KR100543092B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (1) 커플링제, (2) 에폭시 수지, (3) 경화제, (4) 경화촉진제, (5) 변성 실리콘 오일 또는 실리콘 파우더, 및 (6) 무기 충전제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 성분 (1)이 특정 구조를 갖는 올리고머 에폭시 실라놀 커플링제이고, 상기 성분 (6)의 함량이 조성물 전체에 대해 80~90중량%로 고충전된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 금속소지와의 부착특성, 흡습특성, 고온 내크랙특성, 경화특성 및 기계적 특성 등이 우수하여 고신뢰성의 반도체 소자 패키지 성형에 유용하다.

반도체 소자, 패키지, 에폭시 수지, 금속소지, 올리고머 에폭시 실라놀 커플링제, 부착특성, 신뢰성, 성형성

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy Molding Compound for Encapsulation of Semiconductor Devices}

본 발명은 금속소지와의 부착특성, 흡습특성, 고온 내크랙특성, 경화특성 및 기계적 특성 등이 우수하여 신뢰성 및 성형성이 월등한 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 커플링제로서 특정 구조의 올리고머 에폭시 실라놀 화합물을 도입하고 무기 충전제를 고충전하여 제조된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며 이에 따른 배선의 미세화, 소자크기의 대형화 및 다층배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부환경으로부터 보호하는 패키지(Package)는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점으로부터 소형·박형화가 가속화 되고 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 부식 발생 등의 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 따라서 현재 이의 해결책으로서는 밀봉용 에폭시 수지 성형재료의 고신뢰성화가 강하게 대두되고 있으며, 세부 방법으로 금속소지와의 부착력을 향상시키는 방법, 저응력화를 위해 탄성률과 열팽창계수를 낮추는 방법 등이 소개되고 있고, 부식 발생을 억제하기 위한 방법으로 고순도의 에폭시 수지 혹은 경화제의 사용, 또는 이온 포착제(Ion Trapper)의 적용에 의해 불순물 함량을 저하시키는 방법 및 무기 충전제를 고충전하여 수분 흡습량을 저하시키는 방법 등이 소개되고 있다.

구체적으로, 금속소지와의 부착력을 높이는 방법으로는 저점도 수지를 사용하는 방법과 별도의 부착력 향상제를 사용하여 부착력을 높이는 방법 등이 적용되어 왔고, 탄성률을 낮추는 방법으로는 각종 고무 성분에 의한 개질(참조: 일본 특허공개 소63-1894호 및 특허공개 평5-291436호)이 검토되어온 결과 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 수지 중에 미립자 분산되므로, 내열성을 유지한 채 저탄성률을 이룰 수 있다. 또한 저열팽창화에 대해서는, 열팽창계수가 낮은 무기 충전제의 충전량을 늘리는 방법이 최선으로, 다만 무기충전제의 충전량 증가에 따른 에폭시 수지 성형재료의 저유동성과 고탄성이 문제가 되나, 이에 대한 해결방안으로 일본 특허공개 소64-11355호에서는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기의 조절을 통하여 다량으로 배합할 수 있는 기술이 소개되기도 하였다.

그러나 점차 강화되는 내습신뢰도 기준, 및 납 규제에 의해 납을 제외한 합금을 사용하게 됨에 따라 야기된 용접공정의 온도상승(215~240℃ → 260~265℃)으 로 인한 패키지 박리의 빈발에 대응하기 위해서는 금속소지와 보다 높은 부착력을 유지하는 것이 에폭시 봉지재 개발에 있어서 해결해야 할 가장 큰 과제로 지적되고 있는 실정이다.

본 발명은 금속소지와의 부착성, 내흡습성 및 인성특성이 우수한 올리고머 에폭시 실라놀 구조를 가지고 있는 커플링제를 도입하고 무기 충전제를 고충전하여, 에폭시 봉지재의 금속소지와의 부착력을 향상시키고 흡습율 및 열팽창계수를 저감시킴과 동시에, 기계적 강도를 향상시키고 반도체 소자 성형 중의 보이드(Void) 발생을 억제하는 효과를 달성함으로써, 성형성과 신뢰성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공함을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은

(1) 커플링제;

(2) 에폭시 수지;

(3) 경화제;

(4) 경화촉진제;

(5) 변성 실리콘 오일 또는 실리콘 파우더; 및

(6) 무기 충전제

를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 성분 (1)이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 올리고머 에폭시 실라놀 커플링제이고, 상기 성분 (6)의 함량이 조성물 전체에 대해 80~90중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다:

[화학식 1]

