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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, umfassend eine elektronische
Schaltung mit mindestens einem Halbleitermodul.
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Bei
Umrichtern ist bekannt, dass ein Halbleitermodul, das ein oder mehrere
Leistungshalbleiter-Bauelemente umfasst, mit einem Kühlkörper verbunden
ist. Dabei sind die Kontaktflächen
derart bearbeitet, dass diese Flächen
möglichst
eben und glatt sind und sich möglichst
genau aneinander anschmiegen. Bei der Montage wird Wärmeleitpaste
auf die Kontaktflächen
aufgebracht und danach werden Halbleitermodul und Kühlkörper zusammengefügt.
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Halbleitermodul
und Kühlkörper werden
mit Befestigungsschrauben verbunden.
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Wenn über die
gesamte Standzeit der Wärmewiderstand
zwischen Halbleitermodul und Kühlkörper nicht
konstant bleibt, ist eine Dimensionierung des Umrichters nicht genau
möglich,
da er in diesem Fall anfangs Elektromotoren mit einer höheren Leistung
versorgen könnte
als gegen Ende der Standzeit. Im genannten Fall sind die Nennleistungsdaten
des Umrichters auf den schlechteren Fall, also den Wärmeübergangswiderstand
am Ende der Standzeit auszurichten.
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Das
Verschlechtern des Wärmeübergangswiderstandes
kann nämlich
zu einem Geräteausfall führen, weil
die Wärme
der Leistungshalbleiter nicht mehr in ausreichender Menge abführbar ist
und daher die Temperatur der Leistungshalbleiter erhöht ist, wodurch
die Zerstörung
des Halbleitermoduls eintreten kann. Insbesondere kann es auch vorkommen, dass
die Verschlechterung des Wärmewiderstandes im
Kontaktbereich zum Kühlkörper nicht
gleichmäßig verteilt
ist. Daher kann eine Zerstörung
des Halbleitermoduls eintreten, obwohl ein Temperaturfühler im Halbleitermodul
eingebaut ist, der die Temperatur überwacht und bei Überhitzung
ein Abschalten des Geräts
oder eine Reduzierung der Leistung des Geräts auslösen kann. Dieser Temperaturfühler ist
nämlich
fertigungsbedingt stets in einem Abstand zu den verlustleistungserzeugenden
Halbleiterbauelementen angeordnet, so dass er bei verschlechterter
Wärmeableitung
eine andere Temperatur als die Temperatur der Leistungshalbleiter
des Halbleitermoduls misst, insbesondere eine niedrigere.
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Die
Lebensdauer solcher Umrichter ist also wesentlich mitbestimmt durch
die Anzahl und Größe der Temperaturhübe.
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Aus
der
US 5 825 087 A ist
ein Kühlmodul bekannt,
bei dem die festen Bestandteile einer Wärmeleitpaste viel kleiner als
die Vertiefungen in der Oberfläche
der Kühlplatte
und somit mit den flüssigen Bestandteilen
mitbewegbar sind.
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Aus
der
US 5 098 609 A ist
eine Wärmeleitpaste
bekannt mit einer Korngröße von 0,5 μm.
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Aus
der
JP 02-262 355
A ist bekannt, eine Oberfläche bei einer Wärmesenke
aufzurauen, um Blasenbildung zu vermindern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Vorrichtung, umfassend
Halbleitermodul und Kühlkörper, derart
weiterzubilden, dass die Wärmeabfuhr über die
gesamte Standzeit möglichst gut
bleibt. Insbesondere sollen feste Bestandteile einer Wärmeleitpaste
eine Fixierung erfahren gegen Auswaschung bei wechselnder Temperaturbelastung.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei die Vorrichtung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei der Vorrichtung sind, dass die Vorrichtung
eine elektronische Schaltung mit mindestens einem Halbleitermodul
umfasst,
wobei das Halbleitermodul mit dem Kühlkörper wärmeleitend
verbunden ist zur Abführung
der Wärme vom
Halbleitermodul über
den Kühlkörper an
ein weiteres Medium oder an eine weitere Vorrichtung,
wobei
zwischen den Kontaktflächen
des Halbleitermoduls und des Kühlkörpers Wärmeleitpaste
zur Verbesserung der Wärmeleitung
eingebracht ist,
wobei die Wärmeleitpaste feste und flüssige Bestandteile
umfasst,
wobei mindestens ein Teilbereich der Kontaktfläche des
Halbleitermoduls oder der Kontaktfläche des Kühlkörpers derart aufgeraut ausgeführt ist,
dass die festen Bestandteile eine Fixierung erfahren,
wobei
die Mitten-Rauwert im Teilbereich größer ist als die um 10 μm verminderte
Korngröße der festen
Bestandteile der Wärmeleitpaste.
