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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen eines elektronischen
Bauteils in einer Ummantelung und eine Vorrichtung zum Fixieren
eines elektronischen Bauteils in einer Ummantelung.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Anordnen eines
elektronischen Bauteils in einer Ummantelung und verschiedene derartige Vorrichtungen
zum Fixieren eines elektronischen Bauteils in Ummantelungen bekannt.
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Beispielsweise
werden Temperatursensoren mit einer schützenden Ummantelung umgeben,
indem die Ummantelung in einem Kunststoff-Spritzverfahren in Spritzformen
hergestellt wird, wobei der zu schützende Sensor unmittelbar in
dieser Spritzform angeordnet ist. Insbesondere bei der Ummantelung von
Temperatursensoren werden dabei Kunststoffe verwendet, die – im Verhältnis zu
sonstigen Kunststoffen – ein
gutes Wärmeleitvermögen aufweisen, damit
durch die schützende
Ummantelung das Ansprechverhalten des Temperatursensors nicht zu stark
eingeschränkt
wird.
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Nachteilig
ist bei den bekannten Verfahren und Anordnungen, dass während des Spritzvorganges
zumindest kurzzeitig ein sehr hoher Druck auf den zu ummantelnden
Sensor einwirkt und der Sensor dadurch geschädigt werden kann.
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Besonders
nachteilig ist dabei, dass der einspritzende Kunststoff unmittelbar
auf den Sensor auftreffen kann. Insbesondere sind Temperatursensoren mit
einer Platinschicht sehr druckempfindlich und werden bei den bekannten
Verfahren häufig
beschädigt
oder zerstört.
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Dokument
DE 43 29 027 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen eines Temperaturfühlers, welches ermöglicht,
in einem Arbeitsgang einen Temperaturfühler beispielsweise mit mehreren Steckkontaktpaaren
herzustellen. In eine Spritzgießform
wird ein die Steckkontaktpaare und die Heißleitertablette aufnehmendes
Positionierteil aus Kunststoff eingelegt. Dann wird in nur einem
Spritzgießvorgang
sowohl der Steckerflansch, das mittlere Halterungsteil als auch
der Mantel gespritzt, der die Steckkontaktpaare und die Heißleitertablette
umgibt.
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In
einem weiteren Dokument
DE
41 17 290 C2 wird ein Temperaturgeber beschrieben, der
einen Gebereinsatz hat, welcher einen Halter aus Kunststoff aufweist,
in dem zwei Kontaktschienen gehalten sind. Diese Kontaktschienen
sind am unteren Ende jeweils als Kontaktfeder ausgebildet, zwischen
denen ein zylinderscheibenförmiges
Messelement (z. B. NTC, PTC usw.) eingeschoben ist. Der Gebereinsatz
wird von einer Kunststoffumspritzung umgeben, aus der nach oben
hin die Kontaktschienen mit jeweils einem Anschluss ragen.
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In
US 6,829,820 B2 wird
ein Temperaturmessfühler
zum Ermitteln einer Temperatur von zum Beispiel einem Abgas eines
Fahrzeugs beschrieben, in dem ein Thermistorelement in ein kolbenartiges Metallrohr
eingeschoben wird, während
eine Innenseite des Metallrohrs mit einem Füllstoffmaterial, vorzugsweise
Silikonöl,
gefüllt
wird, um einen Gleitwiderstand zwischen dem Thermistorelement und
dem Metallrohr als eine integrale Temperaturmessstruktur zu verringern,
welche dann in ein Gehäuse
montiert wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren
zum Anordnen eines elektronischen Bauteils in einer Ummantelung
sowie eine gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zum Fixieren eines elektronischen
Bauteils in einer Ummantelung anzugeben. Insbesondere besteht die Aufgabe
darin, ein durch eine Ummantelung zu schützendes elektronisches Bauteil
vor mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen während eines
Spritzvorganges, bei dem die Ummantelung hergestellt wird, zu schützen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmalskombinationen gemäß der Ansprüche 1 und
5.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Anordnen eines elektronischen Bauteils in einer Ummantelung
sieht vor, dass das elektronische Bauteil zunächst in einer Hülse angeordnet
wird und dass anschließend
die Ummantelung im Spritzverfahren so erzeugt wird, dass die Hülse vollständig mit
der Ummantelung umgeben ist. Bevorzugt wird das Verfahren zum Anordnen
eines Chips oder eines Sensors, besonders bevorzugt eines Temperatursensors,
angewendet. Die Hülse
bietet dem Bauteil Schutz vor mechanischen und optional vor thermischen
Beanspruchungen während
des Spritzvorgangs. Insbesondere werden druckempfindliche Temperatursensoren
können
auf diese Weise schonend mit Kunststoff ummantelt werden, weil diese Sensoren,
da mechanisch von der Hülse
geschützt, nicht
den üblichen
hohen Drücken
ausgesetzt werden.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das elektronische Bauteil auf einem Aufnahmeelement
in der Hülse
angeordnet wird. Dadurch wird die genaue Anordnung und Fixierung
des Bauteils innerhalb der Hülse
vereinfacht. Dadurch ist es optional möglich, das Bauteil innerhalb
der Hülse
anzuordnen, ohne dass das Bauteil die äußere Hülle der Hülse berührt.
