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Die Anmeldung betrifft ein Substrat mit einer Schutzfunktion für ein elektrisches Bauelement und niedriger Bauhöhe.
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Zum Schutz von empfindlichen Anlagen, Bauelementen und Netzen gegen ESD (Electro Static Discharge) können Varistoren eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um nicht-lineare Bauelemente, deren Widerstand bei Überschreiten einer bestimmten angelegten Spannung stark absinkt. Varistoren sind daher geeignet, Überspannungspulse unschädlich abzuleiten. Hergestellt werden Varistoren aus einer Zinkoxidkeramik mit Kornstruktur.
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Varistoren lassen sich nur mit Aufwand in Mehrlagenkeramiken integrieren und werden daher üblicherweise als diskrete Bauelemente eingesetzt.
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Diskrete Varistoren haben dagegen im Wesentlichen geometrische Vorteile, z.B. können sie sehr dünn gefertigt werden. Dies erhöht allerdings die Bruchgefahr für die Paneele.
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Diskrete Bauelemente mit Varistorfunktion oder allgemein mit ESD Schutzfunktion werden direkt auf ein Keramiksubstrat, ein Leadframe, eine Platine oder eine Leiterplatte aufgelötet und elektrisch mit dem zu schützenden Bauelement verbunden.
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Möglich ist es auch, solche Schutzelemente in ein Laminat während dessen Herstellung zu integrieren.
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Weiter ist es möglich, das Schutzelement in einer Ausnehmung des Substrats, der Trägerplatte oder des Laminats so zu platzieren, dass anderen elektrisch leitenden Strukturen benachbart ist, die zur Verbindung mit weiteren Bauelementen vorgesehen sind. Dies führt zwar zu einer geringen Bauelementhöhe, erfordert aber ausreichend Bestückungsfläche.
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Möglich ist es auch, eine Varistorkeramik als Bauelementsubstrat zu verwenden und die Schutzfunktion in das Substrat zu integrieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Integration einer Schutzfunktion oder eines Schutzelements in ein elektrisches Bauelement weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Trägerplatte mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Trägerplatte sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Es wird eine Trägerplatte vorgeschlagen, die einen mechanisch stabilen Grundkörper aufweist, wie er etwa für bekannte Trägerplatten üblich ist. Auf der Unterseite des Grundkörpers sind Außenkontakte und auf der Oberseite Anschlussflächen für das Bauelement vorgesehen.
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Zur Platzierung eines ESD-Schutzelements ist erfindungsgemäß eine Ausnehmung vorgesehen, in die das ESD-Element zumindest teilweise eingebettet ist. Die elektrischen Anschlüsse des Schutzelements sind dabei von der Oberseite oder der Unterseite des Grundkörpers her zugänglich. In einer alternativen Ausführungsform wird das Schutzelement am Boden der Ausnehmung elektrisch kontaktiert. Die elektrische Verbindung zwischen Schutzelement und dem Bauelement kann dann über eine innen im Grundkörper verlaufende Metallisierung erfolgen. Möglich ist es auch, entsprechende Anschlüsse über Vias auf die Oberfläche des Grundkörpers zu führen.
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Das Schutzelement ist in der Ausnehmung mittels eines Verbindungsmittels mechanisch fixiert. Die Fixierung kann an nur wenigen Punkten vorgenommen sein.
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Das Schutzelement ist mit den Anschlussflächen auf der Oberseite oder den Außenkontakten auf der Unterseite des Grundkörpers über eine strukturierte metallische Schicht elektrisch verbunden.
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Eine solche Trägerplatte hat den Vorteil, dass das Schutzelement ohne großen technischen Aufwand in den Grundkörper eingebettet werden kann. Das Verbindungsmittel kann so gewählt werden, dass es allein der mechanischen Fixierung des Schutzelements in der Ausnehmung dient. Vorzugsweise wird ein Verbindungsmittel gewählt, welches mit späteren Prozesstechniken kompatibel ist, insbesondere bei der späteren Montage eines Bauelements auf die Anschlussflächen, insbesondere durch Auflöten.
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Das Verbindungsmittel fungiert also wie ein Klebstoff, der vor oder während der Fixierung des Schutzelements in der Ausnehmung zumindest einmal eine flüssige oder viskose Phase durchläuft. Es ist nicht erforderlich, dass das Verbindungsmittel sämtliche verbleibenden Zwischenräume zwischen Schutzelement und den Außenwänden der Ausnehmung ausfüllt. Es ist ausreichend, das Schutzelement in der Ausnehmung mit dem Verbindungsmittel zu fixieren, was über eine Befestigung an wenigen Punkten erfolgen kann.
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Durch die zumindest teilweise Einbettung des Schutzelements in den Grundkörper wird die Gesamthöhe der Trägerplatte nicht oder nur unwesentlich erhöht. Außerdem ist es möglich, dadurch bündige Oberflächen zwischen Grundkörper und Schutzelement zu schaffen, auf die in einfacher Weise eine strukturierte metallische Schicht zum elektrischen Verbinden von Schutzelement und Anschlussflächen erfolgen kann. Eine solche strukturierte metallische Schicht kann auch in einfacher Weise über die beiden Oberflächen von Grundkörper und Schutzelement aufgebracht sein oder werden, wenn eine nur geringe Stufenhöhe beiden Oberflächen zu überwinden ist.
