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Die
Erfindung betrifft ein Modul für
eine integrierte Steuerelektronik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie dessen Verwendung, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen
in der Automobilindustrie.
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Stand der Technik
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In
der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren-
oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei
gibt es eine Entwicklung hin zu integrierten mechatronischen Steuerungen,
also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen
Komponenten wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor
oder das Bremssystem. Steuergeräte
weisen also im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten
auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des
Steuergerätes
stehen. Bei solchen „Vorort-Elektroniken" sind diese Steuerungen
nicht mehr in einem separaten geschützten Elektronikraum untergebracht
und müssen
daher entsprechenden Umwelteinflüssen
und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten.
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Sie
werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle Gehäuse eingesetzt.
Zudem erfüllen
die Gehäuse
eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlässliche Verbindung zu außerhalb
des Gehäuses liegenden
Komponenten zu ermöglichen,
ist eine elektrische Verbindung von der Gehäuseinnenseite zur Gehäuseaußenseite
notwendig.
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Der übliche Aufbau
für solche
integrierten mechatronischen Anwendungen besteht aus einem keramischen
Substrat, das die verschiedenen elektronischen Bauteile der zentralen
Steuerungseinheit beinhaltet. Dieses keramische Substrat wird mit tels Bonden
mit starren oder flexiblen Leiterplatten verbunden, um die Anbindung
der peripheren Komponenten an die Zentraleinheit zu ermöglichen.
Wie schon beschrieben sind zum Beispiel Getriebesteuerungsmodule
im Getriebeölsumpf
untergebracht und daher vollständig
mit Öl
und der darin enthaltenen leitenden Kontamination umgeben. Dies
können
zum Beispiel Kontaminationen aus Verzahnungsabrieb, Zerspanungsreste
aus Fertigungsprozessen oder unzulänglichen Wasch- und Reinigungsprozessen des
Getriebegehäuses
und/oder der verbauten Komponenten sein. Zum notwendigen Schutz
vor solcher Kontamination, vor Beschädigungen und Leiterbahn- oder
Bondkurzschlüssen
wird eine Verdeckelung, üblicherweise
als metallischer, nicht-metallischer oder metallisierter Gehäusedeckel,
auf die Gehäusebodenplatte
aufgebracht und hermetisch abgedichtet. Dieser Gesamtverbund aus
keramischem Substrat, Leiterplatten und deren Anbindung zur elektronischen
Verbindung der Peripherie sowie hermetisch dichtem Gehäuse ist
ein signifikanter Kostentreiber. Gerade die bevorzugt als Schaltungsträger eingesetzten
LTCCs (Low Temperature co-fired Ceramics), die zur mechanischen
Stabilität
und thermischen Anbindung auf eine Grundplatte aufgebracht werden, stellen
einen großen
Kostenfaktor des gesamten Bauteils dar. Ihre elektronische Verbindung über flexible
Leiterplatten oder Stanzgitter zu den außerhalb des abgedichteten Gehäuses liegenden
Komponenten ist zudem aufwendig und daher kostenträchtig.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Modul für eine integrierte Steuerelektronik
mit einem Gehäuse,
einer darin untergebrachten zentralen Steuerungseinheit umfassend
verschiedene elektronische Bauteile und einer elektronischen Verbindung
zwischen dem Gehäuseinnenraum
und dem Gehäuseaußenraum
bereit zu stellen, welche eine einfache und flexible Anbindung der
außerhalb
des Gehäuses liegenden
Komponenten ermöglicht,
wobei die elektronische Verbindung und die zentrale Steuerungs einheit
einen vereinfachten und daher kostengünstigeren Aufbau aufweisen
sollen und gleichzeitig sicher vor Kurzschluss und/oder leitender
Kontamination geschützt
sind.
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Dies
wird erfindungsgemäß mit einer
Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 erreicht.
