KR100413357B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는
(1)에폭시기가 2개 이상이며 에폭시 당량이 180~200인
바이페닐 에폭시 수지 5.0~7.0중량%,
(2)수산화기가 2개 이상이며 수산화기 당량이 100~120인 페놀 노볼락 수지
및 하기 화학식 1의 바이페닐형 페놀 수지의 혼합물 3.5~6.5중량%,
(3)경화촉진제 0.1~0.5중량%, 및
(4)무기충전제 87.0~91.4중량%
를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이며, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 반도체 소자 패키지 성형시 이형성이 우수하며 보이드 발생률이 낮고 크랙 발생이 억제될 뿐만 아니라 별도의 난연제를 첨가하지 않아도 우수한 난연성이 확보되므로 수지 밀봉형 반도체 소자 제조에 유용하다.
[화학식 1]
(상기 화학식중 n은 0~5임)

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy resin composition for encapsulating semiconductor device}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이페닐 에폭시 수지, 하기 화학식 1의 바이페닐형 페놀 수지 및 페놀 노볼락 경화제의 혼합물, 경화촉진제 및 무기충전제를 포함하며, 이형성, 성형성 및 난연성이 우수한 반도체 소자 밀봉형 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
(상기 화학식중 n은 0~5임)
최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며, 이에 따른 배선의 미세화, 소자 크기의 대형화 및 다층 배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편, 반도체소자를 외부 환경으로부터 보호하는 패키지의 경우 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점에서 소형, 박형화가 가속화 되고 있다. 이와 같이 대형 반도체 소자를 소형, 박형 패키지에 밀봉한 수지 밀봉형 반도체 장치에서는 외부환경의 온도 및 습도변화에 따른 열응력과 그에 따른 이형성 저하에 기인하여 패키지 크랙 발생에 따른 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다.
또한, 최근 환경 오염에 대한 관심이 날로 증가함에 따라서 반도체 실장 공정시 납 성분을 포함하지 않는 솔더를 사용하고 있는 추세이나, 납 성분을 사용하지 않으면 반도체 실장 공정시 솔더의 융점이 20~30℃ 정도 상승하고 그에 따라 계면에 흡습되는 수분의 수증기압이 크게 증가하여, 반도체 패키지에 팝콘 크랙(popcorn crack)이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이러한 패키지의 소형, 박형화와 실장 공정 온도의 상승에 따라 밀봉용 에폭시 수지 성형 재료의 고신뢰성화를 위한 방법의 개발이 강하게 요구되고 있으며, 구체적인 방법으로는 저흡습 수지를 사용하고 충진재 함량을 증량함으로써 수분 흡습률과 열팽창 계수를 낮추는 방법, 저응력화를 위하여 탄성률을 낮추는 방법, 부식 발생을 억제하기 위하여 고순도의 에폭시 수지 또는 경화제를 사용하고 이온 포착제를 사용함으로써 불순물 함량을 저하시키는 방법 등이 제안되어 왔다.
