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Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere eine Halbleitervorrichtung mit einem in Gießharz eingekapselten Leistungshalbleiterelement.
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Die nicht vorveröffentlichte, gattungsbildende
DE 10 2009 045 063 A1 beschreibt ein Leistungshalbleitermodul mit einem Substrat und einem Kühlkörper, der aus einer kunststoffbasierten Spritzgussmasse gebildet ist und das Substrat unmittelbar kontaktiert. Auf dem Substrat ist ein Leistungshalbleiterchip angeordnet. Der Kühlkörper kann dabei an die Unterseite des Substrats angespritzt sein. Zusammen mit einem solchen mit dem Leistungshalbleitermodul verbindbaren Kühlkörperzusatz entsteht ein Leistungshalbleitermodulsystem mit einem Kühlmittelkanal zur Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels.
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JP 10-093 015 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung, bei der Spannungen in einer Isolationsschicht vermieden werden sollen, die sich zwischen einem Leiterrahmen und einem Kühlkörper befindet. Es wird vorgeschlagen, eine Platte mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit zwischen dem Halbleiterelement und dem Kühlkörper vorzusehen.
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In der Offenlegungsschrift
US 2002/0 109 211 A1 wird ein Leistungshalbleiterelement auf einen Leiterrahmen gelötet. Um die Wärmeableitung zu verbessern und gleichzeitig eine hohe Durchbruchsspannung zu gewährleisten, wird zwischen einem externen Kühlkörper und einem Metallblock, auf dem der Leiterrahmen angebracht ist, eine Isolationsschicht vorgesehen. Ferner ist der Metallblock mitsamt dem Leistungshalbleiterelement durch eine Vergussmasse umschlossen.
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US 2001/0 017 763 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für ein Leistungshalbleitermodul, das einen oberen und einen unteren Teil aufweist, die miteinander durch eine integrale Materialverbindung verbunden sind. Der obere Teil weist eine Kühlplatte aus einem Kompositmaterial auf und eine Halbleiterkomponente ist auf der oberen Platte angebracht. Ferner ist eine Metallumrandung integral mit der Kühlplatte verbunden, um eine integrale Metallverbindung zu dem unteren Teil zu schaffen. Leistungshalbleitervorrichtungen, wie beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), eine Diode, ein GTO (englisch: gate turn-off thyristor, Thyristor mit Gateabschaltung) und ein Transistor, werden unter Hochspannung mehrerer hundert Volt verwendet. Deshalb ist es notwendig, die Isolation bzw. Isolationsleistung innerhalb dieser Halbleitervorrichtung aufrecht zu erhalten. Folglich sind die meisten der Halbleitervorrichtungen so konfiguriert, dass jedes Halbleiterelement mit einem Isolationsharz versiegelt ist.
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Darüber hinaus ist, da die vorstehend beschriebene Halbleitervorrichtung allgemein in beträchtlichem Umfang Wärme erzeugt, diese häufig mit einer Wärmeableitvorrichtung, wie beispielsweise einer Kühlrippe und einer Wärmesenke zum Kühlen des die Hitze erzeugenden Elements ausgestattet.
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Beispielsweise offenbart die japanische Offenlegungsschrift
JP 2002-110 867 A eine Halbleitervorrichtung, in der ein Halbleiterelement, das durch einen Gießharz-Dichtungskörper bedeckt ist, erhitzt wird und in einem Druckbondverfahren auf der Isolationsschicht angebracht wird, die auf der Oberfläche aufgedruckt ist, auf der eine Kühlrippe angebracht ist. Das Halbleiterelement dieser Halbleitervorrichtung ist so konfiguriert, dass das Ende der Isolationsschicht in Draufsicht außerhalb des Endes des Leitungsrahmens in Draufsicht gelegen ist, d. h., dass die Isolationsschicht größer als der Leiterrahmen in Draufsicht ist. Folglich wird die Isolationsleistung bzw. die Isolationseigenschaft der Isolationsschicht aufrechterhalten.
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Darüber hinaus ist, beispielsweise, in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2005-235 992 A eine Halbleitervorrichtung offenbart, welche eine Konfiguration aufweist, in der ein Halbleitermodul mit einer Schraube an einer Wärmesenke angebracht ist. In der in jener Druckschrift offenbarten Halbleitervorrichtung sind zum Zweck des Befestigens des Halbleitermoduls auf der Wärmesenke eine rückfedernde Blattfeder und ein Verstärkungsprofil auf dem Halbleitermodul angebracht, durch welche eine Schraube zur Befestigung dieser Komponenten geführt ist. Die rückfedernde Blattfeder ist mit einem darin eingebrachten Schlitz ausgebildet, um die Flexibilität zu verbessern, durch welche die rückfedernde Blattfeder in der Richtung deformiert ist, in welcher die Schraube angezogen ist. Dies ermöglicht die Unterdrückung von Spannungskonzentration, welche aus der Feststellkraft der Feder resultiert, der Ungleichmäßigkeit der Feststellkraft und einer Beschädigung der rückfedernden Blattfeder.
