DE2012440B2 - Halbleiteranordnung fuer gasdicht abgeschlossene scheiben foermige halbleiterelemente - Google Patents

Description

ein guter mechanischer Schutz für die an sich relativ empfindliche gasdichte Verkapselung des Halbleiterelement*.

Um bei Verwendung derartiger Elektrodenblöcke eine gute Konvcktionskühlung zu erreichen, erweist es sich als zweckmäßig, wenn die beiden konischen Elektrodenblöcke auf der den verjüngten Endflächen abliegenden Seiten mit einer Anzahl von vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweiworden, um das Halbleilerteilelement in zu vollenden.

Das so hergestellte Halbleiterteilelemeni 10 wird aus seinem Platz in dem in F i g. 3 gezeigten isoherenden hohlen Zylinderteil 20 gebracht. Wie daigestellt, weist der Zylinderteil 20 einen hohlen zylindrischen Isolierkörpern, der an beiden Enden offen ist, und eine ringförmige Rippe 22 auf, welche sich radial vom Umfang des Isolierkörpers nach außen

send:n Vorsprüngen versehen sind, welche im Mittel- io erstreckt. Der hohle zylindrische Isolierkörper 21 teil einen größeren Durchmesser als in den Rand- und die ringförmige Rippe 22 sind einstückig aus

einem geeigneten elektrischen Isoliermaterial, wie z. B. Keramik, geformt. Der zylindrische Isolierkörper

bereichen aufweisen.

Wenn hingegen eine Flüssigkeitskühlung erwünscht

ist. erweist es sich als zweckmäßig, wenn die beiden

konischen Elektrodenblöcke mit kappenförmigen 15 förmiee Flansche 23 angelötet, deren innerer DurchDeckeln versehen sind, an welche Zufuhr- und Ab- messer im wesentlichen gleich dem des offenen Endes

21 hat an seinen beiden offenen Enden ein Paar ring-

führleitungen angeschlossen sind.

Um zu gewährleisten, daß die Übergangswiderstände zwischen dem Halbleiterelement imd den E-ioktrodenblöcken über lange Zeiträume möglichst ferine gehalten werden können, erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Elektrodenblöcke mit Hilfe von Druckplatten und Spannelementen zusammengedrückt sind.

und dtren äußerer Durchmesser etwas geringer als der Außendurchmesser der R..>pe aus einem Grund ist, welcher später klar werden wkd.

Auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterteilelements 10 in dem isolierenden hohlen Zylinderteil 20 sind ein Paar Elektrodenblöuke 30 angeordnet, von denen einer in F i g. 4 und 5 gezeigt ist. Beide Elektrodenblöcke 30 sind im

Die Erfindung wird klarer an Hand der folgenden a₅ Aufbau identisch und symmetrisch in Bezug auf das

Halbleiterteilelement 10 angeordnet. Daher wird nur einer der Elektrodenblöcke 30, z. B. der obere Elektrodenblock 30 in F i g. I, im einzelnen beschrieben werden.

Wie in F i g. 4 gezeigt, enthält der Elektrodenblock 30 ein metallisches Elektrodenelement 31, welches etwa die Form eines abgestumpften Holilkegels hat und einen Endteil mit kleinerem Durchmesser und einer flachen Endfläche 32 sowie einen anderen Enclteil 33 größeren Durchmessers aufweist, der im wesentlichen wie ein Hohlzylinder geformt ist und auf dessen Umfang eine ringförmige Vertiefung oder

ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche im Zusammenhang mit der Zeichnung erfolgt. Es zeigt

F i g. I einen Längsschnitt durch ein nach der Erfindung aufgebautes Halbleiterelement,

F i g. 2 einen Ouerschnitt des Halbleiterteilelements in Fig. 1,

P i g. 3 einen Längsschnitt durch den hohlen Zylinderteil aus elektrisch isolierenden Material in Tig. I.

