KR101334649B1

KR101334649B1 - 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 장치

Info

Publication number: KR101334649B1
Application number: KR1020110028017A
Authority: KR
Inventors: 심명택; 최희덕; 강동욱
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2013-12-02
Also published as: KR20120110267A

Abstract

본 발명은 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 포함되는 난연제로 산화-수산화 알루미늄을 사용함으로써, 유해한 할로겐계, 안티몬계 난연제를 사용하지 않고도 우수한 난연성, 열 안정성, 성형 작업성 및 연속 작업성을 확보할 수 있는 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 장치에 관한 것이다.

Description

비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 장치{HALOGEN-FREE EPOXY RESIN COMPOSITION FOR SEALING SEMICONDUCTOR AND SEMICONDUCTOR DEVICE SEALED USING THE SAME}

반도체 밀봉재(봉지재라고도 함)는 반도체 소자를 밀봉시켜 반도체 회로를 외부의 충격 및 오염물질로부터 보호하는 역할을 하는 재료로서, 반도체의 생산성 및 신뢰성에 중대한 영향을 미치는바 반도체 제조공정에 있어 큰 비중을 차지하고 있다. 현재 반도체 밀봉방법으로는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound, EMC)를 이용한 이송성형법이 주류를 이루고 있으며, EMC는 다른 재료에 비해 가격이 저렴하고 생산성이 월등하다는 장점을 지닌다.

한편, 최근 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등 전자제품은 휴대성 등의 목적으로 그 부피 및 무게가 초소형화, 초경량화되는 추세이다. 이러한 맥락에서 표면실장 기술(Surface Mount Technology, SMT)이 개발되었고, 기존 단면 기판의 양면실장이 가능하게 되어 그 효율성이 두 배 이상 향상되었다. 이러한 표면실장 기술의 적용을 위해서는 패키지의 소형화 및 슬림화가 필요하고, 이로 인해 EMC의 요구물성은 더욱 강화되었다.

EMC의 요구물성은 크게 신뢰성과 작업성으로 나눌 수 있다.

먼저, 신뢰성과 관련하여, 반도체 패키지를 기판에 실장 내지 리플로우 솔더링(reflow soldering)하는 과정에서 패키지가 고온에 노출되는데, 이때 패키지 내부에 존재하는 수분의 급격한 부피팽창(약 1,244배)으로 인해 수증기압이 높아져 계면 박리 및 패키지의 크랙을 유발할 수 있다. 이를 방지하고 내크랙성 및 열 안정성을 확보하기 위해 밀봉재 자체의 흡습율 및 탄성률을 낮추고 높은 수증기압에 견딜 수 있는 강도 및 경화도를 부여하는 것이 신뢰성의 기본요건이다. 또한 이온성 불순물을 최소화하여 전기적 특성(절연 특성)을 확보하고, 열팽창계수를 낮춰 팽창 및 수축에 따른 열응력을 효과적으로 해소하는 것이 필요하다.

다음으로, 작업성과 관련하여, 밀봉재의 유동특성을 개선하고, 경화시간 단축으로 생산성을 향상시키며, 오염을 최소화하여 청소주기를 연장하는 것이 필요하다. 또한 성형 작업성과 더불어 작업시 금형이형 불량, 스티킹(sticking) 및 외관 오염이 없도록 우수한 연속 작업성을 확보하는 것이 중요하다.

한편, 열경화성 수지에 일반적으로 요구되는 특성인 난연성과 관련하여, 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 경우 UL-94 규격의 V-0 인증이 필수적이다. 이러한 난연성을 확보하기 위해 기존에는 브롬화 에폭시와 같은 할로겐계 난연제, 삼산화안티몬과 같은 안티몬계 난연제를 일반적으로 사용하였다. 그러나 최근 반도체용 재료에서 환경유해물질을 배제하려는 움직임이 대두되는 상황에서, 연소나 소각시 다이옥신, 다이퓨란 등의 유독성 발암물질을 발생시키는 할로겐계 및 안티몬계 난연제는 그 사용이 규제되고 있다.

