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Die
Erfindung betrifft ein mikroelektronisches Bauelement mit einem
Zuleitungsrahmen und einem integrierten Schaltkreis, wobei der Zuleitungsrahmen einen
Inselbereich zur Aufnahme des integrierten Schaltkreises aufweist.
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Oberflächenmontierte
elektronische Bauelemente, auch SMD-Bauelemente genannt, werden üblicherweise
in ein Gehäuse
aus einer Kunststoffpreßmasse
eingebettet, aus dem die elektronischen Anschlüsse herausgeführt werden.
Je nach Anzahl der benötigten
Anschlüsse
entsprechen diese Gehäuse
einer Norm mit festgelegten Abmessungen, um so eine standardisierte
Herstellung und automatische Bestückung von Platinen zu ermöglichen.
Die Abmessungen dieser Gehäuse
sind in deutschen und internationalen Normen festgelegt. Die Zuleitungsrahmen
(Leadframes), die zur exakt positionierten Einbettung der elektrischen
Anschlüsse
verwendet werden, können
in ihrer Mitte Inseln aufweisen, auf denen die integrierten Schaltkreise
befestigt werden. Zuleitungsrahmen und integrierter Schaltkreis werden
dann zusammen in dem Gehäuse
aus Preßmasse
eingepreßt.
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Bei
solchen Bauelementen treten zwei miteinander verknüpfte Probleme
auf. Zum einen steigt mit zunehmender Integrationsdichte der integrierten Schaltungen
die Verlustleistung pro Bauelement (oder Chip), und die Abfuhr der
Verlustwärme
der integrierten Schaltkreise in den Plastikgehäusen wird zu einem technischen
Problem. Bei unzureichender Wärmeabfuhr
kann es zu unzulässig
hohen Chiptemperaturen kommen, durch die die Zuverlässigkeit
und Lebensdauer der integrierten Schaltung verringert werden oder
das Bauteil sogar zerstört
wird.
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Zum
anderen muß die
durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten α von Chip-
und Inselmaterial verursachte Gehäuseverbiegung in vertretbaren
Grenzen gehalten werden. Das ist besonders bei dünnen Gehäusen mit großen Chips
ein Problem. Chip und Insel werden bei hoher Temperatur zusammengefügt (Klebung
180–200°C, Lötung > 200°C, Legierung > 300° C). Auch
die Umhüllung
dieses Verbundes mit Kunststoff findet bei ca. 180°C statt.
Kühlt das
Bauteil auf Raumtemperatur oder noch tiefer ab, zieht sich das Inselmaterial
stärker
zusammen als der Halbleiterchip, so daß sich der Chip/Inselverbund
aufwölbt.
Dieser Bimaterialeffekt wird zwar durch den umgebenden Kunststoff
des Gehäuses
behindert, aber bei dünnen
Gehäusen
viel weniger als bei dicken.
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Üblich und
wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeiten λ von λ = 150 bis
380 W/mK sehr günstig sind
Cu-Legierungen, deren thermische Dehnung α = 17 ppm/K allerdings relativ
hoch im Vergleich zu Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium
mit α =
3 ppm/K ist. In dünnen
Gehäusen
muß deshalb bei
Anschlußrahmen
mit Insel nahezu zwangsläufig zu
Materialien mit geringerer thermischer Dehnung wie NiFe-Legierungen
mit α < 10 ppm/K übergangen werden,
deren Wärmeleitung
allerdings um eine Größenordnung
schlechter ist als die der Cu-Legierungen, z.B. λ = 15 W/mK beim am häufigsten
benutzten NiFe42 (Alloy42).
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Zusammenfassend
erfordert also die Zunahme der Verlustleistung aufgrund zunehmender
Chipgröße und Integrationsdichte
eine verbesserte Wärmeabfuhr,
während
gleichzeitig der Trend zu raum- und gewichtssparenden dünnen Gehäusen aufgrund des
Bimaterial effektes des Chip/Inselverbundes genau das Gegenteil bewirkt,
weil schlecht wärmeleitende
Materialien für
Anschlußrahmen
und Insel verwendet werden müssen,
um die Gehäuseverbiegung zu
verringern.
