KR101142300B1 - 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제 1 에폭시 수지 성분으로서 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지; 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는, 상기 멀티 아로마틱 에폭시 수지와는 다른 에폭시 수지; 및 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제 1 에폭시 수지 성분으로서 하기 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지; 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는, 상기 멀티 아로마틱 에폭시 수지와는 다른 에폭시 수지; 및 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
화학식 5
최근 반도체의 발달로 인해 회로 선폭이 BC(130mm), PC(110mm)에서 DC(90mm)로 발전하면서 칩의 수축률이 급격히 진전하게 되어 기존의 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지조성물로 적용하던 충진제 83% 수준의 제품으로는 성형성, 특히 반도체 업계에서 요구하는 패키지의 휨 특성 기준을 만족시킬 수가 없게 되었다.
이와 함께 반도체용 재료에서 환경유해물질을 배제하려는 움직임이 대두됨에 따라, 난연제로서 삼산화 안티몬과 브롬을 사용하던 기존의 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에서, 보다 친환경적인 난연제를 도입함으로써 고충진제에서의 신뢰성 및 패키지 휨 특성, 고충진에 따른 와이어 휨 개선과 같은 작업성을 확보할 수 있으면서도 보다 친환경적인 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물이 요구되어 왔다.
반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물로서, 기존의 반도체 봉지용 에폭시 수지와 경화제, 예컨대 화학식 1로 나타낼 수 있는 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 화학식 2로 나타낼 수 있는 페놀 노볼락형 수지계 경화제를 적용할 경우에는 고충진제에서의 신뢰성 및 작업성을 확보하기 힘든 문제점이 있었고, 난연제로 삼산화 안티몬과 브롬을 사용하지 않으면 봉지재에 스티킹 발생 및 오염과 같은 단점도 발생하였다. 이러한 문제를 해결하기 위한 일환으로, 화학식 3의 단량체로 이루어진 에폭시 수지(YX-4000H[Japan Epoxy Resins], 에폭시 당량=193g/eq.)를 사용하고, 경화제로는 화학식 4와 같은 수지(MEH-7800SS[메이와], 수산기당량=175g/eq.)를 사용하였으나 크리스탈 수지의 특성으로 인해 분산성에 있어 어려움을 겪어 왔다.
화학식 1
여기서, n은 0 내지 10의 정수이다.
화학식 2
여기서, n은 0 내지 10의 정수이다.
화학식 3
화학식 4
여기서, n은 0 내지 10의 정수이다.
따라서 친환경적이면서도 고충진제에서의 신뢰성 및 작업성까지 만족시킬 수 있는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 찾아내는 것은 현대의 반도체 패키징 분야에서 어려운 숙제인 것이 현실이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은 제 1 에폭시 수지 성분으로서 하기 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지; 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는, 상기 멀티 아로마틱 에폭시 수지와는 다른 에폭시 수지; 및 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 데 있다.
화학식 5
상기한 기술적 과제를 해결하고자 제 1 에폭시 수지 성분으로서 하기 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지; 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는, 상기 멀티 아로마틱 에폭시 수지와는 다른 에폭시 수지; 및 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
화학식 5
본 발명의 다른 일구체예로서, 상기한 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 아릴알킬형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기한 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지는 하기 화학식 1의 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지를 제공한다.
화학식 1
(여기서, n은 0 내지 10의 정수이다.)
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기한 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지는 화학식 3의 단량체로 이루어진 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지를 제공한다.
화학식 3
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기 제 1 에폭시 수지 성분과 제 2 에폭시 수지 성분의 합계 함량이 5 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서 상기 제 1 에폭시 수지 성분과 제 2 에폭시 수지 성분의 당량 비율이 150 내지 250g/eq인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제는 징크 보레이트인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 페놀 수지계 경화제, 경화촉진제, 무기충진제. 적어도 2종 이상의 이형제, 착색제 및 커플링제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기한 무기 충진제가 70 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기한 페놀 수지계 경화제는 단량체당 2개 이상의 페놀성 수산기를 갖는 페놀수지인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일구체예로서, 상기한 적어도 2종 이상의 이형제는 천연 왁스 및 합성 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 다른 측면으로, 상기한 에폭시 수지 조성물로 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체를 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 소자 봉지용 조성물은 난연성 개선, 연속작업성 개선, 고충진제 로딩에 따른 금형 내에서의 흐름성 저하 개선, 유리 전이온도 저하 방지 등과 같은 작업성을 향상시킬 수 있고, 또한, 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기난연제를 포함함으로써 기존 시스템 하에서 패키징 된 봉지재와 비교하였을 때, 작업성 및 신뢰성에서 우수하면서도 친환경적이다.
