KR20030075949A - 하부충진용 열경화성 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PCB상에 CSP, BGA나 플립칩 등의 부품을 장착한 후 그 계면을 충전함으로써 외부의 기계적 열적 충격으로부터 보호하여 그 접속 신뢰성을 향상시키고 필요시(접속불량시) 그 불량개소에 열을 가하여 부품을 용이하게 제거할 수 있도록 하는 하부충진(underfill)용 열경화성 에폭시수지 조성물을 제공하는 바, 이는 에폭시 수지 100중량부에 잠재성 경화제 3∼80중량부, 접착력 증진제 0.1∼10중량부 및 흐름성 조절제 0.1∼10중량부를 포함하여 높은 접합신뢰성을 가지면서 필요시 패키지를 회로기판으로부터 쉽게 가공/분리할 수 있어 수리가 용이하다.

Description

하부충진용 열경화성 수지 조성물{Underfill resin composition}
본 발명은 하부충진용 열경화성 수지 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PCB상에 CSP, BGA나 폴립칩 등의 부품을 장착한 후 그 계면을 충전함으로써 외부의 기계적 열적 충격으로부터 보호하여 그 접속 신뢰성을 향상시키고 필요시(접속불량시) 그 불량개소에 열을 가하여 부품을 용이하게 제거할 수 있도록 하는 하부충진(underfill)용 열경화성 에폭시수지 조성물에 관한 것이다.
최근 휴대전화나 노트북, 디지털카메라 등 휴대용 전자기기의 고기능 소형화추세에 부응하기 위하여 고집적 소형화가 가능한 CSP류, BGA류 및 플립칩류의 패키지 사용이 급속히 확대되고 있다. 그런데 CSP/BGA류의 회로기판 상의 접속은 패키지의 배면에 위치한 도전 볼에 의해 접속되는데, 기존 리드형태의 땜납접속과는 달리 그 접속 강도가 취약하여 이를 보호하기 위하여 회로기판과 CSP/BGA 패키지 사이의 공간에 경화성 수지를 충진하여 그 구조적 결함의 보완이 요구된다.
그러나 하부충진용 수지로 일반적인 열경화성 수지를 사용할 경우, CSP나 BGA류가 장착된 회로기판에 불량이 발견되었을 때 그 수리가 용이하지 않아 전체 구조물을 폐기해야만 하는 문제점을 안고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 목적으로 회로기판상의 CSP/BGA 장착과 유사한 기술로서 베어칩을 회로기판 상에 장착하는 기술이 받아들여지고 있다. 이러한 기술 중 하나로 일본특허공개 93-102343호에는 광경화성 접착제를 사용하여 베어칩을 회로기판 상에 접속하고 불량이 발생할 경우에 이 베어칩을 제거하는 창작방법이 기재되어 있다. 그러나 여기서는 광경화성 접착제를 사용하므로 수지의 경화를 위해 광조사가 가능한 유리와 같은 투명기판에 한정될 뿐만 아니라 그 구조물의 접속 신뢰성이 열경화성 수지에 비하여 취약한 단점을 가지고 있다.
또한, 일본특허공개 94-69280호에는 칩과 기판과의 고정 및 접속을 소정 온도에서 경화가능한 수지를 사용하여 행하는 방법이 기재되어 있는데, 접속불량이 발견되면 이 소정온도보다 높은 온도에서 수지를 연화시켜 베어칩을 제거한다고 명시하고는 있으나, 여기에는 사용수지와 칩의 제거 후 기판에 남아있는 수지 잔유물에 대한 언급이 없다. 따라서 이 방법은 완전하다고 할 수 없다.
그리고, 일본특허공개 94-77264호에는 칩제거 후 회로기판 상에 남은 수지잔류물을 제거하기 위하여 용제를 사용하여 수지를 팽윤시켜 제거하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법은 수지를 팽윤시키는데 많은 시간이 요구될 뿐만 아니라사용되는 용제가 주로 부식성이 있는 유기산으로 회로기판의 손상 및 잔류시 신뢰성 저하를 초래한다.