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Anzustreben
ist eine möglichst
gute Wärmeleitung
entlang der Pfade, über
die die Verlustwärme vom
integrierten Schaltkreis zu einer Leiterplatte und von dort an die
Umgebung abgeführt
wird. Der bei Standardgehäusen
wichtigste Pfad führt
vom integrierten Schaltkreis über
einen Klebstoff, mit dem der integrierte Schaltkreis auf der Leadframe-Insel
befestigt ist, in die metallische Leadframe-Insel und von deren
Rändern
durch einen Preßmassenbereich über die
metallischen Anschlüsse
zur Leiterplatte. Die Preßmasse
ist elektrisch und auch thermisch isolierend. Bekannte Materialien
für den
Zuleitungsrahmen sind Kupfer- und Nickeleisenlegierungen.
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Wegen
ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit
wären Kupferlegierungen
für eine
gute Wärmeabfuhr am
besten geeignet. Allerdings zeigt der Verbund integrierter Schaltkreis/Insel
bei Kupferinseln aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
einen Bimaterialeffekt, der dünne
Gehäuse
zu stark verbiegt. Im Bereich der technologisch besonders wichtigen
SMT-Montage (Surface Mount Technology) werden jedoch immer dünnere Gehäuse mit
möglichst
kleinem "standoff" (Abstand der Gehäuseunterseite
zur Leiterplatte) benötigt.
Hinreichend dünne
Gehäuse
müssen
daher nahezu zwangsläufig
mit Nickeleisen-Leadframes aufgebaut werden, wodurch die Wärmeabfuhr
erheblich verschlechtert wird.
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Man
hat bereits versucht, bei Standardgehäusen während des Umpreßvorgangs
zur Gehäuseherstellung
zusätzliche
Wärmeverteiler
lose einzulegen. Dieser Fertigungsprozeß ist zwar preisgünstig, jedoch
unzuverlässig.
Die Wärmeabfuhr
von der Insel in den Wärmeverteiler
hängt davon
ab, wie gut und re produzierbar der Kontakt hergestellt wurde. Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, einen zusätzlichen
Wärmeverteiler
vorher auf die Inselrückseite aufzukleben
oder aufzulöten.
Dieser Fertigungsprozeß ist
jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Aus
der JP 63-50049 A ist bekannt, zur Vermeidung einer Verwölbung eines
Halbleiterbauteils den Halbleiterchip auf einer Chipinsel anzuordnen, die
lediglich durch schmale Verbindungsabschnitte mit den übrigen Teilen
des Substrats verbunden ist.
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Eine ähnliche
Anordnung ist auch aus der
EP 0
730 295 A2 be- kannt. Dort wird eine Halbleitervorrichtung
mit einem auf einem Systemträger
angeordneten Halbleiterchip beschrieben, bei der die Chipinsel eine
großflächige Öffnung aufweist,
die an wenigstens zwei Längsseiten
des Halbleiterchips breiter als der Halbleiterchip ist und somit
eine gute Wärmeabfuhr
und eine geringe Verwölbung
des Gehäuses ermöglicht.
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Die
JP 2-264457 A offenbart ein Halbleiterbauteil, bei dem ein Halbleiterchip
so auf einem Zuleitungsrahmen angeordnet ist wobei der Zuleitungsrahmen
auf der dem Halbleiterchip gegenüber
liegenden Seite eine Einbuchtung aufweist, die bei der Montage mit
einem PCB-Substrat in Kontakt gebracht wird und somit die Wärmeabfuhr
ermöglicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zuleitungsrahmen der
eingangs genannten Art zu schaffen, welcher die Wärmeabfuhr
optimiert und gleichzeitig auf konstruktiv einfache Weise die Gehäusedurchbiegung
minimiert.
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Zur
Lösung
der Aufgabe weist der zentrale Inselbereich einen Inselrand und
einen gegenüber dem
Inselrand abgesenkten Innenteil auf. Auf dem Inselrand ist ein integrierter
Schaltkreis angeordnet und der Inselrand und der abgesenkte Innenteil
sind wärmeleitend
miteinander verbunden, wobei der abgesenkte Innenteil einen Wärmeverteiler
zum Zweck der Wärmeabfuhr
bildet. Der Zuleitungsrahmen weist versetzt zueinander ausgebildete
parallele Ebenen auf, wobei die oberste Ebene von Anschlußfingern, die
mittlere Ebene vom Inselrand und die untere Ebene vom abgesenkten
Innenteil gebildet wird. Der Zuleitungsrahmen besteht aus einer
Kupferlegierung. Im abgesenkten Innenteil des Inselbereichs sind Schlitze
vorgesehen und der abgesenkte Innenteil ist gegenüber dem
Zuleitungsrahmen gedreht und der integrierte Schaltkreis nur in
Eckbereichen mit dem Inselrand in Kontakt.
