KR102228914B1

KR102228914B1 - 에폭시 수지 조성물

Info

Publication number: KR102228914B1
Application number: KR1020190089017A
Authority: KR
Inventors: 임해준; 심명택
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-03-17
Also published as: JP2022544008A; WO2021015446A1; JP7268241B2; KR20210011749A; CN114096610A

Abstract

본 발명은 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 소자에 관한 것이다.

Description

에폭시 수지 조성물{Epoxy resin composition}

인버터 파워모듈 패키지는 PCB(Printed circuit board)에 각각 실장되던 IC(Integrated Circuit), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 및 다이오드(Diode)와 같은 소자들을 하나의 패키지 형태로 시스템화하여 전류 손실 효율을 향상시킨 것을 말한다. 파워모듈 패키지의 집적화를 통한 효율 개선, 전력 상승 및 가격 경쟁력 확보를 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있으며, 이와 함께 패키지 설계 시 절연 관련 규격을 만족하기 위해 반도체 봉지용 조성물로 사용되는 에폭시 수지 조성물의 내트래킹성(Tracking resistance) 향상이 요구되고 있다.

일례로, 일본 공개특허 2008-143950 A는 내트래킹성을 향상시키기 위해 금속 수산화물을 포함하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 개시하고 있다. 그러나 상기 선행문헌에 개시된 에폭시 수지 조성물은 반도체 장치에 요구되는 최근 내트래킹성 규격을 만족시키지 못하고 있는 실정이다.

이 외에, 내트래킹성을 향상시키기 위해 충진제의 함량을 높이거나 고가의 에폭시 수지를 적용하는 시도가 있었으나, 위와 같은 경우 가격 경쟁력 및 성형 작업성을 확보하는데 어려움이 있었다. 이에 인버터 파워모듈 패키지에서의 내트래킹성 특성을 향상시키면서 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 에폭시 수지 조성물에 대한 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 내트래킹성이 우수한 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 소자를 제공한다.

본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 충진제, 경화 촉진제 및 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 세륨 옥사이드 및 비극성 폴리에틸렌 왁스를 포함하는 에폭시 수지 조성물을 제공한다.

본 발명의 에폭시 수지 조성물은 우수한 내트래킹성을 나타낸다. 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물을 적용하여 봉지된 반도체 소자는 높은 신뢰성을 확보할 수 있으며, 특히 인버터 파워모듈 패키지에 적용 시에도 내트래킹 특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 하기 내용에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 구성요소가 다양하게 변형되거나 선택적으로 혼용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

<에폭시 수지 조성물>

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 경화제, 충진제, 경화 촉진제 및 첨가제를 포함하고, 상기 첨가제는 세륨 옥사이드 및 비극성 폴리에틸렌 왁스를 포함한다. 이하 본 발명의 에폭시 수지 조성물의 조성을 살펴보면 다음과 같다.

에폭시 수지

본 발명에서 에폭시 수지는 주 수지로서 사용되고, 경화제와 반응하여 경화된 후 삼차원 망상 구조를 가짐으로써 피착체에 강하고 견고하게 접착하는 성질과 내열성을 부여한다.

상기 에폭시 수지로는 반도체 봉지재에 통상적으로 사용되는 에폭시 수지를 제한 없이 사용할 수 있다. 사용 가능한 에폭시 수지의 비제한적인 예로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 지환형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 안트라센 에폭시 수지, 테트라메틸 비페닐형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 A 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 S 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 페놀 공축 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 크레졸 공축 노볼락형 에폭시 수지, 방향족 탄화수소 포름알데히드 수지 변형 페놀 수지형 에폭시 수지, 트리페닐 메탄형 에폭시 수지, 테트라페닐 에탄형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔 페놀 부가반응형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 페놀 아랄킬형 에폭시 수지, 다관능성 페놀 수지, 나프톨 아랄킬형 에폭시 수지 등이 있고, 이들 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

일례로, 상기 에폭시 수지는 분자 구조 내에 2개 이상의 에폭시기를 포함하는 것일 수 있으며, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 지환형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지 및 비페닐형 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 에폭시 수지의 분자 구조 내의 에폭시기의 수가 전술한 범위를 만족하는 경우 에폭시 수지 및 경화제 간의 경화성이 향상될 수 있으며, 내열성을 개선시킬 수 있다.

