DE2031725C3

DE2031725C3 - Device for connecting a semiconductor element to a carrier plate

Info

Publication number: DE2031725C3
Application number: DE19702031725
Authority: DE
Inventors: William Joseph Poughkeepsie; Wilcox David Lavern Hopewell Junction; Lin Paul Ta-Chen Beacon; N.Y.; Winter Edwin Michael West Los Angeles Calif.; King (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-08-14
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1976-04-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verbin den eines scheibenförmigen Halbleiterelementes mi einer parallelen Trägerplatte, die auf den einander zu gewandten Seiten metallische Kontaktflächen unc Kontaktbahnen besitzen, wobei das Halbleiterelemeni und die Trägerplatte durch Verbindungsstücke elektrisch und mechanisch miteinander verbunden und räumlich getrennt sind.The invention relates to a device for connec the a disk-shaped semiconductor element mi a parallel carrier plate, the metallic contact surfaces unc on the mutually facing sides Have contact tracks, the semiconductor element and the carrier plate electrically by connecting pieces and are mechanically connected and spatially separated.

Die heutige HalbJeitertechnik ist so weit Jorigeschritten, daß eine Vielzahl von Schaltkreisen in nur einem Halbleiterplättchen von extrem kleiner Fläche, z. B. 0,6 χ 0,6 mm, untergebracht werden können. Die Schaltkreiselemente können dabei passiv, wie Widerstände und Kondensatoren, oder aktiv, wie Transistoren oder Dioden, sein und nach bekannten Verfahren wie beispielsweise Diffusion von Fremdatomen oder epitaxialem Aufwachsen gebildet werden.Today's half-jester technique has gone so far, that a multitude of circuits in just one semiconductor die with an extremely small area, z. B. 0.6 χ 0.6 mm, can be accommodated. The circuit elements can be passive, like resistors and capacitors, or active, such as transistors or diodes, and according to known methods such as diffusion of foreign atoms or epitaxial growth are formed.

Bei jedem derartigen Halbleiterelement müssen Mittel vorgesehen sein, die Verbindungen nach außen herstellen, z. B. zu anderen Halbleiterelementen, Stromversorgungsleitungen usw. Eine bekannte Verbindungsart besteht darin, das Halbleiterelement über leitende Verbindungsstücke mit einer Trägerplatte, die metallische Kontaktbahnen besitzt, zu verbinden. Die Kontaktbahnen werden zu den Kanten der Trägerplatte geführt, damit eine Verbindung zu einer größeren Kontakteinheit hergestellt werden kann.In every such semiconductor element, means must be provided which establish connections to the outside, z. B. to other semiconductor elements, power supply lines, etc. A known type of connection consists in the semiconductor element via conductive To connect connecting pieces with a carrier plate, which has metallic contact tracks. The contact tracks are led to the edges of the carrier plate, thus a connection to a larger contact unit can be produced.

Die elektrische Verbindung erfolgt zwischen Kontaktflächen auf der Halbleiteroberfläche und entsprechenden Kontaktflächen auf der Trägerplatte. Die Verbindungsstücke haben auch eine mechanische Funktion, da sie das Halbleiterplättchen tragen und dabei einen bestimmten Abstand zwischen diesem und der Trägerplatte herstellen müssen. Sind das rlalbleiterplättchen und die Trägerplatte räumlich nicht voneinander getrennt, dann können durch die Kontaktflächen auf der Trägerplatte die im Halbleiter enthaltenen Schaltkreise kurzgeschlossen werden.The electrical connection is made between contact areas on the semiconductor surface and corresponding ones Contact surfaces on the carrier plate. The connectors also have a mechanical function, because they carry the semiconductor wafer and thereby a certain distance between this and the carrier plate need to manufacture. If the semiconductor plate and the carrier plate are not spatially separated from one another, then the circuits contained in the semiconductor can through the contact surfaces on the carrier plate be short-circuited.

