KR20000018468A - 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하여 이루어지는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시수지가 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 조성물은 고온 내크랙성, 경화특성 및 기계적 특성이 우수하여 신뢰성 및 성형 특성이 우수한 이점을 갖는다.

[화학식 1]

단, n은 중합도를 나타내며, 1 내지 5인 값을 갖는다.

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물

본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이페닐과 페놀 구조를 동시에 가지고 있는 다관능성 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 고온 내크랙성, 경화특성 및 기계적 특성이 우수하여 신뢰성 및 성형 특성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에 관한 것이다.

최근 반도체 소자의 집적도는 나날이 향상되고 있으며 이에 따른 배선의 미세화, 소자 크기의 대형화 및 다층배선화가 급속히 진전되고 있다. 한편 반도체 소자를 외부 환경으로부터 보호하는 패키지(Package)는 프린트 기판으로의 고밀도 실장, 즉 표면 실장이라는 관점으로부터 소형·박형화가 가속화되고 있다.

이와 같이 대형 반도체 소자를 소형·박형 패키지에 봉지한 수지 봉지형 반도체 장치에서는 외부 환경의 온도 및 습도 변화에 따른 열응력에 기인하여 패키지 크랙 또는 알루미늄 패드 부식 발생 등의 고장 발생의 빈도가 매우 높아지게 된다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 성형 재료의 고신뢰성화가 강하게 요구되고 있다. 성형 재료의 신뢰성을 향상시키기 위한 구체적인 방법으로는 저응력화를 위해 탄성률을 낮추는 방법, 열팽창계수를 낮추는 방법 등이 소개되어 있고, 이외에도 부식 발생을 억제하기 위한 방법으로 고순도의 에폭시수지 또는 경화제를 사용하는 방법, 이온 포착제(Ion Trapper) 적용에 의해 불순물의 함량을 낮추는 방법 및 무기충전제를 고충전하여 수분 흡습량을 저하시키는 방법이 알려져 있다.

저응력화를 위해 탄성률을 낮추는 방법으로는, 일본 특개소 63-1894호 및 일본특개평 5-291436호에서와 같이 각종 고무 성분에 의한 개질이 검토되어 열적 안정성이 우수한 실리콘 중합체를 배합, 개질시킨 에폭시수지 성형 재료가 폭 넓게 채택되고 있다. 이 방법에서 실리콘 오일은 성형 재료의 기저 수지인 에폭시수지 및 경화제와 상용성이 없기 때문에 기저 수지 중에 미립자 분산되므로 내열성을 유지한 채 탄성률을 낮출 수 있다.

열팽창계수를 낮추는 방법과 관련해서는 열팽창계수가 낮은 무기충전제의 충전량을 늘리는 방법이 최선이나, 무기충전제의 충전량을 증가시키면 에폭시수지 성형 재료의 유동성이 저하되고 탄성이 높아지는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 일본 특개소 64-11355호에는 구형 충전제의 입도 분포와 입도의 조절을 통하여 다량의 충전제를 배합할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 충전제 양을 증가시키거나 또는 실리콘 중합체를 배합하는 방법은 탄성률을 반도체의 특성에 맞게 개선할 수는 있으나 패키지의 종류에 따른 성형성 개선에는 취약하므로 만족할 만한 에폭시수지 성형 재료를 얻을 수 없었다

본 발명의 목적은 바이페닐과 페놀 구조를 동시에 가지고 있는 다관능성 에폭시수지를 도입하여 내흡습성 및 인성 특성을 향상시키고, 무기충전제를 고충전화함으로써 흡습률 및 열팽창계수를 저감시키고 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 반도체 소자 성형시 발생하는 보이드(Void) 발생을 억제함으로써, 성형 특성과 신뢰성이 모두 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하여 이루어지는 에폭시수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시수지가 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물을 제공하는 것이다.

단, n은 중합도를 나타내며, 1 내지 5인 값을 갖는다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물의 바람직한 조성은 다음과 같다.

