KR102668249B1 - 언더필재, 반도체 패키지 및 반도체 패키지의 제조 방법 - Google Patents

언더필재, 반도체 패키지 및 반도체 패키지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

언더필재(underfill material)는, 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유하며, 경화물로서 175℃의 조건하에 1000시간 동안 배치하였을 때, 경화물의 전체 질량으로부터 무기 충전재의 질량을 빼고 얻어지는 성분의 질량 감소율이 1.00질량％ 이하이다.

Description

언더필재, 반도체 패키지 및 반도체 패키지의 제조 방법
[0001] 본 개시(開示)는, 언더필재(underfill material), 반도체 패키지 및 반도체 패키지의 제조 방법에 관한 것이다.
[0002] 트랜지스터, IC(Integrated Circuit) 등의 전자 부품 장치에 이용되는 각종 반도체 소자(이하, 칩이라고도 함)의 시일(seal) 분야에서는, 생산성, 제조 비용 등의 면에서 수지에 의한 시일이 주류를 이루고 있다. 시일용 수지로서는, 에폭시 수지가 널리 이용되고 있다. 이것은, 에폭시 수지가 작업성, 성형성, 전기 특성, 내습성, 내열성, 기계 특성, 인서트품과의 접착성 등의 여러 특성에 있어서 밸런스가 우수하기 때문이다.
[0003] 반도체 소자의 표면 실장(實裝; mounting) 방법으로서는, 전자 부품 장치의 소형화 및 박형화에 수반하여, 베어 칩(bare chip)을 직접 배선 기판 상에 실장하는, 이른바 베어 칩 실장이 주류를 이루고 있다. 베어 칩 실장에 의한 반도체 장치로서는, 예컨대, COB(Chip on Board), COG(Chip on Glass), TCP(Tape Carrier Package) 등을 들 수 있으며, 이들 반도체 장치에 있어서는, 액상(液狀)의 시일 수지 조성물이 널리 사용되고 있다.
[0004] 또한, 반도체 소자를 배선 기판(이하, 간단히 「기판」이라고도 함) 상에 직접 범프(bump) 접속하여 이루어지는 플립 칩(flip chip) 타입의 반도체 장치에서는, 범프 접속한 반도체 소자와 배선 기판 사이의 틈새(갭)에 충전(充塡)하는 언더필재로서, 액상 수지 조성물이 사용되고 있다. 예컨대, 특허문헌 1에는, 다관능 에폭시 수지, 그리고 페놀계 화합물 및 산(酸)무수물을 포함하는 경화제를 이용한 언더필재가 기재되어 있다. 이들 액상 수지 조성물은, 전자 부품을 온습도 및 기계적인 외력(外力)으로부터 보호하는 중요한 역할을 하고 있다.
[0005] 한편, 전자기기의 소형화, 경량화 및 고성능화에 수반하여, 실장의 고밀도화가 진행되어, 전자 부품의 발열이 현저해지고 있다. 또한, 고온하에서 작동하는 전자 부품도 증가하고 있으며, 특히, 차량탑재용(車載用) 등의 파워 반도체는, 장시간 고온에 노출될 것이 예상된다.
일본 특허공개공보 제2004-256646호
[0007] 최근, 파워 반도체 분야에 있어서도, 소형화 및 박형화된 플립 칩 타입의 반도체 장치의 적용이 진행되어 왔다. 이 때문에, 고온하에서 장시간의 동작에 견딜 수 있는 성능을 갖는 언더필재에 대한 요구가 나오고 있다. 그러나, 액상 수지 조성물을 이용하는 언더필재에 있어서, 파워 반도체용 시일재로서의 조건을 충분히 만족하는 것은 곤란하였다. 예컨대, 종래의 언더필재의 경우는, 경화물을 고온하에서 장시간 방치하였을 때 필렛 크랙(fillet crack)이 발생되어 버리는 등, 파워 반도체의 시일재로서 요구되는 성능을 충분히 만족시킬 수는 없었다.
[0008] 이러한 상황을 감안하여, 본 개시는, 경화물을 고온하에 장시간 배치하였을 때 필렛 크랙의 발생을 억제할 수 있는 언더필재, 이를 이용한 반도체 패키지, 및 해당 반도체 패키지의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
[0009] 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이하의 양태를 포함한다.
＜1＞ 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유하며, 경화물로서 175℃의 조건하에 1000시간 동안 배치하였을 때, 경화물의 전체 질량으로부터 무기 충전재의 질량을 빼고 얻어지는 성분의 질량 감소율이 1.00질량％ 이하인, 언더필재.
＜2＞ 상기 에폭시 수지가 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리(環)를 갖는 에폭시 수지를 포함하는, ＜1＞에 기재된 언더필재.
＜3＞ 상기 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 갖는 에폭시 수지에 있어서의 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가, 탄소수 1 이상인 사슬식(鎖式) 탄화수소기에 의해 연결되어 있는, ＜2＞에 기재된 언더필재.
＜4＞ 상기 에폭시 수지가, 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는 에폭시 수지를 포함하는, ＜1＞에 기재된 언더필재.
＜5＞ 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 가지며, 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지를 포함하는, 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유하는 언더필재.
＜6＞ 상기 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 가지며, 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지가, 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는, ＜5＞에 기재된 언더필재.
＜7＞ 상기 경화제가 아민 경화제를 포함하는, ＜1＞∼＜6＞ 중 어느 하나에 기재된 언더필재.
