KR101117757B1 - 비유동성 언더필용 수지조성물 및 이를 이용한 비유동성 언더필 필름 - Google Patents

비유동성 언더필용 수지조성물 및 이를 이용한 비유동성 언더필 필름 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 칩의 배선을 보호 및 강화하기 위한 비유동성 언더필 필름(no-flow underfill film)에 관한 것이다. 본 발명에서는 열해중합성 수지를 포함하여, 플립칩 패키지 조립체의 제조시 수지조성물의 해중합을 유도할 수 있는 비유동성 언더필용 수지조성물 및 이를 이용한 비유동성 언더필 필름을 제공한다.
본 발명에서는 열에 의한 해중합이 가능한 수지를 언더필용 수지조성물에 배합함으로써 비유동성 언더필 수지조성물을 라미네이트(laminate)가 가능한 필름형태로 제작 가능하게 한다. 그 결과, 플립칩과 패키지 기판을 접착하기 전 혹은 솔더링 공정 전에, 상기 비유동성 언더필 필름에 간단한 광조사 혹은 열처리를 실시함으로써 경화반응 중에 솔더 조인트를 통한 전기적 연결이 가능한 낮은 점도와 높은 액 유동성을 확보할 수 있다.
언더필 필름, 비유동성, 해중합(depolymerization), 폴리카보네이트, 라미네이트.

Description

비유동성 언더필용 수지조성물 및 이를 이용한 비유동성 언더필 필름{RESIN COMPOSITION FOR NO-FLOW UNDERFILL AND NO-FLOW UNDERFILL FILM USING THE SAME}
본 발명은 반도체 칩(IC: integrated circuit)과 패키지 기판 사이, 또는 마이크로 전자소자 부품과 기판 사이의 배선(interconnection)을 보호 및 강화하기 위한 비유동성 언더필 필름(no-flow underfill film)에 관한 것이다. 보다 상세하게는 에폭시 수지, 열에 의해 해중합이 가능한 수지(이하, "열해중합성 수지"라 함), 산촉매, 경화제 및 경화촉진제, 개질용 열가소성수지, 용융화제 등을 포함하여, 플립칩 패키지 조립체의 제조시 수지조성물의 해중합을 유도할 수 있는 비유동성 언더필용 수지조성물 및 이를 이용한 비유동성 언더필 필름에 관한 것이다.
마이크로 전자 소자는 리드 프레임(lead frame) 또는 패키지 기판(package substrate)과 같은, 인쇄회로 기판(printed circuit board)에 전기적으로 연결되며 상기 리드프레임 또는 패키지 기판상에 지지된 집적 회로 부품을 포함한다. 가정용, 산업용을 불문하고 소형 경량화 고기능화가 요구되고 있는 전자제품의 경향에 이러한 직접회로 부품의 실장에도 실장 면적을 줄이면서도 신호 입출력(input-output) 단자의 수를 늘리는 방법이 요구되고 있다. 이 때문에, 반도체소자를 와이 어본딩에 의해 리드 프레임에 전기적으로 연결하고, 에폭시 수지(epoxy resin)나 세라믹스(ceramics)등으로 몰드(mold)한 반도체 장치에 대신해서, 베어(bare)칩을 그대로 실장하는 플립 칩 방식(flip chip package)이 주류로 되어가고 있다.
플립칩 패키지 방법(flip chip package)은 반도체칩 상의 본딩 패드(bonding pad)와 기판 상의 패드를 도전성 범프(conductive bump)를 이용하여 전기적으로 접속하는 것으로서, 도전성 범프를 통하여 전기적인 접속과 반도체 칩의 기판 부착을 동시에 할 수 있다. 그러나 반도체 칩, 배선 재료, 및 패키지 기판의 열팽창 계수(CTE: coefficient of thermal expansion) 차이로 인한 미스매치(mismatch)가 발생한다는 것이 문제가 되어 왔다. 이에 따라, 전술한 바와 같은 미스매치 문제를 해결하고 금속배선 또는 도전성 폴리머(conductive polymer)를 통한 전기적 접속을 물리적으로 지지하기 위해서, 상기 전기적 접속부 주위로, 상기 반도체 칩과 패키지 기판 사이의 틈에 밀봉 물질을 충전시킨다. 이러한 물질은 언더필(underfill)로서 알려져 있으며, 이러한 언더필을 이용함으로써 접합부(solder joint)의 피로수명을 연장시킬 수 있다. 언더필 방법으로는 일반적으로 에폭시수지(epoxy resin) 등의 액체상태의 언더필 물질을 반도체 칩과 패키지 기판 사이에 주입한 후 경화시켜 반도체 칩과 패키지 기판 사이에 고착시키는 모세관 유동(capillary flow) 언더필 방법이 주로 사용되고 있다.
종래의 모세관 유동 언더필을 적용하는 경우, 언더필의 주입 및 공급한 언더필의 경화 반응은 금속 솔더(solder) 또는 도전성 폴리머가 리플로우(reflow)되어 배선을 형성한 다음에 수행된다. 정해진 양의 언더필 물질을 전자 부품 조립체의 하나 이상의 가장자리면을 따라 공급하면, 상기 반도체 칩과 패키지 기판 사이의 갭(gap)에서의 모세관 작용에 의해 상기 언더필 물질이 내부로 끌려 들어간다. 통상적으로, 플립 칩 패키지는 대부분 전술한 모세관 유동 언더필이 적용되고 있다.
