KR100671128B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비페닐계 에폭시 수지, 페놀 노볼락 수지 및 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머를 포함하고 무기 충전제를 고충진함으로써 열 충격, 특히 반도체 후 공정에서 패드면 및 칩에 발생하는 크랙 문제를 개선하고, 에폭시 봉지재와 웨이퍼 칩 사이에 발생하는 접착문제를 감소시킴으로써 고신뢰성을 제공하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
에폭시 수지, 반도체 밀봉, 내크랙성, 접착성, 고신뢰도, 이소시아네이트, 폴리우레탄

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy Resin Composition for Packaging Semiconductor Device}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비페닐계 에폭시 수지, 페놀 노볼락 수지 및 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머를 포함하고 무기 충전제를 고충진함으로써 열 충격, 특히 반도체 후 공정에서 패드면 및 칩에 발생하는 크랙 문제를 개선하고, 에폭시 봉지재와 웨이퍼 칩 사이에 발생하는 접착문제를 감소시킴으로써 고신뢰성을 제공하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며, 이에 따른 배선 소자크기의 대형화, 셀 면적의 축소 및 다층 배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부환경으로부터 보호하는 패키지(Package)는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점에서 소형화가 가속화 되고 있다. 여기에 더불어, 환경 친화적 측면에서 후 공정인 솔더(Solder)에서 납 사용을 금지하는 규제를 고려해야 한다. 현재까지 진척된 솔더 재료의 동향은 기존 납(Pb)와 주석(Sn)에서 인체 유해 문제로 인해 납 사용을 금지하는 추세로 이를 대체하는 물질로 주석(Sn), 비스무스(Bi), 은(Ag)이 거론되고 있다. 또한 납 프리(Pb Free)로 인한 솔더 온도가 기존 230℃에서 265℃까지 높아지면서 패키지 크랙 및 웨이퍼와 에폭시 수지 조성물 간의 계면 박리 현상이 증가되어 기존 에폭시 수지 조성물로는 신뢰성 있는 제품을 기대하기 어려운 실정이다.
이와 같이 수지 밀봉형 반도체 장치에서는 외부환경의 온도 및 습도변화에 따른 열 응력과 수분 침투에 의해 알루미늄 패드 부식 발생의 고장 발생 빈도가 매우 높아지게 된다. 부식 발생을 억제하기 위한 방법으로 고순도의 에폭시 수지 또는 경화제의 사용, 반도체 소자 밀봉제와 리드프레임간의 접착력 강화제의 첨가에 의한 디라미네이션의 억제, 이온 포착제(Ion Trapper) 적용에 의한 불순물 저하, 및 무기 충전제 고충전에 의한 수분 흡습량 저하 방법이 있다.
에폭시 수지로서, 기존의 오르소 크레졸 노볼락(ortho Cresol Novolac)형 에폭시 수지를 적용한 것에 관한 연구가 이미 진행되어 있으나(특허등록 제 413358호), 납 프리(Pb Free)시 솔더 공정 온도를 265℃까지 상승시키면 패드 면 및 칩에 크랙이 발생하여 납 프리(Pb free) 조건의 신뢰성을 만족시키는데 문제가 발생한다.
상기 문제를 해결하기 위한 것으로서 본 발명은 비페닐계 에폭시 수지, 페놀 노볼락 수지 및 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머를 포함하여 납땜 내열성 및 성형성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.
즉, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면은 비페닐 에폭시 수지, 페놀 노볼락 수지, 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리 폴리머, 경화촉진제, 무기충진제, 브롬화 에폭시 수지, 삼산화 안티몬 및 기타 첨가제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 관하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 기본 수지로 비페닐 에폭시 수지 및 페놀 노볼락계 경화제를 사용하고, 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머를 도입하는 것을 기본 구성으로 한다.
본 발명의 조성물에서는 웨이퍼 칩 면과 봉지재료간 접착특성 및 240℃ 내지 265℃의 고온 솔더 공정에서 패키지의 내크랙성을 향상시키기 위해 하기 화학식 1로 표시되는 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머를 포함한다.
Figure 112004061223305-pat00001
상기 식에서 R은 수소원자 또는 메틸기이고, n은 1 내지 10의 정수이다.
상기 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머의 중량 평균 분자량은 바람직하게는 1,000 ~ 10,000, 보다 바람직하게는 1,150 ~ 4,600이다.
