KR100572959B1 - 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은
(A) 액상 에폭시 수지: 100 중량부,
(B) 경화제: 0 내지 100 중량부,
(C) 구상 실리카: (A) 및 (B) 성분의 합계 100 중량부에 대하여 50 내지 300 중량부,
(D) 연X선을 투과하지 않는 구상 무기질 충전제: 연X선의 투과를 저지하는 유효량, 및
(E) 경화 촉진제: (A) 및 (B) 성분의 합계 100 중량부에 대하여 0.01 내지 10 중량부
를 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재는 박막 침투 특성, 보존 안정성이 우수하고, 또한 연X선으로 용이하게 충전 상태 및 봉지 결함을 검출할 수 있다.
플립 칩, 반도체 장치, 액상 에폭시 수지, 경화제, 구상 실리카, 구상 무기 질 충전제, 경화 촉진제, 봉지재

Description

플립 칩형 반도체 장치용 봉지재{Sealing Materials for Flip Chip Semiconductor Devices}
도 1은 플립 칩형 반도체 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 침투 시험에서 사용한 시험편을 나타내고, (A)는 측면도, (B)는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 유기 기판 2: 범프
3: 반도체 칩 4: 언더 필(under fill)재
5: 필렛(fillet)재 11: 열판
12: 하측 슬라이드 유리 13: 폴리이미드 필름
14: 상측 슬라이드 유리 15: 간극
16: 에폭시 수지 조성물
본 발명은 특히 플립 칩형 반도체 장치의 언더 필(under fill)재용으로서 사용되고, 그의 충전 상태를 용이하게 확인할 수 있도록 한 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재에 관한 것이다.
전기 기기의 소형, 경량화, 고기능화에 따라 반도체의 실장 방법도 핀 삽입 형에서 표면 실장이 주류가 되고 있다. 그리고, 베어 칩(bear chip) 실장의 하나로 플립 칩(Flip Chip; FC) 실장이 있다. FC 실장이란 LSI 칩의 배선 패턴면에 높이 1O 내지 1OO μm 정도의 범프라고 불리우는 전극을 수개 내지 수천개 형성하고, 기판의 전극을 도전 페이스트 또는 땜납 등으로 접합하는 방식이다. 따라서, FC의 보호에 사용하는 봉지 재료는 기판과 LSI 칩의 범프 등에 의해 생긴 수십 μm 정도의 간극에 침투시킬 필요가 있다. 그러나, 본 방식은 매우 미세한 간극에 수지를 충전시키기 때문에 공극 및 미충전이 발생하기 쉬운 결점이 있다. 따라서, 이들 불량을 연속적으로 단시간에 검출하고, 불량품을 배제하는 방법이 강하게 요구되고 있었다.
종래, 이 방법으로 얻어지는 장치의 봉지 후 불량 검출은 초음파 탐상(探傷) 장치라고 불리우는 장치로 조사하는 것이 일반적이었고, 초음파 탐상 장치를 사용함으로써 매우 미세한 결함을 검출할 수 있었지만, 이 방법으로는 자동화하는 것이 매우 어려워 단시간의 불량 검출에 한계가 있었다.
또한, 종래의 반도체 장치에서는 와이어 변형 및 와이어 절단 등을 검출하기 위하여 연X선 장치가 폭 넓게 사용되고 있었지만, 실리카를 무기질 충전제로서 사용한 언더 필재로 플립 칩형 반도체 장치를 봉지한 것은 수지층이 매우 얇기 때문에 연X선으로 공극과 수지를 구별하는 것이 곤란하였다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로 연X선을 사용하여 불량 검출을 용이하게 행할 수 있고, 또한 플립 칩형 반도체 장치의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능한 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 검토를 거듭한 결과, 액상 에폭시 수지에 연X선을 투과하지 않고 바람직하게는 최대 입경 25 μm, 평균 입경 1 내지 5 μm의 구상의 무기질 충전제를 특정 비율로 배합함으로써 좁은 틈부로의 침투성이 우수하고, 또한 연X선에 의한 불량품 자동 검출을 용이하게 할 수 있으며, 이에 따라 미리 언더 필재의 충전 상태를 확인할 수 있기 때문에 결함 제품을 용이하게 선별할 수 있고, 신뢰성이 높은 반도체 장치를 얻을 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은
(A) 액상 에폭시 수지: 100 중량부,
(B) 경화제: 0 내지 100 중량부,
(C) 구상 실리카: (A) 및 (B) 성분의 합계 100 중량부에 대하여 50 내지 300 중량부,
(D) 연X선을 투과하지 않는 구상 무기질 충전제: 연X선의 투과를 저지하는 유효량,
(E) 경화 촉진제: (A) 및 (B) 성분의 합계 100 중량부에 대하여 0.01 내지 10 중량부
를 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재를 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 사용되는 (A) 성분의 에폭시 수지로서는 종래부터 공지된 1분자 당 2개 이상의 에폭시기를 가진 것이면 어떠한 것이든 사용할 수 있다. 특히, 비스페놀 A형 에폭시, 비스페놀 F형 에폭시 등의 비스페놀형 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 시클로펜타디엔형 에폭시 수지 등이 예시된다. 이들 에폭시 수지 중에서도 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 등의 비스페놀형 에폭시 수지 및 지환식 에폭시 수지가 실온에서 액상인 점에서 바람직하다. 이들 에폭시 수지에 하기 구조로 표시되는 에폭시 수지를 침투성에 영향을 미치지 않는 범위에서 첨가하더라도 아무런 문제는 없다.
