KR100487798B1 - 반도체를실링하기위한에폭시수지조성물및수지실링된반도체디바이스 - Google Patents

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Abstract

반도체소자, 상기 반도체소자를 지지하기 위한 베이스, 및 베이스의 반대편 한 면만을 커버링하는 에폭시수지 조성물로 구성되며, 상기 에폭시수지 조성물은 (A)에폭시수지, (B)경화제, (C)무기 충전재로 이루어지고, (a)23℃에서 10 내지 30GPa의 굽힘 탄성율 및 (b)23℃ 내지 유리전이점의 온도범위에서 4×10-6/K 내지 10×10-6/K의 선 팽창계수를 가지며, (a) 및 (b)의 곱은 2×10-4GPa/K보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체를 실링하기위한 에폭시수지 조성물.

Description

반도체를 실링하기 위한 에폭시수지 조성물 및 수지실링된 반도체 디바이스{EPOXY RESIN COMPOSITION TO SEAL SEMICONDUCTORS AND RESIN-SEALED SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 수지실링된 반도체 디바이스, 특히 베이스의 반대편 한 면만을 커버링하는 수지로 실링된 반도체디바이스에 관한 것이다.
최근의 전자기계 및 장치의 축소화 및 소형화는 감소된 크기 및 두께와 개선된 성능을 가진 반도체와 수반된다. 종래의 반도체디바이스는 인쇄회로기판에 부착되는 부분을 제외하고는 양면이 수지로 커버링되는 방법으로 수지로 실링되는 반도체소자 및 리드프레임으로 이루어진다. 그러므로 반도체디바이스 자체의 소형화는 리드프레임(베이스) 및 실링수지에서의 개선을 필요로 한다. 그 결과로 TSOP(thin small outline package; 얇고 소형의 외형 패키지) 및 QFP(quad flat package; 쿼드 플랫 패키지)가 개발되었으며, 전자는 감소된 체적과 두께를 가진 실링수지를 가지고 후자는 많은 수의 핀을 가진다. 부착면적을 감소시키고 성능을 개선하기 위해, 반도체디바이스를 어미기판에 연결하는 단자가 반도체디바이스의 베이스의 뒤에 배치되어 구성되는 새로운 반도체디바이스가 개발되었다. 불행히도, 실링수지로 커버링되는 양면을 가진 종래의 반도체디바이스와는 달리, 베이스의 반대편 한 면만이 실링수지로 커버링되기 때문에, 이 구조는 반도체디바이스가 뒤틀리기 쉬운 불리함을 가진다. 뒤틀림은 평면 어미기판상에 부착을 방해하고, 베이스 및 반도체소자사이의 인터페이스에서 박리현상을 일으키며, 열적 사이클시험 및 팝콘(popcorn)저항성시험에서 실패의 원인이 된다.
에폭시수지 조성물 및 이것으로 실링된 반도체디바이스를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 종래의 반도체디바이스와는 달리 베이스의 반대편 한 면만이 실링수지로 커버링되어 구성되는 반도체디바이스에 적용되면, 상기 에폭시수지 조성물은 양호한 부착성을 나타내고, 반도체디바이스를 거의 뒤틀리게 하지 않으며, 열적 사이클시험 및 팝콘저항성시험에서 양호한 결과를 가져온다.
본 발명자는 수지부착성, 뒤틀림 감소, 그리고 열적 사이클특성 및 팝콘저항성의 개선을 위해, 베이스의 반대편 한 면만을 커버링하는 수지로 실링된 반도체디바이스에 대해 심혈을 기울여 연구한 결과로서 본 발명을 완성하였다. 본 발명의 요점은 반도체소자, 상기 반도체소자를 지지하는 베이스, 및 상기 베이스의 반대편 한 면에만 커버링되는 에폭시수지 조성물로 구성되는 반도체를 실링하기위한 에폭시수지 조성물에 있으며, 상기 에폭시수지는 (A)에폭시수지, (B)경화제, 및 (C)무기 충전재로 이루어지고, (a) 23℃에서 10 내지 30GPa의 굽힘 탄성율와 (b)23℃ 내지 유리전이점사이의 온도범위에서 4×10-6/K 내지 10×10-6/K 의 선형팽창계수를 가지고, (a) 및 (b)의 곱은 2×10-4GPa/K 보다 작은 경화물을 제공한다.
본 발명에 관한 반도체디바이스는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체소자(1), 상기 반도체소자를 지지하는 베이스(2), 및 상기 빈도체소자를 실링하는 에폭시수지 조성물(3)로 이루어진다. 에폭시수지 조성물은 반도체소자가 지지되는 베이스의 한 면만을 커버링한다. 필요하면, 부착층(4)이 반도체소자(1) 및 베이스(2)사이에 삽입될 수 있다. 베이스(2)는 통상적으로 베이스재료(2a) 및 패터닝된 금속배선(2c)으로 이루어진다(도 1 및 도 2에 도시되지 않음). 베이스재료(2a)는 외부연결을 위해 베이스재료를 관통하는 전기적 전도성 부분(2b)을 가진다. 반도체소자(1)는 리드 도선(5)에 의해 금속배선(2c)에 연결될 수 있다.
