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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe, die zumindest eine Leiterplatte mit Leiterbahnen und eine Anordnung zur Strombegrenzung aufweist. Sie betrifft ferner die Verwendung einer solchen elektronischen Baugruppe in einem Kraftfahrzeug.
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Aus der
WO 2008/113343 A2 ist eine elektronische Baugruppe bekannt, die als Anordnung zur Strombegrenzung eine Leiterbahnsicherung aufweist, wobei die Leiterbahnsicherung eine Engstelle der Leiterbahn umfasst, die gegenüber anderen Leiterbahnen einen geringeren Leiterquerschnitt aufweist. Beim Auftreten eines Fehlstroms beispielsweise in einem durch die Leiterbahnen kontaktierten Bauelement kommt es zu einer Stromerhöhung in der Leiterbahn, besonders jedoch an der Engstelle. Dadurch erhöht sich die Temperatur an dieser Engstelle und die Leiterbahnsicherung schmilzt auf und trennt dadurch den Stromfluss. Dadurch werden weitere Probleme wie beispielsweise eine Beschädigung von benachbarten Bauteilen vermieden.
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Problematisch ist, dass Mechanismen zur Strombegrenzung üblicherweise auf thermischen Prozessen beruhen. Durch eine im Bereich der Anordnung zur Strombegrenzung lokal stark erhöhte Temperatur kann es zu einer Entflammung der Leiterplatte und zu einem Übergreifen der Flammen auf die Umgebung kommen.
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EP 1045625 A1 betrifft eine Foliensicherung auf einer Leiterplatte, die aus einer Verengung eines Folienleiters auf der Oberfläche der Leiterplatte und einer Schutzkapsel zum Abdecken der Verengung besteht. Um die heißen Gase und eventuelle Spritzer geschmolzenen Materials, die beim Durchbrennen einer Sicherung entstehen, auf die sichere Seite der Leiterplatte zu leiten, befindet sich in der Leiterplatte ein Spalt, der von der Schutzkapsel abgedeckt wird und in der Nähe der Foliensicherung angeordnet ist.
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DE 10 2010 037390 A1 betrifft eine Mehrlagen-Leiterplatten mit wenigstens zwei Platten, und wenigstens einer zwischen zwei benachbarten Platten, angeordneten Zwischenlage. Auf den beiden Außenseiten der Mehrlagen-Leiterplatte sind elektrische Leiterbahnen vorhanden. Zumindest auf einer der beiden Außenseiten sind elektrische und/oder elektronische Bauelemente angeordnet und elektrisch kontaktiert. In der Zwischenebene ist eine Sicherungsleiterbahn angeordnet, die einen Sicherungsabschnitt mit verringertem Querschnitt aufweist. Die Sicherungsleiterbahn wird durch die beiden benachbarten Platten, abgedeckt. Seitlich angrenzend an wenigstens einer der Platten, sowie an die Zwischenlage ist ein Löschvolumen angeordnet, das Gas gefüllt und/oder mit einem festen Funkenlöschstoff gefüllt sein kann. Das Löschvolumen ist unter einem Durchschlagabstand zum Sicherungsabschnitt angeordnet. Der Durchschlagabstand ist dabei als kleinster Abstand zwischen dem Sicherungsabschnitt und dem Löschvolumen definiert. Der Durchschlagabstand ist kleiner als der Abstand des Sicherungsabschnitts zu den anderen Leiterbahnen in der Zwischenlage.
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DE 10 2009 046486 A1 betrifft eine Schutzeinrichtung für eine Leiterplatte mit mehreren Leiterplattenlagen, wovon wenigstens eine Lage eine wenigstens eine Leiterbahn aufweisende Innenlage ist, welche von einer oberen und einer unteren Leiterplattenlage überdeckt ist, und wobei ein Element vorgesehen ist, welches beim Auftreten eines überhöhten Stromes eine Unterbrechung der Stromführung durch die Leiterbahn bewirkt. Es ist vorgesehen, dass das Element die in der Innenlage angeordnete Leiterbahn ist.
