KR20040061557A - 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 솔더 내크랙성을 향상시키기 위해 커플링제로서 아민기를 반응기로 가지는 트리메톡시/트리에톡시 실란과 에폭시기를 반응기로 가지는 트리메톡시/트리에톡시 실란의 혼합물을 물로 전처리하여 사용함을 특징으로 하며, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉함으로써 솔더 시의 패키지 크랙의 발생과 이후의 환경시험에서의 불량 발생을 억제할 수 있다.

Description

반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물{Epoxy Molding Compound for Excapsulation of Semiconductor}
본 발명은 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체의 봉지시에 리플로우성이 우수한 경화물을 형성하여 솔더시에 발생하는 크랙과 박리에 대해 우수한 내성을 발현하는 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물은 반도체의 조립공정과 운송 및 사용에 있어서 외부 환경에 대한 반도체의 신뢰성을 확보할 수 있어야 한다. 최근, 반도체 분야에서는 기판에의 부품 실장 방법으로서, 종래의 핀 삽입 방식으로부터 표면 실장 방식으로의 이행이 진전되고 있다. 표면 실장 방식에 있어서는 패키지 전체가 용접 온도까지 가열되므로, 열충격에 의한 패키지 크랙이 큰 문제점으로 되고 있다. 또한 패키지에 크랙이 발생하지 않더라도 리플로우(Reflow) 시에 발생한 박리는 가혹한 환경에 노출되는 경우, 예를 들어 오토클레이브(Autoclave) 및 열충격 환경 시험(Temperature Cycle) 등의 환경 시험을 거치는 경우, 패키지의 신뢰성이급격히 저하되는 원인으로 작용하는 것을 볼 수 있다. 더욱이 세계적으로 환경적인 측면이 부각되어 용접 금속의 주요 성분인 납에 대한 사용 규제의 가능성이 있어, 용접 온도가 기존의 방법과 비교하여 20~30℃ 정도가 상승하게 되어, 직접적인 패키지 크랙이나 박리의 유발에 의한 신뢰성의 저하 등의 문제점은 더욱 커지게 되었다. 또한 반도체 소자의 고집적화, 소자 사이즈의 대형화, 배선폭의 미세화도 급속하게 진전되고 있어, 패키지 크랙의 문제가 한층 심화되고 있다.
상기의 문제점을 극복하기 위해, 현재로서는 반도체 봉지재에 저점도성의 에폭시 수지를 적용하는 것이 일반화되고 있다. 저점도성의 에폭시 수지로서는 비스페놀 A형, 비스페놀 F형 등의 에폭시 수지가 제안되었으나, 이들 수지는 작업성, 내열성, 기계적 강도, 인성 등의 측면에서 반도체 봉지재로서 충분하지 않은 특성을 나타낸다.
이에 대한 대안으로, 일본 특공평 4-7365호 공보에는 작업성, 내열성, 인성 등을 개량한 결정성의 비페닐계 에폭시 수지를 주성분으로 한 에폭시 수지 조성물이 제안되어 있지만, 이 조성물 역시 저흡습성, 경화성 및 저장안정성의 측면에서 만족스럽지 못하다. 또한, 일본 특개평 6-345850호 공보에는 비스페놀F형의 고형 에폭시 수지가 개시되어 있으나, 이 역시 내열성과 경화성에 문제가 있다.