본 발명의 반도체디바이스는 두 단계로 제조된다. 제 1 단계에서, 반도체소자(1) 및 그것을 지지하는 베이스(2)로 구성되는 예비 반도체디바이스가 제조된다. 제 2 단계에서, 예비 반도체디바이스는 금형에서 에폭시수지 조성물로 실링된다. 이러한 목적으로 사용되는 에폭시수지 조성물은 통상적으로 분말 또는 정제형태이다. 실링은 120-250℃, 바람직하게는 150-200℃에서 에폭시수지 조성물을 트랜스퍼성형, 사출성형, 또는 주형성형하여 달성된다. 필요하면, 성형후 150-180℃에서 2-16시간동안 후열처리할 수 있다.
본 발명에서, 베이스재료(2a)는 특별히 제한되지 않지만 바람직하게는 양호한 열 복사특성 및 절연특성을 가져서 작동동안 반도체소자에서 방출되는 열을 분산시킨다. 이러한 요구를 만족시키는 바람직한 재료는 플라스틱, 특히 폴리이미드이다. 게다가, 그것은 바람직하게는 반도체디바이스의 내부응력을 완화시키는 신축성 재료이어야 한다.
본 발명의 에폭시수지 조성물은 23℃에서 10 내지 30GPa보다 낮은 굽힘 모듈러스와 23℃ 내지 유리전이점사이의 온도범위에서 4×10-6/K 내지 10×10-6/K 의 선형팽창계수를 가진 경화물을 제공해야 하며, 상기 굽힘 모듈러스 및 상기 선형팽창계수의 곱은 양호한 부착성, 반도체디바이스내에서의 낮은 내부응력, 그리고 반도체디바이스의 높은 신뢰도를 위해 2×10-4GPa/K 미만이어야 한다. 유리질상태에서의 더 큰 선형팽창계수는 반도체디바이스가 과도한 뒤틀림과 불량한 열적 사이클 특성 및 팝콘저항성을 가지도록 한다. 역으로, 더 작은 선형팽창계수는 반도체디바이스가 수지 및 베이스사이의 인터페이스에서 박리되기 쉽고 열적 사이클 특성에서 불량하게 한다. 높은 굽힘 모듈러스로는, 에폭시수지 조성물은 베이스 및 반도체소자에 대한 부착성에서 불량하다. 낮은 굽힘 모듈러스로는, 그것은 가동성이 불량하다. 굽힘 모듈러스는 23℃에서 30GPa보다 낮고 선형팽창계수는 23℃ 내지 유리전이점사이의 온도범위에서 4-10×10-6/K이면서 굽힘 모듈러스 및 선형팽창계수의 곱은 2×10-4GPa보다 큰 경우에는, 에폭시수지 조성물은 반도체디바이스를 크게 뒤틀리게하고 부착성에서 불량하다.
상기 모듈러스 및 선형팽창계수를 측정하기 위해, 트랜스퍼성형(성형후 150-180℃에서 2-16시간동안 임의로 후열처리함)으로 에폭시수지 조성물로부터 경화물을 제조하여 에폭시기를 완전히 화학반응시키고 최종적인 물리적 특성을 구한다.
본 발명의 에폭시수지 조성물에 포함되는 에폭시수지(A)는 한 분자당 두개이상의 에폭시기를 가지기만 하면 특별히 제한되지 않는다. 에폭시수지의 예는 크레솔 노볼락형 에폭시수지, 페놀 노볼락형 에폭시수지, 비페닐형 에폭시수지, 나프탈렌형 에폭시수지, 비스페놀-A 또는 레조르시놀 등으로부터 합성된 다양한 노볼락형 에폭시수지, 선형 지방족 에폭시수지, 지방족 고리 에폭시수지, 헤테로고리 에폭시수지, 그리고 할로겐화 에폭시수지이다. 이들중, 비페닐형 에폭시수지가 그들의 양호한 내열성 및 방습성 때문에 바람직하다.
한 종류이상의 에폭시수지가 약간의 응용으로 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 양호한 내열성 및 양호한 방습성을 보장하기위해 비페닐형 에폭시수지가 50%이상 차지하는 것이 바람직하다. 본 발명의 에폭시수지 조성물에서 에폭시수지(A)의 함량은 2 내지 15중량%, 바람직하게는 2 내지 12중량%이어야 한다.
