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Die Erfindung betrifft eine austauschbare Elektronikbaugruppe eines Kraftfahrzeugs nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 2961252 A1 sind System und Verfahren zur passiven Kühlung von Komponenten innerhalb elektrischer Vorrichtungen bekannt. Eine elektrische Einheit umfasst einen Rückebenenaufbau, der Öffnungen hat und einen Wärmeableiter, der entlang des hinteren Endes des Schaltschranks parallel zum Rückebenenaufbau angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte thermische Anbindung vorzusehen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Elektronikbaugruppe gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs lässt sich eine vereinfachte thermische Anbindung der beiden Leiterplatten durch das Vorsehen eines einzigen Trägers erreichen. Erfindungsgemäß befindet sich der Träger zwischen den beiden Leiterplatten. Dieser kann zentral für beide Leiterplatten die Wärmeabfuhr bewerkstelligen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Träger aus zumindest zwei Bestandteilen besteht, die jeweils dazu ausgebildet sind zur thermischen Kontaktierung des jeweiligen zu entwärmenden Elektronikbauteils, wobei das wärmeleitende Element zwischen den beiden Bestandteilen des Trägers angeordnet ist und mit beiden Bestandteilen wärmeleitend verbunden ist. Das wärmeleitende Element wie beispielsweise eine Heatpipe zeichnet sich durch besonders gute Wärmeleitfähigkeit (insbesondere gegenüber dem Träger) aus, sodass die Verlustleistung der Elektronikbauteile besonders rasch abgeleitet werden kann. Bevorzugt kann das wärmeleitende Element zwischen den beiden Bestandteilen des Trägers geklemmt werden, sodass eine einfache Unterbringung des wärmeleitenden Elements bei gutem Wärmeübergang erreicht wird.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche ein Bestandteil des Trägers ist. Dadurch vereinfacht sich die austauschbare Elektronikbaugruppe weiter.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Träger bzw. zumindest ein Bestandteil des Trägers zumindest eine Erhebung aufweist zur thermischen Anbindung des Elektronikbauteils. Damit können die Leiterplatten mit möglichst geringem Spalt an den Träger auf beiden Seiten angebunden werden, um die Verlustwärme möglichst rasch abzuleiten.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Träger und/oder die Kontaktfläche zumindest eine Aufnahme, insbesondere eine Ausnehmung, zur Aufnahme des wärmeleitenden Elements, insbesondere eine Heatpipe, umfasst. Damit kann eine einfache Montage des wärmeleitenden Elements beispielsweise durch ein Pressen ohne zusätzliche Befestigungsmittel vorgesehen werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen der Erhebung und dem Elektronikbauteil ein wärmeleitendes Material angeordnet ist. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang weiter.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Träger bzw. die Bestandteile des Trägers ein Befestigungsmittel zur Befestigung der Leiterplatten und/oder zur gegenseitigen Befestigung der Bestandteile des Trägers umfasst. Damit kann die Montage und Fertigung weiter vereinfacht werden. Damit kann der thermische Übergang durch eine passgenaue Anordnung des Trägers relativ zu dem Elektronikbauteil weiter verbessert werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Träger zumindest mit einer Fixierung, die einer Fixierung der Elektronikbaugruppe in einem die Elektronikbaugruppe umgebenden Gehäuse zur thermischen Anbindung an den Kühler und/oder zur elektrischen Anbindung an eine rückwärtige Leiterplatte dient, zusammenwirkt. Damit lässt sich der thermische Wärmeübergang zwischen Kontaktfläche und Kühler weiter verbessern.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kontaktfläche zur thermischen Anbindung des Kühlers quer zur Einschubrichtung der Elektronikbaugruppe orientiert ist und/oder dass die Kontaktfläche zumindest eine Aufnahme für das wärmeleitende Element aufweist. Schon beim Einschieben der Elektronikbaugruppe kann durch die Einschubbewegung der thermische Pfad zum Kühler geschlossen werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Elektronikbaugruppe zur Kontaktierung einer rückwärtigen Leiterplatte ausgebildet ist, und/oder dass der Kühler zwischen der rückwärtigen Leiterplatte und der Kontaktfläche angeordnet ist. Damit könnte eine rückwärtige Leiterplatte für die elektrische Kontaktierung mehrerer Elektronikbaugruppen vorgesehen sein.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Träger aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere aus Aluminium, besonders bevorzugt aus Aluminium-Druckguss, besteht. Damit ist eine hinreichende thermische Anbindung und entsprechende Fertigung des Profils der Erhebungen zur thermischen Anbindung der Elektronikbauteile möglich.
