KR20030042110A - 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에폭시 수지, 경화제 및 무기질 필러를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 상기 에폭시 수지 및/또는 경화제로서 2종류의 특정 화학식의 화합물을 필수적으로 포함한다. 본 발명에 따른 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 리드 프레임(lead frame)과의 부착력이 우수하고, 솔더 리플로우(solder reflow) 공정 후에 발생되는 계면 박리 현상을 효과적으로 감소시켜 팩키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.

Description

반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 {Epoxy resin composition for sealing semiconductor element}
본 발명은 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 특정 화학식의 2가지 화합물을 에폭시 수지 및/또는 경화제로 포함하여 리드 프레임(lead frame)과 에폭시 수지 조성물간의 부착력이 향상되고, 솔더 리플로우(solder reflow) 공정 후에 발생되는 계면 박리 현상을 효과적으로 감소시켜 팩키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조 단계는 크게 패턴설계 단계, 기판제작 단계, 부품삽입 단계, 솔더링(soldering) 단계, 커팅 단계 및 세척 단계로 구분된다. 최근에는 반도체용 재료에서 환경유해물질을 배제하려는 움직임이 대두되면서 종래에 사용되어왔던 납을 다른 금속으로 대체하여 솔더링하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 경우에는 솔더링 단계의 솔더 리플로우 공정시 온도가 종래의 솔더 리플로우 공정의 온도보다 20℃이상 높아지기 때문에 반도체 소자의 봉지재(sealing material)의 신뢰성이 특히 요구되며 이러한 특성이 반도체 소자의 품질을 좌우하는 중요한 요인이 되고 있다. 또한, 반도체가 고온에 노출될 경우, 흡수된 수분의 팽창으로 인하여 팩키지는 상당한 스트레스를 겪게되어 크랙을 발생시키게 된다.
종래에는 하기 화학식 1로 표시되는 오르소 크레졸 노볼락형 에폭시 수지에 하기 화학식 2로 표시되는 페놀 노볼락형 경화제 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 자일록형 경화제를 포함하는 조성물이 알려져 있다.
상기 식에서, n은 0 내지 10의 정수이다.
그러나, 이러한 조성물은 260℃ 이상의 솔더 리플로우 공정에서 크랙이 심하게 발생되거나 리드 프레임과 봉지재 간의 계면박리 현상이 심하게 일어나는 문제점이 있었다.
이러한 점을 해결하기 위하여, 미국특허번호 제5,082,880호는 상기 화학식 1과 같은 에폭시 수지, 페놀 노볼락 수지 경화제, 무기질 필러 및 특정 구조의 폴리말레이미드 수지를 함유하는 반도체소자봉지용 수지조성물을 개시하고 있다.
또한, 미국특허번호 제5,756,564호는 에폭시 수지, 상기 화학식 3과 같은 경화제, 실리카 파우더 필러 및 경화촉진제를 함유하는 에폭시 수지 조성물을 개시하고 있다.
그러나, 상기 발명으로는 기존의 솔더 리플로우 공정의 온도보다 20℃이상의 온도에서도 크랙 또는 계면 박리현상을 억제해야하는 기술적 요구에 부응할 수는 없었다.
따라서, 종래의 반도체 봉지재를 대체하여 260℃ 이상의 솔더 리플로우 공정에서도 크랙(crack) 또는 계면 박리현상이 발생되지 않는 고신뢰성 봉지재가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고, 고온의 솔더 리플로우 공정에서도 봉지재의 고신뢰성을 유지할 수 있는 조성물을 연구검토한 결과, 특정구조를 갖는 에폭시 수지 또는 페놀 수지 내에 존재하는 비공유 전자쌍과 리드 프레임 금속성분의 전자와의 공유결합으로 인하여 고온의 솔더 리플로우 공정에도 견딜 수 있고 부착성이 현저히 향상될 수 있음을 발견하게 된 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 특정 구조를 갖는 2가지 화합물을 에폭시 수지 및/또는 경화제 성분으로 사용함으로써 고온의 솔더 리플로우 공정에서도 크랙 또는 계면 박리현상을 발생시키지 않아 고신뢰성을 확보할 수 있는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에폭시 수지, 페놀 경화제 및 무기질 필러를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지로 하기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 사용하거나 이를 오르소 크레졸 노블락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 성분과 혼합하여 사용하며; 상기 페놀 경화제로 하기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 사용되거나 이를 노블락형 페놀 수지, 자일록형 페놀 수지, 다관능형 페놀 수지, 나프탈렌형 페놀 수지 및 디시클로페타디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 성분과 혼합하여 사용하고, 상기 조성물 내에서 상기화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물이 필수적으로 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 식에서, R1은 OH 또는이고; R2는,,,,,로 이루어진 군으로부터 선택되고; R3는 서로 같거나 다르며, H 또는 C10이하의 알킬기이고; R4는 H, 또는 C1∼18인 알킬기 또는 아릴기이고, X는 O 또는 S이고, Y는 N 또는 P이며,
상기 식에서, R1은 OH 또는이고; R2 및 R3는 H,또는이며, X 및 Y는 각각 O, S, N 또는 P이고; 그리고 n은 1∼10의 정수이다.
