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Feld der Erfindung
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Die Erfindung richtet sich auf ein QFN-Gehäuse mit verbesserter Robustheit gegen Temperaturschockzyklen.
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Allgemeine Einleitung
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In der Mikroelektronik werden vermehrt kompakte QFN-Gehäuse eingesetzt. QFN ist die Abkürzung des englischen Begriffs Quad Flat No Leads Package. In diesem Zusammenhang verweist diese Schrift auf die Wikipedia-Seite https://de.wikipedia.org/wiki/Quad_Flat No_Leads_Package.
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Einzelne QFN-Gehäuse und deren Größen sind unter der Norm JEDEC MO-220 spezifiziert.
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Diese IC-Gehäuse sind auch unter dem Begriff Micro Lead Frame (MLF) bekannt. Es handelt sich um eine in der Mikroelektronik gebräuchliche Chipgehäusebauform für integrierte Schaltungen. Die Bezeichnung umfasst unterschiedliche Gehäusegrößen mit unterschiedlicher Anschlussanzahl. Für die SMD-Montage.
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Lt. Wikipedia ragen als wesentliches Merkmal und im Gegensatz zu den ähnlichen Quad Flat Package (QFP) die elektrischen Anschlüsse (Pins) nicht seitlich über die Abmessungen der Kunststoffummantelung hinaus, sondern sind in Form von nicht verzinnten Kupferanschlüssen plan in die Unterseite des Gehäuses integriert. Dadurch kann der benötigte Platz auf der Leiterplatte reduziert und eine höhere Packungsdichte erreicht werden. Außerdem vereinfacht sich der Herstellungsprozess signifikant.
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1 dieser Schrift zeigt ein solches Gehäuse aus dem Stand der Technik, wobei ein Teil der Vergussmasse MC zum besseren Verständnis und zur Sichtbarmachung des Inneren des Gehäuses nicht bzw. vollkommen transparent gezeichnet ist. Hierdurch ist die Die-Insel DI sichtbar, auf der das Die der mikrointegrierten Schaltung IC montiert ist. Bevorzugt ist das Die der mikrointegrierten Schaltung IC auf die Die-Insel Di aufgeklebt. Die Kontakte der mikrointegrierten Schaltung IC sind mit Bonddrähten BDW mit den zugehörigen Anschlussstegen (A1 bis A13 und A22 bis A24) verbunden. Ein sogenannter Tie-Bar hält während der IC-Montage die Die-Insel DI mittels eines umlaufenden Metallrahmens. Dieser Umlaufende Metallrahmen fixiert während der Montage auch die Anschlussstege (A1 bis A13 und A22 bis A24). Die mechanische Verbindung zwischen den Anschlussstegen (A1 bis A13 und A22 bis A24) und den vier Tie-Bars (TB) einerseits und diesem Metallrahmen andererseits wird nach dem Verguss mit der Vergussmasse MC mittels einer Säge durchtrennt. Bei diesem Sägeprozess entstehen die senkrechten Außenflächen. An diesen Außenflächen tritt dann das Material des Leadframes offen zu Tage. in der Regel ist es Kupfer. Dieses Kupfer ist der Oxidation schutzlos ausgesetzt. Daher leidet die Lötbarkeit bei Lagerung der Bauteile an Luft durch Oxidation.
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Aus dem Stand der Technik ist hierzu die Verbesserung der 2 bekannt. 2a zeigt ein solches Gehäuse mit 20 Anschlussstegen (A1 bis A20) von der Unterseite, die nach der Montage zur Platinenoberfläche im der späteren gedruckten Schaltung zeigt. Zur Verbesserung der Lötbarkeit sind die unteren Außenkanten mit einer umlaufenden Einfräsung EF versehen. Diese Kerbe der Einfräsung EF erlaubt es, die Innenseite der Kerbe vor dem Trennen durch das besagte Sägen beispielsweise galvanisch mit einer Metallschicht, beispielsweise mit einer Zinnschicht, zu versehen, die als Oxidationssperre für die Kupferoxidation dient und gleichzeitig die Lötbarkeit verbessert.
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In dem Beispiel der 2 weist das beispielhafte Gehäuse vier Eckpins auf, deren einziger Zweck die Verbesserung der mechanischen Stabilität auf der gedruckten Schaltung ist. Diese kleinen Gehäuse weisen nämlich das Problem auf, dass die verschiedenen Materialilien sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Daher kommt es bei Temperaturwechseln zu mechanischen Verspannungen, die zu Delaminationen und Brüchen führen können, was Korrosion und Ausfälle ermöglicht.
