KR20040071513A

KR20040071513A - 반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물

Info

Publication number: KR20040071513A
Application number: KR1020030007525A
Authority: KR
Inventors: 정성훈; 윤효창; 공병선
Original assignee: 주식회사 금강고려화학
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-12

Abstract

본 발명은 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 브롬이나 안티몬 등의 유독성 난연제를 사용하지 않고 특정구조의 페놀수지를 적용함으로써, 조성물에 난연성을 부여함과 동시에 저흡습 및 저탄성율 특성을 나타내어 패키지의 신뢰성이 향상되는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

Description

반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물{Epoxy resin composition for sealing semiconductor element}

반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물의 난연제로써 브롬화 에폭시 수지와 삼산화 안티몬을 혼용하는 기술이 대부분이었고, 이들은 소량으로 사용하여도 안정적인 난연성 확보가 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 브롬과 안티몬의 환경 유해성이 밝혀지면서 사용 규제 대상으로 규정되었고, 브롬과 안티몬을 사용하지 않는 대체 난연화 기술을 개발하는 움직임이 활발한 상황이다.

종래에는 조성물의 무기물 충진제 함량을 높여서 난연성을 확보하는 방법이 있으나, 조성물의 흐름성 저하로 인해 성형불량이 발생하는 단점이 있었다. 또한, 일본국 특개평 11-189639호에는 질소 화합물이나 인 화합물 등의 대체 난연제를 적용하는 방법이 기재되어 있으나, 종래의 브롬과 안티몬의 적용량보다 많은 양이 사용되어야 유사한 난연성을 확보할 수 있기 때문에 반도체 공정 적용시 연속 작업성 불량 등 제반 문제점이 발생할 가능성이 있었다.

이에 본 발명자들은 상기 종래 문제점을 해결하고 브롬이나 안티몬 등의 유독성 난연제를 사용하지 않고 조성물에 난연성을 부여함과 동시에 저흡습 및 저탄성율 특성을 나타내어 패키지의 신뢰성이 향상되는 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 연구검토하였다.

따라서 본 발명의 목적은 특정 구조를 갖는 페놀 수지를 사용함으로써 브롬과 안티몬을 사용하지 않고 난연성을 확보하는 동시에 신뢰성이 우수한 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은, 오르소 크레졸 노볼락형, 비페닐형, 비스페놀 A형, 다관능형, 나프탈렌형, 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 에폭시 수지 3∼10중량%; 하기 화학식 1로 표시되는 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 수지를 혼합하여 사용하거나, 하기 화학식 1로 표시되는 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 수지와 함께 노볼락형, 자일록형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디시클로펜타디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 페놀 수지와 혼합하여 사용하는 경화제 3∼10중량%; 및 천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 및 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 충진재 80∼90중량%;로 이루어진다.

상기 식에서 ℓ은 0 내지 10의 정수이다.

상기 식에서, R₁은 탄소수 1 내지 4의 알킬기, R₂는 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 NR₃이고, 상기 R₃는 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, m은 2 내지 10의 정수, n은 1 내지 10의 정수이고, 질소의 함유량이 5 내지 20중량%이다.

이하 본 발명을 좀더 구체적으로 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 에폭시 수지, 경화제 및 무기 충진제를 필수적으로 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 경화제 성분으로서 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 화합물을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용할 수 있는 에폭시 수지는 오르소 크레졸 노볼락형, 비페닐형, 비스페놀 A형, 다관능형, 나프탈렌형, 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되며, 그 사용량은 3∼10중량%가 바람직하다. 상기 에폭시 수지의 함량이 3중량% 미만이면 난연성이 떨어질 수 있고, 10중량%를 초과하면 신뢰성이나 작업성에 나쁜 영향을 줄 수 있다.

또한 본 발명의 주 특징부인 경화제는, 하기 화학식 1로 표시되는 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 수지를 혼합하여 사용하거나, 하기 화학식 1로 표시되는 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 수지와 함께 노볼락형, 자일록형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디시클로펜타디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 페놀 수지와 혼합하여 사용할 수 있다.

화학식 1

상기 식에서 ℓ은 0 내지 10의 정수이다.

