KR100994965B1 - 이산화티타늄 충전재를 이용한 반도체 패키징용 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화티타늄 충전재를 포함하는 에폭시계 반도체 패키징용 접착제 조성물과 이를 이용한 접착 필름에 대하여 개시한다. 본 발명의 접착제 조성물은 이산화티타늄 충진제를 이용하여 반도체 칩의 지지부재와 칩 등의 적층부재 사이에 일어나는 열 팽창 계수의 편차를 줄여 신뢰성과 접착력의 손실을 줄이는 것이 발명의 목적이다. 본 발명의 접착제 조성물은 전체 수지 혼합물 100 중량부에 대하여 이산화티타늄을 포함하는 무기 충진제를 5 내지 30 중량부 함유하며, 상기 무기 충진제에서 이산화티타늄이 차지하는 함량은 20 내지 50 중량%가 되는 것이 특징이다.

이산화티타늄, 열 팽창 계수, 반도체 패키징, 접착제, 필름, 조성물

Description

이산화티타늄 충전재를 이용한 반도체 패키징용 재료{Semiconductor packaging material incorporating silicon dioxide filler}

본 발명은 지지부재에 칩을 접착시키기 위한 반도체 패키징용 접착제 조성물과 이를 이용한 접착 필름에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 이산화티타늄 무기 충전제를 포함하고, 자외선 조사 B-스테이징(staging)이 가능한 에폭시계 접착제 조성물과 이를 이용한 필름에 관한 것이다.

반도체 장치의 패키징 공정에 있어서, 인쇄회로기판(PCB) 또는 리드프레임(Lead-frame)과 같은 지지 부재 위에 반도체 칩을 적층·접착시키는 공정은 최종 제품의 성능에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다. 종래에는 다이 접착제로서 페이스트형 접착제를 많이 이용하였으나, 이 경우 공정이 복잡하고 접착제 도포시 두께 조절이 곤란하며, 블리딩(bleeding)이 일어날 수 있고, 웨이퍼 수준의 공정이 불가능하다는 문제점이 있었다. 그리고 페이스트형 접착제로는 PCB의 단차를 극복하지 못하거나 유기물과 무기물 양쪽에 대하여 충분한 접착력을 가지기 어려웠다. 따라서 최근에는 다중 적층 패키징 접착제로 필름형 다이 접착제가 사용되고 있다.

반도체 장치의 패키징 공정 중에는 가열과 냉각이 거듭되는데 이 과정에서 유기물인 인쇄회로기판 등의 지지 부재와 무기물인 실리콘 칩 등의 적층 부재의 사이에는 열 팽창 계수 차이가 크기 때문에 열 변형에 따른 응력이 있을 수 있다. 이는 열이 적절히 전달·분산되지 못하고 국소 부위에만 전달되는 현상이 발생할 수 있기 때문인데, 접착용 필름 등이 이러한 열 팽창률의 격차를 보완하여 주지 못할 경우 지지 부재와 적층 부재의 길이 차이 때문에 반도체 장치가 휘어지게(warpage) 된다. 또한 결과적으로 접착용 필름이 지지 부재와 적층 부재에 밀착하지 못하고 빈 틈(void)이생기게 되어 접착 필름의 신뢰성과 접착력도 감소하게 된다. 이와 같은 반도체 장치를 이루는 지지 부재와 적층 부재 사이의 열 팽창률 격차는 반도체 조립 업체의 공정성 향상에 저해가 되는 요인이 되는 동시에 보관성도 저하되어 경제적으로 큰 문제가 된다.

본 발명의 기술적 과제는 에폭시계 반도체 패키징 공정에서 반도체 칩의 지지부재와 칩 등의 적층부재 사이에 일어나는 열 팽창 계수의 편차를 줄여 신뢰성과 접착력의 손실을 줄이고 패키징 공정성을 개선하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 이산화티타늄과 1종 이상의 금속산화물로 이루어지는 무기 충전재를 포함하는 에폭시 기반 접착제 조성물을 제공한다. 이 접착제 조성물은 중량 평균 분자량 5만 이상의 고무 수지 15 내지 30 중량%, 고무 변성 에폭시 10~35 중량% 및 범용 에폭시 10~50 중량%로 이루어지는 기본 수지 100 중량부에 대하여, 이산화티타늄과 1종 이상의 금속산화물로 이루어진 무기 충전재 5~30 중량부 및 적절한 비율의 경화제와 개시제를 함유하는 것을 특징이다. 이때 상기 개시제는 열 개시제와 광 경화제를 적절히 혼합한 것이 바람직하다.