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Um Leiterbahnen elektrischer Baugruppen mit einer Kurzschluss-Sicherung zu versehen, erhalten die Leiterbahnen der
DE 3723832 A1 im Bereich der Kurzschluss-Sicherung einen durch Ausnehmungen verringerten Stromdurchfluss-Querschnitt und werden dort an ihrer freien Oberfläche mit einem funkenlöschenden Medium, wie z. B. einem auf Silikonbasis aufgebauten Abdecklack, versiegelt. Die Ausnehmungen können nachträglich in vorhandene mit Leiterbahnen versehene elektronische Elemente eingebracht werden, z. B. in Form von Bohrungen. Derartige Kurzschluss-Sicherungen sind äußerst wirtschaftlich herstellbar und sicher in der Funktion, insbesondere in Bezug auf die Vermeidung von Funkenbildung.
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US 6,002,564 A offenbart eine Überstromschutz-Dickschichtwiderstandsvorrichtung und eine Überstromschutzschaltung, die diese verwendet. Überstrom (z. B. Stoßstrom) fließt in die Überstromschutzschaltung aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses zwischen externen Kabeln und Stromleitungen in Kommunikationsnetzen. Der Dickschichtwiderstand unterdrückt Funken aufgrund eines solchen Überstroms, die ansonsten die peripheren Teile oder Komponenten beeinträchtigen würden, die um die Überstromschutzschaltung herum angeordnet sind. Diese Funktion wird erreicht, indem ein Dickschichtwiderstand mit einer länglichen Mäander- oder Spiralform und auch mit einem Abschnitt mit verringerter Breite an einer Stelle des Dickschichtwiderstands bereitgestellt wird. Es ist vorhersehbar, dass an diesem Abschnitt mit verringerter Breite Funken auftreten. Ein Gehäuse oder ein anderer Funkendämpfungsmechanismus kann selektiv um den Abschnitt mit verringerter Breite des Dickschichtwiderstands angeordnet werden.
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Um zu verhindern, dass eine Temperatursicherung durch Abrieb beim Verpacken, Transportieren, Lagern oder Zusammenbauen in ein Gerät beschädigt wird, muss die auf einer Porzellantafel ausgebildete Temperatursicherung mit einem vorspringenden Sicherungsschutzgehäuse aus hitzebeständigem Material versehen werden. Hierzu schlägt die
JP H03-263726 A eine Widerstandsschaltungsschicht vor, die auf einer Porzellanplatte ausgebildet ist, eine Überglasurschicht, die auf der Platte mit Ausnahme eines Sicherungsabschnitts ausgebildet ist, und eine Sicherung, die auf der Platte ausgebildet ist. Ein Schutzgehäuse besteht aus einem hitzebeständigen Material wie einer Aluminiumplatte oder einem hitzebeständigen Harz, das in eine vorstehende Form gebracht wurde, und ist über die Schaltung übergreifend angebracht. Die Höhe des vorstehenden Abschnitts des Schutzgehäuses ist für die Innengröße von der Platinenfläche zur Innenfläche des Gehäuses auf 1,0 bis 5,0 mm eingestellt. Die Beschädigung der Porzellan-Leiterplatte mit der Temperatursicherung durch den Abrieb durch Vibrationen beim Verpacken oder Transport oder den Abrieb beim Aufstecken auf ein Gerät wird durch die Schutzhülle verhindert.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Baugruppe mit einer Anordnung zur Strombegrenzung anzugeben, die diesen Nachteil nicht aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichungen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Baugruppe angegeben, die zumindest eine Leiterplatte mit Leiterbahnen aufweist. Ferner weist die elektronische Baugruppe zumindest eine Anordnung zur Strombegrenzung in Form einer thermischen Sollbruchstelle in zumindest einer Leiterbahn auf. Zuätzlich weist die elektronische Baugruppe eine Vorrichtung zur Brandeindämmung im Bereich der Anordnung zur Strombegrenzung auf.
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Unter einer thermischen Sollbruchstelle in einer Leiterbahn wird hier und im Folgenden ein Bereich der Leiterbahn verstanden, der bei einer erhöhten thermischen Belastung, d.h. bei einer thermischen Belastung, die eine im Normalbetrieb der elektronischen Baugruppe auftretende thermische Belastung deutlich übersteigt, mit einer Unterbrechung der Leiterbahn und somit des Stromflusses reagiert.