이하 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제 1 에폭시 수지 성분으로서 하기 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지; 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는, 상기 멀티 아로마틱 에폭시 수지와는 다른 에폭시 수지; 및 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
화학식 5
본 발명에서 사용되는 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지는 단량체, 올리고머, 폴리머 전반을 지칭하는 것으로서, 그 분자량, 분자 구조는 특별히 한정하는 것은 아니지만 예를 들면, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 아랄킬형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 또는 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지 등을 들 수 있으며, 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지와의 혼합 사용함으로써 조성물에서 고충진제 로딩에서도 작업성이 우수한 특성을 드러내게 된다. 본 발명의 반도체 소자 봉지용 수지 조성물 내에서 전체 에폭시 수지 사용량은 5 내지 15중량%가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 7 내지 12 중량%이다. 사용량이 5중량% 미만이면 경화물의 기계적 강도가 불량하며 15중량% 초과되면 경화물의 수분 흡수량이 증가하여 실장시 신뢰성이 불량해진다. 상기한 제 1 에폭시 수지 성분과 제 2 에폭시 수지 성분의 에폭시 당량은 150 내지 250g/eq이고. 바람직하게는 200 내지 230g/eq이다.
본 발명에서 사용되는 페놀 수지계 경화제는 단량체당 2개 이상의 페놀성 수산기를 가지고 있는 단량체, 올리고머, 폴리머 전반을 지칭하는 것으로서, 그 분자량, 분자 구조를 특별히 한정하는 것은 아니지만 페놀 노볼락형, 자일록형, 다관능형, 나프탈렌형, 디시클로펜타디엔형 페놀수지 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 내지 혼합 사용이 가능하고, 경화성면에서 볼 때 수산기 당량은 90~250g/eq가 바람직하며, 전체 경화제 사용량은 2 내지 15중량%가 바람직하다. 에폭시 수지 1당량에 대한 경화제의 당량 비율은 0.6 내지 1.4, 바람직하게는 0.8 내지 1.2이다.
본 발명에서 사용되는 경화 촉진제는 에폭시기와 페놀 수산기의 반응을 촉진하기 위해 사용되는 것으로서 예를 들면 1,8-디아자비시클로(5,4,0)운데센-7 등의 디아자비시클로 알켄 및 그 유도체, 트리부틸아민, 벤질 디메틸 아민 등의 아민계 화합물, 2-메틸 이미다졸 화합물, 테트라 펜틴 포스포늄-테트라 페닐 보레이트, 테트라 페닐 포스포늄-테트라 나프토익 액시드 보레이트, 테트라 페닐 포스포늄-테트라 나프토익 옥시 보레이트, 테트라 페닐 포스포늄-테트라 나프틸 옥시 보레이트 등의 테트라 치환 포스포늄-테트라 치환 보레이트 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 내지 혼합하여 사용되며, 0.1 내지 3.0중량%를 사용하고 바람직하게는 1.5 내지 2.0중량%를 사용한다.
본 발명에서 사용되는 무기 충진제로는 고순도의 천연실리카, 합성실리카, 용융실리카, 알루미나 등이 있고, 성상은 구상 및 각상을 모두 적용할 수 있다. 본 발명에서 무기 충진제는 70 내지 90중량%, 바람직하게는 80 내지 90 중량%를 적용하는 것이 유리하다.
