DE2039887A1 - Sockel fuer elektronische Vorrichtungen und Verfahren fuer deren Herstellung - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. .

R:;. 'Af Busselmeier '
Patentanwalt Augsburg, αβη 6. August 1970

Si> Augsburg 3 · Relilingenstraße 8

Postfach 242 Priorität: 11. August 1969

Postscheckkonto: Mü η ehe η Nr. 745 39 Jugoslawien

5591/04 Bu/Sch Pat.Anm. Nr.

P 2068/69

PATENTANMELDUNG

INSTITUT ZA ELEKTRONIKO IN VAKUUMSKO TEHNIKO, Teslova 30, Ljubljana, JUGOSLAWIEN.

Sockel für elektronische Vorrichtungen und Verfahren für deren Herstellung,

Gegenstand der Erfindung, sind ein spezieller Träger oder Sockel für elektronische Vorrichtungen und Geräte und ein Verfahren für dessen Herstellung. Das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist das Anwenden einer Vakuum-Verdampfungstechnik (bzw. Ver- und Aufdampf ungs te chnik). eines Kathodenzerstäuhens (und .-auf- · stäubens), eines Aufspritzens, oder eines Schablonen» druckens für die Herstellung elektrischer Stromkre-ise, wie z.B. sogen, "gedruckter Schaltungen", wodurch diese Stromkreise bzw. Stromkreisleitungen direkt auf die obere Oberfläche des isolierenden Substrats oder der Isolierschicht des Trägers abgesetzt oder niedergeschlagen werden.

Bekannte Träger oder Sockel für elektronische Elemente, besonders für Transistoren und integrierte Strom-

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kreise, haben eine schüsseiförmige Metallschale, wobei der Boden der Schüssel nach oben weist. Es sind hierbei mehrere Bohrungen für das Durchtreten von Drähten im Schüsselboden vorgesehen, welche in der Schüssel (Sockel) mit Hilfe von gesintertem Glas hermetisch versiegelt oder gedichtet, z.B. "eingeschmolzen" sind. Hierdurch dienen die Drahtleitungen als äußere elektrische Enden des Stromkreises. Die Enden dieser Drähte stehen ein wenig durch und über die obere Oberfläche des Trägers (Sockels) hinaus. Um einen elektrischen Stromkreis (elektrisch leitende Verbindungen) auf der oberen Oberfläche der Sockel- oder Trägerschüssel zwischen diesen hervorstehenden Drahtenden herzustellen, muß man zuerst eine Isolierschicht anbringen oder den Stromkreis (Schaltungskreis) auf einem besonderen Substrat herstellen, das ganz oder teilweise gegen die metallische Trägerschüssel isoliert ist. Die elektrische Verbindung zwischen den Drahtleitungen und den einzelnen Enden des Mikro-Stromkreises muß durch feine oder dünne metallische Drähte realisiert werden. Auch verschiedene andere Modifikationen von Trägern (Sockeln) sind bekannt, aber in jedem Falle kann die obere Oberfläche der metallischen Schüssel nicht als ein Substrat benutzt werden, auf welche ein Mikro-Stromkreis durch Vakuum-Niederschlägen, Aufdampfen, Aufspritzen oder Kathodenzerstäuben oder durch Aufdrucken (Schablonenoder Maskendrucken) aufgebracht werden kann, weil^es nämlich nicht möglich ist, eine genügend glatt polierte Oberfläche zu erhalten oder Masken (Schablonen, Vignetten) für Vakuum-Niederschlägen für Kathodenzerstäuben und -Niederschlagen oder für Aufdrucken (ggfs. Siebdrucken) zu verwenden, wobei der Grund hierfür auch darin liegt, daß die Drahtenden die Arbeit behindern.

Die Nachteile von bekannten Trägern (Sockeln) bestehen vor allem in den zuvor erwähnten Verbindungedrähten für die Verbindung mit bzw. zu den Drahtleitungen. Das Herstellen dieser Verbindungen (mittels der Verbindungsdrähte)

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ist zeitraubend, und darüberhinaus erfordert es eine hochspezialisierte Ausrüstung (auch gerätemäßig) für Ultraschallschweißen oder für Kaltschweißen mit Gold. Sehr oft können diese (Verbindungs-) Drähte brechen oder variable Streukapazitäten hervorrufen, welche die Stromkreis-Charakteristiken stören und beeinträchtigen.