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Insbesondere kann es sich bei der Anordnung zur Strombegrenzung in Form einer thermischen Sollbruchstelle um eine Engstelle der Leiterbahn handeln, d.h. um einen Bereich der Leiterbahn mit verringertem Leiterbahnquerschnitt.
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Ferner kann es sich auch um eine Engstelle mit darüber angeordnetem Lotdepot handeln, das im Falle einer erhöhten thermischen Belastung aufschmilzt und eine Zerstörung der Leiterbahn bewirkt. Insbesondere wird dabei das Material der Leiterbahn soweit in dem flüssigen Lot gelöst, dass die Leiterbahn unterbrochen wird. Ein derartiges Lotdepot kann insbesondere zusammen mit einer Engstelle der Leiterbahn verwendet werden, wobei das Lotdepot vorzugsweise unmittelbar auf oder neben der Engstelle angeordnet ist, so dass beispielsweise die Temperaturerhöhung im Bereich der Engstelle ein Aufschmelzen des Lotdepots bewirkt. Es ist auch denkbar, dass das Lotdepot mittels eines Heizwiderstands der Anordnung zur Strombegrenzung aufgeschmolzen wird, wobei der Heizwiderstand galvanisch von der mit der Engstelle versehenen Leiterbahn getrennt ist und beispielsweise von einer weiteren Leiterbahn gebildet sein kann.
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Ferner kann es sich auch um eine Anordnung zur Strombegrenzung handeln, bei der die Leiterbahn durch thermische Ausdehnung aufgerissen und somit unterbrochen wird.
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Unter Vorrichtungen zur Brandeindämmung im Bereich der Anordnung zur Strombegrenzung werden hier und im Folgenden Vorrichtungen verstanden, die geeignet sind, eine Entflammung von Elementen der elektronischen Baugruppe auf den Bereich der Anordnung zur Strombegrenzung zu begrenzen, insbesondere auf einen abgeschlossenen Raumbereich, und/oder ein Erlöschen der Flammen zu bewirken.
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Die Leiterplatte kann beispielsweise aus Keramik oder aus einem Kunststoff oder Harz ausgebildet sein, die Leiterbahnen können beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe jede gängige Art von Leiterplatte umfassen.
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Die elektronische Baugruppe hat den Vorteil, dass die im Bereich der Anordnung zur Strombegrenzung vorgesehene Vorrichtung zur Brandeindämmung einer Entflammung der Leiterplatte vorbeugen bzw. entstehende Flammen löschen kann. Dadurch wird ein Brand lokal stark begrenzt und kann nicht auf weitere Bereiche der elektronischen Baugruppe oder auf die Umgebung der elektronischen Baugruppe übergreifen. Dies bewirkt auch, dass die Anordnung zur Strombegrenzung nicht länger ein Sicherheitsrisiko bei der Verwendung der elektronischen Baugruppe darstellt.
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Die Vorrichtung zur Brandeindämmung weist eine luftdichte Haube auf oder besteht aus dieser. Die luftdichte Haube ist über der Anordnung zur Strombegrenzung aufgebracht und umschließt die Umgebung der Anordnung zur Strombegrenzung luftdicht. Anders ausgedrückt verläuft - insbesondere in Draufsicht auf eine Haupterstreckungsebene der Leiterplatte - ein mit der Leiterplatte - insbesondere luftdicht - verbundener Rand der Haube vollständig um die Anordnung zur Strombegrenzung herum.
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Erfindungsgemäß ist die Haube als Metallhaube ausgebildet und auf die Leiterplatte gelötet.
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Bei dieser Ausführungsform bewirkt die luftdichte bzw. im Wesentlichen luftdichte Metallhaube zum einen eine lokale Begrenzung eines Brandes und zum anderen ein Abschneiden der Sauerstoffzufuhr, durch die das Feuer erlischt, wenn der unter der Metallhaube vorhandene Sauerstoff verbraucht ist.
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Diese räumliche Begrenzung der Flammen ist insbesondere bei Kunststoffgehäusen von Vorteil, da bei diesen ein Übergreifen der Flammen auf andere brennbare Materialien unterbunden werden soll.
