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Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung sowie ein Verfahren zu deren Ausbildung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Es sind allgemein Elektronikanwendungen bekannt, welche verschiedene elektrische und/oder elektronische Bauelemente umfassen, die aufgrund einer erforderlichen Stromtragfähigkeit auf unterschiedlichen Trägersubstraten angeordnet werden müssen. Es ist dann erforderlich, die unterschiedlichen Teilschaltungen auf unterschiedlichen Trägersubstraten zu einer Gesamtschaltung elektrisch miteinander zu kontaktieren. Eine Lokigschaltung, beispielsweise zur Ansteuerung eines elektrisch kommutierten Antriebs, kann auf einer Leiterplatte ausgebildet sein, weil die dabei vorliegenden Ansteuerströme wertemäßig unterhalb einer Stromtragfähigkeit der Leiterplatte bleiben. Dagegen erfordert die Leistungsschaltung für den Antrieb ggf. bereits einen Hochstrom, welcher oberhalb der Stromtragfähigkeit der Leiterplatte liegt. Aus diesem Grund wird die Leistungsschaltung beispielsweise auf einem DBC-Substrat (DoubleBondedCopper) oder einem AMB-Substrat (ActiveMetalBrazing) angeordnet. Eine Verbindung von beiden Substrattypen miteinander ist mitunter schwierig. So ist ein Hochstromanschluss an die Leiterplatte aufgrund der begrenzten Stromtragfähigkeit ausgeschlossen. Zum anderen ist eine Verbindung an die Leiterplatte mittels eines Verfahrens mit hohem Energieeintrag, wie beispielsweise beim Bonden, Lasern oder Schwei-ßen, stets mit der Gefahr einer Beschädigung der Leiterplatte verbunden.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE19723409 A1 ist eine Elektronikschaltung aufweisende Leiterplatte bekannt. Die Elektronikschaltung umfasst auch ein Leistungsbauelement, welches mit einer Außenseite der Leiterplatte verlötet ist. Unterhalb des Leistungsbauelementes sind durch die Leiterplatte hindurch mehrere Durchkontaktierungen ausgebildet, welche eine Verlustwärme des Leistungsbauelements auf die andere Außenseite der Leiterplatte leiten. Von dort wird die Verlustwärme dann auf ein die Leiterplatte umschließendes Gehäuse übertragen. Hierfür ist die Leiterplatte in einem Randbereich zwischen zwei Gehäuseteilen eingespannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochstromanbindung an ein Trägersubstrat, insbesondere eine Leiterplatte, mit hohem Entwärmungsvermögen zu ermöglichen und dabei bei der Verbindungsausbildung eine Beschädigung der Leiterplatte auszuschließen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kontaktanordnung und ein Verfahren zu deren Ausbildung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Ausgegangen wird von einer Kontaktanordnung, umfassend ein Trägersubstrat und einen Kühlkörper, wobei auf einer ersten Außenseite des Trägersubstrates eine erste großflächige Leiterbahn und auf einer der ersten Außenseite gegenüberliegenden zweiten Außenseite des Trägersubstrates eine zweite großflächige Leiterbahn angeordnet ist. Dabei sind die erste großflächige Leiterbahn und die zweite großflächige Leiterbahn über wenigstens eine Durchkontaktierung wärmeleitend miteinander verbunden. Ferner ist das Trägersubstrat von der zweiten Außenseite aus mit einem definierten Spaltabstand wärmeleitend mit dem Kühlkörper verbunden, indem der vorliegende Spalt zwischen Trägersubstrat und Kühlkörper mit einem wärmeleitenden Füllstoff ausgefüllt ist und der Spalt durch einen zwischen dem Trägersubstrat und dem Kühlkörper angeordneten Anschlag eingestellt ist. Auf der ersten Außenseite des Trägersubstrates ist dann ein Hochstromkontaktelement mit der ersten großflächigen Leiterbahn stoffverbunden, beispielsweise mit einer Lot- oder Sinterverbindung. Damit bildet dieses für eine elektrische Kontaktverbindung einen schweißbaren, laserbaren und/oder bondbaren Kontaktbereich des Trägersubstrats aus. Eine großflächige Leiterbahn bedeutet im Zusammenhang mit der Erfindung das Vorliegen einer ausreichenden lateralen Erstreckung, durch welche sowohl die Anbindung von Durchkontaktierungen als auch die Anbindung des Hochstromkontaktelementes in der Fläche ermöglicht ist. Ferner ist zusammen mit der Leiterbahndicke eine erforderliche Hochstromtragfähigkeit sichergestellt, die für eine für die Anwendung der Kontaktanordnung vorgesehenen Hochstrom und dessen dauerhafte Stromführung ohne Beschädigung ausgelegt ist. In dem Kontaktbereich ist eine Schweiß-, Bond- oder Laserverbindung ausgebildet, umfassend ein, zwei oder mehr Verbindungselemente. Das Verbindungselement ist insbesondere ein Bonddraht, ein Bondbändchen, ein Clip oder ein Stanzgitter, beispielsweise aus Kupfer. Das eine, die zwei oder die mehreren Verbindungselemente ist/sind mit einer der ersten Außenseite des Trägersubstrats abgewandten Seite des Hochstromkontaktelementes schweißverbunden, bondverbunden oder laserverbunden.
