KR20110044103A - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자 - Google Patents

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자 Download PDF

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KR20110044103A KR1020090100937A KR20090100937A KR20110044103A KR 20110044103 A KR20110044103 A KR 20110044103A KR 1020090100937 A KR1020090100937 A KR 1020090100937A KR 20090100937 A KR20090100937 A KR 20090100937A KR 20110044103 A KR20110044103 A KR 20110044103A
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Abstract

본 발명은 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 커플링제 및 무기충전제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 아민 (amine)계 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 상기 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자를 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112009064870086-PAT00001
(상기 식에서, R1 내지 R4는 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 각각 독립적으로 H 또는 C1 내지 C6의 알킬기임)
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 니켈, 팔라듐을 포함하는 물질로 프리플레이팅된 리드프레임과의 부착력을 향상시켜 최종 반도체 소자의 신뢰도를 유의적으로 향상시킬 수 있다.
에폭시 수지 조성물, 반도체 소자, 부착력, 신뢰도

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR ENCAPSULATING SEMICONDUCTOR DEVICE AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내크랙성을 가짐과 동시에 은으로 도금된 구리 리드 프레임, 또는 니켈/팔라듐 도금 후 은 및/또는 금으로 도금된 한 구리 리드 프레임과의 부착성이 우수한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
근래 폐기되는 전기/전자 제품 내의 납 (Pb) 성분이 인체에 치명적인 영향을 끼치는 것으로 밝혀짐에 따라, 국가별로 지하수 1리터 당 납 용출량을 0.05~0.3 mg 범위로 규제하고 있다. 특히 유럽을 중심으로 납 규제에 대한 법제화가 활발히 진행되고 있으며, RoHS (Restriction of Hazardous Substances) 규정을 통하여 납, 수은, 카드뮴, 6가 크롬 등의 무기 원소 및 브롬계 유기 난연제 규제법이 곧 시행될 예정이다. 전술한 규제법이 시행되기 이전에 전기/전자 제품 내 유해물질이 함유된 부품 전부를 환경 친화적으로 교체하여야 하므로, 무연화 (Pb free) 제품에 대한 활발한 개발이 필요한 실정이다. 전기/전자 부품 메이커(Maker) 및 세트(Set) 메이커에서 전자 부품 내 무연화하여야 할 대상은 다음과 같다.
현재 솔더 (Solder)의 경우 해외에서는 거의 무연화 솔더로 진행되고 있으며, 주석-납 도금(Sn-Pb Plating)도 점차 무연화가 진행되고 있는 단계이다. 기존 주석-납 플레이팅 (Sn-Pb Plating)을 대체하기 위하여, 현재 개발되고 있는 무연화 방법으로는 순수 주석 도금 (Pure Sn plating)과 니켈-팔라듐 (Ni-Pd) 프리플레이팅 (Pre-plating)을 들 수 있다.
일부 대형 반도체 메이커에서는 알로이 합금 (Alloy 42) 리드프레임 또는 구리(Cu) 리드프레임에 순수 주석도금을 하는 방법을 적극적으로 검토하고 있는 단계이다. 그러나 이러한 순수 주석은 도금시 형성된 주석 단결정에 의해 구리 도금면과 주석 도금막 사이에 상호 확산으로 인한 합금 현상이 일어나 압축 응력이 발생하는 휘스커 (whisker) 문제를 야기한다. 따라서 실제 양산까지는 상당 시간이 소요될 것으로 예상된다.
전술한 문제점을 극복하기 위한 대안으로 니켈-팔라듐-은 (Ni-Pd-Ag) 또는 니켈-팔라듐-은/금 (Ni-Pd-Ag/Au) 프리플레이팅 (일명 PPF: Pre-Plated Frame)이 제시되고 있다. 프리플레이팅법은 와이어 본딩 단자와 납땜 접합 단자 양쪽에 일례로 Ni/Pd/Au 의 3층 구조의 금속을 부분 도금처리하는 것으로서, 납땜 도금을 귀금속 도금으로 바꿈으로써 소자의 신뢰성을 높일 수 있다. 특히 유럽을 중심으로 구리 리드프레임에 대한 PPF 리드프레임으로의 대체가 활발히 진행되고 있으며, PPF 리드프레임의 사용량이 큰 폭으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 그러나 PPF 리드프레임은 귀금속의 고유 물성에 의해 기존 알로이 합금 및 구리 재질의 리드프레임 에 비하여, 에폭시 수지 조성물과의 계면 부착력이 굉장히 낮아 후경화 및 신뢰도 실험 후 박리가 발생하는 등 신뢰도가 현저하게 저하되는 문제를 안고 있다.