본 발명에서 사용되는 삼산화 안티몬 또는 브롬이 아닌 무기 난연제로는 징크 보레이트를 사용하며 0.5 내지 1.0중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 이형제로는 몰딩후 금형과의 부착력을 최소화하는 이형력을 확보하기 위해서는 천연 및 합성 왁스를 혼합 사용해야 하며 천연 왁스로는 카노바 왁스 등이 있고, 합성 왁스로는 폴리 에틸렌 왁스 등이 있다. 이형제는 천연 및 합성 왁스를 혼합하여 0.1 내지 0.4중량%를 사용하고, 0.15 내지 0.35 중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 커플링제로는 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란,우레이드 실란, 비닐 실란 등의 실란 커플링제나 티타네이트 커플링제, 알루미늄/지르코늄 커플링제, 머캡토계를 사용하며 0.1 내지 0.6중량%를 사용하고 0.15 내지 0.45 중량%가 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 착색제로서 카본 블랙, 벵갈라 등의 착색제 및 기타 유무기 착색제가 있으며 사용되는 경우, 0.1 내지 0.4 중량%를 사용하고, 0.15 내지 0.3 중량%가 바람직하다.
본 발명의 조성물은 스테아린산이나 스테아린산 아연 등의 고급 지방산 및 그 금속 염류 혹은 파라핀 등의 이형제, 실리콘 오일, 실리콘 고무 등의 저응력화 성분, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 붕산아연, 몰리브덴산 아연, 포스파젠, 징크 보레이트 등의 무기난연제, 산화 비스무스 산화물 등의 무기 이온 교환체 등 여러 종류의 첨가제를 적당히 배합하여도 지장이 없다.
본 발명의 조성물은 믹서를 이용하여 모든 성분을 상온에서 균일하게 혼합한 후, 용융 혼합기(Kneader)를 이용하여 100℃ 내지 130℃의 온도에서 용융 혼합하여 상온으로 냉각시키고 분말상태로 분쇄한 후 블렌딩 공정을 거치는 일반적인 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰드, 인젝션 몰드 등의 성형 방법으로 성형 경화하여 반도체 소자를 봉지하고, 반도체 장치를 제조할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예와 비교예를 들어 더욱 상세히 설명하기로 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1~2 및
비교예
1
에폭시 수지로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 상기 화학식 3의 단량체로 이루어진 에폭시 수지(재팬 에폭시 레진 ㈜제 YX-4000HK, 융점 105℃, 에폭시당량 195g/eq)와 상기 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지(다이 니폰 엔 케미컬 ㈜제 HP-4770, 융점 72℃, 에폭시당량 204g/eq)를 혼합 8.9 중량%, 페놀 수지계 경화제로서 상기 화학식 2와 같은 페놀수지(메이와㈜제 HF-1, 융점 84℃, 수산기 당량 106 g/eq) 및 상기 화학식 4와 같은 페놀 수지 (메이와 ㈜제 HF-3, 연화점 96 ℃, 수산기 당량 106 g/eq)를 단독 내지 혼합 4.5 중량%으로 하여 에폭시 수지에 대한 페놀 수지계 경화제의 당량 비율 0.88으로 하고, 세립 및 구상 실리카(실리카-1 및 실리카-2)를 실시예 1 및 실시예 2에 대하여 각각 83.5 및 84 중량%, 에폭시 실란 커플링제를 0.42 중량%, 이형제로서 카노바 왁스 및 폴리 에틸렌 왁스를 각각 0.05 중량% 및 0.25 중량%, 착색제로서 카본블랙을 0.2 중량%, 무기 난연제로서 징크보레이트를 실시예 1 및 실시예 2에 대하여 각각 1.0 및 0.5 중량%, 트리페닐 포스핀을 1.125 중량%, 2-메틸 이미다졸계을 0.055 중량%를 첨가하여 표 1과 같이 계량하고 기타의 구성 원료들과 함께 믹싱한 후 용융 혼합, 냉각, 분쇄, 블렌딩 공정을 거치고 일정크기로 타정한다.
비교예 1의 경우, 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지 대신 화학식 1의 에폭시 수지가 첨가된 점, 화학식 1 내지 화학식 4의 수지의 첨가량이 다른 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 거친다.