화학식 2

본 발명에 있어서 전체 경화제의 사용량은 3 내지 10중량%가 바람직하며, 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 수지의 합이 전체 경화제 중 40중량% 미만으로 첨가되면 본 발명에서 목적하는 난연성을 확보할 수 없게 되고, 바람직하게는 전체 경화제 중 50중량% 이상을 적용하는 것이 난연성 확보에 유리하다. 또한, 상기 화학식 1로 나타낼 수 있는 수지를 전체 경화제 중 50중량% 이상 적용하는 것이 고신뢰성 달성에 유리하다. 한편, 상기 화학식 1 및 2로 표시되는 수지들의 합의 100중량%에 대해 상기 화학식 1로 표시되는 수지는 5∼80중량%인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 에폭시 수지 1당량에 대한 경화제의 당량 비율은 0.6 내지 1.4, 바람직하게는 0.8 내지 1.2이다. 상기 당량비가 에폭시 수지 1당량에 대해 0.6 미만이면 미경화로 인해 원하는 물성을 얻을 수 없고, 1.4를 초과하면 작업성이나 신뢰성에 나쁜 영향을 줄 수 있다.

본 발명에서 사용되는 무기 충진제로는 고순도의 천연실리카, 합성실리카, 용융실리카, 알루미나 등을 들 수 있고, 성상은 구상 및 각상을 모두 적용할 수 있다. 본 발명에서 목적하는 난연성을 달성하기 위해서는 무기 충진제를 80 내지 90중량%, 바람직하게는 85 내지 90중량%를 적용하는 것이 유리하다.

그밖에도 착색제 1.0중량% 이내, 이형제, 커플링제, 개질제 등의 기타 첨가제 1 내지 5중량%를 사용할 수 있다. 또한 전체 에폭시수지 조성물 100중량%에 대하여 경화 촉진제 0.1 내지 1.0중량%를 더욱 첨가할 수 있다.

본 발명의 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물은 상기와 같은 각 원료들을 믹싱한 후 용융 혼합기(Kneader)를 이용하여 100℃ 내지 130℃의 온도에서 용융 혼합하여 상온으로 냉각시키고 분말상태로 분쇄한 후 블렌딩 공정을 거치는 일반적인 제조방법에 의하여 제조한다.

하기 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1∼2

에폭시 수지로는 하기 화학식 3으로 표시되는 수지(에폭시 당량=193g/eq.)와 하기 화학식 4로 표시되는 수지(에폭시 당량=199g/eq.)를 사용하고, 경화제로는 하기 화학식 5로 표시되는 수지(수산화기 당량=175g/eq.), 하기 화학식 6으로 표시되는 수지(수산화기 당량=107g/eq.), 하기 화학식 1로 표시되는 수지(수산화기 당량=213g/eq.) 및 하기 화학식 7로 표시되는 수지(수산화기 당량=140g/eq.)를 에폭시 수지에 대한 경화제의 당량비율이 1.0으로 하여 혼합하고, 하기 표 1과 같이 계량하여 기타의 구성 원료들과 함께 믹싱한 후 용융 혼합, 냉각, 분쇄, 블렌딩 공정을 거치고 일정크기로 타정한다.

상기 식에서, a는 0 내지 10의 정수이다.

여기서, b는 0 내지 10의 정수이다.

여기서, c는 0 내지 10의 정수이다.

화학식 1

여기서, ℓ은 0 내지 10의 정수이다.

여기서, d는 2 내지 10의 정수이고, e는 1 내지 10의 정수이다.

상기와 같이 제조된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 유동성(Spiral Flow)을 측정하고, 흡습율, 탄성율 및 난연성 측정용 시편을 제작한 다음 175℃에서 6시간동안 후경화시키고 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 패키지의 신뢰성을 평가하기 위하여 크랙 발생수 비교를 하였다.

비교예 1∼4

에폭시 수지로는 상기 화학식 3으로 표시되는 수지(에폭시 당량=193g/eq.)를 사용하고, 경화제로는 하기 표 1과 같이 하여 상기 화학식 5로 표시되는 수지(수산화기 당량=175g/eq.), 상기 화학식 1로 표시되는 수지(수산화기 당량=213g/eq.) 및 화학식 7로 표시되는 수지(수산화기 당량=140g/eq.)를 조합하고, 에폭시 수지에 대한 경화제의 당량비율이 1.0으로 하고 계량하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

