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Die
Erfindung betrifft ein planares elektronisches Modul.
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Ein
elektronisches Modul umfasst üblicherweise
einen Träger
oder ein Substrat, auf dem eine strukturierte Metallschicht mit
Metall- oder Kontaktflächen
aufgebracht ist. Auf manchen der Kontaktflächen sind jeweils ein oder
mehrere Bauelemente, z. B. ein Halbleiterchip oder ein passives
Bauelement, aufgebracht. Das oder die Bauelemente sind über ein Verbindungsmittel,
in der Regel ein Lot, mit der jeweiligen Kontaktfläche verbunden.
Sofern eines der Bauelemente einen Rückseitenkontakt, d. h. einen dem
Träger
oder Substrat zugewandten Kontakt aufweist, so wird durch das Verbindungsmittel
nicht nur eine mechanische, sondern auch eine elektrische Verbindung
zu der jeweiligen Kontaktfläche
hergestellt. Zur elektrischen Kontaktierung weisen zumindest manche
der Bauelemente jeweils eine Anzahl an Kontaktflächen auf ihrer von dem Träger abgewandten
Oberseite auf. Die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen untereinander und/oder
einer der Kontaktflächen
der Metallschicht wird üblicherweise
unter Verwendung von Bonddrähten
realisiert.
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Alternativ
ist die Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktflächen der
Bauelemente und/oder einer Kontaktfläche der Metallschicht durch
eine sog. planare Verbindungstechnologie möglich, bei der eine Oberfläche des
Halbzeugs zunächst
mit einer Isolationsschicht, z. B. einer Kunststofffolie aus einem
isolierenden Material, bedeckt wird. An den Stellen der Kontaktflächen werden Öffnungen
in die Isolationsschicht eingebracht, um die Kontaktflächen freizulegen.
Anschließend
wird eine dünne
Metallschicht durch Sputtern, Aufdampfen und andere Verfahren zur
Erzeugung dünner Kontaktschichten
ganzflächig
auf die Isolationsschicht und deren eingebrachte Öffnungen
aufgebracht. Die dünne
Metallschicht besteht zum Beispiel aus einer ca. 50 nm dicken Titanschicht
und einer ca. 1 μm
dicken Kupferschicht. Auf diese dünne Metallschicht wird eine
weitere, in der Regel aus einem isolierenden Material bestehende
lichtempfindliche Folie (sog. Fotofolie) aufgebracht. Die Fotofolie
wird in einem weiteren Schritt entsprechend der gewünschten
leitenden Struktur belichtet und entwickelt. Die Belichtung erfolgt üblicherweise
unter Verwendung einer Maske, mit der das Layout der leitenden Struktur
auf die Folie übertragen
wird. Dabei werden diejenigen Abschnitte der Fotofolie durch die
Maske abgeschattet, welche die spätere elektrisch leitende Struktur
oder Funktionsschicht ausbilden sollen. Die nicht belichteten Abschnitte
der Fotofolie lassen sich in einem weiteren Verfahrensschritt entfernen,
so dass eine Freilegung der darunter befindlichen dünnen Metallschicht,
genauer der Kupferoberfläche,
erfolgt. Durch Eintauchen des vorbereiteten Halbzeugs in ein Elektrolytbad,
insbesondere ein Kupfer-Elektrolytbad,
wird durch galvanische Verstärkung
eine ca. 20 bis 200 μm
dicke Kupferschicht aufgewachsen. In einem sich daran anschließenden Schritt,
der als Strippen der Fotofolie bezeichnet wird, wird die noch auf der
Oberfläche
befindliche Fotofolie an den Bereichen, an welchen keine elektrisch
leitende Struktur ausgebildet werden soll, entfernt. Als letzter
Schritt erfolgt ein sog. Differenzätzen, bei dem ganzflächig die
aus Titan und Kupfer bestehende dünne Metallschicht entfernt
wird, so dass lediglich die gewünschte
leitfähige
Struktur über
bleibt.
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Sind
die Bauelemente als Leistungshalbleiterbauelemente ausgebildet,
so wird die leitfähige Struktur
bzw. Kontaktleiterbahnstruktur üblicherweise
aus Kupfer ausgebildet. Die erforderliche Schichtdicke liegt im
Bereich von 20 bis 500 μm.
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Elektronische
Module, welche in planarer Verbindungstechnologie gefertigt sind,
weisen den Vorteil auf, dass die Höhe eines fertig gestellten
elektronischen Moduls im Vergleich zu elektronischen Modulen mit
herkömmlichen
Bonddrähten
wesentlich geringer ist.