용접 (solder) 후의 신뢰도 저하를 개선하기 위해서는, 일반적으로 무기 충전제의 충전량을 증가시켜 저흡습 및 저열 팽창화를 달성하여 내크랙성을 향상시킴과 동시에 저점도 수지를 사용하여 고유동성을 유지하는 방법이 적용되고 있다. 그러나 용접 처리 후의 신뢰성은 에폭시 수지 조성물의 경화물과 반도체 장치 내부에 존재하는 반도체 소자나 리드프레임 등의 기재 (substrate)와의 계면에서의 부착력에 더 크게 의존하게 된다. 만약 상기 경화물과 기재 간 계면에서의 부착력이 약하다면, 용접 처리 후 기재와의 계면에서 박리가 발생하고 나아가서는 이 박리에 의하여 반도체 소자에 크랙이 발생하게 되는 것이다.
한편 상기 에폭시 수지 조성물의 경화물과 반도체 소자의 계면에서의 접착력을 향상시키기 위해서, 아민계 실란 커플링제 등을 에폭시 수지 조성물의 커플링제 성분으로 사용하기도 하였다. 그러나 금, 은 등의 성분으로 도금된 각 접합부분과 에폭시 수지 조성물의 경화물 간의 계면에서의 박리는 여전히 억제되지 않았으며, 무연화에 의한 용접 처리 온도의 상승(215 ~ 240℃ → 260℃)과 PPF 리드프레임 등이 출현에 의해 충분한 부착 성능을 발휘하는 데에는 한계가 있었다.
따라서 에폭시 수지 경화물과 기재, 바람직하게는 도금되거나 프리플레이팅(PPF)된 반도체 기재와의 신뢰성 및 납땜 균열 저항성(soldering crack resistance)을 개선시킬 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 개발하는 것이 현재 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 소자, 리드프레임 등의 각종 부재와의 부착성을 향상시키고, 기판 실장시의 내크랙성을 향상시킨 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 커플링제 및 무기충전제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 아민계 (amine) 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 상기 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자를 제공한다.
Figure 112009064870086-PAT00002
상기 식에서, R1 내지 R4는 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 각각 독립적으로 H, C1 내지 C6의 알킬기이다.
이때, 상기 화학식 1의 아민계 화합물에서 R1 내지 R4는 각각 메틸기인 것이 바람직하다 (하기 화학식 6 참조).
또한 상기 화학식 1의 아민계 화합물은 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량% 에 대하여 0.01 ∼ 2 중량% 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 에폭시 수지는 하기 화학식 2로 표시되는 바이페닐형 에폭시 수지, 하기 화학식 3으로 표기되는 페놀아랄킬형 에폭시수지 또는 이들 모두를 포함하는 것이 바람직하다.
Figure 112009064870086-PAT00003
상기 식에서, n의 평균치는 0 내지 7이다.
Figure 112009064870086-PAT00004
상기 식에서, n의 평균치는 1 내지 7이다.
아울러, 상기 경화제는 하기 화학식 4로 표시되는 페놀아랄킬형 페놀수지, 하기 화학식 5로 표기되는 자일록형 페놀수지 또는 이들 모두를 포함하는 것이 바람직하다.
Figure 112009064870086-PAT00005
Figure 112009064870086-PAT00006
상기 화학식 4~5에서, n의 평균치는 1 내지 7이다.
