KR101526001B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 장치 - Google Patents

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 장치에 관한 것으로, 상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지; 경화제; 경화촉진제; 및 무기 충전제를 포함하며, 나프탈렌계 에폭시수지를 포함하고, 변성 트리페놀메탄계 경화제를 포함하며, 이미다졸계 경화촉진제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 장치{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR ENCAPSULATING SEMICONDUCTOR DEVICE, AND SEMICONDUCTOR APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유동 특성, 휨 특성, 및 무연 땜납 공정에서 요구되는 내땜납성이 우수하고, 경화 반응이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 반도체 소자가 밀봉된 반도체 장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 고집적화 경향에 따라 반도체 소자 크기의 대형화, 셀 면적의 소형화, 및 배선의 다층화가 급속히 진전되고 있다. 반도체 소자를 외부 환경으로부터 보호하는 패키지(Package) 방법 또한 고밀도 실장(즉, 표면 실장)으로 소형화 및 박형화가 가속화되고 있다. 또한, 반도체 소자를 밀봉하는데 있어서 환경 관련 규제가 엄격해짐에 따라 후공정인 땜납(Solder) 공정에서 납(Pb)의 사용이 금지되고 있는 바, 무연 땜납(Pb-free Solder) 공정에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다.
현재, 납(Pb)을 대신하여 사용하는 무연 땜납 재료로는 주석(Sn), 비스무스(Bi), 은(Ag) 등이 있는데, 이러한 재료를 사용할 경우에는 땜납 공정의 온도가 기존보다 20℃정도 높아져야 한다. 여기서, 반도체 소자는 외부 환경으로부터 보호되기 위해 주로 에폭시 수지 조성물을 사용하여 밀봉되는데, 이와 같이 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 반도체 소자를 상기한 무연 땜납 공정에 투입할 경우 반도체 소자의 불량 발생률이 높아지기 때문에 에폭시 수지 조성물에 의한 내땜납성의 향상이 요구되고 있다. 즉, 흡수율(吸水率)이 높은 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 반도체 소자를 무연 땜납 공정에 투입할 경우, 땜납 공정의 온도 상승으로 인해 반도체 소자에 존재하는 수분이 폭발함(수증기화)에 따라 응력이 발생하여 반도체 소자에 크랙이 발생하거나 반도체 소자와 에폭시 수지 조성물 간에 박리가 일어나는 등 신뢰성이 있는 반도체 소자를 수득하기가 어렵기 때문에 에폭시 수지 조성물에 의한 내땜납성 향상이 요구되는 것이다.
한편, 반도체 소자의 고집적화에 따른 다핀화에 의해 DIP, SOP, QFP 등의 양면 밀봉형 반도체 소자 패키지와 함께 QFN, BGA 등의 단면 밀봉형 반도체 소자 패키지가 주류를 이루고 있다. 이때, 단면 밀봉형 반도체 소자 패키지는 기판의 한쪽 면만을 에폭시 수지 조성물로 밀봉한다는 점에서 패키지의 휨이 커다란 문제가 되고 있다. 즉, 기판의 한쪽 면만을 에폭시 수지 조성물로 밀봉함에 따라 패키지가 비대칭을 이루어 휘어지게 되는데, 이렇게 패키지가 휘어질 경우 반도체 소자에 응력이 가해지거나 반도체 소자와 기판과의 단자 접합이 불완전해져 패키지의 전기적인 연결이 불량해지는 문제점이 발생하게 되는 것이다. 또한, 선팽창계수의 차이에 의해 에폭시 수지 조성물, 기판(substrate), 및 반도체 소자간의 수축률이 달라지게 되는데, 이러한 수축률 차이 또한 패키지 휨의 원인이 되어 상기와 같은 문제점이 발생하게 된다.
패키지의 휨 문제를 해결하기 위해 트리페놀메탄형 에폭시수지와 트리페놀메탄형 페놀 수지를 이용하여 유리전이온도를 높이고 선팽창계수를 작게 하는 기술이 제안된 바 있다. 그런데, 상기 기술은 패키지의 휨 문제는 해결할 수 있으나 에폭시 수지 조성물의 흡수율(吸水率)이 매우 높아 내땜납성이 떨어지기 때문에 반도체 소자에 크랙이 발생하거나 반도체 소자와 에폭시 수지 조성물 간의 박리가 일어나는 등의 문제점은 여전히 남아 있다.
