KR970000093B1 - 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물 및 이로 밀봉된 반도체 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

반도체 봉지용 에폭시수지 조성물 및 이로 밀봉된 반도체 장치

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 반도체 장치의 신뢰성을 높이기 위하여 에폭시수지 조성물의 저탄성화, 저흡습화, 고부착력 및 고내열성을 갖는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물 및 이로 밀봉된 반도체 장치에 관한 것이다.

에폭시수지를 이용한 반도체 장치 밀봉방식은 세라믹이나 유리, 금속 등을 이용한 밀봉방식보다 비용이 저대량 생산이 가능하다는 장점 때문에 최근 에폭시수지에 의한 밀봉이 보편화되고 있다. 특히 에폭시수지는 기계적인 특성이나 전기절연특성, 내습성, 내열성 등이 우수하기 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 전기절연 재료로서 전기, 전자제품, 반도체 장치의 밀봉 등에 널리 이용되고 있다. 최근 반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 알루미늄 배선이 보다 미세화되고, 반도체칩의 크기가 커지고 있는 반면에, 표면 실장형수지 패키지의 등장과 확산으로 인하여 수지 패키지의 크기는 점점 작아지고 또 박판화 되어가고 있다. 이런 박판화, 소형화된 수지 패키지를 납땜시키기 위하여 땜납에 침지하게 되면 패키지에 크랙이 생기거나 금선의 단선, 또는 수지 조성물과 리이드프레임과의 박리로 인한 내습성의 저하등 여러 가지 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 수지 조성물의 내부응력을 낮추는 기술이 진전되어 왔다. 즉, 수지 조성물의 내부응력을 낮추기 위하여 에폭시수지에 부타디엔계 고무를 첨가하는 기술이 고안되었으나 이같은 고무변성 수지는 수지밀봉후 패키지 외관이 불량해질 뿐만 아니라 내습성이 저하되는 결점등이 있다. 또한, 실리콘변성 수지는 내부응력을 감소시키는 효과와 외관은 양호하나 밀봉시 점도의 상승으로 인한 성형성 불량과 내습성이 저하된다. 그리하여 이런 내습성의 저하는 반도체칩상의 금속부식을 야기시키고 또한 땜납침지시 패키지 크랙을 야기시킨다. 또한 내부응력을 낮추기 위해서는 선팽창계수를 낮추는 방법이 있다. 그러나, 선팽창계수를 낮추기 위하여 실리카를 고충진시키면 성형성이 불량해지고 탄성율이 증가하는 경향이 있다. 그리고 내열충격성을 높이기 위하여 다관능기의 에폭시나 페놀을 사용하면 유리전이점이 상승하나 이에 반하여 내습성이 불량해지는 결점이 있다.

