KR20230107646A - 반도체 봉지용 수지 조성물 및 반도체 장치 - Google Patents

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KR20230107646A
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노리미츠 우노키
가즈후미 사토
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스미또모 베이크라이트 가부시키가이샤
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Abstract

에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 경화 촉진제와, 알루미나 분말을 포함하는 반도체 봉지용 수지 조성물로서, 당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의 α선량이, 0.002count/cm2·h 이하이며, 당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의 레이저 플래시법에 의하여 측정한 경우의 열전도율이, 4.0W/m·K 이상인, 반도체 봉지용 수지 조성물.

Description

반도체 봉지용 수지 조성물 및 반도체 장치
본 발명은, 반도체 봉지용 수지 조성물, 및 이것을 이용하여 제조되는 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 장치는, 반도체 소자 등의 전자 부품의 보호, 전기 절연성의 확보, 핸들링의 용이화 등의 목적으로, 봉지가 행해진다. 반도체 소자의 봉지는, 생산성, 비용, 신뢰성 등의 점에서 바람직하기 때문에, 에폭시 수지 조성물의 트랜스퍼 성형에 의한 봉지가 주류로 되어 있다. 또, 반도체 장치의 소형화, 경량화, 고성능화라는 시장의 요구에 따르기 위하여, 반도체 소자의 고집적화, 소형화, 고밀도화뿐만 아니라, 표면 실장과 같은 새로운 접합 기술이 개발, 실용화되어 왔다. 이와 같은 기술 동향은, 에폭시 수지 조성물에도 파급되고, 요구 성능은 해마다 고도화, 다양화되어 오고 있다.
α선의 영향을 받기 쉬운 메모리용 반도체 장치 등의 전자 부품 장치의 디바이스에 있어서의 오동작을 방지하기 위해서는, 봉지재의 구성 재료 중의 우라늄(U), 토륨(Th), 그 괴변 물질로부터 방출되는 α선을 저감시키는 것이 필요하고, 이에 대응한 봉지재의 개발이 행해져 왔다(예를 들면, 특허문헌 1). 특허문헌 1에서는, 무기 충전제로서 이용하는 알루미나 입자 중에 포함되는 우라늄, 토륨의 합계량을 10ppb 미만으로 함으로써, 봉지재의 α선량을 저감시키는 기술이 제안되어 있다.
또, 최근의 전자기기의 고기능화, 고속화에 따라, 그 반도체 소자 회로의 고밀도 배선화, 다층 배선화가 진행되고 있고, 반도체 소자 자신의 발열량이 증대되는 경향이 있다. 지금까지 열전도가 요구되지 않았던 메모리용 반도체 소자도 고배선화에 따라, 반도체 소자의 발열량이 증대되기 때문에, 고열 전도의 요구가 높아지고 있다.
또한, 시스템 인 패키지(SiP)는, 상이한 기능을 갖는 복수의 반도체 소자의 조합이며, 1개의 유닛으로 조립되어, 시스템이나 서브 시스템에 관련된 복수의 기능을 구비하는 전자 부품 장치이기 때문에, 상이한 동작 보증 온도를 갖는 반도체 소자를 적층한 경우, 최고 동작 보증 온도가 상이하다. 예를 들면, 마이크로 프로세서의 최고 동작 보증 온도는 일반적으로 100℃이지만, 메모리용 반도체 장치 등의 전자 부품 장치의 최고 동작 보증 온도는 일반적으로 85℃이다. SiP의 열설계를 행할 때에는, 모든 칩의 최고 동작 보증 온도를 고려해야 한다.
일본 공개특허공보 2005-248087호
본 발명은 발열량이 크고, 또한 α선의 영향을 받기 쉬운 1칩 디바이스나 발열량이 큰 로직계의 소자와 α선의 영향을 받기 쉬운 메모리가 혼재하는 시스템 인 패키지 등에도 대응할 수 있는, 고열 전도성을 가지며, 또한 저α선량의 봉지용 수지 조성물을 제공하는 것이고, 또 이것을 이용한 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면,
에폭시 수지와,
페놀 수지 경화제와,
경화 촉진제와,
알루미나 분말을 포함하는 반도체 봉지용 수지 조성물로서,
당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의 α선량이, 0.002count/cm2·h 이하이며,
당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의 레이저 플래시법에 의하여 측정한 경우의 열전도율이, 4.0W/m·K 이상인, 반도체 봉지용 수지 조성물이 제공된다.
또 본 발명에 의하면,
반도체 소자와,
상기 반도체 소자를 봉지하는 봉지재를 구비하는 반도체 장치로서,
상기 봉지재가, 상기 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물로 이루어지는, 반도체 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 고열 전도성을 갖고, 또한 저α선의 봉지용 수지 조성물, 및 이것을 이용하여 제조되는 신뢰성이 우수한 반도체 장치가 제공된다.
도 1은 본 실시형태의 수지 조성물을 이용하여 제조되는, 양면 봉지형의 반도체 장치의 일례에 대하여, 단면 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 실시형태의 수지 조성물을 이용하여 제조되는, 편면 봉지형의 반도체 장치의 일례에 대하여, 단면 구조를 나타낸 도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 모든 도면에 있어서, 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 적절히 설명을 생략한다. 또, 모든 도면은 어디까지나 설명용의 것이다. 도면 중의 각 부재의 형상이나 치수비 등은, 반드시 현실의 물품과 대응하는 것은 아니다. 본 명세서 중, 수치 범위의 설명에 있어서의 "a~b"라는 표기는, 특별히 설명하지 않는 한, "a 이상 b 이하"를 나타낸다. 예를 들면, "5~90질량%"란 "5질량% 이상 90질량% 이하"를 의미한다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.
