KR20170122120A - 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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KR20170122120A
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Abstract

반도체 칩(30) 또는 반도체 칩(30)을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 봉지하기 위해 이용하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물로서, 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 충전재를 포함하며, 충전재의 함유량이 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상 93 중량% 이하이고, 260℃에서 측정한 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률이 60 MPa 이상 500 MPa 이하이다.

Description

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 반도체 장치의 제조 방법{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR SEMICONDUCTOR ENCAPSULATION AND METHOD FOR PRODUCING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 칩의 봉지 프로세스로는, 예를 들면, 이하의 것이 있다.
특허문헌 1에는 금형 내를 감압 하로 하면서 압축 성형함으로써 반도체 칩을 수지 봉지하는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는 봉지용의 성형 재료를 두께 3.0 ㎜ 이하의 펠렛상 또는 시트상으로 한 것을 이용하는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 3에는 과립상의 수지 조성물을 캐비티에 공급해 수지 조성물을 용융시키고, 반도체 칩을 침지해 경화함으로써 상기 반도체 칩을 봉지하는 방법이 기재되어 있다.
일본 특개2000-021908호 공보 일본 특개2006-216899호 공보 일본 특개2004-216558호 공보
근래, 반도체 패키지의 소형화 및 박형화에 관한 요구는 더욱 높아지고 있다. 이러한 사정을 감안하여, 범프 높이가 소정의 높이(수 10 ㎛ 정도)를 상회하는 큰 땜납 범프를 통해 기판 상에 탑재된 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 장치가 제안되고 있다. 이러한 반도체 장치에 의하면, 반도체 패키지에서의 실장 면적을 삭감할 수 있을 뿐만 아니라, 반도체 칩과 기판을 이간해 배치하고 있기 때문에, 양자의 열팽창 계수 차에 의해 생기는 응력의 영향을 저감할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 종래의 반도체 봉지재를 이용해 제작한 상기 반도체 장치가 전기적 접속 신뢰성이라고 하는 관점에 있어서 이하와 같은 과제를 갖고 있음을 발견하였다.
제1 과제는 종래의 반도체 봉지재를 이용해 제작한 상기 반도체 장치를 가열한 경우에 상기 반도체 장치에 약간의 휨이 생기고, 결과적으로 전기적 접속 불량이 발생하는 것이다.
제2 과제는 종래의 반도체 봉지재를 이용해 제작한 상기 반도체 장치를 가열한 경우에 땜납 플래시가 발생하고, 결과적으로 전기적 접속 불량이 발생하는 것이다.
이상을 토대로, 본 발명은 전기적 접속 신뢰성이 뛰어난 반도체 장치를 제작하기 위해 유용한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이것을 이용하는 반도체 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 반도체 칩 또는 상기 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하기 위해 이용하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물로서,
에폭시 수지와,
페놀 수지 경화제와,
충전재를 포함하며,
상기 충전재의 함유량이 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상 93 중량% 이하이고,
260℃에서 측정한 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물의 열시(熱時) 탄성률이 60 MPa 이상 500 MPa 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물이 제공된다.
추가로, 본 발명에 의하면, 상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 준비하는 공정과 함께,
상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 칩 또는 상기 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 전기적 접속 신뢰성이 뛰어난 반도체 장치를 제작하기 위해 유용한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이것을 이용하는 반도체 장치의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상술한 목적 및 그 외의 목적, 특징 및 이점은 이하에 기술하는 바람직한 실시형태 및 그것에 부수하는 이하의 도면에 의해 보다 더 명확하게 된다.
도 1은 본 실시형태에 관한 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 실시형태에 대해 도면을 이용해 설명한다. 아울러, 모든 도면에 있어서, 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하고, 적절히 설명을 생략한다. 또, 본 명세서에 있어서, 「∼」는 단서가 없다면, 이상으로부터 이하를 나타낸다.
＜반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물＞
본 실시형태에 관한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물(이하, '본 수지 조성물'이라고도 함)은 반도체 칩 또는 상기 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하기 위해 이용하는 것이다. 그리고, 이러한 본 수지 조성물은 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 충전재를 포함하며, 충전재의 함유량이 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상 93 중량% 이하이고, 260℃에서 측정한 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률이 60 MPa 이상 500 MPa 이하인 구성을 채용한 것이다. 이렇게 함으로써, 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 통해 기판 상에 탑재된 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 장치의 전기적 접속 신뢰성을 개선할 수 있다.
즉, 본 수지 조성물은 이하의 3개의 조건을 모두 만족하는 구성을 채용한 것이다.
제1 조건은 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프와 반도체 칩 또는 상기 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지를 봉지하기 위해 이용하는 것을 상정하고 있는 것이다.
제2 조건은 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 충전재를 필수 성분으로 포함하는 수지 조성물에 있어서, 충전재의 함유량이 이러한 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상 93 중량% 이하가 되도록 한 것이다.
제3 조건은 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 충전재를 필수 성분으로 포함하는 수지 조성물에 있어서, 260℃에서 측정한 상기 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률이 60 MPa 이상 500 MPa 이하가 되도록 한 것이다.
본 발명자들은 상술한 3개의 조건을 모두 만족하는 구성을 구비한 본 수지 조성물을 이용해 반도체 장치를 제작한 경우, 얻어진 반도체 장치에 휨이나 땜납 플래시 등의 불편함이 생기는 것을 억제할 수 있기 때문에, 결과적으로 전기적 접속 신뢰성을 개선할 수 있음을 발견하였다.
이 점에 대해서는 후술하는 실시예에 있어서 실시예 1∼6과 비교예 1∼4의 비교 데이터를 나타낸다.
도 1은 본 실시형태에 관한 반도체 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
본 수지 조성물은, 예를 들면, 도 1에 나타내는 반도체 장치에 구비되는 봉지재(40)를 형성하기 위해 사용할 수 있다. 환언하면, 본 수지 조성물은 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)와 반도체 칩(30)을 구비하는 반도체 장치의 봉지재(40)를 형성하기 위해 사용할 수 있다. 또, 본 수지 조성물은 반도체 칩(30)과 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하기 위해 사용해도 되고, 반도체 칩(30)을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하기 위해 사용해도 된다.
여기서, 도 1에는 본 실시형태에 관한 반도체 장치로서 회로 패턴이 형성된 기판(10)의 일면 상에 시스템을 구성하는 베어 칩 모양의 능동 소자나, 칩 콘덴서, 칩 저항, 칩 인덕터 등의 수동 소자라고 하는 복수의 소자(50)를 표면 실장하고, 상술한 소자(50)를 탑재한 영역을 봉지해 패키지로 하고 있는 SIP(시스템 인 패키지)를 예시하고 있다. 그러나, 본 실시형태에 관한 반도체 장치는 상술한 조건을 만족하는 것이면 POP(패키지 온 패키지) 등의 어떠한 형태의 패키지 구조라도 된다.
