KR19990001511A - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 (1) 하기 화학 구조식(I)의 디시클로로펜타디엔계 에폭시 수지와 하기의 화학 구조식(II)의 바이페닐계 에폭시 수지가 중량비 5:5~9:1의 범위로 혼합된 에폭시 수지 3.5~10.0 중량%;

(I)

상기 화학 구조식(I)에서 n은 중합도를 나타내며 0, 1 또는 2임

(II)

(2) 두 개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100~200인 경화제 2.0~7.5 중량%; (3) 경화 촉진제 0.1~0.5 중량%; (4) 변성 실리콘 오일 0.5~1.5 중량%; 및 (5) 무기 충전제 80~90 중량%로 이루어진다.

Description

[발명의 명칭]

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 디시클로펜타디엔(dicyclopentadiene)계 에폭시 수지와 바이페닐(biphenyl)계 에폭시 수지의 중량이 5:5~9:1로 이루어진 에폭시 수지 혼합물, 페놀 노볼락(phenol novolac)계 경화제, 경화 촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기 충전제를 필수적으로 포함하고, 무기 충전제가 조성물 전체에 대해 80 중량% 이상 함유되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

[발명의 배경]

최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며 이에 따른 배선의 미세화, 소자크기의 대형화 및 다층배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부 환경으로부터 보호하는 패키지(package)는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점에서 소형 및 박형화가 가속화 되고 있다.

이와 같이 대형 반도체 소자를 소형 및 박형 패키지에 밀봉한 수지 밀봉용 반도체 장치에서는 외부 환경의 온도 및 습도 변화에 따른 열응력에 기인하여 패키지 크랙 또는 알루미늄 패드 부식 발생 등의 부식 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 따라서 현재 이의 해결책으로는 밀봉용 에폭시 수지 성형 재료의 고신뢰성화가 필요시 되고 있으며, 구체적인 방법으로는 저응력화를 위한 탄성률을 낮추는 방법, 열팽창 계수를 낮추는 방법 등이 소개되고 있고, 부식 발생을 억제하기 위한 방법으로 고순도의 에폭시 수지, 또는 경화제의 사용, 이온 포착제(ion trapper)를 적용하여 불순물을 저하 및 무기 충전제를 고충전하여 수분 흡습량을 저하시키는 방법이 있다.

탄성률을 낮추는 방법으로는, 일본 특허 특개소 제63-1894호 및 특개평 제5-291436호에 소개된 각종 고무성분에 의한 개질이 검토되어 열적 안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합, 개질시킨 에폭시 수지 성형재료가 폭 넓게 채택되고 있다. 이 방법에서 실리콘 오일은 성형 재료의 기저 수지인 에폭시 수지 및 경화제와 상용성이 없기 때문에 기저 수지 중에 미립자가 분산되므로 내열성을 유지한 채 저탄성률을 이룰 수 있다. 또한 저열팽창화에 대해서는 열팽창계수가 낮은 무기 충전제의 충전량을 것이 최선으로, 다만 무기 충전제의 충전량 증가에 따른 에폭시 수지 성형 재료의 저유동성과 고탄성이 문제가 되나, 일본특허 특개소 제64-11355호에는 구형 충전제를 그 입도 분포와 입자 크기 조절을 통하여 다량의 충전제를 배합할 수 있는 기술이 소개되기도 하였다.

일본 특허 특공소 제62-26649호에는 고순도의 올소 크레졸 노볼락(ortho-cresol novolac)형 에폭시 수지가 소개되었고, 산무수물 경화제를 대체할 수 있는 페놀(phenol) 수지가 개발된 이래 반도체 소자의 알루미늄 배선의 부식 발생문제는 거의 해결되었으며 특히 폴리이미드 수지를 이용한 반도체 소자의 표면 코팅으로 알루미늄 배선의 부식 문제를 100% 억제시켰다고 할 수 있다. 그러나 전극으로 사용되는 알루미늄 패드는 골드 와이어(gold wire)와 접속시켜야 하기 때문에 에폭시 수지 조성물과 직접적인 접촉을 하고 있어 부식이 발생하기 쉽고 이에 따른 전기적 저항의 증가 등 치명적인 불량이 야기되고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 에폭시 수지 조성물과 알루미늄 패드와의 접촉 강도를 향상시키고 수분 흡습량이 적으며 불순물 농도가 낮은 에폭시 수지 조성물이 요구되어 왔으나, 반도체의 특성이나 에폭시 수지 조성물이 취약하여 만족할 만한 에폭시 수지 성형 재료를 얻을 수 없었다.

[발명의 목적]

본 발명의 목적은 디시클로펜타디엔계 에폭시 수지와 바이페닐 에폭시 수지를 함유하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상온 보관성이 우수하고 저탄성율화 및 저흡습화를 달성하여 솔더 내크랙성이 우수하며, 알루미늄 패드 부식에 대한 저항력이 뛰어난 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 소형 또는 박형 패키지(package)에 밀봉된 반도체 소자가 외부환경의 온도 및 습도 변화에 따른 패키지 크랙이나 알루미늄 패드의 부식을 방지하여 고장 발생의 빈도를 낮출 수 있는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하기 위한 것이다.

