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KR100563352B1 - 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하는반도체 장치 - Google Patents

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하는반도체 장치 Download PDF

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KR100563352B1
KR100563352B1 KR1020007001314A KR20007001314A KR100563352B1 KR 100563352 B1 KR100563352 B1 KR 100563352B1 KR 1020007001314 A KR1020007001314 A KR 1020007001314A KR 20007001314 A KR20007001314 A KR 20007001314A KR 100563352 B1 KR100563352 B1 KR 100563352B1
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야마네미노루
니시오카쓰토무
하라다타다키
호소카와도시쯔구
이케무라가즈히로
미쓰미사다히토
오히즈미시니치
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닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 에폭시 수지, 페놀 수지, 경화 촉진제 및 무기 충전제를 포함하고, 하기 특성(X) 내지 (Z)를 갖는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다:
(X) 유동 시험기로 측정된 175℃에서의 점도는 50 내지 500포이즈이고;
(Y) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서의 점도의 온도 분산에 있어서 최소 용융 점도는 1×105 포이즈 이하이고; 및
(Z) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서 90℃에서의 점도(Z1)와 110℃에서의 점도(Z2)의 점도비(Z1/Z2)는 2.0이상이다.
본 발명에 따른 반도체 밀봉 에폭시 수지는 봉지시에 수지 유동에 의해 반도체 소자 위치 변동 또는 금선 변형과 같은 칩 틸팅을 발생시키지 않고, 고도로 신뢰성있는 반도체 장치를 제공하기 위해 사용될 수 있다

Description

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하는 반도체 장치{SEMICONDUCTOR SEALING EPOXY RESIN COMPOSITION AND SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 트랜스퍼(transfer) 성형등에 의해, 수지 봉지(封止) 도중에 발생하는 성형 결함(칩 틸팅(chip tilting))의 발생을 효과적으로 경감시키고, 높은 신뢰성을 부여할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하여 얻어진 반도체 장치에 관한 것이다.
종래로부터, 트랜지스터, IC, LSI 등의 반도체 소자는 외부 환경으로부터의 보호 및 반도체 소자의 취급을 간단하게 하는 관점에서, 듀얼 인라인 패키지(dual inline packages)(DIP) 등으로 대표되는 플라스틱 패키지에 의해 용이하게 봉지되어왔다.
이러한 플라스틱 패키지에 사용되는 봉지 재료는 종래로부터 에폭시 수지 조성물을 사용하고 있다.
그러나, 트랜스퍼 성형 또는 다른 성형 기법에 의해 통상적인 봉지 재료를 갖는 반도체 소자를 봉지시켜 얻어지는 반도체 장치는 불량한 신뢰성의 결점을 갖는다. 이는 성형도중에 수지 유동에 의해 성형금형중의 반도체 소자가 그의 원래 정위치에서 약간 변동될 수 있거나, 와이어 결합에 의해 배치된 금선이 변형될 수 있기 때문이다.
본 발명은 이러한 환경에서 이루어지고 있고, 본 발명의 목적은 수지 봉지시에 수지 유동에 의해 반도체 소자의 위치 변동 및 금선 변형과 같은 칩 틸팅이 발생하지 않고, 신뢰성이 높은 반도체 장치를 얻을 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 사용하여 얻어지는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
발명의 요약
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 양태는 하기 특성(X) 내지 (Z)를 갖는 에폭시 수지, 페놀 수지, 경화 촉진제 및 무기 충전제를 함유하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다:
(X) 유동 시험기로 측정된 175℃에서의 점도는 50 내지 500포이즈이고;
(Y) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서의 점도의 온도 분산에 있어서 최소 용융 점도는 1×105 포이즈 이하이고; 및
(Z) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서 90℃에서의 점도(Z1)와 110℃에서의 점도(Z2)의 점도비(Z1/Z2)는 2.0이상이다.
본 발명의 제 2 양태는 상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 봉지시키는 반도체 장치에 있다.
본 발명자들은 트랜스퍼 성형 등에 의해 수지 봉지시에 발생하는 반도체 소자의 위치 변동 및 금선 변형 등의 칩 틸팅의 발생을 방지함으로써 신뢰성이 높은 반도체 장치를 얻기 위해, 봉지 재료로서 에폭시 수지 조성물의 점도 특성을 중심으로 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 상기 에폭시 수지 조성물을 조절함으로써 175℃에서 측정한 유동 시험기 점도(특성(X)), 동적 점탄성 측정기에서 측정한 최소 용융 점도(특성(Y)) 및 90℃에서의 점도(Z1)와 110℃에서의 점도(Z2)의 점도비(Z1/Z2)(특성(Z))를 각각의 특정 범위로 설정하면 상기 봉지 문제가 발생하지 않고, 높은 신뢰성을 구비한 반도체 장치를 얻을 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.
상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 구성 성분인 무기질 충전제의 함량을 특정 범위로 설정함으로써, 상기 조성물로부터 형성된 패키지는 흡수량을 감소시킬 수 있다. 그 결과로서, 상기 조성물로 제조된 반도체 장치는 설치후에 신뢰성을 높게 유지할 수 있다.
더욱이, 상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 구성 성분으로서 경화 촉진제가, 경화 촉진제를 포함하는 코어부 및 상기 코어부를 피복하는, 합성 수지를 포함하는 셀부로 구성되는 코어/셀부 구조를 갖는 경화 촉진제 함유 마이크로캡슐일때 에폭시 수지 조성물의 구성 성분은 용융 혼련시간을 종래보다 길게 할 수 있고, 그의 용융 혼련 온도를 높게 설정할 수 있다. 그 결과로서, 전술한 점도 특성(X) 내지 (Z)를 갖는 에폭시 수지 조성물을 얻는 것이 용이하다.
