KR20140082523A - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하여 밀봉된 반도체 소자 - Google Patents

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하여 밀봉된 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에폭시수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충전제 및 첨가제를 포함하는 에폭시 수지 조성물에 있어서, 상기 무기 충전제는 유크립타이트를 포함하고, 상기 유크립타이트는 상기 수지 조성물 중 20~30중량%로 포함되고, 상기 첨가제는 화학식 1 또는 2의 아졸계 화합물 하나 이상을 포함하는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하여 밀봉된 반도체 소자{Epoxy resin composition for encapsulating semiconductor device and semiconductor device encapsulated by using the same}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 상기 수지 조성물을 사용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 유크립타이트(eucryptite)와 특정 첨가제를 포함시켜, 유크립타이트 과량 포함 시 수지 조성물이 상온에서 고화되는 현상을 해소할 수 있고, 수지 조성물의 성형 공정 시 경화 시간을 단축할 수 있으며, 휨(Warpage) 특성을 최소화할 수 있는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 상기 수지 조성물을 사용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.
반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물로 반도체 칩을 자동화 장비에서 몰딩할 때 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 170~190℃로 성형된 후 상온까지 빠른 시간에 냉각이 이루어진다. 이때 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물, 기재, 반도체 칩과의 선팽창계수의 차이에 의한 패키지 휘는 현상이 발생한다. 미 반응 물질의 경화를 위하여 후 경화 단계를 거치게 되며 이때의 온도는 다시 175℃로 상승하게 된다. 솔더볼을 붙이는 공정에서는 Reflow 온도가 260℃이상 올라가고 이때 패키지 휘는 현상은 심하게 발생하게 된다.
이 문제점을 극복하기 위하여, 수지의 고 Tg(유리 전이 온도)화 및 저팽창화에 의해 기판과 수지의 수축률 차를 작게 하고, 패키지 휘어짐 양을 억제하는 시도가 여러 가지로 행해져 왔다.
해마다 진행되는 패키지 대형화에 대응하기 위하여 계속적인 저팽창화가 필요해지는데, 가장 손쉽게 CTE를 줄이는 방법인 실리카 고충전은 고점도화에 의해 와이어 휨 현상이 빈발해진다. 또한, 첨가하는 커플링제의 종류에 따라서는 수지 밀봉용 시의 경화성을 저해하여 결과적으로 패키지 휘어짐 양이 증대되어 버리는 경우가 있다.
종래의 BGA 밀봉용 수지 조성물은 상기와 같이 여러 가지의 문제점을 안고 있으며, 이는 종래 기술로는 해결하기 어려운 과제였다.
본 발명의 목적은 휨 특성이 좋은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유크립타이트를 과량 포함하더라도 조성물의 고화 현상이 없으며, 성형 공정 시 반응성이 향상된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 패키지를 구성하는 다른 재료들에 대해 신뢰성이 좋은 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점인 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지, 경화제, 무기 충전제, 및 첨가제를 포함하고, 상기 무기 충전제는 유크립타이트를 포함하고, 상기 유크립타이트는 상기 조성물 중 20~30중량%로 포함되고, 상기 첨가제는 하기 화학식 1 또는 2의 아졸계 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
<화학식 1>
Figure pat00001
(상기에서, R1은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이며,
R2는 수소 원자, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
<화학식 2>
Figure pat00002
(상기에서, R3은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
본 발명의 다른 관점은 반도체 소자는 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 밀봉될 수 있다.
본 발명은 휨 특성이 좋고, 유크립타이트를 과량 포함하더라도 조성물의 고화 현상이 없고, 성형 공정 시 반응성이 좋으며, 반도체 패키지를 구성하는 다른 재료들에 대해 신뢰성이 좋은 에폭시 수지 조성물을 제공하였다.