이러한 맥락에서, 할로겐계 난연제를 대체하는 새로운 환경친화적 난연제 재료에 대한 연구가 활발히 진행되었으며, 대표적으로 저독성 무기 화합물인 수산화 마그네슘, 수산화 알루미늄, 붕산아연계 화합물 등이 제안되었다. 그러나 이러한 난연제들은 반도체 소자의 신뢰성 및 생산성과 관련하여 기술적인 한계를 지니고 있다. 먼저, 수산화 마그네슘의 경우 300℃가 넘는 열분해온도를 지녀 반도체 소자의 내리플로우특성을 용이하게 충족시킬 수 있으나 원료 자체의 흡유력으로 인해 반도체 소자 생산시 몰드 스티킹을 유발하기 쉬운 단점이 있다. 다음으로, 수산화 알루미늄은 200℃에서 열분해가 시작되는바 내리플로우특성을 요구하는 반도체 소자에의 적용이 곤란하다. 마지막으로, 붕산아연계 화합물은 투입량 대비 난연 효과가 뛰어난 장점이 있으나 제조공정상 입자가 응집되기 쉬워 성형성이 불량하고 이온성 불순물 등의 영향으로 반도체 소자에 적용시 신뢰성 저하를 유발할 수 있다는 단점이 있다.

이에, 종래 무기 난연제의 문제점들을 동시에 해결하면서, 유해물질 배출없이 우수한 난연성, 열 안정성, 성형 작업성 및 연속 작업성을 확보할 수 있는 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 대한 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 인체 및 환경에 유해한 부산물 발생의 우려가 없으면서 우수한 난연성을 만족함과 동시에 열분해성, 성형 작업성, 연속 작업성 및 신뢰성 부문에 있어 기존 무기 난연제의 문제점들을 해소할 수 있는 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 (A) 에폭시 수지; (B) 경화제; (C) 충진제; (D) 경화촉진제; 및 (E) 난연제를 포함하며, 상기 난연제 성분 (E)는 산화-수산화 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 측면으로, 상기 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 것을 특징으로 하는 반도체 장치를 제공한다.

본 발명의 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 유해물질 배출없이 우수한 난연성을 나타내며, 열 안정성, 성형 작업성, 연속 작업성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 구성요소별로 상세히 설명한다.

(A) 에폭시 수지

본 발명의 조성물에 포함되는 에폭시 수지(또는 "성분 (A)")는 본 발명 조성물의 주제로서, 다른 반도체 밀봉재료에 비해 가격이 저렴하고 생산성이 월등하다는 장점이 있다.

에폭시 수지로는 비스페놀A형, 지환형, 선형 지방족, (오르쏘)크레졸 노볼락형, 나프톨 노볼락형, 비페닐형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 1 분자 중에 에폭시기를 2개 이상 함유하는 에폭시 수지를 사용한다. 구체적으로, 에폭시 수지로는 융점이 55 ~ 100℃, 에폭시 당량이 150 ~ 300g/eq인 것을 사용할 수 있다.

에폭시 수지는 내습 신뢰성을 고려하여 이온성 불순물, 예컨대 나트륨 이온, 염소 이온 등이 적게 포함된 것이 바람직하다.

에폭시 수지의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 4 ~ 13 중량%이다. 그 함량이 2 중량% 미만이면 접착성, 전기절연성, 흐름성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고, 충진제의 상대적 함량 감소로 강도가 저하될 수 있다.

(B) 경화제

본 발명의 조성물에 포함되는 경화제(또는 "성분 (B)")는 상기 에폭시 수지 성분 (A)와 반응하고 조성물의 경화를 진행시키는 성분이다.

경화제로는 반도체 밀봉형 경화제로서 내습성, 내열성, 보존성 등의 물성이 우수한 페놀계 경화제를 사용하는 것이 바람직하다. 일 구체예에서, 페놀계 경화제는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 알킬 수지, 비스페놀A로부터 합성된 각종 노볼락 수지 및 디하이드로 비페닐로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상의 다가 페놀 화합물로서, 분자구조 내에 상기 에폭시 수지 성분 (A)와 반응하고 경화를 진행시키는 페놀성 하이드록시기를 2개 이상 함유하는 것이다.

경화제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 4 ~ 8 중량%이다. 그 함량이 2 중량% 미만이면 경화성 및 성형성에 문제가 생길 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 신뢰성이 저하되고, 상대적으로 강도가 낮아질 수 있다.

(C) 충진제

본 발명의 조성물에 포함되는 충진제(또는 "성분 (C)")는 밀봉재의 강도를 향상시키고 흡습량을 낮추기 위한 성분이다.