도 1은 본 발명에 따르는 특성(Y) 및 (Z)의 측정방법을 예시한 모식도이다.
도 2는 금선 변형량을 측정하기 위해 사용되는 QFP 160 핀을 예시한 정면도이다.
도 3은 금선 변형량의 측정 방법을 예시한 설명도이다.
도 4는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 사용하여 성형시킨 QFP 160 핀을 예시한 정면도이다.
도 5는 다이 패드 위치 변동의 측정 방법을 예시한 설명도이고, (a)는 다이 패드 위치 변동이 발생한 상태를 예시한 단면도이고, (b)는 정상 상태를 예시한 단면도이다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지(성분 A), 페놀 수지(성분 B), 경화 촉진제(성분 C) 및 무기 충전제(성분 D)로부터 얻을 수 있다. 상기 수지 조성물은 일반적으로 분말상 또는 이를 펠렛화시킨 정제상 형태이다.
에폭시 수지(성분 A)는 특히 한정되지는 않고, 종래 공지된 각종 에폭시 수지를 이용할 수 있다. 예를 들면, o-크레졸-노볼락형 에폭시 수지, 페놀-노볼락형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 비스페놀 A형 에폭시 수지 및 나프탈렌형 에폭시 수지를 포함한다. 이들 에폭시 수지는 단독으로 사용될 수 있거나 2종이상을 조합하여 사용할 수 있다. 하기 화학식(1)로 나타내는 비페닐형 에폭시 수지가 바 람직하다. 특히, 하기 화학식(1)에서 R1 내지 R4가 모두 메틸기인 비페닐형 에폭시 수지가 바람직하다:
Figure 112000002226624-pct00001
상기식에서,
R1 내지 R4는 같거나 다르고, 각각 H 또는 탄소수 1 내지 5의 알킬기이다.
에폭시 수지(성분 A)와 조합하여 사용되는 페놀 수지(성분 B)는 에폭시 수지의 경화제로서 작용한다. 상기 페놀 수지는 페놀 하이드록실기를 갖는 수지를 의미하고, 특히 한정되지는 않고 종래 공지된 각종 페놀 수지를 사용할 수 있다. 예를 들면, 노볼락 수지(예, 크레졸-노볼락 수지), 크실일렌-변성 페놀 수지(예, 페놀-아르알킬 수지), 테르펜-변성 페놀 수지 및 디시클로펜타디엔-변성 페놀 수지를 포함한다. 이들 페놀 수지는 단독으로 사용할 수 있거나 2종이상을 조합하여 사용할 수 있다. 사용된 에폭시 수지가 화학식(1)로 나타낸 비페닐형 에폭시 수지인 경우에, 페놀 수지로서 하기 화학식(2)로 나타낸 페놀-아르알킬 수지를 사용하는 것이 바람직하다:
Figure 112000002226624-pct00002
상기식에서,
n은 양의 정수이다.
상기 에폭시 수지(성분 A) 및 페놀 수지(성분 B)는 에폭시 수지의 에폭시기 1당량당 페놀 수지의 하이드록실기가 0.8 내지 1.2당량으로 배합되는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 0.9 내지 1.1 당량이다. 성분 A와 성분 B의 총배합량은 전체 에폭시 수지 조성물에 대해 바람직하게는 8 내지 20중량%, 보다 바람직하게는 8 내지 13중량%이다.
상기 성분 A 및 성분 B와 조합하여 사용된 경화 촉진제(성분 C)의 실례는 아민, 이미다졸 및 유기 인 화합물(예, 포스핀 화합물 또는 4급 포스포늄 화합물)을 포함한다.
상기 경화 촉진제로서 또한 사용될 수 있는 것은 경화 촉진제를 포함하는 코어부 및 상기 코어부를 피복하는, 합성 수지를 포함하는 셀부로 구성된 코어/셀부 구조를 갖는 마이크로캡슐형 경화 촉진제이다. 이 마이크로캡슐 형 경화 촉진제의 이용은 본 발명의 특징인, 특성 (X) 내지 (Z)를 갖는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 용이하게 얻을 수 있는 점이 유리하다.
상기 코어부로서 내포되는 경화 촉진제로서는 특히 한정되지는 않고, 종래 공지된 것을 이용할 수 있다. 그러나, 이 경우에 마이크로캡슐을 제조할때의 작업성 및 얻어지는 마이크로캡슐 특성의 견지에서, 경화 촉진제는 실온에서 액상을 갖는 것이 바람직하다. "실온(예컨대, 약 15 내지 40℃; 이하동일)에서 액상"이란 용어는 경화 촉진제 자신의 성상이 실온에서 액상을 나타내는 것 뿐만 아니라 실온 에서 고체이지만 임의의 목적하는 유기 용매등에 용해되거나 분산되어 제조되는 액상의 경우도 포함한다.