한편, 일본 특개소 61-73719호 공보에는 내열성, 내습성, 저점도성을 개량한 나프탈렌 디올류의 디글리시딜 에테르 화합물이 제안되어 있고, 일본 특개평 2-88621호 공보에는 1,6-나프탈렌 디올의 디글리시딜 에테르 화합물을 이용한 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물이 제안되어 있는데, 이 봉지재는 나프탈렌의 축합 다환 방향족 구조에 기인하는 뛰어난 내열, 내습성을 보이고 저점도성 면에서도 뛰어난 특성이 있으나, 저분자량과 비대칭성으로 인해 결정구조를 취하기 어려운 점이 핸들링과 저장안정성에 부정적인 영향을 미치는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 수지계에서 충분히 보완할 수 없는 리드프레임 및 칩과의 접착력을 커플링제의 적절한 조합 및 전처리를 통하여 향상시키고, 그 결과 리플로우 후에도 박리나 크랙이 발생하지 않게 된 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 커플링제로서 아민기를 반응기로 가지는 트리메톡시/트리에톡시 실란과 에폭시기를 반응기로 가지는 트리메톡시/트리에톡시 실란의 혼합물을 물로 전처리하여 사용함을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은
(1) 에폭시 수지
(2) 경화제
(3) 경화 촉진제
(4) 커플링제; 및
(5) 무기충전제를 포함하는 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 성분 (4)가 하기 화학식 1의 화합물과 하기 화학식 2의 화합물의 혼합물을 물로 전처리하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
R3NH-R1-Si-(R2OH)3
상기 식에서,
R1은 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기이고;
R2는 메틸 또는 에틸기이며;
R3는 수소, 또는 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기임;
[화학식 2]
GO-R4-Si-(R2OH)3
상기 식에서,
GO는 글리시독시(glycidoxy)기이고;
R2는 메틸 또는 에틸기이며;
R4는 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기임.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 성분 (1)의 에폭시 수지로는 크레졸 노볼락, 페놀 노볼락, 바이페닐, 비스페놀 A, 비스페놀 F, 디사이클로디펜타디엔, 나프탈렌 등의 구조에 에폭시기가 도입된 수지를 1종 또는 2종 이상 혼합사용할 수 있고, 그 함량은 최종 수지 조성물의 5~20 중량%로 제한한다.
본 발명의 성분 (2)의 경화제로는 페놀 노볼락, 자일록, 디사이클로디펜타디엔, 나프탈렌 등의 구조에 수산기가 도입되어 있는 수지, 또는 산무수물을 1종 또는 2종 이상 혼합사용할 수 있고, 그 사용량은 상기 성분 (1)에 대한 중량비로 환산하여 에폭시 수지 100 중량부 당 50~100 중량부의 비율로 사용하되, 최종 수지 조성물의 2.5~10중량%로 제한한다. 경화제를 에폭시 수지의 50 중량부 미만으로 사용하게 되면 경화반응이 충분히 일어나지 않아 성형이 이뤄지지 않고 물성이 현저히 저하되며, 100 중량부를 초과하면 봉지재 내에 미반응 잔류물이 형성되어 신뢰성에 불량이 발생하고 경화물의 물성이 저하된다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물에서 에폭시 수지와 경화제 사이의 경화반응을 촉진하기 위해서는 경화 촉진제(성분 (3))를 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 경화 촉진제는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀 등의 3급 아민류, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸류, 트리페닐포스핀, 디페닐포스핀, 페닐포스핀 등의 유기 포스핀류, 테트라페닐포스포늄 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트 등의 테트라페닐보론염 등과 같은 통상의 경화촉진제들 중 1종 이상이 될 수 있으며, 그 사용량은 상기 성분 (1)에 대한 중량비로 환산하여 에폭시 수지 100 중량부 당 0.02~2.5 중량부의 비율로 사용하되, 최종 수지 조성물의 1.0중량% 미만으로 제한한다. 경화 촉진제가 첨가되지 않으면 경화속도가 느려져서 생산성이 감소하는 반면, 과다하게 사용되면 원하는 경화특성을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 수지 조성물의 보관안정성이 나빠져서 바람직하지 못하다.
본 발명의 가장 특징적인 성분인 성분 (4)의 커플링제는 하기 화학식 1에 도시된 바와 같이 아민기를 반응기로 가지는 트리메톡시/트리에톡시 실란, 및 하기 화학식 2에 도시된 바와 같이 에폭시기를 반응기로 가지는 트리메톡시/트리에톡시 실란으로, 이들의 아민기 또는 에폭시기 당량은 각각 150~300eq/g인 것이 바람직하다:
R3NH-R1-Si-(R2OH)3
상기 식에서,
R1은 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기이고;
R2는 메틸 또는 에틸기이며;
R3는 수소, 또는 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기임;
GO-R4-Si-(R2OH)3
상기 식에서,
GO는 글리시독시(glycidoxy)기이고;
R2는 메틸 또는 에틸기이며;
R4는 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기임.
본 발명에서는 상기 두 가지 타입의 실란계 화합물들을 타성분들과 배합하기 이전에 먼저 1:9 내지 9:1의 중량비로 혼합한 후, 그 혼합물에 물을 첨가하고 물과 상기 실란계 화합물들 간의 상분리가 완전히 없어지기에 충분한 시간 동안 강하게 교반함으로써 물로 전처리하여 사용하며, 이때 물의 첨가량은 커플링제 100중량부 대비 5~80 중량부의 물을 첨가한다. 전처리 시의 교반시간은 분위기, 온도, 및 첨가되는 물의 pH에 따라 가변적이며, 당업자는 최적의 교반시간을 용이하게 결정할 수 있을 것이다.