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Vorteilhaft ist durch das Hochstromkontaktelement ein Hochstromanschluss für das Trägersubstrat ermöglicht. Das Hochstromkontaktelement ist derart ausgewählt, dass es eine Stromtragfähigkeit von >150 A Dauerstrom, bevorzugt >200 A, insbesondere von >250 A aufweist. Zeitgleich weist es eine hohe mechanische Materialfestigkeit auf, dass es auch für eine Verbindungsausbildung, welche einen hohen Energieeintrag erfordern, geeignet ist. Weiter vorteilhaft führt eine während der Verbindungsausbildung durch den Energieeintrag bedingte hohe Wärmeentwicklung zu keinen Schäden am Trägersubstrat, da die Wärme wirkungsvoll durch die Durchkontaktierung/-en bis zum Kühlkörper abgeführt werden kann. Gleiches gilt für eine im Betrieb erzeugte Verlustwärme bedingt durch einen in das Hochstromkontaktelement eingeleiteten Hochstrom.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Kontaktanordnung möglich.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Kontaktanordnung ergibt sich, indem das Trägersubstrat als ein Mehrlagensubstrat ausgebildet ist, wobei die zumindest eine Durchkontaktierung mit zumindest einer Innenlage des Mehrlagensubstrats elektrisch kontaktiert ist. Auf diese Weise kann der Hochstromanschluss für eine sehr kompakte Elektronikschaltung ausgebildet sein. Insbesondere können bei zwei oder mehr kontaktierten Durchkontaktierungen mindestens zwei Durchkontaktierung mit unterschiedlichen Innenlagen verbunden sein und damit auch die Ausbildung von komplexen Elektronikschaltungen ermöglichen.
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Besonders große Vorteile ergeben sich bei einer Ausführungsform, bei welcher das Trägersubstrat als FR4-Leiterplatte ausgebildet ist. Damit kann eine sehr kostengünstige Elektronikvorrichtung umfassend die Kontaktanordnung ausgebildet sein, welche zudem sehr einfach und betriebssicher mittels des Hochstromkontaktelementes mit zumindest einer auf einem anderen Trägersubstrat ausgebildeten Leistungsschaltung elektrisch verbunden ist.
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Eine sehr einfache Ausführungsform zeigt sich darin, dass das Hochstromkontaktelement als Stromschiene bzw. Busbar ausgebildet ist. Diese kann insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet sein. Zusätzlich kann sie eine Beschichtung aufweisen, welche die Ausbildung einer Lotverbindung oder Sinterverbindung zur ersten Außenseite des Trägersubstrates begünstigt. Die Beschichtung kann ebenso die Schweißeignung bzw. Bondeignung durch eine entsprechende Materialbeschaffenheit erhöhen. Die Stromschiene bzw. Busbar weist eine Dickenstärke auf, bei welcher im Falle einer Schweißverbindung eine schweißbedingte Schmelzzone sich nur bis in einen Teilbereich über die Dickenerstreckung reicht. Somit ist weder die erste großflächige Leiterbahn noch die Lot- oder Sinterverbindung mit dem Hochstromkontaktelement von der Schmelzzone erfasst. Zusätzlich ist die Dickenstärke darauf hin ausgewählt, eine mechanische Belastung durch einen Bondvorgang, beispielsweise einem Ultraschallbonden, schadfrei aufzunehmen. Die Stromschiene bzw. Busbar weist grundsätzlich bevorzugt eine Dickenstärke größer als 1 mm auf, insbesondere > 1,5 mm. Trotz einem hohen Energieeintrag mit einer mechanischen und/oder thermischen wirksamen Belastung ist ein Trägersubstrat, insbesondere eine Leiterplatte, mit einem Hochstromanschluss ausbildbar.
