KR20120103896A - 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 충진제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 에폭시 수지에 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 포함시킴으로써, 실리콘 접착제 적용 패키지에서 부착성이 우수하고, 패키지 휨 특성 및 와이어 휘어지는 정도를 적정 수준으로 유지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다.

Description

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR SEALING SEMICONDUCTOR AND SEMICONDUCTOR DEVICE SEALED USING THE SAME}
본 발명은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 충진제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 에폭시 수지에 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 포함시킴으로써, 실리콘 접착제 적용 패키지에서 부착성이 우수하고, 패키지 휨 특성 및 와이어 휘어지는 정도를 적정 수준으로 유지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 봉지재는 반도체 소자를 봉지시켜 반도체 회로를 외부의 충격 및 오염물질로부터 보호하는 역할을 하는 재료로서, 반도체의 생산성 및 신뢰성에 중대한 영향을 미치는바 반도체 제조공정에 있어 큰 비중을 차지하고 있다. 현재 반도체 봉지방법으로는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound, EMC)를 이용한 이송성형법이 주류를 이루고 있으며, EMC는 다른 재료에 비해 가격이 저렴하고 생산성이 월등하다는 장점을 지닌다.
또한, 반도체 패키지를 기판에 실장하는 것과 관련하여 현재 표면실장 기술(Surface Mount Technology, SMT)이 개발 및 상용화됨으로써, 기존 단면 기판의 양면실장이 가능하게 되어 그 효율성이 두 배 이상 향상되었다. 특히, 반도체 장치의 두께가 감소하고 크기가 확대됨에 따라 반도체 소자를 금속 와이어(wire)에 의해 기판에 접속시킨 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array, BGA)와 같은 1 측면 밀봉 구조의 반도체 장치가 주목받고 있다. 결국 이러한 표면실장 기술의 적용을 위해서는 패키지의 슬림화가 필요하고, 이로 인해 신뢰성 및 작업성 측면에서 EMC의 요구물성은 더욱 강화되는 추세이다.
구체적으로, 상기 볼 그리드 어레이 방식의 경우, 수지를 사용한 반도체 밀봉시 수지 유동부가 좁아짐에 따라 수지의 유동성이 감소하므로, 이에 기인하는 와이어 변형 발생 및 패키지 휨 특성 저하 문제를 해결하여야 한다. 또한 반도체 장치의 두께 감소 및 크기 확대로 인한 밀봉 면적의 확장은 밀봉 수지층 및 반도체 장치 표면에 사용되는 접착제(예컨대, 에폭시 접착제) 사이에서의 부착 면적 증가와 관련되는데, 이 경우 일정 수준 이상의 내습성 및 부착성을 갖춰야만 한다.
이러한 요구를 충족하고자, 반도체 칩과 기판(예컨대, PCB)을 접착시키기 위해 종래 널리 사용되던 에폭시 접착제는 실리콘 접착제로 대체되는 추세이다. 그러나 실리콘 접착제는 에폭시 접착제에 비해 내습성은 우수하지만, 에폭시 수지 조성물과의 부착성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
이에, 난연성, 내리플로우성, 강도 및 경도 등 EMC의 기본적인 요구물성을 만족시키면서도, 반도체 소자 접착제, 특히 실리콘 접착제에 대한 부착성이 우수하고, 패키지 휨 특성 및 와이어 휘어지는 정도를 적정 수준으로 유지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 대한 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 실리콘접착제에 대한 부착성이 우수하고, 패키지 휨 특성 및 와이어 휘어지는 정도를 적정 수준으로 유지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 (A) 에폭시 수지; (B) 경화제; (C) 경화촉진제; 및 (D) 충진제;를 포함하며, 상기 에폭시 수지 성분 (A)는 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면으로, 상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 반도체 소자 접착제, 특히 실리콘 접착제에 있어서의 부착성이 뛰어나 반도체 패키지의 신뢰도를 높일 수 있고, 패키지 휨 특성, 특히 충진제 함량 88 중량% 내외에서의 패키지 휨 특성 수준을 만족시킬 수 있으며, 금형 내의 긴 흐름성 구현을 통한 당업계의 와이어 휘어지는 정도를 만족할 수 있고, 친환경적으로 우수한 난연성을 확보할 수 있다.
도 1은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물의 난연성 측정장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물의 부착력 측정장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물의 부착력 측정방법을 나타낸 개략도이다.
이하, 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 구성요소별로 상세히 설명한다.
