KR101297553B1 - 반도체 봉지재 조성물 - Google Patents

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Abstract

나노 그래핀 플레이트 미분말을 충진제로 사용한 반도체 봉지재 조성물에 관한 것으로, 에폭시 수지 9.0∼13 wt%, 경화제 6 ~ 7 wt%, 경화촉매제 0.2∼0.3 wt%, 커플링제, 이형제, 착색제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제 0.60 ~ 0.70 wt%, 및 충진제 79 ~ 84 wt% 를 포함하고, 상기 충진제는 나노 그래핀 플레이트 분말로서 270℃ 이상의 고온에서도 내크랙성이 우수하고 높은 열전도성과 난연성을 갖는 우수한 반도체 봉지재 조성물을 제공할 수 있다.

Description

반도체 봉지재 조성물{Epoxy Molding Compound}
본 발명은 반도체 봉지재 조성물에 관한 것으로, 특히 나노 그래핀 플레이트 미분말을 포함하는 반도체 봉지재 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 봉지재로 사용되는 에폭시 몰드 컴파운드(Epoxy Molding Compound)는 집적회로(IC), 대용량 집적회로(LSI), 트랜지스터, 다이오드 등 전자부품 또는 반도체 소자를 외부로부터 충격, 진동, 수분, 방사선 등으로 보호하기 위해서 패키지화하는 물질로 널리 사용되고 있다. 봉지재는 열에 의해 경화되어 3차원구조를 형성하는 에폭시 및 경화제(Hardener)로 구성되는 유기재료와 열적, 전기적, 기계적 성능 향상을 위한 무기계 재료로 실리카를 위주로 하는 충진제가 기본구성 요소이며, 기타 첨가제로서 경화속도를 조절하기 위한 촉매(Catalyst), 유무기 재료간의 결합력을 향상시키기 위한 커플링제, 몰딩 작업시 이형성 확보를 위한 이형제, 착색제, 난연성 부여를 위한 난연제 등으로 구성된다. 이중 충진제로 실리카를 사용하는 이유는 기계적 내구성이 강하고 전기적으로도 안정함에 있다. 그러나, 종래 반도체 봉지재는 반도체를 PCB 위에 실장할 때 200℃ 이상의 높은 온도에 노출되어 봉지재에 함유되어 있는 수분이 기화된다. 이때 발생된 수증기의 압력에 의해 반도체 봉지재에 크랙이 형성되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에 반도체 봉지재의 조성물, 즉 에폭시 수지, 경화제의 조성비를 변화시키거나 경화 촉매를 변경하여 실리카 입자의 충진률을 높이는 방법을 채택하였다. 예를 들어, 한국 특허 공개번호 특2003-0056507는 마이크로미터 단위의 실리카 입자 뿐만 아니라 나노 미터 크기의 실리카 입자를 소량 첨가하여, 반도체 봉지재의 고온하에서 내크랙성을 향상시키는 방법을 개시하고 있으나 근본적인 해결 방법은 아니었다.
또한, 최근에는 환경 문제로 인하여 납 대신 다른 합금을 사용하면서 270℃ 이상의 고온에서 내크랙성이 우수한 봉지재가 요구되고 있고 최근의 반도체 칩들이 고성능화, 고집적화 되어 반도체 발열 문제가 발생하여 반도체의 성능 및 수명에 치명적인 문제를 일으키게 되어 발생된 열을 반도체 외부로 신속하게 방출할 수 있는 반도체 봉지재를 요구하고 있다.
따라서, 위에서 서술한 바와 같이 내크랙성이 우수하고, 높은 열전도율를 가질 뿐만 아니라, RoHS 등 환경영향평가항목을 만족시키고 할로겐 원소가 없고 난연성을 갖는 친환경적인 반도체 봉지재의 필요성이 크게 대두되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고온에서 내크랙성이 우수하고 높은 열전도율과 난연성을 갖는 반도체 봉지재 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물은 에폭시 수지 9.0∼13 wt%, 경화제 6 ~ 7 wt%, 경화촉매제 0.2∼0.3 wt%, 커플링제, 이형제, 착색제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제 0.60 ~ 0.70 wt%, 및 충진제 79 ~ 84 wt% 를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 충진제는 나노 그래핀 플레이트 분말이다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노 그래핀 플레이트 분말은 천연 인상 흑연을 황산과 과산화수소(H2O2),황산과 과망간산칼륨(KMnO4),황산과 암모늄피로설페이트(NH4)2S2O8 및 황산과 질산으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 화합물로 처리하여 흑연층간 화합물을 형성하고 이를 고온로에서 순간적으로 팽창시키는 단계; 및 팽창시킨 흑연을 수용액화 한 후 초음파를 이용하여 팽창 흑연을 층간 박리시키는 단계에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노 그래핀 플레이트 분말은 SiC 열분해법 또는 화학 기상 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노 그래핀 플레이트 분말은 입경은 5~40㎛의 입경 및/또는 1~100nm두께를 갖는다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노 그래핀 플레이트 분말은 400W/mK 이상의 열전도율을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물은 2.0 ~ 5.5 W/mK의 열전도율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물은 200 ~ 2700 J/m2 의 강화인도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 에폭시수지는 바이페닐 에폭시 수지, 노볼락 에폭시수지, 디사이클로펜타디에닐 에폭시 수지, 비스페놀 에폭시 수지, 테르펜 에폭시 수지, 아랄킬 에폭시 수지, 다기능성 에폭시 수지, 나프탈렌 에폭시 수지 및 할로겐화 에폭시 수지로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 화합물이다.
