KR20230079847A - 반도체 밀봉용 조성물 및 이를 통해 성형된 반도체 부품 - Google Patents

반도체 밀봉용 조성물 및 이를 통해 성형된 반도체 부품 Download PDF

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Abstract

반도체 밀봉용 조성물이 제공된다. 이에 의하면 고방열 특성을 가지고, 유동성이 우수해 매우 좁고 협소한 공간에도 충진성이 우수하며, 성형 전, 후 및 회로기판에 실장 시 외부에서 가해지는 외력 및/또는 고열로 인한 내부 수분의 기화에 따른 응력으로 인한 반도체, 특히 박막화된 얇은 두께의 반도체 장치의 휨, 성형된 밀봉재의 크랙, 박리 등의 손상을 최소화 또는 방지할 수 있다.

Description

반도체 밀봉용 조성물 및 이를 통해 성형된 반도체 부품{Composition for semiconductor encapsulation and semiconductor parts molded therefrom}
본 발명은 반도체 밀봉용 조성물 및 이를 통해 성형된 반도체 부품에 관한 것이다.
반도체 밀봉재는 IC(integrated circuits), LSI (large scale IC), VLSI(very large scale IC) 등의 반도체 소자를 외부로부터의 충격, 진동, 수분, 방사선 등으로부터 보호하기 위해 사용된다. Epoxy molding com-pound (이하 EMC)가 개발되기 이전에는 금속 또는 세라믹으로 반도체를 봉지하였으나, 1960년대 말부터 성형이 용이하고 경제적인 에폭시 수지를 이용한 복합재료가 도입되었고, 이후 급격한 반도체 산업 발전에 대응하여 반도체 소자를 밀봉하는 복합재료에 관련 소재 개발도 빠른 속도로 발전하였다.
반도체 밀봉재의 주된 역할을 외부 환경으로부터 반도체 칩을 보호하고, 외부 환경으로부터의 전기적 절연을 이루며, 디바이스의 작동 시 발생하는 열을 효과적으로 방출하며, 표면 실장의 간편성을 제공하는 것이다. 그러나 최근 전자기기의 소형화 및 고기능화가 진행되는 중에 그 내부에 탑재되는 반도체 패키지에 있어서도 고기능화가 진행되고 있고, 반도체 패키지 내부의 반도체 소자의 처리 속도는 보다 고속화되고 있는 실정이다.
이와 같은 반도체 소자의 처리 속도의 고속화는 반도체 소자 표면에서의 발열 문제를 야기 및 심화되고, 열의 효율적인 분산과 발산이 이루어지지 않을 경우 부품의 열화, 오작동, 제품 수명이 단축하는 문제를 발생시키고 있다.
특히 최근 휴대용기기, LED, 자동차 등의 전력소자(power device)를 중심으로 고방열 소재에 대한 수요가 급격하게 증가하고 있는데, 이와 같은 수요에 맞춰서 방열충진제를 고함량으로 구비한 고방열 반도체 봉지재 조성물이 개발되고 있으나 고함량의 충진제로 인한 흐름성 및 분산성 저하되며 이로 인해 매우 좁고 협소한 공간에 봉지재 조성물의 충전성이 저하되는 문제가 발생하고 있다. 또한, 고점도의 봉지재 조성물이 충전될 때 반도체 패키지의 와이어 본딩된 배선을 파손시키는 문제도 발생하고 있다.
더불어 경박단소형화되는 전자기기에 맞춰서 박막화된 반도체 소자의 경우 밀봉재로 밀봉된 후 실장공정에서 가해지는 높은 열에 의한 흡습된 수분의 기화나, 가해지는 외력으로 인한 휨, 밀봉재의 박리, 크랙이 빈번하게 일어나고 있는 실정이다.
이에 고방열성 및 유동성을 양립하고 반도체 패키지의 와이어 본딩된 배선 등 피봉지물에 대한 손상을 방지할 수 있으며, 박막화된 반도체 소자의 밀봉재에 적합한 반도체 밀봉용 조성물에 대한 개발이 시급한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제1991-0007095호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 고방열 특성을 가지고, 유동성이 우수해 매우 좁고 협소한 공간에도 충진성이 우수하며, 성형 전, 후 및 회로기판에 실장 시 외부에서 가해지는 외력 및/또는 고열로 인한 내부 수분의 기화에 따른 응력으로 인한 반도체 장치의 휨, 성형된 밀봉재의 크랙, 박리 등의 손상이 최소화된 반도체 밀봉용 조성물을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 몰딩성분, 및 구형이고 평균입경 1 ~ 5㎛이며 최대입경이 10㎛ 이하인 제1입경군의 알루미나를 포함하는 무기충전제를 포함하는 반도체 밀봉용 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 에폭시 수지는 바이페닐계 에폭시 수지일 수 있다.