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Durch
diese Maßnahmen
wird ein Zuleitungsrahmen geschaffen, welcher für dünne SMT-Bauformen geeignet
ist und nur kleine Abweichungen zu einem herkömmlichen Zuleitungsrahmen aufweist,
so dass er einfach hergestellt werden kann.
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Der
Inselrand und der abgesenkte Innenteil der Insel sind bevorzugt
durch Stege miteinander verbunden, die aus dem gleichen Material
wie Inselrand und abgesenkter Inntenteil bestehen und eine Wärmeleitung
ermöglichen.
In einer günstigen
Ausführungsform
sind acht Stege, in einer anderen zwölf Stege vorgesehen.
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In
einer speziellen Ausführungsform
ist der abgesenkte Innenteil der Insel, der als innerer Wärmeleiter
dient, dicht am Grund des Gehäuses
positioniert, so dass er gerade noch von Pressmasse bedeckt ist.
Diese Ausführungsform
kann man als "full pack" bezeichnen, der
sich äußerlich
nicht von einem Standardgehäuse
unterscheidet. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform
ist der abgesenkte Innenteil so weit abgesenkt, daß er offen
am Grund des Gehäuses
positioniert ist und dort eine direkte Kontaktfläche zu Kühlflächen oder 5 Kühlkörpern bildet
und gegebenenfalls zum Auflöten
oder Aufkleben auf die Leiterplatte frei zugänglich ist (in englischer Literatur
als "Heat Slug" bezeichnet).
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Der
gesamte Zuleitungsrahmen ist günstigerweise
einstückig
10 ausgebildet, wobei die Trennung von Inselrand und Innenteil durch
Stanz- und Prägetechniken
erzeugt wird. Anzahl, Größe und Anordnung
der Inselrand und Innenteil verbindenden Stege werden zweckmäßig so gewählt, daß einerseits
eine hinreichend stabile Verbindung und ein ausreichender Wärmetransfer
zwischen beiden Teilen gewährleistet
ist und andererseits bei der Gehäuseherstellung
der Preßmassenfluß in gewünschter Weise
stattfinden kann. Es ist sogar möglich,
durch Ausgestaltung und Anordnung der Stege den Preßmassenfluß gezielt
zu steuern.
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Um
hinreichend Wärme
in den Innenteil abzuführen,
kann die Gesamtbreite aller Stege beispielsweise 50 % des inneren
Umfangs des Inselrandes betragen. Die maximale Gesamtbreite der
Stegverbindungen wird in der Regel davon bestimmt, ob noch ein gleichmäßiger Preßmassenfluß im Gehäusehohlraum
möglich
ist.
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Weiterhin
ist es vorgesehen, den Zuleitungsrahmen aus einer Kupferlegierung
auszubilden, da Kupferlegierungen besonders wärmeleitfähig sind und das Problem der
Gehäuseverbiegung
bei der erfindungsgemäßen Ausbildung
des Zuleitungsrahmens nur eine untergeordnete Rolle spielt, da nur
in einem kleinen Bereich ein Kontakt zwischen Inselrand und integriertem
Schaltkreis vorhanden ist. Der schmale Überlappungsbereich von integriertem Schaltkreis
und Inselrand kann günstigerweise
5 durch ausgestanzte Löcher
oder Kerben im Inselrand noch nach giebiger gestaltet werden, so
daß der
Bimaterialeffekt noch weiter reduziert wird. Auch der abgesenkte
Innenteil kann durch Trennungen und Schlitze flexibler gestaltet
werden, so daß auch
im Innenteil die thermische Längenausdehnung
nur zu geringen Effekten führt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist der abgesenkte, gegenüber der
Auflagefläche
für den
integrierten Schaltkreis gedrehte. Innenteil quadratisch. Insbesondere
ist es dabei vorteilhaft, den abgesenkten Innenteil gegenüber dem
Zuleitungsrahmen und gegenüber
dem integrierten Schaltkreis um 45° gedreht oder winkelversetzt
anzuordnen. Die versetzte Anordnung erlaubt es, ein und denselben
Zuleitungsrahmen für
Halbleiterchips unterschiedlicher Größe zu verwenden. Die Ecken
des integrierten Schaltkreises werden dabei auf die stehengebliebenen
Eckbereiche des Inselrandes aufgesetzt. Die Abmessungen werden dabei
günstigerweise
so gewählt,
daß der
integrierte Schaltkreis mit einer möglichst kleinen Auflagefläche auf
den Eckbereichen des Inselrandes aufliegt. Dadurch wird der Bimaterialeffekt
bei der Gesamtanordnung weiter verringert.