상기 에폭시 수지는 에폭시 당량(EEW)이 150 내지 300 g/eq이고, 점도(150 ℃ 기준)가 0.01 내지 5 poise이고, 연화점이 50 내지 130 ℃일 수 있다. 이러한 에폭시 수지는 상대적으로 낮은 점도 특성을 가지므로, 고함량의 충진제가 포함되더라도 흐름성을 확보할 수 있으며, 혼련이 용이하다.

상기 에폭시 수지의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 2 내지 20 중량%, 예를 들어 6 내지 10 중량%일 수 있다. 에폭시 수지의 함량이 2 중량% 미만인 경우 접착성, 흐름성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 20 중량%를 초과하는 경우 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고, 충진제 함량의 상대적 감소로 인해 강도가 저하될 수 있다.

경화제

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 경화제를 포함한다. 경화제는 상기 에폭시 수지와 반응하여 조성물의 경화를 진행시키는 역할을 한다.

상기 경화제로는 에폭시 수지와 경화 반응을 하는 당 분야에 공지된 통상적인 경화제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로 상기 경화제는 분자 구조 내에 2개 이상의 페놀성 수산기를 갖는 페놀계 화합물일 수 있다. 일례로 상기 경화제는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 아랄킬 수지 및 다관능 페놀 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.

상기 경화제의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%, 예를 들어 2 내지 7 중량%일 수 있다. 경화제의 함량이 1 중량% 미만인 경우 경화성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 20 중량%를 초과하는 경우 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고 강도가 저하될 수 있다.

상기 에폭시 수지 및 경화제의 배합비는 특별히 한정되지 않으나, 에폭시 수지의 에폭시기 및 경화제의 페놀성 수산기의 당량비가 1 : 0.3 내지 2, 예를 들어 1 : 0.6 내지 1.3으로 배합되는 것일 수 있다. 에폭시기 1 당량에 대한 페놀성 수산기의 당량비가 0.3 미만인 경우 에폭시 수지 조성물의 경화 속도가 저하될 수 있으며, 2를 초과하는 경우 최종 경화 후의 경화물의 강도가 저하될 수 있다. 또한 상기 범위를 벗어나는 경우 미반응된 에폭시기 또는 페놀성 수산기로 인해 고온에서 에폭시 수지 조성물의 열분해 현상이 발생할 수 있다.

충진제

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 충진제를 포함한다. 상기 충진제는 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성(예컨대, 강도)을 향상시키고, 흡습량을 낮추는 역할을 한다.

상기 충진제로는 예를 들어 실리카, 실리카 나이트라이드, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드 등의 무기 충진제를 단독 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.

상기 충진제의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 각상 및 구상 형태의 충진제를 모두 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 충진제의 비제한적인 예로는 천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 등이 있으며, 예를 들어 구상 실리카 입자를 사용할 수 있다. 상기 충진제의 입경은 250 ㎛ 이하일 수 있으며, 충진제의 입경이 전술한 범위를 만족하는 경우 금형에서의 충진성을 향상시킬 수 있다.

상기 충진제의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 70 내지 91 중량%, 예를 들어 75 내지 89 중량%일 수 있다. 충진제의 함량이 70 중량% 미만인 경우 경화물의 흡습량이 증가하여, 반도체 장치의 신뢰성을 저하시킬 수 있으며, 91 중량%를 초과하는 경우 유동성이 저하되어 성형성이 불량해질 수 있다.

경화 촉진제

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 경화 촉진제를 포함한다. 경화 촉진제는 경화반응 촉진과 더불어 고온 신뢰성 및 연속 작업성의 주기를 향상시키는 역할을 한다.

본 발명에서 사용되는 경화 촉진제는 상기 경화제의 경화 반응을 촉진하는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 일례로 아민계 화합물 및 인계 화합물을 사용할 수 있다. 아민계 화합물로는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디에틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀, 트리-2-에틸헥실 애씨드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 인계 화합물로는 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄 브로마이드, 부틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀 트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.

상기 경화 촉진제의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 0.05 내지 5 중량%, 예를 들어 0.1 내지 3 중량%일 수 있다. 경화 촉진제의 함량이 0.05 중량% 미만인 경우 겔화 시간(gelation time)의 증가로 작업성이 저하될 수 있으며, 5 중량%를 초과하는 경우 겔화 시간이 과도하게 단축되어 성형성이 저하될 수 있다.

첨가제

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 첨가제로 세륨 옥사이드(CeO₂) 및 비극성 폴리에틸렌 왁스를 포함한다.