본 실시형태의 봉지용 수지 조성물(이하, 간단히 "수지 조성물"이라고 칭하는 경우가 있다)은, 기판 상에 탑재된 반도체 소자를 봉지하기 위한 봉지재로서 이용되는 수지 재료이며, 에폭시 수지와, 페놀 수지 경화제와, 경화 촉진제와, 알루미나 분말을 포함한다. 본 실시형태의 수지 조성물의 경화물의 α선량은, 0.002count/cm2·h 이하이다. 또 본 실시형태의 수지 조성물의 경화물의 레이저 플래시법에 의하여 측정한 경우의 열전도율은, 4.0W/m·K 이상이다.
이하에, 본 실시형태의 수지 조성물에 이용되는 성분에 대하여 설명한다.
(에폭시 수지)
본 실시형태의 반도체 봉지용 수지 조성물에 이용되는 에폭시 수지로서는, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 테트라메틸비스페놀 F형 에폭시 수지 등의 비스페놀형 에폭시 수지, 바이페닐형 에폭시 수지, 스틸벤형 에폭시 수지, 하이드로퀴논형 에폭시 수지 등의 결정성 에폭시 수지; 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지; 페닐렌 골격 함유 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 바이페닐렌 골격 함유 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 페닐렌 골격 함유 나프톨아랄킬형 에폭시 수지, 알콕시나프탈렌 골격 함유 페놀아랄킬에폭시 수지 등의 페놀아랄킬형 에폭시 수지; 트라이페놀메테인형 에폭시 수지, 알킬 변성 트라이페놀메테인형 에폭시 수지 등의 3관능형 에폭시 수지; 다이사이클로펜타다이엔 변성 페놀형 에폭시 수지, 터펜 변성 페놀형 에폭시 수지 등의 변성 페놀형 에폭시 수지; 트라이아진 핵 함유 에폭시 수지 등의 복소환 함유 에폭시 수지 등을 들 수 있고, 이들은 1종류를 단독으로 이용해도 되고 2종류 이상을 조합하여 이용해도 된다. 그중에서도, 용융 점도를 최적 범위로 유지할 수 있고, 성형성이 양호하며, 저비용인 점에서, 바이페닐형 에폭시 수지가 바람직하다. 상기 에폭시 수지의 에폭시 당량으로서는, 90~300인 것이 바람직하다. 에폭시 당량이 너무 작으면, 경화제와의 반응성이 저하되는 경향이 있다. 또, 에폭시 당량이 너무 크면, 수지 조성물의 경화물의 강도가 저하되는 경향이 있다.
에폭시 수지의 함유량은, 특별히 한정되지 않지만, 수지 조성물 전체에 대하여, 2질량% 이상인 것이 바람직하고, 4질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 배합 비율의 하한값이 상기 범위 내이면, 봉지 공정에 있어서 유동성의 저하 등을 일으킬 우려가 적다. 또, 수지 조성물 전체의 배합 비율의 상한값에 대해서도, 특별히 한정되지 않지만, 수지 조성물 전량에 대하여, 22질량% 이하인 것이 바람직하고, 20질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 배합 비율의 상한값이 상기 범위 내이면, 수지 조성물의 유리 전이 온도의 저하가 적다.
(페놀 수지 경화제)
본 실시형태의 수지 조성물에 이용되는 페놀 수지 경화제로서는, 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 비스페놀 노볼락, 페놀-바이페닐 노볼락 수지 등의 노볼락형 페놀 수지; 폴리바이닐페놀; 트라이페놀메테인형 페놀 수지 등의 다관능형 페놀 수지; 터펜 변성 페놀 수지, 다이사이클로펜타다이엔 변성 페놀 수지 등의 변성 페놀 수지; 페닐렌 골격 및/또는 바이페닐렌 골격 함유 페놀아랄킬 수지, 페닐렌 및/또는 바이페닐렌 골격 함유 나프톨아랄킬 수지 등의 페놀아랄킬형 페놀 수지; 비스페놀 A, 비스페놀 F 등의 비스페놀 화합물 등을 들 수 있다. 페놀 수지계 경화제로서는, 상기 구체예 중, 1종 또는 2종 이상을 조합하여 이용할 수 있다. 페놀 수지계 경화제로서는, 상기 구체예 중, 페닐렌 골격 및/또는 바이페닐렌 골격 함유 페놀아랄킬 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 이로써 수지 조성물에 있어서, 에폭시 수지를 양호하게 경화할 수 있다.
페놀 수지 경화제의 배합 비율의 하한값에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 수지 조성물 전체에 대하여, 2질량% 이상인 것이 바람직하고, 3질량% 이상인 것이 보다 바람직하다. 배합 비율의 하한값이 상기 범위 내이면, 충분한 유동성을 얻을 수 있다. 또, 경화제의 배합 비율의 상한값에 대해서도, 특별히 한정되지 않지만, 수지 조성물 전체에 대하여, 16질량% 이하인 것이 바람직하고, 15질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 배합 비율의 상한값이 상기 범위 내이면, 수지 조성물의 유동성 및 용해성을 원하는 범위로 할 수 있다.
또, 에폭시 수지와 페놀 수지계 경화제의 배합 비율로서는, 에폭시 수지의 에폭시기수(EP)와 페놀 수지계 경화제의 페놀성 수산기수(OH)의 당량비(EP)/(OH)가 0.8 이상, 1.3 이하인 것이 바람직하다. 당량비가 이 범위 내이면, 수지 조성물의 성형 시에 충분한 경화성을 얻을 수 있다. 또, 당량비가 이 범위 내이면, 수지 조성물의 유동성 및 용해성을 원하는 범위로 할 수 있다.
