KR102643484B1 - 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 소자에 관한 것이다.

Description

과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물{GRANULE TYPE RESIN COMPOSITION FOR ENCAPSULATING A SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 소자에 관한 것이다.
집적회로(IC), 대용량 집적회로(LSI), 트랜지스터, 다이오드 등의 반도체 소자를 밀봉하여 반도체 장치의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 물질로서 봉지용 수지 조성물이 사용되고 있다. 최근 전자 기기의 소형화, 경량화, 고성능화 추세에 따라 반도체의 고집적화가 가속화되면서, 반도체 소자의 밀봉에 사용되는 재료의 성능 개선을 위한 연구가 다방면으로 지속되고 있다. 일례로, 일본특허공개 제2017-197620호는 에폭시 수지, 페놀 수지 경화제 및 충전재를 포함하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 충전재의 함유량과 에폭시 수지 조성물의 경화물의 열시탄성률을 조절하여 전기적 접속 신뢰성을 높이는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 반도체 봉지용 수지 조성물의 조성을 조정하는 것만으로 다양한 체적의 반도체 패키지에 우수한 충진성을 부여하는데 한계가 있다. 따라서, 반도체 패키지의 몰딩 체적에 따라 적합한 충진성을 제공하는 반도체 소자 봉지용 수지 조성물에 대한 개발이 요구된다.
본 발명은 반도체 패키지의 몰딩 체적에 맞는 우수한 충진성을 발휘하는 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 소자를 제공한다.
본 발명은 반도체 패키지의 몰딩 체적과 과립상 반도체 소자 봉지용 수지 조성물의 입경 간의 상관 관계를 조절함으로써, 반도체 패키지의 몰딩 체적에 맞는 우수한 충진성을 갖는 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 반도체 패키지의 몰딩 체적 및 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물의 평균 입경을 제어하여 반도체 패키지에 맞는 우수한 충진성을 나타내고, 그 결과 본 발명에 따른 수지 조성물을 적용하여 봉지된 반도체 소자에 높은 신뢰성을 제공할 수 있다.
도 1은 PCB 기판에 실리콘 다이가 부착된 반도체 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 PCB 기판에 직사각형으로 몰딩된 형태를 나타낸 도면이다.
도 3은 웨이퍼 기판에 원형으로 몰딩된 형태를 나타낸 도면이다.
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.
<과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물>
본 발명에 따른 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 하기 식 1로 표시되는 x가 2 내지 6을 만족한다.
[식 1]
상기 식에서,
a는 몰딩 체적(㎤)이고,
b는 다이 체적(㎤)이고,
c는 몰딩 면적(㎠)이고,
d는 수지 조성물의 평균 입경(mm)이다.
다이 체적(b)은 반도체 소자(1) 내에 부착된 다이(Die)(2)의 총 체적을 의미한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 다이 체적은 각 다이의 길이(L), 폭(W) 및 높이(T)를 곱하여 각 다이의 체적을 계산한 후, 반도체 소자 내에 부착된 다이의 총 개수를 곱하여 계산할 수 있다.　
몰딩 면적(c)은 봉지용 수지 조성물로 몰딩된 몰드의 면적을 의미하고, 몰딩 체적(a)은 봉지용 수지 조성물로 몰딩된 몰드의 체적을 의미하며, 몰딩 면적에 몰딩 두께를 곱하여 계산할 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board) 패지키와 같이 직사각형 다이의 경우, 몰딩된 부분의 길이(L) 및 폭(W)을 곱하여 몰딩 면적(c)을 구할 수 있고, 여기에 몰딩된 부분의 높이(T)를 곱하여 몰딩 체적(a)을 계산할 수 있다. 한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 레벨 패키지(WLP: Wafer Level Package)와 같이 원형 다이의 경우, 몰딩된 부분의 지름(D)으로부터 몰딩 면적(c)을 계산할 수 있고(π×D2), 여기에 몰딩된 부분의 높이(T)를 곱하여 몰딩 체적(a)을 계산할 수 있다.
몰딩 체적에서 다이 체적을 뺀 값(a-b)은 더미 영역(dummy area)의 몰딩 체적에 해당하고, 이를 몰딩 면적으로 나눈 값((a-b)/c)는 반도체 패키지의 두께에 해당한다.
수지 조성물의 평균 입경(d)은 해당 기술분야에서 사용되는 통상의 방법으로 측정할 수 있다. 일례로, 과립형 수지 조성물의 이미지가 중첩되지 않도록 골고루 펴서, 현미경으로 단축의 길이를 100개 이상 측정한 후, 그 평균치를 계산하여 구할 수 있다.
