KR100994963B1 - 에폭시-고무 부가 생성물을 포함한 다이 접착용 페이스트조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에폭시-고무 부가 생성물을 포함한 다이 접착용 페이스트 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 조성물은 고상과 액상의 중량 혼합비가 4:6 내지 6:4인 에폭시 30 내지 60 중량부; 분자량 50,000 이상의 액상 고무 수지 15 내지 35 중량부; 에폭시-고무 부가 생성물 5 내지 15 중량부; 경화제 5 내지 20 중량부; 및 무기 충진제 7 내지 20 중량부를 포함하여 이루어진다. 구체적으로 본 발명의 조성물에 포함되는 에폭시-고무 부가 생성물은 비스페놀 A계 에폭시와 카르복실 말단 부타디엔 고무를 중합한 물질이다.

에폭시, 다이 접착제, 페이스트, 에폭시-고무 부가 생성물

Description

에폭시-고무 부가 생성물을 포함한 다이 접착용 페이스트 조성물{Paste composition for die attachment containing epoxy-rubber adducts}

본 발명은 반도체 패키징 공정에 사용되는 에폭시 수지 기반 다이 접착용 페이스트 조성물에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 에폭시 수지와 카르복실 말단 부타디엔 고무 사이의 부가 생성물을 더 포함하는 페이스트 조성물에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 패키징 공정에 있어서, 칩을 적층하거나 인쇄회로기판(PCB) 또는 리드-프레임(Lead-frame)과 같은 지지부재에 접착할 때 사용되는 접착제로써 에폭시 수지 기반 다이 접착 페이스트가 널리 사용되고 있다. 에폭시계 고분자는 열안정성이 우수하고, 스크린 프린팅 후 가열 처리로 경화도 조절이 가능하기 때문에 공정성이 뛰어나서 페이스트 수지로 널리 쓰인다. 에폭시계 페이스트 조성물은 일반적으로 에폭시 수지, 열경화제, 스트레스 완화 및 점착력 증가를 위한 고무수지, 내열성 증가를 위한 유·무기 첨가제를 기본으로 한다.

에폭시 수지 기반 페이스트는 지지부재에 스크린 프린팅된 다음, 이른바 비스테이징(B-staging) 공정을 거쳐 칩의 적층이 가능하게 된다. 원료인 접착제 물질이 고체인 경우, 상기 고체는 용매에 분산되거나 용해되어 페이스트를 형성하고, 그 페이스트가 기판에 적용된다. 이어서 용매를 증발시키기 위해 접착제를 가열하거나 자외선을 조사하여, 고체 상태로서 경화되지 않은 접착제를 기판에 남기게 되는 데 이 단계가 비스테이징(B-staging)이다. 이후 접착제는 열 또는 열과 압력을 가함으로써 경화되어 칩과 지지부재를 결합시킨다. 페이스트 접착제일 경우, 용매가 증발하고 기판에 남은 접착제는 가열에 의해 경화와 함께 응고된다.

비스테이징을 통하여 용매를 제거하면 반도체 패키징의 접착제 도포, 조립과 열적 큐어링(curing) 단계 등의 각 공정을 신속하게 이어서 수행할 필요가 없이 원하는 단계에서 멈출 수 있는 장점이 있다. 만약 에폭시 기반 접착제 도포 이후 비스테이징 처리를 하지 않으면 바로 다음 단계의 공정으로 진행하여야 하고 연속 공정 방식으로 진행하여야 하기 때문에 생산 과정에서 심각한 병목 현상이 일어난다.