보다 효과적인 방법으로써 이른바, 비유동성 플럭싱 언더필(no-flow fluxing underfill)을 이용한 충진방법이 제안되었다. 도 1은 종래 방법에 의한 비유동성 플럭싱 언더필 방법에 관한 모식도이다. 종래에 따르는 비유동성 언더필 적용의 첫 단계는 언더필 수지 조성물(11)을 패키지 기판(14) 상에 도포하는 단계이다. 두 번째 단계로써, 플립칩(15)과 상기 언더필 수지 조성물이 도포된 패키지 기판의 금속패드부(12)를 정렬(align)하는 단계이다. 플립칩 정렬기(flip chip alignment)를 사용하여 플립칩의 솔더 범프(16)와 패키지 기판의 금속 패드(12)가 각각 대응하도록 위치시키고, 플립칩과 패키지 기판이 수평을 이루도록 조정한다. 종래의 비유동성 언더필 공정의 최종 단계는 상기 정렬된 플립칩과 패키지 기판을 본딩(bonding)한 뒤, 이어지는 솔더 리플로우(solder reflow) 오븐을 통과하면서 솔더링을 통한 전기적인 접속을 완성하고 동시에, 언더필 수지 조성물을 경화하는 단계이다.
도 1의 비유동성 플럭싱 언더필 방법으로는 반도체 칩을 접착하는 두 번째 단계에서 반도체 칩의 단자와 패키지 기판의 단자가 맞닿음으로써 접촉에 의해 전기적으로 연결하는 접촉 연결법(contact connection) 또는 마지막 단계에서 고온을 이용하여 반도체 단자부와 패키지 기판의 단자부를 재유동화(reflow)하고 금속 접합을 형성시킴으로써 전기적으로 연결하는 금속 접합 연결법(metal-joint connection)이 제안되고 있다. 금속 접합 연결법으로는 통상, 반도체 칩의 솔더 범프(solder bump)와 패키지 기판 금속 패드 사이가 리플로우 오븐(reflow oven)을 통과하면서 재유동화되고 이어서 접합되는 솔더 조인트(solder-joint)가 제안되고 있다. 모세관 현상에 의존하여 언더필을 주입하는 종래의 모세관 유동 언더필 프로세스는 실장하는 반도체 칩의 사이즈에 제한이 있는 것과 달리 상기와 같은 비유동성 언더필 프로세스에서는 실장하는 반도체 부품의 면적에 제한이 없으며, 충진시간 및 경화시간을 비약적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 비유동성 언더필 프로세스의 전기적 연결 방법 중 접촉 연결법은 반도체 부품과 패키지 기판의 금속 단자간 직접적인 접촉을 통해 전기적으로 연결하거나 비유동성 언더필 상에 분산된 도전볼(conductive ball)을 매개체로하여 전기적으로 연결하는 방법이 있다. 도전볼을 매개로 하는 후술한 방법은 이방전도성 페이스트(ACP : anisotropic conductive paste)나 이방전도성 필름 (ACF : anisotropic conductive film)을 언더필 재료로 사용하게 된다. 그러나 접촉 연결법은 단자 금속간의 국부적인 접촉을 통하여 전기적으로 연결하므로 종래의 모세관 유동 언더필 방식에서 이용하던 솔더링을 이용한 접합법에 비하여 접속신뢰성이 떨어지는 약점이 있다. 특히 도전볼을 이용한 접합법은 접촉 면적이 언더필 내에 도전볼의 밀도와 도전볼의 크기에 제한을 받게 된다. 또한 단자 연결부 사이에 도체 도전볼이 분산되어 있으므로 연결 부위간 절연 신뢰성 면에서도 안정적이라고 보기 힘들다. 반면 상기 비유동성 언더필 프로세스의 금속 접합 연결법의 경우 종래 모세관 유동 언더필 프로세스에서 사용하는 솔더 조인트를 통한 연결을 그대로 채택함으로써 단 자간 접속신뢰성이나 단자 연결 부위간의 절연신뢰성에 있어서 검증된 방법이다.
금속 접합 연결법을 이용하는 비유동성 언더필 프로세스에서는 전술한 솔더링 및 언더필의 경화 단계의 수행 시에 상기 언더필 물질의 적절한 점도 및 적절한 경화 속도를 유지하는 것이 관건이다. 반도체 부품과 패키지 기판 사이의 솔더를 용융시켜, 접속을 쉽게 형성할 수 있도록 하기 위해서는 언더필이 약 2,000?6,000cps의 저점도 상태를 유지해야 한다. 또한, 상기 언더필의 경화 반응은 상기 솔더가 경화된지 너무 오랜 시간이 경과한 후에 일어나서는 안되며, 솔더가 용융된 다음, 1회의 재유동화 단계로 상기 언더필이 신속하게 경화되는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 언더필은 상기 솔더 마스크(solder mask), 솔더 및 반도체 부품의 부동태화막에 우수한 부착성을 제공해야 한다. 결과적으로, 상기 언더필은 실온에서의 오랜 작업수명 및 열사이클 공정중의 양호한 신뢰성을 나타내어야 한다.
상술한 금속 접합 연결법을 이용하는 비유동성 언더필은 통상적으로 다음과 같은 문제가 있다. 솔더를 용융시켜, 접속을 쉽게 형성할 수 위하여 언더필은 솔더링 공정 온도에서 경화 전 저점도 상태를 유지해야 하며 따라서 페이스트(Paste) 타입으로 제작하게 된다. 그런데, 페이스트 타입으로 비유동성 언더필을 제작할 경우 페이스트의 유동성을 알맞게 조절하여 언더필의 도포 두께 및 도포 면적을 제어해야 한다. 이 때 도포되는 수지조성물의 온도 등으로 유동성을 조절하기도 한다. 그러나 수지조성물은 페이스트(paste) 상이므로 정확하게 두께를 조절하는 것이 불리하다. 또한 수지 조성물을 도포할 때 도포되는 수지조성물의 양을 균일하게 처리하기가 매우 어렵기 때문에, 면적이 넓은 칩을 처리하거나, 한번에 여러 개의 칩을 처리하는 것에 있어서 불리하다는 문제점이 있어 이에 대한 개선이 필요한 상태이다.