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In
einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Inselrand einen
Außenrand
auf, der geometrisch so ausgebildet ist, daß er zu Anschlußfingern des
Zuleitungsrahmen möglichst
nahe benachbart ist. Der Außenrand
des Inselringes folgt dabei entsprechend der notwendigen Stanzlücke von
ca. 0,2 mm den Spitzen der gegenüberliegenden
Anschlußfinger.
Insbesondere bei PQFP-Bauformen (plastic quad flat package) ist
dabei eine achteckige Außenkontur
des Inselrands günstig.
Diese Anordnung verbessert den Wärmeabfluß in die
Anschlußfinger.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Beispielen und Asführungsbeispielen weiter erläutert. Im
einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in
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1 eine
Draufsicht auf einen Zuleitungsrahmen;
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2 einen
Querschnitt durch ein elektronisches Bauelement mit dem Zuleitungsrahmen
gemäß 1;
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3 einen
Querschnitt durch ein weiteres elektronischen Bauelement und
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4 eine
Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements.
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In 1 ist
eine Draufsicht auf einen Zuleitungsrahmen dargestellt, der in einem
elektronischen Bauelement verwendbar ist. Der Inselbereich ist unterteilt
in einen Inselrand 1 und einen Innenteil 2, der gegenüber dem
Inselrand 1 abgesenkt ist. Über insgesamt zwölf Stegverbindungen 3,
die entlang der Seitenflächen
des Innenteils angeordnet sind, ist der Innenteil 2 mit
dem Inselrand 1 verbunden. Die Stegverbindungen 3 bewirken
zum einen eine mechanische Verbindung und zum anderen eine thermische Verbindung
zwischen Inselrand 1 und Innenteil 2. Ein integrierter
Schaltkreis 6, auch Chip genannt, wird zum Beispiel durch
eine Klebung auf dem Inselrand 1 fixiert und ist thermisch
mit diesem gekoppelt. Die Wärme
wird über
die Stegverbindungen 3 zum Innenteil 2 geführt, das
als Wärmeleiter
zu einer nicht gezeigten Wärmesenke
(Leiterplatte, Kühlkörper) wirkt. Dadurch
wird eine bessere Wärmeableitung
möglich und
ein elektronisches Bauelement mit einem niedrigerem Wärmewiderstand
erzeugt. Gleichzeitig neigt dieses Gehäuse deutlich weniger zu Verbiegungen, da
nur in einem kleineren Bereich ein Bimaterialeffekt zwischen Zuleitungsrahmen
und integriertem Schaltkreis 6 zum Tragen kommt. Der Inselbereich
ist mit vier an den Ecken befindlichen Inselaufhängungen 5 im Zuleitungsrahmen
gehalten. Weiterhin sind Anschlußfinger 4 vorgesehen,
die bis nahe zur Insel herangeführt
sind und zur Kontaktierung des integrierten Schalkreises dienen,
z.B. durch Drahtbonden.
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In
den 2 und 3 sind Querschnitte durch zwei
verschiedene Ausführungsformen
eines elektronischen Bauelements dargestellt. Dabei ist ein integrierter
Schaltkreis 6 in Preßmasse 7 eingebettet. Weiterhin
wird ein Zuleitungsrahmen gemäß 1 verwendet,
wobei der integrierte Schaltkreis 6 auf dem gesamten Innenumfang
des Inselrandes 1 aufliegt. Die Anschlußfinger 4 bilden die
elektrischen Anschlüsse
zur Kontaktierung des integrierten Schaltkreises 6 mit
Bonddrähten
(nicht gezeigt). Die Anschlußfinger 4 liegen
bezüglich
des Inselrandes 1 höher,
d.h. etwa auf halber Höhe
des elektronischen Bauelements 6. Über die Stegverbindungen 3 wird der
Innenteil 2 des Inselbereichs als Wärmeleiter unterhalb geführt.