비스테이징을 마친 후 제조 공정을 일시 중단하고 후속 공정을 보류하는 경우, 접착제는 온전히 보존되기 위해 응고된 형태로 존재해야 한다. 그런데 전술한 바와 같이 다이 접착용 접착 페이스트가 PCB 기판이나 리드프레임 상에 도포된 이후, 비스테이징 또는 각종 열처리 공정이 반복적으로 진행되어야 하며, 실제 처리 공정에서는 145 내지 165℃의 고온 조건에서 60 내지 90분 정도의 장시간 동안 방치되거나 공정 처리되고 있다. 이와 같이 고온 장시간의 환경에서 패키징 공정이 이루어졌기 때문에 다이 접착력 불량이 일어나거나, 접착제 조성물에서 수지나 첨가제 등의 유기 성분이 유출(bleeding)하는 등 스크린 프린팅 성능의 저하가 발생하는 일이 잦았다. 또한 다이 접착력을 고도로 유지하면서 수분 저항성 등의 신뢰성을 높게 유지하기 어려운 경우가 있었다..

따라서 관련 업계에서는 종래 기술의 에폭시 수지 기반 다이 페이스트에서 생길 수 있는 반도체 소자의 안정성과 신뢰성 문제를 해결하기 위한 노력을 지속적으로 이어오고 있었다.

본 발명의 과제는 반도체 패키징 공정에 쓰이는 에폭시 수지 기반 페이스트 조성물에 포함된 에폭시 수지와 고무 수지의 상용성을 높여 비스테이징 이후 접착력의 저하가 일어나지 않고 경화 후 신뢰성도 우수한 페이스트를 개발하는 것이다.

이러한 목적을 위하여 본 발명은 고상과 액상의 중량 혼합비가 4:6 내지 6:4인 에폭시 30 내지 60 중량부; 분자량 50,000 이상의 액상 고무 수지 15 내지 35 중량부; 에폭시-고무 부가 생성물 5 내지 15 중량부; 경화제 5 내지 20 중량부; 및 무기 충진제 7 내지 20 중량부;를 포함하는 다이 접착용 페이스트 조성물을 제공한다.

본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물은 상기 에폭시-고무 부가 생성물의 중량이 상기 고무 수지 중량의 10 내지 60%가 되는 조성을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물에서 상기 에폭시-고무 부가 생성물로는 비스페놀 A계 에폭시와 카복실 말단 부타디엔 고무를 중합한 고분자가 적당하다.

본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물은 비스테이징 단계 후에도 접착력의 저하가 없고, 경화 후의 신뢰성이 우수하다.

본 발명에서 제공하는 다이 접착용 페이스트 조성물의 구성은 고상과 액상의 중량 혼합비가 4:6 내지 6:4인 에폭시 30 내지 60 중량부; 분자량 50,000 이상의 액상 고무 수지 15 내지 35 중량부; 에폭시-고무 부가 생성물 5 내지 15 중량부; 경화제 5 내지 20 중량부; 및 무기 충진제 7 내지 20 중량부;를 포함한다.

상기 에폭시는 취급성 조절과 가요성을 위해 사용되며 열 안정성이 우수한 고분자 수지이다. 상기 에폭시의 함량 범위가 30 중량부에 미달하면 접착력과 열 안정성이 떨어지며, 60 중량부를 넘는 경우 경화도가 낮아져 열 안정성이 떨어지는 문제점이 있어 바람직하지 않다. 본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물에는 고상 및 액상의 범용 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 상기 에폭시는 고상 및 액상의 중량 혼합 비율이 4:6 내지 6:4인 것을 사용한다. 상기 고상 및 액상의 비율이 상기 범위를 벗어날 경우에는 수지 점도, 단단함, 끈적거림(tackiness), 점착성, 접착력 및 신뢰성이 나빠져 적합하지 않다.

본 발명의 페이스트 조성물에 적합한 에폭시 수지로는 비스페놀 A계, 비스페놀 F계, 크레졸 노볼락계 및 페녹시계 에폭시 수지 중 선택된 어느 하나 또는 두 가지 이상의 에폭시 수지가 적당하다.

