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Leistungsmodul und Verfahren zu seiner Herstellung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsmodul gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungsmoduls.
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Ein solches Leistungsmodul ist bekannt aus den BBC-Nachrichten 1978,
Heft 5, Seiten 200 bis 206. Das Leistungsmodul besitzt einen potentialfreien Metallboden
zur Abführung der während des Betriebes entstehenden Verlustleistungswärme. Das
Leistungsmodul ist dabei mittels einer Spannvorrichtung unter Aufwendung mechanischen
Drucks auf einen Kühler gepreßt. Die Keramik des Verbundsystems ist dadurch bruchgefährdet.
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Bei hohen Dauergrenzströmen besitzt dieser isolierte Aufbau Probleme,
hervorgerufen durch den erhöhten Wärmewiderstand der Isolierschicht und den Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem Metallboden und dem eigentlichen Kühlkörper.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs-
modul
der eingangs genannten Art zu schaffen, das gleichzeitig eine gute Potentialtrennung
und eine gute Wärmeableitfähigkeit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin,
daß das Metall-Keramik-Verbundsystem des Leistungsmoduls bei verhältnismäßig niedrigen
Temperaturen hergestellt-werden kann, was materialschonend ist und Temperaturspannungen
bzw. die dadurch bedingten Verformungen und Durchbiegungen weitestgehend verhindert.
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Das Verbundsystem besitzt eine hohe Wechsellastbeständigkeit, gute
Wärmeleitung und mechanische Festigkeit.
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Ferner sind keine mechanischen Spannvorrichtungen nötig, d.h. es besteht
keine Bruchgefahr der Keramikplatte.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur
Herstellung des Leistungsmoduls sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen erläutert.
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Es zeigen: Fig. ia,b den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen
Metall-Keramik-Verbundsystems, Fig. 2 ein insbesondere für Halbleiterblocktechnik
geeignetes Verbundsystem, Fig. 3,4,5 mehrere insbesondere für Schichttechnik und
Hybridtechnik geeignete Verbundsysteme.
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In Fig. ia ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Verbundsystems
dargestellt. In der
einfachsten Ausführung besteht das Verbundsystem
aus einer Keramikplatte 1 aus Aluminiumoxid, die ein- oder beidseitig miit Metallplatten
2, 2' aus Aluminium gebondet ist. Anstelle von Aluminium können andere reaktive
Metalle wie Titan, Zirkon, Niob, Cer, Nickel, Mangan, Wolfram oder Molybdän für
den Bondprozeß verwendet werden, allerdings auf Kosten wesentlich höherer Prozeßtemperaturen
gegenüber Aluminium Wenn besonders hohe Wärmeleitung gefordert ist, wird die Keramikplatte
1 vorteilhaft durch Berylliumoxid realisiert. Steht hingegen die hohe Dielektrizitätskonstante
(Bildung von Kondensatoren in der Microelektronik) zur Diskussion, so kann die Keramikplatte
1 vorteilhaft aus Titanaten (z.B.
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BaTiO3) erstellt werden.
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Das Metall-Keramik-Verbundsystem wird einem Fügeprozeß, dem sogenannten
Bondverfahren, unter Einwirkung mechanischen Drucks und hoher Temperatur in einer
Schutzgasatmosphäre unterworfen. Bei Verwendung einer Aluminium-Metallplatte 2 ist
ein Druck von etwa 200 kp/cm2 und eine Temperatur von etwa 6000C erforderlich. Durch
den aufzubringenden Druck wird die Oxidhaut an der Oberfläche der Aluminium-Metallplatte
2 infolge der Oberflächenrauhigkeiten der Keramikplatte 1 zerrissen und reines,
infolge der aufzubringenden Temperatur plastisches Al (Fließgrenze) wird in die
Oberflächenrauhigkeiten der Keramikplatte 1 gepresst. Das reine Al geht an der Grenzschicht
zwischen Metallplatte 2 und Keramikplatte 1 eine chemische Bindung mit der Keramik
(Al203) ein, indem die Elektronenorbitale des Aluminiummetalls mit den Orbitalen
des Al203 überlappen und zu bindenden Hybrid-Orbitalen führen.