Figure 112000002446897-pat00001
상기 에폭시 수지 중의 전체 염소 함유량은 1500 ppm 이하, 바람직하게는 1000 ppm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 120 ℃로 50 % 에폭시 수지 농도의 20시간에서의 추출수 염소가 5 ppm이하인 것이 바람직하다. 전체 염소 함유량이 1500 ppm을 넘고 추출수 염소가 5 ppm을 넘으면 반도체의 내습 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
상기 에폭시 수지는 후술하는 경화 촉진제[(E) 성분]를 사용함으로써 단독으로도 경화시킬 수 있지만, 경우에 따라서는 경화제[(B) 성분]으로서 메틸테트라히드로 무수 프탈산, 메틸헥사히드로 무수 프탈산, 헥사히드로 무수 프탈산, 무수 메틸하이믹산 등의 산 무수물, 디시안디아미드, 아디프산 히드라지드, 이소프탈산 히드라지드 등의 카르복실산 히드라지드를 사용할 수 있다.
또한, 상기 경화제의 배합량은 특히 제한되지 않으며, 에폭시 수지를 경화시키는 유효량으로서 그 종류에 따라 상위하지만, 상술한 산 무수물을 사용하는 경우에는 에폭시 수지 중의 에폭시기에 대하여 경화제 중의 산 무수물기(
Figure 112000002446897-pat00006
)로부터 유도되는 카르복실산기의 비를 0.5 내지 1.5, 특히 0.8 내지 1.2의 범위로 하는 것이 적합하며, 통상 액상 에폭시 수지의 배합량은 100 중량부에 대하여 경화제의 배합량을 0 내지 l00 중량부, 특히 0 내지 80 중량부로 할 수 있다.
상기 에폭시 수지는 경화 촉진제를 사용함으로써 단독으로도 경화시킬 수 있고, 경화 촉진제로서 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸 등의 이미다졸 유도체, 인계, 시클로아미딘계 유도체를 사용할 수 있다. 이미다졸 유도체는 산 무수물계 경화제의 경화 촉진제로서, 나아가 에폭시 수지의 경화제로서 사용할 수 있다. 경화 촉진제로서 사용하는 경우에는 에폭시 수지와 경화제의 합계량 l00 중량부에 대하여 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.5 내지 5 중량부이다. 0.01 중량부 미만에서는 경화성이 저하하고, 10 중량부를 넘으면 경화성은 우수하지만 보존성이 저하하는 경향이 있다. 산 무수물을 경화제로서 사용하는 경우에는 에폭시 수지 중의 에폭시기 1 몰에 대하여 0.3 내지 0.7 몰의 산 무수물기를 배합하는 것이 바람직하다. 0.3 몰 미만에서는 경화성이 불충분하고, 0.7 몰을 넘으면 미반응의 산 무수물기가 잔존하여 유리 전이 온도가 저하될 우려가 있다. 바람직하게는 0.4 내지 0.6 몰의 범위이다.
본 발명의 봉지재에는 구상 용융 실리카 등의 구상 실리카[(C) 성분]를 에폭시 수지와 경화제의 합계 l00 중량부에 대하여 50 내지 300 중량부, 특히 80 내지 250 중량부를 배합한다.
또한, 필요에 따라 본 발명의 봉지재에는 팽창 계수를 작게 할 목적으로 종래부터 알려져 있는 각종 무기질 충전제를 첨가할 수 있다. 무기질 충전제로서는 구상 이외의 용융 실리카, 결정 실리카, 알루미나, 질화붕소, 질화알루미늄, 질화규소, 마그네시아, 마그네슘실리케이트 등이 사용된다. 그 중에서도 구상 알루미나가 바람직하다.
