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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von auf einer ersten Seite mit mindestens einem THT-Bauteil und auf einer zweiten Seite mit mindestens einem SMD-Bauteil bestückten Leiterplatten.
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Derartige mischbestückte Leiterplatten werden heutzutage in einer Vielzahl moderner elektrischer Geräte, insb. in Messgeräten, eingesetzt.
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Zur Reduktion von Herstellungskosten werden vorzugsweise oberflächenmontierbare Bauteile, so genannte 'Surface Mounted Devices'- kurz SMD-Bauteile eingesetzt. SMD-Bauteile benötigen für deren Montage keine Leiterplattenlöcher, sondern werden mit ihren Anschlüssen direkt auf hierfür auf der Leiterplatte vorgesehene Kontakte gelötet. SMD-Bauteile werden mit Bestückungsautomaten maschinell auf die mit Lotpaste versehenen Kontakte auf der Leiterplatte platziert und gemeinsam in einem einzigen Reflowlötprozess aufgelötet. SMD-Bauteile können auf beiden Seiten der Leiterplatte angebracht werden, indem zunächst die erste Seite mit den entsprechenden Bauteilen bestückt wird, diese dort verlötet werden, die Leiterplatte anschließend gewendet wird, und dann die zweite Seite auf die gleiche Weise mit den entsprechenden SMD Bauteilen versehen wird.
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Heute sind die meisten elektronischen Bauteile als SMD-Bauteile erhältlich, was zu einer erheblichen Reduktion der Herstellungskosten geführt hat.
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Eine weitere große Bauteilgruppe stellen die SMD-lötfähigen Bauteile dar, die auf die gleiche Weise zusammen mit SMD-Bauteilen in einem einzigen Fertigungsprozess auf der Leiterplatte aufgelötet werden können. Hierzu gehören im weitesten Sinn auch die sogenannten PIH Bauteile (Pin In Hole – Bauteile). Dabei handelt es sich um bedrahtete Bauteile, deren Anschlussdrähte auf der Leiterplatte in metallisierte mit Lotpaste bedruckte Sacklochbohrungen hineingesteckt und dort verlötet werden. Nachfolgend wird nicht mehr explizit zwischen SMD-Bauteilen und SMD-lötfähigen Bauteilen unterschieden. Der Begriff SMD-Bauteile wird nachfolgend derart verwendet, dass er auch die SMD-lötfähigen Bauteile umfasst.
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Allerdings gibt es auch heute noch eine Vielzahl von Bauteilen, insb. von Bauteilen die bedingt durch deren Funktion größere Abmessungen aufweisen, wie z.B. Stecker und Übertrager, die nach wie vor bevorzugt als bedrahtete sogenannte THT-Bauteile ausgebildet sind. THT ist die Abkürzung für Through Hole Technique. Diese Bauteile weisen stiftförmige oder drahtförmige Anschlüsse auf, die durch – regelmäßig metallisierte – Anschlussbohrungen in der Leiterplatte hindurch gesteckt und auf der dem Bauteil gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte verlötet werden.
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Zur Reduktion von Fertigungskosten und zur Beschleunigung des Herstellungsprozesses ist man bemüht, die Bestückung und die Verlötung von THT-Bauteilen in den regelmäßig durch die große Anzahl der SMD-Bauteile dominierten Herstellungsprozess einzubinden. Dabei ist man im Hinblick auf die Fertigungsdauer und die Fertigungskosten bestrebt möglichst viele Verfahrensschritte maschinell auszuführen und nach Möglichkeit nur sogenannte Massenlötverfahren einzusetzen, bei denen eine große Anzahl von Bauteilen in einem gemeinsamen Lötvorgang verlötet werden.
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Bei mit SMD- und THT-Bauteilen zu bestückenden Leiterplatten, wird häufig derart vorgegangen, dass zunächst eine erste Seite der Leiterplatte mit Lotpaste bedruckt, und dann mit SMD-Bauteilen bestückt wird, die dann in einem ersten Reflowlötverfahren verlötet werden. Nachfolgend wird die zweite Seite der Leiterplatte mit Lotpaste bedruckt, und danach mit SMD-Bauteilen bestückt, die dann in einem zweiten Reflowlötverfahren verlötet werden. Abschließend wird die Leiterplatte dann auf einer der beiden Seiten mit THT-Bauteilen bestückt, die von der anderen Seite her in einem selektiven Wellenlötverfahren verlötet werden. Dabei wird auf der der Lotwelle zugewandte Leiterplattenunterseite z.B. eine Schablone eingesetzt, die die auf dieser Seite angeordneten SMD-Bauteile abdeckt, und Durchbrechungen aufweist, die die selektiv zu verlötenden Lötstellen der THT-Bauteile freigeben.