그리고, 본 수지 조성물은 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 충전재를 필수 성분으로 포함하고, 상기 충전재의 함유량이 당해 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상 93 중량% 이하인 배합 조성이 되도록 제어한 구성을 채용하는 것이지만, 바람직하게는 78 중량% 이상 92 중량% 이하이고, 더욱 바람직하게는 79 중량% 이상 91 중량% 이하이다. 이렇게 함으로써, 본 수지 조성물을 이용해 형성된 봉지재(40)의 저흡습성 및 저열팽창성을 향상시킬 수 있기 때문에, 결과적으로 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)와 반도체 칩(30)을 구비하는 반도체 장치의 전기적 접속 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또, 충전재의 함유량을 상기 수치 범위 내로 함으로써 성형 시의 유동성을 향상시킬 수 있기 때문에, 결과적으로 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)와 반도체 칩(30)을 구비하는 반도체 장치에 대한 수지 충전성을 양호한 것으로 할 수 있다.
동일한 관점으로부터, 수지 조성물 중의 충전재의 함유량은 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상이고, 바람직하게는 78 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 79 중량% 이상이며, 또, 93 중량% 이하이고, 바람직하게는 92 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 91 중량% 이하이다.
또, 본 수지 조성물은 상술한 배합 조성으로 하는 것을 전제로 한 다음, 260℃에서 측정한 당해 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률이 60 MPa 이상 500 MPa 이하가 되도록 제어한 것이다. 이렇게 함으로써, 반도체 칩(30)과 기판(10)의 열팽창 계수의 차이에 의해 생기는 응력(계면 열응력)에 의해 봉지재(40)의 계면 박리나 크랙이 생기는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 그 때문에, 본 수지 조성물에 의하면, 전기적 접속 신뢰성이 뛰어난 반도체 장치를 수율 좋게 제작할 수 있다. 아울러, 종래의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 260℃에서 측정한 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률이 1 GPa를 초과하는 것이 대부분이었다. 또, 본 수지 조성물에 관한 상기 열시 탄성률은 60 MPa 이상 500 MPa 이하이지만, 바람직하게는 70 MPa 이상 480 MPa 이하이고, 더욱 바람직하게는 100 MPa 이상 450 MPa 이하이다. 이렇게 함으로써, 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 구비하는 반도체 장치의 전기적 접속 신뢰성에 더하여 기계적 내구성도 향상시킬 수 있다. 아울러, 260℃에서 측정한 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률은 JIS K-6911에 준한 3점 휨법에 의해 측정할 수 있다.
동일한 관점으로부터, 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률은 60 MPa 이상이고, 바람직하게는 70 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 100 MPa 이상이며, 또, 500 MPa 이하이고, 바람직하게는 480 MPa 이하, 더욱 바람직하게는 450 MPa 이하이다.
여기서, 25℃ 이상 유리 전이 온도(Tg) 이하의 온도 영역에서의 본 수지 조성물의 경화물의 선팽창 계수는 바람직하게는 20 ppm/℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 18 ppm/℃ 이하이며, 더욱 바람직하게는 15 ppm/℃ 이하이다. 이렇게 함으로써, 본 수지 조성물을 봉지 성형해 얻어진 봉지재(40)의 냉각에 수반하는 수축량(변형) 자체를 저감할 수 있기 때문에, 결과적으로 당해 봉지재(40)와 반도체 칩(30) 및 기판(10)의 선팽창 계수의 차이에 의해 생기는 응력에 의한 영향을 저감하여 전기적 접속 신뢰성이 뛰어난 반도체 패키지를 얻을 수 있다.
상기 평균 선팽창 계수의 하한값은 한정되지 않지만, 예를 들면 1 ppm/℃ 이상이라도 된다.
또, 본 수지 조성물의 경화물의 유리 전이 온도(Tg)는 바람직하게는 120℃ 이상이고, 더욱 바람직하게는 125℃ 이상이며, 보다 바람직하게는 130℃ 이상이다. 이것에 의해 반도체 장치의 전기적 접속 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 한편, 상기 유리 전이 온도(Tg)의 상한값은, 예를 들면, 200℃ 이하라도 되고, 195℃ 이하라도 되며, 190℃ 이하라도 되고, 145℃ 이하라도 된다. 이것에 의해 반도체 장치의 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 수지 조성물의 175℃에서의 용융 점도는 바람직하게는 2 Pa·s 이상 10 Pa·s 이하이고, 더욱 바람직하게는 3 Pa·s 이상 9.5 Pa·s 이하이며, 보다 바람직하게는 4 Pa·s 이상 9 Pa·s 이하이고, 보다 더 바람직하게는 5.5 Pa·s 이상 9 Pa·s 이하이며, 특히 바람직하게는 5.5 Pa·s 이상 7 Pa·s 이하이다. 이렇게 함으로써, 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 기판(10) 상에 탑재한 반도체 장치에 대해서도 미충전 영역이나 보이드가 생기는 일 없이 본 수지 조성물에 의해 봉지 성형할 수 있다. 즉, 본 수지 조성물의 175℃에서의 용융 점도가 상기 수치 범위 내인 경우, 한층 더 수지 충전성을 향상시킬 수 있다.
동일한 관점으로부터, 수지 조성물의 175℃에서의 용융 점도는 바람직하게는 2 Pa·s 이상이고, 더욱 바람직하게는 3 Pa·s 이상, 보다 바람직하게는 4 Pa·s 이상, 보다 더 바람직하게는 5.5 Pa·s 이상이며, 또, 바람직하게는 10 Pa·s 이하이고, 더욱 바람직하게는 9.5 Pa·s 이하, 보다 바람직하게는 9 Pa·s 이하, 보다 더 바람직하게는 7 Pa·s 이하이다.
또, 본 수지 조성물은 에폭시 수지로부터 유래하는 에폭시기 수를 EP로 하고 페놀 수지 경화제로부터 유래하는 페놀성 수산기 수를 OH로 할 때, EP/OH의 값이 바람직하게는 1 이상 2 이하이고, 더욱 바람직하게는 1.1 이상 1.7 이하이다. 이렇게 함으로써, 휨이 작고, 난연성, 내습 신뢰성 및 접속 신뢰성이라고 하는 관점에 있어서 뛰어난 반도체 장치를 수율 좋게 제작할 수 있다.
또, 상기 EP/OH의 값은 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.