일본특허공개 93-251516호에는 비스페놀A형 에폭시수지를 사용하는 장착방법이 기재되어 있으나, 패키지의 제거가 용이하지 않고 경화단계가 높은 온도에서 장시간 요구되어 생산성이 떨어진다.
또한 대한민국 특허공개 제2000-70203호에는 열경화성수지에 아크릴산과 같은 가소제를 첨가하여 수지조성물의 열적특성을 열하시켜 필요시 그 수리를 용이하게 하였으나, 수리를 위하여 첨가된 가소제로 인하여 회로기판과 패키지간의 접합특성이 약화되어 그 신뢰성이 취약하다.
따라서 패키지의 고집적화에 대응할 수 있는 높은 접합신뢰성을 유지하면서도 필요시 패키지를 회로기판으로부터 쉽게 가공/분리할 수 있고 생산성이 높은 소재의 발명이 절실히 요구된다.
이에 본 발명은 고집적 반도체소자의 표면실장에서의 요구를 충족하기 위하여 높은 접합신뢰성을 유지하면서 필요시 실장된 패키지의 가공/분리가 가능한 생산성이 높은 고유동성의 속경화형 일액형 에폭시수지 조성물을 제공하기 위하여 안출된 것으로, 분자내 가소기능을 갖는 에폭시수지, 잠재성 경화제로서 변성폴리아민, 그리고 실리콘계열 또는 티타네이트계열의 접착력증진제를 적절히 조합함으로써 수지 경화물의 가교밀도를 조절하여 탄성율이 높고 접착신뢰성이 우수하며 필요시 가공/분리가 가능한 수지 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하부충진용 열경화성 수지조성물은 에폭시 수지 100중량부, 잠재성 경화제로서 변성폴리아민 3∼80중량부, 접착력 증진제 0.1∼10중량부 및 흐름성 조절제 0.1∼10중량부를 포함하는 것임을 그 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 패키지 장착 단면도이다.
1 - Solder Ball2 - PCB
3 - 하부충진(언더필)수지 4 - BGA, CSP, Flip Chip
이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 PCB상에 장착된 CSP, BGA 및 그 유사물 등의 반도체 부품의 접속신뢰성 향상을 위해 부품의 하부를 충진 성형하는 데 사용되는 열경화성 수지 조성물에 관한 것이다.
본 발명 수지 조성물의 구체조성을 살펴보면 다음과 같다.
(1)에폭시 수지
본 발명의 열경화성 수지 조성 중 포함되는 에폭시 수지는 일반적인 에폭시 수지인 비스페놀-A형 에폭시 수지, 비스페놀-F형 에폭시 수지, 페놀노블락 에폭시 수지와 분자내 에스테르기 (R1-C00-R2)를 갖는 가소성 에폭시 수지 및 반응성 희석제를 적절히 조합하여 사용할 수 있다. 여기서, 반응성 희석제라 함은 분자내 최소 1개 이상의 에폭시기를 갖는 C6~C24의 저분자량 에폭시 수지를 의미한다.
에폭시 수지의 바람직한 조성은, 조성물의 점도 및 다른 특성을 고려하여 비스페놀-A형 에폭시 수지를 에폭시 수지 중 10∼90중량%, 바람직하게는 50∼90중량%의 범위로 사용하고, 가소성 에폭시 수지와 반응성 희석제는 가교밀도를 고려하여 그 합이 전체 에폭시 수지 중 40중량%를 넘지 않도록 사용하는 것이다. 만약 가소성 에폭시 수지와 반응성 희석제의 혼합 사용량이 전체 에폭시 수지 중 40중량%를 초과하면 접착력 및 경화특성이 급격히 저하 된다.
