KR102112865B1 - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자 - Google Patents

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

에폭시 수지; 경화제; 무기 충전제; 경화 촉진제; 말단에 카르복실산기를 갖는 액상 실리콘 첨가제; 및 고상 실리콘 레진을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물이고, 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 상기 액상 실리콘 첨가제는 0.1 중량% 내지 2 중량%로 포함되고, 상기 고상 실리콘 레진은 0.5 중량% 내지 3 중량%로 포함되는 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용해 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR ENCAPSULATING SEMICONDUCTOR DEVICE AND SEMICONDUCTOR DEVICE ENCAPSULATED USING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 무기 충전제 비율이 높으면서도 유동성이 우수하고, 경화 수축률과 모듈러스가 낮은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.
IC(integrated circuit), LSI(large scale integration) 등의 반도체 소자를 밀봉하고 반도체 장치를 얻는 방법으로는 에폭시 수지 조성물의 트랜스퍼(transfer) 성형이 저비용, 대량 생산에 적합하다는 점에서 널리 사용되고 있다. 또 에폭시 수지나 경화제인 페놀 수지의 개량에 의하여 반도체 장치의 특성 및 신뢰성의 향상이 도모될 수 있다.
그러나 요즘의 전자 기기가 점차 소형화, 경량화, 고성능화되는 추세에 따라 반도체의 고집적화도 매년 가속화되고 있고 또 반도체 장치의 표면 실장화에 대한 요구도 늘어감에 따라 종래의 에폭시 수지 조성물로는 해결할 수 없는 문제들이 생기고 있다. 기판과 조성물 사이의 열팽창, 열 수축에 의한 패키지의 휨 현상으로 인한 문제와 고 탄성 경화물에 의한 칩 파손 및 불량 문제 개선을 위한 저수축, 저탄성 물성이 요구되고 있다.
유기 기판에서는 BT 수지나 폴리이미드 수지와 같이 높은 유리전이온도(Tg)의 수지가 넓게 이용되고 있으며 이들은 수지 조성물의 성형 온도인 170℃ 부근보다 높은 Tg를 가진다. 이 경우, 성형 온도로부터 실온까지의 냉각 과정에서는 유기 기판의 선팽창 계수가 α1의 영역만으로 수축한다. 따라서, 수지 조성물도 Tg가 높고, 또한 그 α1이 회로 기판과 같고, 또한 경화 수축이 제로이면 휨은 거의 제로가 된다고 생각된다.
또, 휨을 감소시키기 위해서 기판의 선팽창 계수와 수지 경화물의 선팽창 계수를 근접 시키는 방법이 알려져 있다. 용융 점도가 낮은 수지를 이용해 무기 충전제의 배합량을 높임으로써 α1을 기판에 근접시키거나 선팽창 계수를 낮출 수 있다고 알려진 나프탈렌 골격을 수지에 도입하는 방법도 제안되고 있다.
그러나 이러한 수지 조성물에서도 해결해야 할 문제들이 나타나고 있다. 무기 충전제의 비율이 많아지면 유동성 및 성형성이 저하되기 쉽고, 경화 수축을 감소시키기 위해 높은 Tg를 갖는 수지 조성물을 사용하게 되면 일반적으로 탄성률이 크게 증가하여 열이나 충격에 의한 외부 스트레스에 취약해지게 된다.
본 발명의 목적은 무기 충전제 비율이 높으면서도 유동성이 우수하고, 경화 수축률과 모듈러스가 낮은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 반도체 소자, 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지; 경화제; 무기 충전제; 경화 촉진제; 말단에 카르복실산기를 갖는 액상 실리콘 첨가제; 및 고상 실리콘 레진을 포함하고, 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 상기 액상 실리콘 첨가제는 0.1 중량% 내지 2 중량%로 포함되고, 상기 고상 실리콘 레진은 0.5 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자, 반도체 장치를 제공한다.
본 발명은 무기 충전제 비율이 높으면서도 유동성이 우수하고, 경화 수축률과 모듈러스가 낮은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하였다.
본 발명은 상기와 같은 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 반도체 소자를 제공하였다.
