KR950011903B1 - 에폭시수지 조성물과 그 조성물로 밀봉된 수지밀봉형 반도체 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

에폭시수지 조성물과 그 조성물로 밀봉된 수지밀봉형 반도체 장치

본 발명은 에폭시수지 조성물과 그 조성물로 밀봉된 수지 밀봉형 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 실리콘 변형수지를 이용하여 탄성율을 낮추고, 다관능기의 에폭시수지를 사용하여 내열성을 향상시킴과 동시에 고충진이 가능한 실리카를 사용하여 선팽창 계수를 낮추어 반도체 팩키지 크랙을 예방하고 티타늄계 커플링제를 사용하여 성형성을 향상시키고 수지조성물과 리드프레임과의 부착성을 향상시켜 납땜시에 발생하는 수지 조성물과 금속재료와의 박리현상을 최소화하여 내습성을 향상시켜 신뢰성이 높은 에폭시수지 조성물 및 이를 이용한 수지밀봉형 반도체장치를 제공함에 있다. 에폭시 수지를 이용한 반도체장치 밀봉방식은 세라믹이나 유리, 금속등을 이용한 밀봉 방식보다 비용이 저렴하고 대량생산이 가능하다는 잇점 때문에 최근 에폭시 수지에 의한 밀봉이 보편화되고 있다. 특히 에폭시수지는 기계적인 특성이나 전기, 절연특성 내습성, 내열성등이 우수하기 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 전기절연재료로서 전기, 전자제품, 반도체장치의 밀봉등에 널리 이용되고 있다. 최근 반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 알루미늄 배선이 보다 미세화되고 반도체 칩의 크기가 커지고 있는 반면에 표면 실장형 수지 팩키지의 등장과 확산으로 인하여 수지팩키지의 크기는 점점 작아지고 또 박판화 되어 가고있다. 이런 박판화, 소형화된 수지 팩키지를 납땜시키기 위하여 땜납에 침지하게 되면 수지에 크랙이 생기거나, 금선의 단선, 또는 수지조성물과 리드프레임과의 박리로 인한 내습성의 저하등 여러가지 문제점이 발생한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 수지 조성물의 내부응력을 낮추는 기술이 진전 되어왔다. 종래에는 수지조성물의 내부응력을 낮추기 위하여 에폭시 수지에다 부타디엔계 고무를 첨가하는 기술이 고안되었으나, 이와 같은 고무변성 수지는 수지밀봉후 팩키지 외관이 불량해 질 뿐만 아니라 내습성이 저하되는 결점등이 있다. 또한 실리콘 변성수지는 내부 응력을 감소시키는 효과와 외관은 양호하나 밀봉시 점도의 상승으로 인한 성형시 불량과 내습성이 저하된다. 그리하여 이런 내습성의 저하는 반도체 칩상의 금속부식을 야기시키고 또한 땜납침지시 팩키지 크랙을 유발시킨다. 또한 내부응력을 낮추기 위해서는 선팽창계수를 낮추는 방법이 있다. 그러나 선팽창 계수를 낮추기 위하여 실리카를 고충진 시키면 성형성이 불량해지고 탄성률이 증가하는 경향이 있다. 그리고 내열 충격성을 높이기 위하여, 다관능기의 에폭시나 페놀을 사용하면 유리전이 점은 상승하나 이에 반하여 내습성이 불량해지는 결점이 있다. 본 발명의 목적은 현재 사용되고 있는 에폭시수지 조성물의 위와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 신규의 실리콘변성수지 및 티타네이트계 커플링제를 사용함으로서 내부응력이 낮으며, 내열 충격성이 높고, 수지조성물과 리드프레임과의 밀착성이 대단히 우수하며 또한 내습성이 양호한 에폭시수지 조성물과 이를 이용하여 신뢰성이 높은 수지 밀봉형 반도체 장치를 제공함에 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 (A) 에폭시 수지 100중량부, (B) 경화제 80 내지 140중량부, (C) 커플링제 1 내지 20중량부, (D) 실리콘변성수지 70 내지 150중량부, (E) 충진제 900 내지 1500중량부, (F) 이형제 5 내지 20중량부, (G) 난연제 15 내지 50중량부, (H) 착색제 1 내지 10중량부 및 (I) 경화촉진제 1 내지 10중량부로 이루어진 에폭시수지 조성물 및 이를 이용한 반도체장치이다. 본 발명에서의 에폭시수지 조성물은 상기 성분중 (A), (B), (C), (D), (E)를 필수 성분으로 함유한 것이라야 한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 사용되는 에폭시 수지로는 오토크레졸 노볼락형 에폭시수지, 브롬크레졸노볼락형 에폭시수지등의 글리시딜에테르형 에폭시수지, 글리시딜 에스테르형 에폭시수지 글리시딜아민형 에폭시수지, 할로겐화 에폭시수지 및 하기식(I)로 표기되는 비페놀에폭시 수지 및 하기식 (II), (III), (IV)으로 표기되는 에폭시 수지등을 사용 할 수 있으며, 이들 에폭시수지는 2종 이상을 혼용하여 사용하여도 좋다. 에폭시수지의 당량이 160 내지 350정도인 노볼락에폭시수지 또는 노볼락변성에폭시수지를 이용 할 경우 특히 우수한 기계적, 전기적 특성을 얻는다. 바람직 하기로는 에폭시당량이 170 내지 250인 것이 가장 우수한 특성을 나타낸다. 에폭시수지는 반도체 칩중의 알루미늄 등의 금속재료의 부식을 방지하기 위하여 가수분해성 염소이온의 함량이 0.1중량% 이하인 것을 사용함이 바람직하다.

