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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterbauelements.
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Die
US 2002/0053735 A1 beschreibt ein Verfahren zum elektrischen Kontaktieren
von integrierten Schaltungen mittels Kontaktflächen. Ein klebendes Material
wird auf die Kontaktseite aufgebracht, welches beispielhaft ein
UV-härtbares
Polymer enthält.
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Die
DE 102 27342 A1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Kontaktierungsbereich,
die elastische Erhebung mit darauf befindlichen Umverdratungsmetallisierungen
aufweisen. Ferner sind diskrete Stützen aus einem Polymer mit
einer geeigneten Härte
in einem peripheren Stützbereich
auf der Kontaktierungsseite der Schaltungsanordnung angebracht.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung und die hier zugrunde liegende Problematik
anhand eines Halbleiterbauelements mit elastischen Kontaktbereichen
beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern
betrifft allgemein Halbleiterbauelemente, welche elastische Erhebungen
aufweisen.
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Halbleiterbauelemente
weisen eine Vielzahl von elektrischen Kontakten auf, welche das
Halbleiterbauelement mit einer Leiterplatte oder einem anderen Träger elektrisch
verbinden. Diese Kontakte werden z.B. bei Halbleiterbauelementen
mit Flip-Chip-Gehäusen
durch Lotbällchen
geschaffen. Bei einer Bestückung
einer Leiterplatte mit einem solchen Halbleiterbauelement wird das
Halbleiterbauelement auf der Leiterplatte angeordnet und dann beide
zusammen in einem Ofen erhitzt.
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Dabei
schmelzen die Lotbällchen
an und verbinden sich mit Kontaktbereichen auf der Leiterplatte. Nach
einem Abkühlen
des Halbleiterbauelements und der Leiterplatte ist somit eine elektrische
Kontaktierung gewährleistet,
welche zugleich auch eine mechanische Befestigung des Halbleiterbauelements mittels
des erstarrten Lots schafft.
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Die
Leiterplatte und das Halbleiterbauelement weisen in der Regel unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf. Dadurch ergeben sich mechanische Spannungen in dem Halbleiterbauelement,
wenn die Leiterplatte sich stärker
oder weniger stark als das Halbleiterbauelement beim Abkühlen nach
der Bestückung
zusammenzieht.
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Es
können
sich auch thermische Spannungen zwischen einem Interposer und einem
darauf angelöteten
Chip ergeben. Hierbei kann z.B. ein thermo-mechanischer Stress beim
Ein- und Ausschalten des Chips und den zugehörigen Aufheiz- bzw. Abkühlphasen
auftreten.
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Zweckmäßigerweise
werden die thermoelastischen Spannungen dadurch reduziert, dass
die Kontakte elastisch ausgebildet sind. Die elastischen Kontakte
werden durch eine elastische Erhebung gebildet, auf deren Spitze
ein leitfähiger
Kontaktbereich angeordnet ist. Der leitfähige Kontaktbereich wird über eine
Verdrahtung mit Chip-Kontaktierungsbereichen verbunden. Dazu wird
die Verdrahtung über eine
Seitenfläche
der elastischen Erhebung geführt.
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Nachteiligerweise
zeigt sich jedoch, dass Halbleiterbauelemente mit diesen elastischen
Erhebungen den Anforderungen von Drop-Tests nicht genügen. Bei
diesen so genannten Drop-Tests
wird geprüft,
ob das Halbleiterbauelement hohen Beschleunigungen widersteht, welche
z.B. beim Aufsetzen des Halbleiterbauelements auf eine Leiterplatte durch
einen Bestückungsautomat
entstehen können.
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Mobiltelefone
müssen üblichen
mechanischen Belastungen widerstehend. Daher werden Halbleiterbauelemente
für die
Verwendung in Mobilfunktelefonen mittels Drop-Tests auf ihre Belastbarkeit
unterzogen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement
zu schaffen, welches einerseits den Anforderungen eines Drop-Tests
genügt
und andererseits thermomechanische Spannungen kompensiert.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein Halbleitersubstrat bereitgestellt, welches eine erste Oberfläche aufweist.