이에, 본 발명자들은 열해중합성 수지를 이용하여 비유동성 언더필용 수지를 제조하면 에폭시 수지의 경화반응 중에 솔더 조인트를 통한 전기적 연결이 가능한 낮은 점도와 높은 액 유동성을 확보할 수 있으면서도 필름형태로 제작이 가능함을 확인하고, 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명의 목적은 비유동성 언더필 수지조성물 상의 해중합을 유도하여 플립칩의 접착에 적합한 점도 및 액 유동성을 갖는 비유동성 언더필 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 비유동성 언더필 수지 조성물을 이용한 비유동성 언더필 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 비유동성 언더필 필름을 이용하여 플립칩 패키지 조립체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 목적달성을 위한 본 발명의 언더필용 수지조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여; 산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지 5 내지 80 중량부; 경화제 및 경화촉진제 1 내지 110 중량부; 개질용 열가소성 수지 3 내지 80 중량부; 및 상기 에폭시 수지, 상기 산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지, 상기 경화제 및 경화촉진 제 및 상기 개질용 열가소성 수지 전체에 대하여 중량비 0.01 내지 0.10의 용융화제를 포함한다. 이때, 필요에 따라 일관능성의 에폭시 반응성 희석제, 계면활성제, 밀착성 부여제, 무기필러, 난연제 및 이온 트래핑제(ion trapping agent)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제가 추가로 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 비유동성 언더필 필름은 상기 비유동성 언더필 수지 조성물을 지지 베이스 필름 상에 도포하여 층으로 형성시켜 얻는다.
또한, 본 발명에 의한 플립칩 패키지 조립체의 제조방법은, 상기 언더필 필름을 패키지 기판 상에 적층(laminating)하는 단계; 상기 패키지 기판위에 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름을 박리한 뒤, 플립칩 반도체를 정렬하는 단계; 상기 패키지 기판과 플립칩 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 단계; 및 상기 언더필 필름 조성물을 경화하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 플립칩 반도체를 정렬하는 단계에 앞서, 패키지 기판 위에 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름을 박리한 뒤 광조사 및/또는 프리히팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서는 상기 열에 의한 해중합이 가능한 수지를 언더필 수지조성물에 배합함으로써 솔더링 공정 온도에서 신속하게 경화가 가능하며, 우수한 내크랙성(crack resistance)를 달성하는 비유동성 언더필 수지 조성물 및 이를 이용한 비유동성 언더필 필름을 제조할 수 있게 되었다. 그 결과, 플립칩과 패키지 기판을 접착하기 전, 혹은 솔더링 공정 전 상기 비유동성 언더필 필름에 필요에 따라, 간단한 광조사 혹은 열처리를 실시함으로써 경화반응 중에 솔더 조인트를 통한 전기 적 연결이 가능한 낮은 점도와 높은 액 유동성을 확보하 수 있었다.
본 발명의 언더필 필름 수지 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여; 산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지 5 내지 80 중량부; 경화제 및 경화촉진제 1 내지 110 중량부; 개질용 열가소성 수지 3 내지 80 중량부; 및 상기 에폭시 수지, 상기 산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지, 상기 경화제 및 경화촉진제 및 상기 개질용 열가소성 수지 전체에 대하여 중량비 0.01 내지 0.10의 용융화제를 포함한다.
이때, 에폭시 수지는 크레졸노볼락형(cresol novolac) 에폭시 수지, 페놀노볼락형(phenolnovolac) 에폭시 수지, 3급-부틸-카테콜형(tert-butyl-cartechol) 에폭시 수지, 비페닐형(biphenyl) 에폭시 수지, 비스페놀 A형(bisphenol-A) 에폭시 수지, 비스페놀 F형(bisphenol-F) 에폭시 수지, 나프탈렌형(naphthalene) 에폭시 수지, 글리시딜아민형(glycidyl amin) 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 에폭시 수지의 선택은 경화 후의 유리전이 온도, 기계적 강도를 확보하기 위하여 당량이 470 이하인 것이 바람직하며, 300이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 에폭시 수지로서는 경화물의 바람직한 물성 등의 관점에서 방향족계 에폭시 수지가 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서 방향족계 에폭시 수지란, 이의 분자 내에서 방향환 골격을 갖는 에폭시 수지를 의미한다 따라서, 성분(A)로서는 1분자 중에 2개 이상의 에폭시 그룹을 가지며, 당량이 470이하인 방향족계 에폭시 수지가 바람직하다. 이러한 에폭시 수지는 각각 단독으로 사용할 수 있으며, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 또한 성분(A)는 전체 언더필 조성물의 필름형성성을 높이기 위하여 상대적으로 점도가 높은 엘라스토머(elastomer) 변성 액상 에폭시를 사용하는 것이 가능하다.
이와 같은 에폭시 수지로는, 구체적으로 HP4032 시리즈(대일본 잉크 화학 공업), 에피코트 807(일본 에폭시 수지) 에피코트 828EL, 에피코트 152등을 들 수 있다. 엘라스토머 변성 액상 에폭시로는 대일본 잉크 화학 공업의 TSR960(에폭시 당량 240, 25℃에서의 점도 60000～90000cp) 등을 들 수 있다.