반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에서 무기 충전제의 배합량을 높이는 경우 일반적으로 유동성 및 성형성의 저하를 일으켜 칩의 파손을 일으키는 문제를 발생하며 모듈러스를 증가시켜 외부 충격에 의한 스트레스에 취약해지는 단점이 있다. 본 발명에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지; 경화제; 무기 충전제; 경화 촉진제; 말단에 카르복실산기를 갖는 액상 실리콘 첨가제; 및 고상 실리콘 레진을 포함하고, 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 상기 액상 실리콘 첨가제는 0.1 중량% 내지 2 중량%로 포함되고, 상기 고상 실리콘 레진은 0.5 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 유동성이 우수하고 모듈러스 및 경화 수축률이 낮아짐을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물 중 구성 성분에 대해 상세하게 설명한다.
에폭시 수지
에폭시 수지는 반도체 소자 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 에폭시 수지들이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 에폭시 수지는 분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 함유하는 에폭시 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들면, 에폭시 수지는 페놀 또는 알킬 페놀류와 히드록시벤즈알데히드와의 축합물을 에폭시화함으로써 얻어지는 에폭시 수지, 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지, 나프톨노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 글리시딜에테르, 비스히드록시비페닐계 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔계 에폭시 수지, 바이페닐형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 보다 구체적으로는, 에폭시 수지는 바이페닐형 에폭시 수지, 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는, 에폭시 수지는 바이페닐형 에폭시 수지, 페놀아랄킬형 에폭시 수지 중 하나 이상을 사용할 수 있다.
에폭시 수지는 경화성 측면을 고려할 때 에폭시 당량이 100g/eq 내지 500g/eq인 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 상기 범위에서, 경화도를 높일 수 있다.
에폭시 수지는 단독 혹은 병용하여 사용될 수 있으며, 에폭시 수지에 경화제, 경화 촉진제, 이형제, 커플링제, 및 응력 완화제 등의 기타 성분과 멜트 마스터 배치(melt master batch)와 같은 선반응을 시켜 만든 부가 화합물 형태로 사용할 수도 있다.
에폭시 수지는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.5 중량% 내지 20 중량%, 구체적으로는 3 중량% 내지 15 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 조성물의 경화성이 저하되지 않을 수 있다.
경화제
경화제는 반도체 소자 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 경화제들이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 경화제는 페놀성 경화제를 사용할 수 있고, 예를 들면 페놀성 경화제는 페놀아랄킬형 페놀 수지, 페놀노볼락형 페놀 수지, 다관능형 페놀 수지, 자일록(xylok)형 페놀 수지, 크레졸 노볼락형 페놀 수지, 나프톨형 페놀 수지, 테르펜형 페놀 수지, 디시클로펜타디엔계 페놀 수지, 비스페놀 A와 레졸로부터 합성된 노볼락형 페놀 수지, 트리스(하이드록시페닐)메탄, 디하이드록시바이페닐을 포함하는 다가 페놀 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 페놀성 경화제는 자일록형 페놀 수지를 사용할 수 있다.
경화제는 경화성 측면을 고려할 때 수산기 당량이 90g/eq 내지 250g/eq가 될 수 있다. 상기 범위에서, 경화도를 높일 수 있다.
경화제는 각각 단독 혹은 병용하여 사용될 수 있다. 또한, 상기 경화제에 에폭시 수지, 경화 촉진제, 이형제 및 응력 완화제 등의 기타 성분과 멜트 마스터 배치와 같은 선 반응을 시켜 만든 부가 화합물로도 사용할 수 있다.
경화제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 8 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 조성물의 경화성이 저하되지 않는 효과가 있을 수 있다.
에폭시 수지와 경화제와의 배합비는 패키지에서의 기계적 성질 및 내습 신뢰성의 요구에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 경화제에 대한 에폭시 수지의 화학 당량비가 0.95 내지 3일 수 있으며, 구체적으로 1 내지 2, 더욱 구체적으로 1 내지 1.75일 수 있다. 에폭시 수지와 경화제의 당량비가 상기의 범위를 만족할 경우, 에폭시 수지 조성물의 경화 후에 우수한 강도를 구현할 수 있다.
무기 충전제
무기 충전제는 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성 및 저응력화를 향상시키기 위한 것이다. 무기 충전제로는 반도체 밀봉재에 사용되는 일반적인 무기 충전제들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 무기 충전제로는 용융 실리카, 결정성 실리카, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 클레이(clay), 탈크(talc), 규산칼슘, 산화티탄, 산화안티몬, 유리 섬유 등이 사용될 수 있다. 이들은 단독 또는 혼합하여 사용될 수 있다.
