KR100655056B1

KR100655056B1 - 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물

Info

Publication number: KR100655056B1
Application number: KR1020030100410A
Authority: KR
Inventors: 심정섭; 장두원; 김진모; 김종성
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2006-12-06
Also published as: KR20050068690A

Abstract

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연무질 실리카의 첨가에 의해 언더필용 액상 봉지재 용도에 적합한 저점도, 고속주입성을 가지면서도, 흐름성 과다에 의한 작업성 불량을 개선한 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

반도체 밀봉, 액상 에폭시 수지 조성물, 언더필용, 연무질 실리카, 흐름성 과다

Description

반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물 {Liquid Epoxy Compsoition for Semiconductor Packaging}

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물에 대한 것으로, 보다 상세하게는 기재에 직접 칩을 장착하는 방식(Direct Chip Attach)으로 칩 캐리어 기재 상에 장착되는 반도체 소자 위에 도포되거나 또는 반도체 소자와 기재 간의 공간을 충진하는데 사용되는, 양호한 공정성과 우수한 신뢰성을 가지는 액상 에폭시 수지 조성물 및 이 수지 조성물이 사용된 반도체 패키지에 관한 것이다.

근래에 들어 전자제품 특히 모바일 제품들의 경박단소화에 따라 반도체의 실장방법도 보다 얇고 작게 팩키징할 수 있는 표면실장형이 주류가 되고 있다. 그 중에서 반도체장치의 크기를 소형화하기 위해 칩 크기를 줄여 팩키징하면서 팩키지 사이즈를 칩사이즈와 거의 동일하게 하는 통칭 CSP(chip scale package) 방식이 사용되며 고밀도 실장을 위해서 주변리드형보다 그 밀도를 훨씬 올릴 수 있는 BGA(Ball Grid Array) 방식이 가장 널리 사용되고 있다.

상기 팩키지의 경우 솔더 범프나 볼에 의해 기재 상의 회로와 연결되는데, 이러한 팩키지를 열충격(HEAT CYCLE) 시험시 회로기판과 솔더범프 간 연결상태에 대한 신뢰성 불량의 여지가 있다. 회로기판과 솔더의 상이한 열팽창계수가 열적 스트레스를 유발하기 때문이다. 이를 방지하기 위한 수단으로 반도체 소자를 회로기판에 장착한 후에 소자와 기판 사이의 공간을 수지로 충진하여 상기 명시된 열에 의한 직접적 스트레스 전달을 완화시켜 신뢰성을 증대하는 방법이 사용된다. 소자의 밑으로 수지가 충진해 들어감에 따라 언더필 방식으로 분류되기도 한다.

특히 칩 온 필름형 플립칩 패키지는 팩키지의 소형 경박화가 용이하고 기재의 유연성이 우수하여 휴대용 단말기 등에 그 수요가 증가되고 있는 실정이며, 봉지재로는 작업성이 우수한 액상 에폭시 수지조성물을 사용하고 있다.

필름을 기재로 사용하는 소형화 팩키징 방식으로는 칩 온 필름 방식에 우선하여 테이프 캐리어 팩키지(TCP) 방식이 많이 사용되었다. 이러한 기존 형태의 TCP 방식에서 칩온 필름 방식으로 전환함에 따라 경박단소화 외에 미세 피치(fine pitch)에 의한 칩 패드 피치(chip pad pitch)가 감소함으로서 비용 감소 효과를 얻을 수 있다.

에폭시 수지와 산무수물을 사용하는 액상봉지재(일본특허공개 제2000-299414, 297202, 186188, 53844호, 1999-106474, 67981, 1998-219080, 134067, 미국특허 제6,117,953호 등)의 경우 점도가 낮고 유동특성이 좋으며 우수한 접착력을 가지므로 근래들어 적용이 증가하는 추세이나, 충진재가 없거나 함량이 높지 않을 경우 봉지 또는 언더필 시에 점도가 극히 낮아 수지조성물의 유동이 조절이 안됨에 따른 작업성 불량, 특히 도포 불량이나 흐름성 과다(over flow) 등의 문제가 있으 므로 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 언더필용 액상 봉지재 용도에 적합한 저점도, 고속주입성을 가지면서도, 흐름성 과다에 의한 작업성 불량을 개선한 액상 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 (1) 에폭시 수지로서 하기 화학식 1로 표시되는 비스페놀 A형 에폭시 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 비스페놀 F형 에폭시 수지,

[화학식 1]

[화학식 2]

(2) 경화제로서 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물,

[화학식 3]

(상기 식에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기임)

(3) 경화촉매,

(4) 평균입경 0.1㎛ 이하의 연무질실리카, 및

(5) 소포제를 필수성분으로 하여 이루어지는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 조성물에는 에폭시 수지로서 저온에서 결정생성과 같은 에폭시수지의 성상변화 및 이로 인한 작업성 불량을 억제하기 위하여 하기 화학식 1로 표시되는 비스페놀 A형 에폭시 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 비스페놀 F형 에폭시 수지를 병용하여 사용한다.