Der Träger oder Sockel für elektronische Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung vermeidet diese Nachteile durch Vakuum-Niederschlägen, Aufspritzen, Aufdampfen (Kathodenzerstäuben) oder Aufdrucken (ggfs. Siebdrucken) der Verbindungen zwischen Leitungsdrähten und Enden des Mikro-Stromkreises ebenso wie Teilen des Mikro-Stromkreises direkt auf den oberen Oberfläche des isolierenden Substrats (isolierenden Sockel-Bestandteils). Teile des Mikro-Stromkreises werden in einer oder mehreren Schichten oder Lagen von mehr oder weniger (elektrisch) leitenden Segmenten (bzw. als mehrschichtige Segmente) abgelegt.

Leitungsdrähte werden in dem metallischen Trägerrahmen (Sockel-Einfassung) mit Hilfe -*cn homogenem Glas versiegelt oder gedichtet bzw. dicht eingebracht (z.B. eingeschuo^ssn.) , so daß dieses Glas ein Glassubstrat im Träger (Sockel) bildet, also ein von der Sockel-Einfassung gefaßter innerer Glaskörper ist, in und durch den die Drähte eingebettet laufen. Die obere Oberfläche des Glassubstrats wird geschliffen und dann bevorzugt optisch (d.h. optisch genau.) poliert, wobei erreicht wird, daß die Enden der Leitungsdrähte mit der oberen Oberfläche des Glassubstrats bündig sind. Dann kann man vakuum-abIegen, zerstäuben, aufspritzen oder aufdampfen (kothoden-zerstäuben) oder drucken (Schablonendrücken, maskendrucken, siebdrucken etc.), und zwar erzeugt man so leitende oder isolierende Segmente mit Hilfe von entsprechend angepaßt geformten Schablonen, Vignetten oder Masken, die auf die obere Oberfläche des Glassubstrats des Trägers aufgelegt wurden« Die Anzahl von Leitungsdrähten hängt selbstveretandlich ab von der

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Art der Stromkreise, die auf dem Träger oder Sockel aufgebracht werden (sollen).

Gemäß der Grundidee der Erfindung können Glaskeramik (glaskeramische Stoffe), wie z.B. Pyroceram oder keramische Stoffe verwendet werden, dies anstelle des üblichen Metalldichtungsglases. Wenn man Pyroceram verwendet, sind alle Arbeitsvorgänge einschließlich des Polierens die gleichen wie im Falle der Anwendung von Dichtungsglas, und dann wird Pyroceram in keramische Stoffe durch bekannte Prozeduren umgewandelt. Wenn indessen als Isoliersubstrat keramische Stoffe anstelle von Dichtungsglas verwendet werden, dann werden die mechanische Fixierung und das Versiegeln bzw. Dichten der Drähte oder Leitungen durch Verlöten mit Lötmittel oder Dichtungsglas erzielt.

Gemäß der Erfindung wird der Träger (Sockel) durch "Einsiegeln", etwa Einschmelzen, dichtes Einsetzen von gegenseitig (voneinander) isolierten Leitungsdrähten in einen metallischen Trägerrahmen hergestellt, bevorzugt mit Hilfe von Kohle- oder Keramik-Schablonen (Vorrichtungen, Montagegestellen). Zuerst wird die Erdleitung an den Rahmen (Einfassung) angeschweißt oder angelötet, dann wird der Rahmen zusammen mit der Erdleitung gereinigt und in die Schablone (Vorrichtung) eingesetzt, welche entsprechend angeordnete Bohrungen für die anderen Drähte besitzt, welch letztere dann in die genannten Bohrungen eingesetzt oder tin bzw. durch diese durchgesteckt werden. Auch ein zylindrisches Stück aus homogenem Glas wird zwischen den Drähten eingefügt oder eingesetzt. Dann werden die Schablonen (Vorrichtungen) zusammen mit den Rahmen, den Drähten und den Stücken aus homogenem Glas in einer neutralen und extrem reinen Atmosphäre erhitzt, so daß das Glas sich erweicht und das Innere des Rahmens ausfüllt, so wie dies der Rahmen (Einfassung) und die Schablone (Vorrichtung) gestatten.