상기 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머의 함량은 전체 조성물 대비 0.01∼10 중량%의 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.2~3 중량%이다. 이는 상기 함량이 0.01 중량% 미만인 경우 충분한 물성 개질 효과를 달성하기 어려울 수 있고, 10 중량%를 초과하는 경우 균일한 가교 반응도 확보 및 부착력 제공이 어려운 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.
본 발명의 조성물에 사용되는 비페닐 에폭시 수지는 하기 화학식 2로 표시되는 구조를 갖는다.
Figure 112004061223305-pat00002
상기 식에서 R은 수소원자 또는 탄소수 1~ 4의 알킬기를 나타낸다.
그 사용량은 당업자가 필요에 따라 임의로 조정할 수 있지만, 바람직하게는 전체 수지 조성물에 대하여 2 ~ 14 중량%의 범위로 사용하는 것이 효과적이다.
또한, 본 발명의 조성물에 사용되는 경화제로는 하기 화학식 3로 표시되는 페놀 노볼락 수지를 사용할 수 있다.
Figure 112004061223305-pat00003
상기 식에서 n은 0 내지 4의 정수이다.
상기 페놀 노볼락 수지는 충분한 유동성 확보를 위해 ICI (150℃, poise) 점도가 10 이하인 것을 주로 사용하며, 바람직하게는 전체 조성물 대비 1 ∼ 8 중량%의 범위로 사용할 수 있다.
본 발명에서 상기 에폭시 수지와 경화제의 당량비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.9∼1.1사이가 되도록 하는 것이 조성물의 경화도 즉 치수안정성 측면에서 보다 바람직하다.
한편, 본 발명에서 경화촉진제로는 통상의 트리페닐포스핀을 사용하거나, 또는 경화속도의 조절을 위해 이소시아네이트형 잠재성 경화촉매를 사용할 수도 있다. 상기 경화촉진제의 구체적인 예로서 트리아진 이소시아네이트 이미다졸 화합물, 트리페닐포스핀 어덕트로서 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 테트라페닐보론염 등을 들 수 있다.
상기 경화촉진제의 함량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.05∼0.3중량%의 범위로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 경화촉진제와 함께 보조 촉매를 병용하는 경우에 더욱 우수한 경화특성을 얻을 수 있는데, 이때 보조 촉매로 사용될 수 있는 구체적인 예로서는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 아민 화합물과, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 포스핀계 화합물을 들 수 있다. 보조촉매를 포함하는 경우 그 사용량은 전체 조성물 대비 0.05 ∼0.3 중량%의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명에서 무기충전제로는 그 평균입자크기가 0.3∼35㎛인 용융 또는 합성실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 조성물의 구성 비율에 있어서 잔량으로 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는 75~90중량%로 사용된다. 무기충전제의 양이 75 중량% 미만인 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없으며 또한 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 특성에 치명적이고 90 중량%를 초과하면 유동특성의 저하로 인해 성형성이 나빠질 우려가 있기 때문이다.
본 발명의 무기충진제 성분으로 알루미나(alumina) 또는 질화알루미늄(AlN) 을 상기 실리카와 병용하여 사용할 수도 있다. 이 경우 알루미나(alumina) 또는 질화알루미늄(AlN)은 조성물 전체에서 0.5 ~ 20 중량% 범위가 되도록 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 난연성을 부여하기 위하여 에폭시 당량 250∼400, 브롬 함량 35∼50%인 폴리 글리시딜에테르 브롬화 페놀 에폭시 및 삼산화 안티몬을 혼합하여 사용하며 두 성분의 함량이 전체 조성물에 대하여 각각 0.2∼1.2중량% 가 되도록 하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 수지 조성물에는 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위 내에서 필요에 따라 고급 지방산, 천연지방산, 파라핀계 왁스, 에스테르계 왁스, 변성실리콘 오일 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제, 가교증진제, 난연보조제, 레벨링제 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 소정의 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 분쇄하여 혼합한 뒤 1차 분말 제조물을 얻은 후 롤밀이나 니이더를 이용 100℃에서 약 10분 이내로 용융 혼련한 뒤 냉각, 분쇄과정을 거쳐 제조될 수 있다.
이하의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것이다.