F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen der Elektrodenblöeke in Fig. 1,

I i g. 5 eine Draufsicht auf den Eleklrodenblock in F i ». I und 4 und

Rille 34 aus einem später klar werdenden Grund vorgesehen ist. Der größere Endteil 33 ist mit dem klei-

i g. 6 eine Seitenansicht, teilweise im Längs- 40 neren Endteil über eine kegeistumpfförmige Oberfläche 35 verbunden. Das Elektrodenelement 31 weist

schnitt, einer Modifikation der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Flalbleiterelement am größeren Ende eine zentrale Vertiefung auf, wodaigestcllt, welches entsprechend der Erfindung auf- durch innen eine im wesentlichen konische Obergebaut ist. Die dargestellte Anordnung umfaßt ein fläche 36 entsteht, die zur äußeren Oberfläche 35 allgemein mit der Bezugs;:<ffer 10 bezeichnetes Halb- 45 nahezu parallel ist. Zu einem Zweck, der später klar

werden wird, ragen eine Vielzahl Vorsprünge 37 im Abstand und parallel zueinander angeordnet von der inneren Oberfläche 36 zum größeren Ende des Elektrodenclements 31 und verlaufen längs des »Kegels«. Die Vorsprünge haben, wie in F i g. 5 gezeigt, vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt und ragen etwas über das größere Ende des Elektrodenelements 31 hinaus. Sie weisen entsprechende flache Endflächen 37« auf, die wie in F i g. 4 gezeigt, in einer

mit einander gegenüberliegenden Hauptllächcn und 55 zur Ebene oer Endfläche des größeren Endes des einem abgeschrägten Umfang und enthält eine Elcktrodenelements 31 im wesentlichen parallelen p-Schicht und eine η-Schicht, um dazwischen einen Ebene verlaufen. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind die p-n-Übergang 12 zu bilden. Eine Stützplatte 13 aus Vorsprünge 37 am Mittelteil der konischen Obereinem geeigneten metallischen Material wie Molyb- fläche 36 von größerem Durchmesser als jene, die am dän oder Wolfram wird mit der Oberfläche der 60 Randgebiet angeordnet sind. Der Grund hierfür wird p-Schicht des Pldttchens 11 durch eine Lötschicht 14, später klar werden. Das Elektrodenelement 31 und

leitertcilelemcnt, eir.p.n allgemein mit der Bezugszill'er 20 bezeichneten hohlen Zylinderteil aus elektrisch isolierendem Material und ein Paar allgemein mit der Bezugsziffer 30 bezeichnete Elektrodenhlöcke. Das Halbleilerteilelement 10 kann die Form einer flachen Halbleiterdiode haben, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. Die dargestellte Diode oder das HaIbleitertcilclement 10 umfaßt ein runder, Plättchen 11 aus einem geeigneten Halbleitermaterial wie Silizium

lh d

z.B. aus Aluminium in ohmschen Kontakt verbunden, und eine metallische Elektrode 15 ist auf die Oberfläche der η-Schicht des Plättchens 11 legiert.

ld d die Vorsprünge 37 können vorzugsweise einstückig aus einem geeigneten elektrisch und thermisch leitenden Material wie Kupfer durch Gießen geformt

Die Elektrode kann vorzugsweise aus Gold oder 65 sein. Antimon sein, Die ausgesetzte Oberfläche des Platt- Das Elektrodenelement 31 weist am äußeren Um-

lih i bk

chens 11 aus Silizium ist natürlich einer bekannten Oberflächenbehandlung zur Stabilisierung unterzogen fang nahe der Endfläche 32 eine ringförmige Schulter 38 auf, auf welche ein gebogener Flansch 39 oder eine

Scheibe in Form eines Ringes angelötet ist. Der Flansch M) ist aus einem geeigneten nachgiebigen metallischen Material wie Kovar (Warenzeichen) und hat einen geringeren Durchmesser als der zylindrische Endteil 33 des Elektrodenelements 31. Er hat im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der ringförmige Flansch 23 an dem isolierenden Zylinderteil 2(K Der nachgiebige Flansch 39 kann mit dem Flansch 23 verschweißt oder anderweitig verbunden werden.

Zur Bezeichnung der Teile des oberen Elektrodcnblocks 30 verwendeten Bezugszeichen sind auch dazu verv/endet. die entsprechenden Teile des unteren Elektrodenblocks 30 zu bezeichnen.

