KR101927632B1 - 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치 - Google Patents

에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치에 관한 것으로, 에폭시 수지, 경화제, 충전제를 포함하고, 상기 충전제는 제1 실리카, 제2 실리카 및 제3 실리카를 포함하며, 상기 제1 실리카, 제2 실리카 및 제3 실리카는 평균 입경이 서로 상이하고, 상기 제1 내지 제3 실리카 중 적어도 어느 하나는 표면에 유기 실리콘이 처리된 것인 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치를 제공한다.

Description

에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치{EPOXY RESIN COMPOSITION AND SEMICONDUCTOR DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다.
최근 모바일향 제품이 급격하게 증가하면서, 여기에 사용되는 반도체 패키지가 다기능화, 고성능화, 박형화되고 있다. 이러한 반도체 패키지의 다기능화를 위해 칩을 여러 개 적층하는 멀티칩 패키지 형태 또는 고성능화, 박형화를 위해 플립칩 패키지 형태가 신규로 개발되거나 생산량이 증가하고 있다. 그러나, 칩을 적층하거나 패키지 두께가 박형화되면서 수지 조성물이 차지하는 부분의 두께가 백여 미크론 이하로 얇아져 에폭시 수지 조성물이 밀봉해야만 하는 공간이 점점 좁아지고 있다.
반도체 소자와 배선기판 간의 좁은 간격을 충분히 밀봉하기 위해서는 무기충전제의 입경이 작아야 하지만, 입경이 너무 작으면 유동성이 좋지 않게 되고 이로 인해 보이드(void)가 발생할 수 있으며 최종 밀봉 후 에어 벤트(air vent)로 에폭시 수지 조성물이 새어나오는 블리드(bleed) 현상이 발생하여 반도체 장치의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 또한 무기충전제의 입경이 너무 크면 에폭시 수지 조성물의 유동성이 너무 커서 갭 사이를 충분히 채울 수 없어 반도체 장치의 신뢰성이 떨어질 수 있다. 따라서, 흐름성 및 블리드 특성이 우수한 에폭시 수지 조성에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 흐름성이 우수하면서 동시에 블리드(bleed) 현상을 억제할 수 있는 에폭시 수지 조성물 및 이를 포함하는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 에폭시 수지, 경화제 및 충전제를 포함하고, 상기 충전제는 제1 실리카, 제2 실리카 및 제3 실리카를 포함하며, 상기 제1 실리카, 제2 실리카 및 제3 실리카는 평균 입경이 서로 상이하고, 상기 제1 내지 제3 실리카 중 적어도 어느 하나는 표면에 유기 실리콘이 처리된 것인 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 상기 에폭시 수지 조성물을 포함하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 흐름성이 우수하면서 블리드 현상의 발생이 억제되는 장점이 있으므로, 반도체 소자와 배선기판 간의 좁은 간격을 밀봉하기 용이할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 에폭시 수지 조성물
본 발명의 일 측면은 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
상기 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제 및 충전제를 포함한다.
상기 에폭시 수지는 반도체 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 에폭시 수지라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예컨대 비스페놀 A형, 다관능형, 나프탈렌형, 디시클로펜타디엔형, 페놀아랄킬형, 지환형, 크레졸 노볼락형, 바이페닐형, 복소환계 및 할로겐화 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 에폭시 수지의 함량은 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 4 내지 10 중량부를 사용할 수 있다. 상기 함량이 4 중량부 미만이면 경화물의 기계적 강도가 불량하며, 10 중량부를 초과하면 경화물의 수분 흡수량이 증가하여 실장 시 신뢰성이 불량해질 수 있다.
상기 경화제는 상기 에폭시 수지 성분과 반응하고 조성물의 경화를 진행시키는 성분으로, 예컨대 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 아랄킬 수지, 비스페놀 A 노볼락수지, 노닐 페놀수지, t-부틸 페놀 노볼락수지 및 다관능 페놀 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 경화제의 함량은 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 3 내지 6 중량부를 사용할 수 있다. 상기 함량이 3 중량부 미만이면 경화성 및 성형성에 문제가 생길 수 있고, 6 중량부를 초과하면 흡습량 증가로 신뢰성이 저하되고, 상대적으로 강도가 낮아질 수 있다.
이때, 상기 경화제인 페놀 수지는 에폭시 수지의 에폭시 1 당량에 대하여 페놀 수지의 OH 당량이 100 내지 110이며, 내습성, 내열성, 부착성 및 기계적 물성을 감안할 때 100 내지 110의 범위가 바람직하다. 상기 에폭시 수지와 페놀 수지의 당량비가 상기 범위를 벗어날 경우는 에폭시 수지 조성물의 경화도가 느려져 경도가 저하되고 금형 이형에 문제가 발생할 수 있다.