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Erfindungsgemäß wird ein
Gehäusekonzept für eine integrierte
Steuerungselektronik mit einem Gehäusedeckel, einem Schaltungsträger bestückt mit
elektronischen Bauteilen der zentralen Steuerungselektronik und
einer Signal- und Stromverteilungskomponente als elektrischer Verbindung
zwischen der zentralen Steuerungselektronik und peripheren Komponenten
vorgeschlagen, bei dem der Schaltungsträger mit der Signal- und Stromverteilungskomponente
elektrisch und mechanisch in einem Überlappungsbereich verbunden
ist und der Gehäusedeckel
auf dem Schaltungsträger
und/oder auf der Signal- und Stromverteilungskomponente derart angeordnet
ist, dass er umlaufend mit dem Schaltungsträger und/oder der Signal- und
Stromverteilungskomponente verbunden ist.
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Mit
anderen Worten kann nun erfindungsgemäß anstelle einer mehrschichtigen
Keramik ein deutlich preisgünstigerer
Leiterplattenaufbau als Schaltungsträger eingesetzt werden, der
weiterhin die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungseinheit
trägt und
zudem die Ableitung der durch die Leistungseinheiten erzeugten Wärme sicherstellt. Der
Einsatz teurer keramischer Schaltungsträger wie beispielsweise LTCCs
(Low Temperature co-fired Ceramics), keramische Dickschichtsubstrate
oder HTCCs (High Temperature co-fired Ceramics) und deren Anbindung
mittels starrer oder flexibler Leiterplatten an die peripheren Komponenten
ist damit nicht mehr notwendig, kann jedoch mit dem erfindungsgemäßen Gehäusekonzept
dennoch kostengünstig
und vereinfacht vorgenommen werden. Durch das erfindungsgemäße Konzept
kann vorteilhaft die Außenkontur
des elektronischen Bauteils durch einen Stanzprozess variabel an
die applikationsspezifischen Vorgaben angepasst werden. Hin sichtlich
der Signal- und Stromverteilungskomponente kann neben der Realisierung
von Kreuzungen und sehr feiner Leiterbahnstrukturen auch eine flächenoptimierte
Struktur mit einer hohen Anzahl von Anschlusskontakten bereitgestellt
werden.
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Es
können
als Signal- und Stromverteilungskomponenten erfindungsgemäß beispielsweise
vergleichsweise kostengünstige
PCB-Leiterplatten (Printed
Circuit Bords) eingesetzt werden. Gleichermaßen ist es möglich, als
Signal- und Stromverteilungskomponente mehrlagige flexible Leiterplatten einzusetzen.
Die Signal- und Stromverteilungskomponente ist bevorzugt zwei- oder
mehrlagig. So kann bevorzugt eine zweilagige PCB-Leiterplatte mit einem elektrisch isolierenden
Kern und einer Kupferbeschichtung eingesetzt werden.
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Besonders
bevorzugt wird eine doppelseitige PCB zur Signal- und Stromverteilung an beispielsweise
Stecker, Sensoren oder Aktuatoren eingesetzt, die aus einem elektrisch
isolierenden Kern und einer beidseitig aufgebrachten leitenden Beschichtung,
bevorzugt aus Kupfer, aufgebaut ist. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen können offene
Leiterbahnbereiche durch einen Lötstopplack
abgedeckt werden.
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Dieser
Aufbau ist relativ dünn
und ermöglicht vorteilhafterweise
die Ausbildung von dreidimensionalen Strukturen durch Biegen einzelner
PCB-Bereiche. Dies ist für
einen Einsatz beispielsweise in einem Getriebe sehr hilfreich, da
unter anderem verschiedene Kontaktierlevel erforderlich sind. Gleichzeitig
sind im Gegensatz zu einlagigen flexiblen Leiterplatten zudem Kreuzungen
der Verteilungspfade möglich.