Das Halbleiterelement 10. der isolierende Zylinderteil 20 und die Elektrodenblöcke 30. wie sie oben beschrieben wurden, können vorzugsweise zu einem Halbleiterelement nach Fig. 1 in folgenden Schritten zusammengestellt werden. Zuerst wird einer der Elektrodenblöcke 30. in diesem Fall der untere Block in Fig. I. mit dem unteren Ende des Zylinderteils 20 dadurch verbunden, daß der rngförmige Flansch 39 gegen den ringförmigen Flansch 23 gestoßen und mit diesem durch Bogenschweißen mit Argon verschweißt wird. Dann wird das Halbleiterteilelement 10 in dem hohlen Zylinderteil 20 auf die flache Endfläche 32 des Elcktrodenblocks 30 so aufgesetzt, daß die Stützplatte 13 des Halbleiterteilelemcnts 10 die Endfläche 32 konzentrisch berührt. Hierauf wird der obere Elektrodenblock auf die gleiche Weise wie oben beschrieben mit dem oberen Ende des Zylinderteils 20 verbunden, um das in F i g. 1 gezeigte Halbleiterelement fertigzustellen.

In dem sich ergebenden Element haben sowohl die Elektrode 15 des Halbleiterteilelements 10 und die flache Endfläche 32 des oberen Elektrodenblocks 30 als auch dir Stützplatte 13 des Halhleiterteilelcments 10 und die flache Endfläche 32 des unteren Elektrodenblocks 30 je eine gemeinsame Kontaktfläche, weiche infolge des Verschweißens der Flansche 23 und 39 unter einem geeigneten Druck steht. Der Druck entsteht infolge der Nachgiebigkeit des Flansches 39. Daher ist das Halbleiterteilelement 10 unter Druck zwischen den oberen und unteren Elektrodcnblöcken 30 geschichtet und ist über den hohlen Z¹.linderteil 20 und die an dessen beiden Enden anschließenden Elektrodenblöcke hermetisch verschlossen. Auf diese Weise ist das Halbleiterteilelement 10 gleitend in finer Kammer gehalten, welche durch den Zylinderteil 20 und die Elektrodenblöcke 30 begrenzt

Die Elektrodenblöcke 30 sind in innigen Kontakt mit den einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Halbleiterteilelements 10 und stellen ein Paar Elektroden für das letztere dar. während sie cleichzeitiii als Wärmeleiter für direkte Kühlung des Halbleiterteilelements 10 dienen. Das heißt, die Elektrodenblöcke 30 können z. B. durch die um die \-_or^p_rünoe 37 strömende Luft eingekühlt sein, wodurch das Halbleiterteilelement 10 wirksamer gekühlt wird. Hierdurch ist lein eigener Wärmeableiter in Druckkontakt mit dem. Elektrodenblock erforderlich wodurch keinerlei Verbindung Metall-zu-Metall im Über'Mncswea der vom Halbleiterteilelement abgeführten Wärme vorhanden ist. Die Wirksamkeit der Wärmeableitung ist daher wesentlich verbessert.

Jeder der Elektrodenblöcke 30 weist eine kegelstumpfförmiac Oberfläche 35 auf der Seite auf, welche mit dem Zylinderteil 20 verbunden werden soll. Diese kegelstumpfförmige Oberfläche 35 wirkt zur Erleichterung des Verbindungsvorgangs zwischen den Flanschen 39 und 23 durch Verschweißen. Würde man annehmen, daß der Elektrodenblock 30 im wesentlichen derart zylinderförmig ist, daß die kleinere Endfläche den Fortsatz des zylindrischen Teils am größeren Ende schneidet, so könnten die Elektrodcnblöcke 30 nur mit großer Schwierigkeit mit dem isolierenden Zylinderteil 20 verbunden werden. Wenn z. B. die beiden Flanschen 23 und 39 durch einen Argonschweißvorgang miteinander verbunden werden sollen, bei welchem das elektrische Bogenschweißen in einer Schutzathmosphäre aus Argon durchgeführt wird, wobei eine Schweißelektrode nahe den Flanschen angeordnet ist, so wäre das Heranführen der Schweißelektrode an die Flanschen infolge der Form des Elektrodenblocks schwierig. Andererseits läßt die Außenfläche des Elcktrodenblocks in Form eines Kegelstumpfes eine leichte Annäherung der Schweißelektrode an die Flansche 23 und 39 zu. wobei gleichzeitig die Überwachung des entsprechenden Schweißvorgangs erleichtert wird.

