KR100678683B1 - 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 구리 리드 프레임, 니켈 도금을 한 구리 리드 프레임, 및 니켈/팔라듐 도금 후 은 및/또는 금 도금을 한 구리 리드 프레임과의 부착력을 향상시키기 위하여 피롤계 실란 커플링제를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 구리 리드 프레임뿐만 아니라 니켈 도금을 한 구리 리드 프레임, 또는 니켈/팔라듐 도금 후 은 및/또는 금 도금을 한 구리 리드 프레임과의 부착력을 향상시켜 반도체 패키지의 신뢰도를 높일 수 있어 수지 밀봉형 반도체 소자 제조에 유용하다.
반도체 소자, 부착력, 피롤, 실란 커플링제, 신뢰도

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물{Epoxy resin composition for encapsulating semiconductor device}
도 1은 본 발명의 조성물을 포함하는 전기/전자 부품 메이커 및 세트 메이커에서의 전자 부품 내 무연(Pb-free)화 하여야 할 대상의 단면도이다.
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내땜납성을 가짐과 동시에 구리(Cu) 리드 프레임 및 구리 금속 소자에 니켈-팔라듐(Ni-Pd), 니켈-팔라듐-금(Ni-Pd-Au), 니켈-팔라듐-금/은(Ni-Pd-Au/Ag) 등이 사전 도금(Pre-Plating)된 리드 프레임과의 부착성이 우수한 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
근래 폐기되는 전기/전자제품 내의 납 성분의 인체에 대한 치명적인 영향이 현실화됨에 따라 국가별로 지하수 1리터당 납 용출량을 0.05 ∼ 0.3mg으로 규제하고 있다. 특히 유럽을 중심으로 납 규제에 대한 법제화가 활발히 진행되고 있으며 환경 유해 물질로서 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬 등의 무기 원소와, 브롬계 유기 난연제 등 6가지를 제한하는 RoHS(Restriction of Hazardous Substances)를 2006년 7월에 전면 시행할 예정이다.
따라서 규제법이 시행되기 이전에 전기/전자 제품 내 유해물질이 함유된 부품 전부를 환경 친화적으로 교체하여야 하므로 무연(Pb free)제품의 활발한 개발이 필요한 실정이다.
현재 솔더(solder)의 경우 현재 거의 무연 솔더로 진행된 상태이며, 주석-납 도금(Sn-Pb Plating)도 점차 무연화가 진행되고 있는 단계이다. 기존의 주석-납 도금에 대응하여 현재까지 개발되고 있는 무연화 방법은 크게 순주석도금(Pure Sn plating)과 니켈-팔라듐계 사전 도금을 들 수 있다.
일부 대형 반도체 메이커를 중심으로 현재 널리 사용되어 지고 있는 구리 리드 프레임을 순주석도금하는 방법이 적극적으로 검토되고 있는 단계이나 휘스커 문제를 극복하여야 하는 과제가 남아 있어 양산까지는 상당 시간이 소요될 것으로 예상된다. 구리 금속 소자 표면에 니켈-팔라듐계로 사전 도금하는 방법은 이러한 문제점 극복을 위한 대안으로 제시되고 있는데, 특히 유럽을 중심으로 구리 리드 프레임을 구리 금속 소자 표면에 니켈-팔라듐계로 사전 도금한 리드 프레임(일명 PPF; Pre-Plated Frame)으로 대체하는 연구/개발이 활발히 진행되고 있으며 일부 반도체 소자의 경우 이미 PPF로 양산화하고 있는 단계이다. 이러한 PPF를 활용한 반도체 소자는 2005년 이후 큰 폭으로 증가할 것으로 예상되고 있다.
그러나 PPF 리드 프레임은 기존 구리 리드 프레임에 비하여 에폭시 수지 조성물과의 계면 부착력이 매우 낮아 패키지의 표면 실장 시 높은 용접 온도에 의하여 열충격에 의한 패키지 크랙, 리드 프레임과 에폭시 수지 조성물 간의 박리가 발 생하는 등 반도체 패키지의 신뢰도가 현저하게 저하되는 문제를 안고 있다.
