KR20210078942A - 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자 - Google Patents

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

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KR20210078942A KR1020190170914A KR20190170914A KR20210078942A KR 20210078942 A KR20210078942 A KR 20210078942A KR 1020190170914 A KR1020190170914 A KR 1020190170914A KR 20190170914 A KR20190170914 A KR 20190170914A KR 20210078942 A KR20210078942 A KR 20210078942A
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이태경
김종환
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동우 화인켐 주식회사
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Abstract

본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 무기 충전제 및 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 기판과의 밀착성이 향상되어 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 개선하고, 경화속도가 증가되어 공정시간을 단축시키고 경화밀도가 높아져 경도 및 내크랙성이 향상될 수 있다.

Description

반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자 {Epoxy Resin Composition for Encapsulating Semiconductor Device and Semiconductor Device Encapsulated Using the Same}
본 발명은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판과의 밀착성이 향상되어 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 개선하고, 경화속도가 증가되어 공정시간을 단축시키고 경화밀도가 높아져 경도 및 내크랙성이 향상될 수 있는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.
일반적인 반도체 소자의 제조 시, 반도체 소자를 수분이나 기계적 충격 등 외부 환경으로부터 보호하기 위해, 반도체 소자를 밀봉한다. 반도체 패키징 산업은 종래 칩 단위의 패키징으로부터 발전해 웨이퍼 레벨 패키징 (WLP), 패널 레벨 패키징 (PLP)으로 기판의 크기가 점차 커지고 있다. 이에 따라 반도체 패키징에 사용되는 에폭시 수지 조성물은 대면적의 기판 상에 적용된 후 균일한 열을 받아 균일하게 경화되어야 한다. 하지만, 기판의 크기가 클수록 각각의 위치에서 열의 구배가 다르기 때문에 패키지의 휨(warpage) 현상이나 박리 현상이 발생하고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0000630호 및 제10-2016-0066505호는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것으로, 새로운 구조를 갖는 에폭시 수지를 사용하여 반도체 소자 밀봉 시 발생되는 문제점들을 개선시키는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 상기 기술은 기판과의 밀착성이 충분하지 않아 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 극복하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 기판과의 밀착성이 향상되어 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 개선할 수 있는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 대한 개발이 요구되고 있다.
또한, 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 경화속도를 증가시켜 공정시간을 단축시키고 경화밀도를 높여 경도 및 내크랙성을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0000630호 대한민국 공개특허 제10-2016-0066505호
본 발명의 한 목적은 기판과의 밀착성이 향상되어 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 개선하고, 경화속도가 증가되어 공정시간을 단축시키고 경화밀도가 높아져 경도 및 내크랙성이 향상될 수 있는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자를 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은 에폭시 수지, 경화제, 무기 충전제 및 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 식에서,
R은 사슬 탄소 중 하나 이상이 O 또는 COO로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C6의 탄화수소기이다.
본 발명의 일 실시형태에서, R은 -(CH2)n-L-(CH2)m-이고,
L은 존재하지 않거나, O 또는 COO이며,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 조성물 전체 100 중량%에 대해 0.01 내지 5 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 경화 촉진제, 실란 커플링제, 이형제 및 착색제로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명은 상기 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 기판과의 밀착성이 향상되어 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 개선하고, 경화속도가 증가되어 공정시간을 단축시키고 경화밀도가 높아져 경도 및 내크랙성이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시형태는 에폭시 수지(A), 경화제(B), 무기 충전제(C) 및 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물(D)을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.
에폭시 수지(A)
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 에폭시 수지(A)는 반도체 소자 밀봉용으로 사용되는 일반적인 에폭시 수지로서, 구체적으로 한 분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 포함하는 에폭시 화합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 한 분자 내에 2 내지 8개의 에폭시기를 포함하는 에폭시 화합물을 사용할 수 있다.
