KR20100113764A - 이온 포착제를 포함한 반도체 패키징용 접착제 - Google Patents

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Abstract

반도체 패키지에서 전기적 단락과 금속 부식을 방지할 수 있는 접착제 조성물을 제공한다. 본 발명의 접착제 조성물은 30 내지 70 중량%의 범용 액상 및 고상 에폭시, 7 내지 20 중량%의 무기 충전제, 15~50 중량%의 고무로 이루어지는 기본 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부의 이온 포착제, 5~20 중량부의 잠재성 경화제 및 0.1~1 중량부의 경화 촉진제 및/또는 용매를 포함하여 이루어진다. 용매는 조성물 전체 중량 대비 30~40% 정도가 바람직하다. 이때 상기 이온 포착제는 산화지르코늄, 안티몬의 산화물, 비스무트의 산화물, 산화마그네슘, 산화알루미늄 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택할 수 있다.

Description

이온 포착제를 포함한 반도체 패키징용 접착제{Adhesive for Semiconductor Packaging with Ion Exchangers}
본 발명은 반도체 소자 제조용 접착제 조성물에 관한 발명이다.
일반적으로 반도체 패키징 공정은 웨이퍼를 단위 반도체 칩(또는 다이)로 절단하는 웨이퍼 다이싱(wafer dicing) 공정, 절단된 다이를 리드프레임이나 인쇄회로 기판 또는 테이프 배선 기판과 같은 기판 등의 칩 실장 프레임에 부착하는 다이 본딩(die bonding) 공정, 칩과 칩 실장 프레임을 전기적으로 연결하는 와이어 본딩(wire bonding) 공정 및 반도체 칩들과 본딩와이어를 봉지하는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC:epoxy molding compound) 공정의 단위 공정을 포함한다. 반도체 장치의 패키징에 있어서, 칩을 칩 위에 적층하거나 PCB 또는 리드-프레임(Lead-frame)과 같은 지지 부재에 칩을 접착할 때의 접착제로써 다이 접착 페이스트나 접착 필름이 널리 사용되고 있다. 접착제가 완전 경화하면 반도체 칩과 기판 사이에 부착력이 최대화되고, 와이어 본딩, EMC 공정 등을 통하여 반도체 패키징을 완성하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 반도체 패키지의 전기적 단락이나 이온 부식을 방지할 수 있고, 높은 전기 절연 신뢰성을 갖춘 반도체 소자 제조용 접착 제 조성물을 제공하는 데 있다.
본 발명은 다이 접착용 접착제에 관한 것이다. 본 발명의 접착제 조성물은 30 내지 70 중량%의 범용 액상 및 고상 에폭시, 7 내지 20 중량%의 무기 충전제, 15~50 중량%의 고무로 이루어지는 기본 수지 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부의 이온 포착제, 5~20 중량부의 잠재성 경화제 및 0.1~1 중량부의 경화 촉진제 및/또는 용매를 포함하여 이루어진다. 용매는 조성물 전체 중량 대비 30~40% 정도가 바람직하다. 이때 상기 이온 포착제는 산화지르코늄, 안티몬의 산화물, 비스무트의 산화물, 산화마그네슘, 산화알루미늄 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택할 수 있다.
본 발명의 접착제를 이용한 페이스트나 접착 필름을 사용하여 반도체 패키지에서 전기적 단락을 방지·제거할 수 있고, 내습 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 접착제를 이용한 페이스트나 접착 필름은 또한 금속의 부식을 막아주는 효과도 지닌다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 본 발명의 과제 해결 수단으로 제공되는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물은, 에폭시 수지, 무기 충전제, 이온 포착제, 고무 수지와 경화제, 경화 촉진제 및/또는 용매를 포함하여 이루어진다.