세륨 옥사이드는 내열안정성이 높은 물질로서, 에폭시 수지의 체적 저항값을 상승시켜 내트래킹성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 이를 적용한 에폭시 수지 조성물을 사용한 경우, 반도체 소자의 전기 신뢰도가 개선된다. 상기 세륨 옥사이드의 평균 입자 크기는 특별히 한정되지 않으나, 2.0 ㎛ 이하, 예를 들어, 0.1 내지 2.0 ㎛일 수 있다. 세륨 옥사이드의 평균 입자 크기가 전술한 범위를 벗어나는 경우 분산성이 감소하여 내트래킹 특성이 저하될 수 있다.

상기 세륨 옥사이드의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 5 중량%일 수 있다. 세륨 옥사이드의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 내트래킹성 향상 효과가 미약할 수 있으며, 5 중량%를 초과하는 경우 흡습률이 증가하여 반도체 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다.

비극성 폴리에틸렌 왁스는 극성을 띠지 않아 표면 절연성이 높아, 우수한 내트래킹 성능을 나타낸다.

상기 비극성 폴리에틸렌 왁스의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 0.5 중량%일 수 있다. 비극성 폴리에틸렌 왁스의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우 내트래킹성 향상 효과가 미약할 수 있으며, 0.5 중량%를 초과하는 경우 몰딩 시 얼룩이 발생하여 작업성이 불량해질 수 있다.

본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 전술한 성분들 이외에 당 분야에 알려진 통상적인 첨가제를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용 가능한 첨가제의 비제한적인 예를 들면 커플링제, 난연제, 착색제, 이형제, 개질제, 접착력 향상제 및 저응력화제 중 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 커플링제는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 사용되는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 에폭시 실란, 머캅토 실란, 메틸 실란 및 아미노 실란 중 1종 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 난연제로는 금속 수산화물, 인 및 질소 함유 유기 화합물 등의 통상의 난연제를 사용할 수 있다. 상기 금속 수산화물로는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 보론, 알루미늄 및 갈륨 중 선택된 금속의 수산화물 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 인 및 질소 함유 유기 화합물로는 레조르시놀 디포스페이트(Resorcinol diphosphate), 포스페이트(Phosphate), 페녹시 포스파젠(Phenoxy phosphazene) 및 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate) 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 착색제로는 카본블랙, 유기염료, 무기염료 등의 통상의 착색제를 단독 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 이형제로는 장쇄 지방산, 장쇄 지방산의 금속염, 파라핀 왁스, 카르나우바 왁스 등의 통상의 이형제를 단독 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 저응력화제로는 변성 실리콘 수지, 변성 폴리부타디엔 등의 통상의 저응력화제를 단독 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 첨가제의 함량은 특별히 한정되지 않으며, 에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%일 수 있다.

전술한 성분을 포함하는 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야의 일반적인 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 일례로, 반바리 믹서, 니더, 롤, 단축 또는 이축의 압출기 및 니더 등을 이용한 공지된 용융 혼련 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 각 성분들을 균일하게 섞은 후, 용융 혼합기(Heat kneader)를 이용하여 100℃ 내지 130℃의 온도에서 용융 혼합하고, 상온으로 냉각시킨 다음, 분말 상태로 분쇄한 후, 블렌딩하여 제조할 수 있다.

<반도체 소자>

본 발명은 상기한 바와 같은 에폭시 수지 조성물을 이용하여 봉지된 반도체 소자를 제공한다.

본 발명의 에폭시 수지 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, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1-7]

하기 표 1에 기재된 조성에 따라 각 성분을 미세하게 분쇄하여 파우더를 만들어 배합한 후, 가열된 압출기를 이용하여 혼련하고 냉각시킨 후 재분쇄하여 실시예 1-7의 에폭시 수지 조성물을 각각 제조하였다. 하기 표 1에 기재된 각 성분의 함량은 에폭시 수지 조성물 총 중량을 기준으로 한 중량%를 의미한다.

[비교예 1-8]

하기 표 2에 기재된 조성을 따른 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 비교예 1-8의 에폭시 수지 조성물을 각각 제조하였다. 하기 표 2에 기재된 각 성분의 함량은 에폭시 수지 조성물 총 중량을 기준으로 한 중량%를 의미한다.

