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DE102021104793B4 - Leistungshalbleitermodul mit externem kontaktelement - Google Patents

Leistungshalbleitermodul mit externem kontaktelement Download PDF

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DE102021104793B4
DE102021104793B4 DE102021104793.5A DE102021104793A DE102021104793B4 DE 102021104793 B4 DE102021104793 B4 DE 102021104793B4 DE 102021104793 A DE102021104793 A DE 102021104793A DE 102021104793 B4 DE102021104793 B4 DE 102021104793B4
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external
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Christoph Koch
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Leistungshalbleitermodul (600), aufweisend:mindestens einen Leistungshalbleiterchip (620),mindestens ein Steuerkontaktelement (630), das zur Übertragung eines externen Steuersignals an das Leistungshalbleitermodul (600) konfiguriert ist, undmindestens ein externes Kontaktelement (500), welches ein Leistungskontakt des Leistungshalbleitermoduls (600) ist, wobei das externe Kontaktelement (500) aus einem Verbundblechstreifen besteht, und wobei der Verbundblechstreifen so ausgebildet ist, dass das externe Kontaktelement (500) Folgendes aufweist:einen ersten Kontaktabschnitt (110), der durch eine erste Lötstelle mit dem Rest des Leistungshalbleitermoduls (600) verbunden ist,einen zweiten Kontaktabschnitt (120), der von dem ersten Kontaktabschnitt (110) in einer Dickenrichtung von der Ebene des ersten Kontaktabschnitts (110) beabstandet ist, wobei der zweite Kontaktabschnitt (120) so konfiguriert ist, dass er mit einer externen Vorrichtung verbunden werden kann, undeinen Federabschnitt (130), der den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt (110, 120) miteinander verbindet und so gestaltet ist, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung kompensiert,wobei der Verbundblechstreifen ein erstes Blech (140) aufweist, das ein erstes Metall oder eine erste Metalllegierung aufweist, und ein zweites Blech (150), das ein anderes, zweites Metall oder eine andere, zweite Metalllegierung aufweist,wobei das zweite Blech (150) von mindestens einem wesentlichen Teil des ersten Kontaktabschnitts (110) weggelassen ist,wobei der Federteil (130) zwei seitlich nebeneinander angeordnete Druck- oder Zugfedern (132) aufweist, undwobei der Verbundblechstreifen so in Form gebogen ist, dass sich beide Enden (510) des Verbundblechstreifens am ersten Kontaktabschnitt (110) befinden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein externes Kontaktelement für ein Leistungshalbleitermodul sowie auf ein Leistungshalbleitermodul, das ein externes Kontaktelement aufweist.
  • HINTERGRUND
  • Es kann erforderlich sein, zuverlässige elektrische Verbindungen zwischen Halbleitermodulen, insbesondere Leistungshalbleitermodulen, und externen Vorrichtungen herzustellen. Diese elektrischen Verbindungen können z.B. durch externe Kontaktelemente hergestellt werden, die z.B. einen Metallstreifen oder einen Blechstreifen aufweisen können und die so konfiguriert sein können, dass sie einen starken elektrischen Strom und/oder eine hohe Spannung führen. Diese elektrischen Verbindungen können ferner eine Löt-, Schweiß- oder Sinterverbindung aufweisen, die das externe Kontaktelement mit einem Träger des Halbleitermoduls verbindet. Mechanische Belastungen, z. B. durch thermische Ausdehnung oder thermische Schrumpfung von Metall, können die Verbindung beschädigen und zu einem elektrischen Ausfall der elektrischen Verbindung führen. Daher kann es von Vorteil sein, das Auftreten mechanischer Spannungen in diesen elektrischen Verbindungen zu verhindern oder zumindest zu verringern. Die DE 11 2015 000 513 T5 zeigt ein aus einem Verbundblech gebildetes externes Kontaktelement mit einem ersten Kontaktabschnitt, einem zweiten Kontaktabschnitt und einem Federabschnitt, der die beiden Kontaktabschnitte verbindet. Vergleichbare externe Kontaktelemente sind auch in der JP H05- 47 989 A und der DE 10 2017 200 256 A1 offenbart. Externe Kontaktelemente sind ferner der DE 197 58 864 B4 , der US 6 246 587 B1 , der DE 10 2006 014 582 A1 , der DE 10 2017 211 336 A1 , der DE 10 2005 016 650 A1 und der EP 2 498 290 A1 zu entnehmen. Verbesserte externe Kontaktelemente sowie verbesserte Halbleitermodule, die externe Kontaktelemente aufweisen, können dazu beitragen, diese und andere Probleme zu lösen.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • KURZFASSUNG
  • Verschiedene Aspekte betreffen ein externes Kontaktelement für ein Leistungshalbleitermodul, wobei das externe Kontaktelement aus einem Verbundblechstreifen besteht, wobei der Verbundblechstreifen derart ausgebildet ist, dass das externe Kontaktelement Folgendes aufweist: einen ersten Kontaktabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Leistungshalbleitermodul durch eine erste Lötstelle verbunden werden kann, einen zweiten Kontaktabschnitt, der von dem ersten Kontaktabschnitt in einer Dickenrichtung von der Ebene des ersten Kontaktabschnitts beabstandet ist, wobei der zweite Kontaktabschnitt so konfiguriert ist, dass er mit einer externen Vorrichtung verbunden werden kann, und einen Federabschnitt, der den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt miteinander verbindet und so konfiguriert ist, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung kompensiert, wobei der Verbundblechstreifen ein erstes Blech aufweist, das ein erstes Metall oder eine erste Metalllegierung umfasst, und ein zweites Blech, das ein anderes, zweites Metall oder eine andere, zweite Metalllegierung umfasst, und wobei das zweite Blech von mindestens einem wesentlichen Teil des ersten Kontaktabschnitts weggelassen ist.
