반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물{Composition of semiconductor device attaching paste}

본 발명은 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조성물 성분 중 경화촉진제의 선택 및 그 함량 제어를 통해 다이 접착제 도포 후, 비스테이징 단계에서의 열량 변화를 조절하여 과경화를 방지할 수 있는 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 패키징 공정에 있어서, 칩을 적층하거나 PCB 또는 리드-프레임(Lead-frame)과 같은 지지부재에 접착할 때 사용되는 접착제로써 다이 접착 페이스트가 널리 사용되고 있다.

반도체 패키지의 한 형태에서, 반도체 다이 또는 칩은 기판에 전기적으로 접속되는 한편 접착제에 의해 기계적으로 접합된다. 기판은 다른 전기적 소자 또는 외부 파워 소스에 연결된다. 제조 공정은 연속적인 일련의 단계로 실행될 수 있고, 그렇지 않으면 기계적 부착을 위해 접착제를 사용하여 기판을 제조한 다음 추후 일정 시간까지 유지시킬 수 있다.

제조 공정이 연속적인 일련의 단계로 실행될 경우, 기판 상에 접착제가 도포 되고, 반도체 칩을 접착제와 접촉시키고, 접착제는 열 또는 열과 압력을 가함으로써 경화된다. 적합한 접착제는 무용매 액체 및 페이스트 또는 고체일 수 있다. 액체나 페이스트 형태일 경우, 접착제는 가열에 의해 경화와 함께 응고된다. 접착제를 기판에 도포한 후 제조 공정을 중단하고 최종 조립 공정을 추후 시점까지 보류해야 할 경우, 접착제는 온전히 보존되기 위해 응고된 형태로 존재해야 한다. 고체 접착제는 블리딩(bleeding)이 최소이거나 전혀 없는 이점 및 본드라인(bondline), 즉 칩과 접착제간 계면(interface)의 두께 및 틸트(tilt)를 양호하게 제어할 수 있는 이점을 제공한다.

일부 반도체 패키지 응용에 있어서, 공정상의 이유에서 페이스트 접착제가 필름 접착제보다 바람직하지만, 고체의 본드라인 및 필렛(fillet) 제어가 요구된다. 그러한 경우에, B-스테이지 가능형(B-stageable) 접착제로 알려진 접착제가 사용될 수 있다. 원료인 접착제 물질이 고체인 경우, 상기 고체는 용매에 분산되거나 용해되어 페이스트를 형성하고, 그 페이스트가 기판에 적용된다. 이어서, 용매를 증발시키기 위해 접착제를 가열하여, 고체 상태로서 경화되지 않은 접착제를 기판에 남긴다. 원료인 접착제 물질이 액체 또는 페이스트인 경우, 접착제는 기판 상에 분배되고, 접착제가 고체 상태로 부분 경화되도록 가열된다.

전술한 바와 같은 다이 접착용 접착 페이스트는 피접착부재, 예컨대 PCB 기판이나 리드프레임 상에 도포된 이후, 비스테이징 또는 각종 열처리 공정이 반복적으로 진행되어야 하며, 실제 처리 공정에서는 145 내지 165℃의 고온 조전에서 60 내지 90 분 정도의 장시간 동안 방치되거나 공정 처리되고 있다. 이러한 조건에서 는 다이 접착제가 과경화되어 다이 접착 불량을 발생시킬 수 있으며, 다이 접착력이 저하되어 제품 불량으로 귀결되는 원인이 되고 있다.

따라서, 종래와 같은 고온 장시간의 환경에서도 과경화가 이루어지지 않으면서도, 다이 접착이 양호하게 이루어지도록 하며, 이를 이용한 반도체 소자의 안정성과 신뢰성을 확보하기 위한 기술 개선의 노력이 관련업계에서 지속적으로 이루어지고 있다. 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 다이 접착제를 피접착부재에 도포한 이후, 후속되는 비스테이징 공정 또는 각종 열처리 공정의 고온의 환경에서 장시간의 공정 진행 중에서 다이 접착제의 과경화의 문제가 발생하여 다이 접착에 불량이 발생하거나 접착력이 저하되는 문제를 해결하는 것이다. 본 발명은 이러한 과제를 달성할 수 있는 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 과제 해결 수단으로 제공되는 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물은, 에폭시 수지; 무기충진제; 유기성 충진제; 및 가소제를 포함하여 이루어지며, 사기 조성물 전체 100 중량부 대비 5 내지 20 중량부의 잠재성 경화제; 및 상기 잠재성 경화제 100 중량부 대비 0.1 내지 1 중량부의 경화촉진제를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 잠재성 경화제는, 페놀(phenol)계 또는 산무수물(acid anhydride)계 물질이면 바람직하다. 상기 경화촉진제는, 이미다졸(imidazol)계, 포스핀(phosphine)계, 아민(amine)계 물질 중 선택된 하나의 단일물 또는 둘 이상의 혼합물이면 바람직하다. 상기 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 수지 조성물은, 반도체 소자의 패키징 공정 중 진행하는 비스테이징 단계에서의 기준치에 비해 -5 내지 +5 J/g의 열량변화범위를 가지며 바람직하다. 상기 상기 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 수 지 조성물은, 이를 이용하여 반도체 소자를 패키징하는 비스테이징 단계에서, 기준 온도가 155℃이고, 그 상하 편차가 10℃ 이내인 상태에서 기준치에 비해 -5 내지 +5 J/g의 열량변화범위를 가지면 바람직하다.