나아가, 상기 무기 충전제는 평균 입경 5~30 ㎛의 구상 용융 실리카와 평균 입경 0.001~1 ㎛의 구상 용융 실리카가 50~99 : 50~1 중량비로 포함되는 용융 실리카 혼합물을, 전체 무기 충전제 100 중량부 대비 40~100 중량부로 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자는 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 헨셀 믹서, 뢰디게 믹서 또는 슈퍼 믹서를 이용하여 혼합한 뒤, 롤밀 또는 니이더로 용융 혼련한 후, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 얻어진 최종 분말 제품을 사용하여 밀봉되는 것이 바람직하다.
이때 상기 반도체 소자는 니켈과 팔라듐을 포함하는 물질로 프리플레이팅 (PPF)된 리드프레임을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 사전 도금된 프레임에 있어서의 향상된 부착력으로 인하여 높은 신뢰도와 우수한 납땜 균열 저항성을 발휘할 수 있다.
또한 별도의 할로겐계, 삼산화 안티몬 등의 난연제를 사용하지 않아도 우수한 난연성을 가지는 수지 밀봉형 반도체 소자를 제조할 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
반도체 패키지 흡습 신뢰도 평가는, 하기 실시예 1에 기재된 바와 같이 프리플레이팅된 리드프레임을 구비하는 반도체 소자를 에폭시 수지 조성물로 밀봉 및 후경화시킨 후, 특정 조건 (60℃, 60% 상대습도) 하에서 수십 시간 동안 방치시키고 IR 리플로우를 수회 반복 통과시킨 후 이들의 부착력을 측정하는 것이다.
이때 부식(corrosion) 현상이 발생할 수 있는데, 이러한 리드프레임의 부식 현상은 소자와 에폭시 수지의 경화물 계면간의 결합을 방해하여 부착력을 현저히 저하시키고, 이후 최종 소자의 신뢰도에 악영향을 미칠 수 있다.
참고로, 부식(corrosion)은 외부로부터의 화학적 작용에 의해 금속이 소모됨으로써 금속 제품의 성능이 저하되는 현상으로서, 이러한 현상은 계속적으로 일어나는 성질이 있다.
이에, 본 발명에서는 리드프레임의 부식을 방지하고, 기재와의 계면 부착력을 유지하기 위하여, 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 커플링제 및 무기 충전제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 화학식 1로 표시되는 아민계 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 화학식 1로 표기되는 아민계 화합물은 금속의 비오염성 부식 억제제 기능을 하는 것으로 추정된다.
이러한 아민계 화합물은 에폭시 수지 조성물과 금속 표면과의 사이에서 활성을 나타내는 물질, 즉 흡착기와 탄화수소기를 동시에 보유하게 된다. 이때 흡착기는 친금속성, 친무기성을 나타내며, 탄화 수소기는 소금속성, 친유기성을 나타낸다. 상기 흡착기와 탄화수소기는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 중에서 아민계 화합물이 원활히 분산되어 흡착이 용이하도록 하며, 금속면에 부착된 후에는 강하게 흡착하여 쉽게 금속으로부터 탈착되지 않도록 한다. 이를 통하여 기재와 금속간의 부착력의 저하를 막아 고신뢰성의 반도체 봉지재료를 제공할 수 있다(하기 표 2 참조).
한편 흡착 강도는 흡착에 관여하는 원자에 의한 영향이 큰 반면, 흡착 중심이 되는 원자에 대한 다른 원자의 영향도 무시할 수 없다.
즉, 흡착은 흡착기 중심원자가 금속에 전자를 공여하는 것이기 때문에, 부식 억제에 사용되는 물질의 흡착기는 전자 밀도가 높은 원소가 중심이 된다. 실제로 부식 억제제로 사용되는 물질의 흡착기는 전자 밀도가 높은 원소, 예컨대 주기율표의 제 V족 및 제 VI족의 원소가 중심이 된다. 본 발명에 따른 화학식 1의 아민 (amine) 계열 화합물은, 흡착기가 높은 전기음성도를 가지고 있으므로 금속 (Cu, Alloy, Ag 등)의 부식을 억제하여 금속과 에폭시 수지 조성물 간의 계면에서의 부착력 저하를 충분히 방지할 수 있다.
