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Im Zuge der technischen Entwicklung elektronischer Bauelemente, die mit allgemeiner Miniaturisierung einhergeht, wird auch bzgl. der Gehäuseabmessungen mikroelektronischer Bauelemente zunehmend die Forderung nach weiterer Verkleinerung gestellt. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf mobile Geräte wie beispielsweise Handy's, die bei zumindest gleichbleibender Leistung kleiner und leichter werden sollen. Neben einer geringeren Grundfläche wird insbesondere eine geringe Einbauhöhe von mit Bauelementen bestückten Bauelementträgern oder Modulen gefordert. Dies gilt auch für andere Anwendungen, beispielsweise bei Chipkarten, bei denen die maximale Höhe von einzubauenden Bauelementen stark begrenzt ist. Eine weitere Miniaturisierung der Gehäusetechnologie alleine ist allerdings nicht mehr ausreichend, so daß auch eine Reduzierung der Chiphöhe, der Substratdicke und der Lötverbindungen erfolgen müssen.
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In der Halbleiterindustrie ist es üblich, fertig strukturierte Wafer auf der Vorderseite zu passivieren und mit der Vorderseite anschließend auf einen temporären Hilfsträger aufzukleben. In dieser Form gelingt es, den Halbleiterwafer von der Rückseite her auf eine gewünschte dünnere Schichtdicke abzuschleifen. Anschließend wird der Wafer wieder abgelöst und kann weiter verarbeitet werden. Während dieses Verfahren bei Silizium beispielsweise gut beherrscht wird, gibt es bei vor allem piezoelektrischen Substraten Probleme aufgrund der Materialeigenschaften. Quarz ist beispielsweise sehr hart und damit nur schwierig zu schleifen. Andere Materialien wie Lithiumniobat oder Lithiumtantalat sind äußerst spröde und bruchempfindlich, so daß ein von der Rückseite her abgeschliffener Wafer kaum mehr weiter zu verarbeiten ist. Damit ist der Einsatz von piezoelektrischen Wafern, die deutlich dünner als 0,35 mm sind, nicht oder nur äußerst eingeschränkt möglich. 0,35 mm ist daher auch die Untergrenze für die Schichtdicke von Standardwafern.
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DE 19806818 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements. Weitere Verfahren zur Herstellung von gekapselten Halbleiter-Bauelementen sind aus
WO 01/43181 A1 oder aus
EP 1094511 A2 bekannt.
US 5 317 792 A beschreibt ein Herstellungsverfahren für einen piezoelektrischen Resonator.
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Aufgabe der vorliegenden ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines mit piezoelektrischen Bauelementen bestückten Bauelementträgers anzugeben, mit dem sich eine geringere Bauhöhe des Bauelementträgers ergibt, welches ohne die Gefahr einer Bauelementbeschädigung durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine bevorzugte Anwendung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung schlägt vor, auf piezoelektrischen Substraten aufgebaute Bauelemente zunächst in Flip Chip-Montagetechnik auf einem Bauelementträger aufzulöten und erst anschließend die Bauelemente einer Material abtragenden Bearbeitung zu unterziehen, bis eine gewünschte Reduzierung der Dicke des Bauelements erreicht ist. Damit wird auch die Gesamthöhe des aus dem Bauelementträger samt darauf montierten Bauelement bestehenden Aufbaus reduziert. Durch die Fixierung des Bauelements auf dem Bauelementträger mit Hilfe der Lötstellen erhält das empfindliche piezoelektrische Substrat ausreichend Stabilität, so daß es auch bei bevorzugt mechanischem Materialabtrag gegen Beschädigung ausreichend geschützt ist. Mit Hilfe der Erfindung gelingt es, das piezoelektrische Substrat des Bauelements bis auf eine Schichtdicke von weniger als 300 μm zu reduzieren. Bei einzelnen Bauelementen ist sogar eine Reduzierung der Schichtdicke auf weniger als 200 μm bis auf ca. 100 μm möglich.
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Wegen der Flip Chip-Montagetechnik sind die auf der zum Bauelementträger weisenden Oberfläche des Substrat angeordneten Bauelementstrukturen gegenüber mechanischen Beschädigungen geschützt. Daher sind zum Materialabtrag von der Rückseite des Substrats her verschiedene Material abtragenden Verfahren geeignet. Möglich sind beispielsweise alle unter den Oberbegriff „Schleifen” fallenden Bearbeitungsverfahren, bei denen mit einem harten Werkzeug oder mit einem harten Schleifmittel ein direkter mechanischer Abtrag erfolgt.
