KR20040071512A

KR20040071512A - 낮은 유전율을 갖는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지조성물

Info

Publication number: KR20040071512A
Application number: KR1020030007524A
Authority: KR
Inventors: 조경순
Original assignee: 주식회사 금강고려화학
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-12

Abstract

본 발명은 낮은 유전율을 갖는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 종래 실리카보다 유전율이 낮은 나노 다공성 실리카를 함유하는 경화물을 제공하는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 1∼100㎛의 평균입경 및 50∼200m²/g의 비표면적을 갖는 나노 다공성 실리카를 적어도 5.0중량%로 포함하는 충진제를 함유한다.

Description

낮은 유전율을 갖는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 {Epoxy resin composite having low dielectric constant for sealing semiconductor element}

본 발명은 낮은 유전율을 갖는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 종래 실리카보다 유전율이 낮은 나노 다공성 실리카를 함유하는 경화물을 제공하는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

종래의 반도체소자 봉지용 실리카는 구상 또는 각상 형태의 분말이고 유전율이 높아 전량 사용하면 반도체 봉지재의 신뢰성 향상 및 기계적인 물성에는 우수한 특성을 나타내었다. 또한, 실제 알루미늄 배선의 경우 EMC 봉지재의 유전율에는 특별한 문제가 되지 않았으나 구리 배선의 고집적회로에서 종래의 실리카를 사용할 경우에는 전체적인 EMC 물성 중 유전성을 취약하게 만든다.

앞으로 반도체 소자의 배선폭과 배선간의 거리가 점점 작아져 0.13㎛급 이하의 크기가 되는 고집적 소자에서는 배선을 종래의 알루미늄 배선보다 전기저항성이 우수한 물질인 구리 배선으로 바꾸어야 한다. 이러한 경우, 구리배선의 전기저항을 줄이기 위해 1차적으로 층간물질을 저유전율 물질로 바꾸어야 하며, 2차적으로 팩키징 재료도 저유전율 물질로 바꾸어야 한다.

이에 본 발명자들은 에폭시 수지 봉지재에 사용되는 실리카의 경우 통상적으로 유전율 k는 3.9∼4.2로 높은 수치를 나타내는 반면, 다공성 실리카는 k≤2.0으로 유전율이 낮아 절연성을 향상시킬 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물보다 낮은 유전율을 갖고, 이에 따라 전체 팩키징(Packaging) 재료를 저유전체로 사용하여 전도성을 최대화할 수 있으며, 절연성이 우수하여 PCT(Pressure Cooker Test)와 같은 고온 다습한 환경에서 우수한 성능을 나타내고, 고집적 구리배선회로의 설계에 사용가능한 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은, 비스페놀 A형, 지환형, 선형 지방족, 크레졸 노볼락형, 바이페닐형, 복소환계 및 할로겐화 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 1분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 함유하는 에폭시 수지 3∼20중량%; 페놀 노볼락수지, 레졸형 페놀수지, 크레졸 노볼락수지, 페놀 알킬수지, 비스페놀 A 노볼락수지, 노닐 페놀수지, t-부틸 페놀 노볼락수지, 및 디사이클로펜타디엔 페놀수지로 이루어지 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 1분자 중에 OH기를 2종이상 함유하는 경화제 3∼20중량%; 및 1∼100㎛의 평균입경 및 50∼200m²/g의 비표면적을 갖는 나노 다공성 실리카를 적어도 5.0중량%로 포함하는 충진제 60∼90중량%;로 이루어진다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체봉지용 에폭시수지 조성물은, 에폭시수지, 경화제 및 충진제를 필수성분으로 함유한다.

본 발명에서 사용할 수 있는 에폭시 수지는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 비스페놀 A형, 지환형, 선형 지방족, 크레졸 노볼락형, 바이페닐형, 복소환계 및 할로겐화 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되며, 1분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 함유하는 에폭시 수지이다. 상기 에폭시 수지의 함량은 3∼20중량%이고, 상기 에폭시 수지의 함량이 3중량% 미만이면 분산이 잘 안되어 제조가 어려우며, 20중량%를 초과하면 요구되는 물성이 나오기 어렵다.