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Von
Vorteil ist dabei, dass die Wärmeabfuhr über die
gesamte Standzeit möglichst
gut bleibt. Von Vorteil ist dabei weiterhin, dass die festen Bestandteile
eine Fixierung erfahren, wenn Halbleitermodul und Kühlkörper verbunden
werden, insbesondere lösbar mit
Befestigungsschrauben. Insbesondere erfahren große feste Bestandteile der Wärmeleitpaste
eine Fixierung, wodurch die Auswaschung der Wärmeleitpaste verhindert oder
zumindest stark reduziert wird. Außerdem ist die Nennleistung
der Vorrichtung erhöhbar
und die Vorrichtung ist auch bei Anwendungen einsetzbar, die eine
hohe Temperaturwechselbelastung, insbesondere für das Halbleitermodul und/oder
den Kühlkörper, erfordern.
Die Lebensdauer oder zumindest die von dem Halbleitermodul ausgehende
Beeinflussung der Lebensdauer der Vorrichtung ist also hoch, auch
wenn sehr viele und sehr starke Temperaturhübe erfolgen, insbesondere ist die
Lebensdauer höher
als bei Vorrichtungen nach Stand der Technik mit nicht aufgerauter
Kontaktfläche.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zur wärmeleitenden Verbindung zwischen
Halbleitermodul und Kühlkörper die
Kontaktflächen
eben bearbeitet, damit die Kontaktflächen dicht aneinander anliegen.
Von Vorteil ist dabei, dass der Wärmeübergangswiderstand von Halbleitermodul
und Kühlkörper gering
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kontaktflächen eine
Ebenheit, also Formabweichung oder Gestaltsabweichung erster Ordnung,
auf, die besser ist als 5 μm
pro 10 mm. Besonders vorteilig ist dabei ein Wert von 2 μm oder weniger.
Von Vorteil ist dabei, dass wiederum der Wärmeübergangswiderstand von Halbleitermodul
und Kühlkörper gering
ist.
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Gemäß der Erfindung
ist die Rauheit größer als
die um 10 μm
verminderte Korngröße der festen Bestandteile
der Wärmeleitpaste.
Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders gute Fixierung der festen Bestandteile
zwischen den Profilkuppen und/oder Profiltälern den Kontaktflächen des
Halbleitermoduls und des Kühlkörpers erreichbar
ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rauheit mit der gemittelten
Rautiefe RZ gemäß DIN 4768 beschrieben und/oder
dass die gemittelten Rautiefe RZ gemäß DIN 4768
einen Wert hat, der größer ist
als 20 und/oder die gemittelten Rautiefe RZ gemäß DIN 4768
beträgt
25. Von Vorteil ist dabei, dass eine handelsübliche Wärmeleitpaste verwendbar ist und
die Rauheit der Kontaktoberfläche
kostengünstig mit
bekannten Mitteln herstellbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktflächen mittels
Fräsen,
Hohnen, Schleifen und/oder Läppen
zur Herstellung der Ebenheit, also ebenen Form, bearbeitet. Von
Vorteil ist dabei, dass die ebene Form in kostengünstiger
Art und Weise erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktflächen mittels
Sandstrahlen, Erodieren oder Ätzen
zur Herstellung der Rauheit bearbeitet. Von Vorteil ist dabei, dass
die Rauheit in kostengünstiger
Weise erreichbar ist und die Vertiefungen oder Profiltäler in der
Kontaktoberfläche
keine Vorzugsrichtung aufweisen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Halbleitermodul ein
oder mehrere Leistungshalbleiter-Bauelemente. Von Vorteil ist dabei, dass
als Vorrichtung ein Umrichter mit einer Leistungs-Endstufe verwendbar
ist und hierfür
ein industrieübliches
Teil einsetzbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung ein Umrichter
zur elektrischen Versorgung eines oder mehrerer Elektromotoren,
insbesondere linearer oder rotatorischer Elektromotoren. Bei einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist das Halbleitermodul mit dem Kühlkörper derart
wärmeleitend
verbunden, dass der Wärmeübergangswiderstand
zwischen Kühlkörper und
Halbleitermodul kleiner ist als der Wärmeübergangswiderstand zwischen
Halbleitermodul und weiteren Vorrichtungen oder Medien. Insbesondere
ist das Medium Umgebungsluft, ein metallisches Gehäuse oder
eine Flüssigkeit.
Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter in verschiedenen Anwendungen
einsetzbar und in verschiedenen Ausführungsformen ausführbar ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Im unteren Teil
der Figur ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Schnittansicht
schematisch skizziert, wobei im oberen Teil ein vergrößerter Ausschnitt
gezeigt ist.
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Das
Halbleitermodul 2 ist mittels der Befestigungsschrauben 6,
die als lösbare
Verbindung eingesetzt sind, mit dem Kühlkörper 1 verbunden.
Zwischen die Kontaktfläche 3 des
Kühlkörpers 1 und
die Kontaktfläche 5 vom
Halbleitermodul 2 ist Wärmeleitpaste 4 eingebracht.
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Zur
Herstellung eines guten Wärmeübergangs
sind die Kontaktflächen
derart bearbeitet, dass sie möglichst
parallel sind, also eine zueinander passende Form aufweisen.
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Hierfür ist die
Kontaktfläche 3 des
Kühlkörpers überfräst, also
mittels Fräsen
bearbeitet. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch
Bearbeitungen durch Hohnen, Schleifen und/oder Läppen zur Herstellung der Ebenheit,
also ebenen Form, verwendbar. Diese können auch mit einem Fräsvorgang
sich abwechseln.
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Bei
diesen Bearbeitungsvorgängen,
insbesondere beim Fräsen,
entstehen Rillen oder entsprechende Vertiefungsausformungen im mikroskopischen
Bereich, die eine Vorzugsrichtung aufweisen.
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Das Überfräsen bewirkt
erstens, dass die erforderliche Ebenheit der Kontaktfläche erreichbar
ist, damit das Halbleitermodul und der Kühlkörper eine möglichst große Auflagefläche haben.
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Weiter
bewirkt das Überfräsen, dass
bei den Halbleitermodulen, wenn diese mit einem dünnen Keramikboden
ausgeführt
sind, der die Kontaktfläche des
Halbleiterbausteins bildet, die Leistungshalbleiter auf den Kühlkörper gedrückt werden
mit einer möglichst
gleichmäßigen Spannungsverteilung.
Eine unebene Auflagefläche
kann nämlich
zum Brechen des Bodens führen.
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Das Überfräsen bewirkt
zusätzlich,
dass die Gusshaut der rohen Oberfläche beim Überfräsen entfernt wird. Eine solche
Gusshaut, von beispielsweise Kühlkörpern aus Aluminiumdruckguss,
weist nämlich
einen höheren
Wärmeübergangswiderstand auf.
Somit sorgt das Überfräsen für eine zusätzliche Verbesserung
der Wärmeableitung.
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Wie
erwähnt,
wird zur weiteren Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen den Halbleiterboden
und der Kontaktfläche
auf dem Kühlkörper Wärmeleitpaste
eingebracht. Diese Wärmeleitpaste füllt die
verbleibenden Mikro-Zwischenräume,
die zwischen dem Halbleiterboden und der Kühlkörperkontaktfläche sind,
aus.
