EP1320889A1

EP1320889A1 - Verbindungseinrichtung

Info

Publication number: EP1320889A1
Application number: EP01971698A
Authority: EP
Inventors: Robert Bergmann; Joost Larik; Ralf Otremba; Xaver Schloegel; Juergen Schredl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-06-25
Also published as: WO2002027789A1; WO2002027789B1

Abstract

Um bei der thermomechanischen Entlastung bei der Verbindung einer Schaltungseinheit (2) mit einer Kontakteinrichtung (4) einer Schaltungsanordnung (1) durch die Verbindungseinrichtung (10) möglichst wenig Platz zu beanspruchen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die Verbindungseinrichtung (10) im wesentlichen als vorgefertigten metallischen oder Legierungsbereich im Bereich der Schaltungseinheit (2) und im Bereich der Kontakteinrichtung (4) unter weitestgehender Vermeidung von Klebeelementen und Lotelementen auszubilden.

Description

cυ cυ M [-υ P¹ P¹

Cπ o cπ o Lπ o cπ

Cd r+ ^ P Φ CΛ α 3 < N α α Φ ω <: Vi 3 rt Cd Cd d <! Cd P¹ O ö <: Cd

Φ Φ P- P- Ω Φ Φ Φ 33 φ Φ P- Φ Φ Ω Φ Ω Φ SD φ φ 3 φ φ 3 N3 tr P- Φ Φ r P Φ Ω 3 3' 3 Ω P P- 3 rt 3 P 3 t P 3" Ω K p- P- P P- cn Φ Φ P ω

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P¹ o 3- SD 3 φ 3 ^* ?r d Ω P¹ Φ Φ P 3 rt 3 P φ SD co 3 3 Φ sQ s: tr Φ 3 N p- Φ SD 3 3^J P- 3 3 d V P <! • Φ α iQ P-

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co o bo t P¹ P¹ cπ o Cπ o cπ o Cπ

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und zu entlasten oder von thermomechanischen Belastungen zu entkoppeln.

Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung ist dadurch ge- kennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung im wesentlichen als - vorzugsweise vorgefertigter - metallischer oder Legierungsbereich zumindest teilweise im Bereich der Schaltungseinheit und/oder im Bereich der Kontakteinrichtung unter wei- testgehender Vermeidung von Klebeelementen und Lotelementen ausgebildet ist.

Es ist somit eine grundlegende Idee der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung, anstelle einer Klebung oder Lötung einen metallischen oder Legierungsbereich vorzusehen. Durch diese Maßnahme werden im Gegensatz zum Stand der Technik Klebehöfe oder Lothöfe vermieden, und es wird erfindungsgemäß somit Platz eingespart. Des Weiteren sind metallische oder Legierungsbereiche besonders geeignet, thermomechanische Verspannungen zwischen einer Schaltungseinheit und einer zu kon- taktierenden Kontakteinrichtung aufzufangen, weil durch eine entsprechend gewählte Zusammensetzung - insbesondere im Rahmen eines Vorfertigungsprozesses - günstige thermomechanische oder Wärmeausdehnungseigenschaften erreicht werden können. Des Weiteren ist ein Metallisierungs- oder Legierungsvorgang produktionstechnisch einfacher integrierbar als eine Klebung oder Lötung.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung ist mindestens ein Pufferbereich, insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen. Dieser ist so ausgebildet, dass im Betrieb die thermomechanischen Verspannungen zwischen der Schaltungseinheit und der Kontakteinrichtung aufgefangen werden können. Somit wird durch den vorgese^¬ henen Pufferbereich eine thermomechanische Entkopplung und Entlastung zwischen der Schaltungseinheit und der Kontaktein^¬ richtung der Schaltungsanordnung realisiert. co o to N> P¹ P¹ cπ o cπ O cπ o Cπ

φ Q rt tr o tr N SD tr SD H tr d CΛ O (Λ φ P- tr Cd N P α s: Φ N s: 3" P- ω rt td

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P- P- Φ P Φ Φ o 3 < P¹ o d Φ rt *υ -¹ P Ω P- tr cn

