KR100582662B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1) 에폭시 수지, 2) 경화제, 3) 경화촉진제, 4) 무기충진제, 및 5) 질화 보론(BN)을 필수 성분으로 포함하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 무기충진체를 조성물 전체에 대해 79 ~ 95중량% 포함하고, 상기 질화 보론계 화합물을 0.5 ~ 4.0 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로 우수한 열 방출 특성을 제공할 수 있다.

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기충진제, 질화 보론계 화합물, 열 방출 특성

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy Molding Compound for Semiconductor Encapsulant}

본 발명은 본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오르소 크레졸노볼락계 에폭시 수지, 페놀 노볼락계 경화제, 경화촉진제, 무기충진제 및 질화 보론(BN)을 필수 성분으로 포함하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로 질화 보론계 화합물을 필수 성분으로 사용함으로써 본 발명의 조성물을 이용한 반도체 봉지제는 높은 열 방출 특성을 제공할 수 있다.

최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며, 이에 따른 배선의 미세화, 소자크기의 대형화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부환경으로부터 보호하는 패키지(Package)는 점점 소형화, 박형화되고 있으며 높은 열 방출과 수분침투에 의한 칩(chip) 및 알루미늄 패드의 부식 방지 요구가 증가되고 있는 실정이다.

특히 파워 트랜지스터 및 자동차용 반도체 장치의 신뢰도 특성은 외부환경의 온도 및 습도변화에 따른 열 응력에 기인하여 크랙 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 따라서 현재 이에 대한 해결책으로써는 밀봉용 에폭시 수지 성형재료의 고신뢰성이 강하게 대두되고 있으며, 세부 방법으로 저응력화를 위한 탄성률을 낮추는 방법, 열팽창계수를 낮추는 방법 등이 소개되고 있고, 열 방출 특성을 향상시킴으로써 열응력의 잔류를 최소화하는 방향으로 검토되고 있다.

탄성률을 낮추는 방법으로써는, 각종 고무 성분에 의한 개질(일본 특허 특개소 63-1894 및 특개평 5-291436)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 없기 때문에 기저 수지 중에 미립자가 분산되므로 열 방출 특성이 떨어지고 내열성을 유지한 채 저탄성률을 나타낼 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 일본 특허 특개소 64-11355에서는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기의 조절을 통하여 다량의 충전제를 배합할 수 있는 기술이 소개되기도 하였다.

충전제량 증가 또는 실리콘 중합체의 배합만으로는 탄성율을 반도체의 특성에는 만족시킬 수 있으나 패키지의 종류에 따른 성형성 개선에는 취약으로 인해 만족할 만한 에폭시 수지 성형재료를 얻을 수 없었다. 특히 고방열 특성을 요구하는 패키지의 경우 수산화 알루미나를 추천하고 있으나, 수분 흡습에 취약하고 충진성이 떨어져 성형성에 문제가 있으며 용융 실리카 적용시에는 열 방출 특성 개선에 는 한계가 있으며 천연 실리카를 적용할 경우 실리카의 입자형상의 제약에 따른 고충진 및 성형성을 얻을 수가 없는 문제점이 있다. 성형성 미확보시 불몰,내부 보이드 등의 불량발생으로 외부 수분에 취약하게 되고 열응력에 의한 패키지 크랙이나 부식현상이 발생하는 문제점도 존재할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무기충진제 및 질화 보론계 화합물(BN) 일정량을 필수 성분으로 포함함으로써 열 방출 특성이 현저히 향상된 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하고자 한다.

즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기충진제, 및 질화 보론(BN)을 필수 성분으로 포함하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 무기충진체를 조성물 전체에 대해 79 ~95중량% 포함하고, 상기 질화 보론을 0.5 ~ 4 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 관하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 하기 성분을 필수 구성 요소로 포함하고;

1) 에폭시 수지,

2) 경화제,

3) 경화 촉진제,

4) 무기충진제, 및

5) 질화 보론(BN),

상기 성분 중 4) 무기충진제는 조성물 전체에 대해 80 중량% 이상, 바람직하게는 79~95중량% 이상 함유하고, 5) 질화 보론은 0.5 ~ 4.0 중량%를 포함하는 것을 그 구성으로 한다.

이하, 각 구성 성분에 관하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에 사용한 성분 1)은 에폭시 수지의 점도와 구조를 감안하여 용도에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 성형성을 감안하여 저점도 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 에폭시 당량이 170~270인 오르소 크레졸 노블락 에폭시 수지 또는 바이페닐계 에폭시를 단독 또는 병용하여 사용할 수 있다.

상기 에폭시 수지는 본 발명의 전체 조성물에 대하여 3.5 ~ 10 중량%로 사용하는 것이 본 발명의 효과를 달성하는데 보다 바람직하다.

