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Die Erfindung betrifft Leiterplattenanordnung für eine Wandlereinrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Bauelement mit einer solchen Leiterplattenanordnung.
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Bei den derzeitig verwendeten Aufbau- und Verbindungstechniken von Leistungshalbleiterschaltern von Wandlereinrichtungen kann nur eine beschränkte Abwärme der Leistungshalbleiterschalter an einen Kühler abgegeben werden. Die abführbare Wärme hängt zum einen von den Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, dem Luftstrom, den Kühlflächen, und zum anderen aber auch vom internen Aufbau von Leiterplattenanordnungen, wie beispielsweise von den Übergangswiderständen von der Wärmequelle bis zum Kühlkörper oder der Wärmespreizung zum Verteilen der Abwärme auf eine größere Oberfläche.
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Weiterhin sind luftgekühlte Wandlereinrichtungen, beispielsweise DCDC-Wandler, sowie auch wassergekühlte Wandlereinrichtungen bekannt. Der Nachteil bei luftgekühlten Wandlereinrichtungen besteht darin, dass nur eine niedrige Abwärmeleistung darstellbar ist, da in der Leiterplatte mit herkömmlicher Schichtdicke keine Wärmespreizung erfolgt. Der Nachteil bei wassergekühlten Wandlereinrichtungen besteht andererseits darin, dass diese sehr teuer sind, ein hohes Gewicht aufweisen, und eine galvanische Trennung zum Wasserkühler notwendig ist, die wiederum den thermischen Widerstand erhöht.
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Die
DE 10 2009 010 256 A1 beschreibt eine Leiterplatte mit einem Kühlkörper, wobei der Kühlkörper mindestens eine von der Leiterplatte abgedeckte Ausnehmung für ein Kühlfluid aufweist, und wobei die Leiterplatte abgedichtet am Kühlkörper befestigt und der so abgedichtete Raum der Ausnehmung mit einem Kühlmedium gefüllt ist. Nachteilig hierbei ist, dass ein derartiger Aufbau nur verwendet werden kann, wenn eine Leiterplatte einseitig mit Bauelementen bestückt wird. Bei der Anordnung von Halbleiterbauelementen, welche üblicherweise im Betrieb sehr viel Wärme abgeben, auf einer derartigen Leiterplatte würde zudem das Problem auftreten, dass die Halbleiterbauelemente nur einseitig kühlbar sind und zudem die Leiterplatte selbst, die üblicherweise aus einem elektrisch nicht leitenden Material mit entsprechend geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, die Wärmeabfuhr hemmt.
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Die
EP 0 844 809 B1 beschreibt ebenfalls eine Leiterplattenanordnung mit einem Kühlkörper, der auf einer isolierenden Trägerschicht angeordnet ist, und der Kühlkanäle aufweist, welche mit einem Kühlmedium durchströmbar sind. Dieser Kühlkörper kann an beidseitig bestückten Leiterplatten getrennt durch eine isolierende Schicht angeordnet werden. Auch hierbei wirkt es sich wiederum nachteilig aus, dass die zwischen dem Kühlkörper und der Leiterplatte befindliche isolierende Schicht die Wärmeabfuhr an den Kühlkörper beeinträchtigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Leiterplattenanordnung und ein Bauelement mit einer solchen Leiterplattenanordnung bereitzustellen, welche eine möglichst gute Wärmeabfuhr ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Bauelement mit einer solchen Leiterplattenanordnung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung für eine Wandlereinrichtung eines Kraftfahrzeugs weist ein Halbleiterbauelement mit einem Grundkörper auf, der eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite umfasst, wobei das Halbleiterbauelement weiterhin mindestens ein erstes Anschlusselement und ein zweites Anschlusselement aufweist, welche am Grundkörper angeordnet sind. Weiterhin weist die Leiterplattenanordnung eine Trägerschicht aus einem nicht leitenden Material auf, wobei die Trägerschicht eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite umfasst. Des Weiteren weist die Leiterplattenanordnung eine erste Leiterschicht aus einem elektrisch leitenden Material auf, welche auf der ersten Seite der Trägerschicht angeordnet ist. Hierbei und im Folgenden ist eine Leiterschicht nicht notwendigerweise als durchgehende Schicht zu verstehen, sondern kann auch als Schicht aus mehreren separaten, elektrisch leitfähigen Leiterbahnen verstanden werden. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Trägerschicht eine Durchgangsöffnung von der ersten Seite zur zweiten Seite der Trägerschicht aufweist, wobei der Grundkörper des Halbleiterbauelements zumindest zum Teil in der Durchgangsöffnung in der Trägerschicht angeordnet ist. Weiterhin ist auf der zweiten Seite der Trägerschicht eine zweite Leiterschicht aus einem elektrisch leidenden Material angeordnet, wobei an der ersten Leiterschicht ein erster Kühlkörper und an der zweiten Leiterschicht ein zweiter Kühlkörper angeordnet ist. Durch die Anordnung des Grundkörpers des Halbleiterbauelements in der Trägerschicht ist es vorteilhafter Weise möglich, die beidseitig an der Trägerschicht angeordneten Leiterschichten zur Wärmeabfuhr zu nutzen. Dadurch wird vorteilhafter Weise eine beidseitige Wärmeabfuhr der durch das Halbleiterbauelement erzeugten Wärme ermöglicht. Weiterhin ist auch die Oberfläche für die Wärmeabfuhr signifikant vergrößert, wodurch auch eine deutlich bessere Wärmespreizung bereitgestellt wird. Zudem kann das beidseitige Aufbringen der Leiterschichten auf die Trägerschicht durch einen sehr einfachen Herstellungsprozess bewerkstelligt werden, was die Kosten für eine derartige Leiterplattenanordnung zudem reduziert. Ein besonders großer Vorteil der Erfindung besteht zudem noch darin, dass es durch die verbesserte Wärmespreizung und Wärmeabfuhr ermöglicht wird, eine, insbesondere beidseitige, Luftkühlung statt einer Wasserkühlung zu verwenden, was wiederum Aufwand, Kosten und Bauraum spart.
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Die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung kann nicht nur in DC/DC-Wandlern sondern auch in Ladegeräten und Invertern, welche beispielsweise als DC/AC-Wandler ausgebildet sind, eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an der ersten Seite des Grundkörpers das erste Anschlusselement des Halbleiterbauelements angeordnet und insbesondere über eine erste Sinterschicht mit zumindest einem Teil der ersten Leiterschicht verbunden. Die Sinterschicht ist bevorzugt elektrisch leitfähig ausgebildet und weist damit auch eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Durch eine derartige Anbindung wird damit eine besonders gute Wärmeabfuhr an die erste Leiterschicht und von dieser an dem ersten Kühlkörper ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an einem ersten Teil der zweiten Seite des Grundkörpers des Halbleiterbauelements das zweite Anschlusselement angeordnet, das mit einem ersten Teil der zweiten Leiterschicht insbesondere über eine zweite Sinterschicht verbunden ist, wobei an einem zweiten Teil der zweiten Seite des Grundkörpers ein drittes Anschlusselement des Halbleiterbauelements angeordnet ist und vom ersten Teil der zweiten Leiterschicht elektrisch isoliert ist. Auch hierbei wird es durch die zweite Sinterschicht, die ebenfalls bevorzugt elektrisch leitfähig ausgebildet ist, ermöglicht, eine besonders gute Wärmeabfuhr vom Halbleiterbauelement an die zweite Leiterschicht und damit an den zweiten Kühlkörper zu ermöglichen. Vorteilhafter Weise kann so ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlusselementen in eine Leiterplattenanordnung integriert werden, wobei eine umfassende Wärmeabfuhr bereitgestellt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Kühlkörper und/oder der zweite Kühlkörper über eine dritte, insbesondere elektrisch leitfähige, Sinterschicht mit zumindest dem Teil der ersten Leiterschicht beziehungsweise mit dem ersten Teil der zweiten Leiterschicht verbunden. Durch die somit direkte Anbindung der Kühlkörper an die Leiterschichten ist der Übergangswiderstand sehr gering, wodurch wiederum eine besonders gute Wärmeabfuhr und Wärmespreizung ermöglicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt das erste Anschlusselement einen Kollektoranschluss, das zweite Anschlusselement einen Emitteranschluss und das dritte Anschlusselement ein Gate des Halbleiterbauelements, welches insbesondere als ein Transistor ausgebildet ist, dar. Gerade Transistoren stellen häufig für Wandlereinrichtungen verwendete Halbleiterbauelemente dar, welche insbesondere auf relativ engem Raum angeordnet