KR100997606B1 - 에폭시 수지 조성물 및 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

(A) 페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬형 에폭시 수지, (B) 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지, (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물을 포함하는 경화 촉진제, (D) 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물, (E) 실란 커플링제, 및 (F) 무기 충전재를 필수성분으로서 포함하는 에폭시 수지 조성물로서, 상기 (F) 무기 충전재를 전체 에폭시 수지 조성물 중에 84 중량% 이상, 92 중량% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용(封止用) 에폭시 수지 조성물.

Description

에폭시 수지 조성물 및 반도체장치{Epoxy resin composition and semiconductor device}
본 발명은 반도체 봉지용(封止用, encapsulating) 에폭시 수지 조성물, 및 이것을 사용한 반도체장치에 관한 것이다.
종래부터 다이오드, 트랜지스터, 집적회로 등의 전자부품은 주로 에폭시 수지 조성물을 사용하여 봉지되고 있다. 특히 집적회로에서는 에폭시 수지, 페놀 수지, 및 용융 실리카, 결정 실리카 등의 무기 충전재를 배합한 내열성, 내습성이 우수한 에폭시 수지 조성물이 사용되고 있다. 그러나 최근, 전자기기의 소형화, 경량화, 고성능화의 시장동향에 있어서, 반도체소자의 고집적화가 해마다 진행되고, 또한 반도체장치의 표면 실장화(實裝化)가 촉진되는 가운데, 반도체소자의 봉지에 사용되고 있는 에폭시 수지 조성물로의 요구는 점점 엄격해지고 있다. 특히 반도체장치의 표면 실장화가 일반적으로 되고 있는 현재 상황에서는, 흡습한 반도체장치가 땜납 리플로우 처리시 고온에 노출된다. 또한, 환경부하 물질의 철폐의 일환으로서, 납을 포함하지 않는 땜납으로의 대체가 진행되고 있어, 종래의 땜납에 비해 융점이 높기 때문에 표면 실장시의 리플로우 온도는 종래보다도 20℃ 정도 높게, 260℃가 필요로 된다. 그 때문에, 반도체장치가 종래 이상으로 높은 온도에 노출됨으 로써, 반도체소자나 리드 프레임과 에폭시 수지 조성물의 경화물과의 계면에 박리가 발생하고, 반도체장치에 크랙을 발생하는 등, 반도체장치의 신뢰성을 크게 손상시키는 불량이 발생하기 쉬워지고 있다.
통상, 에폭시 수지 조성물 중에는 난연성을 부여하기 위해 브롬 함유 유기화합물 등의 할로겐계 난연제, 및 삼산화 이안티몬, 사산화 이안티몬 등의 안티몬화합물이 배합되어 있는 경우가 많지만, 환경부하 물질의 철폐의 관점에서, 할로겐계 난연제, 안티몬화합물을 사용하지 않고, 난연성이 우수한 에폭시 수지 조성물의 개발이 요구되고 있다. 이들을 대신하는 환경대응의 난연제로서는 수산화알루미늄, 수산화마그네슘 등의 금속 수산화물 등이 사용되도록 되고 있다. 그러나, 이들은 다량으로 배합하지 않으면 난연성의 효과가 발현되지 않고, 또한 충분한 난연성이 얻어질 정도로 배합량을 늘리면 에폭시 수지 조성물의 성형시의 유동성, 경화성 및 경화물의 기계강도가 저하, 내땜납 리플로우성(solder-reflow resistance)을 악화시킬 우려가 있다.
이들의 문제에 대해, 저(低)수분 흡수, 가요성(flexibility), 난연성을 갖는 레진을 사용하여 내땜납 리플로우성을 향상시키는 방법이 제안되어 있지만(예를 들면, 특허문헌 1, 2 또는 3 참조.), 무연땜납(lead-free solder)을 사용한 경우에도 대응할 수 있도록 하기 위해, 무기 충전재를 보다 고충전화하고자 하면, 유동성이 부족하다고 하는 문제가 발생하기 때문에, 실현이 곤란하였다.
