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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, das eine Leiterplatte aufweist, die an definierten Stellen elektrisch mit einem ein Halbleiterelement tragenden Trägerelement verbunden ist, wobei die elektrische Verbindung durch ein Federelement hergestellt wird, das mit der Leiterplatte oder mit dem Trägerelement mechanisch und elektrisch verbunden ist und an dem Trägerelement oder an der Leiterplatte an einer elektrischen Kontaktstelle vorgespannt anliegt.
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Aus der
DE 100 08 572 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat und einem Gehäuse bekannt, wobei das Substrat wenigstens eine Hülse aufweist, in der ein Drahtstift zur elektrischen Verbindung des Substrats mit einer Leiterplatte des Leistungshalbleitermoduls eingeführt werden kann. Der Drahtstift ist mit dieser Leiterplatte elektrisch leitend verbunden, beispielsweise verlötet. Das Gehäuse mit dem Substrat ist beim montierten Leistungshalbleitermodul mittels der Drahtstifte mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden. Die Hülsen und die Drahtstifte bilden bei diesem Leistungshalbleitermodul ein zweiteiliges Steckersystem. Ein Vorteil des aus Hülsen und Drahtstiften bestehenden zweiteiligen Steckersystems zur elektrischen Verbindung des Substrats mit der Leiterplatte besteht darin, dass im Vergleich zu bisherigen Bond-Verbindungen eine größere maximale Stromstärke zwischen Substrat und Leiterplatte zulässig ist. Somit werden Bonddrähte durch das zweiteilige Steckersystem ersetzt. Durch die Formgebung der Hülsen werden die zugehörigen Drahtstifte jeweils in einer Hülse festgeklemmt.
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Die
DE 102 27 106 A1 offenbart ebenfalls ein zweiteiliges Steckersystem innerhalb eines Leistungshalbleitermoduls.
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Um eine Leiterplatte einerseits und ein Trägerelement andererseits, das ein Halbleiterelement trägt, miteinander elektrisch zu verbinden, sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt.
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Meist wird eine Technik eingesetzt, bei der durch die Leiterplatte (als PCB – Printed Circuit Board – ausgebildet) zylindrische Stifte (Pins) durch entsprechende Bohrungen durchgesteckt werden, die mittel einer Lötverbindung festgelegt werden, womit sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Dafür werden verschiedene Lötverfahren angewendet, beispielsweise das sog. selektive Löten oder das Schwallbadlöten. Dieser Prozessschritt stellt einen zusätzlichen Lötprozess dar, der nach dem sog. Reflowlöten (s. unten) erfolgt, durch das die sonstigen Bauelemente auf der Leiterplatte festgelegt werden.
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Bekannt ist es auch, ein Druckkontaktsystem mit Federn zwischen der Leiterplatte und dem Trägerelement des Halbleiterelements einzusetzen, das neben der elektrischen und mechanischen Verbindung auch die thermische Anbindung an einen Kühlkörper gewährleistet. Realisiert wird dies meist durch in das Gehäuse integrierte Kunststoffstege und ein Verschraubungssystem.
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Nachteilig ist, dass die vorbekannten Verbindungstechniken noch keinen zufriedenstellenden Kontakt zwischen Leiterplatte und Trägerelement gewährleisten, vor allem unter rauen Umgebungsbedingungen. Ferner ist die Flexibilität in der Gestaltung der zum Einsatz kommenden Elektronikmodule beschränkt.
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Die erste erwähnte Lösung stellt insbesondere keine hinreichende Zuverlässigkeit der Verbindung sicher. Aufgrund verschiedener Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Bauteilen und evtl. aufgrund einer zyklischen Temperaturveränderung an dem Lötsystem Pin-Lötkegel-Leiterplatte können Mikrobewegungen entstehen, die entweder den Lötkegel beschädigen bzw. auf den internen Bondverbindungen zwischen Trägerelement und Pin Mikrorisse verursachen, die zu einem Ausfall führen können.