(경화 촉진제)
본 실시형태의 수지 조성물에 이용되는 경화 촉진제로서는, 상술한 페놀 수지와 상술한 페놀 수지 경화제의 경화 반응을 촉진할 수 있는 것이면, 특별히 제한하지 않고 사용할 수 있고, 예를 들면, 오늄염 화합물; 트라이페닐포스핀, 트라이뷰틸포스핀, 트라이메틸포스핀 등의 유기 포스핀; 테트라 치환 포스포늄 화합물; 포스포베타인 화합물; 포스핀 화합물과 퀴논 화합물의 부가물; 포스포늄 화합물과 실레인 화합물의 부가물; 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸(EMI24), 2-페닐-4-메틸이미다졸(2P4MZ), 2-페닐이미다졸(2PZ), 2-페닐-4-메틸-5-하이드록시이미다졸(2P4MHZ), 1-벤질-2-페닐이미다졸(1B2PZ) 등의 이미다졸 화합물; 1,8-다이아자-바이사이클로(5,4,0)운데센-7(DBU), 트라이에탄올아민, 벤질다이메틸아민 등의 3급 아민 등을 들 수 있다. 이들은, 단독으로 이용해도 되고, 2종 이상을 조합하여 이용해도 된다.
경화 촉진제의 함유량은, 에폭시 수지와 페놀 수지 경화제의 합계량에 대하여, 0.1질량% 이상 2질량% 이하인 것이 바람직하다. 경화 촉진제의 함유량이 상기 하한값보다 적으면, 경화 촉진 효과를 높일 수 없는 경우가 있다. 또, 상기 상한값보다 많으면, 유동성이나 성형성에 트러블을 발생시키는 경향이 있고, 또, 제조 비용의 증가로 연결되는 경우가 있다.
(알루미나 분말)
본 실시형태의 수지 조성물에 이용되는 알루미나 분말은, 수지 조성물에 열전도성을 부여하는 작용을 갖는다. 알루미나 분말은, 예를 들면, 실리카 분말과 같은 다른 무기 필러에 비하여, 열전도성이 높고, 봉지재로서 이용할 때에 열설계가 용이하다. 또, 알루미나 분말은, 실리카 분말보다 열전도율이 높은 다른 무기 필러(예를 들면, 산화 마그네슘, 질화 붕소, 질화 알루미늄, 다이아몬드 등)에 비하여 저비용이며, 또 진구도(眞球度)를 높게 하기 쉽고, 내열성이 우수하다.
또, 알루미나 분말은, α선의 영향을 받기 쉬운 디바이스에 있어서의 오동작을 방지하기 위하여, 본 실시형태의 수지 조성물에 배합되는 무기 필러 중의 우라늄, 토륨, 그 괴변 물질로부터 방출되는 α선을 저감시킬 필요가 있다. 본 실시형태에서 이용되는 알루미나 분말은, 바람직하게는, 우라늄 함유량이 0.1~9.0ppb이다. 바람직한 실시형태에 있어서, 알루미나 분말에 포함되는 우라늄과 토륨의 합계 함유량은, 10.0ppb 이하이다. 이와 같은 알루미나 분말을 이용함으로써, 얻어지는 수지 조성물의 경화물의 α선량을, 저감시킬 수 있다.
알루미나 분말은, 평균 입경이, 예를 들면, 0.5~40.0μm이며, 바람직하게는, 1.0~30.0μm이다. 알루미나 분말의 평균 입경이 0.5μm 미만인 경우, 수지 조성물의 점도가 매우 높아지기 때문에, 충전성, 봉지 공정에 있어서의 작업성이 악화된다. 또, 알루미나 분말의 평균 입경이 0.5μm 미만인 경우, 수지 조성물의 경화물의 탄성률이 저하되어, 결과적으로 얻어지는 패키지의 휨이 발생한다. 한편, 알루미나 분말의 평균 입경이 40.0μm를 초과하는 경우, 충전 불량이 발생할 우려가 있다. 또 충전할 수 있었다고 해도 충전 시에 보이드를 유입시키기 때문에, 부적절하다.
바람직하게는, 본 실시형태에서 이용되는 알루미나 분말에 있어서,
106μm 이상 250μm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 5질량% 이상 15질량% 이하의 양이며,
250μm 이상 500μm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 25질량% 이상 35질량% 이하의 양이고,
500μm 이상 710μm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 20질량% 이상 25질량% 이하의 양이며,
710μm 이상 1mm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 20질량% 이상 25질량% 이하의 양이다.
상기의 입경 분포를 갖는 알루미나 분말을 이용함으로써, 유동성이 개선되고, 따라서 봉지 공정에 있어서의 작업성이 양호함과 함께, 충전 불량이 저감된, 봉지재로서 적합한 수지 조성물을 얻을 수 있다.
알루미나 분말의 형상은 특별히 한정되지 않고, 구상, 인편상(鱗片狀), 입상, 분말상 중 어느 것이어도 된다. 또한, 알루미나 분말의 입경은, 알루미나 필러의 평균 최대경을 의미한다.
바람직한 실시형태에 있어서, 알루미나 분말은, 진구도가 0.8 이상, 바람직하게는 0.9 이상의 구상 알루미나 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구상 알루미나 분말은, 봉지재 중에서 최밀 충전 상태에 가까운 상태로 존재하고, 따라서 얻어지는 봉지재의 열전도성이 개선된다. 또, 이와 같은 구상 알루미나를 포함하는 수지 조성물은, 유동성이 개선되어, 봉지 공정에 있어서의 취급성이 양호하다.