본 발명의 에폭시수지 조성물에 포함되는 경화제(B)는 경화를 위해 에폭시수지(A)와 반응하는 한 특별히 제한되지 않는다. 경화제는 예를 들어, 페놀-노볼락수지, 크레솔-노볼락수지, 페놀-아랄킬 수지, 테르펜골격을 함유하는 페놀계수지, 트리히드록시페닐메탄, 비스페놀 A 또는 레조르시놀 등으로부터 합성된 노볼락수지, 레졸수지, 다가 페놀계수지(폴리비닐페놀과 같은), 무수말레산, 무수프탈산, 무수 피로멜리트산, 그리고 방향족 아민(m-페닐렌디아민, 디아미노디페닐메탄, 및 디아미노디페닐술폰과 같은)을 포함한다. 이들 중에서, 페놀-노볼락수지, 페놀-아랄킬수지, 및 테르펜골격을 포함하는 페놀계 수지가 그들의 양호한 부착성, 방습성, 신뢰도, 성형성, 및 땜납저항성 때문에 바람직하고 마지막 것이 가장 바람직하다.
페놀-아랄킬수지는 하기된 화학식 1으로 표시되는 페놀화합물이다.
(상기 식에서 R1은 히드록실기가 없는 2가의 방향족기를 표시하고, R2은 한 개이상의 히드록실기를 가진 2가의 방향족기를 표시하고, R3은 한 개이상의 히드록실기를 가진 1가의 방향족기를 표시하며, n은 0 또는 1이상의 정수를 표시한다.)
테르펜골격을 가진 페놀계수지는, 지방족 고리기로 분리된 두 개이상의 방향족기를 가진 하기된 화학식 2, 3, 4, 5, 6 및 7중의 어떤 것으로도 표시되는 알데히드를 가진 페놀화합물 또는 그것의 중합체이며, 상기 방향족기는 각각 그것에 직접결합된 히드록실기를 가진다.
(상기 식에서 탄소원자에 부착된 어떤 수소원자도 메틸, 에틸, 프로필, i- 프로필, sec-부틸, tert-부틸, 염소 및 브롬과 같은 C1-6 지방족 또는 지방족 고리기 또는 할로겐으로 대체될 수 있다.)
(상기 식에서 n은 0 또는 1이상의 정수를 표시한다.)
한 종류이상의 경화제(B)가 결합되어 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 바람직한 경화제(상기함)는 40중량%이상, 바람직하게는 60중량%이상의 비율을 차지해야한다.
본 발명에서, 에폭시수지(A)와 경화제(B)의 비율은 특별히 제한되지 않는다; 그러나, 바람직한 비율은 (A) 대 (B)의 화학 양론적 비율이 0.5 내지 1.5, 특히 0.8 내지 1.2의 범위이어서 에폭시수지는 양호한 부착성 및 기계적 특성을 가진 경화물을 제공한다.
본 발명에서, 에폭시수지(A)와 경화제(B)의 경화반응을 촉진하기 위해 어떤 촉매라도 사용될 수 있다. 촉매의 바람직한 예는 이미다졸 화합물(2-메틸이미다졸, 2,4-디메틸이미다졸, 2-메틸-4-메틸이미다졸, 및 2-헵타데실이미다졸과 같은), 삼차 아민 화합물(트리에틸아민, 벤질디메틸아민, α-메틸벤질디메틸아민, 2-(디메틸아미노)페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비시클로(5.4.0)운데센-7, 및 1,5-디아자비시클로(4.3.0)노넨-5)과 같은), 유기금속 화합물(지르코늄 테트라메톡시드, 지르코늄 테트라프로폭시드, 테트라키스(아세틸아세토나토)지르코늄, 및 트리(아세틸아세토나토)알루미늄과 같은), 그리고 유기 포스핀화합물(트리페닐포스핀, 트리메틸포스핀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀, 트리(노닐페닐)포스핀, 트리페닐포스핀-트리페닐보란, 및 테트라페닐 포스포늄-테트라페닐 보레이트와 같은)을 포함한다. 이들 중에서, 트리페닐포스핀, 테트라페닐포스포늄-테트라페닐 보레이트, 및 1,8-디아자비시클로(5.4.0)운데센-7이 특히 바람직하다. 한 종류 이상의 촉매를 서로 결합하여 사용하는 것이 가능하다. 촉매의 양은 에폭시수지(A) 100중량부에 대해 바람직하게는 0.01 내지 10중량부이어야한다.
본 발명의 에폭시수지 조성물은 비결정질 실리카, 결정 실리카, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 클레이, 활석, 규산칼슘, 산화티타늄, 산화안티몬, 석면, 유리섬유 등으로부터 선택된 충전재(C)를 포함한다. 이들 중에서, 비결정질 실리카가 선형팽창계수를 낮추고 이에 의해 응력을 감소시키는 능력으로 인해 바람직하다. 비결정질 실리카는 분쇄된 형태 또는 구상 형태의 용융실리카 및 합성 실리카로 예시된다.
본 발명에서, 충전재(C)의 양은 열적 사이클 특성 및 팝콘저항성의 개선의 견지에서, 에폭시수지 조성물의 총량에 대해 85 내지 95중량%, 바람직하게는 87 내지 93중량%이어야한다.