(1) 화학식 1의 에폭시수지 3.5∼15.0 중량%

(2) 경화제 2.0∼6.5 중량%

(3) 경화촉진제 0.1∼0.3 중량%

(4) 변성 실리콘 오일 0.1∼1.5 중량%

(5) 무기충전제 80∼87 중량%

본 발명에서 사용 가능한 에폭시수지는 상기 화학식 1에 도시된 바와 같이 바이페닐 및 페놀 구조를 갖는 에폭시수지로서 에폭시 당량이 270∼300이고, 연화점이 60∼75(℃)인 고순도 에폭시 수지이다. 본 발명의 조성물중 에폭시수지의 함량은 전체 조성물에 대해 3.5∼15.0 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에서 경화제로는 2개 이상의 수산기를 갖고 수산기 당량이 100-200인 통상의 페놀 노블락 수지, 크레졸 노블락 수지, 자일록(Xylok)수지, 디싸이클로펜타디엔 수지 등의 수지를 단독 또는 2 종류 이상 병행하여 사용할 수 있다. 그러나 가격 및 성형성의 관점에서 페놀 노블락형 수지를 경화제 전체의 50 중량% 이상 사용하는 것이 바람직하다. 에폭시수지와 경화제의 조성비는 수산기 당량에 대한 에폭시 당량이 0.8∼1.2인 것이 좋으며, 또한 경화제의 사용량은 전체 조성물에 대하여 2.0∼6.5 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에서 상기 에폭시수지와 경화제 사이의 경화 반응을 촉진하기 위해 첨가되는 경화촉진제의 예들은 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류, 테트라페닐포스포니움 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등을 포함한다. 본 발명에서 상술한 바와 같은 경화촉진제는 1종을 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상을 병용해도 좋으며, 그 함량은 전체 에폭시수지 조성물에 대하여 0.10 ∼0.30 중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 좋으며 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 변성 실리콘 오일은 전체 에폭시수지 조성물에 대해 0.1∼1.5 중량% 사용하는 것이 바람직하다. 변성 실리콘 오일을 1.5중량% 이상 초과하여 사용할 경우에는 표면 오염이 발생하기 쉽고 레진 블리드가 길어질 우려가 있으며, 이와 반대로 0.1 중량% 미만으로 사용할 경우에는 충분한 저탄성률을 얻을 수가 없게 된다.

본 발명에 사용되는 무기충전제는 그 평균입도가 0.1∼35.0㎛인 고순도 용융 또는 합성 실리카를 사용하는 것이 바람직하며, 충전량은 조성물 전체에 대해 80∼87 중량% 사용하여야 한다. 무기충전제를 80중량% 미만으로 사용할 경우에는 충분한 강도와 저열팽창화를 실현할 수 없으며 또한 수분의 침투가 용이해져 신뢰성 특성에 치명적이 된다. 이와 반대로 무기충전제의 충전량이 87 중량%를 초과하면 유동성의 저하로 인해 성형성이 나빠질 우려가 있다. 또한, 본 발명에서 무기충전제는 분쇄형과 구형의 실리카를 분쇄형과 구형의 조성비가 3/7 - 0/10인 혼합 형태로 사용하는 것이 좋다.

또한 본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에는 상기 5가지 기본 성분 이외에도 난연제, 난연조제, 표면처리제, 커플링제, 착색제, 이형제, 가소성 부여제 등이 필요에 따라 첨가될 수 있다.

본 발명에서 난연제로는 브로모화 에폭시수지를 사용할 수 있고, 난연조제로는 삼산화안티몬, 수산화알루미나, 오산화안티몬 등을 사용할 수 있다. 가소성 부여제로는 통상적으로 실리콘 고무나 에폭시 변성 실리콘 오일을 사용할 수 있고, 이형제로서는 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 에스테르계 왁스 등을 사용할 수 있다. 이 밖에 착색제로는 카본블랙, 유·무기염료 등을 사용할 수 있고, 커플링제로는 에폭시 실란, 아미노 실란, 알킬 실란 등의 실란계 커플링제가 사용되는데, 특히, γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란을 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물은 일반적으로 소정의 배합량의 각 성분들을 헨셀믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 1차로 균일하게 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더를 이용하여 용융 혼련하고나서 냉각시키고 분쇄기를 이용하여 분쇄함으로써 최종 분말 제품을 수득하는 방법으로 제조될 수 있다.

본 발명의 에폭시수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 사출성형법(Injection Molding) 또는 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-2

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물을 제조하기 위해 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성으로 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하고, 이어서 상기 1차 조성물을 믹싱 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄 과정을 거쳐 최종의 에폭시수지 조성물을 제조하고 그 물성을 측정하였다.

이어서 이와 같이 하여 수득된 에폭시수지 조성물을 가지고 MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175(℃)에서 60초간 성형시킨 후, 175℃에서 6시간 동안 후경화시켜 SOJ(Small Outline J-lead)형 반도체 소자를 제작하고 신뢰성(열충격 시험에서의 패키지 크랙 발생 정도) 및 성형성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[물성평가 방법]

(1) 스파이럴 플로우(Spiral Flow); EMMI 규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온 도 175℃, 성형압력 70Kgf/㎠에서 유동길이를 평가하였다.