Wenn der Elektrodenblock 30 eine im wesentliehen zylindrische Form wie oben beschrieben aufweist, ist zu bemerken, daß die Umfangskante der flachen Endfläche 32 von dem Halbleiterteilelement 10 entfernt ist und daher nicht besonders zur Wärmeableitung beiträgt. Aus diesem Grund wurde der äußere Umfang des Elektrodenblocks 30 als kegelstumpfförmige Oberfläche 35 ausgeführt, wodurch der Schweißvorgang wie oben beschrieben erleichtert wird.

Aus dem gleichen Grund sind die mittleren Vorsprünge 37, welche dem Halbleiterieilelement 10 näher liegen, mit größerem Querschnitt als die äußeren Vorsprünge ausgeführt.

Wie bereits erwähnt liegen alle freien Endflächen 37<7 der Vorsprünge 37 in einer gemeinsamen Ebene.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Halbleiterelement nach F i g. 1 zwischen ein Paar nicht gezeigten Druckplatten geschichtet werden kann. In diesem Falle liegt jede Druckplatte auf allen Endflächen 37 α der Vorsprünge 37 eines Elektrodenblocks 30 auf. um eine wirksame Kontaktkraft auf den zugehörigen Elektrodenblock zu übertragen.

In F\ g. (S ist ein Halbleiterelement nach F i g. 1 gezeigt, an dessen Seitenenden je eine Abdeckvorrichtung angebracht ist, um die Elektrodenblöcke 30 mit einem Kühlmittel oder einer Flüssigkeit wie Wasser. Öl. oder gasförmigen Medien zwangszukühlen. Beide Abdeckvorrichtungen sind identisch im Aufbau. Daher soll nur eine der Vorrichtungen, z. B. die untere in Fig. 6, im einzelnen beschrieben werden. und die Teile der anderen oder oberen Vorrichtungen mit den gleichen Bezugszeichen entsprechend den Teilen der unteren Vorrichtung versehen werden. Die allgemein mit der Bezugsziffer 50 bezeichnete Abdeckvorrichtung besteht aus einem schüsselförmigen metallischen Deckel Sl, der auf den zylindrischen Endteil 33 des zugehörigen Elektrodenblocks. aufgesetzt ist. Im einzelnen weist der Decke! 51 einen kreisförmigen Bodenteil 52. gesen welcher die meisten Vorsprünge 37 des Elektrodenblocks 3( anstoßen, und einen zylindrischen Wandteil 53 auf der an der Umfangskante des Bodenteiis52 nacr oben steht und mit Hilfe eines O-Ringes40 in dei ringförmigen Rille 34 des Endteils 33 des Elektroden

blocks 30 dichtend aufgepaßt ist. Auf der äußeren Oberfläche des Bodenteils 52 ist eine elektrische Klemmenplatte 54 mit einem scheibenförmigen Isolationskörper 55 auf ihrer dem Deckel 5 t abgewandten f berflächc angeordnet. Ein Taststift 56 ragt ¹ '- -^1:- ™ !-Ι» =λ iinri ict mit seinen bei-

lierenden Hülse 63 umgeben ist. Durch Anziehen der Muttern 62 auf den Gewindebolzen 61 werden die Druckplatten 60 fest miteinander verschraubt was dazu führt, daß sich die Druckplatten aufeinander zu bewegen. Der Elektrodenblock 30 die Abdichtung 50,

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tier Klemmenplatten 54 abgewandten Seite einen zentralen Vorsprung 57 auf.