상기 에폭시 수지로는 범용 에폭시 수지를 이용할 수 있는데, 본 발명의 에폭시 수지로 쓰일 수 있는 범용 에폭시 수지의 일부 예로는 비스페놀 A형 에폭시, 비스페놀 F형 에폭시, 크레졸 노볼락계, 페녹시계 에폭시 수지 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 이때 고상과 액상의 혼합비가 고상:액상 = 1:1 내지 1:3인 것이 접착제 취급시 택성(tackiness)과 유연성을 알맞은 수준으로 유지하는데 바람직하다. 상기 에폭시 수지의 고상과 액상의 혼합 비율에 관하여, 상기 고상 성분이 혼합비의 하한에 미달하면 접착제의 신뢰성이 부족할 수 있다. 고상 에폭시 성분이 상기 상한을 초과하면 에폭시 용해도가 부족해져 접착 특성이 나빠지기 쉽다.
상기 에폭시 수지는 조성물 전체 중량에서 30 내지 70 중량%를 차지한다. 전체 조성물에서 에폭시 수지의 양이 상기 하한에 미달하면 경화도가 저하되어 바람직하지 못하며, 상기 상한을 초과하면 내열성이 저하되어 바람직하지 못하다.
본 발명의 조성물에서 무기 충전제는 내습성을 높이고 충격에 대한 완충제로서의 역할을 한다. 무기 충전제의 입자 크기, BET 표면적 등을 조절함으로써 최종 접착제의 점도, 요변성 및 신뢰성을 조절할 수도 있다. 상기 무기 충전제로는 금속 산화물이 적당한데, 금속 산화물의 예를 일부만 들자면 구형 및 판상의 실리카(이산화규소) 입자, 산화알루미늄, 산화아연, 산화티타늄이 있다. 이밖에 은 분말, 구리 분말을 사용할 수도 있다. 상기 무기 충전제의 입자 크기는 10 ㎛ 내지 20 ㎛ 크기 이하의 분말이면 무난하다.
상기 무기 충전제는 전체 조성물 속에서 7 내지 20 중량%를 차지한다. 상기 무기 충전제는, 내습 및 완충재로서 작용하며, 함량이 7%에 미달하면 제품 신뢰성이 저하되고, 20%를 초과하면 접착력이 낮아져 바람직하지 못하다.
본 발명의 조성물에서 고무는 조성물의 점도 및 접착력을 조절하는 작용을 한다. 상기 고무는 고상 또는 액상의 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 조성물에 적절한 고무로는 액상 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 글리시딜 아크릴레이트, 스티렌-부타디엔고무, 에폭시 말단 부타디엔-아크릴로니트릴(ETBN) 고무, 카르복시 말단 부타디엔-아크릴로니트릴(CTBN) 고무 등을 들 수 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 고무 성분으로는 중량 평균 분자량이 3,000 이상인 것이 적합하다. 고무의 분자량이 3,000 미만일 경우에는 신뢰성 및 공정성이 떨어져 바람직하지 않다. 고무의 분자량은 중량 평균 분자량이 50,000 이상인 것이 더욱 바람직하다. 기본 수지내에서 고무는 15 내지 50 중량%의 함량으로 포함되면 바람직하다. 상기 고무 성분의 함량이 15 중량%에 미달하면 강인력이 떨어져 바람직하지 못하며, 50 중량%를 초과하면 연화점이 낮아져 바람직하지 못하다.
본 발명의 한 실시 태양에서는 상기 무기 충전제로 소수성(hydrophobic) 실리카를 사용한다. 구체적으로 시판되고 있는 Degussa(주)의 Aerosil Ry200, Aerosil Ry200s 또는 Aerosil Rx200 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 조성물에서 이온 포착제는 접착제 조성물을 포함하는 반도체 장치가 수분에 노출되었을 때 절연 신뢰성을 유지하는 것을 돕고 금속의 부식을 막아주 며, 전극 단락을 제거하는 역할을 맡는다. 본 발명에 쓰일 수 있는 이온 포착제의 예를 일부만 들자면, 산화지르코늄, 안티몬의 산화물, 비스무트의 산화물, 산화마그네슘과 산화알루미늄이 있다. 이러한 이온 포착제 산물은 유기물 수지나 작업 환경에서 유래하는 불순물 이온을 포착제 표면에 흡착함으로써 효과를 발휘한다. 본 발명의 조성물에서 이온 포착제는 기본 수지 100 중량비에 대하여 5 내지 30 중량부를 차지한다. 이온 포착제의 함량이 상기 범위에 있으면 접착제 특성을 저해하지 않기 때문에 바람직하다. 이온 포착제의 함량이 5%에 미달하면 이온 포착 효과가 줄어들어 신뢰성 향상 및 금속 부식 효과를 저해할 수 있다. 이온 포착제의 함량이 10%를 초과하면 접착시 표면 특성이 저해되어 접착 특성이 나빠지기 쉽다.