예를 들면, 상기 에폭시 수지로는 페놀 또는 알킬 페놀류와 히드록시벤즈알데히드와의 축합물을 에폭시화함으로써 얻어지는 에폭시 수지; 비페닐형 에폭시 수지; 비스페놀 A/F형 에폭시 수지, 테트라메틸비스페놀 F형 에폭시 수지 등의 비스페놀형 에폭시 수지; 스틸벤형 에폭시 수지; 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지; 트리페놀메탄형 에폭시 수지, 알킬 변성 트리페놀메탄형 에폭시 수지 등의 다관능 에폭시 수지; 페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬형 에폭시 수지 등의 페놀아랄킬형 에폭시 수지; 디히드록시나프탈렌형 에폭시 수지, 디히드록시나프탈렌의 2량체를 글리시딜에테르화하여 얻어지는 에폭시 수지 등의 나프톨형 에폭시 수지; 트리글리시딜이소시아누레이트, 모노알릴디글리시딜이소시아누레이트 등의 트리아진 핵 함유 에폭시 수지; 디시클로펜타디엔 변성 페놀형 에폭시 수지 등의 유교 환상 탄화 수소 화합물 변성 페놀형 에폭시 수지 등을 사용할 수 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이들 중, 비스페놀형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 노볼락형 에폭시 수지, 페놀아랄킬형 에폭시 수지 및 트리페놀메탄형 에폭시 수지가 내습성, 성형성을 향상시키기에 바람직하며, 그 중 비페닐형 에폭시 수지는 유동성을 향상시키기에 특히 바람직하며, 페놀아랄킬형 에폭시 수지 및 노볼락형 에폭시 수지는 반도체 소자의 휨을 억제하기에 바람직하며, 그 중 페놀아랄킬형 에폭시 수지는 고온의 탄성률을 제어하기에 특히 바람직하다. 상기의 원하는 특성을 향상시키기 위해 한 종류 이상의 에폭시 수지를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 에폭시 수지는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 0.1 중량% 내지 15 중량%, 바람직하게는 3 중량% 내지 15 중량%, 더욱 바람직하게는 3 중량% 내지 12 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 에폭시 수지의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 경화 후 에폭시 수지 조성물의 접착력 및 강도를 보다 우수하게 구현할 수 있다.
경화제(B)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 경화제(B)는 반도체 소자 밀봉용으로 사용되는 일반적인 경화제들이 제한 없이 사용될 수 있으며, 구체적으로 2개 이상의 관능기를 가진 경화제가 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 경화제로는 페놀계 경화제, 아민계 경화제, 산무수물계 경화제, 머캅탄계 경화제를 들 수 있다. 이들 중에서도, 내연성, 내습성, 전기 특성, 경화성, 보존 안정성 등의 밸런스의 점에서 페놀계 경화제가 바람직하다.
상기 페놀계 경화제로는, 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지를 비롯한 페놀, 크레졸, 레조신, 카테콜, 비스페놀 A, 비스페놀 F, 페닐페놀, 아미노페놀, α-나프톨, β-나프톨, 디히드록시나프탈렌 등의 페놀류와 포름알데히드나 케톤류를 산성 촉매하에서 축합 또는 공축합시켜 얻어지는 노볼락 수지, 상기한 페놀류와 디메톡시파라자일렌 또는 비스(메톡시메틸)비페닐로 합성되는 비페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지, 페닐렌 골격을 갖는 페놀아랄킬 수지 등의 페놀아랄킬 수지, 트리스페놀메탄 골격을 갖는 페놀 수지 등을 들 수 있다.
상기 아민계 경화제로는, 디에틸렌트리아민(DETA)이나 메타자일렌디아민(MXDA), 트리에틸렌테트라민(TETA) 등의 지방족 폴리아민, 디아미노디페닐메탄(DDM)이나 m-페닐렌디아민(MPDA)이나 디아미노디페닐설폰(DDS) 등의 방향족 폴리아민 외에, 디시안디아마이드(DICY)나 유기산 디히드라지드 등을 포함하는 폴리아민 화합물 등을 들 수 있다.
상기 산무수물계 경화제로는, 헥사하이드로 무수 프탈산(HHPA)이나 메틸테트라하이드로 무수 프탈산(MTHPA)이나 무수 말레산 등의 지환족 산무수물, 무수 트리멜리트산(TMA)이나 무수 피로멜리트산(PMDA)이나 벤조페논테트라카복실산(BTDA), 무수 프탈산 등의 방향족 산무수물 등을 들 수 있다.
상기 머캅탄계 경화제로서는 트리메틸올에탄트리스(3-머캅토부티레이트), 트리메틸올프로판트리스(3-머캅토부티레이트) 등을 들 수 있다.