본 발명의 수지 조성물을 얻기 위해서는, 이와 같이 전처리된 커플링제(수분 포함)를 후술하는 성분 (5)의 무기충전제 100 중량부 대비 0.3~2.0 중량부의 양으로 첨가하되, 최종 수지 조성물의 0.1~1.0중량%로 제한한다. 커플링제의 함량이 최종 수지 조성물의 0.1중량% 미만이면 본 발명의 목적을 달성할 수 없는 반면, 그 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 액상 성분의 과다 투입으로 인해 봉지재 제조시 원재료 혼합이 용이하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 성분 (5)의 무기충전제로는 일반적인 무기충전제를 대부분 사용할 수 있지만, 그 평균입도가 10~40㎛인 용융 또는 합성 실리카를 사용하는 것이 바람직하고, 그 충전량은 최종 수지 조성물의 70~90중량%로 제한한다. 무기충전제를 최종 수지 조성물의 70중량% 미만의 양으로 사용할 경우에는 충분한 강도를 얻기어려우며 수분 흡수로 인한 알루미늄 패드 부식이 일어날 가능성이 높고, 90중량%를 초과할 경우에는 유동성이 좋지 않아서 반도체 조립시 성형성에서 불량이 발생할 가능성이 높다.
또한 본 발명의 에폭시 수지 조성물에는 상술한 성분 (1) 내지 (5) 이외에도 표면처리제, 착색제, 이형제, 유·무기 난연제, 가소성 부여제 등이 필요에 따라 첨가될 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 일반적으로 소정의 배합량의 각 성분들을 헨셀믹서나 뢰디게믹서를 이용하여 1차로 균일하게 혼합한 뒤, 롤밀이나 스크류니이더를 이용하여 용융혼련하고 나서 냉각시키고, 분쇄기를 이용하여 분쇄함으로써 최종 분말 제품을 수득하는 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 봉지하는 방법으로는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적으로 사용되는 방법이나, 사출성형법 또는 캐스팅 등의 방법으로도 성형할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
[실시예 1-4 및 비교예 1-5]
하기 표 1 및 표 2에 기재된 조성(단위: 중량%)에 따라 다양한 조성의 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 우선, 에폭시기를 함유한 실란계 커플링제로서 S-50(Chisso사, 일본)과 아민기를 함유한 실란계 커플링제로서 KBM-603(Shinetsu사, 일본)를 1:1의 중량비로 혼합하여 상온에서 1시간 동안 강하게 교반한 뒤, 증류수를 첨가하고 상온에서 12시간 동안 강하게 교반하여 완전히 혼합하였다. 이 혼합물을 나머지 성분들과 함께 헨셀믹서를 이용하여 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하고, 이어서 2-롤밀을 이용하여 100℃에서 7분간 용융혼련한 다음, 공기중에서 냉각시킨 후 후드 믹서를 사용, 분쇄하여 최종의 에폭시 수지 조성물을 수득하였다.
이와 같이 제조된 에폭시 수지 조성물의 제반 물성을 아래의 방법으로 측정한 후, 그 결과를 하기 표 1(실시예 1-4) 및 표 2(비교예 1-5)에 기재하였다.
[물성평가 방법]
(1) 스파이럴 플로우
EMMI 규격을 기준으로 금형을 제작하여 성형온도(175℃), 성형압력 70Kgf/cm2에서 유동길이를 측정함
(2) 겔타임
핫 플레이트(175℃) 상에서 에폭시 수지 조성물이 유동성을 잃기까지의 시간을 핀-스크래치법으로 측정함
(3) 굴곡강도 및 굴곡탄성율
UTM(Universal Test Machine)을 이용하여 ASTM D190에 의거 측정함
(4) 접착력
접착시험용 몰드를 사용하여 시편을 제작, 175℃에서 5시간 동안 후경화한 후에 인장시험을 통한 접착력 측정을 행하였다. 인장시험은 부착면적 6.0×3.5㎟의 치수로 시편을 제조하고, UTM으로 구리 리드프레임을 인장하여 그 강도를 측정하는 방식으로 행하였다.