[발명의 요약]

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 (1) 하기 화학 구조식(I)의 디시클로펜타디엔계 에폭시 수지와 하기의 화학 구조식(II)의 바이페닐계 에폭시 수지가 중량비 5:5~9:1의 범위로 혼합된 에폭시 수지 3.5~10.0 중량%; (2) 두 개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100~200인 경화제 2.0~7.5 중량%; (3) 경화촉진제 0.1~0.5 중량%; (4) 변성 실리콘 오일 0.5~1.5 중량%; 및 무기 충전제 80~90 중량%로 이루어진다.

(I)

상기 화학 구조식(I)에서 n은 중합도를 나타내며 0, 1 또는 2임

(II)

본 발명에서 사용되는 상기 화학 구조식(I)의 디시클로펜타디엔계 에폭시 수지는 당량이 240~310인 것이 바람직하며, 상기 화학 구조식(II)의 바이페닐계 에폭시 수지는 당량이 180~200인 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 경화제의 예로는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(xylok) 수지, 디시클로펜타디엔 수지 또는 이들의 혼합물이 있으며, 상기 에폭시 수지는 상기 경화제 수지의 수산기 당량에 대하여 0.8~1.2의 에폭시 당량을 갖는 것이 바람직하다.

[발명의 구체예에 대한 상세한 설명]

본 발명은 하기의 화학 구조식(I)과 화학 구조식(II)의 에폭시 수지의 중량비가 5:5~9:1로 이루어지는 에폭시 수지 혼합물;

(I)

상기 화학 구조식(I)에서 n은 중합도를 나타내며 0, 1 또는 2임

(II)

경화제, 경화 촉진제, 변성 실리콘 오일, 및 무기 충전제를 필수적으로 포함하고, 그리고 무기 충전제가 전체 조성물에 대해 80 중량% 이상 함유되는 것을 특징으로 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

본 발명에서 사용되는 에폭시 수지 혼합물의 중량비는 화학 구조식(I)과 화학 구조식(II)의 비율이 5:5~9:1인 것이 적당하다. 중량비가 5:5보다 작은 경우, 즉 화학 구조식(I)의 디시클로펜다디엔계 에폭시 수지가 화학 구조식(II)의 바이페닐계 에폭시 수지보다 많을 경우에는 내습성이 떨어질 뿐 아니라 성형 불량 발생 가능성이 높고 상온에서의 보관성도 떨어진다. 중량비가 9:1보다 큰 경우, 즉 화학 구조식(II)의 에폭시 수지가 10:0 중량비인 경우에는 내크랙성이 취약해진다. 상기 에폭시 수지 혼합물에 있어서, 화학 구조식(I)의 당량은 240~310이고, 화학 구조식(I)의 당량은 180~200인 고순도의 에폭시 수지이어야 한다.

본 발명에서 사용하는 에폭시 수지 혼합물은 전체 에폭시 수지 조성물의 3.5~10.0 중량%를 사용한다.

본 발명에서 사용하는 경화제로는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기의 당량이 100~200인 통상의 페놀 노볼락 수지, 자일록(xylok) 수지 및 디시클로팬타디엔 수지 등을 사용할 수 있는데 이를 하나 또는 두 종류 이상을 병행하여 사용할 수 있다. 가격 및 성형성의 측면에서 페놀 노볼락형 수지를 전체 경화제의 50 중량% 이상 사용하는 것이 바람직하다. 경화제와 에폭시 수지의 조성비는 경화제의 수산기 당량에 대한 에폭시 수지의 에폭시 당량이 0.8~1.2인 것이 바람직하다. 그리고 경화제의 사용량은 전체 조성물에 대하여 2.0~7.5 중량% 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 경화 촉진제는 상기 에폭시 수지 혼합물과 상기 경화제의 경화반응을 촉진하기 위해 필요한 성분으로 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올 및 트리(디메틸아미노메틸)페놀의 3급 아민류; 2-메틸이미다졸 및 2-페닐이미다졸의 이미다졸류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀 및 페닐포스핀의 유기 포스핀류; 및 테트라페닐 포스포니움 테트라페닐보레이트 및 트리메틸포스핀 테트라페닐보레이트의 테트라페닐보론염류가 있으며 이들을 하나 또는 둘 이상 병합할 수 있다. 그리고 경화 촉진제의 사용량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1~0.5 중량%가 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 좋으며 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일을 하나 또는 둘 이상 혼합하여 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 0.5~1.5 중량% 사용할 수 있다. 그러나 실리콘 오일을 1.5 중량% 이상 초과하여 사용하면 표면 오염이 발생되기 쉽고 수지 블리드가 길어질 우려가 있으며 0.5 중량% 미만으로 사용할 때는 충분한 저탄성률을 얻을 수가 없게 된다.