본 발명에서 잠재성 경화제는 초기 모듈러스를 높일 수 있고, 특정 온도에 이르러서야 경화 반응을 일으키기 때문에, 필름에 유동성을 부여하는데 많은 도움을 준다. 본 발명의 잠재성 경화제는 기본 수지 100 중량부에 대하여 5~20 중량부로 포함된다. 잠재성 경화제의 함유량이 상기 범위 내에 있으면 초기 모듈러스가 높아지고, 특정 온도에서 유동성 부여가 용이하게 되어 바람직하다. 상기 함량을 넘어 부가하면 보존 안정성이 나빠지고, 경화된 접착제 수지의 분자량이 낮아질 수 있고, 다이 접착시 경화제가 수지 밖으로 유출(bleed out)할 수 있으므로 불리하다.
본 발명의 경화제로서 상기 조건을 만족할 수 있는 것을 일부만 들자면, 페놀계 경화제, 산 무수물계 경화제, 아민계 경화제 등이 있다.
본 발명에서 경화 촉진제는 경화 반응 속도를 높여 다이 접착 불량과 다이 접착제의 접착력 저하를 방지하는 역할을 하며, 접착 공정 진행 중에 과경화가 일어나지 않도록 미량으로 쓰인다. 이러한 경화 촉진제는, 기본 수지 100 중량부에 대해, 0.1 내지 1 중량부의 함량으로 포함되면 바람직하다. 경화 촉진제 성분의 함량이 상기 하한에 미달하면 경화가 더뎌져 바람직하지 못하며, 상기 상한을 초과하면 택(tack) 수치가 모자라게 되어 접착력이 부족하게 된다. 본 발명에서 경화 촉진제로는 이미다졸계 촉진제, 아민계 촉진제, 멜라민계 촉진제, 포스핀계 경화 촉진제를 이용할 수 있지만 반드시 이들로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 접착제 조성물은 전체 조성물 중량 기준으로 30~40 중량%의 용매를 더 포함한다. 용매는 상기 성분들을 분산하고 점도를 조절하는 역할을 한다.
본 발명의 접착제 조성물에 쓰일 수 있는 용매에는 반응성 용매와 비반응성 용매가 모두 포함된다. 용매의 예를 일부 들면 메틸 카르비톨(methyl carbitol), 에톡시트리글리콜(ethoxytriglycol), 메틸 프로파솔(methyl propasol), 프로필 디프로파솔(propyl dipropasol), 메틸에틸케톤 또는 부틸 카르비톨(butyl carbitol) 등을 사용할 수 있다.
용매의 함량 범위에 있어서, 상기 하한치 미만일 경우에는 수지의 점도가 너무 높아 공정성 저하를 초래하기 때문에 바람직하지 않으며, 상기 상한치를 초과할 경우에는 수지의 점도가 너무 높아 공정성과 B-스테이징 경화율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.
전술한 본 발명에 따르는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물은, 그밖에 첨가제로서 결합제(coupling agent), 가소제, 레벨링(levelling)제 등을 더 포함할 수 있다. 이들 성분의 함량은 상기 기본 수지 100 중량부에 대하여 약 0.5~5 중량부인 것이 보통이다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 접착제 조성물은 PET 필름 같은 기재 필름 위에 코팅하여 접착 필름으로 제조한 다음 기판에 부착하거나, 액상의 조성물로 기판 위에 도포한 후 용매를 제거하여 기판과 접착시킬 수 있다. 이러한 반도체 패키징 과정은 이 분야에서 잘 알려져 있기 그 개요만을 아래에 간략하게 설명한다.
