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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Leiterplatte zur Bestückung mit elektronischen Bauelementen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Heutige Leiterplatten zur Aufnahme elektronischer Bauteile, wie sie in jedem elektronischen Gerät wie zum Beispiel einem PC oder auch als Basis für jede elektronische Schaltung verwendet werden, weisen meist mehrere leitfähige Schichten auf, welche durch Isolatoren voneinander getrennt sind. Die elektrisch leitfähigen Schichten dienen in erster Linie der Verdrahtung der an der Oberfläche der Leiterplatte befestigten elektronischen Bauelemente. Die Leiterplatte weist dazu z. B. an ihrer Oberfläche entsprechende Bohrungen auf, welche zu den leitfähigen Schichten durchkontaktiert sind, so dass die elektronischen Bauelemente jeweils mit der richtigen zugehörigen elektrisch leitfähigen Schicht verbunden sind. Bei der Herstellung der elektrisch leitfähigen Schichten wird meist Kupfer verwendet, welches dazu neigt beim Kontakt mit Luftsauerstoff eine geschlossene Oxidationsschicht auf der Kupferschicht zu bilden. Deshalb werden die Oxidationsschichten bei der Leiterplattenherstellung vor dem Aufbringen einer weiteren Schicht durch Bürsten oder Ätzen entfernt.
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Die auf der Oberfläche der Leiterplatte befindlichen elektronischen Bauelemente geben beim Betrieb einer elektronischen Schaltung Wärme ab, welche abgeführt werde muss, um ein Überhitzen der elektronischen Bauelemente zu verhindern. Diese Wärme wird bei den heutigen Lösungen zum einen über die Oberfläche des Bauelementes selbst und zum anderen über externe Kühlkörper abgeführt. Eine spezielle Lösung besteht darin, Wärmequellen mit gleichem Potential auf beiden Leiterplatten-Außenlagen mittels einer sogenannten Wärmesenke (Heatsink) zu führen und zu verteilen. Falls unterschiedliche Potentiale vorhanden sind, muss sichergestellt werden, dass die elektrischen Kontakte des elektronischen Bauelements gegenüber der kühlenden Leiterschicht elektrisch isoliert sind. Da elektrische Isolatoren aber meist schlechte Wärmeleiter sind, erfolgt die Isolierung über eine dünne zusätzlich aufgetragene Isolationsschicht, was eine aufwendige Herstellung erforderlich macht. Etwaige leitende Schichten an der Oberfläche der Leiterplatte, welche mit dem elektronischen Bauelement in Kontakt stehen und so die Wärme verteilen könnten, haben dagegen den Nachteil, dass eine parasitäre Antenne aufgebaut würde, was bei Hochfrequenzschaltungen zu einer erheblichen Abstrahlung elektromagnetischer Wellen führen kann, deshalb muss auf eine solche integrierte Wärmespreizung entweder verzichtet werden oder ihre Anwendung ist nur eingeschränkt möglich.
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Aus der
DE 41 32 947 A1 ist es bekannt, neben Metalloxidkeramiken zur Isolation von elektronischen Schaltungen gegenüber Kühlflächen auch elektrisch isolierende Metalloxidpasten zu verwenden. Aus der
DE 36 17 611 A1 ist bekannt, dass Metalloxidscheiben die Eigenschaft aufweisen, dass sie zwar thermisch leitend sind aber andererseits auch elektrisch isolierend sein können. Ein solches Metalloxid ist zum Beispiel Berylliumoxid. Eine solche spezielle Berylliumoxidscheibe ist jedoch sehr teuer und aufwendig in der Herstellung und bei der Herstellung von Leiterplatten nicht wirtschaftlich zu verwenden.
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Die Offenlegungsschrift
DE 100 52 247 A1 zeigt verschiedene Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Schaltung auf einem Trägerkörper. Auf den Trägerkörper wird eine erste elektrisch isolierende Basisschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht. Danach wird in einem zweiten Schritt eine zweite beispielsweise elektrisch leitende Schicht auf die Basisschicht aufgebracht. Dieses Verfahren kann dabei schrittweise derart wiederholt werden, dass ein mehrlagiger Schichtaufbau entsteht, wobei sich vorzugsweise leitende und nicht leitende Schichten abwechseln. Die elektrisch nicht leitende Schicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leiterplatte zu schaffen, welche eine wirtschaftliche Herstellung mit potentialgetrennter Wärmespreizung erlaubt. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Hochfrequenzschaltungen auf Leiterplatten die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu verringern.