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 사용된 성분 (1)의 커플링제는 하기 화학식 1의 구조를 가지며 에폭시 당량이 210~250인 고순도의 올리고머 에폭시 실라놀 커플링제로서, 그의 pH는 4.0 미만이고 점도는 15 mPa.s 미만이며 수분함량은 0~60중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 성분 (1)은 전체 조성물을 기준으로 0.01~5중량% 범위로 사용된다. 성분 (1)의 함량이 전체 조성물의 0.01중량% 미만인 경우에는 본 발명의 목적을 달성할 수 없는 반면, 그 함량이 5중량%를 초과하는 경우에는 액상 성분의 과다 투입으로 인해 봉지재 제조시 원재료 혼합이 용이하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 성분 (1)은 금속소지와의 부착성, 내흡습성 및 인성특성이 매우 우수하며, 특히 통상의 금속소지인 구리, 니켈합금(Alloy42) 뿐만 아니라, 반도체 소자의 주요부분에 적용되어 부착력 저하의 심각한 원인이 되는 은 도금, 및 환경친화형 리드프레임 소재인 PPF(Pre Plated Frame) 성분인 금 또는 백금 등의 금속소지에 대해서도 후경화후 부착 및 흡습후 부착에 있어서 매우 뛰어난 부착력을 시현하는 것으로 입증되었다.

본 발명의 에폭시 수지 조성물은 커플링제로서 상기 성분 (1)만을 단독으로 사용할 수도 있으나, 통상의 에폭시 실란 커플링제(예컨대, γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란), 머캡토 실란 커플링제(예컨대, 머캡토프로필트리메톡시 실란) 및 메틸 트리메톡시 실란 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 커플링제를 성분 (1)과 혼용하는 것이 부착력 증대면에서 더 바람직하다.

본 발명에 사용된 성분 (2)의 에폭시 수지로는 2개 이상의 에폭시기를 갖는 바이페닐 에폭시 수지, 오르소 크래졸 노볼락 에폭시 수지, 디사이클로 펜타디엔 에폭시 수지 등이 사용될 수 있으며, 이 중 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 병용할 수 있다.

본 발명에 사용된 성분 (3)의 경화제로는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100~200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok) 수지, 디사이클로펜타디엔 수지 등이 사용될 수 있으며, 이 중 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 병용할 수 있다.

본 발명의 에폭시 수지 조성물 중의 성분 (2)와 성분 (3)의 함량은 각각 3~25중량%와 2~10.5중량%인 것이 바람직하며, 이때 성분 (2)와 성분 (3)의 조성비는 바람직하게는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8~1.2의 범위에 들도록 조절된다. 성분 (2)의 함량이 상기 범위에 미달이면 패키지의 성형 자체가 불가능한 반면, 상기 범위를 초과하면 미반응 에폭시기가 다량 발생하고 비경제적이므로 좋지 않고, 성분 (3)의 함량이 상기 범위에 미달이면 경화반응이 충분히 이루어지지 않는 반면, 상기 범위를 초과하면 경화후 패키지 내에 잔류물이 형성되어 신뢰성이 저하되고 비경제적이므로 좋지 않다.

본 발명에 사용된 성분 (4)의 경화촉진제는 상기 성분 (2)와 성분 (3)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; 및 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 사용가능하며, 이 중 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 병용할 수 있다. 성분 (4)의 사용량은 전체 조성물을 기준으로 0.1~0.3중량%인 것이 바람직하다. 성분 (4)의 함량이 0.1중량% 미만이면 경화속도가 느려져서 생산성이 감소하는 반면, 0.3중 량%를 초과하면 원하는 경화특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 수지 조성물의 보관안정성이 나빠져서 바람직하지 못하다.

본 발명에 사용된 성분 (5)의 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 바람직하며, 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일로 구성된 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 전체 조성물을 기준으로 0.5~1.5중량%의 범위 내에서 사용할 수 있다. 실리콘 오일을 0.5중량% 미만으로 사용시에는 충분한 저탄성률을 얻을 수가 없는 반면, 1.5중량%를 초과하여 사용시에는 표면 오염이 발생하기 쉽고 레진 블리드가 길어질 우려가 있으므로 바람직하지 못하다. 한편 실리콘 파우더를 사용하는 경우에는, 중심입경이 15㎛ 이하인 것이 성형성 저하의 원인으로 작용할 우려가 없기 때문에 바람직하며, 그 사용량은 전체 조성물을 기준으로 0.5~5중량%의 범위에 드는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용된 성분 (6)의 무기충전제로는 그 평균입자크기가 0.1~35.0㎛인 천연, 용융 또는 합성실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 충전량은 조성물 전체에 대해 80~90중량% 이어야 한다. 80중량% 미만으로 무기충전제를 사용할 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없으며 또한 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 특성에 치명적이 된다. 반면, 무기충전제의 충전량이 90중량%를 초과하면 유동특성의 저하로 인해 성형성이 나빠질 우려가 있다.

상술한 성분들 이외에도, 본 발명의 에폭시 수지 조성물에는 브롬화 에폭시 등의 난연제; 삼산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등의 난연조제; 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 사용할 수 있다.