Ω CΛ C= CΛ 3 ^d 3 d 3 cn Φ Φ rt 3 P 3 P- α d d Φ cn tr φ d 3 P- rt tr SD: tr Ω 3 Φ O P- Φ Cd P d φ 3 vQ 3 d 3 Po P- Φ Φ P- 3 φ Ω N et rt Φ 3' d Φ Cd CΛ 3 3 P Φ tr 3 Ω CΛ Φ P vQ Po cn P- 3 3 sα 3 3- d s: d N P P- 3 φ Φ Hl P- vQ tr φ φ P Ω Φ rt rt \ Φ 3 Φ

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3 Φ Ω SD rt tr P- vQ α iQ α 3^* d Φ d 3 Ω vQ ≤ N Φ rt ^ Φ ¹ rt O φ CΛ 3 Hl d Φ Ω Φ CΛ Φ 3 P- 3 tr φ d P- P- < d o P Φ P

3 Φ Po 3 P- tr ω P- tr SD Q- 3 Ω ^_^ rt P- d P P 3 rt φ 3 d= 3 P Φ rt

SD 3 rt vQ φ rt 3" Φ cn Φ _\ 3- o ^ CΛ cn Φ P vQ 3 rt tr P- Φ

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3 Φ Φ Φ et p- 3 rt 3 rt 3 SD rt tr P Hl o P¹ Φ P- Ω Φ Φ Hl ≤ ^

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H •_^ P- φ Po vQ P- P rt 3" s: d Ω < Ω CΛ 3 3 rt d P ^^ d rt tr Φ tr rt P o SD P- P Cd α d Φ P- 3 tr Φ 3- tr Φ Φ 3" cn 3 o CΛ d Φ P TJ

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P SD d 0 vQ Φ P- 3" P- rt cn vQ rt d tr ≤ P Po Φ P- P o Φ Φ o P- Hi

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P- cn Φ 3 φ t O T) SD Φ Φ o vQ 3 P- 3 Ω 3 rt P- φ α 3' φ

Ω Ω 3 Φ P- rt 13 d 3 P P 3 rt " Ω Ω < σ ^ α SD cn P Φ P

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P- O SD 3^" Po P- Φ P¹ Hi Φ (Λ 3 d 3 Φ ~> 3 P ≤ 3 P rt P) Φ CΛ Φ SD Φ

O Φ 3 3 P P- 3 3 S. d φ P Ω Φ Φ cn vQ 3 vQ Po • α φ Φ tr rt Ω <1 P rt P- Φ 3 Φ O 3 P Φ 3" Ω CΛ tr P- cn Φ Φ P P- P- 3^* SD o Φ

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P- P- P- rT Cd cn o 3" Φ P- r+ 3 CΛ 3^" SD Ω Φ cn EP d SD Φ cn tr « 3 Ω Cn P-

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Schicht z.B. dem Puffer, besteht, durch welchen dann sowohl die Puffereigenschaft als auch die Verbindungsfunktion realisiert werden.

Vorteilhafterweise ist der Verbindungsbereich im Betrieb zumindest mit einem Oberflächenbereich davon als im wesentlichen integraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in einem Bereich der bestehenden Struktur der Kontakteinrichtung und/oder der Schaltungseinheit ausgebildet. Die Integration in eine bestehende Struktur ermöglicht auch im Hinblick auf die Ausgestaltung des Verbindungsbereichs eine automatisierte Fertigung, vorzugsweise in einem Vorfertigungsschritt.

Die Verbindungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass der Pufferbereich mit der Schaltungseinheit und der Verbindungsbereich mit der Kontakteinrichtung verbunden ist. Es bietet sich aber auch die umgekehrte Vorgehensweise an, bei welcher der Verbindungsbereich der Schaltungseinheit zugewandt und mit dieser verbunden ist und andererseits der Pufferbereich mit der Kontakteinrichtung in Kontakt steht.