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Die zweite erwähnte Lösung ist vor allem gegen Verschmutzung und Schadgasbeanspruchung sehr anfällig. Diese Lösung stellt hohe Ansprüche an die Oberflächenqualität des Trägerelements, was teilweise im Widerspruch zu den Anforderungen aus der Re-flow-Löttechnologie steht. Für gewisse Anwendungsfälle, insbesondere bei häufigem mechanischen Lastwechsel, ist diese Lösung auch nicht günstig, da die Gefahr von Reibkorrosion besteht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen. Insbesondere soll ein Bauteil bereitgestellt werden, das unter allen Umgebungsbedingungen die elektrische Verbindung sehr zuverlässig gewährleistet.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist hinsichtlich des elektronischen Bauteils dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement von einer an der Leiterplatte oder an dem Trägerelement angeordneten Führungshülse umgeben ist, wobei die Führungshülse an ihrem einen Ende einen flanschartig verbreiterten Abschnitt aufweist, der mit der Leiterplatte oder mit dem Trägerelement verbunden ist, und wobei die Länge der Führungshülse derart gewählt ist, dass diese einen vorgegebenen Abstand der Leiterplatte zum Trägerelement im montierten Zustand des elektronischen Bauteils definiert.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausgestaltung kann eine optimale Führung des Federelements erreicht werden, so dass die Feder exakt an dem vorgesehenen Kontaktpunkt das eine Element kontaktiert. Dieses Führungselement erstreckt sich axial derart, dass im montierten Zustand des elektronischen Bauteils ein vorbestimmter Abstand von Leiterplatte zum Trägerelement eingehalten wird. Dadurch stützt sich im montierten Zustand des elektronischen Bauteils die Führungshülse auf dem Substrat ab. Im Inneren dieser Führungshülse verläuft das gespannte Federelement, das dadurch eine vorbestimmte Kontaktkraft auf einen vorbestimmten Kontaktpunkt ausübt.
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Vorzugsweise ist das Federelement rechtwinklig auf der Leiterplatte und/oder auf dem Trägerelement angeordnet.
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Das eine Ende des Federelements ist bevorzugt mit der Leiterplatte oder mit dem Trägerelement verlötet. Dabei ist das Federelement mit der Leiterplatte oder mit dem Trägerelement insbesondere durch Reflowlöten verbunden.
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Die Führungshülse ist dabei vorzugsweise mit der Leiterplatte oder mit dem Trägerelement verlötet; es kann auch vorgesehen werden, dass die Führungshülse mit der Leiterplatte oder mit dem Trägerelement verklebt ist.
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Die Führungshülse ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einteilig ausgebildet. Sie kann jedoch auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei beide Teile koaxial zueinander angeordnet sind und wobei das eine Teil teleskopartig in das andere Teil einschiebbar ist.
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Bevorzugt ist das Federelement als Schraubenfeder ausgebildet. Es kann aber auch als gebogener Federdraht ausgebildet sein.
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Weiterhin kann ein Verbindungselement vorgesehen sein, das die Leiterplatte und das Trägerelement auf vorgegebenem Abstand hält. Das Verbindungselement kann beispielsweise eine Schraube aufweisen, also Leiterplatte und Trägerelement durch eine Schraubverbindung zusammenfügen. Eine alternative Ausgestaltung sieht als Verbindungselement eine Klammer vor.
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Besonders bevorzugt ist das Federelement mit der Leiterplatte mechanisch und elektrisch verbunden und liegt an dem Trägerelement an der elektrischen Kontaktstelle vorgespannt an.
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Durch den Erfindungsvorschlag wird ein sehr zuverlässiger elektrischer Kontakt hergestellt, der auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen keine Probleme verursacht. Dies gilt insbesondere mit Blick auf die Belastung mit Schmutz und durch Feuchtigkeit. Dies wird einerseits durch den bevorzugten Lötkontakt des Federelements und andererseits durch die Federelastizität desselben erreicht, wobei dank der Flexibilität des Federelements keine Einschränkungen bezüglich der Temperatur und bezüglich Lastwechseln gegeben sind und so ein hoher Grad an Zuverlässigkeit erreicht wird. Der Federkontakt besteht an einer unkritischen Stelle im Inneren des Bauteils.