본 발명의 목적은 현재 사용되고 있는 에폭시수지 조성물의 문제점들을 개선하여 내부응력이 낮으며, 내열충격성이 높고, 수지 조성물과 리이드 프레임 소제와의 밀착성이 우수하며, 또한 내습성과 성형성이 우수한 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상기 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물로 밀봉된 반도체 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하고자 본 발명의 조성물은 (A) 실리콘 파우더 5내지 80중량부 (B) 에폭시수지 100중량부 (C) 페놀수지 65내지 150중량부 (D) 커플링제 3내지 20중량부 (E) 실리콘 변성수지 20내지 150중량부 (F) 실리카 분말 900내지 1500중량부 및 기타 첨가제를 포함하는 것으로 구성된다. 본 발명에서는 실리콘 변성수지 및 실리콘 파우더를 이용하여 탄성율을 낮추고, 비페닐 에폭시수지 및 노볼락 변성 에폭시수지와 같은 에폭시수지를 사용하여 저흡습, 고내열성을 향상시킴과 동시에 고충진이 가능한 실리카를 사용하여 선팽창계수를 낮추어 반도체 패키지 크랙을 예방하고, 저흡습, 고부착성 페놀을 사용하여 수지 조성물과 리이드 프레임과의 부착성을 향상시켜 납땜시에 발생하는 수지 조성물과 금속재료와의 박리현상을 최소화하여 내습성을 향상시켜 신뢰성이 높도록 하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적을 달성하고자 본 발명의 반도체 장치는 (A) 실리콘 파우더 5내지 80중량부, (B) 에폭시수지 100중량부, (C) 페놀수지 65내지 150중량부, (D) 커플링제 3내지 20중량부 (E) 실리콘 변성수지 20내지 150중량부 및 (F) 실리카 분말 900내지 1500중량부로 구성된 에폭시수지 조성물로 밀봉된 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본원 발명은 (A) 실리콘 파우더 5내지 80중량부 (B) 에폭시 수지 100중량부 (C) 페놀수지 65내지 150중량부 (D) 커플링제 3내지 20중량부 (E) 실리콘 변성수지 20내지 150중량부 (F) 실리카 분말 900내지 1500중량부로 구성된 조성물로, 필요에 따라 상기 조성물에 (G) 이형 제3내지 20중량부 (H) 난연제 15내지 50중량부 (I) 착색제 1내지 10중량부 (J) 경화촉진제 1내지 10중량부가 함유될 수 있다.

상기에서 성분(A)로 사용가능한 실리콘 파우더로는 E-500, E-501, E-600, E-730S, AY49-281(일본 TORAY사 제품)등이 있으나, 특히 파우더 입경이 1내지 10μm이고 구형의 실리콘 파우더를 사용할 경우 응력감소와 동시에 선팽창계수를 낮출 수 있어서 수지 조성물의 내부응력을 더욱 낮출 수 있다.

상기 성분(B)로 사용가능한 에폭시수지로는 글리시딜 에테르형 에폭시수지, 글리시딜 에스테르형 에폭시 수지, 글리시딜 아민형 에폭시수지, 할로겐화 에폭시수지, 비페닐 에폭시수지 또는 비스페놀 에폭시수지 등을 들수 있다. 이들중 에폭시수지의 당량이 175내지 350정도인 노볼락 에폭시수지, 비페닐 에폭시수지 및/또는 노볼락 변성 에폭시수지를 이용할 경우 특히, 우수한 기계적, 전기적 특성을 얻을 수 있으며, 가장 바람직하기로는 고순도의 하기구조식(I) 비페닐 에폭시수지 및 하기구조식(II) 또는 (III)의 노볼락 변성에폭시중 단독 또는 혼용함으로서 반도체칩 또는 리이드 프레임과의 부착력이 우수하고 내습성이 양호한 수지 조성물을 얻는다.

여기서 n은 2내지 10의 정수이다.

상기 식(I)로 표시된 에폭시는 전체 사용 에폭시중 10내지 80중량% 포함하는 것이 바람직하며, 상기 식(II)로 표시된 에폭시는 사용된 전체 에폭시중 20내지 60중량%를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 식(III)으로 표시된 에폭시는 사용된 전체 에폭시중 10 내지 75중량% 포함하는 것이 바람직하다.

상기 성분(C)는 에폭시수지성분(B)의 경화제로 작용하는데, 사용가능한 예로는 노볼락형 페놀수지, 페놀아르알킬수지, 비스페놀 A형 수지, 레졸형 페놀수지 및 변성 페놀수지 등이 있다. 이들 페놀수지들은 2가지 이상을 혼용하여 사용하여도 좋다. 바람직한 페놀수지로는 하기 식(IV),(V) 및(VI)의 변성 페놀수지를 단독 또는 혼용하여 사용한 것인데, 이 경우 높은 부착력과 낮은 흡습율을 갖는 제품을 얻을 수 있어서 박판화된 패키지에 높은 신뢰성을 줄 수 있다.

여기서 n은 3내지 10의 정수이다.

여기서 m 및 n은 3내지 10의 정수이다.