본 발명에서는 아울러 베이스 필름과 상기 베이스 필름의 어느 일면 또는 양면에 형성된 하나 이상의 접착층을 갖추고 있되, 이 접착층은 본 발명에 따른 접착제 조성물로부터 형성된 것을 특징으로 하는 반도체용 접착 필름도 제공한다.

본 발명의 접착제 조성물을 이용한 반도체 패키징용 접착 필름은 이산화티타늄과 이산화규소와 같은 1종 이상의 기타 금속산화물로 이루어진 무기 충전재를 포 함하고 있어서, 반도체 장치에 가해지는 열 이력을 효과적으로 분산하므로 필름이 접착된 표면의 공극을 잘 메울 수 있을 뿐 아니라, 지지 부재와 적층 부재 사이의 열 팽창 계수 격차를 보정하여 줄 수 있어 접착력, 신뢰성, 공정성이 개선된 접착 필름을 얻게 해 준다.

본 발명은 이산화티타늄을 포함하는 무기 충전재를 이용하여 열 팽창 계수 불균형의 보정력과 공정성을 개선한 에폭시 기반 접착제 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 한 실시 태양에서 접착제 조성물은 에폭시 수지 기반의 기본 수지와 무기 충전재, 경화제 및 개시제를 포함한다. 상기 기본 수지는 중량 평균 분자량 5만 이상의 고무 수지 15 내지 30 중량%, 고무 변성 에폭시 10~ 35 중량% 및 범용 에폭시 10~50 중량%를 함유하는 것이 특징이다.

본 발명에서 고무 수지는 필름에 유연성을 부여하고, 인장 강도 특성 등을 조절하는 기능을 수행한다. 본 발명에서 고무 수지의 적절한 예로는 아크릴로니트릴 고무, 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴부타디엔, 아크릴산글리시딜 및 스티렌-부타디엔 고무 등을 들 수 있다. 본 발명에서 고무 수지는 기본 수지 내에 15~30 중량%로 함유되는데, 이 함량 범위 내로 고무 수지를 사용하면 점착력과 필름형성 및 신뢰성 부분에서 우수해져 바람직하다. 특히 본 발명의 고무 수지는 중량 평균 분자량이 50,000 이상인 것을 사용하면 바람직한데, 그 이유는 다이 접착(die attachment)시 신뢰성과 빈 틈(void) 방지 측면에서 유리하기 때문이다.

본 발명에서 고무 변성 에폭시는 에폭시 성분과 고무 수지 사이의 상용 성(compatibility)을 높이는 역할을 맡는다. 본 발명에서 고무 변성 에폭시의 적절한 예를 일부만 들자면 아크릴로니트릴-부타디엔 변성 에폭시를 들 수 있다. 본 발명에서 고무 변성 에폭시는 기본 수지 내에 10~35 중량%로 함유되는데, 이 함량 범위 내로 고무 수지를 사용하면 상용성이 높아져서 유연성 등의 필름 물성이 양호해 지지만, 이 범위를 벗어나면, 수분 저항 시험(MRT)으로 측정하는 신뢰성이 나빠져 바람직하지 못하다.

본 발명의 범용 에폭시는 필름의 점착 및 접착 특성을 부여함으로써 칩과 기판(substrate) 또는 칩과 칩을 붙여주는 주된 역할을 맡는다. 본 발명에서 범용 에폭시는 기본 수지 내에 10~50 중량%로 포함된다. 범용 에폭시의 함유량이 상기 범위 내에 있으면 점착 및 접착을 하기에 바람직하다. 상기 함량을 벗어나게 되면 접착제의 특성이 저하되어 불리하다.

본 발명의 범용 에폭시로 쓰일 수 있는 것으로는 특별한 제한이 없다. 예를 들어 비스페놀 A, 비스페놀 F, 크레졸 노볼락 또는 페녹시 계열 에폭시를 범용 에폭시로 이용할 수 있고, 또 범용 에폭시를 2 종류 이상의 성분으로 구성하여 고상/액상을 적절하게 혼합하여 사용할 수 있다. 고/액 혼합 에폭시를 사용할 경우, 택성(tackiness)의 조절을 위하여 고상:액상 비율은 1:1~1:3이 적당하다.

본 발명에서 경화제는 전체 조성물에서 5~15 중량%로 포함된다. 경화제의 함유량이 상기 범위 내에 있으면 에폭시의 경화를 우수하도록 하고 신뢰성 바람직하다. 상기 함량을 벗어나게 되면 에폭시 당량이 부족하여 미반응 에폭시가 남게 되거나, 채움 특성이 떨어질수 있어 불리하다.

