KR101214078B1 - 전기적 특성이 우수한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

전기적 특성이 우수한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1종 이상의 에폭시 경화제, 경화 촉진제, 기계적 강도를 부여하기 위한 충전제, 안료, 실란 등을 포함하는 반도체 소자용 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 상기 첨가제로서 도 4에 도시된 결정구조를 갖는 세륨 옥사이드(CeO2)가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체소자를 봉지하는 경우, 전기적 특성 중 하나인 HTRB(고온 역 바이어스; high temperature reverse bias) 항목에서 우수한 특성을 나타낸다.

Description

전기적 특성이 우수한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물{EPOXY RESIN COMPOSITION HAVING EXCELLENT ELECTRICAL CHARACTERISTICS FOR SEALING SEMICONDUCTOR}
본 발명은 미세 전류 및 전압이 걸리는 반도체 소자분야에서 특히 높은 전압으로 구동되는 반도체 소자 예를 들어 MOSFET(금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터; metal-oxide semiconductor field-effect transistor), 파워 MOS(금속산화막 반도체; metal-oxider semiconductor) 소자는 내부에 여러 가지 화학물질로 구성된 층으로 이루어져 있다{예: 리드 프레임, EMC(에폭시 성형 화합물; Epoxy molding compound), 실리콘 칩}.
높은 전압이 걸리는 파워 소자 반도체에서는 여러 가지 전기 신뢰도 실험을 진행하며, 특히 HTRB(고온 역 바이어스; high temperature reverse bias)는 고온(150℃)에서 역전압을 걸어 전기 특성을 실험하게 된다.
최근 반도체 소자의 발전에 따라 높은 전압으로 작동되는 제품들이 여러 산업분야에서 요구되고 있다. 이와 같은 추세에 따라 파워 반도체 또한 종래에 비해 높은 전압을 필요로 한다. 따라서 내부 응력의 증가 및 높은 전압의 인가로 인한 높은 신뢰성 수준의 전기적 특성이 요구되고 있으며, 그에 따라 전기적 특성의 대표적인 항목인 HTRB 신뢰성 수준을 만족시키기 위한 개발을 진행하는 도중에 이온 이동성(ion mobility)를 최소화할 수 있는 첨가제의 개발이 요청되었다.
이에, 본 발명은 특정 구조의 고온 안정성 첨가제인 세륨 옥사이드(Ce02)를 사용하여 이온의 활성화를 억제함으로써 반도체 내부의 층들 사이에 정공이 형성되는 문제를 최소화할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 제 1 양태는, 에폭시 수지, 경화제, 충전제, 및 첨가제로서 세륨옥사이드(CeO2)를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다:
본 발명의 제 2 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 상기 첨가제를 에폭시 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 1중량%의 양으로 포함하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 3 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 상기 첨가제가 3 내지 9 g/㎤의 15.6℃에서의 비중 및 2.0㎛ 미만의 평균입자크기를 갖는 것인 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 4 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 상기 에폭시 수지가 하기 화학식 1 내지 6의 화합물 및 이들 화합물 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다:
Figure 112010037353635-pat00001
오로토-크레졸 노볼락 에폭시 수지 (n=1~3)
Figure 112010037353635-pat00002
비스페놀 A 에폭시 수지 (n=1~3)
Figure 112010037353635-pat00003
페놀-아르알킬 에폭시 수지 (n=1~3)
Figure 112010037353635-pat00004
디시클로펜타디엔 에폭시 수지 (n=1~3)
Figure 112010037353635-pat00005
비페닐형 에폭시 수지
Figure 112010037353635-pat00006
다관능형 에폭시 수지
본 발명의 제 5 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 상기 에폭시 수지를, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 알킬 수지, 디사이클로펜타디엔 페닐 수지, 페놀 노볼락 수지, 비페닐 수지, 선형 지환족 수지, 다관능형 에폭시 수지, 글리시딜 에스터 수지 및 글리시딜 아민 수지 중의 어느 하나와의 혼합물로 포함하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 6 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 염소이온 함량이 10 중량ppm 미만이며 바람직하게는 0 ppm 의 염소함량을 갖는 것인 에폭시 수지를 적용한 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 7 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 상기 경화제가 하기 화학식 7의 화합물이거나, 또는 하기 화학식 7의 화합물과 노볼락형, 다관능형, 나프탈렌형, 디시클로펜타디엔형 페놀수지 중의 어느 하나와의 혼합물인 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다:
Figure 112010037353635-pat00007
본 발명의 제 8 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 에폭시 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 상기 에폭시 수지의 함량이 3 내지 10 중량%이고 상기 경화제의 함량이 3 내지 8 중량%인 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 9 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 충전제가 용융 실리카, 천연 실리카 또는 그들의 조합물인 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 10 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 경화촉진제를 추가적으로 포함하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 11 양태는, 상기 제 1 양태에 있어서 상기 경화제 및 에폭시 수지를 0.8 내지 1.3의 경화제/에폭시 수지의 당량비로 포함하는 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 제 12 양태는, 상기 제 1 내지 11 양태에 따른 에폭시 수지 조성물로 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은, 첨가제로서 밀집된 형태의 구조를 갖는 세륨 옥사이드(CeO2)를 포함함으로써 에폭시 수지 자체의 체적저항값을 높여주어 전기 신뢰도 특성 중의 하나인 HTRB 항목 특성을 개선할 수 있으며, 또한 전기적 특성이 요구되는 다른 신뢰도 특성의 항목을 개선시킬 목적으로도 적용될 수 있다.
도 1은 에폭시 성형 화합물(EMC) 내부의 체적저항을 측정하기 위한 체적저항기를 도시한 것이다.
도 2는 반도체 소자용 봉지재를 3-포인트 굽힘 시편 형태의 시편으로 제작하는 공정을 도시한 것이다.
도 3은 실시예 5의 에폭시 수지 조성물을, 900V TO-220FP MOSFET 반도체 소자의 실제 HTRB 조건에 적용시켜서 얻은 Bvdss 변화율 및 IDss 변화율을 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에서 첨가제로서 사용되는 세륨 옥사이드(CeO2)의 결정구조를 도시한 것이다.
본 발명은 하기에서 더욱 구체적으로 기술된다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 충전제, 및 첨가제로서 세륨 옥사이드(CeO2)를 포함하며, 추가적으로 경화촉진제를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 세륨 옥사이드 첨가제는 에폭시 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 1 중량%의 양으로 사용되며, 상기 첨가제의 사용량이 1 중량%를 초과하는 경우에는 흡습률이 급격히 상승하여 바람직하지 못하며 0.1 중량 % 이하일 경우 이온 활성화 억제효과가 없다.
또한, 상기 첨가제는 2.0㎛ 미만의 평균입자크기를 갖는 것이 바람직하다. 평균입자가 2.0 ㎛ 의 범위를 벗어날 경우 입자의 분산성이 불량하여 난연성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 있어서, 에폭시 수지는 단독으로 사용하거나 또는 크레졸 노볼락 수지, 페놀 알킬 수지, 디사이클로펜타디엔 페닐 수지, 페놀 노볼락 수지, 비페닐 수지, 선형 지환족 수지, 다관능형 에폭시 수지, 글리시딜 에스터 수지 및 글리시딜 아민 수지 중의 어느 하나와 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 에폭시 수지는 상기 화학식 1 내지 6의 화합물 및 이들 화합물 둘 이상의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 에폭시 수지는 염소의 함량이 10 중량ppm 미만인 것이 적당하며, 에폭시 수지의 함량은 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 3 내지 10 중량%가 바람직하고, 에폭시 수지로는 2종의 에폭시 수지를 병용할 수도 있다. 염소 함량이 10 중량ppm 이상인 경우에는 장기 신뢰성 검사시 염소 이온 함량에 의해 반도체 칩의 알루미늄 패드면을 손상시킬 수 있다. 상기 에폭시 수지는 반도체 봉지재의 유리전이온도를 고려하여 선택되어야 한다.
본 발명에 있어서, 경화제는 하기 화학식 7의 페놀수지를 단독으로, 또는 하기 화학식 7의 페놀수지와 노볼락형, 자일록형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디시클로펜타디엔형 페놀수지 중의 어느 하나와 혼합하여 사용하고, 전체 경화제 사용량은 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 0.5 내지 5 중량%가 바람직하다. 상기 경화제 사용량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 에폭시 수지 과량 시스템으로 경화성이 저하되어 작업성에 있어서 문제가 발생할 수 있으며 5 중량%를 초과하는 경우에는 흡습 특성이 저하되어 신뢰성 불량이 발생할 수 있다.
화학식 7
Figure 112010037353635-pat00008