또한, 상기 무기충전제는 반도체 밀봉용 조성물 전체 중량을 기준으로 80 ~ 95중량%로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1입경군의 알루미나는 최소입경이 800㎚ 이상이며, 상기 무기충전제는 구형이고 평균입경이 400㎚ 이하이며 최대입경이 600㎚ 이하인 제2입경군의 알루미나를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1입경군의 알루미나 및 제2입경군의 알루미나는 1: 0.2 ~ 0.5 중량비로 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2입경군의 알루미나는 평균입경이 200 ~ 400㎚일 수 있다.
또한, 상기 무기충전제는 KS L 1621:2008에 의거하여 측정된 겉보기 밀도 및 탭밀도의 비율이 1: 1.1 ~ 1.8일 수 있다.
또한, 상기 탭밀도는 1.8 ~ 3.0 g/㎤ 이며, 상기 겉보기 밀도는 1.2 ~ 2.5 g/㎤일 수 있다.
또한, 겉보기 밀도 및 탭밀도의 비율은 1: 1.3 ~ 1.5 일 수 있다.
또한, 본 발명은 반도체 칩 및 본 발명에 따른 반도체 밀봉용 조성물이 상기 반도체 칩을 밀봉하여 경화된 밀봉재를 포함하는 반도체 부품을 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 밀봉용 조성물은 고방열 특성을 가지고, 유동성이 우수해 매우 좁고 협소한 공간에도 충진성 및 성형성이 우수해 미충진된 부분이나 보이드가 방지되며, 밀봉공정에서 발생하는 칩손상, 와이어 스윕, 와이어 절단 등의 불량 발생이 방지될 수 있다. 또한, 성형 전, 후 및 회로기판에 실장 시 외부에서 가해지는 외력 및/또는 고열로 인한 내부 수분의 기화에 따른 응력으로 인한 반도체, 특히 박막화된 얇은 두께의 반도체 장치의 휨, 성형된 밀봉재의 크랙, 박리 등의 손상을 최소화 또는 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 반도체 밀봉용 조성물은 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 몰딩성분 및 평균입경 1 ~ 5㎛이며, 최대입경이 10㎛ 이하인 구형의 제1알루미나군을 포함하는 무기충전제를 포함한다.
먼저, 상기 몰딩성분은 무기충전제가 분산된 매트릭스를 형성시키는 성분으로 밀봉조성물이 경화된 후 소정의 형상을 유지하고 무기충전제를 결합시켜서 하나의 몸체를 이루게 하는 물질이며, 에폭시 수지 및 경화제를 포함한다.
상기 에폭시 수지는 상술한 몰딩성분으로써 기능을 발휘하며, 3차원 망상구조를 형성해 반도체 칩에 경화된 밀봉재가 강하고 견고하게 접착되게 하는 성분이고, 반도체 밀봉용 조성물에 구비되는 통상적인 종류의 에폭시 수지의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 사용 가능한 에폭시 수지의 비제한적인 예로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 안트라센 에폭시 수지, 바이페닐형 에폭시 수지, 테트라메틸 바이페닐형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 A 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 S 노볼락형 에폭시 수지, 비페닐 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 페놀 공축 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 크레졸 공축 노볼락형 에폭시 수지, 방향족 탄화수소 포름알데히드 수지 변형 페놀 수지형 에폭시 수지, 트리페닐 메탄형 에폭시 수지, 테트라페닐 에탄형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔 페놀 부가반응형 에폭시 수지, 페놀 아랄킬형 에폭시 수지, 다관능성 페놀수지, 나프톨 아랄킬형 에폭시 수지 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 에폭시 수지는 바람직하게는 내습성 및 내열성이 있는 것이 좋고, 저점도 및 자기소화성 특성을 가지는 것이 보다 바람직하다. 이를 위해서 상기 에폭시 수지는 바이페닐형 에폭시 수지를 사용할 수 있다. 이때, 상기 바이페닐형 에폭시 수지는 일 예로 4,4'-비스(2,3-에폭시프로폭시) 바이페닐, 4,4'-비스(2,3-에폭시프로폭시)-3,3',5,5'-테트라메틸바이페닐, 에피클로로히드린과 4,4'-비페놀 또는 4,4'-(3,3',5,5'-테트라메틸) 바이페놀 등의 바이페놀 화합물을 반응시켜 얻어진 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 4,4'-비스(2,3-에폭시프로폭시)-3,3',5,5'-테트라메틸바이페닐 및 4,4'-디하이드록시-3,3',5,5'-테트라메틸바이페닐의 글리시딜에테르가 바람직하다.
또한, 상기 에폭시 수지는 일 예로 에폭시 당량이 150 ~ 350 g/eq일 수 있으며, 이를 통해서 본 발명의 목적을 달성하기에 유리할 수 있다.