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Bevorzugt sind jedoch die sog. Strahlspanverfahren, die landläufig als Sandstrahlverfahren bekannt sind. Dabei erfolgt ein Substratabtrag durch Beschuß der Oberfläche mit Teilchen geeigneter Härte und geeigneter kinetischer Energie. Die Strahlspanverfahren haben gegenüber Schleifverfahren den Vorteil, daß bei der und durch die Bearbeitung praktisch keine Scherkräfte auf das Substrat einwirken, die bei besonders empfindlichen oder bereits sehr dünnen Substratmaterialien die Bruchgefahr erhöhen würden. Zur Anwendung kommen dabei insbesondere mineralische Strahlmittel, die in Abhängigkeit von den Kosten, von der Härte oder von der chemischen Zusammensetzung ausgewählt sein können. Eine vernünftige Abtraggeschwindigkeit wird nur mit Strahlmitteln erreicht, deren Härte zumindest der des zu bearbeitenden Substratmaterials entspricht. Die Strahlmittel sind außerdem so ausgewählt, daß keine störende Kontamination des Substratmaterials zu befürchten ist. Auch anderweitige, die Bauelementfunktion störende Bestandteile wie beispielsweise elektrisch leitende Partikel sind als Strahlmittel vorzugsweise zu vermeiden. Die Partikelgröße der Strahlmittel wird in Abhängigkeit von der gewünschten oder noch tolerierbaren Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche nach dem Materialabtrag ausgewählt. Mit kleineren Partikeldurchmessern der Strahlmittel lassen sich geringer Rauhigkeiten erzielen. Übliche Partikelgrößen liegen zwischen 10 und 100 μm für den angewandten Zweck, jedoch maximal bei 300 μm.
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Die Befestigung des Bauelements auf dem Bauelementträger mittels Lötverbindungen wie beispielsweise Bumps ist zwar ausreichend, kann jedoch zusätzlich durch einen sog. Underfiller erhöht werden. Als Underfiller sind flüssig applizierbare Kunststoffmassen geeignet, insbesondere Reaktionsharze. Der Underfiller wird dabei bevorzugt im Raum zwischen den zum Bauelementträger weisenden Substratkanten und dem Bauelementträger so aufgebracht, daß der freie Raum zwischen Substrat und Bauelementträger im Bereich der Substratkanten aufgefüllt ist. Möglich ist es dabei, den Underfiller entlang einer, mehrerer oder gar sämtlicher Substratkanten aufzubringen, wobei im letzten Fall ein hermetisch abgeschlossener, die Bauelementstrukturen einschließender Hohlraum zwischen Substrat, Bauelementträger und Underfiller ausgebildet wird. Als Underfiller sind beispielsweise Epoxide und Acrylate geeignet.