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2b zeigt einen Eckpin C1 in einer Detailansicht als herausgehobenes Detail. Die Einfräsung EF ist eingezeichnet.
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Die 3 entspricht der 1 mit dem Unterschied, dass nun ein Gehäuse mit den Modifikationen der 2 dargestellt ist. Das Gehäuse weist eine umlaufende Einfräsung EF auf, die das sogenannte Side-Wall-Plating, also die Beschichtung mit einer gut lötbaren Metallisierung in der Einfräsung EF während der Gehäuseherstellung erlaubt.
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Das Gehäuse der 2 und das Gehäuse der 3 weisen leider das Problem auf, dass die thermomechanischen Belastungskräfte genau an den Punkten der Eckpins C1 bis C4 besonders groß sind. Zwar können die Eckpins den mechanischen Stress sehr gut über die Lötverbindungen an die gedruckte Schaltung, auf der das Gehäuse später montiert ist, ableiten. Es entstehen aber erhebliche Scheerspannungen zwischen der Oberen Oberfläche des jeweiligen Eckpins der Eckpins C1 bis C4 und der Vergussmasse MC. Die Vergussmasse MC haftet in dem Beispiel der 2 auf dem Eckpin nur durch die Rauigkeit der Oberfläche des Metalls des betreffenden Eckpins und durch Adhäsion.
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Dies spiegelt sich in Ausfällen in Temperatur-Zyklus-Tests und Temperaturschocktests, die diese Kräfte zu Testzwecken maximieren.
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Aus der
US 2021 / 0 151 854 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur für ein verpacktes elektronisches Bauelement bekannt, das das Bereitstellen eines leitenden Leadframes umfasst. Der Leadframe der
US 2021 / 0 151 854 A1 umfasst ein Die-Pad mit einer ersten Hauptoberfläche und einer zweiten Hauptoberfläche, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, und eine Vielzahl von leitenden Leitungen. Das Verfahren der
US 2021 / 0 151 854 A1 umfasst das Koppeln einer elektronischen Vorrichtung mit der Vielzahl von leitenden Leitungen und das Bereitstellen einer Antennenstruktur, die eine leitende Säulenstruktur und eine langgestreckte leitende Balkenstruktur aufweist. Das Verfahren der
US 2021 / 0 151 854 A1 beinhaltet das Bereitstellen eines Gehäusekörpers, der die elektronische Vorrichtung, zumindest Teile jeder leitenden Leitung und zumindest Teile des Die-Pads einkapselt. In einem Beispiel der
US 2021 / 0 151 854 A1 erstreckt sich die leitende Säulenstruktur von der ersten Oberfläche des Gehäusekörpers zur zweiten Oberfläche des Gehäusekörpers erstrecken. Die langgestreckte leitende Balkenstruktur der
US 2021 / 0 151 854 A1 ist angrenzend an die erste Oberfläche des Gehäusekörpers angeordnet und ist elektrisch mit der leitenden Säulenstruktur verbunden. Mindestens ein Teil der langgestreckten leitenden Balkenstruktur der
US 2021 / 0 151 854 A1 ist außerhalb des Gehäusekörpers freigelegt.
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Aufgabe
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Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist. Dabei steht eine verbesserte Lebensdauer in Temperaturschock- und Temperaturzyklustests im Vordergrund.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst.
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Lösung der Aufgabe
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Der folgende Text erläutert den Lösungsvorschlag anhand der Zeichnungen.
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4 zeigt ein QFN-Gehäuse mit 20 Anschlüssen entsprechend dem hier vorgestellten Vorschlag.
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4a zeigt das QFN-Gehäuse in der Aufsicht.
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4b zeigt das vorschlagsgemäße Gehäuse von der Unterseite, also der Lötseite mit der das Gehäuse später auf der gedruckten Schaltung festgelötet ist.
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4 c zeigt das vorschlaggemäße Detail der 4b, das die Lebensdauer massiv erhöht, vergrößert zur besseren Klarheit.
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4d zeigt das Gehäuse von der Seite.
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4 e zeigt das vorschlaggemäße Detail der 4d, das die Lebensdauer massiv erhöht, vergrößert zur besseren Klarheit.