식: EP/OH=(A/B)÷(C/D)
A: 수지 조성물 전량에 대한 에폭시 수지의 함유량
B: 수지 조성물 중에 포함되는 에폭시 수지의 에폭시기 당량
C: 수지 조성물 전량에 대한 페놀 수지 경화제의 함유량
D: 수지 조성물 중에 포함되는 페놀 수지 경화제의 수산기 당량
또, 상기 EP/OH의 값은 휨이 작고, 난연성, 내습 신뢰성 및 접속 신뢰성이라고 하는 점에 있어서 뛰어난 반도체 장치를 수율 좋게 제작하는 관점으로부터, 바람직하게는 1 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.1 이상이며, 또, 2 이하이고, 더욱 바람직하게는 1.7 이하이다.
여기서, 본 수지 조성물을 이용한 반도체 장치의 봉지 성형 방법으로는 트랜스퍼 성형법, 압축 성형법, 인젝션 성형법 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 본 수지 조성물의 충전성을 양호하게 하는 관점으로부터, 트랜스퍼 성형법 또는 압축 성형법을 채용하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 본 수지 조성물의 형태는 작업성의 관점으로부터, 분립상, 과립상, 태블릿상 또는 시트상으로 가공된 것인 것이 바람직하다.
또, 본 실시형태에 관한 반도체 장치에 구비되는 봉지재(40)는 본 수지 조성물을 이용해 반도체 칩(30)을 봉지함으로써 원하는 구조체(반도체 패키지)를 제작하고 나서(1차 봉지), 상기 구조체와 함께 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 봉지함으로써(2차 봉지) 형성된 것이라도 되고, 상술한 1차 봉지를 수행하는 일 없이 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)와 반도체 칩(30)을 일괄 봉지함으로써 형성된 것이라도 된다.
다음에, 본 실시형태에 관한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 배합 조성에 대해 설명한다. 본 실시형태에 관한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 상술한 것과 같이 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 충전재를 필수 성분으로 포함하는 것이다.
(에폭시 수지)
본 실시형태에 관한 에폭시 수지로는 그 분자량, 분자 구조에 관계없이 1 분자 내에 에폭시기를 2개 이상 갖는 모노머, 올리고머, 폴리머 전반을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 에폭시 수지의 구체예로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 E형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 수소 첨가 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 M형 에폭시 수지(4,4'-(1,3-페닐렌디이소프리디엔)비스페놀형 에폭시 수지), 비스페놀 P형 에폭시 수지(4,4'-(1,4-페닐렌디이소프리디엔)비스페놀형 에폭시 수지), 비스페놀 Z형 에폭시 수지(4,4'-시클로헥사디엔비스페놀형 에폭시 수지) 등의 비스페놀형 에폭시 수지; 페놀노볼락형 에폭시 수지, 브롬화 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 테트라페놀기 에탄형 노볼락형 에폭시 수지, 축합환 방향족 탄화수소 구조를 갖는 노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지; 비페닐형 에폭시 수지; 크실렌형 에폭시 수지, 비페닐아랄킬형 에폭시 수지 등의 아랄킬형 에폭시 수지; 나프틸렌 에테르형 에폭시 수지, 나프톨형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 나프탈렌 디올형 에폭시 수지, 2 관능 내지 4 관능 에폭시형 나프탈렌 수지, 비나프틸형 에폭시 수지, 나프탈렌 아랄킬형 에폭시 수지 등의 나프탈렌 골격을 갖는 에폭시 수지; 안트라센형 에폭시 수지; 페녹시형 에폭시 수지; 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지; 노르보르넨형 에폭시 수지; 아다만탄형 에폭시 수지; 플루오렌형 에폭시 수지, 인 함유 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지, 지방족 쇄상 에폭시 수지, 비스페놀 A 노볼락형 에폭시 수지, 비크실레놀형 에폭시 수지, 트리히드록시페닐메탄형 에폭시 수지, 테트라페닐올에탄형 에폭시 수지, 트리글리시딜이소시아누레이트 등의 복소환식 에폭시 수지; N,N,N',N'-테트라글리시딜메타크실렌디아민, N,N,N',N'-테트라글리시딜비스아미노메틸시클로헥산, N,N-디글리시딜아닐린 등의 글리시딜아민류나, 글리시딜(메타)아크릴레이트와 에틸렌성 불포화 이중 결합을 갖는 화합물의 공중합물, 부타디엔 구조를 갖는 에폭시 수지, 비스페놀의 디글리시딜 에테르 화물, 나프탈렌디올의 디글리시딜 에테르화물, 페놀류의 글리시딜 에테르화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 이들 중에서도, 금속 패턴이나 도체부와의 밀착성을 향상시키는 관점으로부터, 트리히드록시페닐메탄형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 반도체 패키지의 저선팽창화를 도모할 수도 있다. 또, 반도체 장치에서의 내(耐)리플로우성의 향상 및 휨의 억제를 실현하는 것도 가능하다. 또, 동일한 관점으로부터, 본 수지 조성물이 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지형 에폭시 수지, 및 트리스(히드록시페닐)메탄형 에폭시 수지와 4,4'-비페놀형 에폭시 수지의 혼합물로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것도 바람직하다.
에폭시 수지의 함유량은, 예를 들면 본 수지 조성물 전량에 대해 3 중량% 이상인 것이 바람직하고, 4 중량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 에폭시 수지의 함유량을 상기 하한값 이상으로 함으로써, 본 수지 조성물을 이용해 형성되는 봉지재(40)와 반도체 칩(30)의 밀착성의 향상에 기여할 수 있다. 한편으로, 에폭시 수지의 함유량은, 예를 들면 본 수지 조성물 전량에 대해 30 중량% 이하인 것이 바람직하고, 20 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 에폭시 수지의 함유량을 상기 상한값 이하로 함으로써, 본 수지 조성물을 이용해 형성되는 봉지재(40)의 내열성이나 내습성의 향상을 도모할 수 있다.