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Weiterhin
bevorzugt weist die mehrlagige Signal- und Stromverteilungskomponente
ihrerseits verschiedene Kontaktstellen zur elektronischen Anbindung
der peripheren Komponenten auf. Wie vorstehend bereits beschrieben
können
sowohl Anschlüsse
für Stecker
als auch für
Sensoren, Ventile und andere Aktuatoren vorgesehen werden, was eine
große
Flexibilität
des Gesamtaufbaus des elektronischen Bauteils ermöglicht.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung kann die elektronische Anbindung
der außerhalb
des Gehäuses
liegenden Komponenten mittels Einpresstechnik, Löten und/oder Laserschweißen ausgeführt werden.
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Über so genannte
Pressfit-Pins in der Einpresstechnik kann eine variable, einfache
und sichere elektronische Verbindung zu den peripheren Komponenten
hergestellt werden. Gleichermaßen
bevorzugt kann diese Verbindung je nach Anforderung der Komponente
auch mittels Laserschweißen
hergestellt werden. Generell ist die Art der Verbindungsherstellung
nicht kritisch und kann nach den jeweiligen Voraussetzungen der
Komponenten und der vorhandenen Prozesseinrichtungen aus dem Fachmann
bekannten Verfahren ausgewählt
werden. So können die
Verbindungen lösbar
beispielsweise als Stecker oder nicht lösbar durch beispielsweise Löten oder Schweißen hergestellt
werden. Die Leiterplatte wird besonders bevorzugt direkt mit den
Signalgebern und -empfängern
(insbesondere Sensoren, Ventile, etc.) außerhalb des Gehäuses verbunden.
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Der
Schaltungsträger
kann einstückig
oder mehrstückig
ausgeführt
sein.
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Bevorzugt
ist der Schaltunsgsträger
erfindungsgemäß eine mehrlagige
PCB Leiterplatte, wobei durch partielle Tiefenfräsung flexible Bereiche in den
Randbereichen ausgebildet werden können, die eine Biegung dieser
Bereiche ermöglichen.
Die Tiefenfräsung
kann mittels Laserabtrag oder Fräsen
erfolgen. Sie kann den gesamten Randbereich des Schaltungsträgers bis
zu den Kanten umfassen. Gleichermaßen kann sie aber auch als
Nut ausgebildet werden, so dass an den Anschlussbereichen der Kanten
die PCB Leiterplatte in ursprünglicher
Dicke verbleibt. Auf diese Weise ist die nötige Flexibilität zur Ausbildung
der dreidimensionalen Strukturen gegeben, wobei gleichzeitig die
Bearbeitungszeiten durch das Fräsen
minimiert werden können.
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In
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
können
die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungselektronik in die
mehrlagige PCB-Leiterplatte des Schaltungsträgers innen liegend oder auf
der Oberfläche
integriert sein. Als elektronische Bauteile können beispielsweise gedruckte
Widerstände
oder Kapazitäten,
die auch als Leitungen oder Flächen
ausgeführt
sein können,
sowie Chips oder komplexe Chips (ICs) eingesetzt werden. Auch die
Verarbeitung von so genannten Bare-Chips, die gebondet werden, und
von gehäusten
Bauelementen, die geklebt oder gelötet werden, ist möglich. Auf
diese Weise sind eine erhöhte
Langzeitstabilität
und eine ausgezeichnete Anbindung an die Signal- und Potentialverteilungspfade des
Schaltungsträgers
gewährleistet.
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Bevorzugt
sind die elektronischen Bauteile mit dem Schaltungsträger vergossen,
was zum Beispiel mit Silgel oder anderen bekannten Vergussmassen
ausgeführt
wird.
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Die
elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungselektronik können bevorzugt
mittels Lötverfahren
oder Kleben auf der mehrlagigen Leiterplatte des Schaltungsträgers befestigt
und/oder kontaktiert sein. Das Lötverfahren
kann beispielsweise ein Reflow-Lötverfahren
sein.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
die elektronischen Bauteile der zentralen Steuerungselektronik darüber hinaus
mit der mehrlagigen Leiterplatte des Schaltungsträgers vergossen
sein.