상기 경화 촉진제의 실례는 아민, 이미다졸 및 인계, 붕소계 및 인-붕소계 경화 촉진제를 포함한다. 이들의 특정 실례는 알킬-치환된 구아니딘(예, 에틸구아니딘, 트리메틸구아니딘, 페닐구아니딘 또는 디페닐구아니딘); 3-(치환된 페닐)-1,1-디메틸우레아(예, 3-(3,4-디클로로페닐)-1,1-디메틸우레아, 3-페닐-1,1-디메틸우레아 또는 3-(4-클로로페닐)-1,1-디메틸우레아); 이미다졸린(예, 2-메틸이미다졸린, 2-페닐이미다졸린, 2-운데실이미다졸린 또는 2-헵타데실이미다졸린); 모노아미노피리딘(예, 2-아미노피리딘); 아민-이미드(예, N,N-디메틸-N-(2-하이드록시-3-알릴옥시프로필)아민-N'-락트이미드); 유기 인 화합물(예, 에틸포스핀, 프로필포스핀, 부틸포스핀, 페닐포스핀, 트리메틸포스핀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 트리시클로헥실포스핀, 트리페닐포스핀/트리페닐보란 착체 또는 테트라페닐포스포늄 테트라페닐보레이트); 및 디아자바이시클로운데센 화합물(예, 1,8-디아자바이시클로[5.4.0]운데센-7 또는 1,4-디아자바이시클로[2.2.2]옥탄)을 포함한다. 상기 마이크로캡슐의 제조의 용이성 및 취급의 용이성 견지에서 바람직한 것은 트리페닐포스핀 및 이미다졸 화합물을 포함하는 유기 인 화합물이다. 이들 경화 촉진제는 단독으로 또는 2종이상 조합하여 사용할 수 있다.
마이크로캡슐의 셀부(벽막)에 내포될 수 있는 유기 용매는 실온에서 액상인한 특히 한정되지는 않는다. 그러나, 셀부(벽막)가 용해되지 않는 용매를 선택하 는 것이 필요하다. 이의 실례는 유기 용매(예, 에틸 아세테이트, 메틸 에틸 케톤, 아세톤, 염화메틸렌, 크실렌, 톨루엔 또는 테트라하이드로푸란) 및 오일(예, 페닐크실일에탄 또는 디알킬나프탈렌)을 포함한다.
셀부(벽막)를 형성하는 열가소성 수지의 실례는 폴리우레아, 폴리우레탄, 아미노 수지 및 아크릴수지를 포함한다. 이들 중에서, 저장 안정성 및 경화 수지 형성을 위한 성형시의 셀부의 파괴 용이성을 고려할 때 폴리우레아가 바람직하다.
상기 폴리우레아는 특히 하기 화학식(3)으로 표시되는 반복 단위를 주요 구성 성분으로 하는 중합체가 바람직하다.
Figure 112000002226624-pct00003
상기식에서,
R은 2가 유기기이고,
R5 및 R6은 같거나 다르고, 각각 수소원자 또는 1가 유기기이다.
화학식(3)으로 나타내는 반복 단위를 주요 구성 성분으로 하는 중합체는 예컨대, 폴리이소시아네이트와 폴리아민의 중부가 반응으로 얻는다. 한편으로, 이들 중합체는 폴리이소시아네이트와 물의 반응으로 얻는다.
상기 폴리이소시아네이트는 분자중에 둘이상의 이소시아네이트기를 갖는 화합물의 경우에 특히 한정되지는 않는다. 이들의 실례는 디이소시아네이트(예, m-페닐렌 디이소시아네이트, p-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4-톨일렌 디이소시아네이트, 2,6-톨일렌 디이소시아네이트, 나프탈렌 1,4-디이소시아네이트, 디페닐메탄 4,4'-디이소시아네이트, 3,3'- 디메톡시-4,4'-비페닐 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸디페닐메탄 4,4'-디이소시아네이트, 크실일렌 1,4-디이소시아네이트, 4,4'-디페닐프로판 디이소시아네이트, 트리메틸렌 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 프로필렌 1,2-디이소시아네이트, 부틸렌 1,2-디이소시아네이트, 시클로헥실렌 1,2-디이소시아네이트 또는 시클로헥실렌 1,4-디이소시아네이트); 트리이소시아네이트(예, p-페닐렌 디이소티오시아네이트, 크실일렌 1,4-디이소티오시아네이트 또는 에틸리딘 디이소티오시아네이트); 테트라이소시아네이트(예, 4,4'-디메틸디페닐메탄 2,2',5,5'-테트라이소시아네이트); 및 이소시아네이트 예비중합체(예, 헥사메틸렌 디이소시아네이트/헥산트리올 부가물, 2,4-톨일렌 디이소시아네이트/카테콜 부가물, 톨일렌 디이소시아네이트/헥산트리올 부가물, 톨일렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 부가물, 크실일렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 부가물, 헥사메틸렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 부가물) 또는 지방족 폴리이소시아네이트의 삼량체(예, 트리페닐디메틸렌 트리이소시아네이트, 테트라페닐트리메틸렌 테트라이소시아네이트, 펜타페닐테트라메틸렌 펜타이소시아네이트, 리신 이소시아네이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트)를 포함한다. 이들 폴리이소시아네이트는 단독으로 또는 2종이상을 조합하여 사용할 수 있다. 마이크로 캡슐 제조시의 막형성 특성 및 기계적 강도의 견지에서 이들 바람직한 폴리이소시아네이트는 톨일렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 부가물, 크실일렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 부가물 및 트리페닐디메틸렌 트리이소시아네이트와 같은 폴리메틸렌폴리페닐 이소시아네이트로 나타내는 이소시아네이트 예비중합체이다.
다른 한편으로, 폴리이소시아네이트와 반응하는 폴리아민은 분자중에 둘이상의 아미노기를 갖는 화합물인 경우에 특히 한정되지 않는다. 이들의 실례는 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 테트라에틸렌펜타민, 1,6-헥사메틸렌디아민, 1,8-옥타메틸렌디아민, 1,12-도데카메틸렌디아민, o-페닐렌디아민, m-페닐렌디아민, p- 페닐렌디아민, o-크실일렌디아민, m-크실일렌디아민, p-크실일렌디아민, 메탄디아민, 비스(4-아미노-3-메틸시클로헥실)메탄, 이소포론디아민, 1,3-디아미노시클로헥산 및 시프로아세탈계 디아민을 포함한다. 이들 폴리아민은 단독으로 또는 2종이상을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 임의의 폴리이소시아네이트와 물의 반응에서, 먼저 폴리이소시아네이트를 가수분해시켜 아민을 형성하고, 아민이 미반응된 이소시아네이트기와 반응하여(자기 중부가 반응) 주요 성분으로서 화학식(3)으로 나타내는 반복 단위를 포함하는 중합체를 형성한다.