열해중합성 수지로서는 폴리카보네이트(polycarbonate) 수지가 바람직하다. 본 발명에 적합한 고온에서 해중합이 가능한 수지를 구체적으로 예시하자면 바람직하게는 2,5-디메틸-2,5-헥산다이올(2,5-dimethyl-2,5-hexanediol) 또는 이하의 화학식(1)에서 예시한 다이올(diol) 및 카보네이트(carbonate)의 공중합(copolymerization)으로 생성한 폴리카보네이트가 될 수 있다.
화학식 1
Figure 112009011842593-pat00001
상기 (a) 내지 (f)에서
Figure 112009011842593-pat00002
이다.
위 식의 X에서, 첫번째 OH에서의 H 또는 나머지 치환체에서의 카르복실기(CO2)를 제외한 부분은 공중합 과정에서 제거되는 부분이다.
나아가, 모노머(monomer) 다이올의 하이드록시기(hydroxyl group)와 모노머 카보네이트의 카보네이트기는 3차 탄소(tertiary carbon)에 결합하고 있거나, 벤질(benzyl) 자리에 위치하는 것이 더 바람직하다. 상기와 같은 모노머들로부터 생성된 공중합 폴리카보네이트는 상대적으로 낮은 온도(200℃ 이하의 온도)에서도 열에 의하여 해중합 반응이 가능하기 때문에 본 발명의 목적에 부합한다. 화학식 1의 모노머를 이용하여 공중합반응을 수행하면 바람직하게는 아래의 화학식 2와 같은 폴리카보네이트가 생성된다.
화학식 2
Figure 112009011842593-pat00003
화학식 2와 같은 공중합 폴리카보네이트는 140～200℃ 범위의 온도에서 해중합 반응이 가능하다. 이를 아래의 반응식1 및 2에 예시하였다.
반응식 1
Figure 112009011842593-pat00004
→
Figure 112009011842593-pat00005
+
Figure 112009011842593-pat00006
+
Figure 112009011842593-pat00007
,
Figure 112009011842593-pat00008
,
Figure 112009011842593-pat00009
반응식 2
Figure 112009011842593-pat00010
→
Figure 112009011842593-pat00011
+
Figure 112009011842593-pat00012
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Figure 112009011842593-pat00013
반응식1 및 2에 제시한 바와 같은 공중합 폴리카보네이트의 해중합 반응은 일반적으로 고온에서 고분자가 천정 온도(ceiling temperature) 영향을 받는 현상은 아니며, 3차 카보네이트에 의하여 나타나는 동시 다발적인 제거 반응(elimination reaction)이다. 또한 상기와 같은 공중합 폴리카보네이트의 해중합 반응 후에는 화학식(3)에서 보듯 다이올, 다이엔(diene) 과 같은 생성물이 발생하는데 이 생성물들은 곧이어 다른 비유동성 언더필 수지조성물의 물질(에폭시와 같은 열경화 수지 및 경화제)들과 고온에서 가교반응(crosslinking)을 하게 되어 소모된다. 성분(B)는 비유동성 언더필 수지의 다른 조성물과 조합 후의 경화거동에 따라 투입량의 조절이 가능하지만 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 80 중량부 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하며, 나아가, 20 ～ 60 중량부의 범위에서 배합하는 것이 더욱 바람직하다. 에폭시 수지 100 중량부 대비 5 중량부 이하이면, 상온에서의 필름 형성 능력을 유도하기 힘들며, 더욱이 솔더링 공정 시 솔더 조인트를 통한 전기적 연결을 원활하게 진행할 만한 낮은 점도와 높은 유동성을 얻기 힘들다. 반면, 80 중량부 이상이면 수지조성물의 경화 후 기계적인 강도, 내열 강도가 손상될 우려가 있다.
산 촉매(acid catalyst)는 상기 해중합이 가능한 수지의 해중합 반응의 촉매로서 작용하며, 통상 140℃ 내지 200℃인 해중합 반응의 반응온도를 낮추어주고 반응속도를 높여주는 데에 배합의 목적이 있다. 한편 본 발명에 따르는 비유동성 언더필 수지조성물은 라미네이트(laminate) 전에는 상온에서 필름상으로 안정적으로 보관 가능해야 하고, 고온에서는 해중합이 빠른 속도로 진행되어 솔더 조인트에 알맞은 유동성과 낮은 점도가 되어야 한다. 이와 같은 목적에 부합하는 산 촉매로는 트라이페닐 설포늄 플루오로안티모네이트(triphenylsulfonium fluoroantimonate)와 같은 트라이페닐 설포늄, 또는 트라이페닐요도늄(triphenyl iodonium) 등의 감광성 산 전구체 (photo-sensitive acid precursor)가 바람직하다. 상기 감광성 산 전구체는 필름을 형성 후, 광조사 전 까지 촉매 활성을 띄지 않기 때문에 플립칩 본딩 공정 전 필름상으로 언더필 수지조성물을 보관하는 데에 문제가 발생하지 않는다. 상기 감광성 산 전구체를 배합한 비유동성 언더필 필름을 패키지 기판 상에 도포한 뒤, 광 조사를 수행한 뒤 열을 가하면 해중합 반응이 급격히 일어나게 되며, 따라서 수지 조성물에 솔더 조인트가 가능한 유동성을 부여하게 된다. 상기 열해중합성 수지로서, 폴리카보네이트를 사용한 경우 상기 감광성 산 전구체를 이용하여 해중합 온도를 80℃ 이하로 낮추는 것이 가능하다. 본 발명에 따르는 산 촉매의 배합량은 열해중합성 수지에 대하여 중량비로 0.01 ～ 0.20 내외가 바람직하다. 산촉매의 배합량이 열해중합성 수지에 대하여 중량비로 0.01 이하로 배합될 경우, 해중합 반응의 촉매효과를 기대하기 어려우며, 0.20 이상이 배합될 경우 수지조성물의 경화 후 기계적인 강도, 내열 강도가 손상될 우려가 있다.