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Wie bei den 2 und 3 weist das Gehäuse eine umlaufende Einfräsung EF auf, sodass bevorzugt die Metallflächen der Anschluss-Pins innerhalb des jeweiligen Bereichs der Einfräsung EF an einem solchen Anschlusspin mit einer die Lötfähigkeit verbessernden Metallbeschichtung versehen sind. Diese Schrift bezeichnete eine solche Schicht im Folgenden als Side-Wall-Plating. Auch diese Gehäusekonstruktion weist Eckpins auf. Statt der monolithischen Eckpins der 2 und 3 sind die Eckpins der 4 aber eingekerbt. Hierdurch spaltet sich jeder Eckpin in zwei Teileckpins auf.
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Der erste Eckpin C1 spaltet sich in den ersten rechten Teileckpin E1a und den ersten linken Teileckpin E1b auf. Eine erste Verbindungsfläche VF1 verbindet den ersten rechten Teileckpin E1a und den ersten linken Teileckpin E1b elektrisch und mechanisch. Bevorzugt entspricht die Tiefe der Teileckpins t der Tiefe der Anschlusspins d.
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Hierdurch bildet sich beim Vergießen mit der Vergussmasse (dem Mold-Compound) MC ein senkrechter erster Balken B1 zwischen dem ersten rechten Teileckpin E1a und dem ersten linken Teileckpin E1b. Dieser erste Balken B1 nimmt einen großen Teil der Zugspannungen auf, die bei einem Schocktest entstehen und verhindert so eine Delamination (Ablösung) zwischen der Oberfläche der Vergussmasse MC einerseits und der Oberfläche der ersten Verbindungsfläche VF1 und den Oberflächen des ersten rechten Teileckpins E1a und des ersten linken Teileckpins E1b.
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Es hat sich als Vorteilhaft erwiesen durch eine erste Nase N1, die Kerbe zwischen dem ersten rechten Teileckpin E1a und dem ersten linken Teileckpin E1b so zu modifizieren, dass Drehmomente, die im ersten Balken B1 entstehen aufgenommen werden können, sodass der erste Balken B1 auch nicht mehr seitwärts wegrutschen kann. Die erste Nase teilt die Kerbe zwischen dem ersten rechten Teileckpin E1a und dem ersten linken Teileckpin E1b in eine erste rechte Teilkerbe EK1a und eine zweite Teilkerbe EK1b auf.
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5 zeigt den Vorschlag der 4 von der Unterseite.
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6 entspricht den 1 und 3, wobei die 6 die vorschlagsgemäßen Modifikationen aufweist.
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7 zeigt nochmals dir Konstruktion der vorschlagsgemäßen Modifikation
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8 zeigt eine Skizze eines vorschlagsgemäßen Gehäuses nach einer Lötung. Im Gegensatz zum Stand der Technik bilden sich normale Lötungen an den Teileckpins aus.
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An dem ersten rechten Teileckpin E1a bildet sich eine erste rechte Lötverbindung L1a aus.
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An dem ersten linken Teileckpin E1b bildet sich eine erste linke Lötverbindung L1b aus.
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An dem zweiten rechten Teileckpin E2a bildet sich eine zweite rechte Lötverbindung L2a aus.
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An dem zweiten linken Teileckpin E2b bildet sich eine zweite linke Lötverbindung L2b aus.
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An dem dritten rechten Teileckpin E3a bildet sich eine dritte rechte Lötverbindung L3a aus.
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An dem dritten linken Teileckpin E3b bildet sich eine dritte linke Lötverbindung L3b aus.
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An dem vierten rechten Teileckpin E4a bildet sich eine vierte rechte Lötverbindung L4a aus.
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An dem vierten linken Teileckpin E4b bildet sich eine vierte linke Lötverbindung L4b aus.
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Im Gegensatz zu den Lötverbindungen die sich beim Verbau der eines Gehäuses entsprechend der 2 oder 3 ergeben, sind die vorgeschlagenen Lötverbindungen L1a bis L4b sehr gut durch vollautomatische bildauswertende Inspektionssysteme überprüfbar.
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9 zeigt experimentelle Ergebnisse eines Temperaturschocktests mit einer Platine, wie sie 8 zeigt.
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Mit 1 sind die Ergebnisse mit einem Gehäuse entsprechend 1 bezeichnet (durchgezogene Linie)
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Mit 2&3 sind die Ergebnisse mit einem Gehäuse entsprechend den 2 und 3 bezeichnet (gepunktete Linie)
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Mit 4-8 sind die Ergebnisse mit einem vorschlagsgemäßen Gehäuse entsprechend den 4 bis 8 bezeichnet (gepunktete Linie)
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SR bezeichnet die Überlebensrate in %. NTC bezeichnet die Anzahl an Temperaturschockzyklen.
