 본 발명의 범위가 하기 예로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예]
[표1]
Figure kpo00005
1. 에폭시 수지 A : 폴리글리시딜 이써-올소크레졸 노볼락 수지, EOCN-1020-70(일본 화약 제품)
B : 폴리글리시딜 이써 비페닐 페놀 포름알데하이드 노볼락 수지, NC-3000P(일본 화약 제품)
C : 폴리글리시딜 벤질 나프탈렌 이써, ESN-185(신일본 제철 화학 제품)
2. 경화제 D : 페놀 포름알데하이드 노볼락 수지, PSM4326(군영 화학 제품)
E : 비페닐 페놀 포름알데하이드 노볼락 수지, MEH-7851(명화 화성 제품)
F : 벤질 나프탈렌 페놀 수지, MEH-7810(명화 화성 제품)
3. 경화 촉진제 : 벤질디메틸아민
4. 가소제 : 디메틸실록산, E-600(토레이 제품)
5. 커플링제 Ⅰ : 에폭시 실란커플링제, KBM403(신에쯔 제품)
Ⅱ : 아민 실란 커플링제, TSL8331(도시바 실리콘 제품)
6. 유기 난연제 : 브롬비스페놀 에폭시 수지, ESB-400T(스미토모 제품)
7. 무기 난연제 : 안티몬 옥사이드
8 : 착색제 : 카본 블랙
9 : 이형제 : 카나우바 왁스
표1의 실시예에서 에폭시 수지의 조성비는 실시예 1은 B와 C가 7/3 실시예 2는 A, B, C가 18/56/26, 실시예 3은 10/82/16으로 사용되어지는 경화제 수산기 당량을 맞추기 위하여 약간의 조절을 하였다.
표1에서와 같은 조성 및 조성비로 배합하여 얻어진 성형 재료는 트랜스퍼 성형기를 사용하여 170~180℃, 70kg/㎠, 90~120초의 조건에서 성형시키고, 다시 170℃이상의 온도에서 6시간 동안 후경화시켜 시편을 제작한다.
본 발명에 적용된 실험 방법 및 조건은 다음과 같다.
(1) 굴곡 강도 및 굴곡 탄성률 : ASTM D790에 따라 시편을 제작하고 UTM(ZWICK010)을 사용하여 측정한다.
(2) 유리 전이 온도 : TMA(SEIKO) 측정 장비를 이용하여 분당 1~2℃로 증가시키면서 측정한다.
(3) 수분 흡수율 : 제작된 시료를 85℃/85RH의 분위기에서 168시간 방치하고 무게 변화를 측정한다.
(4) 접착력 : 알루미늄 포일을 굴곡시편의 한쪽 표면에 부착 성형한 후 UTM(Zwick)으로 포일이 떨어질 때의 힘을 측정한다.
(5) 제작된 시료 소자(100pin QFP)를 에폭시 수지 조성물로 175℃에서 성형하고, 이를 다시 6시간 후경화시킨 다음, 121℃/100% RH 분위기에서 16시간 방치하고, 이어서 240℃에서 10초동안 IR 솔더링을 한 후 패키지 내부 계면의 접착 상태를 초음파 탐사 장치(SONIX)로 관찰하여, 박리 또는 내부/외부 크랙이 발생한 패키지 수를 측정한다.
[표 2]
Figure kpo00006
표2에서 보는 바와 같이 구조식(1)과 (2)를 갖는 에폭시 수지와 구조식(3)과 (4)를 갖는 경화제를 배합한 수지 조성물은 기존의 에폭시 수지 조성물과 비교하여 수분 흡수율이 낮고 접착력이 매우 향상됨을 알 수 있다. 따라서 고밀도 표면 실장형 패키지를 고온에서 IR 전처리 할 경우 계면 박리 또는 내부/외부 크랙발생을 억제시켜 봉지에 높은 신뢰성을 보임이 그 특징이라 하겠다.

Claims (6)

  1. 에폭시 수지 5~20 중량부, 경화제 3~15 중량부, 경화 촉진제 0.01~1.0 중량부,무기 충전제 65~90중량부, 가소제 0.1~3.0 중량부, 커플링제 0.01~2중량부를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지가 하기 구조식(1), (2)로 표시되는 에폭시 수지를 각각 단독으로 또는 혼합하여 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물:
    [구조식 1]
    Figure kpo00007
    상기식에서 R1및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이고 n은 1 내지 10의 정수이며,
    [구조식 2]
    Figure kpo00008
    상기식에서 n은 1 내지 10의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서, 구조식(1), (2)의 에폭시 수지의 함유량이 전체 에폭시 수지 조성물 100에 대하여 5~20중량부인 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 페놀 수지가 하기 구조식(3), (4)로 표시되는 페놀수지를 각각 단독으로 또는 혼합하여 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물:
    [구조식 3]
    Figure kpo00009
    상기식에서 R1및 R2는 각각 탄소수가 1 내지 3인 알킬 또는 수소이고, n은 1 내지 10의 정수이며,
    [구조식 4]
    Figure kpo00010
    상기식에서 n은 1 내지 10의 정수이다.
  4. 제3항에 있어서, 하기 구조식(3), (4)로 표시되는 페놀 수지의 함유량이 에폭시 수지의 에폭시기의 수와 페놀성 수산기의 수가 0.5~1.5의 범위가 되도록 함유하는 에폭시 수지 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 에폭시기와 페놀기의 비가 0.7~1.3인 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항의 어느 하나에 있어서, 경화 촉진제를 에폭시 수지 조성물 총 100 중량부에 대하여 0.01~1.0 중량부 포함하는 조성물.
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