에폭시 경화제 및 경화촉진제는 상기 에폭시 수지 성분의 경화를 촉진시키기 위한 것으로서, 언하이드라이드계(anhydride), 아민계(amin), 페놀계(phenol) 경화제 등의 통상적인 경화제를 사용할 수 있으며, 경화 개시온도는 140℃ 이상이며, 최고 온도 범위인 240℃～250℃ 범위에서는 빠른 속도로 경화 반응이 일어나는 경화제가 바람직하다. 즉, 통상적인 솔더링 공정의 온도 프로파일(temperature profile)에서 경화반응이 완결되는 것이 바람직하다. 또한 이러한 경화제는 포트 라이프(pot life)가 긴 것이 바람직하다. 에폭시 경화제의 구체적인 예로서는, 예를 들면, 디시안디아미드(dicyandiamide), 메틸헥사하이드로프탈릭 언하이드라이드(methylhexahydrophthalic anhydride), 페놀계 경화제의 예로서 페놀노볼락 레진, 크레졸노볼락 레진 등을 사용 할 수 있다. 상기 경화제 이외에, 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine) 등의 유기 포스핀계 화합물, 2-에틸-4메틸이미다졸(2-ethyl-4-methylimidazole) 등의 이미다졸계 화합물, 3차 아민(tertiary amine) 등을 경화촉진제로서 첨가할 수 있다. 에폭시 경화제의 구체적인 예로는, 디시안디아미드(dicyandiamide), 아민류, 메틸헥사하이드로프탈릭 언하이드라이드(methylhexahydrophthalic anhydride)와 같은 언하이드라이드류 또는 페놀계 경화제의 예로써 페놀노볼락 레진, 크레졸노볼락 레진 등을 사용 할 수 있다. 상기 경화제 이외에, 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine) 등의 유기 포스핀계 화합물, 2-에틸-4메틸이미다졸(2-ethyl-4-methylimidazole)등의 이미다졸계 화합물, 3차 아민(tertiary amine)등을 경화촉진제로서 첨가할 수 있다.
경화제 및 경화촉진제의 함량은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 경화제 및 경화 촉진제 1 내지 110 중량부가 바람직하다. 아민계 경화제를 사용할 경우 그 사용량은 아민기의 반응성 수소 당 에폭시 당량비를 0.05 내지 5로 하는 것이 바람직하다. 언하이드라이드계 경화제를 사용하는 경우 언하이드라이드 고리당 에폭시 당량비를 0.05 내지 5로 하는 것이 바람직하다. 경화제의 배합량을 상기 범위내에서 조절하지 않을 경우 에폭시나 경화제의 미반응물로 인하여 수지 조성물에 의도하는 경화반응이 외에 다른 반응이 일어날 우려가 높다. 한편, 경화촉진제를 사용하는 경우 그 사용량은 경화제의 배합량 대비 중량비로 0.01 내지 0.10의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 경화 촉진제를 0.01 이하로 사용할 경우 경화반응의 촉진효과를 기대하기 어려우며, 0.10 이상일 경우 경화반응이 급속한 속도로 일어나게 되고 보관성에 악영향을 미칠 우려가 있다.
개질용 열가소성 수지의 역할은 에폭시 경화시스템의 브리틀(brittle)한 성질을 개선하여 파괴인성(fracture toughness)을 높이고 내부응력(internal stress)을 완화하는데 있으며, 아울러 상온에서 보호필름 상에 조성물 레진을 코팅하는 경우 적당한 점도를 유지하게 하여 필름 형성 성능을 높이는데 있다. 이와 같은 개질용 열가소성 수지로는 아크릴 러버, 에폭시 레진 희석 아크릴 러버(acrylic rubber dispersed in epoxy resins), 코어쉘 러버(core shell rubber), 카복시 말단 부타디엔 니트릴 러버 (carboxy terminated butadiene nitrile: CTBN), 아크릴로니트릴 부타디엔 스타이렌(acrylonitrile-butadiene-styrene), 폴리메틸 실록산(polymethyl siloxane) 등 일반적으로 필름 코팅 목적으로 사용되는 어느 것이라도 상기 경화성 수지 조성물의 성상에 맞추어 사용하는 것이 가능하다. 코어쉘 러버 입자는, 입자가 코어(core) 층과 쉘(shell) 층을 가지는 고무(Rubber) 입자이고, 예를 들면 외층의 쉘 층이 유리상 폴리머(polymer), 안 층의 코어 층이 고무 모양 폴리머로 구성되는 2층구조, 또는 외층의 쉘층이 유리상 폴리머, 중간층이 고무 모양 폴리머, 코어 층이 유리상 폴리머로 구성되는 3층 구조의 것 등을 들 수 있다. 유리 층은 예를들면, 메타크릴산 메틸(methyl methacrylate)의 중합물 등으로 구성되고, 고무모양 폴리머층은 예를 들면, 뷰틸 아크릴레이트(butyl acrylate) 중합물 등으로 구성된다.
해당 열가소성 수지를 배합하는 경우, 전체 언더필 수지조성물의 전체 고형분에 대한 함유 비율은 요구되는 특성에 따라서 다르지만 상기 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 3 내지 80 중량부인 것이 바람직하다. 3 중량부 이하일 경우 파괴인성을 높이고 내부응력을 완화하고자 하는 목적을 이루기 힘들며, 80 중량부 이상일 경우 수지 조성물 내에 경화성 성분의 함량이 지나치게 줄어들어 경화 후 기계적 신뢰성 및 전기적 신뢰성이 저하될 우려가 높다.
