KR100947783B1 - 반도체 접착 페이스트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 접착 페이스트 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 반도체 접착 페이스트 조성물은, 기본수지와 첨가물을 포함하여 이루어지되, 상기 첨가물은, 전체 조성물 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부의 무기충진제를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르는 최적의 최소 함량의 무기 충진제를 사용하게 되면, 접착제의 물성을 그대로 유지하면서도 사용함량의 최소화에 따라 종래에 제기되던, 점도 증가의 문제, 열/전기 전도도 증가의 문제 등을 해결할 수 있다.

무기충진제, 필러, 프린팅성, 다이 접착, 블리딩, 테일링

Description

반도체 접착 페이스트 조성물{Composition of semiconductor attaching paste}

본 발명은 반도체 접착 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조성물 성분 중 무기충진제의 선택 및 그 함량 제어를 통해 그 사용 함량을 최소화하면서 내열성의 장점을 발현시킬 수 있는 반도체 접착 페이스트 조성물에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 패키징 공정에 있어서, 칩을 적층하거나 PCB 또는 리드-프레임(Lead-frame)과 같은 지지부재에 접착할 때 사용되는 접착제로써 다이 접착 페이스트가 널리 사용되고 있다.

반도체 패키지의 한 형태에서, 반도체 다이 또는 칩은 기판에 전기적으로 접속되는 한편 접착제에 의해 기계적으로 접합된다. 기판은 다른 전기적 소자 또는 외부 파워 소스에 연결된다. 제조 공정은 연속적인 일련의 단계로 실행될 수 있고, 그렇지 않으면 기계적 부착을 위해 접착제를 사용하여 기판을 제조한 다음 추후 일정 시간까지 유지시킬 수 있다.

제조 공정이 연속적인 일련의 단계로 실행될 경우, 기판 상에 접착제가 도포 되고, 반도체 칩을 접착제와 접촉시키고, 접착제는 열 또는 열과 압력을 가함으로써 경화된다. 적합한 접착제는 무용매 액체 및 페이스트 또는 고체일 수 있다. 액체나 페이스트 형태일 경우, 접착제는 가열에 의해 경화와 함께 응고된다. 접착제를 기판에 도포한 후 제조 공정을 중단하고 최종 조립 공정을 추후 시점까지 보류해야 할 경우, 접착제는 온전히 보존되기 위해 응고된 형태로 존재해야 한다. 고체 접착제는 블리딩(bleeding)이 최소이거나 전혀 없는 이점 및 본드라인(bondline), 즉 칩과 접착제간 계면(interface)의 두께 및 틸트(tilt)를 양호하게 제어할 수 있는 이점을 제공한다.

일부 반도체 패키지 응용에 있어서, 공정상의 이유에서 페이스트 접착제가 필름 접착제보다 바람직하지만, 고체의 본드라인 및 필렛(fillet) 제어가 요구된다. 그러한 경우에, B-스테이지 가능형(B-stageable) 접착제로 알려진 접착제가 사용될 수 있다. 원료인 접착제 물질이 고체인 경우, 상기 고체는 용매에 분산되거나 용해되어 페이스트를 형성하고, 그 페이스트가 기판에 적용된다. 이어서, 용매를 증발시키기 위해 접착제를 가열하여, 고체 상태로서 경화되지 않은 접착제를 기판에 남긴다. 원료인 접착제 물질이 액체 또는 페이스트인 경우, 접착제는 기판 상에 분배되고, 접착제가 고체 상태로 부분 경화되도록 가열된다.

종래의 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물은, 수지의 점도 조절 및 프린팅 특성 등의 공정성 향상시키며, 내열성 향상을 목적으로 수지를 경화시키는 단계, 예컨대 비스테이징 공정 등의 경화 공정을 진행하고 있다. 이때, 조성물 수지의 경화시 수축 및 발열 온도를 감소시키고, 전단인장강도(tensil shear strength)를 증가시키기 위해 충진제를 사용하고 있다. 특히 EMC 몰드 용으로 사용되는 에폭시 수지에는 과량의 무기 충진제가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 과량의 무기 충진제의 사용은 점도를 증가시켜 유동성 및 젖음성(wetting)을 저하시킨다. 또한, 스크린 프린팅 특성에서 점도가 높으면 스퀴즈(sueeze)에 의한 액의 롤링(rolling)성이 나빠지며 스텐실(stencil)에 대한 액의 채움성 역시 저하되어 바람직하지 못한다. 한편, 스크린 프린팅 후, 스텐실과 PCS 기판의 분리시 액의 끊어짐이 나빠져 도그 이어(dog ear)와 같은 현상이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다. 특히, 점착력의 면에서 무기 충진제가 다량 사용되면 비스테이징 후, 페이스트 형상이 고형화되어 점착력이 저하될 수 있으며, 이는 다이 접착시의 접착력에 중대한 영향을 끼칠 수 있다.

