KR100611463B1 - 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 액상 봉지재에 점도조절을 목적으로 사용하는 용매로 인한 문제점을 개선하고, 특히 접착성이 우수한 봉지재를 개발하여 공정성 및 신뢰성이 향상된 무용매계의 에폭시계 액상봉지재에 관한 것이다.
반도체 소자 밀봉, 에폭시, 비스페놀계, 무용매, 하이드로프탈산 무수물, 접착성

Description

반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물 {Liquid Epoxy Composition for Semiconductor Encapsulation}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 캐비티 다운형 볼그리드어레이 패키지용 액상 에폭시 수지 조성물 및 이 수지 조성물이 사용된 캐비티 다운형 볼그리드어레이 패키지에 관한 것이다.
전자 및 전기 기기의 소형화, 경량화 그리고 고기능화에 따라 반도체의 실장방법도 핀 삽입형에서 표면실장형이 주류가 되고 있다. 또한 단위 면적당 처리용량이 커짐에 따라 열방출 효과가 우수한 신규 패키지에 대한 요구는 날로 증가되고 있는 실정이다.
일반적으로 액상봉지재는 반도체칩, 전도성와이어, 리드프레임 또는 인쇄회로기판 등을 외부의 환경으로부터 보호하기 위해 사용되는 재료로써 에폭시몰딩컴파운드와 함께 사용되고 있다. 에폭시몰딩컴파운드를 이용한 봉지공정은 일정한 금형에 트랜스퍼몰딩방식으로 봉지함으로써 초기 투자비용이 많이 소요되고, 몰딩시 와이어의 손상과 금형오염에 따른 패키지의 오염발생 등의 단점이 있다. 이러한 단 점을 해결하기 위하여 최근 액상봉지재를 사용한 주입법에 의한 봉지방법이 볼그리드어레이 패키지 및 핀그리드어레이 패키지 등에 적용 생산되고 있다.(특1999-0043137) 특히 캐비티 다운형 볼그리드어레이 패키지는 열방출 특성이 우수한 패키지로 현재 수요가 증가되고 있는 실정이며, 봉지재로 작업성이 우수한 액상 에폭시 수지 조성물을 사용하고 있다. 종래의 액상 에폭시 수지 조성물로서는, 액상 에폭시 수지에 페놀계 경화제와 반응촉매, 신뢰성 향상을 위하여 실리카 등의 무기물 충진재 그리고 점도조절을 위한 용매를 사용하는 조성물이 주류를 이루고 있다.
그러나, 이와같이 점도조절을 위하여 액상봉지재에 용매를 첨가할 경우 경화후 봉지재의 강도가 떨어질 뿐만 아니라, 반도체 조립시 용매 휘발을 위한 공정이 필요하여 생산성의 저하가 문제로 나타나 이에 대한 개선이 요구되어지고 있다. 최근 저점도 에폭시 수지와 산무수물을 사용하여 무용제 액상봉지재 개발(일본공개특허 2000-273149, 미국특허 6,117,953, 일본공개특허 平11-269250 등)이 활발히 이루어지고 있는 실정이나, 산무수물의 적용시 발생되는 수분흡수율의 증가와 저분자량의 에폭시 수지를 사용함으로 발생되는 내열성의 개선 등에 요구가 지속되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 액상 봉지재에 점도조절을 목적으로 사용하는 용매로 인한 문제점을 개선하고, 특히 접착성이 우수한 봉지재를 개발하여 공정성 및 신뢰성이 향상된 무용매계의 에 폭시계 액상 봉지재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 (A) 에폭시 수지로서 하기 화학식 1로 표시되는 황함유 에폭시 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 비스페놀계 에폭시 수지;
[화학식 1]
Figure 112003050827515-pat00001
(상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기임)
[화학식 2]
Figure 112003050827515-pat00002
(상기 식에서 R은 각각 독립적으로 수소 혹은 메틸기임)
(B) 경화제로서 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬화테트라하이드로프탈산 무수물 및 하기 화학식 4로 표시되는 메틸테트라하이드로프탈산 무수물;
[화학식 3]
Figure 112003050827515-pat00003
(상기 식에서 R1∼R3는 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기 임)
[화학식 4]
Figure 112003050827515-pat00004
(C) 경화촉매로서 하기 화학식 5로 표시되는 이미다졸계 촉매; 및
[화학식 5]
Figure 112003050827515-pat00005
(상기 식에서 R1∼R3는 각각 독립적으로 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기임)
(D) 무기충진재를 필수성분으로 하여 이루어지며, 점도가 20,000∼45,000인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 에폭시 수지로서 에폭시 당량이 170∼250이고, 하기 화학식 1로 표시되는 황함유 에폭시 수지를 사용한다.
Figure 112003050827515-pat00006
상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기이다.