＜8＞ 파워 반도체용인 ＜1＞∼＜7＞ 중 어느 하나에 기재된 언더필재.
＜9＞ 기판과, 상기 기판 상에 배치된 반도체 소자와, 상기 반도체 소자를 시일하고 있는 ＜1＞∼＜8＞ 중 어느 하나에 기재된 언더필재의 경화물을 구비하는, 반도체 패키지.
＜10＞ 기판과, 상기 기판 상에 배치된 반도체 소자와의 사이의 공극(空隙)을 ＜1＞∼＜8＞ 중 어느 하나에 기재된 언더필재로 충전하는 공정과, 상기 언더필재를 경화하는 공정을 갖는, 반도체 패키지의 제조 방법.
[0010] 본 개시에 의하면, 경화물을 고온하에 장시간 배치하였을 때 필렛 크랙의 발생을 억제할 수 있는 언더필재, 이를 이용한 반도체 패키지, 및 해당 반도체 패키지의 제조 방법이 제공된다.
[0011] 이하에서는, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 상세히 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시형태에 있어서, 그 구성 요소(요소 스텝 등도 포함함)는, 특별히 명시한 경우를 제외하고는, 필수적인 것은 아니다. 수치 및 그 범위에 대해서도 마찬가지이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
[0012] 본 개시에 있어서 「공정」이라는 말에는, 다른 공정으로부터 독립된 공정뿐만 아니라, 다른 공정과 명확하게 구별할 수 없는 경우라 하더라도 그 공정의 목적이 달성된다면, 해당 공정도 포함된다.
본 개시에 있어서 「∼」를 이용하여 나타내어진 수치 범위에는, 「∼」의 전후에 기재되는 수치가 각각 최소치 및 최대치로서 포함된다.
본 개시 중에 단계적으로 기재되어 있는 수치 범위에 있어서, 하나의 수치 범위로 기재된 상한치 또는 하한치는, 다른 단계적인 기재의 수치 범위의 상한치 또는 하한치로 치환해도 된다. 또한, 본 개시 중에 기재되어 있는 수치 범위에 있어서, 그 수치 범위의 상한치 또는 하한치는, 실시예에 기재되어 있는 값으로 치환해도 된다.
본 개시에 있어서 각 성분은 해당하는 물질을 복수 종(種) 포함하고 있어도 된다. 조성물 중에 각 성분에 해당하는 물질이 복수 종 존재하는 경우, 각 성분의 함유율 또는 함유량은, 특별히 언급하지 않는 한, 조성물 중에 존재하는 해당 복수 종의 물질의 합계의 함유율 또는 함유량을 의미한다.
본 개시에 있어서 각 성분에 해당하는 입자는 복수 종이 포함되어 있어도 된다. 조성물 중에 각 성분에 해당하는 입자가 복수 종 존재하는 경우, 각 성분의 입자직경(粒子徑)은, 특별히 언급하지 않는 한, 조성물 중에 존재하는 해당 복수 종의 입자의 혼합물에 대한 값을 의미한다.
[0013] ≪언더필재≫
본 개시의 언더필재는, 제1 실시형태에 있어서, 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유하며, 경화물로서 175℃의 조건하에 1000시간 동안 배치하였을 때, 경화물의 전체 질량으로부터 무기 충전재의 질량을 빼고 얻어지는 성분의 질량 감소율이 1.00질량％ 이하이다.
또한, 본 개시의 언더필재는, 제2 실시형태에 있어서, 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 가지며, 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지를 포함하는, 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유한다. 이하, 「에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 갖는 에폭시 수지」를 「이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지」라고도 하며, 「에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 가지며, 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지」를 「특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지」라고도 한다.
[0014] 종래에는, 언더필재를 이용하여 시일하였을 때의 필렛 크랙을 억제하는 방법으로서는, 언더필재와 칩 간의 응력 완화의 관점에서, 경화물의 선팽창 계수, 유리 전이 온도(Tg), 및 탄성률을 조정하는 방법이 주로 검토되어 왔다. 그러나, 이러한 접근 방법에 의해서도, 파워 반도체 등에 있어서의 엄격한 조건하에서 필렛 크랙을 충분히 억제하는 것은 곤란하였다.
한편, 발명자는, 경화물을 고온하에 장시간 배치하였을 때의 수지의 분해에 착안한 새로운 접근 방법에 의해 필렛 크랙의 발생을 효과적으로 억제할 수 있음을 알아내었다. 명확한 매카니즘은 분명하지 않지만, 필렛 크랙은, 수지가 고온하에서 열화(劣化)하여 분해되었을 때, 해당 분해점이 기점(起點)이 되어 근린부(近隣部)의 수지 분해가 연쇄적으로 진행되는 것이 하나의 요인이 되어 발생하는 것으로 생각된다. 따라서, 수지 자체의 분해의 진행을 억제하는 것에 착상(着想)하여, 고온하에 경화물을 장시간 배치하였을 때의 질량 감소율을 일정 이하로 조정함으로써, 필렛 크랙을 효과적으로 억제할 수 있음을 알아내었다.
[0015] 또한, 마찬가지로 언더필재에 함유되는 에폭시 수지가, 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 포함하면, 수지의 분해가 억제되어, 필렛 크랙을 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 생각된다. 그 이유는 분명하지 않지만, 이소시아누레이트 고리가 고온하에서의 우수한 내(耐)분해성을 가져, 경화물의 인성(靭性, toughness)이 향상되는 것이 하나의 요인이라고 추측된다.