또한, 상기 구상 실리카 및 다른 충전제는 침투성의 향상과 저선팽창화의 양립을 꾀하기 위하여 플립 칩 간격의 높이에 대하여 평균 입경이 약 1/10 이하, 최대 입경이 1/2 이하가 바람직하고, 통상은 최대 입경 50 ㎛ 이하, 바람직하게는 45 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 3O μm 이하이다. 평균 입경은 1O μm 이하, 바람직하게는 5 μm이하, 보다 바람직하게는 3 μm 이하이고, 평균 입경의 하한치는 통상 0.5 μm, 바람직하게는 1 μm이다.
또한, 상기 구상 실리카를 포함하는 상기 충전제의 총배합량은 에폭시 수지와 경화제의 합계 100 중량부에 대하여 100 내지 400 중량부, 특히 150 내지 250 중량부가 바람직하다. 너무 적으면 팽창 계수가 크고 냉열 시험에서 균열 발생을 유발시킬 우려가 있으며, 너무 많으면 점도가 높아져 박막 침투성의 저하를 초래할 우려가 있다.
본 발명에서는, 또한 연X선에 의한 검출을 가능하게 하기 위하여 X선을 투과하지 않는 구상의 무기질 충전제[(D) 성분]를 배합할 필요가 있다. 본 발명에서 사용 가능한 충전제로서는 지르코늄을 포함하는 충전제가 바람직하고, 금속 지르코늄, 금속 지르코늄과 금속 규소 또는 금속 알루미늄의 혼합물을 폭연시켜 얻어지는 산화 지르코늄 및 규소와 지르코늄 또는 지르코늄과 알루미늄이 한 입자 내에 미세하게 분리되어 존재하는 복합 산화물 등이 바람직하다. 이러한 종류의 복합 산화물은 폭연으로 얻어지기 때문에 입자가 구상이 되어 언더 필재의 충전제로서는 매우 바람직하다.
이 연X선을 투과하지 않는 무기질 충전제도 플립 칩 간격 높이에 대하여 평균 입경이 약 1/10 이하, 최대 입경이 1/2 이하가 바람직하고, 통상은 최대 입경 50 μm 이하, 바람직하게는 25 μm 이하, 더욱 바람직하게는 10 μm 이하이다. 평균 입경은 10 μm 이하, 바람직하게는 5 μm 이하, 보다 바람직하게는 4 μm 이하 이고, 평균 입경의 하한치는 통상 0.5 μm, 바람직하게는 1 μm이다.
또한, 본 발명에서 평균 입경은 예를 들면 레이저 광회절법 등에 의한 중량 평균치(또는 중간치) 등으로서 구할 수 있다.
연X선으로 단시간에 연속적으로 불량품을 자동 검출하기 위해서는 연X선의 투과를 저지하는 유효량이면 충분하며, 금속 지르코늄, 지르코늄 함유 복합 산화물 또는 지르코늄 산화물을 사용한 경우, 지르코늄 산화물로서 액상 에폭시 수지와 경화제의 합계량 100 중량부에 대하여 l0 내지 200 중량부 배합할 필요가 있다. 보다 바람직하게는 15 내지 150 중량부이다. l0 중량부 미만에서는 연X선에 의해 검출할 수 없고, 200 중량부를 넘으면 산화 지르코늄의 비율이 많아져 팽창 계수가 커진다는 문제가 발생한다. 또한, 비용도 상승한다.
본 발명의 봉지재에는 응력을 저하시킬 목적으로 실리콘 고무, 실리콘 오일및 액상의 폴리부타디엔 고무, 메타크릴산 메틸-부타디엔-스티렌 공중합체와 같은 열가소성 수지 등을 배합할 수도 있다. 바람직하게는 알케닐기 함유 에폭시 수지 또는 페놀 수지의 알케닐기와 하기 화학식 3으로 표시되는 1 분자 중의 규소 원자의 수가 20 내지 400이며, SiH기의 수가 1 내지 5인 오르가노폴리실록산의 SiH기와의 부가 반응에 의해 얻어지는 공중합체를 배합하는 것이 바람직하다.
HaRbSiO(4-a-b)/2
식 중,
R은 치환 또는 비치환의 1가 탄화수소기를 나타내고,
a는 0.002 내지 0.1, b는 1.8 내지 2.2, 1.81≤a+b≤2.3을 충족시키는 양수를 나타낸다.