본 발명의 일 관점인 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 에폭시수지, 경화제, 무기 충전제, 및 첨가제를 포함하고, 상기 무기 충전제는 유크립타이트를 포함하고, 상기 첨가제는 하기 화학식 1 또는 2의 아졸계 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
<화학식 1>
Figure pat00003
(상기에서, R1은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이며,
R2는 수소 원자, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
<화학식 2>
Figure pat00004
(상기에서, R3은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
에폭시 수지
상기 에폭시 수지는 에폭시 수지 조성물 제조 분야에서 통상적으로 사용되는 에폭시 수지를 함께 사용할 수 있다. 구체예에서, 상기 에폭시 수지는 분자 중에 2개 이상의 에폭시기를 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 모노머, 올리고머 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
구체예에서, 상기 에폭시 수지는 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 오르쏘크레졸노볼락형 에폭시수지, 페놀 또는 알킬 페놀류와 히드록시벤즈알데히드와의 축합물을 에폭시화하여 얻어지는 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시수지, 크레졸노볼락형 에폭시수지, 다관능형 에폭시수지, 나프톨노볼락형 에폭시수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 노볼락형 에폭시수지, 비스페놀A/비스페놀F/비스페놀AD의 글리시딜에테르, 비스히드록시비페닐계 에폭시수지, 디시클로펜타디엔계 에폭시수지, 비페닐형 에폭시수지, 다방향족 변성 에폭시수지, 비스페놀 A형 에폭시수지 및 나프탈렌계 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 에폭시 수지는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
바람직하게는, 에폭시 수지는 하기 화학식 3으로 표시되는 바이페닐형 에폭시 수지를 사용할 수 있다:
<화학식 3>
Figure pat00005
(상기에서, n의 평균치는 0 내지 7이다)
바람직하게는, 에폭시 수지는 하기 화학식 4로 표시되는 페놀아랄킬형 에폭시 수지를 사용할 수 있다:
<화학식 4>
Figure pat00006
(상기에서, n의 평균치는 1 내지 7이다)
상기 에폭시 수지는 상기 에폭시 수지에 경화제, 경화 촉진제, 이형제, 커플링제 등의 첨가제와 멜트 마스터 배치(melt master batch)와 같은 선 반응을 시켜 만든 부가 화합물로도 사용할 수 있다.
상기 에폭시 수지는 에폭시 수지 조성물 중 1~16중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 에폭시 수지 조성물의 유동성, 난연성, 부착력 및 신뢰성이 좋을 수 있다. 바람직하게는 2~10중량%로 포함될 수 있다.
경화제
상기 경화제는 반도체 밀봉용으로 통상적으로 사용되는 것으로 2개 이상의 페놀성 수산기를 가진 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 모노머, 올리고머 및 폴리머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 경화제는 페놀아랄킬형 페놀수지, 자일록형 페놀수지, 페놀노볼락형 페놀수지, 크레졸노볼락형 페놀수지, 나프톨형 페놀수지, 테르펜형 페놀수지, 다관능형 페놀수지, 다방향족 페놀수지, 디시클로펜타디엔계 페놀수지, 테르펜 변성 페놀수지, 디시클로펜타디엔 변성 페놀수지, 비스페놀 A와 레졸로부터 합성된 노볼락형 페놀수지, 트리스(히드록시페닐)메탄, 디히드록시 비페닐을 포함하는 다가 페놀 화합물, 무수 말레인산 및 무수 프탈산을 포함하는 산무수물, 메타페닐렌디아민, 디아미노이페닐메탄, 디아미노이페닐술폰 등의 방향족 아민 등을 들 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 경화제는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 경화제는 하기 화학식 5로 표시되는 다관능형 페놀 수지일 수 있다:
<화학식 5>
Figure pat00007
(상기에서, n의 평균치는 1 내지 7이다).
바람직하게는, 경화제는 하기 화학식 6으로 표시되는 자일록형 페놀 수지일 수 있다.
<화학식 6>
Figure pat00008
(상기에서, n의 평균치는 1 내지 7이다)
바람직한 페놀 수지로는 상기 화학식 5의 다관능형 페놀수지를 들 수 있으며, 이를 전체 페놀수지에 대하여 20 중량% 이상, 특히 30 중량% 이상 사용하는 것이 좋다.
상기 경화제는 연화점이 50~100℃가 될 수 있다. 상기 범위 내에서, 수지 점도가 적절하여 유동성이 저하되지 않는다.
상기 경화제에 포함되는 페놀성 수산기의 당량은 90~300g/eq가 바람직하다.
상기 경화제는 단독 또는 병용하여 사용될 수 있고, 경화제에 상기 에폭시 수지, 경화촉진제, 기타 첨가제 등의 성분과 멜트 마스터 배치(melt master batch)와 같은 선반응시켜 제조된 부가 화합물로도 사용할 수 있다.