본 발명의 에폭시수지 조성물은 실란 결합제 또는 티탄산염 결합제를 포함할 수 있다. 높은 신뢰도를 위해, 충전재 표면 전처리를 통한 결합제의 혼합이 권장된다. 바람직한 실란 결합제는 규소원자에 부착된 작용기(에폭시, 아미노, 및 메르캅토와 같은)가 있는 알콕실기 또는 탄화수소기를 가진 것들이다. 아미노 실란 결합제가 에폭시수지 조성물에 높은 유동성을 부여하는 능력으로 인해 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 에폭시수지 조성물은 반도체디바이스의 뒤틀림 및 응력을 감소시키기위해 탄성중합체(D)를 포함할 수 있다. 탄성중합체(D)의 예는 실리콘 고무, 올레핀 공중합체(EPR, EPDM, 및 SEBS과 같은), 폴리부타디엔 고무, 및 치환기 유기기(에폭시, 아미노, 히드록실, 및 카르복실과 같은)를 가진 변성된 실리콘 오일이다. 또한 탄성중합체(D)는 폴리에틸렌과 같은 열가소성수지로 대체될 수 있다.
탄성중합체(D)의 바람직한 예는 산소원자 또는 질소원자를 포함하는 한 개이상의 작용기를 가진 폴리올레핀이다. 작용기는 베이스에의 부착성에 기여하고 열적 사이클 특성 및 팝콘저항성을 개선시킨다. 이러한 작용기의 예는 에폭시기, 히드록실기, 카르복실기, 알콕실기, 알콕시카르보닐기, 무수산, 아미노기, 및 아미노카르보닐기이다. 작용기를 가진 폴리올레핀의 예는 무수말레산으로 변성된 SEBS, 수소화된 부타디엔-스티렌 공중합체의 글리시딜 메타크릴레이트 부가물, 무수말레산으로 변성된 EPR, 에틸렌-아크릴산 공중합체, 에틸렌-에틸 아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 에틸렌-메타크릴산 공중합체, 및 아크릴산으로 변성된 폴리부타디엔이다. 이러한 폴리올레핀은 열적 사이클 특성을 개선시키는 그것의 능력 때문에 실온에서 탄력성이어야한다(또는 탄성중합체). 작용기를 가진 폴리올레핀은 조성물의 총량에 대해 0.1 내지 10중량%, 바람직하게는 0.2 내지 5중량%의 양으로 사용되어야한다. 작용기를 가진 폴리올레핀은 예를 들어, 폴리부타디엔, SEBS, 및 아크릴 고무를 포함하는 작용기가 없는 폴리올레핀과 결합되어 사용될 수 있다.
본 발명에 따라, 에폭시수지 조성물에서 탄성중합체(D)는 작용기를 가진 상기 탄성중합체에 더하여 실란-변성된 중합체를 또한 포함한다. 실란-변성된 중합체는 바람직하게는 중합가능한 불포화 화합물의 부가중합체이어야한다. 게다가, 그것은 바람직하게는 규소원자에 직접적으로 부착된 가수분해가능한 기(알콕실기 및 카르복실기와 같은) 또는 실라놀기(가수분해가능한 기의 가수분해로 형성됨)를 가진 것이어야 한다.
실란-변성된 중합체는 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 및 4-메틸-1-펜텐과 같은), 디엔(부타디엔 및 이소프렌과 같은), 불포화 카르복실산(메타크릴산 및 아크릴산과 같은), 불포화 카르복실산염(메틸(메트)아크릴레이트, 에틸(메트)아크릴레이트, 및 글리시딜(메트)아크릴레이트와 같은), 그리고 방향족 비닐(스티렌 및 α-메틸스티렌과 같은)과 같은 단량체로부터 형성될 수 있다.
실란-변성된 중합체를 형성하기 위한 실란화합물은 분자내에 규소원자를 가진 한 특별히 제한되지 않는다. 규소원자의 양은 실란-변성된 중합체의 양의 0.005-50중량%, 바람직하게는 0.01-40중량%, 가장 바람직하게는 0.05-30중량%의 범위이어야 한다.
실란-변성된 중합체는 규소 비함유 단량체와 규소함유 단량체를 공중합하여 또는 규소 비함유 중합체와 규소함유 화합물을 그라프팅하여 제조될 수 있다. 후자의 경우에, 원래의 중합체는 폴리에틸렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 및 그것의 수소화된 제품, 에틸렌-메타크릴산 공중합체, 에틸렌-글리시딜 메타크릴레이트 공중합체, 및 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체를 포함한다.