여기서 n은 3내지 10의 정수이다.

상기 식(IV)로 표시된 페놀수지는 사용된 전체 페놀중 20내지 85중량% 포함하는 것이 바람직하고, 상기식(V)로 표시된 페놀수지는 사용된 전체 페놀중 10내지 70중량% 포함하는 것이 바람직하고, 상기 식(VI)로 표시된 페놀수지는 사용된 전체 페놀중 35내지 90중량% 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 에폭시수지(B)와 페놀수지(C)와의 배합비율은 에폭시수지의 에폭시 당량과 페놀수지의 페놀성 수산기 당량과의 당량비로 조절하는 바 이들 당량비(에폭시 당량/수산기 당량)가 0.5내지 1.5가 되도록 조절하는 것이 좋다. 만일 이들 당량비가 이 범위보다 낮으면 성형성이 불량해지고, 이 범위보다 높으면 경화된 후 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 에폭시수지 조성물의 주원료인 에폭시수지는 가수분해성 염소이온의 함량이 0.1중량% 이하인 것을 사용해야 반도체 칩중의 알루미늄 등의 금속재료의 부식을 방지하기 위하여 바람직하다. 특히 노볼락형 에폭시수지(당량 170∼300)가 가장 우수한 특성을 나타낸다. 또한 페놀수지가 상기 범위를 벗어날 경우 성형성이 불량해지고 내습성이 저하된다.

그리고 수지 조성물중 상기(D) 성분은 커플링제로 에폭시수지 조성물중 유기분과 무기분, 그리고 유기분과 금속소재와의 결합력을 높여주는 역할을 하는 것으로, 이 커플링제에는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제, 지르코 알루미네이트 커플링제 등이 사용될수 있는데, 바람직한 커플링제로는 에폭시기를 함유한 실란계 커플링제 20∼70중량%와 피로포스페이트기를 함유한 티타늄계 커플링제 30∼80중량%를 혼용하여 사용하는 것인데, 실란계 커를링제를 단독으로 사용할 경우 원하는 만큼의 부착력을 얻을 수 없고, 티타늄계 커플링제을 과량으로 사용할 경우 높은 부착력을 얻을 수 있으나 성형된 반도체 장치가 디플레쉬 공정을 거칠 때 변색이 되고 성형성이 저하된다.

상기 조성물 성분중 (E)는 하기식(A)로 표시되는 실리콘 변성수지로서 에폭시수지 조성물의 내부응력을 낮추는 역할을 하는데 여기에 사용되는 실리콘 오일의 반응기로는 예를 들면, 에폭시 또는 카르복실, 아민, 메타크릴옥시 등을 예로 들수 있는데, 이들을 에폭시나 페놀수지에 반응시켜 제조한다. 본 발명에서 사용된 실리콘 변성수지는 아민기를 가진 실리콘 오일을 TMA(Tri Mellitic Anhydride)와 1차로 반응시켜 실리콘 이미드를 제조한 후, 다시 2차로 에폭시수지와 100∼200℃에서 반응시켜 실리콘 변성수지를 제조하여 사용하였다. 만일 성분(E)의 배합비율이 20중량부 미만이면 최종제품의 내부응력 저하를 기대할 수 없고, 150중량부 이상이면 내습성이 저하되고 성형성이 불량해진다.

상기 식에서 R은 탄소수가1∼3인 선형 알킬그룹, 또는 브랜치된 알킬그룹이고, R₁∼R₄는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 탄소수가 1∼4개의 알킬기이거나 페닐, 톨루일, 나프타닐 등의 방향족이고 n은 20내지 200의 정수이다.