또한, 상기 경화제는 상술한 에폭시 수지와 반응해 조성물을 경화시키기 위한 성분으로써, 경화제는 에폭시 수지와 경화 반응을 하며 반도체 밀봉용 조성물에 사용되는 통상적인 경화제의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일 예로 상기 경화제는 페놀 노볼락형 수지, 크레페놀 자일록형 수지, 비스페놀 A로부터 합성된 각종 노볼락형 수지 중 선페놀 노볼락형 수지 및 페놀 자일록형 수지 중 1종 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 선택되는 에폭시 수지의 구체적인 종류를 고려해 적절한 것이 선택될 수 있다.
또한, 상기 경화제는 에폭시 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 100 중량부의 범위로 구비될 수 있다. 만일 상기 경화제의 함량이 1 중량부 미만이면 경화성 및 성형성이 저하될 수 있고, 100중량부를 초과하면 흡습량 증가로 신뢰성이 저하되고, 상대적으로 강도가 낮아질 수 있다.
한편 상기 몰딩성분은 에폭시 수짐 및 경화제 이외에, 통상적으로 반도체 밀봉용 조성물에 함유되는 성분을 더 포함할 수 있고, 일 예로 경화촉진제, 분산제, 첨가제 등을 더 포함할 수 있다.
상기 경화촉진제는 에폭시 수지의 경화를 촉진시키기 위한 것으로서, 경화반응의 촉진과 더불어 고온신뢰성 및 연속 작업성을 향상시킨다. 상기 경화촉진제는 에폭시 수지의 경화를 촉진시키는 공지의 성분은 제한 없이 사용될 수 있고, 일 예로 2-메틸이미다졸, 2-에틸4메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸화합물; 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 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 선택된 에폭시 수지 및 경화제의 구체적 종류를 고려해 적합한 공지의 경화촉진제를 사용할 수 있다.
상기 경화촉진제는 일 예로 에폭시 수지 100 중량부에 대해서 0.1 ~ 10 중량부의 범위로 사용할 수 있고, 0.1 중량부 미만으로 포함 시 경화촉진 효과가 미미할 수 있고, 10 중량부 초과 시 오히려 과경화로 인한 흐름성이 저해될 우려가 있다.
또한, 상기 분산제는 무기 충전제의 응집을 막고, 반도체 밀봉용 조성물 내 흐름성 및 분산성을 개선시키는 역할을 한다. 상기 분산제는 반도체 밀봉용 조성물에 통상적으로 사용되는 종류의 경우 제한 없이 사용할 수 있고, 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다. 일 예로 상기 분산제는 알킬 암모늄염 구조를 포함하는 3급 또는 4급 암모늄염, 인산에스테르 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 분산제는 일 예로 에폭시 수지 100 중량부에 대해서 0.01 ~ 10 중량부의 함량으로 함유될 수 있으나 이에 제한되는 아니며, 사용되는 에폭시 수지 종류, 경화제 종류, 무기충전제 함량, 종류 등을 고려해 적절히 변경될 수 있다.
또한, 상기 첨가제는 상술한 성분들 이외에 반도체 밀봉용 조성물에 채용되는 성분의 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 일 예로 저응력화제, 착색제, 소포제, 레벨링제, 커플링제, 난연제, 광 흡수제, 건조제, 흡습제 및 이형제 등을 더 포함할 수 있다. 일부 성분에 대해서 설명하면, 상기 저응력화제는 일 예로 실리콘 고무, 폴리 설파이드 고무, 아크릴계 고무, 부타디엔계 고무, 스티렌계 블록 코폴리머나 포화형 엘라스토머 등의 고무 물질, 각종 열가소성 수지, 실리콘 수지 등의 수지 형상 물질이 사용될 수 있다. 또한, 상기 커플링제는 γ-글리시독시프로필 트리메톡시 실란,
Figure pat00001
-(3,4-에폭시 시클로헥실) 에틸트리메톡시 실란 등의 에폭시 실란, 아미노프로필 트리에톡시 실란, 우레이도프로필 트리에톡시 실란, N-페닐 아미노프로필 트리메톡시 실란 등의 아미노 실란, 페닐 트리메톡시 실란, 메틸 트리메톡시 실란, 옥타데실 트리메톡시 실란 등의 소수성 실란 화합물이나 메르캅토 실란 등, 표면 처리제로서 Zr 킬레이트, 티타네이트 커플링제, 알루미늄계 커플링제 등을 사용할 수 있다. 또한, 착색제는 카본블랙, 산화철, 염료나 안료 등을 사용할 수 있다. 또한, 이형제는 천연 왁스류, 합성 왁스류, 직쇄 지방산의 금속염, 산 아미드류, 에스테르류, 파라핀 등을 사용할 수 있다.