규소원자를 가진 화합물은 예를 들어 γ-(메트)아크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-(메트)아크릴옥시프로필트리에톡시실란, 및 γ-(메트)아크릴옥시프로필디메틸메톡시실란((메트)아크릴산 및 알콕시실릴기를 가진 알콜로부터 형성된 에스테르), 그리고 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 및 비닐트리(β-메톡시에톡시)실란, 비닐트리아세톡시실란, 및 비닐디메틸메톡시실란(규소원자에 직접적으로 부착된 비닐기를 가진 화합물)을 포함한다. 중합가능한 불포화결합을 가진 , 이러한 화합물은 상기한 규소 비함유 단량체와 공중합하거나 상기한 원래의 중합체에 그라프팅하여 실란-변성된 중합체(본 발명에 사용됨)를 제공한다. 그라프팅은 압출기, 혼련기, 또는 Banbury 혼합기에 원래의 중합체, 중합가능한 불포화결합을 가진 화합물, 및 라디칼개시제를 용융-혼합하여 달성된다. 이 반응은 또한 용액중에서 달성될 수도 있다.
규소함유 화합물이 에폭시기를 가진 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란 등인 경우에, 구조적 단위로서 아미노기 또는 카르복실기를 가진 원래의 중합체에 부가반응을 실행하기 위해 에폭시기를 이용하는 것이 가능하다. 규소원자에 직접적으로 부착된 수소원자를 가진 규소화합물의 경우에, 구조적 단위로서 탄소-탄소 불포화 결합을 가진 원래의 중합체에 그것을 직접적으로 첨가하는 것이 가능하다. 아미노기, 카르복실기, 또는 메르캅토기를 가진 규소화합물을 그것과 반응할 수 있는 작용기를 가진 원래의 중합체와 반응시켜서 본 발명의 실란-변성된 중합체를 제조하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 실란-변성된 중합체는 올레핀(규소원자를 함유하지 않는 구조적 단위로서)을 1중량%이상, 바람직하게는 20중량%이상, 가장 바람직하게는 50중량%이상의 양으로 함유해야한다. 실란-변성된 중합체는 올레핀으로부터 유도된 구조적 단위에 더하여, α,β-불포화 카르복실산염으로부터 유도된 구조적 단위를 0.01-99중량%, 바람직하게는 0.1-80중량%, 특히 바람직하게는 1-50중량%의 양으로 또한 함유해야한다.
α,β-불포화 카르복실산염은 통상적으로 메틸(메트)아크릴레이트, 에틸(메트)아크릴레이트, 이소프로필(메트)아크릴레이트, n-부틸(메트)아크릴레이트, 이소부틸(메트)아크릴레이트, T-부틸(메트)아크릴레이트, 및 2-에틸헥실(메트)아크릴레이트와 같은 아크릴산 또는 메타크릴산의 에스테르이다.
규소원자를 가진 중합가능한 불포화 화합물이 원래의 중합체에 그라프팅되는 경우에, 그라프팅의 양은 구조에 따라 0.001-100중량%, 바람직하게는 0.01-50중량%, 특히 바람직하게는 0.1-30중량%이어야한다.
실란-변성된 중합체의 양은 에폭시수지 조성물의 총량의 0.01-40중량%, 바람직하게는 0.1-30중량%, 더욱 바람직하게는 0.5-20중량%, 그리고 가장 바람직하게는 0.5-10중량%이어야한다. 불충분한 양은 만족스럽지 못한 부착성, 땜납 내열성, 및 온도 사이클링 저항성의 원인이 된다. 과다한 양은 취약한 성형성 및 부적절한 특징적 성질의 원인이 된다.
필수성분으로서 실란-변성된 화합물을 함유하는 에폭시수지 조성물은 내열성, 방습성, 전기적 특성, 및 부착성에서 탁월하다. 그러므로, 그것은 상기한 반도체소자를 지지하는 베이스의 반대편 한 면에만 실링되는 새로운 반도체디바이스뿐만아니라 윗면 및 아래면 모두가 실링되는 종래의 반도체디바이스를 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 에폭시수지 조성물은 난연제(인 화합물 및 할로겐화 에폭시수지처럼 할로겐 화합물과 같은), 난연성 보조제(삼산화안티몬과 같은), 착색제(카본 블랙 및 산화철과 같은), 이형제(장쇄 지방산, 장쇄 지방산의 금속염, 장쇄 지방산의 에스테르, 장쇄 지방산의 아미드, 및 파라핀 왁스와 같은), 그리고 가교제(유기과산화물과 같은)를 임의로 포함할 수 있다.
본 발명의 에폭시수지 조성물은 바람직하게는 Banbury혼합기, 혼련기, 롤, 단축 또는 이축 압출기, 그리고 코니더(cokneader)와 같은 어떤 공지된 혼합기계라도 사용하여 성분을 용융-혼합하여 제조되어야한다. 혼합온도는 통상적으로 70 내지 150℃의 범위이다. 용융혼합후, 그 결과로 생성된 조성물은 반도체디바이스를 실링하기위한 트랜스퍼성형용 정제로 형성된다.
(실시예)
본 발명은 조성물 및 성분의 양이 중량부로 환산하여 표시된 다음의 실시예와 관련하여 보다 상세히 기술될 것이다.