상기 경화제는 에폭시 수지 조성물 중 0.1~10중량%, 바람직하게는 0.5~7중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 미반응된 에폭시기 및 페놀성 수산기가 다량 발생하지 않아 신뢰성이 우수할 수 있다.
무기 충전제
상기 무기 충전제는 유크립타이트(eucryptite)를 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 무기 충전제는 유크립타이트 세라믹 필러(eucryptite ceramic filler)를 포함할 수 있다.
상기 유크립타이트는 열팽창계수(CTE)가 음(-)의 CTE를 갖는 물질이다. 그 결과, 에폭시 수지 조성물의 열팽창계수를 효과적으로 감소시켜, 수지 조성물의 reflow 시 상온에서 260℃에 이르는 급격한 온도 변화 조건에서도 패키지의 warpage 변화를 저감시킬 수 있고, 저팽창화를 구현할 수 있고, 결과적으로 패키지 solder joint 실장 문제를 극복하여 생산성 및 신뢰성이 우수한 특성을 부여할 수 있다.
구체예에서, 상기 유크립타이트는 열팽창계수가 -9 내지 -2 ppm/℃가 될 수 있다. 상기 범위에서, 수지 조성물에 포함 시 저팽창, 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 유크립타이트는 하기 화학식 7로 표시될 수 있다:
<화학식 7>
xLi2O-yAl2O3-zSiO2
(상기에서, x는 0.9 내지 1.1, y는 0.9 내지 1.1, z는 1.9 내지 2.1이다)
상기에서, x,y,z는 각각 Li2O, Al2O3, SiO2의 혼합 몰비이다.
바람직하게는, x는 1, y는 1, z는 2가 될 수 있다.
상기 유크립타이트의 입경은 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 상기 범위에서, 에폭시 수지 조성물의 유동성 향상 효과가 있을 수 있다.
상기 유크립타이트의 합성 온도는 1000℃ 내지 1400℃인 것이 바람직하다.
상기 유크립타이트는 에폭시 수지 조성물 중 20~30중량%, 바람직하게는 20~25중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 수지 조성물에 포함 시 저팽창, 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 유크립타이트는 기존 무기 충전체에 비하여 충전량을 증가시키지 않고 절연 복합재의 CTE를 효과적으로 줄일 수 있다. 그러나, 과량 사용할 경우 조성물이 고화되는 문제점이 있어서 일반적으로 20중량% 미만으로 사용해야만 했었다. 반면에, 본 발명은 20중량% 이상, 바람직하게는 20~30중량%로 포함되더라도 조성물이 고화되는 현상이 없다.
상기 유크립타이트는 상기 무기 충전제 중 20~40중량%, 바람직하게는 20~30중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 수지 조성물에 포함 시 저팽창, 신뢰성을 높일 수 있다.
상기 무기 충전제는 유크립타이트 이외에, 에폭시 수지 조성물에 사용되는 통상의 무기 충전제(이하, "비 유크립타이트계의 무기 충전제")를 더 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 비 유크립타이트계의 무기 충전제는 실리카, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 클레이, 탈크, 규산칼슘, 산화티탄, 산화안티몬, 유리 섬유 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 실리카는 용융성 실리카, 결정성 실리카 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 저응력화를 위해서는 선팽창계수가 낮은 용융성 실리카를 사용하는 것이 바람직하다.
구체에에서, 상기 수지 조성물 중 유크립타이트의 함량(C)에 대한 상기 비 유크립타이트계의 무기 충전제(D)의 함량의 중량비(D/C)는 2~5, 바람직하게는 3~4가 될 수 있다.
상기 용융 실리카는 비중이 2.3 이하인 비결정성 실리카를 의미하는 것으로서, 결정성 실리카를 용융하여 만들거나 다양한 원료로부터 합성한 비결정성 실리카를 포함할 수 있다.
상기 비 유크립타이트계의 무기 충전제 특히 용융성 실리카의 형상 및 입경은 특별히 한정되지는 않지만, 평균입경 0.001㎛~30㎛의 구상 용융 실리카를 사용할 수 있다. 상기 무기 충전제는 서로 다른 입경을 갖는 구상 용융 실리카의 혼합물을 사용할 수도 있다.