바람직하게는 저응력화를 위해서 선팽창계수가 낮은 용융 실리카를 사용한다. 용융 실리카는 진비중이 2.3 이하인 비결정성 실리카를 의미하는 것으로 결정성 실리카를 용융하여 만들거나 다양한 원료로부터 합성한 비결정성 실리카도 포함된다.
무기 충전제의 형상 및 입경은 특별히 한정되지는 않으며 용도에 맞춰 그 최대 입경을 45㎛, 55㎛, 및 75㎛ 중 어느 하나로 조정해서 사용할 수가 있다.
무기 충전제의 사용량은 성형성, 저응력성, 및 고온 강도 등의 요구 물성에 따라 다르다. 구체예에서 무기 충전제는 에폭시 수지 조성물 중 87 중량% 내지 95 중량%, 예를 들면 88 중량% 내지 94 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 조성물의 유동성 및 신뢰성을 확보하는 효과가 있을 수 있다.
경화 촉진제
경화 촉진제는 에폭시 수지와 경화제의 반응을 촉진하는 물질이다. 상기 경화 촉진제로는 예를 들면, 3급 아민, 유기금속화합물, 유기인화합물, 이미다졸화합물, 및 붕소화합물 등이 사용 가능하다.
3급 아민에는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디에틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀과 트리-2-에틸헥실산염 등이 있다. 유기 금속화합물의 구체적인 예로는 크로뮴아세틸아세토네이트, 징크아세틸아세토네이트, 니켈아세틸아세토네이트 등이 있다. 유기인화합물에는 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄브로마이드, 테트라페닐포스포늄브로마이드, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논 부가물 등이 있다. 이미다졸화합물에는 2-페닐-4-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-아미노이미다졸, 2-메틸-1-비닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-헵타데실이미다졸 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 붕소화합물의 구체적인 예로는, 테트라페닐포스포늄-테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 테트라페닐보론염, 트리플루오로보란-n-헥실아민, 트리플루오로보란모노에틸아민, 테트라플루오로보란트리에틸아민, 테트라플루오로보란아민 등이 있다. 이외에도 1,5-디아자바이시클로[4.3.0]논-5-엔(1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene: DBN), 1,8-디아자바이시클로[5.4.0]운덱-7-엔(1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene: DBU) 및 페놀노볼락 수지염 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
경화 촉진제는 에폭시 수지 또는 경화제와 선반응하여 만든 부가물을 사용하는 것도 가능하다.
경화 촉진제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.01 중량% 내지 2 중량%, 구체적으로 0.02 중량% 내지 1.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기의 범위에서 에폭시 수지 조성물의 경화를 촉진하고, 경화도도 좋은 장점이 있을 수 있다.
액상 실리콘 첨가제
액상 실리콘 첨가제는 고상 실리콘 레진과 함께 병용 시 유동성이 우수하고 모듈러스가 낮으며 경화 수축률을 감소시킬 수 있다.
액상 실리콘 첨가제는 상온(20℃ 내지 30℃)에서 액상인 실리콘 첨가제를 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 액상 실리콘 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다:
<화학식 1>
Figure 112017110039017-pat00001
(상기 화학식 1에서,
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, 및 R8은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기이고,
W, X, Y 및 Z는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로 원자를 포함하는 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로 원자를 포함하는 C4 내지 C30의 방향족 탄화수소기, 수소, 에폭시기, 아미노기, 니트로기, 카르복실산기, 할로겐기, 또는 하이드록시기이고,
W, X, Y 및 Z 중 하나 이상은 카르복실산기, 카르복실산기로 치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기 또는 카르복실산기로 치환된 C6 내지 C30의 방향족 탄화수소기이고,
a, b, 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 30의 정수이고, a+b+c는 1 이상의 정수이다). 상기 "치환 또는 비치환된"에서 "치환"은 하나 이상의 수소 원자가 카르복실산기, C1 내지 C10의 알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, 히드록시기, 아미노기 등으로 치환된 것을 의미한다.
바람직하게는, 상기 화학식 1에서 W 및 Z는 각각 카르복실산기 또는 카르복실산기로 치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기일 수 있다. 바람직하게는, a+b+c는 1 내지 30의 정수일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 화학식 1에서 W, X, Y 및 Z는 하기 화학식 1a 내지 1c 중 하나 이상이 될 수 있다. 하기 화학식 1a 내지 1c의 '*'는 연결 부위를 나타낸다. 바람직하게는, 상기 화학식 1에서 W, X, Y 및 Z 중 적어도 하나 이상은 하기 화학식 1a가 될 수 있다.