Starre Verbindungsstücke wie Kupferkugeln sind bereits verwendet worden; jedoch die Starrheit, die einen Vorteil dadurch ergibt, daß ein fester Abstand zwischen Halbleiter und Trägerplatte eingehalten wird, wirkt sich nachteilig auf die Ermüdungserscheinungen der Verbindungen aus. Eine typische Anwendung von Halbleiter-Trägerplatte-Anordnungen erfolgt in Rechenanlagen. Die Temperaturänderungen, die sich beim Wechsel vom Einschalt- in den Ausschaltzustand und umgekehrt ergeben, verursachen durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des HaIbleiters und der Trägerplatte eine Schubbeanspruchung, die auf die Verbindungsstücke wirkt. Die ständigen Temperalurwechsel haben daher Ermüdungserscheinungen und eventuell einen Bruch der Verbindungsstücke zur Folge. Dadurch wird auch die entsprechende &5 elektrische Verbindung unterbrochen, so daß die Anlage nicht mehr einwandfrei arbeitet. Die Starrheit der Kupferkugeln macht sie sehr empfindlich gegenüber Schubbeanspruchungen.Rigid connectors such as copper balls have been used; but the rigidity that one The advantage of this is that a fixed distance between the semiconductor and the carrier plate is maintained adversely affect the fatigue of the connections. A typical use of Semiconductor carrier plate arrangements are made in computer systems. The temperature changes that occur during Change from the switched-on to the switched-off state and vice versa, caused by the various thermal expansion coefficient of the semiconductor and the carrier plate a shear stress, which acts on the connectors. The constant changes in temperature therefore show signs of fatigue and possible breakage of the connectors. This also makes the appropriate & 5 electrical connection interrupted, so that the system no longer works properly. The rigidity of the copper balls makes them very sensitive to it Shear stresses.

Nachgiebige Verbindungsstücke aus einem Lötmittel sind widerstandsfähiger gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Sie konnten jedoch ursprünglich nicht zufriedenstellend eingesetzt werden, da sie bei der nachträglichen Erwärmung, durch die die Verbindung _s hergestellt werden sollte, zusammengedrückt wurden und so die Trägerplatte mit dem Halbleiter in Verbindung kam.Resilient connectors made from solder are more resistant to mechanical stresses. However, they could not originally be used satisfactorily, since they were pressed together during the subsequent heating through which the connection _{s was} supposed to be made, and so the carrier plate came into contact with the semiconductor.

Wie diiier Zusammenbruch der Lötverbindungen vermieden werden kann, wird in der USA.-Patentschrift 3 429 040 gezeigt. Hier bestehen die Kontaktflächen auf der Trägerplatte nur zum Teil aus mit dem Lötmittel benetzbarem Material. Diese benetzbaren Rächen haben eine vorgegebene Größe und sind von nicht benetzbarem Material umgeben. Das Lötmittel _wj_rd auf die beoetzbaren Flächen aufgebracht und kann beim nachfolgenden Schmelzen -licht auseinanderfließen. Infolge der Oberflächenspannung behält es seine Form und bewirkt so einen ausreichenden Abstand zwischen Halbleiter und Trägerplatte.How the breakdown of the soldered joints can be avoided is shown in US Pat. No. 3,429,040. Here the contact surfaces on the carrier plate consist only partially of material that can be wetted with the solder. These wettable areas have a predetermined size and are surrounded by non-wettable material. The solder _w j _r d applied to the beoetzbaren surfaces and may melt during the subsequent Light flow apart. As a result of the surface tension, it retains its shape and thus creates a sufficient distance between the semiconductor and the carrier plate.

In der USA.-Patentschrift 3 436 818 wird eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung des Zusammenbruchs der Lötverbindungen beschrieben. Hierbei ist das gesamte Kontaktmaterial auf der Trägerplatte nur schwer mit dem Lötmittel benetzbar. Das Lötmittel wird zuerst auf die Kontaktflächen des Halbleiterplättchens aufgebracht und erhitzt, so daß es eine halbkugelförmige Gestalt annimmt. Das Halbleiterplaitchen wird dann umgekehrt auf die Trägerplatte aufgesetzt, wobei das Lötmittel vorgegebene Stellen auf den Kontaktflächen der Trägerplatte berührt. Bei nochmaligem Erhitzen wird die Verbindung zwischen dem Lötmittel und den Kontaktflächen der Trägerplatte hergestellt. Ein Auseinanderlaufen des Lötmittels wird durch die schwere Benetzbarkeit des Kontaktmaterials verhindert, wodurch die Lötverbindungen ihre Form behalten und der Abstand zwischen Halbleiter und Trägerplatte gewahrt bleibt.U.S. Patent 3,436,818 teaches another The possibility of avoiding the breakdown of the soldered connections is described. Here is the whole Contact material on the carrier plate is difficult to wet with the solder. The solder is first applied to the contact surfaces of the semiconductor die and heated so that it is hemispherical Takes shape. The semiconductor pitch is then placed upside down on the carrier plate, wherein the solder contacts predetermined locations on the contact surfaces of the carrier plate. If you do it again The connection between the solder and the contact surfaces of the carrier plate is established by heating. The solder is prevented from spreading due to the poor wettability of the contact material. whereby the soldered connections keep their shape and the distance between the semiconductor and the carrier plate is preserved.