(A) 에폭시 수지
본 발명의 조성물에 포함되는 에폭시 수지(또는 "성분 (A)")는 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 포함하는 것이다. 이로 인해 반도체 소자 접착제, 특히 실리콘 접착제에 있어서의 부착력이 향상되며, (충진제 함량이 약 88 중량%인 경우의) 패키지 휨 특성, 및 와이어 휘어지는 정도를 만족할만한 수준으로 유지할 수 있다.
본 명세서에서 "설퍼 비페닐 에폭시 수지"란 황 원자를 함유하는 비페닐 에폭시 수지를 의미한다. 일 구체예에서, 설퍼 비페닐 에폭시 수지로 에폭시 당량이 235 ~ 255, 분자량이 455 ~ 475인 것을 사용할 수 있다. 예컨대, Nippon Steel Chemical社에서 제조되는 YSLV-120TE(에폭시 당량 245, 분자량 465.1)를 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
에폭시 수지로는 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 단독으로 사용할 수도 있고, 반도체 봉지재에 통상적으로 사용되는 다른 에폭시 수지와 혼합하여 사용할 수도 있다. 예를 들어, 설퍼 비페닐 에폭시 수지;와 비스페놀A형, 지환형, 선형 지방족, (오르쏘)크레졸 노볼락형, 나프톨 노볼락형, 비페닐형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지 중에서 선택되는 1종 이상;을 혼합하여 사용할 수 있다.
설퍼 비페닐 에폭시 수지를 다른 에폭시 수지와 혼합하여 사용하는 경우, 설퍼 비페닐 에폭시 수지는 에폭시 수지 총 중량에 대하여 50 중량% 이상(예컨대, 50 ~ 95 중량%) 포함되는 것이 바람직하다. 그 함량이 50 중량% 미만이면, 부착력 향상 정도가 미미하거나 패키지 및 와이어 휨 특성 수준이 불만족스러울 수 있다.
보다 바람직하게는, 설퍼 비페닐 에폭시 수지와 노볼락형 에폭시 수지를 혼합 사용하되, 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 에폭시 수지 총 중량에 대하여 60 ~ 80 중량%의 함량으로 사용한다. 이 경우 실리콘 접착제와의 부착력이 더욱 향상된다.
설퍼 비페닐 에폭시 수지로는 1 분자 중에 에폭시기를 2개 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 내습 신뢰성을 고려하여 이온성 불순물, 예컨대 나트륨 이온, 염소 이온 등이 적게 포함된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
설퍼 비페닐 에폭시 수지의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 4 ~ 10 중량%, 보다 바람직하게는 4.5 ~ 6.5 중량%이다. 그 함량이 4 중량% 미만이면 부착력 향상 정도가 미미하거나 패키지 및 와이어 휨 특성 수준이 불만족스러울 수 있으며, 그 함량이 10 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고 충진제의 상대적 함량 감소로 강도가 저하될 수 있다.
설퍼 비페닐 에폭시 수지를 포함한 전체 에폭시 수지의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 4 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 5 ~ 10 중량%이다. 그 함량이 4 중량% 미만이면 부착력 향상 정도가 미미하거나 패키지 및 와이어 휨 특성 수준이 불만족스러울 수 있고 접착성, 전기절연성, 흐름성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고 충진제의 상대적 함량 감소로 강도가 저하될 수 있다.
(B) 경화제
본 발명의 조성물에 포함되는 경화제(또는 "성분 (B)")는 상기 에폭시 수지 성분 (A)와 반응하고 조성물의 경화를 진행시키는 성분이다.
경화제로는 반도체 봉지형 경화제로서 내습성, 내열성, 보존성 등의 물성이 우수한 페놀계 경화제를 사용하는 것이 바람직하다. 일 구체예에서, 페놀계 경화제는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 알킬 수지, 비스페놀A로부터 합성된 각종 노볼락 수지 및 디하이드로 비페닐로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상의 다가 페놀 화합물로서, 분자구조 내에 상기 에폭시 수지 성분 (A)와 반응하고 경화를 진행시키는 페놀성 하이드록시기를 2개 이상 함유하는 것이다.
경화제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 3 ~ 10 중량%이다. 그 함량이 2 중량% 미만이면 경화성 및 성형성에 문제가 생길 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 신뢰성이 저하되고, 상대적으로 강도가 낮아질 수 있다.
(C) 경화촉진제
본 발명의 조성물에 포함되는 경화촉진제(또는 "성분 (C)")는 에폭시 수지와(페놀계) 경화제의 경화반응을 촉진시키는 성분이다.
