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Die
Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, insbesondere Leistungsmodul,
mit mindestens zwei Substraten.
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In
Halbleitermodulen werden für
die Montage von Leistungsbauelementen spezielle Substrate, z. B.
Keramiksubstrate, eingesetzt, die den besonderen mechanischen, elektrischen
und thermischen Anforderungen der Leistungselektronik genügen. Zur
Herstellung „intelligenter” Leistungsmodule
werden den Leistungsbauelementen zunehmend Elektronikschaltungen
mit niedrigem Leistungsbedarf, wie z. B. Logikschaltungen, hinzugefügt. Für die Integration solcher
Elektronik mit niedriger Leistungsaufnahme in das Leistungsmodul
kann ein separates Substrat verwendet werden, das kostengünstiger
als das für die
Leistungselektronik erforderliche Substrat ist. Bei der Verwendung
von zwei Substraten ergeben sich jedoch Fragestellungen in Hinblick
auf die Anordnung der Substrate, ihren Platzbedarf sowie ihre elektrische
und mechanische Kontaktierung im Modul.
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Die
Druckschrift
DE 102
14 953 A1 beschreibt ein Leistungsmodul mit zwei mit Chips
bestückten
Substraten und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die Substrate
sind parallel übereinander ausgerichtet,
wobei ihre Bestückungsseiten
zueinander angeordnet sind und mit Hilfe scharnierartig gebogener
Bonddrähte
in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden.
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Die
Druckschrift
US 5 332
921 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem U-förmig gebogenen
Hauptsubstrat, auf dessen Innenseiten zwei isolierende Substrate
angeordnet sind, auf denen sich Halbleiterbauelemente befinden.
Der verbleibende Raum innerhalb des U-förmigen Hauptsubstrats ist mit
einer Harzmasse versiegelt.
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Die
Druckschrift
US
2005/0 205 970 A1 beschreibt ein Package bzw. ein gepacktes
Schaltungsmodul mit mehreren gestapelten Substraten, die jeweils
mit Bauelementen versehen sind, wobei die Bauelemente oder die Substrate
an einen Leadframe bzw. einen Trägerstreifen
angeschlossen sind.
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Nach
einem ersten Aspekt umfasst ein Halbleitermodul ein Modulgehäuse, ein
erstes Substrat, ein erstes Halbleiterbauelement, das auf dem ersten Substrat
aufgebracht ist und mindestens einen aus dem Modulgehäuse herausführenden
ersten Außenleiter,
der mit dem ersten Substrat verbunden ist. Ferner umfasst das Halbleitermodul
ein zweites Substrat, ein zweites Halbleiterbauelement, das auf
dem zweiten Substrat aufgebracht ist und mindestens einen aus dem
Modulgehäuse
herausführenden
zweiten Außenleiter,
wobei das zweite Substrat über Presspassungen
an dem zweiten Außenleiter
befestigt ist.
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Nach
einem zweiten Aspekt umfasst ein Leistungsmodul ein Modulgehäuse, ein
erstes Substrat, das mit einem Leistungs-Halbleiter bestückt ist und erste aus dem Modulgehäuse ragende
Außenleiter,
die am ersten Substrat angebracht sind und zum Zuführen von
Laststrom für
den Leistungs-Halbleiter vorgesehen sind. Ferner umfasst das Leistungsmodul
ein zweites Substrat, das mit einer Signalverarbeitungsschaltung
bestückt
ist und zweite aus dem Modulgehäuse
ragende Außenleiter.
Das zweite Substrat ist an den zweiten Außenleitern über Presspassungen befestigt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Leistungsmoduls mit zwei Substraten; und
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Leistungsmoduls mit zwei Substraten.
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Im
Folgenden werden Leistungsmodule beschrieben, die zusätzlich mit
einer Signalverarbeitungsschaltung bestückt sind. Die Signalverarbeitungsschaltung
kann zur Verarbeitung von Signalen dienen, die die Funktion des
Leistungs-Halbleiters steuern oder überwachen. Beispielsweise kann
die Signalverarbeitungsschaltung eine Sensorschaltung oder eine
Steuerschaltung bzw. Treiberschaltung sein. Sie kann analoge und/oder
digitale Schaltungsabschnitte umfassen und beispielsweise als Logikschaltung
oder Verstärkerschaltung
ausgeführt
sein. Je nach Anwendungsfall kann die Schaltung integrierte Schaltungen
(d. h. Halbleiter-Chips) aber auch passive Bauelemente und/oder
Hybrid-Bauelemente enthalten.