본 발명에서는 아민기를 갖는 아민계 화합물만을 설명하고 있으나, 이외에 주기율표의 제 V족 및 제 VI족의 원소가 흡착기의 중심 원자로 사용되어 전술한 효과를 발휘하는 화합물 역시 본 발명의 범주에 속한다.
상기 화학식 1의 아민계 화합물은, R1 내지 R4가 각각 메틸기인 하기 화학식 6의 화합물일 수 있다.
Figure 112009064870086-PAT00007
상기와 같이 아민기와 동반 도입되는 치환기가 전자 공여성(electron donating ability)을 갖는 알킬기, 예컨대 메틸기인 경우, 화학식 1의 아민계 화합물의 전자 밀도(electron density)를 증가시키는 전기적 효과를 발생시켜 흡착 효과를 더 상승시킬 수 있다.
상기 화학식 1의 아민계 화합물은 신뢰성, 내크랙성 등의 물성에 따라 적절히 조절 가능하며, 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량% 기준으로 0.01 ~ 2 중량% 범위로 사용될 수 있다.
아민계 화합물이 전술한 함량 범위에 해당될 경우, PPF 등 금속과의 부착성 향상 효과를 충분히 발휘할 수 있을 뿐만 아니라, 원재료와의 균일한 혼합이 이루어지고 경화반응 효과가 적절히 도모될 수 있다.
상기 아민계 화합물은 에폭시 수지 조성물 제조시 직접 투입하거나, 또는 멜트마스터 배치(Melt Master Batch; MMB)와 같은 방법을 통하여 에폭시 또는 경화제 의 용융물에 미리 녹여 분산시켜 조성물에 투입하여 사용할 수 있다.
본 발명의 에폭시 수지는 반도체 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 에폭시 수지라면 특별히 제한되지 아니하며, 분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 함유하는 에폭시 화합물인 것이 바람직하다.
사용 가능한 에폭시 수지의 비제한적인 예로는, 페놀 또는 알킬 페놀류와 히드록시벤즈알데히드와의 축합물을 에폭시화함으로써 얻어지는 에폭시수지, 크레졸 노볼락형 에폭시수지, 페놀 노볼락형 에폭시수지, 바이페닐형 에폭시수지, 비스페놀 A형 에폭시수지, 비스페놀 F형 에폭시수지, 선형지방족 에폭시수지, 지환식 에폭시수지, 복소환식 에폭시수지, 스피로환을 포함하는 에폭시수지, 자일록형 에폭시수지, 페놀아랄킬형 에폭시수지, 다관능형 에폭시수지, 나프톨노블락형 에폭시수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 노볼락형 에폭시수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 글리시딜에테르, 비스히드록시비페닐계 에폭시수지, 디시클로펜타디엔계 에폭시수지, 나프탈렌계 에폭시수지 등이 있다. 전술한 에폭시 수지는 단독 또는 2종 이상 혼용될 수 있으며, 예컨대 상기 화학식 2로 표시되는 바이페닐형 에폭시수지, 상기 화학식 3으로 나타낼 수 있는 페놀아랄킬형 에폭시수지 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
상기 화학식 2의 바이페닐형 에폭시수지와 화학식 3의 페놀아랄킬형 에폭시 수지는 기본적인 난연성과 안정적인 유동성, 신뢰성을 부여할 수 있다. 바람직한 에폭시 수지로는 상기 화학식 2로 표시되는 바이페닐형 에폭시수지를 들 수 있으며, 이를 전체 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 중량부 이상, 특히 20 중량부 이상 사용하는 것이 적절하다. 상기 바이페닐형 에폭시 수지는 단독 혹은 혼합물로도 충분한 효과를 발휘할 수 있으며, 상기 바이페닐형 에폭시 수지에 일부 반응을 시킨 부가 화합물로도 사용할 수 있다.
