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Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit einer Leiterplatte mit ersten Befestigungselementen und mindestens einem auf einer ersten Seite der Leiterplatte angeordneten wärmeerzeugenden Bauteil. Weiter weist die elektronische Baugruppe eine Wärmesenke mit zweiten Befestigungselementen auf, wobei mindestens eines der ersten Befestigungselemente und/oder der zweiten Befestigungselemente Magnete umfasst.
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Um ein Überhitzen von wärmeerzeugenden Bauteilen einer elektronischen Baugruppe zu verhindern, werden diese üblicherweise thermisch an eine Wärmesenke angekoppelt. Eine solche Wärmesenke kann ein Kühlkörper mit Kühlrippen oder -finnen sein, eine sogenannte „Heatpipe“ zur Ableitung der Wärme an eine weitere Wärmesenke, oder auch ein vorzugsweise metallisches Gehäuse, in dem die elektronische Baugruppe angeordnet ist und das Wärme über Konvektion an die Umgebung abgibt. Wärmeerzeugende Bauteile sind dabei beispielsweise Halbleiterbauelemente oder -module und auch passive Bauelemente wie Widerstände oder Induktivitäten. Um eine Befestigung der Bauelemente und eine gute thermische Ankopplung an die Wärmesenke zu erzielen, sind beispielsweise Schraub- oder Klemmverbindungen zwischen dem Bauelement und der Wärmesenke, beispielsweise einem Kühlkörper, möglich.
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In einer alternativen Ausgestaltung können die wärmeerzeugenden Bauteile auch auf einer Leiterplatte angeordnet sein, wobei die erzeugte Wärme über die Leiterplatte an die Wärmesenke abgegeben wird. Auch hier sind Schraub- und Klemmverbindungen der Leiterplatte an die Wärmesenke üblich.
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Als eine Alternative zu der Schraub- oder Klemmverbindungen zwischen einem Bauteil und einer Wärmesenke ist aus der Druckschrift
US 2008/0149321 A1 bekannt, eine Heatpipe als Wärmesenke über Magnetkräfte auf ein wärmeerzeugendes Bauelement zu drücken. Dazu wird die Heatpipe mit einem ihrer Enden durch einen Bügel auf dem wärmeerzeugenden Bauteil festgelegt, wobei der Bügel im Randbereich ein Befestigungselement aufweist, das mit einem weiteren Befestigungselement magnetisch zusammen wirkt. Das weitere Befestigungselement ist dabei zum Beispiel über einen weiteren Bügel an der Leiterplatte festgelegt.
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Durch die Verwendung des Bügels und gegebenenfalls des weiteren Bügels ist diese Art der Befestigung zum Einen aufwendig und zum Anderen nur für geometrisch kleine Wärmesenken geeignet, die unmittelbar einem wärmeerzeugenden Bauteil zugeordnet sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auch für die thermische Verbindung zwischen einer Leiterplatte und einer Wärmesenke eine magnetische Befestigung zu schaffen und so deren Vorteile auch für diese Art der thermischen Ankopplung zwischen Leiterplatte und Wärmesenke nutzen zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmesenke auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist, wobei das mindestens eine erste Befestigungselement und das mindestens eine zweite Befestigungselement zusammenwirken und eine zwischen der Wärmesenke und der zweiten Seite der Leiterplatte wirkende Anpresskraft erzeugen. Durch diese Anordnung kann eine Wärmesenke schnell und werkzeuglos mit einer Leiterplatte verbunden werden. Dadurch, dass die Leiterplatte so zwischen dem ersten und dem mit der Wärmesenke verbundenen zweiten Befestigungselement angeordnet ist, wird eine Verbindung zwischen Leiterplatte und Wärmesenke realisiert, ohne dass zusätzliche Bügel oder andere kraftübertragende Elemente benötigt werden. Die magnetische Verbindung zwischen der Leiterplatte und der Wärmesenke zentriert sich in lateraler Richtung zudem in gewissem Umfang selbst und ist automatisch nachstellend, da beispielsweise thermisch bedingte Ausdehnungen oder andere Effekte, die zu einer Änderung des Abstandes zwischen der Wärmesenke und der Leiterplatte führen, einen nur geringfügigen Einfluss auf die Höhe der Anpresskraft haben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist das mindestens eine erste Befestigungselement ein magnetischer