Durch Kühlen wird das Glas hart, und ·· erzeugt baw.

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bildet dann das Glassubstrat, in welchem die einzelnen Leitungsdrähte (getrennt voneinander) fest sitzen. Dann werden die Träger (Sockel) aus der Schablone herausgenommen, und die Metallteile werden oberflächenbehandelt. Schließlich wird überflüssiges Glas durch Schleifen entfernt, wobei die ebene obere Oberfläche des Glassubstrats geformt wird (ihre richtige Gestalt erhält). Gleichzeitig wird erreicht, daß die Enden der Leitungsdrähte mit der geschliffenen oberen Fläche des Glassubstrats bündig sind. Dank der An- wendung von homogenem Glas anstelle des sonst üblichen Glasschrots (Glaskügelehen) oder Sinterglases wird durch anschließendes optisches Polieren eine völlig glatte Oberfläche erzielt. Ein voll homogenes Glassubstrat kann aus M Sinterglas nicht erzielt werden, nämlich wegen der zahlreichen feinen Glasblasen, welche Löcher in der polierten Oberfläche hinterlassen bzw. bilden. Alsdann werden angemessen oder angepaßt geformte Stromkreissegmente oder -elemente auf die polierte Oberfläche des Glassubstrats aufgebracht. Dies wird durch Vakuum-Verdampfen bzw. -Aufdampfen, durch Zerstäuben, Aufspritzen, durch Kathodenzerstäuben oder durch Aufdrucken (Schablonendrücken,'ggfs# Siebdrucken), also durch übliche und bekannte Vorgänge, erreicht. Die Segmente repräsentieren also sowohl Teile oder Teilstücke des MikßjrStromkreises wie auch Verbindungen zwischen den Stromlcreiselementen und den Leitungsdrähten. Leitende Segmente können sehr verschiedene spezifische M Oberflächenwiderstände haben, so daß sie in manchen Fällen einen guten elektrischen Leiter, in anderen Fällen aber einen elektrischen Isolator bilden. Manche Verbindungen können auch durch verbindende Drähte hergestellt werden. Wenn notwendig, können auch aktive Standardelemente, wie etwa Transistoren oder Dioden,in die Stromkreise eingesetzt (eingefügt) werden.

Anschließend kann die Metallkappe (Schutzkappe), welche den Stromkreis gegen äußere Einfluss© schützt, angelötet oder angeschweißt oder in »iner bekannten Weiee auf

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den oder an den Trägerrahraen (Sockeleinfassung) angesetzt, aufgesetzt oder aufgesteckt werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung, in Form eines Trägers (Sockels) für elektronische Vorrichtungen und eines Verfahrens für dessen Herstellung, wird nun im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt des Sockels mit seiner Schutzkappe,

Fig. 2 eine Draufsicht von oben auf den Sockel ohne Schutzkappe,

Fig. 3 -einen Längsschnitt des Sockels vor der Dichtung (Versiegelung),

Fig. 4 einen Längsschnitt des Sockels nach dem Dichten (Versiegeln), jedoch vor dem Schleifen der oberen Oberfläche des Glassubstrate.