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Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der Zeichnung zu entnehmen. Mittels der dünnen elektrisch isolierenden und zugleich wärmeleitfähigen Schicht zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten ist es möglich, die Wärme von einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht an eine zweite elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere die großflächige Masselage innerhalb der Leiterplatte, abzuführen, welche potentialgetrennte Wärmespreizung dient. Damit geschieht die Wärmeabgabe von der einen elektrisch leitfähigen Schicht zur anderen potentialfrei. Die wärmeabführende elektrisch leitfähige Schicht kann sich z. B. im Inneren der Leiterplatte befinden, während an der Oberfläche der Leiterplatte auf großflächige elektrisch leitfähige Schichten zur Wärmeabführung verzichtet werden kann, aber nicht muss. Somit wird die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen bei Hochfrequenzschaltungen erheblich reduziert. Zugleich ist die als Wärmespreizung dienende elektrisch leitfähige Schicht immer potentialfrei gegenüber den elektronischen Bauelementen, was eine einfache Kontaktierung der wärmeabführenden elektrisch leitfähigen Schicht mit einem sich außerhalb der Leiterplatte befindlichen Kühlkörper ermöglicht. Dieser Kühlkörper ist somit ebenfalls potentialfrei gegenüber den elektronischen Bauelementen und der mit diesen verbunden ersten elektrisch leitfähigen Schicht. Außerdem kann so einfach die Wärme von verschiedenen elektronischen Bauelementen über eine einzige Schicht gespreizt und abgeführt werden.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die dünne elektrisch isolierende und zugleich wärmeleitende Schicht eine Oxidationsschicht. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, dass Oxidationsschichten grundsätzlich gute elektrische Isolatoren und zugleich aufgrund ihrer geringen Schichtdicke im μm-Bereich dennoch gute Wärmeleiter sind. Somit ist es einfach möglich, zwei elektrisch leitfähige Schichten einer Leiterplatte mittels einer Oxidationsschicht elektrisch gegeneinander zu isolieren und dennoch die Wärme von einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht zu einer zweiten abzuleiten.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass sich wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht im Inneren der Leiterplatte befindet. So kann z. B. die als Wärmespreizung ausgelegte zweite elektrisch leitfähige Schicht über die gesamte Fläche der Leiterplatte ausgeführt sein, um so die Wärme sämtlicher Bauteile, welche zumindest mit Teilen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht verbunden sind, großflächig aufzunehmen und an geeigneter Steller wieder abzuführen. Die erste Schicht muss auch nicht zusammenhängend sein, sie kann aus vielen einzelnen Inselteilen bestehen. Wenn sich die zweite elektrisch leitfähige Schicht im Inneren der Leiterplatte befindet und durch die dünne elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht isoliert ist, muss die im Innern als Kühlkörper dienende Schicht nicht mit Durchführungen für elektrische Bauelemente versehen sein, welches der Fall wäre, wenn sich die wärmeleitende Schicht an der Oberfläche befinden würde, da dann die elektrischen Anschlüsse zur anderen darunter liegenden elektrisch leitfähigen Schicht durch die sich an der Oberfläche befindliche elektrisch leitfähige Schicht hindurchgeführt werden müssten. Bei einer sehr dünnen Leiterplatte kann sich die zweite leitfähige Schicht statt im Innern auch an der Unterseite der Leiterplatte befinden, so dass sich dann beide leitfähige Schichten an den Außenseiten der Leiterplatte befinden.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die zweite elektrisch leitfähige Schicht über die dünne elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht mit einer dritten elektrisch leitfähigen Schicht in wärmeleitendem Kontakt steht. Dadurch kann die Wärme von elektronischen Bauteilen an der Oberfläche der Leiterplatte über die erste Schicht und die Oxidschicht auf die im Inneren der Leiterplatte gelegene zweite Schicht übertragen werden, dort verteilt werden und an einer anderen Stelle auf die selbe Art und Weise wieder an die Oberfläche geführt werden, wo zusätzlich ein Kühlkörper die Wärmeabfuhr erleichtern kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oxidationsschicht aus oxidiertem Grundmaterial der elektrisch leitfähigen Schichten besteht. Neben der Möglichkeit elektrisch leitfähige Schichten durch eine dünne zusätzlich aufgebrachte Oxidationsschicht voneinander elektrisch zu isolieren, kann die Eigenschaft ausgenutzt werden, dass sich bei der Herstellung von Leiterplatten an der Oberfläche der elektrisch leitfähigen Schichten, welche meist aus Kupfer bestehen, in Verbindung mit Luftsauerstoff Oxidationsschichten bilden. Diese werden auf der als Wärmespreizung dienenden elektrisch leitfähigen Schicht bestehen gelassen, und nicht wie bei den anderen elektrisch leitfähigen Schichten abgetragen. Somit besteht die Oxidationsschicht dann aus einem Oxid des Grundmaterials der zugehörigen elektrisch leitfähigen Schicht, z. B. bei einer elektrisch leitfähigen Schicht aus Kupfer entsprechend aus Kupferoxid.