일반적으로 용접 후의 신뢰도 저하를 개선하기 위하여 무기 충전재의 충전량을 증가시켜 저흡습 및 저열팽창화를 달성하여 내땜납성을 향상시킴과 동시에 저점도 수지를 사용하여 고유동성을 유지하는 방법을 적용하나, 용접 처리 후의 신뢰성은 에폭시 수지 조성물의 경화물과 반도체 장치 내부에 존재하는 반도체 소자나 리드 프레임 등의 기재와의 계면의 부착성이 더 큰 영향을 미치게 된다. 만약 이 계면의 부착력이 약하다면 용접 처리 후의 기재와의 계면에서 박리가 발생하고 나아가서는 이 박리에 의하여 반도체 장치에 크랙이 발생하게 되는 것이다.
종래에는 계면 접착력 향상을 목적으로 아민계 커플링제 등이 수지 조성물에 첨가되어 왔으나(참고: JP2000-304430, JP2000-352727) 무연화에 의한 용접 처리 온도의 상승(215∼240℃에서 260℃로 상승)이나 니켈-팔라듐, 니켈-팔라듐-금 및 니켈-팔라듐-금/은 계 PPF 등의 출현으로 적합한 부착력을 유지하는 데에 한계에 도달하게 되었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 소자, 구리 및 니켈-팔라듐, 니켈-팔라듐-금 및 니켈-팔라듐-금/은 등으로 사전 도금한 금속 리드 프레임 등의 각종 부재와의 부착성을 향상시키고, 기판 실장 시의 내땜납성을 향상시킨 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이것을 이용한 반도체 장치를 제공하는 것이다.
그러므로 본 발명은 새로운 커플링제를 첨가하여 기재와의 부착력을 획기적으로 향상시킴으로써 내납땝성을 크게 향상시킨 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 구리 리드 프레임 및 니켈-팔라듐 계 PPF에 있어서의 부착력을 크게 증가시킴으로써 구리 및 PPF 리드프레임을 사용하는 반도체 패키지의 신뢰도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 수지 밀봉형 반도체 소자 제조에 유용하다.
그러므로 본 발명에서는 하기 화학식 1의 피롤계 실란 커플링제를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물이 제공된다.
[화학식1]
Figure 112005078617378-pat00001
(상기 식에서 R1은 탄소수 1 ∼ 3의 알콕시기이다.)
상기 피롤계 실란 커플링제의 함량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.01 ∼ 1 중량%인 것을 특징으로 한다.
상기 피롤계 실란 커플링제에 에폭시 실란 커플링제, 머켑토 실란 커플링제, 아민계 실란 커플링제 및 메틸 트리 메톡시 실란 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 병용하는 것을 특징으로 한다.
상기 커플링제의 총 함량은 0.01 ∼ 1 중량%인 것을 특징으로 한다.
상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 무기 충전제를 전체 에폭시 수지 조성물 대비 82 ∼ 92중량%로 추가 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명에 사용된 피롤계 실란 커플링제는 하기 화학식 1의 구조를 갖는다.
[화학식1]
Figure 112005078617378-pat00002
(상기 식에서 R1은 탄소수 1 ∼ 3의 알콕시기이다.)
상기 피롤계 실란 커플링제는 화합물 내에 존재하는 피롤기의 특성으로 인하여 구리 리드프레임뿐만 아니라 PPF에 대한 부착력을 크게 향상시켜 반도체 소자의 신뢰성을 향상시키는 작용을 한다. 상기 커플링제의 함량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.01 ∼ 1 중량%인 것이 바람직하고, 0.01 ∼ 0.5 중량% 사용하는 것 이 보다 바람직하다. 0.01 중량% 미만을 적용한 경우에는 충분한 부착성을 가질 수 없고, 1 중량%를 초과하여 적용한 경우에는 부착성은 향상되지만 전체 에폭시 조성물의 몰딩 작업성이 현저히 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 상기 피롤계 실란 커플링제 외에 통상의 에폭시 실란 커플링제, 머켑토 실란 커플링제, 아민계 실란 커플링제 및 메틸 트리 메톡시 실란 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 병용하여 사용할 수 있으나 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 커플링제의 총 함량 역시 0.01 ∼ 1 중량%인 것이 바람직하다.