(2)잠재성 경화제
본 발명의 열경화성 수지 조성 중 포함되는 잠재성 경화제는 최소 2개 이상의 활성수소를 갖는 융점이 80∼150℃인 고상의 변성 폴리아민으로, 융점이 80℃보다 낮은 경화제는 보관안정성 확보가 어렵고 융점이 150℃ 보다 높은 경우에는 경화특성이 나빠 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
구체적인 변성 폴리아민 경화제의 예로는, 표면실장에서 불량발견시 패키지의 가공/분리 특성을 고려하여 자체 가소기능을 지니도록 조정된 우레아변성 (R3-NHCONH-R4)폴리아민, 알킬변성 디시안디아마이드, 알킬변성 이미다졸 등을 들 수 있으며, 그 사용량은 수지의 에폭시 당량과 경화제의 활성수소 당량의 비율이 0.6∼1.2 범위 즉, 상기 에폭시 수지 100중량부에 대하여 3∼80중량부이다. 만일 잠재성 경화제의 함량이 에폭시 수지 100중량부에 대하여 3중량부 미만이면 조성물의 미경화가 발생하고, 80중량부를 초과하면 조성물은 경화균형을 잃어 특성이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.
(3)접착력 증진제
본 발명의 열경화성 수지 조성물에 포함되는 접착력증진제로는 실리콘계 커플링제 또는 티타네이트계 커플링제를 들 수 있으며, 보다 구체적으로는 다음 화학식 1로 표시되는 포스페이트 에스터 접착 프로모터와 에폭시, 멀캅토, 비닐 및 아민 작용기를 갖는 실리콘 커플링제이며, 티타네이트계 커플링제로는 이소프로필트리이소스테로일 티타네이트(Isopropyltriisostearoyl titanate), 이소프로필트리도데실벤젠설포닐 티타네이트(Isopropyltridodecylbenzenesurfonil titanate), 테트라이소프로필비스디옥틸포스파이트티다네이트(Tetraisopropyl-bis(dioctylphosphite) titanate), 비스디옥틸프로필로포스파이트옥시아세테이트 티다네이트(Bis(dioctylpyrophosphate)oxyacetate titanate) 등이 사용되며 그 사용량은 에폭시 수지 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부가 적합하다. 이같은 접착력 증진제의 함량이 에폭시 수지 100중량부에 대하여 10중량부를 초과하면 조성물의 경화특성이 열하되는 문제가 있다.
상기 식에서, R은 벤젠고리를 함유한 C12~C24의 알키기이다.
(4)흐름성 조절제
본 발명에서 사용되는 흐름성 조절제로는 흄드실리카, 벤토나이트 등의 무기조절제와, 폴리하이드록시 카르복실릭산 아마이드, 변성우레아 등의 유기조절제가 사용될 수 있으며, 그 사용량은 에폭시 수지 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부인 것이 바람직하다. 만일, 흐름성 조절제의 함량이 에폭시 수지 100중량부에 대하여 10중량부를 초과하면 유동성이 떨어져 생산성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
(5)무기충진제
한편, 본 발명의 열경화성 수지 조성물에는 패키지의 필요에 따라서 무기충진제를 더 포함할 수 있는 바, 무기충진제로는 결정성실리카 분말, 용융실리카 분말, 흄드실리카 분말, 유리섬유, 알루미나 분말, 마그네슘 분말, 산화실리콘, 탄산칼슘, 탈크, 석면 등이 사용될 수 있으나 경제성 및 충진속도를 고려하여 평균입경이 10㎍이하인 구상의 용융실리카가 바람직하다. 사용시 그 함량은 에폭시 수지 100중량부에 대하여 80중량부 이하, 바람직하게는 1∼60중량부인 것이다. 만일, 무기충진제의 함량이 에폭시 수지 100중량부에 대하여 80중량부를 초과하여 사용하면 조성물의 유동성이 떨어져 생산성이 나빠지게 된다.
(6)기타 첨가제
또한 본 발명의 열경화성 수지 조성물에는 기타 레벨링제, 소포제, 착색제 등의 다른 첨가물을 함유 할 수 있으며, 첨가시 그 함량은 에폭시 수지 100중량부에 대하여 10중량부를 넘지 않도록 한다. 만일, 기타 첨가제의 함량이 에폭시 수지 100중량부에 대하여 10중량부를 넘으면 경화특성이 열하되는 문제가 있을 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 조성물 제조에는 공지 액상수지 조성물의 혼합방법을적용할 수 있으며, 그 배합순서는 문제가 되지 않는다. 조성물의 특징에 따라서는 제조공정에서 일정온도를 높인 상태에서 혼합시키는 방법도 적용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1∼3 및 비교예 1∼3
다음 표 1에 나타낸 조성으로 열경화성 수지 조성물을 얻었다.