이상과 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 후, 롤밀이나 니이더로 용융혼련하고, 냉각, 분쇄과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법이 사용되고 있다.

본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로서는 저압 트랜스퍼 성형법이 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. 후술하는 실시예 및 비교예에서 물성평가방법은 다음과 같다.

[물성평가 방법]

(1) 스파이럴 플로우(Spiral Flow)

EMMI 규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도(175℃), 성형압력 70Kgf/cm²에서 유동길이를 측정함

(2) 유리전이온도(Tg)

TMA(Thermomechanical Analyser)로 측정함

(3) 열팽창계수(α)

ASTM D696에 의거 측정함

(4) 부착력

측정하고자 하는 금속소지(동 또는 은 코팅)를 부착측정용 금형에 맞는규격으로 준비하고, 측정대상인 패키지 봉지재를 금형온도 170~180℃, 이송압력 1000psi, 이송속도 0.5~1.0cm/sec, 경화시간 120초의 조건으로 성형하여 경화물을 얻은 후, 시편을 170~180℃ 오븐에 넣어 5시간 동안 후경화시킨 직후와, 85℃, 85% 상대습도의 항온항습 오븐에서 96시간 보관 후 용접공정인 IR 리플로우를 260℃에서 3회 통과시킨 직후의 부착력을 각각 측정하였다. 이때 금속시편에 닿는 패키지 봉지재의 면적은 33~40mm²이며 부착력 측정은 각 측정공정당 10개 이상의 시편에 대해 UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 측정하였다.

(5) 굴곡강도 및 굴곡탄성율

UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190에 의거 측정함

(6) 흡습율

121℃/100% 상대습도 조건하에서 24시간 동안 방치한 다음 무게증가율을 측정함

(7) 신뢰성(내크랙성)

프리컨디셔닝(Preconditioning) 후 열충격 환경 시험기(Temperature Cycle Tester)에서 1,000 싸이클 경과 후, 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustic Tomograph)로 크랙발생 유무를 조사함

a) 프리컨디셔닝

각각의 실시예 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물로 밀봉한 TQFP형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후, 85℃/85% 상대습도 조건하에서 96시간 동안 방치한 다음, 260℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜, 1차로 프리컨디션 조건하에서의 패키지 크랙발생 유무를 조사하였다. 이 단계에서 크랙이 발생하였을 경우, 다음 단계인 1,000 싸이클의 열충격 시험은 진행하지 않았다.

b) 열충격 시험

상기 프리컨디셔닝 과정을 통과한 반도체 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 1 싸이클로 하여 총 1,000 싸이클을 진행한 후, 비파괴 검사기인 SAT를 이용하여 패키지 내부 및 외부의 크랙발생 유무를 조사하였다.

(8) 성형성

광학현미경으로 패키지 내부의 보이드 발생 갯수를 측정함

[실시예 1~2 및 비교예 1~3]

본 발명 및 종래의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물들을 제조하기 위하여, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 각 성분들을 평량한 다음, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 상기 1차 조성물을 믹 싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 후, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 최종 에폭시 수지 조성물을 수득하였다.

이와 같이 제조된 각각의 에폭시 수지 조성물에 대하여 상술한 방법으로 가종 물성, 신뢰성 및 성형성을 평가하였으며, 신뢰성 시험에 사용된 TQFP형 반도체 소자 패키지는 MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 60초간 성형한 후, 175℃에서 6시간 동안 후경화시켜 제작되었다.

상기 실시예 및 비교예에 따른 각 에폭시 수지 조성물의 물성, 신뢰성 및 성형성 평가결과를 하기 표 2에 나타내었다.

상기 표 2로부터, 실시예에 의한 에폭시 수지 조성물이 비교예에 의한 기존의 에폭시 수지 조성물에 비하여 금속소지에 대한 부착력, 신뢰성 및 성형성 면에서 월등히 우수한 특성을 시현함을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 금속소지와의 부착특성, 흡습특성, 고온 내크랙특성, 경화특성 및 기계적 특성 등이 우수하여 고신뢰성의 반도체 소자 패키지 성형에 유용하다.

Claims (4)

1. (1) 커플링제 0.01 ~ 5 중량%;

   (2) 에폭시 수지 3 ~ 25 중량%;

   (3) 경화제 2 ~ 10.5 중량%;

   (4) 경화촉진제 0.1 ~ 0.3 중량%;

   (5) 변성 실리콘 오일 0.5 ~ 1.5 중량%

   또는 실리콘 파우더 0.5 ~ 5 중량%; 및

   (6) 무기 충전제 80 ~ 90 중량%

   를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 성분 (1)이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 올리고머 에폭시 실라놀 커플링제인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:

   [화학식 1]

   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물이 커플링제로서 에폭시 실란 커플링제, 머캡토 실란 커플링제 및 메틸 트리메톡시 실란 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 커플링제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.