또한, 무기 충전제의 사용량을 높임으로써 선팽창계수를 저하시켜 패키지의 휨 문제를 개선하는 방법이 제안된 바 있다. 그러나 상기 방법은 에폭시 수지 조성물의 유동성이 저하되어 성형 시(반도체 소자의 밀봉 작업) 와이어 스윕(wire sweep)이나 미충전이 발생할 우려가 있다.
본 발명의 목적은 유동 특성, 휨 특성, 및 무연 땜납 공정에서 요구되는 내땜납성이 우수하고, 경화반응 또한 뛰어난 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흡습률이 개선된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지; 경화제; 경화촉진제; 및 무기 충전제를 포함하며, 상기 에폭시수지는 나프탈렌계 에폭시수지를 포함하고, 상기 경화제는 변성 트리페놀메탄계 경화제를 포함하며, 상기 경화촉진제는 이미다졸계 경화촉진제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체예에서 상기 나프탈렌계 에폭시수지는 하기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112011103634519-pat00001
(상기 화학식 1에서, R은 탄소 수 1~6의 알킬렌이며, n 및 m은 각각 0 또는 1이다).
바람직하게는 상기 R은 CH2일 수 있다.
구체예에서 상기 변성 트리페놀메탄계 경화제는 하기 화학식 2의 구조를 가질 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112011103634519-pat00002
(상기 화학식 2에서, n의 평균값은 0~5이고 m의 평균값은 1~5이며, ｎ＋ｍ의 평균값은 1 내지 10 임).
구체예에서 상기 화학식 2의 두 반복 단위의 순서는 랜덤하게 배치될 수 있다.
상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지 3~20 중량%, 경화제 2~15 중량%, 경화촉진제 0.02~0.4 중량%, 및 무기 충전제 70~95 중량%를 포함할 수 있다.
상기 나프탈렌계 에폭시수지는 전체 에폭시수지 중 40~100 중량%로 포함될 수 있다.
상기 변성 트리페놀메탄계 경화제는 전체 경화제중 40~100중량%로 포함될 수 있다.
상기 이미다졸계 경화촉진제는 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸을 포함할 수 있다.
상기 이미다졸계 경화촉진제는 전체 경화촉진제중 40~100중량%로 포함될 수 있다.
상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 실란 커플링제를 더 포함할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 아미노실란 커플링제를 전체 실란 커플링제 중 30~100중량%로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 밀봉처리한 반도체 장치에 관한 것이다.
본 발명은 유동 특성, 휨 특성, 및 무연 땜납 공정에서 요구되는 내땜납성이 우수하고, 경화 반응이 뛰어나며, 흡습률을 최소화하여 무연 땜납 공정에서 요구되는 내땜납성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 장치를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지; 경화제; 경화촉진제; 및 무기 충전제를 포함한다.
이하, 각 성분에 대해 하기에 상세히 설명한다.
(A) 에폭시수지
본 발명에 사용되는 에폭시수지는 나프탈렌계 에폭시수지를 포함한다. 상기 나프탈렌계 에폭시수지는 하기 화학식 1의 구조를 가질 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112011103634519-pat00003
(상기 화학식 1에서, R은 탄소 수 1~6의 알킬렌이며, n 및 m은 각각 0 또는 1이다).
상기 화학식 1로 표시되는 에폭시수지는 나프탈렌 골격으로 이루어져 높은 유리전이온도(Tg)를 나타낸다. 일반적으로 강직하고 대칭성이 뛰어난 골격을 지닌 에폭시수지는 높은 유리전이온도를 나타내는데, 상기 화학식1로 표시되는 에폭시수지는 나프탈렌 골격 부분이 단단한 결합을 이루고 있고 분자 전체의 대칭성도 뛰어나기 때문에 높은 유리전이온도를 나타내게 된다.
이와 같이 유리전이온도가 높은 에폭시수지는 낮은 선팽창계수(coefficient of linear expansion)를 나타내며, 선팽창계수가 낮음에 따라 저수축률을 얻을 수 있다.