도포 단계( S1 )
페이스트 또는 접착 필름으로 적용시 각각 첫째 단계 설명
피접착부재, 예컨대 PCB 기판, 리드프레임 등의 상면에 스크린 프린팅, 닥터 블레이드(doctor blade), 캐스팅(casting), 스핀 코팅 등을 이용하여 도포할 수 있다. 본 발명에서는 스텐실 마스크를 이용하여 0.2 cm/초의 속도로 본 발명의 접착 페이스트 조성물을 도포한다.
다이 접착 단계( S2 )
상기 도포공정이 완료 후 145℃에서 30분간 열처리 공정을 거친 다이 접착제 상면에 다이를 접착시킨다.
와이어 본딩 단계( S3 )
상기 접착된 다이와 피접착부재 간을 와이어 본딩시킨다.
밀봉 단계( S4 )
상기 와이어 본딩이 완료된 결과물의 외부를 밀봉한다. 이러한 밀봉은 가장 일반적인 것이 에폭시 몰딩 컴파운딩(EMC) 공정으로서, 전술한 공정 조건 및 다이 접착제에 요구되는 물성 조건이 충족되면, 몰딩재 및 다이 접착제에 대한 내열성 향상을 위한 별도의 열적 큐어링 공정을 진행하지 않아도 요구되는 물성을 충족시킬 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.
본 발명의 접착제 조성물의 성능을 알아보기 위하여 본 발명에 따른 실시예 1과 실시예 2 조성물을 아래 표 1과 같이 제조하여 비교예 조성물과 비교하였다.
이렇게 준비한 접착제 조성물은 PCB 기판 위에 스크린 프린팅하여 145℃에서 30분간 열 처리한 후 다이와 접착시켰다.
조 성(중량부) 실시예 1 실시예 2 비교예 1
에폭시 수지 65 65 65
무기 충전제 10 10 10
고무 25 25 25
이온 포착제 10 25 ━
경화제 17 17 17
경화 촉진제 0.5 0.5 0.5
용매 60 60 60
[표 1의 설명]
본 발명에서 사용된 접착제 조정물의 에폭시 수지는 액상 : 고상 에폭시 비율을 중량비 60 : 40으로 혼합하였다. 액상 에폭시로는 비스페놀 A계와 비스페놀 F계 에폭시 수지를 1:1 비율로 혼합하여 사용하였으며, 고상 에폭시는 비스페놀 A계 에폭시 수지를 사용하였다. 무기 충전제로 1 ㎛ 이하 크기의 소수성 표면 처리된 실리카를 사용하였으며, 고무는 중량 평균 분자량 3,000의 카르복시기를 말단으로 하는 부타디엔-아크릴로니트릴계(CTBN) 고무를 사용하였다. 이온 포착제는 10 ㎛ 이하의 산화비스무트 분말을 사용하였으며, 페놀 경화제 및 아민계 경화 촉진제를 사용하였다. 용매는 120℃ 이상에서 반응이 진행되는 메틸 카르비톨(methyl carbitol) 용매를 사용하였다.
표 1의 조성을 갖춘 실시예와 비교예 접착제 조성물을 스텐실범을 이용하여 PCB 기판에 스크린 프린팅하였다. 이후, 상기 페이스트 상에 크기 11.0 ㎜×11.0 ㎜의 실리콘 칩(다이)을 접착시킨다. 이때의 접착은 100 내지 130℃의 온도 조건에서 0.2 내지 2.0 초간 5 내지 7 kg의 하중으로 진행하였다.
상기 실시예와 비교예에 따라 스크린 프린팅한 결과물에 대해 하기 표 2와 같은 여러 항목에 대한 물성 평가를 행하였다. 하기 표 2의 각 시험은 다음과 같이 이루어졌다.
와이어 본딩 특성
175 oC, 30분간 방치 후 기판과 다이 사이의 접착제에 갈라짐이나 녹아내림 특성이 있는지 평가하였다. 위와 같은 특성이 없으면 양호한 것으로 판정하였다.