Block oder ein Magnetblock. Bevorzugt ist in dem Fall das mindestens eine zweite Befestigungselement ein Magnet. Im Rahmen der Anmeldung ist unter einem magnetischen Körper oder Material ein ferromagnetischer oder zumindest paramagnetischer Körper bzw. Material zu verstehen. Ein magnetischer Körper mit einer dauerhaften Magnetisierung wird nachfolgend als Magnet bezeichnet. Weiter bevorzugt weist der magnetische Block oder der Magnetblock eine verlötbare Fläche und/oder eine verklebbare Fläche auf. Ein derartig ausgestaltetes erstes Befestigungselement kann im Herstellungsprozess leicht auf der Leiterplatte befestigt werden. Insbesondere kann die Befestigung über die verlötbare Fläche im Rahmen des üblichen Bestückungsprozesses durch einen Bestückungsautomaten erfolgen. Es ist dadurch kein separater Schritt im Herstellungsprozess notwendig, um die Leiterplatte für die Montage der Wärmesenke vorzubereiten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist die Wärmesenke ein Kühlkörper, wobei das mindestens eine zweite Befestigungselement in Ausnehmungen des Kühlkörpers aufgenommen und bevorzugt eingeklebt ist. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine zweite Befestigungselement dabei flächenbündig mit einer Oberfläche des Kühlkörpers. Dadurch liegt die Oberfläche des Kühlkörpers ohne Luftspalt auf der Leiterplatte auf, was zu einem guten Wärmekontakt führt und großflächige Wärmeübergangsbereiche ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist das mindestens eine erste Befestigungselement flächenbündig mit einer Oberfläche der Leiterplatte. Das erste Befestigungselement kann nicht nur auf der ersten Seite der Leiterplatte aufliegend montiert werden, sondern auch in eine Ausnehmung in der Leiterplatte eingesetzt werden oder in einen Durchbruch der in der Leiterplatte hineinragen. Wenn das erste Befestigungselement dabei flächenbündig mit einer Oberfläche der Leiterplatte ist, beispielsweise mit der Oberfläche der zweiten Seite der Leiterplatte, ermöglichst auch dieses eine flächige Auflage der Wärmesenke an der Leiterplatte ohne Luftspalte.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist das mindestens eine erste Befestigungselement Teil eines induktiven Bauelements, und ist insbesondere ein erster Spulenhalbkern. Ein induktives Bauelement umfasst häufig eine Komponente aus einem magnetischen Material. Es wird somit ein sowieso auf der leiterplatte angeordnetes Bauelement der elektronischen Baugruppe als erstes Befestigungselement zur magnetischen Verbindung von Leiterplatte und Wärmesenke eingesetzt. Dadurch wird die Zahl der zur magnetischen Verbindung zwischen Leiterplatte und Wärmesenke benötigten Komponenten weiter verringert.
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Bevorzugt ist dabei das mindestens eine zweite Befestigungselement ein Magnet, der an einem zweiten Spulenhalbkern angeordnet ist, wobei der zweite Spulenhalbkern mit der Wärmesenke verbunden ist. Auf diese Weise können beispielsweise Planar-Induktivitäten bzw. Planar-Transformatoren vorteilhaft zum einen selbst mit der Leiterplatte verbunden werden und zum anderen zur Befestigung der Wärmesenke eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Baugruppe mit einer Leiterplatte und einer Wärmesenke in einer schematischen Schnittdarstellung; und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektronischen Baugruppe mit einer Leiterplatte und einer Wärmesenke in zwei verschiedenen Montagestadien.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektronischen Baugruppe mit einer Leiterplatte 1 auf deren ersten Seite 1a ein wärmeerzeugendes Bauteil 2 angeordnet ist. Die 1 stellt die elektronische Baugruppe in einem Schnittbild senkrecht zur lateralen Ausdehnungsebene der Leiterplatte 1 dar. Das wärmeerzeugende Bauteil 2 ist beispielsweise ein Halbleiterbauelement oder Halbleitermodul, das der Einfachheit halber im Folgenden beispielhaft auch als Halbleiter 2 bezeichnet wird. Der Halbleiter 2 ist vorliegend als SMD (Surface-Mounted Device)-Element ausgeführt und über Lotpunkte mit einer Leiterbahnstruktur der Leiterplatte 1 elektrisch verbunden. Gleichzeitig ist der Halbleiter 2 auch thermisch über seine Auflagefläche mit der Leiterplatte 1 verbunden.