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Die Anordnung des Schutzelements in der Ausnehmung hat den weiteren Vorteil, dass die Positionierung des Schutzelements mit großer Toleranz erfolgen kann und nicht passgenau vorgenommen werden muss. Zusätzlich kann über ein geeignet gewähltes gut wärmeleitendes Material für den Grundkörper ein insgesamt nur geringer thermischer Widerstand der Kombination Grundkörper plus Schutzelement realisiert werden.
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Das Schutzelement kann ein beliebiges Bauelement sein, welches zur Ableitung von Überspannungen ausgelegt ist. Vorzugsweise ist das Schutzelement ein Varistor, kann aber auch eine Zehnerdiode, ein TVS-Bauelement oder ein anderes nicht lineares Bauelement sein.
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Ein Varistor ist bevorzugt, weil er zum Einen auf relativ geringem Bauelementvolumen eine gute Ableitfunktion aufweist. Zum Anderen ist ein Varistor kostengünstig und stark miniaturisierbar, sodass sich das Gesamtvolumen der Trägerplatte durch das eingebettete Schutzelement nicht oder nur unwesentlich erhöht.
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Das Verbindungsmittel kann elektrisch isolierend oder elektrisch leitend sein. Es ist ausgewählt aus einem Kunststoff, einem keramischen Material, Glas oder Metall bzw. umfasst ein solches Material. Bevorzugt sind keramische Materialien, die in Pastenform eingesetzt und schließlich eingesintert werden können. Auch eine Glasfritte ist geeignet, die sich durch Aufschmelzen des Glases zur festen Fixierung des Schutzelements eignet. Ein metallisches Verbindungsmittel kann beispielsweise ein Lot sein, dessen Schmelzpunkt entsprechend hoch eingestellt ist, um die spätere Montage des Bauelements auf den Anschlussflächen zu überstehen bzw. um bei diesen Bedingungen nicht wieder aufzuschmelzen oder bei einem Aufschmelzen durch Selbstzentrierung (Self-Alignment durch Oberflächenspannung) zumindest in Position gehalten zu werden. Das Verbindungsmittel kann jedoch auch ein Kunststoff sein, welcher entsprechend temperatur- und prozessstabil ausgewählt sein kann, beispielsweise eine Epoxyharz oder Polyimid.
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Eine besonders einfache Herstellung gelingt, wenn die nach außen weisende Oberfläche des Schutzelements bündig mit einer Oberfläche des Grundkörpers abschließt. Dann kann die metallische Schicht auf beiden Oberflächen ohne Stufenbildung aufliegen und daher besonders einfach aufgebracht werden.
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Das Schutzelement kann mit der Oberseite des Grundkörpers abschließen und elektrisch mit den Anschlussflächen auf der Oberseite verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, dass das Schutzelement mit der Unterseite des Grundkörpers abschließt und dann mit den Außenkontakten des Grundkörpers über die metallisch strukturierte Schicht verbunden ist. Da Außenkontakte und Anschlussflächen zumindest über Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden sind, ist eine Verschaltung des Schutzelements mit den Außenkontakten gleichwirkend wie eine Verschaltung mit den Anschlussflächen auf der Oberseite des Grundkörpers.
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Außenkontakte und Anschlussflächen können direkt über Durchkontaktierungen verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, einen mehrschichtigen Grundkörper vorzusehen, der zumindest eine innenliegende Metallisierungsebene aufweist. Die Metallisierungsebene kann zu einer Verdrahtungsebene strukturiert sein, in der Verschaltungen zwischen unterschiedlichen Anschlussflächen bzw. Außenkontakten vorgesehen sind. Die Verdrahtungsebene kann dazu vorgesehen sein, unterschiedliche auf der Oberfläche der Trägerplatte montierbare Bauelemente miteinander zu verschalten.
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Möglich ist es auch, Bauelemente in den mehrschichtigen Aufbau des Grundkörpers zu integrieren, indem die Verdrahtungsebene entsprechend zu Leiterabschnitten für integrierte Widerstände, zu metallisierten Flächen für integrierte Kapazitäten oder zu gegebenenfalls gekrümmten oder spiralförmigen Leiterabschnitten zur Realisierung von integrierten Induktivitäten strukturiert wird. Einzelne Schichten des mehrschichtigen Grundkörpers können jeweils verschiedene für die integrierten passiven Bauelemente geeignete Dielektrika umfassen.
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Die Anordnung der Ausnehmung auf der Oberfläche der Trägerplatte kann beliebig erfolgen. Vorzugsweise ist die Ausnehmung jedoch zwischen den Anschlussflächen für das Bauelement oder noch vorteilhafter unter den Anschlussflächen für das Bauelement vorgesehen. Ein später zu montierendes Bauelement, welches auf zumindest zwei Anschlussflächen aufsitzt, ist dann zumindest teilweise über dem Schutzelement angeordnet. Dies gelingt aufgrund der Tatsache, dass das Schutzelement ausreichend tief in den Grundkörper versenkt ist, sodass der Überstand des Schutzelements über die Oberfläche des Grundkörpers maximale dem Abstand des Bauelements über der Oberfläche des Grundkörpers entspricht und die Montage des Bauelements somit nicht behindert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Anschlussflächen der Trägerplatte aus der strukturierten metallischen Schicht ausgebildet und können dann direkt über dem Schutzelement und den benachbarten Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht werden. Auf diese Weise benötigt das Schutzelement keine zusätzliche Oberfläche auf dem Grundkörper, sodass eine lateral benachbarte Anordnung von Schutzelement und Bauelement nicht erforderlich ist und dessen Grundfläche eingespart werden kann.