(5) 리플로우 후 접착력
상기 평가항목 (4)에서와 동일한 방식으로 제작 후 후경화를 거친 시편을 85℃/상대습도 85%의 항온항습 조건에서 24시간 동안 방치한 이후 260℃에서 리플로우 후의 접착력을 인장시험으로 측정하였다.
(6) 솔더크랙발생
JEDEC J-STD-020B에 의거, MSL3 및 Pb-free 조건의 IR-리플로우를 시행한 후 육안 및 현미경을 이용하여 패키지 외관의 크랙발생을 관찰함
구성성분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
비페닐 에폭시 6.3 6.3 6.3 6.15
페놀노볼락 경화제 3.95 3.95 3.95 3.85
에폭시 커플링제 0.5 0.2 0.8 0.5
아민 커플링제 0.5 0.8 0.2 0.5
물 0.25 0.25 0.25 0.5
경화촉진제 0.2
실리카 85.0
실리콘오일 1.0
착색제 0.2
왁스 0.5
기타조제 1.6
스파이럴플로우(inch) 53 52 58 55
겔타임(sec.) 27 28 30 30
굴곡강도(kgf/cm2) 16 16 15 16
굴곡탄성율(kgf/cm2) 2000 2050 2040 2000
접착력 62 66 60 61
리플로우 후 접착력 56 54 58 55
솔더크랙발생 0/45 0/45 0/45 0/45
구성성분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
비페닐 에폭시 6.45 6.84 5.84 5.84 6.42
페놀노볼락 경화제 4.05 4.3 3.66 3.66 4.03
에폭시 커플링제 0.5 0.2 0.5 - 0.8
아민 커플링제 0.5 - 0.5 1.0 -
물 - 0.16 1.0 1.0 0.25
경화촉진제 0.2
실리카 85.0
실리콘오일 1.0
착색제 0.2
왁스 0.5
기타조제 1.6
스파이럴플로우(inch) 60 61 55 54 59
겔타임(sec.) 27 28 34 35 30
굴곡강도(kgf/cm2) 15 13 14 14 14
굴곡탄성율(kgf/cm2) 2100 2050 2000 2000 2050
접착력 62 54 60 63 55
리플로우 후 접착력 46 38 44 29 34
솔더크랙발생 12/45 45/45 21/45 7/45 6/45
상기 표 1 및 표 2의 비교를 통해, 본 발명의 에폭시 수지 조성물이 솔더 내크랙성 면에서 매우 우수하며, 이러한 결과는 본 발명의 전처리 커플링제의 사용에 의해 봉지재와 금속 리드프레임 간에 우수한 접착력이 발현되고 리플로우 후에도접착력이 유지되는 특성에 의해서 솔더 내크랙성이 개선되었기 때문임을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉할 경우, 솔더 내크랙성이 매우 우수하기 때문에 패키지 크랙의 발생과 이후의 환경시험에서의 불량 발생이 억제되어 고 신뢰성의 반도체 소자를 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. (1) 에폭시 수지
    (2) 경화제
    (3) 경화 촉진제
    (4) 커플링제; 및
    (5) 무기충전제를 포함하는 반도체 봉지재용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 성분 (4)가 하기 화학식 1의 화합물과 하기 화학식 2의 화합물의 혼합물을 물로 전처리하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 1]
    R3NH-R1-Si-(R2OH)3
    상기 식에서,
    R1은 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기이고;
    R2는 메틸 또는 에틸기이며;
    R3는 수소, 또는 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기임;
    [화학식 2]
    GO-R4-Si-(R2OH)3
    상기 식에서,
    GO는 글리시독시(glycidoxy)기이고;
    R2는 메틸 또는 에틸기이며;
    R4는 탄소수 1~5의 포화 알킬기 또는 페닐기임.
  2. 제 1항에 있어서,
    (1) 에폭시 수지 5.0~20.0 중량%;
    (2) 경화제 2.5~10.0 중량%;
    (3) 경화 촉진제 0.001~1.0 중량%;
    (4) 커플링제 0.1~1.0 중량%; 및
    (5) 무기충전제 70.0~90.0 중량%
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전처리가 상기 화학식 1의 화합물과 상기 화학식 2의 화합물의 혼합물 100 중량부당 5~80 중량부의 물을 첨가하고 물과 상기 화합물들 간의 상분리가 완전히 없어질 때까지 강하게 교반함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물과 상기 화학식 2의 화합물의 혼합비가 1:9 내지 9:1(w/w)인 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
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