일반적으로 반도체 소자 패키지가 휘는 원인 중 하나는 반도체 부재(예를 들어, 기판 또는 칩 등)와 밀봉되는 에폭시수지의 수축률 차이에 의한 것으로, 이러한 수축률 차이는 에폭시수지에 비해 반도체 부재의 수축률이 낮기 때문에 나타나게 된다. 그런데, 상기 에폭시수지는 상기와 같은 이유로 저수축률을 얻을 수 있기 때문에 반도체 부재와의 수축률 밸런스를 맞출 수 있게 되어 반도체 소자 패키지의 휨 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, 상기 화학식 1의 에폭시수지 구조에서 나프탈렌은 소수성이기 때문에 에폭시수지의 흡수율(吸水率)을 낮추어 에폭시수지에 함유되는 수분의 양을 최소화시킴에 따라 무연 땜납 공정에서 요구되는 내땜납성 또한 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 화학식 1의 에폭시수지는 n=1이고 m=1일 때 가교밀도가 높아져 저수축률 및 휨 특성이 가장 우수하게 나타나지만 점도가 높아짐에 따라 유동 특성이 저하될 수 있으므로, n=0이고 m=1(또는 n=1이고 m=0)인 에폭시수지와 n=0이고 m=0인 에폭시수지를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지 이외에 다른 에폭시수지를 병용할 수도 있다. 이때, 병용할 수 있는 에폭시수지는 한 분자 중에 두 개 이상의 에폭시기를 포함하는 에폭시수지가 바람직하다. 구체적인 예로는 페놀아랄킬형 에폭시수지, 바이페닐아랄킬형 에폭시수지, 크레졸노볼락형 에폭시수지, 페놀노볼락형 에폭시수지, 바이페닐형 에폭시수지, 비스페놀형 에폭시수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시수지, 나프탈렌형 에폭시수지, 트리페놀메탄형 에폭시수지 등을 들 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이들은 단독 또는 2종 이상 조합하여 사용될 수 있다. 이중 바람직하게 페놀아랄킬형 에폭시수지 또는 트리페놀메탄형 에폭시수지를 사용할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지 이외에 다른 에폭시수지를 병용할 경우, 상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지는 전체 에폭시수지 100 중량%를 기준으로 40~100 중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 원하는 수축률과 휨 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 에폭시수지(상기 화학식 1로 표시되는 에폭시수지 단독 또는 상기 화학식 1로 표시되는 에폭시수지와 상기 다른 에폭시수지를 병용한 에폭시수지)는 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%를 기준으로 3~20 중량%, 바람직하게는 5~14 중량%로 사용할 수 있다. 상기 범위에서 유동성이 우수하고, 성형 시 와이어 스윕(wire sweep) 등의 문제가 발생하지 않으며, 적당한 수축률 및 흡수율을 가져 우수한 휨 특성과 패키지의 신뢰성을 얻을 수 있다.
(B) 경화제
본 발명에서 사용되는 경화제는 변성 트리페놀메탄계 경화제를 포함한다. 상기 변성 트리페놀메탄계 경화제는 하기 화학식 2의 구조를 가질 수 있다:
[화학식 2]
Figure 112011103634519-pat00004
(상기 화학식 2에서, n의 평균값은 0~5이고 m의 평균값은 1~5이며, ｎ＋ｍ의 평균값은 1 내지 10 임).