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Eine
Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das elektronische Bauteil auf einem mit der Hülse mechanisch
und thermisch unmittelbar verbundenem Aufnahmeelement angeordnet
wird. Durch die thermische Verbindung zwischen Aufnahmeelement und Hülse ist
bei einer späteren
Verwendung eines eingespritzten Temperatursensors sichergestellt,
dass thermische Einwirkungen auf die Hülse, die der Temperatursensor
detektieren soll, von der Hülse
schnell über
das Aufnahmeelement zum Temperatursensor geleitet wird und nicht
durch einen Wärmeisolator
wie Luft oder Silikon zwischen Hülse
und Sensor praktisch unterbrochen wird. Damit ist ein schnelles
Ansprechverhalten des Temperatursensors sichergestellt. Den größten thermischen
Widerstand stellt dadurch die – im
Stand der Technik ohnehin vorhandene – Ummantelung aus Kunststoff
dar. Gegenüber den
gemäß den im
Stand der Technik verwendeten Ummantelungen aus Kunststoff ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren
die Anordnung einer besonders dünnen
Ummantelung auf einer Hülse
mit guter Wärmeleitfähigkeit.
Dadurch wird eine Erhöhung
der Ansprechgeschwindigkeit von Temperatursensoren ermöglicht.
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Eine
besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
die beim Spritzen der Ummantelung auftretende Wärme über die Hülse gezielt abgeleitet wird.
Dazu kann ein zeitweise mit der Hülse in thermischem Kontakt
stehendes Kühlelement
verwendet werden, dessen Wärmekapazität so groß ist, dass
die beim Kunststoffspritzen entstehende Wärme eine Erwärmung des
elektronischen Bauteils von weniger als 250°C und bevorzugt von weniger
als 140°C
sicherstellt. Des Weiteren wird sichergestellt, dass die für Sensoren
besonders kritische Temperaturanstiegsrate auf weniger als 250 K
pro Sekunde beschränkt
wird. Damit wird die auftretende Wärme beim Spritzen der Ummantelung
vom elektronischen Bauteil, insbesondere von temperaturempfindlichen
Sensoren, ferngehalten.
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Eine
andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
die Hülse
mit einer wärmebeständigen elastischen
Vergussmasse vergossen wird. Dadurch kann das Bauteil besonders
effektiv vor Druckbeanspruchung, insbesondere während des Spritzvorgangs, geschützt werden.
Vorteilhaft ist dabei insbesondere die Verwendung von Silikon, da
dieses einfach verarbeitbar ist und gegenüber üblichem Kunststoff zum Spritzen
einen geringen Elastizitätsmodul
aufweist, wodurch äußerer Druck,
der auf die Hülse
einwirkt, sicher vom Bauteil ferngehalten wird.