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Beispielsweise wird, wie in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2002-110 867 A offenbart ist, das Halbleiterelement, das üblicherweise verwendet wird, allgemein mit einer Schraube auf der Wärmeableitplatte befestigt, welche auf der Kühlrippe unter Einsatz von Silikonfett angeklebt ist. Silikonfett wird aufgebracht, um die Wärmeableitplatte stabil auf der Kühlrippe zu befestigen. Jedoch ist Silikonfett bezüglich der thermischen Leitfähigkeit, beispielsweise im Vergleich zu Metallmaterial, unterlegen. Aus diesem Grund kann die Verwendung von Silikonfett eine Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit zwischen der Wärmeableitplatte und der Kühlrippe hervorrufen. Folglich kann sich die Wärmeabfuhrleistung des Halbleiterelements, welches auf dem Silikonfett angeordnet ist, verschlechtern.
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Darüber hinaus wird bei der Halbleitervorrichtung, die in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 2005-235 992 A offenbart ist, die Wärmeabfuhrleistung in dem Fall, dass ein Halbleitermodul und eine Wärmesenke unter Einsatz einer Schraube befestigt sind, durch Verbessern des Anziehens/Feststellens derselben verbessert. Jedoch ist in jener Druckschrift nicht die Verbesserung der Isolationseigenschaft zwischen dem Halbleitermodul und der Wärmesenke offenbart.
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Darüber hinaus offenbart die japanische Offenlegungsschrift
JP 2005-235 992 A den Zustand des Bodens des Halbleitermoduls, offenbart jedoch nicht den Zustand innerhalb des Halbleitermoduls. Wenn das Modul einschließlich des Halbleiterelements vollständig mit Harz bedeckt ist, kann das Harz die Effizienz des Ableitens der Wärme vom Halbleiterelement verringern.
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Die Erfindung wurde im Licht der obigen Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung anzugeben, welche die Kühlleistung bzw. das Kühlverhalten für das Halbleiterelement verbessern kann, während die Isolationseigenschaft zwischen dem Halbleiterelement und der Komponente, welche an der Außenseite des Halbleiterelements befestigt ist, gewährleistet wird.
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Die Aufgabe wird durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung wird die Wärme, die von dem Halbleiterchip während seines Betriebs erzeugt wird, über den ersten und den zweiten thermischen Leiter mit hoher Effizienz zum Kühlkörper geleitet. Darüber hinaus erstreckt sich mindestens ein Teil des ersten thermischen Leiters über das Isolationsmaterial hinaus, das die Hauptoberfläche des Halbleiterchips bedeckt, ist jedoch nicht durch das Isolationsmaterial versiegelt. Dieser Teil des ersten thermischen Leiters, der nicht durch das Isolationsmaterial versiegelt ist, ermöglicht es, dass Wärme mit hoher Effizienz vom ersten thermischen Leiter zum Kühlkörper oder an die Umgebungsluft übertragen werden kann. Somit ist die Halbleitervorrichtung bezüglich der Ableitung der Wärme, die durch den Halbleiterchip erzeugt wird, ausgezeichnet.
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Darüber hinaus ist bei der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung ein Isolator zwischen dem ersten thermischen Leiter und dem zweiten thermischen Leiter angeordnet und mindestens eine der ersten und der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips ist mit einem Isolationsmaterial versiegelt. Dies ermöglicht die Verringerung der Möglichkeit, dass der Strom, welcher durch die Schaltung fließt, die in dem Halbleitechip integriert ist, nach außen durchtritt, beispielsweise zu einer Einheit zum Befestigen der Halbleitervorrichtung. Mit anderen Worten ermöglicht die Halbleitervorrichtung die Gewährleistung der Isolationsleistung bzw. die Isolationseigenschaft gegenüber der Außenseite. Somit ermöglicht die Halbleitervorrichtung der Erfindung die Verbesserung der Kühlleistung bzw. die Kühleigenschaft für den Halbleiterchip durch Wärmeableitung, während die Isolationseigenschaft gegen die Außenseite gewährleistet wird.
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Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist ein Schaltdiagramm einer Elektrode, die mit dem Halbleiterchip von 1 verbunden ist.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht der Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß einem Beispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß einem anderen Beispiel, das von demjenigen der 3 verschieden ist, in der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht der Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß einem Beispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung.