또한, R의 1가 탄화수소기로서는 탄소수 1 내지 10, 특히 1 내지 8의 것이 바람직하고, 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, 헥실기, 시클로헥실기, 옥틸기, 데실기 등의 알킬기, 비닐기, 알릴기, 프로페닐기, 부테닐기, 헥세닐기 등의 알케닐기, 페닐기, 크실릴기, 톨릴기 등의 아릴기, 벤질기, 페닐에틸기, 페닐프로필기 등의 아랄킬기 등 및 이들의 탄화수소기의 수소 원자 중 일부 또는 전부를 염소, 불소, 브롬 등의 할로겐 원자로 치환한 클로로메틸기, 브로모에틸기, 트리플루오로프로필기 등의 할로겐 치환 1가 탄화수소기를 들 수 있다.
상기 공중합체로서는 그 중에서도 하기 구조의 것이 바람직하다.
Figure 112000002446897-pat00002
Figure 112000002446897-pat00003
식 중,
R은 상기 정의와 동일하고,
R1은 수소 원자 또는 탄소수 l 내지 4의 알킬기이고,
R2는-CH2CH2CH2-, -OCH2-CH(OH)-CH2-O-CH 2CH2CH2- 또는 -O-CH2CH2CH2-이고,
n은 4 내지 199, 바람직하게는 19 내지 99의 정수이고,
p는 1 내지 10의 정수이고,
q는 1 내지 10의 정수이다.
상기 공중합체는 디오르가노폴리실록산 단위가 에폭시 수지와 경화제의 합계량 100 중량부에 대하여 0 내지 20 중량부, 특히 2 내지 15 중량부 포함되도록 배합함으로써 응력을 한층 더 저하시킬 수 있다.
본 발명의 봉지재에는 필요에 따라 접착 향상용 탄소 관능성 실란, 카본 블랙 등의 안료, 염료, 산화 방지제, 표면 처리제(γ-글리시독시프로필트리메톡시실 란 등), 그 밖의 첨가제를 더 배합할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은, 예를 들면 에폭시 수지, 경화제, 경화 촉진제, 무기질 충전제를 동시에 또는 각각 필요에 따라 가열 처리를 하면서 교반, 용해, 혼합, 분산시킴으로써 제조할 수 있다. 이들 혼합물의 혼합, 교반, 분산 등의 장치는 특히 한정되지 않지만, 교반, 가열 장치를 구비한 혼합 분쇄기, 3축 롤러, 볼 밀, 유성형 믹서 등을 사용할 수 있다. 이들 장치를 적절히 조합하여 사용할 수도 있다.
여기에서, 본 발명에 따른 플립 칩형 반도체 장치는 도 l에 나타낸 바와 같이, 통상 유기 기판(1)의 배선 패턴면에 복수개의 범프(2)를 통해 반도체 칩(3)이 탑재되어 있는 것으로, 상기 유기 기판(1)과 반도체 칩(3) 사이의 간극(범프 (2)사이의 간극)에 언더 필재(4)가 충전되고, 그의 측부가 필렛(fillet)재(5)로 봉지된 것으로 할 수 있지만, 본 발명의 봉지재는 특히 언더 필재를 형성하는 경우 유효하다.
본 발명의 봉지재를 언더 필재 형성에 사용하는 경우, 그의 경화물의 유리 전이 온도 이하의 팽창 계수가 20 내지 40 ppm/℃인 것이 바람직하다. 또한, 필렛 재용의 봉지재는 공지된 것이 바람직하며, 특히 상술한 바와 동일한 액상 에폭시 수지 조성물을 사용할 수 있지만, 이 경우에는 그 경화물의 유리 전이 온도 이하의 팽창 계수가 10 내지 20 ppm/℃인 것이 바람직하다.
<실시예>
이하 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하겠지만, 본 발명 은 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다. 또한, wt%는 중량%를 의미한다.
<실시예, 비교예>
표 1 및 2에 나타낸 성분을 3축 롤러로 균일하게 혼련함으로써 7종의 수지 조성물을 얻었다. 이들 수지 조성물을 사용하여 이하에 나타낸 시험을 행하였다. 그 결과를 표 1 및 2에 나타내었다.
[겔화 시간]
조성물의 겔화 시간을 150 ℃의 열판상에서 측정하였다.
[침투 시험]
도 2(A) 및 (B)에 나타낸 바와 같이 열판(11)상에 하측 슬라이드 유리(12)를 얹고, 그 위에 각각 두께 80 μm의 2장의 폴리이미드 필름(13, 13)을 1 cm 간격을 두고 설치하고 그 위로부터 상측 슬라이드 유리(14)를 덮고, 상기 양 슬라이드 유리(12, 14)와 2장의 폴리이미드 필름(13, 13)에 의해 폭 1 cm, 높이 80 μm의 간극(l5)을 형성하였다. 상기 하측 슬라이드 유리 (12)상에 에폭시 수지 조성물(16)을 얹고 열판(11)을 80 ℃, 120 ℃로 설정했을 때, 상기 조성물(16)이 상기 간극(15)에 20 mm의 거리까지 침투, 도달하기까지의 시간을 측정하였다.