본 발명에 사용된 성분 2)의 경화제로서는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100 - 200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok) 수지, 디사이클로펜타디엔 수지 등이 사용될 수 있으며, 이들을 단독 또는 2종류 이상 병용하여 사용할 수 있다. 그러나 보다 바람직하게는 가격 및 성형성의 관점 에서, 페놀 노볼락 수지를 전체 경화제 대비 50 중량% 이상 사용하는 것이 좋다.

한편 상기한 에폭시 수지와 경화제의 조성비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8 ~ 1.2인 것이 바람직하며, 또한 경화제의 사용량은 전체 조성물에 대하여 2 ~ 10 중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시와 경화제의 조성비가 상기 수준에서 벗어나는 경우 미반응물의 잔류에 따른 강도등 물성 저하와 흡습이 증가할 수도 있기 때문이다.

본 발명에 사용된 성분 3)의 경화촉진제는 상기 1)성분 및 2)성분의 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, 이들 중 1종 또는 2종 이상을 병용할 수도 있고, 그 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1 ~ 0.3 중량% 범위인 것이 바람직하다.

본 발명의 성분 4)로 사용되는 무기충전제는 그 평균입자가 2.0 ~ 35㎛인 천연 실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 충전량은 조성물 전체에 대해 79중량% 이상, 보다 바람직하게는 79~95 중량% 이상을 사용해야 한다. 상기 천연 실리카를 79 중량% 미만의 범위로 사용하거나 또는 용융 실리카를 적용할 경우에는 열 방출 특성이 현저하게 떨어지며, 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없을 뿐만 아니 라, 수분의 침투가 용이해져 알루미늄 패드 부식에 치명적이기 때문이다. 다만, 무기충전제의 충전량의 상한선은 성형성을 고려하여 적합한 범위에서 조절할 수 있으며, 바람직하게는 85 중량% 이하를 사용하고, 특히 고순도의 제품을 사용하는 것이 중요하다.

본 발명에 사용된 성분 5) 질화 보론 화합물로서, 이들을 단독 또는 병용하여 사용할 수 있다.

바람직한 사용량은 전체 조성물 대비 0.5 ~ 4 중량%의 범위인데, 0.5중량% 미만으로 사용할 경우 열 방출 효과가 떨어지고, 4 중량% 초과하여 사용할 경우 유동특성이 저하되어 이로 인한 성형성 불량이 야기될 수 있기 때문이다.

한편, 질화 보론의 평균 입경이 2~10 ㎛인 것이 바람직한데, 이는 2㎛ 미만인 경우 분산력이 떨어지며 10㎛를 초과하는 경우, 칩 및 알루미늄 패드 부식 발생과 난연성이 떨어지는 경우가 있기 때문이다.

또한 본 발명의 조성물에는 성형재료로서 브로모 에폭시 난연제를 사용할 수 있으며, 삼산화안티몬, 오산화안티몬, 징크보레이트, 금속수산화물 등의 난연 조제를 포함하여 질화 보론 화합물의 적용량을 상기한 0.5~4 중량% 범위 내로 조절 가능하다.

그 밖에 선택적으로 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 또는 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제, 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제를 추가하여 사용할 수 있다.

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

본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로서는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 인젝션(Injection) 성형법으로도 성형 가능하다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세히 설명하고자 하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-4

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해 표 1에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융 혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.

이렇게 수득된 에폭시 수지 조성물에 대하여 스파이럴 플로우를 측정하였으며 시험편을 제작, 175℃에서 6시간 후경화시킨 뒤, 굴곡강도 및 탄성률, 열전도도를 측정하였고 TO-220FP MOLD에 성형 후, 보이드 불량을 검토하였다.

비교예 1-3

표 2에 나타난 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 상기 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며, 각 물성의 측정 관찰하였다.

표 1 및 표 2를 비교해 보면, 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 질화 보론계 화합물을 사용하는 경우 열 방출 특성 및 열팽창 계수 면에서 우수하다는 것을 확인할 있다.

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 열 발생이 많은 패키지의 봉지용 에폭시 수지 조성물로서, 천연실리카와 질화보론의 적절한 배합을 통해 우수한 열 방출 특성을 제공한다.

Claims (7)

1. 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 무기충진제를 필수 성분으로 포함하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 질화 보론(BN)을 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.5 ~ 4 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무기충진제를 조성물 전체에 대해 79 ~ 95 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 질화 보론(BN)의 입자 평균 입경이 2 ~ 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 에폭시 당량이 170~270인 오르소 크레졸 노블락 에폭시 수지 및 바이페닐계 에폭시로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상이고, 상기 경화제는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100 - 200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok) 수지, 및 디사이클로펜타디엔 수지로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
5. 제 1항에 있어서, 상기 경화촉진제는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀과 같은 3급 아민류; 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸과 같은 이미다졸류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀과 같은 유기 포스핀류; 및 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트과 같은 테트라페닐보론염으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
6. 제 1항에 있어서, 상기 무기충진제는 평균입자가 2 ~ 35 ㎛인 천연 실리카인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
7. 제 1항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 3.5~10 중량%, 경화제는 2.0~10 중량%, 경화촉진제는 0.1~0.3 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.