본 발명에서 쓸 수 있는 개시제로는 특별한 제한이 없으나, 자외선 조사에 의한 B-스테이징을 뒷받침할 수 있는 광 개시제와 열 개시제를 혼합하여 사용하는 것이 적당하다. 광 개시제를 부가함으로써 공정성과 필름의 보관성을 높일 수 있다. 이때 개시제의 혼합 비율은 열 개시제 2~5 중량부와 광 개시제 1~5 중량부로 하면 적절하다. 나아가 광 개시제도 장파장 광 개시제: 단파장 광 개시제의 비율이 중량 기준으로 2:3~1:2인 혼합 광 개시제로 구성하여 광화학적 수율을 높일 수 있다.

본 발명의 열 개시제로는 90~130℃ 온도 범위에서 반감기가 30 내지 60분인 열 경화제를 사용하면 바람직하다. 경화제의 반감기가 상기 범위 내에 있으면 적정 온도의 열 개시와 열경화 특성이 반도체 패키징 장치의 신뢰성 측면 및 채움 특성, 빈 틈 발생 특성 등에 적절히 반응하기 때문에 바람직하지만, 범위 밖에 있으면 특정 온도에서의 개시 특성이 어긋나 반도체 장치의 전체적 특성을 저하시켜 불리하다.

이러한 열 경화제로서 본 발명에 쓰일 수 있는 것에는, 과산화물, 수소화과산화물(hydroperoxide), 과산화이탄산염과 과산화이탄산에스테르(peroxydicarbonate) 및 과산화에스테르 계열 열 경화제를 들 수 있다.

본 발명의 무기 충전재는 이산화티타늄(TiO₂)과 기타 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 것이 특징이다. 이산화규소를 사용한 종래의 무기 충전재에 비하여 본 발명의 무기 충전재는 패키징된 반도체 장치 상하부층의 열 팽창 계수 격차를 보완하고, 열 이력을 효과적으로 분산시켜 필름의 공극을 메우는 특성(gap-filling)이 뛰어나며, 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 이산화규소 등의 종래 무기물 충전재와 섞어서 사용할 경우 반도체 패키징 공정의 공정성과 보관성을 높일 수도 있다.

본 발명의 무기 충전재는 기본 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부를 차지하는 것이 바람직하다. 5 중량부보다 적게 쓰일 경우, 열 전도성이 과도하게 낮아 신뢰성과 공극 메움 특성이 나빠지며, 30 중량부를 넘을 경우는 열 이력이 과도해져 공정성과 신뢰성이 떨어질 수 있다.

본 발명의 무기 충전재에 쓰이는 기타 금속 산화물로는 이산화규소(SiO₂), 기타 산화규소(SiO_x) 등을 들 수 있다. 이러한 무기 충전재 내에서 이산화티타늄은 중량 기준으로 20~50%를 차지하고 그 나머지는 기타 금속 산화물이 차지하는 것이 바람직한데, 이산화티타늄이 상기 함량 범위를 만족하면 반도체 패키징 내의 열 팽창계수 불균형을 보완하여서 반도체 장치의 신뢰성 등의 측면에서 바람직하나, 상기 범위를 벗어나면, 채움 특성 저하와 열 팽창계수의 불균형의 보완 성능이 저하되어 불리하다.

본 발명의 한 실시 태양에서는 이산화규소를 사용하는 경우, 웨이퍼와의 신뢰성을 향상시키고, 이산화규소의 분산성을 높이기 위하여 실란 커플링제를 사용할 수 있다. 본 발명에서 실란 커플링제는 기본 수지 100 중량부에 대하여 1~2% 중량부 포함될 수 있다. 적절한 실란 커플링제의 예로 에폭시 실란, 메톡시실란, 아미 노실란등을 들 수 있다.

본 발명의 한 측면에서는 또한 상기 접착제 조성물을 이용하여 제조한 반도체 패키징용 접착 필름을 제공한다. 본 발명의 접착 필름의 구성은 베이스 필름과 상기 베이스 필름의 어느 일면 또는 양면에 형성된 하나 이상의 접착층을 갖추고 있되, 상기 접착층은 본 발명에 따른 접착제 조성물로부터 형성된 것이 특징이다.

<실시예>

이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.

본 발명에 따른 접착제 조성물을 이용하여 제조한 반도체 패키징용 접착 필름의 성능을 평가하기 위하여 실시예와 비교예 접착 필름을 제조하였다. 접착제 조성물과 그를 이용한 접착 필름의 제조는 통상적인 방식을 따랐으며, 간략하게는 다음과 같다.