경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐은 경화 촉진제가 마이크로캡슐화되는 경우에 특히 한정되지 않는다. 이들은 종래 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다. 특히 바람직한 마이크로캡슐화 방법은 균질한 셀부(벽막)를 형성하고 벽 두께를 조절하는데 유리하기 때문에 계면중합을 사용하여 셀부(벽막)를 형성하는 것이다.
계면중합을 통해 생성된 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐은 예컨대, 하기 방법으로 얻어진다. 코어 성분으로서 제공하는 액상 경화 촉진제에 폴리이소시 아네이트를 용해시킨다. 유상인 생성 용액은 수상중에 유적상으로서 분산되어 O/W(유상/수상) 유화액을 제조한다. 중합도중에 유화액 안정성의 견지에서, 이 유화가 바람직하게 수행됨으로써 분산된 유적상은 약 0.05 내지 50㎛, 바람직하게는 약 0.05 내지 10㎛의 평균 입경을 갖는다.
한편으로, 유기 용매중에 용해되는 고상 경화 촉진제는 코어 성분으로서 사용되고, S/O/W(고상/유상/수상) 유화액은 경화 촉진제가 친유성일 때 얻어진다. 경화 촉진제가 친수성일 때 상기 형태의 유화액은 제조하기가 어렵다. 그러나, 이 경우에 O/O(유상/유상) 유화액 또는 S/O/O(고상/유상/유상) 유화액은 용해도를 기준으로 적합하게 용매를 선택함으로써 제조할 수 있고, 이 유화액은 계면 중합시킬 수 있다.
계속하여, 폴리아민 또는 다가 알콜을 유화액의 수상에 가하여 유상중에 함유된 폴리이소시아네이트와 계면중합을 일으킨다. 중부가 반응이 실시된다. 그 결과로서, 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐이 얻어지고, 셀부(벽막)는 바람직하게 폴리우레아계 중합체로 제조된다.
이와 같이 얻어진 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐은 코어/셀부 구조를 갖고, 코어 성분으로서 경화 촉진제를 셀부에 내포한다. 이들 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐은 종래의 공지된 방법, 예컨대, 원심분리후에 건조 또는 분무 건조에 의해 분리될 수 있다. 이들은 또한 에폭시 수지 또는 경화제중에 마이크로캡슐을 용해 또는 혼합시킬 수 있다. 이 경우에, 마이크로캡슐중에 함유된 유기 용매를 목적하고 필요하다면 추가로 수행하는 진공 건조 등에 의해 제거할 수 있 다.
이들 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐의 평균 입경은 후술하는 바와 같이, 마이크로캡슐 자신의 안정성, 에폭시 수지 조성물의 제조시 가해지는 전단력, 균일 분산성 등을 고려하여 바람직하게 0.05 내지 10㎛, 보다 바람직하게는 0.1 내지 4㎛의 값으로 조절된다. 또한, 마이크로캡슐 크기를 조절함으로써 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐의 최대 입경이 20㎛이하인 것이 바람직하다. 상기 범위내의 평균 입경을 갖기 위해 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐을 조절함으로써 에폭시 수지 조성물의 제조시 가해지는 전단력에 의해 마이크로캡슐 파괴를 억제할 수 있다. 또한, 상기 평균 입경외에도 20㎛이하의 최대 입경을 갖기 위해 마이크로캡슐을 조절함으로써, 마이크로캡슐을 에폭시 수지내에 균일하게 분산시킬 수 있다. 본 발명의 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐의 형태는 바람직하게 구형이지만, 타원형일 수 있다. 마이크로캡슐이 실제 구형이 아니고 타원형, 평면등인 경우에, 마이크로캡슐이 무조건으로 측정된 입경을 갖지 않을 때 최장 직경 및 최단 직경의 단순 평균치를 평균 입경으로 한다.
경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐에서, 내포된 경화 촉진제량은 전체 마이크로캡슐을 기준으로 5 내지 70중량%, 보다 바람직하게는 10 내지 50중량%이다. 즉, 내포된 경화 촉진제량이 5중량%미만이면, 수지는 반응성이 불량하고, 과도한 경화 반응 시간을 필요로 한다. 한편으로, 내포된 경화 촉진제량이 70중량%를 초과하면 셀부(벽막)는 너무 작은 두께를 갖고, 내포된 경화 촉진제(코어 성분)는 불량하게 분리되거나 셀부는 불량한 기계적 강도를 가질 수 있는 위험이 있다.
경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐의 입경에 대한 셀부(벽막)의 두께의 비율은 바람직하게 3 내지 25%, 보다 바람직하게는 5 내지 25%로 조절된다. 즉, 그의 비율이 3% 미만이면, 셀부는 에폭시 수지 조성물의 제조시 혼련 공정에 있어서 가해지는 전단에 대해 충분한 기계적 강도를 갖지 않는다. 그의 비율이 25%를 초과하면, 내포된 경화 촉진제의 방출이 불충분해지는 경향이 있다.