Um zur Kühlung der Vorsprung«: 37 ein Kühlmittel durch das abgedichtete Innere des schüsselförkelsSl führen zu können, stehen mit dem

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Kühlmittel in das Innere des Deckels 51 durch die Eingangsleitung 58 eingeführt, um die Vorsprunge 37 zu umströmen und das Halbleiterteilelement 10 wirk-

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ISS Tor SpUUe^mit Muttern 62 verschraubt. wobei jede Gewindestnnge von einer iso-SinSSung hat .rschiedene Vorteile. Zum Beispiel kann der Verbindungsnansch am Elektmdenblock leichter hermetisch mit dem isolierenden hohlen Zylinderteil, welcher das Halb.eitertei.element umgibt, verschweißt werden, wahrend gleichzeitig die

Wirksamkeit der Wärmeableitung vergrößert wird. ^ .^ ^ ^^ _wirksam ^ _{Vc ößeru der Lei}_ stunesfähigkeit von Halbleiterelement. Weiter können die Vorsprünge an dem Elektrodenblock zwangsgekühlt werden um die Wirkung der Wärmeableitung weiter zu verbessern.

_{Zum Bei iel ist die Erfin}dung statt für flache Halbleiterdioden in gleicher Weise mit anderen flachen Ha.b.eiterteiie.ementen wie Leistungstrans.storen und Thyristoren anwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 585/309

Claims (4)

1 2 tallischen Werkstoff vorgesehen ist, welche einen gu Patentansprüche: ten thermischen Übergang ergibt, in diesem Zusam menhang ist es ferner bekannt, entlang des freiliegen

1. Halbleiteranordnung für gasdicht abgeschlos- den Randes des scheibenförmigen Halbleiterelement sene, scheibenförmige Halbleiterelemente, welche 5 eine Isolierschicht anzubringen, um das Halbleiter mit Hilfe von zwei beidseitig an das Halbleiter- plättchen soweit wie möglich gegen äußere Einfluss! element angesetzten Elektrodenblöcken gekühlt zu schützen.

sind, wobei die Elektrodenblöcke an ihren End- Es ist ferner bekannt (siehe deutsche Auslegeschrif

flächen mit je einem elastischen, metallischen 1 276 209), ein scheibenförmiges Halbleiterelemen

Flansch versehen sind, und diese elastischen io zwischen zwei Elektroüenblöcken anzuordnen, au

Flansche mit entsprechenden Ringflanschen eines welche zwei scheibenförmige Deckplatten gelegt wer

hohlzylindrischen Isolierkörpers verbunden sind, den, die entlang ihres Randes mit einem aus Isolier

der das zwischen den Endflächen der Elektroden- material bestehenden Ring verbunden sind. Durcl

blöcke angeordnete, scheibenförmige Halbleiter- Auflegen von weiteren Kühlblöcken auf diese au>

element umschließt, dadurch gekenn- :s Metall bestehenden Deckplatten kann eine Kühluni:

zeichnet, daß die Elektrodenblöcke (30) ko- des scheibenförmigen Halbleiterelements erreichi

nisch ausgebuuet sind und im Bereich ihrer ver- werden, während gleichzeitig mit Hilfe der Deckplat-

jüngten Endflächen (32) mit dem Halbleiterele- ten und des aus Isoliermaterial bestehenden Ringe?

ment (10) in Berührung stehen und daß die ela- eine gasdichte Abkapselung des scheibenförmigen

stischen, metallischen Flansche (39) an die ver- 20 Halbleiterelements erreicht wird, so daß dasselbe

jungten Endflächen der Elektrodenblöcke (30) gegen äußere Einflüsse geschützt ist.

dieselben ringförmig umgebend angelötet sind. Da Halbleiterelemente in moderner Bauweise er-