또한 상기 화학식 3의 페놀아랄킬형 에폭시수지는 페놀 골격을 바탕으로 하면서, 중간에 바이페닐을 가지고 있는 구조를 형성하여, 흡습성, 인성, 내산화성 및 내크랙성이 우수하며, 가교밀도가 낮아서 고온에서 연소시 탄소층(char)을 형성하면서 그 자체로도 어느 정도 수준의 난연성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 사용되는 전체 에폭시수지는 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량%에 대하여 3~15 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 3~12 중량% 범위이다. 그러나 전술한 범위에 한정되지 않고, 무기 충전제, 경화제, 경화촉진제, 응력 완화제, 커플링제, 기타 첨가제 등을 포함하는 전체 에폭시 수지 조성물에서 100 중량%를 만족시키는 잔량의 범위일 수 있다.
본 발명의 경화제는 반도체 밀봉용으로 일반적으로 사용되는 것으로서, 에폭시수지와 반응하여 경화물을 만들 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다.
사용 가능한 경화제의 비제한적인 예로는, 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 자일록형 페놀 수지, 페놀아랄킬형 페놀수지, 나프톨형 페놀 수지, 테르펜형 페놀수지, 다관능형 페놀수지, 디시클로펜타디엔계 페놀수지, 나프탈렌형 페놀수지, 비스페놀 A와 레졸로부터 합성된 각종 노볼락 수지, 트리스(하이드록시페닐)메탄, 디하이드록시바이페닐 등 다양한 다가 페놀 화합물, 무수 말레인산, 무수프탈산 등의 산무수물 및 메타페닐렌디아민, 디아미노이페닐메탄, 디아미노이페닐설폰 등의 방향족 아민 등을 들 수 있다. 반도체 성형용으로는 내열성, 내습성 및 보존성 측면에서 페놀계 경화제가 많이 사용되고 있으며, 용도에 따라 2종류 이상의 경화제를 혼용(混用)하는 것이 바람직하다. 일례로, 상기 화학식 4로 표시되는 페놀아랄킬형 페놀수지, 상기 화학식 5로 표시되는 자일록형 페놀수지, 또는 이들의 혼합물 등이 있다.
바람직한 페놀수지로는 상기 화학식 4와 같은 페놀아랄킬형 페놀수지를 들 수 있다. 이를 전체 페놀수지 100 중량부 대비 5 중량부 이상 사용할 수 있으며, 바람직하게는 10 중량부 이상 100 중량부 미만을 사용하는 것이다.
본 발명의 전체 경화제 함량은 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량%에 대하여 0.1~10 중량%를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 0.5~7 중량% 범위이다. 아울러, 상기 에폭시 수지와 경화제의 사용 비율은 기계적 성질 및 내습 신뢰성의 요구에 따라 에폭시 수지에 대해 경화제의 화학 당량비가 0.5 ~ 2 범위일 수 있으며, 바람직하게는 0.8 ~ 1.6 범위이다.
본 발명에 사용되는 경화촉진제는 에폭시수지와 경화제의 반응을 촉진하는 물질이다. 사용 가능한 경화촉진제의 비제한적인 예로는, 제 3급아민, 유기금속화합물, 유기인화합물, 이미다졸, 붕소화합물 등이 있다.
상기 제 3급 아민의 구체적인 예를 들면, 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디에틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀과 트리-2-에틸헥실 에시드의 염 등이 있다.
상기 유기 금속화합물의 구체적인 예를 들면, 크로뮴아세틸아세토네이트, 징크아세틸아세토네이트, 니켈아세틸아세토네이트 등이 있다.
상기 유기인화합물의 구체적인 예를 들면, 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄브로마이드, 부틸트리페닐포스포늄브로마이드, 페닐 포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논 부가물 등이 있다.
상기 이미다졸류의 구체적인 예를 들면, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-아미노이미다졸, 2메틸-1-비닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-헵타데실이미다졸 등이 있다.