이때, 상기 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물에서, 상기 에폭시 수지는 10 내지 50 중량%이고, 상기 무기충전제는 7 내지 10 중량%이고, 상기 유기성 충진제는 15 내지 30 중량%이고, 상기 가소제는 10 내지 30 중량%이며, 상기 에폭시 수지는 고상과 액상의 비율이 1:1 내지 3:1이면 바람직하다.

본 발명에 따르면, 다이 접착 공정 중 진행되는 비스테이징 또는 각종 열처리 공정 중에서도 과경화되지 않으면서 일정한 경화율을 유지할 수 있으므로, 제품 신뢰성을 확보할 수 있는 장점을 갖는다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 과제 해결 수단으로 제공되는 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물은, 에폭시 수지, 무기충진제, 유기성 충진제, 및 가소제를 포하마여 이루어 지며 여기에 잠재성 경화제와 경화촉진제를 더 포함하여 완서된 조성물이 준비된다.

상기 액상 및 고상의 에폭시 수지, 무기충진제, 유기성 충진제 및 잠재성 경화제의 성분 중량합을 100으로 하였을 때, 에폭시 수지는, 10 내지 50 중량%, 무기충진제는 7 내지 10 중량%, 유기성 충진제는 15 내지 30 중량%, 가소제는 10 내지 30 중량%, 및 잠새성 경화제는 5 내지 20 중량%의 함량을 갖도록 조절하면 바람직하다. 이때, 상기 경화촉진제는 상기 잠재성 경화제 100 중량부 대비 0.1 내지 1.0 중량부의 함량으로 더 포함되어 본 발명이 제공하는 조성물을 완성하면 바람직하다.

본 발명에서는 경화촉진제가 미량으로 포함되도록 하여, 다이 접착 공정 진행 중에 과경화의 문제가 발생되지 않도록 하며, 다이 접착 불량의 문제 및 다이 접착제의 접착력 저하의 문제를 제어하고 있다.

상기 에폭시 수지는, 비스페놀A, 비스페놀F. 크레졸 노볼락, 페녹시계의 에폭시 등이 사용되면 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 에폭시 수지는 취급성을 위한 택성의 조절과 가용성을 위해 고상과 액상의 비율이 1:1 ~ 1:3이면 바람직하다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 각, 페녹시와 비스페놀 A 에폭시가 사용되었다.

상기 무기충진제는, 내습 및 완충재로서 작용하며, 그 함량 범위에 미달하면제품 신뢰성이 저하되고, 그 함량범위를 초과하면 접착력이 낮아져 바람직하지 못하다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 실리카가 사용되었다.

상기 유기성 충진제는, 분자량 5만 이상의 액상 폴리부타디엔, 아크릴로니트릴부타디엔, 글리시딜 아크릴레이트, 스타이렌부타디엔고무 등을 사용할 수 있으며, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 상기 유기성 충진제 성분의 함량 조절로 페이스트 조성물의 점도를 조절할 수 있다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 아크릴로니트릴부타디엔이 사용되었다.

상기 가소제는, 에폭시기 단말의 부타디엔 고무(ETBN, Epoxy terminated butadiene rubber), 카복시기 단말의 부타디엔 고무(CTBN, Carboxy erminated butadiene rubber) 등을 사용할 수 있으며, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 상기 가소제 성분으로 이용되는 고무는 에폭시 수지와의 상용성을 향상시키는 작용을 한다. 따라서, 상기 함량 범위를 벗어나는 경우에는 수분 저항성 테스트(MRT, Moisture Resistance Test)의 신뢰성이 감소될 수 있어 바람직하지 못하다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 ETBN이 사용되었다.