sind und zudem viel Wärme abgeben. Daher ist es besonders relevant, für derartige Bauleiterhalbelemente eine gute Wärmeabfuhr bereitzustellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauelement mit einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen, wobei das Bauelement weiterhin ein elektrisch isolierendes Gehäuse aufweist, in welchem die Leiterplattenanordnung angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Eingangsöffnung für die Zuführung eines Kühlfluids aufweist und eine Ausgangsöffnung für die Abführung des Kühlfluids. Durch das Gehäuse wird vorteilhafter Weise ein Berührschutz bereitgestellt und gleichzeitig kann das Gehäuse für die Bildung der Strömungskanäle zwischen dem Gehäuse und der Leiterplattenanordnung verwendet werden und damit für eine definiert geleitete Strömung des Kühlfluids sorgen. Zudem gelten auch die für die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Bauelement.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass durch die Eingangsöffnungen des Gehäuses ein Kühlfluid, insbesondere Luft, zuführbar und aus der Ausgangsöffnung abführbar ist. Die Verwendung von Luft als Kühlfluid ist besonders vorteilhaft, da dadurch auf eine galvanische Trennung zwischen den Leiterschichten und den Kühlkörpern verzichtet werden kann. Damit einhergehend sind auch keine elektrisch isolierenden und damit den Wärmeabtransport hemmenden Zwischenschichten mit hohen Übergangswiderständen erforderlich. Der nötige Berührschutz wird durch das Gehäuse bereitgestellt, welches zugleich die Wandung der Kühlkanäle bildet, so dass insgesamt ein Bauelement mit einer Leiterplattenanordnung bereitgestellt wird, welches auf besonders einfache, kostengünstige und gewichtsgarende Weise eine besonders gute Wärmeabfuhr und Wärmespreizung ermöglicht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Bauelement mit einer Leiterplattenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Leiterplattenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind baugleiche, funktionsgleiche oder funktionsähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Bauelement 30 mit einer Leiterplattenanordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Leiterplattenanordnung 10 weist dabei ein integriertes Halbleiterbauelement 12, insbesondere einen Transistor, z. B. einen FET oder MOSFET, auf, der einen Grundkörper 12a, ein an einer ersten Seite 12b des Grundkörpers 12a angeordnetes und z. B. als Kollektor ausgebildetes erstes Anschlusselement C, ein an einem ersten Teil 12c einer zweiten Seite 12c, 12d des Grundkörpers 12a angeordnetes und z. B. als Emitter ausgebildetes zweites Anschlusselement E und ein an einem zweiten Teil 12d der zweiten Seite 12c, 12d des Grundkörpers 12a angeordnetes und z. B. als Gate ausgebildetes drittes Anschlusselement G aufweist. Der Grundkörper 12a des Halbleiterbauelements 12 ist dabei in einer Durchgangsöffnung einer Trägerschicht 14 der Leiterplattenanordnung 10 angeordnet. Weiterhin sind beidseitig an der Trägerschicht 14 Leiterschichten 16a, 16b angeordnet, insbesondere eine erste Leiterschicht 16a an einer ersten Seite 14a der Trägerschicht 14 und ein erster Teil 16b der zweiten Leiterschicht an einer zweiten Seite 14b der Trägerschicht 14. Diese beiden Leiterschichten 16a und 16b sind bevorzugt aus Kupfer, insbesondere Dickkupfer mit einer Schichtdicke von beispielsweise 700 μm ausgebildet. Des Weiteren sind die beiden Leiterschichten 16a und 16b jeweils über eine erste und zweite Sinterschicht 20a und 20b am Grundkörper 12a des Halbleiterbauelements 12 an den jeweiligen Anschlusselementen C und E angebunden. Darüber hinaus ist ein drittes Anschlusselement G, insbesondere das Gate des Transistors, ebenfalls an einem Teil 12d der zweiten Seite 12c, 12d des Grundkörpers 12a des Halbleiterbauelements 12 angeordnet und vom ersten Teil 16b der zweiten Leiterschicht elektrisch isoliert und bildet einen zweiten Teil 16c der zweiten Leiterschicht. Darüber hinaus ist ein erster und zweiter Kühlkörper 18a und 18b jeweils über eine dritte Sinterschicht 20c an der ersten Leiterschicht 16a und am ersten Teil 16b der zweiten Leiterschicht angeordnet. Der erste und zweite Kühlkörper 18a und 18b ist hierbei insbesondere als Luftkühler ausgebildet.