<화학식 1a>
Figure 112017110039017-pat00002
(상기 화학식 1a에서 R9는 C1 내지 C10의 알킬렌기 또는 C6 내지 20의 아릴렌기이고, R10은 수소이다)
<화학식 1b>
Figure 112017110039017-pat00003
(상기 화학식 1b에서 R11 및 R12는 각각 독립적으로 C1 내지 C20의 알킬렌기 또는 C6 내지 20 아릴렌기이고, R13은 수소 또는 C1 내지 C30의 알킬기이고, d 및 e는 각각 0 내지 30이고, d+e는 3 이상 100 이하의 정수이다).
<화학식 1c>
Figure 112017110039017-pat00004
(상기 화학식 1c에서 R14, R15 및 R16은 각각 독립적으로 C1 내지 C20의 알킬렌기 또는 C6 내지 20 아릴렌기이고, f 및 g는 각각 0 내지 30이고, f+g는 3 이상 100 이하의 정수이다).
구체예로 상기 화학식 1에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, X, 및 Y는 모두 CH3 이고, W 및 Z는 각각 독립적으로 카르복실산기, 카르복실산기로 치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기 또는 카르복실산기로 치환된 C6 내지 C20의 방향족 탄화수소기일 수 있다.
액상 실리콘 첨가제는 카르복실산기 당량이 500 내지 3,000이 될 수 있다. 상기 범위에서, 저 모듈러스 효과가 있을 수 있다.
액상 실리콘 첨가제는 25℃에서 점도가 300mm2/s 이하일 수 있다. 상기 범위에서, 고 유동의 효과가 있을 수 있다.
액상 실리콘 첨가제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.1 중량% 내지 2 중량%, 구체적으로 0.2 중량% 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상기의 범위에서 유동성이 우수하고 모듈러스가 낮으며 경화 수축률이 감소할 수 있다.
조성물 중 액상 실리콘 첨가제: 고상 실리콘 레진은 1:1 내지 1:5, 바람직하게는 1:1 내지 1:4의 중량비로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 유동성이 우수하고 모듈러스가 낮으며 경화 수축률이 감소할 수 있다.
고상 실리콘 레진
고상 실리콘 레진은 액상 실리콘 첨가제와 함께 병용 시 유동성이 우수하고 모듈러스가 낮으며 경화 수축률을 감소시킬 수 있다.
고상 실리콘 레진은 상온(20℃ 내지 30℃)에서 고상인 실리콘 레진이다. 고상 실리콘 레진은 연화점이 60℃ 이상, 바람직하게는 60℃ 내지 200℃, 더 바람직하게는 60℃ 내지 150℃인 레진을 사용할 수 있다. 상기 범위에서, 높은 유동성 효과가 있을 수 있다. 고상 실리콘 레진은 분말 또는 플레이크(flake) 형상이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에서, 고상 실리콘 레진은 페닐기 또는 페닐기로 치환된 1가의 유기기를 갖는 폴리실록산 수지를 포함할 수 있다. 예를 들면, 고상 실리콘 레진은 하기 화학식 2로 표시되는 실리콘 레진을 포함할 수 있다:
<화학식 2>
(SiO4/2)a(RSiO3/2)b((R)2SiO2/2)c((R)3SiO1/2)d(HO1/2)e(R1O1/2)f
(상기 화학식 2에서, R은 각각 독립적으로, 페닐기, 페닐기로 치환된 1가의 유기기 또는 페닐기로 치환되지 않은 1가의 유기기이고,
R1는 C1 내지 10의 알킬기이며,
0≤a<1, 0≤b<1, 0<c<1, 0≤d<1, 0≤e<1, 0≤f<1, a+b+c+d+e+f=1).
페닐기로 치환된 1가의 유기기는 페닐기로 치환된, 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 지방족 고리식 탄화수소기, 헤테로 지방족 고리식 탄화수소기가 될 수 있다. 예를 들면, 페닐기로 치환된 1가의 유기기는 페닐기로 치환된, C1 내지 C20의 알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C3 내지 C20의 시클로알킬기 등이 될 수 있다. 페닐기로 치환되지 않은 1가의 유기기는 지방족 탄화수소기, 방향족 탄화수소기, 지방족 고리식 탄화수소기, 헤테로 지방족 고리식 탄화수소기가 될 수 있다. 예를 들면, 페닐기로 치환되지 않은 1가의 유기기는 C1 내지 C20의 알킬기, C6 내지 C20의 아릴기, C3 내지 C20의 시클로알킬기 등이 될 수 있다.