상기 화학식 2로 표시되는 변성 트리페놀메탄계 경화제는 트리페놀메탄 골격과 페놀노볼락 골격으로 이루어진다. 따라서, 그 가교점 간격이 짧기 때문에 상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지와 반응할 경우 가교 밀도가 높아져 그 결과물인 경화물의 유리전이온도를 높이게 된다. 이와 같이 상기 화학식 2로 표시되는 경화제를 사용함에 따라 경화물의 유리전이온도가 높아지며 선팽창계수가 낮아지게 된다. 이에 따라 저수축률을 얻을 수 있어 결과적으로 상기에서 언급한 바와 같이 반도체 소자 패키지의 휨을 억제할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지에 상기 화학식 2의 변성 트리페놀메탄계 경화제를 적용함으로서, 다른 경화제를 사용한 경우에 비해 경화 반응이 우수해져 적절한 경화 속도 및 경화 거동을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 반도체 소자 성형 시 성형성이 우수하고, 작업성 및 생산효율 또한 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 화학식 2로 표시되는 경화제 이외에 다른 경화제를 병용할 수도 있다. 이때, 병용할 수 있는 경화제는 한 분자 중에 두개 이상의 페놀기를 포함하는 경화제가 바람직하다. 구체적인 예로는 페놀아랄킬형 페놀수지, 바이페닐아랄킬형 페놀수지, 페놀노볼락형 페놀수지, 크레졸노볼락형 페놀수지, 자일록형 페놀수지, 디시크로펜타디엔형 페놀수지, 나프탈렌형 페놀수지, 트리페놀메탄형 페놀수지 등을 들 수 있으며 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 이중 바람직하게 페놀아랄킬형 페놀수지 또는 자일록형 페놀수지를 사용할 수 있다.
상기 화학식 2로 표시되는 변성 트리페놀메탄계 경화제 이외에 다른 경화제를 병용할 경우, 상기 화학식 2로 표시되는 변성 트리페놀메탄계 경화제는 전체 경화제 100 중량%를 기준으로 40~100중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 경화 시간이 적당하여 성형성 및 작업성이 우수할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 경화제를 에폭시 수지 조성물 전체 100중량%을 기준으로 2~15중량%, 바람직하게는 3~12 중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 경화 시간이 적당하여 성형성 및 작업성이 우수하며, 수축률과 휨 특성이 우수할 수 있다.
(C) 경화촉진제
본 발명에서 사용되는 경화촉진제는 이미다졸계 경화촉진제를 포함한다. 이와 같이 이미다졸계 경화촉진제를 포함하므로, 에폭시 수지 조성물의 경화물이 경화된 후의 유리전이온도가 높아져 선팽창계수가 낮아짐에 따라 저수축률을 얻을 수 있어 반도체 소자 패키지의 휨 특성을 제어할 수 있다.
특히 상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지 및 상기 화학식 2의 변성 트리페놀메탄계 경화제에 이미다졸계 경화촉진제를 사용할 경우 경화 반응이 우수해져 적절한 경화 속도 및 경화 거동을 나타내기 때문에 반도체 소자 성형 시 성형성이 우수하고, 작업성, 및 생산 효율 또한 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 이미다졸계 경화촉진제의 구체적인 예로 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸, 2,4-디아미노-6-2’-메틸이미다졸(1’)-에틸-s-트리아진, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸, 2,3-지히드로1H-피로로[1,2-a]벤즈이미다졸 등을 들 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 이미다졸계 경화촉진제는 하나 또는 둘 이상을 병용하여 사용할 수 있다. 이 중에서도 휨 특성과 성형 시의 유동성 및 경화 반응의 밸런스에서 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸이 바람직하다.
본 발명은 이미다졸계 경화촉진제 이외에 다른 경화촉진제를 병용할 수도 있다. 이때 병용할 수 있는 경화촉진제의 구체적인 예로 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류; 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등이 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이들은 하나 또는 둘 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 이미다졸계 경화촉진제 이외에 다른 경화촉진제를 병용할 경우, 이미다졸계 경화촉진제는 경화촉진제 전체 100 중량%를 기준으로 40~100 중량%인 것이 바람직하다. 상기 범위에서 적당한 경화 시간을 가지며, 성형성 및 작업성이 우수할 수 있다.
또한 본 발명의 경화촉진제（상기 이미다졸계 경화촉진제 단독 또는 상기 이미다졸계 경화촉진제와 상기 기타 경화촉진제를 병용한 경화촉진제)는 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%를 기준으로 0.02~0.4중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 적당한 경화 시간을 가지며, 성형성, 및 작업성이 우수할 수 있다.