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Der aufzubringende mechanische Druck und die dabei notwendige Temperatur
können in gewissen Grenzen variiert werden, d.h. bei vergrößertem Druck kann die
Temperatur
verkleinert werden und bei verringertem Druck muß die
Temperatur erhöht werden. Wichtig ist vor allem, daß das Metall der Platte 2 an
der Grenzschicht zur Keramikplatte 1 teigig, d.h. plastisch wird und so mit der
Keramikplatte 1 in engen mechanischen Kontakt treten kann.
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Die beim Bondprozeß zustandekommenden chemischen Bindungen zwischen
Metallplatte 2 und Keramikplatte 1 gewährleisten eine gute Wärmeleitung, Spannungsfestigkeit
und mechanische Stabilität bei hoher Temperaturwechselbeanspruchung.
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Das Al-Al2O3#Verbundsystem stellt einen Idealfall dar, da Reinstaluminium
auch nach dem Fügen keine Versprödung durch Legierungsbildung erfährt und die Fügetemperatur
bei ca. 6000C im Vergleich zu anderen Metallen niedrig, für nachzuschaltende Lötvorgänge
jedoch genügend hoch liegt, um eine hohe Wechsellastbeständigkeit zu garantieren.
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Eine gute Potentialtrennung ergibt sich durch entsprechend starke
Ausbildung der Keramikplatte 1.
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Die Keramikplatte 1 kann dabei im vorgesinterten oder im gebrannten
Zustand verwendet werden.
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Die Metallplatte 2 und die Keramikplatte 1 können vorgeformt und/oder
struktuiert sein, d.h. Leiterbahnen, Kontaktierungsflächen, Aussparungen, Kühlrippen
oder Kühldosen kennen teilweise oder voll ausgebildet sein. Die Metallplatte 2 kann
jedoch auch nach dem Fügeprozeß geätzt oder photolitographisch strukturiert werden.
Die Metallplatte 2 kann nach dem Fügen darüberhinaus mittels bekannter Beschichtungsverfahren
oberflächenbeschichtet werden. Durch Aufbringen einer lot- oder bondfähigen Schicht
3 werden die Metallteile z.B. lot- oder bondfähig. Das Aufbringen der lot- oder
bondfähigen Schicht
3 erfolgt vorzugsweise mit Hilfe des Kathodenzerstäubung-Verfahrens
(siehe z.B. Schade, "Halbleitertechnologie", Band 1, VEB-Verlag Technik, Berlin,
1981, Seiten 187 bis 189). Durch den Ionenbeschuß beim Kathodenzerstäubung-Verfahren
wird vorteilhaft eine auf der Metallplatte 2 sich befindende Oxidschicht zerstört.
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Ferner kann ebenfalls zur Verbesserung der Lötfähigkeit eine Schicht
3 aus Kupfer, Gold etc. galvanisch auf die Metallplatte 2 aufgebracht werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform eines Metall-Keramik-Verbundsystems
gemäß Fig. lb kann zur Verbesserung des Stromleitvermögens oder zur Integration
in komplizierteren Montageformen ein Mehrfach-Metall-Keramikverbundsystem gebildet
werden. Ausgehend von dem beschriebenen Aluminium/Aluminiumoxid/Aluminium-Verbund
können weitere Metalle wie Kupfer, Molybdän und dergleichen entweder verlötet oder
gebondet werden. Die Lötung kann nach entsprechender Präparation der Aluminiumoberfläche
(Galvanik, Sputtern) mittels Hart- oder Weichlot erfolgen.
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Zum andern lassen sich andere Metalle als Aluminium, also Stahl, Kupfer,
Molybdän etc. unter Zwischenschaltung einer dünnen Bondfolie aus Aluminium unmittelbar
ein- oder beidseitig mit der Keramik 1 bonden.