이상과 같은 상황으로부터, 난연성 부여제를 사용하지 않고 높은 내연성을 가지며, 또한 유동성을 손상시키지 않고, 무연땜납에도 대응 가능한 높은 내땜납 리플로우성을 갖는 반도체 봉지용 수지 조성물의 개발이 요망되고 있었다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 평1-275618호 공보
특허문헌 2 : 일본국 특허공개 평5-097965호 공보
특허문헌 3 : 일본국 특허공개 평5-097967호 공보
발명의 개시
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 난연성 부여제를 사용하지 않고 높은 내연성을 가지며, 또한 유동성을 손상시키지 않고, 무연땜납에도 대응 가능한 높은 내땜납 리플로우성을 갖는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물, 및 이것을 사용하여 반도체소자를 봉지해서 되는 신뢰성이 높은 반도체장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은
[1] (A) 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지, (B) 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지, (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물을 포함하는 경화 촉진제, (D) 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물, (E) 실란 커플링제, 및 (F) 무기 충전재를 필수성분으로 하고, 상기 (F) 무기 충전재를 전체 에폭시 수지 조성물 중에 84 중량% 이상, 92 중량% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물,
Figure 112008014218503-pct00001
(단, 상기 화학식 1에 있어서, R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수. n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
Figure 112008014218503-pct00002
(단, 상기 화학식 2에 있어서, R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수. n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
[2] 상기 (A) 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지의 연화점(softening point)이 35℃ 이상, 60℃ 이하인 제[1]항 기재의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물,
[3] 상기 (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물이, 트리페닐포스핀의 1,4-벤조퀴논 부가물인 제[1]항 또는 제[2]항 기재의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물,
[4] 상기 (D) 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물이, 벤젠 고리 또는 나프탈렌 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물인 제[1]항 내지 제[3]항 중 어느 한 항 기재의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물,
[5] 벤젠 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 상기 화합물이, 카테콜, 피로갈롤, 몰식자산(gallic acid), 몰식자산 에스테르, 또는 이들의 유도체인 제[4]항 기재의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물,
[6] 나프탈렌 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 상기 화합물이, 1,2-디히드록시나프탈렌 또는 2,3-디히드록시나프탈렌, 또는 이들의 유도체인 제[4]항 기재의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물,
[7] 제[1]항 내지 제[6]항 중 어느 한 항 기재의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체소자를 봉지해서 되는 것을 특징으로 하는 반도체장치,
이다.
본 발명에 따르면, 할로겐계 난연제, 및 안티몬화합물, 그 밖의 난연성 부여제를 사용하지 않고, 난연 그레이드가 UL-94의 V-0가 되며, 또한 유동성을 손상시키지 않고, 무연땜납에도 대응 가능한 높은 내땜납 리플로우성을 갖는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물, 및 이것을 사용하여 반도체소자를 봉지해서 되는 신뢰성이 높은 반도체장치를 높은 생산성으로 얻을 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 공업적인 수지 봉지형 반도체장치, 특히 무연땜납을 사용하는 표면 실장용 수지 봉지형 반도체장치의 제조에 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명에 의해 얻어지는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 할로겐계 난연제, 및 안티몬화합물, 그 밖의 난연성 부여제를 사용하지 않고, 난연 그레이드가 UL-94의 V-0가 되며, 또한 유동성을 손상시키지 않고, 무연땜납에도 대응 가능한 높은 내땜납 리플로우성을 갖기 때문에, 공업적인 수지 봉지형 반도체장치, 특히 무연땜납을 사용하는 표면 실장용 수지 봉지형 반도체장치의 제조에 적합하게 사용할 수 있다.
도면의 간단한 설명
전술한 목적, 및 그 밖의 목적, 특징 및 이점은 이하에 기술하는 적합한 실시형태, 및 그에 부수하는 이하의 도면에 의해서 더욱 명확해진다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 반도체장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명은 (A) 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지, (B) 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지, (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물을 포함하는 경화 촉진제, (D) 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물, (E) 실란 커플링제, 및 (F) 무기 충전재를 필수성분으로 하고, 상기 (F) 무기 충전재를 전체 에폭시 수지 조성물 중에 84 중량% 이상, 92 중량% 이하 포함함으로써, 할로겐계 난연제, 안티몬화합물, 그 밖의 난연성 부여제를 사용하지 않고 난연 그레이드가 UL-94의 V-0가 되며, 또한 유동성을 손상시키지 않고, 무연땜납에도 대응 가능한 높은 내땜납 리플로우성을 갖는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 얻을 수 있는 것이다.