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Die 1 zeigt
ein Leistungsmodul 1, welches ein erstes Substrat 2 und
ein zweites Substrat 3 enthält. Auf dem ersten Substrat 2 ist
ein Leistungs-Halbleiter 4, beispielsweise eine IGBT-Diode (Insulated
Gate Bipolar Transistor), ange bracht. Das zweite Substrat 3 trägt eine
Signalverarbeitungsschaltung, die beispielsweise einen integrierten Schaltkreis 6 und
ein passives Bauelement 7 umfassen kann. Der integrierte
Schaltkreis kann eine Signalverarbeitung jeglicher Art (z. B. Signalerzeugung, Signalauswertung)
vornehmen. Bei dem passiven Bauelement 7 kann es sich beispielsweise
um einen Widerstand R, eine Kapazität C oder eine Induktivität L handeln.
Die auf dem zweiten Substrat 3 implementierte Signalverarbeitungsschaltung
weist einen geringeren Leistungsbedarf als der Leistungs-Halbleiter 4 auf.
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Zur
Realisierung des ersten Substrats 2 sind beispielsweise
DCB (Direct Copper Bonding) Keramiksubstrate geeignet. Diese können beispielsweise aus
einer Aluminiumoxid-Keramik bestehen, auf welche eine fototechnisch
strukturierbare Kupferschicht 8 aufgebracht ist. Die Kupferschicht 8 dient
sowohl zur elektrischen Kontaktierung des Leistungs-Halbleiters 4 als
auch zur Ableitung der in dem Leistungs-Halbleiter 4 erzeugten
Wärme.
Der Leistungs-Halbleiter 4 kann sowohl über zwei Bodenkontakte als
auch über
einen Bodenkontakt und einen Oberseitenkontakt mit Laststrom versorgt
werden. Eine metallische Bodenplatte 5 kann vorgesehen sein
und dient der Wärmeableitung.
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Bei
dem zweiten Substrat 3 kann es sich um ein herkömmliches
organisches Substrat, beispielsweise um ein glasfaserverstärktes Kunststoffsubstrat,
handeln. Da bezüglich
der Signalverarbeitungsschaltung typischerweise wesentlich geringere
Anforderungen in Bezug auf die Wärmeableitung
und den Querschnitt der Leitungswege bestehen, können übliche kostengünstige Platinen
als zweites Substrat 3 eingesetzt werden.
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Ein
oder mehrere elektrisch leitende Verbindungsdrähte 9 realisieren
eine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Leistungs-Halbleiter 4 oder
mit dem Leistungs-Halbleiter 4 in elektrischer Verbindung
stehenden Leitungswegen 8 auf dem ersten Substrat 2 und
Leitungswegen auf dem zweiten Substrat 3.
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Die
Verbindungsdrähte 9 können beispielsweise
aus Aluminium bestehen. Zweckmäßigerweise sind
sie biegesteif, d. h. in der Lage, das bestückte zweite Substrat 3 in
einer beliebigen Biegestellung ohne weitere Unterstützung zu
halten. Beispielsweise kann über
den oder die Verbindungsdrähte 9 ein Steuersignal
für den
Leistungs-Halbleiter 4 von der Signalverarbeitungsschaltung 6, 7 zum
Leistungs-Halbleiter 4 übertragen
werden.
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Sowohl
am ersten Substrat 2 als auch am zweiten Substrat 3 sind
Außenflachleiter 10, 11 angebracht,
die die Leiterwege auf den jeweiligen Substraten 2, 3 elektrisch
kontaktieren. Die Außenflachleiter 10, 11 können Kontaktbeine
des Moduls 1 darstellen. Sie sind beispielsweise Bestandteile
eines Leadframes (Stanzträger),
welches zur Außenkontaktierung
des Moduls 1 verwendet wird.
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Durch
die strukturierte Kupferschicht 8 realisierte Leitungswege
auf dem ersten Substrat 2 werden von ersten Außenflachleitern 10 kontaktiert.
In der Schnittdarstellung ist nur einer dieser ersten Außenflachleiter 10 erkennbar.