Die Möglichkeit, das Lötmittel im geschmolzenen Zustand vor dem Auseinanderfließen zu bewahren, ergibt gute elektrische und mechanische Verbindungen, die relativ nachgiebig gegenüber mechanischen Spannungen und somit widerstandsfähiger als starre Verbindungen sind. Doch auch bei den bekannten Lötverbindungen können bei häufigen Temperaturänderungen noch Brüche auftreten.The ability to keep the solder from flowing apart in the molten state provides good electrical and mechanical connections that are relatively resilient to mechanical stresses and are therefore more robust than rigid connections. But also with the well-known soldered connections fractures can still occur with frequent temperature changes.

Auch die aus der USA.-Patentschrift 3 458 925 bekannte Anordnung, die Lötkugeln verschiedenen Durchmessers aufweist, vermag dieses Problem nicht IU lösen. In dieser Patentschrift ist eine Anordnung beschrieben, bei der Lötkugeln eines ersten Durchmessers die Kontaktgabe zwischen Halbleiterplättchen und Trägerplatte gewährleisten. Lötkugeln eines zweiten, gegenüber dem ersten größeren Durchmessers sind einzig am Halbleiterplättchen befestigt. Da sie nur zur Festlegung des Abstandes zwischen Halbleiterplättchen und Trägerplatte dienen sollen, ist ihre Befestigung auf der Trägerplatte auch gar nicht notwendig. Bezüglich der Schubbeanspruchung, die ja in erster Linie für die auf Grund Temperaturänderungen auftretenden Brüche verantwortlich ist, bietet demnach die in der USA.-Patentschrift 3 458 925 beschriebene Anordnung gegenüber den obengenannten keinerlei Vorteile. Auch bei der letztgenannten Anordnung werden demnach bei häufigen Temperaturänderungen Brüche an den Verbindungsstellen auftreten, die die Funktionsfähigkeit einer derart ausgebildeten Schaltung beeinträchlipen Also the arrangement known from US Pat. No. 3,458,925, the different solder balls Has diameter, can not solve this problem IU. In this patent specification an arrangement is described, in the case of solder balls of a first diameter, the contact between the semiconductor die and Ensure carrier plate. Solder balls are of a second, larger diameter than the first attached only to the semiconductor die. Since they are only used to define the spacing between die and support plate are to serve, their attachment to the support plate is not even necessary. With regard to the shear stress, which is primarily due to temperature changes Is responsible for fractures, offers the arrangement described in US Pat. No. 3,458,925 compared to the above no advantages. Also with the latter arrangement are accordingly With frequent temperature changes, fractures occur at the connection points, which affect the functionality a circuit designed in this way

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Gefahr des Auftretens solcher Brüche weiter zu verringern. Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Einrichtung zum Verbinden eines scheibenförmigen Halbleiterelementes mit einer parallelen Trägerplatte erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Verbindungsstücke mindestens zwei verschiedene Ausführungsformen, die sich durch ihre Widerstandsfähigkeit gegen Schubbeanspruchung unterscheiden, vorgesehen sind.It is the object of the present invention to further reduce the risk of such fractures occurring. This object is in the aforementioned device for connecting a disk-shaped Semiconductor element with a parallel carrier plate achieved according to the invention in that for the connecting pieces at least two different designs that stand out for their resilience differentiate against shear stress, are provided.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei weitere Merkmale des Erfindungsgegenstandes beschrieben werden. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the figures, further features of the subject matter of the invention are described. It shows

F i g. 1 eine bekannte Halbleiter-Trägerplatte-Anordnung mit gleichartig ausgeführten Verbindungsstükken, F i g. 1 a known semiconductor carrier plate arrangement with similarly designed connecting pieces,

F i g. 2 eine Halbleiter-Trägerplatte-Anordnung nach der Erfindung, bei der die äußeren Verbindungsstücke ein größeres Volumen aufweisen als die inneren,F i g. 2 shows a semiconductor carrier plate arrangement according to FIG of the invention, in which the outer connecting pieces have a larger volume than the inner ones,

F i g. 3 eine Halbleiter-Trägerplatte-Anordnung, bei der die inneren Verbindungsstücke ein größeres Volumen au^fweisen als die äußeren,F i g. 3 shows a semiconductor carrier plate arrangement in which the inner connecting ^pieces have a larger volume than the outer ones,