상기 성분(F)는 실리카 분말로서 크게 나누어 용융실리카, 결정성 실리카, 합성실리카 등이 있고 형태로는 파쇄형과 구형이 있다. 이들 실리카 분말은 2종이상을 섞어서 사용해도 좋다. 더욱이 구형의 실리카를 사용할 경우 반도체 칩에 미치는 응력을 좀더 감소시킬 수 있다. 또한 실리카 분말은 반도체 칩상의 소프트에러를 방지하기 위하여 α선량이 낮아야 하고, 토륨 및 우라늄의 함량이 1.0ppb이하인 합성 실리카를 사용하는 것이 좋다. 그리고 본 발명에 사용되는 실리카 분말의 적절한 사용량은 900∼1500중량부로서 만일 이보다 적은 양을 사용할 경우 선팽창계수의 증가로 인하여 땜납 침지시 불량이 발생할 가능성이 높아지고, 이보다 많은 양을 사용하면 조성물의 점도상승으로 인하여 성형성이 나빠진다.

그리고 상기 성분(G)은 반도체 패키지와 몰드와의 분리를 도와주는 이형체로서 그 종류로는 천연왁스와 합성왁스, 에스테르나 금속염, 파라핀, 산아미드 등이 있고 이들은 2종 이상을 혼용하여 사용하여도 좋다. 바람직하기로는 3종 이상을 혼용하는 것이 좋다.

상기 성분(H)는 패키지에 난연성을 부여하기 위한 첨가제로 3산화안티몬, 브로모톨루엔, 핵사브로모벤젠 등이 있다. 이들의 함량이 15∼30중량부를 벗어나게 되면 난연성이 저하되거나 성형성이 나빠지게 된다.

상기 성분(I)는 착색제로 주로 카본블랙을 사용한다. 착색제를 상기 범위보다 적을 경우 원하는 색도를 얻을 수 없고, 상기 범위보다 많은 경우 전기적 특성이 저하된다.

상기 성분(J)는 에폭시조성물의 경화촉진제로서 포스핀과 포스핀 유도체 또는 아민계, 이미다졸과 그 유도체 등이 주로 사용되고 있으나 신뢰성을 고려할 때 포스핀 계통을 사용함이 보다 바람직하다.

이상의 조성물로 만들어진 제품을 원하는 성형품으로 만들때에는 압축 또는 사출성형, 그리고 트랜스퍼성형을 이용할수 있다. 그러나, 가장 일반적인 성형방법은 저압 트랜스퍼성형을 이용하여 성형시키는 방법이고 성형후에는 에폭시수지 조성물을 170℃ 이상의 온도에서 3시간 이상 방치시켜 주어야 완전히 경화된 성형품을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 따라 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 단, 하기예들이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 중량부를 의미한다.

[실시예 및 비교예]

2. 노볼락 에폭시 : 일본 화학사 EOCN 102S-70

3. 에폭시수지 : 구조식 I은 유카셀의 YX-4000이고, 구조식 II는 니뽄 가야꾸의 NC-7000이며, 구조식 III은 다이니뽄 잉크 케미칼앤케미칼의 EXA-4750

4. 노볼락 페놀 : 아라가와사 타마놀 750

5. 페놀 : 구조식 IV는 메이와사의 MEH-7900이며, 구조식 V는 메이와사의 MEH-7710이고, 구조식 VI은 메이와사의 MEH-7800

6. 실란 커플링제 : 치소사 S-510

7. 실리콘 변성수지 : 도레이사의 AY-49-281으로서, 입도가 1μm인 구형

상기 비율(표1)로 각 성분들의 무게를 재고 이들중 충진제 분말(실리카 분말에 삼산화안티몬 분말과 카본블랙을 첨가시킨 분말)을 헨셀믹서에 넣고 커플링제를 분사시켜 충진제 분말을 전처리시킨 후 성분들을 넣고 충분히 혼합한다. 이것을 70℃내지 110℃로 가열된 2축 롤로나 니이더로 용융혼련시킨 후 냉각시켜 에폭시수지 조성물을 만든다. 이어서 이 조성물을 170℃내지 180℃의 저압트랜스퍼로 2분 동안 성형시키고, 다시 170℃이상의 온도에서 4시간 동안 후경화시켜서 시편을 제작한다.