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht der Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß einem anderen Beispiel der dritten Ausführungsform der Erfindung, welches verschieden von demjenigen von 5 ist.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Mit Bezug auf 1 umfasst die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ein Vorrichtungskomponententeil 1 und ein Kühlkörperkomponententeil 5 (Kühlkörper). Das Vorrichtungskomponententeil 1 umfasst einen Halbleiterchip 2, einen thermischen Leiter 21 (zweiter thermischer Leiter), einen Isolator 22, einen thermischen Befestigungsleiter 23 (erster thermischer Leiter) und einen Formkörper 3 (Isolationsmaterial). Diese Komponenten sind in der Reihenfolge gestapelt: thermischer Befestigungsleiter 23, Isolator 22, thermischer Leiter 21 und Halbleiterchip 2.
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Der Halbleiterchip 2 ist aus einem Substrat aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, hergestellt. Der Halbleiterchip 2 weist eine erste Hauptoberfläche auf, auf der eine Anzahl an Leistungshalbleitervorrichtungen (Halbleiterelemente), wie beispielsweise ein IGBT, eine Diode, ein GTO und ein Transistor, ausgebildet ist. Der thermische Leiter 21 ist eine Komponente mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt ist und dazu dient, den Halbleiterchip 2 und den Isolator 22 zu verbinden. Der Isolator 22 ist beispielsweise aus Epoxidharz hergestellt. Der thermische Befestigungsleiter 23 ist eine Komponente zum Befestigen des Vorrichtungskomponententeils 1 und des Kühlkörperkomponententeils 5 aneinander. Wie der thermische Leiter 21 ist der thermische Befestigungsleiter 23 eine Komponente mit hoher thermischer Leitfähigkeit und ist beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder dergleichen hergestellt.
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Dementsprechend ist der Isolator 22 so angeordnet, dass er zwischen den thermischen Leiter 21 und den thermischen Befestigungsleiter 23 geschichtet ist. Dies ermöglicht es, dass die Wärme innerhalb des Isolators 22 unmittelbar zum thermischen Leiter 21 und dem thermischen Befestigungsleiter 23 geleitet wird. Darüber hinaus ist der thermische Befestigungsleiter 23 mit einem Kühlkörperkomponententeil 5 verbunden.
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Dementsprechend wird beispielsweise die Wärme, die durch den Betrieb des Halbleiterelements des Halbleiterchips 2 erzeugt wird, zunächst zum thermischen Leiter 21 übertragen und weiter durch den thermischen Befestigungsleiter 23 an das Kühlkörperkomponententeil 5 übertragen und dann durch das Kühlkörperkomponententeil 5 gekühlt. Auf diese Weise wird das Vorrichtungskomponententeil 1 einschließlich des Halbleiterchips 2 vollständig gekühlt. Deshalb wird, selbst wenn der Halbleiterchip 2 während seines Betriebs Wärme erzeugt, die Wärme durch das Kühlkörperkomponententeil 5 abgeleitet. Mit anderen Worten dienen der thermische Leiter 21 und der thermische Befestigungsleiter 23 jeweils als Kühlkörper für den Halbleiterchip 2, wodurch die vom Halbleiterchip 2 erzeugte Wärme effektiv zum Kühlkörperkomponententeil 5 befördert wird.
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Es ist vorzuziehen, dass das Kühlkörperkomponententeil 5 eine Struktur aufweist, die aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt ist, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Es ist auch vorzuziehen, dass das Kühlkörperkomponententeil 5 eine Konfiguration aufweist, gemäß der beispielsweise das Kühlwasser durch einen inneren Abschnitt 50 des Kühlkörpers fließt, um hierdurch die Wärme, welche vom Halbleiterchip 2 durch den thermischen Leiter 21, den Isolator 22 und den thermischen Befestigungsleiter 23 zum Kühlkörperkomponententeil 5 übertragen wird, abzuleiten.
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Das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 sind mit einem Bolzen 9 (Befestigungselement) befestigt. Insbesondere sind der thermische Befestigungsleiter 23 und das Kühlkörperkomponententeil 5 mit dem Bolzen 9 befestigt. Es ist vorzuziehen, dass der thermische Leiter 21 und der Isolator 22 jeweils die Form einer näherungsweise flachen Platte aufweisen, wohingegen der thermische Befestigungsleiter 23 eine Struktur aufweist, gemäß welcher der untere Abschnitt bezüglich der Fläche größer ist als der obere Abschnitt in Draufsicht, wie nachstehend noch beschrieben wird.
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Der thermische Befestigungsleiter 23 ist an seinem unteren Abschnitt mit dem Bolzen 9 am Kühlkörperkomponententeil 5 befestigt. Deshalb ist der thermische Befestigungsleiter 23 an seinem unteren Abschnitt mit einem Durchgangsloch 4 versehen, durch das der Bolzen 9 verläuft.