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In
der Ausführungsform
gemäß 2 liegt der
Innenteil 2 an der Unterseite des elektronischen Bauelements
frei. Er kann bündig
abschließen
oder gegebenenfalls über
die Unterseite überstehen.
Er kann dort auf eine gedruckte Leiterplatte (nicht dargestellt)
aufgelötet
oder aufgeklebt werden oder mit Kühlflächen oder Kühlkörpern versehen werden.
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Der
Zuleitungsrahmen weist drei versetzt zueinander ausgebildete parallele
Ebenen auf, wobei die oberste Ebene von den Anschlußfingern 4,
die mittlere Ebene vom Inselrand 1 und die untere Ebene vom
abgesenkten Innenteil 2 gebildet wird.
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In
der Ausführungsform
gemäß 3 ist
der Innenteil 2 der Insel nicht ganz bis an den Boden geführt und
wird von einer dünnen
Preßmassenschicht 8 bedeckt,
die somit unterhalb des als Wärmeleiter und
Wärmeverteiler
wirkenden Innenteils 2 liegt.
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In 4 ist
in einer Draufsicht eine Ausführungsform
gemäß der Erfindung
dargestellt. Dabei sind die Preßmasse 7 und
der integrierte Schaltkreis 6 "durchsichtig" und nur durch die Außenabmessungen
dargestellt. Dadurch wird die Lage des Inselrandes 1 und
des Innenteils 2 im Verhältnis zum integrierten Schaltkreis 6 bei
dieser Ausführungsform
besonders deutlich. Die geometrische Ausrichtung des Innenteils 2 ist
gegenüber
dem Inselrand 1 und dem integrierten Schaltkreis 6 um
45° gedreht,
wobei die Spitzen des Innenteils 2 über die Seitenkanten des integrierten
Schaltkreises 6 hinausragen. Der integrierte Schaltkreis 6 liegt
nur in Eckbereichen auf dem Inselrand 1 auf. Der Innenteil 2 ist über acht Stegverbindungen
mit dem Inselrand 1 verbunden, die alle im Bereich unterhalb
des integrierten Schaltkreises 6 liegen.
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Alternativ
zur gezeigten Ausführungsform können beispielsweise
auch vier breitere Stegverbindungen jeweils in der Mitte der seitlichen
Kanten des Innenteils 2 angeordnet sein.
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Durch
die winkelversetzte Anordnung des Innenteils 2 gegenüber dem
Inselrand 1 ist der Inselrand im Bereich oberhalb der Ecken
des Innenteils sehr schmal. Diese Bereiche sind potentielle Trennstellen 9 für den Inselrand 1,
an denen die Insel nach der Chipmontage getrennt und in vier separate
Bereiche unterteilt werden kann, um so die Gesamtinsel nachgiebiger
und flexibler zu gestalten und die Bimaterialeffekte weiter zu verringern.
Dadurch wird die Gefahr von Verbiegungen des Gehäuses weiter vermindert. Die
Trennung im Bereich der Trennstellen 9 kann durch Stanzen
oder mit Hilfe eines Lasers erfolgen und wird zweckmäßig vor
dem Kontaktieren von Chip und Anschluflfingern durchgeführt.
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Um
die Anschlußfinger 4 möglichst
in geringem Abstand zu dem Inselbereich führen zu können, ist der Inselrand 1 der
Geometrie der Anschlußfinger 4 angepaßt und mit
einer achteckigen Außenkontur ausgestaltet.
Dabei laufen die vier Ecken des integrierten Schaltkreises 6 auf
vier Ecken des Inselrands zu, und die vier Ecken des abgesenkten
Innenteils laufen auf die anderen vier Ecken des Außenrands
des Inselrands 1 zu.
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Die
beschriebene Erfindung eignet sich in besonderem Maße für Zuleitungsrahmen
für Bauelemente
mit großem
Chip und flachem Gehäuse.
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Bei
allen Ausführungsformen
eines IC-Gehäuses
mit erfindungsgemäßem Zuleitungsrahmen kann
durch entsprechende Biegung der Außenanschlüsse "oben" und "unten" vertauscht werden,
d.h. es ist eine "face
down"-Montage des
Chips möglich.
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- 1
- Inselrand
- 2
- Innenteil
- 3
- Stegverbindung
- 4
- Anschlußfinger
- 5
- Inselaufhängung
- 6
- Integrierter
Schaltkreis
- 7
- Preßmasse
- 8
- Preßmasse unter
Innenteil
- 9
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