또한 상기 에폭시 수지 성분의 경화제로서 작용하는 페놀수지의 선처리품으로서 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 페놀 노볼락수지, 레졸형 페놀수지, 크레졸 노볼락수지, 페놀 알킬수지, 비스페놀 A 노볼락수지, 노닐 페놀수지, t-부틸 페놀 노볼락수지, 및 디사이클로펜타디엔 페놀수지로 이루어지 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되고, 1분자 중에 OH기를 2종이상 함유한다. 상기 경화제의 함량은 3∼20중량%이고, 상기 경화제 함량이 3중량% 미만이면 분산이 잘 안되어 제조가 어려우며, 20중량%를 초과하면 요구되는 물성이 나오기 어렵다.

이 때 사용하는 경화제인 페놀 수지는 에폭시 수지의 에폭시 1당량에 대하여페놀수지의 OH당량이 0.5∼1.5정도인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.9∼1.1이다. 또한, 상기 에폭시 수지와 페놀 수지의 당량비가 상기 범위를 벗어날 경우는 에폭시 수지 조성물의 경도 저하로 인하여 경화도가 느려져 금형이형에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에 있어서 사용가능한 충진제는 실리카 및 나노 다공성 실리카로서, 특히 본 발명에 따른 나노 다공성 실리카는 평균입경이 1∼100㎛이고 비표면적이 50∼200m²/g을 특징으로 하며, 유전율이 낮고 비표면적인 넓으며, 구상 또는 각상 형태를 갖는다. 상기 입경이 100㎛를 초과하면 제조가 어려울 뿐만 아니라 작업성이 떨어지게 되고, 비표면적이 상기 범위를 벗어나면 흐름성이 나빠지는 문제가 있다.

또한, 상기 나노 다공성 실리카는 전체 충진제 함량 100중량%에 대하여 적어도 5.0중량%로 포함되고, 나노 다공성 실리카 단독으로 사용가능하다. 또한, 바람직하게는 5.0∼80중량%이고, 흡습성을 고려하여 더욱 바람직하게는 20∼50중량%이며, 나머지는 통상적인 실리카를 혼합하여 사용할 수 있다.

그리고, 상기 충진제는 60∼90중량%로 수지 조성물에 혼합되며, 상기 충진제의 함량이 60중량% 미만이면 요구되는 물성이 떨어지며, 90중량%를 초과하면 제조가 어렵게 된다.

본 발명에 있어서 에폭시 수지와 경화제의 경화 반응을 촉진하기 위해 경화촉매를 사용하는 것이 바람직하며, 이때 경화촉매는 경화반응을 촉진시킬 수 있는것이면 한정되지 않고, 예를 들어 2-메틸이미다졸, 2,4-디메틸이미다졸, 2-에틸4메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-페닐4-메틸이미다졸 등의 이미다졸 화합물, 트리에틸아민, 벤질디메틸아민, 메틸벤질디메틸아민, 2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 1,8-디아자비시클로(5,4,0) 운데-7-엔 등의 삼급 아민 화합물 및 트리페닐포스핀, 트리메틸포스핀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀, 트리(노닐 페닐)포스핀 등의 유기 포스핀 화합물을 들 수 있다. 그 중에서 내습성 및 열시경도가 우수한 유기 포스핀류를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 경화촉매는 2종류 이상을 병용해서 사용할 수 있으며, 그 배합량은 에폭시 수지 100중량부에 대해 0.1∼10중량부의 범위가 바람직하다.

그밖에도 본 에폭시 수지 조성물에는 수지계와 충진제간의 결합력을 부여해 주는 실란계 커플링제, 카본블랙, 산화철 등의 착색제, 하이드로탈사이트계의 이온 포착제, 장쇄지방산, 장쇄지방산의 금속염, 파라핀 왁스, 카누바 왁스 등의 이형제 및 변성 실리콘 수지, 변성 폴리 부타디엔 등의 저응력화제를 필요에 따라 임의로 첨가하는 것이 가능하다.

본 발명의 에폭시 수지 조성물의 제조 방법으로는 용융 혼련법이 바람직하며, 예를 들어 밤바리 믹서, 니더, 롤, 단축 또는 이축의 압출기 및 코니더 등의 공지된 혼련방법을 사용하여 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 조성물을 적용할 수 있는 반도체 장치란 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등을 반도체 칩위나 기판위에 집적하고 배선하여 만들어지는 전자회로(집적회로)를 의미한다.

하기 실시예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 실시예 중의 각 원료의 양은 특별히 언급되지 않는 한 그램(g)을 나타낸다.

실시예 1 내지 4 및 비교예 1

하기 표 1에 나타낸 성분 및 함량으로 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 제조된 수지 조성물은 수지와 실리카 분말간의 고른 분산을 유지하기 위하여 2축혼련기(기기명:Twin-kneader)로 혼련하여 용융 혼합하였다. 이 때 토출물의 온도는 100∼115℃인 것이 적당하며 바람직하게는 105∼115℃이다.