또한, 에폭시 수지의 상온, 예를 들어 23℃에서의 성상에 따라서 용매를 더 포함할 수 있다. 액상의 에폭시 수지이거나 점도가 낮은 에폭시 수지인 경우 용매를 사용하지 않을 수 있으나, 고상, 반고상의 에폭시 수지 또는 액상의 에폭시 수지이나 반도체 밀봉용 조성물의 점도 조절이 필요할 경우 용매를 더 포함할 수 있다. 이때 용매의 종류는 구체적인 에폭시 수지의 종류를 고려해 선택될 수 있고, 공지된 유기용매일 수 있다. 또한, 용매의 사용량은 목적에 따라서 적절히 변경될 수 있으므로 본 발명은 이에 대해 특별히 한정하지 않는다.
다음으로 무기충전제에 대해서 설명한다.
상기 무기충전제는 경화된 밀봉재의 팽창계수를 작게해 반도체에 가해지는 응력을 저하시키며, 방열성, 기계적 강도를 향상시키기 위하여 구비된다. 상기 무기충전제는 제1입경군을 가지는 구상인 알루미나를 포함한다. 상기 제1입경군의 알루미나는 평균입경이 1 ~ 5㎛ 인 알루미나가 사용되는데, 이를 통해 초소형 및 박막화된 반도체칩이 단독 또는 패키징 내 다층화 되며, 와이어본딩 구조가 더욱 복잡해지는 용도의 반도체 패키지이면서 반도체 칩 상의 패드에서 캐리어 상의 패드까지 와이어로 연결하는 와이어본딩 방식 뿐만 아니라 금속와이어 대신해 범프를 사용하는 반도체 패키징에서 요구되는 언더 필 방식에까지 범용적으로 사용되기에 적합할 수 있다. 만일 제1입경군의 평균입경이 5㎛를 초과하는 경우 초소형 및 박막화된 반도체칩이 단독 또는 패키징 내 다층화 되며, 와이어본딩 구조가 더욱 복잡해지는 반도체 패키지의 밀봉용으로 적합하지 않을 수 있다. 특히 밀봉공정에서 가해질 수 있는 진공을 통한 흐름성의 물리적 조절로 인해 복잡해진 와이어본딩 구조에 손상을 입힐 우려가 클 수 있다. 또는 언더 필 방식에 사용 시 충진성이 저하되거나 보이드를 발생시킬 우려가 크다. 또한, 제1입경군의 평균입경이 1㎛ 미만일 경우 흐름성 저하될 수 있고, 이로 인해 불완전 성형되거나, 미충진으로 인해 공동, 다공이 발생할 우려가 있다. 또한, 방열성능이 저하될 우려가 있다.
여기서 초소형의 박막화된 반도체칩이란, 패키징 후 일 예로 가로, 세로, 두께 크기가 각각 2.5㎜이하, 2.5㎜이하, 1㎜이하(또는 0.5㎜이하)로 설계된 것일 수 있다.
또한, 제1입경군에서 알루미나의 최대입경이 10㎛이며, 만일 최대입경이 10㎛, 보다 바람직하게는 8㎛를 초과 시 50㎛ 이하의 간극을 가지는 적층 반도체 칩 사이 공간이나 반도체칩과 회로기판 사이의 공간에 무기충전제의 충진이 어려울 수 있다. 또한, 상기 제1입경군의 알루미나는 후술하는 제2입경군의 알루미나를 더 함유하는 경우 최소입경이 800㎚ 이상인 것이 좋고, 최소입경이 이보다 작아지는 경우 후술하는 제2입경군의 알루미나를 통해 개선되는 효과가 미미하거나 발현되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 초소형 및 박막화된 반도체칩이 단독 또는 패키징 내 다층화 되며, 와이어본딩 구조가 더욱 복잡해지는 용도의 반도체 패키지이면서 반도체 칩 상의 패드에서 캐리어 상의 패드까지 와이어로 연결하는 와이어본딩 방식 뿐만 아니라 금속와이어 대신해 범프를 사용하는 반도체 패키징에서 요구되는 언더 필 방식에까지 범용적으로 사용되기에 더욱 적합하기 위하여, 제1입경군의 알루미나 이외에 평균입경이 400㎚ 이하인 제2입경군의 구상의 알루미나를 무기충전제에 더 포함할 수 있다. 구체적으로 제2입경군의 알루미나를 혼용함을 통해서 반도체 밀봉용 조성물의 유동성 및 충진성을 더욱 개선하며, 경화 후 고방열 특성을 발현할 수 있고, 미충진으로 인한 기공이나 다공, 성형불량으로 인한 보이드 발생을 방지할 수 있다. 또한, 박막화됨에도 높은 기계적 강도를 담보하기에 유리할 수 있다. 또한, 반도체 밀봉용 조성물 내 무기충전제의 함량을 높게 설계해도 우수한 성형성을 유지할 수 있고, 와이어 변형이나 파괴를 최소화할 수 있다. 이 경우 제2입경군은 최대입경이 600nm일 수 있고, 만일 제2입경군의 알루미나 최대입경이 600nm를 초과 시 제2입경군의 알루미나를 혼합하여 얻는 효과 중 일부 또는 전부의 효과 발현이 미미할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 제2입경군의 알루미나는 평균입경이 200㎚ 이상일 수 있고, 만일 평균입경이 200㎚ 미만일 경우 알루미나 제조가 어려울 수 있거나 재료 단가가 올라갈 수 있고, 반도체 밀봉용 조성물의 흐름성 및 성형성이 크게 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 제2입경군은 바람직하게는 최소입경이 100㎚일 수 있으며, 만일 최소입경이 100nm 미만일 경우 방열성 및 흐름성이 크게 저하될 우려가 있다.