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Auf diese Weise können alle Lötstellen der THT-Bauteile in einem Arbeitsgang beim Überfahren der Lotwelle verlötet werden.
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Dieses nachgeschaltete Wellenlötverfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass in der Umgebung dieser Lötstellen ein vergleichsweise großer -häufig als Prozessfenster bezeichneter- Bereich frei zugänglich sein muss, um zu gewährleisten, dass die Lotwelle die Lötstellen der THT-Bauteile erreicht. Dabei ist der frei zugängliche Bereich umso größer zu bemessen, je größer die SMD-Bauteile sind, die sich in der Umgebung der Lötstellen der THT-Bauteile befinden.
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Innerhalb dieses Bereichs dürfen keine Bauteile angeordnet sein. Entsprechend ergibt sich ein von der Größe der SMD-Bauteile abhängiger Mindestabstand der Lötstellen der THT-Bauteile zu benachbarten SMD-Bauteilen und zu benachbarten Lötstellen von weiteren THT-Bauteilen, der nicht unterschritten werden darf. Dieser Mindestabstand steht jedoch einer in der Regel erwünschten Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen entgegen.
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Ein weiteres auf Massenlötverfahren basierendes Verfahren zu Herstellung mischbestückter Leiterplatten ist in der
DE 10 2006 035 528 beschrieben. Dort werden SMD-Bauteile auf einer ersten Seite der Leiterplatte mit einem Kleber fixiert. Anschließend wird die Leiterplatte gewendet, und deren zweite Seite an den für weitere SMD-Bauteile vorgesehenen Lötstellen mit Lotpaste bedruckt. Danach wird die zweite Seite mit THT-Bauteilen und den weiteren SMD-Bauteilen bestückt. Abschließend wird ein Wellenlötverfahren durchgeführt, bei dem die auf der ersten Seite der Leiterplatte aufgeklebten SMD-Bauteile und die auf der ersten Seite befindlichen Lötstellen der auf der zweiten Seite befindlichen THT-Bauteile verlötet werden. Bei diesem Wellenlötvorgang wird die Leiterplatte derart horizontal über die Lotwelle geführt, dass durch eine Wärmeübertragung durch die Leiterplatte hindurch zugleich auch die auf der zweiten Seite befindlichen SMD-Bauteile verlötet werden.
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Auch hier ist jedoch zwischen den einzelnen auf der ersten Seite der Leiterplatte befindlichen Lötstellen jeweils ein ausreichend großer freier Bereich vorzusehen, um sicher zu stellen, dass das Lot der Welle, die einzelnen Lötstellen erreicht. Dabei ist zu beachten, dass sich hinter jedem einzelnen auf der ersten Seite befindlichen SMD-Bauteil ein von der Größe des jeweiligen Bauteils abhängiger Schattenbereich ausbildet, in den das Lot der Lotwelle nicht vordringt.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung mischbestückter Leiterplatten ist in der
DE 10 2008 035 405 A1 beschrieben. Damit lassen sich Leiterplatten herstellen, die auf einer ersten Seite THT-Bauteile, und auf beiden Seiten SMD-Bauteile aufweisen. Bei diesem Verfahren wird zwischen solchen Anschlüssen von THT-Bauteilen unterschieden, die in einem Reflowlötverfahren verlötet werden können, und ausgewählten Anschlüssen, die mittels einer Selektivlötvorrichtung, z.B. einem Lötroboter oder einer sukzessive auf einzelne Lötstellen ausrichtbaren Lotwelle, nacheinander angefahren und verlötet werden müssen. In einem ersten Verfahrensschritt werden zunächst die Lotstellen von auf einer erste Seite der Leiterplatte zu verlötenden SMD-Bauteilen mit Lotpaste bedruckt, die erste Seite mit diesen SMD-Bauteilen bestückt, und diese anschließend in einem ersten Reflow-Lötverfahren verlötet.