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Neben der mechanischen Stabilisierungsfunktion hat der Underfiller den weiteren Vorteil, daß dadurch gleichzeitig die Oberseite des Bauelements mit den gegebenenfalls ungeschützten Bauelementstrukturen sicher eingebettet ist und gegenüber dem Materialabtragungsverfahren geschützt ist. Der vorzugsweise weichelastische Underfiller hat außerdem den Vorteil, daß er durch ein Spanstrahlverfahren praktisch nicht bearbeitet werden kann, da elastische Materialien die kinetische Energie der Strahlmedien absorbieren. Im Unterschied dazu steigt mit zunehmender Härte und Sprödigkeit des zu bearbeitenden Materials die Effektivität des Materialabtrags mittels Spanstrahlverfahren. Die Unempfindlichkeit elastischer Materialien beim genannten Materialabtrag kann außerdem dazu genutzt werden, weitere auf dem Bauelementträger angeordnete Bauelemente oder Strukturen vor der Einwirkung des Materialabtragverfahrens zu schützen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die gesamte Oberfläche des Bauelementträgers mit Ausnahme des in seiner Schichtdicke zu reduzierenden Bauelementsubstrats mit einem Underfiller oder einer anderen geeigneten Kunststoffmasse abgedeckt. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Abdeckung mit Kunststoffmasse dabei bis zu einer Höhe erfolgen, die der gewünschten Endhöhe des in der Dicke zu reduzierenden Bauelements entspricht. Bei geeignet eingestelltem Strahlwinkel ist es dabei möglich, die Abdeckschicht zur Begrenzung des Materialabtragverfahrens einzusetzen, so daß im Ergebnis ein Bauelementträger erhalten wird, bei dem die Oberfläche des Bauelements auf einem Niveau mit der Oberfläche der Abdeckschicht liegt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß durch den Materialabtrag eine gewisse Rauhigkeit in der Rückseite des Bauelementsubstrats geschaffen wird. Damit wird die Aufbringung weiterer Materialschichten auf dieser Oberfläche erleichtert. Unabhängig vom verwendeten Material zusätzlicher Materialschichten ist die Haftung zum Substrat auf einer rauhen Oberfläche verbessert. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Materialabtrag eine Kunststoffolie so über Bauelement und Bauelementträger aufgebracht, daß sie einerseits dicht auf der Rückseite des Bauelements aufliegt und andererseits am Rand dicht mit dem Bauelementträger abschließt. Ein der Topologie des bestückten Bauelementträgers folgendes Aufbringverfahren ist beispielsweise ein Laminierverfahren, bei dem die Folie unter Einwirkung von Druck bei Anwendung von Wärme oberflächenkonform aufgebracht wird. Eine solche auflaminierte Kunststoffolie kann das Bauelement bzw. den Bauelementträger hermetisch versiegeln und somit gegen Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit oder anderen Medien schützen.
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Bei bestimmten Bauelementen kann auch die Aufbringung einer Metallschicht oder einer strukturierten Metallisierung auf der Bauelementrückseite erforderlich sein. Auch eine Metallisierung läßt sich auf der nach Materialabtrag aufgerauhten Oberfläche einfacher aufbringen, da auch die Haftung einer Metallschicht auf der aufgerauhten Oberfläche verbessert ist.
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Ein Bauelementträger kann mit einem oder mehreren in der Dicke zu reduzierenden Bauelementen mit piezoelektrischen Substraten bestückt sein. Erfindungsgemäß ist es dabei möglich, sämtliche in der Dicke zu reduzierenden Bauelementsubstrate in einem Schritt zu bearbeiten. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Bauelementträger gleichzeitig im Nutzen zu bearbeiten und dabei sämtliche auf diesem Bauelementträger angeordnete Bauelementsubstrate in der Dicke zu reduzieren. Möglich ist es auch, das Verfahren in einem Waferstadium anzuwenden, bei dem die auf oder in dem PC-elektrischen Substrat erzeugten Bauelemente noch nicht vereinzelt sind und mit einem entsprechend großflächigen Bauelementträger oder mehreren kleinen Bauelementträgern als Wafer verbunden werden. Das Vereinzeln der Bauelemente aus dem Wafer wird dann nach dem Materialabtrag durchgeführt.
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Eine bevorzugte Anwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren bei mit akustischen Medien arbeitenden Bauelementen, beispielsweise bei Oberflächenwellenbauelementen. Bei diesen sind sämtliche Bauelementstrukturen auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet und außerdem so empfindlich, daß die Flip Chip-Montage eine bevorzugte Montagetechnik ist. Bauelementstrukturen von mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen können außerdem nicht direkt abgedeckt werden, da über den Bauelementstrukturen aufgebrachte Materialschichten die Eigenschaften des Bauelements verändern können. Auch aus diesem Grund ist die Flip Chip-Montagetechnik bevorzugt, vorzugsweise in Verbindung mit einem Underfiller und/oder einer späteren auflaminierten Kunststoffolie.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem Materialabtrag auf der Rückseite des Bauelementsubstrats eine Schicht erzeugt, die laserbeschreibbar ist. Dafür sind alle Materialien geeignet, die sich mit einem Laser strukturieren lassen, beispielsweise in Form eines strukturierenden Materialabtrags oder einer Eigenschaftsänderung. Bevorzugt sind optisch wahrnehmbare Eigenschaftsänderungen, bei denen mit Hilfe des Lasers die Helligkeit, die Farbe oder Reflexionseigenschaft verändert wird. Geeignete Schichten sind beispielsweise metallische Schichten, deren Reflexionseigenschaften sich unterschiedlich einstellen lassen. Möglich ist auch, unterschiedlich gefärbte Schichten übereinander anzuordnen und eine lokal zur Herstellung einer Beschriftung Teile einer oberen Schicht zu entfernen. Vorzugsweise ist zumindest die untere verbleibende Schicht eine Metallschicht.
