KR100673622B1

KR100673622B1 - 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자밀봉용 에폭시 수지 조성물

Info

Publication number: KR100673622B1
Application number: KR1020050070475A
Authority: KR
Inventors: 박인규; 박윤곡
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2007-01-24

Abstract

본 발명은 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충전제를 필수성분으로 하여 이루어진 에폭시 수지 조성물에 있어서 하이드록시 벤조페논 단량체를 함유하는 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 의해 흐름성 및 휨 특성이 우수하며 상온 보관안정성이 우수한 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물을 제공할 수 있다.

하이드록시 벤조페논, 에폭시 수지, 흐름성, 휨 특성, 보관안정성

Description

흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy Molding Compound having good Flow-ability, low warpage, and long storage life for sealing Electronic Component}

본 발명은 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충전제를 필수성분으로 하여 이루어진 에폭시 수지 조성물에 있어서 하이드록시 벤조페논 단량체를 도입한 흐름성, 휨(warpage) 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

최근의 전자기기 시장은 끊임없이 소형화, 경량화, 고집적화, 고속화를 진행하고 있으며 반도체 패키지의 효율 및 성능의 극대화를 추구하고 있다. 반도체 패키지의 기술은 초기 삽입형 패키지인 DIP, PGA 형태에서 패키지 크기가 작고 전기적 성능이 우수한 QFP, SOP 형태를 거쳐 미세 피치 표면실장형 TQFP, TSOP 등으로 발전하고 있다.

또한 이러한 표면실장형 기술의 장점을 결합하여 이차원적 평면에 격자형식으로 분포된 솔더볼을 통하여 칩을 다음 레벨의 패키지인 PCB 등과 전기적으로 연결하는 BGA(Ball Grid Array) 형태의 고성능 패키지로 발전하고 있다. 이러한 BGA 혹은 더욱 소형화된 칩 사이즈 패키지인 CSP(Chip Scale Package)는 소자가 장착된 기판의 한 쪽 면만이 수지 조성물에 의해 봉지되고 Solder ball이 제공되는 쪽의 면은 봉지되지 않는 단면 봉지형 구조를 가지고 있다.

따라서 성형 직후 유기 기판 혹은 금속 기판과 수지 조성물 간의 열팽창, 열 수축의 불일치나 수지 조성물의 성형 및 경화 도중 경화 수축의 영향 때문에 반도체 패키지에서 휨이 발생하기 쉽다.

최근에는 FBGA(Fine Pitch BGA)가 개발되어 생산되고 있으며 FBGA는 한번에 여러 개의 칩을 수지 조성물로 성형하고 다이아몬드를 이용해 각각의 패키지를 잘라내는 공정을 채택하고 있다. 이러한 패키지의 특성상 성형되는 면적도 넓고 두께도 얇기 때문에 봉지재의 물성에 따라서 기공이 발생하거나 와이어 스윕 현상이 심해질 수 있다.

이러한 문제 해결을 위해 봉지재용 수지 조성물 중 저점도 수지를 사용하거나 충전제 함량을 높여 고충전하여 경화 수축을 줄이는 방법 등이 일반적으로 채택되고 있다. 그러나, 이러한 경우 저점도 수지 사용에 의한 내열성 저하로 연속작업 시 청소 주기가 짧아지는 경향이 있으며 상온 보관 시 급격히 점도가 상승하여 저장 안정성(storage life) 문제가 야기될 수 있고, 충전제 함량을 높여 고충전할 경우에도 점도 상승에 의한 유동성 저하를 가져올 수 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 하이드록시 벤조페논 단량체를 적용하여 유동성 및 휨 특성이 우수하며 상온 보관안정성이 우수한 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

그러므로 본 발명에 의하면 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충전제를 필수성분으로 하여 이루어지는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 하이드록시 벤조 페논을 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물이 제공된다.

------(화학식 1)

(m= 1∼3, m’= 5∼m, n= 0∼3, n’= 5∼n, R= H 혹은 알킬 또는 아릴 그룹)

상기 화학식 1로 표시되는 하이드록시 벤조 페논을 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.01 ∼ 1 중량% 함유하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 무기 충전제를 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 70 ∼ 92 중량% 함유하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 상기 에폭시 수지 조성물에 난연제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물이 제공된다.

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 무기 충전제, 경화촉진제, 하이드록시 벤조 페논을 필수성분으로 함유하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 성분인 하이드록시 벤조페논 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 구조로 이루어진 것이다.

------(화학식 1)

본 발명에서 상기 화학식 1의 하이드록시 벤조페논 단량체는 하이드록시 그룹이 2 ∼ 3인 2-하이드록시 벤조페논이나 3-하이드록시 벤조페논이 바람직하다. 상기 하이드록시 벤조페논은 전체 에폭시 수지 조성물의 유동성을 높여 주며 열팽창률을 낮추어 준다.