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Anschließend wird die zweite Seite der Leiterplatte mit Lotpaste bedruckt. Dabei werden sowohl die Lotstellen der auf die zweiten Seite zu verlötenden SMD-Bauteile als auch die auf der zweiten Seite befindlichen im Reflow-Lötverfahren verlötbaren Lötstellen der anschließend auf der ersten Seite anzuordnenden THT-Bauteile mit Lotpaste bedruckt. Anschließend wir die erste Seite der Leiterplatte mit allen benötigten THT-Bauteile bestückt. Danach werden die nicht im Reflow-Lötverfahren verlötbaren Lötstellen dieser THT-Bauteile einzeln nacheinander mittels der Selektivlötvorrichtung verlötet. Abschließend wird die bereits vor der Selektivlötung bedruckte zweite Seite der Leiterplatte mit SMD-Bauteilen bestückt, und es werden diese SMD-Bauteile, sowie die auf der zweiten Seite befindlichen im Reflow-Lötverfahren verlötbaren Lötstellen der THT-Bauteile in einem gemeinsamen Reflow-Lotverfahren verlötet.
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Hierdurch wird die Anzahl der sukzessiv nacheinander einzeln zu verlötenden Lötstellen der THT-Bauteile zwar auf diejenigen Lötstellen beschränkt, die nicht im Reflow-Lötverfahren verlötet werden können. Die Einzelverlötung dieser Lötstellen stellt jedoch nach wie vor einen zeitaufwendigen Verfahrensschritt dar.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von mischbestückten Leiterplatten anzugeben, mit dem Lötstellen von THT-Bauteile in geringen Abstand zu benachbarten SMD-Bauteilen angeordnet werden können, und in einem Massenlötverfahren verlötet werden können.
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Hierzu umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mischbestückten Leiterplatte, bei dem
- – eine erste Seite der Leiterplatte mit mindestens einem THT-Bauteil bestückt wird,
- – auf einer zweiten Seite der Leiterplatte endende Anschlüsse dieser THT-Bauteile in einem Wellenlötverfahren verlötet werden,
- – auf einer zweiten Seite der Leiterplatte vorgesehene Kontakte für dort aufzubringende SMD-Bauteile mittels einer die verlöteten Anschlussenden der THT-Bauteile überdeckenden Druckschablone mit Lotpaste bedruckt werden,
- – die zweite Seite mit den dort aufzubringende SMD-Bauteile bestückt wird, und
- – diese SMD-Bauteile in einem Reflow-Lötverfahren verlötet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird im Wellenlötverfahren ein Lot verwendet, das einen höheren Schmelzpunkt aufweist, als das im nachfolgenden Reflow-Lötverfahren verwendete Lot.
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Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung, bei der vor der Bestückung der ersten Seite der Leiterplatte mit den THT-Bauteilen
- – auf der ersten Seite der Leiterplatte vorgesehene Kontakte für dort aufzubringende SMD-Bauteilen mit Lotpaste bedruckt werden,
- – die erste Seite der Leiterplatte mit den dort aufzubringenden SMD-Bauteilen bestückt wird, und
- – die auf der ersten Seite angeordneten SMD-Bauteile in einem Reflow-Lötverfahren verlötet werden.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist während des Wellenlötens auf der zweiten Seite der Leiterplatte eine dünne Maske vorgesehen,
- – die auf der zweiten Seite der Leiterplatte vorhandene Strukturen, insb. Leitungen, Anschlüsse oder Kontakte, abdeckt, und
- – die Durchbrechungen aufweist, die die Lotstellen der auf der ersten Seite befindlichen THT-Bauteile freigeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der letztgenannten Ausgestaltung weist die Maske eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,2 mm auf.