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Wenn wie im Falle des Systems Kupfer-Aluminium ein Eutektikum mit
einer Schmelztemperatur unter derjenigen des reinen Aluminiums zur Debatte steht,
so kann die Bondung bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Al-Cu-Eutektikums
erfolgen. Notfalls kann der Bondprozeß in zwei Schritten erfolgen, wobei zunächst
die Al-Al203-Fügung bei einer Temperatur T1 durchgeführt und anschließend die Al-Cu-Fügung
bei einer Temperatur
T2 C Tl vorgenommen wird.
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Bei der Ausführungsform des Metall-Keramik-Verbundsystems gemäß Fig.
Ib ergibt sich also folgende Schichtfolge: Massive Metallplatte 4 aus Cu als Wärmeableitplatte
- dünne, folienartige Metallplatte 2 aus Al -Keramikplatte 1 - dünne, folienartige
Metallplatte 2' aus Al - massive Metallplatte 4' aus Cu oder Mo als Leiterbahn oder
Montagefläche für Halbeiterbauelemente -löt- bzw. bondfähige Schicht 3'.
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Das so vorbereitete Metall-Keramik-Verbundsystem ist dadurch für das
Auflöten bzw. Bonden von Halbleiterbauelementen 7 in Monoblocktechnik, Dick- oder
Dünnschichttechnik und Hybridtechnik geeignet.
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Die Keramikplatte 1 kann, wie bereits erwähnt, einseitig oder beidseitig
mit einer oder mehreren Metallplatte(n) 2 versehen werden. Die in Fig. la dargestellte
Ausführungsform eines Metall-Keramik-Verbundsystems besitzt z.B. eine Metallplatte
2 auf der Unterseite sowie eine strukturierte Metallplatten 2' mit geeigneten Lot-Schichten
3' auf der Oberseite (Dreifach-Schichtfolge). Desweiteren sind Mehrlagen-Strukturen
(Multilayer, siehe z.B. H. Müller, Konstruktive Gestaltung und Fertigung in der
Elektronik", Band 1, Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden, 1981, Seite 210
bis 211), d.h.
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Verbundsysteme mit mehr als zwei Leiterebenen (Metallplatten) ausführbar.
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Bei den Mehrlagen-Verbundsystemem sind also mehrere Keramikplatten
1 mit Metallplatten 2 abwechselnd verlötet. Das Fügen erfolgt gleichzeitig während
eines einzigen Prozesses, die Metallplatten und Keramikplatten sind hierzu wie beschrieben
entsprechend vorbereitet.
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Die Metallplatten und Keramikplatten können jeweils
unterschiedlich
dick sein, beispielsweise kann eine der Metallplatten als Stromführungsbahn und
Montagefläche für Halbleiterbauelemente und die andere Metallplatte als Kühlkörper
ausgebildet sein. Die als Kühlkörper dienende Metallplatte ist dann entsprechend
stärker als die als Stromführungsbahn dienende Metallplatte ausgebildet.
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Bei einer derartigen Mehrlagenstruktur ergibt sich eine hohe Packungsdichte
und ein besonders hohes Wärmeableitvermögen, da keinerlei Wärmeübergangswiderstände
in Folge rein mechanischer Berührungsflächen auftreten.
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Auch ist keine mechanische Spannvorrichtung erforderlich.
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In Fig. 2 ist ein insbesondere für Halbleiterblocktechnik geeignetes
Metall-Keramik-Verbundsystem in Dreifach-Schichtfolge dargestellt. Die potentialtrennende,
wärmeleitende Keramikplatte 1 ist beidseitig mit dünnen Metallplatten 2 und 2' als
Bondfolien belegt, wobei die obere Metallplatte 2t über eine Lotschicht mit einer
Metallplatte 4' als Basis für elektronische Beauelemente verlötet ist bzw. ohne
Lotschicht direkt gebondet ist.
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Die untere, gebondete wärmeabführende Metallplatte 4 ist als Sechskant-Metallschraube
8 ausgebildet. Das Verbundsystem wird wie beschrieben gefügt.