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Vorteilhafter Weise kann weiterhin vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähigen Schichten aus demselben Grundmaterial bestehen. Die Verwendung gleicher Materialien für elektrisch leitfähige Schichten erweist sich als wirtschaftlicher und technologisch sinnvoller, da hier nur ein Material verarbeitet werden muss und die Verarbeitungsschritte so für die elektrisch leitfähige Schichten gleich sind.
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In besonders vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Oxidationsschicht aus Kupferoxid oder Aluminiumoxid besteht. Bei der Herstellung von Leiterplatten wird heute meist reines Kupfer zur Erzeugung von elektrisch leitfähigen Schichten in und auf der Leiterplatte verwendet, aber auch Aluminium wird immer wieder verwendet. Da sich bei der Verwendung von Kupfer oder Aluminium bei der Herstellung automatisch an der Oberfläche eine Oxidschicht ausbildet, ist es eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit, eine Oxidationsschicht dadurch herzustellen, dass vor der Weiterverarbeitung die vorhandene Metalloxidschicht belassen wird. Prinzipiell könne auch andere Metalle verwendet werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Oxidationsschicht eine Dicke im Mikrometerbereich aufweist. Als ausreichend haben sich bei Kupferoxid Schichten mit einer Dicke zwischen 40 und 300 Mikrometern erwiesen, wobei eine bevorzugte Dicke bei 100 Mikrometern liegt. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass bei einer Kupferoxidschicht von 100 Mikrometern ein elektrischer Widerstand in der Schicht von 106 Ohm vorhanden ist. Dies reicht zur elektrischen Isolation innerhalb der Leiterplatte aus. Die Schichtdicke von 100 Mikrometern kann dabei unter dem Einfluss gewöhnlicher Luft und einer Temperatur von ca. 100 Grad Celsius einfach erreicht werden. Somit stellt dies eine besonders kostengünstige Möglichkeit dar, eine für die Erfindung benötigte Oxidationsschicht zu erzeugen.
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Es hat sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke der Oxidationsschicht durch zusätzliche Oxidation erhöht wird. Diese Lösung dient dazu, die Durchschlags/Isolationsfestigkeit aufgetragener oder ausgebildeter Oxidationsschichten zu verbessern, indem die Oxidationsschichten über das normale Anwachsen hinaus zu einer größeren Dicke geführt werden. Für dieses Heranwachsen von Oxidationsschichten sind aus dem Stand der Technik beschleunigende Verfahren bekannt. Solche dickeren Oxidationsschichten werden besonders dann benötigt, wenn die Spannungen größer sind und die elektrische Feldstärke größer ist als die Isolationsfestigkeit der natürlich heranwachsenden Oxidationsschichten.
