KR940001071B1 - 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물

본 발명은 알킬 페놀을 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지의 경화제로 사용하여 내흡수성과 내열성을 향상시켜 고신뢰성을 부여하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다.

종래에는 다이오드, 트랜지스터, IC, LSI와 같은 반도체 소자의 봉지에 유리, 금속, 세라믹등의 기밀봉지가 사용되어 왔으나 생산성이 낮고 고가이기 때문에 현재에는 군사적 목적의 용도를 제외하고는 거의 사용되지 않고 근래에는 에폭시계, 실리콘계, 페놀계, 프탈레이트계 등의 열경화성 수지가 사용되고 있다. 이중에서도 에폭시계 수지가 내열성 전기특성, 칫수안정성, 접착성 등이 다른 수지보다 뛰어나기 때문에 반도체 밀봉용 성형재료로 가장 많이 사용되고 있다. 경화제는 아민류, 산무수물, 페놀 수지계 등이 사용되는데 아민류를 경화제로 사용시 저온에서 경화가 가능하지만 저장성이 나쁘고 독성이 있으며 더구나 잔류 아민기는 수분과 수소결합을 형성하여 내습성이 저하되는 경우가 발생하며 산무수물 경화제는 경화시 높은 온도로 장시간 경화시켜야 되는 단점이 있다. 페놀 수지 경화제로는 페놀형, 크레졸형, 클로로페놀형, 비스페놀 에이형중 1종 혹은 2종 이상의 혼합물과 포름알데히드 또는 파라포름알데히드를 산촉매하에서 반응시켜 얻게되는 화합물이 사용된다.

최근 들어 반도체의 설계 기술, 미세가공 기술, 가공관리기술의 발전에 따라 LSI, VLSI의 반도체 소자의 고집적화가 진행되어 소자의 크기는 대형화가 진행되고 이에 반하여 반도체 칩위의 알루미늄 배선은 0.3μm까지 미세화가 실현되었으며 이에 따라 봉지용 펙키지도 더욱 더 소형화 및 박형화가 진행되어 가고 있다.

그러나, 반도체 소자들이 고집적화됨에 따라 미세화 표면구조를 갖는 대형의 소자를 밀봉시킬 경우 봉지용 수지와 실리콘 칩 사이에 열팽창계수의 차에 의해 내부 응력이 발생한다. 발생된 내부 응력은 균열 발생 및 봉지재와 리드프레임간의 접착력을 저하시키는 가장 중요한 요인이 되기 때문에 신뢰성의 저하를 초래한다. 때문에 밀봉시 내부응력을 낮추는 것이 가장 큰 문제이다.

열응력을 낮추기 위한 방안으로, 탄성률 저하 및 선팽창계수를 저하시키는 방법들이 있다. 선팽창계수를 낮추는 수법으로는 충전제의 증량, 저팽창계수의 충전제 이용등이 있으나 충전제의 양을 중량할 경우는 유동성의 저하로 성형성이 불량하여지며 또한 탄성률이 증가하기 때문에 선팽창계수를 감소시킨 이상으로 응력이 발생하는 문제점이 있으며 저팽창계수의 충전제를 이용한 경우 내습성이 저하되며 약간의 성형성도 나빠지기 때문에 채택하기에는 문제점이 많은 기법이다. 그러나 현재에는 유동성의 저하가 크지 않고 성형성이 불량하지 않으며 또한 탄성률도 크게 높아지지 않으면서 선팽창계수를 낮추는 방안이 마련되어 열응력을 낮추는 기법으로 사용되고 있다.

탄성률을 낮추기 위해 에폭시 모재내에 고무입자를 분산시켜 모재내에서 고무입자로 하여금 해도구조를 형성하여 분리되도록 하는 방법이 쓰이고 있다. 사용되는 고무에는 부타디엔계 고무, 실리콘 고무 또는 실리콘 오일 등이 있으나 이런 고무나 오일을 단독으로 사용하면 금형 오염이 나타나고 내습성이 저하된다. 또한 1분자내에 3개 이상의 에폭시기를 가진 다관능 에폭시 수지를 단독으로 사용하면 높은 유리전이온도를 갖지만 금형오염, 탄성률 증가, 내습성 저하가 일어난다.

본 발명은 상기에서 언급된 단점들을 극복하기 위해 흐름성이 양호하고 금형 오염없이 성형성이 우수하도록 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지를 사용하여 탄성률을 저하시키고 저응력화를 이룰때 발생되는 문제인 내습성 저하를 방지하기 위해 경화제로 알킬 페놀을 사용하여 알루미늄 부식을 방지하고, 내열성을 높혀 신뢰성을 향상시킨다.