Dabei können der Pufferbereich und der Verbindungsbereich im Betrieb zumindest mit jeweils einem weiteren Oberflächenbereich davon direkt verbunden sein, so dass der Pufferbereich und der Verbindungsbereich ohne eine zusätzliche Zwischenschicht in Kontakt stehen und aneinander befestigt sind.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung ist aber gerade ein zu- sätzlicher Zwischenbereich, insbesondere in Form einer Zwischenschicht vorgesehen, um den Pufferbereich und den Verbindungsbereich im Betrieb miteinander indirekt mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden. Dadurch kann erreicht werden, dass sowohl die Schaltungseinheit und die Kontaktein- richtung als auch der Pufferbereich und der Verbindungsbereich thermomechanisch weiter voneinander entkoppelt werden, o t ⁾ t P¹ P> o cπ o Cπ o UI tr P- ≤ « SD SD ≤ td tr tr o CΛ 3 > d ω Tl > ω o CΛ cn P < φ 13 n Cd CΛ

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P P- 3 ω Po P- rt P¹ 3 P 3 tr 3 d tr P Po 3 P φ P- tr P- P P rt 3 P

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ner Chiprückseite und einem Diebond aufzubauen. Bisher wurden diese thermomechanischen Verspannungen zwischen einem Chip und zum Beispiel einem Leadframe durch eine Klebung oder Lötung ausgeglichen.

Durch die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung und insbesondere durch den Puffer oder Pufferbereich können die auftretenden Verspannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von zum Beispiel Silizium und Kupfer je nach Dimensionierung aufgefangen werden. Durch die Verwendung eines Pufferbereichs oder Puffers werden die montagebedingten maximalen Chipflächen der einzelnen Gehäusetypen deutlich erhöht. So stehen für jeden Gehäusetyp insgesamt größere Chipflächen zur Verfügung, die beim herkömmlichen Verfahren durch Klebung oder Lötung durch die entsprechenden Klebe- oder Löthöfe eingeschränkt wären.

Des weiteren begünstigt die Pufferschicht den Legierungspro- zess. Gewöhnlich sind die dünnen Legierungsschichten - von z.B. lμm - nur bei kleinen Chipflächen anwendbar. Durch die Pufferschicht werden erfindungsgemäß auch große Chipflächen möglich, wie sie auch beim Kleben oder Löten erreichbar sind.

Ferner ist auch der Legierprozess erheblich einfacher zu rea- lisieren als der Klebeprozess oder der Lötprozess. Dies führt insgesamt zu einer deutlichen Prozessverbilligung.

Ein weiterer Vorteil liegt in der weitaus besseren Zuverlässigkeit der Legierverbindung gegenüber anderen Diebondprozes- sen.

Maßgeblich für die oben beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung ist auch die Entkopplung zwischen Pufferschicht und Verbindungsschicht. Dabei wird der Puffer in eine andere bereits bestehende Struktur, nämlich der Struktur der Schaltungseinheit oder der Struktur der Kontakteinrichtung, integriert.

Durch die Verwendung eines Pufferbereichs mit den oben angegebenen Eigenschaften würde die maximale diebondbare Chipfläche in einem Gehäuse gegebener Dimension deutlich erhöht, weil die Verbindungsschicht sich bereits auf der Chiprückseite oder auf dem Leadframe befindet und somit nicht beim Die- bondprozess selbst aufgebracht werden muss.

Die so frei werdende Fläche auf der Kontakteinrichtung, welche bisher von Klebehöfen oder Lothöfen benetzt wurde, steht nunmehr dann als mögliche zusätzliche Chipfläche nutzbar zur Verfügung.

Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Darstellungen:

Wie oben bereits erwähnt wurde, wird vorgeschlagen, eine Ver- bindungsschicht im Verbindungsbereich, insbesondere in einem ersten Bereich davon, aus Gold und Zinn oder aus Zinn allein auszubilden. Der Verbindungsbereich insgesamt und insbesondere der erste Bereich davon, welcher Zinn zumindest enthält, wird vorteilhafterweise möglichst dünn realisiert und dabei zwischen zwei Bereichen oder Schichten aus demselben Material - nämlich entweder zwischen zwei Silberschichten oder zwischen zwei Kupferschichten - angeordnet.

Durch dieses Vorgehen bildet sich durch Wechselwirkung der Materialien der Zwischenschicht und der Verbindungsschicht im Rahmen eines Legierungsaustausches eine neue Legierungsverbindung zwischen Zinn Sn und Silber Ag bzw. Kupfer Cu im Bereich der ersten und zweiten Bereiche des Verbindungsbereichs und des ersten Bereichs des Zwischenbereichs aus. co co ro N) P¹ P¹ cπ o Cπ O cπ o Cπ

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Ein Detail X der mit einer Pufferschicht 12, einer Zwischenschicht 14 und einer Verbindungsschicht 16 versehenen Verbindungseinrichtung 10 ist in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht in der Fig...2 dargestellt.