본 발명의 실시예들에 따른 경화제는 페놀릭 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 다기능성 페놀릭 수지, 아랄킬 페놀릭 수지, 테르펜 페놀릭 수지, 디사이클로펜타디에닐 페놀릭 수지, 나프탈렌 페놀릭 수지 및 할로겐화 페놀릭 수지로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 화합물이다.
본 발명의 실시예들에 따른 커플링제는 비닐트리에톡시실란, 1,3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 1,3-아미노프로필에톡시실란 및 1,3-머캡토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 화합물이다.
상기의 상세한 설명과 같이 본 발명은 반도체 봉지재 제조 시 사용하는 충진제를 겉보기 비용적이 250ml/g 이상, 두께가 1~100nm인 나노 그래핀 플레이트로서 입경이 5~40㎛로 분쇄한 미분말로 적용함으로서 기존 봉지재의 문제점인 고온에서의 내크랙성을 크게 향상시킬 수 있고, 더불어 열전도율가 우수하고, 중성자흡수능 (α, β, γ선)이 안정하여 방사선 방출이 되지 않기 때문에 외부 영향에 의한 반도체 오작동의 문제도 해결 할 수 있다.
본 발명에 사용된 나노 그래핀 플레이트는 RoHS 평가항목을 만족시키며, Halogen Free 및 난연성 검사인 UL94-V0 인증을 받은 소재로서 이형제와 착색제가 필요 없기 때문에 봉지재의 제조 공정의 간소화와 내구성 향상을 가져올 수 있고, 높은 열전도로 반도체 칩의 속도 상승효과로 인한 저전력 소모, 저에너지 정책과 친환경 저탄소 녹색 성장에 부합하는 발명이 될 것이다.
도 1은 본 발명에 사용된 나노 그래핀 플레이트를 5,000배로 확대한 전자 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 사용된 나노 그래핀 플레이트를 50,000배로 확대한 전자 현미경 사진이다.
이하, 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
나노 그래핀 플레이트의 주성분인 그라파이트는 탄소 원자가 1개의 2S 궤도와 2개의 2P 궤도가 결합하여, 3개의 궤도가 SP²혼성궤도가 생길 때 형성이 되는데, 이러한 SP²혼성궤도에서 층간에 탄소원자 1개당 1개의 파이전자가 있어서 열전도율가 이방성을 나타낸다. 흑연은 수평방향(a-b축)으로 열전도율가 약 250W/mK 이상이고 수직방향(c축)으로는 약 5W/mK 이하로 알려져 있다. 그라파이트의 열전도율은 단열 작용하는 공극이 적은 즉 밀도가 높은 편이 좋으며 밀도가 1.8g/ml일 때 열전도율 250W/mK 이상의 특성을 나타낸다.
한편, 나노 그래핀 플레이트 미분말은 그라파이트에 비하여 좋은 우수한 열 전도성과 전기 전도성, 내고온성, 내부식성, 낮은 마찰계수를 갖고, 자기 윤할성이 좋다. 또한, 나노 그래핀 플레이트 미분말은 그라파이트와 같이 중성자를 흡수, 베타선과 감마선의 장기간 조사에서도 견디며, 유연성이 있어 쉽게 압축가능하고 액체나 가스를 침투시키지 않는 특성을 갖고 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서 충진제로 사용되는 나노 그래핀 플레이트 미분말의 제조과정은 다음과 같다.
우선, 천연 인상 흑연을 황산과 과산화수소(H2O2),황산과 과망간산칼륨(KMnO4),황산과 암모늄피로설페이트(NH4)2S2O8 및 황산과 질산으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 화합물로 처리하여 흑연층간 화합물을 형성하고 이를 고온로에서 순간적으로 팽창시킨다.