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Eine
Weiterbildung dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Hülse
und das Aufnahmeelement aus einem metallischen Blech hergestellt
werden, in dem das zunächst ebene
Blech derart gerollt wird, dass ein Randabschnitt des Bleches das
Aufnahmeelement bildet, das in die Hülse hineinragt. Damit kann
auf einfache Weise eine Hülse
mit nach innen gerichteter Fahne hergestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Fixieren eines elektronischen Bauteils in einer Ummantelung
sieht vor, dass das elektronische Bauteil in einer Hülse angeordnet
ist. Besonders bevorzugt ist in der Hülse ein Chip oder ein Sensor
angeordnet. Die Hülse
bietet dem elektronischen Bauteil Schutz vor mechanischen und optional
vor thermischen Beanspruchungen während des Spritzvorgangs. Insbesondere
können
druckempfindliche Temperatursensoren auf diese Weise schonend mit
Kunststoff ummantelt werden, weil diese Sensoren, da mechanisch von
der Hülse
geschützt,
nicht den üblichen
hohen Drücken
ausgesetzt werden. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Bei
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das elektronische
Bauteil auf einem Aufnahmeelement in der Hülse angeordnet. Dadurch ist
das elektronische Bauteil innerhalb der Hülse einfach und genau fixierbar.
Optional ist es möglich,
das Bauteil innerhalb der Hülse
anzuordnen, ohne dass das Bauteil die äußere Hülle der Hülse berührt. Bei einer Variante dieser
Weiterbildung ist das Aufnahmeelement mit der Hülse mechanisch und thermisch
unmittelbar verbundenen. Damit ergeben sich die bei der Ausgestaltung
des korrespondierenden Verfahrens genannten Vorteile bei Ansprechverhalten
und Schutz von Sensoren beim Einspritzvorgang.
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Bei
einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen das
Aufnahmeelement und die Hülse
aus einem metallischen Blech, wobei ein Randabschnitt des Bleches
das Aufnahmeelement bildet, das in die Hülse hineinragt. Dabei ist die
einfache und kostengünstige
Herstellung vorteilhaft.
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Durch
die Anordnung einer wärmebeständigen und
elastischen Vergussmasse in der Hülse ist das elektronische Bauteil
besonders effektiv vor , Druckbeanspruchung während des Spritzvorgangs geschützt. Bevorzugt
ist in der Hülse
Silikon angeordnet. Die sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von Silikon ist für das Ansprechverhalten
erfindungsgemäß angeordneter
Temperatursensoren jedoch unschädlich, da
der Temperatursensor erfindungsgemäß über das Aufnahmeelement mit
der Hülse
thermisch verbunden ist und der Sensor selbst erfindungsgemäß in thermischem
Kontakt mit dem Aufnahmeelement steht.
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Die
Ummantelung besteht bevorzugt aus auf die Hülse gespritztem Kunststoff;
dieser weist besonders bevorzugt eine für Kunststoffe gute Wärmeleitfähigkeit
auf, so dass mit derartigem Kunststoff ummantelte Temperatursensoren
ein gutes Ansprechverhalten haben.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1a eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung,
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1b eine
zugehörige
schematische Draufsicht,
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1c eine
zugehörige
schematische Untersicht,
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2 eine
zu 1 gehörende Schnittdarstellung,
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3 eine
Draufsicht einer zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung und
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4 eine
Ansicht eines Bleches zur Herstellung einer Vorrichtung.
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Bei
der in 1 dargestellten Vorrichtung
ist ein Temperatursensor als elektronisches Bauteil 1, das
in einem späteren
Verfahrensschritt mit einer Ummantelung 2 aus Kunststoff
ummantelt werden soll, in einer Hülse 3 angeordnet.
Der Temperatursensor 1 weist zwei Anschlussdrähte 1.1 auf,
deren untere Enden aus dem unteren Ende der Hülse 3 herausragen.
Ein Anschlussdraht 1.1 ist an einer Kontaktstelle 1.2 mit
einer Kontaktfahne 3.1 verbunden, die als Fortsetzung der
Hülse 3 ausgebildet
ist. Der zweite Anschlussdraht 1.1 ist mittels einer weiteren Kontaktstelle 1.2 mit
einem Kontaktblech 7 verbunden. Das Kontaktblech 7 und
die Kontaktfahne 3.1 sind als ebene, streifenförmige Bleche ausgebildet, die
in einer Ebene angeordnet sind. Die Enden dieser Kontaktelemente 3.1, 7 ragen
später
aus der geplanten Ummantelung 2 heraus und dienen als Anschluss für den fertig
ummantelten Sensor 1. Im mittleren Bereich der Kontaktfahne 3.1 und
des Kontaktbleches 7 ist ein Haltering 6 angeordnet,
der aus Metall besteht und die Form einer Zylinderwandung aufweist.
