KR100479860B1 - 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용제를 첨가하지 않고, 에폭시수지로 비스페놀 A 및 비스페놀 F계 에폭시 수지를 혼합하여 사용하며, 경화제로 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물 및 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물을 혼합하여 사용하고, 실리카 등의 무기물 충진제를 첨가하지 않는 것에 의해 언더필용 액상 봉지재 용도에 적합한 저점도, 고속주입성, 고신뢰성 및 저흡습성을 가지는 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

Description

반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물 {Liquid Epoxy Resin Composition for Underfilling Semiconductor Device}
본 발명은 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용제를 첨가하지 않고, 에폭시수지로 비스페놀 A 및 비스페놀 F계 에폭시 수지를 혼합하여 사용하며, 경화제로 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물 및 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물을 혼합하여 사용하고, 실리카 등의 무기물 충진제를 첨가하지 않는 것에 의해 언더필용 액상 봉지재 용도에 적합한 저점도, 고속주입성, 고신뢰성 및 저흡습성을 가지는 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
근래에 들어 전자제품 특히 휴대용 단말기 등의 경박단소화에 따라 반도체의 실장방법도 보다 얇고 작게 팩키징할 수 있는 표면실장형이 주류가 되고 있다. 그 중에서 반도체 소자의 크기를 소형화하기 위해 칩 자체의 크기를 줄여 팩키징할 경우 CSP와 BG 방식이 가장 널리 사용되고 있다. 상기 팩키지의 경우 솔더 범프나 볼에 의해 기재 상의 회로와 연결되는데, 이러한 팩키지를 히트 사이클(heat cycle)에 넣을 경우 회로기판과 솔더범프간 연결상태에 대한 신뢰성 불량의 여지가 있다. 이는 회로기판과 솔더의 상이한 열팽창계수가 열적 스트레스를 유발하기 때문이다. 이를 방지하기 위한 수단으로 반도체소자를 회로기판에 장착한 후에 소자와 기판 사이의 공간을 수지로 충진하여 상기 명시된 열에 의한 직접적 스트레스 전달을 완화시켜 신뢰성을 증대하는 방법이 사용된다. 이러한 방법은 소자의 밑으로 수지가 충진해 들어감으로 인해 언더필 방식으로 분류되기도 한다.
특히 칩 온 필름형 플립칩 패키지는 팩키지의 소형 경박화가 용이하고 기재의 유연성이 우수하여 휴대용 단말기 등에서 그 수요가 증가되고 있는 실정이며, 이때 봉지재로는 작업성이 우수한 액상 에폭시 수지 조성물을 사용하고 있다. 그러나 이전에는 필름을 기재로 사용하는 소형화 팩키징 방식으로 칩 온 필름 방식에 우선하여 테이프 캐리어 팩키지(TCP) 방식이 많이 사용되었다. 이렇게 TCP 방식에서 칩온 필름 방식으로 전환함에 따라 경박단소화 외에 미세 피치(fine pitch)에 의한 칩 패드 피치(chip pad pitch)가 감소함으로서 비용 감소 효과를 얻을 수 있었다. 상기 TCP 팩키지 방식의 경우 액상 에폭시 수지 조성물로서 액상 에폭시 수지에 페놀계 경화제와 반응촉매, 신뢰성 향상을 위한 실리카 등의 무기물 충진제, 그리고 점도조절을 위한 용제 등의 혼합물이 사용되었으며 팩키지 구조상 용제의 휘발에 의한 제거가 용이하였다. 그러나, 언더필의 경우 칩과 기재 사이에 수지가 존재하여 용제를 사용할 경우 휘발 중에 보이드를 형성할 가능성이 크다. 이에 따라 언더필의 경우엔 저점도이면서 용제사용을 배제한 액상 수지 조성물의 사용이 필요하다.
