KR100364227B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오르소 노볼락계 에폭시 수지와 나프탈렌계 구조를 가지는 바이펑셔널계 에폭시 수지를 중량비율 2 : 8 내지 6 : 4로 혼합한 혼합물을 사용하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 나프탈렌 구조를 가진 저점도형 에폭시 수지와 오르소 크레졸 노볼락계 에폭시 수지의 적절한 혼합물을 도입함으로써 경화특성을 향상시키고, 무기 충전제를 고충전화 함으로써 흡습율 및 열팽창계수를 감소시키며 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 반도체 소자 성형시 발생하는 보이드 발생을 억제함으로써 성형특성과 신뢰성이 우수한 반도체 소자 성형용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물
본 발명은 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오르소 크레졸 노볼락(Ortho Cresol Novolac)계 에폭시 수지와 나프탈렌(Naphthalene)구조를 가지는 바이펑셔널(Bifunctional)계 에폭시 수지로 이루어진 에폭시 혼합물, 페놀노볼락계 경화제, 경화촉진제, 변성실리콘오일 및 무기 충전제를 필수 성분으로 하는 고온 내크랙성, 경화특성 및 기계적 특성이 우수하며 신뢰성 및 성형특성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며, 이에 따른 배선의 미세화, 소자크기의 대형화 및 다층 배선화의 급속한 진전과 더불어 반도체 소자를 외부 환경으로 부터 보호하는 패키지(package)의 경우는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점에서 소형, 박형화가 가속되고 있다.
이와 같이 대형 반도체 소자를 소형, 박형 패키지에 밀봉한 수지 밀봉형 반도체 장치에서는 외부환경의 온도 및 습도변화에 따른 열응력에 기인하여 패키지 크랙 또는 알루미늄 패드 부식발생 등의 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다.
따라서, 밀봉용 에폭시 수지 성형재료의 고신뢰성화가 강하게 대두되어 저응력화를 위한 탄성률을 낮추는 방법, 열팽창계수를 낮추는 방법 또는 고순도 경화제의 사용, 이온 포착제(Ion Trapper)적용에 의한 불순물의 저하 및 무기 충전제를 고충전하여 수분 흡습량을 저하시키는 방법이 있다.
탄성율을 낮추는 방법으로서는 일본국 특개소 63-1894 및 특개평5-291436에 각종 고무 성분을 사용하는 열적안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합, 개질시킨 에폭시 수지 성형재료가 제안되어 있는데, 이 방법은 실리콘 오일이 성형재료의 기저 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없기 때문에 기저 수지중에 미립자가 분산되어 내열성을 유지한체 저탄성율을 이룰 수 있다. 또한, 저열팽창화에 대해서는 열팽창계수가 낮은 무기 충전제의 충전량을 증가시키는 방법이 바람직한데 다만, 무기 충전제의 충전량 증가에 따른 에폭시 수지 성형재료의 저유동성과 고탄성이 문제가 되나 일본국 특개소 64-11355에서는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기의 조절을 통하여 다량 배합할 수 있는 기술이 소개되어 있다.
본 발명은 나프탈렌 구조를 가진 저점도형 에폭시 수지와 오르소 노볼락계 에폭시 수지의 혼합물을 도입하여 경화특성이 우수하며, 무기 충전제를 고충전화 함으로써 흡습율 및 열팽창계수를 감소시키고 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 반도체 소자 성형시 발생하는 보이드(Void)발생을 억제함으로써 성형특성과 신뢰성이 우수한 반도체 소자 성형용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성실리콘 오일 및 무기 충전제를 필수성분으로 하여 이루어지는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지는 하기 화학식 1과 화학식 2로 표시되며 중량비율 2 : 8 내지 6 : 4로 혼합된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 하기 화학식 1 로 표시되는 오르소 노볼락계 에폭시 수지와 화학식 2로 표시되는 나프탈렌계 구조를 가지는 바이펑셔널계 에폭시 수지를 중량비율 2 : 8 내지 6 : 4로 혼합한 에폭시 수지 혼합물과
Figure kpo00000
Figure kpo00001
경화제, 경화촉진제, 변성실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하고 무기충전제의 함량을 전체 조성물에 대하여 82중량% 이상 함유하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용한 에폭시 수지는 화학식 1 및 2로 나타낼 수 있는 에폭시 수지를 중량비율 2 : 8 내지 6 : 4로 하는 것이 바람직한데, 만일 중량비가 2 : 8 미만인 경우, 예를들면 0 : 10 등의 경우에는 경화특성이 저하되어 성형불량의 발생 가능성이 높고, 6 : 4보다 큰 경우 예를들면 9 : 1 등의 경우에는 내크랙성이 저하된다. 또한, 에폭시 수지 혼합물을 이루는 각각의 에폭시 수지의 당량은 190 내지 250 및 120 내지 180인 고순도의 에폭시 수지가 요구된다.