상기 제시된 방법들중 열팽창률을 낮추는 방법으로서는 열팽창 계수가 낮은 무기 충전제의 충전량을 증가시키는 방법이 있는데, 이 경우에는 무기 충전제의 충전량을 증가시킴에 따라서 에폭시 성형 재료의 유동성이 낮아지고 탄성이 높아진다는 문제점이 있지만, 일본 특허공개 소 64-11355호에서는 구형 충전제를 사용하되그 입도 분포와 입자 크기를 조절하여 다량의 충전제를 배합시키는 기술을 제시하고 있다. 이 경우에는 무기 충전재의 함량을 증가시킴에 따라 흡습률도 함께 낮추어 주는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로 탄성률을 낮추는 방법으로서는 부타디엔 함유 고무 개질제나 열 안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합하여 에폭시 수지 조성물을 개질시키는 방법(참조: 일본 특허공개 소 63-1894호 및 특허공개 평 5-291436호)이 있다. 실리콘 중합체는 성형 재료의 기본 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없기 때문에, 기본 수지중에 미립자 형태로 분산되어 내열성을 유지한 채 탄성률을 낮출 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 방법만으로는 반도체 소자 패키지 성형시 몰드 스티킹 및 크랙 발생의 주요 원인이 되는 이형력 및 보이드 발생을 감소시키는데 한계가 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 경화제로 자기 소화성을 가지는 바이페닐형 페놀 수지와 페놀 노볼락 수지를 혼합하여 사용하고 무기 충전제를 고충전함으로써 난연성, 이형성 및 성형성이 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은
(1)에폭시기가 2개 이상이며 에폭시 당량이 180~200인
바이페닐 에폭시 수지 5.0~7.0중량%,
(2)수산화기가 2개 이상이며 수산화기 당량이 100~120인 페놀 노볼락 수지
및 하기 화학식 1의 바이페닐형 페놀 수지의 혼합물 3.5~6.5중량%,
(3)경화촉진제 0.1~0.5중량%, 및
(4)무기충전제 87.0~91.4중량%
를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
(상기 화학식중 n은 0~5임)
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 무기 충전제를 필수성분으로 포함하는데, 각 구성성분을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용된 에폭시 수지는 2개 이상의 에폭시기를 가지며 에폭시 당량이 180~200인 바이페닐 에폭시 수지(이하 성분(1)이라 칭함)이다. 상기 성분(1)의 함량은 전체 조성물에 대하여 5.0~7.0중량%인 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.
본 발명에서 사용된 경화제는 하기 화학식 1의 바이페닐형 페놀 수지 및 페놀 노볼락 경화제의 혼합물(이하 성분(2)라 칭함)이다.
[화학식 1]
(상기 화학식중 n은 0~5임)
상기 바이페닐형 페놀 수지는 페놀 당량이 190~220인 고순도 페놀 수지로서 자기소화성을 갖는 것이 특징이며, 연화점은 60~90℃인 것이 좋다. 한편, 상기 페놀 노볼락 경화제는 2개 이상의 수산화기를 갖고 수산화기 당량이 100~120인 통상의 페놀 노볼락 수지이다. 상기 바이페닐형 페놀 수지와 상기 페놀 노볼락 수지의 혼합비는 60 대 40 ~ 80 대 20인 것이 바람직하다. 만일 상기 페놀 노블락 수지의 함량이 전체 경화제 대비 20중량%미만이면 열시경도 확보가 용이하지 못하고 이형성이 저하되며, 40중량%를 초과하면 부착력이 감소하고 흡습률이 증가하여 신뢰성이 저하되므로 좋지 않다.
상기 성분(2)의 함량은 성분(2)의 수산화기 당량에 대한 성분(1)의 에폭시 당량의 조성비가 0.9~1.3의 범위내에 들도록 결정된다. 이때, 상기 성분(2)의 함량은 전체 조성물에 대해서 3.5~6.5중량%에 해당되며, 상기 범위를 벗어날 경우 미반응 에폭시기와 페놀기가 다량 발생하여 신뢰성에 좋지 않은 결과를 주게 된다.
본 발명에서 사용된 경화촉진제(이하 성분(3)이라 칭함)는 상기 성분(1)과 성분(2)의 경화반응을 촉진하기 위해 필요한 성분으로, 예를 들어 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류; 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류; 테트라페닐포스포늄 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 있으며, 이 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 성분(3)의 함량은 전체 조성물에 대해서 0.1~0.5중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.1중량% 미만이면 경화 속도가 느려져서 생산성이 떨어져 좋지 않고, 0.5중량%를 초과하면 유동성이 저하되고 보관 안정성이 나빠져서 좋지 않다.
본 발명에서 사용된 무기충전제(이하 성분(4)라 칭함)로서는 평균 입도가 0.1~35.0㎛인 용융합성 또는 천연 고순도 실리카를 사용할 수 있다.
상기 성분(4)의 함량은 전체 조성물에 대해서 87.00~91.40중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 87.00중량% 미만이면 충분한 강도와 저 열팽창화를 실현할 수 없을 뿐만 아니라 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 저하에 치명적이 된다. 반면, 상기 함량이 91.40중량%를 초과하는 경우에는 조성물의 유동 특성이 저하되어 성형성이 나빠질 우려가 있어서 좋지 않다.