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Darüber hinaus wird beispielsweise eine Flüssigkeitsdichtung 7 zwischen die Unterseitenoberfläche des thermischen Befestigungsleiters 23, d. h. einer Verbindungsoberfläche 6, die dem Kühlkörperkomponententeil 5 zugewandt ist, und die obere Oberfläche des Kühlkörperkomponententeils 5, welche der Verbindungsoberfläche 6 zugewandt ist, gesetzt. Die Flüssigkeitsdichtung 7 ermöglicht es, dass zwischen dem Vorrichtungskomponententeil 1 (thermischer Befestigungsleiter 23) und dem Kühlkörperkomponententeil 5 die Luftdichtigkeit aufrechterhalten wird. Zusätzlich kann, um die Luftdichtigkeit zwischen der Verbindungsoberfläche 6 und der oberen Oberfläche des Kühlkörperkomponententeils 5 aufrecht zu erhalten, beispielsweise ein O-Ring aus Gummi anstelle der Flüssigkeitsdichtung 7 eingesetzt werden.
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Um das Halbleiterelement, das auf der ersten Hauptoberfläche des Halbleiterchips 2 ausgebildet ist, elektrisch mit der Schaltung zu verbinden, welche außerhalb der Halbleitervorrichtung liegt, werden eine Signalelektrode, eine Kollektorelektrode und eine Emitterelektrode verbunden. Mit Bezug auf 2 ist die Signalelektrode äquivalent zu einer Basiselektrode eines Bipolartransistors und die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode sind äquivalent zu einer Kollektorelektrode bzw. einer Emitterelektrode des Bipolartransistors.
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Jede der vorstehend erwähnten Elektroden und das Halbleiterelement des Halbleiterchips 2 können miteinander elektrisch durch Ultraschallbonden unter Einsatz eines Bonddrahts 12 verbunden werden, welcher beispielsweise aus Gold, Aluminium, Kupfer oder dergleichen ausgebildet ist. Alternativ dazu können diese auch beispielsweise durch ein Lot 13 miteinander verbunden werden.
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Der obere Bereich sowohl des Halbleiterchips 2 als auch des thermischen Leiters 21 als auch des Isolators 22 als auch des thermischen Befestigungsleiters 23 im Vorrichtungskomponententeil 1 ist mit dem Formkörper 3 bedeckt. Der Formkörper 3 aus Harzmaterialien, wie beispielsweise Epoxidharz oder Urethanharz, ist so ausgebildet, dass er jede Komponente des Vorrichtungskomponententeils 1, einschließlich des Halbleiterchips 2, beispielsweise gegen das Kühlkörperkomponententeil 5 isoliert, welches außerhalb des Vorrichtungskomponententeils 1 angeordnet ist.
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Jedoch bedeckt der Formkörper 3 nicht den unteren Abschnitt des thermischen Befestigungsleiters 23, insbesondere den Bereich, in dem das Durchgangsloch 4 ausgebildet ist und der nahe am Abschnitt liegt, welcher durch den Bolzen 9 mit dem Kühlkörperkomponententeil 5 verbunden ist (den Enden auf der rechten und linken Seite in der Querschnittsansicht von 1). In diesem Bereich liegen sowohl die obere Oberfläche (die Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Verbindungsoberfläche 6) als auch die Verbindungsoberfläche 6 frei. Darüber hinaus ist ein Teil der Verbindungsoberfläche 6 durch die Flüssigkeitsdichtung 7 am Hauptkörper des Kühlkörperkomponententeils 5 befestigt.
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Nun wird die Form des thermischen Befestigungsleiters 23 beschrieben. Die Fläche des oberen Teils des thermischen Befestigungsleiters 23 (die dem Isolator 22 zugewandte Seite) ist in Draufsicht etwa gleich der Fläche des Isolators 22 oder des thermischen Leiters 21 in Draufsicht. Im Gegensatz dazu ist die Fläche des unteren Teils des thermischen Befestigungsleiters 23 (die Seite, welche dem Kühlkörperkomponententeil 5 zugewandt ist) in Draufsicht größer als die Fläche des unteren Teils desselben in Draufsicht. Dementsprechend bedeckt der Formkörper 3 den oberen Teil sowohl des Halbleiterchips 2 als auch des thermischen Leiters 21, des Isolators 22 und des thermischen Befestigungsleiters 23, bedeckt jedoch nicht den unteren Teil des thermischen Befestigungsleiters 23.
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Mit anderen Worten steht, da der untere Teil des thermischen Befestigungsleiters 23 bezüglich der Fläche größer ist als der obere Teil des thermischen Befestigungsleiters 23 in Draufsicht, dieser über den äußeren Umfang des Formkörpers 3 nach außen vor. Deshalb liegt mindestens ein Teil der Fläche (obere Oberfläche) des unteren Teils des thermischen Befestigungsleiters 23, der sich in die Richtung entlang der ersten und der zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterchips 2 erstreckt, zur Außenseite frei. Zusätzlich ist die andere Hauptoberfläche (Verbindungsoberfläche 6) auf der gegenüberliegenden Seite des vorstehend erwähnten Teils dem Kühlkörperkomponententeil 5 zugewandt oder ist in Kontakt mit der Flüssigkeitsdichtung 7. Mit anderen Worten ist der thermische Befestigungsleiter 23 an seinem unteren Teil mit einem Bereich versehen, an dem die obere Oberfläche und die Verbindungsoberfläche 6 nicht durch den Formkörper 3 bedeckt sind und sich aus dem Formkörper 3 nach außen erstrecken.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein keilförmiger Bereich 25 in einem Teil der Oberfläche in dem Bereich ausgebildet ist, in dem der obere Teil und der untere Teil des thermischen Befestigungsleiters 23 miteinander verbunden sind. Der keilförmige Bereich 25 bedeutet einen Bereich, der so konfiguriert ist, dass eine Kerbe im Querschnitt ausgebildet ist (d. h. eine Ausnehmung ist im Querschnitt ausgebildet), um die Fläche in Draufsicht zu verringern.
