[发明专利]使用锌的软焊接结构及方法

说明书

技术领域

本发明涉及软焊接，更特别地，涉及包括Zn层的软焊接结构和软焊接方法。

背景技术

软焊接(soldering)，是电子元件接合(electronic joint)所需的接合方法之一，通过在450℃以下的温度熔化第三材料来将两个部件接合在一起。第三材料称为焊料。传统上，包括铅(Pb)的焊料已被长期使用。然而，由于意识到铅是有毒的，且其使用已被管制，所以使用无铅焊料的软焊接方法吸引了大量注意。在使用无铅焊料的常规软焊接方法中，Cu结合层用在基板和无铅焊料之间。

作为无铅焊料，使用Sn作为主要成分的焊料正在增多。包括Sn焊料的焊接结构的示例示于图1中。

图1的传统无铅软焊接结构包括基板10、结合层或结合垫20、及焊料30。结合层20使用Cu层。焊料30可由SnAgCu制成。

图1所示的软焊接结构显示了结合界面的弱结合强度和脆性，导致产品可靠性的降低。即，当包括Sn的焊料30结合到结合层20时，Ag₃Sn小片(platelet)和Cu₃Sn相产生于焊料30和结合层20的界面处。因此，该软焊接结构容易破裂。

在传统软焊接工序中进行回流工序之后，Sn基焊料在冷却工艺期间经历过冷却(undercooling)。Sn焊料的过冷却造成Ag₃Sn颗粒的形成和分离，其流入过冷却的熔融Sn。于是，不规则地构成了无铅焊料。Ag₃Sn颗粒在熔融Sn内迅速生长并形成Ag₃Sn小片。

在上述软焊接结构中，如果后来出现了裂纹，该裂纹会沿其上形成Ag₃Sn小片的界面迅速蔓延。使用上述传统软焊接结构将芯片结合至基板而制造的电子器件将由于裂纹而是有缺陷的，该裂纹可在器件受到冲击或应力集中于焊接接合处时形成。由于在传统软焊接结构中裂纹迅速蔓延，所以焊接接合处的可靠性变差。

同时，在传统的软焊接结构中，会形成较厚的金属间化合物(inter-metallic compound，IMC)层，且因此导致空缺(void)的形成。

图2是在传统软焊接结构中生成的IMC和空缺的概念图。如图2所示，当焊料300在结合层20上回流时，在结合层20和焊料300之间的界面区域产生Cu₆Sn₅相。然后，随着老化过程的进行，在Cu₆Sn₅和Cu之间的界面产生Cu₃Sn相。

金属之间的界面中产生的化合物例如Cu₃Sn相和Cu₆Sn₅相通常被称为IMC。

由于传统软焊接结构的厚IMC在内部界面中产生空缺(void)或孔(pore)，所以软焊接强度变差。具体的，由于Cu₃Sn相产生时发生固相扩散，所以空缺或孔会产生在界面中。结果，软焊接结构会容易地被破坏。

因此，传统软焊接结构和方法在使用无铅焊料时存在困难。

发明内容

本发明的示范性实施例克服了上述缺点以及上面未描述的其他缺点。另外，本发明不是必须克服上述缺点，本发明的示范性实施例可以不克服任何上述问题。

本发明提供一种软焊接结构和方法，用于通过包括高度反应性的(reactive)Zn而增强软焊接特性和可靠性。

根据本发明的一个方面，提供一种软焊接结构，包括含有Zn的结合层(bonding layer)、以及结合到该结合层并对其起反应的无铅焊料。

该结合层可以是Zn合金层。

该Zn合金层可以是由Zn以及选自Cu、Ag、Au、Pd、Ni、Cr和Ti构成的组的至少一种形成的合金。

该结合层可包含基于该结合层的总重量在0.1～30％的量的Zn。

该Zn合金层的厚度可在0.5～10μm的范围。

该结合层可以是包括Zn层的多层。

当该结合层是包括Zn层的多层时，该Zn层可位于该多层的朝向无铅焊料的顶部，且该Zn层的厚度可为1μm或更小。

该软焊接结构还可包括支承该结合层的基板。

该软焊接结构还可包括使该基板与无铅焊料绝缘的绝缘层。

该无铅焊料可以是SnAg、SnAgCu、SnCu、SnBi、SnIn、SnZn、SnZnBi和SnZnIn之一。

根据本发明的以上方面，一种软焊接方法包括形成含Zn的结合层于基板上，且形成无铅焊料于该结合层上。