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Diese
industriellen Verfahren lassen sich leicht automatisieren und damit
auch in bereits bestehende Prozesse eingliedern.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ein keramisches
Substrat als Schaltungsträger
eingesetzt werden. Auch in dieser Ausgestaltung können sehr
kostengünstige
PCB Leiterplatten als Signal- und Stromverteilungskomponenten verwendet
werden, die je nach Anforderung einstückig als Rahmen für das keramische
Substrat oder mehrstückig
eingesetzt wer den können.
Vorzugsweise werden in beiden Varianten zweilagige Leiterplatten mit
einem elektrisch isolierenden Kern und einer Kupferschicht verwendet.
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Die
mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und
der Signal- und Stromverteilungskomponente kann bevorzugt mittels
eines Lötprozesses
erreicht werden. Besonders bevorzugt können an dem Schaltungsträger dazu
an seiner Außenkontur
Aussparungen in Form von Halbhülsen
ausgebildet. Diese können
zur Verbesserung der Haltbarkeit und der elektrischen Kontaktierung
mit Kupfer beschichtet sein. Die Halbhülsen kommen dabei auf die Lötpads der
Signal- und Stromverteilungskomponente
zu liegen und sind mit einem geeigneten Lötverfahren, beispielsweise
Laserlöten
oder Kolbenlöten,
simultan verbindbar.
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Auch
Schweißen,
Crimpen, Draht-Bonden oder die Verwendung von Leitkleber ist als
Verbindungsmethode für
die beiden Komponenten möglich. Optional
kann die mechanische Verbindung auch entkoppelt von der elektrischen
Verbindung durch geeignete Maßnahmen,
wie Laminieren zum Beispiel mit Acrylkleberfolie oder über ein
Nut und Federprinzip, vorgenommen werden. Diese Maßnahmen
dienen gleichzeitig der verbesserten Abdichtung des Moduls nach
unten.
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Der
Gehäusedeckel
besteht bevorzugter Weise aus einem Stanzbiegeteil aus einem metallischen
Material, besonders bevorzugt ist er aus Aluminium.
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Es
wird damit eine Abdichtung des Elektronikraums nach oben beispielsweise
zum Getriebeöl
hin und eine gute EMV-Abschirmung
erreicht.
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Besonders
bevorzugt können
an den Randbereichen des Gehäusedeckels
Noppen oder andere Befestigungselemente ausgeprägt sein, die einen definierten
Sitz des Deckels sicherstellen.
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Bevorzugt
wird das erfindungsgemäße Gehäusekonzept
für eine
integrierte Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von mehreren
Ausführungsvarianten
in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
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In
diesen zeigt:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Gehäusekonzept einer
integrierten Steuerungselektronik, bei dem der Gehäusedeckel
vollständig
auf der Signal- und Stromverteilungskomponenten angeordnet ist,
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2 eine
schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Gehäusekonzept einer
integrierten Steuerungselektronik, bei dem der Gehäusedeckel
vollständig
auf dem Schaltungsträger
angeordnet ist,
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines alternativ ausgestalteten
Gehäusekonzepts
aus 1, und
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4 eine
schematische Detailansicht im Aufsatzbereich des Gehäusedeckels
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäusekonzepts.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Gehäusekonzept 1 einer
integrierten Steuerungselektronik. Ein Schaltungsträger 4 mit
an seiner Oberfläche
angeordneten elektronischen Bauteilen 12 ist mechanisch
und elektrisch in einem Überlappungsbereich 7 mit
einer Signal- und Stromverteilungskomponente 5 verbunden. Er
ist zudem vollständig
unter dem auf der Signal- und Stromverteilungskomponente aufsitzenden
Gehäusedeckel 2 angeordnet.
Das Gehäusekonzept umfasst
zudem einen Gehäuseboden 3,
der als Wärmesenke
sowie als zusätzliche
Abdichtung nach unten fungieren kann.