상기 수지 조성물의 평균 입경(d)은 0.3 내지 1.6 mm 범위일 수 있다.
상기 식 1로 표시되는 x가 2 내지 6을 만족하는 경우 우수한 충진성을 발휘한다. 구체적으로, 본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 상기 식 1의 x값을 2 내지 6 범위 내로 설정함으로써 트랜스퍼 성형 장치나 예비 성형체를 성형하는 성형 장치에 공급 시 공급 안정성을 확보하고, 고른 도포가 가능하여 성형 시 용융속도 편차와 유동 불균일을 감소시켜 성형성을 향상시킬 수 있다. 상기 x가 2 미만인 경우 피더 내에서 분립체가 뭉칠 가능성이 높아져 공급과 도포의 불균일성을 야기할 수 있다. 한편 x가 6을 초과하는 경우 도포 후 공극이 많아져 보이드 및 미충진의 불량을 야기할 수 있다.
본 발명에 따른 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 해당 기술분야에 알려진 통상의 방법, 예를 들어 반바리 믹서, 니더, 롤, 단축 또는 이축의 압출기 및 코니더 등을 이용하는 용융 혼련 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 에폭시 수지, 경화제, 충전재 및 첨가제를 균일하게 섞은 후, 용융 혼합기(heat kneader)를 이용하여 80 내지 130 ℃의 온도에서 용융 혼합하고, 상온으로 냉각시킨 다음, 분말 상태로 분쇄한 후, 체 분리(sieving) 공정을 거쳐 제조할 수 있다.
에폭시 수지
본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 에폭시 수지를 포함한다. 에폭시 수지는 주 수지로서 사용되고, 경화제와 반응하여 경화된 후 삼차원 망상 구조를 형성함으로써 피착체에 강하고 견고하게 접착하는 성질과 내열성을 부여할 수 있다.
상기 에폭시 수지로는 해당 기술분야에서 통상적으로 사용되는 에폭시 수지를 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 비페닐형 에폭시 수지 및 다관능성 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
상기 에폭시 수지로는 연화점(Soft Point)이 40 내지 130 ℃, 예를 들어 50 내지 120 ℃인 것을 사용할 수 있다. 에폭시 수지의 연화점이 전술한 범위에 해당하는 경우, 스웰링 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 에폭시 수지로는 에폭시 당량(EEW)이 100 내지 400 g/eq, 예를 들어 160 내지 350 g/eq이고, 점도(150 ℃ 기준)가 0.01 내지 50 poise, 예를 들어 0.01 내지 10 poise인 것을 사용할 수 있다. 전술한 물성을 만족하는 에폭시 수지는 상대적으로 낮은 점도 특성을 가지므로, 고함량의 충전재가 포함되더라도 흐름성을 확보할 수 있으며, 혼련이 용이하다.
에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 에폭시 수지의 함량은 2 내지 20 중량%, 예를 들어 5 내지 15 중량%일 수 있다. 에폭시 수지의 함량이 전술한 범위 미만인 경우 접착성, 흐름성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 전술한 범위를 초과하는 경우 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고, 충전재 함량의 상대적 감소로 인해 강도가 저하될 수 있다.
경화제
본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 경화제를 포함한다. 경화제는 상기 에폭시 수지와 반응하여 조성물의 경화를 진행시키는 역할을 한다.
상기 경화제로는 에폭시 수지와 경화 반응을 하는 것으로 해당 기술분야에 공지된 경화제를 사용할 수 있으며, 상기 경화제는 한 분자 내에 2개 이상의 페놀성 수산기를 갖는 페놀계 화합물일 수 있다. 사용 가능한 경화제의 비제한적인 예로는, 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 아랄킬 수지, 다관능 페놀 화합물 등이 있고, 이들 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 경화제는 다관능성 페놀 수지 및 자일록형 수지를 포함할 수 있다.
상기 경화제로는 연화점이 50 내지 120 ℃, 예를 들어 55 내지 110 ℃인 것을 사용할 수 있다. 경화제의 연화점이 전술한 범위에 해당하는 경우, 스웰링 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 경화제로는 수산기 당량이 90 내지 300 g/eq, 예를 들어 100 내지 230 g/eq이고, 점도(150 ℃ 기준)가 0.01 내지 10 poise, 예를 들어 0.01 내지 8 poise인 것을 사용할 수 있다.