본 발명의 페이스트 조성물에서 고무 수지는 접착력을 늘리고 탄성을 부가하여 접착제에 가해지는 응력을 소화해내게 하는 역할을 한다. 본 발명의 페이스트 조성물에서 고무 수지의 함량 범위가 15 중량부에 미달하면 필요한 정도의 탄성 및 강화도를 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 또한 고무 수지 함량이 35 중량부를 초과하면 내열성이 부족해지므로 이 수치가 상한으로 적절하다.

구체적으로, 본 발명에서는 분자량 50,000 이상의 액상 고무 수지를 사용한다. 그 예를 일부 들면, 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴부타디엔, 글리시딜 아크릴레이트, 스티렌-부타디엔 고무, 에폭시 말단 부타디엔 고무(epoxy-terminated butadiene rubber, ETBN) 및 카르복실 말단 부타디엔 고무(carboxyl-terminated butadiene rubber, CTBN)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나의 물질 또는 이종 이상의 혼합물을 들 수 있다. 분자량이 50,000 미만인 고무 수지를 사용하면 다이에 대한 페이스트 조성물의 접착력이 충분하지 못하여 바람직하지 않다.

본 발명의 페이스트 조성물은 비스테이징 이후 접착력의 저하가 일어나지 않고 경화 후에도 신뢰성이 우수한 페이스트를 제조하기 위한 것이다. 에폭시 고분자와 고무 수지가 균일하게 조성물에 내에서 분산되어야 신뢰성이 우수한 다이 접착용 페이스트 조성물을 얻을 수 있으므로 본 발명에서는 에폭시 수지와 고무 사이의 부가 반응 생성물(adduct)을 더 포함하는 페이스트 조성물을 제공한다. 상기 부가 생성물은 에폭시 수지와 고무 수지 사이의 상용성(相容性 compatibility)을 높여 주어 페이스트 조성물의 접착력과 신뢰성을 유지시키는 역할을 한다.

본 발명에서 에폭시-고무 부가 생성물은 5 내지 15 중량부 포함되며, 바람직하게는 상기 고무 수지 중량에 대하여 10 내지 60 중량% 포함된다. 상기 함량 범위의 하한값보다 낮은 부가 생성물 함량을 가지는 페이스트 조성물은 강화도가 저하되는 단점이 있으며, 상기 상한값보다 높은 함량에서는 점착력이 저하되는 문제가 생긴다.

본 발명의 에폭시-고무 부가 생성물로는 비스페놀 A 계열 에폭시 수지와 카르복실 말단 부타디엔 고무(carboxyl-terminated butadiene rubber, CTBN)의 중합 생성물을 사용하면 바람직하다. 이때 에폭시 수지와 CTBN의 비율은 20:80 내지 80:20이 적당한데, 이 범위를 벗어나면 상이 불균일해지는 문제점이 발생하기 때문이다. 본 발명의 에폭시-고무 부가 생성물은 열 중합 반응으로 용이하게 얻을 수 있다. 예를 들어 비스페놀 A계 수지의 일종의 액상수지와 분자량이 50,000 이상인 CTBN을 중량 기준 50:50의 조성비로 120℃에서 2시간 동안 열 중합한 부가 생성물을 사용하여 다이 접착용 페이스트 조성물을 제조할 수 있다.

본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물은 상기 고분자 물질에 더하여 5 내지 20 중량부의 경화제를 포함한다. 경화제는 페놀계, 산 무수물계 및/또는 아민계가 바람직하다. 경화제의 함량이 과도하게 높을 경우 조성물의 보관성이 떨어지게 되고 최종 수지의 분자량이 감소하며, 경화제의 함량이 낮을 경우 경화율이 저하된다.

본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물은 또한 7 내지 20 중량부의 무기 충진제를 더 포함한다. 본 발명에서 무기 충진제는 내습성을 부여하고 완충재로서의 역할을 한다. 무기 충진제가 부족할 경우 페이스트 조성물의 신뢰성이 낮아지며, 과다할 경우 접착력이 떨어지게 된다. 적절한 무기 충진제의 예로는 실리카 입자, 산화알루미늄 입자, 안티몬 입자 및/또는 티타늄 입자 등을 들 수 있다.