전술한 성분 A 내지 C와 조합하여 사용되는 무기 충전제(성분 D)는 특히 한정되지 않고, 종래 공지된 것을 사용할 수 있다. 이의 실례는 실리카 분말(예, 용융 실리카 분말 및 결정성 실리카 분말) 및 알루미나 분말을 포함한다. 무기 충전제는 파쇄형, 구형 및 연마형에 의해 형성된 불규칙 형상과 같은 임의의 다양한 입자 형상을 가질 수 있다. 이들 무기 충전제는 단독으로 또는 2종이상을 조합하여 사용할 수 있다. 만족스러운 유동성을 얻는 견지에서, 6 내지 40㎛의 전체 평균 입경을 갖는 하나이상의 무기 충전제를 사용하는 것이 바람직하다. 만족스러운 유동성의 견지에서 전술한 무기 충전제중에서 특히 바람직한 것은 결정성 실리카의 연마 입자 및 용융 실리카의 구형 입자이다.
무기 충전제(성분 D)의 배합량은 에폭시 수지 조성물을 기준으로 바람직하게는 80 내지 92중량%, 보다 바람직하게는 87 내지 92중량%로 조절된다. 즉, 무기 충전제(성분 D)의 배합량이 80중량% 미만이면 성형후에 조성물로부터 얻어지는 패키지의 흡수량이 증가하여 반도체 장치가 설치후에 신뢰도의 감소를 초래하는 경향이 있다. 배합량이 92중량%를 초과하면 조성물은 유동성의 손상을 초래하는 경향이 있다.
전술한 성분 A 내지 D이외에 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에는 필요에 따라 다른 첨가제를 적합하게 가할 수 있다. 기타 첨가제의 배합량은 각각 전체 조성물의 중량을 기준으로 일반적으로 0.01 내지 2중량%이다.
다른 첨가제의 실례는 이형제, 난연제, 착색제, 실란 커플링제 및 저응력화제를 포함한다.
이형제의 실례는 장쇄 카복실산(예, 스테아르산 및 팔미트산), 장쇄 카복실산의 금속염(예, 아연 스테아레이트 및 칼슘 스테아레이트) 및 왁스(예, 폴리에틸렌 왁스, 카르나우바 왁스 및 몬탄 왁스)와 같은 종래 공지된 이형제를 포함한다.
난연제의 실례는 브롬화 에폭시 수지를 포함한다. 예컨대, 삼산화안티몬 및 오산화안티몬과 같은 난연제를 또한 사용할 수 있다.
착색제의 실례는 카본 블랙이다.
저응력화제의 실례는 부타디엔 고무(예, 메틸 아크릴레이트/부타디엔/스티렌 공중합체 및 메틸 메타크릴레이트/부타디엔/스티렌 공중합체 및 실리콘 화합물)를 포함한다. 더욱이, 내습윤성 시험에 개선된 신뢰성을 얻기 위한 목적으로 이온 트랩핑제(예, 하이드로탈사이트, 비스무스 하이드록시드 등)를 배합할 수 있다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 예컨대 하기의 방법으로 제조할 수 있다. 첫 번째, 전술한 성분 A 내지 D 및 전술한 기타 첨가제를 함께 적합하게 혼합하고, 이 혼합물을 혼련기(예, 혼합롤)에서 가열상태로 용융 혼합한다. 이 용융물을 실온으로 냉각시킨후 공지된 수단으로 분쇄시킨 다음 필요에 따라 펠렛화시킨다. 이들 일련의 단계에 따라 에폭시 수지 조성물을 제조할 수 있다.
사용된 경화 촉진제가 전술한 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐인 경우에, 제 1 단계는 전술한 방법에 의해 마이크로캡슐을 제조하는 것이다. 이어서, 나머지 성분을 배합하고, 이 혼합물을 혼련기(예, 혼합 롤)에서 가열상태로 성분을 용융 혼합한다. 이 용융물을 실온으로 냉각한후 공지된 수단으로 분쇄시킨다음 필요에 따라 펠렛화시킨다. 이들 일련의 단계에 따라 에폭시 수지 조성물을 제조할 수 있다. 평균 입경이 다른 둘이상의 실리카 분말의 조합은 바람직하게 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐과 함께 무기 충전제로서 사용된다. 예를 들면, 전술한 것보다 작은 평균 입경을 갖는 용융 실리카의 분쇄 입자로 구성된 실리카 분말과 조합하여 큰 평균 입경을 갖는 용융 실리카의 구형 입자로 구성된 실리카 분말의 사용은 유동성의 견지에서 바람직하다.
경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐을 함유하는 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 제조시, 혼련기 등에 의한 용융 혼합은 일반적으로 마이크로캡슐이 파괴되지 않는 한 통상의 봉지 제조시의 온도보다 장기간동안 높은 온도에서 수행된다. 즉, 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐의 사용으로 인하여, 통상의 경화 촉진제가 사용되는 경우에 비해, 높은 혼련 온도 및 긴 혼련 기간이 사용될 수 있다. 그 결과로서 무기 성분은 혼련도중에 유기 성분에 의해 만족스럽게 적셔질 수 있다. 무기 성분의 표면이 고도로 적셔짐으로써 점도비(Z1/Z2), 즉 동적 점탄성 측정기의 전단속도 5(1/s)에서 90℃에서 측정한 조성물의 점도(Z1)와 110℃(Z2)에서 측정한 조성물의 점도비는 커지게 된다. 결국, 성형성이 우수한 재료를 얻을 수 있다. 이 효과는 하기에 나타내는 실시예에 개시한다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 하기의 특성(X) 내지 (Z)를 가져야 한다:
(X) 유동 시험기로 측정된 175℃에서의 점도는 50 내지 500포이즈이다.
(Y) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서의 점도의 온도 분산에 있어서 측정된 최소 용융 점도는 1×105 포이즈이하이다.