에폭시 수지와 산무수물을 사용하는 액상봉지재(일본특허 공개 2000-299414호, 2000-297202호, 2000-186188호, 2000-53844호, 1999-106474호, 1999-67981호, 1998-219080호, 1998-134067호, 미국특허 제6,117,953호 등)의 개발이 근래들어 더욱 활발하지만, 기본적으로 산무수물의 성질인 흡습성 때문에 팩키지의 수분흡수율이 증가할 수 있어 신뢰도를 저하시키는 문제점이 있고, 저분자량 에폭시 수지를 사용할 경우 저온보관시 결정화에 의한 성상 변화로 인해 발생하는 작업성 불량의 개선이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 언더필용 액상 봉지재 용도에 적합한 저점도, 고속주입성, 고신뢰성 및 저흡습성을 가지는 액상 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과, 용제를 첨가하지 않고, 에폭시수지로 비스페놀 A 및 비스페놀 F계 에폭시 수지를 혼합하여 사용하며, 경화제로 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물 및 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물을 혼합하여 사용하고, 실리카 등의 무기물 충진제를 첨가하지 않을 경우 점도가 1000 cps 이하로 조절된 액상 에폭시수지 조성물을 얻을 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 에폭시 수지로서 비스페놀 A계 에폭시 수지 및 비스페놀 F계 에폭시 수지; 경화제로서 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물 및 하기 화학식 4로 표시되는 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물; 경화촉매; 및 소포제를 필수성분으로 하는 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
[화학식 3]
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기이다.
[화학식 4]
이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 저온에서 결정 생성과 같은 에폭시수지의 성상변화 및 이로 인한 작업성 불량을 억제하기 위하여 에폭시 수지로서 비스페놀 A계 에폭시 수지 및 비스페놀 F계 에폭시 수지를 혼합하여 사용한다. 바람직하게는 이러한 비스페놀 A계 에폭시 수지로는 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 수지, 이를 수소화한 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물을 사용하며, 비스페놀 F계 에폭시 수지로는 하기 화학식 2로 표시되는 에폭시 수지, 이를 수소화한 에폭시 수지 또는 이들의 혼합물을 사용한다.
이때 상기 비스페놀 A 및 F계 에폭시는 에폭시 당량이 각각 170∼190, 160∼190인 고순도의 것을 사용하는 것이 좋다.
전체 조성물 중 상기 에폭시 수지의 함량은 40∼60중량%의 범위가 되도록 한다. 이때 비스페놀 A계 에폭시 수지와 비스페놀 F계 에폭시 수지의 혼합 중량비는 2:8∼5:5의 범위가 되도록 한다. 전체 에폭시 수지 중 비스페놀 A계 에폭시 수지가 20중량% 미만으로 사용되는 경우 저분자량 에폭시 수지의 결정이 생성되는 문제점이 발생하며, 50중량%를 초과하여 사용되는 경우 점도가 증가하는 문제점이 발생한다. 그러므로 상기 문제점들을 고려하여 작업성 측면에서 비스페놀 A계 에폭시 수지의 함량과 그 혼합비를 조절할 필요가 있다. 따라서 상기와 같이 전체 에폭시 수지 중 비스페놀 A계 에폭시 수지가 50중량%를 초과하여 사용되는 경우라도 점도가 낮은 수소화 비스페놀 에폭시 수지를 병용하여 사용하게 되면 점도 상승의 문제점은 해결이 되므로 작업성 및 신뢰성에 문제가 발생하지 않는다.
본 발명에서는 경화제로는 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물 및 하기 화학식 4로 표시되는 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물을 혼합하여 사용한다.
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기이다.
상기 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물 및 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물은 그 당량이 각각 210~250, 150~170인 고순도의 것을 사용하는 것이 좋다.
전체 조성물 중 상기 경화제의 함량은 40∼50중량%의 범위가 되도록 한다. 이때 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물와 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물의 중량비는 5:5∼7:3의 범위가 되도록 한다. 전체 경화제 중 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물의 비율이 50중량% 미만으로 사용되는 경우 액상봉지재의 수분흡수율이 높아 신뢰성이 저하되며, 70중량%를 초과하여 사용되는 경우 점도가 증가하는 문제점이 발생한다. 그러나 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물이 70중량%를 초과하여 사용되는 경우라 하더라도 에폭시 수지에서와 마찬가지로, 저점도의 수소화 비스페닐 A계 에폭시 수지가 병용된다면 점도 상승의 문제는 해결되므로 작업성 및 신뢰성에 문제가 발생하지 않는다.