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Eine besondere Ausführungsform der Kontaktanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Durchkontaktierung, insbesondere eine Gruppe von Durchkontaktierung, im Kontaktbereich unmittelbar unterhalb des Hochstromkontaktelementes innerhalb des Trägersubstrates angeordnet ist/sind und als ein an das Hochstromkontaktelement elektrisch angebundener Hochstrompfad ausgebildet ist/sind. Die Durchkontaktierungen ermöglichen dabei einen besonders kurzen Wärmepfad bis zum dem mittelbaren über ein -bevorzugt als TIM-Material (ThermallnterfaceMaterial) ausgebildeten - wärmeleitenden Füllstoff angebundenen Kühlkörper. Es zeigt sich dabei vorteilhaft ein solches Entwärmungsvermögen, dass trotz einer Wärmeentwicklung durch einen im Betrieb fließenden Hochstrom eine Grenztemperatur auch im Falle einer Leiterplatte als Trägersubstrat nicht überschritten wird. Eine Optimierung bei dieser Ausführung zeigt sich dann, wenn der Kühlkörper eine zur zweiten Außenseite des Trägersubstrats zugewandte Grundseite aufweist, von der zwei Erhebungen als Anschläge für die Einstellung des Spaltabstands gegenüberliegend zum Kontaktbereich abstehen, so dass der Hochstrompfad zwischen den Erhebungen angeordnet ist, wobei die zweite Außenseite jeweils in einem isolierten Bereich außerhalb der zweiten großflächigen Leiterbahn auf die Erhebungen aufgesetzt ist. Damit ist auch sichergestellt, dass der Hochstrompfad und der Kühlkörper durch einen Isolationsbereich elektrisch getrennt sind. Zur Ausbildung einer solchen Ausführungsform der Kontaktanordnung wird/werden bevorzugt das eine, die zwei oder mehrere Verbindungselemente mittels einem Laserverfahren oder mittels eines Schweißverfahrens mit dem Hochstromkontaktelement verbunden.
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In einer alternativen Ausführungsform der Kontaktanordnung sind zumindest jeweils eine Durchkontaktierung, insbesondere jeweils eine Gruppe von Durchkontaktierungen, gegenüberliegend zum Kontaktbereich mit lateralem Versatz zum Hochstromkontaktelement innerhalb des Trägersubstrats angeordnet und mittels der ersten großflächigen Leiterbahn jeweils als ein an das Hochstromkontaktelement elektrisch angebundener Hochstrompfad ausgebildet. Durch die Aufteilung auf zwei Hochstrompfade kann die Stromtragfähigkeit des Trägersubstrates, insbesondere eine Leiterplatte, zusätzlich erhöht oder bei hohen Betriebsströmen überhaupt sichergestellt werden. Eine Optimierung bei dieser Ausführung zeigt sich darin, dass der Kühlkörper eine zur zweiten Außenseite des Trägersubstrats zugewandte Grundseite aufweist, von der eine Erhebungen als Anschlag für die Einstellung des Spaltabstands im Kontaktbereich unmittelbar unterhalb des Hochstromkontakteelementes absteht, so dass die Erhebung zwischen den beiden ausgebildeten Hochstrompfaden angeordnet ist, wobei die zweite Außenseite in einem isolierten Bereich außerhalb der zweiten großflächigen Leiterbahn auf die Erhebung aufgesetzt ist. Auch in dieser Ausführung kann demnach sichergestellt werden, dass der Hochstrompfad und der Kühlkörper durch einen Isolationsbereich elektrisch getrennt sind. Zur Ausbildung einer solchen alternativen Ausführungsform der Kontaktanordnung wird/werden bevorzugt das eine, die zwei oder mehrere Verbindungselemente mittels einem Ultraschall-Bondverfahrens mit dem Hochstromkontaktelement verbunden. Da die Erhebung genau unterhalb des Hochstromkontaktelementes angeordnet ist und damit unterhalb des Bondbereiches, können auf das Trägersubstrat wirksame mechanische Belastungen während des Ultraschallbondens effektiv durch den Kühlkörper abgestützt werden. Durch die direkte Kraftableitung über die Erhebung in den Kühlkörper ist ein Aufschwingen des Trägersubstrats durch die Schwingbelastung eines Ultraschallbondkopfes verhindert. Zu einem solchen Aufschwingen könnte es bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform einer Kontaktanordnung kommen, bei welcher der Kontaktbereich zwischen zwei Erhebungen des Kühlkörpers angeordnet ist.