(2) 유리전이온도(Tg); TMA(Thermomechanical Analyser)로 평가하였다.

(3) 열팽창계수 (α); ASTM D696에 따라 평가하였다.

(4) 굴곡강도 및 굴곡탄성률; UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190 에 따라 평가하였다.

(5) 내크랙성 평가(신뢰성 시험); 프리컨디션(Precondition)후 열충격 환경시험기 (Temperature Cycle Test)에서 1,000 싸이클 경과후 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustic Tomograph)로 크랙발생 유무를 평가하여 하기 식에 의 해 산출하였다.

내크랙성= 크랙발생 반도체 소자수/시험한 전체 반도체 소자수

a) 프리컨디션 조건

에폭시수지 조성물로 제조한 SOJ형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후, 5 싸이클의 열충격시험을 거쳐 다시 85℃/85% 상대습도 조건하에서 168시간 동안 방치한 후 235℃에서 10초 동안 IR 리플로우를 3회 통과시켜 1차로 프리컨 디션 조건하에서의 패키지 크랙발생 유무를 평가하였다. 이 단계에서 크랙이 발생되었을 경우, 다음 단계인 1,000 싸이클의 열충격 시험은 진행하지 않았다.

b) 열충격 시험

상기 프리컨디션 조건을 통과한 반도체 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5 분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 1 싸이클로하여 1,000 싸이클을 진행한후, 비파괴 검사기인 SAT를 이용하여 내부 및 외부 크랙 발생 유무를 평가하였다.

(6) 보이드 발생 갯수; 성형시 발생하는 보이드를 육안으로 관찰하여 평가하였다.

비교예 1-2

하기 표 1에 나타난 바와 같이 최종 에폭시수지 조성물의 조성을 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에폭시수지 조성물을 제조하고 동일한 방법으로 물성 및 신뢰성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 함께 나타내었다.

(단위:중량%)

구 성 성 분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
에폭시수지	화학식 1의 에폭시수지바이페닐 수지 올소크레졸노블락수지	9.09--	11.35--	-8.10-	--8.15
브롬화에폭시수지	1.02	1.38	0.90	0.92
삼산화 안티몬	2.0	2.0	2.0	2.0
페놀 노블락 수지	3.67	4.0	4.70	4.63
트리페닐포스핀	0.15	0.15	0.15	0.15
실리카	83	80	83	83
γ-글리시톡시프로필트리메톡시실란	0.42	0.39	0.42	0.42
에폭시 변성실리콘오일	0.2	0.28	0.18	0.18
카본블랙	0.25	0.25	0.25	0.25
카르나우바왁스	0.2	0.2	0.3	0.3

평 가 항 목	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
스파이럴 플로우(inch)	31	39	29	35
Tg(℃)	138	130	135	152
열팽창계수 α(㎛/m,℃)	12.2	14.2	11.5	12.6
굴곡강도(kgf/㎟)	16	14	16	17
굴곡탄성률(kgf/㎟)	2100	1800	2200	2150
신뢰성	내크랙성 평가(열충격시험)	0/64	0/64	0/64	10/64
성형성	보이드 발생 갯수	0/640	0/640	20/640	5/640

상기 표 2를 통해서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물은 기존의 비교예에 비하여 신뢰성 및 성형성 면에서 월등히 우수한 특성을 시현한다.

본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물은 바이페닐 및 페놀 구조를 가진 다관능성 에폭시수지를 도입하여 흡습성, 내크랙성 및 인성 특성 우수하며, 무기충전제를 고충전화함으로써 흡습률 및 열팽창계수가 낮고 기계적 강도 등의 물성이 우수하며 반도체 소자 성형시 발생하는 보이드(Void)의 발생을 억제할 수 있는 성형 특성과 신뢰성이 우수한 이점을 갖는다.

Claims (4)

1. 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 변성 실리콘 오일 및 무기충전제를 필수 성분으로 하여 이루어지는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시수지가 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물.

   [화학식 1]

   단, n은 중합도를 나타내며, 1 내지 5인 값을 갖는다.
2. 제 1항에 있어서, 상기 에폭시수지의 함량이 전체 조성물에 대하여 3.5∼15.0 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 무기충전제의 함량이 전체 조성물에 대하여 80∼87 중량% 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 변성 실리콘 오일이 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일, 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 또는 이들의 혼합물로서, 그 함량이 전체 에폭시수지 조성물에 대해 0.1∼1.5 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시수지 조성물.