상기 하이드록시 벤조 페논은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.01 ∼ 1 중량% 함유하는 것이 바람직하며 0.05 ∼ 0.2 중량% 수준의 함량이 보다 바람직하다. 하이드록시 벤조페논을 1 중량%보다 초과하여 사용하는 경우에는 에폭시 수지 조성물의 경화성이 저하되기 쉽고, 0.01 중량% 미만으로 사용시에는 충분한 유동성 및 휨 개선 특성을 얻을 수가 없게 된다.

본 발명에 사용되는 에폭시 수지는 오르소 크레졸 노볼락형, 비페닐형, 다관능형, 다방향족형, 나프탈렌형, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지 중 어느 한 가지 또는 2종 이상을 혼합하여 사용하고 전체 에폭시 수지량은 3 ∼ 20 중량%가 바람직하다.

본 발명에 사용되는 경화제는 노볼락형, 자일록형, 다관능형, 다방향족형, 나프탈렌형, 디사이클로펜타디엔형 페놀 수지 중 어느 한 가지 또는 2종 이상을 혼합하여 사용하고 전체 페놀 수지량은 3 ∼ 20 중량%가 바람직하다.

본 발명에 사용된 경화촉진제는 상기 에폭시 수지와 경화제의 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 이 중 1종 또는 2종 이상을 병용해도 좋으며, 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1 ∼ 1 중량%가 바람직하다.

본 발명에 사용되는 무기 충전제는 고순도의 천연실리카, 합성실리카, 용융실리카, 알루미나 등을 사용하고 성상은 구상 및 각상을 모두 적용할 수 있다. 무기 충전제의 충전량은 조성물 전체에 대해 70 ∼ 92 중량% 사용하는 것이 바람직하 다. 70 중량% 미만으로 무기 충전제를 사용할 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없으며 또한 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 특성에 치명적이 된다. 또한, 무기 충전제의 충전량이 92 중량%를 초과하면 유동특성의 저하로 인하여 성형성이 나빠질 우려가 있다.

본 발명에 사용되는 커플링제는 유기계인 수지와 무기계인 실리카 등과의 화학적 가교 결합 형성을 위해 필요한 성분으로 에폭시 실란, 비닐 실란, 메틸 실란, 아미노 실란, 알킬 실란, 머캅토 실란, 실라잔을 사용하며, 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1 ∼ 1 중량%가 바람직하다. 커플링제 사용량이 0.1 중량% 미만이면 기계적 강도가 저하되며 1 중량%를 초과하면 저장 안정성이 취약해진다.

또한 본 발명의 성형재료에는 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본믈랙, 유·무기염료 등의 착색제, 에폭시 실란, 비닐 실란,아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제 등을 필요에 따라 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에는 난연제를 추가로 함유할 수 있다.

이상과 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더로 용융혼련하며, 냉각, 분쇄과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법이 사용되고 있다.

본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로써는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 인젝션 (Injection) 성형법이나 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형 가능하다.

이하 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1 내지 6]

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해 표 1과 표 3에 나타낸 바와 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.

이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 다음과 같은 방법으로 물성 및 신뢰성을 평가하였으며, 신뢰성 시험을 위해 MPS(Multi Plunger System)성형기를 이용하여 175℃에서 60초간 성형시킨 후, 175℃에서 6시간 동안 후경화시켜, PCB 0.37T, 144FBGA형 반도체 소자를 제작하였다.

본 발명에 의한 에폭시수지 조성물의 물성 및 난연성, 신뢰성, 성형성 시험결과를 표 2와 표 4에 나타내었다.

신뢰성 시험은 열충격 시험에서의 패키지크랙 발생정도로 나타내었다.

* 물성평가 방법

1) 스파이럴 플로우(Spiral Flow)

EMMI 규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도 175℃, 성형압력 70Kgf/㎠ 에서 유동길이를 평가하였다.

2) 유리전이온도(Tg)

TMA(Thermomechanical Analyser)로 평가하였다.

3) 열팽창계수(α1,α2)

ASTM D696에 의해 평가하였다.

4) 내크랙성 평가(신뢰성 시험)

프리컨디션(Precondition) 후 열충격 환경시험기(Temperature Cycle Test)에서 1,000사이클 경과 후, 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustic Tomograph)로 크랙발생유무를 평가하였다.

a) 프리컨디션조건

에폭시 수지조성물로 제조한 144FBGA형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후 5 사이클의 열충격시험을 거쳐 다시 85℃, 85% 상대습도 조건 하에서 168시간 동안 방치시킨 후 235℃, 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 1차로 프리컨디션 조건 하에서의 패키지 크랙발생 유무를 평가하였다. 이 단계에서 크랙이 발생되었을 경우, 다음 단계인 1,000 사이클의 열충격 시험은 진행하지 않았다.

b) 열충격 시험

앞서의 프리컨디션 조건을 통과한 반도체 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 1 사이클로 하여 1,000 사이클을 진행한 후, 비파괴 검사기인 SAT를 이용하여 내부 및 외부 크랙을 평가하였다.