Auf die erste Oberfläche wird
mindestens eine Erhebung aufgebracht, wobei die Erhebung eine Vorstufe
eines Polymers und mindestens einen lichtempfindlichen Polymerisationsinitiator
zur Bildung eines Polymers beinhaltet. Mindestens eine Erhebung
wird zumindest in einem Bereich oder vollständig belichtet.
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Eine
Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch das Belichten
des lichtempfindlichen Polymerisationsinitiators ein Elastizitätsmodul
bzw. Youngsches Modul des Polymers gezielt eingestellt werden kann.
Ein lichtempfindlicher Initiator erzeugt bei Absorption eines Photons
einen chemischen Zwischenzustand. In diesem Zwischenzustand ermöglicht der
Initiator eine Kettenbildung des Polymers und damit indirekt die
Härte des
Polymers. Dies ermöglicht
es, gezielt die Erhebungen steifer zu gestalten, welche bei einem
Drop-Test höheren
Beschleunigungen widerstehen müssen
bzw. höhere Beschleunigungen
von dem darunter oder in der Nähe
liegenden Bauelement abschirmen müssen. Zudem können gezielt
Versteifungen zur mechanischen Stabilisierung ausgebildet werden.
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Die
Vorstufen des Polymers umfassen hierbei u.A. Monomere. Einer der
Polymerisationsinitiatoren kann aus einer lichtempfindlichen Klasse
von Polymerisationsinitiatoren ausgewählt werden, so dass die Polymerisationsrate
gegenüber
unbelichteten Bereichen erhöht
werden kann. Bereiche mit einer höheren Polymerisationsrate weisen
dementsprechend nach der Polymerisationsphase längere Polymerketten mit einem
höheren
Elastizitätsmodul bzw.
Youngschen Modul auf.
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Es
gibt verschiedene Typen von Polymerisationsinitiatoren. Eine Klasse
baut sich nicht in das Polymer ein. Hingegen ist eine andere Klasse
am Ende eine Polymerisationsphase Bestandteil des Polymers. Hierbei
können
auch Polymerisations initiatoren verwendet werden, welche zugleich
Monomere des Polymers sind. In diesem Fall ist die Vorstufe gleich
dem Polymerisationsinitiator.
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Die
hergestellte Vorrichtung weist zumindest einen Kontaktbereich und
mindestens zwei elastische Erhebungen auf einer ersten Oberfläche des Halbleiterbauelements
auf. Eine Umverdrahtungseinrichtung verbindet eine obere Fläche der
mindestens einen elastischen Erhebung mit dem mindestens einen Kontaktbereich.
Dabei ist mindestens eine der elastischen Erhebungen in einem Randbereich des
Halbleiterbauelements mit einem höheren Elastizitätsmodul
versehen als die elastischen Erhebungen in einem zentralen Bereich
des Halbleiterbauelements.
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Es
zeigte sich, dass vor allem eine Versteifung der elastischen Erhebungen
in den Randbereichen zu einer Verbesserung der Drop-Eigenschaften des
Halbleiterbauelements führt.
Die anderen elastischen Erhebungen in einem zentralen Bereich können ein
geringeres Elastizitätsmodul
aufweisen und somit vorteilhafter für die Kompensation von thermomechanischen
Spannungen ausgelegt werden.
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Ferner
werden vorwiegend Erhebungen im Randbereich des Halbleiterbauelements
zu belichten, wobei die belichteten Bereiche der Erhebungen ein
höheres
Elastizitätsmodul
aufweisen als unbelichtete Bereiche. Dies ist vor allem der Fall,
wenn lichtempfindliche Polymerisationsinitiatoren ausgewählt werden,
welche beim Belichten zu einer höheren
Polymerisationsrate führen.