경화촉진제로는 2-메틸이미다졸, 2-에틸4메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸 화합물; 트리에틸아민, 트리부틸아민, 벤질디메틸아민 등의 아민 화합물; 2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비사이클로(5,4,0)운덱-7-엔 등의 삼급 아민 화합물; 및 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀 등의 유기 포스핀 화합물을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
경화촉진제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.05 ~ 5 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 ~ 1 중량%이다. 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 경화성이 저하될 수 있으며, 그 함량이 5 중량%를 초과하면 과경화로 인해 흐름성이 저하될 수 있다.
(D) 충진제
본 발명의 조성물에 포함되는 충진제(또는 "성분 (D)")는 봉지재의 강도를 향상시키고 흡습량을 낮추기 위한 성분이다.
충진제로는 실리카, 실리카 나이트라이드, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드 등의 무기 충진제를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 충진제의 형태 또한 특별히 제한되지 않으며, 각상 및 구상 형태의 충진제를 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는, (고순도의) 실리카 충진제, 예컨대 천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 등을 사용한다.
충진제의 입경은 금형에의 충전성을 고려하여 150㎛ 이하인 것이 바람직하다.
충진제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 70 ~ 93 중량%, 보다 바람직하게는 85 ~ 90 중량%이다. 그 함량이 70 중량% 미만이면 흡습량 증가로 강도가 저하되고, 리플로우 솔더링 과정 후 밀착성이 떨어질 수 있으며, 그 함량이 93 중량%를 초과하면 점도 증가 및 유동성 저하로 성형성이 불량해질 수 있다.
특히, 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 당업계에서 통상적으로 사용되는 충진제 함량인 약 88 중량% 내외에서 요구되는 패키지 휨 특성 수준을 효과적으로 만족시킬 수 있다.
본 발명의 조성물은 그 목적을 벗어나지 않는 범위에서 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 일반적으로 사용되는 첨가제(또는 "성분 (E)")를 추가적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 수지계와 무기 충진제 간에 결합력을 부여하는 (실란) 커플링제, 카본블랙, 산화철, 벵갈라 등의 착색제, 하이드로탈사이트계의 이온포착제, 장쇄지방산, 장쇄지방산의 금속염, 파라핀 왁스, 카르나우바 왁스 등의 이형제, 개질제 및 변성 실리콘 수지, 변성 폴리부타디엔 등의 저응력화제 중 선택되는 하나 이상의 첨가제를 조성물 총 중량에 대하여 0.1 ~ 10 중량% 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 각 성분으로부터 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야의 일반적인 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 바람직하게는, 반바리 믹서, 니더, 롤, 단축 또는 이축의 압출기 및 코니더 등을 이용한 공지된 용융 혼련방법을 사용하여 제조한다. 예컨대, 각 성분들을 균일하게 섞은 후, 용융 혼합기(heat kneader)를 이용하여 100 ~ 130℃의 온도에서 용융 혼합하고, 상온으로 냉각시킨 다음, 분말상태로 분쇄한 후, 블렌딩하는 일반적인 과정을 거쳐 본 발명의 조성물을 수득할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명의 조성물을 이용하여 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 제공된다. 구체적으로, 본 발명의 조성물을 적용할 수 있는 반도체 장치란 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등을 반도체 칩이나 기판 위에 집적하고 배선하여 만들어지는 전자회로(집적회로)를 의미한다. 본 발명의 조성물을 이용하여 반도체 장치를 봉지, 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰드, 인젝션 몰드 등의 성형방법으로 반도체 소자를 봉지하여 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 4
하기 표 1과 같은 성분 및 함량의 원료 물질을 함께 믹싱한 후, 용융 혼합, 냉각, 분쇄 및 블렌딩 공정을 거쳐 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. (경화제는 에폭시 수지의 관능기에 대해 동일 당량비로 적용하였다.)
각 성분으로 사용한 구체적인 물질은 다음과 같다.