상기 충전제는 에폭시 수지 조성물의 강도와 흐름성을 비롯하여 블리드 현상의 발생 및 흡습성을 조절하기 위한 성분으로, 상기 충전제는 평균 입경이 서로 상이한 3 종류의 실리카, 즉 제1 실리카, 제2 실리카 및 제3 실리카를 포함한다.
상기 제1 실리카는 평균 입경이 1-7㎛이고, 보다 바람직하게는 3-5㎛일 수 있다. 상기 제2 실리카는 평균 입경이 0.2-1.0㎛이고, 보다 바람직하게는 0.4-0.8 ㎛일 수 있다. 그리고 상기 제3 실리카는 평균 입경이 1-200nm, 보다 바람직하게는 10-100nm 일 수 있다. 상기 제1, 2, 3 실리카 중 어느 하나라도 평균 입경이 상기 수치 범위를 벗어나면 흐름성 저하 및 블리드가 증가할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 실리카의 함량은, 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 제1 실리카 70 내지 80 중량부, 제2 실리카 5 내지 15 중량부 및 제3 실리카 0.1 내지 5 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 만약 상기 제1, 2, 3 실리카 중 어느 하나라도 함량이 상기 수치 범위를 벗어나면 흐름성 저하 및 블리드가 증가할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 실리카 중의 적어도 하나는 표면에 유기 실리콘이 처리된 것일 수 있으며, 특히 상기 제2 실리카의 표면에 유기 실리콘이 처리된 것이 바람직하다. 상기 제2 실리카의 표면에 유기 실리콘이 처리됨으로써 에폭시 수지 조성물의 분산성이 향상되어 겔 함량을 감소시킬 수 있다.
상기 유기 실리콘은 Epoxy, Methacryl, Phenyl vinyl, Phenyl amino 계 실란인 것이 바람직하며, 구체적으로는 2-(3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-Methacryloxypropyl methyldimethoxysilane, N-phenyl-3 aminopropyltrimethoxysilane, Vinyltrimethoxysilane, γ-glycidylpropyl trimethoxysilane, γ-glycidylpropyl triethoxysilane 및 γ-glycidylpropyl methyl diethoxysilane 중에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 상기 제1 내지 제3 실리카 중 적어도 하나가 상기와 같은 유기 실리콘으로 표면처리될 수 있다. 상기 유기 실리콘은 실리카 표면의 활성화된 OH기와 결합하여 실리카 표면의 OH기를 비활성화 상태로 만들어주며 실리카 입자간의 뭉침 현상을 방지시킬 수 있다. 이로 인해 에폭시 수지 조성물 제조 시, 분산성을 증대시키는 효과도 나타낼 수 있다.
이와 같이 평균 입경이 서로 상이한 제1 내지 제3 실리카 중 적어도 하나의 표면에 유기 실리콘이 처리되어 있는 상기 충전제는 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 80 내지 90 중량부의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 함량이 80 중량부 미만이면 에폭시 수지 조성물의 흡습이 높아져 실장시 신뢰성 저하가 발생되고, 90 중량부를 초과하면 에폭시 수지 조성물의 흐름성이 불량하게 된다.
이때, 상기 유기 실리콘의 함량은 상기 충전제 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1 중량부 포함될 수 있다. 상기 유기 실리콘의 함량이 0.1 중량부 미만이면 에폭시 수지 조성물의 겔 함량(Gel content)이 증가할 수 있고, 상기 유기 실리콘의 함량이 1 중량부를 초과하면 에폭시 수지 조성물의 흐름성이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 일반적으로 사용되는 하기 첨가제를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제는 경화촉진제, 커플링제, 착색제, 이형제 또는 저응력화제 등을 비롯하여, 당업계에서 일반적으로 이용되는 다양한 추가적인 성분일 수 있다.