상기 황함유 에폭시 수지에는 점도를 낮추기 위한 목적으로 에폭시 당량이 160∼190이고, 하기 화학식 2로 표시되는 비스페놀계 에폭시 수지가 혼합된다.
Figure 112003050827515-pat00007
상기 식에서 R은 각각 독립적으로 수소 혹은 메틸기이다.
이러한 비스페놀계 에폭시 수지로서는 비스페놀-A, 비스페놀-F, 수소화 비스페놀-A, 수소화 비스페놀-F 등이 예시되며, 이들을 각각 단독으로 혹은 이종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 조성물 중의 상기 에폭시 수지 성분의 총함량은 9∼15중량%인 것이 바람직하다. 수지 함량이 9중량% 미만이면 본 발명에서 요구하는 정도의 물성을 얻을 수 없고, 15중량%를 초과하면 반응속도가 느려져서 공정시간이 길어지는 단점이 있다.
아울러, 상기에서 황함유 에폭시 수지:비스페놀계 에폭시 수지의 혼합비는 중량비로 30:70∼60:40의 범위에 드는 것이 바람직하다. 상기 황함유계 에폭시 수지는 최종 경화물의 접착력에 영향을 주며, 사용량의 증가에 따라 패키지의 신뢰도가 향상되는 효과가 있다. 따라서 상기 황함유 에폭시 수지의 혼합비가 30중량% 미만인 경우 접착력이 원하는 수준에 도달하지 못할 수 있으며, 60중량%를 초과하는 경우 점도 증가로 인해 작업성이 떨어진다.
본발명에서 경화제로는 그 당량이 210∼250이며, 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물, 및 그 당량이 150∼170이며, 하기 화학식 4로 표시되는 메틸테트라하이드로프탈산 무수물을 혼합하여 사용한다.
Figure 112003050827515-pat00008
상기 식에서 R1∼R3는 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기이다.
Figure 112003050827515-pat00009
상기 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물과 메틸테트라하이드로프탈산 무수 물의 혼합중량비는 30:70∼80:20이다. 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물의 혼합비가 30중량% 미만인 경우 액상봉지재의 수분흡수율이 높아 신뢰성을 저하시키게 된다. 반면, 80중량% 이상인 경우 수지 조성물의 점도가 증가하여 작업성이 현저히 저하된다.
전체 조성물 중 상기 경화제의 함량은 10∼15중량%이다.
본 발명에서 경화촉매로서는 하기 화학식 5로 표시되는 이미다졸계 촉매를 사용할 수 있으며, 촉매 종류별로 같은 량을 사용할 경우 활성에 따라 겔화시간에 차이는 발생하나 사용량의 증감을 통하여 겔화시간을 조절할 수 있어 촉매의 종류에 대하여서는 국한되지 않는다.
Figure 112003050827515-pat00010
상기 식에서 R1∼R3는 각각 독립적으로 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기이다.
전체 조성물 중 상기 경화촉매의 총함량은 0.1∼0.5중량%인 것이 바람직하다. 경화촉진제 함량이 0.1중량% 미만이면 경화속도가 느려져서 생산성이 감소하고, 0.5중량%를 초과하면 원하는 경화 특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 수지 조성물의 보관안정성이 나빠지는 단점이 있다.
본 발명에서 무기충진재로는 그 평균입자가 0.1∼10㎛인 용융 또는 합성실리 카를 사용한다. 전체 조성물 중 충진재의 함량은 70∼80중량%의 범위이다. 상기 함량이 70중량% 미만인 경우 충분한 강도와 낮은 열팽창계수를 기대할 수 없으며 또한 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 저하의 원인이 된다. 또한, 80중량%를 초과하는 경우 유동특성 저하로 인한 성형성이 나빠질 우려가 있다.
위에 명시한 조성물의 성분 외에도 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 필요에 따라 카본블랙, 유,무기염료 등의 착색제, 커플링제, 분산제, 소포제 등을 필요에 따라서 사용할 수 있다.
본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물은, 예를 들면 에폭시 수지, 경화제, 무기충진재, 경화촉진제를 동시에 또는 원료별 순차적으로 투입하고 필요에 따라 가열처리를 하면서 교반, 혼합, 분산시킴으로써 제조할 수 있다. 이들 혼합물의 혼합, 교반, 분산 등의 장치는 특별히 한정되지 않지만, 교반, 가열장치를 구비한 혼합분쇄기, 3축 롤밀, 볼밀, 진공유발기, 유성형 혼합기 등을 사용할 수 있으며, 또한 이들 장치를 적절하게 조합하여 사용할 수도 있다.
본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물의 점도는 25℃에서 20,000∼45,000cps, 바람직하게는 25,000∼40,000cps의 범위가 되는 것이 바람직하다. 점도가 45,000cps 초과인 경우 디스펜싱 공정에서의 작업성이 불량하다.