(페놀 수지 경화제)
본 수지 조성물 중에는 상술한 것과 같이 페놀 수지 경화제가 필수 성분으로 포함되어 있다. 이것에 의해 당해 수지 조성물의 유동성 및 취급성을 향상시킬 수 있다. 이러한 페놀 수지 경화제는 1 분자 내에 페놀성 수산기를 2개 이상 갖는 모노머, 올리고머, 폴리머 전반이며, 그 분자량, 분자 구조를 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 페놀노볼락 수지, 크레졸노볼락 수지, 나프톨노볼락 수지 등의 노볼락형 수지; 트리페놀메탄형 페놀 수지 등의 다관능형 페놀 수지; 테르펜 변성 페놀 수지, 디시클로펜타디엔 변성 페놀 수지 등의 변성 페놀 수지; 페닐렌 골격 및/또는 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지, 페닐렌 및/또는 비페닐렌 골격을 갖는 나프톨아랄킬 수지 등의 아랄킬형 수지; 비스페놀 A, 비스페놀 F 등의 비스페놀 화합물 등을 들 수 있다. 이들은 1 종류를 단독으로 이용해도 2 종류 이상을 병용해도 된다. 이러한 페놀 수지 경화제를 배합시킴으로써 내연성, 내습성, 전기 특성, 경화성, 보존 안정성 등의 밸런스를 양호한 것으로 할 수 있다. 특히, 경화성의 점으로부터 페놀 수지 경화제의 수산기 당량은 90 g/eq 이상, 250 g/eq 이하인 것이 바람직하다.
또, 본 수지 조성물에는 에폭시 수지와 반응해 경화시키는 경화제라면 후술하는 중부가형 경화제, 촉매형 경화제, 축합형 경화제 등의 경화제를 페놀 수지 경화제와 병용할 수 있다.
상기 중부가형 경화제의 구체예로는 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 메타크실렌디아민 등의 지방족 폴리아민, 디아미노디페닐메탄, m-페닐렌디아민, 디아미노디페닐설폰 등의 방향족 폴리아민 외, 디시안디아미드, 유기산 디히드라지드 등을 포함하는 폴리아민 화합물; 헥사히드로 무수 프탈산, 메틸테트라히드로 무수 프탈산 등의 지환족 산 무수물, 무수 트리멜리트산, 무수 피로멜리트산, 벤조페논테트라카르복시산 등의 방향족 산 무수물 등을 포함하는 산 무수물; 상술한 페놀 수지 경화제 이외의 폴리페놀 화합물; 폴리설파이드, 티오에스테르, 티오에테르 등의 폴리메르캅탄 화합물; 이소시아네이트 프리폴리머, 블록화 이소시아네이트 등의 이소시아네이트 화합물; 카르복시산 함유 폴리에스테르 수지 등의 유기산류 등을 들 수 있다.
상기 촉매형 경화제의 구체예로는 벤질디메틸아민, 2,4,6-트리스디메틸아미노메틸페놀 등의 3급 아민 화합물; 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸 등의 이미다졸 화합물; BF3 착체 등의 루이스산 등을 들 수 있다.
상기 축합형 경화제의 구체예로는 메틸올기 함유 요소 수지와 같은 요소 수지; 메틸올기 함유 멜라민 수지와 같은 멜라민 수지 등을 들 수 있다.
본 수지 조성물 중에 페놀 수지 경화제와 상술한 다른 경화제를 병용하는 경우, 페놀 수지 경화제의 함유량은 모든 경화제에 관한 합계 함유량에 대해 바람직하게는 20 중량% 이상 95 중량% 이하이고, 더욱 바람직하게는 30 중량% 이상 95 중량% 이하이며, 보다 바람직하게는 50 중량% 이상 95 중량% 이하이다. 이렇게 함으로써, 내연성, 내땜납성을 유지하면서 양호한 유동성을 발현시킬 수 있다.
동일한 관점으로부터, 수지 조성물 중에 페놀 수지 경화제와 다른 경화제를 병용할 때의 페놀 수지 경화제의 함유량은 모든 경화제에 관한 합계 함유량에 대해 바람직하게는 20 중량% 이상이고, 더욱 바람직하게는 30 중량% 이상, 보다 바람직하게는 50 중량% 이상이며, 또, 바람직하게는 95 중량% 이하이다.
또, 본 수지 조성물 전량에 대한 모든 경화제에 관한 합계 함유량은 바람직하게는 0.8 중량% 이상 10 중량% 이하이고, 더욱 바람직하게는 1.5 중량% 이상 8 중량% 이하이다. 이렇게 함으로써, 경화 특성과 내땜납성의 밸런스가 뛰어난 수지 조성물을 얻을 수 있다.
동일한 관점으로부터, 본 수지 조성물 중의 모든 경화제에 관한 합계 함유량은 본 수지 조성물 전량에 대해 바람직하게는 0.8 중량% 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.5 중량% 이상이며, 또, 바람직하게는 10 중량% 이하이고, 더욱 바람직하게는 8 중량% 이하이다.
(충전재)
본 수지 조성물 중에는 상술한 것과 같이 충전재가 필수 성분으로 포함되어 있다. 이러한 충전재로는 공지의 반도체 봉지 재료 중에 배합되어 있는 무기 충전재 또는 유기 충전재라면 사용 가능하다. 구체적으로는, 상기 무기 충전재로서 용융 파쇄 실리카, 용융 구상 실리카, 결정 실리카, 2차 응집 실리카 등의 실리카; 알루미나; 티탄 화이트; 수산화알루미늄; 탈크; 진흙; 마이카; 유리 섬유 등을 들 수 있다. 또, 이러한 유기 충전재로는 올가노실리콘 파우더, 폴리에틸렌 파우더 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 특히 용융 구상 실리카가 바람직하다. 또, 입자 형상은 한없이 진구상인 것이 바람직하다. 또, 입자의 크기가 상이한 것을 혼합함으로써 무기 충전량을 많게 할 수 있지만, 그 평균 입경 d50은 반도체 칩(30) 주변 영역에 대한 수지 충전성을 양호한 것으로 하는 관점으로부터 0.01 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 수지 조성물의 유동성이 양호한 상태가 되도록 제어할 수 있다.
아울러, 무기 충전재의 평균 입경 d50은 레이저 회절식 입도 분포 측정 장치(HORIBA사제, LA-500)를 이용해 측정하는 것이 가능하다.
(그 외의 성분)
본 수지 조성물은, 예를 들면 시아네이트 수지를 함유시켜도 된다. 이것에 의해 당해 수지 조성물의 경화물로부터 이루어지는 봉지재에 대하여 저선팽창화나 탄성률 및 강성의 향상을 도모할 수 있다. 또, 얻어지는 반도체 장치의 내열성이나 내습성의 향상에 기여하는 것도 가능하다.