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Die
verwendete Wärmeleitpaste
besteht aus festen Bestandteilen, insbesondere sehr gut wärmeleitenden
Stoffen, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Silber, und einer
Flüssigkeit,
wie beispielsweise Siliconöl.
Es sind bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen auch weitere
und/oder andere Stoffe verwendbar.
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Bei
gewissen Anlagen oder Maschinen sind wechselnde Belastungen oder
Ruheintervalle gefordert. Dabei kann es dementsprechend zu Temperaturwechselbelastungen
des Halbleitermoduls kommen. Die Temperatur steigt dabei um gewisse
Beträge
an, die als Temperaturhub bezeichnet werden. Die Häufigkeit
der Temperaturhübe
trägt auch
zu einer Belastung des Halbleitermoduls und der Wärmeleitpaste
bei.
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Die
Kontaktfläche
des Halbleitermoduls weist eine Rauigkeit von nur 1 bis 10 μm auf. Die Rauheit
ist also sehr viel kleiner als die Korngröße der festen Bestandteile.
Gemäß der Erfidnung
ist der Mitten-Rauwert größer als
die um 10 μm
verminderte Korngröße der festen
Bestandteile der Wärmeleitpaste.
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Die
Kontaktfläche
des Kühlkörpers wird durch
einen entsprechend zugehörigen
Bearbeitungsschritt aufgeraut und weist dann eine Rauigkeit in der
Größenordnung
der Korngröße der festen
Bestandteile der Wärmeleitpaste
auf. Als solcher Bearbeitungsschritt ist Sandstrahlen, Erodieren
oder Ätzen
verwendbar. Besonders einfach und kostengünstig ist Sandstrahlen. Bei
diesem Bearbeitungsschritt zum Herstellen der Rauheit, wird die
Form der Kontaktfläche,
also die Ebenheit, nicht geändert.
Jedoch werden Bearbeitungsrillen des Fräsvorgangs überstrahlt und sozusagen mit
Trichtern, die infolge der Einschläge entstehen, versehen.
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Da
die Rauheit in der Größenordnung
der Korngröße der festen
Bestandteile der Wärmeleitpaste
liegt, werden diese festen Bestandteile in den Mikro-Tiefen der
Kontaktfläche fixiert.
Die beste Wahl von Rauheit und Korngröße liegt dann vor, wenn die Kontaktflächen möglichst
dicht aneinander anliegen und die Mikroräume mit den festen Bestandteilen möglichst
gut aufgefüllt
sind.
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Wesentlich
bei der Erfindung ist, dass die festen Bestandteile der Wärmeleitpaste
mittels der Oberflächenstruktur
im Mikro-Bereich eine Fixierung erfahren.
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Eine
Fixierung von möglichst
allen festen Bestandteilen bei sich bewegender Wärmeleitpaste, insbesondere
sich bewegendem Flüssigkeitsanteil, erfolgt
dann sehr gut, wenn die festen Bestandteile in einer zugehörigen jeweiligen
mikroskopischen Vertiefung sitzen.
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Somit
kommt es zu keiner Auswaschung der festen Bestandteile der Wärmeleitpaste
bei wechselnder Temperaturbelastung. Abhängig vom Wärmeausdehnungskoeffizient der
flüssigen
Bestandteile dehnen sich diese bei Temperaturerhöhung aus. Also treten im Mikrobereich
Strömungen
auf, die von Temperaturänderungen
verursacht werden. Bei Temperaturerhöhung sind diese Strömungen im
Wesentlichen in Richtung des Außenbereichs
gerichtet, also in Richtung der nicht durch die Kontaktflächen festgelegten
Begrenzung des Wärmeleitpaste.