(D) 무기 충전제
무기 충전제는 에폭시 수지 조성물에서 기계적 물성을 향상시키고 응력을 낮추기 위하여 사용된다. 이러한 무기 충전제로 사용할 수 있는 것은 용융 실리카, 결정성 실리카, 알루미나, 질화규소, 및 질화알루미늄 등을 들 수 있으며, 비용 및 기계적 특성 강화 측면에서 볼 때 용융 실리카를 사용하는 것이 바람직하다. 용융 실리카를 사용할 경우 그 형상 및 입경은 특별히 제한되지 않으나 평균 입경은 0.1~35㎛인 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 무기 충전제는 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%를 기준으로 70~95 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 휨 특성 및 패키지의 신뢰성이 우수하고, 유동성과 성형성이 우수할 수 있다. 바람직하게는 75~92 중량%이다.
(E) 실란 커플링제
본 발명에서 사용될 수 있는 실란 커플링제는 에폭시수지와 무기 충전제 사이에서 반응하여, 에폭시수지와 무기 충전제의 계면 강도를 향상시키는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 에폭시실란, 아미노실란, 머캅토실란, 알킬실란, 및 알콕시실란 등을 사용할 수 있다. 이중 아미노실란 커플링제를 바람직하게 포함할 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지 및 상기 화학식 2의 변성 트리페놀메탄계 경화제에 아미노실란 커플링제를 적용할 경우, 반응성이 좋아질 뿐만 아니라, 에폭시 수지 조성물의 강도를 향상시킬 수 있고, 유동성 향상 효과를 최대한으로 이끌어 낼 수 있다. 또한 내땜납성을 향상시킬 수 있다.
상기 아미노실란 커플링제의 예로는 N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸디메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시시릴-N-(1,3-디메틸-부틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란 등을 들 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다. 이중 반응성의 균형상 2급 아미노실란인 N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 바람직하다.
상기 아미노실란 커플링제 이외에 다른 실란 커플링제를 병용할 수도 있다. 이 때, 병용 가능한 실란 커플링제는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 2-(3,4-에폭시시크로헥실) 에틸트리메톡시실란 등의 에폭시실란 커플링제, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 3-메르캅토프로필메틸디메톡시실란 등의 메르캅토실란커플링제 등을 들 수 있다.
상기 아미노실란 커플링제에 다른 실란 커플링제를 병용할 경우, 상기 아미노실란 커플링제는 실란 커플링제 전체 100 중량%를 기준으로 30~100 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 에폭시 수지 조성물의 강도 및 유동성 향상 효과가 보다 우수할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%를 기준으로 0.05~1 중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 강도 및 유동성 향상 효과가 있으며, 성형성이 우수할 수 있다.
기타 첨가제
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 필요에 따라 천연왁스, 합성왁스, 고급지방산, 고급지방산 금속염, 및 에스테르계 왁스 등의 이형제; 카본블랙, 유기염료, 및 무기염료 등의 착색제; 실리콘 고무, 실리콘 오일, 및 실리콘 레진 등의 응력 완화제; 포스파젠, 붕산아연, 수산화알루미늄, 및 수산화마그네슘 등의 난연제를 더 포함시켜 사용할 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 일반적으로 각각의 원료를 헨셀 믹서나 슈퍼 믹서를 이용하여 균일하게 혼합한 후 롤밀이나 니이더로 용융 혼련하고 냉각 및 분쇄 과정을 거쳐 최종 분말 형태로 제조할 수 있다. 이때, 용융 혼련은 70~120℃에서 3~15분간 실시하는 것이 바람직하다. 상기 범위에서 수지 조성물의 유동성과 조성물 내 원료의 분산성이 우수하여 경화 반응이 적절하게 진행되며, 보이드 발생을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기에서 설명한 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 반도체 소자 패키지를 제공할 수 있다. 이때, 밀봉되는 반도체 소자 패키지는 단면형(예를 들어, QFN, BGA 등)인 것이 바람직하다. 또한, 반도체 소자를 밀봉하는 방법은 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 압축(compression) 성형법, 인젝션(injection) 성형법이나 캐스팅(casting) 성형법 등을 사용할 수도 있다.