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Eine Vorrichtung umfasst zumindest ein Gehäuse, eine an der Rückseite des Gehäuses angeordnete Leiterplatte und einen parallel hierzu angeordneten Kühler, wobei das Gehäuse zur Aufnahme mehrerer austauschbarer Elektronikbaugruppen eingerichtet ist. Damit können besonders einfach aktuelle Elektronikbauteile durch Vorsehen einer neuen Elektronikbaugruppe ausgetauscht werden. Zudem können mehrere austauschbare Elektronikbaugruppe vorgesehen sein, die von lediglich einem Gehäuse geschützt in einem Fahrzeug angeordnet werden können und für die lediglich ein einziger Kühler vorzusehen ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kühler zumindest eine Öffnung umfasst zur Ermöglichung einer Kontaktierung der Elektronikbaugruppe mit der rückwärtigen Leiterplatte. Dadurch lässt sich sowohl elektrische Kontaktierung wie auch eine besonders gute thermische Anbindung der Elektronikbaugruppe an den Kühler erreichen.
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Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer Elektronikbaugruppe,
- 2 eine Explosionsdarstellung einer austauschbaren Elektronikbaugruppe sowie
- 3 eine perspektivische Ansicht mehrerer austauschbarer Elektronikbaugruppen in einem Gehäuse.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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In 1 sind schematisch wesentliche Komponenten einer Elektronikbaugruppe 25 im Querschnitt gezeigt. Ein Träger 36 besteht aus zumindest zwei separaten Bestandteilen 36,39, nachfolgend als ein Bestandteil 36 und als weiterer Bestandteil 39 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind beispielhaft drei Bestandteile 36,39 gezeigt. So besteht der weitere Bestandteil 39 aus zwei Platten, die über entsprechende Befestigungsmittel 57 wie Schraubverbindungen mit dem ersten Bestandteil 36 zu einem gemeinsamen Träger 33 verbunden werden können. Der eine Bestandteil 36 dient der Aufnahme einer Leiterplatte 40. Der weitere Bestandteil 39 dient der Aufnahme zumindest einer weiteren Leiterplatte 38. im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind beispielhaft drei Leiterplatten 38,40 gezeigt. Hierbei werden die Leiterplatten 40 über entsprechende Befestigungsmittel 57 mit dem einen Bestandteil 36 des Trägers 33 verbunden. Die weitere Leiterplatte 38 wird beispielhaft mit dem weiteren Bestandteil 39 (der exemplarisch im Ausführungsbeispiel aus zwei Teilen besteht, jedoch auch einteilig ausgeführt werden könnte) über entsprechende Befestigungsmittel 57 mechanisch befestigt. Die Leiterplatten 38,40 könnten mit dem Träger 33 beispielsweise mittels entsprechender Schrauben etc., die in am Träger 33 vorgesehene Gewinde eingeschraubt werden können, (als beispielhaft beschriebene Befestigungsmittel 57), verbunden werden.
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Jede der Leiterplatten 38,40 trägt jeweils zumindest ein zu entwärmendes Elektronikbauteil 44. Die Elektronikbauteile 44 sind auf den jeweiligen Leiterplatten 38,40 so angeordnet, dass sie jeweils in Richtung des Trägers 33 bzw. der beiden Bestandteile des Trägers 33 orientiert sind. Der Träger 33 ist somit zwischen den beiden Leiterplatten 38,40 angeordnet. Die freiliegenden Oberflächen der zu entwärmenden Elektronikbauteile 44 sind ebenfalls in Richtung des Trägers 33 hin orientiert.