[0016] 이하에서는, 언더필재에 필수 또는 임의로 이용되는 성분에 대해 상세히 기술한다.
[0017] ＜에폭시 수지＞
언더필재는 에폭시 수지를 포함한다. 제1 실시형태에 있어서, 에폭시 수지의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 제2 실시형태에 있어서, 에폭시 수지는 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 포함하는 한 특별히 제한되지 않는다. 에폭시 수지는 1 분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지(이관능 에폭시 수지라고도 함)를 포함해도 되고, 1 분자 중에 3개 이상의 에폭시기를 갖는 에폭시 수지(삼관능 에폭시 수지 등이라고도 함)를 포함해도 되며, 이들을 조합하여 이용해도 된다. 본 개시에 있어서, 에폭시기를 갖는 단량체 화합물(즉, 에폭시 화합물)도 에폭시 수지라고 칭하는 것으로 한다.
[0018] 언더필재가 전체적으로 상온(25℃, 이하 동일)에서 액상인 한, 에폭시 수지는 상온에서 고형이어도 되고 액상이어도 되며, 양자를 병용해도 된다. 언더필재의 저점도화(低粘度化)의 관점에서는, 상온에서 액상인 에폭시 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
본 개시에 있어서, 상온에서 액상이라는 것은, 25℃에 있어서의 점도가 1000Pa·s 이하임을 의미한다. 본 개시에 있어서, 점도는 레오미터(rheometer)(예컨대, TA Instruments Japan Inc.제(製)의 「AR2000」)에 의해, 40mm의 평행판(parallel plate)에서, 전단 속도：32.5/sec의 조건으로 측정할 수 있다.
[0019] 본 개시의 언더필재에는, 원하는 효과가 달성되는 범위 내라면, 고형 에폭시 수지를 사용해도 된다. 이 경우, 성형 시의 유동성의 관점에서 보면, 고형 에폭시 수지의 함유율은 에폭시 수지 전량(全量)에 대해 20질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
[0020] 에폭시 수지로서는, 예컨대 비스페놀형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 글리시딜아민형 에폭시 수지, 수소 첨가 비스페놀형 에폭시 수지, 지환식(脂環式) 에폭시 수지, 알코올에테르형 에폭시 수지, 고리 형상(環狀) 지방족형 에폭시 수지, 플루오렌형 에폭시 수지, 및 실록산계 에폭시 수지를 들 수 있다. 에폭시 수지는, 1종을 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 병용해도 된다. 그 중에서도, 유동성의 관점에서 보면 에폭시 수지는 비스페놀형 에폭시 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
[0021] 비스페놀형 에폭시 수지의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 AD형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 언더필재로서 사용하기 위해서는, 비스페놀형 에폭시 수지는 상온에서 액상인 것이 바람직하고, 상온에서 액상인 비스페놀 F형 에폭시 수지인 것이 보다 바람직하다. 상온에서 액상인 비스페놀형 에폭시 수지는, 시판품(市販品)으로서도 입수가 가능하다. 예컨대, 상온에서 액상인 비스페놀 F형 에폭시 수지의 시판품으로서는, NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.의 상품명 「에포토트(epotot) YDF-8170C」를 들 수 있다.
[0022] 에폭시 수지가 비스페놀형 에폭시 수지를 포함하는 경우, 비스페놀형 에폭시 수지의 에폭시 수지 전체에 차지하는 비율은 특별히 제한되지 않으며, 언더필재의 원하는 특성에 따라 선택할 수 있다. 예컨대, 비스페놀형 에폭시 수지의 에폭시 수지 전체에 차지하는 비율은 5질량％∼90질량％여도 되고, 5질량％∼75질량％여도 되며, 5질량％∼60질량％여도 된다.
[0023] 비스페놀형 에폭시 수지의 점도는 특별히 제한되지 않으며, 취급성의 관점에서 보았을 때, 25℃에서의 점도가 50Pa·s 이하인 것이 바람직하고, 30Pa·s 이하인 것이 보다 바람직하며, 10Pa·s 이하인 것이 더욱 바람직하다.
[0024] 에폭시 수지는, 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는 에폭시 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지가 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는 에폭시 수지를 포함하는 것에 의해, 보다 효과적으로 필렛 크랙의 발생이 억제되는 경향이 있다. 그 이유는, 에폭시 수지의 내(耐)열분해성이 향상되어, 인성이 향상되기 때문이라고 추측된다.
[0025] 에폭시 수지의 에폭시 당량(분자량/에폭시기 수)은, 특별히 제한되지 않는다. 성형성, 내리플로성(reflow-resistant property), 전기적 신뢰성 등의 각종 특성 밸런스의 관점에서 보면, 에폭시 수지의 에폭시 당량은, 80g/eq∼1000g/eq인 것이 바람직하고, 80g/eq∼600g/eq인 것이 보다 바람직하며, 80g/eq∼300g/eq인 것이 더욱 바람직하다. 본 개시에 있어서, 에폭시 수지의 에폭시 당량은, JIS K 7236：2009에 준한 방법으로 측정되는 값으로 한다.