용융화제는 비유동성 언더필 프로세스에서 언더필 수지조성물의 경화반응과 동시에 솔더 조인트를 통한 전기적 접속이 동시에 이루어지도록 조성물 레진의 유동성을 높게 유지하는 역할을 한다. 아울러 용융화제는 언더필 조성물의 경화반응에 대해 악영향을 최소화하면서, 솔더링 공정 중 패키지 기판의 구리 패드에서 발생하는 금속 산화물을 제거해야 하며 고온 공정 중 재산화 반응에 의한 솔더 녹음 현상을 방지해야 한다. 일반적으로 고온에서의 끓음 현상을 방지하기 위하여 솔더링 공정온도에서 증기압이 매우 낮은 유기산(organic acids), 알코올(alcohol) 등 의 말단 하이드록시기를 가지는 유기물들을 용융화제로서 사용할 수 있다. 그러나 유기산들의 경우 대부분 에폭시 경화제 시스템의 경화반응에 부가적인 반응으로 참여할 가능성이 높으므로 반응성이 낮은 유기산을 선택하여야 한다. 구체적인 예로써, 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 글리세롤(glycerol), 3-[비스(글리시딜옥시메틸)메톡시]-1,2-프로판다이올(3-[bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propanediol), 글루타릭산(glutaric acid), 트라이플로로 아세트산(trifluoroacetate) 등을 들 수 있다. 용융화제의 알맞은 배합량은 에폭시 수지, 산촉매를 포함하는 해중합성수지, 경화제 및 경화촉진제 및 개질용 열가소성 수지 전체 대비 0.01 내지 0.10 중량비가 바람직하며, 나아가 0.02 내지 0.08 중량비가 보다 바람직하다. 0.01 이하의 용융화제는 언더필 수지 조성물에 솔더 조인트에 적합한 유동성을 부여하기 힘들고, 0.10 이상의 용융화제는 언더필 수지조성물의 경화를 방해할 가능성이 있으며, 언더필 경화물의 내열성 및 내습성을 저하시킬 가능성이 있다.
상기와 같은 언더필 조성 레진의 구성물 이외에 원하는 물성을 위하여 추가적인 첨가제를 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어 일관능성의 반응성 희석제를 사용하면 경화된 언더필의 물성에 바람직하지 않은 영향을 끼치지 않으면서, 점도 증가를 점진적으로 지연시킬 수 있다. 상기 희석제로서 알리파틱글리시딜 에테르(aliphaticglycidyl ether), 알릴글리시딜 에테르(allyl glycidyl ether), 글리세롤 디글리시딜 에테르(glycerol diglycidyl ether) 등의 물질 및 그의 혼합물을 이용할 수 있다. 한편, 플립칩 본딩(bonding) 공정 및 솔더링 중에 보이드(void) 발생을 억제를 하고, 언더필 조성물의 흐름성 증대를 위하여 여러 종류의 계면활성제를 첨가할 수 있다. 계면활성제의 바람직한 예로는 유기 아크릴 폴리머(organic acryl polymer), 폴리올(polyol) 등의 고분자계 실록산(siloxane), 또는 3M 사의 FC-430과 같은 불소계 화합물을 들 수 있다. 계면활성제는 상기 에폭시 수지, 상기 산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지, 상기 경화제 및 경화촉진제 및 상기 개질용 열가소성 수지 전체에 대하여 0.0001 내지 0.02의 중량비 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
또한 상기 언더필 조성물에 밀착성 부여제를 추가하여 실장하는 칩 및 패키지 기판과의 계면 접착력을 향상시킬 수 있다. 이미다졸계(imidazole), 티아졸계(thiazole), 트리아졸계(triazole), 실란 커플링제(silane coupling agent) 등이 사용 가능하며, 상기 에폭시 수지의 배합량 대비 0.0001 내지 0.02 중량비의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 언더필 조성 레진은 실리카(silica), 알루미나(alumina), 황산 바륨, 탈크(talc), 클레이(clay), 수산화알미늄, 수산화마그네슘, 실리콘 나이트라이드(silicon nitride), 보론 나이트라이드(boron nitride) 등의 무기 필러를 언더필 조성 레진의 점도 및 유동 특성을 제어하기 위하여 추가하는 것이 가능하며 난연제(flame retardant), 이온 트래핑제(ion trapping agent) 등을 목적에 따라 추가로 첨가하는 것이 가능하다.
본 발명의 언더필 필름용 수지 조성물을 지지 베이스 필름상에 도포하고 수지 조성물층을 형성시킨 뒤 필요에 따라 건조시킴으로써 비유동성 언더필 필름을 제작할 수 있다. 예를 들면 수지 조성물을 섞어 수지 바니쉬(varnish)를 조제하고, 지지 베이스 필름을 지지체로서 그 위에 수지 바니쉬를 도포한 다음, 필요에 따라 가열 또는 숙성 건조 등에 의하여 흡습 등으로 발생할 수 있는 수분 등의 휘발분을 제거하고, 수지 조성물 필름을 형성시킬 수 있다.