여기에서, 본 명세서 중에 있어서, "진구도"는, 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 2차원상에 있어서의 "입자의 최대경에 대한 최소경의 비"라고 정의한다. 즉, 본 실시형태에 있어서, 알루미나 입자의 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 2차원상에 있어서의 최대경에 대한 최소경의 비가, 0.8 이상인 것을 가리킨다.
본 실시형태에서 이용되는 구상 알루미나를 포함하는 알루미나 분말은, 우라늄 함유량이 적은 수산화 알루미늄 분말을 원료로서, 바이어법을 이용하여 제조된다. 보다 구체적으로는, 보크사이트를 수산화 나트륨의 220℃~260℃의 열용액으로 세정하고, 보크사이트가 포함되는 알루미늄 성분을, 염기에 의하여 용해하여, 알루민산 나트륨으로 변환한다. 다음으로, 알루민산 나트륨 이외의 성분을 고형의 불순물로서 제거하고, 용액을 냉각함으로써 수산화 알루미늄으로서 석출시킨다. 그 후, 볼 밀을 사용한 분쇄기로 처리함으로써 수산화 알루미늄 분말을 얻는다. 이때, 우라늄 및 토륨이 염기에 불용인 특징을 고려하여, 수산화 나트륨에서의 세정 횟수를 2~4회 반복하고, 우라늄 및 토륨을 포함하는 불순물을 반복 제거함으로써, 수산화 알루미늄에 함유되는 우라늄량 및 토륨량을 원하는 정도까지 저감시킬 수 있다. 또, 냉각 시의 온도를 60~80℃에서 5~10시간에 걸쳐 석출함으로써, 얻어지는 수산화 알루미늄의 나트륨(Na) 함유량을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 구상 알루미나를 포함하는 알루미나 분말의 제조는, 상기의 방법으로 얻어지는 수산화 알루미늄 분말을 사용하는 것이 특징이다. 용융 구상화의 방법으로서, 분체 공급 장치, 화염 버너, 용융대, 냉각대, 분말 회수 장치 및 흡인 팬으로 구성되는 설비를 이용하여 처리한다. 구상화의 개요로서, 공급 장치로부터 원료를 공급하고, 캐리어 가스로 버너를 통하여 화염 중으로 분사한다. 화염 중에서 용융된 원료는 용융대와 냉각대를 통과하여, 구상화된다. 얻어진 구상화물을 배기 가스와 함께 분체 회수 장치로 반송하여 포집한다. 화염의 형성은, 수소, 천연 가스, 아세틸렌 가스, 프로페인 가스, 뷰테인 등의 가연성 가스와, 공기, 산소 등의 조연 가스를, 노체(爐體)에 설정된 화염 버너로부터 분사하여 행한다. 화염 온도는 1800℃ 이상 2300℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 화염 온도가 1800℃ 보다 낮으면, 생성되는 구상 알루미나 입자의 구형도가 나빠진다. 화염 온도가 2300℃ 보다 커지면, 생성하는 구상 알루미나 입자끼리가 흡착하기 쉽고, 수지 조성물을 형성했을 때에 유동성이 떨어진다. 원료 분말 공급용의 캐리어 가스로서는, 공기, 질소, 산소, 이산화 탄소 등을 사용할 수 있다.
본 실시형태의 수지 조성물 중에 있어서의 알루미나 분말의 함유량은, 수지 조성물 전체의 질량에 대하여, 80질량% 이상 97질량% 이하이다. 알루미나 분말의 함유량의 하한값은, 바람직하게는, 82질량% 이상이며, 보다 바람직하게는, 85질량% 이상이고, 보다 더 바람직하게는, 87질량% 이상이다. 알루미나 분말의 함유량의 상한값은, 바람직하게는, 95질량% 이하이며, 보다 바람직하게는, 92질량% 이하이다. 상기 범위에서 알루미나 분말을 이용함으로써, 얻어지는 수지 조성물의 유동성을 양호하게 할 수 있음과 함께, 얻어지는 수지 조성물의 경화물의 열전도성을 향상시킬 수 있다.
(그 외의 성분)
본 실시형태의 수지 조성물은, 필요에 따라, 알루미나 분말 이외의 무기 필러, 커플링제, 유동성 부여제, 이형제, 이온 포착제, 저응력제, 착색제, 난연제 등의 첨가제를 포함해도 된다. 이하, 대표 성분에 대하여 설명한다.
(무기 필러)
본 실시형태의 수지 조성물은, 상술한 알루미나 분말에 더하여, 다른 무기 필러를 포함해도 된다. 무기 필러로서는, 용융 파쇄 실리카, 용융 구상 실리카, 결정성 실리카, 2차 응집 실리카 등의 실리카; 질화 규소, 질화 알루미늄, 질화 붕소, 산화 타이타늄, 탄화 규소, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 타이타늄 화이트, 탤크, 클레이, 마이카, 유리 섬유 등을 들 수 있다. 입자 형상은 실질적으로 진구상인 것이 바람직하고, 또, 입자의 크기가 상이한 것을 혼합함으로써 충전량을 많게 할 수 있다.