성분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
에폭시수지(1) 100.0 100.0 100.0 100.0 - (일)A사의제품
에폭시수지(2) - - - - 100.0
잠재성경화제 a 18.0 - 18.0 - 18.0
b - 20.0 - - -
일반경화제 - - - 8.0 -
접착력증진제(1) 3.0 3.0 - - -
접착력증진제(2) - - 1.0
흐름성조절제 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
기타첨가제 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
(주)에폭시 수지(1): YD-128(국도화학 제품) 70중량% + ERL-4299(미,유니온카바이드 사 제품) 20중량% + EPONITT 012(일,니토카세이사 제품) 10중량%에폭시 수지(2): YD-128(국도화학 제품) 100%잠재성경화제a: 우레아변성 폴리아민(일,아데카사 제품)잠재성경화제b: 알킬변성 디시안디아마이드(일,아지노모도사 제품)일반경화제: 디시안디아마이드(스,시바가이기사 제품)접착력 증진제(1):LUBRIZOL 2063(독,랑거사 제품, 포스페이트 에스터 접착 프로모터)접착력 증진제(2) : S510(일, 시코쿠사 제품, 실리콘 커플링제)흐름성 조절제 : BYK410(독,BYK사 제품)기타첨가제 : 소포제, 레벨링제, 분산제 등비교예 3: 아크릴 수지를 함유한 조성으로 이루어진 열경화성 에폭시수지 조성물
상기 표 1과 같은 조성을 갖는 각각의 조성물을 도 1에 나타낸 바와 같이,표면실장된 BGA와 CSP(4)에 디스펜서로 도포한 후, 조성물(3)이 모세관현상에 의해 PCB(2)와 패키지 사이의 공간에 완전히 채워지는데 까지 소요되는 시간(즉, 충진속도)을 측정하고, 충진된 조성물을 120℃에서 20분 경화(비교예 1은 170℃에서 2시간 경화)시켜 전단인장강도, 굴곡시험, 열충격시험, 수리(리페어,Repair) 성능 등을 측정하여 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다. 각각의 측정방법은 다음과 같다.
가)충진속도 : 1.6㎜ 유리-보강 에폭시 기판에 0.75㎜피치, 볼사이즈 0.5㎜, 196핀 BGA를 실장하여 0.15g의 수지조성물을 BGA 한쪽면에 디스펜서로 도포하여 도포 반대면까지 충진되는 데까지 소요되는 시간을 측정하였다.
나)전단인장강도 : 0.75mm 피치, 볼사이즈 0.5mm, 48핀 CSP를 상기와 같이 실장하여 0.05g의 수지조성물을 충진하여 경화한 후 만능시험기(인스트롱)를 사용하여 측정하였다.
다)굴곡시험 : 상기와 같이 장착된 BGA 시료의 반대면에 지속적인 힘을 가하여 BGA가 박리될 때까지 부하된 힘과 이때 발생된 변위량을 측정하였다.
라)열충격시험 :상기와 같이 25개의 BGA 시료를 각각 제작하여 -55℃에서 30분, 125℃ 에서 30분 유지하는 열 사이클을 적용, 300사이클 도달 후 시료의 전도연속성을 측정하여 불연속 시료수를 산출하였다.
마)수리(Repair) 성능 : 1.6㎜ 에폭시 회로기판에 수지 고정물로 고착된 BGA 주위를 250℃의 열을 1분간 가하여 BGA주위의 수지 경화물을 스크레퍼(주걱)로 긁어낸 후 핀셋을 사용하여 BGA를 회로기판으로부터 분리시켰다. 이후 열풍기와 스크레퍼를 사용하여 회로기판에 남아있는 수지경화물과 납 잔유물을 긁어내고 아세톤과 같은 유기용제로 수리부분을 세정하여 회로기판의 외관상태를 확인하고 정상의 패키지를 재 장착하여 정상작동 시료수를 측정하였다.