상기 비스페놀 A형 에폭시 수지는 에폭시 당량이 170∼190인 고순도의 에폭시 수지로서, 비스페놀-A, 또는 수소화 비스페놀-A 등을 각각 단독으로 또는 서로 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 비스페놀 F형 에폭시 수지로는 에폭시 당량이 160∼190인 고순도의 에폭시 수지로서, 비스페놀-F 또는 수소화 비스페놀-F 등을 각각 단독으로 또는 서로 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 비스페놀 A형 에폭시 수지와 비스페놀 F형 에폭시 수지의 혼합 중량비는 2:8∼5:5의 범위가 되는 것이 바람직하다. 전체 에폭시 수지 중 비스페놀 A형 에폭시 수지가 20중량% 미만으로 사용되는 경우 저분자량 에폭시 수지의 결정이 생성되며, 50중량%를 초과하여 사용되는 경우 점도가 증가하는 문제점이 발생한다.

전체 조성물 중 상기 에폭시 수지의 함량은 40∼60 중량%이다.

본 발명에서는 경화제로는 당량이 210 ~ 250인 고순도의 산무수물로서, 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물을 사용한다.

상기 식에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기이다.

상기 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물을 경화제로 사용할 경우 여타 프탈산 무수물 경화제를 사용했을 경우보다 액상봉지재의 수분흡수율이 낮아 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 상기 물질 이외에도, 통상적으로 경화제로 사용되는 기타 산무수물을 추가로 혼합하여 사용할 수 있다.

전체 조성물 중 상기 경화제의 함량은 36∼56 중량%이다.

본 발명의 조성물에서는 경화촉매로서는 하기 화학식 4로 표시되는 이미다졸계 촉매를 사용할 수 있으며, 촉매 종류별로 같은 양을 사용할 경우 활성에 따라 겔화시간에 차이는 발생하나 사용량의 증감을 통하여 겔화시간을 조절할 수 있어 촉매의 종류에 대하여서는 국한하지 않는다.

상기 식에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기이다.

전체 조성물 중 상기 경화촉매의 함량은 0.1∼2 중량%이다.

본 발명의 조성물에서는 칙소성을 부여하기 위한 목적으로 그 평균입경이 0.1 ㎛ 이하인 연무질 실리카를 사용한다. 전체 조성물 중 상기 연무질 실리카의 함량은 간극침투성을 고려하여 0.4∼1.2 중량%의 범위이다. 상기 연무질 실리카가 0.4 중량% 미만으로 사용된 경우 칙소성이 충분히 높지 않아 흐름성 과다를 방지하는 효과를 기대할 수 없었으며, 1.2 중량%를 초과하여 사용되는 경우 수지와 경화제의 점도에 따라 그 정도는 다르나 유동특성이 현저히 저하됨에 의해 간극충진속도가 현저히 떨어짐으로서, 언더필작업성 또는 공정성 불량의 우려가 있다.

본 발명에서는 조성물 혼합시 또는 도포 공정 중 원활한 기포 제거를 위하여 소포제를 첨가하여 사용한다. 소포제의 종류 역시 여러 종류가 있겠으나 사용량 증감에 따라 기포 제거 성질에 큰 차이를 보이지 않으므로 종류에 대해서는 국한하지 않는다. 바람직하게는 하기 화학식 5로 표시되는 폴리디메틸실록산을 사용한다.

상기 식에서 x는 10∼100의 실수이다.

전체 조성물 중 상기 실리콘 오일계 소포제의 함량은 0.01∼1중량%이다. 상 기 함량이 1중량%를 초과하는 경우 주제와의 비상용성으로 인한 부유 문제가 발생한다.

이밖에 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위에서 필요에 따라 브로모 에폭시 등의 난연제, 삼산화안티몬, 수산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등의 난연조제, 고급지방산, 고급지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기 염료 등의 착색제, 에폭시 실란, 아미노 실란, 알콕시 실란 등의 커플링제, 응력완화제, 평활성 증대제 등이 첨가될 수 있다. 특히 카본 블랙의 경우 전체 혼합량의 5중량%를 초과할 경우 흐름성이나 분산성에 문제의 소지가 있으므로 5% 미만으로 사용하도록 한다. 카본블랙이나 염료의 종류에 따라 착색도의 차이는 발생하나 사용량 증감을 통하여 조절 가능하므로 안료/염료의 종류에 대해서는 국한하지 않는다.