(Z) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서 90℃에서의 점도(Z1)와 110℃에서의 점도(Z2)의 점도비(Z1/Z2)는 2.0이상이다.
상기 특성 (X)에 있어서, 175℃ 온도에서 유동 시험기 점도계(예, 시마쯔 가부시키가이샤에 의해 제조된 코카 유동 시험기)로 측정한 에폭시 수지 조성물의 점도는 50 내지 500포이즈이어야 한다. 175℃에서 그의 점도는 특히 바람직하게 50 내지 300포이즈이다. 즉, 그의 점도가 50포이즈 미만이면, 조성물의 너무 낮은 점도 때문에 공극의 문제가 발생하고 성형시 공기 유입이 발생한다. 그의 점도가 500포이즈를 초과하면, 조성물의 너무 높은 점도 때문에 전술한 금선 변형 및 미충전 불량이 발생한다.
특성(X)은 하기의 방법에 따라 측정할 수 있다.
에폭시 수지 조성물의 분말 2g(6메쉬-패스 분말)을 20℃에서 100kgf/cm2의 압력으로 압축시켜 9.8mm의 직경을 갖는 원주형 샘플을 얻는다. 이 샘플은 유동 시험기 점도계(예, 시마쯔 가부시키가이샤에 의해 제조된 코카 유동 시험기 형 CFT-100)로 시험하여 175℃에서 점도를 측정한다. 측정시의 기타 조건은 하기와 같다. 사용된 다이 노즐은 1.0mm의 직경 및 10.0mm의 길이를 갖고, 샘플에 부과되는 하중은 10kg이다.
상기 특성(Y)에서, 동적 점탄성 측정기로 측정한 전단 속도 5(1/s)에서의 점도의 온도 분산으로부터 측정한 바와 같은 에폭시 수지 조성물의 최소 용융 점도는 1×105 포이즈 이하이어야 한다. 그의 최소 용융 점도는 특히 바람직하게 5×104 포이즈 이하이다. 이것은 최소 용융 점도가 1×105 포이즈를 초과하면 성형시 성형 동공으로 흐를 때 조성물은 너무 높은 점도를 갖는다. 이것은 최소 용융 점도가 높아지면 성형중에 금선 변형 및 칩 틸팅과 같은 특성이 악화되는 것을 의미한다.
상기 특성(Z)에서, 동적 점탄성 측정기로 측정한 전단 속도 5(1/s)에서 90℃에서의 점도(Z1)와 110℃에서의 점도(Z2)의 점도비(Z1/Z2)는 2.0이상이어야 한다. Z1/Z2는 특히 바람직하게 2.5이상이다. 이것은 Z1/Z2가 2.0미만이면 온도 상승에 따라 조성물의 점도 저하가 작아지고, 따라서 조성물은 최소 용융 점도가 너무 높아진다. 이것은 Z1/Z2의 너무 작은 값이 성형중의 금선 변형 및 칩 틸팅을 악화시키는 것을 의미한다.
특성(Y) 및 (Z)는 하기의 방법으로 측정한다. 봉지재로서 펠렛(직경 25mm; 중량 2g)을 먼저 제조하고, 20℃에서 100kgf/cm2의 압력에서 에폭시 수지 조성물의 분말 2g을 압축시켜 25mm의 직경을 갖는 원판 형태의 샘플을 얻는다. 이어서, 도 1에 도시한 바와 같이, 상부판(1)과 하부판(2)사이에 펠렛(3)을 넣어 동적 점탄성 측정기(레오미트릭스 인코포레이티드로부터 제조함)상에 펠렛(3)을 고정한다. 변형율 2%를 샘플에 부과하고, 5(1/s)의 전단 속도 및 16℃/분의 가열 속도의 조건하에서 토크(torque)를 측정한다. 샘플의 점도는 토크로부터 측정한다.
전술한 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물로 반도체 소자를 봉지하는 방법은 특히 한정되지 않는다. 상기 봉지는 공지된 성형 방법(예, 통상의 트랜스퍼 성형)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명은 실시예 및 비교 실시예를 참고로 하여 하기에 보다 상세하게 설명될 것이다.
실시예에 앞서 하기 화합물을 제조하였다.
[에폭시 수지]
하기 화학식(4)로 나타낸 비페닐계 에폭시 수지(에폭시 당량 200):
Figure 112000002226624-pct00004
[페놀 수지]
전술한 화학식(2)(상기식에서, n은 0 내지 21이고, 하이드록실 당량 175이다)로 나타낸 페놀-아르알킬 수지.
[무기 충전제 D1]
용융 실리카의 구형 분말(평균 입경 30㎛).
[무기 충전제 D2]
용융 실리카의 구형 분말(평균 입경 15㎛)
[무기 충전제 D3]
파쇄 용융 실리카 분말(평균 입경 15㎛)
[무기 충전제 D4]
파쇄 용융 실리카(평균 입경 6㎛)
[이형제]
폴리에틸렌 왁스.
[경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐]
3/1몰비의 크실일렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 부가물 11중량부 및 3/1몰비의 톨일렌 디이소시아네이트/트리메틸올프로판 4.6중량부를 경화 촉진제로서 트리페닐포스핀 7중량부와 에틸 아세테이트 3.9중량부의 혼합물에 균일하게 용해시켜 유상을 제조하였다.
증류수 100중량부와 폴리(비닐 알콜) 5중량부로 구성된 수성상을 별도로 제조하였다. 여기에 유상을 가하였다. 이 혼합물을 호모믹서로 처리하여 유화액을 얻었고, 이를 환류 축합기, 교반기 및 적하 깔때기를 구비한 중합반응기로 도입하였다.