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Grundsätzlich können bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen einer Kontaktanordnung das Hochstromkontaktelement mittels des zumindest einen, mittels der zwei oder mittels der mehreren Verbindungselemente mit einem Anschlusskontakt eines Leistungshalbleiters oder einer Leistungsschaltung, beispielsweise einer B2- oder B6-Brückenschaltung elektrisch kontaktiert sein. Der Leistungshalbleiter oder die Leistungsschaltung sind beispielsweise auf einem anderen Substrat angeordnet bzw. ausgebildet. So kann beispielsweise das Trägersubstrat eine Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltung umfassen, wobei ein Verbindungsanschluss beider Substrat mittels des beschriebenen Hochstromanschlusses erfolgt.
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Allgemein kann eine elektrische Isolation zwischen dem Trägersubstrat und dem Kühlkörper zusätzlich erhöht und verbessert werden, indem zwischen dem im ausgebildeten Spalt angeordneten wärmeleitenden Füllstoff und dem Trägersubstrat zusätzlich eine Heatsinkpaste angeordnet wird.
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Die Erfindung führt auch zu einem Verfahren, zur Ausbildung einer Kontaktanordnung. Hierbei wird ausgehend von der einer beabsichtigten - oben beschriebenen - Kontaktanordnung umfassend einen spaltbildenden Anschlag als abstehende Ergebung unmittelbar unterhalb des Kontaktbereiches, dass eine, die zwei oder die mehreren Verbindungselemente mittels einem Laserverfahren oder mittels eines Schweißverfahrens mit dem Hochstromkontaktelement verbunden wird/werden
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Bei einer alternativen Ausführung des Verfahren wird/werden das eine, die zwei oder die mehreren Verbindungselemente mittels einem Ultraschall-Bondverfahrens mit dem Hochstromkontaktelement verbunden. Hierbei wird jedoch von einer beabsichtigten - oben beschriebenen - Kontaktanordnung ausgegangen, umfassend zwei lateral zum Kontaktbereich des Hochstromkontaktes gegenüberliegenden Anschlägen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:
- 1: eine Schnittansicht einer ersten Ausführung einer Kontaktanordnung mit geschweißten, insbesondere lasergeschweißten Verbindungselementen,
- 2: eine Schnittansicht einer zweiten Ausführung einer Kontaktanordnung mit Ultraschall gebondeten Verbindungelementen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind funktional gleiche Bauelemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführung einer Kontaktanordnung 100. Diese umfasst ein Trägersubstrat 10, insbesondere eine Leiterplatte, beispielsweise eine FR4-Leiterplatte, welche eine, zwei oder mehrere elektrisch leitende Innenlagen 13 aufweist. Auf den Außenseiten 1, 2 des Trägersubstrates 10 sind jeweils mindestens eine erst bzw. eine zweite großflächige Leiterbahn 11, 12 angeordnet. Im Bereich eines Hochstromanschlusses 50 des Trägersubstrates 10 sind die erste und die zweite großflächige Leiterbahn 11, 12 mindestens mit einer, insbesondere mit mehreren nebeneinander angeordneten Durchkontaktierungen 15 wärmeleitend und/oder elektrisch leitend verbunden. Zusätzlich ist zumindest eine der Durchkontaktierungen 15 auch mit zumindest einer oder mehreren Innenlagen 13 des Trägersubstrates 10 elektrisch verbunden. Auf der zweiten Außenseite 2 ist ein Kühlkörper 40 angeordnet, wobei zwischen diesem und dem Trägersubstrat 10 ein Spalt s eingestellt ist. Der Spalt s ist dabei von einem wärmeleitenden Füllmaterial 30 ausgefüllt, insbesondere einem TIM (ThermallnterfaceMaterial). Mittels dem definierten Spaltabstand s und dem TIM 30 sind das Trägersubstrat 10 und der Kühlkörper 40 wärmeleitend miteinander verbunden. Die Spalteinstellung erfolgt über zwei Anschläge 41, welche von einer der zweiten Außenseite 2 zugewandten Grundseite des Kühlkörpers 40 abstehen. Die Anschläge 