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Somit beschreibt die Schrift ein QFN-Gehäuse, wobei das Gehäuse eine Vergussmasse MC umfasst. Im einfachsten Fall bringt bereits die Ausführung von zwei Eckpins in der vorgeschlagenen Weise einen Vorteil. In dem Fall weist das Gehäuse einen ersten rechten Teileckpin E1a und einen ersten linken Teileckpin E1b sowie einen ersten Balken B1 zwischen dem ersten rechten Teileckpin E1a und dem ersten linken Teileckpin E1b auf. Des Weiteren weist das Gehäuse eine erste Verbindungsfläche VF1 auf, die den ersten rechten Teileckpin E1a und den ersten linken Teileckpin E1b elektrisch und mechanisch in einer L-Form verbindet. Der erste Balken B1 umfasst bevorzugt Vergussmasse MC. Bevorzugt ist der erste Balken B1 so wie die anderen Balken (B2 bis B4) aus Vergussmasse MC gefertigt. Das Gehäuse weist bevorzugt an der gegenüberliegenden Gehäuseecke in diesem Fall einen dritten rechten Teileckpin E3a und einen dritten linken Teileckpin E3b sowie einen dritten Balken B3 zwischen dem dritten rechten Teileckpin E3a und dem dritten linken Teileckpin E3b auf. Eine dritte Verbindungsfläche VF3, verbindet in analoger Weise den dritten rechten Teileckpin E3a und den dritten linken Teileckpin E3b mechanisch und elektrisch. Der dritte Balken B3 umfasst bevorzugt wieder Vergussmasse MC.
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In einer Fortbildung umfasst das vorschlagsgemäße QFN-Gehäuse einen zweiten rechten Teileckpin E2a und einen zweiten linken Teileckpin E2b sowie einen zweiten Balken B2 zwischen dem zweiten rechten Teileckpin E2a und dem zweiten linken Teileckpin E2b. Einer zweite Verbindungsfläche VF2 verbindet den zweiten rechten Teileckpin E2a und den zweiten linken Teileckpin E2b mechanisch und elektrisch. Der zweiten Balken B2 umfasst ebenfalls Vergussmasse MC. Darüber hinaus umfasst in dieser Fortbildung des Vorschlags das Gehäuse einen vierten rechten Teileckpin E4a und einen vierten linken Teileckpin E4b sowie einen vierten Balken B4 zwischen dem vierten rechten Teileckpin E4a und dem vierten linken Teileckpin E4b. Einer vierte Verbindungsfläche VF4 verbindet den vierten rechten Teileckpin E4a und den vierten linken Teileckpin E4b mechanisch und elektrisch. Der vierten Balken B4 umfasst bevorzugt Vergussmasse MC.
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In einer weiteren Fortbildung des vorschlagsgemäßen Gehäuses teilt eine erste Nase N1 die Kerbe zwischen dem ersten rechten Teileckpin E1a und dem ersten linken Teileckpin E1b in eine erste rechte Teilkerbe EK1a und eine erste linke Teilkerbe EK1b. Eine dritte Nase N3 teilt in dieser weiteren Fortbildung die Kerbe zwischen dem dritten rechten Teileckpin E3a und dem dritten linken Teileckpin E3b in eine dritte rechte Teilkerbe EK3a und eine dritte linke Teilkerbe EK3b.
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In einer zusätzlichen Fortbildung des vorschlagsgemäßen Gehäuses teilt eine zweite Nase N2 die Kerbe zwischen dem zweiten rechten Teileckpin E2a und dem zweiten linken Teileckpin E2b in eine zweite rechte Teilkerbe EK2a und eine zweite linke Teilkerbe EK2b. In dieser zusätzlichen Fortbildung des vorschlagsgemäßen Gehäuses teilt eine vierte Nase N4 die Kerbe zwischen dem vierten rechten Teileckpin E4a und dem vierten linken Teileckpin E4b in eine vierte rechte Teilkerbe EK4a und eine vierte linke Teilkerbe EK4b.
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Bevorzugt weist ein solches, vorschlagsgemäßes Gehäuse auf der Lötseite, d.h. der Unterseite, eine umlaufende Einfräsung EF auf.