상기 경화 촉진제는 에폭시 수지와 경화제의 경화반응을 촉진하는 성분으로, 아민계 화합물 및 유기 포스핀 화합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
예컨대, 상기 아민계 화합물은 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디에틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀과 트리-2-에틸헥실 에시드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
예컨대, 상기 포스핀 화합물은 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄브로마이드, 부틸트리페닐포스포늄브로마이드, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 커플링제는 에폭시 수지 등의 수지와 충전제 계면의 젖음성을 향상시킴으로써, 기재에 대한 에폭시 수지 및 충전제를 균일하게 정착시켜 내열성, 특히 흡숩 후의 납땜 내열성을 향상시키는 성분으로, 에폭시 실란 커플링제, 양이온성 커플링제, 아미노실란 커플링제, 티타네이트계 커플링제, 실리콘 오일형 커플링제로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 착색제로는 카본블랙, 유기염료, 무기 염료 등의 통상의 착색제 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 이형제로는 장쇄지방산, 장쇄 지방산의 금속염, 파라핀 왁스, 카르나우바 왁스 등의 통상의 이형제 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 저응력화제로는 변성 실리콘 수지, 변성 폴리부타디엔 등의 통상의 저응력화제 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
각각의 첨가제는 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로, 0.1 내지 5중량부 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 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℃ 내지 130℃의 온도에서 용융 혼합하고, 상온으로 냉각시킨 다음, 분말상태로 분쇄한 후, 블렌딩하는 일반적인 과정을 거쳐 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 수득할 수 있다.
2. 반도체 장치
본 발명의 다른 측면은 상기 에폭시 수지 조성물을 포함하는 반도체 장치를 제공한다.
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. 상기 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 장치를 봉지, 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰드, 인젝션 몰드 등의 성형방법으로 반도체 소자를 봉지하여 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되지 아니한다.
[ 실시예 및 비교예 ]
하기 표 1의 구성 물질을 미세하게 분쇄하여 파우더를 만든 후 하기 소정의 배합량을 균일하게 혼합한 뒤 가열된 압출기를 이용하여 혼련을 하고 냉각시킨 후 재분쇄를 하여 조성물을 제조하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
에폭시 수지 (A) 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8
경화제 (B) 5.1 5.1 5.1 5.1 5.1 5.1
충전제 (C1) - - - 83.5 - -
(C2) 73.5 73.5 73.5 - 83.5 73.5
(D1) - - - - - 10
(D2) 9.5 9.0 8.5 - - -
(E1) 0.5 1 1.5 - - -
커플링제 (F) 0.5 0.5 0.5 0.4 0.5 0.5
이형제 (G) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
착색제 (H) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
경화촉진제 (I) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
저응력화제 (J) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
구분 비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7 비교예 8 비교예 9
에폭시 수지 (A) 7.8 9.8 7.8 9.8 9.8 9.8
경화제 (B) 4.1 5.1 4.1 5.1 5.1 5.1
충전제 (C1) - - - - - -
(C2) 81 69 70 79.1 73.5 73.5
(D1) - - - - - -
(D2) 5 13 16 4 4 9.95
(E1) 0.5 1.5 0.5 0.5 6 0.05
커플링제 (F) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
이형제 (G) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
착색제 (H) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
경화촉진제 (I) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
저응력화제 (J) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
(A) 에폭시 수지: 바이페닐형 에폭시 수지 (YX-4000, Nippon Kayaku)
(B) 경화제: 페놀 노볼락 수지 (MEH-7500-3S, Meiwa)
(C), (D), (E) 충전제(SiO2): 하기 표 3 참조, 하기 표면처리는 에폭시계 실란으로 이루어진 물질
구분 C1 C2 D1 D2 E1
평균 입경(㎛) 3.3 4.8 0.2 0.6 0.012
비표면적 (m2/g) 4.5 3.9 25 5.5 220
표면처리 여부 O O X O X
(F) 커플링제: Silane, trimethoxy[3-(oxiranylmethoxy)propyl]
(G) 이형제: Polyethylene wax
(H) 착색제: 카본블랙 (MA-600, 미쯔비시 화학社)
(I) 경화 촉진제: Tri phenyl phosphine
(J) 저응력화제: 실리콘 플레이크 레진 (FCA-107, DOW-CORNING)
[ 실험예 ]
상기 실시예 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물을 다음의 방법에 의해 각각 평가하였으며, 평가 결과를 하기 표 4 및 표 5에 나타내었다.
스파이럴 플로우 (spiral flow)
에폭시 수지 조성물을 EMME-I-66 규격을 만족하는 스파이럴 플로우 몰드에서 ASTM D3123-72의 방법으로 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 제조물의 흐름성을 측정하였다.