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Die Metallhaube kann einstückig ausgebildet und beispielsweise durch Stanzen und/oder Tiefziehen oder einen anderen geeigneten Prozess vorgeformt sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform weist die elektronische Baugruppe ein Gehäuse auf in dem insbesondere die Leiterplatte angeordnet ist und die Vorrichtung zur Brandeindämmung weist eine luftdichte Haube auf, deren Deckel durch einen Bereich eines Gehäuses der elektronischen Baugruppe gebildet ist und deren Seitenwände zumindest teilweise durch ein auf die Leiterplatte aufgebrachtes, die Anordnung zur Strombegrenzung umgebendes Dichtmaterial gebildet sind, sodass die Haube die Umgebung der Anordnung zur Strombegrenzung luftdicht umschließt.
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Bei dieser Ausführungsform wird ein vorhandenes Gehäuse der elektronischen Baugruppe genutzt, um Teile der luftdichten Haube auszubilden. Insbesondere wird der Deckel der Haube durch einen Bereich des Gehäuses gebildet, es können jedoch auch Seitenwände - oder Teile davon - durch Gehäuseteile ausgebildet sein. Die übrigen Seitenwände bzw. Seitenwand-Teile werden durch das Dichtmaterial ausgebildet. Bei dem Dichtmaterial kann es sich insbesondere um ein Wärmeleitmaterial handeln.
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Unter einem Wärmeleitmaterial wird hier und im Folgenden ein Material verstanden, dass auch als Thermal Interface Material (T. I. M. oder „TIM“) bekannt ist und das eingesetzt wird, um die Wärmeleitung zwischen Bauteilen zu verbessern.
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Derartiges Material ist dem Fachmann im Prinzip bekannt. Es wird in elektronischen Baugruppen ohnehin auch als Dichtmaterial eingesetzt. Da es einfach aufzubringen ist, kann es vorteilhaft zur Bildung von Seitenwänden der luftdichten Haube verwendet werden. Dazu wird das Wärmeleitmaterial rund um die Anordnung zur Strombegrenzung in einer ausreichenden Dicke aufgebracht, um Seitenwände der luftdichten Haube ausbilden zu können. Vorteilhafter Weise wird die Anordnung zur Strombegrenzung selbst von Wärmeleitmaterial freigehalten, um ihre Funktionalität nicht zu beeinträchtigen.
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Auch diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Feuer im Falle einer Entflammung lokal stark begrenzt wird und ferner ein Erlöschen der Flammen durch die stark begrenzte Sauerstoffzufuhr bewirkt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung zur Brandeindämmung ein flammenhemmendes Material aufweisen, das benachbart zur Anordnung zur Strombegrenzung angeordnet ist. Ein derartiges flammenhemmendes Material kann entweder als gezielt aufgebrachtes Depot des Materials vorgehalten werden oder in Form einer elektronischen Komponente mit flammenhemmenden Eigenschaften zum Zweck der Brandlöschung benachbart zur Anordnung zur Strombegrenzung platziert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die beschriebene elektronische Baugruppe in einem Kraftfahrzeug verwendet, beispielsweise in einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs. Gemäß weiteren Aspekten werden ein Kraftfahrzeug mit der elektronischen Baugruppe und ein elektronisches Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Motorsteuergerät, mit der elektronischen Baugruppe angegeben. Das oben erwähnte Gehäuse der Baugruppe ist insbesondere das Gehäuse des elektronischen Steuergeräts.
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Da für Kraftfahrzeuge strenge Brandschutzbestimmungen gelten, ist die erfindungsgemäße elektronische Baugruppe aufgrund ihres stark verminderten Entflammungsrisikos besonders für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand von Figuren näher erläutert. Darin zeigen
- 1 schematisch einen Querschnitt durch eine elektronische Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine teilgeschnittene Ansicht einer elektronischen Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
- 3 einen Querschnitt durch die elektronische Baugruppe gemäß 2.
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Die elektronische Baugruppe 1 gemäß 1 enthält eine Leiterplatte 3 mit einem Substrat 4, auf dessen Oberseite 7 Leiterbahnen 5 aus Kupfer angeordnet sind. Die gezeigte Leiterbahn 5 kann beispielsweise ein nicht gezeigtes elektronisches Bauelement kontaktieren.