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Im
Rahmen der unterschiedlichen Einsatzgebiete der planaren elektronischen
Module, insbesondere auch für
Anwendungen im Hochspannungsbereich, werden zur Sicherstellung der
Isolation zwischen den Kontaktflächen
auf dem Träger
und der Kontaktleiterbahnstruktur angepasste Isolationsfolien benötigt. Von
besonderer Bedeutung ist hierbei die Sicherstellung der Isolation
im Bereich oberer und unterer Bauelementkanten sowie sonstiger Kanten, welche
durch die Isolationsschicht umschlossen werden. Gegenwärtig werden
Isolationsfolien genutzt, die eine Spannungsfestigkeit von 20 bis
80 kV/mm aufweisen. Diese Isolationsfolien werden mit Hilfe eines
Vakuumlaminierverfahrens unter Berücksichtigung der Dicke der
Isolationsfolie auf die Oberfläche des
eingangs beschriebenen Halbzeugs aufgebracht und abgeformt.
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Die
Verwendung verhältnismäßig dicker
Isolationsschichten (d. h. ≥ 200 μm) erfordert
zur Herstellung der geforderten Isolationseigenschaften einen aufwendigen
Vakuumlaminierprozess, um an den Kanten keine Lufteinschlüsse zu erhalten.
Aufgrund dessen und aufgrund der Tatsache, dass das Einbringen der Öffnungen
an den Stellen der Kontaktflächen
in die Isolationsschicht unter Verwendung eines Lasers, eines Plasmaätzverfahrens
oder eines chemischen Ätzens
viel Zeit benötigt,
sind planare elektronische Module teuer in der Herstellung.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches
Modul anzugeben, welches einerseits eine zuverlässige elektrische Kontaktierung
ermöglicht
und andererseits kostengünstiger herstellbar
ist, als bekannte planare elektronische Module.
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Diese
Aufgabe wird durch das Modul mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßes planares
elektronisches Modul umfasst einen Träger, der auf einer ersten Hauptseite
eine Bauele mentaufnahmefläche
und zumindest eine Kontaktfläche
aufweist. Ein Bauelement ist mit seiner Rückseite auf der Kontaktfläche des
Trägers
angeordnet und weist auf seiner Vorderseite zumindest eine Bauelementkontaktfläche zur elektrischen
Kontaktierung auf. Es ist eine Isolationsstruktur vorgesehen, welche
flächig
auf der ersten Hauptseite des bestückten Trägers angeordnet ist und im
Bereich der zumindest einen Bauelementkontaktfläche und der zumindest einen
Kontaktfläche
jeweils eine Aussparung aufweist. Auf der Isolationsstruktur ist
eine Kontaktleiterbahnstruktur angeordnet, welche die zumindest
eine Bauelementkontaktfläche
mit der zumindest einen Kontaktfläche und/oder mehrere Kontaktflächen miteinander und/oder
mehrere der Bauelementkontaktflächen miteinander
elektrisch verbindet. Die Isolationsstruktur weist eine Spannungsfestigkeit
von mehr als 80 kV/mm auf.
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Die
Verwendung einer Isolationsstruktur mit einer Spannungsfestigkeit
von mehr als 80 kV/mm weist den Vorteil auf, dass die Isolationsstruktur
dünner
ausgeführt
werden kann, da ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannungsfestigkeit
und der Dicke der Isolationsstruktur besteht. Die Verwendung dünnerer Isolationsstrukturen
bringt den Vorteil mit sich, dass zum einen das Aufbringen der Isolationsstruktur
auf die Oberfläche
des mit den Bauelementen versehenen Trägers auf einfachere Weise geschehen
kann. Insbesondere lassen sich Isolationsstrukturen auf der dreidimensionalen
Oberfläche umso
leichter abformen, je dünner
diese sind. Hierdurch sinkt die Gefahr, dass an den besonders kritischen
Kanten von Bauelementen oder dem Träger Bereiche mit verringerter
Spannungsfestigkeit aufgrund von Lufteinflüssen entstehen. Ein weiterer
Vorteil besteht darin, dass das Einbringen der Öffnungen im Bereich der Kontaktflächen in
kürzerer
Zeit durchgeführt
werden kann. Insbesondere das bevorzugt eingesetzte Öffnen per
Laser lässt
sich wesentlich schneller und kostengünstiger durchführen, je
geringer die Dicke der Isolationsstruktur ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist die Spannungsfestigkeit der Isolationsstruktur
größer als 150
kV/mm bzw. größer als
200 kV/mm.
