KR100480946B1

KR100480946B1 - 내크랙성 및 열전도율이 향상된 반도체 소자 밀봉용에폭시 수지 조성물

Info

Publication number: KR100480946B1
Application number: KR10-2001-0087461A
Authority: KR
Inventors: 최경세
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2005-04-07
Also published as: KR20030057088A

Abstract

본 발명은 내충격성 및 열전도율이 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (1) 에폭시 수지, (2) 경화제, (3) 경화촉진제, (4) 실리카, 및 (5) 평균입도 10~300 나노미터의 결정형 알루미나를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이며, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하면 비교적 낮은 무기충전제 함량에서도 우수한 고온 굴곡강도와 높은 열전도율을 확보할 수 있기 때문에, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 TSOP 및 TQFP 패키지에 적용할 경우, 고성형성을 유지하면서 무납 솔더공정에 대응가능하다.

Description

내크랙성 및 열전도율이 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{EPOXY MOLDING COMPOUND HAVING IMPROVED CRACK RESISTANCE AND HEAT CONDUCTIVITY FOR USE AS SEMICONDUCTOR ENCAPSULANT}

본 발명은 내충격성 및 열전도율이 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무기충전제로서 통상의 실리카 이외에 나노크기의 결정형 알루미나를 병용함으로써 고온에서의 내충격성과 열전도 특성을 보강한 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

최근 환경안전에 대한 관심이 날로 증가하면서 반도체 조립공정에서도 이에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 대응하여, 최근에는 반도체 실장공정 중 반도체 패키지를 융착시키기 위해 사용되는 납 함유 Sn-Pb계 솔더(Solder)가 납이 함유되지 않은 Sn-Ag-Cu계 솔더로 대체되는 추세이다. 이와 같이 납이 함유되지 않은 솔더를 반도체 실장공정에 적용할 경우, 솔더의 융점이 20~30℃ 정도 상승하게 되므로 밀봉소재 자체의 고온 내크랙성이 향상되어야 할 뿐 아니라, 계면에 흡습되는 습기의 수증기압이 훨씬 커지게 되므로 밀봉소재의 흡습량 자체가 적어져야 하고, 리드프레임과의 접착력이 증가되어야 한다. 더욱이, 반도체 패키지의 단소경박화 추세로 주요 패키지인 TSOP(Thin Small Outline Package)나 TQFP(Thin Quad Flat Package)의 경우 그 두께가 1mm에 불과해 고온에서 패키지 내부에 발생하는 파괴충격에 대해 매우 취약하므로, 반도체 밀봉소재의 고온 내열특성 및 접착특성, 흡습특성 등이 고루 개선되어야 하는 상황이다.

무납 솔더 공정에 대응하기 위해 일반적으로는 반도체 소자 밀봉소재의 무기충전제 함량을 늘려 흡습량 자체를 줄이고, 저응력화를 위해 탄성률과 열팽창계수를 낮추며, 외부 수분의 흡습을 방지하기 위해 바이페닐계 에폭시 수지 등 저점도 에폭시 수지 및 기타 첨가제를 이용하여 칩 또는 리드프레임과 밀봉소재와의 밀착성을 높이는 방법을 생각할 수 있다.

예를 들면, 탄성률을 낮추는 방법으로서는, 각종 고무 성분에 의한 개질(참조: 일본국 특허공개 소 63-1894호 및 평 5-291436호)이 검토되어, 열적 안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합, 개질시킨 에폭시 수지 성형재료가 폭 넓게 채택되고 있다. 이 방법에서 실리콘 오일은 성형재료의 기저 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없어서 기저 수지중에 미립자 분산되므로, 내열성을 유지한 채 저탄성률을 이룰 수 있다. 또한, 저열팽창화에 대해서는, 열팽창계수가 낮은 무기 충전제의 충전량을 늘리는 방법이 최선으로, 다만 무기 충전제의 충전량 증가에 따른 에폭시 수지 성형재료의 저유동성과 고탄성이 문제가 되나, 이에 대한 해결책으로 일본국 특허공개 소 64-11355호에서는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기의 조절을 통하여 다량으로 배합할 수 있는 기술이 소개되기도 하였다.