이하, 각 성분에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명에 사용되는 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지는 수지 골격이 소수성(疎水性)을 나타내기 때문에 경화물이 저흡습성을 나타내는 동시에, 경화물의 가교점간 거리가 길어지기 때문에 땜납 리플로우 온도에서의 탄성률이 낮은 특장을 가지고, 이 때문에 발생하는 응력이 낮아 밀착성도 우수하여, 내땜납 리플로우성이 양호하여 바람직하다. 또한, 수지 골격에 차지하는 방향족 고리 함유율이 높기 때문에, 수지 그 자체의 난연성도 높다. 본 발명에 사용되는 화학식 1의 에폭시 수지의 연화점은 35℃ 이상, 60℃ 이하이며, 바람직하게는 40℃ 이상, 55℃ 이하이다. 화학식 1의 에폭시 수지의 연화점이 상기 범위내이면, 경화성이 좋고, 또한 유동성이 우수하다고 하는 효과가 있다.
화학식 1의 R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수, n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수이지만, 이들 중에서는 경화성의 측면에서 화학식 3의 수지 등이 바람직하다. n이 상기 범위내이면, 수지의 점도가 증대하는 것에 의한 봉지 성형시에 있어서 수지 조성물의 유동성 저하를 억제할 수 있어, 보다 한층의 저흡습화를 위한 무기 충전재의 고충전화가 가능해진다.
[화학식 1]
Figure 112008014218503-pct00003
(단, 상기 화학식 1에 있어서, R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수. n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
Figure 112008014218503-pct00004
(단, 상기 화학식 3에 있어서, n은 평균값으로, 0 또는 10 이하의 양수)
또한 본 발명에서는, 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지를 사용하는 것에 의한 특징을 손상시키지 않는 범위에서, 다른 에폭시 수지와 병용할 수 있다. 병용할 수 있는 에폭시 수지로서는 1 분자 내에 에폭시기를 2개 이상 갖는 모노머, 올리고머, 폴리머 전반으로, 그의 분자량, 분자구조를 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 오르토크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐렌 골격을 갖는 페놀 아랄킬형 에폭시 수지, 나프톨아랄킬형 에폭시 수지(페닐렌 골격, 비페닐 골격 등을 갖는다), 디시클로펜타디엔 변성 페놀형 에폭시 수지, 스틸벤형 에폭시 수지, 트리페놀메탄형 에폭시 수지, 알킬 변성 트리페놀메탄형 에폭시 수지, 트리아진 핵 함유 에폭시 수지 등을 들 수 있고, 이들은 1종류를 단독으로 사용해도 2종류 이상을 병용해도 된다. 다른 에폭시 수지를 병용하는 경우의 배합량으로서는 전체 에폭시 수지에 대해, 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지가 70 중량% 이상, 100 중량% 이하인 것이 바람직하 다. 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지의 배합량이 상기 범위내이면, 양호한 저흡습성, 내땜납 리플로우성을 얻을 수 있다.
본 발명에 사용되는 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지는 페놀성 수산기 사이에 소수성으로 강직한 비페닐렌 골격을 가지고 있어, 이것을 사용한 에폭시 수지 조성물의 경화물은 저흡습성을 나타내는 동시에, 경화물의 가교점간 거리가 길어지기 때문에 유리전이온도를 초과한 고온역에서의 탄성률이 낮다고 하는 특장을 가지며, 이 때문에 발생하는 응력이 낮아 밀착성도 우수하여, 내땜납 리플로우성이 양호하여 바람직하다. 또한 이들의 페놀 수지는 수지 골격에 차지하는 방향족 고리 함유율이 높기 때문에, 수지 그 자체의 난연성도 높고, 가교밀도가 낮은 것에 비해서는 내열성이 높다고 하는 특징을 가지고 있다.
화학식 2의 R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일해도 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수, n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수이지만, 이들 중에서는 경화성의 측면에서 화학식 4의 수지 등이 바람직하다. n이 상기 범위내이면, 수지의 점도가 증대하는 것에 의한 봉지 성형시에 있어서 수지 조성물의 유동성 저하를 억제할 수 있어, 보다 한층의 저흡습화를 위한 무기 충전재의 고충전화가 가능해진다.