또한 본 발명에 있어서 에폭시수지의 경화제로는 노볼락형 페놀수지, 페놀 아르알킬수지, 비스페놀 A형수지, 레졸형 페놀수지, 변성페놀수지 및 프탈릭안하이드라이드, 말레익안하이드라이드, 헥사하이드로프탈릭안하이드라이드, 프탈릭말레익디안하이드라이드, 나딕메틸안하이드라이드, 3, 3', 4, 4'-벤조페논테트라카르복실릭디안하이드라이드, 메틸테트라하이드로프탈릭안하이드라이드등의 산무수물계가 있으나, 본 발명에서는 하기식 (V), (VI), (VII), (VIII)로 표기되는 페놀수지계 경화제를 사용함이 바람직하다. 이들 페놀수지는 2가지 이상을 혼용하여 사용하여도 좋다. 경화제와의 사용량은 에폭시당량과 페놀성 수산기당량과의 당량비로 조절하는 바 이들 당량비(에폭시당량/OH당량)가 0.5 내지 1.5가 되도록 조절하는것이 좋다. 이들 당량비가 상기 범위를 벗어날 경우 성형성이 불량해지고 내습성이 저하되며, 경화된 후 강도가 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명의 특징중의 하나는 하기식 (IX), (X), (XI)로 표기되는 티타늄계 커플링제를 사용하는 것이다. 일반 실란계 커플링제가 에폭시기를 함유한 것과는 달리 티타늄계 커플링제는 유기관능기로서 카르복실기나 포스핀기, 또는 피로포스페이트기를 함유하여 에폭시수지 조성물중 유기성분과 무기물, 그리고 금속과의 부착력을 향상시켜 준다. 사용량은 전체조성물에 대해 1 내지 20중량부 사용한다. 이 티타늄계 커플링제를 상기 기술한 범위보다 적게 사용하면 원하는 부착력을 얻을수 없고 이 범위를 초과하면 성형성이 불량해진다.

