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Die
Erfindung betrifft eine Umverdrahtungseinrichtung für elektronische
Bauelemente, bestehend aus einer Vielzahl metallischer Leitbahnen,
welche auf der die Bond-Pads aufweisenden Oberfläche des elektronischen Bauelements
so angeordnet sind, dass sie kreuzungsfrei jeweils ein Bond-Pad
des elektronischen Bauelements mit einer Kontaktfläche auf
der Kuppe jeweils einer nachgiebigen Erhebung elektrisch verbinden
und dabei in der Richtung geradlinig vom Fußpunkt der Erhebung bis zu
deren Kuppe verlaufen, welche durch die Verbindungslinie (neutrale
Gerade) zwischen dem Mittelpunkt der Kuppe und dem neutralen Punkt
des Bauelements definiert wird.
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Derartige
elektronische Bauelemente finden als so genannte Wafer-Level-Packages
oder Chip-Size-Packages zunehmend Anwendung. Um der stetigen Forderung
nach noch kleineren Bauelementeabmessungen gerecht zu werden, weisen
diese Bauelemente keine festen Gehäuse sondern höchstens schützende Passivierungs-
oder Kunststoffschichten auf, so dass deren Abmessungen genau oder
nahezu denen des enthaltenen integrierten Schaltkreises (Chips)
entsprechen. Die Integration dieser Bauelemente in einer elektronischen
Schaltung oder die Kontaktierung zu einer Leiterplatte erfolgt beispielsweise
mittels rasterartig angeordneter elektrischer Kontaktflächen, welche über die
in einer Ebene angeordneten Leitbahnen einer Umverdrahtungseinrichtung
mit den Bond-Pads, den eigentlichen, primären Kontakten des Bauelements
elektrisch verbunden sind. Die im Vergleich zu den Bond-Pads größeren Kontaktflächen mit
größeren Abständen untereinander
(Pitch) können
ebenso auch der temporären
Kontaktierung des Bauelements zu Testzwecken dienen.
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Die
unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der mittels Lötverbindung
verbundenen Materialien des Bauelements und der Leiterplatte sowie eventuelle
Unebenheiten des Bauelements üben
insbesondere während
späterer
Temperaturbelastungen, beispielsweise bei der künstlichen Voralterung (BurnIn),
auf die Lötverbindungen
Normal- und Scherbelastungen aus, welche zur Störung der Verbindung führen können. Zur
Verbesserung der Zuverlässigkeit
der Lötverbindungen
sollen diese Normal- und Scherspannungen von vorzugsweise gummiartigen,
nachgiebigen Erhebungen ausgeglichen werden, welche sich auf der
Oberfläche
des Bauelements befinden und auf deren Kuppen die Kontaktflächen ausgebildet
sind. Eine solche Anordnung ist z. B. in der
US 2003/0 067 755 A1 beschrieben.
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Die
gummielastischen Eigenschaften der Erhebungen, die in deren reversibler
Verformbarkeit zum Ausdruck kommen, ermöglichen die Aufnahme und den
Ausgleich der auf die Erhebungen einwirkenden mechanischen Spannungen.
Dieser Spannungsausgleich muss in den meisten Anwendungsfällen ausschließlich durch
die nachgiebigen Erhebungen erfolgen, da solche Bauelemente, wie
beschrieben, keine weiteren Gehäuseelemente
aufweisen, welche geeignet wären,
die genannten Spannungen auszugleichen oder aufzunehmen. Da auch für die eine
zuverlässige
temporäre
Kontaktierung zu Testzwecken, insbesondere im Wafer-Verband, eine Nachgiebigkeit
der Kontaktflächen
in Z-Richtung erforderlich ist, werden auch die dazu dienenden Kontaktflächen auf
nachgiebigen Erhebungen angeordnet.
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Vorzugsweise
sind die nachgiebigen Erhebungen aus einem Elastomer oder aus einem
Silicongummi gebildet, da das verwendete Material in jedem Fall
gummielastische Eigenschaften aufweisen muss, die auch unter wechselnder
Temperaturlast ein Zusammenpressen in flächennormaler Richtung und ebenso,
gegebenenfalls gleichzeitig, ein Verschieben der elektrischen Kontaktfläche auf
seiner Kuppe in lateraler Richtung ermöglicht, ohne dass die nachgiebige
Erhebung selbst bricht oder von der Oberfläche des Bauelements abreißt.