[화학식 2]
Figure 112008014218503-pct00005
(단, 상기 화학식 2에 있어서, R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수. n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
Figure 112008014218503-pct00006
(단, 상기 화학식 4에 있어서, n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
본 발명에서는, 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지를 배합하는 것에 의한 특징을 손상시키지 않는 범위에서, 다른 페놀계 수지를 병용할 수 있다. 병용할 수 있는 페놀계 수지로서는 1분자 내에 페놀성 수산기를 2개 이상 갖는 모노머, 올리고머, 폴리머 전반으로, 그의 분자량, 분자구조를 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 나프톨아랄킬 수지, 트리페놀 메탄 수지, 테르펜 변성 페놀 수지, 디시클로펜타디엔 변성 페놀 수지, 페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지 등을 들 수 있고, 이들은 1종류를 단독으로 사용해도 2종류 이상을 병용해도 된다. 다른 페놀계 수지를 병용하는 경우의 배합량으로서는 전체 페놀계 수지에 대해, 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지가 70 중량% 이상, 100 중량% 이하인 것이 바람직하다. 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지의 배합량이 상기 범위내이면, 양호한 저흡습성, 내땜납 리플로우성을 얻을 수 있다.
본 발명에 사용되는 전체 에폭시 수지의 에폭시기 수와 전체 페놀계 수지의 페놀성 수산기 수의 당량비로서는 바람직하게는 0.5 이상, 2 이하이고, 특히 0.7 이상, 1.5 이하가 보다 바람직하다. 상기 범위내이면, 내습성, 경화성 등의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명에 사용되는 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지와 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지란, 미리 용융 혼합하여 사용함으로써 분산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 특히 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지로서 연화점이 45℃ 이하인 것을 사용하는 경우에는, 상기와 같이 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지와 미리 용융 혼합함으로써, 용융 혼합물의 연화점을 원래의 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지의 연화점보다 높게 할 수 있어, 원료의 취급성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 사용되는 경화 촉진제로서, 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물이 필수이다. 포스핀화합물로서는, 예를 들면 트리페닐포스핀, 트리-p-톨릴포스핀, 디페닐시클로헥실포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 트리부틸포스핀 등을 들 수 있다. 퀴논화합물로서는 1,4-벤조퀴논, 메틸-1,4-벤조퀴논, 메톡시-1,4-벤조퀴논, 페닐-1,4-벤조퀴논, 1,4-나프토퀴논 등을 들 수 있다. 이들 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물 중, 트리페닐포스핀의 1,4-벤조퀴논 부가물이 바람직하다. 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물의 제조방법으로서는 특별히 제한은 없지만, 예를 들면 원료로서 사용되는 포스핀화합물과 퀴논화합물을 양자가 용해되는 유기용매 중에서 부가반응시켜서 단리하면 된다. 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물은 1종을 단독으로 사용해도 2종 이상을 조합하여 사용해도 된다.
본 발명에서 사용되는 경화 촉진제로서, 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가 물 이외의 경화 촉진제도, 에폭시기와 페놀성 수산기의 반응을 촉진하는 것이면 특별히 한정 없이 병용할 수 있는데, 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물의 배합량은 전체 경화 촉진제에 대해 50 중량% 이상인 것이 바람직하다. 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물 이외의 경화 촉진제로서는, 예를 들면 1,8-디아자비시클로(5, 4, 0)운데센-7 등의 디아자비시클로알켄 및 그의 유도체, 트리부틸아민, 벤질디메틸아민 등의 아민계 화합물, 2-메틸이미다졸 등의 이미다졸 화합물, 트리페닐포스핀, 메틸디페닐포스핀 등의 유기 포스핀류, 테트라페닐포스포늄·테트라페닐보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라안식향산보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라나프토산보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라나프토일옥시보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라나프틸옥시보레이트 등의 테트라 치환 포스포늄·테트라 치환 보레이트 등을 들 수 있고, 이들은 1종 또는 2종류 이상을 병용해도 된다. 본 발명에 사용되는 경화 촉진제의 배합량은 전체 에폭시 수지 조성물의 0.01 중량% 이상, 3.00 중량% 이하이다. 페놀 수지가 상기 범위내에 있으면, 양호한 경화 특성이 얻어진다.
본 발명에 사용되는 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물은 수산기 이외의 치환기를 가지고 있어도 된다. 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물로서는, 하기 화학식 5로 나타내어지는 단환식(monocyclic) 화합물 또는 하기 화학식 6으로 나타내어지는 다환식(polycyclic) 화합물을 사용할 수 있다.