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Mit der erfindungsgemäßen Höhenreduzierung der piezoelektrischen Bauelemente eröffnet sich gleichzeitig die Möglichkeit, auch die Dimensionen anderer Komponenten zu reduzieren. Bei geringerer Bauelementhöhe kann beispielsweise die Dicke der Laminierfolie reduziert werden, beispielsweise von 50 auf 35 μm oder gar 20 μm. Auch die Stärke der Lötverbindungen kann an die verringerte Bauelementgröße bzw. an das verringerte Bauelementgewicht angepaßt werden. Mit der Erfindung können also niedrigere Bumps eingesetzt werden. Auch die Dicke des Bauelementträgers kann mit der verringerten Bauelementhöhe reduziert werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazu gehörigen Figuren näher erläutert.
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1 zeigt im schematischen Querschnitt ein auf einen Bauelementträger gelötetes Bauelement
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2 zeigt das Bauelement im schematischen Querschnitt während eines Strahlspanverfahrens
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3 zeigt ein auf einen Bauelementträger gelötetes Bauelement nach der Material abtragenden Behandlung
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4 zeigt das Bauelement nach hermetischer Versiegelung
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5 zeigt ein Bauelement mit strukturierter Rückseite
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6a bis c zeigen verschiedene Möglichkeiten der Strukturierung der Rückseite des Substrats.
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Ein Bauelement auf einem piezoelektrischen Substrat S, beispielsweise ein Oberflächenwellenbauelement, weist auf einer Oberfläche Metallisierungen in Form von Bauelementstrukturen BS auf, beispielsweise als doppelt kammförmige Elektroden ausgebildete Interdigitalwandler, Reflektoren oder sonstige Leiterbahnen. Das Bauelement wird nun so auf einem Bauelementträger BT aufgelötet, daß die die Bauelementstrukturen BS tragende Oberfläche des Substrats S zum Bauelementträger BT weist. Das Auflöten kann mittels Lotkugeln LK (Bumps) erfolgen, die in einem vorhergehenden Verfahrensschritt auf dem Bauelementträger BT oder auf dem Substrat S aufgebracht werden. Die Lotkugeln LK dienen dabei gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements mit dem Bauelementträger, wobei der Kontakt auf dem Substrat durch lotfähige Metallisierungen, sog. Anschlußpads VP und auf dem Bauelementträger durch Leiterbahnen LB hergestellt wird. Der Bauelementträger kann mehrschichtig aufgebaut sein, Durchkontaktierungen zur Unterseite des Bauelementträgers und/oder mehrere Metallisierungsebenen aufweisen. Die Leiterbahnen LB können mit anderen Bauelementen oder sonstigen Schaltungsstrukturen auf dem Bauelementträger in Verbindung stehen.
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Mit Hilfe eines Strahlspanverfahrens wird anschließend das Bauelementsubstrat von der Rückseite her gedünnt. Dazu wird mit Hilfe einer Strahldüse SD ein körniges Strahlmittel, beispielsweise Korrund, mit hoher Geschwindigkeit auf die Rückseite des Substrats S geblasen. Durch die kinetische Energie der auf das Substrat S aufprallenden Strahlmittelpartikel werden aus der Rückseite des Substrats entsprechende Substrat Partikel herausgeschlagen. Bei Verwendung kleinerer Strahldüsen SD werden diese scannend über die Oberfläche des Bauelements geführt. Es existieren jedoch auch Strahldüsen SD, deren Strahldurchmesser zur Abdeckung der gesamten Oberfläche des Bauelementsubstrats S ausreichend ist.