에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 경화제의 함량은 2 내지 20 중량%, 예를 들어 2 내지 10 중량%일 수 있다. 경화제의 함량이 전술한 범위 미만인 경우 경화성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 전술한 범위를 초과하는 경우 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고 강도가 저하될 수 있다.
충전재
본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 충전재를 포함한다. 충전재는 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성(예컨대, 강도)을 향상시키고, 흡습량을 낮추는 역할을 한다.
상기 충전재로는 통상적으로 전자소재 분야에서 사용되는 무기 충전재를 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리카, 실리카 나이트라이드, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드 등의 무기 충전재를 사용할 수 있고, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 상기 충전재의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 각상 및 구상 형태를 모두 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 충전재의 비제한적인 예로는 천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 등이 있으며, 예를 들어 구상 실리카 입자를 사용할 수 있다.
상기 충전재는 입경이 상이한 2종 이상의 충전제를 포함할 수 있다. 이 경우, 에폭시 수지 조성물의 성형성 및 작업성을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 충전재는 평균입경(D50)이 3.5 내지 20 um, 예를 들어 3.5 내지 15 um인 제1 충전재 및 평균입경(D50)이 0.1 내지 3 um, 예를 들어 0.1 내지 1 um인 제2 충전재를 포함할 수 있다.
에폭시 수지 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 충전재의 함량은 50 내지 90 중량%, 예를 들어 70 내지 90 중량%일 수 있다. 충전재의 함량이 전술한 범위 미만인 경우 경화물의 흡습량이 증가되어 반도체 장치의 신뢰성을 저하시킬 수 있으며, 전술한 범위를 초과하는 경우 유동성이 저하되어 성형성이 불량해질 수 있다.
첨가제
본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 해당 조성물에 일반적으로 사용되는 첨가제들을 추가적으로 포함할 수 있다. 사용 가능한 첨가제의 비제한적인 예로는 커플링제, 이형제, 착색제, 경화 촉매 등이 있다.
커플링제는 유기물과 무기물의 안정적인 분산을 위해 첨가되며, 상기 커플링제로는 에폭시 실란, 아미노 실란, 메르캅토 실란, 아크릴 실란, 비닐 실란 등을 사용할 수 있다. 이형제는 EMC와 금형과의 이형성을 확보하기 위해 첨가되며, 상기 이형제로는 파라핀 왁스, 카르나우바 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 에스테르 왁스 등을 사용할 수 있다. 착색제는 수지 조성물에 색상을 부여하기 위해 첨가되며, 상기 착색제로는 카본블랙, 벵갈라 등을 사용할 수 있다. 경화 촉매는 경화 반응을 촉진하는 것으로, 이미다졸계 화합물, 나프탈렌계 잠재성 촉매, 아민계 화합물, 유기금속 화합물, 유기인 화합물, 붕소 화합물 등을 사용할 수 있다. 이 외에, 음이온 포착제, 소포제 등을 더 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 해당 기술분야에 공지된 함량 범위 내에서 첨가될 수 있으며, 일례로 에폭시 수지 조성물의 전체 중량에 대하여, 각각 0.01 내지 5 중량% 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
<반도체 소자>
본 발명은 전술한 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물을 사용하여 봉지된 반도체 소자를 제공한다. 상기 반도체 소자는 트랜지스터, 다이오드, 마이크로프로세서, 반도체 메모리, 전력 반도체 등일 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 패키지를 적층하는 POP(Package On Package)에 적용 가능하다.
본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 봉지하는 방법은 해당 기술 분야에서 통상적인 방법, 예컨대 트랜스퍼 몰딩, 컴프레션 몰딩, 인젝션 몰딩 등의 성형 방법에 따라 적절하게 선택되어 수행될 수 있다.