이 외에도, 이소시아네이트 프리폴리머나 블록화 이소시아네이트 등의 이소시아네이트 화합물, 카복실산 함유 폴리에스테르 수지 등의 유기산류 등을 들 수 있다.
상기 경화제는 상술한 경화제들을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
에폭시 수지와 경화제와의 배합비는 패키지에서의 기계적 성질 및 내습 신뢰성의 요구에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 경화제에 대한　에폭시 수지의 화학 당량비가 0.95 내지 3 정도일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 2, 더욱 바람직하게는 1 내지 1.75일 수 있다. 에폭시 수지와 경화제의 배합비가 상기의 범위를 만족할 경우, 에폭시 수지 조성물 경화 후에 우수한 강도를 구현할 수 있다.
상기 경화제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 13 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 10 중량%, 더욱 바람직하게는 1 내지 7 중량%로 포함될 수 있다. 상기 경화제의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 경화 후 에폭시 수지 조성물의 강도를 보다 우수하게 구현할 수 있다.
무기 충전제(C)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 무기 충전제(C)는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 기계적 물성을 향상시키고 저응력화를 위한 것으로, 반도체 밀봉용으로 사용되는 일반적인 무기 충전제들이 제한 없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 무기 충전제로는 용융 실리카, 결정 실리카, 미분 실리카 등의 실리카, 알루미나, 질화 규소, 질화 알루미늄, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 몰리브덴산 아연, 붕산 아연 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 이상을 사용할 수 있다. 이들 중에서도, 범용성이 우수하다는 관점에서, 실리카를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 무기 충전제로서, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 붕산 아연, 몰리브덴산 아연 등의 난연성을 부여할 수 있는 성분을 포함시키는 것도 바람직하다.
바람직하기로, 상기 무기 충전제로는 저응력화를 위해서 선팽창계수가 낮은 용융 실리카를 사용한다. 용융 실리카는 진비중이 2.3 이하인 비결정성 실리카를 의미하는 것으로 결정성 실리카를 용융하여 만들거나 다양한 원료로부터 합성한 비결정성 실리카도 포함될 수 있다.
상기 용융 실리카의 형상 및 입경은 특별히 한정되지는 않지만, 평균 입경 5 내지 30㎛의 구상 용융 실리카를 50 내지 99 중량%, 평균입경 0.001 내지 1㎛의 구상 용융 실리카를 1 내지 50 중량%를 포함한 용융 실리카 혼합물을 전체 충전제에 대하여 40 내지 100 중량%가 되도록 포함하는 것이 좋다. 또한, 용도에 따라 그 최대 입경을 45㎛, 55㎛, 및 75㎛ 중 어느 하나로 조정해서 사용할 수 있다.
상기 무기 충전제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 70 내지 95 중량%, 바람직하게는 80 내지 90 중량%, 더욱 바람직하게는 83 내지 87 중량%로 포함될 수 있으나, 성형성, 저응력성, 및 고온강도 등의 요구 물성에 따라 조절하여 사용할 수 있다. 상기 무기 충전제의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 에폭시 수지 조성물의 난연성, 유동성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물(D)
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물(D)은 이소시아누레이트 분자 골격에 3개의 티올기가 치환된 화합물이다. 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 반도체 패키지 기판과의 밀착성을 향상시켜 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상을 개선할 수 있다. 또한, 티올기는 에폭시 수지의 경화 반응을 촉진해 경화속도를 증가시켜 공정시간을 단축시키고 경화밀도를 증가시켜 경도와 내크랙성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00002
상기 식에서,
R은 사슬 탄소 중 하나 이상이 O 또는 COO로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C6의 탄화수소기이다.
본 명세서에서 사용되는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O 또는 COO로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C6의 탄화수소기는 사슬 탄소 중 하나 이상이 O 또는 COO로 치환되거나 치환되지 않은 탄소수 2 내지 6개로 구성된 직쇄형 또는 분지형의 탄화수소를 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, R은 -(CH2)n-L-(CH2)m-이고,
L은 존재하지 않거나, O 또는 COO이며,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 조성물 전체 100 중량%에 대해 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 2.5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 1.2 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물이 0.01 중량% 미만의 양으로 포함되면 밀착성이 감소해 패키지의 박리가 발생할 수 있고, 5 중량% 초과의 양으로 포함되면 점도가 높아져 유동성이 감소하고 보관 안정성이 떨어질 수 있다.