도 1은 본 발명에 따른 조성물의 프레임과의 부착성을 실험하기 위한 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
* 부호의 간단한 설명 *
1) 에폭시 수지 조성물, 2) 구리 프레임
이하, 본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지, 페놀 경화제 및 무기질 필러를 포함한다.
본 발명에 있어서, 에폭시 수지로는 상기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 사용하거나 이를 기타 에폭시 수지, 예를 들면, 오르소 크레졸 노블락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로 부터 적어도 하나가 선택되는 성분과 혼합하여 사용한다. 상기 화학식 4 및/또는 화학식 5의 화합물이 조성물 중 에폭시 수지 성분으로 사용되는 경우에는, R1및 R1은이다.
상기 에폭시 수지는 전체 조성물을 기준으로 약 3∼15 중량%로 함유되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 화학식 4 및/또는 화학식 5로 표시되는 수지와 기타 에폭시 수지를 혼합하여 사용하는 경우에는 상기 화학식 4 및/또는 화학식 5로 표시되는 수지의 함량이 전체 에폭시 수지 중 적어도 10 중량% 이상일 것이 요구된다. 만약 10 중량% 미만일 경우에는 목적으로 하는 고신뢰성을 달성할 수 없게 되며, 보다 바람직하게는 20 중량% 이상이다.
본 발명에 있어서, 상기 페놀 경화제는 상기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 사용하거나 기타 경화제, 예를 들면 노블락형 페놀 수지, 자일록형 페놀 수지, 다관능형 페놀 수지, 나프탈렌형 페놀 수지 및 디시클로페타디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 성분과 혼합하여 사용한다. 상기 화학식 4 및/또는 화학식 5의 화합물이 조성물 중 페놀형 경화제 성분으로 사용되는 경우에는, R1및 R1은 OH이다.
상기 페놀형 경화제는 전체 조성물을 기준으로 약 2∼15 중량%로 함유되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 화학식 4 및/또는 화학식 5로 표시되는 수지와 기타 경화제를 혼합하여 사용하는 경우에는 상기 화학식 4 및/또는 화학식 5로 표시되는 화합물의 함량이 전체 경화제 성분 중 적어도 10 중량%, 바람직하게는 20 중량% 이상일 것이 요구되며, 상기 함량에 미달되는 경우에는 에폭시 수지의 경우와 같은 문제점이 발생된다.
본 발명에 있어서, 상기 에폭시 수지 성분 1 당량에 대한 경화제 성분의 당량 비율은 0.6∼1.4, 바람직하게는 0.8∼1.2이다.
특히, 상기 화학식 4 및 화학식 5의 수지는 에폭시 수지 성분 및/또는 경화제 성분으로서 필수적으로 반도체 봉지용 수지 조성물 내에 포함되는데, 그 구조내에 포함되어 있는 O, S, N, 및 P 원소들의 비공유 전자쌍과 리드프레임 금속성분의 전자가 공유결합을 형성하여 고온의 솔더 리플로우 공정에서 충분히 견딜 수 있도록 부착성을 향상시킬 수 있는 것이다.
특히, 화학식 5의 수지는 수지의 측쇄에 비공유전자쌍들이 존재하여 리드 프레임과의 부착성을 크게 높일 수 있는 장점이 있다. 화학식 4의 수지는 비공유전자쌍에 의한 부착성 이외에 용융점도가 낮아 무기 충진제를 고충진할 수 있어 반도체 봉지제의 제반물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 화학식 4 및 5의 수지의 장점을 취하기 위하여는 전체 조성물 기준 약 5 중량% 이상을 함유할 필요가 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 무기 충진제로는 고순도의 천연실리카, 합성실리카, 용융실리카, 알루미나 등을 들 수 있으며, 성상은 구상 및 각상을 모두 적용할 수 있다. 본 발명에서 목적하는 고신뢰성을 달성하기 위해서는 전체 조성물을 기준으로 70∼95중량%, 보다 바람직하게는 80∼90중량%를 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 조성물은 일반적으로 적용되는 착색제, 난연제, 경화촉진제 및 이형제, 커플링제 및 개질제와 같은 첨가제를 선택적 성분으로 1 또는 2 이상 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 착색제는 약 1.0 중량% 이내, 난연제는 약 2.0 중량% 이내, 경화 촉진제는 약 0.1∼1.0 중량%, 그리고 첨가제는 약 1∼5 중량%의 함량으로 더 포함할 수 있다.