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Bei Mikrobewegungen finden diese auf einer unkritischen Oberfläche statt, so dass dadurch keine Kontaktschwäche entsteht.
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Die vorbekannten Lötverfahren können ohne Modifikation weiterhin eingesetzt werden. Wird das Reflowlöten eingesetzt, ist ein zusätzlicher Prozessschritt nicht erforderlich, um die Verbindung herzustellen.
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Der Vorschlag erlaubt die freie Gestaltung bei dem Design der Leiterplatte. Damit kann eine optimale Stromtragfähigkeit am Rand der zum Einsatz kommenden Module erreicht werden. Die Verbindung ist auch in Kombination mit vorbekannten Lösungen kompatibel.
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Es kann durch den Einsatz von Pick-and-Place-Automaten für die Bestückung mit Bauteilen eine automatische Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile erfolgen, so dass auch unter Kostengesichtspunkten eine günstige Lösung geschaffen ist.
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Der Vorschlag ermöglicht die Materialeinsparung und eine Optimierung des benötigten Bauraums. Ungünstige oder benachteiligte Kontakte oder Teile können vermieden werden.
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Von Vorteil ist weiterhin, dass in einfacher Weise Reparaturen oder ein Austausch von Bauteilen möglich wird. Es werden dabei Schädigungen der Leiterplatte vermieden, was oft bei den vorbekannten Lösungen nicht gewährleistet ist.
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Die Handhabung des Bauteils bzw. dessen Modulen ist erleichtert, insbesondere während des Transports, der Lagerung und der Montage.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1a den Schnitt durch ein elektronisches Bauteil, wobei die Leiterplatte relativ zu einem Trägerelement noch nicht in der Endposition der Montage ist,
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1b die zu 1a entsprechende Darstellung, wobei sich die Leiterplatte relativ zum Trägerelement in der Endposition befindet,
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2a und 2b eine zu den 1a und 1b entsprechende Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Erfindungsvorschlags,
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3a und 3b eine zu den 1a und 1b entsprechende Darstellung einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Erfindungsvorschlags und
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4a und 4b eine zu den 1a und 1b entsprechende Darstellung eines Beispiels.
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In 1a ist ein elektronisches Bauteil 1 zu sehen, und zwar vor der Endmontage. Das elektronische Bauteil 1 umfasst eine Leiterplatte 2 in Form eines PCB – Printed Circuit Board – und ein Trägerelement 5, das aus einer Kupferplatte 19 und einem DCB (Direct Copper Bonded Element) 20 besteht. Unterhalb des Trägerelements 5 kann eine Bodenplatte 21 angeordnet sein. Auf dem Trägerelement 5 ist ein Halbleiterelement 4 in Form eines Chips angeordnet.
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Um das Bauteil 1 fertig zu montieren, wird die Leiterplatte 2 beispielsweise über eine Druckplatte 18 (die in 1b gestrichelt dargestellt ist) in Pfeilrichtung (s. 1a) gedrückt, bis die in 1b dargestellte Position erreicht ist.
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Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung an definierten Stellen 3 zwischen Leiterplatte 2 und Trägerelement 5, also um eine Verbindung zwischen Leiterplatte 2 und Chip 4 herzustellen, wird wie folgt vorgegangen:
An der Unterseite der Leiterplatte sind eine der Zahl der Kontaktstellen 3 entsprechende Anzahl Kontaktelemente angeordnet, die zunächst ein Federelement 6 in Form einer Schraubenfeder aufweisen. Das Federelement 6 ist in einer Führungshülse 8 aufgenommen, d. h. die Hülse 8 umgibt das Federelement 6 konzentrisch zur Längsachse des Federelements 6.