첨가제(E)
본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 상기 성분 외에 본 발명의 목적을 해치지 아니하는 범위에서 당업자의 필요에 따라 경화 촉진제, 실란 커플링제, 이형제 및 착색제 등의 첨가제를 병용할 수 있다.
상기 경화 촉진제는 상기 에폭시 수지와 상기 경화제의 반응을 촉진하는 물질로, 3급 아민, 유기 금속화합물, 유기 인화합물, 이미다졸류 및 붕소화합물로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
상기 3급 아민의 구체적인 예로는, 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민, 트리에틸렌디아민, 디에틸아미노에탄올, 트리(디메틸아미노메틸)페놀, 2-2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디아미노메틸)페놀 등이 있다.
상기 유기 금속화합물의 구체적인 예로는, 징크아세틸아세토네이트, 크로뮴아세틸아세토네이트, 니켈아세틸아세토네이트　등이 있다.
상기 유기 인화합물의 구체적인 예로는, 트리스-4-메톡시포스핀, 테트라부틸포스포늄브로마이드, 테트라페닐포스포늄브로마이드, 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리페닐포스핀트리페닐보란, 트리페닐포스핀-1,4-벤조퀴논　부가물 등이 있다.
상기 이미다졸류의 구체적인 예로는, 2-페닐-4-메틸이미다졸, 2-메틸이미다졸,　2-페닐이미다졸,　2-아미노이미다졸, 2-메틸-1-비닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-헵타데실이미다졸 등을 들 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
상기 붕소화합물의 구체적인 예로는, 테트라페닐포스포늄-테트라페닐보레이트, 트리페닐포스핀 테트라페닐보레이트, 테트라페닐보론염, 트리플루오로보란-n-헥실아민, 트리플루오로보란모노에틸아민, 테트라플루오로보란트리에틸아민, 테트라플루오로보란아민 등이 있다.
이외에도 상기 경화 촉진제로 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 경화 촉진제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 0.01 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.02 내지 1.5 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 1 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 경화 촉진제의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 상기 에폭시 수지와 상기 경화제 간 반응을 촉진해 공정 시간을 단축할 수 있으며, 반도체 소자 밀봉 시 조성물의 경화도가 향상될 수 있다.
상기 실란 커플링제는 상기 에폭시 수지와 상기 무기 충전제 사이에서 반응하여, 상기 에폭시 수지와 상기 무기 충전제의 계면 강도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 실란 커플링제의 구체적인 예로는 에폭시실란, 아미노실란, 머캅토실란 등을 들 수 있으며, 이에 특별히 한정되지 않는다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 병용해서 사용할 수 있다.
상기 실란 커플링제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 3 중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 실란 커플링제의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 에폭시 수지 조성물의 경화물의 강도가 향상될 수 있다.
상기 이형제는 반도체 밀봉시 금형으로부터 분리가 용이하게 하는 역할을 한다. 상기 이형제로는 파라핀계 왁스, 에스테르계 왁스, 고급 지방산, 고급 지방산 금속염, 천연 지방산 및 천연 지방산 금속염으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이에 특별히 제한되지 않는다.
상기 이형제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 0.1 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.15 내지 0.7 중량%, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.5 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 상기 이형제의 함량이 상기 범위를 만족할 경우, 에폭시 수지 조성물과 반도체 기판 간 접착성 저하 없이 금형과의 우수한 이형성을 갖게 되어 성형 불량을 방지할 수 있다.
상기 착색제는 반도체 소자 밀봉 시 레이저 마킹을 위한 것으로, 당해 기술 분야에 잘 알려져 있는 착색제들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 착색제로는 카본 블랙, 티탄블랙, 티탄 질화물, 인산수산화구리(dicopper hydroxide phosphate), 철산화물, 운모 등을 사용할 수 있으며, 이에 특별히 제한되지 않는다.
상기 착색제는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물 전체 100 중량%에 대하여 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 3 중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 상술한 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자에 관한 것이다.
반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자는 반도체 패키지로 이해될 수 있으며, 기판, 반도체 소자, 밀봉층 및 접속 단자를 포함할 수 있다.