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, da- hebliche Mengen vo.i Wärme freisetzen, erweist es durch gekennzeichnet, daß die beiden konischen sich als notwendig, die seitlich auf das scheibenför-Elektrodenblöcke (30) auf der den verjüngten 25 mige Halbleiterelement aufgesetzten Elektroden-Endflächen (32) abliegenden Seiten mit einer An- blöcke möglichst groß zu dimensionieren, damit der zahl von vorzugsweise einen kreisförmigen Quer- Temperaturanstieg des scheibenförmigen Halbleiterschnitt aufweisenden Vorsprüncen (37) versehen elements in tolerierbaren Grenzen gehalten werden sind, welche im Mittelteil einen größeren Durch- kann. Um somit eine gute Kühlung des Halbleitermesser als in den Randbereichen aufweisen. 30 elements zu gewährleisten, erscheint es zweckmäßig.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 d.n Durchmesser der beiden Elektrodenblöcke mögodcr 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden liehst groß zu wählen. Da jedoch der das schcibenkonischcn Elektrodenblöcke (30) mit kappenför- förmige Halbleiterelement und die beiden Elektromigen Deckeln (51) versehen sind, an weiche Zu- denblöcke umschließende Ring aus Isoliermaterial führ- und Abführleitungen (58,59) angeschlossen 35 wegen seiner Verbindung mit den auf den beiden sind. Elektrodenblöcken aufgesetzten metallischen Deck-

4. Halbleiteranordnung nach einem de An- platten notgedrungenermaßen größer als der Durchsprüchc I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die messer der Elektrodenblöcke gewählt werden muß. Elektrodenblöcke (30) mit Hilfe von Druckplat- weist eine derartige Halbleiteranordnung einen rclaten (60) und Spannelementen (61 bv. 63) zusam- 4° tiv großen Durchmesser auf.

mengedrückt sind. Demzufolge ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiteranordnung für gasdicht abgeschlossene scheibenförmige Kalbleiterclemente zu

schaffen, welche diesen Nachteil nicht aufweist und

45 welche bei Verwendung von aus Isoliermaterial bestehenden Ringen mit relativ kleinem Durchmesser den Einsatz von relativ groß dimensionierten Elck-

Dic ErHiKlUtIg betrifft eine Halbleiteranordnung für trodenblöcken ermöglicht, so daß eine gute Kühlung

gasdicht abgeschlossene, scheibenförmige Halbleiter- des scheibenförmigen Halbleiterelemcntes gcwähr-

clcmentc. welche mit Hilfe von zwei beidseitig an das 50 leistet ist.

Halbleiterelement angesetzten Elektrodenblöcken ge- Erfindungsgemäß wird dieses dadurch erreicht, daß

kühlt sind, wobei die Elektrodenblöcke an ihren End- die Elcktrodenblöckc konisch ausgebildet sind und

flächen mit je einem elastischen, metallischen im Bereich ihrer verjüngten Endflächen mit dem

Flansch versehen sind, und diese elastischen Flansche Halbleiterelement in Berührung stehen und daß die

mit entsprechenden Ringflanschen eines hohlzylin- 55 elastischen, metallischen Flansche an die verjüngten

drischen Isolierkörpers verbunden sind, der das Endflächen der Elektrodenblöcke dieselben ringför-

zwischen den Endflächen der Elektrodenblöcke an- mig umgebend angelötet sind.

geordnete, scheibenförmige Halbleiterelement um- Auf Grund der Tatsache, daß die elastischen meschlicßt. tallischen Flansche an den verjüngten Endflächen der Es ist bereits bekannt (siehe beispielsweise dent- 60 Elektrodenblöcke angelötet sind, ergibt sich die Mögsches Gebrauchsmuster 1 840 026 und deutsche Pa- lichkcit, auf der einen Seite hohle rylindrische Isotentschrift I 042 762), scheibenförmige Halbleiter- licrkörper zu verwenden, welche einen relativ gerinelemente zur Erzielung einer günstigen Kühlung gen Durchmesser aufweisen, während auf der anderen zwischen zwei Anschlußleitungen bzw. konischen Seite durch konische Ausbildung der Elektroden-Elektrodenblöcken anzuordnen, wobei an der Be- 65 blöcke eine gute Kühlung des scheibenförmigen rührfläche des Halbleitcrelcmentcs mit den An- Halbleiterelements gewährleistet ist. Da der hohle Schlüssen bzw. konischen Elektrodenblöcken eine zylindrische Isolierkörper ferner seitlich nicht über Schicht von Lötmittel oder einem schmiegsamen me- die Elektrodenblöcke hinausragt, ergibt sich ferner