그러나, 바이페닐계 에폭시 수지에 무기충전제를 고충전시키고 대체 난연제를 배합하는 일반적인 방법만으로는, TSOP나 TQFP와 같은 박형 반도체 패키지를 제조하고자 하는 경우, 충분한 강도와 내흡습성을 달성하기 위해서는 무기충전제를 88% 이상 충전해야 하므로 유동성 저하로 인해 넓은 가공범위(Processing Window)를 확보하기 어려운 문제가 있었다. 일반적으로 무기충전제를 80 중량% 이상 충전하고자 경우, 유동성을 확보하기 위해 저점도의 바이페닐계 에폭시 수지와 비결정질의 용융실리카를 사용하게 된다. 그런데, 이러한 경우 바이페닐계 에폭시 수지의 느린 경화속도로 인해 반도체 패키지 성형공정의 작업성이 저하되는 문제가 발생한다. 뿐만 아니라, 수지 자체의 열전도율이 낮은 편이고 융용실리카 역시 결정구조를 갖는 실리카 대비 열전도율이 열세하므로, 전체 에폭시 수지 조성물의 열전도 특성이 저하되는 현상이 단점으로 지적되어 왔다. 더욱이, 최근의 로직 디바이스들 중에는 작동 중 열이 발생하는 것들이 많은데, 이 열이 효과적으로 방출되지 않을 경우 칩 자체의 동작 특성이 저하되게 되므로, 반도체 패키지의 구조 자체가 열 방출에 효율적이어야 할 뿐만 아니라 패키지의 외관을 둘러싸고 있는 밀봉소재의 열전도율이 높은 것이 바람직하다. 따라서, 반도체 소자 밀봉소재에 결정형 실리카나 알루미나 혹은 알루미늄 나이트라이드를 첨가하여 패키지의 열전도율을 개선하고자 하는 노력이 있어왔으나, 내충격성과 열전도율을 비롯한 제반물성의 균형 측면에서 그다지 만족스럽지 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 나노크기의 미세한 결정형 알루미나 입자를 수지 성분 중에 분산시킴으로써 무납 솔더공정의 고온환경에서의 내크랙성과 열전도 특성이 동시에 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공함을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 다음의 성분들을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.

(1) 에폭시 수지;

(2) 경화제;

(3) 경화촉진제;

(4) 실리카; 및

(5) 평균입도 10~300 나노미터의 결정형 알루미나.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 사용된 성분 (1)의 에폭시 수지로는, 2개 이상의 글리시딜기(glycidyl group)를 갖고 에폭시 당량이 100~200인 통상의 오르소크레졸노볼락계 에폭시 수지와 바이페닐계 에폭시 수지 중 어느 하나를 단독으로 사용하거나 또는 양자를 병용할 수 있다. 에폭시 수지의 사용량은 전체 조성물에 대하여 3.0~10 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용된 성분 (2)의 경화제로는, 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100~200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 자일록 수지, 디사이클로펜타디엔 수지 등이 사용될 수 있으며, 이를 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 경화제의 사용량은 상기 에폭시 수지와의 조성비를 고려하여, 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.9~1.1의 범위 내에 들도록 조절되는 것이 바람직하며, 전체 조성물 내의 함량은 2.0~10 중량%가 되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용된 성분 (3)의 경화촉진제는 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, 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 있으며, 이 중 1종을 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상을 병용해도 좋으며, 사용량은 전체 조성물에 대하여 0.1~0.3 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용된 성분 (4)의 실리카는 평균입자크기가 0.1~35.0㎛인 합성 또는 천연의 결정형 및/또는 무정형 실리카인 것이 바람직하며, 조성물 전체에 대해 80 중량% 이상으로 충진된다. 열전도율 향상 측면에서는 결정형 실리카를 무정형 실리카와 혼합하여 사용하는 것이 바람직하긴 하나, 본 발명에서와 같이 무기충전제가 고충진된 수지 조성물의 경우에는 유동성 저하를 고려하여 가급적이면 결정형 실리카의 비율을 최소화하는 것이 좋다. 한편, 총 실리카 충전량이 80중량% 미만일 경우에는 충분한 강도와 고온 수치안정성을 실현할 수 없으며, 또한 수분의 침투가 용이해져 고온 솔더공정 중 팝콘크랙(Pop-Corn Crack)이 발생하게 된다. 반면, 실리카의 충전량 상한선은 성형성을 고려하여 선정하여야 하며, 바람직하게는 90 중량% 이하로 충진된다.

본 발명에 사용된 성분 (5)의 평균입도 10~300 나노미터의 결정형 알루미나(Al₂O₃)는 본 발명의 수지 조성물의 고온 내크랙성 및 열전도율을 향상시키는데 있어 필수적인 성분이다. 평균입도가 10~300 나노미터인 서브미크론 크기의 알루미나 입자들은 에폭시 수지 내에 분산되어, 충격실험시 성형품의 파괴 메카니즘을 변화시킨다. 즉, 크랙 진행시 더 많은 에너지를 소모하도록 유도함으로써 더 높은 굴곡강도를 달성할 수 있다. 이러한 작용은 특히 고온에서의 내크랙성이 강화되어야 하는 무납 솔더공정 대응용 봉지재에 필요한 특성을 더 낮은 실리카 충진율에서 얻을 수 있도록 해주며, 종래에 열전도율 향상목적으로 반도체 소자 밀봉용 에폭시 성형재료에 첨가되어온 기존 알루미나로는 이러한 효과를 달성할 수 없었다. 부수적으로, 결정형 알루미나는 일반 실리카에 비해 본질적으로 열전도율이 더 높기 때문에, 본 발명에서는 상기 성분 (5)의 적용에 의해 에폭시 수지 조성물의 열전도율도 더불어 향상되는 효과를 얻을 수 있었다. 상기 결정형 알루미나의 사용량은 전체 조성물에 대해 0.5~10 중량%인 것이 바람직하다. 만일 결정형 알루미나가 0.5 중량% 미만으로 사용되면 열전도율 및 내크랙성 향상 효과가 없는 반면, 10 중량%를 초과하여 사용하면 유동성이 저하되는 문제가 발생한다. 한편, 상기 결정형 알루미나 입자의 분산성을 더욱 향상시키기 위해서, 상기 성분 (1)과 성분(2)를 포함하는 수지 성분들과 결정형 알루미나를 미리 용융혼합하여 MMB(Melt Master Batch) 형태로 제공하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 수지 조성물에는 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제, 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제 등을 필요에 따라 첨가할 수 있다.