충진제로는 실리카, 실리카 나이트라이드, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드 등의 무기 충진제를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 충진제의 형태 또한 특별히 제한되지 않으며, 각상 및 구상 형태의 충진제를 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는, (고순도의) 실리카 충진제, 예컨대 천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 등을 사용한다.

충진제의 입경은 금형에의 충전성을 고려하여 150㎛ 이하인 것이 바람직하다.

충진제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 60 ~ 95 중량%, 보다 바람직하게는 70 ~ 90 중량%이다. 그 함량이 60 중량% 미만이면 흡습량 증가로 강도가 저하되고, 리플로우 솔더링 과정 후 밀착성이 떨어질 수 있으며, 그 함량이 95 중량%를 초과하면 점도 증가 및 유동성 저하로 성형성이 불량해질 수 있다.

(D) 경화촉진제

본 발명의 조성물에 포함되는 경화촉진제(또는 "성분 (D)")는 에폭시 수지와(페놀계) 경화제의 경화반응을 촉진시키는 성분이다.

경화촉진제로는 2-메틸이미다졸, 2-에틸4메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸 화합물; 트리에틸아민, 트리부틸아민, 벤질디메틸아민 등의 아민 화합물; 2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비사이클로(5,4,0)운덱-7-엔 등의 삼급 아민 화합물; 및 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀 등의 유기 포스핀 화합물을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

경화촉진제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.05 ~ 5 중량%, 보다 바람직하게는 0.05 ~ 0.5 중량%이다. 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 경화성이 저하될 수 있으며, 그 함량이 5 중량%를 초과하면 과경화로 인해 흐름성이 저하될 수 있다.

(E) 난연제

본 발명의 조성물에 포함되는 난연제(또는 "성분 (E)")는 산화-수산화 알루미늄(aluminum oxide hydroxide, AOH)을 포함함으로써, 기존의 무기 난연제 적용시 발생하는 문제를 해결하고, 우수한 난연성, 열 안정성, 성형 작업성 및 연속 작업성을 부여하는 성분이다.

산화-수산화 알루미늄은 화학식 AlO(OH)로 표시되는 화합물로서, 수산화 알루미늄에 비해 열분해온도가 높아 반도체 소자의 내리플로우특성에 대응하기 용이한 재료이다(하기 반응식 1, 2 참조). 또한 이를 난연제로 사용하면 수산화 마그네슘 및 붕산아연계 화합물 적용시 발생하는 몰드 스티킹 현상 및 입자 응집 현상이 발생하지 않는다.

[반응식 1] 수산화 알루미늄의 열분해

[반응식 2] 산화-수산화 알루미늄의 열분해

난연제에 포함되는 산화-수산화 알루미늄은 조성물 총 중량에 대하여 0.5 ~ 10 중량%이 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 0.5 중량% 미만이면 난연성 저하를 비롯하여 전술한 산화-수산화 알루미늄 첨가에 따른 효과를 발휘하기 어려울 수 있으며, 그 함량이 10 중량%를 초과하면 유동성 및 강도를 저하시킬 수 있다.

난연제에는 산화-수산화 알루미늄 외에 반도체 밀봉용 에폭시 조성물에 있어 일반적으로 사용되는 기타의 비할로겐계 난연제 성분이 추가로 포함될 수 있다. 예컨대, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 보론, 알루미늄 및 갈륨 중에서 선택된 금속의 수산화물, 및 포스파젠이 포함된 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 추구하는 효과 발휘 측면에서, 전체 난연제 중 산화-수산화 알루미늄이 50 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.

난연제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.5 ~ 15 중량%, 보다 바람직하게는 0.5 ~ 10 중량%이다. 그 함량이 0.5 중량% 미만이면 난연성, 열 안정성, 성형성 및 연속 작업성 상승 효과를 보기 어려울 수 있으며, 그 함량이 15 중량%를 초과하면 전기전도도가 높아지고, 유동성 및 강도 저하를 유발할 수 있다.