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Die Bestandteile 36,39 des Trägers 33 umfassen jeweils an der Außenseite entsprechende Kühldome bzw. Erhebungen 41, 43. Bei den Kühldomen handelt es sich um Erhebungen oder Überstände in den Bestandteilen 36,39 des Trägers 33, indem sie entsprechend der Oberseite der zugehörigen Elektronikbauteile 44 zu deren Entwärmung geformt sind. Im montierten Zustand schmiegt sich die Oberfläche der Erhebung 41,43 nahezu spaltfrei an die Oberfläche des zu entwärmenden Elektronikbauteils 44 an im Sinne einer optimalen thermischen Anbindung. Gegebenenfalls sind die Erhebungen 41,43 jeweils über ein wärmeleitendes Zwischenelement (TIM: Thermal Interface Material) mit dem jeweiligen Elektronikbauteil 44 thermisch angebunden. Durch die mittels der Erhebungen 41,43 an die Oberfläche bzw. an das Höhenprofil der zu entwärmenden Elektronikbauteile 44 angepassten Träger 33 kann der Spalt dazwischen reduziert werden. Der minimale Spalt, der üblicherweise mit thermisch leitendem Material (TIM) zur besseren thermischen Anbindung gefüllt ist, optimiert die thermische Anbindung des Elektronikbauteils 44 an den wärmeleitenden Träger 33. Der Träger 33 bzw. die entsprechenden Bestandteile 36,39 des Trägers 33 bestehen aus einem wärmeleitenden Material wie beispielsweise Aluminium oder Ähnliches. Die Oberflächenstruktur des Trägers 33 ist somit angepasst an die Topologie bzw. das Höhenprofil der zu entwärmenden Elektronikbauteile 44 auf den jeweiligen Leiterplatten 38,40.
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Zwischen den zumindest zwei Bestandteilen 36,39 des Trägers 33 befindet sich zumindest ein besonders gut wärmeleitendes Element 46. Bei dem wärmeleitenden Element 46 kann es sich beispielsweise um eine Heatpipe oder ähnliches handeln. Das wärmeleitende Element 46 weist besonders bevorzugt eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf als der Träger 33. Das wärmeleitende Element 46 dient dazu, die Abwärme der jeweiligen Elektronikbauteile 44, aufgenommen durch die jeweiligen Erhebungen 41, 43 und die ebenfalls wärmeleitenden Bestandteile 36,39 des Trägers 33, aufzunehmen und an eine Kontaktfläche 47 zu bringen. An der Kontaktfläche 47 ist ein Kühler 54 angeordnet bzw. anordenbar. In zumindest einem der Bestandteile 36 des Trägers 33 ist zumindest eine Aufnahme 45 wie beispielsweise Aussparungen oder Nuten zur Aufnahme des wärmeleitenden Elements 46 vorgesehen. Die beiden Bestandteile 36,39 des Trägers 33 werden so miteinander verbunden, dass beide Bestandteile 36,39 in thermisch leitenden Kontakt mit dem wärmeleitenden Element 46 kommen. Damit wird es möglich, über lediglich ein wärmeleitendes Element 46 die Wärme sowohl der Elektronikbauteile 44 auf der einen Leiterplatte 38 wie auch die Abwärme der Elektronikbauteile 44 auf der Leiterplatte 40 gleichermaßen über die Kontaktfläche 47 an den Kühler 54 abzuführen. Alternativ können auch mehrere wärmeleitende Elemente 46 bzw. Heatpipes vorgesehen werden, die jeweils zwischen den zumindest zwei Bestandteilen 36, 39 des Trägers 33 anordenbar sind.
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Durch die Aufteilung des Trägers 33 in zumindest zwei Bestandteile 36,39 kann sich jede Hälfte bzw. jeder Bestandteil 36,39 an die entsprechende Topologie der zu kühlenden Leiterplatte 38,40 und deren Bauteile 44 anpassen. Zwischen den beiden Bestandteilen 36,39 werden die eine Heatpipe 46 oder mehrere Heatpipes 46 eingebracht oder eingeklemmt, sodass beide Bestandteile 36,39 mit dem wärmeleitenden Element 46 bzw. der Heatpipe in thermischen Kontakt treten. Dadurch können nun beide Seiten des Trägers 33 mit individuellen Erhebungen 41,43 bzw. Kühldomen versehen werden.