항 목 단 위 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3
충진속도 25℃ 분,초 6'05" 6'40" 6'10" 7'30" 15'45" 8'15"
60℃ 분,초 1'40" 1'45" 1'41" 2'35" 6'20" 3'10"
전단인장강도 kg.f/csp 63 68 54 86 70 36
굴곡시험 강도 kg.f/BGA 11.42 12.05 9.55 12.55 12.21 8.19
변위량 mm 3.02 3.14 2.94 2.56 2.50 2.25
열충격시험 - 0/25 0/25 0/25 23/25 4/25 11/25
수리 외관 - 양호 양호 양호 수리불가 불량 양호
재장착 - 가능 가능 가능 불가 가능
상기 표 2의 결과로부터, 실시예 1 ~ 3의 수지조성물의 경우 충진속도가 빠르고 열경화시간이 120℃에서 20분으로 짧아 생산성을 향상시킬 수 있으며, 패키지와 회로기판간의 접합강도가 높고 열충격에 대한 사이클성 신뢰성이 우수함을 알 수 있으며, 또한 필요시 열을 가하는 간단한 조작으로 불량 패키지를 수리할 수 있는 기능도 우수함을 알 수 있다. 그러나, 종래의 제품이나 비교예 1~2의 수지조성물의 경우는 경화시간이 170℃에서 2시간으로 길거나, 충진속도가 느려 생산성이 떨어질 뿐만 아니라 열충격에 대한 사이클성 신뢰성 또한 떨어지며, 비교예 1의 수지조성물을 사용한 경우는 불량 패키지에 대한 수리가 전혀 불가한 결과를 가져옴을 알 수 있다. 그리고 비교예 3의 경우에는 충진속도, 경화시간, 수리기능 등은 충족하나 접합강도가 약하며 열충격에 대한 사이클성 신뢰성이 떨어져 고신뢰성이 요구되는 패키지에는 그의 사용이 불가함을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 분자내 가소구조를 갖는 에폭시 수지와 경화제에 접착력 증진제를 적절히 배합하여 열경화성 수지 조성물을 조성하고 이를 이용하여 PCB 상에 장착된 배면볼 형태의 패키지(CSP, BGA, 플립칩 등)의 접속신뢰성 향상을 위해 부품 하부에 충진 성형할 때 충진속도가 빠르고 짧은 시간의 열경화로 생산성이 우수하며 패키지와 회로기판간의 접합강도가 높아 외부의 기계적/열적 충격으로부터 보호능력이 탁월하며 아울러 필요시 가열하여 힘을 가하면 패키지 조립체를 회로기판으로부터 용이하게 가공/분리하여 재사용을 가능하게 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 에폭시 수지 100중량부, 잠재성 경화제로서 변성 폴리아민 3∼80중량부, 접착력 증진제 0.1∼10중량부 및 흐름성 조절제 0.1∼10중량부를 포함하는 하부충진용 열경화성 수지 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 에폭시 수지는 분자내 에스테르기를 갖는 가소성 에폭시 수지와 반응성 희석제의 조합을 전체 에폭시 수지 중 40중량% 이하로 포함하는 것임을 특징으로 하는 하부충진용 열경화성 수지 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 변성 폴리아민은 우레아변성 폴리아민, 알킬변성 디시안디아마이드 및 알킬변성 이미다졸로부터 선택된 적어도 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 하부충진용 열경화성 수지 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 접착력 증진제는 포스페이트 에스터 접작 프로모터, 실리콘계 커플링제 및 티타네이트계 커플링제로부터 선택된 적어도 1종 이상의 것임을 특징으로 하는 하부충진용 열경화성 수지 조성물.
KR1020020015545A 2002-03-22 2002-03-22 하부충진용 열경화성 수지 조성물 KR20030075949A (ko)

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