Der Sockel oder Träger für elektronische Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 besitzt als Einfassung einen Metallrahmen 1, der aus einer Legierung von Kobalt, Eisen und Nickel, bekannt under der Handelsbezeichnung "Kovar", hergestellt ist. Der Rahmen 1 dieses Ausführungsbeispieles hat die Größe eines üblichen (standardisierten, ggfs. genormten) Transistorsockels mit der international üblichen Bezeichnung TO 5· Die Erdungsleitung 2 ist am genannten Rahmen 1 angelötet oder angeschweißt. Im Inneren des Rahmens 1 befindet sich das Glassubstrat 3» welches durch Schmelzen von homogenem Kovar-Glas erzeugt ist. Leitungsdrähte 4,5,6 sind in das Glassubstrat eingesiegelt bzw. eingeschmolzen und in derselben Weise angeordnet, wie bei standardgemäßen (üblichen) Transistorsockeln. Die Drähte 4,5,6 sind also gegenseitig und auch gegenüber dem Rahmen 1 elektrisch isoliert. Die Drähte 2,4,5,6 sind aus derselben Legierung wie der Rahmen hergestellt. Dmr Rahmen 1 umfaßt ein Auge oder einen Ansatz 7, der die Lage der

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Leitungsdrähte 2*,4,5,6 anzeigt. Schließlich ist eine Schutzkappe ö, die den Stromkreis gegen Beschädigung abschirmt und schützt, an den Rahmen 1 angelötet oder angeschweißt. Segmente 9 sind vakuum-niedergeschlagen (durch Vakuum-Verdampfungsverfahren aufgebracht), und zwar auf der polierten oberen Oberfläche des Glassubstrats 3· Die Drähte und der Rahmen erhalten ihre Fertigbehandlung (Oberflächenbehandlung) durch ^old-Plattieren der über das Glas überstehenden Flächen.

Träger (Sockel) gemäß der Erfindung werden so hergestellt, daß ein Erdungsdraht 2 an den Rahmen 1 angeschweißt oder angelötet wird. Dann wird der genannte Rahmen 1 zusammen mit dem Draht 2 entfettet, z.B. durch ein organisches Entfettungs- oder Lösungsmittel, und alsdann wird er getrocknet. Der so präparierte Rahmen wird in einer Atmosphäre von "gefeuchtetem" (z.B. in einer übersättigten Wasserstoffatmosphäre) Wasserstoff, bevorzugt bei einer Temperatur von ungefähr 900 C, normalisiert (geglüht), damit der Rahmen oberflächengereinigt wird, so daß während des G la s schmelz ens keine Glas-B:¹ isen im Glase auftreten«

Hierauf wird der Rahmen 1 mit dem Erdungsdraht 2 in den oberen Teil einer zweiteiligen Vorrichtung oder Schablone eingesetzt, welche Bohrungen (Führungsbohrungen) für die Leitungsdrähte 2,4,5»ö besitzt, wobei diese Bohrungen entsprechend und in Übereinstimmung mit der Anordnung der Leitungsdrähte eines Standard-Transistorsockels angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung oder die Schablone eine Rinne oder eine Nut oder auch eine Kerbe besitzt, in welche eine nach außen gewandte untere Kante des Trägerrahmens 1 und ein Orientierungsauge 7 passen. Die Leitungsdrähte 4, 5,6, welche zuvor auf die erforderlichen Längen abgeschnitten, entfettet, unter Wasserstoff normalisiert (geglüht) und oberflächenoxydiert worden waren, werden nun in die Bohrungen des unteren Teils der Schablone oder Vorrichtung eingeführt. Ein Block 11 aus homogenem Glas wird

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zwischen die genannten Drähte eingefügt oder eingesetzt. Wenn man Trägerrahmen (Einfassungen) 1 benutzt, welche eine dem Standard-Transistorsockel TO 5 entsprechende Große haben, dann wird korrektes Dichten oder Versiegeln (auch: dichtes Einschmelzen) erzielt durch Glasblöcke, die einen Durchmesser von 4,5 his 5 nun und eine Länge von 7»5 bis ö mm besitzen. Alsdann werden die ringförmigen Rahmen 1 mit Hilfe des oberen Teiles 12 der Schablone oder Vorrichtung befestigt, welche die nach außen gewandten (flanschartigen) Kanten der Rahmen 1 gegen den unteren Teil 10 der Vorrichtung oder Schablone pressen. Deshalb muß der obere Teil 12 der Schablone oder Vorrichtung so viele