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Die
Dicke der Isolationsstruktur ist gemäß einer Ausbildung kleiner
als 150 μm
(entsprechend einer Spannungsfestigkeit von mehr als 80 kV/mm), bevorzugt
kleiner als 100 μm
(entsprechend einer Spannungsfestigkeit von größer als 150 kV/mm) und am meisten
bevorzugt kleiner als 50 μm
(entsprechend einer Spannungsfestigkeit von größer als 200 kV/mm).
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Isolationsstruktur durch einen Mehrschichtaufbau mit unterschiedlichen
Schichtfunktionen gebildet. In dem Mehrschichtaufbau können eine
oder mehrere Isolationsschichten vorgesehen sein. Darüber hinaus
können
beispielsweise Haftschichten und/oder Dampfsperren vorgesehen sein.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Ausführungsform
ist die Isolationsstruktur als Schichtverbund mit zumindest einer
Isolationsschicht und einer Haftschicht ausgebildet. Dieser Aufbau
der Isolationsstruktur ist vorteilhaft, da Isolationsschichten im
Bereich der angegebenen Spannungsfestigkeiten üblicherweise keine ausreichenden
Hafteigenschaften mehr aufweisen. Die Bereitstellung der bevorzugt eingesetzten
Höchstisolationsschichten
im Verbund mit einer oder auch mehreren Haftschichten sorgt für eine ausreichend
gute Verbindung zwischen der Isolationsstruktur und der Oberfläche des
mit den Bauelementen bestückten
Trägers.
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Zweckmäßigerweise
weist die Isolationsstruktur als äußerste, der Oberfläche des
bestückten Trägers abgewandten,
Schicht eine fotosensitive Schicht auf. Hierdurch kann ein fotolithographisches Verfahren
zum Einbringen der Öffnungen
im Bereich der Kontaktflächen
verwendet werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, eine zusätzliche
fotosensitive Schicht in einem separaten Verarbeitungsschritt auf die
mit der Isolationsstruktur versehene Oberfläche aufzubringen. Hierdurch
lässt sich
das Herstellungsverfahren vereinfachen und damit kostengünstiger realisieren.
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Zweckmäßigerweise
umfasst die Isolationsstruktur eine oder mehrere Isolationsschichten
aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Polyimid, Imid,
Thermoplaste, insbesondere PEEK (Polyetheretherketon) oder PEI (Polyetherimid),
fluorpolymere organische oder anorganische Isoliermaterialien.
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Alternativ
kann die Isolationsstruktur durch einen Lack ausgebildet sein. Zweckmäßgerweise
ist der Lack fotosensitiv, um die Verwendung eines fotolithographischen
Verfahrens zum Einbringen der Öffnungen
in die Isolationsstruktur zu ermöglichen.
Alternativ kann der Lack aus einem Material gewählt werden, so dass dieser
bereits in strukturierter Form auf die Oberfläche des bestückten Trägers aufbringbar
ist. Um zu verhindern, dass der Lack beim Aufbringen über die
Bauelementkanten in Schwerkraftrichtung nach unten herab läuft und
damit die Dicke, insbesondere im Bereich der Kanten, zu stark reduziert,
sollten solche Lacke gewählt
werden, bei denen eine Vernetzung, z. B. über UV-Licht oder Temperatureinwirkung,
möglich
ist, um unmittelbar nach dem Aufbringen des Lacks ein Verlaufen
zu verhindern.
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Als
Bauelement für
das planare, elektronische Modul sind insbesondere Halbleiterchips,
insbesondere Leistungshalbleiterchips, vorgesehen. Darüber hinaus
können
beliebige andere Bauelemente, wie zum Beispiel passive Bauelemente
auf dem Träger
angeordnet und über
die Kontaktleiterbahnstruktur elektrisch miteinander verbunden sein.
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Die
Isolationsstruktur kann ferner unter Einsatz chemischer oder physikalischer
Abscheideprozesse von Isolationswerkstoffen realisiert sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand einer einzigen Figur erläutert.
Die einzige Figur zeigt in schematischer Form einen Querschnitt
durch ein planares elektronisches Modul.
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Auf
einem Träger 1 sind
auf einer ersten Hauptseite eine Bauelementaufnahmefläche 3 und eine
weitere Kontaktfläche 4 aufgebracht.