상기 붕소화합물의 구체적인 예를 들면, 테트라페닐포스포늄-테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 테트라페닐보론염, 트리플루오로보란-n-헥실아민, 트리플루오로보란모노에틸아민, 테트라플루오로보란트리에틸아민, 테트라플루오로보란아민 등이 있다. 이외에도 1,5-디아자바이시클로[4.3.0]논-5-엔(1,5-diazabicyclo[4.3.0]non-5-ene: DBN), 1,8-디아자바이시클로[5.4.0]운덱-7-엔(1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene: DBU) 및 페놀노볼락 수지염 등을 사용할 수 있다. 특히 바람직한 경화촉진제로는 아민계 및 이미다졸계와 같은 염기성 경화촉진제를 단독 혹은 1종 이상 혼용하는 것을 들 수 있다. 상기 경화촉진제는 에폭시수지 또는 경화제와 선반응하여 만든 부가물을 사용하는 것도 가능하다. 본 발명에서 사용되는 경화촉진제의 배합량은 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량%에 대하여 0.001~1 중량% 범위일 수 있으며, 바람직하게는 0.01~0.5 중량% 범위이다. 본 발 명의 무기 충전제는 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성 향상과 저 응력화를 위하여 사용되는 물질이다.
사용 가능한 무기 충전제의 비제한적인 예로는, 용융실리카, 결정성 실리카, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 클레이, 탈크, 규산칼슘, 산화티탄, 산화안티몬, 유리섬유 등을 들 수 있다. 저응력화를 위해서는 선평창계수가 낮은 용융실리카를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 용융 실리카는 진비중이 2.3 이하인 비결정성 실리카를 의미하는 것으로 결정성 실리카를 용융하여 만들거나 다양한 원료로부터 합성한 비결정성 실리카도 포함된다. 용융실리카의 형상 및 입경은 특별히 한정되지는 않지만, 평균 입경 5~3 ㎛의 구상 용융 실리카와 평균 입경 0.001~1 ㎛의 구상 용융 실리카가 50~99 : 50~1 범위 (중량비 기준)로 포함되는 용융 실리카 혼합물을, 전체 무기 충전제 100 중량부 대비 40~100 중량부가 되도록 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 용도에 맞춰 그 최대 입경을 45 ㎛, 55 ㎛ 및 75 ㎛ 중 어느 하나로 조정해서 사용할 수가 있다. 용융 구상 실리카에는 도전성의 카본이 실리카 표면에 이물로서 포함되는 경우가 있으나, 극력 이물의 혼입이 적은 물질을 선택하는 것도 중요하다.
본 발명에서 무기 충전제의 사용 비율은 성형성, 저응력성, 고온강도 등의 요구 물성에 따라 적절히 조절 가능하다. 상기 무기 충전제는 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량%에 대하여 70~95 중량% 범위로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 80~95 중량%, 더욱 바람직하게는 82~92 중량% 범위이다.
본 발명의 에폭시 수지 조성물은 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위에서 고 급 지방산, 고급 지방산 금속염, 천연지방산, 파라핀계 왁스, 에틸렌계 왁스, 에스테르계 왁스 등의 이형제; 카본블랙, 유기염료, 무기염료 등의 착색제; 에폭시실란, 아미노실란, 머캡토실란, 알킬실란, 알콕시실란, 아민계 실란 커플링제 등의 커플링제; 변성 실리콘 오일, 실리콘 파우더, 실리콘 레진 등의 응력완화제; 브롬화 에폭시 수지, 산화 안티몬, 포스파젠, 붕산아연, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘 등의 유, 무기 난연제 등의 첨가제들을 필요에 따라 포함할 수 있다.
상기 첨가제들의 함량은 당 업계의 통상적인 범위를 가질 수 있으며, 일례로 실란 커플링제, 착색제, 왁스가 각기 0.001 중량% 이상, 1 중량% 미만 범위로 사용될 수 있다. 그러나 전술한 범위에 한정되지 않고, 전체 에폭시 수지 조성물에서 100 중량%를 만족시키는 잔량의 범위일 수 있다.
이상과 같은 원재료를 이용하여 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은, 일반적으로 소정의 배합량을 헨셀 믹서, 뢰디게 믹서 또는 슈퍼 믹서를 이용하여 균일하게 충분히 혼합한 뒤, 롤밀이나 니이더로 용융 혼련한 후 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 최종 분말 제품을 얻는 방법이다.
또한 본 발명에서 얻어진 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법으로는 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적이며, 인젝션(Injection) 성형법이나 캐스팅(Casting) 등의 방법으로도 성형이 가능하다.