다른 한편으로, 트리에틸렌테트라민 3중량부를 함유하는 수용액 10중량부를 제조하였다. 이 용액을 상기 중합 반응기에 구비된 적하 깔때기내에 넣었다. 상 기 수용액을 상기 중합 반응기내의 유화액에 적하시켜 70℃에서 3시간동안 계면 중합시켰다. 따라서, 마이크로캡슐형 경화 촉진제의 수성 현탁액을 얻었다. 이 현탁액을 원심분리시켜 수상중에 존재하는 폴리(비닐 알콜) 및 기타 성분을 제거하였다. 그런다음, 증류수 100중량부를 잔여물에 가하고 마이크로캡슐을 재분산시켜 현탁액을 얻었다. 이와 같이 얻어진 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐을 원심분리 및 수세를 반복한다음 건조시켰다. 따라서, 마이크로캡슐을 자유 유동성 분말 입자로서 단리시켰다. 얻어진 입자는 평균 입경 2㎛를 가졌다.
실시예 1 내지 5 및 비교 실시예 1 내지 4
표 1 및 표 2에 나타낸 성분을 각각의 배합에 따라 혼합하였다. 각각의 혼합물을 혼합 롤 제분기로 혼련시킨후 냉각시킨 다음 분쇄시켜 목적으로 하는 분말상의 에폭시 수지 조성물을 얻었다. 또한, 상기 혼합 롤 제분기를 이용한 혼련조건(혼련 온도 및 혼련 시간)은 표 1 및 표 2에 나타낸다.
실시예(중량부)
1 2 3 4 5
에폭시 수지 128 128 128 128 128
페놀 수지 99 99 99 99 99
무기 충전제 D1 1280 1000 - 640 890
무기 충전제 D2 - - 1280 640 490
무기 충전제 D3 - - 400 - -
무기 충전제 D4 550 300 150 550 450
이형제 3 3 3 3 3
경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐 12 12 12 12 12
혼련 온도(℃) 130 130 130 130 130
혼련 시간(분) 15 15 15 15 15

비교 실시예(중량부)
1 2 3 4
에폭시 수지 128 128 128 128
페놀 수지 99 99 99 99
무기 충전제 D1 1600 400 1000 930
무기 충전제 D2 220 - - 500
무기 충전제 D3 - 620 400 -
무기 충전제 D4 - 800 430 400
이형제 3 3 3 3
경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐 12 12 12 12
혼련 온도(℃) 130 130 130 100
혼련 시간(분) 15 15 5 5

이와 같이 얻어진 상기 실시예 및 비교 실시예의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 특성을 하기 방법에 따라 평가하였다. 얻어진 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타낸다.
[유동 시험기 점도에 의해 나타낸 175℃에서의 점도]
전술한 방법에 의해 시마쯔 가부시키가이샤에 의해 제조된 코카 유동 시험기 형태 CFT-100으로 6매쉬-패스 분말상 에폭시 수지 조성물을 시험하였다.
[최소 용융 점도]
전술한 방법에 의해 6메쉬-패스 분말상 에폭시 수지 조성물을 시험하였다. 즉, 냉간성형(압력: 100kg/cm2)에 의해 분말로부터 직경 25mm×중량 2g의 펠렛을 형성하였다. 이 펠렛을 하기의 조건하에서 전술한 방법에 따라 동적 점탄성 측정기(레오메트릭스 인코포레이티드에서 제조함)로 시험하였다.
가열: 16℃/분
주파수: 0.8rad/s(전단 속도 5s-1)
변형율: 2%
[점도비]
전술한 방법에 의해 6메쉬-패스 분말상 에폭시 수지 조성물을 시험하였다. 즉, 냉간성형(압력: 100kg/cm2)에 의해 분말로부터 직경 25mm×중량 2g의 펠렛을 형성하였다. 이 펠렛을 하기의 조건하에서 전술한 방법(도 1 참조)에 따라 동적 점탄성 측정기로 시험하여 90℃에서의 점도(Z1) 및 110℃에서의 점도(Z2)를 측정하였다. 상기 전자와 후자의 비를 산출하였다.
승온: 16℃/분
주파수: 0.8rad/s(전단 속도 5s-1)
변형율: 2%
더욱이, 상기 각각의 실시예 및 비교 실시예에서 얻어진 분말상 에폭시 수지 조성물을 사용하여 반도체 장치[160핀 사방향 플랫 패키지; QFP 160핀(28mm×28mm×3.0mm, 두께)]를 트랜스퍼 성형(조건: 175℃×90초) 및 175℃에서 5시간 후속 경화시켜 제조하였다.
[금선 변형율]
도 2에 도시한 바와 같이, 금선(14)(직경 30㎛; 최대 길이 3.8mm)을 9.5mm-각 다이 패드(10)를 갖는 각각의 QFP 160 핀 프레임에 부착시켰다. 이들 반도체 소자를 상기에서 얻은 각각의 에폭시 수지 조성물로 봉지시켜 패키지를 제조하였다. 도 2에서, 부호 15는 반도체 칩이고, 부호 16은 리드 핀이다. 제조된 패키지를 X-선 분석기로 시험하여 하기의 방법으로 금선 변형량을 측정하였다. 10개의 금선을 각각의 패키지에서 선택하였고, 도 3에 도시한 바와 같이, 각각의 금선(14)을 정면방향으로부터 관찰하여 금선 변형량을 측정하였다. 변형이 최대가 되는 금선(14)의 일부분상에서 선변형량을 측정하였고, 얻어진 값은 패키지에 대한 금선 변형량 값(dmm)으로 얻어졌다. d의 값으로부터 금선 변형율[(d/L)×100](여기서, L은 금선(14)의 단부사이의 거리(mm)이다)을 산출하였다.