필요하다면 코팅 후 저온숙성을 통하여 흡습 등으로 발생할 수 있는 휘발분을 0.2중량% 이하로 낮추는 것이 바람직하며, 나아가 0.15중량% 이하로 낮추는 것이 더 바람직하다. 저온숙성 조건은 80℃ 이하가 바람직하며 나아가 60℃ 이하가 더욱 바람직하다. 상기 바람직한 휘발분은 플립칩 본딩 공정 중 즉, 패키지 기판 표면에 라미네이트 후 플립칩과 본딩하기 직전 프리히팅(pre-heating)을 실시함으로써 달성하여도 무방하다. 프리히팅의 온도 및 시간은 라미네이트된 언더필 수지조성물과 적용하는 패키지 기판의 구조 및 두께를 고려하여 조절될 수 있다. 바람직하게는 100℃ 이하의 온도에서 20분 이하의 프리히팅 처리가 적당하다.
본 발명에 따르는 비유동성 언더필 필름의 지지 필름은 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 또한 박리지 및 구리호일 및 알루미늄호일과 같은 금속호일을 포함한다. 지지베이스 필름의 두께는 통상 10 내지 150㎛의 범위이다. 지지 베이스 필름은 머드 공정(mud process) 및 코로나 공정 이외의 박리 공정으로 추가로 처리한다.
본 발명에 따르는 비유동성 언더필 필름의 두께는 본딩하게 될 플립칩과 패키지 기판의 조합인 패키지 구조체 설계에 따라 조절 될 수 있으며, 패키지 기판의 솔더 코팅부의 두께 이상이다. 일반적으로 두께는 5 내지 150㎛m의 범위이다.
이렇게 하여 언더필 수지조성물과 지지 베이스 필름으로 이루어진 본 발명의 비유동성 언더필 필름은 그 자체로 저장하거나 보호 필름을 수지조성물의 다른 표면에 적층시킨 다음 권취시켜 저장한다. 이러한 보호 필름은 지지 베이스 필름과 동일한 성분, 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리 비닐클로라이드, 폴리프로필렌 등의 폴리 올레핀; 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 폴리에스테르; 및 박리지를 포함한다. 보호필름의 두께는 일반적으로 10 내지 150㎛m의 범위이다.
나아가, 보호 필름은 머드 공정 및 엠보스 공정 이외에 박리 공정으로 만족스럽게 처리할 수 있다. 언더필 수지조성물의 수지가 라미네이트 시 스며나오기 때문에, 지지 베이스필름 부분을 롤 양쪽 말단 또는 한쪽 말단에 약 5mm 이상의 코팅되지 않은 부분(un-coated part)를 배치함으로써 수지의 흐름을 방지하고, 보호필름과 지지 베이스필름의 박리를 쉽게 수행하게 하는 것이 유리하다.
마지막으로, 본 발명에 의한 플립칩 패키지 조립체의 제조방법은 상기 언더필 필름을 패키지 기판 상에 적층(laminating)하는 단계; 상기 패키지 기판위에 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름을 박리한 뒤, 플립칩 반도체를 정렬하는 단계; 상기 패키지 기판과 플립칩 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 단계; 및 상기 언더필 필름 조성물을 경화하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 플립칩 반도체를 정렬하는 단계에 앞서, 패키지 기판 위에 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름을 박리한 뒤 광조사 및/또는 프리히팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 플립칩 패키지 조립체의 제조방법에 관한 모식도이다. 도2에서, 본 발명에 따르는 비유동성 언더필 적용의 첫 단계는 언더필 필름(20)을 패 키지 기판(27) 상에 적층(laminating)하는 것이다. 이때 필요하다면 보호 필름을 제거하고 적층할 수 있다.
두번째 단계로서, 지지필름(21)을 제거한 뒤 필요하다면 비유동성 언더필 필름의 언더필 수지조성물(22)이 솔더 접속에 알맞은 유동성을 확보하도록 광 조사 및/또는 프리히팅(pre-heating)을 실시한다. 프리히팅 온도와 시간은 제한되지 않으나, 바람직하게는 100℃ 이하의 온도에서 20분 이내에 처리하도록 한다. 프리히팅 온도가 100℃ 이상이거나, 처리시간이 20분 이상면, 언더필 수지조성물에 불필요한 반응을 유발할 수 있다. 전술한 감광성 산 전구체를 해중합을 위한 산촉매로 사용한 경우에는 프리히팅 직전에 광조사를 실시한다. 광조사는 전술한 트라이페닐설포늄 염을 감광성 촉매로 사용한 경우, 240～440 nm 파장 영역의 자외선광을 사용하여 1초 내지 5분 조사하는 것이 바람직하다.
세번째 단계는 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름(21)을 제거하고 칩과 패키지 기판을 정렬(align)하는 단계이다. 플립칩 정렬기(flip chip alignment)를 사용하여 플립칩(25)의 솔더 범프(26)와 패키지 기판의 금속 패드(pad)부(23)가 각각 대응하도록 위치시키고, 플립칩과 패키지 기판이 수평을 이루도록 조정한다.
최종 단계는 상기 정렬된 플립칩과 패키지 기판을 본딩(bonding)한 뒤, 이어지는 솔더 리플로우(solder reflow) 오븐을 통과하면서 솔더링을 통한 전기적인 접속을 완성하고 동시에, 언더필 수지조성물을 경화하는 단계이다.