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Die Ausnehmung ist so ausgebildet, dass sie zumindest die Grundfläche des Schutzelements aufnehmen kann. Sind die Grundflächen von Schutzelement und Ausnehmung einander optimal angepasst, so führt dies zu einem minimalen Flächenbedarf für die Ausnehmung bzw. für das Schutzelement. Ein weiterer Vorteil einer optimalen Anpassung ist die einfache Fixierung, die bei geringer Toleranz nur wenig Verbindungsmittel bzw. nur wenig Verbindungspunkte erfordert.
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Möglich ist es jedoch auch, die Ausnehmung so zu gestalten, dass sie technisch mit wenig Aufwand hergestellt werden kann. In einfacher Weise ist die Ausnehmung z. B. eingesägt oder eingefräst. Besonders einfach kann ein über den gesamten Grundkörper reichender Graben durch Einsägen in den Grundkörper erzeugt werden. Dieser weist zwar eine größere Grundfläche als das Schutzelement auf, kann dafür aber in besonders einfacher Weise und mit großer Toleranz erzeugt werden.
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Bezüglich der mechanischen Festigkeit ist eine Ausnehmung bevorzugt, die lateral auf vier Seiten vom Grundkörper umschlossen ist.
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Ist die Tiefe der Ausnehmung geringer als die Dicke des Grundkörpers, so kann das Schutzelement auch auf dem Boden der Ausnehmung aufsetzen. Möglich ist es jedoch auch, dass die Ausnehmung vertikal durch den gesamten Grundkörper hindurch reicht. Eine solche Ausnehmung kann durch Bohren, Fräsen, Ätzen oder durch thermische Behandlung, beispielsweise über einen Laser, hergestellt werden.
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Besonders kostengünstig kann eine Trägerplatte im Nutzen hergestellt werden. Dazu weist die Trägerplatte eine Vielzahl von Bauelementbereichen mit entsprechenden Anschlussflächen und zumindest jeweils einer Ausnehmung auf. In jeder Ausnehmung ist dann ein Schutzelement vorgesehen, sodass die Trägerplatte später in eine Vielzahl einzelner Träger vereinzelbar ist, auf denen jeweils ein Bauelementbereich für ein oder mehrere Bauelement vorgesehen ist.
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Zumindest die Herstellung der Ausnehmung und das Aufbringen der metallischen strukturierten Schicht kann dann in einfacher Weise integriert für die gesamte großflächige Trägerplatte vorgenommen werden. Die Bestückung mit Schutzelementen ist auf einer großflächigen Trägerplatte ebenfalls erleichtert.
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Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Trägerplatte wird ein kristalliner, keramischer, metallischer oder gläserner Grundkörper vorgesehen. Der Grundkörper kann auch einen Schichtaufbau aufweisen, in dem unterschiedliche Materialien für die einzelnen Schichten verarbeitet sind.
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Im nächsten Schritt wird in einer Oberfläche des Grundkörpers eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Schutzelements erzeugt. Dies kann, wie gesagt, durch Bohren, Fräsen, Ätzen, Sägen oder thermische Materialabtragung erfolgen. Anschließend wird ein Schutzelement zumindest teilweise in die Ausnehmung eingebettet und mittels eines Verbindungsmittels mechanisch fixiert. Die Fixierung kann einen thermischen Schritt umfassen, bei dem das Verbindungsmittel aufgeschmolzen, gesintert oder thermisch gehärtet wird.
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Im nächsten Schritt wird eine auf der Oberfläche von Grundkörper und Schutzelement aufliegende strukturierte metallische Schicht erzeugt. Daran kann sich die Herstellung elektrischer Anschlussflächen für das Bauelement auf der Oberseite des Grundkörpers anschließen.
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Die strukturierte metallische Schicht kann so aufgebracht werden, dass sie mit den Anschlüssen des Schutzelements und den Anschlussflächen auf dem Grundkörper überlappt und diese dabei elektrisch leitend verbindet. Alternativ wird die strukturierte metallische Schicht über den Anschlüssen des Schutzelements aufgebracht und dabei oder später zu Anschlussflächen für die spätere Aufbringung des Bauelements ausgebildet.
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In einer Verfahrensvariante wird das Schutzelement nach der Fixierung in der Ausnehmung und vor dem Aufbringen der strukturierten metallischen Schicht von der Oberseite her so weit abgeschliffen, bis die Oberseite des Schutzelements bündig mit der Oberseite des Grundkörpers abschließt. Diese Variante hat den Vorteil, dass zum einen die genaue Tiefe der Ausnehmung unkritisch ist und auch geringer sein kann als die Höhe des Schutzelements. Zum anderen hat diese Variante den Vorteil, dass das Schutzelement zunächst in einer Dicke vorliegen kann, bei der es mechanisch stabil und sicher verarbeitbar ist. Nach dem Fixieren in der Ausnehmung ist das Schutzelement dann mechanisch so gut fixiert, dass der durch das Abschleifen eigentlich zu erwartende Stabilitätsverlust nicht wirksam wird. Das Schutzelement kann dann bis auf eine Höhe abgeschliffen werden, bei der es als einzeln verarbeitbares Bauelement nicht mehr handhabbar bzw. nicht mehr mechanisch stabil wäre. Dadurch wird das für das Schutzelement erforderliche Volumen minimiert. Auch die mechanische Stabilität des Grundkörpers wird durch das Erzeugen der Ausnehmung mit geringerer Tiefe weniger stark beeinträchtigt als durch eine Ausnehmung, die zur Aufnahme eines Schutzelements mit herkömmlicher Bauhöhe erforderlich ist. Natürlich wird dabei auch der Vorteil einer ebener und bündig abschließender Oberflächen von Grundkörper und Schutzelement erzielt.