(커플링제)
커플링제로서는, 구체적으로는, 바이닐트라이메톡시실레인, 바이닐트라이에톡시실레인 등의 바이닐실레인; 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸트라이메톡시실레인, 3-글리시독시프로필메틸다이메톡시실레인, 3-글리시독시프로필트라이메톡시실레인, 3-글리시독시프로필메틸다이에톡시실레인, 3-글리시독시프로필트라이에톡시실레인 등의 에폭시실레인; p-스타이릴트라이메톡시실레인 등의 스타이릴실레인; 3-메타크릴옥시프로필메틸다이메톡시실레인, 3-메타크릴옥시프로필트라이메톡시실레인, 3-메타크릴옥시프로필메틸다이에톡시실레인, 3-메타크릴옥시프로필트라이에톡시실레인 등의 메타크릴실레인; 3-아크릴옥시프로필트라이메톡시실레인 등의 아크릴실레인; N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필메틸다이메톡시실레인, N-2-(아미노에틸)-3-아미노프로필트라이메톡시실레인, 3-아미노프로필트라이메톡시실레인, 3-아미노프로필트라이에톡시실레인, 3-트라이에톡시실릴-N-(1,3-다이메틸-뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트라이메톡시실레인, 페닐아미노프로필트라이메톡시실레인 등의 아미노실레인; 아이소사이아누레이트실레인; 알킬실레인; 3-유레이도프로필트라이알콕시실레인 등의 유레이도실레인; 3-머캅토프로필메틸다이메톡시실레인, 3-머캅토프로필트라이메톡시실레인 등의 머캅토실레인; 3-아이소사이아네이트프로필트라이에톡시실레인 등의 아이소사이아네이트실레인; 타이타늄계 화합물; 알루미늄 킬레이트류; 알루미늄/지르코늄계 화합물 등을 들 수 있다. 커플링제로서는, 상기 구체예 중 1종 또는 2종 이상을 배합할 수 있다.
(유동성 부여제)
유동성 부여제는, 인 원자 함유 경화 촉진제 등의 잠복성을 갖지 않는 경화 촉진제가 수지 조성물의 용융 혼련 시에 반응하는 것을 억제하도록 작용한다. 이로써, 수지 조성물의 생산성을 향상시킬 수 있다. 유동성 부여제로서는, 구체적으로는, 카테콜, 파이로갈롤, 갈산, 갈산 에스터, 1,2-다이하이드록시나프탈렌, 2,3-다이하이드록시나프탈렌 및 이들 유도체 등의 방향환을 구성하는 2개 이상의 인접하는 탄소 원자에 각각 수산기가 결합된 화합물 등을 들 수 있다.
(이형제)
이형제로서는, 구체적으로는, 카나우바 왁스 등의 천연 왁스; 몬탄산 에스터 왁스, 산화 폴리에틸렌 왁스 등의 합성 왁스; 스테아르산 아연 등의 고급 지방산 및 그 금속염; 파라핀; 에루크산 아마이드 등의 카복실산 아마이드 등을 들 수 있다. 이형제로서는, 상기 구체예 중 1종 또는 2종 이상을 배합할 수 있다.
(이온 포착제)
상기 이온 포착제는, 구체적으로는, 하이드로탈사이트, 하이드로탈사이트상 물질 등의 하이드로탈사이트류; 마그네슘, 알루미늄, 비스무트, 타이타늄, 지르코늄으로부터 선택되는 원소의 함수 산화물 등을 들 수 있다. 이온 포착제로서는, 상기 구체예 중 1종 또는 2종 이상을 배합할 수 있다.
(저응력제)
저응력제로서는, 구체적으로는, 실리콘 오일, 실리콘 고무 등의 실리콘 화합물; 폴리뷰타다이엔 화합물; 아크릴로나이트릴-카복실기 말단 뷰타다이엔 공중합 화합물 등의 아크릴로나이트릴-뷰타다이엔 공중합 화합물 등을 들 수 있다. 저응력제로서는, 상기 구체예 중 1종 또는 2종 이상을 배합할 수 있다.
(착색제)
착색제로서는, 구체적으로는, 카본 블랙, 벵갈라, 산화 타이타늄 등을 들 수 있다. 착색제로서는, 상기 구체예 중 1종 또는 2종 이상을 배합할 수 있다.
(난연제)
난연제로서는, 구체적으로는, 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 붕산 아연, 몰리브데넘산 아연, 포스파겐, 카본 블랙 등을 들 수 있다. 난연제로서는, 상기 구체예 중 1종 또는 2종 이상을 배합할 수 있다.
(봉지용 수지 조성물의 제조)
본 실시형태의 수지 조성물은, 상기 성분 및 필요에 따라 이용되는 첨가제를 소정의 함유량이 되도록, 텀블러 믹서나 헨셸 믹서 등의 믹서나 블렌더 등으로 균일하게 혼합한 후, 니더, 롤, 디스퍼져, 아지 호모 믹서, 및 플래니터리 믹서 등으로 가열하면서 혼련함으로써 제조할 수 있다. 또한, 혼련 시의 온도로서는, 경화 반응이 발생하지 않는 온도 범위일 필요가 있고, 에폭시 수지 및 페놀 수지 경화제의 조성에 따라서도 다르지만, 70~150℃ 정도에서 용융 혼련하는 것이 바람직하다. 혼련 후에 냉각 고화하여, 혼련물을, 분립상, 과립상, 태블릿상, 또는 시트상으로 가공해도 된다.
분립상의 수지 조성물을 얻는 방법으로서는, 예를 들면, 분쇄 장치에 의하여, 혼련물을 분쇄하는 방법을 들 수 있다. 혼련물을 시트로 성형한 것을 분쇄해도 된다. 분쇄 장치로서는, 예를 들면, 해머 밀, 맷돌식 마쇄기, 롤 크러셔를 이용할 수 있다.