Der erste Außenflachleiter 10 weist
einen modulseitigen Endabschnitt 10a auf, an welchem er
z. B. über
ein Ultraschall-Schweißverfahren,
ein Laserschweißverfahren
oder eine Lötung
mit der Kupferschicht 8 auf dem ersten Substrat 2 elektrisch
und mechanisch sicher verbunden ist. Im weiteren Verlauf kann der
erste Außenflachleiter 10 einen
stufenförmigen
Verlauf in Form von zwei gegenläufigen
90° Umbiegungen
aufweisen, siehe 1.
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Der
zweite Außenflachleiter 11 liegt
in dem in der 1 gezeigten Beispiel in derselben
Ebene wie der erste Außenflachleiter 10.
Da der zweite Außenflachleiter 11 in
der Schnittdarstellung hinter dem ersten Außenflachleiter 10 liegt,
ist in der 1 lediglich sein freier Endabschnitt 11a unverdeckt
erkennbar. Wiederum sind eine Mehrzahl (z. B. mehr als 10) zweite
Außenflachleiter 11 vorhanden,
die über-
die senk recht zur Papierebene verlaufende Modulbreite verteilt angeordnet
sind. Der Endabschnitt 11a des zweiten Außenflachleiters 11 ist über eine
Befestigung 12 an dem zweiten Substrat 3 fixiert.
Die Befestigung 12 bewirkt sowohl eine mechanisch stabile Halterung
des zweiten Substrats 3 an der den Verbindungsdrähten 9 gegenüberliegenden
Substratseite als auch eine elektrische Kontaktierung von Leitungswegen
auf dem zweiten Substrat 3 mit den zweiten Außenflachleitern 11.
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Vorzugsweise
wird als Befestigung 12 eine selektive Befestigung verwendet,
die beispielsweise aus der „Second-Level
Assembly”-Technologie übernommen
werden kann. Eine selektive Befestigung bedeutet, dass der Befestigungsvorgang
nicht im Zusammenhang mit der Bestückung des zweiten Substrats 3 mit
Bauelementen 6, 7 (üblicherweise „Reflow-Lötung”) erfolgt,
sondern separat in der in 1 dargestellten
Lage und Anordnung der Modulkomponenten durchgeführt werden kann.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für die
Befestigung 12 ist eine Selektivlötung. Diese kann dadurch erreicht
werden, dass eine Induktionsschleife lokal im Bereich der Befestigungen 12 über dem
zweiten Substrat 3 angeordnet wird. Durch die Induktionsschleife werden
vorgefertigte Lotdepots, die zuvor auf geeignet angeordneten Anschlussflächen des
zweiten Substrats 3 aufgebracht wurden, aufgeschmolzen und
bilden ein mechanisch stabile und elektrisch sichere Lötverbindung
zwischen den Endabschnitten 11a der zweiten Außenflachleiter 11 und
dem zweiten Substrat 3.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
für die
Realisierung der Befestigung 12 besteht darin, eine Presssitzverbindung
bzw. Presspassungsverbindung zwischen dem zweiten Außenflachleiter 11 und
dem zweiten Substrat 3 herzustellen. Zu diesem Zweck weist
das zweite Substrat 3 an geeigneten Stellen metallisierte
Durchkontaktierungen auf. In diese metallisierten Durchkontaktierungen
wird entweder ein inkompressibler Stift oder ein Stift mit flexiblen
Einpresszonen eingedrückt.
Die Vorgehensweise ist als „Press-Fit”-Technologie
im Bereich des „Second-Level-Assembly” bekannt.
Durch diese „Press-Fit”-Technologie wird
ein mechanisch stabiler und elektrisch zuverlässiger Kontakt zwischen dem zweiten
Außenflachleiter 11 und
Leiterwegen des zweiten Substrats 3 erzielt.
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Erfolgt
die Befestigung des zweiten Substrats 3 an den zweiten
Außenflachleitern 11 durch
(selektive) Presssitzverbindungen, können die Befestigungspunkte
an beliebigem Ort über
dem zweiten Substrat 3 verteilt angeordnet werden. Bei
einer selektiven Induktionstötung
werden die Befestigungspunkte vorzugsweise in linearer Anordnung
gewählt, da
das vorzugsweise gleichzeitige Aufschmelzen sämtlicher Lotdepots für die Ankontaktierung
der zweiten Außenflachleiter 11 bei
beliebigen Kontaktierungsorten und bereits bestücktem zweiten Substrat 3 in
der Praxis schwierig oder unmöglich
ist.