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Um von beiden Seiten zu kühlende Bauteile 44 thermisch an den Träger 33 anbinden zu können, wird dieser beispielsweise aus Aluminium-Druckguss hergestellt. Der Träger 33 beinhaltet Nuten oder Rillen als mögliche Aufnahmen 45, um das wärmeleitende Element 46 wie die Heatpipes aufzunehmen. Darauf kann dann eine weitere untere Platte, als weiterer Bestandteil 39, oder wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, zwei weitere zusätzliche Platten, ebenfalls beispielsweise aus Aluminium-Druckguss, aufgebracht werden, dass diese ebenfalls mit den wärmeleitenden Elementen 46 in Kontakt treten. Zusätzlich können die Spalten zum Beispiel mit einem TIM-Material geschlossen werden.
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Auf der von dem wärmeleitenden Element 46 abgewandten Seite werden die Kühldome bzw. Erhebungen 41,43 mit der jeweiligen Höhentopologie der mit Elektronikbauteilen 44 bestückten Leiterplatte 38,40 angeordnet. Diese können beispielsweise direkt aus dem Gussprozess gebildet werden oder (um die Genauigkeit zu verbessern und damit die thermische Anbindung) mit einem spanenden Fertigungsprozess auf ein genaues Maß gebracht werden.
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2 zeigt den Aufbau als Explosionsdarstellung. Dieser perspektivischen Darstellung ist zu entnehmen, dass der eine Bestandteil 36 des Trägers 33 mit den jeweiligen wärmeleitenden Elementen 46 um 90° abgewinkelt ist. Dieser Bestandteil 36 mit den um 90° versetzten Flächen zur Ausprägung einer entsprechender Kontaktfläche 47 kann aus einem einzigen Bauteil hergestellt werden. Über diese Kontaktfläche 47 erfolgt die thermische Anbindung an den Kühler 54. 2 ist zudem zu entnehmen, dass mehrere wärmeleitende Elemente 45 jeweils zu der Kontaktfläche 47 geführt werden. Die Ausnehmungen 45 zur Aufnahme der jeweiligen wärmeleitenden Elemente 46 befinden sich auch an dieser Kontaktfläche 47. Über diese Aufnahmen in der Kontaktfläche 45 kann auch ein direkter thermischer Kontakt des wärmeleitenden Elements 46 mit dem Kühler 54 erreicht werden.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht mehrerer Elektronikbaugruppen 25, die in einem Gehäuse 11 eingeschoben sind. Das Gehäuse 11 weist eine Rückseite 22 auf. Parallel zu der Rückseite 22 zwischen der Rückseite 22 und dem parallel zu der Rückseite 22 angeordneten Kühler 54 ist die Leiterplatte 34 angeordnet. Eine Kontaktierung der jeweiligen Elektronikbaugruppe 25 und der rückwärtigen Leiterplatte 34 erfolgt über entsprechende Öffnungen 56 im Kühler 54 wie in 3 exemplarisch an einer Stelle für eine noch nicht eingeschobene Elektronikbaugruppe 25 gezeigt. Durch diese Öffnung 56 wird ein an der austauschbaren Elektronikbaugruppe 25 angeordneter Stecker hindurchgeführt zur Kontaktierung mit einem an der rückwärtigen Leiterplatte 34 angeordneten Gegenstecker. An der Vorderseite der Elektronikbaugruppen 25 befinden sich je nach Anwendungsfall entsprechende Stecker 62.
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Eine Fixierung 53 beispielsweise in Form einer Schraube oder Ähnliches ist in der Lage, die Elektronikbaugruppe 25 in Einschubrichtung 35 zu bewegen und zu halten. Die Fixierung 53, beispielsweise eine Schraube, verläuft parallel zur Einschubrichtung 35 und kann in einem Gehäuse 52 bzw. einer Hülse der Elektronikbaugruppe 25 beispielsweise an der Oberseite aufgenommen werden. Das Ende der Schraube kann in den Kühler 54 eingeschraubt werden, sodass sich dabei die Elektronikbaugruppe 25 in Richtung zum Kühler 54 bzw. der rückseitigen Leiterplatte 34 bewegt. Dadurch kann ein guter thermischer Wärmeübergang zwischen der Kontaktfläche 47 zum Kühler 54 erreicht werden. Gleichermaßen können auch die nicht sichtbaren bzw. eigens dargestellten Stecker an der Rückseite der Elektronikbaugruppe 25 mit dem zugehörigen Gegenstecker auf der rückwärtigen Leiterplatte 34 zuverlässig kontaktiert werden.