또한, 수지 조성물의 용도 및 리드프레임의 조성에 따라 입경을 최대 45㎛, 55㎛ 및 75㎛ 중 어느 하나로 조절해서 사용할 수도 있다.
상기 무기 충전제는 에폭시 실란, 아미노 실란, 머캡토 실란, 알킬실란, 및 알콕시 실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 커플링제로 표면 처리한 후 사용될 수도 있다.
상기 무기 충전제는 에폭시 수지 조성물의 성형성, 저응력성 및 고온강도 등의 물성에 따라 적절한 비율로 포함될 수 있다.
예를 들면, 무기 충전제는 에폭시 수지 조성물 중 70~94중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 난연성, 유동성 및 신뢰성을 확보할 수 있다. 바람직하게는, 에폭시 수지 조성물 중 82~92중량%로 포함될 수 있다.
첨가제
상기 첨가제는 아졸계 화합물을 포함할 수 있다.
구체예에서, 상기 아졸계 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 트리아졸계 화합물, 하기 화학식 2로 표시되는 테트라졸계 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
<화학식 1>
Figure pat00009
(상기에서, R1은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이며,
R2는 수소 원자, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
<화학식 2>
Figure pat00010
(상기에서, R3은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
상기 아졸계 화합물은 상기 유크립타이트 특히 유크립타이트 세라믹 필러의 과함량에 의한 반응저해를 해결할 수 있다. 즉, 에폭시 수지 조성물에서 유크립타이트 세라믹 필러를 포함함으로써 수지 조성물의 저팽창화를 구현할 수 있다. 그러나, 유크립타이트 세라믹 필러는 과량 포함될 경우 수지 조성물이 고화될 수 있다. 상기 아졸계 화합물은 상기 유크립타이트 세라믹 필러가 과량 포함되더라도 유크립타이트의 저팽창화 효과와 함께 수지 조성물의 고화를 막을 수 있으며 에폭시 수지 조성물의 성형 공정 시 반응성을 향상시킬 수 있다.
상기 트리아졸계 화합물은 중량평균분자량이 80~200g/mol이 될 수 있다.
상기 테트라졸계 화합물은 중량평균분자량이 85~400g/mol이 될 수 있다.
상기 트리아졸계 화합물은 높은 전기 음성도를 가지고 있어, 반응에 참여하여 제품의 반응성을 향상시킬 수 있다. 또한 상기 테트라졸계 화합물은 트리아졸계 화합물과 마찬가지로 높은 전기음성도를 가지고 있어 반응에 참여하여 경화 특성을 향상시킬 수도 있다.
상기 트리아졸계 화합물과 테트라졸계 화합물을 동시에 사용할 경우 시너지에 의한 경화 반응성 향상 효과를 가져 올 수 있다.
상기 아졸계 화합물은 에폭시 수지 조성물 중 0.01~2중량%, 바람직하게는 0.1~0.5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 반응성 향상 효과와 유크립타이트 과량 사용에 의한 조성물의 고화를 억제할 수 있고, 원료 혼합이 잘 되며 생산성을 높일 수 있다.
상기 첨가제는 상기 아졸계 화합물 이외에 에폭시 수지 조성물에 포함되는 통상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 구체예에서, 착색제, 커플링제, 이형제, 응력 완화제, 가교 증진제, 레벨링제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 착색제로는 카본 블랙이나, 유기 또는 무기 염료를 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 착색제는 에폭시 수지 조성물 중 0.1~1중량%로 포함될 수 있다.
상기 커플링제로는 에폭시실란, 아미노실란, 머캡토실란, 알킬실란 및 알콕시실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 커플링제는 에폭시 수지 조성물 중 0.1~1중량%로 포함될 수 있다.
상기 이형제로는 파라핀계 왁스, 에스테르계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 천연 지방산 및 천연 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 이형제는 에폭시 수지 조성물 중 0.1~1중량%로 포함될 수 있다.