R1로서의 알킬기는 예를 들면 메틸기, 에틸기, 프로필기를 들 수 있다.
고상 실리콘 레진에서 1 분자 중에 포함되는 R의 합계량 중 30몰% 이상이 치환기를 가질 수 있는 페닐기일 수 있다. 바람직하게는 40몰% 내지 80몰%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 범위에서, 저 모듈러스 효과가 있을 수 있다.
바람직하게 a는 0 내지 0.3이다. b는 0 내지 0.5이다. c는 0.1 내지 0.8이다. d는 0 내지 0.1이다. e는 0 내지 0.2, 예를 들면 0.05 내지 0.2이다. f는 0 내지 0.2, 예를 들면 0.05 내지 0.2이다.
고상 실리콘 레진은 분자량(수 평균 분자량)이 1,000 내지 5,000인 것이 바람직하고 1,500 내지 4,000인 것이 더욱 바람직하다. 고상 실리콘 레진은 그 제조에 대해서 특히 제한되지 않는다. 예를 들면 화학식 2로 표시되는 고상 실리콘 레진을 구성할 수 있는 할로겐화 실란을 0℃ 내지 60℃에서 반응시킴으로써 제조할 수 있다.
고상 실리콘 레진은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.5 중량% 내지 3 중량%, 구체적으로 1 중량% 내지 2 중량%로 포함될 수 있다. 상기의 범위에서 유동성이 우수하고 모듈러스가 낮으며 경화 수축률이 감소할 수 있다.
조성물 중 액상 실리콘 첨가제와 고상 실리콘 레진의 총합은 조성물 중 0.6 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.8 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 유동성이 우수하고 모듈러스가 낮으며 경화 수축률이 감소할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 커플링제, 이형제, 착색제 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
커플링제
커플링제는 에폭시 수지와 무기 충전제 사이에서 반응하여 계면 강도를 향상시키기 위한 것으로, 예를 들면, 실란 커플링제일 수 있다. 상기 실란 커플링제는 에폭시 수지와 무기 충전제 사이에서 반응하여, 에폭시 수지와 무기 충전제의 계면 강도를 향상시키는 것이면 되고, 그 종류가 특별히 한정되지 않는다. 상기 실란 커플링제의 구체적인 예로는 에폭시 실란, 아미노 실란, 우레이도 실란, 머캅토 실란, 및 알킬 실란 등을 들 수 있다. 상기 커플링제는 단독으로 사용할 수 있으며 병용해서 사용할 수도 있다.
커플링제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.01 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서 에폭시 수지 조성물 경화물의 강도가 향상될 수 있다.
이형제
이형제로는 파라핀계 왁스, 에스테르계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 천연 지방산 및 천연 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
이형제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.1 중량% 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.
착색제
착색제는 반도체 소자 밀봉재의 레이저 마킹을 위한 것으로, 당해 기술 분야에 잘 알려져 있는 착색제들이 사용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 착색제는 카본 블랙, 티탄 블랙, 티탄 질화물, 인산수산화구리(dicopper hydroxide phosphate), 철산화물, 운모 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
착색제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 0.01 중량% 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
이외에도, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위에서 Tetrakis[methylene-3-(3,5-di-tertbutyl-4-hydroxyphenyl)propionate]methane 등의 산화 방지제; 수산화알루미늄 등의 난연제 등을 필요에 따라 추가로 함유할 수 있다.
에폭시 수지 조성물은 상기와 같은 성분들을 헨셀 믹서(Hensel mixer)나 뢰디게 믹서(Lodige mixer)를 이용하여 소정의 배합비로 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀(roll-mill)이나 니이더(kneader)로 용융 혼련한 후, 냉각, 분쇄 과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법으로 제조될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 반도체 소자, 특히 모바일 디스플레이 또는 자동차의 지문 인식 센서에 장착되는 반도체 소자에 유용하게 적용될 수 있다. 본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로써는 저압 트랜스퍼 성형법이 일반적으로 사용될 수 있다. 그러나, 인젝션(injection) 성형법이나 캐스팅(casting) 등의 방법으로도 성형이 가능하다.