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Auf bündigen Oberflächen lässt sich die strukturierte metallische Schicht in einfacher Weise aufbringen. Das Erzeugen dieser Schicht umfasst erfindungsgemäß zumindest einen der folgenden Schritte:
- a) Aufdrucken einer elektrisch leitfähigen Masse,
- b) Einbrennen einer elektrisch leitenden Paste,
- c) Aufbringen einer Grundmetallisierung aus der Gasphase, z.B. durch Aufdampfen oder Aufsputtern
- d) Galvanisches Verstärken einer Grundmetallisierung,
- e) Jetprinten einer elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Tinte.
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Das Aufdrucken gemäß Verfahrensvariante a) kann beispielsweise mittels Siebdrucks erfolgen. Die Paste kann für sich bereits elektrisch leitfähig sein und durch Härten in die endgültige strukturierte metallische Schicht überführt werden. Möglich ist es jedoch auch, die aufgedruckte Masse gemäß Verfahrensschritt b) einzubrennen und dabei einen Binder zu entfernen oder möglicherweise enthaltene elektrisch leitfähige Partikel durch Sintern miteinander in Verbindung zu bringen. Eine grob strukturierte Metallisierung kann auch durch Laserablation feinstrukturiert werden.
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Eine rein metallische strukturierte Schicht kann einen ersten Teilschritt umfassen, in dem eine Grundmetallisierung aus der Gasphase aufgebracht wird, wie in Verfahrensschritt c). Dieser kann gemäß Verfahrensschritt d) galvanisch oder stromlos verstärkt werden. Die Strukturierung kann dabei bereits auf der Basis der Grundmetallisierung erfolgen, indem entweder nicht zu metallisierende Oberflächenbereiche von der Grundmetallisierung befreit werden. Alternativ wird die Grundmetallisierung und/oder insbesondere die spätere Verstärkung maskiert aufgebracht, sodass die metallische Schicht nach dem Entfernen der Maske fertig strukturiert ist.
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Die Aufbringverfahren mittels Druckens gemäß der Varianten a) und e) führen bereits durch den Druckvorgang zu einer entsprechenden Strukturierung. Eine bevorzugte Aufbringung durch Drucken kann durch Jetprinten erfolgen. Dabei werden feine Tröpfchen einer elektrisch leitfähige Partikel enthaltenden Tinte mit einem entsprechenden Druckkopf auf die Oberfläche aufgeschleudert. Das Jetprinten kann mit hoher Strukturgenauigkeit erfolgen, sodass die strukturierte metallische Schicht ebenfalls eine hohe Strukturgenauigkeit erhält. Über die Vortriebsgeschwindigkeit des Druckkopfes kann auch die Dicke der aufgedruckten Schicht beeinflusst werden. Möglich ist es auch, mehrfach über die zu beschichtenden Oberflächenbereiche zu fahren und dadurch die Schichtdicke der aufgedruckten Schicht zu erhöhen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind rein schematisch und daher nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Zur besseren Anschaulichkeit können auch einzelne Teile in den Figuren weggelassen sein. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in schematischer perspektivischer Draufsicht eine Trägerplatte, bei der das Schutzelement in einer Ausnehmung benachbart zu den Anschlussflächen angeordnet ist.
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2 zeigt eine Trägerplatte in schematischer perspektivischer Draufsicht, bei der ein Schutzelement zwischen zwei Anschlussflächen angeordnet ist.
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3 zeigt in schematischer perspektivischer Draufsicht eine Trägerplatte, bei der das Schutzelement unter den Anschlussflächen angeordnet ist.
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4 zeigt einen Grundkörper mit durchgehender Ausnehmung in perspektivischer Ansicht.
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5 zeigt in schematischer perspektivischer Draufsicht eine Trägerplatte mit in einem Graben und benachbart zu Anschlussflächen angeordnetem Schutzelement.
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6 zeigt eine Trägerplatte mit einer grabenförmigen Ausnehmung unterhalb der Anschlussflächen.
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7 zeigt ein Schutzelement in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt.
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8 zeigt ein Schutzelement in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt mit gegenüber 7 veränderter Orientierung.
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9A und 9B zeigen die Trägerplatte in einer Verfahrensstufe nach der Fixierung des Schutzelements in der Ausnehmung wie sie in zwei unterschiedlichen Verfahrensvarianten erhalten werden kann.
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10 zeigt die Anordnung nach einem Bearbeitungsschritt zur Planarisierung der Oberfläche.
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11 zeigt die Anordnung nach der Aufbringung einer strukturierten Metallisierung.
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12 zeigt eine Trägerplatte in schematischer Draufsicht.
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13 zeigt einen Querschnitt durch eine Trägerplatte samt schematischer perspektivischer Ansicht.
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14 zeigt eine Trägerplatte mit darauf montiertem Bauelement.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Trägerplatte TP in perspektivischer Draufsicht. Sie umfasst einen Grundkörper GK, der aus einem mechanisch stabilen Material angefertigt ist, insbesondere aus einer Keramik. Der Grundkörper GK kann mehrlagig ausgebildet sein. Er weist auf der Oberseite Anschlussflächen AF für ein später zu montierendes Bauelement auf. Auf der Unterseite weist er Außenkontakte auf, die über Durchkontaktierungen (in der Figur nicht dargestellt) mit den Anschlussflächen AF verbunden sind. Ein ESD-Schutzelement SE ist in einer Ausnehmung auf der Oberseite des Grundkörpers angeordnet und dort fixiert. Die Anschlüsse des Schutzelements SE (in der Figur nicht dargestellt) sind über eine strukturierte Metallisierung SM mit den benachbarten Anschlussflächen AF auf dem Grundkörper GK elektrisch leitend verbunden. Je nach Ausführung mit und ohne Innenelektroden kann ein als Varistor ausgebildetes Schutzelement Abmessungen von Beispielsweise 466 × 446 × 80, 250 × 250 × 100, oder in der kleinsten Ausführung (Ultra Small) 250 × 100 × 80 µm betragen.