Im Extremfall können dies
auch Polymerisationsinitiatoren sein, welche in unbelichteten Bereichen
keine Polymerisation ermöglichen.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird nach dem Belichten ein Wärmeschritt zum Polymerisieren
der Vorstufe des Polymers durchgeführt. Dadurch werden alle Vorstufen
bis zu einem gewissen Grad polymerisiert, wobei die zuvor durch
die Belichtung bzw. Nichtbelichtung behandelten Erhebungen je nach Ausgestaltung
ein höheres
bzw. niedrigeres Elastizitätsmodul
aufweisen. Es kann auch vorteilhaft sein eine erste Polymerisierung
der aufgebrachten Vorstufen mittels eines Wärmeschritts vor dem Belichten durchzuführen. Durch
den entsprechenden Schritt kann die Form der Erhebung genauer eingestellt
werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des vorliegenden Verfahrens sieht vor,
steife Erhebungen in dem Randbereich auf der ersten Oberfläche des Halbleiterbauelements
anzuordnen. Diese steifen Erhebungen schützen das Halbleiterbauelement
optimal bei einem Drop-Test bzw. bei einer Bestückung durch einen Bestückungsautomat.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, ausschließlich einen
mittleren Bereich der Erhebungen zu belichten. Dies ermöglicht es,
das mittlere Elastizitätsmodul
der Erhebung gezielt einzustellen. Je nach Anteil des mittleren
Bereichs an der Gesamtquerschnittsfläche bzw. an dem Gesamtvolumen
der Erhebung wird die Erhebung steifer bzw. weniger steif.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird auf mindestens einer Erhebung eine Umverdrahtungseinrichtung
aufgebracht, welche mit mindestens einem Kontaktbereich auf der
ersten Oberfläche
des Halbleiterbauelements verbunden ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist ein Verhältnis einer
Querschnittsfläche
des belichteten Bereichs zur Querschnittsfläche des unbelichteten Bereichs der
Erhebung in einem zentralen Bereich des Halbleiterbauelements geringer
als ein Verhältnis
einer Querschnittsfläche
des belichteten Bereichs zur Querschnittsfläche des unbelichteten Bereichs
der Erhebungen in einem Randbereich des Halbleiterbauelements. Dies
verbindet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, gezielt das Elastizitätsmodul
der Erhebungen einzustellen. Zudem sind in einem Randbereich des
Halbleiterbauelements gegenüber
den anderen Erhebungen versteifte Erhebungen ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Figuren
der Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 bis 4 Teilquerschnitte
zur Darstellung einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 eine
schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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6 einen
Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 einen
Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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8 einen
Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezug auf die 1 bis 8 bezeichnen
gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.
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In
Zusammenschau mit den 1 bis 4 wird anhand
von Teilschnitten eine Ausführungsform eines
Herstellungsverfahren beschrieben.
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Es
wird ein Wafer bereitgestellt, auf welchen eine Mehrzahl von Halbleiterbauelemente 1 prozessiert
sind. Das nachfol gend beschriebene Verfahren kann entweder auf Wafer-Level
oder Chip-Level durchgeführt
werden. D.h., das Verfahren wird entweder vor dem Vereinzeln bzw.
Zersägen
des Wafers durchgeführt
oder entsprechend nach dem Vereinzeln. Vorteilhaft ist aus Gründen der
parallelen Verarbeitung und der daraus resultierenden höheren Effizienz
das Verfahren auf Wafer-Level
durchzuführen.
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Das
Halbleiterbauelement 1 weist mindestens einen Chip-Kontaktierungsbereich 2 auf.
Der Chip-Kontaktierungsbereich 2 ist mit in dem Halbleiterbauelement 1 angeordneten
passiven und aktiven Bauelementen verbunden oder zumindest gekoppelt. Die
Seite, an welcher sich der Chip-Kontaktierungsbereich befindet,
wird nachfolgend als erste Oberfläche oder Rückseite 101 des Halbleiterbauelements 1 bezeichnet.