Die Hülse 3 ist
ebenfalls als Zylinderwandung ausgebildet; der Durchmesser dieser
Zylinderwandung beträgt
in diesem Ausführungsbeispiel
2,2 mm. Die Hülse 3 wurde
aus einem ursprünglich
ebenen Blech in die Zylinderform gerollt, wobei ein Randabschnitt
dieses Bleches im Endzustand ein in die Hülse gerichtetes, fahnenförmiges Aufnahmeelement 5 bildet.
Das Aufnahmeelement 5 ist somit eine Fortsetzung der Hülse 3,
die nach innen in die Hülse 3 gerichtet
ist. Die Hülse 3 und
das Aufnahmeelement 5 bestehen aus Metall und weisen eine
gute Wärmeleitfähigkeit sowie
eine hohe mechanische Festigkeit auf. Auf dem Aufnahmeelement 5 ist
der Sensor 1 fixiert; im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Temperatursensor 1 auf dem Aufnahmeelement 5 mittels
eines Klebers mit guter Wärmeleitfähigkeit
aufgeklebt. Die Hülse 3 ist
am oberen und am unteren Ende ihres zylinderförmigen Abschnittes nicht verschlossen
und mit Silikon als Vergussmasse 4 gefüllt. Das Silikon weist eine
im Verhältnis
zu geplanten späteren
Ummantelung 2 aus Kunststoff und insbesondere im Verhältnis zur
Hülse 3 aus
Metall sehr geringen Elastizitätsmodul
auf. Dadurch ist der Temperatursensor 1 durch die feste
Hülse 3 mechanisch
geschützt
und auf die Hülse 3 einwirkende
Druckspannungen, insbesondere Druckspitzen während des Spritzens der Ummantelung
werden vom Sensor 1 ferngehalten, welcher gleichsam im
Silikon eingebettet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch der
unterhalb des Sensors 1 dargestellte Bereich, in dem die
Anschlussdrähte 3 sowie
die Kontaktstellen 1.2 angeordnet sind, mit Silikon 4 vergossen,
so dass auch diese Bereiche vor späteren mechanischen Beanspruchungen
geschützt
sind. Dadurch, dass das Aufnahmeelement 5 über die
gesamte Höhe
der Hülse 3 thermisch
mit dieser verbunden ist und dadurch, dass der Temperatursensor 1 über seine
gesamte Kontaktfläche
mit dem Aufnahmeelement 5 thermisch mit diesem verbunden
ist, ist sichergestellt, dass bei einer späteren Verwendung des ummantelten
Temperatursensors 1 diejenige Temperatur, die sich an der Hülse 3 einstellt,
sehr schnell an den Temperatursensor 1 weitergeleitet wird.
Damit ist ein sehr gutes Ansprechverhalten des Temperatursensors 1 sichergestellt.
Erfindungsgemäß ist also
nicht nur das Ansprechverhalten des ummantelten Sensors 1 besser als
bei nach dem Stand der Technik ummantelten Sensoren 1,
weil die Temperatur der Hülse 3 nahezu unverzüglich an
den Temperatursensor 1 weitergeleitet wird, sondern der
Temperatursensor 1 ist darüber hinaus während des
Spritzvorganges zur Herstellung der Ummantelung 2 mechanisch
geschützt.
Insbesondere hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Kontaktfahne 3.1,
die Bestandteil der Hülse 3 ist
und damit thermisch mit der Hülse 3 verbunden
ist, mit einem Kühlelement
wenigstens solange zu verbinden, bis die Ummantelung 2 gespritzt
und abgekühlt
ist. Für diesen
Fall ist sichergestellt, dass die in die Hülse 3 eingeleitete
Wärmemenge
so schnell an das hier nicht dargestellte Kühlelement abgeleitet wird,
dass die Hülse 3 keine
nennenswerte Erwärmung
erfahrt. Vorzugsweise wird dabei erreicht, dass die Temperatur der
Hülse 3 nicht über 250°C und bevorzugt
nicht über
150°C steigt.