구분	단위	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
에폭시	화학식 3	중량%	7.2		7.2	7.2	7.2	7.2
에폭시	화학식 4	중량%		9.0
경화제	화학식 5	중량%	3.3		6.9	3.3	6.6	5.0
	화학식 6	중량%		2.4
	화학식 1	중량%	3.3	2.4		3.6		1.6
	화학식 7	중량%	0.3	0.3			0.3	0.3
커플링제	중량%	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
실리카	중량%	85	85	85	85	85	85
첨가제	중량%	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4
경화촉진제	중량%	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
물성 평가 결과
유동성	Inch	40	33	45	40	45	42
흡습율	%	0.22	0.27	0.39	0.23	0.38	0.32
탄성율(E)@260℃	MPa	290	330	400	310	410	350
패키지 크랙수	-	0	0	12	0	11	5
난연성	-	V-0	V-0	V-2	V-1	V-1	V-1

각 물성별 측정 방법은 다음과 같다.

* 유동성(Spiral Flow) 측정

EMMI-I-66 규격의 유동성(Spiral Flow) 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)로 측정한다.

* 흡습율 측정

흡습율 측정용 시편제작 원형몰드(지름=30mm, 두께=3mm)를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서 6시간동안 후경화시킨 다음, PCT 조건(121℃, 2기압, 100%RH)에서 24시간동안 방치 후 시편의 흡수율을 측정한다.

* 탄성율 측정

탄성율 측정용 시편제작 원형몰드(길이=50mm, 너비=6mm, 두께=3mm)를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서 6시간동안 후경화시킨 다음, DMA(Dynamic Mechanical Analyzer)로 측정한다.

* 패키지 크랙 평가

TSOP 패키지의 북몰드(Bookmold)를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 175℃의 오븐에서 6시간동안 후경화시킨 다음, 항온항습 조건(85℃, 60%RH)에서 168시간동안 방치시킨 후 솔더 리플로우(최고온도=260℃)를 3회 인가하여, 총 20개의 패키지 시편 중 내부/외부 크랙이 발생한 패키지 시편의 수를 파악하였다.

* 난연성(UL94V) 평가

길이125mm, 폭13mm의 시편을 제작하여 UL94 수직 난연 실험법으로 측정하였다. 시편 끝과 바닥 사이의 거리는 30cm이며, 버너와 시편간의 거리는 최소한 150mm 이상이다.

V0, V1 및 V2: 국제인증기관 UL에서 정한 난연규격에 따라 t1, t2, t3라는 연소시간을 측정하여 t1+t2합이 50이하면 V0, rm 이상이면 V1 및 V2가 됨.

난연성 : V0>V1>V2

상기 표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 경화제를 적용한 수지 조성물로 반도체소자를 봉지할 경우, UL94 V-0의 난연성이 확보되고, 솔더 리플로우 공정 후 패키지 크랙이 감소하여 패키지의 신뢰성이 월등히 향상된다.

Claims

오르소 크레졸 노볼락형, 비페닐형, 비스페놀 A형, 다관능형, 나프탈렌형, 및 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 에폭시 수지 3∼10중량%;

하기 화학식 1로 표시되는 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 수지를 혼합하여 사용하거나, 하기 화학식 1로 표시되는 수지 및 하기 화학식 2로 표시되는 수지와 함께 노볼락형, 자일록형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디시클로펜타디엔형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 적어도 하나이상 선택되는 페놀 수지와 혼합하여 사용하는 경화제 3∼10중량%; 및

천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 및 알루미나로 이루어진 군으로부터 선택되는 무기 충진재 80∼90중량%;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물:

화학식 1

상기 식에서 ℓ은 0 내지 10의 정수임;

화학식 2

상기 식에서, R₁은 탄소수 1 내지 4의 알킬기, R₂는 탄소수 1 내지 10의 알킬기 또는 NR₃이고, 상기 R₃는 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기, m은 2 내지 10의 정수, n은 1 내지 10의 정수이고, 질소의 함유량이 5 내지 20중량%이다.
제1항에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 수지 및 화학식 2로 표시되는 수지의 함량이 전체 경화제 중 적어도 40중량인 것을 특징으로 하는 반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 화학식 1 및 2로 표시되는 수지들의 합의 100중량%에 대해 상기 화학식 1로 표시되는 수지가 5∼80중량%인 것을 특징으로 하는 반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물.
제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 1당량에 대한 경화제의 당량 비율은 0.6 내지 1.4인 것을 특징으로 하는 반도체소자 봉지용 에폭시수지 조성물.