[0026] 에폭시 수지가 고체인 경우, 에폭시 수지의 연화점 또는 융점은 특별히 제한되지 않는다. 성형성과 내리플로성의 관점에서 보면, 에폭시 수지의 연화점 또는 융점은 40℃∼180℃인 것이 바람직하고, 언더필재의 조제 시의 취급성의 관점에서 보면 50℃∼130℃인 것이 보다 바람직하다.
에폭시 수지의 융점은 시차 주사 열량 측정(differential scanning calorimetry; DSC)에 의해 측정되는 값으로 하며, 에폭시 수지의 연화점은 JIS K 7234：1986에 준한 방법(환구법(環球法, ring-and-ball method))에 의해 측정되는 값으로 한다.
[0027] 에폭시 수지의 순도의 지표 중 하나가 되는 가수분해성 염소량은, IC 등의 반도체 소자 상의 배선의 부식을 억제하여, 내습성이 우수한 언더필재를 얻는 관점에서 보면, 500ppm 이하인 것이 바람직하고, 300ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 가수분해성 염소량이란, 에폭시 수지 1g을 디옥산 30ml에 용해시키고, 1N의 KOH 메탄올 용액 5ml를 첨가하여 30분간 환류(reflux)시킨 후, 전위차 적정(滴定, titration)에 의해 구하는 값을 척도로 한 것이다.
[0028] 언더필재 중의 에폭시 수지의 함유율은 특별히 제한되지 않는다. 점도, 유리 전이 온도, 내열성 등의 관점에서 보면, 언더필재의 총량에 대한 에폭시 수지의 함유율은 0.5질량％∼75질량％인 것이 바람직하고, 20질량％∼70질량％인 것이 보다 바람직하며, 25질량％∼70질량％인 것이 더욱 바람직하다.
[0029] -이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지-
에폭시 수지는, 필렛 크랙을 보다 양호하게 억제하는 관점에서 보면, 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 이소시아누레이트 고리는 고온하에서의 우수한 내열분해성을 가지는 것으로 생각되며, 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 이용하면 경화물의 인성이 향상되어, 필렛 크랙이 효과적으로 억제된다고 생각된다.
[0030] 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지 중에서도, 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지가 바람직하다. 또한, 제2 실시형태와 관련된 언더필재에 있어서, 에폭시 수지는 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 포함한다. 그 중에서도, 액상이 되기 쉽고, 취급성이 우수하다는 관점에서 보면, 에폭시기와 이소시아누레이트 고리가 탄소수 2 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지가 바람직하다.
[0031] 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기는 직쇄(直鎖) 탄화수소기여도 되고 분기(分岐) 탄화수소기여도 된다. 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기는 치환기를 갖고 있어도 되고 갖고 있지 않아도 된다. 치환기로서는 페닐기, 히드록시기 등을 들 수 있다. 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기는 포화 사슬식 탄화수소기여도 되고, 불포화 사슬식 탄화수소기여도 되며, 전자(前者)가 바람직하다. 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기의 탄소수는 예컨대 5 이하여도 된다.
또한, 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지에 있어서의, 에폭시기와 이소시아누레이트 고리를 연결하는 사슬식 탄화수소기에 포함되는 탄소수는, 주쇄 상(主鎖上), 즉 에폭시기와 이소시아누레이트기를 연결하는 사슬 상(上)의 탄소수를 말하며, 분기쇄(分岐鎖) 및 치환기의 탄소수를 포함하지 않는 것으로 한다.
[0032] 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기로서는, 예컨대, 탄소수 1 이상인 직쇄 알킬렌기를 들 수 있으며, 탄소수 1∼5인 직쇄 알킬렌기인 것이 바람직하고, 탄소수 2∼4인 직쇄 알킬렌기인 것이 보다 바람직하며, 탄소수 2 또는 3인 직쇄 알킬렌기인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 이들 직쇄 알킬렌기에 대해 탄소수 1∼5인 분기쇄를 1개 또는 복수 개 갖는 분기 알킬렌기여도 된다.
[0033] 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지가 이관능 이상일 때, 「에폭시기와 이소시아누레이트 고리가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있다」란, 분자 내의 적어도 1개의 에폭시기가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있음을 의미한다. 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지가 이관능 에폭시 수지일 때, 분자 내의 2개의 에폭시기가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 것이 바람직하다. 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지가 삼관능 에폭시 수지일 때, 분자 내의 2개 이상, 보다 바람직하게는 3개의 에폭시기가 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기에 의해 연결되어 있는 것이 바람직하다. 에폭시기와 이소시아누레이트 고리를 연결하는 탄소수 1 이상인 사슬식 탄화수소기가 1 분자 중에 2개 이상 존재하는 경우, 각 사슬식 탄화수소기는 서로 동일해도 되고 상이해도 된다.
[0034] 또한, 이하의 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지에 대한 설명은, 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지에 대해서도 마찬가지로 적용이 가능하다.
[0035] 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지는, 필렛 크랙의 발생 억제의 관점에서 보면, 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는 것이 바람직하다.
[0036] 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지는 상온에서 고형이어도 되고 액상이어도 되며, 양자를 병용해도 된다. 언더필재의 저점도화의 관점에서 보면, 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지는 상온에서 액상인 것이 바람직하다.
[0037] 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 분자 중의 에폭시기 수(즉, 관능수)는 특별히 제한되지 않으며, 내열성의 관점에서 보면 이관능 이상인 것이 바람직하고, 삼관능인 것이 보다 바람직하다.