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Diese Leiterplattenanordnung 10 hat nun den besonders großen Vorteil, dass das Halbleiterbauelement 12 beidseitig von Dickkupferschichten umgeben ist, wodurch eine sehr gute Wärmespreizung bereitgestellt ist. Die Ausbildung der Kühlkörper 18a und 18b als Luftkühler hat zudem den besonders großen Vorteil, dass hierdurch keine galvanische Trennung der Leiterschichten 16a und 16b von den Kühlkörpern 18a und 18b erforderlich ist, was eine direkte Ankopplung dieser an die Leiterschichten 16a und 16b über jeweilige Sinterschichten 20c ohne die Notwendigkeit weiterer isolierender Schichten ermöglicht. Dadurch wird eine besonders gute Wärmeabfuhr an die Kühlkörper 18a und 18b ermöglicht. Umgekehrt ist es erst durch diese gute Wärmeabfuhr und Wärmespreizung möglich, dass in den meisten Fällen eine Luftkühlung eine ausreichende Wärmeabfuhrmöglichkeit zur Kühlung der Leiterplattenanordnung 10 bereitstellt.
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Um weiterhin einen Berührschutz der Leiterplattenanordnung 10 bereitzustellen, weist das Bauelement 30 ein Gehäuse 32 auf, welches eine Eingangsöffnung 32a für die Zuführung eines Kühlfluids 34, insbesondere Luft, und eine Ausgangsöffnung 32b zur Abführung des Kühlfluids 34 umfasst. Zusätzlich wird durch dieses Gehäuse 32 die Wandung für die Strömungskanäle des Luftstroms 34 bereitgestellt und damit für eine definiert geleitete Luftdurchströmung bei erzwungener Konvektion gesorgt.
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Insgesamt wird so eine Leiterplattenanordnung ein Bauelement mit einer solchen für eine Wandlereinrichtung eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, welche vielzählige Vorteile aufweisen. Durch den in die Leiterplatte bzw. der Trägerschicht integrierten Halbleiter, der sowohl auf der Emitter als auch auf der Kollektorseite über eine Sinterschicht einer Leiterschicht aus Dickkupfer verbunden ist, wird eine besonders große Wärmespreizung auf beiden Seiten des Halbleiters bereitgestellt. Dadurch, dass auf diese Dickkupferschichten jeweils direkt ein Luftkühler gesintert ist, wird eine doppelseitige Luftkühlung mit sehr kleinen Übergangswiderständen und großer Wärmespreizung ermöglicht. Sofern es sich um eine Hochvoltkomponente handelt, müssen die beiden Luftkühler über ein Gehäuse einen Berührschutz erfahren. Dieses Gehäuse kann vorteilhafter Weise gleichzeitig für eine definierte geleitete Luftdurchströmung sorgen. Selbst bei hohen Abwärmeleistungen kann somit eine Wasserkühlung entfallen, wodurch sich vorteilhafter Weise eine Kostenreduktion in der Auslegung des Wasserkühlkreislaufs im Fahrzeug, eine Gewichtsreduzierung durch den Entfall der Wasserschläuche, ein Bauraumgewinn durch Entfall der Wasserschläuche, zum Beispiel am Tankbereich, und eine thermische Entkopplung vom Betriebszustand anderer Komponenten im Kühlwasserkreislauf des Kraftfahrzeugs erzielen lässt. Zudem wird ein verbesserter Herstellungsprozess der Dickschichtleiterplatte durch gleichmäßige Kupferverteilung oberhalb und unterhalb des eingebetteten Halbleiters ermöglicht. Darüber hinaus werden höhere Betriebstemperaturen des Halbleiters durch den neuen Verbindungsaufbau ermöglicht. Die Sinterverbindungen sind temperaturbeständig bis circa 920°C, (insbesondere im Vergleich zu Lötverbindungen, welche lediglich bis 200°C temperaturbeständig sind), die Halbleiter bis in einen Bereich von 150°C bis 175°C oder höher bei SiC-Halbleitern. Das Leiterplattenmaterial hat Fließtemperaturen von 120°C bis 190°C. Zudem sind vorteilhaferweise weniger Anforderungen an das Leiterplattenmaterial gestellt, da insbesondere eine Anforderung nach einer guten Wärmeleitfähigkeit entfallen kann.