한편, 본 발명에서 알루미나의 입경은 레이저 회절 광산란법에 의한 입도측정에 기초하는 값으로서 체적 기준의 입경이며, 평균입경은 체적 기준 입도분포에서 입경이 작은 측으로부터 누적빈도 50체적%에 해당하는 입경을 의미한다. 또한, 상술한 알루미나의 입도분포는 상용화된 알루미나 분말을 이용해 공지의 분체기술 및 미립자 제어기술을 적절히 활용하여 제조할 수 있으며, 구체적인 수단으로서 공지된 여러 분쇄분급법, 관련 장치 및 이를 이용한 분쇄조건, 분쇄시간 등의 인자 조절을 통해서 제조할 수 있다. 일예로 분쇄기의 경우 브레이드 밀 또는 수퍼로터를 채용한 기계식 분쇄기나 고압공기의 고속기류를 이용해서 입자끼리 벽면에 충돌시켜서 분쇄시키는 기류식 분쇄기 중 어느 하나를 사용하거나 어느 하나를 사용해 분쇄한 분쇄물을 다시 다른 분쇄기에 투입해 분쇄하는 방식으로 분쇄수준을 조절할 수 있다. 또한, 표준체나, 원심풍력분산기 등의 분쇄물을 분급시키는 분급기, 미립자의 응집을 방지하기 위해 고속기류 등의 물리적 분산력을 이용한 분산기를 통해 목적하는 입도분포를 가지는 알루미나를 분급할 수 있으며, 본 발명은 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 또한, 알루미나는 고온 화염 중에 분말 원료를 분사하여 용융 구상화 처리한 후, 예를 들면, 중량 침강실, 사이클론, 백 필터(bag filter), 전기 집진기 등의 포집 장치로 회수하는 방법을 이용하고, 분말 원료의 입도, 분사량, 화염 온도 등의 처리 조건을 적절히 변경하거나, 회수가루를 분급, 체치기, 혼합 등의 조작을 하거나, 또는 양자의 병용에 의해서도 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 제2입경군의 알루미나를 혼용해 조성물이 경화된 몰딩재와 반도체 칩 및/또는 몰딩재와 회로기판 간에 계면에서 발생하는 보이드를 예방할 수 있고, 특히 매우 좁은 간격에도 충진될 확률을 높였으나 무기충전제에서 큰 입경에 해당하는 제1입경군의 입경 자체가 작아서 흐름성이 나빠지는 문제되는 경우가 있고, 이로 인해서 오히려 제품 상에 미충진된 부분이 존재하는 경우가 있을 수 있다.
이와 같은 경우를 최소화 또는 방지하고자 본 발명의 일 실시예에 따른 무기충전제는 제1입경군의 알루미나 및 제2입경군의 알루미나를 포함하는 무기충전제에 대해서 KS L 1621:2008에 의거하여 측정된 탭밀도가 1.8 ~ 3.0 g/㎤ 일 수 있다. 만일 무기충전제의 탭밀도가 1.8 g/㎤ 미만일 경우 조성물 내 구비되는 무기충전제의 밀도를 높이기 어려울 수 있고, 알루미나 입자 간 브리징 효과가 발생해 방열특성 역시 낮아지며, 기계적 강도도 저하될 우려가 있고, 보이드 발생 및 휨 등에 의한 박리가 발생할 우려가 있다. 또한, 탭밀도가 3.0 g/㎤를 초과시 과도한 고점도 특성이 발현되어 무기충전제가 좁은 간극을 채우도록 배치되기 어려울 수 있다. 또한, 무기충전제의 겉보기 밀도가 1.2 ~ 2.5 g/㎤ 일 수 있다. 만일 무기충전제의 겉보기 밀도가 1.2g/㎤ 미만일 경우 알루미나 입자의 충진특성 및 방열특성이 낮을 가능성이 높고, 2.5g/㎤를 초과시 흐름성이 저하되고, 몰딩공정에서 와이어 본딩이나 칩에 손상을 가할 우려가 있다.