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Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt: eine mit THT-Bauteilen bestückte Leiterplatte vor einem Wellenlötverfahren;
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2 zeigt: die Leiterplatte von 1 nach Ausführung des Wellenlötverfahrens vor deren Bedruckung mit Lotpaste; und
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3 zeigt: die Leiterplatte von 2 nach der Bestückung und Reflow-Verlötung von SMD-Bauteilen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erste Seite einer Leiterplatte 1 mit mindestens einem THT-Bauteil 3 bestückt. Dies geschieht – soweit die Art der gewünschten THT-Bauteile 3 dies zulässt- vorzugsweise maschinell mittels eines Bestückungsautomaten. Dabei werden deren Anschlüsse 5 durch hierfür an den entsprechenden Stellen in der Leiterplatte 1 vorgesehene metallisierten Bohrungen durch die Leiterplatte 1 auf eine zweite Seite der Leiterplatte 1 geführt. Dies ist in 1 schematisch dargestellt.
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Anschließend werden die auf der zweiten Seite der Leiterplatte 1 endenden Anschlüsse 5 der THT-Bauteile 3 in einem einzigen Wellenlötverfahren verlötet. Hierzu wird die Leiterplatte 1 über eine Lotwelle 7 gefahren, die beispielsweise erzeugt, indem in einem Lotbad bereitgestelltes Lot durch einen Spalt gepumpt wird, dessen Länge größer gleich der Breite der Leiterplatte 1 ist.
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Da sich während dieses Verfahrensschritts noch keine Bauteile auf der mit der Lotwelle 7 in Kontakt kommenden zweiten Seite der Leiterplatte 1 befinden, kann das Wellenlötverfahren optimal an die Bedürfnisse der zu verlötenden Lötstellen der THT-Bauteile 3 angepasst werden. Dabei kann insb. eine Transportgeschwindigkeit mit der die Leiterplatte 1 über die Lotwelle 7 gefahren wird, sowie ein Anstellwinkel, um den sie gegebenenfalls beim Transport gegenüber der Horizontalen geneigt wird, optimal an deren Bedürfnisse angepasst werden.
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Während des Wellenlötens ist auf der zweiten Seite der Leiterplatte 1 vorzugsweise eine dünne Maske vorgesehen, die auf der zweiten Seite der Leiterplatte 1 vorhandene Strukturen, wie zum Beispiel Leitungen, Anschlüsse oder Kontakte, abdeckt, und Durchbrechungen aufweist, die die auf der zweiten Seite befindlichen Lotstellen der auf der ersten Seite angeordneten THT-Bauteile 3 freigeben. Da auf der zweiten Seite noch keine Bauteile vorhanden sind, kann hierzu eine sehr dünne Maske, insb. eine Maske mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,2 mm, eingesetzt werden. Da die Maske sehr dünn ist, müssen die Durchbrechungen in der Maske nur geringfügig größere Abmessungen aufweisen als die zugehörigen Lötstellen. Entsprechend können hierüber auch eng benachbarte Lötstellen getrennt voneinander in einem Massenlötverfahren verlötet werden.
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Anschließend wird die Leiterplatte 1 gewendet und es werden auf der zweiten Seite der Leiterplatte 1 vorgesehene Kontakte 9 für dort aufzubringende SMD-Bauteile 11 mit Lotpaste bedruckt. Dieser Verfahrensschritt ist in 2 schematisch dargestellt. Die Bedruckung erfolgt, indem eine Druckschablone 13 auf die zweite Seite der Leiterplatte 1 aufgebracht wird, die die verlöteten Anschlussenden 15 der THT-Bauteile 3 überdeckt, und die die zu bedruckenden Kontakte 9 freigebende Ausnehmungen 17 aufweist. Hierzu sind in der Druckschablone 13 vorzugsweise Aussparungen 19 zur Aufnahme der verlöteten Anschlussenden 15 vorgesehen.
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Als Druckschablonen eignen sich beispielsweise von der Christian Koenen GmbH unter der Bezeichnung PumpPrint z.B. für das Bedrucken von Leiterplatten mit Kleber angebotene Schablonen.
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Die Druckschablone 13 ermöglicht eine maschinelle Bedruckung, bei der Lotpaste über die Druckschablone 13 gezogen und dabei in die Ausnehmungen 15 hinein gepresst wird. Hierdurch ist ein im Vergleich zum Dispensen auch für sehr große Stückzahlen von zu bedruckenden Kontakten 9 sehr schnelles und automatisiert ausführbares Verfahren gegeben.