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Das
erste Substrat 2 mit dem Leistungs-Halbleiter 4 sowie
das zweite Substrat 3 mit der Signalverarbeitungsschaltung 6, 7 und
die Verbindungsdrähte 9 sind
in einem Vergussmassegehäuse 13 eingebettet.
Die ersten und zweiten Außenflachleiter 10, 11 können das
Vergussmassegehäuse 13 in
einer Ebene liegend verlassen.
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Durch
die Ankontaktierung sowohl des ersten Substrats 2 als auch
des zweiten Substrats 3 an Kontaktbeine bzw. Kontaktpins
(erste und zweite Außenflachleiter 10, 11)
des Moduls 1 wird eine direkte Stromführung von den Kontaktbeinen
(Leadframe) sowohl zum ersten Substrat 2 als auch zum zweiten Substrat 3 erreicht.
Weder ist es erforderlich, Laststromleitungen auf dem zweiten Substrat 3 zur
Leitung von Laststrom für
den Leistungs-Halbleiter 4 über die Verbindungsdrähte 9 vorzusehen,
noch ist es erforderlich, Signalleitungen auf dem ersten Substrat 2 vorzusehen, über welche
die Signalverarbeitungsschaltung 6, 7 auf dem
zweiten Substrat 3 z. B. über die Verbindungsdrähte 9 an
die Kontaktbeine (Außenflachleiter)
angebunden wird. Die Vermeidung einer Laststromführung über das zweite Substrat 3 erhöht das Platzangebot
auf dem zweiten Substrat 3, da kein Platz für Laststromleitungen
freigehalten werden muss. Ferner können feinere Strukturen der
Leiterwege durch dünneres
Kupfer erzeugt werden. Infolgedessen kann das zweite Substrat 3 im
Vergleich zu einer Situation, in welcher Laststrom über das zweite
Substrat 3 geführt
wird, dimensionskleiner und kostengünstiger hergestellt werden.
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Die
durch die Direktanbindung des zweiten Substrats 3 an die
Außenflachleiter 11 ermöglichte Vermeidung
von über
das erste Substrat 2 hinweglaufenden Signalisierungsleitungen
macht eine kostengünstigere
Ausführung
des ersten Substrats 2 möglich. Ein weiterer Vorteil
der Direktanbindung des zweiten Substrats 3 an die Außenflachleiter 11 (Leadframe) über die
Befestigungen 12 besteht darin, dass Signallaufzeitprobleme
vermieden werden können, die
bei über
das erste Substrat 2 hinweglaufenden Signalisierungsleitungen
beispielsweise bei Hochfrequenzanwendungen infolge langer Signalleitungswege
auftreten können.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Leistungsmoduls 1',
bei welchem die ersten und zweiten Außenflachleiter 10, 11 in
zwei Ebenen unter vertikalem Abstand zueinander aus dem Vergussmassegehäuse 13 austreten.
In diesem Fall kann gemäß 1 die
Doppelumbiegung des ersten Außenflachleiters 10 entfallen.
Der Leistungs-Halbleiter 4 ist in dem in 2 gezeigten
Beispiel zur Laststromaufnahme über
Bodenkontakte mit der strukturierten Kupferschicht 8 verbunden,
es ist jedoch auch möglich,
einen mit Boden- und Oberseitenkontakten ausgerüsteten Leistungs-Halbleiter 4 mit
vertikalem Laststromfluss einzusetzen. Insbesondere für größere Leistungen
werden Leistungs-Halbleiter 4 mit vertikalem Stromfluss
eingesetzt. Identische oder funktionsähnliche Teile sind in den 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Wie
aus 2 ferner ersichtlich, können auch die Verbindungsdrähte 9 entfallen.
Eine externe elektrische Verbindung zwischen dem ersten Substrat 2 und
dem zweiten Substrat 3 kann durch eine äußere Beschaltung (nicht dargestellt)
realisiert sein. Es ist auch möglich,
dass weder eine interne noch eine externe elektrische Verbindung
zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3 vorhanden
ist, beispielsweise wenn es sich bei der Signalverarbeitungsschaltung 6, 7 um
einen Sensor, z. B. Temperatursensor, handelt.
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Im
Folgenden werden in beispielhafter Weise Verfahren zur Herstellung
des Leistungsmoduls 1 beschrieben.