일 예로, 본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물을 젤 상태로 녹인 후, 소정의 압력을 강제로 인가하여 복수의 좁은 통로를 통해 이동하여 반도체 소자를 몰딩하는 트랜스퍼 몰딩(Transfer Molding) 방법을 사용할 수 있다. 다른 예로, 본 발명의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물을 먼저 틀(몰드)안에 젤 상태로 녹인 후, 젤 상태의 조성물 위에 반도체 소자를 수직 하강(face down) 시켜 몰딩하는 컴프레션 몰딩(Compression Molding) 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 반도체 패키지의 몰딩 체적에 맞는 우수한 충진성을 나타내고, 그 결과 본 발명에 따른 수지 조성물을 사용하여 봉지된 반도체 소자에 높은 신뢰성을 제공할 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 1-5]
하기 표 1에 기재된 조성에 따라 각 성분을 배합한 후, 용융 혼련기(Kneader)를 이용하여 100 내지 130 ℃의 온도에서 용융 혼합하여 상온으로 냉각시키고 분말 상태로 분쇄한 후 체 분리(sieving) 공정을 거쳐, 각 실시예의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물(EMC)을 제조하였다. 각 실시예의 EMC를 사용하여 하기 표 2에 기재된 조건으로 압축 성형하여 반도체 소자를 몰딩하였다. 실시예 1 내지 3은 기판에 실리콘 다이(Die)를 부착한 후 몰딩하고, 실시예 4, 5는 실리콘 다이(Die) 없이 기판을 더미 몰딩(Dummy molding)하여 각 실시예의 시편을 제작하였다. 제작된 각 시편의 몰딩 체적(a), 다이 체적(b), 몰딩 면적(c) 및 EMC의 평균 입경(d)을 측정하여, 하기 식 1의 x값을 계산하였다. 해당 측정 결과 및 계산값을 하기 표 2에 나타내었다.
[식 1]
[비교예 1-5]
하기 표 3에 기재된 조건으로 반도체 소자를 몰딩한 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 각 비교예의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물(EMC)을 제조하고, 반도체 소자를 몰딩하였다. 비교예 1 내지 3은 기판에 실리콘 다이(Die)를 부착한 후 몰딩하고, 비교예 4, 5는 실리콘 다이(Die) 없이 기판을 더미 몰딩(Dummy molding)하여 각 비교예의 시편을 제작하였다. 제작된 각 시편의 몰딩 체적(a), 다이 체적(b), 몰딩 면적(c) 및 EMC의 평균 입경(d)을 측정하여, 하기 식 1의 x값을 계산하였다. 해당 측정 결과 및 계산값을 하기 표 3에 나타내었다.
[물성 평가]
각 실시예 및 비교예에서 제조된 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물의 물성을 하기와 같이 측정하였으며, 이의 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
Caking
각 실시예 및 비교예에서 제조된 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물(200 g)을 피더(Feeder, 내부 온도 25 ℃) 내에 로딩한 후 30분간 방치하였다. 이후 피딩하며 피딩 상태를 관찰하였다. 피더 내 정체 없이 정상적으로 피딩 시 양호, 정체 또는 불균일 토출 시 불량으로 판정하였다.
충진성
몰딩된 각 패키지를 육안으로 관찰하여, 미충진 200 ㎛ 이상 시 불량, 미충진이 확인되지 않거나 200 ㎛ 미만 시 양호로 판정하였다. 단, caking 평가에서 불량으로 판정된 조성물에 대하여는 충진성을 평가하지 않았다.
상기 표 4의 결과로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1-5의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 양호한 caking및 충진성을 나타내었다. 반면, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 1-5의 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물은 실시예에 비해 전반적으로 열세한 물성을 나타내었다. 구체적으로, x값이 2 미만인 비교예 1 및 비교예 5의 경우 피딩 시 피더 내 정체 현상 또는 불균일 토출이 발생되었고, x값이 6을 초과하는 비교예 2-4의 경우 압축 성형 시 패키지에 미충진 현상이 크게 발생되었다.
1: 반도체 소자
2: 다이

Claims (4)

  1. 수지 조성물의 총 중량을 기준으로, 에폭시 수지 2 내지 20 중량%, 경화제 2 내지 20 중량% 및 충전재 50 내지 90 중량%를 포함하고,
    하기 식 1로 표시되는 x가 2 내지 6인 컴프레션 몰딩(Compression Molding)용 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물:
    [식 1]

    상기 식에서,
    a는 몰딩 체적(㎤)으로, 5.99 내지 13.66이고,
    b는 다이 체적(㎤)으로, 0 내지 3.4이고,
    c는 몰딩 면적(㎠)으로, 171.26 내지 683.15이고,
    d는 봉지용 수지 조성물의 평균 입경(mm)으로, 0.3 내지 1.6임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 따른 컴프레션 몰딩(Compression Molding)용 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물을 이용하여 봉지된 반도체 소자.
KR1020210139509A 2021-10-19 2021-10-19 과립형 반도체 소자 봉지용 수지 조성물 KR102643484B1 (ko)

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