본 발명에 따른 반도체 소자는 본 발명의 본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물로 밀봉될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 장치는 본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 반도체 소자를 포함할 수 있다.
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.
하기 실시예와 비교예에서 사용된 성분의 구체적인 사양은 다음과 같다.
(A) 에폭시 수지: 페놀아랄킬형 에폭시 수지, NC-3000(Nippon Kayaku社)
(B) 경화제: 자일록형 페놀 수지, HE100C-10(Air Water社)
(C) 경화 촉진제: 트리페닐포스핀, Hokko Chemical社
(D) 무기 충진제: 평균 입경(D50) 55㎛의 구상 용융 실리카
(E) 액상 실리콘 첨가제: BY16-750(Dow corning社)
(F) 고상 실리콘 레진: KR-480(Shinetsu社)
(G) 커플링제: 머캡토프로필트리메톡시실란인 KBM-803(Shinetsu社)
(H) 이형제: 카르나우바왁스
(I) 착색제: 카본블랙, MA-100R(미츠비시 화학社)
실시예 비교예
상기 각 성분들을 하기 표 1의 조성(단위: 중량%)에 따라 평량한 후 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였다. 이후 연속 니이더를 이용하여 90~110℃에서 용융 혼련한 후 냉각 및 분쇄하여 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7
(A) 5.6 5.0 3.1 5.8 5.0 5.0 6.2 5.0 4.3 5.0 4.0
(B) 3.4 3.0 1.9 3.6 3.0 3.0 3.8 3.0 2.7 3.0 2.4
(C) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
(D) 88 89 89 89 89 89 89 89 89 89 89
(E) 0.5 1 2 0.1 0 2 0 0.05 2.5 1.7 0.1
(F) 1.5 1 3 0.5 2 0 0 1.95 0.5 0.3 3.5
(G) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
(H) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
(I) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
상기와 같이 제조된 실시예 및 비교예의 에폭시 수지 조성물의 물성을 하기 물성 평가 방법에 따라 측정하였다. 측정 결과는 표 2에 나타내었다.
물성 평가 방법
(1) 유동성(단위: inch): EMMI-1-66에 준하여 평가용 금형을 사용하여 175℃, 70kgf/cm2에서 트랜스퍼 몰딩 프레스(transfer molding press)를 이용하여 유동 길이를 측정하였다. 측정값이 높을수록 유동성이 우수하다.
(2) 경화 수축율(%): 굴곡 강도 시편 제작용 ASTM 금형을 사용하여 175℃, 70kgf/cm2에서 트랜스퍼 몰딩 프레스(transfer molding press)를 이용하여 성형 시편(125mm × 12.6mm × 6.4mm)을 얻었다. 얻은 시편을 170℃~180℃의 오븐에 넣어 4시간 동안 후경화(PMC: post molding cure)시킨 다음 냉각한 후 시험편의 길이를 캘리퍼스로 측정하였다. 경화 수축율은 다음과 같은 식 1로부터 계산하였다.
<식 1>
경화 수축율(%) = (175℃에서의 금형 길이 - 시험편의 길이) ÷ (175℃에서의 금형 길이) × 100
(3) Tg(유리전이온도(℃)): 열기계 분석기(Thermomechanical Analyzer, TMA)를 이용하여 측정하였다. 이때 TMA는 25℃에서 분당 10℃씩 온도를 상승시켜 300℃까지 측정하는 조건으로 설정하였다.
(4) 모듈러스 @25℃(GPa): 에폭시 수지 조성물에 대하여 트랜스퍼 성형기를 사용하여 금형 온도 175℃±5℃, 주입 압력 1,000psi±200psi, 경화시간 120초 조건에서 경화시켜 시편(20mm × 13mm × 1.6mm)을 성형하였다. 상기 시편을 175℃±5℃ 열풍 건조기에서 2시간 동안 후 경화시킨 후 동적점탄성분석기(Dynamic Mechanical Analyzer, DMA)로 Q8000(TA사)를 이용하여 모듈러스를 측정하였다. 모듈러스 측정 시, 승온 속도는 5℃/분으로, -10℃에서 300℃까지 승온시켰으며, 25℃에서의 값을 모듈러스로 구하였다.
