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Die
Erfindung betrifft eine Mehrlagen-Leiterplatte mit einer eine erste Lage
bildenden Masselage und mit mindestens einer in einer zu der ersten
Lage beabstandeten zweiten Lage liegenden Takt- und/oder Signalleitung,
sowie mit Mitteln zum Erhöhen einer elektromagnetischen
Verträglichkeit.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrlagen-Leiterplatte,
wobei eine erste Lage als Masselage gebildet wird und in einer zweiten,
dazu beabstandeten Lage mindestens eine Takt- und/oder Signalleitung
angeordnet wird, und wobei Mittel zum Erhöhen einer elektromagnetischen Verträglichkeit
verwendet werden.
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Stand der Technik
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Leiterplatten
als Träger elektronischer Schaltungen werden zur Sicherstellung
der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) üblicherweise
so realisiert, dass zumindest die Masseverdrahtung als eine durchgehende
Lage beziehungsweise als Masselage ausgeführt wird. Hierzu
sind die sogenannten Mehrlagen-Leiterplatten mit mindestens zwei
Lagen erforderlich. Takt- und/oder Signalleitungen werden als Leiterbahnen
in einer zweiten Lage beabstandet zu der (durchgehenden) Masselage
als Bezugleiter geführt, sodass auftretende Rückströme über
die Masselage fließen. An die Mehrlagen-Leiterplatte angeschlossene
Leitungen (zum Beispiel über einen Steckerkontakt) werden üblicherweise
mit einem Abblock- beziehungsweise Filter-Kondensator zur Masselage
möglichst dicht am Anschlusspunkt versehen, um mögliche
hochfrequente Störsignale zu dämpfen. Die auf
der Masselage fließenden Rückströme der Takt-
und/oder Signalleitung können in alle über Kondensatoren
abgeblockte Leitungen gleichartig einkoppeln und von den Leitungen
abgestrahlt werden. Dieser Effekt wird als Gleichtakt-Abstrahlung
bezeichnet. Aus Gründen der Reziprozität können gleichartig
auf die Leitungen gestrahlte hochfrequente Felder nach dem gleichen
Prinzip in Takt- und/oder Signalleitungen auf der Mehrlagen-Leiterplatte
einkoppeln (Gleichtakt-Einstrahlung) und zu Störungen einer
auf der Mehrlagen-Leiterplatte realisierten Schaltung führen.
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Zum
Erhöhen der elektromagnetischen Verträglichkeit,
also zur Verringerungen der genannten Gleichtakt-Abstrahlung und/oder
Ausstrahlung sind unterschiedliche Mittel bekannt. Üblicherweise
wird die durchgehende Masselage möglichst entlang des gesamten
Umfangs der Mehrlagen-Leiterplatte möglichst gut mit einem
die Mehrlagen-Leiterplatte aufnehmenden Gehäuse elektrisch
kontaktiert. Dies wird in der Regel mittels eines sogenannten Klemmrandes
ermöglicht. Dieser besteht aus einem einige Millimeter
breiten, elektrisch leitfähigen Streifen auf der Ober-
und Unterseite vom Rand der Mehrlagen-Leiterplatte. Er ist üblicherweise
mittels zahlreichen, dicht beieinander liegenden Durchkontaktierungen
mit der durchgehenden Massefläche elektrisch verbunden,
die sich üblicherweise in einer der inneren Lagen der Mehrlagen-Leiterplatte
befindet. Die Mehrlagen-Leiterplatte wird häufigerweise
zwischen Gehäusehälften derart angeordnet, dass
sie einerseits in ihrer Position fixiert wird und andererseits die
Oberseite und die Unterseite des Klemmrandes mit jeweils einer Gehäusehälfte
in elektrischem Kontakt steht. Im Idealfall verläuft der
Klemmrand entlang des gesamten Umfangs der Mehrlagen-Leiterplatte.