상기 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 각 원료들을 믹싱한 후 용융혼합기(Kneader)를 이용하여 100∼130℃의 온도에서 용융 혼합하여 상온으로 냉각시키고 분말상태로 분쇄한 후 블렌딩 공정을 거치는 일반적인 제조방법에 의하여 제조될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여, 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1∼4
본 실시예에서는 에폭시 수지로 상기 화학식 1의 화합물(에폭시 당량=199g/eq., 일본화약사의 상품명: EOCN-1020-65), 하기 화학식 6으로 표시되는 수지(에폭시 당량=175g/eq.), 및 하기 화학식 7로 표시되는 수지(에폭시 당량=245g/eq.)를 사용하였으며, 경화제로는 하기 화학식 2의 화합물(수산화기 당량=107g/eq., 메이와 화성사의 상품명: HF-1M) 및 하기 화학식 8로 표시되는 수지(수산화기 당량=145g/eq.)를 사용하였다. 에폭시 수지에 대한 경화제의 당량 비율을 1.0으로 조절하였다. 실시예 1∼4에 있어서 사용된 원료 각각의 조성은 하기 표 1에 나타내었으며, 원료를 함께 혼합한 후, 용융혼합, 냉각, 분쇄, 및 블렌딩 공정을 거쳐 일정크기로 타정하여 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
상기 식에서, n은 1∼10의 정수이다.
상기와 같이 제조된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 가열이송 성형기(압력=70㎏/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서 6시간 동안 후경화시켰다. 그 다음, 항온항습(85℃/85% RH) 조건에서 48 시간동안 방치하기 전과 후의 접착력을 측정하였고, SiN 칩이 부착된 TQFP 팩키지(바디사이즈: 28㎜×28㎜, 208 리드)에 몰딩한 다음, 175℃에서 6시간동안 후경화시켰고, 항온항습(85℃/85% RH)조건에서 흡습시킨 후 IR-리플로우(최고온도 260℃)를 3회 연속 인가한 후에 초음파 탐상기(SAT)를 이용하여 리드 프레임과 봉지재 간의 계면 박리현상을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
각각의 물성에 대한 구체적인 측정 방법은 다음과 같다.
(1) 유동성 측정(spiral flow)
EMMI-I-66 규격의 spiral flow 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70㎏/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)로 측정하였다.
(2) 접착력 측정
도 1과 같은 형태의 시편을 제작하기 위하여 구리 프레임 및 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서 6시간 동안 후경화시킨 다음, 85℃/85% RH 조건에서 48시간동안 방치하기 전과 후에 UTM(Universal Testing Machine)으로 도 1의 화살표 방향으로 인장력을 가하면서 구리 프레임이 에폭시 수지 조성물과 떨어지는 지점의 부하를 측정하여 부착력 값(MPa)으로 환산하였다.
(3) 팩키지 박리 측정
SiN 칩이 부착된 MQFP 팩키지(바디 사이즈: 28㎜×28㎜, 208 리드) 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70㎏/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 다음, 175℃에서 6시간 동안 후경화시키고 항온항습(85℃/85% RH) 조건에서 48시간동안 흡습시킨 후, IR-리플로우(최고온도=260℃)를 3회 연속 인가한 후에 초음파 탐상기(SAT)를 이용하여 팩키지 패드부분의 박리율(%), 즉 봉지재와 칩 상부간의 계면, 봉지재와 칩을 제외한 Ag 코팅된 패드 상부간의 계면, 및 봉지재와 패드 하부의 Cu 리드 프레임 간의 계면박리율(%)을 각각 10 캐비티(cavity)씩 측정하여 평균값을 얻는다.