본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물은 상기 비스테이징 후에도 뛰어난 접착력과 신뢰성을 유지하므로 스크린 프린팅 방법을 이용하여 제작하는 반도체 소자 전반의 패키징은 물론 BOC 반도체 소자에도 쓰일 수 있다.

<실시예>

본 발명을 더 구체적으로 예시하기 위해 이하 실시예를 들어 설명한다. 아래 실시예에 나타낸 태양 이외에도 본 발명은 여러 가지 다른 균등 형태로 변형될 수 있다. 이러한 실시예는 해당 업계의 평균적 기술자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위한 목적으로 제시하는 것이므로 본 발명의 범위가 아래 실시예들에 한정되는 것으로 해석하여서는 아니된다.

본 발명에 따른 반도체용 페이스트 조성물의 성능을 종래 기술과 비교하기 위하여 아래 표 1의 조성대로 비교예와 실시예의 페이스트 조성물을 제조하였다. 아래 실시예와 비교예에서 사용된 에폭시는 에폭시 말단기 비율 무게가 200 ~ 400인 비스페놀 A계 에폭시 고분자였으며, 고체상과 액체상의 혼합비율이 중량 기준으로 4:6이었다. 고무 수지는 카르복실기 말단을 가지는 분자량 50,000 이상인 아크릴로니트릴계 부타디엔 고무이었다. 에폭시-고무 부가 생성물로는 비스페놀A계 액상수지와 분자량이 50,000이상인 CTBN을 중량 기준 50:50의 조성비로 120℃에서 2시간 동안 열중합한 부가 생성물을 사용하였다. 이때 사용한 에폭시와 CTBN의 점도는 각각 15,000 ~ 25,000, 40,000 ~ 70,000이였다.

비교예와 실시예에 쓰인 충진제는 실리카를 사용하였고, 경화제로는 페놀계 경화제를 사용하였다.

구성 성분 (단위 중량부)	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
에폭시	45	45	45	45
고무 수지	20	17	―	25
에폭시-고무 부가 생성물	5	8	25	―
충진제	15	15	15	15
경화제	10	10	10	10

간략한 제조 방법은 다음과 같다. 실시예와 비교예 조성물 공히 표 1의 구성 성분을 혼합하여 먼저 액상 페이스트 수지를 얻는다. 스텐실을 이용하여 이 페이스트 수지를 인쇄회로기판 위에 스크린 프린팅한다. 110℃의 온도에서 30 분 동안 가열하여 비스테이징 처리를 한 후에 실리콘 칩과 부착하고, 완전 경화시킨다.

[성능 평가]

실시예와 비교예의 페이스트 수지 조성물에 대하여 상기 제조 방법으로 경화 처리를 마친 다음, 프린팅 성능, 접착력, 와이어 결합 특성, 에폭시 성형 컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 특성과 신뢰성(수분 저항성)을 비교 평가하였다.

프린팅 성능 평가는 다음 세 가지 항목을 광학 현미경으로 관찰하여 이루어졌다. 즉 페이스트 액 중 반응성 희석제 등 유기성분이 분리되거나 이동되는 현상인 성분 유출(bleeding out), 수지가 갖는 큰 점착력 때문에 스텐실 프린팅을 진행할 때 스텐실과 탈착이 잘 되지 않아서 웨이퍼가 오염되는 테일링(tailing), 공극(void)이 빠지지 않아서 폐쇄되는 차폐(clogging)의 세 가지 현상이다.

다이 접착력은 180^o 필테스트 방식으로 측정하였다.

와이어 결합 특성은 페이스트 수지가 경화한 후에 공극(void)이 생기는지를 확인하여 평가하였다.

에폭시 성형 컴파운드 특성은 EMC 압착방식으로 측정하였다.