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Die Führungshülse 8 hat einen flanschartig verbreiterten Abschnitt 9, mit dem sie an der Unterseite der Leiterplatte 2 festgelegt ist. Die Festlegung der Hülse 8 kann beispielsweise durch Löten oder durch Kleben erfolgen.
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Das Federelement 6 ist an einer Lötstelle 22 an einem nicht dargestellten Kontakt der Leiterplatte 2 mit diesem verlötet.
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Damit liegt eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen Leiterplatte 2 und Federelement 6 vor.
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Das Federelement 6 ist im entspannten Zustand länger ausgebildet als die axiale Erstreckung der Führungshülse 8, d. h. im entspannten Zustand des Federelements 6 erstreckt sich dieses über das axiale Ende der Führungshülse 8 hinaus, wie es 1a entnommen werden kann.
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Wird die Leiterplatte 2 in Pfeilrichtung (s. 1a) in die in 1b dargestellte Stellung bewegt, liegen sich also Leiterplatte 2 und Trägerelement 5 in dem gewünschten Endabstand a gegenüber, kontaktiert das Federelement 6 das Trägerelement 5 an einer Kontaktstelle 7, an der sich ein nicht dargestellter Kontakt befindet. Über das Federelement 6 ist damit eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte 2 und dem Trägerelement 5 hergestellt. Das Federelement 6 liegt jetzt vorgespannt an der Kontaktstelle 7 an, so dass ein zuverlässiger elektrischer Kontakt hergestellt ist, der insbesondere bei geringfügigen Bewegungen der Bauteile nicht gefährdet ist.
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Die Länge der Führungshülsen 8 ist so gewählt, dass sie den gewünschten Abstand a definieren, in dem sich Leiterplatte 2 und Trägerelement 5 im montierten Zustand befinden.
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Die alternative Ausführungsform gemäß den 2a und 2b entspricht im wesentlichen der Lösung gemäß 1a bzw. 1b. Hier ist die Führungshülse 8 jedoch zweiteilig ausgebildet. Sie hat einen ersten Teil 10, der mit dem flanschartig verbreiterten Abschnitt 9 an der Unterseite der Leiterplatte 2 festliegt. Ein zweites Teil 11 der Führungshülse 8 ist teleskopartig in das erste Teil 10 einschiebbar. Dadurch können unterschiedliche Abstände a eingestellt werden.
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Während in den 1 und 2 eine Schraubenfeder als Federelement 6 zum Einsatz kommt, ist dies ein bogenförmig ausgebildeter Federdraht in den 3 und 4.
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In 3a und 3b ist zu sehen, dass das einen gebogenen Abschnitt 17 aufweisende Federelement 6 an der Lötstelle 22 mit dem Kontakt auf der Unterseite der Leiterplatte 2 verbunden, z. B. verlötet, ist und im entspannten Zustand über das axiale untere Ende der Führungshülse 8 geringfügig hinausragt. Wird das Bauteil montiert – s. 3b – wird das Federelement 8 geringfügig verformt, so dass es federvorgespannt an der Kontaktstelle 7 am Kontakt des Trägerelements 5 anliegt.
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Bei dem Beispiel nach 4 ist vorgesehen, dass das Federelement 6 mittels eines Halteelements 12 in einer vormontierten Position gehalten wird. Das Halteelement 12 wird von einem Gehäuseteil 16 in Position gehalten, wobei das Gehäuseteil 16 am Trägerelement 5 festgelegt ist. Im Halteelement 12 ist eine Ausnehmung 13 für das Federelement 6 vorhanden, die zwei Hinterschnitte 14 und 15 aufweist. Die Hinterschnitte 14, 15 sorgen dafür, dass das Federelement – bevorzugt hier wieder als Federdraht mit gebogenem Abschnitt ausgeführt – elastisch in einer vormontierten Position gehalten wird, wie sie aus 4a hervorgeht. Im unteren Bereich kontaktiert das Federelement 6 an der Kontaktstelle 7 das Trägerelement 5. Der gebogene Abschnitt 17 sorgt dafür, dass diese vormontierte Position gehalten wird. Nach Positionierung der Leiterplatte 2 erfolgt ein Verlöten des Federelements 6 an der Lötstelle 22 mit der Leiterplatte 2.