상기 커플링제는 조성물 제조 시 직접 투입하거나, 에폭시 또는 경화제의 용융물에 미리 녹여 분산하여 조성물에 투입하거나, 커플링제를 물과 혼합하여 가수 분해물을 얻은 후 믹서를 이용하여 상온에서 실리카와 교반하여 전처리된 실리카를 얻은 다음 조성물에 투입하여 사용할 수 있다.
본 발명의 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 에폭시 수지는 다방향족 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 바이페닐계 에폭시 수지, 비스페놀계 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔계 에폭시 수지, 나프탈렌계 에폭시 수지 등의 임의의 에폭시수지를 적어도 한 종 이상 사용한다.
본 발명의 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 경화제로는 다방향족 페놀 수지, 페놀 노볼락형 수지, 크레졸 노볼락형 수지, 자일록형 수지, 디시클로펜타디 엔계 페놀 수지, 나프탈렌계 수지 등의 임의의 페놀 수지를 적어도 한 종 이상 사용한다.
본 발명의 조성물에서 사용 가능한 경화 촉진제는 상기 에폭시 수지와 페놀 수지의 경화반응을 촉진하기 위한 촉매 성분으로, 예를 들면 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 있다. 이 중에서 1종 또는 2종 이상을 병용할 수 있으며, 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1 ∼ 0.5 중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용할 수 있는 무기충전제로서는 그 평균입자가 0.1 ∼ 35 ㎛인 용융 또는 합성실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 충전량은 조성물 전체에 대해 82 ∼ 92 중량%가 바람직하다.
본 발명의 조성물에는 필요에 따라 브롬화 에폭시 수지, 산화 안티몬, 금속 수화물 등의 난연제, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등의 이형제, 카본블랙, 유·무기염료 등의 착색제 및 변성 실리콘 오일, 실리콘 파우더, 실리콘 레진 등의 응력완화제 등을 필요에 따라 사용할 수 있다. 이 때 변성 실리 콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 좋으며 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 0.05 ∼ 1.5 중량% 사용할 수 있다.
이상과 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더로 용융 혼련하며, 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 및 2]
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 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 다음과 같은 방법으로 물성 및 신뢰성을 평가하였다. 신뢰성 시험을 위해 구리 금속 소자에 니켈-팔라듐-금이 사전 도금된 리드 프레임으로 구성된 LQFP형 반도체 소자를 이용하였으며, 성형 시에는 MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 60초간 성형시킨 후, 175℃에서 4시간 동안 후경화시켜, LQFP형 반도체 소자를 제작하였다.
본 발명에 의한 에폭시수지 조성물의 물성 및 신뢰성 시험결과를 표 2에 나타내었다. 신뢰성 시험은 프리컨디션 조건 하에서의 다이의 박리 및 패키지 크랙 발생 정도로 나타내었다.
[물성평가 방법]
* 스파이럴 플로우(Spiral Flow): EMMI규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도175℃, 성형압력 70Kgf/㎠에서 유동 길이를 평가하였다.
* 유리전이온도(Tg): TMA(Thermomechanical Analyzer)로 평가하였다.
* 부착력: 측정하고자 하는 구리 금속 소자를 부착 측정용 금형에 맞는 규격으로 준비하고, 준비된 구리 금속 시편에 니켈-팔라듐-금 및 니켈-팔라듐-금/은을 도금한 시험편을 준비하였다. 이렇게 준비된 금속 시험편에 측정 대상인 에폭시 수지 성형물을 금형온도 170 ∼ 180℃, 이송압력 1000psi, 이송속도 0.5 ∼1.0 cm/sec, 경화시간 120초의 조건으로 성형하여 경화물을 얻은 후, 시편을 170 ∼ 180℃의 오븐에 넣어 4시간 동안 후경화 시킨 직후와, 60℃, 60% 상대습도 조건 하에서 120시간 동안 방치시킨 후 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시킨 후의 부착력을 각각 측정하였다. 이때 금속 시편에 닿는 에폭시 수지 조성물의 면적은 40±1㎟이며 부착력 측정은 각 측정 공정 당 10개 이상의 시편에 대하여 UTM을 이용하여 측정하였다.