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In
einem ersten Schritt werden auf die erste Seite 101 eine
Mehrzahl von Erhebungen 3 aufgebracht. Diese Erhebungen
beinhalten Vorstufen eines Polymers und einen oder mehrere Polymerisationsinitiatoren.
Die Vorstufen umfassen die Monomere, aus welchen sich bei einem
Polymerisationsprozess ein Polymer bildet. Ein Gemisch der Vorstufen und
des Polymerisationsinitiators können
z.B. durch ein Stempel- und/oder ein Siebdruck- und/oder ein Schablonendruckverfahren
aufgebracht werden.
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In
einem nächsten
optionalen Schritt wird in einer Ausführungsform die Erhebung mit
einer Wärmebehandlung
gehärtet,
damit eine feste Erhebung entsteht. Mit der Wärmebehandlung kann eine Vernetzung
des Polymermaterials auftreten. Dies wird vor allem stattfinden,
wenn es Initiatoren im Polymermaterial gibt, die mit Wärme aktivierbar
sind.
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In
einem nächsten
Schritt werden einzelne Erhebungen 3 belichtet. Dadurch
kann die Polymerisationsrate der Vorstufen gesteuert werden. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn explizit lichtempfindliche
Vorstufen, in der Regel lichtemp findliche Polymerisationsinitiatoren,
verwendet werden. In dem in 3 dargestellten
Fall werden vorwiegend elastische Erhebungen 3 in einem
Randbereich A des Halbleiterbauelements belichtet. In diesen erhöht sich
die Polymerisationsrate bzw. eine Polymerisation wird gestartet.
Somit liegen in einer belichteten Erhebung 3a bereits kurze
Polymerketten vor. In den nicht belichteten Erhebungen 36 findet
in der Zwischenzeit in der Regel keine Polymerisation statt oder
diese ist vernachlässigbar
gering. Nachfolgend wird das gesamte Halbleiterbauelement 1 bzw.
der Wafer einem Wärmebehandlungsschritt
unterzogen, welcher alle Vorstufen polymerisiert bzw. die teilweise
bereits polymerisierten Polymere weiter polymerisiert. Somit bleibt
ein Unterschied in der Länge
der Polymerketten und/oder dem Anteil langkettiger Polymere in den
zuvor belichteten Erhebungen 3a gegenüber den unbelichteten Erhebungen 3b bestehen.
Da das Elastizitätsmodul
mit zunehmender Länge
der Polymerketten ansteigt und/oder dem Anteil langkettiger Polymere,
weisen die zuvor belichteten Erhebungen 3a eine höhere Steifigkeit
bzw. ein höheres
Elastizitätsmodul
verglichen zu den unbelichteten Erhebungen 3b auf.
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Eine
Verbesserung der Drop-Eigenschaften kann dadurch erreicht werden
kann, dass steife Erhebungen in einem Randbereich A des Halbleiterbauelements 1 auf
der ersten Oberfläche 101 angeordnet werden.
Daher werden vorwiegend Erhebungen 3a in einem Randbereich
A und/oder den Ecken belichtet. Die anderen Erhebungen können ein
geringeres Elastizitätsmodul
aufweisen und somit thermomechanische Spannungen weiterhin in hohem
Maße kompensieren.
Das Verhältnis
der belichteten Erhebungen 3a zu den unbelichteten Erhebungen 3b wird entsprechend
der zu erwartenden maximalen Beschleunigungen bzw. Anforderungen
des Drop-Tests und der zu erwartenden thermomechanischen Spannungen
eingestellt. Somit können
durch gezieltes Belichten einzelner elastischer Erhebungen 3 eines Halbleiterbauelements
bzw. eines gesamten Wafers die mechanischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements 1 auf
zu erwartende Belastungen hin optimiert werden.