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Im Gehäuse 11 können Aufnahmen angeordnet sein, die der reversiblen Aufnahme, Einschub und/oder Verklemmung der austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 in Einschubrichtung 35 dienen. Die Elektronikbaugruppe 25 umfassen insbesondere Hochleistungs-Rechnerkerne als Elektronikbauteile 44, die im Kraftfahrzeug besonders rechenintensive Funktionen übernehmen. Hierbei kann es sich beispielsweise um autonome oder teilautonome Fahrfunktionen, Infotainment, Kommunikationsschnittstellen zwischen verschiedenen Bussystemen (Ethernet, CAN, LIN etc.) bzw. Gateway-Funktionalitäten, bestimmte Sicherheitsanwendungen zur Einräumung einer Berechtigung, um beispielsweise auch von außerhalb auf das Kraftfahrzeug zuzugreifen, oder weitere im Kraftfahrzeug mit insbesondere hoher Rechenleistung verbundene Operationen handeln. Bei den Elektronikbauteilen 44 handelt es sich besonders bevorzugt um leistungsstarke Prozessoren, Multikern-Prozessoren oder hochintegrierte Schaltungen (SoC, System-on-Chip), die sich durch hohe Verlustleistungen auszeichnen.
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Die Leiterplatte 38,40 der Elektronikbaugruppe 25 wird von zumindest einer Seite durch ein Gehäuse 52 bzw. eine Gehäusehälfte 52 zumindest teilweise umschlossen. In den Seitenbereichen läuft die Gehäusehälfte 52 in entsprechenden Überständen aus, die auf die Aufnahmen im Gehäuse 11 gelegt bzw. in die Aufnahmen 18 eingeschoben werden können. Das Gehäuse 52 der Elektronikbaugruppe 25 umschließt die Leiterplatten 38, 40 vollständig.
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Bei dem Kühler 54 könnten beispielsweise mit einem Wärmemedium wie beispielsweise Wasser durchströmte Kühlkreisläufe vorgesehen sein. Entsprechende Anschlüsse 63 an dem Kühler 54 für einen Kühlmittelkreislauf sind vorzusehen. Eine redundante Kühlung könnte realisiert werden, indem der Kühler 54 zumindest zwei voneinander unabhängige Wasserkreisläufe beinhaltet, an die zumindest zwei unabhängige Kühlkreisläufe angeschlossen werden. Alternativ könnte der Kühler 54 auch mit Kühlrippen versehen sein, um die Wärme an einen Luftstrom abzugeben. Bevorzugt ist der Kühler 54 vor der rückwärtigen Leiterplatte 34 angeordnet. Dies könnte jedoch auch im Bereich der Vorderseite der Vorrichtung 10 sein. Der Kühler 54 entwärmt zumindest zwei, vorzugsweise mehrere austauschbare Elektronikbaugruppen 25. Durch die Anordnung des Kühlers 54 quer zur Einschubrichtung 35 und auch durch eine entsprechende Ausrichtung der Kontaktfläche 47 des wärmeleitenden Elements 46 quer zur Einschubrichtung 35 kann beim Einschieben der Elektronikbaugruppen 25 eine hohe thermische Kontaktierung beispielsweise durch Flächenpressung erreicht werden.
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Die Vorrichtung kommt insbesondere bei austauschbaren Elektronikbauelementen im Kraftfahrzeugbereich zum Einsatz. In den austauschbaren Elektronikbaugruppen 25 mit hohen Kühlanforderungen können insbesondere rechenintensive Funktionen im Kraftfahrzeugbereich realisiert werden wie beispielsweise teilautonomes oder autonomes Fahren, Kommunikationsmodule, Gateway-Funktionalitäten, Infotainment, Sicherheitsanwendungen etc. Solche Funktionen können jeweils in einer austauschbaren Elektronikbaugruppe 25 realisiert sein. Die Austauschbarkeit erlaubt auch ein späteres Nachrüsten von aktueller Hardware, indem Elektronikbaugruppen 25 leicht ausgetauscht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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