Figure 112008014218503-pct00007
(상기 화학식 5에 있어서, R1, R5는 어느 한쪽이 수산기이고, 한쪽이 수산기일 때 다른쪽은 수소, 수산기 또는 수산기 이외의 치환기. R2, R3, R4는 수소, 수산기 또는 수산기 이외의 치환기.)
Figure 112008014218503-pct00008
(상기 화학식 6에 있어서, R1, R7은 어느 한쪽이 수산기이고, 한쪽이 수산기일 때 다른쪽은 수소, 수산기 또는 수산기 이외의 치환기. R2, R3, R4, R5, R6는 수소, 수산기 또는 수산기 이외의 치환기.)
상기 화학식 5로 나타내어지는 단환식 화합물의 구체예로서, 예를 들면 카테콜, 피로갈롤, 몰식자산, 몰식자산 에스테르 또는 이들의 유도체를 들 수 있다. 또한, 상기 화학식 6으로 나타내어지는 다환식 화합물의 구체예로서, 예를 들면 1,2-디히드록시나프탈렌, 2,3-디히드록시나프탈렌 및 이들의 유도체를 들 수 있다. 이 중 유동성과 경화성의 제어의 용이함으로부터, 방향족 고리를 구성하는 2개의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물이 바람직하다. 또한, 혼련공정에서의 휘발을 고려한 경우, 모핵은 저휘발성으로 칭량(秤量) 안성정이 높은 나프탈렌 고리인 화합물로 하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물을, 구체적으로는, 예를 들면 1,2-디히드록시나프탈렌, 2,3-디히드록시나프탈렌 및 그의 유도체 등의 나프탈렌 고리를 갖는 화합물로 할 수 있다. 이들의 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물은 2종 이상 병용해도 된다.
방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물의 배합량은, 전체 에폭시 수지 조성물 중 0.01 중량% 이상 1 중량% 이하, 바람직하게는 0.03 중량% 이상 0.8 중량% 이하, 특히 바람직하게는 0.05 중량% 이상 0.5 중량% 이하이다. 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물의 배합량이 상기 범위내이면, 후술하는 실란 커플링제와의 상승(相乘)효과에 의해 저점도화와 고유동화를 도모할 수 있고, 또한 에폭시 수지 조성물의 경화가 저해되지 않아, 반도체 봉지 수지로서의 성능을 유지할 수 있다.
본 발명에 사용되는 실란 커플링제는 에폭시 실란, 아미노 실란, 우레이도 실란, 메르캅토 실란 등 특별히 한정되지 않고, 에폭시 수지 조성물과 무기 충전재 사이에서 반응하여, 에폭시 수지 조성물과 무기 충전재의 계면강도를 향상시키는 것이면 된다. 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물은 실란 커플링제와의 상승효과에 의해, 점도 특성과 유동 특성을 현저하게 개선시키기 때문에, 실란 커플링제는 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물의 효과를 충분히 얻기 위해서도 필수이다. 이들의 실란 커플링제는 단독으로 사용해도 병용해도 된다. 본 발명에 사용되는 실란 커플링제의 배합량은, 전체 에폭시 수지 조성물 중 0.01 중량% 이상 1 중량% 이하, 바람직하게는 0.05 중량% 이상 0.8 이하, 특히 바람직하게는 0.1 중량% 이상 0.6 중량% 이하이다. 실란 커플링제의 배합량이 상기 범위내이면, 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물의 효과를 충분히 발휘할 수 있고, 또한 에폭시 수지 조성물의 경화물과 각종 기재와의 밀착성 저하에 의한 반도체 패키지에 있어서의 내땜납 리플로우성의 저하를 억제할 수 있다. 또는, 에폭시 수지 조성물의 수흡수성의 상승에 의한 반도체 패키지의 내땜납 리플로우성의 저하도 억제할 수 있다.