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3 zeigt das Bauelement im schematischen Querschnitt nach der Material abtragenden Behandlung. Das Substrat Sred weist nun eine reduzierte Schichtdicke auf, die beispielsweise von ursprünglich 500 μm auf 175 μm reduziert ist. Damit ist auch die Gesamthöhe reduziert, mit der das Bauelement über dem Bauelementträger aufsteht, ebenso die Gesamthöhe des Bauelementträgers inkl. Bauelement. Zusätzlich ist in der Figur ein Underfiller UF dargestellt, der im Bereich der Substratkanten den Zwischenraum zwischen Substrat S und Bauelementträger BT auffüllt. Der Underfiller kann im gesamten Umfang des Substrats aufgebracht sein und somit einen dichten Rahmen bilden, der die Bauelementstrukturen (in der Figur nicht mehr dargestellt) durch Ausbildung eines Hohlraums zwischen dem Substrat, dem Bauelementträger und dem durch den Underfiller UF gebildeten Rahmen einschließt.
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Zum weiteren Schutz des Bauelements kann über dem Bauelement eine Laminierfolie LF so aufgebracht werden, daß sie sowohl auf der Rückseite des Substrats Sred aufliegt, als auch neben dem Bauelement dicht mit dem Bauelementträger BT abschließt. Vorzugsweise wird als Laminierfolie eine Kunststoffolie im B-Zustand verwendet. Auch thermoplastische Folien sind geeignet.
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5 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch ein Substrat, wie dieses mit Hilfe einer Resiststruktur RS unter Anwendung des Strahlspanverfahrens mit einem Muster aus Vertiefungen V versehen werden kann. Dazu wird nach einem ersten Materialabtrag auf der Rückseite des auf einem Bauelementträger gebundenen Substrats (Bauelementträger in der Figur nicht dargestellt) ganzflächig eine Resistschicht aufgebracht und gemäß einem Muster strukturiert. Eine ausreichend weichelastische Resistschicht ist gegen ein Strahlspanverfahren unempfindlich und kann daher als Maske dienen. Im Bereich der nicht von der Resiststruktur RS abgedeckten Substratoberfläche werden mit einem Strahlspanverfahren nun Vertiefungen V erzeugt. Diese Vertiefungen können bei Oberflächenwellenbauelementen beispielsweise dazu genutzt werden, unerwünschte Volumenwellenanteile zu dämpfen bzw. diese an einer Reflexion von der Rückseite des Substrats her abzuhalten.
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6a bis 6c zeigen verschiedene Möglichkeiten an, wie ein solches Muster von Vertiefungen V ausgebildet werden kann, um unerwünschte Volumenwellen an der Reflexion von der Substratrückseite her zu hindern. 6a zeigt ein Muster von annähernd parallelen Wellenlinien, wobei die Wellenlinien vorzugsweise einer Orientierung quer zur Wellenausbreitungsrichtung X der Oberflächenwelle angeordnet sind. 6b zeigt mehrere ebenfalls annähernd parallel ausgerichtete zickzackförmige Vertiefungen V, die ebenfalls vorzugsweise wieder quer zur Wellenausbreitungsrichtung X angeordnet sind. 6c zeigt ein Muster kurzer paralleler gerader Linien, die gleich lang, unterschiedlich lang oder gegeneinander versetzt sein können.
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Bezüglich der gewünschten Wirkung zur Abdämpfung unerwünschter Volumenwellenanteil sind alle Muster geeignet. Bevorzugt ist jedoch ein Muster gemäß 6a, da ein Wellenmuster keine geradlinigen, einer möglichen Bruchkante folgenden Vertiefungen aufweist, die die Bruchsicherheit des Substrats S gefährden könnten.
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Obwohl das Verfahren nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben werden konnte, so ist die Erfindung doch nicht auf diese beschränkt und läßt sich noch in einer Reihe von Parametern variieren.
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Beispielsweise lassen sich noch andere Material abtragende Verfahren einsetzen, insbesondere Trockenätzprozesse, die mit einem Plasma oder anderen energiereichen Strahlungsform oder Teilchenstrahlen operieren. Außerdem ist das Verfahren nicht auf die genannten mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelemente beschränkt und läßt sich auch bei anderen auf piezoelektrischen Substraten aufgebauten Bauelementen anwenden. Auch die Weiterverarbeitung eines gedünnten Substrates ist nicht auf die vorgestellten Maßnahmen beschränkt. In jedem Fall wird mit der Erfindung ein vereinfachtes Verfahren anzugeben, die Bauhöhe eines mit Bauelementen bestückten Bauelementträgers in einfacher und sicherer Weise zu reduzieren.