F i g. 4A eine Halbleiter-Trägerplatte-Anordnung, bei der die vom Lötmittel benetzbaren Kontaktflächen auf der Trägerplatte verschiedene Größen besitzen,F i g. 4A shows a semiconductor carrier plate arrangement in which the solder-wettable contact areas have different sizes on the carrier plate,

Fig.4B eine Draufsicht auf die Trägerplatte nach F i g. 4A und4B shows a plan view of the carrier plate according to F i g. 4A and

Fig.5 eine Halbleiter-Trägerplatte-Anordnung mit Verbindungsstücken aus einem Lötmittel und aus Kupfer. 5 shows a semiconductor carrier plate arrangement with Joints made from a solder and copper.

Die F i g. 1 stellte eine bekannte Halbleiter-Trägerplatte-Anordnung dar, bei der die Verbindungen durch nachgiebige Kugeln aus einem Lötmittel bestehen. Das HalbleiterpläUchen tO enthält passive und/oder aktive Bauelemente, die nach bekannten Verfahren hergestellt sind. Die Oberfläche 12 des Plättchens 10 ist mit einer isolierenden Schutzschicht überzogen. Die elektrischen Verbindungen nach außen erfolgen über mit den Bauelementen verbundene Kontaktflächen 14, die vorzugsweise kreisförmig ausgebildet sind.The F i g. 1 presented a known semiconductor carrier plate arrangement where the joints are made from solder by resilient balls. The Semiconductor wafers tO contains passive and / or active components that are manufactured according to known methods are. The surface 12 of the plate 10 is covered with an insulating protective layer. The electric Connections to the outside take place via contact surfaces 14 connected to the components, which are preferably are circular.

Das Halbleiterplättchen 10 ist mechanisch und elektrisch durch Verbindungsstücke 20 mit einer Trägerplatte 16 verbunden. Die Verbindungsstücke bestehen aus einem Lötmittel. Kontaktbahnen 22 auf der Oberfläche der Trägerplatte vervollständigen die elektrische Verbindung. Die Verbindung zwischen Halbleiterplättchen und Trägerplatte wird in bekannter Weise hergestellt, wobei nach dem Aufsetzen des Halbleiterplättchens die Anordnung bis zum Schmelzpunkt des Lötmittels erhitzt wird. Die vom Lötmittel benetzbaren Flächen auf den Kontaktbahnen 22 sind dabei begrenzt, so daß ein Auseinanderlaufen des Lötinittels vermieden wird. Die isolierende Trägerplatte 16 besteht aus einem keramischen Material und ist vom Lötmittel nicht benetzbar. Die Kontaktbahnen 22 können aus zwei verschiedenen leitfähigen Materialien bestehen, von denen -ias eine vom Lötmittel benetzbar und das andere nicht benetzbar ist. Eine andere Ausführungsform besteht darin, daß die Kontaktbahnen 22 vollständig aus benetzbarem Material bestehen, wobei die Flächen, die sich mit dem Lötmittel verbinden sollen, durch über die Kontaktflächen verlaufende isolierende Dämme, die vorzugsweise aus Glas bestehen und die einen Lötmittelfluß verhindern, begrenzt sind. Die Kontaktbahnen können auch, anstatt zu den Kanten der Trägerplatte zu laufen, durch diese hindurchgeführt werden. In diesem Fall sind die Flächen, auf die das Lötmittel aufge-The semiconductor die 10 is mechanically and electrically connected to a carrier plate by means of connectors 20 16 connected. The connectors are made from a solder. Contact tracks 22 on the surface the carrier plate complete the electrical connection. The connection between semiconductor wafers and the carrier plate is produced in a known manner, after which the semiconductor wafer has been placed the assembly is heated to the melting point of the solder. Those wettable by the solder Areas on the contact tracks 22 are limited, so that the soldering agent is prevented from diverging will. The insulating carrier plate 16 consists of a ceramic material and cannot be wetted by the solder. The contact tracks 22 can consist of two different conductive materials, of which -as one is wettable by solder and the other is not wettable. Another embodiment exists in that the contact tracks 22 consist entirely of wettable material, the surfaces that to connect to the solder by insulating dams running over the contact surfaces, the preferably made of glass and which prevent solder flow are limited. The contact tracks can also, instead of running to the edges of the carrier plate, be passed through this. In this Case are the surfaces on which the solder

iracht wird, vollständig von der nicht benetzbaren Trägerplatte umgeben, so daß besondere Maßnahmen zur Eindämmung des Lötmittelflusses nicht erforderlich sind.iracht is completely surrounded by the non-wettable carrier plate, so that special measures are not required to curb the flow of solder.