상기 응력 완화제로는 변성 실리콘 오일, 실리콘 엘라스토머, 실리콘 파우더 및 실리콘 레진으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
상기 응력 완화제는 전체 에폭시 수지 조성물에 대하여 0.1~6.5중량%, 바람직하게는 0.1~1중량% 함유되는 것이 바람직하다. 이때, 변성 실리콘 오일로는 내열성이 우수한 실리콘 중합체가 좋으며, 에폭시 관능기를 갖는 실리콘 오일, 아민 관능기를 갖는 실리콘 오일 및 카르복실 관능기를 갖는 실리콘 오일 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 0.05 내지 1.5 중량% 사용할 수 있다. 다만, 실리콘 오일을 1.5 중량% 이상 초과할 경우에는 표면 오염이 발생하기 쉽고 레진 블리드(bleed)가 길어질 우려가 있으며, 0.05 중량% 미만으로 사용 시에는 충분한 저탄성률을 얻을 수가 없게 되는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 실리콘 파우더는 중심입경이 15㎛ 이하인 것이 성형성 저하의 원인으로 작용하지 않기에 특히 바람직하며, 전체 수지 조성물에 대하여 0.05 ~ 5 중량%로 함유하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제는 에폭시 수지 조성물 중 0.1~10중량%, 바람직하게는 0.2~7중량%로 포함될 수 있다.
상기 수지 조성물은 경화촉진제를 더 포함할 수 있다.
경화촉진제
경화 촉진제는 에폭시 수지와 경화제의 반응을 촉진하는 물질이다. 경화 촉진제는 통상적으로 알려진 종류를 1종 이상 사용할 수 있다. 예를 들면, 경화 촉진제는 3급 아민, 유기금속화합물, 유기인화합물, 이미다졸계 화합물 또는 붕소화합물 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 유기인화합물을 사용할 수 있다.
구체적으로, 3급 아민에는 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디메틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀과 트리-2-에틸헥실산의 염 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 유기금속화합물은 크로뮴아세틸아세토네이트, 징크아세틸아세토네이트, 니켈아세틸아세토네이트 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 유기인화합물은 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄브로마이드, 부틸트리페닐포스포늄브로마이드, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논 부가물 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이미다졸계 화합물은 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-아미노이미다졸, 2-메틸-1-비닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-헵타데실이미다졸 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 붕소 화합물은 테트라페닐포스포늄 테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 테트라페닐보론염, 트리플루오로보란-n-헥실아민, 트리플루오로보란모노에틸아민, 테트라플루오로보란트리에틸아민, 테트라플루오로보란아민 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이외에도, 1,5-디아자비시클로[4.3.0]논-5-엔, 1,8-디아지비시클로[5.4.0]운데크-7-엔 및 페놀노볼락수지염 등을 사용할 수 있다.
또한, 경화 촉진제는 에폭시 수지 및/또는 경화제와 선 반응하여 만든 부가물을 사용하는 것도 가능하다.
상기 경화 촉진제는 에폭시 수지 조성물 중 0.001~1.5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 경화 반응 시간이 지연되지 않고, 조성물의 유동성이 확보될 수 있다. 바람직하게는 0.01~1중량%로 포함될 수 있다.
상기 에폭시 수지 조성물은 볼그리드 어레이 멀티칩 패키지의 제조에 사용될 수 있다.
에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않지만, 조성물에 포함되는 각 구성성분을 헨셀 믹서나 뢰디게 믹서를 이용하여 균일하게 혼합한 후, 롤 밀이나 니이더로 90~120℃에서 용융 혼련하고, 냉각 및 분쇄 과정을 거쳐 제조될 수 있다. 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법은 저압 트랜스퍼 성형 방법이 가장 일반적으로 사용될 수 있다. 그러나, 인젝션(injection) 성형 방법이나 캐스팅(casting) 방법 등의 방법으로도 성형될 수 있다. 상기 방법에 의해 구리 리드프레임, 철 리드프레임, 또는 상기 리드프레임에 니켈 및 구리로 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질로 프리플레이팅된 리드프레임, 또는 유기계 라미네이트 프레임의 반도체 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 밀봉된 반도체 소자는 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 밀봉된 것일 수 있다. 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 소자를 밀봉하는 방법은 통상적으로 알려진 방법을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하나, 실시예에 의거 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예와 비교예에서 사용된 성분의 사양은 다음과 같다.
1) 바이페닐형 에폭시수지: YX-4000H, JER.
2) 페놀아랄킬형 에폭시수지: NC-3000, 일본화약.