[성형 불량 평가]
얻어진 반도체 장치를 성형 불량에 대해 시험하였고, 성형 불량을 갖는 반도체 장치의 개수(반도체 장치 100개당)을 측정하였다. 즉, 상기 QFP 160 핀을 성형시킨다음 공극 형성을 시험하여 불량의 반도체 장치를 측정하였다. 연 X-선 분광계로 공극을 시험하였고, 직경 0.1mm 이상의 공극을 갖는 반도체 장치를 불량으로 간주하였다.
[다이 패드 변형량]
전술한 각각의 에폭시 수지 조성물을 사용하여 도 4에 도시된 바와 같은 반도체 칩(15)이 탑재된 9.5mm-각 다이 패드(10)를 갖는 QFP 160 핀(11)을 형성하였다. 제조된 패키지(11)를 각각 절단(점선으로 절단 면을 나타냄)시키고, 절단면을 시험하여 하기의 방법으로 다이패드의 실제치와 설계치간의 차이에 대해 다이패드 변형량을 측정하였다. 즉, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 다이패드 위치 변동이 발생한 상태의 패키지에 있어서, 다이패드(10)의 4개의 모서리하에서의 수지층의 두께(a ㎛)를 측정하였다. 한편으로, 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 다이패드 위치 변동이 발생하지 않은 정상 상태의 패키지에 있어서, 다이패드(10)의 4개의 모서리하의 수지층의 두께(b ㎛)를 측정하였다. 각각의 다이패드(10)의 4개의 모서리 전체에 대해 수지 두께 측정을 수행하였고, 각각의 측정치와 상기 정상품과의 차이(a-b)를 절대치로 구하였다. 이들 차이의 평균치를 다이 패드 변형량으로 구하였다. 상기 반도체 장치의 평가결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타낸다.
실시예
1 2 3 4 5
유동 시험기 점도(포이즈) 300 50 500 300 300
최소 용융 점도(×104 포이즈) 4 1 10 10 7
점도비(90℃/110℃) 2.5 2 3.2 2 2.2
금선 변형율(%) 1.1 0 3.1 2.9 2.4
성형 불량 공극 발생(개/100개) 0 8 0 2 1
다이 패드 변형량(㎛) 10 0 21 18 12

비교 실시예
1 2 3 4
유동 시험기 점도(포이즈) 40 520 130 200
최소 용융 점도(×104 포이즈) 4 23 18 13
점도비(90℃/110℃) 2.3 2.2 2 1.5
금선 변형율(%) 1.2 9.6 7.2 6.7
성형 불량 공극 발생(개/100개) 92 0 16 3
다이 패드 변형량(㎛) 13 100 46 65
상기 표 3 및 표 4의 결과는 상기 특성(X) 내지 (Z)를 모두 만족시키는 실시예 1 내지 5에서 얻어진 에폭시 수지 조성물로 제조된 반도체 장치가 금선 변형을 일으키지 않고, 공극 발생이 극히 적고, 단지 약간의 다이 패드 위치 변동을 갖고, 따라서 높은 신뢰도를 갖는 것을 나타낸다. 이와 대조적으로, 비교 실시예의 반도체 장치는 금선변형, 공극 발생, 다이 패드 변형 등의 하나이상이 열악한 것으로 입증된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은, 특성(X) 내지 (Z)를 갖기 때문에, 그의 수지 조성물을 봉지재료로 이용하는 경우에, 수지 봉지시의 수지 유동에 의한 반도체 소자의 위치 변동 및 금선 변형 등의 칩 틸팅이 발생하지 않는다. 그 결과로서, 신뢰성이 높은 반도체 장치를 얻을 수 있다.
상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 구성성분으로서 무기 충전제 함량을 특정 범위로 설정함으로써 상기 조성물로부터 형성된 패키지는 흡수성을 감소시킬 수 있다. 그 결과로서, 상기 조성물로 제조된 반도체 장치는 설치후에 높은 신뢰성을 유지할 수 있다.
더욱이, 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물의 구성성분으로서 경화 촉진제가, 경화 촉진제를 포함하는 코어부 및 상기 코어부를 피복하는, 합성 수지를 포함하는 셀부로 구성된 코어/셀부 구조를 갖는 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐일 때, 상기 에폭시 수지 조성물의 구성성분은 고온에서 용융 혼련 시간을 종래보다 더 길게할 수 있다. 그 결과로서, 전술한 점도 특성(X) 내지 (Z)를 갖는 에폭시 수지 조성물을 얻는 것이 용이하다.

Claims (5)

  1. (X) 유동 시험기로 측정된 175℃에서의 점도는 50 내지 500포이즈이고;
    (Y) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서의 점도의 온도 분산에 있어서 최소 용융 점도는 1×105 포이즈 이하이고;
    (Z) 동적 점탄성 측정기로 측정된 전단 속도 5(1/s)에서 90℃에서의 점도(Z1)와 110℃에서의 점도(Z2)의 점도비(Z1/Z2)가 2.0이상인 특성을 갖고,
    에폭시 수지, 페놀 수지, 경화 촉진제 및 무기 충전제를 포함하되, 상기 무기 충전제의 함유량이 전체 에폭시 수지 조성물을 기준으로 80 내지 92중량%인 에폭시 수지 조성물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    경화 촉진제가, 경화 촉진제를 포함하는 코어부 및 상기 코어부를 피복하는, 합성 수지를 포함하는 셀부로 구성되는 코어/셀부 구조를 갖는 경화 촉진제를 함유하는 마이크로캡슐인 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 따른 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물로 반도체 소자를 봉지함으로써 제조되는 반도체 장치.
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