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Auf derselben ersten Seite 1a der Leiterplatte 1 sind neben dem Halbleiter 2 zwei erste Befestigungselemente angeordnet und mit der Leiterplatte 1 verbunden. Die ersten Befestigungselemente sind im dargestellten Ausführungsbeispiel dezidiert als magnetische Blöcke 3 ausgebildet, die jeweils einen magnetischen Körper 4 aufweisen. An zumindest einer Seite der magnetischen Blöcke 3 ist eine verlötbare Fläche 5 angeordnet, beispielsweise indem ein verlötbarer Einsatz in den magnetischen Block 3 eingesetzt ist, der zumindest auf der der Leiterplatte 1 zugewandten Seite der magnetischen Blöcke 3 bis an die Leiterplatte 1 heranreicht und die verlötbare Fläche 5 bereitstellt. Auf diese Weise können die magnetischen Blöcke 3 als erste Befestigungselemente ebenso wie der Halbleiter 2 oder andere Bauelemente der elektronischen Baugruppe in dem SMD-Lötprozess mit der Leiterbahnstruktur der Leiterplatte 1 verbunden werden.
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Auf einer zweiten Seite 1b der Leiterplatte 1, die der ersten Seite 1a gegenüber liegt, ist eine Wärmesenke 11, hier ausgebildet als (Konvektions-)Kühlkörper mit einer Grundplatte und Kühlrippen, angeordnet. Zum Ausgleich von Unebenheiten und damit Verbesserung des Wärmeübergangs und zur elektrischen Isolierung zwischen der Leiterplatte 1 und der Wärmesenke 11 ist eine wärmeleitende Schicht 13 zwischen der Leiterplatte 1 und der Wärmesenke 11 vorgesehen. Bei der wärmeleitenden Schicht 13 kann es sich um eine Wärmeleitfolie, eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder auch um eine Kombination aus einer Isolierschicht, beispielsweise einer Glimmerschicht, und Wärmeleitpaste handeln.
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In die Wärmesenke 11 sind den ersten Befestigungselementen gegenüberliegend zweite Befestigungselemente eingelassen, die vorliegend als (Dauer)-Magnete 12 ausgebildet sind. Die magnetischen Blöcke 3 als erste Befestigungselemente und die Magnete 12 als zweiten Befestigungselemente wechselwirken magnetisch miteinander, was in der 1 durch magnetische Feldlinien 21 angedeutet ist. Es wird so eine anziehende Anpresskraft F zwischen den ersten und den zweiten Befestigungselementen erzielt, durch die die Leiterplatte 1 über die wärmeleitende Schicht 13 mechanisch an der Wärmesenke 11 festgelegt wird und thermisch an diese angekoppelt wird. Die (Dauer)-Magnete 12 als zweite Befestigungselemente können in den entsprechenden Aussparungen in der Wärmesenke 11 beispielsweise eingeklebt sein. Auch eine Pressverbindung oder eine Schraubverbindung ist denkbar. Diese Verbindungstechniken können selbstverständlich auch für die Fixierung des ersten Befestigungselementes auf der Leiterplatte 1 eingesetzt werden.
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Eine Montage der bestückten und insbesondere bereits mit den magnetischen Blöcken 3 bestückten Leiterplatte 1 auf der Wärmesenke 11 kann auf einfache Weise auch maschinell erfolgen, indem die Leiterplatte 1 auf die Wärmesenke 11 und die dort aufliegende wärmeleitende Schicht 13 aufgesetzt wird. Eine gegebenenfalls vorhandene Positionierungsungenauigkeit wird durch zwischen den ersten und zweiten Befestigungselementen auch lateral, also in Richtung der Fläche der Leiterplatte 1 wirkenden Kräfte selbstständig ausgeglichen. Die magnetische Verbindung zwischen der Leiterplatte 1 und der Wärmesenke 11 ist zudem automatisch nachstellend, da beispielsweise thermisch bedingte Ausdehnungen oder andere Effekte, die zu einer Änderung des Abstandes zwischen der Wärmesenke 11 und der Leiterplatte 1 führen, einen nur geringfügigen Einfluss auf die Höhe der Anpresskraft F haben. Beispielsweise bei der Verwendung von wärmeleitenden Schichten, die einer Volumenreduktion bei Alterung unterliegen, ist eine nachführende Kraft vorteilhaft, um eine dauerhaft ausreichende Wärmeübertragung zu gewährleisten.