블리드 (Bleed)
에폭시 수지 조성물을 블리드 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 제조물의 블리드 특성을 측정하였다. 몰드에는 0.005, 0.0125, 0.025, 0.03 mm의 두께의 틈이 있으며, 경화가 진행되면서 틈을 빠져 나오는 수지 또는 경화물의 길이를 측정하였다. Flip chip 패키지에 몰딩을 해본 결과, 0.005mm의 두께에서 2mm 이상의 블리드가 발생한 경우, 성형성 불량이 발생함을 확인하였다
겔 함량 검사 (gel content)
에폭시 수지 조성물을 acetone에 녹인 후, 200 mesh 체거름망에 통과시킨 뒤 체거름 망 위에 남은 잔존물의 무게를 측정하여, 겔 함량 특성을 측정하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
S/F inch 90 89 87 69.0 91 92
Bleed
(mm)		 0.005 1 1 0.5 7.5 9 1.5
0.0125 57 56 53 61 55 54
0.025 76 75 72 74 76 78
0.03 94 96 97 150 93 92
Gel content
(ppm)		 200 mesh 1 1 1 1 1 25
구분 비교예4 비교예5 비교예6 비교예7 비교예8 비교예9
S/F inch 85 60 64 82 68 87
Bleed
(mm)		 0.005 2 3 4 3 1 4
0.0125 45 40 55 54 40 62
0.025 75 56 76 80 68 81
0.03 81 120 110 120 109 160
Gel content
(ppm)		 200 mesh 2 3 2 2 2 3
상기 표 4를 참고하면, 실시예 1 내지 3 의 경우, 표면 처리된 세립 실리카(D2)와 초미립 실리카(E1)을 혼용함에 따라 우수한 흐름성 및 분산성을 확보할 수 있었으며, 동시에 블리드 또한 억제됨을 확인하였다.
한편, 비교예 2의 경우, 비교예 1에 대비하여 실리카 필러의 평균 입경이 증가됨에 따라 흐름성 개선이 가능하였으나, 블리드 특성이 증가하는 현상을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 3은 비표면적이 큰 실리카 필러를 사용하여 블리드가 억제되지만, 분산성이 감소하여 겔 함량이 크게 증가함을 알 수 있으며, 이 외에 비교예에서도 알 수 있듯 제1 실리카 70 내지 80 중량부, 제2 실리카 5 내지 15 중량부 및 제3 실리카 0.1 내지 5 중량부의 함량을 벗어난 배합에선 흐름성, 분산성 및 블리드 억제력을 동시에 확보하는 것이 어려운 것을 확인하였다.

Claims (10)

  1. 에폭시 수지, 경화제 및 충전제를 포함하고,
    상기 충전제는, 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로, 제1 실리카 70 내지 80 중량부, 제2 실리카 8.5 내지 9.5 중량부 및 제3 실리카 0.1 내지 5 중량부를 포함하며,
    상기 제1 실리카, 제2 실리카 및 제3 실리카는 평균 입경이 서로 상이하고,
    상기 제1 실리카 및 제2 실리카는 표면에 유기 실리콘이 처리된 것이며,
    상기 제3 실리카는 표면에 유기 실리콘이 처리되지 않은 것인 에폭시 수지 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제는 평균 입경이 1-7㎛인 제1 실리카, 평균 입경이 0.2-1㎛인 제2 실리카 및 평균 입경이 1-200nm인 제3 실리카를 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제는 평균 입경이 3-5㎛인 제1 실리카, 평균 입경이 0.4-0.8㎛인 제2 실리카 및 평균 입경이 10-100nm인 제3 실리카를 포함하는 에폭시 수지 조성물.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제는 에폭시 수지 조성물 100 중량부를 기준으로 80 내지 90 중량부의 함량으로 포함되는 것인 에폭시 수지 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 충전제 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 1 중량부의 유기 실리콘이 표면 처리된 실리카를 포함한 에폭시 수지 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 실리콘은 Epoxy, Methacryl, Phenyl vinyl, Phenyl amino 계 실란 중 선택된 1종 이상인 것인 에폭시 수지 조성물.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 유기 실리콘은 2-(3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-Methacryloxypropyl methyldimethoxysilane, N-phenyl-3 aminopropyltrimethoxysilane, Vinyltrimethoxysilane, γ-glycidylpropyl trimethoxysilane, γ-glycidylpropyl triethoxysilane 및 γ-glycidylpropyl methyl diethoxysilane 중에서 선택된 1종 이상인 것인 에폭시 수지 조성물.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물은 경화촉진제, 커플링제, 착색제, 이형제 및 저응력화제 중에서 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것인 에폭시 수지 조성물.
  10. 청구항 1 내지 3 및 5 내지 9 중 어느 한 항에 따른 에폭시 수지 조성물을 포함하는 반도체 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH10176100A (ja) * 1996-12-19 1998-06-30 Shin Etsu Chem Co Ltd エポキシ樹脂組成物
JP2004352783A (ja) * 2003-05-27 2004-12-16 Matsushita Electric Works Ltd 封止用樹脂組成物

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