시아네이트 수지는, 예를 들면 노볼락형 시아네이트 수지; 비스페놀 A형 시아네이트 수지, 비스페놀 E형 시아네이트 수지, 테트라메틸 비스페놀 F형 시아네이트 수지 등의 비스페놀형 시아네이트 수지; 나프톨아랄킬형 페놀 수지와 할로겐화 시안의 반응으로 얻어지는 나프톨아랄킬형 시아네이트 수지; 디시클로펜타디엔형 시아네이트 수지; 비페닐알킬형 시아네이트 수지로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다. 이들 중에서도 봉지재의 저선팽창화나 탄성률 및 강성을 향상시키는 관점으로부터는 노볼락형 시아네이트 수지 및 나프톨아랄킬형 시아네이트 수지 중의 적어도 한쪽을 포함하는 것이 보다 바람직하고, 노볼락형 시아네이트 수지를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
시아네이트 수지의 함유량은 본 수지 조성물 전량에 대해 3 중량% 이상인 것이 바람직하고, 5 중량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 시아네이트 수지의 함유량을 상기 하한값 이상으로 함으로써 본 수지 조성물을 이용해 형성되는 봉지재의 보다 효과적인 저선팽창화, 고탄성률화를 도모할 수 있다. 또, 본 수지 조성물을 이용해 형성되는 봉지재(40)와 반도체 칩(30)의 밀착성의 향상에 기여할 수 있다. 한편으로, 시아네이트 수지의 함유량은, 예를 들면 본 수지 조성물 전량에 대해 30 중량% 이하인 것이 바람직하고, 20 중량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 시아네이트 수지의 함유량을 상기 상한값 이하로 함으로써, 본 수지 조성물을 이용해 형성되는 봉지재(40)의 내열성이나 내습성의 향상을 도모할 수 있다.
본 수지 조성물에는 경화촉진제를 함유시켜도 된다. 이 경화촉진제는 에폭시기와 경화제의 경화 반응을 촉진시키는 것이면 된다. 구체적으로는, 상기 경화촉진제로 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데센-7 등의 디아자비시클로알켄 및 그 유도체; 트리부틸아민, 벤질디메틸아민 등의 아민계 화합물; 2-메틸이미다졸 등의 이미다졸 화합물; 트리페닐포스핀, 메틸디페닐포스핀 등의 유기 포스핀류; 테트라페닐포스포늄·테트라페닐보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라벤조산산보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라나프토에산보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라나프토일옥시보레이트, 테트라페닐포스포늄·테트라나프틸옥시보레이트 등의 테트라 치환 포스포늄·테트라 치환 보레이트; 벤조퀴논을 부가한 트리페닐포스핀 등을 들 수 있다. 이들은 1 종류를 단독으로 이용해도 2 종류 이상을 조합시켜 이용해도 된다.
본 수지 조성물에는 상기 각 성분 이외에 필요에 따라 커플링제, 레벨링제, 착색제, 이형제, 저응력제, 감광제, 소포제, 자외선흡수제, 발포제, 산화방지제, 난연제 및 이온포착제 등으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 첨가물을 첨가해도 된다. 커플링제로는, 예를 들면 에폭시 실란 커플링제, 양이온성 실란 커플링제, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시 실란 등의 아미노실란 커플링제, γ-글리시독시프로필트리메톡시 실란 커플링제, 페닐아미노프로필트리메톡시 실란 커플링제, 메르캅토 실란 커플링제, 3-메르캅토프로필트리메톡시 실란 커플링제 등의 실란 커플링제, 티타네이트계 커플링제 및 실리콘 오일형 커플링제 등을 들 수 있다. 레벨링제로는 아크릴계 공중합물 등을 들 수 있다. 착색제로는 카본 블랙 등을 들 수 있다. 이형제로는 천연 왁스, 몬탄산 에스테르 등의 합성 왁스, 고급 지방산 혹은 그 금속 염류, 파라핀, 산화폴리에틸렌 등을 들 수 있다. 저응력제로는 실리콘 오일, 실리콘 고무, 부타디엔 및 아크릴로니트릴 및 적절한 다른 성분의 공중합체 등을 들 수 있다. 이온포착제로는 하이드로탈사이트 등을 들 수 있다. 난연제로는 수산화알루미늄 등을 들 수 있다.
＜반도체 장치의 제조 방법＞
본 실시형태에 관한 반도체 장치의 제조 방법은 상술한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 준비하는 공정과, 준비한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용해 반도체 칩(30) 또는 상기 반도체 칩(30)을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 봉지하는 공정을 포함하는 것이다.
반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용해 봉지하는 반도체 칩(30)으로는, 예를 들면, 집적회로, 대규모 집적회로, 트랜지스터, 사이리스터, 다이오드, 고체 촬상 소자 등을 들 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 반도체 장치의 일례를 나타낸 도면이다.
도 1에 나타내는 반도체 장치는 기판(10) 상에 땜납 범프(20)를 통해 탑재한 반도체 칩(30)과 기판(10) 상에 땜납 범프(20)를 통해 이루어지는 표면 실장한 복수의 소자(50)를 상술한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화체에 의해 형성된 봉지재(40)에 의해 봉지하여 이루어지는 것이다. 그리고, 도 1에 나타내는 반도체 장치에 있어서 반도체 칩(30)은 기판(10) 상에 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시형태에 관한 봉지재(40)는 본 수지 조성물을 이용해 반도체 칩(30)을 봉지함으로써 원하는 구조체(반도체 패키지)를 제작하고 나서(1차 봉지), 상기 구조체와 함께 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 봉지함으로써(2차 봉지) 형성된 것이라도 되고, 상술한 1차 봉지를 수행하는 일 없이 반도체 칩(30)과 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)를 일괄 봉지함으로써 형성된 것이라도 된다.
이하, 본 수지 조성물을 이용한 봉지재(40)의 형성 방법의 일례에 대해, 우선은 과립상의 본 수지 조성물을 이용해 압축 성형함으로써 봉지재(40)를 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 압축 성형 금형의 상형(上型)과 하형(下型) 사이에 과립상의 본 수지 조성물이 수용된 수지 재료 공급 용기를 설치한다. 그 다음에, 봉지 대상물을 탑재한 기판(10)을 클램프, 흡착과 같은 고정 수단에 의해 압축 성형 금형의 상형과 하형의 한쪽에 고정한다. 이하에서는 봉지 대상물을 탑재한 측의 면이 수지 재료 공급 용기에 대면하도록 상기 기판(10)을 압축 성형 금형의 상형에 고정한 경우를 예로 들어 설명한다. 여기서, 상기 봉지 대상물로는 이하의 것을 들 수 있다. 제1 봉지 대상물은 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)와 땜납 범프(20)를 통해 기판(10) 상에 탑재되어 있는 반도체 칩(30)이다. 제2 봉지 대상물은 상기 제1 봉지 대상물을 본 수지 조성물을 이용해 봉지 성형함으로써 얻어진 구조체와 복수의 소자(50)를 포함하는 반도체 패키지이다. 제3 봉지 대상물은 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프(20)와 땜납 범프(20)를 통해 기판(10) 상에 탑재되어 있는 반도체 칩(30)과 함께 복수의 소자(50)를 포함하는 반도체 패키지이다.