본 발명에서 에폭시 수지 혼합물은 전체 조성물에 대하여 3.5 내지 9.0중량% 사용한다.
본 발명에서 사용된 경화제는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100 내지 200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok)수지, 디사이클로펜타디엔 수지등이 사용될 수 있으며, 이를 단독 또는 2종 이상 사용할 수있으나, 경제성 및 성형성의 관점에서 페놀 노볼락형 수지를 경화제 전체의 50중량% 이상 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지와 경화제의 조성비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8 내지 1.2인 것이 바람직하며, 경화제의 사용량은 전체 조성물에 대하여 2.0 내지 6.5중량% 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 경화 촉진제는 상기 에폭시와 경화제의 경화반응을 촉진하기 위해 필요한 성분으로, 예를들면 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류, 테트라페닐포스포니움테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 있으며 이중 1종 또는 2종 이상을 병용해도 좋으며, 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1 내지 0.3중량%이다.
본 발명에 사용된 변성실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 바람직하며 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 0.5 내지 1.5중량% 사용할 수 있다. 다만, 실리콘 오일을 1.5중량%를 초과하여 사용하는 경우에는 표면 오염이 발생하기 쉽고, 레진 블리드가 길어질 우려가 있으며, 0.5중량% 미만으로 사용하는 경우에는 충분한 저탄성율을 얻을 수 없게 된다.
본 발명에서 사용되는 무기 충전제는 그 평균 입자가 0.1 내지 35.0㎛인 용융 또는 합성실리카를 사용하는 것이 바람직하며 충전량은 조성물 전체에 대하여 82중량% 이상 사용하여야 한다. 82중량% 미만으로 무기충전제를 사용하는 경우에는 충분한 강도와 저열 팽창화를 실현할 수 없으며 또한, 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 특성에 치명적이 된다. 다만, 무기충전량 상한선은 성형성을 고려하여 선정하는 것이 바람직하며, 89중량% 미만을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 고순도의 제품으로 분쇄형과 구형의 실리카를 조성비 7 : 3 내지 0 : 10인 혼합형태로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 성형재료에는 브로모 에폭시의 난연제, 삼산화안티몬, 수산화알루미늄, 오산화안티몬 등의 난연조제, 고급지방산, 고급지방산금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제, 에폭시실란, 아미노실란, 알킬실란 등의 커플링제를 필요에 따라 사용할 수 있다.
이상과 같은 원재료를 사용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로, 상술한 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더로 용융혼련하여, 냉각, 분쇄과정을 거쳐 최종 분말제품을 얻는 방법이 사용되고 있다.
본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는방법으로서는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되지만, 인젝션(Injection)성형법이나 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형가능하다.
이하 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하고자 하나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
실시예 1∼2
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위하여 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융 혼련한 뒤 냉각 및 분쇄 과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
이와 같이 하여 수득된 에폭시 수지 조성물에 대하여 물성 및 신뢰성을 평가하였으며, 신뢰성 시험을 위한 TSOP형 반도체 소자 성형시에는 MPS(Multi Plunger System)성형기를 이용하여 175℃에서 60초간 성형시킨 후 175℃에서 6시간 동안 후경화시켜 TSOP형 반도체 소자를 제작하였다.
본 발명에 의한 에폭시 수지 조성물의 물성 및 신뢰성 시험결과를 표 2에 나타내었다. 신뢰성 시험은 열충격 시험에서의 패키지 크랙 발생정도로 나타내었다.
물성평가 방법
1)스파이럴 플로우(Spiral Flow)
EMMI규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도 175℃, 성형압력 70kgf/㎠에서 유동길이를 평가하였다.
2)유리전이온도(Tg)
TMA(Thermomechanical Analyzer)로 평가하였다.
3)열팽창계수(α)
ASTM D696에 의해 평가하였다.
4)굴곡강도 및 굴곡탄성율
UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190에 의하여 평가하였다.