용융 혼합된 에폭시 수지 조성물을 흐름성을 측정하기 위하여 스파이럴 플로우를 측정하였고 기계적인 물성은 선팽창 계수 및 굴곡탄성율을 측정, 전기 특성은 유전율과 체적저항율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

또한, 하기 표 1의 비교예 1에서는 현재 사용중인 실리카의 반도체 봉지재의 실리카 배합으로써 보통의 경우에 1, 2, 3차구로 이루어지며 그 크기가 30㎛, 10㎛, 1㎛로 이루어지고, 그 무게분율은 보통 5:2:1로 구성된다.

구분	원료명	내용	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
에폭시 수지	크레졸 노볼락 에폭시수지	에폭시 당량:199연화점: 65℃	100
에폭시 수지	할로겐화 에폭시 수지	에폭시 당량: 460,Br 49% 연화점: 87℃	10
경화제	노볼락 페놀 수지	OH당량: 106연화점: 88℃	47
충진제	실리카 분말	비표면적: 0.8 Sq.m/gm평균입경: 23.7㎛	522		522	522	522
	실리카 분말	비표면적: 1.8 Sq.m/gm평균입경: 12.2㎛	200			200
	실리카 분말	비표면적: 4.9 Sq.m/gm평균입경: 1.0㎛	100				100
	다공성 실리카 분말	비표면적: 68 Sq.m/gm평균입경: 1.3㎛		100	100	100
	다공성 실리카 분말	비표면적: 140 Sq.m/gm평균입경: 11㎛		200	200		200
	다공성 실리카 분말	비표면적: 180 Sq.m/gm평균입경: 25.2㎛		522
기타	카본블랙	비표면적: 150 Sq.m/gm평균길이: 0.02㎛	2.0
	삼산화 안티몬	평균입경: 1㎛	13
	트리페닐 포스파인	1
	실리콘 파우더	1.5
	카나바왁스	1.5
	에폭시실란	2

구분	내용	단위	비교예 1	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
기본물성	스파이럴플로우	in	35	25	30	33	32
	블리드 플래쉬0.5/1/2/3	mm	1.0/1.0/2.0/20	0.3/0.3/1/12	0.5/0.5/1/20	1.0/1.0/1.5/20	1.0/1.0/2.0/18
	선팽창계수(α1)	㎛/m℃	10.4	10.2	10.2	10.6	10.8
	굴곡탄성율(상온)	Kgf/mm²	2120	2100	2080	2200	2100
	굴곡탄성율(240℃)	Kgf/mm²	150	145	139	142	134
흡습특성	흡습율	%	0.020	0.040	0.028	0.022	0.024
전기특성	유전율(1MHz)	1MHz	3.8	2.4	3.3	3.6	3.5

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1은 비교예들에 비해 월등히 유전율이 낮고 기타 혼용하여 사용한 실시예 2∼4도 비교예에 비해상대적으로 유전율이 낮음을 알 수 있다.

또한, 실제로 종래의 실리카를 나노 다공성 실리카로 전량 대치할 경우 유전율은 약 50% 정도 감소하였으며 비표면적이 크기 때문에 흐름성은 떨어지는 반면 기계적인 물성은 동일한 수준을 유지하였다.

상기 실시예 및 비교예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 에폭시 수지 조성물은 종래 수지 조성물과 동등한 기계적인 물성을 나타낼 뿐만 아니라 월등히 낮은 유전율을 가짐으로써 우수한 전기절연성을 나타낸다.

Claims

비스페놀 A형, 지환형, 선형 지방족, 크레졸 노볼락형, 바이페닐형, 복소환계 및 할로겐화 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 1분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 함유하는 에폭시 수지 3∼20중량%;

페놀 노볼락수지, 레졸형 페놀수지, 크레졸 노볼락수지, 페놀 알킬수지, 비스페놀 A 노볼락수지, 노닐 페놀수지, t-부틸 페놀 노볼락수지, 및 디사이클로펜타디엔 페놀수지로 이루어지 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 1분자 중에 OH기를 2종이상 함유하는 경화제 3∼20중량%; 및

1∼100㎛의 평균입경 및 50∼200m²/g의 비표면적을 갖는 나노 다공성 실리카를 적어도 5.0중량%로 포함하는 충진제 60∼90중량%;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 유전율을 갖는 반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물.