(5) 모듈러스 @260℃(MPa): 에폭시 수지 조성물에 대하여 트랜스퍼 성형기를 사용하여 금형 온도 175℃±5℃, 주입 압력 1,000psi±200psi, 경화시간 120초 조건에서 경화시켜 시편(20mm × 13mm × 1.6mm)을 성형하였다. 상기 시편을 175℃±5℃ 열풍 건조기에서 2시간 동안 후경화시킨 후 동적점탄성분석기(Dynamic Mechanical Analyzer, DMA)로 Q8000(TA사)를 이용하여 모듈러스를 측정하였다. 모듈러스 측정 시, 승온 속도는 5℃/분으로, -10℃에서 300℃까지 승온시켰으며, 260℃에서의 값을 모듈러스로 구하였다.
실시예 비교예
1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7
유동성 57 63 54 55 32 59 46 49 51 48 29
경화
수축률
0.05 0.06 0.08 0.04 0.21 0.22 0.24 0.21 0.19 0.15 0.18
Tg 161 160 159 160 160 159 160 161 160 159 160
모듈러스
@25℃
14.6 14 14.1 15 17.4 15.3 17.6 17.4 16.4 17.3 15.5
모듈러스
@260℃
1043 982 1032 1007 1297 1177 1127 1128 1089 1103 1051
상기 표 2에서와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 유동성이 우수하고, 경화 수축률과 모듈러스가 낮았다.
반면에, 액상 실리콘 첨가제와 고상 실리콘 레진 중 하나 이상을 포함하지 않는 비교예 1 내지 비교예 3은 경화수축률이 높거나 유동성이 낮았으며 높은 모듈러스를 나타내었다.
또한, 액상 실리콘 첨가제와 고상 실리콘 레진을 포함하더라도 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 4 내지 비교예 7은 유동성이 낮거나 모듈러스가 높은 문제점이 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (10)

  1. 에폭시 수지; 경화제; 무기 충전제; 경화 촉진제; 말단에 카르복실산기를 갖는 액상 실리콘 첨가제; 및 고상 실리콘 레진을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물이고,
    상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 상기 에폭시 수지 0.5 중량% 내지 20 중량%, 상기 경화제 0.1 중량% 내지 10 중량%, 상기 무기 충전제 87 중량% 내지 95 중량%, 상기 경화 촉진제 0.01 중량% 내지 2 중량%, 상기 액상 실리콘 첨가제 0.1 중량% 내지 2 중량%, 상기 고상 실리콘 레진 0.5 중량% 내지 3 중량%를 포함하고,
    상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 중 상기 액상 실리콘 첨가제: 상기 고상 실리콘 레진의 중량비는 1:1 내지 1:5인 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 조성물 중 상기 액상 실리콘 첨가제와 고상 실리콘 레진의 총합은 0.6 중량% 내지 5 중량%로 포함되는 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액상 실리콘 첨가제는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    <화학식 1>
    Figure 112017110039017-pat00005

    (상기 화학식 1에서,
    R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, 및 R8은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10의 알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C20의 아릴기이고,
    W, X, Y 및 Z는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로 원자를 포함하는 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기, 치환 또는 비치환된 헤테로 원자를 포함하는 C4 내지 C30의 방향족 탄화수소기, 수소, 에폭시기, 아미노기, 니트로기, 카르복실산기, 할로겐기, 또는 하이드록시기이고,
    W, X, Y 및 Z 중 하나 이상은 카르복실산기, 카르복실산기로 치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기 또는 카르복실산기로 치환된 C6 내지 C30의 방향족 탄화수소기이고,
    a, b, 및 c는 각각 독립적으로 0 내지 30의 정수이고, a+b+c는 1 이상의 정수이다).
  5. 제4항에 있어서, 상기 화학식 1에서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, X, 및 Y는 모두 CH3이고, W 및 Z는 각각 독립적으로 카르복실산기, 카르복실산기로 치환된 C1 내지 C20의 지방족 탄화수소기 또는 카르복실산기로 치환된 C6 내지 C20의 방향족 탄화수소기인 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고상 실리콘 레진은 페닐기 또는 페닐기로 치환된 1가의 유기기를 갖는 폴리실록산 수지를 포함하는 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 커플링제, 이형제, 착색제 중 하나 이상을 더 포함하는 것인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  10. 제1항, 제3항 내지 제6항, 제9항 중 어느 한 항의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자.
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