여기서, 밀봉하는 과정은 특별히 한정되지 않으나 성형기(성형법에 따라 선택)를 이용하여 제조된 에폭시 수지 조성물로 반도체 소자를 밀봉 성형(경화)시키고, 성형이 완료된 반도체 소자 패지키를 후경화시켜 제조할 수 있다. 이때, 밀봉 성형시키는 온도 및 시간은 160~190℃에서 50~120초로, 후경화시키는 온도 및 시간은 160~190℃에서 0~8시간으로 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
하기 실시예 및 비교예에서 사용된 각 성분의 사양은 다음과 같다:
(A) 에폭시수지
(a1) 나프탈렌계 에폭시수지: HP-4770, DIC
(a2) 바이페닐형 에폭시수지: YX-4000H, Japan Epoxy Resin
(a3) 트리페놀메탄형 에폭시수지: EPPN-501H, Nippon kayaku
(B) 경화제
(b1) 변성 트리페놀메탄계 경화제: HE-910C-10, Air water
(b2) 자일록형 페놀수지: MEH-7800SS, Meiwa Plastic Industries
(C) 경화촉진제
(c1) 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸: 2P4MHZ, NIPPON GOHSEI
(c2) 트리페닐포스핀: TPP, HOKKO CHEMICAL INDUSTRY
(D) 무기 충전제 : 평균 입경이 7㎛인 실리카를 사용하였다.
(E) 실란커플링제
(E1) 아미노실란: KBM-573, Shin-Etsu Chemical
(E2) 에폭시실란: KBM-403, Shin-Etsu Chemical
(F) 기타 첨가제
(f1) 카본블랙: MA600, Mitsubishi Chemical
(f2) 카르나우바왁스: Powderd Carnauba Wax No.1, S.KATO&CO.
상기 각 성분들을 하기 표 1의 조성에 따라 각 성분들을 평량한 후 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였다. 이후 연속 니이더를 이용하여 100℃에서 7분간 용융 혼련한 뒤 냉각 및 분쇄하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
(단위: 중량%) 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
(A) (a1) 7.43 3.71 6.83 - 5.96 6.98
(a2) - 3.71 - - - -
(a3) - - - 6.97 - -
(B) (b1) 3.64 3.75 2.13 4.10 - 2.17
(b2) - - 2.13 - 5.11 2.17
(C) (c1) 0.17 0.17 0.10 0.17 0.17 -
(c2) - - 0.05 - - 0.12
(D) 88.00 88.00 88.00 88.00 88.00 88.00
(E) (e1) 0.20 0.10 0.20 0.20 0.20 -
(e2) 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10
(F) (f1) 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26
(f2) 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20
합계 100 100 100 100 100 100
물성평가
상기 실시예 1~3 및 비교예 1~3의 에폭시 수지 조성물에 대하여 하기 방법으로 각종 물성을 평가한 후 그 결과를 표 2에 나타내었다.
1. 스파이럴 플로우(Spiral Flow, inch): 저압 트랜스퍼 성형기를 사용하여, EMMI-1-66에 준한 스파이럴 플로우 측정용 금형에, 금형온도 175℃, 70kgf/cm2, 주입압력 9 MPa, 경화시간 90초의 조건으로 에폭시 수지 조성물을 주입하고, 유동 길이를 측정하였다. 측정값이 높을수록 유동성이 우수한 것이다.
2. 경화도(Hot Hardness): MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 400FBGA를 175℃에서 60초간 성형시킨 후 금형이 열린 10초 후에 컬(Cull) 부분의 경화도를 Shore D 경도계로 측정하였다.
3. 유리전이온도(Tg, ℃): 표준시편(12.7×10.0×6.4mm)을 만든 후 175℃에서 4시간 동안 후경화시킨 시편으로 TMA(thermomechanical analyzer)를 이용하여 5℃/min 승온 조건 하에서 물성 변곡점을 측정하였다.
4. 고온굴곡탄성율(kgf/mm2): ASTM D-790에 준하여 표준시편(125×12.6×6.4mm)을 만든 후 175℃에서 4시간 후경화시킨 이후에 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 260℃에서 3-point bending 방법으로 측정하였다.
5. 휨 특성(㎛): MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 60초간 성형시킨 후, 175℃에서 4시간 동안 후경화시켜, PCB 0.27mm, 패키지 두께 0.6mm 구조의 400FBGA(18×18mm)형 반도체 소자 패키지를 제작하고 비접촉식 레이저 측정기를 사용하여 상면의 대각선 방향의 중심과 모서리 끝의 높이 차를 측정하였다. 높이 차가 작을 수록 휨 특성이 우수한 것이다.