fe Bohrungen umfassen, wie Rahmen vorhanden sind, die in eine einzige Schablone eingesetzt werden sollen. Ein Teil der Schablone oder Vorrichtung ist in einem Längsschnitt mit (nur) einem eingesetzten Rahmen, mit eingesetzten Drähten, und mit eingesetztem Glasblock in Fig. 3 gezeigt. Alsdann wird die Vorrichtung zusammen mit den (eingesetzten) Rahmen, Glasblöcken und Drähten unter einer Atmosphäre von extrem purem Stickstoff auf die D_Auer von 20 bis 30 Minuten bei bzw. bis zu einer Temperatur von 950 bis IO5O C aufheizt, so daß das Glas (zähflüssig bis flüssig) weich wird und das Innere der Rahmen 1 ausfüllt. Wenn nun das Glas abgekühlt wird, dann wird es hart und bildet das Glassubstrat, durch und in welches die Drähte 2,4,5_f6 fixiert

V (ortsfestgelegt und eingeschmolzen) sind. Fig. 4 zeigt einen Teil der Vorrichtung oder Schablone in Längsschnitt, nachdem die Drähte in dem Rahmen durch homogenes Glas versiegelt (eingeschmolzen) worden sind. Sobald das Glas wieder erhärtet und abgekühlt ist, werden die Träger oder Sockel aus der Vorrichtung oder Schablone 10,12 entfernt und oberflächenbearbeitet. Zuerst wird die Oxidschicht durch Atzen entfernt, und die Oberfläche wird durch galvanisches Gold-Plattieren oder Gold-Auflegen angereichert. Schließlich wird überflüssiges Glas durch Schleifen entfernt, so daß die Enden der Drähte oder Leitungsdrähte 4,5*6 bündig sind mit der geschliffenen oberen Ober-

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fläche des Glassubstrats 3»wobei die Träger oder Sockel auf der Schleif- und Polierplatte durch ein Klebeharz befestigt werden, so daß die untere nach außen gewandte Kante des Trägerrahmens auf der -optisch ebenen oberen Oberfläche der Schleifplatte haftet, welche Bohrungen hat, in welche die Drähte oder Leitungsdrähte 4,5»6 hineinreichen· Das Schleifen wird in der bekannten Art des Glasschleifens mit Hilfe von h. bis 6 Granulositäts-Graden (Korngrößen) der Schleifmittel durchgeführt. Beim Schleifen werden die Enden der Leitungsdrähte gleichzeitig mit dem Glas geschliffen (überschliffen). Nach dem Feinschleifen folgt das optische Polieren nach einem bekannten Verfahren und mit bekannten Poliermitteln, z.B. mit Zer—·(Cerium)- oder Zirkoniumoxid (Zer- oder Zirkonoxid)auf Hartfilz oder Harz. Nach dem Polieren werden die Träger (Sockel) von der Platte durch ein organisches Lösungsmittel, beispielsweise Perchloroäthylen, abgleimt (entfernt), mehrmals in dem genannten Lösungsmittel gewaschen und dann in angepaßte oder geeignete Halter plaziert und mit Hilfe von Ultraschall in drei bis sechs Reinigungslösungen gereinigt und alsdann schließlich durch Dämpfe des Lösungsmittels getrocknet, um nämlich eine völlig saubere obere Oberfläche ihres Glassubstrats zu erhalten. Angepaßte oder adäquat geformte Leitungssegmente, Widerstandssegmente und isolierende Segmente werden im Vakuumverfahren in mehreren Lagen oder Schichten auf einen so präparierten Träger unter Anwendung von Masken (Schablonen, Ausschnitts-, masken) abgesetzt bzw. niedergeschlagen . Leitende Segmente werden durch Ver- bzw. Aufdampfen von beispielsweise Gold, Silber oder Aluminium hergestellt; Widerstandeelemente bestehen aus Legierungen von Nickel und Chrom oder beispielsweise Si+Cr, Cr+CrO, Al₀O Uu, und Isolierschicht ten oder -beläge bestehen prinzipiell aus SiO..