성형공정은 통상의 디스펜싱 공정을 사용할 수 있으며, 후경화는 125℃에서 0.5시간 이상 경화후 165℃에서 0.5시간 이상 오븐에서 경화하는 것이 바람직하다. 165℃에서 0.5시간 미만 경화시에는 충분한 경화물 특성을 얻을 수 없었으며, 125℃ 에서 0.5시간 미만 경화할 경우 경화후에 공극이 발생되거나 부피 감소가 심해 지는 경우가 있었다.
이하, 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1∼4, 비교예 1∼4
표 1에 나타난 배합비대로 원료를 교반용 믹서와 3롤 밀을 이용하여 교반 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 테플론 금형에서 125℃에서 한시간 경화한 후 165℃에서 두시간 경화시킴으로써 W×T×L이 4mm×10mm×80mm인 시편을 제조하여 유리전이온도, 굴곡강도, 열팽창계수 등의 물성을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 신뢰성 관련 테스트의 경우 W×L이 12mm×12mm인 칩을 장착한 기재에 봉지한 후 125℃에서 한시간 경화한 후 165℃에서 두시간 경화시킴으로서 시편을 제조하여 테스트하였다.
Figure 112003050827515-pat00011
[물성평가방법]
1) 점도
Cone & Plate 형 Brookfield 점도계를 사용하여 25℃에서 측정
2)유리전이온도
TMA(Thermomechanical Analyser)로 측정
3) 열팽창계수
TMA(Thermomechanical Analyser)로 평가(승온속도 10℃/min)
4) 굴곡강도
UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190에 의거 평가
5) 흡수율
PCT(Pressure Cooker Tester, 121℃, 2기압)에서 24시간 흡습시킨 후 무게변화를 측정
6) 접착력
UTM을 이용하여 ASTM D1002에 의거 평가
7) 신뢰성 평가 (Precon Test)
JEDEC, JESD22-A113 시험방법으로 Level 3에서 평가한 후 C-SAM을 활용하여 박리발생여부 확인
표 1의 물성 및 신뢰성 평가결과에서 볼 수 있듯이 황함유 에폭시 수지의 경우 경화물의 접착력에 영향을 주며, 사용량의 증가에 따라 패키지의 접착력이 향상되었다. 또한 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물의 함량 및 무기물 충진제의 사용량이 증가할수록 내습특성이 향상되어 패키지의 신뢰성을 향상시키나, 많은 양을 사용할 경우 봉지재의 점도가 증가되어 작업성이 현저히 떨어졌으며, 너무 적은 양을 사용할 경우 봉지재의 점도가 낮아져 디스펜싱 공정시 봉지재의 양을 일정량으로 조절하기가 어려워 생산성이 저하되었다.
본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물의 경우 용매를 사용하지 않기 때문에 공정성이 우수할 뿐아니라, 경화후 접착성 및 굴곡강도가 크고, 높은 내열특성으로 인하여 캐비티 다운 볼그리드어레이 패키지에 적용한 결과 매우 우수한 신뢰도 특성을 나타내는 효과를 가져온다.

Claims (5)

  1. (A) 에폭시 수지로서 하기 화학식 1로 표시되는 황함유 에폭시 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 비스페놀계 에폭시 수지 9∼15중량%;
    [화학식 1]
    Figure 112006027577727-pat00012
    (상기 식에서 R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소원자 혹은 탄소수 1∼3의 알킬기임)
    [화학식 2]
    Figure 112006027577727-pat00013
    (상기 식에서 R은 각각 독립적으로 수소 혹은 메틸기임)
    (B) 경화제로서 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬화테트라하이드로프탈산 무수물 및 하기 화학식 4로 표시되는 메틸테트라하이드로프탈산 무수물 10∼15중량%;
    [화학식 3]
    Figure 112006027577727-pat00014
    (상기 식에서 R1∼R3는 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기임)
    [화학식 4]
    Figure 112006027577727-pat00015
    (C) 경화촉매로서 하기 화학식 5로 표시되는 이미다졸계 촉매 0.1∼0.5중량%; 및
    [화학식 5]
    Figure 112006027577727-pat00016
    (상기 식에서 R1∼R3는 각각 독립적으로 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기임)
    (D) 무기충진재 70∼80중량%를 포함하며, 상기 황함유 에폭시 수지와 비스페놀계 에폭시수지의 혼합 사용비가 30:70∼60:40이고, 상기 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물과 메틸테트라하이드로프탈산 무수물의 혼합 사용비가 30:70∼80:20이며, 점도가 20,000∼45,000인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항의 기재에 따른 액상 에폭시 수지 조성물로 봉지된 캐비티다운 볼그리드어레이형 반도체.
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