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Da
die Leitbahnen der Umverdrahtungseinrichtung auf der Hangoberfläche der
nachgiebigen Erhebungen bis auf die Kuppe verlaufen müssen, ist es
erforderlich, dass auch sie in der Lage sind, den ausgleichenden
Verschiebungen oder Verformungen der nachgiebigen Erhebungen zu
folgen. Zu diesem Zweck sind die in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 39 080 A1 beschriebenen
aufsteigenden Leitbahnen spiralförmig,
mäanderförmig oder
mit einer vergleichbaren, mehrere Bogen oder Wendepunkte aufweisenden
Form ausgeführt,
so dass eine Deformation der Erhebung in vertikaler Richtung durch
eine Parallelverschiebung der einzelnen Abschnitte der Leitbahn
zueinander und eine Deformation in lateraler Richtung durch Öffnung oder
Verengung der Bögen
und Winkel der Leitbahn ausgleichbar ist.
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Ein
besonderer Nachteil dieser Leitbahnform liegt jedoch darin, dass
auf der Oberfläche
der Erhebung und besonders in Nähe
der Kuppe zumindest zwei Abschnitte der Leitbahn nebeneinander angeordnet
sind. Das führt
bei der Herstellung einer Lötverbindung
mit der Kontaktfläche
auf der Kuppe, in welcher die Leitbahn endet dazu, dass verflüssigtes Lot
den Hang hinunter fließt
und nebeneinander liegende Abschnitte der Leitbahn überbrückt. Bei
einer Deformation oder auch bei der Entspannung der während des
Lötvorganges
deformierten Erhebung bricht dieser die Erhebung teilweise überdeckende Lotfleck
unkontrolliert, was in der Regel zur Unterbrechung der Leitbahn
führt.
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Das
Abfließen
des verflüssigten
Lots lässt sich
praktisch auch nicht mit einer Lötstoppmaske verhindern,
da es sich gezeigt hat, dass auch diese in ihrer zumindest zeitweise
verflüssigten
Phase von der Erhebung abfließt
und somit eine Maskenöffnung nur
auf der Kuppe mit den üblichen
Verfahren und Materialien nicht herstellbar ist und wegen des geringen Abstandes
der benachbarten Schleifen zumindest ein Teil von denen stets noch
in der Maskenöffnung
liegt.
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Auch
in der
US 2002/0
084 528 A1 sind die Kontaktflächen auf nachgiebigen Erhebungen
angeordnet. Diese Erhebungen sind derart ausgeführt und ausgerichtet, dass
bei Verformungen des Bauelements ein Kippen der Erhebung nur in
bestimmter, zur Leitbahn abgestimmter Richtung erfolgen kann.
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Im Übergangsbereich
von der Oberfläche des
Bauelements auf die nachgiebige Erhebung sind die Leitbahnen jedoch
besonderen Zugbelastungen ausgesetzt, die z. B. in der
DE 102 39 080 A1 entsprechend
einer Anordnung der Leitbahnen dadurch verringert werden, dass die
Leitbahn zwar geradlinig bis zur Kontaktfläche auf der Kuppe der nachgiebigen
Erhebung in genau der Richtung verläuft, dass die Leitbahn auf
den so genannten neutralen Punkt des Bauelements oder die dazu entgegengesetzte Richtung
gerichtet ist. Z. B. sind in der
DE 101 25 035 A1 die Richtung der Leitbahnabschnitte,
die unmittelbar an die zu kontaktierenden Anschlusselektroden des
Bauelements angrenzen, von der Richtung abweicht, die der Verbindung
von Elektrode und neutralem Punkt des Bauelements entspricht. Als
neutraler Punkt wird der Punkt bezeichnet, in welchem sich das Vorzeichen
einer Krümmung
des Bauelements, welche durch gleichmäßige thermische oder mechanische
Last auf das gesamte Bauelement entsteht, umkehrt. Wird dieser Punkt
als Bezugspunkt für
die Betrachtung der Formänderung
eines Bauelements definiert, verändert
sich seine Lage bei einer thermischen Ausdehnung und einer daraus
resultierenden Biegung nicht. Die Ausrichtung einer Leitbahn zu
diesem neutralen Punkt führt
dazu, dass die Leitbahn nur in Richtung ihres Verlaufs und nicht
lateral mechanisch beansprucht wird und somit weniger bruchanfällig ist.