상기와 같이 제조된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 겔 타임과 경화 완성도를 측정 비교하였고, 가열 이송 성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화 시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서의 후경화하여, 항온 항습(85℃/85%RH) 조건에서 48시간동안 방치하기 전과 후에 부착력을 측정하였고, 난연성 측정 설비를 이용하여 난연성을 비교하였고, 이형성 측정 설비를 이용하여 확인된 이형성 비교한 값들을 실시예와 비교예로 표 1에 나타내었다.
표 1
실시예
및
비교예
각 물성별 측정 방법은 다음과 같다.
* 스파이럴 플로우 평가
제조된 봉지재 파우더 소량을 스파이럴 플로우 몰드를 이용하여 가열 이송 성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 제조물의 흐름성을 측정한다.
* 겔 타임 평가
제조된 봉지재 파우더 소량을 겔 타이머에 넓고 고르게 펴, 제조물의 겔화 소요 시간을 측정한다.
* 부착력
그림 1과 같은 형태의 시편을 제작하기 위해 알로이 프레임과 몰드를 이용하여 가열 이송 성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후, 85℃/85%RH 조건에서 48시간 동안 방치하기 전과 후에 UTM (Universal Testing Machine)으로 그림 2와 같은 방향으로 인장력을 가하면서 알로이 프레임이 에폭시 수지 조성물과 떨어지는 지점의 부하를 측정하여 접착력 값(Kgf)으로 환산한다.
그림 1
(1) 에폭시 수지 조성물, (2) Alloy 프레임
그림 2
* 최소 이형력
각 실시예와 비교예에 의해 제조된 에폭시 수지 조성물을 가열 이송 성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 그림 3과 같은 금형을 이용하여 몰딩한 후, 그림 4와 같이 기기를 이용하여 금형으로부터 이탈시에 에폭시 수지 조성물과 금형과의 부착력을 측정한다.
그림 3
그림 4
* 난연성 측정
각 실시예와 비교예에 의해 제조된 에폭시 수지 조성물을 가열 이송 성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)로 몰딩한 다음, 175℃오븐에서 후경화를 시키고, 그림 5와 같은 난연 테스터기를 이용하여 난연성 테스트를 수행하고 (10초간 불을 붙인후, 불을 떨어트려 그때의 연소시간(t1)을 측정. 불이 꺼지면, 다시 10초간 불을 붙인 후에 불을 떨어트려서 연소시간(t2)을 측정. 그 후부터 견본시편의 불똥이 없어질 때까지 시간(t3)을 측정) 표 2에 기재된 난연성 판단 기준에 따라 판정한다.
이상의 조작을 5개 견본에 대해 실시한 후, 평균값을 내어 그 결과를 표 1에 나타내었다.
그림 5
표 2 난연성 판정기준
(여기서, 94V-0, 94V-1 및 94V-2는 낙화물에 의한 재의 발화 유무에 따른 등급 기준임)
Claims (12)
- 제 1 에폭시 수지 성분으로서 하기 화학식 5의 단량체로 이루어진 멀티 아로마틱 에폭시 수지; 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 가지며, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 아릴알킬형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 에폭시 수지; 및 난연제로서 징크 보레이트를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물:
화학식 5
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지는 다음 화학식 1의 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
화학식 1
(여기서, n은 0 내지 10의 정수이다.) - 제 1항에 있어서, 제 2 에폭시 수지 성분으로서 단량체당 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지는 다음 화학식 3의 단량체로 이루어진 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
화학식 3
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 에폭시 수지 성분과 제 2 에폭시 수지 성분의 합계 함량이 5 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 에폭시 수지 성분과 제 2 에폭시 수지 성분의 에폭시 당량이 150 내지 250g/eq을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 페놀 수지계 경화제, 경화촉진제, 무기충진제, 적어도 2종 이상의 이형제, 착색제 및 커플링제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
- 제 8항에 있어, 무기 충진제가 70 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
- 제 8항에 있어, 페놀 수지계 경화제는 단량체당 2개 이상의 페놀성 수산기를 갖는 페놀수지인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
- 제 8항에 있어, 적어도 2종 이상의 이형제는 천연 왁스 및 합성 왁스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
- 제1항, 제3항 내지 제6항, 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 에폭시 수지 조성물로 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체.
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Applications Claiming Priority (1)
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