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Zunächst wird
das Leadframe mit den ersten Außenflachleitern 10 an
das erste Substrat 2 angebracht. Wie bereits beschrieben,
kann dies z. B. mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens erfolgen.
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Anschließend wird
das erste Substrat 2 mit dem Leistungs-Halbleiter 4 bestückt. Die
Bestückung erfolgt
vorzugsweise nach dem Anbringen der ersten Außenflachleiter 10 an
das erste Substrat 2, da der Anbringungsschritt den Leistungs-Halbleiter 4 gegebenenfalls
gefährden
kann. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich,
das erste Substrat 2 vor der Kontaktierung durch die ersten
Außenflachleiter 10 zu bestücken.
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Anschließend wird
das bereits bestückte zweite
Substrat 3 neben das erste Substrat 2 gelegt. Bezogen
auf die 1 würde sich das zweite Substrat 3 zu
diesem Zeitpunkt rechts neben dem in der 1 dargestellten
ersten Substrat 2 befinden. Bei dieser Anordnung werden
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 die
Verbindungsdrähte 9,
z. B. in Form von Aluminium-Wirebond-Verbindungen,
hergestellt.
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Anschließend wird
das zweite Substrat 3 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch
eine Klappbewegung in die aus der 1 ersichtlichen Lage über dem
ersten Substrat 2 ge bracht. Dabei können die Verbindungsdrähte 9 bei
ausreichender mechanischer Tragfähigkeit
und Biegesteifigkeit als Schwenklager wirken. Das bestückte zweite
Substrat 3 kann bei Auflage auf den freien Endabschnitten 11a der
zweiten Außenflachleiter 11 an
der von den Verbindungsdrähten 9 gestützten Seite
allein von den Verbindungsdrähten 9 getragen
werden.
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Sofern
keine Verbindungsdrähte 9 vorgesehen
sind, siehe 2, kann das zweite Substrat über eine
geeignete Handhabungsvorrichtung in die in 2 dargestellte
Position gebracht und dort festgehalten werden.
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Das
zweite Substrat 3 liegt nun mit einem Randabschnitt auf
den Endabschnitten 11a der zweiten Außenflachleiter 11 auf.
Dort wird das zweite Substrat 3 gegenüber dem Leadframe lagejustiert, an
die Endabschnitte 11a angedrückt und z. B. mittels einer
der bereits beschriebenen Technologien (Selektivlötung, Press-Fit-Technologie)
an dem Leadframe (d. h. den Außenflachleitern 11)
befestigt.
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Die
Außenflachleiter 11 sowie
die Befestigungen 12 können
mechanisch so ausgeführt
sein, dass sie das bestückte
zweite Substrat 3 allein tragen können. Sofern Verbindungsdrähte 9 vorhanden sind,
müssen
diese also weder biegesteif sein noch eine Stützfunktion erfüllen.
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Nach
Fertigstellung der Selektivbefestigungen 12 wird der Vergussschritt
zur Herstellung des Gussmassegehäuses 13 („mold compound”) ausgeführt. Hierfür wird die
in der beschriebenen Weise vorgefertigte Baugruppe in eine Kavität eines
Spitzgießwerkzeugs
eingesetzt und Gussmasse, z. B. Kunststoff, unter Druck (z. B. 80
bar) in die Kavität eingespritzt.
Dabei wird die Baugruppe bis gegebenenfalls auf die Bodenplatte 5,
die zur Wärmeableitung
dient, allseitig mit Gussmasse ummantelt. Die erforderliche Lagestabilität des zweiten
Substrats 3 während
des Vergussvorgangs wird durch die Befestigungen 12 und
gegebenenfalls durch die vorhandene Abstüt zung des zweiten Substrats 3 durch
die Verbindungsdrähte 9 gewährleistet.
Mit anderen Worten ermöglichen
die Befestigungen 12 zwischen dem Leadframe und dem zweiten
Substrat 3 ein beschädigungsfreies
Vergießen
und erhöhen
somit die Ausbeute im Produktionsprozess.
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Anstelle
der Herstellung des Gussmassegehäuses 13 in
einem Spritzgießwerkzeug
kann die in der beschriebenen Weise vorgefertigte Baugruppe auch
in ein Hohlraumgehäuse
eingesetzt und das Hohlraumgehäuse
durch Füllen
mit einem Kunststoff, z. B. Silikonmasse, vergossen werden.