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Die
konsequente Ausrichtung der auf der Hangoberfläche verlaufenden Abschnitte
der Leitbahnen einer Umverdrahtungseinrichtung in Richtung des neutralen
Punktes des Bauelements führt jedoch
wegen der erforderlichen kreuzungsfreien Leitbahnführung zu
einer sehr komplexen Struktur der Umverdrahtungseinrichtung. Das
bedingt entweder sehr unterschiedlich lange Leitbahnen und damit wesentlich
voneinander abweichende Signallaufzeiten oder ist bei komplexen
Bond-Pad-Anordnungen überhaupt
nicht in dieser Weise ausführbar.
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Eine
andere Möglichkeit
des Abbaus des thermisch bedingten Stresses ist in der
JP 01209746 A und in der
US 6 323 542 B1 beschrieben.
In beiden Schriften wird ein Halbleiterbauelement beschrieben, das
unter den Kontaktflächen
eine nachgiebige Schicht aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Umverdrahtungseinridhtung
für elektronische
Bauelemente mit Kontaktflächen
auf nachgiebigen Erhebungen anzugeben, welche eine kreuzungsfreie
Führung
der Leitbahnen auf der Oberfläche
des Bauelements auch für
komplexe Bond-Pad-Anordnungen ermöglicht, welche den Deformationen
der nachgiebigen Erhebungen unterbrechungsfrei nachzugeben vermag
und dabei mit den bekannten Verfahren und Materialien herstellbar
ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabenstellung dadurch gelöst,
dass die Leitbahnen aus zwei mittels eines metallisierten Durchganges
in einem Punkt elektrisch miteinander verbundenen Abschnitten bestehen,
von denen der erste Abschnitt von einem Bond-Pad in einer ersten
unteren Ebene zur neutralen Geraden und weiter entlang dieser neutralen
Geraden bis zu dem metallisierten Durchgang verläuft, dass der zweite Abschnitt
von dem metallisierten Durchgang geradlinig bis zu der mit dem Bond-Pad elektrisch
zu verbindenden Kontaktfläche
in einer über
der ersten Ebene befindlichen zweiten Ebene verläuft, und dass die beiden Ebenen
elektrisch voneinander isoliert sind.
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Erfindungswesentlich
ist hier die Trennung der beiden Teilfunktionen der Umverdrahtungseinrichtung
in zwei räumlich voneinander
getrennte Abschnitte: zum ersten die kreuzungsfreie Leitbahnführung und
zum zweiten die nachgiebige Leitbahnführung auf der Hangoberfläche der
nachgiebigen Erhebungen. Die Anordnung der beiden Abschnitte in zwei
elektrisch voneinander isolierten Ebenen erhöht die Variabilität der Ausführung der
gesamten Umverdrahtungseinrichtung erheblich und ermöglicht es
so, die erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften
besser zu realisieren.
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Die
besonderen mechanischen Eigenschaften, die es der Leitbahn gestatten,
der Deformation der Erhebung zu folgen, ohne dass es zum Bruch der Leitbahn
kommt, sind darüber
hinaus ohne Spiral- oder vergleichbare Form der Leitbahn herstellbar. Dadurch
wird die beschriebene Brückenbildung
zwischen den benachbarten Schleifen der Leitbahn vermieden und die
Zuverlässigkeit
der Umverdrahtungseinrichtung erhöht.
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Die
ersten Abschnitte der Leitbahnen in der ersten Ebene können durch
die erfindungsgemäße Ausführung in
zwei, elektrisch getrennten Ebenen unabhängig von der Leitbahnführung der
zweiten Abschnitte so optimiert werden, dass selbst bei komplexen
Strukturen der Umverdrahtung in der ersten Ebene die Längen der
ersten Abschnitte ungefähr
gleich groß sind
und gleichzeitig die Ausrichtung der geradlinig verlaufenden zweiten
Abschnitte sowie des jeweils daran anschließenden Teilabschnitts der ersten Abschnitte
in einem der beiden Richtungssinne der Richtung zwischen der Kuppe
und dem neutralen Punkt ermöglicht
ist, welche die Nachgiebigkeit der Leitbahn auf der Erhebung gewährleistet.