이때 사용하는 경화제/에폭시 수지의 당량비는 0.8 내지 1.3, 바람직하게는 0.85 내지 1.1이다. 상기 당량비가 0.8 미만인 경우에는 경화가 지연되어 작업성 문제가 발생할 수 있으며 1.3을 초과하는 경우에는 페놀수지 과량 시스템으로 인하여 흡습성 불량문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 있어서, 에폭시 수지와 경화제의 경화 반응을 촉진하기 위해서는 경화촉진제를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 경화촉진제로는 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-페닐-4-메틸이미다졸 등의 이미다졸 화합물; 트리에틸아민, 벤질디메틸아민, 메틸벤질디메틸아민, 2-(디메틸아미노메틸)-페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)-페놀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 1,8-디아자비시클로(5,4,0)운데센-7 등의 3급 아민 화합물; 및 트리페닐포스핀, 트리메틸포스핀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀, 트리(노닐 페닐)포스핀 등의 유기 포스핀 화합물을 들 수 있다. 이들 경화촉진제 중에서 이미다졸계 촉매는 경화반응 속도를 빠르게 하고 열 경시도를 높여 주지만, 내습성 문제를 야기할 수 있기 때문에 다른 경화 촉진제와 함께 병용하는 것이 바람직하며, 이들의 배합량은 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 0.05 내지 3중량%가 적당하다.
본 발명에 있어서, 충전제는 에폭시 수지 조성물의 팽창계수를 작게 하여 반도체 소자에 가해지는 응력을 저하시킬 목적으로 배합된다. 충전제는 용융 실리카, 천연 실리카 또는 그들의 조합물를 사용하는데 반도체의 사용분야에 따라 적절히 선택된다. 통상 다량의 열을 방출하는 반도체 소자에 있어서는 천연 실리카가 사용된다. 본 발명의 적용대상 반도체 소자 또한 다량의 열을 방출하는 것이기 때문에 주된 충전제로서 천연 실리카를 사용하는 것이 바람직 하다. 사용되는 충전제는 평균입경이 10 ㎛ 내지 20㎛ 범위의 것이 바람직하다. 10 ㎛ 미만이거나 20 ㎛를 초과하는 경우에는 실리카 입자의 충전성이 불량하여 흐름성 저하를 초래한다.
또한 본 발명의 에폭시 수지 조성물은, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이, 당해 기술분야에서 통용되는 이형제, 착색제, 커플링제, 개질제 등을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 상기의 각 원료들을 믹서를 이용하여 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.
평가시험방법
본 발명에 있어서 평가대상물성을 하기 방법으로 평가한다.
(1) 스파이럴 플로우(spiral flow) 평가시험
제조된 봉지재 파우더 소량을 스파이럴 플로우 몰드(spiral flow mold)를 이용하여 가열 이송 성형기(압력: 70kg/㎠, 온도: 175℃, 경화시간: 120초)에서 성형한 후, 성형된 제조물의 흐름성을 측정한다.
(2) 겔 타임 평가시험
제조된 봉지재 파우더 소량을 겔 타이머(175℃)에 넓고 고르게 펼쳐서 제조물의 겔화 소요 시간을 측정한다.
(3) 고온강도/고온탄성률 평가시험
반도체 소자용 봉지재를 도 2에 도시된 3-포인트 굽힘 시편(3-point bending specimen) 형태의 시펀으로 제작하고, 260℃의 온도에서 UTM(만능시험기; Universal Testing Machine)로 상기 봉지재에 힘을 가하여 파괴되는 힘과 변위를 측정하여 고온강도 및 탄성률을 구한다.
(4) 체적저항 평가시험
도 7에 도시된 바와 같이, 에폭시 수지 조성물을 원판형 시편으로 제작한 후 전압을 인가하여 발생된 전류를 측정한다. 이때 인가된 전압 및 발생된 전류값으로부터 하기 수학식 1을 이용하여 체적저항값을 구한다.
Figure 112010037353635-pat00009
상기 수학식 1에서,
V는 전압을 나타내고,
I는 전류를 나타내며
R은 저항을 나타낸다.
실시예 1 내지 5
에폭시 수지로는 하기 화학식 1의 에폭시 수지(제조원: 국도화학 ㈜, YDCN-1P; 에폭시당량: 201g/eq. 염소 함량 0 내지 5 중량ppm)를 사용하고, 경화제로는 상기 화학식 7의 수지(제조원: 메이와㈜, HF-1M; 연화점: 84℃, 페놀 당량: 106g/eq.)를 하기 표 1(실시예 1 내지 5)에 기재된 조성으로 계량하여 기타의 원료들과 함께 혼합하고, 이어서 용융 혼합, 냉각, 분쇄, 블렌딩 공정을 거쳐서 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
화학식 1
Figure 112010037353635-pat00010
오로토-크레졸 노볼락 에폭시 수지
상기와 같이 제조된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 겔 타임을 측정하여 비교하고, 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간 =120초)에서 성형한 후 175℃의 오븐에서 4시간 동안 후경화하고, 에폭시 수지 조성물에 첨가제인 CeO2의 함량을 0.1 내지 0.5중량%의 범위에서 변화시키면서 도 1에 도시된 체적저항기(전압인가시간: 10분; 인가전압: 1200V)를 이용하여 EMC 내부의 체적저항을 측정하였다.
Figure 112010037353635-pat00011
상기 실시예 중에서 실시예 5로부터 제조된 에폭시 수지 조성물을, 900V TO-220FP MOSFET 반도체 소자의 실제 HTRB 조건(900V, 696시간)에 적용시켜서 얻은 Bvdss 변화율 및 IDss 변화율 그래프를 도 3에 나타내었다.
삭제