[비교예 1 내지 5]

다음 표 1, 표 3에 나타난 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며, 각 물성 및 신뢰성 평가결과를 표 2와 표 4에 나타내었다.

상기 표 2와 표 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 수지 조성물이 기존의 비교예에 비하여 흐름성, 휨특성, 연속작업성, 저장안정성 및 신뢰성 면에서도 우수한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

구 성 성 분(단위:중량 %)		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2	비교예 3
에폭시 수지	다방향족 변성 에폭시 수지	7.15	7.1	5.0	2.5	7.2	6.7
에폭시 수지	바이페닐	-	-	1.8	4.0	-	-
경화제	자일록	4.3	4.3	4.6	4.90	4.3	4.1
하이드록시 벤조페논 ¹⁾		0.05	0.1	0.1	-	-	-
경화촉진제		0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
실리카(구형/각형 9:1)		87.5	87.5	87.5	87.5	87.5	87.5
γ-글리시톡시프로필트리메톡시 실란		0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.9
카본블랙		0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
카르나우바왁스		0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
합 계		100.0	100.0	100.0	100.0	100.0	100.0

¹⁾ 화학식 1 구조 화합물(제조사: DAITO CHEMICAL, 상품명: 3HBP)

평 가 항 목		실시예1	실시예2	실시예3	비교예1	비교예2	비교예3
스파이럴 플로우(inch)		42	45	49	44	34	31
Tg(℃)		132	130	124	128	120	126
열팽창계수(α1)		9.7	9.2	9.5	10.5	10.2	10.5
열팽창계수(α2)		38.5	38.0	38.0	41.0	40.2	40.5
굴곡탄성율(kgf/㎟at35℃)		2250	2200	2220	2300	2350	2380
연속 작업성	연속 100shot후 스티킹 혹은 표면 얼룩	없음	없음	없음	발생	없음	발생
와이어 스윕(와이어 : Au, 직경 20㎛)		6%	5%	3%	9%	12%	13%
신뢰성	박리	0	0	0	0	5	1
신뢰성	총 시험 반도체 소자 수	16	16	16	16	16	16
S/F 변화(inch) (23℃,50%RH,48시간 방치 후)		40	45	46	32	26	21

구 성 성 분(단위:중량 %)		실시예 4	실시예 5	실시예 6	비교예 4	비교예 5
에폭시 수지	다관능성	5.0	5.0	4.1	5.0	4.2
에폭시 수지	바이페닐	3.95	3.90	5.0	4.0	5.0
경화제	다관능성 페놀	2.45	2.45	4.7	2.45	4.7
경화제	노볼락형 페놀	2.45	2.45	-	2.45	-
하이드록시 벤조페논 ¹⁾		0.05	0.1	0.1	-	-
경화촉진제		0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
실리카(구형/각형 9:1)		83.0	83.0	83.0	83.0	83.0
난연제	브롬화 에폭시	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
난연제	삼산화안티몬	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
γ-글리시톡시프로필트리메톡시 실란		0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
카본블랙		0.25	0.25	0.25	0.25	0.25
카르나우바+몬탄 에스테르형 왁스		0.35	0.35	0.35	0.35	0.35
합 계		100.0	100.0	100.0	100.0	100.0

¹⁾ 화학식 1 구조 화합물(제조사: DAITO CHEMICAL, 상품명: 3HBP)

평 가 항 목		실시예4	실시예5	실시예6	비교예4	비교예5
스파이럴 플로우(inch)		47	50	52	39	41
Warpage(㎛)	성형직후	48	48	44	60	58
	PMC 6시간후	68	70	67	75	72
	Solder Ball 탑재 후	78	75	69	98	85
와이어 스윕 (와이어:Au,직경20㎛)		4.0	5.0	5.0	11.0	10.0
신뢰성	박리	0	0	0	2	1
신뢰성	총 시험 반도체 소자 수	12	12	12	12	12

본 발명에 의해 흐름성, 휨특성, 연속작업성, 저장안정성 및 신뢰성 면에서 우수한 특성을 가진 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물을 제공할 수 있다.

Claims

에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충전제를 필수성분으로 하여 이루어지는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 하이드록시 벤조 페논을 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.01 ∼ 1 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.

------(화학식 1)

(m= 1∼3, m’= 5∼m, n= 0∼3, n’= 5∼n, R= H 혹은 알킬 또는 아릴 그룹)
제 1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 하이드록시 벤조 페논을 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.05~0.2 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
제 1항에 있어서, 무기 충전제를 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 70 ∼ 92 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물에 난연제를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 흐름성, 휨 특성 및 저장안정성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.