다음에, 감압 하, 금형의 상형과 하형의 간격을 좁히면서, 수지 재료 공급 용기의 바닥면(底面)을 구성하는 셔터 등의 수지 재료 공급 기구에 의해, 칭량된 과립상의 본 수지 조성물을 하형이 구비하는 하형 캐비티 내에 공급한다. 이것에 의해, 과립상의 본 수지 조성물은 하형 캐비티 내에서 소정 온도로 가열되어 용융 상태로 된다. 그 다음에, 금형의 상형과 하형을 결합시킴으로써, 용융 상태의 본 수지 조성물을 상형에 고정된 기판(10)에 탑재된 봉지 대상물에 대해 갖다 대고 누른다. 이렇게 함으로써, 봉지 대상물과 기판(10) 사이의 영역을 용융 상태의 본 수지 조성물로 매립할 수 있다. 그 후, 금형의 상형과 하형을 결합시킨 상태를 유지하면서, 소정 시간을 들여 본 수지 조성물을 경화시킨다. 여기서, 압축 성형을 수행하는 경우에는 금형 내를 감압 하로 하면서 수지 봉지를 수행하는 것이 바람직하고, 진공 조건 하에서 수행하면 더욱 바람직하다. 이것에 의해, 봉지 대상물과 기판(10) 사이의 영역에 대해서는 본 수지 조성물의 미충전 부분을 남기지 않고 양호하게 충전할 수 있다.
또, 과립상의 본 수지 조성물을 이용해 압축 성형하는 경우에서의 성형 온도는, 한정되는 것은 아니지만, 50∼250℃가 바람직하고, 50∼200℃가 더욱 바람직하며, 80∼180℃가 보다 더 바람직하다. 또, 성형 온도는 바람직하게는 50℃ 이상이고, 더욱 바람직하게는 80℃ 이상이며, 또, 바람직하게는 250℃ 이하이고, 더욱 바람직하게는 200℃ 이하이며, 보다 더 바람직하게는 180℃ 이하이다. 또, 성형 압력은, 한정되는 것은 아니지만, 0.5∼12 MPa인 것이 바람직하고, 1∼10 MPa이 더욱 바람직하다. 또, 성형 압력은 바람직하게는 0.5 MPa 이상이고, 더욱 바람직하게는 1 MPa 이상이며, 또, 바람직하게는 12 MPa 이하이고, 더욱 바람직하게는 10 MPa 이하이다.
성형 온도 및 압력을 상기 범위로 함으로써, 용융 상태의 수지 조성물이 충전되지 않는 부분이 발생하는 것과 봉지 대상물의 위치가 어긋나 버리는 것의 양쪽 모두를 방지할 수 있다.
다음에, 본 수지 조성물을 이용해 봉지재(40)를 형성하는 방법의 일례에 대하여, 시트상의 본 수지 조성물을 이용해 압축 성형함으로써 봉지재(40)를 형성하는 경우를 예로 들어 설명한다.
우선, 봉지 대상물을 탑재한 기판(10)을 클램프, 흡착과 같은 고정 수단에 의해 압축 성형 금형의 상형과 하형의 한쪽에 고정한다. 이하에서는 봉지 대상물을 탑재한 측의 면이 수지 재료 공급 용기에 대면하도록 상기 기판(10)을 압축 성형 금형의 상형에 고정한 경우를 예로 들어 설명한다.
다음에, 금형의 상형에 고정한 봉지 대상물에 대응하는 위치가 되도록 금형 하형 캐비티 내에 시트상의 본 수지 조성물을 배치한다. 그 다음에, 감압 하, 금형의 상형과 하형의 간격을 좁힘으로써, 시트상의 본 수지 조성물은 하형 캐비티 내에서 소정 온도로 가열되어 용융 상태로 된다. 그 후, 금형의 상형과 하형을 결합시킴으로써, 용융 상태의 본 수지 조성물을 상형에 고정된 기판(10)에 탑재된 봉지 대상물에 대해 갖다 대고 누른다. 이렇게 함으로써, 봉지 대상물과 기판(10) 사이의 영역을 용융 상태의 본 수지 조성물로 매립할 수 있다. 그 후, 금형의 상형과 하형을 결합시킨 상태를 유지하면서, 소정 시간을 들여 본 수지 조성물을 경화시킨다. 여기서, 압축 성형을 수행하는 경우에는 금형 내를 감압 하로 하면서 수지 봉지를 수행하는 것이 바람직하고, 진공 조건 하에서 수행하면 더욱 바람직하다. 이것에 의해, 적어도 봉지 대상물과 기판(10) 사이의 영역에 대해서는 본 수지 조성물의 미충전 부분을 남기지 않고 양호하게 충전할 수 있다.
또, 시트상의 본 수지 조성물을 이용해 압축 성형하는 경우에서의 성형 온도는, 한정되는 것은 아니지만, 50∼250℃인 것이 바람직하고, 50∼200℃인 것이 더욱 바람직하며, 80∼180℃인 것이 보다 더 바람직하다. 또, 성형 온도는 바람직하게는 50℃ 이상이고, 더욱 바람직하게는 80℃ 이상이며, 또, 바람직하게는 250℃ 이하이고, 더욱 바람직하게는 200℃ 이하이며, 보다 더 바람직하게는 180℃ 이하이다. 또, 성형 압력은, 한정되는 것은 아니지만, 0.5∼12 MPa인 것이 바람직하고, 1∼10 MPa인 것이 더욱 바람직하다. 또, 성형 압력은 바람직하게는 0.5 MPa 이상이고, 더욱 바람직하게는 1 MPa 이상이며, 또, 바람직하게는 12 MPa 이하이고, 더욱 바람직하게는 10 MPa 이하이다.
성형 온도 및 압력을 상기 범위로 함으로써, 용융 상태의 수지 조성물이 충전되지 않는 부분이 발생하는 것과 반도체 소자의 위치가 어긋나 버리는 것의 양쪽 모두를 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서의 변형, 개량 등은 본 발명에 포함되는 것이다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 기술하였지만, 이들은 본 발명의 예시이며, 상기 이외의 여러가지 구성을 채용할 수도 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
각 실시예 및 각 비교예에서 이용한 원료 성분을 하기에 나타낸다.