(실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4)
표 1 및 표 2에 제시된 성분을 표 3에 제시된 내용에 따라 혼합기를 사용하여 건식혼합하였다. 그 결과 생성된 건조혼합물을 믹싱 밀(표면온도가 90℃로 유지되는 롤이 있음)을 사용하여 5분간 혼합하였다. 냉각후, 이 혼합물을 분쇄하여 원하는 에폭시수지 조성물을 얻었다.
결과의 수지조성물을 175℃, 7MPa에서 2분의 사이클 시간으로 저압 트랜스퍼성형한 후 180℃에서 5시간동안 후처리했다. 시료를 굽힘 모듈러스 및 선 팽창계수에 대해 시험했다. 굽힘 모듈러스를 실온에서 삼점 휨시험의 하중-편향 곡선으로부터 계산했다. 선 팽창계수는 TMA에 의한 열팽창 곡선(23℃와 유리전이점 사이)으로부터 얻어진 평균치이다. 결과는 표 3에 제시된다.
상기 수지조성물을 상기한 바와 같은 동일한 조건하에서 트랜스퍼성형 및 후처리했고, 성형품은 도 3에 제시된 예비 반도체디바이스를 포함했다. 따라서 도 2에 제시된 모의 반도체디바이스를 얻었다. 이것은 반도체소자(1), 상기 반도체소자를 지지하기 위한 폴리이미드(PI)필름, 그리고 상기 반도체소자를 실링하기위한 에폭시수지 조성물(3)로 이루어진다. 이것은 다음의 치수를 가진다.
반도체소자(1) : 7×7×0.5㎜
부착층(4) : 0.1㎜ 두께
에폭시수지(3) : 20×20×1.0㎜
금속배선(2c) : 0.1㎜ 두께
베이스 : 0.15㎜ 두께
모의 반도체디바이스를 다음의 방법으로 물리적 특성에 대해 시험했다.
PI 필름 박리강도 : 길이 10㎜, 폭 10㎜, 높이 5㎜인 직각프리즘(prism)을 PI필름 상에 상기한 방법으로 성형했다. 박리강도를 180°박리시험으로 측정했다. 이 시험의 결과는 베이스와 실링 수지사이의 부착성의 크기를 표시한다.
패키지 뒤틀림 : 모의 반도체디바이스의 평평한 부분을 표면조도계기를 사용하여 표면 불규칙(대각선을 따라)에 대해 시험했다. 최고점과 최저점사이의 수직거리를 측정했다.
열적 사이클 특성 : 20개의 모의 반도체디바이스를 -65℃에서 30분간, 실온에서 10분간, 150℃에서 30분간 그리고 실온에서 10분간을 순서대로 1사이클로하여 방치했다. 시험편을 해체하고 수지와 반도체소자의 균열을 시험하여 고장률을 측정했다.
팝콘 시험 : 20개의 모의 반도체디바이스를 85℃, 85%RH 에서 48시간동안 적신 다음에 245℃(최대)의 IR 리플로우(reflow)로에서 가열했다. 시험편을 반도체의 PI 필름 베이스로부터 수지의 박리를 목측하여 고장률을 측정했다.
측정의 결과는 표 3에 제시된다.
표 3으로부터 본 발명의 에폭시수지 조성물 및 수지-실링된 반도체디바이스가 부착성, 낮은 패키지 뒤틀림, 열적 사이클 특성, 및 팝콘저항성에서 탁월한 것을 알 수 있다. 비교예 1에서, 패키지는 30GPa보다 큰 굽힘 모듈러스를 가지며 뒤틀림이 작지만 다른 특성에서 취약하다. 비교예 2에서, 패키지는 11×10-6/K(본 발명에 명시된 범위를 벗어남)의 선 팽창계수를 가지며 부착성에서 탁월하지만 뒤틀림, 팝콘저항성, 및 열적 사이클 특성에서 취약하다. 비교예 4에서, 패키지는 3×10-6/K의 선 팽창계수를 가지며 뒤틀림이 작고 열적 사이클 특성에서 양호하지만 부착성 및 팝콘저항성에서 취약하다. 비교예 4에서, 패키지는 (굽힘 모듈러스)×(선형팽창계수)에 대해 2.05×10-4GPa/K의 값을 가지며 모든 특성에서 취약하다.
(실시예 6 내지 10 및 비교예 5 내지 8)
에폭시수지 조성물을 표 4에 제시된 조성으로 변환한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 5에서와 동일한 과정을 반복했다. 결과는 표 5에 제시된다.
표 5로부터 본 발명의 에폭시수지 조성물 및 수지-실링된 반도체디바이스는 부착성, 낮은 패키지 뒤틀림, 열적 사이클 특성, 및 팝콘저항성에서 탁월한 것을 알 수 있다. 비교예 5에서, 본 발명에 명시된 경화제를 함유하지 않은 패키지는 부착성, 열적 사이클 특성, 및 팝콘저항성에서 취약하다. 비교예 6에서, 본 발명에 명시된 무기 충전재의 미달되는 양을 함유하는 패키지는 부착성에서 탁월하더라도 뒤틀림, 팝콘저항성, 및 열적 사이클 특성에서 취약하다.