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Die Leiterplattenanordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt sich durch geringe Modifikation auch für den Betrieb mit einem Wasserkühler, falls erforderlich, auslegen, wie in 2 schematisch dargestellt ist. Die in 2 in einem Querschnitt dargestellte Leiterplattenanordnung 10 ist dabei im Wesentlichen wie die Leiterplattenanordnung 10 zu 1 beschrieben aufgebaut und es sollen im Folgenden nur die Unterschiede erläutert werden. Um den Betrieb mit einem Wasserkühler zu ermöglichen, ist es notwendig, die Leiterschichten 16a, 16b und 16c von den Kühlkörpern 18a und 18b galvanisch zu trennen. Um dies zu bewerkstelligen, sind zwei zusätzliche Isolationsschichten, bevorzugt aus dem Leiterplattenmaterial, das heißt aus dem elektrisch nicht leitfähigen Material der Trägerschicht 14, zwischen den Leiterschichten 16a, 16b und 16c und den Kühlkörpern 18a und 18b angeordnet. Die Kühlkörper 18a und 18b sind dabei bevorzugt wiederum jeweils über eine dritte Sinterschicht 20c mit einer weiteren, an den jeweiligen Isolationsschichten 22 angeordneten elektrisch leitfähigen Schicht 23 verbunden.
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Durch diese zusätzlichen Isolationsschichten 22 erhöht sich zwar der Übergangswidersand zu den Kühlkörpern 18a und 18b, jedoch wird dies durch eine bereitgestellte Wasserkühlung mehr als nur kompensiert. Bei dieser Anordnung besteht zudem der Vorteil, dass aufgrund der galvanischen Trennung kein für einen Berührschutz bereitgestelltes Gehäuse erforderlich ist. Auch durch diese Anordnung wird somit eine besonders gute Wärmespreizung und Wärmeabfuhr ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leiterplattenanordnung
- 12
- Halbleiterbauelement
- 12a
- Grundkörper des Halbleiterbauelements
- 12b
- erste Seite des Halbleiterbauelements
- 12c
- erster Teil der zweiten Seite des Halbleiterbauelements
- 12d
- zweiter Teil der zweiten Seite des Halbleiterbauelements
- 14
- Trägerschicht
- 14a
- erste Seite der Trägerschicht
- 14b
- zweite Seite der Trägerschicht
- 16a
- erste Leiterschicht
- 16b
- erster Teil der zweite Leiterschicht
- 16c
- zweiter Teil der zweiten Leiterschicht
- 18a
- erster Kühlkörper
- 18b
- zweiter Kühlkörper
- 20a
- erste Sinterschicht
- 20b
- zweite Sinterschicht
- 20c
- dritte Sinterschicht
- 22
- Isolationsschicht
- 23
- elektrisch leitfähige Schicht
- 30
- Bauelement
- 32
- Gehäuse
- 32a
- Eingangsöffnung
- 32b
- Ausgangsöffnung
- 34
- Kühlfluid
- E
- Emitter
- C
- Kollektor
- G
- Gate
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009010256 A1 [0004]
- EP 0844809 B1 [0005]