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Außerdem ist einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die dünne elektrisch isolierende und wärmeleitende Schicht an einer oder mehreren Stellen abgetragen wird. Eine Oxidationsschicht muss z. B. zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten nur an den Stellen vorhanden sein, an denen sich die elektrisch leitfähigen Schichten auch tatsächlich berühren. Diese Stellen können z. B. Wärmedurchkontaktierungen sein. Die Oxidationsschicht kann also aus mehreren unterbrochenen Teilen oder auch aus Inseln bestehen Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte,
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2: einen Querschnitt durch eine Leiterplatte mit einer Wärmeleitung zu einem an der Oberfläche der Leiterplatte angebrachten Kühlkörper,
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3: eine Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einem wärmeleitenden Rahmen und
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4: einen Querschnitt durch die Leiterplatte gemäß 3.
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1 stellt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Leiterplatte 7 dar, welche aus mehreren Schichten 1, 1a, 2, 3, 4, 6 aufgebaut ist. An der Oberfläche der Leiterplatte 7 befindet sich eine erste elektrisch leitfähige Schicht 1, welche durch einen Leiterplattenkörper/Laminat 3 und eine dünne elektrisch isolierende wärmeleitende Oxidationsschicht 2 von einer weiteren elektrisch leitfähigen Schicht 1a elektrisch getrennt ist. Unterhalb der weiteren elektrisch leitfähigen Schicht 1a befindet sich ein weiterer Leiterplattenkörper/Laminat 4, welcher von weiteren Schichten 6 gefolgt werden kann. Die Leiterplattenkörper/Laminate 3, 4 bestehen aus Kunststoff, während die leitfähigen Schichten 1, 1a aus Kupfer bestehen. Auf der Oberfläche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 1 ist ein elektronisches Bauelement 5 angeordnet, welches elektrisch leitend mit der ersten Schicht 1 verbunden ist. Dieses elektronische Bauelement 5 kann z. B. ein Transistor in einer elektronische Schaltung sein. Das elektronische Bauelement 5 gibt seine Wärme zum einen über seine eigene Oberfläche an die Umgebungsluft ab, und zum anderen überträgt es seine Wärme über die elektrischen Anschlüsse an die erste Schicht 1.
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Die Wärmeabfuhr erfolgt dadurch, dass die erste Schicht 1 den Leiterplattenkörper/Laminat 3 an einer Stelle durchbricht und somit nur durch die dünne Oxidationsschicht 2 von der als Wärmespreizung dienenden zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 1a getrennt ist. An dieser Stelle, auch Wärmedurchkontaktierung genannt, kann nun die Wärme von der ersten Schicht 1 durch die Oxidationsschicht 2 auf die zweite Schicht 1a übertragen werden. Trotzdem ist die erste Schicht 1 von der zweiten Schicht 1a elektrisch isoliert, so dass die zweite Schicht 1a problemlos z. B. wie in 2 mit einer anderen Schicht 1b mittels der Oxidationsschicht 2 kontaktiert werden kann, ohne dass ein mit der anderen Schicht 1b verbundener Kühlkörper 8 unter elektrischer Spannung steht. Die Oxidationsschicht 2 besteht aus Kupferoxid, Aluminiumoxid oder einem anderen Metalloxid und weist im Falle von Kupferoxid eine Dicke d von ca. 100 Mikrometern auf, welches für einen elektrischen Widerstand von 106 Ohm an der Wärmedurchkontaktierung sorgt. Für einen höheren Widerstand ist eine dickere Oxidationsschicht 2 erforderlich, oder es muss eine anders beschaffene isolierende Schicht 2 ausgewählt werden. Bei der Ausführungsform gemäß 1 wird zur Herstellung der Leiterplatte 7 die sich dabei auf der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 1a ausbildende Oxidationsschicht 2 an der Oberfläche nicht wie sonst üblich abgetragen, sondern bestehen gelassen und gegebenenfalls noch verstärkt. An Stelle der Oxidationsschicht 2 oder zusätzlich dazu kann auch eine dünne elektrisch isolierende Beschichtung oder Folie verwendet werden.