Dort ist gezeigt, dass im oberen Bereich von der Schaltungsanordnung 2, welche aus einem Siliziumchip besteht, ausgehend, sich eine aus Aluminium gefertigte Pufferschicht 12 anschließt. Es folgt eine Zwischenschicht 14 im Übergang zur Verbindungsschicht 16, wobei die Zwischenschicht 14 einen Bereich 14-2 aus Titan und nachfolgend einen anderen Bereich 14-1 aus Silber aufweist, welche beide in etwa eine Schichtstärke von 0,5 μm aufweisen. Die Titanschicht 14-2 liegt an der Aluminiumpufferschicht 12 an, während die Silberschicht 14-1 mit der nachfolgenden Schicht 16-2 des Verbindungsbereichs 16 verbunden ist.

Der Verbindungsbereich 16 bei dieser Ausführungsform besteht ebenfalls aus zwei Schichten nämlich einer mit der Zwischen- Schicht 14 verbundenen Schicht 16-2 aus Gold und Zinn mit einer Stärke von 1 μm sowie nachfolgend einer anderen Schicht 16-1, welche aus Silber besteht und welche im Oberflächenbereich 16b mit dem Kupfer des Leadframes oder der Kontakteinrichtung 4 verbunden ist.

Fig. 3 zeigt in teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 30 aus dem Stand der Technik.

Bei dieser sind ebenfalls in einem Gehäuse 36 aus einer Vergussmasse Kontakteinrichtungen 34 und 35 eingelassen. Die Schaltungseinheit 32 der herkömmlichen Schaltungsanordnung 30 ist über eine Klebung oder Lötung 31 mit der Kontakteinrichtung 34 verbunden. O CO t to P¹ P¹ cπ o cπ o cπ O cπ tr Hl H rt P tr 3 ^d sS rr sS !X tc O vQ rt CL ω Cn > O t-^J CL P <! vQ P rt rt P H d: 3 Φ d φ P- φ Φ d Φ O: tr φ Φ P- 13 P- d tr SD d φ Po O Φ P- d SD P- 3

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ersten Bereich 16-1 des Verbindungsbereichs 16. Zusätzlich ist dieser erste Bereich 16-1 der Verbindungschicht 16 als integraler Bestandteil des Leadframes 4, nämlich von dessen Oberfläche, ausgebildet. Des Weiteren besteht der zweite Bereich 16-2 der Verbindungsschicht 16 ausschließlich aus Zinn und enthält somit keine Mischkristalle wie bei der Ausführungsform der Fig. 2.

Claims

Patentansprüche

1. Verbindungseinrichtung für eine Schaltungsanordnung, insbesondere für ein Halbleitermodul oder dergleichen, welche ausgebildet ist, im Betrieb mindestens eine Schaltungseinheit (2) , insbesondere einen Chip oder dergleichen, der Schaltungsanordnung (1) mit mindestens einer Kontakteinrichtung (4) der Schaltungsanordnung (1) mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden und dabei die Schaltungseinheit (2) und die Kontakteinrichtung (4) thermomechanisch im wesentlichen zu entkoppeln, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungseinrichtung (10) im wesentlichen als - vorzugsweise vorgefertigter - metallischer oder Legierungs- bereich zumindest teilweise im Bereich der Schaltungseinheit (2) und/oder im Bereich der Kontakteinrichtung (4) unter wei- testgehender Vermeidung von Klebeelementen und Lotelementen ausgebildet ist.

2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Pufferbereich (12) , insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen ist, durch welchen im Betrieb thermomechanische Verspannungen zwischen der Schaltungseinheit (2) und der Kontakteinrichtung (4) auffangbar und somit die Schaltungseinheit (2) und die Kontakteinrichtung (4) thermomechanisch entkoppelbar sind.

3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pufferbereich (12) im Betrieb zumindest mit einem Oberflächenbereich (12a) davon als im wesentlichen integraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in einem Bereich der bestehenden Struktur der Schaltungseinheit (2) und/oder der Kontakteinrichtung (4) ausbildbar ist.

4. Verbindungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens ein Verbindungsbereich (16) , insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen ist, durch welchen im Betrieb eine mechanische und/oder elektrische Verbindung im wesentlichen zwischen der Schaltungseinheit (2) und der Kontakteinrichtung (4) ausbildbar ist.

5. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verbindungsbereich (16) im Betrieb zumindest mit einem Oberflächenbereich (16b) davon als im wesentlichen integraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in einem Be- reich der bestehenden Struktur der Kontakteinrichtung (4) und/oder der Schaltungseinheit (2) ausgebildet ist.

6. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pufferbereich (12) und der Verbindungsbereich (16) im Betrieb zumindest mit jeweils einem weiteren Oberflächenbereich (12b, 16a) davon direkt verbunden sind.

7. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pufferbereich (12) und der Verbindungsbereich (16) im Betrieb über einen vorgesehenen Zwischenbereich (14), insbesondere über eine Zwischenschicht, miteinander mechanisch und/oder elektrisch verbunden sind.

8. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pufferbereich (12) , der Zwischenbereich (14) und/oder der Verbindungsbereich (16) schichtförmig ausgebil- det sind und/oder eine Mehrzahl metallischer und/oder Legie^¬ rungsschichten aufweisen, so dass im Betrieb im Übergang von der Schaltungseinheit (2) zur Kontakteinrichtung (4) hin ein im wesentlichen schichtförmiger Verlauf vorliegt.

9. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Pufferbereich (12) Aluminium aufweist oder im wesentlichen daraus gebildet ist.

10. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

- dass der Verbindungsbereich (16) einen ersten Bereich (16- 1) aufweist, welcher Silber enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb direkt mit der Kontakteinrichtung (4) verbunden ist, und - dass der Verbindungsbereich (16) einen zweiten Bereich

(16-2) aufweist, welcher Gold und Zinn enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb auf einer von der Kontakteinrichtung (4) abgewandten Seite angeordnet ist, vorzugsweise in Verbindung mit der Schal- tungseinheit (2) , gegebenenfalls in direkter Verbindung mit einem Zwischenbereich (14) oder Pufferbereich (12).

11. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - dass der Zwischenbereich (14) einen ersten Bereich (14-1) aufweist, welcher Silber enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Verbindungsbereich (16) verbunden ist, und

- dass der Zwischenbereich (14) einen zweiten Bereich (14-2) aufweist, welcher Titan enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Pufferbereich (12) verbunden ist.

12. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - dass der Verbindungsbereich (16) einen ersten Bereich (16- 1) aufweist, welcher Kupfer enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb direkt mit der Kontakteinrichtung £.4) verbunden ist, und - dass der Verbindungsbereich (16) einen zweiten Bereich

(16-2) aufweist, welcher Zinn enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb auf einer von der Kontakteinrichtung (4) abgewandten Seite angeordnet ist, vorzugsweise in Verbindung mit der Schaltungseinheit (2), gegebenenfalls in direkter Verbindung mit einem Zwischenbereich (14) oder Pufferbereich (12) .

13. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

- dass der Zwischenbereich (14) einen ersten Bereich (14-1) aufweist, welcher Kupfer enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Verbindungsbereich (16) verbunden ist, und - dass der Zwischenbereich (14) einen zweiten Bereich (14-2) aufweist, welcher Titan enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Pufferbereich (12) verbunden ist.

14. Verbindungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Teil des Verbindungsbereichs (16) , insbesondere der erste Bereich (16-1) davon, als Teil der Kontakt- einrichtung (4), insbesondere des Leadframes, und/oder als integraler Bestandteil davon ausgebildet ist.

15. Verwendung einer Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Schaltungsanordnung, insbesondere in einem Halbleitermodul oder dergleichen, zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung einer Schaltungseinheit (2) , insbesondere eines Chips oder dergleichen mit mindestens einer Kontakteinrichtung (4) .

16. Schaltungsanordnung, insbesondere Halbleitermodul oder dergleichen, mit mindestens einer Schaltungseinheit (2), insbesondere einem Chip oder dergleichen, und mit mindestens einer Kontakteinrichtung (4) zur Kontaktierung der Schaltungseinheit (2) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung der

Schaltungseinheit (2) mit der Kontakteinrichtung (4) mindestens eine Verbindungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 vorgesehen ist.