Tatsächlich sind jedoch im Regelfall so viele Leitungen
an die Mehrlagen-Leiterplatte anzuschließen, dass eine
Seite des Gehäuses offen ist, um einen Steckverbinder zum
Anschluss der Leitungen aufzunehmen. Aus konstruktiven Gründen
ist die Ausführung des Klemmrandes im Bereich des Steckverbinders
relativ aufwendig, sodass der Klemmrand nur dreiseitig, nämlich
auf den beiden Querseiten und auf der dem Verbindungsstecker gegenüberliegenden
Seite vorgesehen ist. Darüber hinaus ist eine zuverlässige
und dauerhaft elektrische Kontaktierung des Klemmrandes auf seiner
gesamten Länge unsicher, da zum Einen die Gehäusehälften
nur mit wenigen Verschraubungen, zum Beispiel in den vier Ecken
eines rechteckigen Gehäuses, zusammengepresst werden, und
zum Anderen zusätzliche, in den Spalt zwischen den Gehäusehälften
eingebrachte Dichtungen den elektrischen Kontakt aufheben können,
und eine elektrische Verbindung des üblicherweise verzinnten
Klemmrandes mit den üblicherweise aus Aluminium bestehenden
Gehäusehälften dauerhaft nicht gewährleistet
werden kann.
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Aus
der Offenlegungsschrift
US 2004/0212971 A1 ist eine Mehrlagen-Leiterplatte
bekannt, die zwei direkt benachbarte Masselagen aufweist, über
denen jeweils eine Signalleitung verläuft. Hierbei wechselt
die Signalleitung über eine Durchkontaktierung die Lage
in der Mehrlagen-Leiterplatte. Zum Erhöhen der elektromagnetischen
Verträglichkeit ist koaxial zur Durchkontaktierung der
Signalleitung eine Durchkontaktierung der beiden benachbarten Masselagen
vorgesehen, sodass Signalreflektionen vermindert und eine Gleichtakt-Abstrahlung
reduziert wird. Dieses Mittel zur Erhöhung der elektromagnetischen
Verträglichkeit führt jedoch nur bei Signalleitungen,
die über eine Durchkontaktierung die Lage wechseln, zu
dem gewünschten Erfolg.
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Aus
der Offenlegungsschrift
US 2003/0021097 A1 geht weiterhin eine Mehrlagen-Leiterplatte
hervor, bei der eine Versorgungs- oder Masselage bestimmte Aussparungen
aufweist. Aufgrund dieser Aussparungen soll die Gleichtakt-Abstrahlung einer
gewissen Resonanz besonders ausgeprägt sein. Hierdurch
ist jedoch nur eine schmalbandige Dämpfung von Gleichtakt-Abstrahlungen
möglich. Darüber hinaus wird die Abstrahlung von
Signalleitungen nicht berücksichtigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass die Mittel zumindest eine Masseinsel umfassen,
die in einer zu der zweiten Lage beabstandeten dritten Lage liegt,
wobei sich die Takt- und/oder Signalleitung zwischen der Masselage
und der Masseinsel befindet und die Masseinsel mittels zumindest
einer Durchkontaktierung mit der Masselage elektrisch wirkverbunden
ist. Es ist also vorgesehen, dass die Mehrlagen-Leiterplatte mindestens
drei Lagen aufweist, wobei die erste Lage von der Masse als Masselage
gebildet ist, in der dritten Lage die Masseinsel liegt und zwischen
der Masseinsel und der Masselage in der zweiten Lage die Takt- und/oder
Signalleitung sowohl zu der Masselage als auch zu der dritten Lage
beabstandet angeordnet ist. Dabei sind die Masseinsel und die Masselage
mittels zumindest einer Durchkontaktierung elektrisch miteinander
wirkverbunden. Die erfindungsgemäße Mehrlagen-Leiterplatte
realisiert somit einen internen Abstrahl- beziehungsweise Einstrahlschutz.
Durch das Anordnen der Takt- und/oder Signalleitung zwischen der
Masseinsel und der Masselage kann sich zwischen der anregenden Takt-
und/oder Signalleitung und beispielsweise einer dieser zugewandten,
die Mehrlagen-Leiterplatte aufnehmenden Gehäusehälfte
keine magnetische Wellen ausbreiten. Stattdessen verlaufen erzeugte
magnetische Wellen zwischen der Takt- und/oder Signalleitung und
der Masseinsel und sind somit auf die Ausdehnung der Masseinsel
beschränkt. Durch die vorteilhafte Ausbildung der Mehrlagen-Leiterplatte kann
der sonst üblicherweise verwendete Klemmrand vollständig
entfallen, da nunmehr eine interne Einrichtung zum Schutz gegen
Gleichtakt-Einstrahlung beziehungsweise -ausstrahlung realisiert
ist. Dies hat den Vorteil, dass die Fläche der Mehrlagen-Leiterplatte
sowie die Abmessungen eines die Mehrlagen-Leiterplatte aufnehmenden
Gehäuses reduziert werden können. Darüber
hinaus entfällt die unsichere elektrische Kontaktierung
des Klemmrandes mit dem Gehäuse. Hierdurch werden die Anforderungen
an eine Mehrlagen-Leiterplattenbefestigung in dem Gehäuse
verringert.