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In
einem weiteren Schritt wird eine Umverdrahtungseinrichtung 4 auf
die erste Oberfläche 101 und
die Erhebungen 3a, 3b aufgebracht, welche die Spitzen
der Erhebungen mit entsprechenden Bereichen des Chip-Kontaktierungsbereichs 2 verbindet. Die
Umverdrahtungseinrichtung 4 kann auf alle oder nur auf
einen Teil der Erhebungen 3a, 3b aufgebracht werden.
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In 5 ist
eine Aufsicht auf die erste Oberfläche 101 eines Halbleiterbauelements 1 dargestellt. Zur
Vereinfachung der Darstellung ist die Umverdrahtungseinrichtung 4 nicht
eingezeichnet. Wie zuvor ausgeführt,
sind die belichteten und damit steiferen Erhebungen 3b vorwiegend
in dem Randbereich A angeordnet. Es können jedoch auch vereinzelt
Erhebungen in dem Zentralbereich B belichtet werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 6 im Querschnitt
dargestellt. Hierbei werden die Erhebungen 3a nicht vollständig, sondern
nur in einem Bereich belichtet werden. Vorzugsweise wird ein mittlerer
Bereich C der Erhebungen 3 belichtet. Hierdurch wird ermöglicht,
das Elastizitätsmodul
dadurch einzustellen, dass das Volumen des belichteten Bereichs
C zu dem Volumen des unbelichteten Bereich D gezielt variiert wird
(nicht dargestellt).
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Es
können
auf diese Weise alle Erhebungen 3 belichtet werden, oder,
wie zuvor ausgeführt,
vorwiegend Erhebungen 3 in einem Randbereich A des Halbleiterbauelements 1.
Die gesamte Querschnittsfläche,
summiert über
alle belichteten Bereiche der elastischen Erhebung 3a,
entspricht vorzugsweise der Gesamtfläche der belichteten Erhebungen,
summiert über
alle vollständig
belichteten Erhebungen 3a des zuerst ausgeführten Ausführungsbeispiels
in Zusammenhang mit den 1 bis 4.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
sieht vor, den Anteil eines belichteten Bereichs einer Erhebung für eine Erhebung
in einem Randbereich A größer zu gestalten
als den belichteten Bereich für
eine Erhebung in einem zentralen Bereich B. Auf diese Weise kann
ein Gradient des Elastizitätsmoduls
von den äußeren Erhebungen
zu den mittleren Erhebungen hin erreicht werden.
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In
einer weiteren Ausführung
werden vollständig
steife, nicht elastische Erhebungen 5 in einem Randbereich
A des Halbleiterbauelements 1 angeordnet. Die steifen Erhebungen 5 schützen das Halbleiterbauelement 1 optimal
bei der auftretenden Beschleunigung während eines Drop-Tests oder
einer Bestückung
durch einen Bestückungsautomaten.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Insbesondere ist sie nicht
auf die Anzahl der elastischen Erhebungen und deren Unterteilung
in einen belichteten und einen nicht belichteten Bereich beschränkt. Ebenso
kann die Erhebung mit einer Vielzahl abgestufter Belichtungsschritte
strukturiert werden.
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Ferner
ist die Erfindung nicht auf verwendeten Materialien der Erhebungen
beschränkt.
Diese können
u.a. Polyurethan, Silikon oder Epoxyharze beinhalten.
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- 1
- Halbleiterbauelement
- 2
- Chipkontaktierungsbereich
- 3
- Erhebung
- 3a
- Belichtete
Erhebung
- 3b
- Unbelichtete
Erhebung
- 4
- Umverdrahtungseinrichtung
- 5
- steife
Erhebung
- 101
- erste
Oberfläche
- A,
B
- Bereiche
Halbleiterbauelement
- C,
D
- Bereiche
Erhebung