(실시예 11 내지 16 및 비교예 9 내지 12)
에폭시수지 조성물을 표 6에 제시된 조성으로 변환한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 5에서와 동일한 과정을 반복했다. 결과는 표 7에 제시된다.
표 7로부터 본 발명의 에폭시수지 조성물 및 수지-실링된 반도체디바이스가 부착성, 낮은 패키지 뒤틀림, 열적 사이클 특성, 및 팝콘저항성에서 탁월한 것을 알 수 있다. 대조적으로, 비교예 9 내지 12에서, 패키지는 부착성, 뒤틀림, 열적 사이클 특성, 및 팝콘저항성에서 취약하다.
(실시예 17 내지 22 및 비교예 13 내지 17)
에폭시수지 조성물을 표 9에 제시된 조성에 따라 표8에 제시된 성분으로 배합하는 것을 제외하고는 실시예 1 내지 5에서와 동일한 과정을 반복했다. 결과는 표 10에 제시된다.
표 10으로부터 본 발명의 에폭시수지 조성물 및 수지-실링된 반도체디바이스가 부착성, 낮은 패키지 뒤틀림, 열적 사이클 특성, 및 팝콘저항성에서 탁월한 것을 알 수 있다. 대조적으로, 본 발명에 명시된 작용기가 없는 폴리올레핀을 사용한 비교 샘플은 부착성, 뒤틀림, 열적 사이클 특성 및 팝콘저항성에서 취약하다.
(실시예 23 내지 31 및 비교예 18 내지 25)
표 12에 제시된 조성에 따라 표 11에 제시된 성분으로 실시예 1 내지 5에서와 동일한 방법으로 에폭시수지 조성물을 제조하였다.
상기한 바와 같이 제조된 각 에폭시수지 조성물을 저압 트랜스퍼성형(175℃, 2분)하여 종래의 방법으로 반도체디바이스(하기 명시된 IC)의 윗면과 아랫면을 실링하였다.
패키지 : 176-핀 QFP
패키지 크기 : 24×24×1.4㎜
리드프레임 : 구리
칩 : 알루미늄배선 및 폴리이미드 코팅을 가진 모의 반도체 칩
칩 크기 : 12×12(㎜)
180℃에서 5시간동안 후처리한 후, 결과의 IC패키지를 다음과 같이 시험했다:
땜납 내열성 : 샘플을 85℃, 85%RH에서 120시간동안 적신 후 245℃(최대)의 IR 리플로우 로에서 가열하였다. 칩의 표면 및 스테이지(stage)의 배면(reverse)을 초음파 검출기를 사용하여 박리에 대해 검사하였다.
방습성 신뢰도 : IR 리플로우 로에서 가열한 후, 샘플을 125℃, 100%RH에서 압력솥 시험을 하였다. 누적되는 고장률(도선의 파손에 의함)이 50%에 이르는데 요구되는 시간을 수명으로 간주하였다.
열적 사이클 특성 : IR 리플로우 로에서 가열한 후, 샘플을 저온(-65℃)에서 30분간, 23℃에서 10분간, 고온(+150℃)에서 30분간, 그리고 23℃에서 10분간 순서대로 500사이클로 방치하였다. 칩의 표면 및 스테이지의 배면을 초음파 검출기를 사용하여 박리에 대해 검사하였다. 결과는 표 13에 제시된다.
표 13으로부터 본 발명에 관한 에폭시수지 조성물(실시예내의)이 땜납 열 시험 및 내열성 사이클시험에서 박리하지 않았고 땜납 열 시험에 이은 방습성 신뢰도시험에서 500시간보다 긴 수명을 가졌다. 대조적으로, 본 발명에 관한 실란-변성된 중합체를 함유하지 않은 비교용 에폭시수지 조성물은 땜납 열 저항성, 내열성 사이클시험, 그리고 방습성 신뢰도시험에서 취약했다.
종래의 반도체디바이스와는 달리 베이스의 반대편 한 면만이 실링수지로 커버링되어 구성되는 반도체디바이스에 적용되면, 본 발명의 에폭시수지 조성물은 양호한 부착성을 나타내고, 반도체디바이스를 거의 뒤틀리게 하지 않으며, 열적 사이클시험 및 팝콘저항성시험에서 양호한 결과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 한가지 구체예에 관한 반도체디바이스를 도시하는 개략적 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 관한 반도체를 도시하는 개략적 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 예비 반도체디바이스를 도시하는 개략적 단면도.