Die Verbindungsstücke weisen nach dem Erhitzen die aus der F i g. 1 ersichtliche Form einer etwas zusammengedrückten Kugel auf.After heating, the connecting pieces have the characteristics shown in FIG. 1 visible shape of a slightly compressed Bullet on.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zeigt die F i g. 2. Hier ist das Volumen der den Ecken der Trägerplatte am nächsten befindlichen Verbindungsstücke 24 gegenüber dem Volumen der anderen Verbindungsstücke 26 vergrößert. Das vergrößerte Volumen des Lötmittels versucht den Abstand zwischen dem Halbleiterplättchen 10 und der Trägerplatte 16 zu vergrößern. Dadurch werden die inneren Verbindungsstücke 26 gestreckt. Das Volumenverhältnis ist beispielsweise 2:1, wobei die Verbindungsflächen zwischen den verschiedenen Verbindungsstücken und dem Halbleiterplättchen bzw. der Trägerplatte gleich sind. Durch das Strecken der inneren Verbindungsstücke 26 wird deren Widerstandsfähigkeit gegen Schubbeanspruchungen erhöht. Die der äußeren Verbindungsstücke 24 wird dagegen vermindert, da sie etwas stärker zusammengedrückt sind als diejenigen in der Fig. 1. Bei gleicher Schubbeanspruchung erfolgt daher in den äußeren Verbindungsstücken zuerst ein Bruch.One embodiment of a device according to the invention is shown in FIG. 2. Here is the volume of the connectors 24 closest to the corners of the support plate versus the volume of the others Connecting pieces 26 enlarged. The increased volume of solder tries the gap between the semiconductor wafer 10 and the carrier plate 16 to enlarge. This will make the inner ones Connecting pieces 26 stretched. The volume ratio is, for example, 2: 1, with the connecting surfaces between the various connecting pieces and the semiconductor die or the carrier plate are the same. By stretching the inner connectors 26, their resistance to Increased shear loads. The outer connecting pieces 24 is reduced, however, because they are something are compressed more than those in Fig. 1. With the same shear stress hence a break first in the outer connecting pieces.

Die Anordnung besitzt eine neutrale Stelle, an der keine Schubbeanspruchung auftritt. Diese Stelle wird durch die Positionen sämtlicher Verbindungsstücke bestimmt. Wenn sich beispielsweise alle Verbindungsstükke auf dem Umfang eines Kreises befinden, dann liegt die neutrale Stelle in der Mitte des Kreises. Je weiter ein Verbindungsstück von der neutralen Stelle entfernt ist. desto größer ist bei gleichen Bedingungen die auf es einwirkende Schubbeanspruchung. Die den Ecken der Trägerplatte am nächsten angeordneten Verbindungsstücke unterliegen daher normalerweise der größten Beanspruchung und brechen bei gleicher Ausführung aller Verbindungsstücke zuerst. In der F i g. 2 weisen die äußeren Verbindungsstücke 24 zudem noch eine geringere Widerstandsfähigkeit gegen Schubbeanspruchungen auf. Sie werden daher nur zur mechanischen Verbindung verwendet, d.h. zur Einhaltung eines bestimmten Abstandes, wodurch die anderen Verbindungsstücke gestreckt werden. Eine elektrische Verbindung besteht über die äußeren Verbindungsstücke nicht, so daß ein bei ihnen erfolgender Bruch sich nicht nachteilig auswirkt.The arrangement has a neutral point where no shear stress occurs. This place will determined by the positions of all connectors. For example, if all the connecting pieces are on the circumference of a circle, the neutral point is in the center of the circle. The farther a connector is removed from the neutral point. all things being equal, the greater the amount on it acting shear stress. The connecting pieces closest to the corners of the carrier plate are therefore normally subject to the greatest stress and break with the same design all connectors first. In FIG. 2, the outer connecting pieces 24 also have a smaller one Resistance to shear loads. They therefore only become mechanical Connection used, i.e. to maintain a certain distance, thereby removing the other connecting pieces be stretched. An electrical connection is made via the outer connectors not, so that a breakage occurring in them does not have an adverse effect.