* 설퍼비페닐에폭시수지: Nippon Steel Chemical社 YSLV-120TE (에폭시 당량 245)
* 비페닐에폭시수지: YUKA SHELL社 YX-4000K (에폭시 당량 187)
* 멀티아로마틱수지: Nippon Kayaku社 NC-3000 (에폭시 당량 274)
* 나프탈렌수지: DIC社 HP-4770 (에폭시 당량 204)
* 페놀노볼락: Kolon社 F-2001 (OH 당량 107)
* 자일락: Meiwa Kasei社 MEH-78004S (OH 당량 169)
* 경화촉진제: Hocco Chemical社 TPP(트리페닐포스핀)
* 충진제: 용융 실리카(Fused Silica)
* 커플링제(아미노실란): ShinEtsu社 KBM-573 (N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란, 분자량 255.4)
* 커플링제(메르캅토실란): ShinEtsu社 KBM-803 (3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 분자량 196.4)
* 카본블랙: Mitsubishi Chemical社 MA-600
* 폴리에틸렌왁스: Kahl&Co.社 C-WAX 2442
* 카르나우바왁스: HOECHST-WACHS社 PED-521
[표 1] 에폭시 수지 조성물의 성분 및 함량 (각 성분의 단위: 중량%)
Figure pat00001
상기 실시예 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물에 대해 아래 방법으로 물성을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
* 스파이럴 플로우(spiral flow)
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 스파이럴 플로우 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩한 후 제조물의 흐름성을 측정하였다.
* 겔 타임(gelation time)
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물 소량을 겔 타이머에 넓고 고르게 펴, 제조물의 겔화 소요시간을 측정하였다.
* 열시경도
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 가열이송성형기에서 몰딩한 직후, 경도계(Shore-D형)로 컬(cull)의 표면 3곳을 삼각형 형태로 신속히 눌러 경도를 측정하였다.
* 난연성(UL-94)
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)를 이용하여 길이 48mm, 폭 12mm, 두께 3mm 크기의 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 175℃ 오븐에서 4시간 후경화시키고, 도 1과 같은 난연 테스터기를 이용하여 난연성 테스트를 수행 (10초간 불을 붙인 후, 불을 떨어뜨려서 그때의 연소시간(t1)을 측정. 불이 꺼지면, 다시 10초간 불을 붙인 후 불을 떨어뜨려서 연소시간(t2)을 측정. 그 후부터 견본시편의 불똥이 없어질 때까지의 시간(t3)을 측정)한 다음, 하기 표 2에 기재된 난연성 기준에 따라 판정하였다.
이상의 조작을 5개 견본에 대해 실시한 후, 평균값을 내어 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[표 2] 난연성 판정 기준
Figure pat00002
* 부착력
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물로 도 2와 같은 형태의 시편을 제작하기 위해 알로이(Alloy) 프레임과 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=175℃, 경화시간=120초)에서 몰딩하였다. 이어서, Button Shear Testing Machine으로 도 3과 같은 방향으로 인장력을 가하면서 알로이 프레임이 에폭시 수지 조성물과 떨어지는 지점의 부하를 측정하고 부착력 값(kgf)으로 환산하였다.
* 박리(Delamination) 여부
각 실시예 및 비교예에 따라 제조된 에폭시 수지 조성물을 TOWA 성형기를 이용하여 금형온도 180℃에서 100초간 트랜스퍼 몰딩으로 성형시켜 PCB기판에 실리콘 접착제를 포함하는 FBGA 82F(Fine Pitch Ball Grid Array) (9.4mm*11.1mm*0.55mm) 패키지를 제작하였다. 180℃에서 2시간 동안 후경화시킨 후 상온으로 냉각시켜 85℃, 85% 상대습도 조건 하에서 48시간 동안 방치시켰다. 이후 260℃에서 30초 동안 IR 리플로우(reflow)를 1회 통과시키는 것을 3회 반복하는 프리컨디션 조건 후, 비파괴 검사기인 C-SAM(Scanning Acoustical Microscopy)을 이용하여 에폭시 수지 조성물과 PCB 간의 박리 발생 유무를 평가하였다.
[표 3] 물성평가 결과
Figure pat00003
상기 표 3에서 보듯이, 실시예의 경우 리플로우 특성, 겔 타임, 경도 등의 물성이 전반적으로 우수하였고, 난연성 V-0를 만족하였으며, 특히 부착력 및 접착력이 비교예의 경우보다 현저히 우수하였다.

Claims (6)

  1. (A) 에폭시 수지; (B) 경화제; (C) 경화촉진제; 및 (D) 충진제;를 포함하며, 상기 에폭시 수지 성분 (A)는 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 에폭시 수지 성분 (A)가 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 조성물 총 중량에 대하여 4 ~ 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 에폭시 수지 성분 (A)가 설퍼 비페닐 에폭시 수지를 에폭시 수지 총 중량에 대하여 50 중량% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, (E) 첨가제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 조성물 총 중량에 대하여
    (A) 에폭시 수지 4 ~ 20 중량%;
    (B) 경화제 2 ~ 20 중량%;
    (C) 경화촉진제 0.05 ~ 5 중량%;
    (D) 충진제 70 ~ 93 중량%; 및
    (E) 첨가제 0.1 ~ 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 이용하여 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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