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Vorteilhafterweise
sind mehrere, insbesondere möglichst viele Durchkontaktierungen
zwischen der Masseinsel und der Masselage vorgesehen. Insgesamt
wird durch die vorteilhaft ausgebildete Mehrlagen-Leiterplatte eine
besonders breitbandige Dämpfung der Gleichtakt-Abstrahlung
und -einstrahlung ermöglicht.
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Besonders
bevorzugt sind die Durchkontaktierungen entlang des Umfangs, besonders
bevorzugt entlang des gesamten Umfangs der Masseinsel angeordnet.
Auf diese Art und Weise wird um die abgeschirmte beziehungsweise
abzuschirmende Takt- und/oder Signalleitung eine Art Schutz-Käfig
gebildet, der sich besonders vorteilhaft auf die Gleichtakt-Abstrahlung
und -einstrahlung auswirkt und insbesondere das Ausbreiten elektromagnetischer
Wellen über den Umfang der Masseinsel hinaus verhindert.
Vorteilhafterweise sind die Durchkontaktierungen dabei gleichmäßig
verteilt über den gesamten Umfang der Mehrlagen-Leiterplatte
angeordnet. Wobei natürlich in den Bereichen, in denen
die Takt- und/oder Signalleitung sich über den Umfang der Masseinsel
hinaus erstreckt, keine Durchkontaktierungen vorgesehen sind, die
die Takt- und/oder Signalleitung schneiden würden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Masseinsel derartig geformt,
dass sie die Takt- und/oder Signalleitung vollständig überdeckt.
Hierdurch wird die elektromagnetische Verträglichkeit über
die gesamte Länge und Breite der Takt- und/oder Signalleitung
zuverlässig gewährleistet. Besonders bevorzugt überdeckt
die Masseinsel mehrere Takt- und/oder Signalleitungen vorzugsweise
vollständig. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Mehrlagen-Leiterplatte
liegt darin, dass keine zusätzlichen Bauelemente zur Erhöhung
der elektromagnetischen Verträglichkeit erforderlich sind.
Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und es fallen geringere Herstellungskosten
an. Durch den internen Schutz entfällt, wie bereits gesagt,
der Klemmrand und damit die Unsicherheit einer zuverlässigen
und dauerhaften elektrischen Verbindung zwischen der Masselage und
einem Gehäuse.
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Bevorzugt
ist die Masseinsel als durchgehende Masseinsel-Lage ausgebildet.
Mit anderen Worten bildet die Masseinsel eine gesamte Lage der Mehrlagen-Leiterplatte.
Dadurch werden alle zwischen der Masseinsel-Lage und der Masselage
befindlichen Takt- und/oder Signalleitungen überdeckt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Mehrlagen-Leiterplatte sieht vor, dass als Mittel zumindest eine
Masseinsel verwendet wird, die in einer dritten Lage beabstandet
zu der Takt- und/oder Signalleitung angeordnet und mittels zumindest
einer Durchkontaktierung mit der Masselage elektrisch wirkverbunden
wird, wobei die Takt- und/oder Signalleitung zwischen der Masselage
und der Masseinsel positioniert wird. Es werden also mehrere Lagen
gebildet, wobei die erste Lage die Masselage ist, in der zweiten
Lage die Takt- und/oder Signalleitung geführt wird und
in der dritten Lage die Masseinsel angeordnet wird, wobei die Lagen
jeweils beabstandet zueinander positioniert werden. Durch das vorteilhafte
Verfahren ergeben sich die oben zur Mehrlagen-Leiterplatte genannten
Vorteile, sodass diese hier nicht nochmals erläutert werden
sollen.
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Vorteilhafterweise
werden möglichst viele Durchkontaktierungen hergestellt,
die besonders bevorzugt entlang des gesamten Umfangs der Masseinsel
angeordnet werden.
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Zweckmäßigerweise
werden die Durchkontaktierungen gleichmäßig verteilt über
den gesamten Umfang angeordnet, sodass eine Art Schutz-Käfig erstellt
wird, der zu einer besonders breitbandigen Dämpfung der
Gleichtakt-Abstrahlung und -Einstrahlung führt.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die Masseinsel derartig geformt wird, dass
sie die Takt- und/oder Signalleitung vollständig überdeckt.