비교예 1∼2
에폭시 수지로 상기 화학식 1의 화합물(에폭시 당량=199g/eq., 일본화약사의상품명: EOCN-1020-65)을 사용하였으며, 경화제로는 상기 화학식 2의 화합물(수산화기 당량=107g/eq., 메이와 화성사의 상품명: HF-1M) 및 상기 화학식 3의 화합물(수산화기 당량=175g/eq., 메이와 화성사의 상품명: MEH-7800SS)를 사용하였다. 에폭시 수지에 대한 경화제의 당량 비율을 1.0으로 조절하였다. 비교예 1∼2에 있어서 사용된 원료 각각의 조성은 하기 표 1에 나타내었으며, 상기 실시예와 동일한 방법으로 성능을 측정하였다.
구분 단위 실시예 비교예
1 2 3 4 1 2
화학식 1 중량% - - 3.42 3.09 7.55 5.98
화학식 2 중량% - - - - 4.65 -
화학식 3 중량% - - - - - 6.22
화학식 6 중량% 6.24 - 3.01 - - -
화학식 7 중량% - 7.17 - 3.81 - -
화학식 8 중량% 5.96 5.03 5.77 5.30 - -
브롬에폭시 중량% 1 1 1 1 1 1
실리카 중량% 84 84 84 84 84 84
첨가제 중량% 2.6 2.6 2.6 2.6 2.6 2.6
경화촉진제 중량% 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
물성평가 결과
spiral flow 인치 실시예 비교예
1 2 3 4 1 2
접착력(흡습전) MPa 5.2 5.1 4.6 4.3 3.0 2.9
접착력(흡습후) MPa 5.0 4.8 4.4 4.2 2.8 2.7
팩키지 박리(첨상부) % 0 0 0 0 22 15
팩키지 박리(패드 상부) % 0 0 5 8 90 80
팩키지 박리(패드 하부) % 0 0 0 0 31 33
상기 물성평가 결과, 에폭시 수지 및 경화제로서 화학식 4 및/또는 화학식 5의 수지를 단독 또는 기타 성분과 혼합사용하여 에폭시 수지 조성물을 제조한 경우에는 종래에 알려진 에폭시 수지 및 경화제를 사용한 경우에 비하여 유동성, 접착력 및 팩키지 박리 억제성능 면에서 월등히 우수함이 확인되었다.
본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물로 반도체 소자를 밀봉할 경우, 리드 프레임과 에폭시 수지 조성물과의 부착력이 향상되고, 솔더 리플로우 공정 시 발생되는 계면 박리 현상을 현저히 감소시킴으로써 팩키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

  1. 에폭시 수지, 페놀 경화제 및 무기질 필러를 포함하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 에폭시 수지로 하기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 사용하거나 이를 오르소 크레졸 노블락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 다관능형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로 부터 적어도 하나가 선택되는 성분과 혼합하여 사용하며; 상기 경화제로 하기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물 중 적어도 하나를 사용하거나 이를 노블락형 페놀 수지, 자일록형 페놀 수지, 다관능형 페놀 수지, 나프탈렌형 페놀 수지 및 디시클로페타디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나가 선택되는 성분과 혼합하여 사용하고, 상기 조성물 내에서 상기 화학식 4 및 화학식 5로 표시되는 화합물이 필수적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물:
    화학식 4
    상기 식에서, R1은 OH 또는이고; R2는,,,,,로 이루어진 군으로부터 선택되고; R3는 서로 같거나 다르며, H 또는 C10이하의 알킬기이고; R4는 H, 또는 C1∼18인 알킬기 또는 아릴기이고, X는 O 또는 S이고, Y는 N 또는 P이며,
    화학식 5
    상기 식에서, R1은 OH 또는이고; R2 및 R3는 H,또는이며, X 및 Y는 각각 O, S, N 또는 P이고; 그리고 n은 1∼10의 정수이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조성물 내 상기 에폭시 수지의 함량이 3∼15 중량%이고, 상기 경화제의 함량이 2∼15 중량%이며, 그리고 상기 무기질 필러의 함량이 70∼95 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 선택적 성분으로서 착색제, 난연제, 경화촉진제, 및 이형제, 커플링제 또는 개질제인 첨가제로 이루어진 군으로부터 1 또는 2 이상 선택하여 더 포함하며, 상기 조성물을 기준으로 상기 착색제는 1.0 중량% 이내, 상기 난연제는 2.0 중량% 이내, 상기 경화 촉진제는 0.1∼1.0 중량%, 그리고 상기 첨가제는 1∼5 중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 1 당량에 대한 경화제의 당량 비율이 0.6∼1.4인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
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KR100834069B1 (ko) * 2006-12-28 2008-06-02 제일모직주식회사 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물　및 이를 이용한반도체 소자

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