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Der Formkörper 3 ist so ausgebildet, dass er den keilförmigen Bereich 25 bedeckt. Dementsprechend ist es vorzuziehen, dass der Formkörper 3 so ausgebildet ist, dass er die Ausnehmung im keilförmigen Bereich 25 füllt.
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Es ist anzumerken, dass die während des Betriebs des Halbleiterchips erzeugte Wärme etwa 150°C bis 175°C maximal beträgt, was in Bezug auf die Temperatur, bei der das Lot 13 schmilzt, ausreichend niedrig ist. Dies ermöglicht das Eliminieren der Möglichkeit, dass die vom Halbleiterchip 2 erzeugte Wärme eine Beschädigung der Verbindung der Emitterelektrode und dergleichen durch das Lot 13 hervorruft.
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Nunmehr werden die Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform beschrieben.
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Die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform ist so konfiguriert, dass sie einen Bereich (unterer Abschnitt) des thermischen Befestigungsleiters 23 aufweist, in dem sowohl die obere Oberfläche als auch die Verbindungsoberfläche 6 nicht durch den Formkörper 3 bedeckt sind, sondern frei liegen. Dementsprechend steht dieser Bereich in direktem Kontakt mit der umgebenden Luft mit dem Ergebnis, dass die Effizienz des Ableitens der Wärme vom thermischen Befestigungsleiter 23 in diesem Bereich verbessert wird.
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Alternativ gibt es auch einen Bereich, wie beispielsweise einen Teil der Verbindungsoberfläche 6, der in Kontakt mit der Flüssigkeitsdichtung 7 steht, um hierdurch direkte Übertragung der Wärme an den Hauptkörper des Kühlkörperkomponententeils 5 zu ermöglichen. Deshalb kann die Effizienz der Abfuhr der Wärme, die durch den Halbleiterchip 2 erzeugt wird, verbessert werden, beispielsweise im Vergleich zu dem Fall, in dem das Vorrichtungskomponententeil 1, das den thermischen Befestigungsleiter 23 umfasst, vollständig mit dem Formkörper 3 bedeckt ist. Folglich kann jegliche Beschädigung und dergleichen, die durch das Überhitzen des Halbleiterchips 2 hervorgerufen wird, unterdrückt werden.
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Darüber hinaus wird bei der Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform, wenn beispielsweise die während des Betriebs des Halbleiterchips 2 erzeugte Wärme den thermischen Befestigungsleiter 23 durch den thermischen Leiter 21 und dergleichen erreicht, die Wärme abgeführt, indem das Kühlkörperkomponententeil 5, das zum unteren Abschnitt des thermischen Befestigungsleiters 23 gerichtet ist, gekühlt wird. Der untere Abschnitt des thermischen Befestigungsleiters 23 wird beispielsweise mit kaltem Wasser in Kontakt gebracht, das durch den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers fließt, was zur Kühlung des thermischen Befestigungsleiters 23 führt. Da das Vorrichtungskomponententeil 1 vollständig mit hoher Effizienz gekühlt wird, kann jegliche Beschädigung und dergleichen, die durch das Überhitzen des Halbleiterchips 2 hervorgerufen wird, unterdrückt werden.
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Darüber hinaus sind in dieser Ausführungsform das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 durch den Bolzen 9 miteinander verbunden, jedoch nicht durch Silikonfett, zum stabilen Befestigen beider Komponententeile. Dementsprechend wird es möglich, eine Verringerung der Effizienz der Wärmeableitung zu unterdrücken, welche aufgrund aufgebrachten Silkonfetts in dem Wärmeableitungspfad auftritt, der sich vom Halbleiterchip 2 zum Kühlkörperkomponententeil 5 erstreckt.