상기 방법에 의해 리드프레임 또는 유기계 라미네이트 프레임의 반도체 소자를 제조할 수 있다.
상기와 같이 밀봉된 반도체 소자는, 전술한 바와 같이 니켈과 팔라듐을 포함 하는 물질로 프리플레이팅(PPF)된 리드프레임을 포함하는 반도체 소자인 것이 바람직하다. 또는 은이나 금으로 도금된 구리 리드 프레임, 또는 니켈/팔라듐 도금 후 은 및/또는 금으로 도금된 구리 리드 프레임일 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 근거하여 자세히 설명하겠으나 본 발명이 이 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1~3, 비교예 1~2] 에폭시 수지 조성물 제조
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하기 위해, 하기 표 1의 조성에 따라 각 성분들을 평량한 뒤, 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합하여 분말 상태의 1차 조성물을 제조하였다. 이후 연속 니더를 이용하여 100 ~ 120℃ 범위에서 용융 혼련한 뒤, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
이때 실시예 1~3은 아민계 화합물을 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량부 대비 0.50 중량%, 0.30 중량%, 0.15 중량%를 첨가하여 혼합하였고, 비교예 1~2는 아민계 화합물을 첨가하는 대신 페놀릭계 화합물을 사용하여 에폭시 수지 조성물을 준비하였다.
Figure 112009064870086-PAT00008
주 1) NC-3000, Nippon Kayaku
주 2) YX-4000, Japan Epoxy Resin
주 3) KPH-F3065, Kolon 유화
주 4) MEH-7851, Meiwa
주 5) TPP-k, Hokko Chemical
주 6) 평균입경 18㎛의 구상 용융실리카와 평균입경 0.5㎛의 구상 용융 실리카의 9:1 혼합물
주 7) KBM-803, Shin Etsu Silicon
주 8) SZ-6070, Dow corning chemical
주 9) KBM-573, Shin Etsu Silicon
주 10) 4,4′-bis(α,α-dimethylbenzyl) diphenylamine
주 11) 2,2′-메틸렌비스(4-메틸-6-t-부틸페놀)
실험예 1. 에폭시 수지 조성물의 물성 및 신뢰성 평가
상기와 같이 얻어진 실시예 1~3 및 비교예 1~2의 에폭시 수지 조성물에 대하여 하기와 같은 방법으로 물성 및 신뢰성을 평가하였다.
신뢰성 시험을 위해 MPS (Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 70초간 성형시킨 후 175℃에서 4시간 동안 후경화시켜, Cu 금속 소자에 니켈-팔라듐-금이 프리플레이팅된 (PPF) 리드프레임으로 구성된 MQFP (Medium Quad Flat Package)형 반도체 소자를 제작하였다. 상기 조성물들을 이용하여 밀봉된 반도체 소자를 이용하여 이들의 물성 및 신뢰성 실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 신뢰성 시험은 열충격 시험에서의 박리 및 패키지 크랙 발생 정도로 나타내었다.
[물성 평가 방법]
1) 부착력: 측정하고자 하는 구리 금속 소자를 부착 측정용 금형에 맞는 규격으로 준비하고, 준비된 구리 금속 시편에 니켈-팔라듐-금 (Ni-Pd-Au) 및 니켈-팔라듐-금/은 (Ni-Pd-Au/Ag)을 프리플레이팅한 시험편을 각각 준비하였다. 이렇게 준비된 금속 시험편에 표 1에 기재된 에폭시 수지 조성물을 금형온도 170~180℃, 이송압력 1000 psi, 이송속도 0.5 ~ 1.0 cm/sec, 경화시간 120초의 조건으로 성형하여 경화 시편을 얻은 후, 시편을 170~180℃의 오븐에 넣어 4시간 동안 후경화시킨 직후와, 60℃, 60% 상대습도 조건하에서 120시간 동안 방치시킨 후 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우를 1회 통과시키는 것을 3회 반복하는 프리컨디션 조건 하에서의 부착력을 각각 측정하였다. 이때 금속 시편에 닿는 에폭시 수지 조성물의 면적은 33 ~ 40mm2이며 부착력 측정은 각 측정 공정 당 10개 이상의 시편에 대하여 UTM (Universal Testing Machine)을 이용하여 측정하였다.