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In der gezeigten Ausführung ist die strukturierte Metallisierung SM als separates Element ausgeführt. Möglich ist es jedoch auch, Anschlussflächen AF und die strukturierte Metallisierung in einem gemeinsamen Verfahrensschritt aus der gleichen metallischen Schicht auszubilden. Möglich ist es auch, zunächst die strukturierte metallische Schicht SM und dann erst die Anschlussflächen AF zu erzeugen.
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Die Ausnehmung, die das Schutzelement SE aufnimmt, ist hier nicht separat dargestellt. Sie ist auf jeden Fall ausreichend groß, das Schutzelement SE zumindest teilweise aufzunehmen, sodass es zumindest teilweise in der Oberfläche des Grundkörpers GK versenkt ist. Vorzugsweise ist das Schutzelement SE vollständig in den Grundkörper GK eingebettet.
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Obgleich das Schutzelement SE in der dargestellten Ausführungsform von 1 in einer auf der Oberseite OS des Grundkörpers GK eingebrachten Ausnehmung angeordnet ist, kann es in einer Abwandlung auch in einer Ausnehmung angeordnet sein, die in der Unterseite des Grundkörpers GK eingebracht ist. Über eine strukturierte Metallisierung ist das Schutzelement dann mit den Außenkontakten auf der Unterseite verbunden, die wiederum über Durchkontaktierungen mit den Anschlussflächen AF auf der Oberseite des Grundkörpers GK verbunden sind.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Ausnehmung mit dem Schutzelement SE zwischen zwei Anschlussflächen AF auf der Oberseite des Grundkörpers GK angeordnet ist. Auch hier sind die Anschlüsse des Schutzelements SE über eine strukturierte metallische Schicht SM mit den Anschlussflächen AF elektrisch leitend verbunden. Auch hier gilt, dass strukturierte metallische Schicht und Anschlussflächen AF von Herstellung und Material her getrennt aufgebracht werden, oder alternativ als einstückige strukturierte metallische Schicht gleichzeitig die Anschlussfläche für das spätere Bauelement ausbildet. Auch hier ist es möglich, die Oberseite des Schutzelements SE über die Oberseite des Grundkörpers GK vorstehen zu lassen, sofern der Überstand gering genug ist, dass er die spätere Befestigung eines Bauelements BE auf den Anschlussflächen AF nicht behindert. Wird dazu eine Bumpverbindung eingesetzt, so kann ein Überstand bis zu einigen 10µm betragen. In einer beispielhaften Ausführung weist ein Bump inklusive Anschlusspad eine Gesamthöhe von ca. 70 µm auf, so dass das Schutzbauelement bis zu einer Höhe knapp unter diesen 70 µm über die Oberfläche des Grundkörpers überstehen könnte.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Ausnehmung mit dem Schutzelement SE unterhalb der Anschlussflächen AF angeordnet ist. In der dargestellten Ausführung ist das Schutzelement SE quer zu den Anschlussflächen orientiert, kann aber jede beliebige Mischform von teilweiser oder vollständiger Überlappung ausbilden, ohne von der Erfindung abzuweichen. In diesem Fall ist klar, dass die Anschlussflächen AF erst nach Einbringen und Fixieren des Schutzelements in die Ausnehmung erzeugt werden können, sodass die strukturierte metallische Schicht über das Schutzelement SE und Teile des Grundkörpers GK in Form von zwei oder mehr Anschlussflächen aufgebracht wird.
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Während die Ausführungen gemäß der 1 bis 3 an die Größe des Schutzelements SE angepasste Ausnehmungen aufweisen, kann die Ausnehmung AN auch stark von der Größe des Schutzelements SE abweichen, z.B. bezüglich Länge, Breite und Tiefe der Ausnehmung.
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4 beispielsweise zeigt einen Grundkörper GK mit einer zentral angebrachten Ausnehmung AN, die von der Oberseite durch den Grundkörper hindurch bis zur Unterseite des Grundkörpers reicht. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass bei ausreichender mechanischer Stabilität des Grundkörpers und ausreichender Miniaturisierbarkeit des Schutzelements SE eine Flächen sparende Ausführung erhalten wird. Die Ausnehmung ist hier zwar mit vertikalen Seitenwänden und rechtwinkligen Kanten ausgeführt, kann jedoch auch davon abweichend schräge Seitenwände und gerundete oder anderweitig geformte Ecken aufweisen.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der zur Herstellung der Ausnehmung AN ein besonders einfach durchzuführendes Verfahren eingesetzt werden kann. Die Ausnehmung AN ist hier als ein Graben ausgeführt, der quer über den Grundkörper GK mit einheitlicher Breite und Tiefe reicht. Ein solcher Graben bzw. eine solche grabenförmige Ausnehmung AN kann in einfacher Weise mit Hilfe einer Fräse oder eines Sägeblatts erzeugt werden. Mit einem Sägeblatt lassen sich auch in einfacher Weise rechteckige Grabenquerschnitte erzeugen, die den Außenmaßen des Schutzelements SE angepasst sind. Das Schutzelement selbst erstreckt sich nicht über die gesamte Grabenlänge, sondern ist eher passend zu den Anschlussflächen AF ausgerichtet, mit denen es über eine strukturierte metallische Schicht SM elektrisch verbunden ist. Auch hier können strukturierte metallische Schicht SM und Anschlussflächen AF aus dem gleichen Material als auch aus einer einheitlichen Schicht bestehen.