Auf der gegenüberliegenden,
zweiten Hauptseite ist ebenfalls eine Kontaktfläche 2 aufgebracht, über welche
ein fertig gestelltes elektronisches Modul beispielsweise mit einem
weiteren Substrat kontaktiert werden kann. Die Kontaktfläche 2 kann
beispielsweise zur Bereitstellung einer guten thermischen Anbindung
dienen. Auf der Bauelementaufnahmefläche 3 ist ein Bauelement 5,
zum Beispiel ein Halbleiterchip angeordnet, der auf seiner Oberseite,
d. h. der von dem Träger 1 abgewandten
Seite, beispielhaft eine Bauelementkontaktfläche 10 aufweist. Die
mechanische Verbindung zwischen dem Bauelement 5 und der
Bauelementkontaktfläche 3 erfolgt
beispielsweise über
ein Lot 6. Weist das Bauelement 5 auf seiner,
der Bauelementkontaktfläche 3 zugewandten
Rückseite
einen elektrischen Kontakt auf, so kann über das Lot 6 ein elektrischer
Kontakt zu der Bauelementaufnahmefläche 3 hergestellt
werden.
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Ein
derart vorbereiteter, d. h. mit Bauelementen 5 bestückter Träger 1 wird
nun mit einer Isolationsstruktur 7 versehen. Die Isolationsstruktur 7 kann beispielsweise
in Form einer oder mehrerer Isolationsfolien, eines Lacks oder eines
chemisch oder physikalisch abgeschiedenen Isolationswerkstoffs ausgebildet
sein. Die Isolationsstruktur weist eine Spannungsfestigkeit von
mehr als 80 kV/mm auf, wobei hierbei eine Dicke der Isolationsstruktur
von weniger als 150 μm
realisierbar ist. Die Dicke der Isolationsstruktur kann allgemein
umso geringer gewählt werden,
je höher
die Spannungsfestigkeit der Isolationsstruktur ist.
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Durch
die Verwendung einer möglichst
dünnen
Isolationsstruktur lässt
sich das elektronische Modul im Vergleich zu bisherigen Herstellungsverfahren
kostengünstiger
herstellen. Insbesondere dann, wenn eine Öffnung 11 im Bereich
der Bauele mentkontaktfläche 10 des
Bauelements 5 in die Isolationsstruktur 7 der
Laser eingebracht werden soll, ist eine geringe Dicke von Vorteil.
Denn je geringer die Dicke der Isolationsstruktur ist, desto schneller lässt sich
die Öffnung 11 erzeugen,
wodurch gleichzeitig Kosten für
den Einsatz des Lasers reduziert werden können.
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Die
geringe Dicke der Isolationsstruktur 7 von weniger als
150 μm bringt
den Vorteil mit sich, dass eine bessere Abformung um die Kanten
auf der Oberfläche
des mit dem Bauelement 5 bestückten Trägers 1 möglich ist.
Je geringer die Dicke der Isolationsstruktur, desto geringer ist
der prozentuale Rückgang
der Dicke im Bereich von Biegungen, d. h. der Kanten. Insgesamt
ergibt sich dadurch eine homogenere Schichtdicke, wodurch nicht
nur die Zuverlässigkeit
und Spannungsfestigkeit des Moduls als solches verbessert wird,
sondern auch die Strukturierbarkeit für nachfolgende Verarbeitungsprozesse erleichtert
wird. So können
insbesondere andere Prozesse zur Herstellung einer Kontaktbahnleiterstruktur 8 verwendet
werden, da die Öffnungen
in der Isolationsstruktur 7 nicht so tief sind. So kann
beispielsweise gegebenenfalls auf schräge Flanken der Öffnungen
verzichtet werden, welche in der Regel vorgesehen werden, um thermomechanische
Spannungen aufzufangen.
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Wie
aus der Fig. gut hervorgeht, ist auf die Isolationsstruktur 7 die
Kontaktleiterbahnstruktur 8 aufgebracht. Hierbei ist zwischen
der Kontaktleiterbahnstruktur 8 und der mit Öffnungen 11 versehenen Isolationsstruktur 7 eine
dünne Metallschicht 9 vorgesehen,
welche durch Sputtern, Aufdampfen oder andere Verfahren zur Erzeugung
dünner
Kontaktschichten ganzflächig
auf die Isolationsschicht und deren eingebrachte Öffnungen
aufgebracht ist. Die Metallschicht 9 besteht zum Beispiel
aus einer ca. 50 nm dicken Titanschicht und einer ca. 1 μm dicken Kupferschicht.