[0038] 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 에폭시 당량(분자량/에폭시기 수)은, 특별히 제한되지 않는다. 내열성 및 취급성의 관점에서 보면, 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 에폭시 당량은 90g/eq∼500g/eq인 것이 바람직하고, 100g/eq∼300g/eq인 것이 보다 바람직하며, 120g/eq∼160g/eq인 것이 더욱 바람직하다.
[0039] 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 점도는 특별히 제한되지 않으며, 취급성의 관점에서 보았을 때 25℃에 있어서의 점도가 50Pa·s 이하인 것이 바람직하고, 30Pa·s 이하인 것이 보다 바람직하며, 10Pa·s 이하인 것이 더욱 바람직하다.
[0040] 에폭시 수지 전체에 차지하는 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 비율은 특별히 제한되지 않으며, 언더필재의 원하는 특성에 따라 선택할 수 있다. 예컨대, 에폭시 수지 전체에 차지하는 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 비율은, 10질량％∼100질량％여도 되고, 10질량％∼75질량％여도 되며, 10질량％∼60질량％여도 된다.
에폭시 수지가 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 포함할 때, 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지 전체에 차지하는 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 비율은, 50질량％ 이상이어도 되고, 70질량％ 이상이어도 되며, 90질량％ 이상이어도 된다.
[0041] 특히, 취급성 및 필렛 크랙의 효과적인 억제의 관점에서 보면, 비스페놀형 에폭시 수지와 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 병용하는 것이 바람직하고, 비스페놀형 에폭시 수지와 특정 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지를 병용하는 것이 보다 바람직하다. 비스페놀형 에폭시 수지와 이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지의 질량 기준의 배합비(비스페놀형 에폭시 수지：이소시아누레이트 고리 함유 에폭시 수지)는 특별히 제한되지 않으며, 90：10∼25：75인 것이 바람직하고, 90：10∼40：60인 것이 보다 바람직하다.
[0042] ＜경화제＞
언더필재는 경화제를 함유한다. 경화제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 언더필재의 원하는 특성 등에 따라 선택해도 된다. 예컨대, 아민 경화제, 페놀 경화제, 산무수물 경화제, 폴리메르캅탄 경화제, 폴리아미노아미드 경화제, 이소시아네이트 경화제, 블록 이소시아네이트 경화제 등을 들 수 있다. 경화제는, 1종을 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
[0043] 언더필재에 사용하는 경화제는, 상온에서 액상인 것이 바람직하며, 저흡수성 및 피착체(被着體)에 대한 접착성의 관점에서 보면, 아민 경화제인 것이 바람직하다. 아민 경화제로서는, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, n-프로필아민, 2-히드록시에틸아미노프로필아민, 시클로헥실아민, 4,4'-디아미노-디시클로헥실메탄 등의 지방족 아민 화합물, 디에틸톨루엔디아민, 3,3'-디에틸-4,4'-디아미노디페닐메탄, 2-메틸아닐린 등의 방향족 아민 화합물, 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-에틸이미다졸, 2-이소프로필이미다졸 등의 이미다졸 화합물, 이미다졸린, 2-메틸이미다졸린, 2-에틸이미다졸린 등의 이미다졸린 화합물 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 방향족 아민 화합물이 바람직하다.
[0044] 경화제의 관능기 당량은, 특별히 제한되지 않는다. 반응성 및 조성물 특성의 관점에서 보면, 경화제의 관능기 당량(아민 경화제의 경우는 활성 수소 당량)은, 30g/eq∼300g/eq인 것이 바람직하고, 35g/eq∼200g/eq인 것이 보다 바람직하다. 경화제의 관능기 당량은, 계산값으로 한다.
[0045] 에폭시 수지와 경화제의 배합비는, 각각의 미반응분(未反應分)을 적게 억제하는 관점에서 보면, 에폭시 수지의 에폭시기의 수에 대한 경화제의 관능기(아민 경화제의 경우는 활성 수소)의 수의 비(경화제의 관능기 수/에폭시 수지의 에폭시기 수)가 0.5∼2.0의 범위 내가 되도록 설정되는 것이 바람직하고, 0.6∼1.3의 범위 내가 되도록 설정되는 것이 보다 바람직하며, 0.8∼1.2의 범위 내가 되도록 설정되는 것이 더욱 바람직하다.
[0046] ＜무기 충전재＞
언더필재는 무기 충전재를 함유한다. 무기 충전재의 종류는, 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로는, 실리카, 알루미나, 탄산칼슘, 규산지르코늄, 규산칼슘, 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소, 베릴리아, 지르코니아, 지르콘, 포스테라이트, 스테아타이트(steatite), 스피넬(spinel), 멀라이트(mullite), 티타니아, 탤크, 클레이, 마이카(mica) 등의 무기 재료를 들 수 있다. 또한, 난연(難燃) 효과를 갖는 무기 충전재를 이용해도 된다. 난연 효과를 갖는 무기 충전재로서는, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 마그네슘과 아연의 복합 수산화물 등의 복합 금속 수산화물, 붕산아연 등을 들 수 있다.