또한, 보다 바람직하게는 위와 같은 겉보기 밀도 및 탭 밀도 간의 비율을 조정함을 통해서 흐름성을 개선해 더욱 우수한 품질을 가지는 양품을 제조하고, 초소형 및 박막화된 반도체칩이 단독 또는 패키징 내 다층화 되며, 와이어본딩 구조가 더욱 복잡해지는 용도의 반도체 패키지이면서 반도체 칩 상의 패드에서 캐리어 상의 패드까지 와이어로 연결하는 와이어본딩 방식 뿐만 아니라 금속와이어 대신해 범프를 사용하는 반도체 패키징에서 요구되는 언더 필 방식에까지 범용적으로 사용되기에 더욱 적합할 수 있다. 구체적으로 제1입경군의 알루미나 및 제2입경군의 알루미나를 포함하는 무기충전제는 KS L 1621:2008에 의거하여 측정된 겉보기 밀도 및 탭밀도의 비율이 1: 1.1 ~ 1.8, 보다 바람직하게는 1: 1.3 ~ 1.5를 만족할 수 있다. 만일 겉보기 밀도를 기준해 탭 밀도가 1.1 배 미만일 경우 조성물 내 구비되는 무기충전제의 밀도를 높이기 어려울 수 있고, 알루미나 입자 간 브리징 효과가 발생해 조성물 내 알루미나의 충진성이 낮아지고, 이로 인해 방열특성 역시 낮아지며, 기계적 강도도 저하될 우려가 있고, 보이드 발생 및 휨 등에 의한 박리가 발생할 우려가 있다. 또한, 겉보기 밀도를 기준해 탭밀도가 1.8배를 초과 시 흐름성이 과도하게 저하되며, 이로 인해 좁은 간극의 공간에 충진성이 떨어지고, 패키징 시 공정상 불량을 야기해 양품의 수율을 현저히 저하시킬 우려가 있다. 또한, SMT 공정 등에서 가해지는 고온에 의한 조성물 내 수분이나 휘발성분이 기화에 따라 발생하는 보이드의 개수나 크기가 현저히 증가할 수 있는 우려가 있다.
또한, 상술한 제1입경군의 알루미나 및 제2입경군의 알루미나는 상술한 탭밀도 및 겉보기 밀도를 구현하도록 하는 함량비율로 혼합될 수 있다. 다만 일 예로 제1입경군의 알루미나 및 제2입경군의 알루미나는 1: 0.2 ~ 0.5 중량비, 바람직하게는 1: 0.4 ~ 0.5 중량비로 혼합될 수 있고, 이를 통해 본 발명이 목적하는 효과를 달성하기에 보다 유리할 수 있다.
또한, 상기 무기충전제는 알루미나 이외의 실리카, 티타니아, 마그네시아, 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소 등의 공지된 반도체 밀봉용 조성물에 함유되는 무기충전제를 더 함유할 수 있다. 그러나 이 경우에도 상술한 무기충전제의 탭밀도와 겉보기 밀도 간 비율을 만족하게 하는 범위 내에서 함유되는 것이 좋다.
상술한 무기충전제는 반도체 밀봉용 조성물 중 80 중량% 이상으로 함유되며, 보다 바람직하게는 95중량% 이하로 구비될 수 있다. 만일 무기충전제가 80 중량% 미만으로 함유 시 목적하는 고방열특성을 얻을 수 없을 수 있고, 95중량%를 초과 시 기계적 강도가 약화되거나 유동성 특성이 저하될 우려가 있다.
상술한 반도체 밀봉용 조성물은 상술한 각 재료를 목적하는 양으로 블렌더나 헨셀(Henschel) 믹서 등에 의해 브랜드한 후, 가열 롤, 니더, 1축 또는 2축 압출기 등에 의해 혼련한 것 또는, 혼련한 것을 냉각 후 분쇄하여 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 반도체 밀봉용 조성물로 반도체 칩을 밀봉시킨 뒤 경화해 얻어진 밀봉재를 구비하는 반도체 부품을 포함한다. 상기 반도체 밀봉용 조성물은 반도체 칩을 밀봉시키기 위해서 사용되는 공지된 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰딩 등의 성형 수단을 이용해 구현될 수 있다. 또한, 구체적인 경화조건은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 선택된 에폭시 수지, 경화제의 구체적 종류, 몰딩성분의 함량 등을 고려해 공지된 적절한 조건을 그대로 또는 변형해 수행할 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<준비예>
산소버너를 사용하는 화염용사공정을 통해 생산된 구상의 알루미나에 대해서 사이클론으로 조립 및 미립을 분리하고, 조립에 대해서 KS-A-501에 의한 표준체로 걸러 20㎛ 이하를 수집한 뒤, 수집된 알루미나를 다시 관성 분급기가 채용된 분산분급기를 이용해 분산 및 분급하여 레이저 회절 광산란법에 의한 입도측정에 기초한 체적 기준의 입경으로서 최대 입경이 7.5㎛이고, 평균입경이 3.7㎛, 최소입경이 850㎚인 제1-1입경군의 알루미나와, 체적 기준의 입경으로서 최대 입경이 8.6㎛이고, 평균입경이 4.7㎛, 최소입경이 830㎚인 제1-2입경군의 알루미나 및 체적 기준의 입경으로서 최대 입경이 10.2㎛이고, 평균입경이 5.4㎛, 최소입경이 964㎚인 제1-3입경군의 알루미나를 각각 얻었다.