Entsprechend der Grundidee der Erfindung können die Segmente, wie schon erwähnt, durch Kathodenzerstäubung oder durch Schablonen- oder Maeksndrucken, Ausschnittdrucken (oder ggf·. Siebdrücken) in, «ine? bekannt «hl Will«·

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auf die polierte Oberfläche des Glassubstrats aufgebracht werden. In gleicher Weise können das Einsetzen

ι des Glases und der Drähte und die Gestalt der Substrate

verschiedene Variationen erfahren, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen würde; beispielsweise können Leitungsdrähte in ein homogenes Glassubstrat mit Hilfe von entsprechend oder adäquat geformten Vorrichtungen oder Schablonen eingesetzt oder eingesiegelt (eingeschmolzen) werden, wobei der Träger-Metallrahmen (Einfassung) überflüssig wird. Die Vorrichtungen oder Schablonen können aus Graphit oder aus Stahl oder aus keramischen Stoffen bestehen, mit besonderen an sich bekannten Belägen, welche das Festhaften des Glases an den Vor-

Jjfr richtungen verhindert.

In solchem Falle wird die Erdleitung überflüssig, oder sie erzielt die elektrische Verbindung mit einer auf die Kante des Glassubstrats abgeschiedenen Metallschicht. In solchem Falle kann die Metallkappe auf das Substrat mit Hilfe eine leitenden synthetischen Harzes oder eines Glaslötmittels (aufgesteckt und) befestigt werden, oder sie wird an die metallisierte oder metallbelegte Kante des Glassubstrats angelötet.

In gleicher Weise kann der Träger oder Sockel gemäß

^ der Grundidee der Erfindung eine rechteckige Gestalt haben und auch eine größere Anzahl von entsprechend oder willkürlich angeordneten Drahtleitungen besitzen.

Kathodenzerstäuben und -niederschlagen umfaßt auch Elektronenstrahlzerstauben und -niederschlagen.

Auch Ver- und Aufdampfen mittels Laserstrahls kommt ggfs. in Frage.

- Patentansprüche -- 11 -

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   Träger oder Sockel für elektronische Vorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Drahtleitungen (2,4,5,6) besitzt, die in ein homogenes Glassubstrat (3) eingesiegelt (dicht eingesetzt, eingeschmolzen) sind, wobei die obere Oberfläche des Glassubstrats (3) bündig mit den Enden der Leitungsdrahte. (4,5»6) und optisch^ poliert ist.
2. 2. Träger nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η ζ e i c h-

   n e t, daß leitende Segmente.(Abschnitte) (9) unmittel- bar auf die obere polierte Oberfläche des Glassubstrats (3) aufgebracht sind, und zwar durch Vakuumaufdampfen, Ausspritzen, Kathodenzerstäuben, Aufdrucken, Schablonenbzw. Maskendrucken (ggfs. Siebdrucken), bevorzugt in mehreren Schichten (z.B. Belägen übereinander).
3. 3. Träger nach Ansprüchen !oder 2, dadurch g e k β η η zeichnet, daß das Glassubstrat (3) einen metallischen Trägerrahmen (1) besitzt, an den eine Metallkappe (8) befestigt ist.
4. 4. Verfahren zum Herstellen eines Trägers gemäß einem

   oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3t dadurch ge- Λ

   kennzeichnet, daß Leitungsdrähte 'in ein homogenes Glassubstrat dicht eingesetzt (eingesiegelt, eingeschmolzen) werden, und zwar mit Hilfe von entsprechend geformten Vorrichtungen oder Schablonen, wobei bzv. worauf die obere Oberfläche des Glassubstrats geschliffen und optisch poliert wird, und wobei bzw. worauf die Stromkreisteile bzw. -Segmente, bevorzugt durch ein Vakuumverfahren, direkt auf die obere Oberfläche des Glassubstrats und bei den Enden der Leitungsdrähte abgesetzt (niedergeschlagen) werden, welche Enden mit der oberen Oberfläche des Glassubstrats bündig sind, so

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   daß hierdurch elektrische Verbindungen zwischen den Leitungsdrähten und den Elementen des Mikro-Stromkreises (Mikro-Schaltung) erzielt werden·

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