2) 내박리성 평가(신뢰성 시험): 구리 금속 소자에 니켈-팔라듐-금이 프리플레이팅된 리드프레임으로 구성된 LQFP형 반도체 소자를 표 1에 기재된 에폭시 수지 조성물을 이용하여 조립한 후, 175℃에서 4시간 동안 후경화하였다. 이러한 LQFP형 반도체 소자를 125℃에서 24시간 건조시킨 후, 60℃, 60% 상대습도 조건 하에서 120시간 동안 방치시킨 후 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우를 1회 통과시키는 것을 3회 반복하는 프리컨디션 조건 하에서의 패키지 외관 크랙 발생 유무를 광학현미경으로 평가하였다. 또한 비파괴 검사기인 C-SAM (Scanning Acoustical Microscopy)을 이용하여 에폭시 수지 조성물과 리드프레임간의 크랙 발생 유무를 평가하였다.
실험 결과, 본 발명에 의한 에폭시 수지 조성물은 종래 비교예 에폭시 수지 조성물에 비하여, 후경화 직후 뿐만 아니라 IR 리플로우를 3회 통과시킨 후에도, 부착력을 충분히 확보한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 별도의 난연제를 적용하지 않으면서도 우수한 난연성을 확보하고 있음을 알 수 있었다.
특히, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 신뢰도 측면에서도 리플로우 후 니켈-팔라듐계 (Ni-Pd)로 프리플레이팅된 리드프레임과의 내박리성 및 내크랙성 면에서 월등히 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 112009064870086-PAT00009

Claims (9)

  1. 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 커플링제 및 무기 충전제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 하기 화학식 1로 표시되는 아민계 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112009064870086-PAT00010
    상기 식에서, R1 내지 R4는 서로 상이하거나 동일할 수 있으며, 각각 독립적으로 H, C1 내지 C6의 알킬기이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1 에서 R1 내지 R4는 각각 메틸기인 것이 특징인 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 화학식 1의 아민계 화합물은 전체 에폭시 수지 조성물 100 중량%에 대하여 0.01 ∼ 2 중량% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 에폭시 수지는 하기 화학식 2로 표시되는 바이페닐형 에폭시 수지, 하기 화학식 3으로 나타낼 수 있는 페놀아랄킬형 에폭시수지, 또는 이들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 2]
    Figure 112009064870086-PAT00011
    상기 화학식 2에서, n의 평균치는 0 내지 7이다.
    [화학식 3]
    Figure 112009064870086-PAT00012
    상기 화학식 3에서, n의 평균치는 1 내지 7이다.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 경화제는 하기 화학식 4로 표시되는 페놀아랄킬형 페놀수지, 하기 화학식 5로 표시되는 자일록형 페놀수지, 또는 이들 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 4]
    Figure 112009064870086-PAT00013
    [화학식 5]
    Figure 112009064870086-PAT00014
    상기 화학식 4~5에서, n의 평균치는 1 내지 7이다.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 무기 충전제는 평균 입경 5~30 ㎛의 구상 용융 실리카와 평균 입경 0.001~1 ㎛의 구상 용융 실리카가 50~99 : 50~1 범위로 (중량비 기준) 포함되는 용융 실리카 혼합물을, 전체 무기 충전제 100 중량부 대비 40~100 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 헨셀 믹서, 뢰디게 믹서 또는 슈퍼 믹서를 이용하여 혼합하고 롤밀 또는 니이더로 용융 혼련한 후, 냉각 및 분쇄과정을 거쳐 얻어진 최종 분말 제품을 사용하여 밀봉된 반도체 소자.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 최종 분말 제품을 저압 트랜스퍼 성형법, 인젝 션(Injection) 성형법 또는 캐스팅(Casting) 성형법을 이용하여 밀봉된 반도체 소자.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 반도체 소자는 니켈과 팔라듐을 포함하는 물질로 프리플레이팅(PPF)된 리드프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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