신뢰성은 국제반도체표준협의기구(Joint Electronic Device Engineering Council, JEDEC) 소정의 레벨 2(L2), 흡습 조건하의 수분 저항성 시험(moisture resistance test, MRT)을 통과하는 경우에 양호한 것으로 판정하였으며, 그렇지 않은 경우에는 불합격으로 판정하였다. 시험 조건은 상대습도 85%, 온도 85℃에서 7일(168시간) 동안 보관한 다음, 무납(Pb-free) 리플로우(free reflow) 조건인 260℃ 에서 땜납 리플로우 영역(solder reflow zone)을 통과시키는 것이다. 관찰 결과 균열(crack)이나 접착층의 분리(delamination)가 있으면 불합격 판정을 내렸다.

특성 평가 항목	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
프린팅 성능 (성분 유출/테일링 효과/차폐)	양호	양호	양호	양호
다이 접착력(g중/㎠)	800±100	600±100	135±100	1560±100
와이어 결합 특성(150℃)	양호	양호	양호	양호
EMC 특성	양호	양호	양호	균열
신뢰성(수분 저항성)	양호	양호	양호	균열

표 2에서 볼 수 있듯이 본 발명의 페이스트 조성물에 따른 실시예 조성물들은 종래 기술의 비교예 조성물과 견주었을 때 비스테이징 단계 후의 다이 접착력이 뛰어났으며, 수분 저항성이 우수하였다.

비교예 1의 조성물은 본 발명 조성물의 구성에서 고무 수지를, 비교예 2는 에폭시-고무 부가 생성물을 결여하고 있는 구성이다. 비교예 1의 경우 와이어 결합, 에폭시 성형 컴파운드 특성, 신뢰성은 양호하지만, 다이 접착력이 현저하게 떨어지는 것을 볼 수 있다. 비교예 2의 경우는 다이 접착력은 뛰어나나 에폭시 성형 컴파운드 특성과 신뢰성에서 기준을 만족하지 못한다.

실시예를 통하여 본 것처럼 본 발명의 다이 접착용 페이스트 조성물은 300 g중/㎠ 을 크게 상회하는 구리 박에 대한 결합력과 JEDEC 규격 레벨 2 이상의 수분 저항성을 나타내는 뛰어난 신뢰성을 자랑한다.

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

Claims (7)

1. 고상과 액상의 중량 혼합비가 4:6 내지 6:4인 에폭시 30 내지 60 중량부;

   분자량 50,000 이상의 액상 고무 수지 15 내지 35 중량부;

   에폭시-고무 부가 생성물 5 내지 15 중량부;

   경화제 5 내지 20 중량부; 및

   무기 충진제 7 내지 20 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 접착용 페이스트 조성물.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 에폭시는,

   비스페놀 A계, 비스페놀 F계, 크레졸 노볼락계 및 페녹시계 에폭시 수지 중에서 선택된 하나의 물질 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다이 접착용 페이스트 조성물.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 고무 수지는,

   분자량 50,000 이상의 액상 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴부타디엔, 글리시딜 아크릴레이트, 스티렌-부타디엔 고무, 에폭시 말단 부타디엔 고무(epoxy-terminated butadiene rubber, ETBN) 및 카르복실 말단 부타디엔 고무(carboxyl-terminated butadiene rubber, CTBN)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 물질 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 다이 접착용 페이스트 조성물.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 에폭시-고무 부가 생성물의 중량은,

   상기 고무 수지 중량의 10 내지 60%인 것을 특징으로 하는 다이 접착용 페이스트 조성물.
6. 제 1항에 있어서 상기 에폭시-고무 부가 생성물은,

   비스페놀 A계 에폭시와 카복실 말단 부타디엔 고무를 중합한 물질인 것을 특징으로 하는 다이 접착용 페이스트 조성물.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 에폭시-고무 부가 생성물은,

   상기 비스페놀 A계 에폭시와 카복실 말단 부타디엔 고무가 중량 기준으로 3:7 내지 7:3의 함량비로 중합된 물질인 것을 특징으로 하는 다이 접착용 페이스트 조성물.