본 발명에서 경화촉매로는 일반적으로 사용되는 촉매를 사용할 수 있다. 상기 촉매 종류별로 같은 양을 사용할 경우 활성에 따라 겔화시간에 차이는 발생하나 사용량의 증감을 통하여 겔화시간을 조절할 수 있어 촉매의 종류에 대하여서는 국한되지 않는다. 바람직하게는 하기 화학식 5로 표시되는 이미다졸계 화합물을 사용한다.
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 각각 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기이다.
상기 식에서 R1, R2 및 R3는 각각 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기이다.
전체 조성물 중 상기 반응촉매의 함량은 0.1∼2중량%의 범위가 되도록 한다.
본 발명에서는 혼합시 또는 도포 공정 중 원활한 기포 제거를 위해 소포제가 사용되는데, 특히 점도가 높을 수록 기포제거의 필요성이 증가하여 소포제의 사용이 요구된다. 바람직하게는 하기 화학식 6으로 표시되는 실리콘계 소포제를 사용한다.
전체 수지 조성물 중 상기 소포제의 함량은 0.01∼1중량%의 범위가 되도록 한다. 1중량%를 초과하여 사용하는 경우 주제와의 비상용성으로 인한 부유 문제가 발생하고, 0.01중량% 미만으로 사용되는 경우 원하는 소포성을 얻을 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물에는 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위 내에서 브로모 에폭시 등의 난연제, 삼산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등의 난연조제, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착섹제, 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제, 응력완화제, 평활성 증대제 등이 필요에 따라 첨가될 수 있다.
본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물은, 예를 들면 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제를 동시에 또는 순차적으로 필요에 따라 가열처리를 하면서 교반, 혼합, 분산시킴으로써 제조할 수 있다. 이들 혼합물의 혼합, 교반, 분산 등의 장치는 특별히 한정되지 않으며, 교반, 가열장치를 구비한 혼합분쇄/교반기, 볼밀, 호모믹서, 유성형 혼합기 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 의한 액상 에폭시 수지 조성물의 점도는 25℃에서 1000cps 이하, 바람직하게는 500cps 이하로 조절하는 것이 바람직하다. 점도가 1000 cps를 초과하는 경우 주어진 조건(NEEDLE SIZE와 압력)에서 토출 공정의 작업성이 불량하다. 성형공정은 통상의 토출 공정을 사용할 수 있으며, 경화는 150℃ 에서 0.5시간 이상 오븐에서 경화하는 것이 바람직하다. 150℃에서 0.5시간 미만으로 경화시에는 전이온도나 기계적 물성 등의 경화물 특성이 저하되는 경우가 있다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
표 1에 나타난 배합비대로 원료를 SUS 재질의 교반용 용기에 투입한 후 호모믹서로 교반 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 테플론 금형에서 150℃에서 한시간 경화시킴으로써 W×T×L이 4mm×10mm×80mm인 시편을 제조하고 유리전이온도, 굴곡강도, 열팽창계수 등을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 신뢰성 관련 테스트의 경우 W×L이 1.5mm×15mm인 칩을 장착한 기재에 언더필한 후 150℃에서 한시간 경화시킴으로서 시편을 제조하여 테스트하였다.
注) 1) DIC社 : EXA-850S
2) DIC社 : EXA-830S
3) DIC社 : EXA-7015
4) Yuka shell社 : YH-306
5) DIC社 : B-650
6) Shinetsu社 : KF-96
[물성평가방법]
1) 점도
Cone & Plate 형 Brookfield 점도계를 사용하여 25℃ 에서 측정
2) 유리전이온도(Tg), 열팽창계수
TMA(Thermomechanical Analyser)로 평가 (승온속도 10℃/min)
3) 굴곡강도
UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190에 의거 평가
4) 토출성
DISPENSER를 사용하여 NEEDLE SIZE 24G, 토출압 2kg/cm2에서 토출하였을 때 끊어짐없이 일정량 토출 여부 확인
4) PCT
Pressure Cooker Tester를 사용, 121℃, 2기압, 168시간
5) 내열성
TC(Thermo Cycle, -65~150℃, 1000 cycle)후 박리, 크랙 유무 관찰
표 1의 물성 및 신뢰성 평가결과에서 볼 수 있듯이 비스페놀 A계 에폭시와 비스페놀 F계 에폭시 수지의 조성비에 따라 점도치에 변화가 있었으며 경화물의 유리전이 온도에는 큰 영향을 주지 않았다. 즉 에폭시 수지의 조성비에 따라서는 패키지의 내열특성에 변화를 주지 않는 것으로 결론지어질 수 있다. 또한 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물의 함량이 증가할수록 PCT 상의 불량율이 줄어드는 것으로 볼 때 상기 경화제의 함량 증가에 따라 내습특성이 향상되어 패키지의 신뢰성을 향상 시키는 것으로 보여진다. 그러나 많은 양의 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물을 사용할 경우 봉지재의 점도가 증가되어 작업성이 현저히 떨어지는 문제가 있으며, 적은 양을 사용할 경우에는 봉지재의 점도는 낮아지나 점도 감소에 한계가 있으며 결정적으로 내습특성이 감소하여 신뢰성이 저하되었다. 이에 알킬 테트라하이드로 프탈산 무수물의 함량을 증가시키는 한편 저점도의 수소화 비스페놀 A계 에폭시 수지를 첨가함으로서 양호한 작업성을 획득할 수 있었다.