41 sind dabei gegenüberliegend zu einem Hochstromkontaktelement 51 des Hochstromanschlusses 50 angeordnet. Dabei liegen sie auf jeweils einem isolierten Bereich des Trägersubstrates 10 auf. Das Hochstromkontaktelement 51 ist auf der ersten Außenseite 1 mit der ersten großflächigen Leiterbahn 11 stoffverbunden, beispielsweise mittels eines Lot- oder Sinterkontaktes. Das Hochstromkontaktelement 51 ist ausgebildet einen schweißbaren und/oder laserbaren Kontaktbereich 52 des Hochstromanschlusses bereitzustellen. Dieses kann beispielsweise aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann es eine hierfür geeignete Außenbeschichtung aufweisen. Mittels dem Hochstromanschlusses 50 ist eine elektrische Kontaktverbindung mit beispielsweise einem Leistungshalbleiter und/oder einer Leistungsschaltung (nicht dargestellt) ausbildbar bzw. ausgebildet. Hierzu wird eine der ersten Außenseite 1 des Trägersubstrats 10 abgewandte Seite des Hochstromkontaktelementes 51 im Kontaktbereich 52 mit einem, zwei oder mehreren Verbindungselementen 60 schweißverbunden oder laserverbunden. Auf diese Weise liegt eine Schweiß- oder Laserverbindung vor. Als Verbindungselement 60 kommt insbesondere ein Bonddraht, ein Bondbändchen, ein Clip oder ein Stanzgitter zum Einsatz. Ferner ist mittels zumindest einer oder allen im Kontaktbereich 52 unmittelbar unterhalb des Hochstromkontaktelementes 51 angeordneten Durchkontaktierungen 15 ein Hochstrompfad ausgebildet, über welchen ein Hochstrom I beispielsweise in die Innenlagen 13 abfließen kann. In gleicher Weise ist zusätzlich ein Wärmepfad ausgebildet, über welchen ein Wärmestrom W durch das Trägersubstrat 10 über das TIM 30 in den Kühlkörper 40 abfließen kann. Für eine hohe Stromtragfähigkeit des Hochstromanschlusses 50, beispielsweise > 150 A, ist das Hochstromkontaktelement 51 insbesondere als Stromschiene bzw. als Busbar ausgebildet.
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In der 2 ist eine Schnittansicht einer alternativ ausgeführten Kontaktanordnung 100 gezeigt. Im Unterschied zur Ausführung gemäß der 1 ist im Kontaktbereich 52 des Hochstromkontaktelementes 51 hier eine Bondverbindung 56' ausgebildet. Dies bedeutet, dass das eine, die zwei oder mehreren Verbindungselemente 60 mittels einem Ultraschall-Bondverfahrens mit dem Hochstromkontaktelement 51 verbunden wird/werden bzw. verbunden ist/sind. Zur Aufnahme von mechanischen Kräften Fus eines Bondwerkzeugkopfes (nicht dargestellt) ist ein der zweiten Außenseite 2 des Trägersubstrates 10 zugewandter Anschlag 41 als Gegenlager in einem elektrisch isolierten Bereich des Trägersubstrats 10 aufliegend angeordnet. Der Anschlag 41 ist eine Erhebung innerhalb des angebundenen Kühlkörpers 40 und dient zusätzlich zur Einstellung des Spaltabstandes s. Der Hochstrompfad ist nun zweigeteilt, nämlich über jeweils eine oder mehrere Durchkontaktierungen 60, welche mit lateralem Versatz zum Hochstromkontaktelement 51 gegenüberliegend zum Kontaktbereich 52 angeordnet sind. Auf diese Weise ergeben sich mögliche Teilhochströme I, die über die Hochstrompfade beispielsweise in die Innenlagen 13 des Trägersubstrates 10 abfließen können. Zum Abfluss eines Wärmestromes W sind verschiedene Wärmepfade bereitgestellt. Zum einen direkt durch das Trägersubstrat 10 hindurch in den Anschlag 41 hinein. Ebenso ist es ermöglicht, dass Wärmeteilströme W jeweils über die seitlich zum Anschlag 41 bzw. zum Kontaktbereich 52 angeordnete Durchkontaktierungen 15 über das TIM 30 in den Kühlkörper 40 abfließen.
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Grundsätzlich kann bei den beiden gezeigten Ausführungen zwischen dem TIM 30 und dem Trägersubstrat 10 zumindest bereichsweise zur Erhöhung der elektrischen Isolierung eine Heatsinkpaste 31 zusätzlich eingebracht sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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