과립상 또는 분말상의 수지 조성물을 얻는 방법으로서는, 예를 들면, 혼련 장치의 출구에 소경을 갖는 다이스를 설치하고, 다이스로부터 토출되는 용융 상태의 혼련물을, 커터 등으로 소정의 길이로 절단한다는 핫컷법으로 대표되는 조립(造粒)법을 이용할 수도 있다. 이 경우, 핫컷법 등의 조립법에 의하여 과립상 또는 분말상의 수지 조성물을 얻은 후, 수지 조성물의 온도가 그다지 내려가지 않는 동안에 탈기를 행하는 것이 바람직하다.
상술한 성분을 소정의 배합량으로 이용하고, 상술한 방법으로 제조된 본 실시형태의 수지 조성물은, 그 경화물의 α선량이, 0.002count/cm2·h 이하이며, 바람직하게는, 0.001count/cm2·h 이하이다. 이로써, 본 실시형태의 수지 조성물을 봉지재로서 이용한 경우, α선의 영향을 받기 쉬운 디바이스에 있어서의 오동작을 방지할 수 있다. 또, 본 실시형태의 수지 조성물은, 경화물에 있어서의 α선량이, 0.0015count/cm2·h 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.0010count/cm2·h 이하인 것이 더 바람직하다.
상술한 성분을 소정의 배합량으로 이용하고, 상술한 방법으로 제조된 본 실시형태의 수지 조성물은, 그 경화물의 레이저 플래시법에 의하여 측정한 경우의 열전도율이, 4.0W/m·K 이상이며, 바람직하게는, 4.2W/m·K 이상이고, 보다 바람직하게는, 4.4W/m·K 이상이며, 보다 더 바람직하게는, 4.6W/m·K 이상이다. 이로써, 본 실시형태의 수지 조성물을 봉지재로서 이용한 경우의 열설계가 용이함과 함께, 반도체 소자를 봉지하여 얻어지는 반도체 장치의 고온 환경하에 있어서의 신뢰성을 개선할 수 있다.
본 실시형태의 수지 조성물의 최저 용융 점도는, 예를 들면, 30kPa·s 이하이며, 바람직하게는, 20kPa·s 이하이고, 보다 바람직하게는, 15kPa·s 이하이다. 상기 값을 초과하면, 충전성이 저하되어, 보이드나 미충전 부분이 발생할 우려가 있다. 상기 범위의 최저 용융 점도를 갖는 본 실시형태의 수지 조성물은, 봉지 공정에 있어서 카필러리(capillary) 플로에 의한 주입성이 양호하고, 취급성이 우수하다.
상술한 성분을 소정의 배합량으로 이용하고, 상술한 방법으로 제조된 본 실시형태의 수지 조성물은, 그 경화물의 25℃에 있어서의 탄성률이, 15,000MPa 이상 40,000MPa 이하의 범위 내이다. 이로써, 얻어지는 패키지에 있어서 휨이 발생하지 않고, 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 얻을 수 있다.
상술한 성분을 소정의 배합량으로 이용하고, 상술한 방법으로 제조된 본 실시형태의 수지 조성물은, 큐어래스토 미터를 이용하여, 측정 온도 175℃에서 당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화 토크값을 경시적으로 측정했을 때, 경화 토크값의 상승이, 측정 개시 후 50초~100초의 사이에 관찰된다. 이와 같은 토크 변화의 거동을 갖는 수지 조성물은, 효율적으로 봉지 공정을 실시할 수 있다.
(반도체 장치)
본 실시형태에 관한 봉지용 수지 조성물을 봉지제로서 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례에 대하여 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 양면 봉지형 반도체 장치(100)를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 반도체 장치(100)는, 전자 소자(20)와, 전자 소자(20)에 접속되는 본딩 와이어(40)와, 봉지재(50)를 구비하는 것이며, 당해 봉지재(50)는, 상술한 수지 조성물의 경화물에 의하여 구성된다.
보다 구체적으로는, 전자 소자(20)는, 기재(30) 상에 다이 어태치재(10)를 개재하여 고정되어 있으며, 반도체 장치(100)는, 전자 소자(20) 상에 마련된 도시하지 않은 전극 패드로부터 본딩 와이어(40)를 개재하여 접속되는 아우터 리드(34)를 갖는다. 본딩 와이어(40)는 이용되는 전자 소자(20) 등을 감안하면서 설정할 수 있지만, 예를 들면 Cu 와이어를 이용할 수 있다.
도 2는, 본 실시형태의 수지 조성물을 이용하고, 회로 기판에 탑재한 전자 소자를 봉지하여 얻어지는 편면 봉지형의 반도체 장치의 일례에 대하여, 단면 구조를 나타낸 도이다. 회로 기판(408) 상에 다이 어태치재(402)를 개재하여 전자 소자(401)가 고정되어 있다. 전자 소자(401)의 전극 패드(407)와 회로 기판(408) 상의 전극 패드(407)의 사이는 본딩 와이어(404)에 의하여 접속되어 있다. 본 실시형태의 수지 조성물의 경화체로 구성되는 봉지재(406)에 의하여, 회로 기판(408)의 전자 소자(401)가 탑재된 면이 봉지되어 있다. 회로 기판(408) 상의 전극 패드(407)는 회로 기판(408) 상의 비봉지면 측인 땜납 볼(409)과 내부에서 접합되어 있다.
이하에, 본 실시형태에 관한 봉지용 수지 조성물을 이용한 반도체 장치의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 관한 반도체 장치는, 예를 들면, 상술한 봉지용 수지 조성물의 제조 방법에 의하여, 봉지용 수지 조성물을 얻는 공정과, 기판 상에 전자 소자를 탑재하는 공정과, 상기 봉지용 수지 조성물을 이용하여, 상기 전자 소자를 봉지하는 공정에 의하여 제조된다. 봉지제를 형성하기 위하여 이용되는 수법으로서, 예를 들면, 트랜스퍼 성형법, 압축 성형법, 인젝션 성형법 등을 이용할 수 있다. 봉지하는 공정은, 수지 조성물을, 80℃에서 200℃ 정도의 온도에서 10분에서 10시간 정도의 시간에 걸쳐 경화시킴으로써 실시된다.