[0047] 상기 무기 충전재 중에서도, 열팽창률 저감의 관점에서 보면 실리카가 바람직하고, 열전도성 향상의 관점에서 보면 알루미나가 바람직하다. 무기 충전재는 1종을 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
[0048] 언더필재에 포함되는 무기 충전재의 함유율은, 특별히 제한되지 않는다. 경화 후의 열팽창률을 저감하는 관점에서 보면, 무기 충전재의 양은 많을수록 바람직하다. 예컨대, 무기 충전재의 함유율이 언더필재 전체의 40질량％ 이상인 것이 바람직하고, 50질량％ 이상인 것이 보다 바람직하며, 60질량％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 점도 상승을 억제하는 관점에서 보면, 무기 충전재의 양은 적을수록 바람직하다. 예컨대, 무기 충전재의 함유율이 언더필재 전체의 80질량％ 이하인 것이 바람직하다.
[0049] 무기 충전재가 입자 형상(粒子狀)인 경우, 그 평균 입자직경은, 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 체적 평균 입자직경이 0.05㎛∼20㎛인 것이 바람직하고, 0.1㎛∼15㎛인 것이 보다 바람직하다. 무기 충전재의 체적 평균 입자직경이 0.05㎛ 이상이면, 언더필재의 점도 상승이 보다 억제되는 경향이 있다. 체적 평균 입자직경이 20㎛ 이하이면, 좁은 틈새에 대한 충전성(充塡性)이 보다 향상되는 경향이 있다. 무기 충전재의 체적 평균 입자직경은, 레이저 산란 회절식 입도 분포 측정 장치에 의해 얻어지는 체적 기준의 입도 분포에 있어서 소직경(小徑)측에서의 체적의 누적이 50％가 될 때의 입자직경(D50)으로서 측정할 수 있다.
[0050] ＜첨가제＞
언더필재는, 상술한 성분에 더하여, 경화 촉진제, 응력 완화제, 커플링제, 착색제 등의 각종 첨가제를 포함해도 된다. 언더필재는, 이하에 예시하는 첨가제 이외에도 필요에 따라 해당 기술 분야에서 주지된 각종 첨가제를 포함해도 된다.
[0051] (경화 촉진제)
언더필재는, 경화 촉진제를 포함해도 된다. 경화 촉진제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 에폭시 수지 및 경화제의 종류, 언더필재의 원하는 특성 등에 따라 선택할 수 있다.
[0052] 언더필재가 경화 촉진제를 포함하는 경우, 그 양은 에폭시 수지와 경화제의 합계 100질량부에 대해 0.1질량부∼30질량부인 것이 바람직하고, 1질량부∼15질량부인 것이 보다 바람직하다.
[0053] (응력 완화제)
언더필재는, 응력 완화제를 포함해도 된다. 응력 완화제로서는, 열가소성 엘라스토머, NR(천연 고무), NBR(아크릴로니트릴-부타디엔 고무), 아크릴 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무 등의 입자 등을 들 수 있다. 응력 완화제는, 1종을 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
[0054] 언더필재가 응력 완화제를 포함하는 경우, 그 양은 에폭시 수지와 경화제의 합계 100질량부에 대해 0.1질량부∼30질량부인 것이 바람직하고, 1질량부∼15질량부인 것이 보다 바람직하다.
[0055] (커플링제)
언더필재는, 커플링제를 포함해도 된다. 커플링제로서는, 에폭시실란, 페닐실란, 메르캅토실란, 아미노실란, 페닐아미노실란, 알킬실란, 유레이드(ureide)실란, 비닐실란 등의 실란 화합물, 티탄 화합물, 알루미늄킬레이트 화합물, 알루미늄/지르코늄 화합물 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 실란 화합물(실란 커플링제)이 바람직하다. 커플링제는, 1종을 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
[0056] 언더필재가 커플링제를 포함하는 경우, 커플링제의 양은, 무기 충전재 100질량부에 대해 0.05질량부∼5질량부인 것이 바람직하고, 0.1질량부∼2.5질량부인 것이 보다 바람직하다.
[0057] (착색제)
언더필재는, 착색제를 포함해도 된다. 착색제로서는, 카본 블랙, 유기 염료, 유기 안료, 연단(鉛丹), 적산화철 등을 들 수 있다. 착색제는, 1종을 단독으로 이용해도 되고 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
[0058] 언더필재가 착색제를 포함하는 경우, 그 양은 에폭시 수지와 경화제의 합계 100질량부에 대해 0.01질량부∼10질량부인 것이 바람직하고, 0.1질량부∼5질량부인 것이 보다 바람직하다.
[0059] ［언더필재의 특성］
(질량 감소율)
언더필재는, 경화물로서 175℃의 조건하에 1000시간 동안 배치하였을 때, 경화물의 전체 질량으로부터 무기 충전재의 질량을 빼고 얻어지는 성분(「경화물의 무기 충전재 이외의 성분」이라고도 함)의 질량 감소율이 1.00질량％ 이하인 것이 바람직하다. 본 개시의 제1 실시형태에 따른 언더필재는, 상기 질량 감소율이 1.00질량％ 이하이다.
[0060] 상기 질량 감소율은, 예컨대 언더필재에 함유되는 각 성분의 종류, 배합 비율 등을 조절함으로써 조정할 수 있다.
[0061] 무기 충전재의 질량은, 경화물을 머플로(muffle furnace) 등에서 800℃ 이상의 고온으로 4시간 동안 처리하고, 처리 후에 잔여물로서 얻어지는 회분(灰分)의 질량을 측정함으로써 구할 수 있다. 경화물 중의 무기 충전재의 함유율을 이미 알고 있는 경우는, 경화물의 질량에 해당 함유율을 곱하여 산출한 값을 무기 충전재의 질량으로 해도 된다.