결과적으로 에폭시 수지중 비스페놀 A계 에폭시 수지가 수지구성비의 20중량% 이상이며, 경화제중 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물의 구성비가 50중량% 이상이고, 액상 봉지재의 점도가 200~1,000cps이며, 또한 용제 및 무기물이 함유되어 있지 않은 본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물의 경우 플립칩 온 필름 언더필 패키지에서의 안정된 작업성과 우수한 신뢰도 특성을 확보할 수 있었다.
본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물의 경우 저점도에 저칙소성을 가지므로 언더필 공정 중 간극 침투 속도가 매우 빨르며, 용제를 사용하지 않기 때문에 보이드 등의 작업성, 신뢰성 불량의 소지가 없을 뿐 아니라, 무기충진제를 함유하지 않으므로 수지 성질에 따른 기재에 대한 접착성이 우수하며, 굴곡강도 등 기계적 성질이 양호하고, 양호한 내열특성을 가진다. 따라서 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 칩 온 필름 플립칩 언더필 패키지에 적용하는 경우 매우 우수한 작업성 및 신뢰도 특성을 나타낼 수 있다.

Claims (5)

  1. 비스페놀 A계 에폭시 수지 및 비스페놀 F계 에폭시 수지의 혼합물로서 비스페놀 A계 에폭시 수지의 비율이 20 중량% 이상인 에폭시 수지;
    하기 화학식 3으로 표시되는 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물 및 하기 화학식 4로 표시되는 메틸 헥사하이드로프탈산 무수물의 혼합물로서 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물의 비율이 50 중량% 이상인 경화제;
    경화촉매; 및
    소포제를 필수성분으로 하는 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물.
    [화학식 3]
    상기 식에서 R1, R2 및 R3는 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기이다.
    [화학식 4]
  2. 제 1항에 있어서, 상기 비스페놀 A계 에폭시 수지가 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 수지 또는 이를 수소화한 에폭시 수지이고, 상기 비스페놀 F계 에폭시 수지가 하기 화학식 2로 표시되는 에폭시 수지 또는 이를 수소화한 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물.
    [화학식 1]
    [화학식 2]
  3. 제 1항에 있어서, 상기 경화촉매가 하기 화학식 5로 표시되는 이미다졸계 화합물이고, 상기 소포제가 하기 화학식 6으로 표시되는 실리콘계 소포제인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물.
    [화학식 5]
    상기 식에서 R1, R2 및 R3는 각각 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기이다.
    [화학식 6]
  4. 제 1항에 있어서, 전체 조성물 중 상기 에폭시 수지의 함량이 40∼60중량%이고, 상기 경화제의 함량이 40∼50중량%이며, 상기 경화촉매의 함량이 0.1∼2중량%이고, 상기 소포제의 함량이 0.01∼1중량%이며, 상기 에폭시 수지에서 비스페놀 A계 에폭시 수지와 비스페놀 F계 에폭시 수지의 중량비가 2:8∼5:5이고, 상기 경화제에서 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물 및 메틸 헥사 하이드로프탈산 무수물의 중량비가 5:5∼7:3인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 언더필용 액상 에폭시 수지 조성물.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 하나의 수지 조성물을 사용하여 봉지된 플립칩 온 필름 언더필형 반도체.
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