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Im Gegensatz dazu sind in der Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Halbleiterchip 2, der thermische Leiter 21, der Isolator 22 und dergleichen, welche das Vorrichtungskomponententeil 1 bilden, mit Ausnahme eines Teils des thermischen Befestigungsleiters 23 mit einem isolierenden Harzmaterial (Formkörper 3) bedeckt. Darüber hinaus ist der Isolator 22 zwischen den thermischen Leiter 21 und den befestigenden thermischen Befestigungsleiter 23 geschichtet. Dementsprechend wird es möglich, das Auftreten von Fehlern und Ausfällen zu unterdrücken, beispielsweise das Austreten von Strom, welcher durch die im Halbleiterchip 2 enthaltene Schaltung fließt, zur Außenseite der Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise dem Substrat oder dergleichen zum Befestigen der Halbleitervorrichtung, wodurch ein Einfluss auf den Betrieb der externen Schaltung und dergleichen ausgeübt wird, die mit dem Halbleiterelement verbunden ist.
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Somit ist die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform so konfiguriert, dass der größte Teil des Vorrichtungskomponententeils 1 durch den isolierenden Formkörper 3 bedeckt ist, während ein Teil des Vorrichtungskomponententeils 1 nicht durch Formkörper 3 bedeckt ist, sondern nach außen frei liegt oder direkt durch das Kühlkörperkomponententeil 5 gekühlt wird. Darüber hinaus ist die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform auch so konfiguriert, dass der Halbleiterchip 2 auf der Stapelstruktur, welche die beiden thermischen Leiter und einen zwischen diese thermischen Leiter geschichteten Isolator umfasst, gestapelt ist. Wie vorstehend beschrieben, weist diese Halbleitervorrichtung eine Konfiguration auf, die sowohl die Verbesserung der Isolationsleistung zur Außenseite hin als auch der Wärmeableitleistung des Hauptkörpers ermöglicht.
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Darüber hinaus ist bei der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung der keilförmige Bereich 25 in einem Teil der Oberfläche des thermischen Befestigungsleiters 23 ausgebildet. Zusätzlich ist der Formkörper 3 so ausgebildet, dass er die Ausnehmung im keilförmigen Bereich 25 ausfüllt. Folglich wird die Haftung des Formkörpers 3 an der Oberfläche des thermischen Befestigungsleiters 23 verbessert, was zu einer weiteren Verbesserung der Isolationsleistung zwischen dem Vorrichtungskomponententeil 1 und dem Kühlkörperkomponententeil 5 führt.
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Darüber hinaus dient in dieser Ausführungsform die Flüssigkeitsdichtung 7 dazu, die Luftdichtigkeit des Innenabschnitts 50 des Kühlkörpers in der Nähe des Bolzens 9 und des Durchgangslochs 4, wo das Vorrichtungskomponententeil 1 und der Kühlkörperkomponententeil 5 miteinander verbunden sind, aufrecht zu erhalten. Dies ermöglicht die Unterdrückung der Verringerung der Effizienz zum Kühlen des thermischen Befestigungsleiters 23, die beispielsweise aus dem Austritt kalten Wassers, das durch den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers fließt, und der in den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers eintretenden Außenluft resultiert.
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Zweite Ausführungsform
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Art, in der das Vorrichtungskomponententeil und das Kühlkörperkomponententeil miteinander verbunden sind. Die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
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Mit Bezug auf 3 ist die Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform bezüglich der Konfiguration näherungsweise identisch zur Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Jedoch sind in dieser Ausführungsform der thermische Befestigungsleiter 23 und das Kühlkörperkomponententeil 5 in einem Verbindungsabschnitt 29 (einer Schweißnaht) miteinander verschweißt.
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Der thermische Befestigungsleiter 23 und das Kühlkörperkomponententeil 5 sind jeweils mit einem Vorsprung versehen, der sich in 3 in Vertikalrichtung erstreckt, um diese Komponenten zu verschweißen. Insbesondere sind der thermische Befestigungsleiter 23 und das Kühlkörperkomponententeil 5 mit einem Vorsprung 11 des thermischen Leiters bzw. einem Kühlkörpervorsprung 8 versehen.
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Zusätzlich ist, wie in der ersten Ausführungsform, der thermische Befestigungsleiter 23 so konfiguriert, dass der obere Abschnitt bezüglich seiner Fläche größer ist als der untere Abschnitt in Draufsicht, und der untere Abschnitt steht in seitlicher Richtung aus dem Formkörper 3 nach außen vor. Darüber hinaus ist der thermische Befestigungsleiter 23 so konfiguriert, dass er die unterste Oberfläche aufweist (den Bereich entsprechend der Verbindungsoberfläche 6 von 1), wobei ein Teil derselben (die Enden auf der rechten und der linken Seite in der Querschnittsansicht von 1) gegen einen Teil des Hauptkörpers des Kühlkörperkomponententeils 5 gerichtet ist (mit diesem verbunden oder mit diesem in Kontakt ist), wohingegen ein anderer Teil desselben (der Zentrumsabschnitt in der Querschnittsansicht von 1) gegen den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers gerichtet ist und in Kontakt mit kaltem Wasser und dergleichen gebracht wird, das durch den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers fließt. Mit anderen Worten kann in 3 die unterste Oberfläche des thermischen Befestigungsleiters 23 mit dem Kühlkörperkomponententeil 5 verschweißt sein oder auch nicht.