즉, 본 발명의 목적은 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지와 알킬 페놀의 조성물에 무기충전제 및 경화촉진제 등을 첨가시켜 내습성이 우수한 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하고자 본 발명의 조성물을 (A) 하기식(I), (II) 또는 (III)으로 표시되는 1분자내 적어도 3개 이상의 에폭시기를 가진 다관능 에폭시중 하나, 페놀 노볼락 수지 또는 크레졸 노블락 수지와 하기식(IV)로 표시되는 실리콘 변성 이미드를 반응시켜 제조된 실리콘 이미드 변성 다관능 에폭시 수지, (B)하기식(V)로 표시되는 알킬 페놀 수지 단독의 또는 이것과 노볼락 페놀수지와 혼합된 경화제, (C) 무기충전제, (D) 경화촉진제 및 기타 첨가제로 구성된다.

여기에서, n은 1 내지 5의 정수이다.

상기 식(IV)에서 R은 탄소수가 1~3인 선형알킬그룹 또는 브렌치된 알킬그룹이고 R₁~R₃는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 탄소수가 1~4개의 알킬기이거나 페닐, 톨루일 또는 나프타닐기이며, n은 20~200이다.

상기식(V)에서 A₁은 수소 또는 메틸그룹이고, A₂~A₅는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 수소 또는 탄소수가 1~3인 알킬기, 페놀, 톨루일 또는 나프타닐기이며, m은 1~5의 정수로 반복 단위를 의미한다.

사용되는 상기 실리콘 이미드 변성 다관능 에폭시 수지는 상기식(IV)로 표시되는 실리콘 변성 이미드와 페놀 노볼락 에폭시 수지, 크레졸 노볼락 에폭시 수지 또는 1분자내에 3개 이상의 에폭시기를 가진 상기식(I), (II) 및 (III)중 하나의 다관능 에폭시 수지를 반응시켜 얻어진다.

상기식(IV)의 실리콘 변성 이미드는 동일자 출원되는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물(특허원)의 명세서 5 내지 7면 그리고 12면의 제조예 1에 잘 나타나 있다.

반도체 봉지 조성물에서 상기식(V)로 표시되는 알킬 페놀을 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지의 경화제로 사용하면 내습성 저하를 방지하여 알루미늄 부식을 막고 내열성을 높혀 신뢰성을 향상시킨다.

실리콘 이미드 변성 에폭시 수지와 알킬 페놀 수지를 1 : 0.5~1 : 2.0의 당량비로 사용하며, 바람직하게는 1 : 0.7~1 : 1.5의 비로 사용하는 것이 적당하다. 1 : 0.5~1 : 2.0비 이외로 알킬 페놀을 사용하면 상기 조성물을 경화시킨 후에도 실리콘 이미드 변성 에폭시의 미반응물이 남아 금형 오염이 나타나고 내습성이 저하되어 오히려 알루미늄 부식이 발생되며 내균열성이 저하된다.

또한 상기 알킬 페놀의 사용시 나타나는 Tg의 급격한 저하를 막기 위해 노볼락 페놀 수지와 혼용하여 사용할 수 있는데, 그 당량비는 1 : 0.3~1 : 0.7로 하는 것이 바람직하다. 1 : 0.3 이하로 하면 Tg의 급격한 저하를 막기 어렵고, 1 : 0.7 이상으로 하면 내흡수성 향상 효과가 적다.

상기에서 최종 조성물을 기준으로 언급된 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지 5~20중량%에 상기 경화제로 5~15중량%를 첨가시킨다. 무기충전제로서 실리카 분말은 평균 입경이 5~30μm인 합성 실리카, 용융 실리카 또는 결정성 실리카이고 최종 조성물에 대해 50~85중량%가 사용된다. 50중량% 이하 사용시는 열팽창율이 커져서 내균열성, 내습성이 저하되며 85중량% 이상 사용시는 유동성이 저하되고 심할때는 봉지가 불가능해진다.

실리콘 이미드 변성 에폭시 수지와 알킬 페놀, 실리카 분말등과의 혼합 성형시 경화 속도를 촉진하기 위한 목적으로 경화촉진제를 사용하는데 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 1-메틸이미다졸, 1,2-디메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-에틸이미다졸, 4-메틸이미다졸 등의 이미다졸계 및 트리페닐포스핀, 트리부틸포스핀, 디메틸포스핀 등의 유기포스핀계, 테트라페닐보레이트와 같은 포스핀 염계 그리고 트리에틸아민, 트리에틸렌테트라아민 등의 아민계 또는 아민염계등의 화합물을 단독 또는 혼합해서 사용할 수 있다. 경화촉진제의 배합 비율은 일반적으로 최종 조성물에 대해 0.1~3중량%까지 가능하며 0.15~1.0중량%인 경우가 가장 바람직하다.