본 발명에 사용되는 무기 충전재의 종류에 대해서는 특별히 제한은 없고, 일반적으로 봉지재료에 사용되고 있는 것을 사용할 수 있다. 예를 들면 용융 실리카, 결정 실리카, 2차 응집 실리카, 알루미나, 티탄화이트, 수산화알루미늄, 탈크, 클레이, 유리섬유 등을 들 수 있고, 이들은 1종류를 단독으로 사용해도 2종류 이상을 병용해도 된다. 특히 용융 실리카가 바람직하다. 용융 실리카는 파쇄상, 구상 모두 사용 가능하지만, 함유량을 높이고, 또한 에폭시 수지 조성물의 용융점도의 상승을 억제하기 위해서는, 구상 실리카를 주로 사용하는 쪽이 보다 바람직하다. 또한 구 상 실리카의 함유량을 높이기 위해서는, 구상 실리카의 입도분포를 보다 넓게 취하도록 조정하는 것이 바람직하다. 전체 무기 충전재의 함유량은 성형성, 신뢰성의 균형으로부터 전체 에폭시 수지 조성물 중에 84 중량% 이상, 92 중량% 이하인 것이 필수이고, 바람직하게는 87 중량% 이상, 92 중량% 이하이다. 무기 충전재의 함유량이 상기 범위내이면, 에폭시 수지 조성물이 저흡습성, 저열팽창성으로 양호한 내땜납성을 발휘할 수 있다. 또한, 에폭시 수지 조성물의 유동성 저하에 의한 봉지 성형시의 충전불량 등의 발생이나, 에폭시 수지 조성물의 고점도화에 의한 반도체장치 내에서의 금선 스위핑(gold-wire sweeping) 등의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 (A) 내지 (F) 성분으로 구성되지만, 필요에 따라서 카본블랙, 벵갈라 등의 착색제, 실리콘오일, 실리콘고무 등의 저응력 성분, 천연왁스, 합성왁스, 고급 지방산 및 그의 금속염류 또는 파라핀 등의 이형재, 산화 비스무트 등 수화물 등의 무기 이온 교환체, 산화방지제 등의 각종 첨가제를 적절히 배합해도 된다. 또한, 필요에 따라서 무기 충전재를 커플링제나 에폭시 수지 또는 페놀 수지로 미리 표면처리하여 사용해도 되고, 표면처리의 방법으로서는 용매를 사용하여 혼합한 후 용매를 제거하는 방법이나, 직접 무기 충전재에 첨가하고 혼합기를 사용하여 혼합하는 방법 등이 있다.
본 발명에 사용하는 에폭시 수지 조성물은, (A)~(F) 성분, 그 밖의 첨가제 등을 믹서를 사용하여 상온 혼합한 후, 롤, 니더 등의 압출기 등의 혼련기로 용융 혼련하고, 냉각 후 분쇄하여 얻을 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체소자 등의 전자부품을 봉지 하고, 반도체장치를 제조하기 위해서는 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰드, 인젝션 몰드 등의 종래부터의 성형방법으로 경화 성형하면 된다.
도 1은 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용한 반도체장치의 단면구조를 나타낸 도면이다. 다이패드(die pad)(2) 상에, 다이본딩재 경화물(6)을 매개로 반도체소자(1)가 고정되어 있다. 반도체소자(1)의 전극패드와 리드 프레임(4) 사이는 금선(3)에 의해서 접속되어 있다. 반도체소자(1)는 봉지재 경화물(5)에 의해서 봉지되어 있다.
이하에 본 발명의 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 배합비율은 중량부로 한다.
실시예 1
에폭시 수지 1 : 화학식 3으로 나타내어지는 에폭시 수지(연화점 44℃, 에폭시 당량 234, 화학식 3에 있어서 n=1.5.) 6.43 중량부
[화학식 3]
Figure 112008014218503-pct00009
페놀 수지 1 : 화학식 4로 나타내어지는 페놀 수지(연화점 107℃, 수산기 당량 203, 화학식 4에 있어서 n=0.5.) 4.42 중량부
[화학식 4]
Figure 112008014218503-pct00010
경화 촉진제 1 : 트리페닐포스핀의 1,4-벤조퀴논 부가물 0.20 중량부
2,3-디히드록시나프탈렌 0.05 중량부
실란 커플링제 1 : γ-글리시딜프로필트리메톡시실란 0.20 중량부
용융 구상 실리카(평균입경 25 ㎛) 88.00 중량부
카나우바 왁스(Carnauba Wax) 0.30 중량부
카본블랙 0.40 중량부
를 믹서를 사용하여 혼한합 후, 표면온도가 95℃와 25℃의 2개의 롤을 사용하여 혼련하고, 냉각 후 분쇄하여 에폭시 수지 조성물을 얻었다. 얻어진 에폭시 수지 조성물의 특성을 이하의 방법으로 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
평가방법
스파이럴 플로우(spiral flow) : 저압 트랜스퍼 성형기를 사용하여, EMMI-1-66에 준한 스파이럴 플로우 측정용 금형에, 금형온도 175℃, 주입압력 9.8 MPa, 경화시간 120초의 조건으로 에폭시 수지 조성물을 주입하고, 유동장(流動長)을 측정하였다. 단위는 ㎝. 80 ㎝ 이하이면 금선 스위핑이나 패키지 미충전 등의 성형불량이 발생할 가능성이 있다.