Sind mehrere Takt- und/oder Signalleitungen vorgesehen, wird die Masseinsel
vorteilhafterweise derart geformt, dass sie sämtliche Takt-
und/oder Signalleitungen vollständig überdeckt.
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Schließlich
ist vorgesehen, dass die Masseinsel als durchgehende Masseinsel-Lage
hergestellt wird, sodass die Masseinsel eine Masseinsel-Lage der
Mehrlagen-Leiterplatte bildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher
erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine
Mehrlagen-Leiterplatte in einer vereinfachten Schnittdarstellung,
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2 die
Mehrlagen-Leiterplatte in einer schematischen Draufsicht und
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3 beispielhafte
Frequenzgänge eines Gleichtaktstroms der Mehrlagen-Leiterplatte
im Vergleich zu einer bekannten Mehrlagen-Leiterplatte.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Mehrlagen-Leiterplatte 1 in
einer vereinfachten Schnittdarstellung. Die Mehrlagen-Leiterplatte 1 weist
eine durchgehende Masselage 2 auf, die die Masseverdrahtung
der Mehrlagen-Leiterplatte bildet. Die Masselage bildet eine erste
Lage 3 der Mehrlagen-Leiterplatte 1. Über
der Masselage 2 ist beispielhaft eine Taktleitung 4 in
einer zweiten Lage 5 angeordnet, wobei die Lage 3 und
die Lage 5 beabstandet zueinander liegen und im Wesentlichen
parallel zueinander ausgerichtet sind. In einer dritten Lage 6 ist
eine metallische Masseinsel 7 angeordnet, wobei die Lage 6 beabstandet
zu der Lage 5 und im Wesentlichen parallel dazu ausgerichtet
ist. Die Taktleitung 4 befindet sich somit zwischen der
Masseinsel 7 und der Masselage 2 und ist beabstandet
zu beiden angeordnet. Die Masseinsel 7 ist mittels mehreren Durchkontaktierungen 8 elektrisch
mit der Masselage 2 verbunden.
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Die 2 zeigt
die Mehrlagen-Leiterplatte 1 in einer schematischen Draufsicht
auf die Lage 5. Dargestellt sind somit die Taktleitung 4 sowie
die Durchkontaktierungen 8, wobei von Letzteren aufgrund
der Übersichtlichkeit nur einige mit Bezugszeichen versehen
sind. Die Durchkontaktierungen 8 sind über den
gesamten Umfang 9 der Masseinsel 7 gleichmäßig
verteilt angeordnet. Die Masseinsel 7 überdeckt
die Taktleitung 4 vollständig. Die Masseinsel 7 bildet
zusammen mit den Durchkontaktierungen 8 und der Massenlage 2 eine
Art Schutz-Käfig 10, der zu einer besonders breitbandigen
Dämpfung von Gleichtakteinstrahlungen beziehungsweise -ausstrahlungen
führt. Von der Taktleitung 4 erzeugte elektromagnetische
Wellen breiten sich somit nur innerhalb des Schutz-Käfigs 10 aus.
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Die
restliche Fläche der Lage 6, in der sich die Masseinsel 7 befindet,
kann für weitere Verdrahtungen/Leitungen wie gewohnt genutzt
werden. Zur Erhöhung der Dämpfung beziehungsweise
der elektromagnetischen Verträglichkeit werden möglichst viele
Durchkontaktierungen 8 entlang des kompletten Umfangs der
Masseinsel 7 gleichmäßig verteilt angeordnet.
Die Breite von Takt- und Signalleitungen, die einen definierten
Leitungswellenwiderstand aufweisen sollen, ist entsprechend zu modifizieren.
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Die
vorteilhafte Ausbildung der Mehrlagen-Leiterplatte 1 führt
vorteilhafterweise zu einem vollständigen Entfall des üblicherweise
vorgesehenen Klemmrandes und jeglicher elektrischer Kontaktierung
zwischen der Mehrlagen-Leiterplatte 1 und einem die Mehrlagen-Leiterplatte
aufnehmenden Gehäuse. Dadurch lassen sich nicht nur die
Gehäuseabmessungen verkleinern, sondern auch die Ausführung
des Gehäuses vereinfachen. So ist beispielsweise die übliche Konstruktion
aus zwei verschraubten Gehäusehälften nicht weiter
erforderlich. Stattdessen kann beispielsweise ein aus einem einzigen Teil
bestehendes Gehäuse in Form eines Bechers verwendet werden,
dass sich in einem Fließpress-Prozess kostengünstig
herstellen lässt. Die Masseinsel 7, ihre Anordnung
sowie die Anzahl und Anordnung der Durchkontaktierungen 8 bilden
hierbei wesentliche Mittel 11 zur Erhöhung der
elektromagnetischen Verträglichkeit der Mehrlagen-Leiterplatte 1.