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Nach dem Bedrucken wird die zweite Seite vorzugsweise maschinell, z.B. mit einem Bestückungsautomaten, mit den hierfür vorgesehenen SMD-Bauteilen 11 bestückt. Abschließend werden die auf die zweite Seite aufgebrachten SMD-Bauteile 11 in einem Reflow-Lötverfahren verlötet.
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Da die THT-Bauteile 3 bereits vor der Bedruckung und der Bestückung der zweiten Seite verlötet wurden, können die SMD-Bauteile 11 auf der zweiten Seite auch in unmittelbarer Nähe der verlöteten Anschlussenden 15 der THT-Bauteile 3 angeordnet werden. Der erforderliche Mindestabstand ist hier lediglich dadurch nach unten begrenzt, dass sicher gestellt werden muss, dass sich beim Reflow-Lötvorgang zwischen den Kontakten 9 der SMD-Bauteile 11 und den dazu unmittelbar benachbarten verlöteten Anschlussenden 15 der THT-Bauteile 3 keine leitenden Brücken ausbilden.
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Um ein Anschmelzen der verlöteten Anschlussenden 15 während des Reflow-Lötvorgangs zu vermeiden, wird für das Verlöten der SMD-Bauteile 11 vorzugsweise ein Lot verwendet, dass eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist, als das beim Wellenlöten verwendete Lot. Dazu kann beispielsweise für das Wellenlöten ein Zinn-Silber mit einer Schmelztemperatur in der Größenordnung von ca. 220°C oder ein Zinn-Kupfer Lot mit einer Schmelztemperatur in der Größenordnung von 230° in Kombination mit einem niedrigschmelzenden Lot für den Reflow-Lötvorgang, wie zum Beispiel einem Zinn-Wismut Lot mit einer Schmelztemperatur in der Größenordnung von 140°C oder einem Indium- und/oder Wismut-haltigen Lot, insb. einem Indium- und/oder Wismut-haltigen Zinn-Silber-Lot, mit einer Schmelztemperatur in der Größenordnung von 160°C bis 210°C eingesetzt werden. Das ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da zur Verlötung der Anschlussenden 15 der THT-Bauteile 3 in den metallisierten Bohrungen und dementsprechend auch für das Wiederaufschmelzen dieser Lötverbindungen regelmäßig mehr Wärmeenergie benötigt wird, als für das Verlöten der SMD-Bauteile 11. Da die Prozessparameter, unter denen der Reflow-Lötvorgang ausgeführt wird, an den Wärmeenergiebedarf der SMD-Bauteile 11 angepasst sind, schmelzen die Lötverbindungen der THT-Bauteile 3 daher in der Regel auch dann nicht auf, wenn für den Reflow-Lötvorgang das gleiche Lot eingesetzt wird, wie in dem zuvor ausgeführten Wellenlötverfahren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus auch zu Herstellung von mischbestückten Leiterplatten 1 eingesetzt werden, die zusätzlich zu den auf der ersten Seite angeordneten THT-Bauteilen 3 und den auf der zweiten Seite angeordneten SMD-Bauteilen 11 auch auf der ersten Seite der Leiterplatte 1 SMD-Bauteile 21 aufweisen. In den 1 bis 3 ist jeweils stellvertretend für diese Bauteile exemplarisch ein solches SMD-Bauteil 21 dargestellt.
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In dem Fall werden die auf der ersten Seite der Leiterplatte 1 aufzubringenden SMD-Bauteile 21 vor der Ausführung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte auf der ersten Seite der Leiterplatte 1 verlötet. Hierzu werden zunächst die für diese SMD-Bauteile 21 auf der ersten Seite der Leiterplatte 1 vorgesehenen Kontakte 9 mit Lotpaste bedruckt. Anschließend wird die erste Seite der Leiterplatte 1 mit diesen SMD-Bauteilen 21 bestückt, und es werden die SMD-Bauteile 21 in einem Reflow-Lötverfahren verlötet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 3
- THT-Bauteil
- 5
- Anschluss
- 7
- Lotwelle
- 9
- Kontakt
- 11
- SMD-Bauteil
- 13
- Druckschablone
- 15
- verlötetes Anschlussende
- 17
- Ausnehmung
- 19
- Aussparung
- 21
- SMD-Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006035528 [0012]
- DE 102008035405 A1 [0014]