경화성(겔화 시간) : 175℃의 핫플레이트 상에 에폭시 수지 조성물 분말을 30 g 올리고, 이것을 금속 주걱으로 반죽하여 겔화되기까지의 시간을 측정하였다. 일반적인 트랜스퍼 성형은 50초 이상, 120초 이하 정도에서 성형되기 때문에, 겔화 시간이 45초 이상인 경우는 성형불량이 발생할 가능성이 있다.
내연성 : 트랜스퍼 성형기를 사용하여, 성형온도 175℃, 주입압력 9.8 Mpa, 경화시간 120초로 시험편(127 ㎜×12.7 ㎜×1.6 ㎜)을 성형하고, 애프터 베이킹(after-baking)으로서 175℃, 8시간 가열처리한 후, UL-94 수직 연소시험에 준하여 ΣF, Fmax를 측정하고, 내연성을 판정하였다.
내땜납 리플로우성 : 80pQFP(구리 프레임 : 14 ㎜×20 ㎜×2 ㎜ 두께, 패드사이즈 : 8 ㎜×8 ㎜, 칩 사이즈 : 7 ㎜×7 ㎜)를 저압 트랜스퍼 자동성형기를 사용하여, 실시예, 비교예 기재의 봉지 수지로, 금형온도 175℃, 주입압력 9.6 MPa, 경화시간 90초로 봉지 성형한 후, 175℃, 4시간 후 경화하여, 각 16개의 샘플을 각각 85℃, 상대습도 60%의 환경하에서 168시간과 85℃, 상대습도 85%의 환경하에서 168시간 처리한 후, 무연땜납을 사용한 실장을 상정하고, IR 리플로우(260℃)로 10초간 처리하였다. 얻어진 도 1에 나타내어지는 바와 같은 반도체장치를 초음파 탐상장치를 사용하여 관찰하고, 내부 크랙 및 각종 계면박리의 유무를 조사하였다. 내부 크랙 또는 각종 계면의 박리가 하나라도 발견된 것은 불량으로 하고, 불량 패키지의 개수가 n개일 때 n/16으로 표시하였다.
실시예 2~13, 비교예 1~9
표 1, 2, 3의 배합에 따라, 실시예 1과 동일하게 하여 에폭시 수지 조성물을 얻고, 실시예 1과 동일하게 하여 평가하였다. 결과를 표 1, 2, 3에 나타낸다.
표 1~3에 있어서, 「칩 상 박리」란, 칩(1)과 봉지재 경화물(5)의 계면에 있어서의 박리를 말하고, 「패드 상 박리」란, 다이패드(2)의 윗면(칩 탑재면에서 칩(1) 주변부)과 봉지재 경화물(5)의 계면에 있어서의 박리를 말하며, 「패드 뒤 박리」란, 다이패드(2)의 아랫면(칩 탑재면의 반대측)과 봉지재 경화물(5)의 계면에 있어서의 박리를 말하고, 「이너 리드(Inner-lead) 상 박리」란, 리드 프레임(4) 중 봉지재로 봉지된 부분과 봉지재 경화물(5)의 계면에 있어서의 박리를 말한다.
실시예 1 이외에서 사용한 원재료를 이하에 나타낸다.
에폭시 수지 2 : 화학식 3으로 나타내어지는 에폭시 수지(연화점 55℃, 에폭시 당량 236, 화학식 3에 있어서 n=1.9.)