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Die 3 zeigt
in einem Diagramm Frequenzgänge eines Gleichtaktstroms
|ICM|, der für ein stark vereinfachtes,
fiktives Steuergerät/Gehäuse mit einer Grundfläche
von beispielsweise 160 × 120 mm2 und
der Taktleitung 4, die ähnlich wie in 1 angeordnet
ist, numerisch berechnet wurde. Der Gleichstrom fließt
in die Taktleitung, die an einer offenen Gehäusekante (in
der Realität Position eines Steckverbinders) an die Masselage 2 angeschlossen
ist. Sie stellt ein Maß für die Gleichtakt-Abstrahlung
dar. Die 3 stellt einen Vergleich der
vorteilhaften Mehrlagen-Leiterplatte 1 mit einer herkömmlichen Mehrlagen-Leiterplatte
mit einem Klemmrand dar. Bei einem dreiseitig auf eine herkömmliche
Mehrlagen-Leiterplattenoberseite und -unterseite ideal angeschlossenem
Klemmrand steigt der Gleichtaktstrom ICM bis
zur ersten Resonanz bei etwa 600 MHz mit 40 dB/Dekade an, wie durch
eine Linie 12 dargestellt. Es liegt der aus der Literatur
bekannte, sogenannte „current driven common-mode effect"
vor. Dieser Frequenzgang dient hier als Referenz, obwohl er aus
den bereits genannten Gründen in der Praxis nicht sicher
erreicht werden dürfte. Im Rechenmodell wurde beispielhaft
eine Masseinsel von 40 × 40 mm2 gewählt
und mittig über der Taktleitung 4 angeordnet. Bei
einem Abstand von 10 mm der gleichmäßig am Rand
der Masseinsel 7 verteilten Durchkontaktierungen 8 (insgesamt
16 Stück) ergibt sich breitbandig eine deutliche Dämpfung
von dem Gleichtaktstrom und damit der Gleichtaktabstrahlung. Die
Dämpfung beträgt bis etwa zur ersten Resonanzfrequenz
von 600 MHz 32 dB und bei einem Frequenzbereich darüber
noch etwa 28 dB, wie durch eine Linie 13 dargestellt. Eine
noch größere breitbandige Dämpfung lässt
sich mit einem Abstand der Durchkontaktierungen von 5 mm zueinander
erreichen, wie durch eine Linie 14 dargestellt. Durch das
vollständige Überdecken der Taktleitung 4 mit
der Masseinsel 7 ist es möglich, dass die Taktleitung 4 innerhalb
dieser Fläche frei verdrahtet werden kann, sodass abgesehen von
der Masseinsel 7 selbst, keine zusätzlichen Einschränkungen
bei der Layout-Erstellung der Mehrlagen-Leiterplatte 1 zu
beachten sind. Die Funktion der Masseinsel 7 beruht darauf,
dass sich zwischen der anregenden Taktleitung 4 und einer
ihr zugewandten Gehäusehälfte (nur eine Gehäusehälfte
ist durch die durchgehende Masselage 2 geschirmt) keine
elektromagnetische Welle mehr ausbreiten kann, sondern diese Welle
zwischen Taktleitung 4 und der Masseinsel 7 verläuft
und damit auf die Ausdehnung der Masseinsel 7 beschränkt
bleibt.
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Weitere
Untersuchungen belegen, dass sich das aufgestellte Modell reziprok
verhält. Das heißt: Eine Spannungsquelle mit dem
Wert U0 am Beginn einer Signalleitung führt
zu einem Strom I in einer an die Masselage 2 angeschlossenen
Leitung, und dieselbe Spannungsquelle U0 führt
dann zwischen Masselage 2 und Leitung zum gleichen Strom
I durch die (unveränderte) Impedanz am Beginn der Signalleitung.
Dies bedeutet, dass sich mittels der vorteilhaften Ausbildung der
Mehrlagen-Leiterplatte auch die Gleichtakt-Einstrahlung verringert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2004/0212971
A1 [0005]
- - US 2003/0021097 A1 [0006]