Die inneren Verbindungsstücke 26 besitzen über ihre gesamte Länge einen angenähert konstanten Umfang. Die mechanische Spannungsverteilung ist daher ebenfalls relativ gleichmäßig, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schubbeanspruchungen größer ist als bei den Verbindungsstücken 20 in der Fig. 1. Im Extremfall, wenn das Volumenverhältnis sehr groß gewählt wird, können die inneren Verbindungsstücke so stark gestreckt werden, daß die Spannungsverteilung wieder sehr ungleichmäßig wird. Das Volumenverhältnis sollte sich daher innerhalb bestimmter Grenzen bewegen. The inner connecting pieces 26 have an approximately constant circumference over their entire length. The mechanical stress distribution is therefore also relatively uniform, so that the resistance to shear stresses is greater than that of the connecting pieces 20 in FIG. 1. In the extreme case, if the volume ratio is very large, the inner connecting pieces can be stretched so much that the stress distribution becomes very uneven again. The volume ratio should therefore be within certain limits.

!n der F i g. 3 bilden die Verbindungsstücke 28 mit dem größeren Volumen, d. h. der geringeren Widerstandsfähigkeit gegen Schubbeanspruchungen, die inneren Verbindungsstücke. Damit sind die äußeren Verbindungsstücke 30, die eine größere Widerstandsfähigkeit aufweisen, auch den größeren Beanspruchungen ausgesetzt. In diesem Fall können die Vcrbindungsstükke 28 auch zur elektrischen Verbindung benutzt werden, da wegen der geringeren Beanspruchung bei ihnen ein Bruch nicht zu erwarten ist.! n the fig. 3 form the connecting pieces 28 with the larger volume, i.e. H. the lower resistance against shear loads, the inner connecting pieces. With that there are the outer connectors 30, which have a greater resistance, also to the greater stresses exposed. In this case the connectors 28 can also be used for electrical connection, because a break is not to be expected with them because of the lower stress.

Eine andere Möglichkeit, die Widerstandsfähigkeit der Verbindungsstücke zu verändern, zeigen die Fig.4A und 4B. Hierbei wird die vom Lötmittel benetzbare Fläche auf der Trägerplatte geändert. Zwischen einem Halbleiterpläuchen 40 und einer Trägerplatte 42 sind Verbindungsstücke 76, 78, 80, 82 und 84 von gleichem Volumen angeordnet. Die unterschiedliche Form der Verbindungsstücke ergibt sich aus den verschieden großen benetzbaren Flächen auf der Trägerplatte. Diese sind aus der F i g.4B ersichtlich, die eine Draufsicht der Trägerplatte 42 darstellt. Die kleineren benetzbaren Flächen 62,66, 70 und 74 bewirken, daß die Verbindungsstücke eine bauchige Gestalt annehmen. Die größeren benetzbaren Flächen 60, 64, 68 und 72 haben zur Folge, daß die Verbindungsstücke einen annähernd gleichmäßigen Querschnitt aufweisen. Auch hier besitzen die äußeren Verbindungsstücke 76, 78 und 80 die größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Schubbeanspruchungen, so daß über alle Verbindungsstücke eine elektrische Verbindung erfolgen kann.Another possibility to change the resistance of the connecting pieces is shown by the Figures 4A and 4B. This becomes the wettable from the solder Changed area on the carrier plate. Between a semiconductor tube 40 and a carrier plate 42 connecting pieces 76, 78, 80, 82 and 84 of equal volume are arranged. The different The shape of the connecting pieces results from the different sized wettable surfaces on the Carrier plate. These can be seen from FIG. 4B, which shows a top view of the carrier plate 42. The smaller ones wettable surfaces 62,66, 70 and 74 cause the connecting pieces to assume a bulbous shape. The larger wettable areas 60, 64, 68 and 72 result in the connectors have an approximately uniform cross-section. Here, too, the outer connecting pieces 76, 78 and 80 the greater resistance to shear stresses, so that over all connecting pieces an electrical connection can be made.

Zur Begrenzung der benetzbaren Flächen werden über die Kontaktbahnen 44,46,48,50,52, 54,56 und 58 isolierende Stege 90, die beispielsweise aus Glas bestehen, gelegt. Es kann an diesen Stellen auch ein Übergang in den Kontaktbahnen von einem benetzbaren zu einem nicht benetzbaren Leitermaterial erfolgen.To limit the wettable areas, the contact tracks 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56 and 58 insulating webs 90, which for example consist of glass, placed. There can also be a transition at these points take place in the contact tracks from a wettable to a non-wettable conductor material.