그러나, 무기 충진제의 함량을 줄이는 경우에는 스크린 프린팅 특성이 저하되거나 페이스트 액의 신뢰성이 저하될 수 있기 때문에 그에 대한 기술적 보완이 요구되고 있다. 무기 충진제의 함량을 줄이면, 페이스트 액의 점도가 감소하게 되는데 이로 인해 페이스트 공정성은 일부 개선되지만, 점도 감소가 과도하게 되면 블리딩, 기포 발생 등으로 인해 공정성이 더 저하될 수 있다. 블리딩은 페이스트 액 중 반응성 희석제 등 유기성분이 분리되거나 이동되는 현상을 말하며, 기포 발생은 스텐실과 PCB의 분리시 PCB 상에 도포된 액에 기포가 발생하는 현상을 말한다. 무기 충진제는 열팽창계수를 감소시키는 역할을 하는데, 실리콘 다이와의 열팽창계수의 차이를 줄여 주어 솔더볼(solder ball) 등에 가해지는 내부 스트레스를 감소시키는 역할을 하므로, 무기 충진제 함량이 줄어들게 되면, 이러한 기능이 제 대로 발현되지 않아 바람직하지 못하다. 또한, 무기 충진제는 에폭시의 큐어링(curing)시 수축(shrinkage)을 감소시키는 역할을 수행하는 점에 다른 기술적 보완 없이 그 사용함량을 줄이는 것이 대안 기술이 되기에는 한계가 있다. 한편, 무기 충진제는 열충격에 대한 내성을 향상시키며, 수분의 흡수경로를 증가시키므로, 내습성을 향상시키는 기능을 수행하게 된다. 따라서, 무기 충진제의 함량 감소는 제품 신뢰성까지 저하시킬 수 있으므로, 그에 대한 충분한 기술적 보완이 필요하다 할 것이다.

따라서, 반도체 접착 페이스트 수지에 포함되는 무기충진제를 최적의 최소 함량 조건으로 무기 충진제를 사용하되, 전술한 여러 문제를 해소할 수 있는 기술이 필요하게 되었으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래의 접착 페이스트 조성물에 포함되는 무기 충진제의 함량을 최적의 최소 함량을 사용하되 접착 페이스트의 물성, 예컨대 프린팅 특성, 다이 접착 특성 및 수분저항성 평가 등의 분야에서 양호한 평가를 받을 수 있는 조성물을 제안하고자 함에 있다. 본 발명은 이러한 과제를 달성할 수 있는 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 과제 해결 수단으로 제공되는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물은, 기본수지와 첨가물을 포함하여 이루어지는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물에 있어서, 상기 첨가물은, 전체 조성물 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부의 무기충진제를 포함하여 이루어지며, 상기 무기충진제는, 실리카계 무기충진제 및 상기 실리카계 무기충진제 보다 무게, 크기, 비중 및 분자량이 더 큰 금속산화물계 무기충진제의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 금속산화물계 무기충진제는, 안티몬계 산화물, 알루미늄계 산화물, 칼슘계 산화물, 베릴륨계 산화물, 및 티타늄계 산화물 중 선택된 어느 하나이면 바람직하다.

상기 기본수지는, 에폭시를 포함하면 바람직하다.

전술한 반도체 접착 페이스트 수지 조성물은, 스크린 프린팅 방식에 의한 다이 접착 공정에 이용되면 바람직하다.

본 발명에 따르는 최적의 최소 함량의 무기 충진제를 사용하게 되면, 접착제의 물성, 예컨대 프린팅 특성, 다이 접착 특성 및 수분저항성 평가 등의 분야에서 양호한 평가를 받으면서, 그 사용 함량을 최소화함으로써 종래에 제기되던, 과량의 충진제 사용으로 제기되던 점도 증가의 문제, 열/전기 전도도 증가의 문제 등을 해결할 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 과제 해결 수단으로 제공되는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물은, 기본수지와 첨가물을 포함하여 이루어지되, 상기 첨가물은, 전체 조성물 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부의 무기충진제를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 무기충진제는, 2종 이상의 무기충진제의 혼합물로서, 상기 혼합물에 포함되는 하나의 무기충진제 조성 성분의 비중과 분자량은 다른 무기충진제 조성 성분의 비중과 분자량과 상이한 물성을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 무기충진제는, 비중 및 분자량이 작은 제1무기충진제 성분과, 비중 및 분자량이 작은 제2무기충진제 성분으로 이루어진 2종의 무기충진제 혼합물로 구성되며, 상기 제2무기충진제 성분은, 상기 제1무기충진제 성분 100 중량부 대비 10 내지 30 중량부의 함량으로 포함되면 바람직하다. 특히, 상기 무기충진제는, 상기 제1무기충진제 성분에 대응하는 실리카계 무기충진제와 상기 제2무기충진제 성분에 대응하는 금속산화물계 무기충진제의 혼합물이면 더욱 바람직하다. 상기 금속산화물계 무기충진제는, 안티몬계 산화물, 알루미늄계 산화물, 칼슘계 산화물, 베릴륨계 산화 물, 및 티타늄계 산화물 중 선택된 어느 하나이면 바람직하다.