에폭시 수지 1: 비페닐형 에폭시 수지(YX-4000K, 일본에폭시社)

에폭시 수지 2: 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지(HP-7200, DIC社)

경화제 1: 페놀 아랄킬 수지(MEH-7800SS, 메이화社)

경화제 2: 페놀 노볼락 수지(KPH-F2001, 코오롱社)

충진제: 비정형 실리카(DQ-1150, Novoray社)

경화 촉진제: 아민계 촉매(KPH-MN2001, 코오롱社)

첨가제(내크래킹제) 1-1: 세륨 옥사이드(Rhodia社, 평균 입자 크기 0.2 ㎛)

첨가제(내크래킹제) 1-2: 세륨 옥사이드(Rhodia社, 평균 입자 크기 2.2 ㎛)

첨가제(내크래킹제) 1-3: 세륨 옥사이드(Rhodia社, 평균 입자 크기 0.05 ㎛)

첨가제(내크래킹제) 1-4: 세륨 옥사이드(Rhodia社, 평균 입자 크기 1.3 ㎛)

첨가제(이형제) 2-1: 비극성 폴리에틸렌 왁스(SANWAX 161-P, SANYO CHEMICAL社)

첨가제(이형제) 2-2: 카르나우바 왁스(C-Wax, KAHL社)

첨가제(이형제) 2-3: 극성 폴리에틸렌 왁스(Wax 2020, Baker Petrolite社)

첨가제(커플링제) 3-1: 3-(N-페닐아미노)프로필트리메톡시실란(Y-9669, 모멘티브社)

첨가제(커플링제) 3-2: 3-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필-디메톡시실란(KBM-602, 신에츠社)

첨가제(커플링제) 3-3: 3-머캅토프로필 트리메톡시실란(KBM-803, 신에츠社)

첨가제(난연제) 4: 수산화알루미늄(AlO(OH), 나발텍社)

첨가제(착색제) 5: 카본블랙(MA-600, 미쯔비시화학社)

[물성 평가]

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 도료 조성물의 물성을 하기와 같이 측정한 후, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.

스파이럴 플로우(spiral flow)

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 스파이럴 플로우 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력 70 kg/㎠, 온도 175 ℃, 경화 시간 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, 조성물의 겔화 소요시간을 측정하였다.

내트래킹(CTI)

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 3 mm 두께의 시편을 몰딩하여 PMC(175 ℃, 4시간) 후, CTI Tester를 사용하여 내트래킹성을 측정하였다.

유전율(Dk)

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 사용하여 2 mm 두께의 원형 시편을 몰딩하여 PMC(175 ℃, 4시간) 후, 유전율 측정기를 사용하여 측정하였다.

박리

각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 패키지에 몰딩하여 PMC(175 ℃, 4시간) 후, 항온항습기를 통해 30 ℃/60% RH 조건에서 192시간 동안 흡습시켰다. 이후, 260 ℃에서 3회 리플로우 진행하여 패키지 내부 구리, 니켈 및 은 면(Plating)과 에폭시 수지 조성물의 경계면에 박리가 발생한 패키지 수를 측정하였다. 경계면 박리의 해석은 초음파 현미경을 이용하였다.

상기 표 3 및 표 4의 결과로부터, 본 발명에 따른 실시예 1-7의 에폭시 수지 조성물은 비교예 1-8의 에폭시 수지 조성물에 비해 전반적으로 물성이 우수함을 확인할 수 있었다. 특히 실시예 1-7의 에폭시 수지 조성물은 내트래킹성이 우수하고, 이를 사용하여 밀봉된 반도체 소자는 높은 신뢰성을 확보할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims

에폭시 수지, 경화제, 충진제, 경화 촉진제 및 첨가제를 포함하는 에폭시 수지 조성물로서,
상기 첨가제는 세륨 옥사이드 및 비극성 폴리에틸렌 왁스를 포함하고,
상기 에폭시 수지 조성물 총 중량을 기준으로, 상기 비극성 폴리에틸렌 왁스를 0.01 내지 0.5 중량% 포함하는 에폭시 수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기 세륨 옥사이드의 평균 입자 크기는 0.1 내지 2.0 ㎛인 에폭시 수지 조성물.
제1항에 있어서, 에폭시 수지 조성물 총 중량을 기준으로, 상기 세륨 옥사이드를 0.1 내지 5 중량% 포함하는 에폭시 수지 조성물.
삭제
제1항에 있어서, 에폭시 수지 조성물 총 중량을 기준으로, 에폭시 수지 2 내지 20 중량%, 경화제 1 내지 20 중량%, 충진제 70 내지 91 중량% 및 경화 촉진제 0.05 내지 5 중량%를 포함하는 에폭시 수지 조성물.