본 발명에서 사용된 무기 충전제는 그 평균 입자가 0.1~35.0㎛인 용융실리카 또는 합성 실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 충전량은 조성물 전체에 대해 80 중량% 이상 사용하여야 한다. 80 중량% 이하로 무기 충전제를 사용하는 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 얻을 수가 없으며, 수분의 침투가 용이해져 알루미늄 패드 등의 부식에 치명적인 영향을 미친다. 무기 충전제의 충전량의 상한선은 성형성을 고려하여 선정하여야 하며 93.7 중량% 미만을 사용하는 것이 바람직하다. 분쇄형의 실리카와 구형의 실리카를 사용하는 경우에는 분쇄형과 구형의 구성 조성비가 7:3~0:10인 혼합 형태가 좋으며 특히 고순도의 제품이어야 한다.

본 발명의 성형재료로는 브로모 에폭시의 난연제, 삼산화안티몬, 수산화 알루미나, 오산화 안티몬 등의 난연조제, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염. 에스테르계 왁스 등의 이형제, 유기염료와 무기염료의 착색제, 및 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 커플링제를 필요에 따라 사용할 수 있다.

상기와 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 일반적인 방법으로는 소정의 배합량을 헨셀 믹서 또는 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더로 용융 혼련하여 냉각, 분쇄 과정을 거쳐 최종분말을 얻는 방법이 사용되고 있다.

본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되나, 인젝션(injection) 성형법이나 캐스팅(casting) 등의 방법으로도 성형이 가능하다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1-4]

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해 하기의 표 1과 같이 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용, 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였으며, 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융 혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.

이렇게 하여 얻어진 에폭시 수지 조성물에 대하여 스파이랄 플로우를 측정하였으며 시험편을 제작, 175℃에서 6시간 후경화시킨 뒤, 굴곡 강도 및 탄성률, 흡습률을 측정하였다. 또한 48 QFP를 성형하여 후경화시킨 후 85℃, 65 %RH의 항온항습 조건에서 각각 48, 168시간 동안 흡습시킨 뒤, 245℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 전처리를 실시하여 패키지 크랙을 관찰하였다. 전처리 후에는 121℃, 100 %RH의 PCT(Pressure Cooker Tester)를 사용하여 168, 240, 300시간 동안 수분을 흡습시킨 뒤 알루미늄 패드의 부식 발생상황을 관찰하여 에폭시 수지 조성물이 알루미늄 패드의 부식에 미치는 영향을 검토하였다.

[비교실시예 1-4]

표 2에 나타난 바와 같이 각 성분을 주어진 조성대로 평량하여 실시예와 같은 방법으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였으며, 각 물성의 측정 및 패케이지 크랙, 알루미늄 패드 부식 등을 관찰하였다.

하기의 표 1과 표 2의 비교를 통해 본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 솔더 내크랙성과 알루미늄 패드 부식 저항성 등, 신뢰성이 더 우수하다는 것을 알 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉할 경우 솔더 내크랙성 뿐만 아니라 알루미늄 패드 부식에 대한 저항이 매우 우수하기 때문에 이것을 이용하여 크랙의 발생과 알루미늄 패드 부식의 발생을 억제하는 양호한 반도체 소자를 얻을 수 있다.

[표 1]

[표 2]

비교실시예에서 나타난 바와 같이 에폭시 수지를 올소크레졸노블락계 수지 혹은 바이페닐계 수지를 단독으로 사용했을 때보다 크랙 발생률이나 부식 발생률이 낮다. 이것은 디시클로펜타디엔계 수지와 바이페닐계 수지의 혼합물의 내습특성과 내크랙성이 우수함에 기인한다. 또한 이 혼합물은 바이페닐계 수지를 단독으로 사용했을 때의 상온 보관성보다 훌륭한 상온 보관성을 보이고 양산성 측면에서도 좋은 성형성을 나타낸다.

본 발명의 단순한 변형내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경을 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

1. (1) 하기 화학 구조식(I)의 디시클로로펜타디엔계 에폭시 수지와 하기의 화학 구조식(II)의 바이페닐계 에폭시 수지가 중량비 5:5~9:1의 범위로 혼합된 에폭시 수지 3.5~10.0 중량%;

   (I)

   상기 화학 구조식(I)에서 n은 중합도를 나타내며 0, 1 또는 2임

   (II)

   (2) 두 개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100~200인 경화제 2.0~7.5 중량%;

   (3) 경화 촉진제 0.1~0.5 중량%;

   (4) 변성 실리콘 오일 0.5~1.5 중량%; 및

   (5) 무기 충전제 80~90 중량%;

   로 이루어지는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 경화제가 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록(Xylok) 수지, 디시클로펜타디엔 수지 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 경화 촉진제가 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류; 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류; 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류; 및 테트라페닐포스포니움 테트라포닐보레이트, 트리메틸포스핀 테트라페닐보리에트 등의 테트라페닐보론염류로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 변성 실리콘 오일은 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.