또한, 수집된 미립 알루미나를 기류식 분쇄기를 통해 분쇄 후 미분형 정전분급장치를 통해 분급시켜서 레이저 회절 광산란법에 의한 입도측정에 기초한 체적 기준의 입경으로서 최대 입경이 560㎚이고, 평균입경이 385㎚, 최소입경이 111㎚인 제2-1입경군의 알루미나와, 체적 기준의 입경으로서 최대 입경이 535㎚이고, 평균입경이 376㎚, 최소입경이 104㎚인 제2-2입경군의 알루미나 및 최대 입경이 925㎚이고, 평균입경이 840㎚, 최소입경이 436㎚인 제2-3입경군의 알루미나를 각각 얻었다.
<실시예1>
4,4'-비스(2,3-에폭시프로폭시)-3,3',5,5'-테트라메틸바이페닐(연화점 109℃, 에폭시 당량 192g/eq, 점도 0.2포이즈)인 에폭시 수지 100 중량부에 대해서 페놀 노볼락계 경화제(OH 당량 192g/eq, 연화점 66℃, 점도 0.8포이즈) 80중량부, 경화촉진제인 트리페닐포스핀 4중량부, 실란커플링제인 γ-글리시독시프로필 트리메톡시시 실란 6중량부, 카나우바 왁스 6중량부, 준비예를 통해 제조된 제1-1입경군의 알루미나와 제2-1입경군의 알루미나를 1: 0.3 중량비로 혼합해 KS L 1621:2008에 의거하여 측정된 탭밀도 및 겉보기 밀도가 각각 2.64 g/㎤, 1.96 g/㎤ 겉보기 밀도와 탭밀도 간 비율이 1:1.35인 무기충전제를 전체 조성물에 대해서 90중량%가 되도록 혼합한 뒤 헨셀 믹서에서 드라이 브렌드한 후, 동방향 맞물림 2축 압출 혼련기(스크류 지름 D=25 ㎜, 니딩(kneading) 디스크 길이 10 D㎜, 패들 회전수 150 rpm, 토출량 5 ㎏/h, 히터 온도 105～110
Figure pat00002
로 혼련한 하기 표 1과 같은 반도체 밀봉용 조성물을 제조하였다.
<실시예2>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제1-2입경군의 알루미나와 제2-2입경군의 알루미나를 1: 0.42 중량비로 혼합한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 실시하여 하기 표 1과 같은 반도체 밀봉용 조성물을 제조하였다.
<실시예3 ~ 5>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 제1-1입경군 또는 제1-2입경군의 알루미나와, 제2-1입경군 또는 제2-2입경군의 알루미나를 혼합비를 달리해 혼합한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 실시하여 하기 표 1과 같은 반도체 밀봉용 조성물을 제조하였다.
<비교예1 ~ 2>
실시예1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1과 같이 제1-3입경군의 알루미나와, 제2-2입경군 또는 제2-3입경군의 알루미나를 혼합비를 달리해 혼합한 것을 제외하고 실시예1과 동일하게 실시하여 하기 표 1과 같은 반도체 밀봉용 조성물을 제조하였다.
<실험예1>
실시예 및 비교예에 따른 반도체 밀봉용 조성물에 대해서 하기와 같은 물성을 평가해 하기 표 1에 나타내었다.
1. 스파이럴 플로우(spiral flow)
반도체 밀봉용 조성물을 스파이럴 플로우 몰드를 이용하여 가열이송성형기(압력=70kg/㎠, 온도=180℃ 경화시간=150초)에서 몰딩한 후 제조물의 흐름성을 측정하였다. 이때 측정된 결과값을 실시예1을 100을 기준으로 나머지 실시예 및 비교예이 값을 상대적인 백분율로 나타냈다.
실시예1보다 값이 큰 경우 흐름성이 실시예1보다 우수하고, 반대로 실시예1보다 값이 작을수록 흐름성이 좋지 않다고 평가할 수 있다.