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In einer Variante kann zur Erhöhung der Haltekraft zwischen den Befestigungselementen die Leiterplatte 1 im Bereich der Befestigungselemente Ausnehmungen aufweisen, in denen das erste Befestigungselement angeordnet ist und/oder in die das zweite Befestigungselement hineinragt. Ebenfalls denkbar ist es, dass die Leiterplatte in diesem Bereich eine Öffnung aufweist.
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In einer alternativen Ausgestaltung können die magnetischen Blöcke 3 Magnetblöcke mit einem Magnetkern mit dauerhafter Magnetisierung anstelle des magnetischen Kerns 4 aufweisen. Auch dabei können verlötbare Flächen 5 vorgesehen sein, beispielsweise durch einen entsprechenden Einsatz bereitgestellt, um die Magnetblöcke im SMD-Bestückungsprozess mit der Leiterplatte 1 zu verbinden. Als Gegenlager in der Wärmesenke 11 können dann – bei geeigneter Ausrichtung der jeweiligen Nord- und Südpole – ebenfalls Magnete 12 eingesetzt werden oder auch (ferro- bzw. para-) magnetische Einsätze.
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Die magnetisch wirkenden Befestigungselemente können zusätzlich auch zur elektrischen Kontaktierung dienen. Beispielsweise kann eine Erdung bzw. ein Massekontakt der Wärmesenke 11 über die Magnete 12 hergestellt werden, wobei die wärmeleitende Schicht 13 ist in einem solchen Fall im Bereich der Magnete 12 zumindest teilweise auszusparen ist, wenn sie elektrisch isolierend ist.
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2 zeigt in den beiden Teilbildern 2a und 2b ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektronischen Baugruppe in Schnittbildern. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in dieser Figur gleiche oder gleichwirkende Elemente wie bei 1.
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2a gibt einen Montagezustand der elektronischen Baugruppe wieder, in dem eine Leiterplatte 1 und eine Wärmesenke 11 lateral zueinander korrekt positioniert, aber noch beabstandet von einander sind. 2b zeigt die Leiterplatte 1 und die Wärmesenke 11 miteinander verbunden im endgültigen Montagezustand.
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Die Leiterplatte 1 weist wiederum eine erste Seite 1a und eine zweite Seite 1b auf, wobei auf der ersten Seite 1a hier beispielhaft zwei Halbleiter 2 als wärmeerzeugende Bauteile angeordnet sind. Im Bereich der Halbleiter 2 weist die Leiterplatte 1 optional Durchkontaktierungen 6 zur Verbesserung der Wärmeleitung von der ersten Seite 1a auf die zweite Seite 1b der Leiterplatte 1 auf.
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Weiterhin ist in ein Ausschnitt der Leiterplatte 1 ein erster Spulenhalbkern 7 eingesetzt, der aus einem magnetischen Material gefertigt ist und in diesem Ausführungsbeispiel als erstes Befestigungselement fungiert. Der erste Spulenhalbkern 7 ist zylindrisch ausgebildet mit einem ringförmigen, aus der Zeichnungsebene herausragenden Einschnitt 7a, in den eine Spule 8 eingelegt ist. Die Spule 8 kann eine drahtgewickelte Spule sein oder durch ring- oder spiralförmig verlaufende Leiterbahnen auf – oder bei Multilagenleiterplatten auch in – der Leiterplatte 1 gebildet sein. Auch eine Kombination der beiden genannten Spulenarten ist möglich.