또한 본 발명의 에폭시 수지 조성물에는 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제; 카본 블랙, 유기 및 무기 염료 등의 착색제; 에폭시 실란, 아미노 실란, 머캡토 실란 등의 커플링제 등을 필요에 따라 첨가할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 상술한 성분들을 헨셀(Hanssel) 믹서 또는 뢰디게(Loedige) 믹서를 사용하여 균일하게 혼합시킨 후, 롤밀(roll mill) 또는 니이더(kneader)로 용융 혼련시키고, 냉각 및 분쇄하는 과정을 거쳐 최종 분말제품으로 제조된다.
이와 같이 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되나, 인젝션 또는 캐스팅 등의 방법으로도 성형 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1~4
하기 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 후, 헨셀 믹서로 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하고, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 다음, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 최종 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물 각각에 대하여 물성 평가를 하였으며, 평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1~4
하기 표 2에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 후, 상기 실시예에서와동일한 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물 각각에 대하여 물성 평가를 하였으며, 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구 성 성 분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
바이페닐 에폭시 수지 6.23 5.34 5.69 5.13 5.79 5.41 4.93 5.15
경화제 페놀 노블락수지 1.88 0.93 1.71 1.54 - - - 0.48
자일록 페놀수지 - - - - 5.16 - - -
바이페닐형페놀 수지 2.82 3.71 2.57 2.31 - 5.56 5.05 4.35
트리페닐포스핀 0.15 0.1 0.11 0.1 0.13 0.11 0.1 0.1
실리카 88 89 89 90 88 88 89 89
γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
카본블랙 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27 0.27
카르나우바왁스 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
폴리에틸렌왁스 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
이형력(kgf) 4.5 5.2 5.0 5.2 11.5 12.5 12.8 8.5
난연성(UL94 V-0) 합격 합격 합격 합격 불합격 합격 합격 합격
성형성(보이드 발생률) 0/640 0/640 0/640 3/640 0/640 10/640 15/640 5/640
[물성 평가 방법]
* 난연성
: UL 94 수직시험으로 평가하였으며 이때 시편 두께는 1/16inch로 하였다.
* 이형력
: 성형 몰드를 멜라민 수지로 클리닝하고 왁스 화합물로 컨디셔닝한 후, 실시예 및 비교예로부터 수득한 각각의 에폭시 수지 조성물로 40회 성형하고, 탈형시 발생하는 힘을 푸쉬 풀게이지를 이용하여 측정하였다.
*보이드 발생률
: 54 리드 TSOP 640 유닛을 성형한 후, 현미경으로 관찰하여 보이드 사이즈가 10mil 이상인 것을 불량으로 판정하였다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 반도체 소자 패키지 성형시 이형성이 우수하며 보이드 발생률이 낮고 크랙 발생이 억제될 뿐만 아니라 별도의 난연제를 첨가하지 않아도 우수한 난연성이 확보되므로 수지 밀봉형 반도체 소자 제조에 유용하다.

Claims (4)

  1. (1)에폭시기가 2개 이상이며 에폭시 당량이 180~200인
    바이페닐 에폭시 수지 5.0~7.0중량%,
    (2)수산화기가 2개 이상이며 수산화기 당량이 100~120인 페놀 노볼락 수지
    및 하기 화학식 1의 바이페닐형 페놀 수지의 혼합물 3.5~6.5중량%,
    (3)경화촉진제 0.1~0.5중량%, 및
    (4)무기충전제 87.0~91.4중량%
    를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
    [화학식 1]
    (상기 화학식중 n은 0~5임)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 경화제 혼합물 중의 바이페닐형 페놀 수지 및 페놀 노볼락 경화제의 조성비가 60 대 40 내지 80 대 20인 것을 특징으로 하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 경화촉진제가 3급 아민 화합물, 이미다졸 화합물, 유기 포스핀 화합물, 테트라페닐보론염 또는 그들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 충전제는 평균 입도가 0.1~35.0㎛인 용융합성 또는 천연 실리카인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
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