상기 기본수지는, 에폭시를 포함하면 바람직하다.

전술한 반도체 접착 페이스트 수지 조성물은, 스크린 프린팅 방식에 의한 다이 접착 공정에 이용되면 바람직하다.

이하, 본 발명의 구체적 실시예를 하기와 같이 구분 설정한 후, 본 발명이 갖는 장점을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

샘플확보를 위한 페이스트의 조성으로, 아크릴로니트릴 고무 30g, 고상/액상 비스페놀A계 에폭시수지 45g, 실리카 및 금속산화물 무기필러를 에폭시 대비 10g 또는 전체 페이스트 중량대비 5% 미만으로 하였다. 전체 함량에 대한 반응성 희석제의 비율은 30g으로 하였다. 균일하게 섞은 후 잠재성 경화제를 20g 및 경화촉진제를 소량 넣은 후 믹싱하였다. 이후, 기판 위에 프린팅하고, 155±10℃에서 30분 동안 비스테이징 공정을 진행한다. 이후, 상기 비스테이징이 완료된 페이스트 상에 11.0㎜×11.0㎜의 실리콘 칩(다이)을 접착시킨다. 이때의 접착은 100 내지 130℃의 온도 조건에서 0.2 내지 2.0 초간 5 내지 7kgf의 하중으로 진행하였다. 이후, 각 샘플에 대해 프린팅 특성, 다이 접착 특성 및 신뢰성 평가를 행한 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.

구분	평가결과
프린팅특성	블리딩/ 테일링, 도그이어 : 발생없음
칙소트로픽 인덱스	실리카 및 금속산화물 무기충진제의 경우 : 5.77(0.1rpm/1rpm) 실리카 무기충진제만 사용한 경우 : 4.08(0.1rpm/1rpm)
다이 접착 특성	보이드 발생률 및 다이 접착되지 않는 비율 : 각 5% 미만
신뢰성 평가	MRT(온도 85℃, 습도 85%) 1일 후 리플로우 평가 : 합격

상기 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 무기충진제의 함량을 최적 최소화하였음에도 각종 평가 항목에서 양호한 평가를 받고 있음을 알 수 있다.

반도체 접착 페이스트 수지 조성물에 포함되는 무기 충진제의 함량은, 페이스트의 점도, 젖음성(wetting), 스크린 프린팅 특성 등을 고려하여 선택하고 결정하는 것이 바람직하다.

일반적으로, 접착 페이스트의 칙소성 지표(thixotropic index)는 페이스트의 스크린 프린팅 특성을 판단하는 지표로 사용된다. 이러한 칙소성 지표는 두 개의 서로 다른 전단 속도(shear rate)에서 측정한 점도비로서 측정된다. 칙소성은 서로 응집되어 있는 무기 충진제 입자의 클러스터가 깨지면서 유동성이 증가할때 나타나는 현상이다. 충진제는 일반적으로 뭉친 형태의 클러스터로 존재하며, 이들의 크기나 형상 등이 점도를 결정하게 된다.

일반적으로 칙소성을 갖는 충진제는 위와 같은 일시적인 구조를 액 안에서 형성하고 전단속도가 가해졌을 경우에는 쉽게 그 구조가 깨지는 특징을 가진다. 실리카와 금속산화물을 혼합 사용할 경우 페이스트 액의 칙소성 지표가 증가함을 알 수 있다. 즉, 주로 이차 결합으로 결합된 충진제 사이의 결합이 상대적으로 약하기 때문에 전단 속도가 커지게 되면 점도가 더 낮아지게 되어 유동성이 향상된다. 칙소성 지표가 3 내지 6 사이의 값을 갖는 경우에는 스크린 프린팅시 액의 끊어짐을 좋게 하는 것을 알려져 있다. 상기 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예의 경우에는 양호한 수치로서 관찰되었음을 알 수 있다.

스크린 프린팅시, 스텐실의 작은 홈들로 채워진 페이스트 액이 스퀴즈에 의해 쉽게 끊어져 채워지며 PCB 기판 위에 프린팅된 액이 스텐실과 쉽게 끊어지며 떨어져 블리딩아웃(bleeding out)이나 테이릴(tailing) 등의 현상을 줄일 수 있다.또한 스퀴즈의 압력에 의해 액의 흐름이 향상되며 스퀴즈의 압력이 제거되었을 때 빠르게 형상을 가지게 되는 특성이 증가하여 바람직하다.