[0062] 경화물의 무기 충전재 이외의 성분의 질량 감소율(질량％)은, 175℃, 1000시간의 처리 전후에 있어서의 경화물의 질량을 측정하여, 무기 충전재의 질량을 구하고, 하기의 식에 의해 산출한다. 또한, 무기 충전재의 질량을 회분의 질량으로부터 구하는 경우에는, 175℃, 1000시간의 처리에 제공한 후의 경화물의 회분의 질량을 측정해도 되고, 175℃, 1000시간의 처리에 제공하는 경화물과 동일한 조건으로 제작된 동일한 질량의 경화물을 이용하여 회분을 측정해도 된다.
[0063] ML＝[｛(m0-mF)-(mB-mF)｝/(m0-mF)]×100
[0064] ML：경화물의 무기 충전재 이외의 성분의 질량 감소율(질량％)
m0：175℃, 1000시간 처리 전의 경화물의 질량(㎎)
mB：175℃, 1000시간 처리 후의 경화물의 질량(㎎)
mF：무기 충전재의 질량(㎎)
[0065] 본 개시에 있어서, 경화물로서 질량 감소율을 측정할 때의 언더필재의 경화 조건은, 165℃, 120분으로 한다.
[0066] 경화물의 무기 충전재 이외의 성분의 질량 감소율은 1.00질량％ 이하인 것이 바람직하고, 0.90질량％ 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.80질량％ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 질량 감소율은 적을수록 바람직하다.
[0067] (점도)
언더필재는, 기판과 반도체 소자 간의 공극을 충전할 때의 점도가 충분히 낮은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 110℃에 있어서의 점도가 1.0Pa·s 이하인 것이 바람직하고, 0.75Pa·s 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.50Pa·s 이하인 것이 더욱 바람직하다. 본 개시에 있어서 언더필재의 110℃에 있어서의 점도는, 레오미터(예컨대, TA Instruments Japan Inc.제의 「AR2000」)에 의해, 40mm의 평행판에서, 전단 속도：32.5/sec의 조건으로 측정되는 값이다.
[0068] ［언더필재의 용도］
언더필재는, 다양한 실장 기술에 이용할 수 있다. 특히, 플립 칩 타입의 실장 기술에 이용하는 언더필재로서 적합하다. 예컨대, 범프 등으로 접합된 반도체 소자와 기판 사이의 틈새를 충전하는 용도로 적합하게 이용할 수 있다.
[0069] 특히, 본 개시의 언더필재는, 고온하에 장시간 배치한 경우에도 필렛 크랙의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 차량탑재용 등의 파워 반도체의 시일에 적합하다.
[0070] 언더필재를 이용하여 반도체 소자와 기판 사이의 틈새를 충전하는 방법은, 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 디스펜서 등을 이용하여 공지된 방법에 의해 행하는 것이 가능하다.
[0071] ＜반도체 패키지＞
본 개시의 반도체 패키지는, 기판과, 상기 기판 상에 배치된 반도체 소자와, 상기 반도체 소자를 시일하고 있는 상술한 언더필재의 경화물을 구비한다.
[0072] 상기 반도체 패키지에 있어서, 반도체 소자와 기판의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 반도체 패키지 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로부터 선택할 수 있다. 상기 반도체 패키지는, 고온에서 장시간 작동하더라도 필렛 크랙의 발생이 억제되기 때문에, 신뢰성이 우수하다.
[0073] ＜반도체 패키지의 제조 방법＞
본 개시의 반도체 패키지의 제조 방법은, 기판과, 상기 기판 상에 배치된 반도체 소자와의 사이의 공극을 상술한 언더필재로 충전하는 공정과, 상기 언더필재를 경화하는 공정을 가진다.
[0074] 상기 방법에 있어서, 반도체 소자와 기판의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 반도체 패키지 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로부터 선택할 수 있다. 언더필재를 이용하여 반도체 소자와 기판 사이의 틈새를 충전하는 방법, 및 충전 후에 언더필재를 경화하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 수법으로 행하는 것이 가능하다.
실시예
[0075] 이하에서는, 본 개시의 언더필재를 실시예에 의해 구체적으로 설명하겠지만, 본 개시의 범위는 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 특별한 언급이 없는 한, 「부(部)」 및 「％」는 질량 기준이다.
[0076] 실시예 1∼3 및 비교예 1∼3에서 행한 특성 시험의 시험 방법을 이하에 정리하여 나타낸다. 또한, 사용한 언더필재의 여러 특성 및 신뢰성의 평가는 이하의 방법 및 조건으로 행하였다.
[0077] 평가에 이용한 반도체 장치의 사양을 이하에 나타낸다.
소자：세로 20mm, 가로 20mm, 두께 725㎛인 소자
범프：높이 45㎛인 구리(銅) 포스트 상에 높이 15㎛인 무연 솔더(Pb-Free Solder)를 설치한 것, 범프 피치는 200㎛
기판：세로 45mm, 가로 45mm, 두께 0.82mm인 E-705G(Hitachi Chemical Company, Ltd., 상품명)
솔더 레지스트(solder resist)：SR7300G(Hitachi Chemical Company, Ltd., 상품명)
[0078] (언더필재의 조제)
표 1에 나타낸 성분을 표 1에 나타낸 양(질량부)으로 혼합하여, 언더필재를 조제하였다. 각 성분의 상세는 하기와 같다.