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Die Ausführungsform gemäß 6 unterscheidet sich von der Ausführung nach 5 nur dadurch, dass die grabenförmige Ausnehmung AN unter den Anschlussflächen AF hindurch führt. In dieser Ausführung ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Schutzelements bündig mit der Oberfläche des Grundkörpers GK abschließt, da die Anschlussflächen AF anschließend über beide Oberflächen hinweg aufgebracht werden müssen.
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Das Schutzelement SE ist in den beschriebenen Figuren als eher flächig mit relativ geringer Höhe ausgebildetes Element dargestellt. Dieses kann erfindungsgemäß auch in anderen als den dargestellten Orientierungen in dem Grundkörper eingebettet sein und dort z.B. hochkant orientiert sein, so dass es normal zur Oberfläche steht.
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7 zeigt auf der linken Seite eine schematische perspektivische Darstellung eines Schutzelements SE, welches beispielsweise als Varistor ausgebildet ist. Das Varistor-Schutzelement SE weist einen Mehrschichtaufbau auf, bei dem zwischen strukturierten Metallebenen ME, die als Elektrodenebenen dienen, Schichten aus Varistorkeramik angeordnet sind. Die Metallebenen ME sind alternierend mit elektrischen Anschlüssen A und B verbunden, die an eine Oberfläche des Schutzelements SE geführt sind.
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In der dargestellten Ausführung sind die Metallebenen ME vertikal angeordnet und die Kontakte auf der Seite des Schutzelements SE angebracht, an der die Metallebenen die Oberfläche schneiden. Im rechten Teil der Darstellung sind zwei Elektrodenebenen in der Draufsicht dargestellt. Die Metallebenen können so strukturiert werden, dass sie in der Nähe einer Kante des Schutzelements SE dessen Oberfläche schneiden und dort mit dem Kontakt A zu verbinden sind, während auf der gleichen Oberfläche in der Nähe der gegenüberliegenden Kante nur Metallebenen die Oberfläche schneiden, die mit dem Kontakt B verbunden werden. Dies erleichtert die Kontaktierung des zweipoligen Bauelements. Die elektrischen Anschlüsse des Schutzelements SE können jeoch auch in anderer Weise mit den Metallebenen ME verbunden sein.
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8 zeigt eine Anordnung eines mehrschichtigen Schutzelements SE, beispielsweise eines Varistors, bei dem die Metallebenen ME quer zu der Oberfläche mit den Anschlüssen A und B verlaufen und in der späteren Befestigung im Grundkörper GK parallel zur Oberfläche der Trägerplatte ausgerichtet sind. Im rechten Teil der 8 ist wieder ein Querschnitt durch Schutzelement SE und Metallebenen ME dargestellt. Aus der Figur wird klar, dass die Metallebenen ME alternierend mit einer Art Durchkontaktierung oder einem Sammelkontakt verbunden sind, welcher alle damit verbundenen Metallebenen ME mit jeweils einem Anschluss A, B auf der Oberseite des Schutzelements SE verbindet.
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9A zeigt eine Ausführungsform der Erfindung anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Trägerplatte während einer Verfahrensstufe bei der Herstellung. Der Grundkörper GK der Trägerplatte ist bereits mit Durchkontaktierungen DK versehen, die eine obere Mündung auf der Oberseite mit einer unteren Mündung auf der Unterseite des Grundkörpers GK verbinden. Bereits in einer frühen Verfahrensstufe können auf der Unterseite Außenkontakte AK über den Durchkontaktierungen aufgebracht sein.
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In der Oberseite des Grundkörpers GK wird nun eine Ausnehmung AN erzeugt, die einen an sich beliebigen, vorzugsweise jedoch den Außenabmessungen des Schutzelements SE entsprechenden Querschnitt aufweisen. Mit Hilfe eines Verbindungsmittels VM wird nun ein Schutzelement SE so in der Ausnehmung AN platziert, dass es nicht oder nur wenig über die Oberfläche des Grundkörpers GK hinausragt. Ein beispielsweise in die Ausnehmung AN eingebrachte Verbindungsmittel VM wird beim Einsetzen des Schutzelements SE verdrängt und kann nach oben aus der Fuge austreten und dort wie in der Figur dargestellt einen Wulst ausbilden.
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9B zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der das Schutzelement SE zwar tiefer in der Ausnehmung AN eingebettet ist, dafür aber Reste an Verbindungsmitteln VM über der Oberfläche des Grundkörpers GK hinausragen. Eine solche Ausgestaltung wird auch erhalten, wenn das Schutzelement SE an nur wenigen Punkten mit Verbindungsmitteln in der Ausnehmung AN fixiert wird und erst anschließend die verbleibenden Fugen mit Verbindungsmittel aufgefüllt werden.
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Im nächsten Schritt wird eine plane Oberfläche geschaffen, wobei mit Hilfe eines Materialabtragungsprozesses, welcher in der 9 durch Pfeile dargestellt ist, die Oberfläche mechanisch bearbeitet und dabei planarisiert wird. Dazu kann ein rein mechanisches Abschleifen oder ein chemisch unterstütztes mechanisches Polieren (CMP) eingesetzt werden. Alternativ kann die Oberfläche auch plan gefräst werden.