EMC 후 SBM
에폭시 몰딩 컴파운드(EMC) 공정 후 솔더 볼 마운팅(solder ball mounting, SBM) 상태를 리플로우 공정을 이용하여 평가하였다. 온도 프로파일 중 가장 고온의 온도는 260℃였으며, 리플로우 공정 후 초음파 검사를 하여 다이와 기판사이에 갈라짐이나 들뜸이 없으면 합격으로 판정하였다.
내습 신뢰성
세계 반도체 표준협회(JEDEC, Joint Electron Device Engineering Council) 규정의 제2 수준(level 2)에 따른 내습 신뢰성을 평가하였다. 평가 조건은 상대 습도 60%에서 85℃로 168 시간 동안 페이스트로 접착한 기판을 보관한 후 260℃ 피크 온도에서 땜납 재흐름 영역(solder reflow zone)을 통과한 후 균열(crack)이나 박리(delamination)가 일어났는지를 확인하였다. 균열이나 박리가 하나라도 있으면 불합격 판정하였다.
전기적 단락
PCT 진행시 HAST 조건하에서 전기 바이어스를 걸어 전기적 단락을 시험하였다. 121℃, 1 기압에서 4V 조건으로 진행하였으며, 시험 후 다이와 페이스트 또는 페이스트와 기판 사이에 균열이나 박리가 일어났는지 확인하였다. 균열이나 박리가 하나라도 있으면 불합격 판정하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 비교예 1
와이어 본딩 특성 양 호 양 호 양 호
EMC 후 SBM 합 격 합 격 합 격
JEDEC 제2수준 내습 신뢰성 합 격 합 격 불합격
전기적 단락 여부 합 격 합 격 불합격
상기 표 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예의 경우에는 와이어 본딩 특성, EMC 후 솔더볼 마운팅 특성과 내습 신뢰성, 절연 신뢰성이 매우 훌륭함을 알 수 있다. 이에 비해 이온 포착제를 함유하지 않는 비교예 1은 내습 신뢰성과 절연 신뢰성이 크게 부족함을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 개시하였다. 본 명세서의 상세한 설명과 실시예에 사용된 용어는 해당 분야에서 평균적인 기술자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적으로 쓰인 것일 뿐, 어느 특정 의미로 한정하거나 청구범위에 기재된 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아니었음을 밝혀 둔다.

Claims (10)

  1. 에폭시 수지 30~70 중량%;
    무기 충전제 7~20 중량% 및
    고무 15~50 중량%로 이루어지는 기본 수지 100 중량부;에 대하여,
    이온 포착제 5~30 중량부;
    잠재성 경화제 5~20 중량부;
    경화 촉진제 0.1~1 중량부; 및
    용매를 포함하고,
    용매의 비율은 전체 중량에서 30~40 중량%를 차지하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온 포착제는 산화지르코늄, 안티몬의 산화물, 비스무트의 산화물, 산화마그네슘, 산화알루미늄 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는, 비스페놀 A, 비스페놀 F. 크레졸 노볼락 및 페녹시계 에폭시 중 선택된 하나의 단일물 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반 도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 에폭시는 고상:액상 = 1:1 내지 1:3의 고액 혼합 에폭시인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무기 충전제는 구형 또는 판상의 실리카, 산화아연, 산화알루미늄, 산화티타늄, 은 분말, 구리 분말 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고무는 액상 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 글리시딜 아크릴레이트, 카르복시 말단 부타디엔-아크릴로니트릴(CTBN) 고무 및 스티렌-부타디엔 고무 중 선택하는 하나의 단일물 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 잠재성 경화제는 페놀계, 산 무수물계, 아민계 경화제 및 이들의 혼합물 중에서 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경화 촉진제는 이미다졸계, 포스핀계, 아민계 경화 촉진제 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용매는 메틸카르비톨, 에톡시트리글리콜, 메틸프로파솔(methyl propasol), 프로필디프로파솔, 부틸카르비톨, 메틸에틸케톤 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 접착제 조성물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 반도체 소자 제조용 접착제 조성물을 기재 필름에 도포한 반도체 소자 제조용 접착 필름.
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