Die Form der Verbindungsstücke kann ebenso durch die den benetzbaren Flächen auf der Trägerplatte entsprechenden Kontaktflächen auf dem Halbleiterplättchen bestimmt werden.The shape of the connecting pieces can also correspond to the wettable surfaces on the carrier plate Contact areas are determined on the semiconductor wafer.

Unter besonderen Umständen, die durch die Anzahl der verschiedenen Verbindungsstücke, die Größe der benetzbaren Kontaktflächen und der entsprechenden Kontaktflächen auf dem Halbleiterplättchen sowie das Volumenverhältnis gegeben wird, können bei Verbindungsstücken mit verschiedenem Volumen auch diejenigen mit dem größeren Volumen die gleichmäßigere Spannungsverteilung und damit die größere Widerstandsfähigkeit gegen Schubbeanspruchungen besitzen. Schließlich kann die Widerstandsfähigkeit auch durch Verwendung verschiedener Materialien für die Verbindungsstücke variiert werden. Ein solches Beispiel zeigt die F i g. 5. Die Verbindungsstücke 100, 102 und 104 bestehen aus einem Lötmittel, deren Verbindungsstücke 106 und 108 durch Kupferkugeln dargestellt sind. Das Lötmittel ist ein relativ nachgiebiges Material, das eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Schubbeanspruchungen besitzt, als die starrer Kupferkugeln. Diese sind jedoch für die Einhaltung eines definierten Abstandes zwischen dem Halbleiter plättchen und der Trägerplatte besser geeignet. Da si< jedoch relativ nahe an der neutralen Stelle angeordne sind, ist die Beanspruchung bei ihnen nicht so stark wi bei den Verbindungsstücken 100,102 und 104. Die Kur. ferkugeln selbst sind durch kleine Lötmittel-Plättche 105 und 107 auf dem Halbleiterplättchen und auf dt Trägerplatte befestigt.Under special circumstances, which is given by the number of different connecting pieces, the size of the wettable contact areas and the corresponding contact areas on the semiconductor wafer as well as the volume ratio, those with the larger volume can also have the more even stress distribution and thus the greater resistance in the case of connecting pieces with different volumes have against shear loads. Finally, the resistance can also be varied by using different materials for the connecting pieces. Such an example is shown in FIG. 5. The connectors 100, 102 and 104 are made of solder, the connectors 106 and 108 of which are represented by copper balls. The solder is a relatively compliant material that is more resistant to shear stress than rigid copper balls. However, these are more suitable for maintaining a defined distance between the semiconductor plate and the carrier plate. However, since they are arranged relatively close to the neutral point, the stress on them is not as strong as on the connectors 100, 102 and 104. The cure. The balls themselves are attached to the semiconductor wafer and to the carrier plate by means of small solder pads 105 and 107.

In den gezeigten Beispielen sind jeweils nur zw verschiedene Ausführungsformen von Verbindung stücken gezeigt. Es ist jedoch nicht erforderlich, die: Anzahl auf zwei zu begrenzen. Eine besonders vorte hafte Ausgestaltung würde sich dadurch ergeben, d; die Widerstandsfähigkeit der Verbindungsstücke v< dem jeweiligen Abstand von der neutralen Stelle a hängt. In diesem Fall müßte theoretisch bei allen V<In the examples shown, there are only two different embodiments of connection pieces shown. However, it is not necessary to: Limit the number to two. A special advantage permanent design would result from d; the resistance of the connectors v < depends on the respective distance from the neutral point a. In this case, V <should theoretically for all

bindungsstücken zur gleichen Zeit ein Bruch erfolgen.binding pieces break at the same time.