본 발명의 액상 에폭시수지 조성물은, 예를 들면 에폭시수지, 경화제, 연무질 실리카, 경화촉매를 동시에 또는 원료별 순차적으로 필요에 따라 가열처리를 하면서 교반, 혼합, 분산시킴으로써 제조할 수 있다. 이들 혼합물의 혼합, 교반, 분산 등의 장치는 특별히 한정되지 않지만, 교반, 가열장치를 구비한 혼합분쇄기, 볼밀, 진공유발기, 유성형 혼합기 등을 사용할 수 있으며, 또한 이들 장치를 적절하게 조합하여 사용할 수도 있다.

본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물의 점도는 에폭시 수지와 산무수물 경화제의 점도에 의존하며, 바람직하게는 25℃에서 200∼1000 cps, 보다 바람직하게는 300∼500 cps의 범위가 되도록 한다. 점도가 200 cps보다 낮은 경우 시린지 니들 끝에서 수지가 원하지 않는 부위에 떨어지는 dropping 불량이 생길 수가 있고 점도가 1000 cps를 초과하는 경우 언더필 공정시 칩과 기판 간의 간극 크기에 따라 다르지만 주어진 조건(NEEDLE SIZE와 압력)에서 간극 충진 시간이 너무 길고 디스펜싱 공정에서의 작업성 또한 불량한 문제점이 있다.

상기 조성물의 경우 저점도이나 칙소성을 가지므로 언더필 공정 중 간극 침투 속도는 빠르면서 주입 또는 도포된 후 흐름성 과다에 의한 공정불량의 소지가 없을 뿐 아니라, 수지 성질에 따른 기재에 대한 접착성이 우수하며 굴곡강도 등 기계적 성질이 양호하고, 양호한 내열특성을 가진다. 이와 같은 특성으로 인하여 COB(Chip on Board)의 Glob Top 방식이나 COF(Chip on Film)의 언더필 패키지에 적용한 결과 매우 우수한 작업성 및 신뢰도 특성을 나타낸다.

본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물을 이용한 성형공정은 통상의 토출 공정을 사용할 수 있으며, 경화는 150℃ 에서 0.5시간 이상 오븐에서 경화하는 것이 바람직하다. 150℃에서 0.5시간 미만 경화시에는 전이온도나 기계적 물성 등의 경화물 특성이 저하되는 경우가 있다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1∼3 및 비교예 1∼3

표 1에 나타난 배합비대로 원료를 SUS 재질의 교반용 용기에 투입한 후 호모 믹서로 교반 혼합하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 테플론 금형에서 150℃에서 한시간 경화시킴으로써 W×T×L이 4mm×10mm×80mm인 시편을 제조하고 유리전이온도, 굴곡강도, 열팽창계수 등을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 신뢰성 관련 테스트의 경우 W×L이 1.5mm×15mm인 칩을 장착한 기재에 언더필한 후 150℃에서 한시간 경화시킴으로서 시편을 제조하여 테스트하였다.

구성성분			실시예 1	실시예 2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
에폭시	¹⁾비스페놀 A형 에폭시 수지		24.4	16.9	16.4	24.5	17.1	31.9
에폭시	²⁾비스페놀 F형 에폭시 수지		24.4	31.5	32.1	24.5	31.7	16.2
경화제	³⁾알킬 테트라하이드로 프탈산 무수물		49.7	49.9	49.5	49.9	49.9	49.4
1-벤질-2-메틸이미다졸			0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
⁴⁾연무질실리카			0.5	0.7	1.0	-	0.3	1.5
⁵⁾실리콘소포제			0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
카본블랙			0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
계			100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0
물성평가 결과		점도(cps, 25℃)	380	310	450	360	300	650
		유리전이온도 Tg(℃)	125	120	128	121	120	130
		열팽창계수 α(㎛/m,℃)	60	58	57	63	60	55
		굴곡강도(kgf/mm²)	6.0	6.3	7.2	5.6	5.8	7.3
작업성평가 결과		토출성(G=good, M=medium,P=poor)	G	G	M	G	G	P
작업성평가 결과		칩중심-충진수지 fillet end간 거리(mm)	1.1	1.1	0.9	1.7	1.5	0.6
신뢰성평가 결과		TC(PASS %)	100	100	100	100	100	91

注) 1) 비스페놀 A 에폭시 수지, 에폭시 당량 170∼190, 점도는 3000cps

2) 비스페놀 F 에폭시 수지, 에폭시 당량 160∼190, 점도는 1500cps

3) 알킬화 테트라하이드로프탈산 무수물, 산무수물 당량 230∼250, 점도는 90cps

4) 연무질실리카, 평균입경 약 10nm, 비표면적 130∼180㎡/g

5) 폴리디메틸실록산, 점도 100cps

[물성평가방법]