봉지되는 전자 소자의 종류로서는, 예를 들면, 집적 회로, 대규모 집적 회로, 트랜지스터, 사이리스터, 다이오드, 고체 촬상 소자 등의 반도체 소자를 들 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 얻어지는 반도체 장치의 형태로서는, 예를 들면, 듀얼·인라인·패키지(DIP), 플라스틱·리드 부착 칩·캐리어(PLCC), 쿼드·플랫·패키지(QFP), 로우·프로파일·쿼드·플랫·패키지(LQFP), 스몰·아웃라인·패키지(SOP), 스몰·아웃라인·J리드·패키지(SOJ), 박형 스몰·아웃라인·패키지(TSOP), 박형 쿼드·플랫·패키지(TQFP), 테이프·캐리어·패키지(TCP), 볼·그리드·어레이(BGA), 칩 사이즈·패키지(CSP) 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 이들은 본 발명의 예시이며, 상기 이외의 다양한 구성을 채용할 수도 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의하여 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예, 비교예에서 이용한 성분을 이하에 나타낸다.
(에폭시 수지)
·에폭시 수지 1: 바이페닐형 에폭시 수지(3,3',5,5'-테트라메틸바이페닐글리시딜에터)(미쓰비시 케미컬사제, YX4000HK)
·에폭시 수지 2: 바이페닐렌 골격 함유 페놀아랄킬형 에폭시 수지(닛폰 가야쿠사제, NC3000)
(경화제)
·경화제 1: 페놀·하이드록시벤즈알데하이드 수지(메이와 가세이 주식회사제, MEH-7500)
·경화제 2: 트라이페놀메테인형 수지와 페놀 노볼락 수지의 공중합체형 페놀 수지(에어·워터 주식회사제, HE910-20)
·경화제 3: p-바이페닐렌 변성 페놀 수지(메이와 가세이사제, MEH-7851SS)
(경화 촉진제)
·경화 촉진제 1: 하기의 화학식으로 나타나는 테트라페닐포스포늄·4,4'-설포닐다이페놀레이트
Figure pct00001
·경화 촉진제 2: 하기 식으로 나타나는 경화 촉진제(테트라페닐포스포늄비스(나프탈렌-2,3-다이옥시)페닐실리케이트)
Figure pct00002
(알루미나 분말)
·알루미나 분말 1: 알루미나 필러(덴카사제, DAB-30FC, 우라늄 함유량: 7ppb 이상, 토륨 함유량: 1ppb 미만, 평균 입자경(D50): 13μm)
·알루미나 분말 2: 알루미나 필러(닛테츠 케미컬&머터리얼사제, 저α선 알루미나, 우라늄 함유량: 7ppb, 토륨 함유량: 1ppb 미만, 평균 입자경(D50): 15μm)
·알루미나 분말 3: 알루미나 필러(아드마텍스사제, 저α선 알루미나, 우라늄 함유량: 1ppb 미만, 토륨 함유량: 1ppb 미만, 평균 입자경(D50): 0.2μm)
(무기 충전재)
·무기 충전재 1: 실리카 필러(아드마텍스사제, SD5500-SQ)
·무기 충전재 2: 실리카 필러(토쿠야마사제, 레오로실 CP-102)
(착색제)
·착색제 1: 카본 블랙(미쓰비시 케미컬사제, MA-600)
(커플링제)
·커플링제 1: N-페닐-3-아미노프로필트라이메톡시실레인(도레이·다우코닝 주식회사제, CF-4083)
(이형제)
·이형제 1: 카나우바 왁스(도아 가세이 주식회사제, TOWAX-132)
(이온 포착제)
·이온 포착제 1: 마그네슘·알루미늄·하이드로옥사이드·카보네이트·하이드레이트(교와 가가쿠 고교사제, DHT-4H)
(저응력제)
·저응력제 1: 다이메틸실록산-알킬카복실산-4,4'-(1-메틸에틸리덴)비스페놀 글리시딜에터 공중합체(스미토모 베이크라이트 주식회사제, M69B)
·저응력제 2: 실리콘 레진(신에쓰 케미컬사제, KR-480)
(실시예 1~4, 비교예 1~2)
표 1에 나타내는 배합의 원료를 슈퍼 믹서에 의하여 5분간 분쇄 혼합한 후, 이 혼합 원료를 직경 65mm의 실린더 내경을 갖는 동일 방향 회전 2축 압출기로 스크루 회전수 200rpm, 100℃의 수지 온도에서 용융 혼련했다. 다음으로, 직경 20cm의 회전자의 상방으로부터 용융 혼련된 수지 조성물을 2kg/hr의 비율로 공급하고, 회전자를 3000rpm으로 회전시켜 얻어지는 원심력에 의하여, 115℃로 가열된 원통형 외주부의 복수의 소형 구멍(구멍 직경 1.2mm)을 통과시켰다. 그 후, 냉각함으로써 과립상의 봉지용 수지 조성물을 얻었다. 얻어진 과립상의 봉지용 수지 조성물은, 15℃에서 상대 습도를 55%RH로 조정한 공기 기류하 3시간 교반했다. 얻어진 봉지용 수지 조성물을, 이하의 항목에 대하여, 이하에 나타내는 방법에 의하여 평가했다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
(유동성(스파이럴 플로))
저압 트랜스퍼 성형기(코타키 세이키 주식회사제, KTS-15)를 이용하고, EMMI-1-66에 준한 스파이럴 플로 측정용 금형에, 금형 온도 175℃, 주입 압력 6.9MPa, 보압 시간 120초의 조건에서, 수지 조성물을 주입하여, 유동 길이를 측정했다. 스파이럴 플로는, 유동성의 지표이며, 수치가 큰 쪽이, 유동성이 양호하다. 단위는 cm.