종래의 방법에 따르면 패키지 기판 상에 언더필 수지 조성이 도포되는 것이 공정의 첫 번째 단계이다. 이 때 도포되는 수지조성물의 온도 등으로 유동성을 조 절하기도 한다. 그러나 수지조성물은 페이스트(paste) 상이므로 정확하게 두께를 조절하는 것이 불리하다. 또한 수지조성물을 도포할 때 도포되는 수지조성물의 양을 균일하게 처리하기가 매우 어렵기 때문에, 면적이 넓은 칩을 처리하거나, 한번에 여러 개의 칩을 처리하는 것에 있어서 불리하다. 한편 본 발명에 따르는 비유동성 언더필 필름을 사용하는 경우 수지조성물이 균일하게 코팅되어 있는 필름상이므로 넓은 면적이라도 균일한 처리가 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1.비유동성 언더필 필름용 수지조성물의 배합
(1) 에폭시 수지: 비스페놀 F 에폭시 레진(액상, 에폭시 당량 190), 및 비스페놀 A 에폭시 레진(액상, 에폭시 당량 250) 의 중량비 4:1 블렌드 100.0 g
(2) 산촉매 및 열해중합성 수지
폴리카보네이트 (그림 2 (a)) 20.0 g
산촉매: 트라이페닐 설포늄 플루오로안티모네이트 2.0 g
(3) 에폭시 경화제 및 경화 촉진제:
메틸헥사하이드로 프탈릭언하이드라이드 100.0g 및 2-메틸이미다졸 0.5g
(4) 개질용 열가소성수지: 카복시 말단 부타디엔 니트릴 러버 (CTBN) 5.0 g
(5) 용융화제: 글리세롤 8.0 g
(6) 추가 첨가제: FC430 (3M, 계면활성제) 0.3 g
2. 비유동성 언더필 필름의 제조
상기 비유동성 언더필 수지 조성물의 바니쉬를 제작한 뒤, 박리 표면 처리가 되어있는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET) 지지베이스 필름 상에 40um의 두께로 코팅하였다 코팅은 상온에서 어플리케이터를 이용하여 실시하였다 상기 비유동성 언더필 수지 조성물이 코팅된 필름을 45℃ 건조오븐에서 30분간 방치하였다.
3. 패키지 공정 적용
패키지 기판 조립체 상에 상술한 비유동성 언더필 필름을 라미네이트 한 뒤, 지지베이스 필름을 제거하여, 패키지 기판과 비유동성 언더필 필름으로 구성된 조립체를 완성하였다. 상기 조립체의 상부를 254nm 파장에 자외선을 2분간 조사한 뒤, 80℃의 온도에서 10분간 프리히팅을 실시하였다. 상기 과정을 통하여 비유동성 언더필 수지조성물 상의 해중합을 유도할 수 있으며, 플립칩의 본딩에 적합한 3000 cps 이하의 점도 및 액 유동성을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시에에 대해서만 상세히 기술되었지만 본발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 수정 및 변형이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 종래 방법에 의한 비유동성 플럭싱 언더필 방법에 관한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 비유동성 언더필 필름을 이용하여 플립칩 패키지 조립체를 제조하는 방법에 관한 모식도이다.

Claims (14)

  1. 에폭시 수지 100 중량부에 대하여;
    산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지 5 내지 80 중량부;
    경화제 및 경화촉진제 1 내지 110 중량부;
    개질용 열가소성 수지 3 내지 80 중량부; 및
    상기 에폭시 수지, 상기 산 촉매를 포함하는 열해중합성 수지, 상기 경화제 및 경화촉진제 및 상기 개질용 열가소성 수지 전체에 대하여 중량비 0.01 내지 0.10의 용융화제;를 포함하되,
    상기 열해중합성 수지는 해중합 반응온도가 200℃ 이하인 폴리카보네이트이고,
    상기 개질용 열가소성 수지는 아크릴 러버, 에폭시 레진 희석 아크릴 러버(acrylic rubber dispersed in epoxy resins), 코어쉘 러버(core shell rubber), 카복시 말단 부타디엔 니트릴 러버 (carboxy terminated butadiene nitrile: CTBN), 아크릴로니트릴 부타디엔 스타이렌(acrylonitrile-butadiene-styrene) 및 폴리메틸 실록산(polymethyl siloxane)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상이며,
    상기 용융화제는 말단 하이드록시기를 가지는 유기물인 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폴리카보네이트는 카보네이트기가 3차 탄소 또는 벤질 자리 탄소에 결합된 폴리카보네이트인 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서
    상기 폴리카보네이트는 하기의 화학식 2의 (g) 내지 (j)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물:
    화학식 2
    Figure 112011019976109-pat00014
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산 촉매의 함량은 상기 열해중합성 수지 대비 중량비로 0.01 내지 0.20인 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산 촉매가 감광성 산 전구체인 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 감광성 산 전구체가 트라이페닐 설포늄 염, 트라이페닐 요도늄 염 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물.
  9. 제 1항에 있어서,
    일관능성의 에폭시 반응성 희석제, 계면활성제, 밀착성 부여제, 무기필러, 난연제 및 이온 트래핑제(ion trapping agent)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비유동성 언더필용 수지 조성물.
  10. 제1항 및 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 비유동성 언더필용 수지 조성물을 지지 베이스 필름 상에 도포하여 층으로 형성시킨 비유동성 언더필 필름.
  11. 제10항에 따른 언더필 필름을 이용하여 제조되는 플립칩 패키지 조립체.
  12. 제10항에 따른 언더필 필름을 패키지 기판 상에 적층(laminating)하는 단계;
    상기 패키지 기판위에 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름을 박리한 뒤, 플립칩 반도체를 정렬하는 단계;
    상기 패키지 기판과 플립칩 반도체 사이를 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 언더필 필름 조성물을 경화하는 단계를 포함하는 플립칩 패키지 조립체의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 플립칩 반도체를 정렬하는 단계에 앞서, 패키지 기판 위에 적층된 언더필 필름의 지지 베이스 필름을 박리한 뒤 광조사 및/또는 프리히팅하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩 패키지 조립체의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광조사는 파장이 240 내지 440nm인 자외선광을 1초 내지 5분 조사하여 달성되는 것을 특징으로 하는 상기 플립칩 패키지 조립체의 제조방법.
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