상기표로부터 알 수 있듯이 본 발명에서 기술한 에폭시수지 조성물은 기존의 에폭시수지 조성물과 비교하여 탄성율과 내부응력이 낮고, 수지 조성물과 리이드프레임과의 부착성이 우수하기 때문에 내습성이 뛰어나고 또한 땜납 침지시 고온에서도 패키지 크랙이 줄어듬을 알 수 있다. 그리고 이 에폭수수지 조성물은 성형성이 양호하기 때문에 수지밀봉형 반도체 장치 밀봉에 사용하기 적합한 것이다. 이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 에폭시수지 조성물은 반도체 산업이 날로 발전하고 있고 패키지의 양상도 점점 작아지고 박판화 되어가고 있는 현상에 비추어볼 때 고밀도 표면실장형 패키지 밀봉형으로 적합하다 하겠다.

또한, 본 발명의 에폭시수지 조성물은 고온, 고습, 열충격하에서 높은 신뢰성을 보임이 그 특징이라 하겠다.

Claims (12)

1. (A)실리콘 파우더 5내지 80중량부, (B) 에폭시수지 100중량부, (C) 페놀수지 65내지 150중량부, (D) 커플링제 3내지 20중량부, (E) 실리콘 변성수지 20내지 150중량부 및 (F) 실리카 분말 900내지 1500중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
2. 제1항에 있어서, 실리콘 파우더가 평균입경이 1내지 10μm인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
3. 제1항에 있어서, 에폭시수지는 하기 식(I)로 표시된 에폭시를 전체 사용에폭시중 10내지 80중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 에폭시수지가 하기 식(II)로 표시된 에폭시 수지를 사용된 전체 에폭시중 20내지 60중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 에폭시수지가 하기 식(III)으로 표시된 에폭시를 사용된 전체 에폭시중 10내지 75중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
6. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지가 하기 식(IV)으로 표시된 페놀수지를 사용된 전체 페놀중 20내지 85중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.

   여기서, n은 3 내지 10의 정수이다.
7. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지가 하기 식(V)로 표시된 페놀수지를 사용된 전체 페놀중 10내지 70중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.

   여기서 m 및 n은 3내지 10의 정수이다.
8. 제1항에 있어서, 상기 페놀수지가 하기 식(VI)로 표시된 페놀수지를 사용된 전체 페놀중 35내지 90중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.

   여기서 n은 3내지 10의 정수이다.
9. 제1항에 있어서, 상기 커플링제가 에폭시기를 함유한 실란계 커플링제를 20내지 70중량%와 피로포스페이트기를 함유한 티타늄계 커플링제를 30내지 80중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
10. 제1항에 있어서 상기 실리콘 변성수지가 하기 식(A)의 실리콘 변성수지인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.

    상기 식에서 R은 탄소수가 1∼3인 선형알킬그룹, 또는 브렌치된 알킬그룹이고, R1∼R4는 서로 같거나 독립해서 다를 수 있는 것으로 탄소수가 1∼4개의 알킬깅이거나 페닐, 톨루일, 나프타닐 등의 방향족이고 n은 20내지 200의 정수이다.
11. 제1항에 있어서, 실리카 분말이 1) 파쇄형 용융실리카 300내지 1200중량부, 2) 구형 용융실리카 300내지 1200중량부로 토륨과 우라늄의 전체 함량이 1.0ppb 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시수지 조성물.
12. (A) 실리콘 파우더 5내지 80중량부, (B) 에폭시수지 100중량부, (C) 페놀수지 65내지 150중량부, (D) 커플링제 3내지 20중량부, (E) 실리콘 변성수지 20내지 150중량부 및 (F) 실리카 분말 900내지 1500중량부로 구성된 에폭시 수지 조성물로 밀봉된 것을 특징으로 하는 수지밀봉형 반도체 장치.