2. 방열특성
반도체 밀봉용 조성물을 180℃에서 5.5시간 가열해 얻어진 경화물 시편의 열확산율, 밀도 및 비열 각각 측정해 이들 값을 모두 곱해 열전도율을 계산했다. 이때, 열확산율은 열확산율 측정 장치 LFA447를 이용해 JIS R 1611:2011에 준거한 레이저 플래시법에 의해 측정했고, 밀도는 JIS K 7112 A법으로 준거한 수중 치환법에 의해 측정, 또한 비열은 시차 주사 열량계를 이용해 JIS K 7123에 준거한 방법에 의해 측정했다.
이때 측정된 결과값을 실시예1을 100을 기준으로 나머지 실시예 및 비교예이 값을 상대적인 백분율로 나타냈다.
실시예1보다 값이 큰 경우 방열특성이 실시예1보다 우수하고, 반대로 실시예1보다 값이 작을수록 방열특성이 좋지 않다고 평가할 수 있다.
3. 충진성(미충전 여부 및 보이드 발생 여부)
범프 사이즈 100㎛, 범프수 3872개의 솔더 범프가 마련된 반도체 칩과 BT기판(비스말레이미드 트리아진 기판, 접속 패드는 금 도금 표면)을 로진계 플럭스제(타르틴케스타 사제 Kester6502)를 사용하고, 260℃에서 가열해 땜납을 용해 접합시킨 반도체 칩과 BT기판과의 간극이 80㎛인 반도체 칩-기판 결합체를 트랜스퍼 성형기를 이용해 반도체 밀봉용 조성물로 성형한 뒤 170℃에서 7시간 동안 경화시켜서 각 실시예 및 비교예 별로 반도체 패키징 시편 100개를 제조했다. 수득된 반도체 패키지를 초음파 탐상장치를 이용하여 검사해 미충전 유무를 평가해 미충진된 반도체 패키지 개수를 카운팅 후 완전 충전된 반도체 패키지에 대해서 보이드 수를 계측해 1개당 평균 보이드수를 계산했다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1 비교예2
무기충전제 제1입경군 평균입경(㎛) 3.7 4.7 4.7 4.7 3.7 5.4 5.4
최대입경(㎛) 7.5 8.6 8.6 8.6 7.5 10.2 10.2
제2입경군 평균입경(㎚) 385 376 385 376 376 376 840
탭밀도(a)(g/㎤) 2.64 2.6 1.86 2.95 2.74 2.46 2.1
겉보기밀도(b)(g/㎤) 1.96 1.75 1.5 1.88 2.2 1.69 1.42
b/a 1.35 1.49 1.24 1.57 1.25 1.46 1.48
물성 흐름성 100 96 116 85 82 73 128
방열특성 100 97 80 114 106 89 75
충진성(미충진여부) 없음 없음 없음 6 7 29 48
충진성(평균보이드수) 0 0.4 1.8 1.2 1.5 미평가 미평가
표 1을 통해 확인할 수 있듯이,
제1입경군의 평균입경이 5㎛를 초과하는 비교예 1 및 2 경우 매우 좁은 간격을 가지는 반도체 칩-기판 결합체의 패키징에 적합하지 않을 수 있음을 확인할 수 있다.
실시예의 경우 경박단소형화된 반도체 패키징에 모두 적합하나 실시예1 및 실시예2가 다른 실시예들에 대비해 더욱 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 몰딩성분; 및
    구형이고, 평균입경 1 ~ 5㎛이며, 최대입경이 10㎛ 이하인 제1입경군의 알루미나를 포함하는 무기충전제;를 포함하는 반도체 밀봉용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에폭시 수지는 바이페닐계 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 반도체 밀봉용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무기충전제는 반도체 밀봉용 조성물 전체 중량을 기준으로 80 ~ 95중량%로 구비된 반도체 밀봉용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1입경군의 알루미나는 최소입경이 800㎚ 이상이며,
    상기 무기충전제는 구형이고 평균입경이 400㎚ 이하이며, 최대입경이 600㎚ 이하인 제2입경군의 알루미나를 더 포함하는 반도체 밀봉용 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1입경군의 알루미나 및 제2입경군의 알루미나는 1: 0.2 ~ 0.5 중량비로 구비되는 반도체 밀봉용 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2입경군의 알루미나는 평균입경이 200 ~ 400 ㎚인 반도체 밀봉용 조성물.
  7. 제5항에 있어서,
    KS L 1621:2008에 의거하여 측정된 탭밀도는 1.8 ~ 3.0 g/㎤ 이며, 상기 겉보기 밀도는 1.2 ~ 2.5 g/㎤인 반도체 밀봉용 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 무기충전제는 탭밀도 및 겉보기 밀도의 비율이 1: 1.1 ~ 1.8인 반도체 밀봉용 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    겉보기 밀도 및 탭밀도의 비율이 1: 1.3 ~ 1.5인 반도체 밀봉용 조성물.
  10. 반도체 칩; 및
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 반도체 밀봉용 조성물이 상기 반도체 칩을 밀봉하여 경화된 밀봉재;를 포함하는 반도체 부품.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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