상기 기판은 상기 반도체 소자를 지지하고, 상기 반도체 소자에 전기 신호를 부여하기 위한 것으로, 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 반도체 실장용 기판들이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 기판은 회로 기판, 리드 프레임 기판 또는 재배선층(redistribution layer)을 포함할 수 있다.
상기 기판 상에는 상기 반도체 소자가 실장된다. 이때, 상기 반도체 소자 실장 방법은, 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려진 반도체 칩 실장 기술이 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 소자는 플립 칩(flip chip) 또는 와이어 본딩(wire bonding) 등의 방법으로 기판에 실장될 수 있으며, 하나의 반도체 칩으로 이루어질 수도 있고, 다수의 반도체 칩이 관통 실리콘 비아(Through silicon Via, TSV)를 통해 통전 가능하게 적층되어 있는 적층형 반도체 소자와 같이 다수의 반도체 칩들을 포함할 수도 있다.
상기 밀봉층은 상기 반도체 소자를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 것으로, 상기한 본 발명에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물로부터 형성된다. 상기 밀봉층은 기판 상부에 반도체 소자의 적어도 일부를 봉지하도록 형성된다.
본 발명의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여, 반도체 장치 등의 전자 부품 장치를 밀봉하는 방법으로서는, 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 방법들이 사용될 수 있으며, 저압 트랜스퍼 성형법이 가장 일반적이지만, 주입 성형법, 압축 성형법 등도 들 수 있으며, 디스펜스 방식, 주형 방식, 인쇄 방식 등을 이용할 수도 있다.
상기 기판의 하면, 즉, 상기 반도체 소자가 실장된 면의 반대면에는 상기 기판과 외부 전원을 전기적으로 연결하기 위한 상기 접속 단자가 형성된다. 상기 접속 단자는 당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 구조의 접속 단자들, 예를 들면, 리드(lead), 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array) 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예, 비교예 및 실험예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.
실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 3: 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물의 제조
하기 표 1의 조성으로 각 성분들을 상온에서 믹서를 이용하여 혼합하고, 90℃에서 용융 혼련한 후 냉각 및 분쇄하여 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다(단위: 중량%).
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3
(A) 9 9 9 9 9 9 9.33 8 9.33 9 9
(B) 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.67 4 4.67 4.5 4.5
(C) 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5 84.5
(D) 화학식2 0.5 1 0.5 2.5
화학식 3 0.5 1
화학식 4 0.5 1
(D-1) 0.5
(E-1) 0.5 0.5 0.5 0.5 1 0.5
(E-2) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
(E-3) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
(E-4) 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
(A) 에폭시 수지: 바이페닐형 에폭시 수지 (Nippon Kayaku社, NC-3000)
(B) 경화제: 자일록형 페놀수지 (Meiwa Kasei社, MEH-7800SS)
(C) 무기 충전제: 평균입경 15㎛의 구상 용융실리카
(D) 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물
[화학식 2]
Figure pat00003
[화학식 3]
Figure pat00004
[화학식 4]
Figure pat00005
(D-1) 머캅탄계 경화제: 트리메틸올에탄트리스(3-머캅토부티레이트)
(E-1) 경화 촉진제: 2-페닐-4-메틸이미다졸(2P4MHZ)
(E-2) 실란 커플링제: 머캡토프로필트리메톡시실란 (Shin-etsu社, KBM-803)
(E-3) 이형제: 카르나우바왁스
(E-4) 착색제: 카본블랙 (Mitsubishi Chemical社, MA-600)
실험예 1:
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 대하여 스파이럴 플로우, 유리전이온도, 경화도, 흡습율, 땜납 내열성, 부착력 및 휨(warpage) 특성을 하기와 같은 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
(1) 스파이럴 플로우
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 타정(pelletizing)하여 제조된 시험편에 대하여, EMMI-1-66에 준하여 평가용 금형을 사용하여 175℃, 70kgf/㎠ 조건으로 저압 트랜스퍼 몰딩 프레스 (transfer molding press)를 이용하여 유동 길이를 측정하였다. 측정값(유동 길이)이 높을수록 유동성이 우수한 것으로 볼 수 있다.
(2) 유리전이온도
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 타정(pelletizing)하여 제조된 시험편에 대하여, DMA(Dynamic Mechancal Analyzer)에 의한 유리전이온도(glass transition temperature)를 측정하였다.