반도체 패키징용 접착제의 조성물을 제조하기 위하여 중량 기준으로, 아크릴로니트릴 고무(AN rubber) 20%, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR) 변성 에폭시 15%, 페녹시 수지 15%, 비스페놀 A 형 에폭시 26%(고상/액상 20%/6%), 비스페놀 F 형 에폭시 15%와 기타 아크릴 수지 성분을 메틸에틸케톤(MEK)에 용해시키고 균일하게 1차 혼합하였다. 이 혼합물 100 중량부에 대하여, 과산화물 계열 열 개시제 4 중량부와 자외선 개시제 4 중량부(단파장/장파장대 자외선 개시제 1:3의 비율)를 첨가하고, 페놀 계열 경화제를 15 중량부 넣은 후 2차 혼합을 하였다. 실시예 조성물과 필름의 경우 잠재성 경화제를 2차 혼합시 페놀 경화제와 함께 20 중량부 부가하였다. 상기 조성물로부터 필름 제조를 위해 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 베이스 필름 위에 일정한 두께로 상기 조성물을 피복하고, 제작 공정성을 위하여 자외선 조사를 통한 B-스테이징(staging)을 수행하였다.

이렇게 얻은 상기 반도체 패키지용 접착 필름을 5.0 mm×10.0 mm 규모의 실리콘 웨이퍼에 라미네이션하고, 130~170℃의 온도에서 1.5~2.0 초 동안 2~5 kg중의 힘으로 기질(substrate)에 본딩한 후, 175℃에서 1시간 동안 접착제를 경화 시켰다.

이렇게 제조한 실시예와 비교예 조성물의 조성을 비교하면 다음 표 1과 같다. 아래 표 1에서 무기 충전재, 열 개시제, 광 개시제와 경화제의 중량부 단위는 기본 수지의 총량을 100 중량부로 환산하였을 때 부가한 양을 중량부로 환산한 값이다.

* 분자량이 50000~100000인 아크릴로니트릴 고무(AN rubber)

** 니트릴-부타디엔 고무(NBR)로 변형된 비스페놀 A-글리시딜 에폭시 수지인 국도화학 KR-309(에폭시 당량(EEW) 280~300 g. 25℃의 점도 25,000~40,000 cPs).

*** 고/액 비율 1:1~1:3인 비스페놀 A(당량 180~190 g/eq. 25℃의 점도 1100~2800 cPs), 비스페놀 F(당량 160~180 g/eq, 25℃의 점도 2000~5000 cPs), 크레졸 노볼락(분자량 1100~4000)

◇ 이산화티타늄 5 중량% ~ 30 중량%로 이루어진 무기충전재

SiO₂ : TiO₂ = 2:1~3:1

† 과산화물계 열 개시제인 과산화디큐밀

‡ 스위스 Ciba Specialty Chemical의 포스핀계 광개시제를 두 종류 사용하였으며, 그 합이 4 중량부임. 단파장은 Irgacure 184, 장파장은 Irgacure 819.

§ 페놀계 경화제

위와 같이 하여 얻은 실시예와 비교예 접착 필름에 대하여 신뢰성, 인장 강도, 박리 강도와 공극률을 측정하였다. 측정 방법은 다음과 같다.

<신뢰성>

일본 합동 전자 장치 협의회(Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC) 기준에 따라 제2 수준(Level2)의 수분 저항성 시험(moisture resistance test, MRT) 평가와 85℃에서 상대 습도 85%로 1일 동안 수행하는 평가를 병행하여 신뢰성을 측정하였다. MRT 제2수준 시험 조건은 60% 상대 습도, 85℃에서 7일 동안 필름을 놓아둔 다음, 260℃ 피크 온도에서 리플로우시켰다. 85℃/85% 테스트에서는 이 온도/습도 하에서 1일 동안 필름을 놓아둔 다음, 260℃ 피크 온도에서 리플로우하여 신뢰성을 평가하였다.

<박리 강도>

접착력을 평가하기 위하여 웨이퍼와 접착 필름 사이의 박리 강도를 180도 박리 시험 장치(peel tester)로 측정하였다. 박리 강도는 100g 중/cm 이상 500 g 중/cm 이하의 범위에 있으면 반도체 신뢰성 특성에 적합한 수준으로 볼 수 있다.

<인장 강도>

만능 시험기(UTM)를 이용하여 제조한 필름의 인장 강도를 측정하였다. 인장 강도는 경화전에 상온에서 5MPa 이상 150 MPa 이하의 범위에 있으면 다이 픽업(die pick-up) 및 채움성, 빈 틈 방지 측면에서 적합한 수준으로 볼 수 있다.