* 내크랙성 평가(신뢰성 시험): 구리 금속 소자에 니켈-팔라듐-금이 사전 도금된 리드 프레임으로 구성된 LQFP형 반도체 소자를 측정 대상인 에폭시 수지 조성물을 이용하여 조립한 후 175℃에서 4시간 동안 후경화하였다. 이러한 LQFP형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후, 60℃, 60% 상대습도 조건 하에서 120시간 동안 방치시킨 후 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 프리컨디션 이후의 패키지 외관 크랙발생 유무를 광학현미경으로 평가하였다. 또한 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustic Tomograph)를 이용하여 에폭시 수지 조성물과 리드 프레임간의 박리 발생 유무를 평가하였다.
구성성분(단위:중량%) 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2
에폭시 수지 다방향족 에폭시 수지 4.87
바이페닐 에폭시 수지 2.10
경화제 자일록 4.16
다방향족 페놀 수지 0.64
경화 촉진제 트리페닐포스핀 0.20
무기 충전제 실리카 87.00
커플링제 3-Glycidoxypropyltriethoxysilane 0.20 0.20 - - 0.20
Dimethyldimethoxysilane 0.30 - 0.20 0.20 -
N-2(aminoethyl)3-aminopropyltrimethoxysilane - 0.30 0.30 - -
N-(3-trimethoxysilylpropyl)pyrrole1) - - - 0.30 0.30
착색제 카본블랙 0.27
왁스 카르나우바왁스 0.26
1) N-(3-trimethoxysilylpropyl)pyrrole :
Figure 112005078617378-pat00003
[비교예 1 내지 3]
표 1에 나타난 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며, 각 물성 및 신뢰성 평가결과를 표 2에 나타내었다.
평가항목 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1 실시예2
스파이럴 플로우(inch) 40 45 38 48 43
Tg(℃) 126 125 124 122 124
리드 프레임 부착력 (kgf) Cu After PMC 65 78 73 88 87
After 60℃/60%+120hrs 59 70 63 80 78
Ni-Pd-Au PPF After PMC 0 0 0 42 44
After 60℃/60%+120hrs 0 0 0 36 35
Ni-Pd-Au/Ag PPF After PMC 43 53 59 89 82
After 60℃/60%+120hrs 23 38 47 75 74
신뢰성 외관 크랙발생수 0 0 0 0 0
에폭시수지 조성물과 리드 프레임간의 박리 발생 수 60 60 60 0 0
총시험한 반도체 소자수 60 60 60 60 60
상기 표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 에폭시 수지 조성물이 비교예에 비하여 후경화 직후에서와 60℃, 60% 상대습도 조건 하에서 120시간 동안 방치한 뒤 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시킨 후에서도 충분히 높은 부착력을 가지는 것을 알 수 있었다. 특히 신뢰도 측면에서도 리플로우 후 니켈-팔라듐 계 사전 도금 리드 프레임과의 내박리성이 우수한 반도체 에폭시 수지 조성물을 얻을 수 있었다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 사전 도금된 리드 프레임과의 부착력을 향상시켜 신뢰도가 우수한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 에폭시 수지 밀봉형 반도체 소자 제조에 유용하다.

Claims (5)

  1. 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 무기충전제 및 커플링제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 커플링제가 하기 화학식 1의 피롤계 실란 커플링제를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
    [화학식1]
    Figure 112007004018071-pat00004
    (상기 식에서 R1은 탄소수 1 ∼ 3의 알콕시기이다.)
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피롤계 실란 커플링제의 함량이 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.01 ∼ 1 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 피롤계 실란 커플링제에 에폭시 실란 커플링제, 머켑토 실란 커플링제, 아민계 실란 커플링제 및 메틸 트리 메톡시 실란 커플링제로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 병용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉 용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 커플링제의 총 함량이 0.01 ∼ 1 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 무기충전제를 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여　82 ∼ 92 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
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JP2004123999A (ja) 2002-10-07 2004-04-22 Sumitomo Bakelite Co Ltd エポキシ樹脂組成物及び半導体装置
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Chem. Mater., 1998, 10, 740-752

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