또한, 본 발명의 조성물에는 천연 왁스와 같은 이형제, 실란계의 커플링제가 첨가되며 또 착색제가 사용되는데 이들은 최종 조성물에 대해서 각각 0.2~5중량%로 배합하여 사용함이 바람직하다.

난연제로는 브롬이 치환된 에폭시와 삼산화안티몬이 사용되는데 이들의 양은 최종 조성물에 대해서 가각 0.5~4중량%로 배합하여 사용함이 바람직하다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기 예들이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

[제조예 1]

트리멜리틱 안히드리드(TMA)를 9.0중량부, 분자량 1000~5000 정도의 양말단 아민 변성 실리콘 오일 91.0중량부를 아세톤 150중량부로 30℃에서 2~4시간 반응시켜 암산의 산가 45~60으로 하고 다시 촉매로서 파라톨루엔 술폰산 0.5중량부를 넣고 170℃로 1~2시간 반응시켜 이미드 산가 15~35, 분자량 1000~5000인 이미드 화합물을 얻고 이 실리콘 변성 이미드 30중량부에 크레졸 노볼락 에폭시 수지 EOCN 1025(일본 화약 제품) 70중량부를 반응시켜 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지를 얻었다.

[실시예 1~2]

상기 제조예에서 제조된 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지와 경화제로 하기식의 알킬 페놀 수지를 표(I)과 같이 봉지용 조성물로 배합하여 2개의 롤 사이에서 85~95℃로 가열 혼련시켜 냉각한 다음 분쇄하여 사용하기 편리하도록 타정하여 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 얻었다.

[비교예 1]

상기 제조예와 동일한 실리콘 변성 이미드와 크레졸 노볼락 에폭시가 반응하여 얻어진 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지의 경화제로 알킬 페놀 수지를 사용하는 효과를 알아보기 위해 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지의 경화제로 노볼락 페놀 수지를 사용하여 표(I)과 같이 봉지용 조성물을 배합하였다.

상기의 밀봉용 수지 조성물을 175℃에서 5시간 후 경화시킨 후 물성 비교와 신뢰성 평가 결과를 표(II)에 나타냈다.

상기에서 본 바와 같이 실리콘 이미드 변성 에폭시 수지에 알킬 페놀 수지를 경하제로 사용할 경우 내흡수성이 향상되고 내균열성도 좋아진다.

Claims (4)

1. (A) 하기식(I), (II) 또는 (III)으로 표시되는 1분자내 적어도 3개 이상의 에폭시기를 가진 다관능 에폭시중 하나, 페놀 노볼락 수지 또는 크레졸 노블락 수지와 하기식(IV)로 표시되는 실리콘 변성 이미드를 반응시켜 제조된 실리콘 이미드 변성 다관능 에폭시 수지, (B) 하기식(V)로 표시되는 알킬 페놀 수지 단독의 또는 이것과 노볼락 페놀수지와 혼합된 경화제, (C) 무기충전제, (D) 경화촉진제 및 기타 첨가제로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.

   여기에서, n은 1 내지 5의 정수이다.

   상기 식(IV)에서 R은 탄소수가 1~3인 선형알킬그룹 또는 브렌치된 알킬그룹이고 R₁~R₃는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 탄소수가 1~4개의 알킬기이거나 페닐, 톨루일 또는 나프타닐기이며, n은 20~200이다.

   상기식(V)에서 A₁은 수소 또는 메틸그룹이고, A₂~A₅는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 수소 또는 탄소수가 1~3인 알킬기, 페놀, 톨루일 또는 나프타닐기이며, m은 1~5의 정수로 반복 단위를 의미한다.
2. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 이미드 변성 다관능 에폭시 수지가 최종 조성물 기준으로 5~20중량%, 상기 알킬 페놀 단독 또는 노볼락 페놀 수지와 혼합된 경화제 5~15중량%, 무기충전제가 50~85중량%, 그리고 경화촉진제가 0.1~3중량%로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 이미드 변성 다관능 에폭시 수지 대 상기 알킬 페놀의 당량비가 1 : 0.5~1 : 2.0인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 알킬 페놀과 상기 노볼락 페놀 수지가 혼용되어 사용될 경우 그 사용 당량비가 1 : 0.3~1 : 0.7인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 봉지용 에폭시 수지 조성물.