<공극 메움성>

공극 메움 특성을 평가하기 위하여 주사 음향 단층 분석법(scanning acoustic tomography, SAT)을 통하여 공극률을 측정하였다. SAT에 따른 공극 메움성은 전체 접착 면적 중 공극이 차지하는 비율을 1에서 뺀 값으로 정의하였다. 공극 메움성은 전체 면적의 90~100% (즉 채우지 못한 부분 및 빈 틈(void) 부분이 전제 면적의 10% 이내의 범위)에 있으면 적합한 수준으로 볼 수 있다.

이같은 물성 평가 결과를 아래 표 2에 정리하였다.

조 성 (중량부)	실시예 번호			비교예 번호
	1	2	3	1	2	3	4	5	6
공극 메움성	98	91	92	87	74	81	88	67	69
필름의 인장 강도(MPa)	46	73	57	4.3	4.5	19	34	53	76
박리 강도(g 중/cm)	452	483	431	121	120	231	287	232	313
신뢰성	합격			불합격

표 2의 데이터로부터 알 수 있듯이 본 발명에 따른 실시예 접착 필름은 비교예 필름에 비하여 제품화하였을 때 경화 전 상온에서의 모듈러스 측면에서 우수하기 때문에 뛰어난 접착력, 유연성, 공극 메움 특성을 나타낸다.

본 명세서의 상세한 설명과 실시예에 사용된 용어는 해당 분야에서 평균적인 기술자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적으로 쓰인 것일 뿐, 어느 특정 의미로 한정하거나 청구범위에 기재된 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니었음을 밝혀 둔다.

Claims (13)

1. 중량 평균 분자량 5만 이상의 고무 수지 15 내지 30 중량부,

   고무 변성 에폭시 10~35 중량부 및

   범용 에폭시 10~50 중량부로 이루어지는 기본 수지 100 중량부에 대하여,

   이산화티타늄과 1종 이상의 기타 금속산화물로 이루어진 무기 충전재 5~30 중량부 및

   경화제와 개시제를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징용 접착제 조성물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 무기 충전재 내에서 이산화티타늄의 비율은 20~50 중량%를 차지하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키징용 접착제 조성물.
3. 제2항에 있어서,

   상기 무기 충전재는 이산화규소 50~80 중량%와 이산화티타늄 20~50 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 패키징용 접착제 조성물.
4. 제1항에 있어서,

   상기 접착제 조성물은 기본 수지 100 중량부에 대하여, 실란 커플링제를 1~2 중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
5. 제1항에 있어서,

   상기 개시제는 기본 수지 100 중량부에 대하여 열 개시제 2~5 중량부와 광 개시제 1~5 중량부가 혼합되어 포함되는 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
6. 제5항에 있어서,

   상기 광 개시제는 장파장 광 개시제: 단파장 광 개시제의 비율이 중량 기준으로 2:3~1:2 범위에 있는 혼합물인 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
7. 제5항에 있어서,

   상기 열 개시제는 90~130℃ 온도 범위에서 반감기가 30 내지 60분인 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
8. 제7항에 있어서,

   상기 열 개시제는 과산화물, 수소화과산화물(hydroperoxide), 과산화이탄산염과 과산화이탄산에스테르(peroxydicarbonate) 및 과산화에스테르 계열 열 경화제로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
9. 제1항에 있어서,

   상기 경화제는 상기 조성물 전체 중량에서 5~15%를 차지하도록 상기 조성물에 포함되는 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
10. 제1항에 있어서,

    상기 고무 수지는 아크릴로니트릴 고무, 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴부타디엔, 아크릴산글리시딜 및 스티렌-부타디엔 고무로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
11. 제1항에 있어서,

    상기 고무 변성 에폭시는 아크릴로니트릴-부타디엔 변성 에폭시인 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
12. 제1항에 있어서,

    상기 범용 에폭시는 비스페놀 A, 비스페놀 F, 크레졸 노볼락, 페녹시 계열 에폭시로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 접착제 조성물.
13. 반도체 패키징 공정에 사용되는 접착필름으로서,

    상기 접착필름은 베이스 필름; 및

    상기 베이스 필름의 어느 일면 또는 양면에 형성된 하나 이상의 접착층;을 포함하여 구비하되,

    상기 접착층은 제1항 내지 제12항 중 선택된 어느 한 항에 따른 접착제 조성물로부터 형성된 것을 특징으로 하는 반도체용 접착 필름.