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Das bevorzugt zum Einsatz kommende Reflowlötverfahren wird zur Lösung von SMD-Bauteilen (Surface Mount Device – Bauteilen) angewandt. Die für das Reflow-Löten verwendete Lötpaste enthält meist Lötzinn in Kugelform, gemischt mit einem Fluxer, der während des Lötprozesses aktiviert wird, und einem Lösungsmittel. Die Größe der in der Lötpaste verwendeten Kugeln richtet sich nach der Pitchgröße der Bauteile. (ca. 60 μm bei Pitch von 0,5 mm, ca. 40 μm bei Pitch von 0,3 mm und 30 μm bei Pitch von 0,2 mm).
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Vor Beginn der Bestückung wird auf die Leiterplatte die Lötpaste mittels eines Dispensers oder im Siebdruck aufgetragen. Die Lötpaste darf nur auf das jeweilige Pad aufgetragen werden. Benachbarte Pads dürfen nicht durch Lötpastenbrücken verbunden werden. Über die Größe der Pads in der Lötpastenschablone, deren Dicke bzw. über die Anzahl und Größe der Dispenserpunkte kann die auf ein Pad aufgetragene Lötpastenmenge bestimmt werden. Die aufgetragene Lotpastenmenge muss dem zu lötenden Bauteilpad entsprechen. Die Leiterplatte befindet sich während des Durchlaufes durch den Lötofen auf einem Transportband.
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Die Bauteile werden während des Durchlaufs durch den Löt-Ofen mit konstanter Geschwindigkeit durch verschiedene Heizzonen des Lötofens bewegt. Zunächst erfolgt eine Vorheizphase (z. B. stetige Erhitzung binnen 30 s bis ca. 80°C zur Aktivierung des in der Lötpaste enthaltenen Fluxers); dann folgt eine Plateauzone (Halten dieser Temperatur über ca. 30 s zur Aktivierung des Fluxers, also Beseitigung von Oxidschichten); hieran schließt sich die Erhitzung bis zum Schmelzpunkt an (Erhitzung des Lötzinns bis über die Schmelztemperatur in ca. 45 s); in der Peakzone werden alle Lötstellen ca. 12 bis 20 s oberhalb der Schmelztemperatur gehalten; schließlich folgt die Abkühlzone mit einer schnellen Abkühlung des Lötzinnes bis unter die Schmelztemperatur. Die Erhitzung der Bauteile, der Leiterplatte und der Lötstellen erfolgen sowohl über Strahlungswärme als auch über Konvektion. Größe dunkle Bauteilgehäuse erhalten durch Strahlung mehr Wärme, als z. B. an breite Leiterbahnen oder Masseflächen angebundene SMD-Kleinteile. Zur Vermeidung der Oxidation der Lötpads und der Pads auf der Leiterplatte kann dieser Prozess auch unter Schutzgas erfolgen. Das Temperaturprofil lässt sich mittels spezieller Messgeräte an den zu lötenden Bauteilpins messen. Die Lötparameter können beim Löten der auf der zweiten Seite der Platine aufgebrachten SMD-Bauteile so eingestellt werden, dass sich die Bauteile von der ersten Seite der Platine nicht wieder ablösen.
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Wenngleich nicht bei allen erläuterten Ausführungsvarianten machbar, ist bevorzugt vorgesehen, dass das Federelement 6 bei seinem Anlöten an der Lötstelle 22 nicht das Trägerelement 5 kontaktiert, so dass während des Lötprozesses keine Wärme vom Trägerelement 5 und ggf. der Bodenplatte 21 abgezogen werden kann.
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Die Federelemente 6 können wie übliche Bauteile mittels der Pick-and-Place-Technologie auf der Leiterplatte 2 positioniert und dann festgelötet werden.