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Die
Isolationsstruktur 7 kann eine einzige Isolationsschicht
oder mehrere Isolationsschichten umfassen, welche beispiels weise
unter Verwendung eines Vakuumlaminierprozesses auf den mit den Bauelementen 5 versehenen
Träger 1 aufgebracht ist.
Da Isolationsschichten mit Höchstisolationseigenschaften,
d. h. Spannungsfestigkeiten von mehr als 80 kV/mm in der Regel keine
guten haftenden Eigenschaften mehr aufweisen, kann es zweckmäßig sein, auf
die Isolationsschicht (oder -schichten) vor dem Aufbringen auf den
mit den Bauelementen 5 versehenen Träger 1 eine Haftschicht
aufzubringen. Der Schichtverbund aus einer oder mehrerer Isolationsschichten
und der Haftschicht wird dann unter Verwendung bekannter Verfahren
auf den bestückten Träger 1 aufgebracht.
Es versteht sich, dass hierbei die Haftschicht der Oberseite bzw.
Oberfläche
des Trägers
zugewandt ist.
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Darüber hinaus
kann die Isolationsstruktur 7 eine Mehrzahl an Schichten
aufweisen, die unterschiedlichen Funktionen dienen. Hierbei ist
es zweckmäßig, wenn
die Isolationsstruktur 7 als äußerste, der Oberfläche des
bestückten
Trägers 1 abgewandte,
Schicht eine fotosensitive Schicht aufweist, da dann nachfolgende
Schritte zur Herstellung der Kontaktleiterbahnstruktur 8 auf
einfachere Weise realisiert werden können. So ist die direkte fotolithographische
Belichtung der Isolationsstruktur 7 möglich. Das gesonderte Aufbringen
einer fotosensitiven Schicht auf den bereits mit der Isolationsstruktur 7 versehenen,
bestückten
Träger 1 ist
dann entbehrlich.
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Als
Materialien für
die eine oder mehrere Isolationsschichten bieten sich Polyimid,
Imid, Thermoplaste, insbesondere PEEK, PEI oder fluorpolymere organische
oder anorganische Isoliermaterialien an.
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Die
Isolationsstruktur kann alternativ auch durch einen Lack ausgebildet
sein, welcher bevorzugt fotosensitiv ist. Da beim Aufbringen, z.
B. Aufsprühen,
des Lacks die Gefahr besteht, dass dieser aufgrund der Schwerkraft
an den Bauelementkanten oder sonstigen senkrechten Flächen hinab
läuft,
sollte hierbei ein Lack gewählt
werden, welcher unmittelbar nach dem Aufbringen vernetzbar ist.
Das Vernetzen kann beispielsweise durch Bestrahlen mit UV-Licht
oder einen Aushärteschritt
erfolgen. Um den Schritt des fotolithographischen Einbringens von Öffnungen
in die Isolationsstruktur zu vermeiden, kann der Lack beispielsweise
aus einem Material gewählt
werden, so dass dieser in strukturierter Form auf die Oberfläche des
bestückten
Trägers
aufbringbar ist. Dies kann beispielsweise durch einen Siebdruck
oder einen Schablonendruck erfolgen.
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Höchstisolierende
Eigenschaften der Materialien der Isolationsstruktur erlauben die
Sicherstellung der für
die unterschiedlichen Spannungsbereiche benötigten Isolationseigenschaften
auch unter extremen Einsatzbedingungen. Die Isolationseigenschaften
sind von hoher Bedeutung für
die Bearbeitungszeit bei der Erzeugung der Öffnungen, zum Beispiel großer Bauelementkontaktflächen, insbesondere
durch einen Laserprozess. Die Verwendung höchstisolierender Materialien
erlaubt es, diesen Prozess erheblich zu reduzieren. So lässt sich
bei einer Erhöhung
der Isolationseigenschaft auf 200 kV/mm die Zeit für den Einsatz
des Lasers halbieren, wodurch ein kosteneffektiver Prozess für die Öffnungserzeugung
ermöglicht
ist. Ebenso wird durch den Einsatz von dünneren Isolationsstrukturen
die thermomechanische Belastung, insbesondere an den Kanten der Öffnungen,
das Thermomanagement, die fototechnische Strukturierung sowie die galvanische
Abscheidung von Metallen durch die flacheren Öffnungen verbessert. Es werden
deshalb Isolationsstrukturen bzw. Materialien mit Spannungsfestigkeiten
von mehr als 80 kV/mm, insbesondere mehr als 150 kV/mm und am meisten
bevorzugt größer als
200 kV/mm eingesetzt.