(에폭시 수지)
· 에폭시 수지 1: 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지형 에폭시 수지(일본 화약사제, NC3000, 에폭시 당량 276 g/eq, 연화점 58℃)
· 에폭시 수지 2: 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지형 에폭시 수지(일본 화약사제, NC3000L, 에폭시 당량 276 g/eq, 연화점 53℃)
· 에폭시 수지 3: 트리스(히드록시페닐)메탄형 에폭시 수지와 4,4'-비페놀형 에폭시 수지의 혼합물(미츠비시 화학사제, YL6677, 에폭시 당량 163 g/eq, 연화점 59℃)
(경화제)
· 경화제 1: 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지(메이와 화성사제, MEH-7851SS, 수산기 당량 203 g/eq, 연화점 65℃)
· 경화제 2: 트리페놀메탄형 수지와 페놀노볼락 수지의 공중합체형 페놀 수지(에어·워터사제, HE910-20, 수산기 당량 101 g/eq, 연화점 88℃)
(경화촉진제)
· 경화촉진제 1: 하기 식 (1)로 표시되는 경화촉진제
Figure pat00001
· 경화촉진제 2: 하기 식 (2)로 표시되는 경화촉진제
Figure pat00002
(충전재)
· 충전재 1: 용융 구상 실리카(덴카사제, FB-5SDC, 평균 입경 d50: 4.5 ㎛)
· 충전재 2: 용융 구상 실리카(아드마텍스사제, SO-E2, 평균 입경 d50: 0.5 ㎛) 100 중량부를 믹서에 투입하고, 교반하면서 질소 기류 하에서 헥사메틸디실라잔 0.1 중량부를 분무 첨가해 처리한 후, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란(신에츠 화학공업사제, KBM-403) 1 중량부를 분무 첨가해 얻은 처리 분체.
· 충전재 3: 용융 구상 실리카(아드마텍스사제, SO-E2, 평균 입경 d50: 0.5 ㎛) 100 중량부를 믹서에 투입하고, 교반하면서 질소 기류 하에서 헥사메틸디실라잔 0.1 중량부를 분무 첨가해 처리한 후, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란(신에츠 화학공업사제, KBM-573) 1 중량부를 분무 첨가해 얻은 처리 분체.
· 충전재 4: 용융 구상 실리카(아드마텍스사제, SO-E5, 평균 입경 d50: 1.6 ㎛)
(이형제)
· 이형제 1: 카르나바 왁스(닛코 파인 프로덕츠사제, 닛코 카르나바)
· 이형제 2: 산화 폴리에틸렌 왁스(클라리언트 재팬사제, 리코 왁스 PED191)
(저응력제)
· 저응력제 1: 하기 식 (3)으로 표시되는 실리콘 오일(토오레·다우 코닝사제, FZ-3730)
Figure pat00003
· 저응력제 2: 양 말단에 카르복시기를 갖는 부타디엔과 아크릴로니트릴의 공중합체(피·티·아이·재팬사제, CTBN1008SP)
· 저응력제 3: 부타디엔·아크릴로니트릴·2,3-에폭시프로필=메타크릴레이트·디비닐 벤젠 중합 화합물과 탈크의 혼합물(JSR사제, XER-81P)
(난연제)
· 난연제 1: 수산화알루미늄(일본 경금속사제, BE043)
· 난연제 2: 수산화알루미늄(스미토모 화학사제, CL-303)
(커플링제)
· 커플링제 1: N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란(토오레·다우 코닝사제, CF4083)
· 커플링제 2: 3-메르캅토프로필트리메톡시실란(치소사제, GPS-M)
(그 외)
· 실리콘 오일: 카르복시 변성 폴리디메틸실록산(토오레·다우 코닝사제, F2-211-69)
· 착색제: 카본 블랙(미츠비시 화학사제, MA600)
· 이온포착제: 마그네슘·알루미늄·하이드로 옥사이드·카보네이트·하이드레이트(공화화학사제, DHT-4H)
＜반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 조제＞
각 실시예 및 비교예에 대하여, 다음과 같이 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 조제하였다. 우선, 표 1에 따라 배합된 각 원재료를 상온에서 믹서를 이용해 혼합한 후, 70∼100℃에서 롤 혼련하였다. 그 다음에, 얻어진 혼련물을 냉각한 후, 이것을 분쇄함으로써 분립상의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 얻었다. 표 1 중에서의 각 성분의 상세는 상기와 같다. 또, 표 1 중의 단위는 중량%이다.
＜반도체 장치의 제작＞
도 1에 나타내는 반도체 장치를 이하의 방법으로 제작하였다.
우선, 반도체 칩(30)과 복수의 소자(50)가 전기적으로 접속하도록 탑재된 기판(10)을 스트립 기판으로서 제작하였다. 이러한 기판에 있어서, 상기 반도체 칩(30)은 범프 높이가 100 ㎛인 땜납 범프(20)를 통해 전기적으로 접속되어 있고, 상기 복수의 소자(50)는 땜납 범프를 통하는 일 없이 전기적으로 접속되어 있다. 다음에, 얻어진 스트립 기판을 금형 내에 배치하고, 성형기(TOWA사제, PMC1040)를 이용해 금형 온도 175℃, 주입 압력 9.8 MPa, 30초의 조건에서 얻어진 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 금형 내에 주입해 봉지 성형하였다. 그 다음에, 175℃, 120초간 경화 처리를 수행한 후, 성형기로부터 꺼내고, 175℃의 고온조(槽)에서 4시간의 포스트큐어 처리를 실시하였다. 그 후, 스트립 기판의 얼라이먼트에 따라 개편화함으로써 도 1에 나타내는 반도체 장치를 제작하였다. 다만, 비교예 2의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용한 경우에만 봉지재(40)를 형성하지 못하여 원하는 반도체 장치를 얻을 수 없었다.
얻어진 각 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 각 반도체 장치에 대하여 하기에 나타내는 측정 및 평가를 수행하였다.
· 260℃에서 측정한 경화물의 열시 탄성률: 경화물의 열시 탄성률은 JIS K-6911에 준하여 이하의 방법으로 측정하였다. 우선, 저압 트랜스퍼 성형기(코타키 세이키사제 「KTS-15」)를 이용해 금형 온도 175℃, 주입 압력 6.9 MPa, 경화 시간 120초로 봉지용 수지 조성물을 주입 성형하여 10 ㎜×4 ㎜×4 ㎜의 시험편을 얻었다. 그 다음에, 이 시험편을 DMA 측정 장치(세이코 인스트루먼트사제)를 이용한 3점 휨법에 의해 측정 온도 범위 0℃∼300℃, 5℃/분으로 승온 측정하여 260℃에서의 경화물의 열시 탄성률을 측정하였다. 아울러, 열시 탄성률의 단위는 MPa이다.