다음으로, 팽창시킨 흑연을 수용액화 한 후 초음파 분산기에 투입한 후 초음파를 이용하여 팽창 흑연을 층간 박리한 후 분쇄시켜 나노 그래핀 플레이트를 형성시킨다.
한편, 나노 그래핀 플레이트의 두께가 얇을수록 그래핀 층간 분자 인력인 반데르발스(Van der Waals) 인력의 결합수가 작아지고 그래핀 특성에 가까워지므로, 에폭시 수지와 결합하면 그래핀 층간의 반데르발스 인력의 결합수가 작아지게 되어 반도체 봉지재의 결합강도를 향상시킬 수 있다.
다음으로, 나노 그래핀 플레이트를 포함한 수용액을 여과한 후 건조시켜, 나노 그래핀 플레이트 미세 분말을 얻는다.
이때, 형성된 나노 그래핀 플레이트는 겉보기 비용적 250ml/g 이상, 두께 1~100nm, 입경 5~40㎛, 열전도율 400W/mK 이상의 물리적 특성을 나타낸다.
한편, 나노 그래핀 플레이트 분말은 SiC 열분해법 또는 메탄 개스를 주입하면서 실시하는 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)등에 의하여 합성 방법으로 제조할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서 사용한 나노 그래핀 플레이트 미분말의 5,000배, 50,000배 사진을 그림 1,2에 각각 나타내었다. 사진을 보면 입자의 모양이 판상으로 되어 있지 않고, 주름 모양으로 되어 있어, 흑연 미세 분말이 그래핀화 된 것을 확인 할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서 사용된 에폭시수지, 경화제, 경화촉매제, 커플링제는 당업자들이 일반 봉지재의 제조에 사용되고 있는 상용화된 모든 재료를 사용하여도 무방하다.
본 발명의 하나의 실시예에서 봉지재를 제조하는 방법은 다음과 같다.
충진제인 나노 그래핀 플레이트는 겉보기 비용적이 250ml/g 이상, 두께 1~100nm, 입경 5~40㎛로 분쇄한다. 이러한 나노 그래핀 플레이트 분말에 에폭시수지, 경화제, 경화촉매제, 기타 첨가제를 믹싱기로 혼합 후, 분쇄하여 분말로 제조한다. 상기 분말은 투롤 밀 (TWO-ROLL MILL) 을 사용하여 용융 혼합하여 상온까지 급랭, 분쇄, 압출과정을 통하여 봉지재 조성물이 제조된다.
아래의 표1의 실시예들은 에폭시 수지, 경화제, 경화 촉매제, 커플링제, 충진제인 입경 5~40㎛ 나노 그래핀 플레이트 미분말의 조성비이다.
에폭시 수지의 구체적인 예는 바이페닐 에폭시 수지, 노볼락 에폭시수지, 디사이클로펜타디에닐 에폭시 수지, 비스페놀 에폭시 수지, 테르펜 에폭시 수지, 아랄킬 에폭시 수지, 다기능성 에폭시 수지, 나프탈렌 에폭시 수지, 할로겐화 에폭
시 수지로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 화합물이다. 상기 에폭시 수지의 함량은 9∼13 wt%이다.
경화제는 에폭시 수지에 사용되는 임의의 종래 경화제로서, 그 구체적인 예는 페놀릭 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 다기능성 페놀릭 수지, 아르알킬 페놀릭 수지, 테르펜 페놀릭 수지, 디사이클로펜타디에닐 페놀릭 수지, 나프탈렌 페놀릭 수지 및 할로겐화 페놀릭 수지로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 화합물이다. 상기 경화제의 함량은 6 ~ 7 wt%이다.
경화 촉매제는 종래 임의의 촉매로서 트리페닐 포스핀과 같은 포스핀류나 아민류 등을 포함된다. 상기 경화 촉매제의 함량은 0.2∼0.3 중량%이다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물은 커플링제, 이형제, 착색제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제를 포함할 수 있다.
상기 커플링제는 비닐트리에톡시실란, 1,3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 1,3-아미노프로필에톡시실란 및 1,3-머캡토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 화합물이다.
이형제, 착색제는 왁스, 카본 블랙의 그룹 중 적어도 하나의 화합물이다.
이러한 첨가제의 함량은 0.6∼0.7 중량%이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 봉지제는 우수한 자기윤활성으로 이형제를 포함하지 않거나 난연 특성으로 난연제를 포함하지 않아도 좋다.
상기 분말을 투롤 밀 (TWO-ROLL MILL) 을 사용하여 용융 혼합하여 상온까지 급랭, 분쇄, 압출과정을 통하여 봉지재 조성물이 제조된다.
물성 특성인 강인화도와 열전도율 측정하여서 각각 표2와 표3으로 나타내었다.