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Die Konstruktion der Teileckpins erzwingt eine Ausbildung der Lötverbindungen der Teileckpins im Lötprozess in einer ähnlichen Form wie die Lötverbindungen der Anschlusspins. Dies erleichtert die vollautomatische Inspektion mit bildverarbeitenden Prüfvorrichtungen. Hieraus ergibt sich ein vorschlagsgemäßes Verfahren zum optischen Testen einer Lötverbindung eines Eckpins mit den Schritten
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- • Auflöten eines QFN-Gehäuses auf eine gedruckte Schaltung, wobei Lötverbindungen entstehen und wobei die jeweiligen Lötverbindungen der jeweiligen Teileckpins eines Eckpins die voreinander getrennt sind und die gleiche Orientierung haben, wie die jeweils direkt benachbarten Lötverbindungen der jeweils direkt benachbarten Anschluss-Pins;
- • Optisches Inspizieren der Lötverbindungen der Teileckpins.
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Vorteil
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Ein solches Gehäuse erweist sich also als wesentlich robuster gegen Temperaturschocktests als Gehäuse aus dem Stand der Technik. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt. Vielmehr ergibt sich zusätzlich noch eine bessere optische Inspizierbarkeit in vollautomatischen Bildauswertevorrichtungen.
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Bezugszeichenliste
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- A1
- erster Anschluss-Pin;
- A2
- zweiter Anschluss-Pin;
- A3
- dritter Anschluss-Pin;
- A4
- vierter Anschluss-Pin;
- A5
- fünfter Anschluss-Pin;
- A6
- sechster Anschluss-Pin;
- A7
- siebter Anschluss-Pin;
- A8
- achter Anschluss-Pin;
- A9
- neunter Anschluss-Pin;
- A10
- zehnter Anschluss-Pin;
- A11
- elfter Anschluss-Pin;
- A12
- zwölfter Anschluss-Pin;
- A13
- dreizehnter Anschluss-Pin;
- A14
- vierzehnter Anschluss-Pin;
- A15
- fünfzehnter Anschluss-Pin;
- A16
- sechzehnter Anschluss-Pin;
- A17
- siebzehnter Anschluss-Pin;
- A18
- achtzehnter Anschluss-Pin;
- A19
- neunzehnter Anschluss-Pin;
- A20
- zwanzigster Anschluss-Pin;
- A21
- einundzwanzigster Anschluss-Pin;
- A22
- zweiundzwanzigster Anschluss-Pin;
- A23
- dreiundzwanzigster Anschluss-Pin;
- A24
- vierundzwanzigster Anschluss-Pin;
- B1
- erster Balken;
- B2
- zweiter Balken;
- B3
- dritter Balken;
- B4
- vierter Balken;
- C1
- erster Eckpin an einem Gehäuse aus dem Stand der Technik;
- C2
- zweiter Eckpin an einem Gehäuse aus dem Stand der Technik;
- C3
- dritter Eckpin an einem Gehäuse aus dem Stand der Technik;
- C4
- vierter Eckpin an einem Gehäuse aus dem Stand der Technik;
- d
- Tiefe der Anschluss-Pins;
- DI
- Die-Insel;
- EF
- Einfräsung;
- E1a
- erster rechter Teileckpin;
- E1b
- erster linker Teileckpin;
- E2a
- zweiter rechter Teileckpin;
- E2b
- zweiter linker Teileckpin;
- E3a
- dritter rechter Teileckpin;
- E3b
- dritter linker Teileckpin;
- E4a
- vierter rechter Teileckpin;
- E4b
- vierter linker Teileckpin;
- EK1a
- erste rechte Teilkerbe;
- EK1b
- erste linke Teilkerbe;
- EK2a
- zweite rechte Teilkerbe;
- EK2b
- zweite linke Teilkerbe;
- EK3a
- dritte rechte Teilkerbe;
- EK3b
- dritte linke Teilkerbe;
- EK4a
- vierte rechte Teilkerbe;
- EK5b
- vierte linke Teilkerbe;
- EPD
- Exposed-Die-Pad;
- IC
- mikrointegrierte Schaltung;
- L1a
- erste rechte Lötverbindung;
- L1b
- erste linke Lötverbindung;
- L2a
- zweite rechte Lötverbindung;
- L2b
- zweite linke Lötverbindung;
- L3a
- dritte rechte Lötverbindung;
- L3b
- dritte linke Lötverbindung;
- L4a
- vierte rechte Lötverbindung;
- L4b
- vierte linke Lötverbindung;
- MC
- Vergussmasse;
- N1
- erste Nase;
- N2
- zweite Nase;
- N3
- dritte Nase;
- N4
- vierte Nase;
- NTC
- der Temperaturschockzyklen;
- SdT
- der Technik;
- SR
- Überlebensrate;
- t
- der Teileckpins;
- VF1
- Verbindungsfläche;
- VF2
- Verbindungsfläche;
- VF3
- Verbindungsfläche;
- VF4
- Verbindungsfläche;
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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