Claims (12)

  1. 에폭시 수지, 경화제, 충전제, 및 첨가제로서 세륨 옥사이드를 포함하고,
    상기 세륨 옥사이드를 에폭시 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 0.1 내지 0.5중량%의 양으로 포함하는, 에폭시 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가제가 3 내지 9 g/㎤의 15.6℃에서의 비중 및 2.0㎛ 미만의 평균입자크기를 갖는 것인 에폭시 수지 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 에폭시 수지가 하기 화학식 1 내지 6의 화합물 및 이들 화합물 둘 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 에폭시 수지 조성물:
    화학식 1
    Figure 112010037353635-pat00013
    n=1~3
    오로토-크레졸 노볼락 에폭시 수지
    화학식 2
    Figure 112010037353635-pat00014
    n=1~3
    비스페놀 A 에폭시 수지
    화학식 3
    Figure 112010037353635-pat00015
    n=1~3
    페놀-아르아킬 에폭시 수지
    화학식 4
    Figure 112010037353635-pat00016
    n=1~3
    다시클로펜타디엔 에폭시 수지
    화학식 5
    Figure 112010037353635-pat00017

    비페닐형 에폭시 수지
    화학식 6
    Figure 112010037353635-pat00018

    다관능형 에폭시 수지
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 에폭시 수지를, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 알킬 수지, 디사이클로펜타디엔 페닐 수지, 페놀 노볼락 수지, 비페닐 수지, 선형 지환족 수지, 다관능형 에폭시 수지, 글리시딜 에스터 수지 및 글리시딜 아민 수지 중의 어느 하나와의 혼합물로 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 에폭시 수지가 10 ppm 미만의 염소함량을 갖는 것인 에폭시 수지 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 경화제가 하기 화학식 7의 화합물이거나, 또는 하기 화학식 7의 화합물과 노볼락형, 다관능형, 나프탈렌형, 디시클로펜타디엔형 페놀수지 중의 어느 하나와의 혼합물인 에폭시 수지 조성물:
    화학식 7
    Figure 112010037353635-pat00019
    n=1~3
  8. 제 1 항에 있어서, 에폭시 수지 조성물의 총량을 기준으로 하여 상기 에폭시 수지의 함량이 3 내지 10 중량%이고 상기 경화제의 함량이 3 내지 8 중량%인 에폭시 수지 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 충전제가 용융 실리카, 천연 실리카 또는 그들의 조합물인 에폭시 수지 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 경화촉진제를 추가적으로 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  11. 제 1 항에 있어서, 경화제 및 에폭시 수지를 0.8 내지 1.3의 경화제/에폭시 수지의 당량비로 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  12. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 11 항 중의 어느 한 항에 따른 에폭시 수지 조성물로 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.

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