본 발명의 수지 조성물은 각 성분을 소정의 배합량으로 헨셀(Hanssel) 믹서나 뢰디게(Loedige) 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀(Roll Mill)이나 니이더(Kneader)로 용융혼련한 다음, 냉각, 분쇄하는 과정을 거쳐 최종 분말 제품으로 수득하는 일반적인 방법에 따라 제조가능하다.

본 발명에서 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로는, 트랜스퍼 성형법(Transfer Molding)이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 인젝션(Injection) 성형법이나 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

실시예 1~3 및 비교예 1~3

하기 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조한 다음, 니이더를 이용하여 100℃에서 용융혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 최종 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.

이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 스파이럴 플로우를 측정하였으며, 시편을 제작, 175℃에서 4시간 동안 후경화시킨 뒤, 굴곡강도 및 탄성률, 열전도도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 요약하여 나타내었다.

(단위: 중량%)

구 성 성 분		실시예 1	실시예 2	실시예 3
에폭시 수지	바이페닐 에폭시크레졸노볼락 에폭시	-8.07	4.024.02	7.99-
브롬 에폭시		0.90	0.90	0.90
페놀 노볼락 수지		4.84	4.87	4.92
테트라페닐포스포늄테트라페닐보레이트		0.27	0.27	0.27
실리카		83.00	83.00	83.00
알루미나		1.50	1.50	1.50
안티몬 옥사이드		0.50	0.50	0.50
γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란		0.42	0.42	0.42
카본블랙		0.25	0.25	0.25
왁스		0.25	0.25	0.25
스파이럴 플로우(inch)		32	37	40
굴곡강도(260℃, ㎏/㎟)		1.9	1.8	1.5
굴곡탄성률(260℃, ㎏/㎟)		182	137	110
열전도도 (cal/cm·sec·℃)		8.0x10^-3	7.8x10^-3	8.1x10^-3

(단위: 중량%)

구 성 성 분		비교예 1	비교예 2	비교예 3
에폭시 수지	바이페닐 에폭시크레졸노볼락 에폭시	-8.07	4.024.02	7.99-
브롬 에폭시		0.90	0.90	0.90
페놀 노볼락 수지		4.84	4.87	4.92
테트라페닐포스포늄테트라페닐보레이트		0.27	0.27	0.27
실리카		84.50	84.50	84.50
안티몬 옥사이드		0.50	0.50	0.50
γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란		0.42	0.42	0.42
카본블랙		0.25	0.25	0.25
왁스		0.25	0.25	0.25
스파이럴 플로우(inch)		38	45	50
굴곡강도(260℃, ㎏/㎟)		1.7	1.5	1.2
굴곡탄성률(260℃, ㎏/㎟)		190	150	120
열전도도 (cal/cm·sec·℃)		2.2x10^-3	2.3x10^-3	2.1x10^-3

상기 표 1과 표 2의 비교를 통해, 실시예에 의한 에폭시 수지 조성물이 비교예 대비 더 강화된 고온 굴곡강도를 보이고, 열전도율도 향상되었다는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 더 낮은 실리카 충진상태에서 목적하는 굴곡강도를 달성할 수 있으므로, 비교적 넓은 가공범위를 확보하는 것이 가능하고 솔더 내크랙성 등 신뢰성도 우수할 것이라고 판단할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하면 비교적 낮은 무기충전제 함량에서도 우수한 고온 굴곡강도와 높은 열전도율을 확보할 수 있기 때문에, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 TSOP 및 TQFP 패키지에 적용할 경우, 고성형성을 유지하면서 무납 솔더공정에 대응가능하다.

Claims

다음의 성분들을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:

(1) 에폭시 수지;

(2) 경화제;

(3) 경화촉진제;

(4) 실리카; 및

(5) 평균입도 10~300 나노미터의 결정형 알루미나.
제 1항에 있어서,

상기 에폭시 수지가 3.0~10 중량%;

상기 경화제가 2.0~10 중량%;

상기 경화촉진제가 0.1~0.3 중량%;

상기 결정형 실리카가 80~90 중량%; 및

상기 결정형 알루미나가 0.5~10 중량%

포함된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.