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Auch in dieser Ausführungsform werden Materialien eingesetzt, die ähnlich denjenigen der Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform sind. Mit anderen Worten ist der Hauptkörper sowohl des Kühlkörperkomponententeils 5 als auch des thermischen Befestigungsleiters 23 eine Struktur, die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gemacht ist. Dementsprechend werden die Hauptkörper des Vorsprungs 11 des thermischen Leiters und des Kühlkörpervorsprungs 8 erhitzt und durch Schweißen am Verbindungsabschnitt 29 direkt miteinander verbunden.
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Zusätzlich beträgt die während des Betriebs des Halbleiterchips 2 erzeugte Wärme höchstens etwa 150°C bis 175°C, was im Vergleich mit der Temperatur, bei der der Bereich schmilzt, welcher am Verbindungsabschnitt 29 verschweißt ist, ausreichend groß ist. Dies ermöglicht die Eliminierung der Möglichkeit, dass die vom Halbleiterchip 2 erzeugte Wärme eine Beschädigung der Verbindung am Verbindungsabschnitt 29 hervorruft.
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Da die Konfiguration dieser Ausführungsform fast gleich derjenigen der ersten Ausführungsform ist, mit Ausnahme der oben beschriebenen Merkmale, werden die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen in 3 gekennzeichnet, wobei deren Beschreibung nicht wiederholt wird.
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Die Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform werden nachstehend beschrieben. Zusätzlich zu jedem Effekt der ersten Ausführungsform weist diese Ausführungsform die nachstehend beschriebenen Effekte auf.
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In dieser Ausführungsform sind das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 miteinander durch Schweißen verbunden, im Gegensatz zur Konfiguration, gemäß der das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 beispielsweise mit dem Bolzen 9 befestigt sind, wie in der ersten Ausführungsform. Dies eliminiert die Notwendigkeit, den Bolzen 9 zum Befestigen dieser Komponenten zu verwenden. Darüber hinaus wird bei dieser Ausführungsform der Bolzen 9 nicht verwendet, was auch die Notwendigkeit eliminiert, eine Flüssigkeitsdichtung 7 zwischen dem thermischen Befestigungsleiter 23 und dem Kühlkörperkomponententeil 5 anzuordnen. Deshalb kann die Anzahl an Komponenten, die für die Konfiguration der Halbleitervorrichtung erforderlich ist, verringert werden, mit dem Ergebnis, dass die Kosten für die Vorrichtung verringert werden können.
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Darüber hinaus wird in dieser Ausführungsform, wenn die unterste Oberfläche des thermischen Befestigungsleiters 23 mit einem Teil des Hauptkörpers des Kühlkörperkomponententeils 5 verbunden wird oder mit diesem in Kontakt gebracht wird, die Oberfläche des Kühlkörperkomponententeils 5 gekühlt, was bewirkt, dass der thermische Befestigungsleiter 23 gekühlt wird. Zusätzlich wird der Bereich des thermischen Befestigungsleiters 23, welcher zum Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers gerichtet ist, durch kaltes Wasser gekühlt, das durch den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers fließt. Dies ermöglicht eine Verbesserung des Effekts des leitens der Wärme, welche den thermischen Befestigungsleiter 23 erreicht und vom Halbleiterchip 2 durch den thermischen Leiter 21 und dergleichen übertragen wird.
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In dieser Ausführungsform sind das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 durch den Verbindungsabschnitt 29 miteinander verschweißt. Dementsprechend wird die Luftdichtigkeit des Innenabschnitts 50 des Kühlkörpers aufrecht erhalten, was die Unterdrückung der Verringerung der Kühleffizienz für den thermischen Befestigungsleiter 23 ermöglicht, welche beispielsweise aus dem Austritt von kaltem Wasser, das durch den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers fließt, und aus der Außenluft, die in den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers eintritt, resultiert.
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4 zeigt eine Modifikation der Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. In der Halbleitervorrichtung von 4 ist der thermische Befestigungsleiter 23 so konfiguriert, dass er eine untere Seite mit einer Fläche aufweist, die relativ klein ist, und zwar im Bereich, welcher gegen den Hauptkörper des Kühlkörperkomponententeils 5 gerichtet ist (mit diesem verbunden oder in Kontakt ist), und einer Fläche, die relativ groß ist, und zwar im Bereich, der zum Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers gerichtet ist, jeweils bezogen auf die Halbleitervorrichtung der 3. Da andere Merkmale gleich sind wie jene der Halbleitervorrichtung von 3, werden die gleichen Komponenten wie diejenigen von 3 durch die gleichen Bezugszeichen in 4 gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Wie bei der Halbleitervorrichtung von 4 kann eine solche Modifikation gemacht werden, dass das Verhältnis der Fläche im Bereich der unteren Seite des thermischen Befestigungsleiters 23, die gegen den Hauptkörper des Kühlkörperkomponententeils 5 gerichtet ist (mit diesem verbunden oder in Kontakt ist) in Bezug auf die Halbleitervorrichtung von 3 verringert ist. Selbst bei dieser modifizierten Konfiguration kann der thermische Befestigungsleiter 23 noch mit hoher Effizienz durch kaltes Wasser im Hauptkörper des Kühlkörperkomponententeils 5 und des Innenabschnitts 50 des Kühlkörpers gekühlt werden. Andere Wirkungen und Effekte der Halbleitervorrichtung von 4 sind gleich wie diejenigen der Halbleitervorrichtung von 3.