Wenn das Lötmittel beim Schmelzen nach dem Aufsetzen des Halbleiterplättchens auf die Trägerplatte wegen der Oberflächenspannung nicht auseinanderläuft, dann hat eine Erhöhung des Volumens der Verbindungsstücke eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Halbleiterplättchen und Trägerplatte zur Folge. Eine Verminderung des Volumens dagegen würde den Abstand verringern. Weiterhin ist bei einem vorgegebenen Volumen die Widerstandsfähigkeit gegen Schubspannungen und auch von der Höhe der Verbindungsstücke abhängig. Eine Verringerung des Volumens der von der neutralen Stelle am weitesten entfernten Verbindungsstücke würde eine allgemeine Verkleinerung des Abstandes zwischen Halbleiter und Trägerplatte bewirken und dabei wenigstens teilweise eine Steigerung der Widerstandsfähigkeit auf Grund der Volumenverminderung ausgleichen. Da die Schubbeanspruchung bei den nahe an der neutralen Stelle liegenden Verbindungsstücken am geringsten ist, kann ihr Volumen jedoch ohne nachteilige Folgen vergrößert und damit die Abstandsverminderung durch das verkleinerte Volumen der entfernten Verbindungsstücke kompensiert werden.If the solder melts after placing the semiconductor die on the carrier plate does not diverge because of the surface tension, then has an increase in the volume of the connectors result in an increase in the distance between the semiconductor wafer and the carrier plate. A reduction in volume, on the other hand, would reduce the distance. Furthermore, at a given Volume the resistance to shear stresses and also on the height of the connectors dependent. A reduction in the volume of the connectors furthest from the neutral point would be a general reduction in the distance between the semiconductor and the carrier plate effect and thereby at least partially an increase in resistance due to the reduction in volume balance. Since the shear stress is applied to those close to the neutral point Connection pieces is the smallest, however, their volume can be increased and without adverse consequences thus compensating for the reduction in distance due to the reduced volume of the removed connecting pieces will.

Eine derartige Abhängigkeit der Widerstandsfähigkeit der Verbindungsstücke von ihrer Entfernung von der neutralen Stelle, bei der alle Verbindungsstücke zur gleichen Zeit ausfallen, ist praktisch kaum zu erreichen Es kann dieser Zustand jedoch weitgehend angenäheriSuch a dependence of the resistance of the connectors on their distance from the neutral point, where all connectors fail at the same time, is practically impossible to reach However, it can approximate this state to a large extent

ίο werden, wodurch die Ausfallzeit der Verbindungsslük ke in großem Maße egalisiert und die gesamte Anord nung verbessert wird. Die stufenweise Änderung dci Widerstandsfähigkeit gegen Schubspannungen kanr durch eine entsprechende Änderung des Volumens dei Verbindungsstücke, der benetzbaren Flächen auf de Trägerplatte oder der entsprechenden Kontaktflächei auf dem Halbleiterplättchen erzielt werden. Dabei kön nen diese verschiedenen Möglichkeiten auch miteinan der kombiniert werden.ίο, reducing the downtime of the connection gap ke is leveled out to a great extent and the entire arrangement is improved. The gradual change dci Resistance to shear stresses can be achieved by changing the volume accordingly Connecting pieces, the wettable surfaces on the carrier plate or the corresponding contact surface can be achieved on the semiconductor die. These different options can also work together to be combined.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

«09 61 &«09 61 &

. A . A.

Claims

Patent claims:

I. Device for connecting a disk-shaped semiconductor element with a parallel one Carrier plate, the metallic contact surfaces and contact tracks on the mutually facing sides have, wherein the semiconductor element and the carrier plate electrically by connecting pieces and are mechanically connected and spatially separated, characterized in that that for the connectors at least two different embodiments that are differ by their resistance to shear stress, are provided.

2. Device according to claim 1, characterized in that the various connecting pieces consist of the same material and have a different shape.

3. Device according to claim 2, characterized in that the various connecting pieces have unequal volume.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting pieces consist of a solder.

5. Device according to one of claims 2 or 3 and claim 4, characterized in that the Contact areas between the connecting pieces and the semiconductor element and / or the carrier plate are different for the various connectors.

6. Device according to claim 5, characterized in that the contact material is on the carrier plate consists of solder-wettable and non-wettable material and that the surfaces made of wettable material are of different sizes in the various connectors.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the resistance of the connecting pieces against shear stress with the distance from a point between the semiconductor element and the carrier plate, on which the shear stress disappears, increases.

8. Device according to claims 6 and 7, characterized in that the wettable by the solder Areas at a distance from the point at which the shear stress disappears, grow.

9. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the largest Distance from a point between the semiconductor element and the carrier plate where the Shear stress disappears, arranged connecting pieces the lower resistance have against shear stress and that these connectors are not for an electrical Connection between the semiconductor element and carrier plate are set up.

10. Device according to claim 9, characterized in that the wettable by the solder Areas at the greatest distance from the point where the shear stress disappears, arranged connecting pieces are smallest.

11. Device according to one of claims 6, 8 or 10, characterized in that the contact surfaces and contact tracks on the carrier plate made of material that can be wetted by the solder! exist and that to limit the flow of solder isc lierstege ge over the contact surfaces and tracks leads are.

12. Device according to claim 1, characterized in that the various connection Pieces are made of different materials.