본 발명의 조성물은 그 목적을 벗어나지 않는 범위에서 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 일반적으로 사용되는 첨가제(또는 "성분 (F)")를 추가적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 수지계와 무기 충진제 간에 결합력을 부여하는 (실란) 커플링제, 카본블랙, 산화철, 벵갈라 등의 착색제, 하이드로탈사이트계의 이온포착제, 장쇄지방산, 장쇄지방산의 금속염, 파라핀 왁스, 카르나우바 왁스 등의 이형제, 개질제 및 변성 실리콘 수지, 변성 폴리부타디엔 등의 저응력화제 중 선택되는 하나 이상의 첨가제를 조성물 총 중량에 대하여 0.1 ~ 10 중량% 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 각 성분으로부터 본 발명의 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야의 일반적인 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 바람직하게는, 반바리 믹서, 니더, 롤, 단축 또는 이축의 압출기 및 코니더 등을 이용한 공지된 용융 혼련방법을 사용하여 제조한다. 예컨대, 각 성분들을 균일하게 섞은 후, 용융 혼합기(heat kneader)를 이용하여 100 ~ 130℃의 온도에서 용융 혼합하고, 상온으로 냉각시킨 다음, 분말상태로 분쇄한 후, 블렌딩하는 일반적인 과정을 거쳐 본 발명의 조성물을 수득할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명의 조성물을 이용하여 밀봉된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 제공된다. 구체적으로, 본 발명의 조성물을 적용할 수 있는 반도체 장치란 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등을 반도체 칩이나 기판 위에 집적하고 배선하여 만들어지는 전자회로(집적회로)를 의미한다. 본 발명의 조성물을 이용하여 반도체 장치를 밀봉, 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰드, 인젝션 몰드 등의 성형방법으로 반도체 소자를 밀봉하여 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 5

하기 표 1과 같은 성분 및 함량의 원료 물질을 함께 믹싱한 후, 용융 혼합, 냉각, 분쇄, 블렌딩 공정을 거쳐 일정크기로 타정하여 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.

[표 1]

1) 국도화학 社, YDCN-4P (에폭시당량 205)

2) Japan energy 社, YX-4000 (에폭시 당량 187)

3) Meiwa Kasei 社, HF-1 (OH 당량 106)

4) Meiwa Kasei 社, MEH-7800-SS (OH 당량 175)

5) Hokko chemical 社, TPP (트리페닐포스핀)

6) 용융 실리카(fused silica)

7) Shinetsu 社, KBM-403 (3-글리시독시프로필트리메톡시실란)

상기 실시예 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물에 대해 아래 방법으로 물성을 측정하여 그 결과를 상기 표 1에 나타내었다.

* 스파이럴 플로우(spiral flow)

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 스파이럴 플로우 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 제조물의 흐름성을 측정하였다.

* 겔 타임(gelation time)

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물 소량을 겔 타이머에 넓고 고르게 펴, 제조물의 겔화 소요시간을 측정하였다.

* 난연성

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물의 몰딩된 시편에 대해 UL-94 V-0 규격에 따라 평가하였다.

* 성형성

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물에 대해 SOD-323F 반도체 패키지를 이용하여 평가하였다.

* 작업성

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물에 대해 MQFP-100 반도체 패키지를 이용하여 500 SHOT을 기준으로 연속작업 과정에의 스티킹 발생여부를 확인하였다.

* 열감량 평가

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물의 몰딩된 시편을 200℃ 오븐에서 4시간 방치한 후 무게감량 정도를 확인하였다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예의 경우 비교예와 동등한 리플로우 특성, 겔 타임 및 난연성(V-0 만족)을 보이면서도, 성형성, 연속 작업성 및 열 안정성 모두가 전반적으로 우수하였다. 한편, 난연제로 수산화 알루미늄을 사용한 비교예 1의 경우 열 안정성이 현저히 떨어졌고, 난연제로 수산화 마그네슘을 사용한 비교예 2, 4의 경우 연속 작업성이 불량하였으며, 난연제로 붕산아연을 사용한 비교예 3, 5의 경우 성형성이 현저히 열악하였다.

Claims

조성물 총 중량에 대하여
(A) 에폭시 당량이 150 ~ 300g/eq인 에폭시 수지 4 ~ 13 중량%;
(B) 페놀성 하이드록시기를 2개 이상 함유하는 페놀계 경화제 4 ~ 8 중량%;
(C) 실리카 충진제 70 ~ 90 중량%;
(D) 경화촉진제로서 유기 포스핀 화합물 0.05 ~ 0.5 중량%; 및
(E) 난연제로서 산화-수산화 알루미늄[AlO(OH)] 0.5 ~ 10 중량%를 포함하는,
비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
제1항에 있어서, 조성물 총 중량에 대하여 0.1 ~ 10 중량%의 (F) 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비할로겐계 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
제1항 또는 제2항에 따른 조성물을 이용하여 밀봉된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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