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10 zeigt die Anordnung nach einer solchen Planarisierung der Oberfläche, bei der die Oberseite des Schutzelements SE plan und bündig mit der Oberseite des Grundkörpers GK abschließt, und bei auch das Verbindungsmittel nicht über die Fuge zwischen Schutzelement SE und Grundkörper hinausragt bzw. quillt.
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Nach dem Aufbringen des Verbindungsmittels VM, welches vorteilhafterweise in pastöser oder flüssiger Form eingesetzt wird, kann anschließend ein Härtungsprozess erfolgen oder aktiv durchgeführt werden, um zum einen die mechanische Fixierung des Schutzelements SE im Grundkörper sicherzustellen und um andererseits das ehemals flüssige oder pastöse Verbindungsmittel VM in einen gehärteten Zustand überzuführen, der gegenüber späteren Verfahrensschritten zur Weiterverarbeitung und insbesondere bei der Aufbringung von Kontaktflächen und dem Auflöten von Bauelementen ausreichend stabil ist.
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Im nächsten Schritt wird auf den Oberseiten des Grundkörpers und des Schutzelements SE eine strukturierte metallische Schicht SM aufgebracht und so strukturiert, dass sie spätere Anschlussflächen AF der Trägerplatte mit elektrischen Anschlüssen des Schutzelements SE verbindet. Da das Schutzelement SE üblicherweise zweipolig ist und auch die damit verbundenen Anschlussflächen AF in geradzahliger Anzahl vorliegen, kann ein jeder Anschluss des Schutzelements SE mit Hilfe der strukturierten metallischen Schicht SM mit einer Anschlussfläche AF verbunden werden. Alternativ wird die strukturierte metallische Schicht SM so strukturiert, dass sie eine Anschlussfläche ausbildet, die jeweils einen Anschluss des Schutzelements SE kontaktiert. Eine solche Ausführung ist beispielsweise in der 11 dargestellt.
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Die strukturierte metallische Schicht SM kann in Form einer elektrisch leitfähigen Paste erzeugt werden, die durch Einbrennen direkt in eine gut leitende Elektrodenschicht überführt werden kann. Möglich ist es auch, metallische Partikel in möglichst kleinteiliger Form aufzubringen und durch Erhitzen in eine durchgängige Metallschicht zu überführen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das Aufschmelzen bei wesentlich niedrigeren Temperaturen weit unter dem eigentlichen Schmelzpunkt der metallischen Schicht erfolgen kann, wobei die metallischen Partikel in ein Material bzw. eine Schicht überführt werden, das erst bei wesentlich höherer Temperatur zum Wiederaufschmelzen gebracht werden kann und daher auch bei höheren Temperaturen noch stabil bleibt.
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Möglich ist es auch, die strukturierte metallische Schicht SM aus einer über die Gasphase aufbringbaren Grundmetallisierung auszubilden, die anschließend durch ein galvanisches oder stromloses Verfahren mit einem elektrisch gut leitenden Metall verstärkt wird. So ist es beispielsweise möglich, Gold oder Platin, Ti, Cr, Cu, Ni, Ag oder ein anderes Metall in dünner Schicht aufzusputtern und zu strukturieren. Die Strukturierung kann durch Freiätzen oder Laserablation der nicht zu beschichtenden Bereiche erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, auf nicht zu beschichtende Bereiche eine Maske aufzubringen. Diese kann vor dem Erzeugen der Grundmetallisierung aufgebracht und strukturiert werden, oder erst nach dem Erzeugen der Grundmetallisierung.
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Nach der galvanischen oder stromlosen Verstärkung der Grundmetallisierung, die zu einer Aufdickung der strukturierten metallischen Schicht SM führt, kann die Maske samt darüber liegender (lift-off Verfahren) oder darunter liegender Grundmetallisierung entfernt werden, sodass eine gewünschte Strukturierung, beispielsweise in Form von Anschlussflächen und Verbindungsleitern zu den Anschlüssen des Schutzelements SE erhalten wird. Zur stromlosen Verstärkung können beliebig leitende Metalle wie beispielsweise Kupfer, Nickel oder auch Gold oder Palladium eingesetzt werden.
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12 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Trägerplatte, bei der die Anschlussflächen AF das Schutzelement SE teilweise überlappen, welches unterhalb der Anschlussflächen AF angeordnet ist. Durch die Überlappung wird gleichzeitig ein elektrischer Kontakt mit den Anschlüssen des Schutzelements hergestellt.
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Durch die gestrichelte Linie ist die Grundfläche einer mit dem Anschluss B verbundene Metallisierungsebene ME des Schutzelements SE angedeutet. Die Metallisierungsebenen sind alternierend mit den Anschlüssen A und B des Schutzelements SE verbunden.