Da die eigentliche Umverdrahtung der Bond-Pads des elektronischen
Bauelements hauptsächlich
in der ersten Ebene durch die ersten Abschnitte erfolgt, bedeutet die
Anpassung deren Leitbahnlängen
eine Anpassung der Signallaufzeiten. Insbesondere ist auch eine
Optimierung der Leitbahnen dahingehend möglich, dass geringere Leitbahnlängen erforderlich
sind, was eine Verkürzung
der Signallaufzeiten bedeutet.
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Die
räumliche
Trennung der beiden Ebenen führt
desgleichen dazu, dass die ersten Abschnitte, soweit es für den Ausgleich
der Leitbahnlängen
notwendig ist, auch unterhalb der nachgiebigen Erhebungen verlaufen
können
und deren Positionen nicht bei der Optimierung berücksichtigt
werden müssen, so
dass die Anfangspunkte der zweiten Abschnitte in der unmittelbaren
Umgebung der entsprechenden nachgiebigen Erhebung liegen, entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung. Damit
sind auch alle zweiten Abschnitte ungefähr gleich lang und gleichzeitig
so ausrichtbar, dass sie in jedem Fall in der Richtung von neutralem
Punkt des Bauelements und der jeweiligen Erhebung verlaufen und
so Deformationen der Erhebung aufnehmen können. Ein mechanisch besonders
belasteter Punkt ist stets der Übergang
von der Oberfläche
des Bauelements auf die Erhebung. Mit der Ausrichtung des gesamten
zweiten Abschnitts in Richtung des neutralen Punktes wird auch die
auf diesen Punkt bei Deformation der Erhebung ausgeübte Spannung
verringert.
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Entsprechend
weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt
die elektrische Trennung der ers ten und zweiten Ebene durch ein
Dielektrikum und der Übergang
der Leitbahnen von der ersten in die zweite Ebene je weils mittels
eines metallisierten Durchganges (Via). Die Variabilität der Leitbahnführung gestattet
es problemlos, die Ausgangspunkte der zweiten Abschnitte unmittelbar über die
Endpunkte der ersten Abschnitte anzuordnen, wodurch diese zuverlässige und
kostengünstig herstellbare
elektrische Verbindung beider Abschnitte möglich ist.
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Darüber hinaus
stellt das Dielektrikum eine Verkapselung und somit den Korrosionsschutz
der metallischen Leitbahnen in der untersten Ebene dar, so in dieser
Ausführungsform
nur die Leitbahnen und die Kontaktflächen in der zweiten Ebene einen
gesondert herzustellenden Schutz erfordern. Dies erfolgt dienlicherweise
mittels einer leitfähigen
Schutzbeschichtung, welche gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung aus einer Nickel- und einer
darüber
angeordneten Gold-Schicht besteht.
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Um
während
der Herstellung der Lötverbindung
insbesondere das Abfließen
des Lots von der Erhebung entlang der Leitbahn und eventuelle Brückenbildung
zwischen benachbarten Leitbahnen durch das Lot zu verhindern, erfordert
diese Ausführung
der Erfindung die Ausbildung einer dielektrischen Maske auf der
die Umverdrahtungseinrichtung aufweisenden Oberfläche des
elektronischen Bauelements, beispielsweise mittels elektrophoretischem Resist,
so dass die Kontaktflächen
frei gelassen sind. Auch in dieser Ausgestaltung kann auf bekannte
und erprobte Materialien zurückgegriffen
werden, so dass der Schutz der Leitbahn und gleichzeitig die optimale Kontaktierung
mittels der Goldoberfläche
zuverlässig herstellbar
ist.