상기 잠재성 경화제는, 페놀계 또는 산무수물계이면 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 함량 범위에 미달하면 경화율이 너무 낮아지고, 그 함량 범위를 초과하면 보관성 저하 및 분자량 감소가 유발될 수 있어 바람직하지 못하다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 파탈릭산무수물(Phthalic Anhydride)이 사용되었다.

상기 경화촉진제는, 이미다졸(imidazol)계, 포스핀(phosphine)계, 아민(amine)계 물질 중 선택된 하나의 단일물 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 함량 범위에 미달하면 경화율이 너 무 낮아질 수 있으며, 상기 함량 범위를 초과하면 택(tack)값이 감소하여 다이 접착이 용이하지 못하게 되어 바람직하지 못하다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 2-에틸-4-메틸이미다졸이 사용되었다.

상기 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물은, 상기 조성물 전체 중량 대비 30 내지 40 중량부로 더 포함되며, 메틸카비톨(Methyl Carbitol), 에톡시트리글리콜(Ethoxytriglycol), 메틸프로파졸(Methyl Propasol), 및 프로필 디프로파졸(Propyl Dipropasol)로 이루어진 반응성 용매 군 중에서 선택된 하나의 물질을 용매로 사용하면 바람직하다. 상기 용매로 선택되는 물질의 함량을 조절하여 조성물의 점도를 조절할 수 있다. 본 발명에 따르는 하기 실시예에서는 구체적으로 에톡시트리글리콜이 사용되었다.

상기 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 조성물은, 반도체 소자의 패키징 공정 중 진행하는 비스테이징 단계에서의 기준치에 비해 -5 내지 +5 J/g의 열량변화범위를 가지면 바람직하다. 상기 상기 반도체 소자 제조용 접착 페이스트 수지 조성물은, 이를 이용하여 반도체 소자를 패키징하는 비스테이징 단계에서, 기준 온도가 155℃이고, 그 상하 편차가 10℃ 이내인 상태에서 기준치에 비해 -5 내지 +5 J/g의 열량변화범위를 가지면 바람직하다.

본 발명에 따르는 반도체 소자 제조용 접착 페이스 조성물은 다음과 같은 구체적인 실험 결과에 기초하여 본 발명의 기술적 효과를 살펴보기로 한다.

샘플 확보를 위한 페이스트 조성으로서, 아크릴로니트릴부타디엔 15g, ETBN 19g, 페녹시 21g, 비스페놀A 45g, 무기필러인 실리카 8g을 에톡시트리글리콜 용매 에 용해시킨다. 상기 용액을 균일하게 섞은 후, 잠재성 산무수물계 경화제인 파탈릭산무수물(Phthalic Anhydride) 20g, 경화촉진제로서 2-에틸-4-메틸이미다졸의 함량을 하기 표 1과 같이 샘플을 구분하여 첨가한 후, 기판 위에 프린팅하고, 155±10℃에서 30분 동안 비스테이징 공정을 진행한다. 이후, 상기 비스테이징이 완료된 페이스트 상에 11.0㎜×11.0㎜의 실리콘 칩(다이)을 접착시킨다. 이때의 접착은 100 내지 130℃의 온도 조건에서 0.2 내지 2.0 초간 5 내지 7kgf의 하중으로 진행하였다. 이후, 각 샘플에 대해 접착력 및 다이 접착 특성을 평가한 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.

상기 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 경우에는 다이 접착 페이스트 내에 발생된 보이드(void)의 발생량이 현저하게 적게 나타났으며, 다이 접착 특성이 매우 강하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이에 비해 비교예 2 및 3의 경우에는 보이드 발생량이 상대적으로 많고, 박리강도가 낮게 측정됨으로 인해 다이 접착 특성이 좋지 않음을 확인할 수 있다.

한편, 위 표 1에 구분된 바에 따르는 각각의 샘플에 대한 시차주사열량계(DSC, Differential Scanning Calorimeter)에 의한 열량 측정을 행한 결과, 155±10℃의 온도 범위에서 열량 곡선의 기술이가 실시예 1의 경우에는 매우 완만하게 관찰되어 열량 변화가 거의 없음을 확인할 수 있지만, 비교예 1 및 2의 경우에는 상대적으로 열량 곡선의 기술기의 변화가 크게 일어나고 있음을 확인할 수 있다. 이로부터, 비교예 1 및 2의 경우에는 다이 접착 특성 및 접착력 저하가 초래되고 있음을 알 수 있으므로, 비스테이징 단계에서의 열량 변화의 제어를 통해서 접착 페이스트 조성물의 물성도 제어될 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.