Wenn die festen Bestandteile keine Fixierung erfahren würden, würden sie
mit den flüssigen
Bestandteilen zusammen in den Randbereich oder Außenbereich
transportiert werden. Bei Zurückfallen
der Temperatur ziehen sich die flüssigen Bestandteile zwar wieder
in Richtung des Innenbereichs der Kontaktfläche zusammen, die festen Bestandteile
würden
aber nicht an denselben Ort zurücktransportiert
werden sondern etwas weiter außen
als anfangs bleiben. Auf diese Weise würden die festen Bestandteile
nach häufig
ausgeführten
und wiederholten Temperaturwechseln sich im Außenbereich immer mehr ansammeln.
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Dann
wäre auch
die Kühlung
der Leistungshalbleiter des Halbleitermoduls nicht mehr ausreichend
gewährleistbar.
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Das
beschriebene Auswaschen der Wärmeleitpaste
würde durch
die Rillen, die durch die fräsende
Bearbeitung entstehen, begünstigt
werden. Diese Rillen, die durch die spanende Bearbeitung entstanden
sind, sind gleichartig verlaufend, insbesondere auch in den Randbereich
oder Außenbereich
laufend, und bilden Kanäle
in denen sich die flüssigen Bestandteile
bewegen und auch die festen Bestandteile, wenn genügend Raum
hierfür
vorhanden wäre.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Aufrauung, die
z. B. durch Sandstrahlen hergestellt wird, erfahren die festen Bestandteile
aber eine Fixierung, weil mikroskopische Vertiefungen geschaffen
werden, die aber keine Vorzugsrichtung aufweisen, nicht miteinander
verbunden sind und auch keine Kanäle darstellen. Insbesondere
sind keine Rillen vorhanden, die die festen Bestandteile in Richtung
Außenbereich transportieren
könnten.
Somit tritt das oben beschriebene Auswaschen nicht oder höchstens
stark vermindert auf. Außerdem
bewegt sich der flüssige
Bestandteil der Wärmeleitpaste
eher im Bereich der Oberflächenspitzen
zwischen der Kontaktfläche
des Kühlkörpers und
der Kontaktfläche
des Halbleitermoduls.
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Infolge
des Sandstrahlens ist die beim Fräsen entstandene Rillenstruktur
nicht mehr vorhanden. Somit liegen die festen Bestandteile in abgeschlossenen
Bereichen und nicht mehr in den Rillenkanälen, wo sie leichter transportierbar
wären.
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Bei
Temperaturänderung
entstehen auch mechanische Spannungen und Verformungen des Halbleitermoduls
und des Kühlkörpers, wobei
auch die Befestigungsschrauben mechanische Spannungen in das Gesamtsystem
einbringen. Die so bewirkten Verformungen der Kontaktflächen bewirken ebenfalls
Strömungen,
die je nach Stärke
und Richtung die Temperaturänderungs-getriebenen
Strömungen
verstärken
können.
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Statt
des Sandstrahlens ist auch Ätzen
verwendbar.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die aufzurauende Kontaktfläche erhaben
ausgeführt
ist über einer
Oberfläche
des Kühlkörpers. Somit
muss dann nur dieser Teilbereich eben bearbeitet und danach aufrauend
bearbeitet werden und nicht die gesamte Oberfläche. Die Befestigungsschrauben
können
beispielsweise auch in den nicht-aufgerauten Bereich gelegt werden.
Die gezeigte 1 gibt nur symbolisch einen
wesentlichen Erfindungsgedanken wieder. Insbesondere sind die Abmessungen
nicht maßstäblich.
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Statt
der geschilderten Bearbeitungsvorgänge ist auch ein Bearbeiten
der Kontaktfläche
des Kühlkörpers mittels
Erodieren ausführbar,
wobei dann die ebene Form und die Rauheit in einem Arbeitsgang herstellbar
sind, allerdings kostspieliger.
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Halbleitermodul
- 3
- Kontaktfläche des
Kühlkörpers
- 4
- Wärmeleitpaste
- 5
- Kontaktfläche vom
Halbleitermodul
- 6
- Befestigungsschrauben