[0079] 에폭시 수지1 … 액상 비스페놀 F형 에폭시 수지, 에폭시 당량：160g/eq, 상품명 「에포토트 YDF-8170C」, NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.
에폭시 수지2 … 트리글리시딜-p-아미노페놀, 에폭시 당량：95g/eq, 상품명 「jER 630」, Mitsubishi Chemical Corporation
에폭시 수지3 … 트리메틸올프로판트리글리시딜에테르, 에폭시 당량：120g/eq, 상품명 「에포토트 ZX-1542」, NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.
에폭시 수지4 … 1,3,5-트리스(4,5-에폭시펜틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6(1H, 3H, 5H)-트리온, 에폭시 당량：135g/eq, 상품명 「TEPIC-VL」, Nissan Chemical Industries, Ltd.
[0080] 경화제1 … 디에틸톨루엔디아민, 상품명 「jER 큐어 W」, 활성 수소 당량：45g/eq, Mitsubishi Chemical Corporation
경화제2 … 3,3'-디에틸-4,4'-디아미노디페닐메탄, 상품명 「KAYAHARD A-A」, 활성 수소 당량：63g/eq, Nippon Kayaku Co., Ltd.
[0081] 무기 충전재 … 체적 평균 입자직경이 0.5㎛인 볼 형상(球狀) 실리카, 상품명 「SE2200」, Admatechs Company Limited
[0082] 착색제 … 카본 블랙, 상품명 「MA-100」, Mitsubishi Chemical Corporation
[0083] (질량 감소율)
경화물의 무기 충전재 이외의 성분의 질량 감소율(질량％)은, 175℃, 1000시간의 처리 전후에 있어서의 경화물의 질량을 측정하고, 무기 충전재의 질량을 구하여, 하기의 식에 의해 산출하였다.
[0084] ML＝[｛(m0-mF)-(mB-mF)｝/(m0-mF)]×100
[0085] ML：경화물의 무기 충전재 이외의 성분의 질량 감소율(질량％)
m0：175℃, 1000시간 처리 전의 경화물의 질량(㎎)
mB：175℃, 1000시간 처리 후의 경화물의 질량(㎎)
mF：무기 충전재의 질량(㎎)
[0086] (신뢰성)
175℃에서 1000시간의 열이력(熱履歷, thermal history)을 거친 반도체 장치를, 현미경으로 관찰하여, 필렛 크랙의 유무를 관찰하였다.
[0087] [표 1]
[0088] 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1∼3의 언더필재를 이용한 경우, 신뢰성 시험에서 필렛 크랙이 발생하였다. 한편, 무기 충전재의 함유율이 동일한 실시예 1∼3의 언더필재를 이용한 경우, 신뢰성 시험에서 필렛 크랙은 보이지 않아 양호한 결과가 되었다.
[0089] 일본 특허 출원 제2018-100786호의 개시는, 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격은, 각각의 문헌, 특허 출원, 및 기술 규격이 참조에 의해 포함되는 것이 구체적이고 또한 각각에 기재된 경우와 동일한 정도로, 본 명세서 중에 원용되어 포함된다.

Claims (10)

  1. 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유하며,
    상기 에폭시 수지가, 에폭시기와 이소시아누레이트 고리가 탄소수 2~4인 직쇄 알킬렌기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지를 포함하고,
    상기 경화제가 방향족 아민 화합물이고,
    상기 에폭시 수지의 에폭시기의 수에 대한 상기 경화제의 활성 수소의 수의 비(경화제의 활성 수소 수/에폭시 수지의 에폭시기 수)가 0.5~2.0이고,
    경화물로서 175℃의 조건하에 1000시간 동안 배치하였을 때, 경화물의 전체 질량으로부터 무기 충전재의 질량을 빼고 얻어지는 성분의 질량 감소율이 1.00질량％ 이하인, 언더필재(underfill material).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지가, 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는 에폭시 수지를 포함하는, 언더필재.
  3. 에폭시 수지와, 경화제와, 무기 충전재를 함유하며,
    상기 에폭시 수지가, 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 가지며, 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가 탄소수 2~4인 직쇄 알킬렌기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지를 포함하고,
    상기 경화제가 방향족 아민 화합물이고,
    상기 에폭시 수지의 에폭시기의 수에 대한 상기 경화제의 활성 수소의 수의 비(경화제의 활성 수소 수/에폭시 수지의 에폭시기 수)가 0.5~2.0인,
    언더필재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에폭시기 및 이소시아누레이트 고리를 가지며, 상기 에폭시기와 상기 이소시아누레이트 고리가 탄소수 2~4인 직쇄 알킬렌기에 의해 연결되어 있는 에폭시 수지가, 분자 내에 에폭시기 이외의 탄소-산소 단결합(C-O)을 갖지 않는, 언더필재.
  5. 제1항에 있어서,
    파워 반도체용인 언더필재.
  6. 기판과, 상기 기판 상에 배치된 반도체 소자와, 상기 반도체 소자를 시일(seal)하고 있는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 언더필재의 경화물을 구비하는, 반도체 패키지.
  7. 기판과, 상기 기판 상에 배치된 반도체 소자와의 사이의 공극(空隙)을 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 언더필재로 충전하는 공정과, 상기 언더필재를 경화하는 공정을 갖는, 반도체 패키지의 제조 방법.
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