5)내크랙성 평가(신뢰성 시험)
프리컨디션(Precondition)후 열충격 환경시험기(Temperature Cycle Test)에서 1,000사이클 경과후, 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustic Tomograph)로 크랙발생 유무를 평가하였고, 프리컨디션 조건과 열충격시험은 다음과 같다.
①프리컨디션 조건
에폭시 수지 조성물로 제조한 TSOP형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후 20 사이클의 열충격시험을 거쳐 다시 85℃, 65% 상대습도 조건하에서 168시간 동안 방치시킨 후 235℃에서 10초동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 1차로 프리컨디션 조건하에서의 패키지 크랙발생 유무를 평가한다. 이 단계에서 크랙이 발생되었을 경우, 다음 단계인 1,000사이클의 열충격 시험은 진행하지 않는다.
②열충격 시험
앞서의 프리컨디션 조건을 통과한 반도체 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 1사이클로 하여 1,000 사이클을 진행한 후 비파괴검사기인 SAT를 이용하여 내부 및 외부 크랙을 평가한다.
비교예 1∼2
다음 표 1에 나타난 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며 각 물성 및 신뢰성 평가결과를 표 2에 나타내었다. 단위는 중량%로 나타내었다.
구성성분 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
에폭시 수지 화학식 1 3.0 1.0 5.58 -
화학식 2 3.0 3.99 0.62 4.9
브롬화에폭시 수지 2.15 1.79 2.23 1.76
삼산화 안티몬 2.0 1.0 2.0 1.0
페놀노볼락 수지 5.06 4.53 4.77 4.64
트리페닐포스핀 0.16 0.14 0.17 0.13
실리카 83 86 83 86
γ-글리시톡시프로필트리 메톡시실란 0.66 0.69 0.66 0.69
에폭시 변성 실리콘 오일 0.41 0.34 0.42 0.33
카본블랙 0.25 0.25 0.25 0.25
카르나우바왁스 0.3 0.3 0.3 0.3
평가항목 실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
스파이럴 플로우(inch) 31 28 29 35
유리전이온도(Tg)(℃) 145 120 156 115
열팽창계수 α(㎛/m℃) 10.2 8.5 11.0 8.7
굴곡강도(kgf/㎟) 16 18 15 17
굴곡탄성율(kgf/㎟) 2100 2500 2200 2450
신뢰성 내크랙성평가(열충격시험)크랙발생반도체소자수/총시험한반도체소자수 0/64 0/64 5/64 0/64
성형성 보이드 개수(Visual Inspection) 0/640 0/640 0/640 8/640
상기 표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 수지 조성물은 비교예에 비하여 신뢰성 및 성형성면에서 월등히 우수한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
본 발명에 의한 에폭시 수지는 나프탈렌 구조를 가진 저점도형 에폭시 수지와 오르소 크레졸 노볼락계 에폭시 수지의 혼합물을 사용함으로써 경화특성이 우수하며, 무기 충전제를 고충전화하여 흡습율 및 열팽창계수를 감소시키고, 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 반도체 소자 성형시 발생하는 보이드 발생을 억제함으로써 성형특성과 신뢰성이 우수한 반도체 소자 성형용 에폭시 수지 조성물 수득할 수 있다.

Claims (5)

  1. 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 변성실리콘 오일 및 무기 충전제를 필수성분으로 하여 이루어지는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 오르소 노볼락계 에폭시 수지와 화학식 2로 표시되는 나프탈렌계 구조를 가지는 바이펑셔널계 에폭시 수지로 중량비율 2 : 8 내지 6 : 4로 혼합한 것을 전체조성물에 대하여 3.5 내지 9.0중량% 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
    화학식 1
    Figure kpo00002
    화학식 2
    Figure kpo00003
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무기충전제는 전체 조성물에 대하여 82중량% 이상 함유되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 경화제는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100 내지 200인 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok)수지, 디사이클로펜타디엔 수지로 이루어진 군으로 부터 1종 이상 선택되고, 전체 조성물에 대하여 2.0 내지 6.5중량% 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 경화촉진제는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀, 테트라페닐포스포니움테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀테트라페닐보레이트로 구성된 군으로 부터 1종 이상 선택되고, 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1 내지 0.3중량% 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 변성실리콘 오일은 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일로 구성된 군으로 부터 1종 이상 선택되고, 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 0.5 내지 1.5중량% 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
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