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Anschließend wird die Metallplatte 4' mit einer lot-oder bondfähigen
Schicht 3' versehen und ein diskretes Halbleiterbauelement 7 wird aufgelötet. Die
Metallplatte 4' dient also als Montagefläche für das Halbleiterbauelement 7. Das
Halbleiterbauelement 7 wird zum Schutz vor mechanischer Beschädigung mit einer Verkapselung
11 versehen (z.B. aus Kunststoff).
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Die Sechskant-Metallschraube 8 dient als potential freie
Kühlplatte
für das Halbleiterbauelement 7 und entspricht prinzipiell der unteren Metallplatte
4 des in der Fig. 1b dargestellten Verbundsystems. Der Gewindebolzen 9 der Metallschraube
8 wird vorzugsweise in einen Kühler 10 eingeschraubt. Der Kühler 10 kann mehrere
solcher einschraubbarer Verbundsysteme unterschiedlichen Potentials aufnehmen.
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Alternativ hierzu kann die untere Metallplatte 4 nicht als Sechskant-Schraube,
sondern als Kühler mit Kühlrippen selbst ausgebildet sein.
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In den Figuren 3, 4 und 5 sind mehrere insbesondere für Schichttechnik
und Hybridtechnik geeignete Metall-Keramik-Verbundsysteme dargestellt. Das Verbundsystem
in Fig. 3 besitzt eine großflächige Metallplatte 2 als Chassis. Auf dieses Chassis
werden mehrere kleinere Keramikplatten 1 gelegt, die zusammen eine gewünschte Struktur
bilden. Auf die Keramikplatten 1 werden mehrere schmale Metallplatten 2' (+ 4')
gemäß einer gewünschten Struktur gelegt. Das Verbundsystem wird anschließend wie
bereits beschrieben gefügt. Die schmalen Metallplatten 2'(+ 4') dienen gleichzeitig
als Strombahnen, als Montageflächen und als Anschlußstecker. Für ihre Funktion als
Stecker stehen sie seitlich über. Die schmalen Metallplatten 2' ( 4v) werden mit
einer lot- oder bondfähigen Schicht 39 versehen. Anschließend werden auf die freien
Flächen der Keramikplatten 1 (nicht dargestellte) Widerstände bzw. andere Bauelemente
in Dünn-oder Dickschichttechnik oder Chipbauweise aufgebracht.
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Dabei ist eine hohe Packungsdichte möglich. Halbleiterbauelemente
werden mittels der Lotschicht 3' auf Molybdänplatten 4', die ihrerseits mit strukturierten
Metallplatten 22 verbondet sinds verlötet. Gegebenenfalls können auch einzelne Halbleiterbauelemente
in Monoblocktechnik direkt mit den schmalen Metallplatten 2'(+ 4')
verlötet
werden. Auch die Bildung eines Hybridsystems ist möglich.
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Die großflächige Metallplatte 2 dient zur Wärmeabführung der in den
aufgebrachten Halbleiterbauelementen oder sonstigen Bauelementen während des Betriebes
erzeugten Verlustwärme. Zum Einschub des Verbundsystems in eine Etage eines Schaltschrankes
dienen mit dem Schrank verbundene Metallführungen 12 mit U-förmigem Profil. Über
die Metallführungen 12 kann die Wärme an den Schaltschrank bzw. an einen im Schaltschrank
montierten Kühler abgeführt werden.
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Zur Verbesserung des Wärmeableitungsvermögens kann die Metallplatte
2 verhältnismäßig dünn ausgebildet sein und wird mittels einer lotfähigen Schicht
3 mit einer massiven Kupferplatte 4 verlötet bzw. ohne lotfähige Schicht 3 direkt
mit der Platte 4 gebondet.