3) 다관능형 페놀수지 : MEH-7500, Meiwa chem.
4) 자일록형 페놀수지: MEH-7800-4S, Meiwa Chem.
5) 트리페닐포스핀: TPP-K, Hokko Chemical.
6) 실리콘 파우더: E-601, Toray.
7) 실리카: 평균입경 20㎛의 구상 용융실리카와 평균입경 0.5㎛의 구상 용융실리카의 9:1 혼합물
8) 유크립타이트(CTE = -2ppm/℃)
9) 커플링제, 에폭시실란: S-510, CHISSO.
10) 커플링제, 머캡토실란: KBM-803, Shin Etsu.
11) 트리아졸계 화합물: 3-amino-5-mercapto-1,2,4-triazole(AMT), Aldrich.
12) 테트라졸계 화합물: 5-amino-1H-tetrazole(HAT), Toyo Kasei.
실시예와 비교예
에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제, 무기 충전제 등의 성분을 하기 표 1(단위:중량부)에 기재된 함량으로 첨가하고, 헨셀 믹서를 이용하여 균일하게 혼합한 후, 연속 니이더를 이용하여 95℃에서 용융 혼련한 후 냉각 및 분쇄하여 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
상기 제조된 에폭시 수지 조성물에 대해 하기 표 1의 물성을 평가하였다.
(1) Unit warpage: Akromatrix(USA), Shadow moire (PS-200)로 평가하였다.
(2) 신뢰성(내크랙성 평가): 프리컨디션(Precondition) 후 열충격 시험기 (Temperature Cycle Test)에서 1,000 사이클 경과 후, 비파괴 검사기인 SAT(Scanning Acoustic Tomograph)로 크랙 발생 유무를 평가하였다.
a) 프리컨디션조건: 에폭시 수지 조성물로 제조한 멀티칩 패키지를 125℃에서 24시간 건조시켜 5 사이클의 열충격 시험을 거치고 나서, 85℃, 85% 상대습도 조건 하에서 96시간 동안 방치시킨 후 260℃, 30초 동안 IR 리플로우를 1회 통과시키는 것을 3회 반복하는 프리컨디션 조건 하에서의 패키지 크랙발생 유무를 평가하였다. 이 단계에서 크랙이 발생되었을 경우, 다음 단계인 1,000 사이클의 열충격 시험은 진행하지 않았다.
b) 열충격 시험: 상기 프리컨디션 조건을 통과한 멀티칩 패키지를 -65℃에서 10분, 25℃에서 5분, 150℃에서 10분씩 방치하는 것을 1 사이클로 하여 1,000 사이클을 진행한 후, 비파괴 검사기인 SAT를 이용하여 내부 및 외부 크랙을 평가하였다.
c) 신뢰성 시험: 신뢰성 시험을 위해 MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 70초간 성형시킨 후, 175℃에서 2시간 동안 후경화시켜, 반도체 칩 4개가 유기물 접착필름에 의하여 상하로 적층(stack)된 멀티칩 패키지를 제작하였다. 신뢰성은 열충격 시험에서의 패키지 크랙 발생 정도로 나타내었다.
(3)경화 시간: MPS(Multi Plunger System) 성형기를 이용하여 175℃에서 cure time별로 성형하여, 생성되는 PKG의 외관이 양호한 순간의 cure time을 기록하였다.