6. 흡습률(%): 121℃,　100% 상대 습도의 항온 항습기에서 24시간 흡습시킨 후 상온으로 식을　때까지 기다려 질량을 잰 후 흡습 전후의 무게 변화를 이용하여 흡습률을 계산하였다.
7. 내땜납성: 상기 휨 특성 평가용 400FBGA 패키지 16개를 125℃에서 24시간 동안 건조시킨 후 5 사이클(1 사이클은 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 10분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 나타냄)의 열충격 시험을 수행하였다. 이후 패키지를 85℃, 60% 상대 습도 조건 하에서 168시간 동안 방치시킨 후 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우를 1회 통과시키는 것을 3회 반복하는 프리컨디션 조건 이후에 패키지의 외관 크랙 발생 유무를 광학 현미경으로 관찰하였다. 외관 크랙이 발생한 패키지에 대해서는 이후 평가를 진행하지 않았다. 이후 비파괴 검사인 C-SAM(Scanning Acoustic Microscopy)를 이용하여 에폭시 수지 조성물과 리드프레임 간의 박리 발생 유무를 평가하였다. 프리컨디션 조건 이후와 열 충격 시험 두 단계에서 크랙이 하나라도 발생한 반도체 소자 수 및 열 충격 시험 단계에서 박리가 발생한 반도체 소자 수를 합하여 내땜납성 불량 개수로 표기하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다.
평가항목 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
스파이럴 플로우(inch) 56 64 57 41 59 49
경화도 87 83 83 89 75 81
Tg(℃) 178 167 165 188 142 149
고온굴곡탄성율(kgf/㎟ at 260℃) 105 93 92 144 73 86
휨특성(㎛) 13 26 29 6 136 66
흡습률(%) 0.22 0.24 0.21 0.30 0.19 0.20
내땜납성 불량개수
(16개의 패키지를 기준으로 함)		 0 0 0 14 0 0
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1~3은 비교예 1~3에 비하여 휨 특성, 경화도, 및 내땜납성 측면에서 모두 우수한 결과를 나타내었다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (13)

  1. 에폭시수지; 경화제; 경화촉진제; 및 무기 충전제를 포함하며,
    상기 에폭시수지는 나프탈렌계 에폭시수지를 포함하고,
    상기 경화제는 변성 트리페놀메탄계 경화제를 포함하며,
    상기 경화촉진제는 이미다졸계 경화촉진제를 포함하고,
    상기 변성 트리페놀메탄계 경화제는 하기 화학식 2의 구조를 갖는 변성 트리페놀메탄계 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:

    [화학식 2]
    Figure 112014116115217-pat00007

    (상기 화학식 2에서, n의 평균값은 0 초과 5 이하이고 m의 평균값은 1~5이며, ｎ＋ｍ의 평균값은 1 초과 10 이하임).
  2. 제1항에 있어서, 상기 나프탈렌계 에폭시수지는 하기 화학식 1로 표시되는 나프탈렌계 에폭시수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:

    [화학식 1]
    Figure 112011103634519-pat00005

    (상기 화학식 1에서, R은 탄소수 1~6의 알킬렌이며, n 및 m은 각각 0 또는 1이다).
  3. 제2항에 있어서, 상기 R이 CH2인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 화학식 2의 두 반복 단위의 순서는 랜덤하게 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지 3~20 중량%, 경화제 2~15 중량%, 경화촉진제 0.02~0.4 중량%, 및 무기 충전제 70~95 중량%를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나프탈렌계 에폭시수지는 전체 에폭시수지 중 40~100 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 변성 트리페놀메탄계 경화제는 전체 경화제 중 40~100 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 이미다졸계 경화촉진제는 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 이미다졸계 경화촉진제는 전체 경화촉진제 중 40~100 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 실란 커플링제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  12. 제11항에 있어서, 상기 실란 커플링제는 아미노실란 커플링제를 전체 실란 커플링제 중 30~100 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  13. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항의 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 밀봉 처리한 반도체 장치.




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