[연X선에 의한 불량 확인]
400개의 범프를 갖는 10 mm×10 mm의 실리콘 칩을 BT 기판에 탑재하고, 이 장치 한편에 디스펜서로 각각의 조성물을 적가하여 봉지하였다. 봉지 후, 가열 경화시키고, 이어서 연X선을 사용하여 언더 필재의 침투 상태 및 공극 등의 검출을 행하였다.
성분 (중량부) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
RE310 50 60 100
RE304 100
MH700 40 40
SO32H 150 50 75 150
구상 복합 산화물 A
구상 복합 산화물 B 50 75
구상 복합 산화물 C 150
구상 복합 산화물 D 20
구상 복합 산화물 E
KBM403 0.2 0.3 0.3 0.3
2P4MZ 1.5 1.5
HX3741 3 3
겔화 시간(초/150 ℃) 65 60 71 58
침투 시험(초/120 ℃) 85 76
침투 시험(초/80 ℃) 80 120
연X선 관찰 결과 침투 상태 및 공극 검출 검출 용이 검출 용이 검출 용이 검출 용이
구상 복합 산화물 입자 중의 산화 지르코늄(중량부) 25 75 38 20
성분 (중량부) 비교예 1 비교예 2 비교예 3
RE310 100 60
RE304 100
MH700 40
SO32H 200 50 120
구상 복합 산화물 A 25
구상 복합 산화물 B
구상 복합 산화물 C
구상 복합 산화물 D
구상 복합 산화물 E 20 80
KBM403 0.3 0.3 1.0
2P4MZ 1.5 1.5
HX3741 3
겔화 시간(초/150 ℃) 65 70 55
침투 시험(초/120 ℃) 115 108
침투 시험(초/80 ℃) 186
연X선 관찰 결과 침투 상태 및 공극 검출 검출 불가 검출 불가 검출 불가
구상 복합 산화물 입자 중의 산화 지르코늄(중량부) 2 7.5 8
[사용 원료]
RE310: 비스페놀 A형 에폭시 수지(닛본 가야꾸(주) 제조)
RE304: 비스페놀 F형 에폭시 수지(닛본 가야꾸(주) 제조)
MH700: 메틸테트라히드로 무수 프탈산(신닛본 리까(주) 제조)
SO32H: 최대 입경 45 μm, 평균 입경 2 μm의 완전 구상 실리카(아드마텍스 (Admatechs)(주) 제조)
구상 산화물 A 내지 E: 하기 표 3에 나타내었다.
KBM 403: 글리시독시프로필트리메톡시실란(신에쓰 가가꾸 고교(주) 제조)
2P4MZ: 2-페닐-4-메틸이미다졸(시꼬꾸 가세이(주) 제조)
HX374l: 이미다졸 화합물을 함유하는 마이크로 캡슐화 촉매(아사히 찌바(주) 제조)
구상 산화물 규소(wt%) 알루미늄 (wt%) 지르코늄 (wt%) 최대 입경 (㎛) 평균 입경 (㎛)
A 70 30 25 5
B 50 50 15 2.5
C 50 50 25 3.8
D 100 25 4
E 90 10 25 4
본 발명의 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재는 박막 침투 특성, 보존 안정성이 우수하고, 또한 연X선으로 용이하게 충전 상태 및 봉지 결함을 검출할 수 있는 것이다.

Claims (2)

  1. (A) 액상 에폭시 수지: 100 중량부,
    (B) 경화제: 0 내지 l00 중량부,
    (C) 구상 실리카: (A) 및 (B)성분의 합계 100 중량부에 대하여 50 내지 300 중량부,
    (D) 연X선을 투과하지 않는 구상 무기질 충전제: 연X선의 투과를 저지하는 유효량,
    (E) 경화 촉진제: (A) 및 (B) 성분의 합계 l00 중량부에 대하여 0.01 내지 10 중량부
    를 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재.
  2. 제1항에 있어서, (D) 성분이 구상의 지르코늄 함유 복합 산화물 또는 지르코늄 산화물이고, 지르코늄 산화물로서 (A) 및 (B) 성분의 합계 100 중량부에 대하여 10 내지 200 중량부를 함유하는 플립 칩형 반도체 장치용 봉지재.
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