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In der Leiterbahn 5 ist eine Anordnung 9 zur Strombegrenzung vorgesehen, die als Engstelle der Leiterbahn 5 ausgebildet ist. Die Engstelle, die aufgrund ihrer Form vom Fachmann auch „dogbone“ genannt wird, ist besonders gut in der Ansicht gemäß 2 erkennbar.
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Ferner umfasst die Anordnung 9 zur Strombegrenzung auch ein Lotdepot 11. Falls ein stark erhöhter Strom durch die Leiterbahn 5 fließt, erhöht sich die Temperatur der Leiterbahn 5 insbesondere im Bereich der Anordnung 9 zur Strombegrenzung, und zwar aufgrund des verringerten Leiterbahnquerschnitts. Dadurch schmilzt das Lotdepot 11 auf und Kupfer der Leiterbahn 5 wird in dem Lotmaterial gelöst. Dies hat eine Zerstörung der Leiterbahn 5 zur Folge. Der Strom wird unterbrochen.
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Durch die bei diesem Vorgang auftretenden hohen Temperaturen kann es zu einer lokalen Entflammung der Leiterplatte 3 kommen. Um einen derartigen Brand einzudämmen, weist die elektronische Baugruppe 1 gemäß 1 eine luftdichte Haube 13 über der Anordnung 9 zur Strombegrenzung auf. Die luftdichte Haube 13 weist einen Deckel 15 sowie Seitenwände 17 aus Metall auf. Sie ist in der gezeigten Ausführungsform einstückig gefertigt - das heißt aus einem einzigen Rohling geformt und nicht während ihrer Herstellung aus mehreren Teilen zusammengesetzt - und auf die Leiterplatte 3 aufgelötet. Dabei bewirkt eine Schicht aus Lötstopplack 19 die Begrenzung des Lotes 21.
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Im Fall einer Entflammung der Leiterplatte 3 im Bereich der Anordnung 9 zur Strombegrenzung wird das Feuer durch die Metallhaube 13 auf den Innenraum 23 der Metallhaube 13 begrenzt. Zudem wird das Feuer durch die Begrenzung der Sauerstoffzufuhr gelöscht.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der elektronischen Baugruppe 1. In der gezeigten teilgeschnittenen Ansicht ist die Engstelle 10 der Leiterbahnen 5 im Bereich der Anordnung 9 zur Strombegrenzung zu erkennen.
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Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform dadurch, dass als Vorrichtung zur Brandeindämmung keine luftdichte Metallhaube vorgesehen ist, sondern eine luftdichte Haube 24 durch einen in 3 gezeigten Deckel 25 sowie Seitenwände 27 aus einem Wärmeleitmaterial gebildet ist.
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Dabei ist der Deckel 25 durch einen ohnehin vorhandenen Bereich eines Gehäuses der elektronischen Baugruppe 1 beispielsweise aus Metall gebildet.
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Die Seitenwände 27 sind aus einem Wärmeleitmaterial ausgebildet, das innerhalb der elektronischen Baugruppe auch als Dichtmaterial verwendet wird und das beispielsweise durch Dispensen - d.h. beispielsweise Aufbringen einer Raupe flüssigen Dichtmaterials mittels einer Düse - aufgebracht wird. Zur Bildung der Seitenwände 27 wird das Wärmeleitmaterial rund um die Anordnung 9 zur Strombegrenzung auf die Oberseite 7 des Substrates 4 bzw. auf die Leiterbahn 5 aufgebracht. Die Anordnung 9 zur Strombegrenzung bleibt frei von dem W ärmeleitmaterial.
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Bei der Montage wird anschließend das Gehäuse der elektronischen Baugruppe 1 aufgesetzt, wodurch der Deckel 25 der luftdichten Haube 24 auf die Seitenwände 27 aufgesetzt wird. Die Auftragsdicke des für die Seitenwände 27 aufgebrachten Wärmeleitmaterials wird so gewählt, dass die Seitenwände 27 oben dicht an den Deckel 25 anschließen.