(단위:wt/%)
성분 비교예 실시예1 실시예2 실시예3
에폭시수지 12.5 12.5 10.5 9.0
경화제 6.87 6.87 6.90 6.85
경화 촉매 0.25 0.25 0.20 0.20
커플링제 0.68 0.68 0.68 0.60
나노 그래핀 플레이트
미분말 충진제		 - 79.7 81.72 83.35
구형 실리카 충진제 79.7 - - -
강화인도(J/m2) 상온(25℃) 고온(270℃)
실시예 1 2000 220
실시예 2 2100 260
실시예 3 2700 300
비교예 875 25
열전도율 (W/mK)
실시예 1 2.2
실시예 2 3.1
실시예 3 5.3
비교예 0.5
표2의 강화인도 측정은 ASTM-E399 시험방법을 사용하여 측정하였으며, 표3의 열전도율 측정결과는 ASTM-E1461 시험방법을 사용한 LASER FLASH(LFA)법에 의한 것이다. 표2에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물의 강인화도는 비교예에 비하여 상온에서 최대 3배 이상, 고온에서 최대 10배 이상으로 내크랙성이 크게 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물의 나노 그래핀 플레이트는 소수성으로 봉지재에 포함된 수분의 양이 극히 미세하고, 기포가 나노 그래핀 플레이트 층간과 미분말 입자와 사이로 잘 빠져나가기 때문이다.
한편, 표 3에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물의 열전도율이 비교예에 비하여 4배 ~ 10배 이상으로 향상됨을 알 수 있다.
비교예의 주성분인 실리카의 열전도율은 1.38 W/mK 이하로 반도체 동작 시 발생하는 열을 효과적으로 외부로 전달할 수 없는데 비하여, 본 발명의 실시예들에 따른 나노 그래핀 플레이트의 열전도율은 400W/mK 이상으로 열전도면에서 크게 실리카에 비하여 우수한 성능을 보이기 때문이다.
따라서, 표2와 표3에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 봉지재 조성물은 우수한 내크랙성과 열전도율을 보여주어 반도체칩 내부에서 발생되는 다량의 열을 외부로 신속히 전달하여 냉각 속도가 뛰어나다는 것을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 반도체 봉지재 조성물에 있어서,
    에폭시 수지 9.0∼13 wt%;
    경화제 6 ~ 7 wt%;
    경화촉매제 0.2∼0.3 wt%;
    커플링제, 이형제, 착색제로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 첨가제 0.60 ~ 0.70 wt%; 및
    나노 그래핀 플레이트 분말 79 ~ 84 wt% 를 포함하고,
    상기 나노 그래핀 플레이트 분말은
    250ml/g 이상의 비용적, 1~100nm의 두께, 및 5~40㎛ 입경을 갖는 반도체 봉지재 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노 그래핀 플레이트 분말은 400W/mK 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지재 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    열전도율이 2.0 ~ 5.5 W/mK인 반도체 봉지재 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    강화인도가 상온에서 200 ~ 2700 J/m2 인 반도체 봉지재 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시수지는 바이페닐 에폭시 수지, 노볼락 에폭시수지, 디사이클로펜타디에닐 에폭시 수지, 비스페놀 에폭시 수지, 테르펜 에폭시 수지, 아랄킬 에폭시 수지, 다기능성 에폭시 수지, 나프탈렌 에폭시 수지 및 할로겐화 에폭시 수지로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 화합물이고,
    상기 경화제는 페놀릭 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 다기능성 페놀릭 수지, 아랄킬 페놀릭 수지, 테르펜 페놀릭 수지, 디사이클로펜타디에닐 페놀릭 수지, 나프탈렌 페놀릭 수지 및 할로겐화 페놀릭 수지로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나인 화합물인 반도체 봉지재 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 커플링제는 비닐트리에톡시실란, 1,3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 1,3-아미노프로필에톡시실란 및 1,3-머캡토프로필트리메톡시실란으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 화합물인 반도체 봉지재 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노 그래핀 플레이트 분말은
    천연 인상 흑연을 황산과 과산화수소(H2O2),황산과 과망간산칼륨(KMnO4),황산과 암모늄피로설페이트(NH4)2S2O8 및 황산과 질산으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 화합물로 처리하여 흑연층간 화합물을 형성하고 이를 고온로에서 순간적으로 팽창시키는 단계; 및
    팽창시킨 흑연을 수용액화 한 후 초음파를 이용하여 팽창 흑연을 층간 박리시키는 단계에 의하여 형성되는 반도체 봉지재 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노 그래핀 플레이트 분말은 SiC 열분해법 또는 화학 기상 증착법에 의하여 형성되는 반도체 봉지재 조성물.
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