본 발명의 또 다른 특징중의 하나는 저응력화제로서 하기식(XII)으로 표현되는 실리콘변성수지를 사용하는 것이며, 이것은 에폭시수지 조성물의 내부 응력을 낮추어 주는 역활을 하며, 아민기를 가진 실리콘오일을 트리멜리틱안하이드라이드(TMA)와 1차로 반응시켜 실리콘 변성이미드를 만든후 2차로 에폭시수지와 100-200℃에서 반응시켜 실리콘 변성수지를 제조한다.

R은 탄소수 1-3인 직쇄 또는 분지쇄의 알킬구룹, n은 3-5의 정수, m은 20-200의 정수

저응력화제의 사용량은 전체조성물에 대해 70 내지 150중량부가 적당하며, 70중량부 미만이면 최종제품의 내부응력 저하를 기대할수 없고, 150중량부 이상이면 내습성이 저하되고 성형성이 불량해진다. 본 발명에 있어서 충진제로 사용되는 실리카분말은 용융실리카, 결정성실리카, 합성실리카를 사용가능하여, 이들 실리카분말은 2종이상 혼합하여 사용하여도 좋다. 이들 실리카분말의 형태로는 파쇄형과 구형이 사용 가능하며, 반도체칩에 미치는 응력을 감소시키기 위하여 구형의 실리카와 파쇄형 실리카를 9:1~1:9의 비율로서 혼합하여 사용함이 효과적이다. 또한 실리카분말은 반도체 칩상의 소프트에러를 방지하기 위하여선량이 낮아야하고 토륨 및 우라늄의 함량이 1.0ppb 이하인것을 사용하였다. 본 발명에서 사용되는 실리카분말의 적절한 사용량은 전체조성물에 대해 900~1500중량부로서 이보다 적은 양을 사용 할 경우 선팽창계수의 증가로 인하여 땜납 침지시 불량이 발생할 가능성이 높아지고, 이보다 많은 양을 사용할 경우 조성물의 점도상승으로 인하여 선형성이 나빠진다. 이형체로는 천연왁스와 합성왁스, 에스테르나 금속염, 파라핀, 산 이미드등 공지의 이형제를 사용가능하여, 이들은 2종이상을 혼용하여 사용하여도 좋다. 이형제의 사용량은 전체조성물에 대해 5~20중량부 사용함이 바람직하다.

난연제로는 3산화안티몬, 브로모톨루엔, 헥사브로모벤젠등 공지의 것을 사용 할 수 있으며 사용량은 전체 조성물에 대해 15~50중량부가 적당하다. 이 범위를 벗어나게 되면 난연성이 저하되거나 성형성이 나빠지게 된다. 또한 착색제로서 카본블랙을 사용하며, 상기 에폭시조성물의 경화촉진제는 포스핀과 포스핀유도체, 아민계, 이미다졸과 그 유도체등이 사용가능하며, 신뢰성을 고려할때 포스핀계통을 사용함이 바람직하다. 이상의 조성물로 만들어진 제품을 원하는 성형품으로 만들때에는 압축 또는 사출성형, 그리고 트랜스퍼성형을 이용 할수 있다.

그러나 가장 일반적인 방법은 저압 트랜스퍼성형을 이용하여 성형시키는 방법이고 성형후에는 에폭시수지 조성물을 170℃ 이상의 온도에서 3시간 방치시켜주어야 완전히 경화된 성형품을 얻을수 있다.

이하 본 발명을 제조예 및 실시예에 의하여 설명하면 다음과 같다.

단, 하기 제조예 및 실시예가 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

[실리콘변성수지 제조]

트리멜리틱안하이드라이드를 9.0중량부, 분자량 1000~5000정도의 양말단 아민변성실리콘오일 91.0중량부를 아세톤 150중량부로 30℃ 2~4시간 반응시켜 임산의 산가 45~60으로 하고 다시 촉매로서 파라톨루엔술폰산 0.5중량부를 넣고 170℃로 1~2시간 반응시켜 이미드 산가 15~35, 분자량 1000~5000인 이미드혼합물을 얻고 이 실리콘 변성이미드 30중량부에 노볼락 에폭시(EDCN-102S, 일본화약제품)70중량부를 반응시켜 실리콘이미드 변성수지를 얻는다.