· 유리 전이 온도 및 선팽창 계수: 각 실시예 및 각 비교예에 대하여, 얻어진 봉지용 수지 조성물의 경화물의 유리 전이 온도(Tg), 선팽창 계수를 이하와 같이 측정하였다. 우선, 저압 트랜스퍼 성형기(코타키 세이키사제, KTS-15)를 이용해 금형 온도 175℃, 주입 압력 6.9 MPa, 경화 시간 120초로 봉지용 수지 조성물을 주입 성형하여 10 ㎜×4 ㎜×4 ㎜의 시험편을 얻었다. 그 다음에, 얻어진 시험편을 175℃, 4시간으로 후경화한 후, 열기계 분석 장치(세이코 전자공업사제, TMA100)를 이용하여 측정 온도 범위 0℃∼320℃, 승온 속도 5℃/분의 조건 하에서 측정을 수행하였다. 이 측정 결과로부터, 유리 전이 온도(Tg), 25℃ 이상 유리 전이 온도 이하에서의 선팽창 계수를 산출하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 아울러, 선팽창 계수의 단위는 ppm/℃이다.
· 수지 조성물의 175℃에서의 용융 점도: 각 실시예 및 각 비교예의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관하여, 고화식(高化式) 플로우 테스터(시마즈 제작소사제, CFT-500)를 이용하여 175℃, 압력 40 ㎏f/㎠, 캐필러리 지름 0.5 ㎜의 조건에서 용융 점도를 측정하였다. 아울러, 용융 점도의 단위는 Pa·s이다.
· 성형 후 땜납 플래시: 각 실시예 및 각 비교예에서 제조한 반도체 장치에 대하여, 자동 연마기(Struers사제, Tegramin-25)를 이용해 기판(10)의 봉지재(40)가 형성되어 있지 않은 쪽의 면으로부터 연마함으로써, 상기 반도체 장치에서의 땜납 범프(20)의 형상을 확인하여 땜납 플래시의 유무를 평가하였다. 아울러, 본 실시예에서의 상기 땜납 플래시란, 얻어진 반도체 장치에 있어서 땜납 범프(20)의 용융 팽창에 의해 상기 땜납 범프(20)를 구성하는 재료가 비산하는 현상인 것을 가리킨다.
· 보이드의 유무: 각 실시예 및 각 비교예에서 제조한 반도체 장치에 대하여, 주사형 초음파 탐상기(SAT)를 이용하여 봉지재(40)의 내부에 보이드가 존재하고 있는지 아닌지 그 유무를 평가하였다.
· 열시 휨: 우선, 각 실시예 및 각 비교예에서 제조한 반도체 장치의 25℃에서의 패키지 휨량을 측정하였다. 그 다음에, 각 실시예 및 각 비교예에서 제조한 반도체 장치를 Shadow moire(akrometrix사제)를 이용해 25℃로부터 260℃로 승온하여, 상기 반도체 장치의 260℃에서의 패키지 휨량을 측정하였다. 얻어진 반도체 장치의 열시 휨을 이하의 기준으로 평가하였다.
◎: 25℃에서의 패키지 휨량과 260℃에서의 패키지 휨량이 모두 50 ㎛ 미만이다.
○: 25℃에서의 패키지 휨량과 260℃에서의 패키지 휨량이 모두 100 ㎛ 미만이다.
×: 적어도 25℃에서의 패키지 휨량과 260℃에서의 패키지 휨량의 어느 한쪽이 100 ㎛ 이상이다.
· 리플로우 후 땜납 플래시 및 리플로우 후 범프 변형: 우선, 각 실시예 및 각 비교예에서 제조한 반도체 장치를 30℃, 상대 습도 60%의 조건 하에서 192시간 방치하였다. 다음에, 이러한 반도체 장치를 JEDEC가 규정하는 리플로우 조건에 따라 260℃에서의 IR 리플로우 처리를 실시하였다. 그 후, 각 반도체 장치에 대하여 자동 연마기(Struers사제, Tegramin-25)를 이용하여 기판(10)의 봉지재(40)가 형성되어 있지 않은 쪽의 면으로부터 연마함으로써 상기 반도체 장치에서의 땜납 범프(20)의 형상을 확인하여, 리플로우 처리 후에서의 땜납 플래시의 유무 및 땜납 범프의 변형의 유무를 평가하였다.
상기 평가 항목에 관한 평가 결과를 이하의 표 1에 각 성분의 배합 비율과 함께 나타낸다.
Figure pat00004
상기 표 1로부터도 알 수 있는 것과 같이, 각 실시예의 반도체 장치는 모두 내리플로우성이 뛰어나고, 또한 260℃의 고온 조건 하에 있어서도 휨이 발생하기 어려워, 전기적 접속 신뢰성이 뛰어난 것이었다.
또, 실시예 1∼6과 비교예 1∼4를 비교하면 알 수 있는 것과 같이, 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 통해 기판 상에 탑재된 반도체 칩을 구비하는 반도체 장치의 전기적 접속 신뢰성을 개선하기 위해서는 수지 조성물의 전량에 대한 충전재의 함유량과 260℃에서 측정한 상기 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률에 관한 조건을 모두 제어한 구성을 채용하는 것이 유용함을 알 수 있었다.
이 출원은 2016년 4월 26일에 출원된 일본 출원 특원2016-087987호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 그 개시된 모두를 여기에 포함한다.

Claims (7)

  1. 반도체 칩 또는 상기 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하기 위해 이용하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물로서,
    에폭시 수지와,
    페놀 수지 경화제와,
    충전재를 포함하며,
    상기 충전재의 함유량이 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 전량에 대해 75 중량% 이상 93 중량% 이하이고,
    260℃에서 측정한 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물의 열시 탄성률이 60 MPa 이상 500 MPa 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    25℃ 이상 유리 전이 온도(Tg) 이하의 온도 영역에서의 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 경화물의 선팽창 계수가 20 ppm/℃ 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 175℃에서의 용융 점도가 2 Pa·s 이상 10 Pa·s 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 에폭시 수지로부터 유래하는 에폭시기 수를 EP로 하고, 상기 페놀 수지 경화제로부터 유래하는 페놀성 수산기 수를 OH로 할 때, EP/OH의 값이 1 이상 2 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 에폭시 수지의 함유량이 당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 전량에 대해 3 중량% 이상 30 중량% 이하인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    당해 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 형태가 분립상, 과립상, 태블릿상 또는 시트상인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 준비하는 공정과 함께,
    상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 칩 또는 상기 반도체 칩을 봉지하여 이루어지는 반도체 패키지와 범프 높이가 100 ㎛ 이상인 땜납 범프를 봉지하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
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