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Die zweite Ausführungsform dieser Erfindung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der Erfindung nur in den oben beschriebenen Merkmalen. Mit anderen Worten entsprechen alle Konfigurationen, Bedingungen, Verfahren, Effekte und dergleichen für die zweite Ausführungsform der Erfindung, die oben nicht beschrieben sind, denjenigen der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Dritte Ausführungsform
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Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Konfiguration des thermischen Befestigungsleiters 23. Die Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
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Mit Bezug auf 5 weist die Halbleitervorrichtung in dieser Ausführungsform näherungsweise die gleiche Konfiguration wie die Halbleitervorrichtung der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, auf. Jedoch ist in dieser Ausführungsform ein kammförmiger Abschnitt 51 (Vorsprünge), der sich in 5 in Vertikalrichtung erstreckt, im Bereich der unteren Oberfläche des thermischen Befestigungsleiters 23 ausgebildet, welcher nicht dem Hauptkörper des Kühlkörperkomponententeils 5 zugewandt ist (dem Mittelabschnitt in Horizontalrichtung in der Querschnittsansicht von 5).
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Der kammförmige Abschnitt 51 erstreckt sich so, dass er in 5 aus der Position auf der gleichen Höhe in Vertikalrichtung wie die Verbindungsoberfläche 6 entsprechend der unteren Seite des thermischen Befestigungsleiters 23 aus nach unten vorsteht. Andere Konfigurationen wie z. B. Materialien und dergleichen, welche den thermischen Befestigungsleiter 23 bilden, sind gleich wie in der ersten Ausführungsform. Dementsprechend werden die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen in 5 gekennzeichnet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Nun werden die Funktionen und Effekte dieser Ausführungsform beschrieben. Zusätzlich zu jedem Effekt der ersten Ausführungsform weist diese Ausführungsform die nachstehend beschriebenen Effekte auf.
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Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen darin, dass die untere Seite des thermischen Befestigungsleiters 23 nicht eben ist, sondern einen kammförmigen Abschnitt 51 hat, der darauf ausgebildet ist. Dementsprechend ist die Fläche der Oberfläche des Abschnitts des thermischen Befestigungsleiters 23, die gegen den Innenabschnitt 50 des Kühlkörpers gerichtet ist, größer als diejenige des thermischen Befestigungsleiters 23 der anderen Ausführungsformen. Deshalb ist die Fläche des Bereichs, der die Wärme des thermischen Befestigungsleiters ableiten (verteilen) kann, größer als diejenige des thermischen Befestigungsleiters 23 der anderen Ausführungsformen. Folglich sind in dieser Ausführungsform die Effekte des Ableitens der Wärme, welche durch den Halbleiterchip 2 erzeugt wird, weiter verbessert.
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6 zeigt eine Modifikation der Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Die Halbleitervorrichtung von 6 unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung von 5 dadurch, dass das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind, wie bei der Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform (gezeigt in 3). Da die anderen Merkmale gleich sind wie diejenigen der Halbleitervorrichtung von 5, sind die gleichen Komponenten wie diejenigen von 5 durch die gleichen Bezugszeichen in 6 gekennzeichnet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
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In der Halbleitervorrichtung gemäß dieser Ausführungsform, bei welcher der thermische Befestigungsleiter 23 mit dem kammförmigen Abschnitt 51 versehen ist, können das Vorrichtungskomponententeil 1 und das Kühlkörperkomponententeil 5 durch den Bolzen 9 verbunden sein, wie in 5 gezeigt, oder können durch Schweißen verbunden sein, wie in 6 gezeigt. Zusätzlich zu den Funktionen und Effekten der Halbleitervorrichtung von 5 weist die Halbleitervorrichtung von 6 die gleichen Funktionen und Effekte wie die Halbleitervorrichtung der zweiten Ausführungsform auf, die in 3 gezeigt ist.
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Die dritte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der Erfindung nur durch die vorstehend beschriebenen Merkmale. Mit anderen Worten entsprechen alle Konfigurationen, Bedingungen, Verfahren, Effekte und dergleichen für die dritte Ausführungsform der Erfindung, die nicht vorstehend angegeben sind, denjenigen der ersten Ausführungsform der Erfindung.