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Ebenso
erweist es sich von Vorteil, wenn die zweiten Abschnitte der Leitbahnen
und die Kontaktflächen
aus einer Kupfer- und einer darüber
angeordneten Nickel-Schicht bestehen und im Bereich der Kontaktflächen über der
Nickel-Schicht eine Gold-Schicht
ausgebildet ist. Wegen der schlechten Benetzungsfähigkeit
des Nickels durch das Lot wird in dieser Ausgestaltung auch ohne
Erfordernis einer dielektrischen Maske das Abfließen des
Lots von der Kontaktfläche
entlang der Leitbahn verhindert. Gleichzeitig realisiert die Nickelschicht
den Korrosionsschutz der Kupferleitbahn.
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Sofern
die Kontaktflächen,
welche auf den Kuppen der Erhebungen zur Herstellung des Außenkontaktes
des elektronischen Bauelements ausgeführt sind, durch die Enden jeder
Leitbahn selbst gebildet sind, kann der Verguss der Kuppe durch
die Metallbeschichtung minimiert werden. Dies verringert die Bruchanfälligkeit
der Kontaktfläche
bei der Deformation der Erhebung, da die Kontaktfläche somit eine
Längsausdehnung
mit Ausrichtung zum neutralen Punkt des Bauelements entsprechend
des zweiten Abschnitts der Leitbahn aufweist und mechanisch weniger
anfällig
ist.
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Da
mit diesen verschiedenen Ausführungen der
Erfindung in jedem Fall die Kuppe in einem viel geringerem Umfang
verfestigt wird und die Größe der metallischen
Verfestigung der Kuppe der Erhebung unmittelbar die Bruchanfälligkeit
der Lötverbindung und
der Leitbahn zur Lötverbindung
beeinflusst, ist somit die Zuverlässigkeit der Lötverbindung
und der Umverdrahtungseinrichtung in jedem Fall deutlich zu verbessern.
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Je
nach dem, wo die elastischen Erhebungen zur Herstellung eines mechanisch
belastbaren Außenkontaktes
und die darauf ausgerichtete Umverdrahtungseinrichtung erforderlich
sind, ist es sowohl möglich,
dass das elektronische Bauelement ein Halbleiterbauelement ist,
als auch, dass es ein Polymerbauelement ist.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die zugehörige
Zeichnung zeigt in
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1 die
schematische Darstellung eine Leitbahn einer erfindungsgemäßen Umverdrahtungseinrichtung
in der Draufsicht und
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2 den
Horizontalschnitt durch die Leitbahn der 1 entlang
der Schnittlinie A-A.
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In 1 ist
die Draufsicht auf die Oberfläche eines
elektronischen Bauelements 1 mit einer einzelnen Leitbahn
dargestellt, welche ein Bond-Pad 2 mit der Kuppe 3 einer
nachgiebigen Erhebung 4 elektrisch verbindet. Die vereinzelt
dargestellte Leitbahn soll Teil einer nicht näher dargestellten Umverdrahtungseinrichtung
sein, welche weitere Bond-Pads mit weiteren Kuppen verbindet. Erfindungsgemäß verläuft der
erste Abschnitt 5 der Leitbahn, wie auch jeder weiteren
Leitbahn der Umverdrahtungseinrichtung, in einer unteren Ebene,
weshalb er mit gestrichelter Linienführung als verdeckt dargestellt
ist, von dem Bond-Pad 2 ausgehend auf kurzem Weg zu einem
Punkt auf jener Geraden, die durch den neutralen Punkt 6 des
elektronischen Bauelements und den Mittelpunkt der Erhebung 4 definiert
wird. Diese Gerade soll im Folgenden als neutrale Gerade 7 bezeichnet
werden.
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Im
weiteren Verlauf folgt der erste Abschnitt 5 der Leitbahn
dieser neutralen Geraden 7 mit wachsender Entfernung zum
neutralen Punkt 6, verläuft unter
der nachgiebigen Erhebung 4 hindurch und endet in einem
Abstand zur nachgiebigen Erhebung 4, der im Ausführungsbeispiel
geringer ist als der Radius der Erhebung 4. Dieser Abstand
kann in Abhängigkeit
von beispielsweise der Strukturdichte der Umverdrahtungseinrichtung
auch anders gewählt
sein. Unmittelbar über
dem Endpunkt des ersten Abschnittes 5 beginnt der zweite
Abschnitt 8 der Leitbahn, wobei beide Abschnitte 5, 8 an
diesem Punkt mittels eines metallisierten Durchgangs (Via) 9 elektrisch
miteinander verbunden sind.