Damit liegt die beim Spritzen der Ummantelung für den Sensor 1 auftretende
Temperatur nicht oberhalb derjenigen Temperatur, für die der
Sensor 1 ohnehin ausgelegt ist. Die Einsatztemperatur des
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
ummantelten Sensors beträgt – 40°C bis 250°C und bevorzugt – 40°C bis 150°C.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Temperatursensor 1 über seine
gesamte Fläche
mit dem Aufnahmeelement 5 mechanisch verbunden und steht
im thermischen Kontakt mit dem Aufnahmeelement 5, da ebenfalls
gut wärmeleitfähiger Klebstoff
verwendet wurde, um den Sensor 1 am Aufnahmeelement 5 zu
fixieren. Die Berührung
zwischen dem Sensor 1 und der inneren Wandung der Hülse 3 ist
optional – es
ist auch möglich,
den Innendurchmesser der Hülse 3 so
mit den Abmessungen des Sensors 1 abzustimmen, dass der
Sensor 1 die innere Wandung der Hülse 3 nicht berührt, sondern
in dem Bereich des Sensors 1, der dem Aufnahmeelement 5 abgewandt
ist, vollständig
mit Silikon 4 umgeben ist. Für diesen Fall ist der Temperatursensor 1 besonders
wirksam in Silikon 4 eingebettet und vor mechanischen Beanspruchungen
besonders wirksam geschützt.
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Bei
der in 3 dargestellten alternativen Ausführungsform
ist auf dem stegförmigen
Aufnahmeelement 5, das in der Mitte der Hülse 3 angeordnet
ist, auf beiden Seiten ein Chip als elektronisches Bauteil 1 angeordnet.
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4 zeigt
Ausgangsteile zur Herstellung der Hülse 3.
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Dabei
handelt es sich um zwei ebene Bleche mit guter Wärmeleitung, wobei eines der
beiden Bleche die spätere
Hülse 3,
die Kontaktfahne 3.1 sowie das Aufnahmeelement 5 bilden
soll. Der Übergangsbereich
zwischen der geplanten Hülse 3,
die wie in den zuvor beschriebenen Figuren zylinderförmig ausgebildet
werden soll, und dem Aufnahmeelement 5 ist hier als geplante
Abkantung 5.1 als Strichlinie dargestellt. Bei dem späteren Rollen
der Hülse 3 wird zunächst der
Randbereich des genannten Ausgangsbleches um etwa 90° an der Stelle
der geplanten Abkantung 5.1 abgekantet; anschließend wird der
in der Figur links der geplanten Abkantung 5.1 dargestellte
Bereich zu einer zylinderförmigen
Hülse 3 gerollt,
wobei der Bereich der Kontaktfahne 3.1 eben bleibt und
in dieselbe Ebene gedreht wird, in der bei der fertig gestellten
Vorrichtung auch das Aufnahmeelement 5.1 und das Kontaktblech 7,
welches bei der vorliegenden Figur als zweites Blech dargestellt
ist, angeordnet sind. Die Bereiche, an denen an der Kontaktfahne 3.1 beziehungsweise
am Kontaktblech 7 später
die Kontakte des einzusetzenden Sensors 1, welcher hier
nicht dargestellt ist, angeschlossen werden sollen, sind hier mit
Strichlinie als geplante Kontaktstellen 1.2 dargestellt.
Beide Bleche weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Dicke von
0,1 mm auf.
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- 1
- Elektronisches
Bauteil
- 1.1
- Anschlussdrähte
- 1.2
- Kontaktstelle
- 2
- Ummantelung
- 3
- Hülse
- 3.1
- Kontaktfahne
- 4
- Vergussmasse
- 5
- Aufnahmeelement
- 5.1
- Abkantung
- 6
- Haltering
- 7
- Kontaktblech