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2 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes Gehäusekonzept einer
integrierten Steuerungselektronik 1. Der Gehäusedeckel 2 sitzt
in dieser Aus gestaltung der Erfindung vollständig auf dem Schaltungsträger 4,
der oberhalb der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 angeordnet
ist. Der Schaltungsträger
weist an seiner Oberfläche
verschiedene elektronische Bauteile 12 auf. Auch hier kann
optional ein Gehäuseboden 3 vorgesehen
sein.
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines alternativ ausgestalteten
Gehäusekonzepts
aus 1. Hier ist in Abänderung des Aufbaus aus 1 der
Schaltungsträger 4 mit
den elektronischen Bauteilen 12 unterhalb der Signal- und
Stromverteilungskomponente 5 angebracht und mit dieser in
einem Überlappungsbereich 7 verbunden.
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4 zeigt
eine Detaildarstellung eines Querschnitts durch die Aufsatzfläche des
Deckels auf der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 für ein erfindungsgemäßes Gehäusekonzept 1.
Bevorzugt ist die Signal- und Stromverteilungskomponente 5 aus
einer mehrlagigen PCB-Leiterplatte aufgebaut, die einen elektrisch
isolierenden Kern und zwei darauf aufgebrachte Kupferbeschichtungen
aufweist. Alternativ kann gleichermaßen eine PCB-Leiterplatte mit
einem Kern und nur einer Kupferbeschichtung verwendet werden. Der
Aufsatzbereich 7 für
den in den 1 bis 3 gezeigten
Gehäusedeckel 2 ist
vorliegend genauer dargestellt. In der gezeigten Ausführungsform
sitzt der Deckel 2 sowohl auf der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 als
auch auf dem Schaltungsträger 4 in
deren Überlappungsbereich
auf. Die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den beiden
Komponenten Schaltungsträger 4 und
Signal- und Stromverteilung 5 wird über Löt- oder Klebe-Verbindungen und
Laminieren hergestellt. Im gezeigten Aufbau kann der Gehäusedeckel 2 zusätzlich als
Halteelement für
beide PCB-Komponenten dienen.
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Darüber hinaus
können
auch bei der Signal- und Stromverteilungskomponente 5 dreidimensionale
Strukturen beispielsweise durch Biegen mit oder ohne Tiefenfräsung ausgebildet
werden. Dadurch und durch die Möglichkeit
der Stanzung der Komponente ist eine flexible Anpassung an die applikationsspezifischen
Vorgaben zur Dimensionierung und zur Architektur gegeben.
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Zusammenfassend
wird demnach ein Gehäusekonzept
für eine
integrierte Steuerungselektronik vorgeschlagen, bei dem der Schaltungsträger mit der
Signal- und Stromverteilungskomponente elektrisch und mechanisch
verbunden ist und der Gehäusedeckel
auf dem Schaltungsträger
und/oder auf der Signalund Stromverteilungskomponente derart angeordnet
ist, dass er umlaufend mit dem Schaltungsträger und/oder der Signal- und
Stromverteilungskomponente verbunden ist.
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Die
Signal- und Potentialverteilungen ebenso wie die Trägereigenschaft
für die
elektronischen Bauteile können
von relativ preiswerten PCB-Leiterplatten übernommen werden, so dass ein
Einsatz von vergleichsweise teuren flexiblen Leiterplatten entfallen
kann. Gleichzeitig kann eine Verbesserung der EMV-Abschirmwerte
und der thermischen Wärmeableitung
der Leistungsabwärme
durch das erfindungsgemäße Gehäusekonzept
erzielt werden.
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Der
Montageprozess kann durch die Laminierung und Verlötung der
Schaltungsträger
mit der damit verbundenen Signal- und Stromverteilungskomponente
in einem Schritt deutlich verkürzt
werden.
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Die
Montage ist zudem leicht und kostengünstig in den Gesamtmontageprozess
einer elektronischen Vorrichtung integrierbar.