(4)조성물 고화 여부: 에폭시 수지 조성물을 상온에서 48시간 동안 유지하였을 때 조성물이 고화되지 않는 경우 ○, 고화되는 경우 ×로 평가하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
에폭시 수지
 1)바이페닐형 에폭시수지 3.81 3.81 3.81 3.92 3.97
2)페놀아랄킬형 에폭시수지 5.30 5.30 5.30 5.41 5.41
경화제
 3)다관능형 페놀수지 3.29 3.29 3.29 3.39 3.39
4)자일록형 페놀수지 0.82 0.82 0.82 0.85 0.85
경화촉진제 5)트리페닐포스핀 0.2 0.2 0.2 0.25 0.2
응력 완화제 6)실리콘 파우더 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
무기 충전
 7)충전제(SiO2) 65 65 65 65 85
8) 유크립타이트 20 20 20 20 0
커플링제
 9)γ-글리시독시프로필트리메톡시실란
(에폭시 실란) 		0.35 0.35 0.35 0.35 0.35
10)머캡토프로필트리메톡시 실란
(머캡토 실란) 		0.15 0.15 0.15 0.15 0.15
첨가제
 11)트리아졸계 화합물 0.20 0.40 - - -
12)테트라졸계 화합물 0.20 - 0.40 - -
착색제 카본블랙 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22
이형제 카르나우바왁스 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16
총계
 100 100 100 100 100
Unit warpage (um) 260℃ 25 18 23 20 75
신뢰성 (ea)
 크랙 수 0 0 0 0 0
소자 수 240 120 120 190 120
경화 시간 sec 140 160 160 180 120
조성물 고화 여부
 ○ ○ ○ × ○
상기 표 1에서 나타난 바와 같이, PKG의 Unit warpage는 ±0㎛에 가까울수록 solder attach 공정에서 유리한데, 유크립타이트 셀라믹 필러의 함량이 많을수록 고온(150~260℃)에서 unit warpage가 작아지는 경향을 보인다. 그러나 종래에는 반응성이 현저히 떨어져 경화시간으로 나타나는 제품 제조성 확보가 어려워 20중량% 이상 사용하기 어려웠다.
표 1의 비교예1과 비교예2에 의하면, 유크립타이트 세라믹 필러의 함량이 증가할수록 reflow 온도조건에서 PKG의 warpage, 특히 260℃ 부근의 고온에서 warpage 감소 효과가 나타나나 그와 상관적으로 반응시간 (경화시간)이 지연되는 것을 확인할 수 있다.
표 1의 실시예에 의하면, 트리아졸계 및 테트라졸계 화합물을 각기 일정 비율 사용했을 시 반응시간이 향상됨을 알 수 있다. 이는 혼합하지 않고 각기 사용해도 그 효과가 있지만, 두 화합물을 같이 사용했을 시 시너지에 의해 더 나은 반응성 향상 효과를 확인할 수 있다.
이로써 본 발명에 따른 유크립타이트 세라믹 필러를 에폭시 수지 조성물로서 사용할 경우 종래의 충전제보다 그 충전량을 증가시키지 않고서도 에폭시 수지 조성물의 CTE를 효과적으로 낮출 수 있게 되고, 유크립타이트 세라믹 필러 함량이 20중량%를 초과 사용했을 때의 반응 시간이 저해되는 단점을 극복하여, Reflow와 같은 고온 조건에서 PKG warpage를 저감하였다.

Claims (8)

  1. 에폭시수지, 경화제, 무기 충전제 및 첨가제를 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 있어서,
    상기 무기 충전제는 유크립타이트(eucryptite)를 포함하고,
    상기 유크립타이트는 상기 수지 조성물 중 20-30중량%로 포함되고,
    상기 첨가제는 하기 화학식 1 또는 2의 아졸계 화합물 중 하나 이상을 포함하는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    <화학식 1>
    Figure pat00011

    (상기에서, R1은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이며,
    R2는 수소 원자, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다)
    <화학식 2>
    Figure pat00012

    (상기에서, R3은 수소 원자, 머캅토기, 아미노기, 하이드록시기, 또는 탄소 수 1~8의 탄화수소기이다).
  2. 제1항에 있어서, 상기 아졸계 화합물은 상기 에폭시 수지 조성물 중 0.01~2중량%로 포함되는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물과 상기 화학식 2의 화합물을 동시에 사용하여 시너지에 의한 경화 반응성을 향상시키는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 무기 충전제는 실리카, 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 알루미나, 마그네시아, 클레이, 탈크, 규산칼슘, 산화티탄, 산화안티몬, 유리 섬유 중 하나 이상을 더 포함하는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수지 조성물 중 상기 유크립타이트의 함량(C)에 대한 상기 실리카의 함량(D)의 중량비(D/C)는 2~5인, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물은 상기 에폭시 수지 조성물 중 상기 에폭시 수지 1-16중량%, 상기 경화제 0.1-10중량%, 상기 무기 충전제 70-94중량%, 상기 첨가제 0.1-10중량%를 포함하는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에폭시 수지 조성물은 경화촉진제를 더 포함하는, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 밀봉된 반도체 소자.
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