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Das Verbundsystem gemäß Fig. 4 besitzt eine beidseitig mit Metallplatten
2, 2' (4, 4') versehene Keramikplatte 1 Die Metallplatte 2 (+ 4) auf der Unterseite
der Keramikplatte 1 ist dabei großflächig, während auf der Oberseite der Keramikplatte
1 mehrere kleinere Metallplatten 2 (+ 4') gemäß einer gewünschten Struktur aufgelegt
sind. Die Metallplatten 2' (+ 4') besitzen jeweils seitlich überstehende Zungen.
Das so geschaffene Verbundsystem wird gefügt.
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Nach dem Fügeprozeß werden die Zungen der oberen Metallplatten 2'
(+ 4') um 900 umgebogen. Sie dienen als Anschlußstecker 13. Die Montageflächen der
oberen Metallplatten 2' (oder 4') werden mit einer lot- bzw. bondfähigen Schicht
3' versehen. Die freien Flächen auf der Oberseite der Keramikplatte 1 können mit
Halbleiterbauelementen in Dünn- oder Dickschichttechnik versehen
werden.
Die externen Anschlüsse dieser Halbleiterbauelemente werden mit den beschichteten
Metallplatten 2' (+ 4') verlötet. Die Wärmeabführung der während des Betriebes der
Halbleiterbauelemente entstehenden Verlustwärme ist über die großflächige und entsprechend
dicke untere Metallplatte 2 (+ 4) gewährleistet. Die untere Metallplatte 2 (+ 4)
kann auch als Kühler mit Kühlrippen ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann die Metallplatte 2 auch mit
Hilfe einer Lotschicht 3 mit einer massiven Kupferplatte 4 verlötet sein. Zur Verbesserung
der Stromleitfähigkeit kann die Metallplatte 2' auch mit einer als Leiterbahn dienenden
Kupferfolie 4' verlötet sein.
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Das Verbundsystem gemäß Fig. 5 besitzt eine untere massive Metallplatte
2 (+ 4) als Wärmeableitplatte. Auf die untere Metallplatte 2 (+ 4) wird wiederum
eine Keramikplatte 1 gelegt. Auf die Keramikplatte 1 werden mehrere als Leiterbahnen
und Montageflächen in gewünschter Struktur dienende obere Metallplatten 2t (+ 4')
mit seitlich überstehenden Anschlußsteckern gelegt. Das so geschaffene Verbundsystem
wird gefügt.
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Anschließend wird auf die oberen Metallplatten 2' (oder 4') eine lot-
oder bondfähige Schicht 3' aufgebracht und auf die so beschichteten Metallplatten
2' (+ 4') werden Halbleiterbauelemente 7 aufgelötet. Das mit 7' bezeichnete Halbleiterbauelement
ist beispielsweise ein Thyristor, der über zwei galvanisch getrennte obere Metallplatten
2' (+ 4t) gelötet ist, wobei im Zwischenraum der so überbrückten Metallplatten 2t
(+ 4B) der Passivierungsgraben 14 des Halbleiterbauelements 7 zu liegen kommt.
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Zur Verbesserung des Wärmeableitvermögens kann auch bei dieser Ausführungsform
die Metallplatte 2 dünn ausgebildet und mit einer massiven Kupferplatte 4 verlötet
sein (Lotschicht 3). Analog hierzu kann auch eine Kupferfolie 41 zur Verbesserung
der Stromleitung auf die Metallplatte 2' gelötet sein.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Verbundsystems sind
desweiteren zahlreiche andere Ausführungsvarianten gemäß den Forderungen der Mikro-
und Leistungselektronik ausführbar, wobei in allen Fällen die Abfuhr der Verlustleistungswärme
bei hoher elektrischer Isolation zwischen Schaltkreis und Wärmesenke gewährleistet
ist.
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Ein sehr einfaches Beispiel stellen Shunterwiderstände für hohe Ströme
(Verlustleistung) dar, wie sie in Meßinstrumenten zur Erweiterung des Meßbereichs
dienen.
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Hierbei wird die obere Metallplatte 4' aus dem geeigneten Widerstandsmaterial
hergestellt, die untere Metall platte 2 + 4 dient als potentialfreie Wärmesenke.
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