실시예
상기에서 언급된 구성성분들을 이용하여 표 1의 실시예 1∼4 및 비교예 1∼3에 나타낸 조성과 같이 배합하고 헨셀믹서 또는 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 분쇄, 혼합하여 1차 분말 제조물을 수득한 후, 롤밀을 이용하여 100℃에서 10분 이내로 용융 혼련한 뒤 냉각, 분쇄과정을 거쳐 에폭시 봉지 조성물을 제조하였다.
이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 물성 및 신뢰성을 평가하여 이를 표 2 및 표 3에 나타내었다.
Figure 112004061223305-pat00004
1) JAPAN EPOXY RESIN: YX-4000H
2) MEIWA: HF-3M
3) NIPPON KAYAKU: BREN-S
4) HOKKO : TPP
5) HOKKO : 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트
6) 무기충전제: SiO2
7) 에폭시변성실리콘 오일 : 도레이 다우코닝 (SF-8421EG)
Figure 112004061223305-pat00005
[물성 평가방법]
㉠ 스파이럴 플로우(Spiral Flow)
EMMI규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도(175℃), 성형압력 70Kgf/cm2에서 유동길이를 평가.
㉡ 유리전이온도(Tg), 열팽창계수
TMA(Thermal mechanical Analyser)로 평가 (승온속도 10℃/min)
㉢ 부착력 : 리드프레임(Copper Lead Frame)와 에폭시 봉지재와의 인장력 (UTM 이용)
㉣ 굴곡강도, 탄성율: 경화된 EMC 성형시편(125 X 12.6 X 6.4 mm)을 준비하여 시편 중심부의 넓이와 두께를 Micrometer로 0.001mm까지 재어 UTM 시험기에서 측정하였다.
Figure 112004061223305-pat00006
[물성 평가방법]
㉠ 크랙성 평가
28MQFP를 MPS(Multi Plunger System)성형기를 이용하여 175℃에서 120초간 성형시킨 후, 175℃ 4시간 후경화시킨 다음 IR REFLOW 온도를 265℃로 하여 3회 진행 후 초음파(C-SAM)설비를 이용하여 크랙이 발생한 수를 C-SAM으로 평가한다,
㉡ 박리성 평가
냉열충격시험기(Thermal Shock Tester)에서 -65℃ 에서 150℃까지 각각 10분간 지속하면서 100, 200, 500 사이클로 가혹시험하여 리드프레임 및 리드온 칩과 에폭시봉지재 사이에 박리가 10%이상 발생한 수를 C-SAM으로 평가한다.
상기 표 2 및 표 3에서 나타난 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 리드 온 칩 및 리드프레임과 에폭시 봉지재와의 접착특성이 월등히 향상되었음을 알 수 있고 신뢰성 측면에서 우수한 특성을 나타내었다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 열 충격, 내크랙성 및 접착성이 개선되어, 납프리(Pb Free) 공정 후에도 우수한 신뢰성을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 에폭시 수지, 페놀 노볼락 수지, 경화 촉진제 및 무기 충전제를 필수 성분으로 하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물이 하기 화학식 1로 표시되는 이소시아네이트 터미네이티드 폴리우레탄 프리폴리머를 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.2~ 3 중량% 추가로 포함하며, 상기 에폭시 수지로 하기 화학식 2로 표시되는 비페닐 에폭시 수지를 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 2~ 14 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물;
    [화학식 1]
    Figure 112006067620584-pat00007
    상기 식에서 R은 수소원자 또는 메틸기이고, n은 1 내지 10의 정수이다.
    [화학식 2]
    Figure 112006067620584-pat00010
    상기 식에서 R은 수소원자 또는 탄소수 1~ 4의 알킬기를 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 페놀 노볼락 수지가 하기 화학식 3으로 표시되고 전체 조성물의 중량에 대해 1∼8중량%로 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물;
    [화학식 3]
    Figure 112006067620584-pat00009
    상기 식에서 n 값은 0 내지 4의 정수이다.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 경화촉진제로서 이소시아네이트형 잠재성 경화촉매를 사용하고, 추가로 아민형 보조촉매 또는 포스핀형 보조촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 무기충전제로서 실리카를 사용하고, 알루미나(alumina) 또는 질화알루미늄(AlN)를 조성물 전체에 대하여 0.5 ~ 20 중량% 범위로 추가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
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