(3) 경화도
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 175℃에서 40, 60, 80초간 경화시킨 후 Shore-D형 경도계로 경화시간에 따른 경화물의 경화도를 측정하였다. 측정값(경화도)이 높을수록 경화도가 우수한 것으로 볼 수 있다.
(4) 흡습율
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 타정(pelletizing)하여 제조된 시험편을 온도 85℃, 습도 85％의 조건에서 168시간 동안 방치하여 물 흡수처리를 수행한 뒤, 하기 수학식 1을 통해 흡습율을 계산하였다.
[수학식 1]
흡습율(%) = (흡습 후 시험편의 무게 - 흡습 전 시험편의 무게)÷(흡습 전 시험편의 무게)×100
(5) 땜납 내열성
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 타정(pelletizing)하여 제조된 시험편을 260℃의 땜납조에서 10초간 침지시킨 뒤, 현미경으로 관찰하여, 땜납 내열성을 하기 평가 기준으로 평가하였다.
<평가 기준>
○: 크랙이 발생하지 않음
×: 크랙이 발생함
(6) 부착력
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 금형 온도 175℃, 클램프 압력 70kgf/㎤, 이송 압력 1000psi, 이송 속도 0.8cm/sec, 경화 시간 120초로 성형하여 시편을 얻었다. 얻어진 시편을 175℃의 오븐에 넣어 4시간 동안 후경화시켰다. 부착력은 각 측정 공정당 12개의 시편에 대하여 UTM(universal testing machine)을 사용하여 측정한 평균값으로 나타내었다.
(7) 휨(warpage) 특성
실시예 및 비교예에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 폭 90mm, 길이 110mm, 높이 2mm의 형틀 내로 유입하고, 150℃에서 1시간 프레스 성형한 후, 추가로 3시간 가열하여 경화물을 얻었다. 얻어진 경화물의 휨 강도를, JIS K6911에 준거하여 측정하였다.
구분 실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3
스파이럴 플로우 (inch) 69 66 64 73 71 68 64 66 61 58 60
유리전이온도(Tg)
(℃)		 124 125 125 126 125 127 125 123 124 123 125
경화도 40초 65 68 70 62 64 67 62 63 58 61 60
60초 72 75 77 67 70 73 69 71 64 66 65
80초 76 79 82 73 75 78 73 74 69 71 71
흡습율 0.23 0.22 0.19 0.20 0.18 0.17 0.24 0.21 0.25 0.27 0.26
땜납 내열성 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × ×
부착력(kgf) 58 61 63 56 58 59 56 58 52 54 54
휨 강도(MPa) 135 138 140 129 131 134 131 133 125 127 126
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 8의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 기판과의 부착력, 즉 밀착성이 향상되어 반도체 패키지의 박리 현상을 개선할 수 있고 휨 강도도 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 8의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 경화속도가 증가되어 빠른 시간 내에 우수한 경화도를 나타내고 경화밀도가 높아져 경도 및 내크랙성(땜납 내열성)이 향상될 수 있음을 확인하였다.
반면, 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물을 포함하지 않는 비교예 1 내지 2 및 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물 대신 이소시아누레이트 골격을 갖지 않는 머캅탄계 경화제를 포함하는 비교예 3의 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 기판과의 밀착성이 충분하지 않아 반도체 패키지의 휨 또는 박리 현상이 발생하고, 경화속도, 경도 및 내크랙성이 불량한 것으로 나타났다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 에폭시 수지, 경화제, 무기 충전제 및 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물을 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물:
    [화학식 1]
    Figure pat00006

    상기 식에서,
    R은 사슬 탄소 중 하나 이상이 O 또는 COO로 치환되거나 치환되지 않은 C2-C6의 탄화수소기이다.
  3. 제2항에 있어서, R은 -(CH2)n-L-(CH2)m-이고,
    L은 존재하지 않거나, O 또는 COO이며,
    n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수인 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 티올기를 갖는 이소시아누레이트 화합물은 조성물 전체 100 중량%에 대해 0.01 내지 5 중량%의 함량으로 포함되는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 경화 촉진제, 실란 커플링제, 이형제 및 착색제로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 추가로 포함하는 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 반도체 소자 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 밀봉된 반도체 소자.
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