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Die in 2 im Querschnitt dargestellte Leiterplatte 7 weist an ihrer Oberfläche eine erste leitfähige Schicht 1 auf, welche von einer zweiten leitfähigen Schicht 1b an der Oberfläche der Leiterplatte 7 durch eine Unterbrechung elektrisch isoliert ist. Des Weiteren kontaktieren die beiden leitfähigen Schichten 1 und 1b jeweils eine dünne Oxidationsschicht 2, welche wiederum eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 1a kontaktiert. Die leitfähigen Schichten 1, 1b und 1a sind somit alle elektrisch gegeneinander isoliert ausgeführt, wobei die Wärme von der ersten leitfähigen Schicht 1 durch die Oxidationsschicht 2 hindurch auf die zweite elektrisch leitfähige Schicht geführt wird, die Wärme dort verteilt wird und an einer anderen Stelle ebenfalls über die Oxidationsschicht 2 an die dritte sich an der Oberfläche der Leiterplatte 7 befindliche leitfähige Schicht 1b abgegeben wird. Die Oxidationsschicht 2 muss nicht durchgängig vorhanden sein, sie muss nur an den Stellen vorhanden sein, an denen sich die leitfähigen Schichten 1, 1a bzw. 1a, 1b annähern. Die dritte leitfähige Schicht 1b kann zudem wie in 2 gezeigt mit einem an ihrer Oberfläche aufgebrachten Kühlkörper 8 verbunden sein. Dieser Kühlkörper 8 führt dann die Wärme ab, welche über die dritte leitfähige Schicht 1b aus dem Inneren der Leiterplatte 7 an die Oberfläche übertragen wird.
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Die Ausführungsform gemäß 3 verfügt an der Oberfläche der Leiterplatte 7 über eine dritte leitfähige Schicht 1b, welche rahmenförmig ausgebildet ist. Des Weiteren befindet sich auf der Oberfläche der Leiterplatte 7 im inneren Bereich eine erste leitfähige Schicht 1 auf welcher ein elektronisches Bauteil 5 angebracht ist. Unterhalb der ersten und der dritten leitfähigen Schichten 1, 1b befindet sich die Oxidationsschicht 2. In der Draufsicht hier nicht zu sehen ist die unter der Oxidationsschicht 2 liegende zweite elektrisch leitfähige Schicht 1a, welche die Wärme des elektronischen Bauteils 5 über die elektrisch leitfähige Schicht 1 die Oxidationsschicht 2 auf die darunter liegende zweite elektrisch leitfähige Schicht 1a überträgt, wobei die Wärme in dieser zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 1a verteilt bzw. gespreizt wird. In den Randbereichen der Oberfläche der Leiterplatte 7 wird die Wärme über die dort vorhandene Oxidationsschicht 2 an die rahmenförmige dritte elektrisch leitfähige Schicht 1b abgegeben, welche z. B. mit die Leiterplatte 7 haltenden Befestigungsmitteln 9 eines Gestells verbunden ist. Ein solches Befestigungsmittel 9 kann auch ein Kühlkörperkontakt sein, welcher die rahmenförmige dritte elektrisch leitfähige Schicht 1b mit dem Gestell oder einem Kühlkörper 8 verbindet. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Wärme eines elektronischen Bauelementes 5 über das Innere der Leiterplatte 7 hinweg in die Randbereiche der Leiterplatte 7 zu führen und dort gezielt an die Umgebung abzugeben. Ergänzend zu der Draufsicht in 3 zeigt 4 einen Querschnitt durch diese Ausführungsform. Es ist zu erkennen, dass die elektrisch leitfähigen Schichten 1, 1a, 1b gegeneinander isoliert ausgeführt sind und wie der Wärmepfad verläuft, nämlich vom elektronischen Bauelement 5 über die erste elektrisch Schicht 1, eine erste Oxidationsschicht 2 zu der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 1a. Von dort wird die Wärme gespreizt und über eine zweite Oxidationsschicht 2 zu der dritten elektrisch leitfähigen Schicht 1b geführt, welche wiederum die Wärme an einen Kühlkörper 8 überträgt, welcher auf der Oberfläche der rahmenförmigen elektrisch leitfähigen Schicht 1b montiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste elektrisch leitfähige Schicht
- 1a
- zweite elektrisch leitfähige Schicht
- 1b
- dritte elektrisch leitfähige Schicht
- 2
- Oxidationsschicht
- 3
- Leiterplattenkörper
- 4
- weiterer Leiterplattenkörper
- 5
- elektronisches Bauelement
- 6
- weitere Schicht
- 7
- Leiterplatte
- 8
- Kühlkörper
- 9
- Befestigung
- d
- Dicke der Oxidationsschicht