(경화 특성(젤 타임))
각 예에서 얻어진 수지 조성물의 젤 타임을 측정했다. 젤 타임의 측정은, 120℃로 가열한 열판 상에서 수지 조성물을 용융한 후, 주걱으로 반죽하면서 경화될 때까지의 시간(젤 타임: 초)을 측정함으로써 행했다.
(굽힘 강도)
길이 80mm 이상, 높이 4mm, 폭 10mm의 시험편을 제작하고, 포스트큐어 후에 크로스 헤드 속도 2mm/min, 지점간 거리 64mm의 조건에서 굽힘 응력을 서서히 가하여, 파단시켜 하중-왜곡 곡선을 구하여, 최대점 응력으로부터 시험편의 굽힘 강도를 계산했다. N=2로 측정을 행하며, 그 평균값을 대표값으로 했다.
(실온(25℃)에 있어서의 탄성률)
길이 80mm 이상, 높이 4mm, 폭 10mm의 시험편을 제작하고, 포스트큐어 후에 크로스 헤드 속도 2mm/min, 지점간 거리 64mm의 조건에서 굽힘 응력을 서서히 가하여, 하중-왜곡 곡선을 구하여, 시험편의 굽힘 탄성률을 계산했다. N=2로 측정을 행하며, 그 평균값을 대표값으로 했다.
(열전도성(열전도율))
길이 1cm, 폭 1cm, 두께 1mm의 시험편을 작성하고, 열확산율의 측정을 행했다. 파우더를 사용하여 비열 측정을 행했다. 얻어진 열확산율, 비열, 비중으로부터 열전도율을 구했다.
(5μm 슬릿 버)
트랜스퍼 성형으로 높이 5μm, 폭 4mm, 길이 72mm의 캐비티를 갖는 금형에 주입 압력 10MPa, 금형 온도 175℃, 경화 시간 120초로 수지 조성물을 성형하고, 수지 조성물이 캐비티에 침입한 길이를 버니어 캘리퍼스로 측정하여, 5μm 슬릿 버의 수치로 했다.
(α선량)
수지 조성물로부터, 콤프레션 성형으로 금형 온도 175℃, 경화 시간 2분에서 시험편(140mm×120mm, 두께 2mm)을 성형했다. 얻어진 시험편 6매(합계 1008cm2)를 이용하여 저레벨 α선 측정 장치 LACS-4000M(인가 전압 1.9KV, PR-10 가스(아르곤:메테인=9:1) 100m/분, 유효 계수 시간 40h)으로 α선량을 측정했다.
[표 1]
Figure pct00003
실시예의 수지 조성물은 모두, 저α선량임과 함께, 열전도성에 있어서 우수하고, 또 경화 특성 및 기계적 특성에 있어서도 반도체 봉지재로서 적절한 것이었다.
이 출원은, 2020년 11월 16일에 출원된 일본 특허출원 2020-190154호를 기초로 하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 모두를 여기에 원용한다.
10 다이 어태치재
20 전자 소자
30 기재
32 다이 패드
34 아우터 리드
40 본딩 와이어
50 봉지재
100 반도체 장치
401 전자 소자
402 다이 어태치재
404 본딩 와이어
406 봉지재
407 전극 패드
408 회로 기판
409 땜납 볼

Claims (7)

  1. 에폭시 수지와,
    페놀 수지 경화제와,
    경화 촉진제와,
    알루미나 분말을 포함하는 반도체 봉지용 수지 조성물로서,
    당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의 α선량이, 0.002count/cm2·h 이하이며,
    당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의 레이저 플래시법에 의하여 측정한 경우의 열전도율이, 4.0W/m·K 이상인, 반도체 봉지용 수지 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미나 분말이, 당해 반도체 봉지용 수지 조성물 전체에 대하여, 80질량% 이상 97질량% 이하의 양인, 반도체 봉지용 수지 조성물.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 알루미나 분말이, 진구도가 0.8 이상인 구상 알루미나를 포함하는, 반도체 봉지용 수지 조성물.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    당해 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물의, 25℃에 있어서의 탄성률이, 15,000MPa 이상 40,000MPa 이하인, 반도체 봉지용 수지 조성물.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미나 분말에 있어서,
    106μm 이상 250μm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 5질량% 이상 15질량% 이하의 양이며,
    250μm 이상 500μm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 25질량% 이상 35질량% 이하의 양이고,
    500μm 이상 710μm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 20질량% 이상 25질량% 이하의 양이며,
    710μm 이상 1mm 미만의 입경의 알루미나 분말이, 상기 알루미나 분말 전체에 대하여, 20질량% 이상 25질량% 이하의 양인, 반도체 봉지용 수지 조성물.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    이형제를 더 포함하는, 반도체 봉지용 수지 조성물.
  7. 반도체 소자와,
    상기 반도체 소자를 봉지하는 봉지재를 구비하는 반도체 장치로서,
    상기 봉지재가, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 반도체 봉지용 수지 조성물의 경화물로 이루어지는, 반도체 장치.
KR1020237019844A 2020-11-16 2021-11-11 반도체 봉지용 수지 조성물 및 반도체 장치 KR20230107646A (ko)

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