Claims (15)

  1. 반도체소자를 지지하기 위한 베이스 위에 배치된 상기 반도체소자를 실링하기 위한 에폭시수지 조성물로서, 상기 실링은 에폭시수지 조성물의 경화물이 베이스의 반대편 한 면만을 커버하도록 하는 방식으로 에폭시수지 조성물의 경화물을 형성함에 의해서 달성되며, 상기 에폭시수지 조성물은
    (A) 2 내지 15중량% 범위의 크레졸 노보락 에폭시수지, 페놀 노보락 에폭시수지, 비페닐 에폭시수지, 비스페놀-A 또는 레조르시놀로부터 합성된 노보락 에폭시수지, 선형 지방족 에폭시수지, 지환식 에폭시수지, 헤테로고리형 에폭시수지, 할로겐화 에폭시수지로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 에폭시수지,
    (B) (A)/(B)의 화학량론적 비가 0.5 내지 1.5의 범위에 들어가도록 하는 양의 페놀-노보락 수지, 페놀-아랄킬 수지 또는 테르펜 골격을 함유하는 페놀계 수지로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 경화제,
    (C) 85 내지 95중량% 범위의 무기 충전재를 포함하며,
    이 때, 백분율은 에폭시수지 조성물의 총 중량을 기준으로 하고,
    (a) 23℃에서 10 내지 30 GPa의 굽힘 탄성율 및 (b) 23℃ 내지 유리전이점의 온도범위에서 4×10-6/K 내지 10×10-6/K 의 선 팽창계수를 가진 경화물을 제공하고, (a) 및 (b)의 곱은 2×10-4GPa/K 보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체소자를 실링하기 위한 에폭시수지 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 경화제 (B)는 하기한 화학식 1로 표시되는 페놀 화합물인 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
    (화학식 1)
    (상기 식에서, R1은 히드록실기가 없는 2가의 방향족기를 표시하고, R2는 1개 이상의 히드록실기를 가진 2가의 방향족기를 표시하고, R3은 1개 이상의 히드록실기를 가진 1가의 방향족기를 표시하며, n은 음이 아닌 정수를 표시한다)
  3. 제 1 항에 있어서, 경화제 (B)는 지환식기로 분리된 2개 이상의 방향족기를 가진 페놀 화합물이며, 상기 방향족기는 각각 그것에 직접적으로 연결된 히드록실기를 가진 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 경화제 (B)는 하기한 화학식 2 또는 3으로 표시된 페놀 화합물 또는 알데히드와 그것의 중합체인 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
    (화학식 2)
    (화학식 3)
    (상기 식에서, 탄소원자에 부착된 수소는 1 내지 6개의 탄소원자를 가진 지방족기 또는 지환식기로 대체될 수 있다)
  5. 제 1 항에 있어서, (D) 탄성중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서, 탄성중합체 (D)는 산소원자 또는 질소원자를 함유하는 1개 이상의 작용기를 가진 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  7. 제 5 항에 있어서, 탄성중합체 (D)는 실란-변성 중합체인 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  8. 제 5 항에 있어서, 탄성중합체 (D)는 에틸렌 및 α,β-불포화 카르복실산 에스테르의 공중합체와 분자 내에 규소원자를 가진 중합가능한 불포화 화합물을 그라프팅하여 형성된 실란-변성 중합체이며, 상기 공중합체는 0.01 내지 99중량%의 양으로 α,β-불포화 카르복실산으로부터 유도된 구조 단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  9. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, (D) 탄성중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  10. 제 9 항에 있어서, 탄성중합체 (D)는 산소원자 또는 질소원자를 함유하는 1개이상의 작용기를 가진 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  11. 제 9 항에 있어서, 탄성중합체 (D)는 실란-변성 중합체를 함유하는 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  12. 제 9 항에 있어서, 탄성중합체 (D)는 에틸렌 및 α,β-불포화 카르복실산 에스테르의 공중합체와 분자 내에 규소원자를 가진 중합가능한 불포화 화합물을 그라프팅시켜서 형성된 실란-변성 중합체이며, 상기 공중합체는 0.01 내지 99중량%의 양으로 α,β-불포화 카르복실산으로부터 유도된 구조 단위를 함유하는 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  13. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 에폭시수지 (A)는 비페닐 골격을 가진 비페닐-형 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  14. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 에폭시수지 (A)는 2 내지 15중량%, 경화제 (B)는 (A)/(B)의 화학량론적 비가 0.5 내지 1.5의 범위에 들어가도록 하는 양, 무기 충전재 (C)는 85 내지 95중량%, 그리고 탄성중합체 (D)는 0.01 내지 40중량%의 비율을 차지하며, 이 때 백분율은 에폭시수지 조성물의 총 중량을 기준으로 한 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
  15. 반도체소자, 상기 반도체소자를 지지하기 위한 베이스, 그리고 에폭시수지 조성물의 경화물이 베이스의 반대편 한 면만을 커버하여 반도체 디바이스를 실링하는 방식으로 형성되는 에폭시수지 조성물의 경화물을 가지며, 상기 에폭시수지 조성물은 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 규정된 것인 그러한 유형의 반도체 디바이스.
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