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Der
zweite Abschnitt 8 verläuft
von dem Via 9 ausgehend entlang der neutralen Geraden 7 in Richtung
des neutralen Punk tes 6 um ungefähr eine Leitbahnbreite bis über den
Mittelpunkt der nachgiebigen Erhebung 4 hinaus. Im Ausführungsbeispiel
ist der zweite Abschnitt 8 der Leitbahn mit einer geringeren
Breite dargestellt als der erste Abschnitt 5. Da es sich
jedoch lediglich um eine schematische Darstellung handelt, entspricht
dies ebenso wenig, wie die übrigen
Größenverhältnisse
den tatsächlichen
Ausdehnungen. Die unterschiedliche Breite der beiden Abschnitte 5, 8 soll
darstellen, dass in diesem Ausführungsbeispiel
beide Abschnitte 5, 8 der Leitbahn übereinander
liegend angeordnet sind.
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Gemäß 2 ist
das Bond-Pad 2 als primärer
Kontakt in die Oberfläche
des elektronischen Bauelements 1, vorliegend eines Halbleiterbauelements, integriert.
Auf einer ersten Keimschicht 10 in Form einer strukturierten
Kupferkaschierung ist der erste Abschnitt 5 der Leitbahn
aus Kupfer abgeschieden, so dass das Bond-Pad 2 elektrisch
kontaktiert ist. Der erste Abschnitt 5 der Leitbahn ist
vollständig
durch eine Dielektrikumsschicht 11 abgedeckt, ausgenommen
eines Durchganges 9 an seinem, dem Bond-Pad 2 gegenüberliegenden
Ende. Neben dem Durchgang 9 ist eine nachgiebige Erhebung 4 aus
Silicon angeordnet. Eine zweite Keimschicht 12 ist für die Abscheidung
der Leitbahn temporär
derart maskiert, dass sie den Verlauf des zweiten Abschnittes 8 der
Leitbahn von dem Durchgang 9 bis über die Kuppe 3 der
Erhebung 4 hinaus definiert. Die Maske und der darunter
liegende Bereich der zweiten Keimschicht 12 sind nach dem
Abscheiden des zweiten Abschnittes 8 der Leitbahn entfernt.
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Der
zweite Abschnitt 8 ist mit diesem Verlauf und ebenfalls
aus Kupfer auf der zweiten Keimschicht 12 abgeschieden,
so dass der Durchgang 9 vollständig metallisiert ist und ein
direkter elektrischer Kontakt innerhalb des Durchganges 9 zwischen
dem ersten 5 und dem zweiten Abschnitt 8 der Leitbahn ausgebildet
ist. Der Bereich des zweiten Abschnittes 8 der Leitbahn,
welche direkt auf der Kuppe 3 verläuft, bildet die Kontaktfläche 13,
mit welcher das Bond-Pad 2 elektrisch verbunden sein und
welche der Herstellung eines Außenkontaktes
dienen soll.
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Über dem
Kupfer des zweiten Abschnitts 8 der Leitbahn, der Kontaktfläche 13 und
des Durchganges 9 ist eine Nickelschicht 14 und
im Bereich der Kuppe 3 der nachgiebigen Erhebung 4 darüber eine Goldschicht 15 abgeschieden.
Die Nickel-Schicht 14 dient
als Korrosionsschutz für
die Kupferbahn und die Goldschicht 15 auf der Kuppe 3 aufgrund
der elektrischen Eigenschaften des Goldes der besseren Kontaktierung
der Kontaktfläche 13,
zum Beispiel mit einem Lot.
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- 1
- elektronisches
Bauelement
- 2
- Bond-Pad
- 3
- Kuppe
- 4
- nachgiebige
Erhebung
- 5
- erster
Abschnitt
- 6
- neutraler
Punkt
- 7
- neutrale
Gerade
- 8
- zweiter
Abschnitt
- 9
- Durchgang,
Via
- 10
- erste
Keimschicht
- 11
- Dielektrikumsschicht
- 12
- zweite
Keimschicht
- 13
- Kontaktfläche
- 14
- Nickel-Schicht
- 15
- Gold-Schicht