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13 zeigt in einer kombinierten Darstellung einen Querschnitt durch eine Trägerplatte auf einer Verfahrensstufe bei der Herstellung gemäß 10, wobei der Querschnitt perspektivisch zu einer räumlichen Darstellung erweitert ist. Der Schnitt ist durch den Grundkörper GK, die Durchkontaktierungen DK, das Schutzelement SE und die Anschlusskontakte AK geführt. In der perspektivischen Darstellung nur angedeutet sind elektrische Anschlüsse A und B des Schutzelements SE. Die Durchkontaktierungen DK verbinden die Außenkontakte AK auf der Unterseite elektrisch leitend mit der Oberseite, wo sie wiederum mit den Anschlussflächen AF in einem späteren, noch nicht dargestellten Verfahrensschritt kontaktiert werden. Nach dem Aufbringen einer strukturierten metallischen Schicht wird jeder der Anschlüsse A, B des Schutzelements SE mit einer der beiden jeweils einer Anschlussfläche zugeordneten Durchkontaktierung DK verbunden. Die Außenkontakte AK stellen den unten liegenden elektrischen Anschluss für die auf der Oberseite angeordneten Anschlussflächen AF bzw. für Schutzelement SE und das später auf den Anschlussflächen AF zu montierende Bauelement dar.
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14 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts eine Trägerplatte, bei der auf die Anschlussflächen AF, welche aus der strukturierten metallischen Schicht SM ausgebildet sein können, ein elektrisches Bauelement BE aufgebracht ist. Als elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlüssen des Bauelements und der Anschlussfläche AF der Trägerplatte kann beispielsweise eine Bump-Verbindung eingesetzt werden. Möglich ist es auch, das Bauelement BE direkt als SMD-Bauelement aufzulöten oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers zu kontaktieren.
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Das Bauelement BE ist beispielsweise eine LED, welche auf der Oberfläche eines keramischen Grundkörpers aufgebracht ist, in dem als Schutzelement SE ein Varistor eingebettet und mit den Anschlussflächen AF verbunden ist. Das Schutzelement SE wird dann parallel zu den Anschlüssen des Bauelements BE und der LED geschaltet, sodass diese gegen hohe Stromstöße, wie sie beispielsweise bei einer elektrostatischen Entladung (ESD) auftreten können, geschützt ist. Das Schutzelement SE kann Stromspitzen strom- oder spannungsabhängig unschädlich ableiten, stellt dabei einen Kurzschluss her, sodass das Bauelement BE bzw. die LED nicht durch die Überspannung beschädigt werden kann.
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Da die Erfindung nur anhand einer begrenzten Anzahl an Ausführungsformen und Figuren dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt. Insbesondere kann die Ausnehmung beliebig an der Oberseite oder Unterseite des Grundkörpers GK angeordnet sein oder gar durch den ganzen Grundkörper hindurch reichen. Die Ausnehmung kann zu einer beliebigen Tiefe des Grundkörpers geführt werden und ist vorzugsweise so bemessen, dass die mechanische Stabilität des Grundkörpers nicht darunter leidet. Die Zahl der Anschlussflächen AF ist vorzugsweise zwei, kann aber auch größer sein. Es können mehrere Anschlussflächen mit dem gleichen Anschluss des Schutzelements verbunden sein. Es können auch Anschlussflächen für mehr als ein Bauelementvorgesehen und mit den dem gleichen Schutzelement verbunden sein.
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Die strukturierte metallische Schicht kann aus einem beliebigen elektrisch leitenden Metall umfassenden Material ausgebildet sein und als alleinige Verbindung zur Anschlussfläche oder als kombinierte Verbindung und Anschlussfläche oder allein als Anschlussfläche im direkten Kontakt mit den Anschlüssen des Schutzelements ausgebildet sein.
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Die Anzahl der Durchkontaktierungen DK entspricht zumindest der Anzahl der vorgesehenen und mit dem Schutzelement SE verbundenen Anschlussflächen, ist vorzugsweise jedoch größer gewählt, um eine verlustarme oder verlustfreie elektrische Verbindung von Oberseite und Unterseite der Trägerplatte zu gewährleisten.
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Das Schutzelement kann passgenau in die Ausnehmung eingebettet sein und mit Hilfe des Verbindungsmittels VM die Fuge vollständig ausfüllen. Möglich ist es jedoch auch, das Schutzelement SE an nur wenigen Punkten zu fixieren. Die verbleibende Fuge kann in einem späteren Verarbeitungsschritt mit einem beliebigen Füllmaterial, insbesondere mit einem isolierenden Material und beispielsweise mit einer moldbaren Masse ausgefüllt werden. Dies kann bei der späteren Verkapselung eines Bauelements gemäß 14 erfolgen oder auch bereits vorher vor dem Aufbringen der Anschlussfläche bzw. dem Auflöten des Bauelements erfolgen.
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Der Grundkörper kann quaderförmig und flach ausgeführt sein. Der Grundkörper kann mehrere Bauelementbereiche aufweisen, von denen in den Figuren jeweils nur einer dargestellt ist, der genau einem Träger für ein Bauelement BE entspricht. Ein Träger kann jedoch auch mehrere Bauelemente BE tragen bzw. Anschlussflächen für mehrere Bauelemente aufweisen. Pro Bauelement kann ein Schutzelement vorgesehen sein. Möglich ist es jedoch auch, mehrere Bauelemente parallel mit einem Schutzelement zu verschalten.
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Bezugszeichenliste
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- A,
- B Anschlüsse des Schutzelements
- AF
- Anschlussflächen auf OS des GK
- AK
- Außenkontakte auf US des GK
- AN
- Ausnehmung
- BE
- elektrisches Bauelement
- BU
- Bump
- DK
- Durchkontaktierung
- GK
- Grundkörper mit
- ME
- Verdrahtungsebene/Metallisierungsebene/Metallschicht
- OS
- Oberseite des GK
- SE
- Schutzelement
- SM
- strukturierte metallische Schicht
- TP
- Trägerplatte, ggfs. vereinzelbar in Träger
- US
- Unterseite des GK
- VM
- Verbindungsmittel