[화학식 3]
Figure 112008014218503-pct00011
에폭시 수지 3 : 비페닐형 에폭시 수지(유카 쉘 에폭시(주)제, YX-4000K, 에폭시 당량 185, 융점 105℃)
에폭시 수지 4 : 비스페놀 A형 에폭시 수지(재팬 에폭시레진제, YL-6810, 에폭시 당량 170 g/eq, 융점 47℃)
페놀 수지 2 : 파라크실렌 변성 노볼락형 페놀 수지(미쯔이 화학(주)제, XLC-4L, 수산기 당량 168, 연화점 62℃)
경화 촉진제 2 : 트리페닐포스핀
1,2-디히드록시나프탈렌
카테콜
피로갈롤
1,6-디히드록시나프탈렌
레조르시놀
실란 커플링제 2 : N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란
실란 커플링제 3 : γ-글리시딜프로필트리메톡시실란
Figure 112008014218503-pct00012
Figure 112008014218503-pct00013
Figure 112008014218503-pct00014
실시예 1~13은 모두 양호한 유동성, 경화성, 내연성 및 내땜납 리플로우성을 나타내는 결과가 얻어졌다. 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지를 사용하고 있지 않은 비교예 1 및 비교예 2에서는 경화성과 내연성이 떨어지는 결과가 되었다. 또한, 비교예 2에서는 내땜납 리플로우성도 떨어지는 결과가 되었다. 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지를 사용하고 있지 않은 비교예 3에서는 내연성과 내땜납 리플로우성이 약간 떨어지는 결과가 되었다. 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물이 아닌 경화 촉진제를 사용한 비교예 4에서는 유동성이 저하되고, 내땜납 리플로우성도 떨어지는 결과가 되었다. 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물을 사용하고 있지 않은 비교예 5 및 비교예 6에서는 유동성이 저하되고, 내땜납 리플로우성도 떨어지는 결과가 되었다. 실란 커플링제를 사용하고 있지 않은 비교예 7에서는 유동성이 저하되고, 내땜납 리플로우성도 떨어지는 결과가 되었다. 무기 충전재의 함유량이 부족한 비교예 8에서는 내연성과 내땜납 리플로우성이 떨어지는 결과가 되었다. 무기 충전재의 함유량이 과잉인 비교예 9에서는 유동성의 저하와 점도의 상승이 현저하고, 패키지 성형에 있어서는 양호한 성형품이 얻어지지 않았다. 이상으로부터, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용함으로써, 할로겐계 난연제, 및 안티몬화합물, 그 밖의 난연성 부여제를 사용하지 않고 양호한 난연성이 얻어지며, 또한 유동성을 손상시키지 않고, 무연땜납에도 대응 가능한 높은 내땜납 리플로우성을 갖는 반도체 봉지용 수지 조성물이 얻어지는 것을 알 수 있었다.

Claims (8)

  1. (A) 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지, (B) 화학식 2로 나타내어지는 페놀 수지, (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물을 포함하는 경화 촉진제, (D) 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물, (E) 실란 커플링제, 및 (F) 무기 충전재를 필수성분으로 하고, 상기 (F) 무기 충전재를 전체 에폭시 수지 조성물 중에 84 중량% 이상, 92 중량% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112008014218503-pct00015
    (단, 상기 화학식 1에 있어서, R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수. n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
    [화학식 2]
    Figure 112008014218503-pct00016
    (단, 상기 화학식 2에 있어서, R은 수소 또는 탄소수 1~4의 알킬기를 나타내고, 서 로 동일 또는 상이해도 된다. a는 0~4의 정수, b는 0~4의 정수, c는 0~3의 정수, d는 0~4의 정수. n은 평균값으로 0 또는 10 이하의 양수.)
  2. 제1항에 있어서, 상기 (A) 화학식 1로 나타내어지는 에폭시 수지의 연화점이 35℃ 이상, 60℃ 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물이, 트리페닐포스핀의 1,4-벤조퀴논 부가물인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제2항에 있어서, 상기 (C) 포스핀화합물과 퀴논화합물의 부가물이, 트리페닐포스핀의 1,4-벤조퀴논 부가물인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (D) 방향족 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물이, 벤젠 고리 또는 나프탈렌 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 화합물인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 벤젠 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 상기 화합물이, 카테콜, 피로갈롤, 몰식자산, 몰식자산 에스테르, 또는 이들의 유도체인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  7. 제5항에 있어서, 나프탈렌 고리를 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소원자에 각각 수산기가 결합한 상기 화합물이, 1,2-디히드록시나프탈렌 또는 2,3-디히드록시나프탈렌, 또는 이들의 유도체인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  8. 제1항의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체소자를 봉지해서 되는 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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