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Gegenüber der zweiten Seite 1b der Leiterplatte 1 ist die Wärmesenke 11 positioniert, die eine Vertiefung aufweist, in die ein zweiter Spulenhalbkörper 14 eingesetzt ist. Der zweite Spulenhalbkörper 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Klebeschicht 15 mit der Wärmesenke 11 verbunden. Andere Befestigungsarten sind hier möglich. Außerhalb der Vertiefung ist auf die der Leiterplatte 1 zugewandten Seite der Wärmesenke 11 wiederum eine wärmeleitende Schicht 13 aufgelegt oder aufgebracht. Der zweite Spulenhalbkörper 14 ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zum ersten Spulenhalbkörper 7 ausgebildet und weist entsprechend ebenfalls eine ringförmige Vertiefung 14a zur Aufnahme der Spule 8 auf. In einem mittleren Bereich des zweiten Spulenhalbkerns 14 und in einem ringförmigen äußeren Bereich sind (Dauer-) Magnete 12 als zweite Befestigungselemente angeordnet, beispielsweise mit dem zweiten Spulenhalbkörper 14 verklebt.
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Wenn die Leiterplatte 1 lateral korrekt positioniert auf die Wärmesenke 11 aufgesetzt wird, umschließen der erste und der zweite Spulenhalbkörper 7, 14 die Spule 8, wobei die als (Dauer)-Magnete 12 ausgebildeten zweiten Befestigungselemente mit dem ersten Spulenhalbkörper 7 als erstes Befestigungselement magnetisch zusammen wirken und die Leiterplatte 1 auf diese Weise mechanisch auf der Wärmesenke 11 festlegen. Die zwischen den ersten und zweiten Befestigungselementen 12, 7 wirkenden Haltekräfte (in dieser Figur nicht eingezeichnet) komprimieren zudem die wärmeleitende Schicht 13 und stellen eine gute thermische Ankopplung der Halbleiter 2 als wärmeerzeugenden Bauteile mit der Wärmesenke 11 sicher. Hierbei verbleibt vorteilhafterweise im montierten Zustand zwischen den beiden Spulenhalbkörpern im Bereich der Magnete 12 ein Luftspalt, um die oben beschriebene nachführende Wirkung der Haltekräfte sicherzustellen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 wird somit ein sowieso vorhandenes magnetisches Bauelement der elektronischen Baugruppe, nämlich ein aus den beiden Spulenhalbkernen 7 und 14 bestehender Spulenkörper zur magnetischen Verbindung von Leiterplatte und Kühlkörper 11 eingesetzt. Die beiden Spulenhalbkernen 7 und 14 können beispielsweise Teil eines Planar-Transformators oder einer Planar-Induktivität sein.
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Eine sich im Betrieb der Spule 8 im Spulenkörper einstellende Magnetisierung ist dabei nicht störend, solange sie nicht permanent in eine Richtung entgegen der Magnetisierung durch die (Dauer)-Magnete 12 wirkt und von einer Größe ist, die die magnetische Flussdichte der Magnete 12 zu Null kompensiert. Ggf. kann eine durch die Magnete 12 hervorgerufene Vormagnetisierung des aus den beiden Spulenhalbkernen gebildeten Spulenkörpers auch im Hinblick auf die Funktionalität der Spule 8 auch gewünscht und geplant sein.
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Gegebenenfalls kann in alternativen Ausgestaltungen zu den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen zusätzlich eine weitere Verbindung zwischen der Leiterplatte 1 und der Wärmesenke 11 vorgesehen sein, beispielsweise indem an geeigneter Stelle eine Klebeverbindung eingesetzt wird oder indem beispielsweise Hohlräume zwischen der Leiterplatte 1 und der Wärmesenke 11 oder zwischen dem ersten und dem zweiten Spulenhalbkörper 7, 14 mit einer Vergussmasse ausgefüllt werden. In einem solchen Fall dient die magnetische Verbindung der Leiterplatte 1 und der Wärmesenke 11 im Wesentlichen der Vereinfachung der Montage und unterstützt bei der Positionierung und Fixierung der beiden Teile während der Ausbildung der weiteren Verbindung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 1a
- erste Seite
- 1b
- zweite Seite
- 2
- wärmeerzeugendes Bauteil
- 3
- magnetischer Block
- 4
- magnetischer Körper
- 5
- verlötbare Fläche
- 6
- Durchkontaktierung
- 7
- erster Spulenhalbkern
- 7a
- Aussparung
- 8
- Spule
- 11
- Wärmesenke
- 12
- Magnet
- 13
- Wärmeleitschicht
- 14
- zweiter Spulenhalbkern
- 14a
- Aussparung
- 15
- Klebeschicht
- 21
- magnetische Feldlinien
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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