[표 1]

(주) 에폭시 수지 1) 오토크레졸 노볼락에폭시, 2) 브롬크레졸 노볼락에폭시, 3) 비페놀에폭시

실리콘변성수지:고려화학제품 제품명 BY7020

충진제 12) 파쇄형 용융실리카(CE MINERAL사 제품 제품명 74C), 13) 구형 용융실리카(MICRON사 제품명 S-10)

상기 비율로 구성된 조성물을 용융혼련시킨후 냉각시켜 170℃~180℃저압 트랜스퍼로 2분동안 성형시키고 다시 170℃ 이상의 온도에서 4시간 동안 후경화시켜서 시편을 제작한다.

상기 실시예 및 비교예의 결과를 다음표에 나타내었다.

[표 2]

[표 3]

시험 조건 및 방법

상기 표로부터 알수 있듯이 본 발명에서 기술한 에폭시수지조성물은 기존의 에폭시수지조성물과 비교하여 탄성율과 내부응력이 낮고, 수지조성물과 리드 프레임과의 부착성이 대단히 우수하기 때문에, 내습성이 뛰어나고 또한 땜납침지시 고온에서도 패키지 크랙이 줄어듬을 알 수 있다.

그리고 이 에폭시수지 조성물은 성형성이 양호하기 때문에 수지 밀봉형 반도체장치 밀봉에 사용하기 적합한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 에폭시수지 조성물은 반도체 산업이 날로 발전하고 있고 패키지의 양상도 점점 작아지고 박판화되어가고 있는 형상에 비추어 볼때 고밀도 표면실장형 패키지 밀봉형으로 적합하다 하겠다.

또한 본 발명의 에폭시수지 조성물은 수지와 프레임소재와의 밀착성이 매우 뛰어나고 고온, 고습, 열충격하에서도 높은 신뢰성을 보임이 그 특징이라 하겠다.

Claims (6)

1. (A) 에폭시수지 100중량부, (B) 경화제 100 내지 140중량부, (C) 하기식(IX), (X), (XI)로 표현되는 티타늄계 커플링제를 단독 또는 혼합한 커플링제 1 내지 20중량부, (D) 하기식 (II)로 표현되는 실리콘 변성수지 70 내지 150중량부, (E) 충진제 900 내지 1500중량부 및 기타 표준첨가제로 구성된 것을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.

   R은 탄소소 1-3인 직쇄 또는 분지쇄의 알킬구룹, n은 3-5의 정수, m은 20-200의 정수
2. 제1항에 있어서, 에폭시수지는 하기식(I), (II), (III), (IV)로 표현되는 에폭시수지를 단독 또는 혼합하여 사용함을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
3. 제1항에 있어서, 경화제가 하기식(V), (VI), (VII), (VIII)로 표현되는 노볼락형 페놀수지를 단독 또는 혼합하여 사용함을 특징으로 하는 에폭시 수지 조성물.
4. 제1항에 있어서, 충진제는 토륨과 우라늄의 함량이 전체 함량이 1.0ppm 이하인 용융실리카임을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
5. 제4항에 있어서, 용융실리카는 파쇄형 및 구형실리카의 비율이 9:1 내지 1:9임을 특징으로 하는 에폭시수지 조성물.
6. (A) 에폭시수지 100중량부, (B) 페놀경화제 100 내지 140중량부, (C) 상기식(IX), (X), (XI)로 표현되는 티타늄커플링제를 단독 또는 혼합한 커플링제 1 내지 20중량부, (D) 상기식 (XII)로 표현되는 실리콘 변성수지 70 내지 150중량부, (E) 실리카 분말900 내지 1500중량부 및 기타 표준첨가제로 구성된 에폭시수지 조성물로 밀봉된 것을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체 장치.