1) 점도

Cone & Plate형 Brookfield 점도계를 사용하여 25℃에서 측정

2) 유리전이온도(Tg), 열팽창계수

TMA(Thermomechanical Analyser)로 평가 (승온속도 10℃/min)

3) 굴곡강도

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

4) 토출성

DISPENSER를 사용하여 NEEDLE SIZE 24G, 토출압 2kg/cm²에서 토출하였을 때 끊어짐없이 일정량 토출 여부 확인

5) 칩중심-충진수지 fillet end 간 거리

길이 20mm, 폭 2mm의 칩을 PI 기판에 솔더 범프(solder bump)로 붙이고 상기 수지조성물로 언더필한 후 칩의 중앙에서 수지가 경화되면서 형성된 fillet의 끝부분까지의 거리를 측정한 수치로 fillet 성형성이 가장 양호한 범위는 0.8mm~1.1mm

6) 신뢰성

TC(Thermo Cycle, -55~125℃, 1000 cycle)후 박리, 크랙 유무 관찰

표 1의 물성 및 신뢰성 평가결과에서 볼 수 있듯이 비스페놀 A계 에폭시와 비스페놀 F계 에폭시 수지의 조성비에 따라 점도치에 변화가 있었으며, 경화물의 유리전이 온도에는 비스페놀 A형의 함량이 늘어나면 Tg가 약간 증가하는 영향을 주는 것으로 보이나 그 영향이 크지 않았다. 연무질실리카를 조성물 전체 대비 0∼1.5중량% 사용한 결과 점도의 차이를 보였으며 유리전이온도나 열팽창계수에는 큰 영향을 주지 않았다. 연무질실리카 함량이 늘수록 기계적 강도가 증가하는 것으로 나타났으며 유동특성 즉 토출성이나 유동거리 제어에서는 0.5중량% 이상 1중량% 이하일때 가장 바람직한 물성을 얻었다. 즉 칩온필름 언더필 실장에서 칩중심부터 충진수지의 fillet end 까지의 거리가 0.8mm에서 1.3mm가 마킹이나 접착강도 등에서 가장 양호한 범위로 봤을때 연무질 실리카가 0.5중량% 미만일 경우에는 수지의 유동거리가 길어져서 fillet이 퍼지는 결과가 보였으며 연무질 실리카가 1중량% 보다 많을 때는 오히려 유동거리가 너무 짧고 토출성까지 불량해지는 문제를 보였다. 신뢰도 평가의 경우 상기 조성물이 대부분 양호한 결과를 보였으나 토출성 및 충진성 불량으로 인한 충분한 fillet 성형성의 부족으로 연무질실리카 1.5중량%일 경우에 신뢰도 불량이 나타났다.

본 발명의 액상 에폭시 수지 조성물에 의해 언더필용 액상 봉지재 용도에 적 합한 저점도, 고속주입성을 가지면서도, 흐름성 과다에 의한 작업성 불량을 개산한 액상 에폭시 수지 조성물을 제공할 수 있다.

Claims

(1) 에폭시 수지로서 하기 화학식 1로 표시되는 비스페놀 A형 에폭시 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 비스페놀 F형 에폭시 수지;

[화학식 1]

[화학식 2]

(2) 경화제로서 하기 화학식 3으로 표시되는 알킬 테트라하이드로프탈산 무수물;

[화학식 3]

(상기 식에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 탄소수 1∼4의 알킬 혹은 알케닐기임)

(3) 경화촉매;

(4) 평균입경 0.1㎛ 이하의 연무질 실리카; 및

(5) 소포제를 필수성분으로 하여 이루어지고, 상기 평균입경 0.1㎛ 이하의 연무질 실리카가 0.4~1.2중량% 함량으로 포함된 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 경화촉매가 하기 화학식 4로 표시되는 이미다졸계 촉매이고, 상기 소포제가 하기 화학식 5로 표시되는 폴리디메틸실록산인 것은 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물.

[화학식 4]

(상기 식에서 R₁, R₂ 및 R₃는 각각 독립적으로 수소원자, 메틸기, 에틸기, 페닐기, 시아노에틸기 또는 벤질기임)

[화학식 5]

(상기 식에서 x는 10∼100의 실수임)
제 2항에 있어서, 상기 에폭시 수지의 함량이 40∼60중량%이고, 상기 경화제의 함량이 36∼56중량%이며, 상기 경화촉매의 함량이 0.1∼2중량%이고, 상기 소포제의 함량이 0.01∼1중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 비스페놀 A형 에폭시 수지와 상기 비스페놀 F형 에폭시 수지의 혼합 중량비가 20:80∼50:50인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 액상 에폭시 수지 조성물.
제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항의 기재에 따른 액상 에폭시 조성물로 봉지된 칩온필름 언더필형 또는 칩온보드형 반도체.