따라서, 실리카계 무기충진제와 이에 상대적으로 큰 물성치, 무게, 크기, 및 분자량를 갖는 금속산화물계 무기충진제를 사용하면 프린팅 특성을 향상시킬 수 있음을 실시예를 통해 확인할 수 있다.

또한 실리카계 충진제와 금속산화물 충진제의 혼합 사용은 필러의 입자의 평균 크기와 클러스터의 평균 크기를 증가시킨다. 이것은 스크린 프린팅시 페이스트의 롤링(rolling)성을 증가시켜 프린팅 특성을 향상시킨다. 증가된 입자의 크기는 입자 주변의 액 성분 물질과 엉켜 스퀴즈의 압력이 가해졌을 때 액 성분 물질을 끌면서 굴러가는 특성을 향상시키는 측면이 있다.

젖음성(wetting)에 있어서도 실리카계 충진제와 금속산화물계 충진제의 혼합사용은 바람직한 효과를 가져온다. 일반적으로 블리딩은 과도한 젖음성으로인하여 반응성 희석제나 가소제등의 유기 성분이 분리되어 이동되는 현상을 의미한다. 실리카계 충진제와 금속산화물계 충진제를 혼합 사용하면, 입자가 큰 것과 작은 것의 조밀한 결합으로 클러스터를 형성하게 되며, 이렇게 형성된 클러스터는 에폭시 및 유기 성분과의 상호작용에 의해 중합 결합(polymeric entanglement)을 형성하기 용이해지며, 망조직(network)를 형성하게 된다. 이것은 페이스트 액의 형상을 유지시키며 유기 성분의 분리에 의한 이동을 막기 쉬운 구조가 되므로 블리딩을 억제할 수 있어 바람직하다.

또한 실리카의 충전량을 증가시켜 점도를 증가시킴으로써 bleeding 현상을 제어할 수는 있으나 점도의 증가는 곧 공정성의 저하이므로 점도의 증가 없이 일정 정도의 충전량 증가를 시킬 수 있는 금속 산화물의 사용으로 bleeding 현상을 제어 할 수 있다.

점도의 측면에서 본다면 비교적 가벼운 필러는 낮은 필러 함량에서도 점도를 증가시키게 된다. 반면에 칼슘카보네이트(calcium cabonate)와 같은 무거운 필러의 경우에는 점도의 증가없이 높은 필러의 함량이 가능하게 된다. 따라서 실리카와 보다 무거운 금속산화물 필러의 혼합사용은 점도의 증가에 의한 페이스트의 공정성, 예컨대 블리딩, 도그이어 등의 스크린 프린팅 특성의 희생없이 높은 충진제 함량 사용을 가능하게 한다. 또한 금속산화물은 실리카만을 충진제로 하였을 때 동일한 충진 효과를 얻기 위해 충진시켜야 하는 양보다 더 적은 양의 무기충진제 사용을 가능하게 하여 바람직하다. 더 적은 양의 무기충진제의 사용은 페이스트의 비중이 증가되므로, 페이스트 사용자가 작업시 사용해야 하는 페이스트의 부피를 줄이게 되며, 이는 비용을 절감시키는 데 일정한 기여를 할 수 있어 바람직하다. 또한, 전술한 여러 장점은 충진제의 사용량을 감소시킴으로써 페이스트 액의 유동성을 확보하여 젖음성을 향상시키기도 한다.

마지막으로, 상용성의 측면에서는 서로 다른 크기의 충진제를 혼합하여 사용하게 되면, 더 무겁고 크기가 큰 충진제는 아래로 가라앉는 경향을 가지게 되는데 이로 인해 작고 더 가벼운 충진제와 함께 사용하는 것이 입자의 침강방지 및 분산성에 유리한 효과를 발휘할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.

Claims (9)

1. 기본수지와 첨가물을 포함하여 이루어지는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물에 있어서,

   상기 첨가물은, 전체 조성물 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부의 무기충진제를 포함하여 이루어지며,

   상기 무기충진제는, 실리카계 무기충진제 및 상기 실리카계 무기충진제 보다 무게, 크기, 비중 및 분자량이 더 큰 금속산화물계 무기충진제의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 금속산화물계 무기충진제는, 안티몬계 산화물, 알루미늄계 산화물, 칼슘계 산화물, 베릴륨계 산화물, 및 티타늄계 산화물 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물.
6. 제1항에 있어서,

   상기 기본수지는, 에폭시를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 반도체 접착 페이스트 수지 조성물은, 스크린 프린팅 방식에 의한 다이 접착 공정에 이용되는 것을 특징으로 하는 반도체 접착 페이스트 수지 조성물.