  • Verschiedene Aspekte betreffen ein externes Kontaktelement für ein Leistungshalbleitermodul, wobei das externe Kontaktelement aus einem Blech besteht, wobei das Blech so geformt ist, dass das externe Kontaktelement Folgendes aufweist: einen ersten Kontaktabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er durch eine erste Lötstelle mit dem Leistungshalbleitermodul gekoppelt werden kann, einen zweiten Kontaktabschnitt, der von dem ersten Kontaktabschnitt in einer Dickenrichtung von der Ebene des ersten Kontaktabschnitts beabstandet ist, wobei der zweite Kontaktabschnitt so konfiguriert ist, dass er mit einer externen Vorrichtung gekoppelt werden kann, und einen Federabschnitt, der den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt miteinander verbindet und so konfiguriert ist, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung kompensiert, wobei das Blech aus einem ersten Metall oder einer ersten Metalllegierung besteht, und wobei der erste Kontaktabschnitt mindestens zwei Abstandshalter aufweist, die durch eine Einkerbung getrennt sind, so dass eine Dicke der ersten Lötstelle in der Einkerbung durch die Höhe der Abstandshalter definiert ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen zeigen Beispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erklären. Andere Beispiele und viele der beabsichtigten Vorteile der Offenbarung werden in Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung leicht zu erkennen sein. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander. Identische Bezugsziffern bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
    • 1 zeigt eine Schnittansicht eines externen Kontaktelements, das ein erstes und ein zweites Metallblech aufweist, wobei das zweite Metallblech von einem ersten Kontaktabschnitt des externen Kontaktelements weggelassen ist.
    • 2 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren externen Kontaktelements, bei dem das zweite Blech ebenfalls von einem zweiten Kontaktabschnitt des externen Kontaktelements weggelassen ist.
    • Die 3A bis 3C zeigen Schnittdarstellungen von weiteren externen Kontaktelementen, wobei der erste Kontaktabschnitt Abstandshalter aufweist.
    • 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Halbleitermoduls, das ein externes Kontaktelement aufweist, das auf einen Träger gelötet ist.
    • Die 5A bis 5C zeigen Schnittdarstellungen von weiteren externen Kontaktelementen, die zwei seitlich nebeneinander angeordnete Druck- oder Zugfedern aufweisen.
    • 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls, das eine Vielzahl von externen Kontaktelementen aufweist.
    • Die 7A und 7B zeigen einen Herstellungsprozess eines Verbundblechs, wobei das Verbundblech zur Herstellung von externen Kontaktelementen verwendet werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung kann ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt eines Beispiels nur in Bezug auf eine von mehreren Implementierungen offenbart sein. Ein solches Merkmal oder ein solcher Aspekt kann jedoch mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, wie es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes vermerkt ist oder technische Einschränkungen bestehen. Soweit in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen die Begriffe „umfassen“, „haben“, „mit“ oder andere Varianten davon verwendet werden, sind diese Begriffe in ähnlicher Weise umfassend zu verstehen wie der Begriff „aufweisen“. Die Begriffe „gekoppelt“ und „verbunden“ sowie deren Ableitungen können verwendet werden. Es ist davon auszugehen, dass diese Begriffe verwendet werden können, um anzuzeigen, dass zwei Elemente zusammenwirken oder miteinander interagieren, unabhängig davon, ob sie in direktem physischen oder elektrischen Kontakt stehen, oder ob sie nicht in direktem Kontakt miteinander stehen; zwischen den „gekoppelten“, „angebrachten“ oder „verbundenen“ Elementen können Zwischenelemente oder Schichten vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die „gekoppelten“, „angebrachten“ oder „verbundenen“ Elemente in direktem Kontakt zueinander stehen. Auch ist der Begriff „beispielhaft“ lediglich als Beispiel und nicht als das Beste oder Optimale gemeint.
  • Ein effizientes externes Kontaktelement sowie ein effizientes Halbleitermodul können zum Beispiel den Materialverbrauch, die ohmschen Verluste und den chemischen Abfall reduzieren und somit Energie- und/oder Ressourceneinsparungen ermöglichen. Verbesserte externe Kontaktelemente sowie verbesserte Halbleitermodule, wie in dieser Beschreibung beschrieben, können somit zumindest indirekt zu grünen Technologielösungen beitragen, d.h. zu klimafreundlichen Lösungen, die eine Verringerung des Energie- und/oder Ressourcenverbrauchs ermöglichen.
  • Ferner bedeutet eine „Legierung aus X“ (mit weiteren Komponenten Y, Z, ...), dass X die Mehrheitskomponente der Legierung ist, d.h. der Beitrag von X in Gew.-% (Gewichtsprozent) ist größer als der Beitrag von Y in Gew.-% bzw. der Beitrag von Z in Gew.-%. Insbesondere kann es bedeuten, dass der Beitrag von X mindestens 50 Gew.-% beträgt. Die Bezeichnung XY bezieht sich auf eine Legierung von X, die mindestens Y als weiteren Bestandteil enthält. Insbesondere kann sie sich auf eine Legierung von X beziehen, die Y als einzigen Restbestandteil enthält (d. h. eine geschlossene Zusammensetzung). Das heißt, im zweiten Fall bedeutet die Bezeichnung XY, dass die Legierung XY eine Zusammensetzung hat, die aus X (Gewichtsprozent von X) und Y (Gewichtsprozent von Y) besteht, wobei der Rest nur aus unvermeidlichen Elementen besteht. Das Gleiche gilt für die Zusammensetzung von Lötmitteln.
  • 1 zeigt ein externes Kontaktelement 100, das zur Verwendung in einem Leistungshalbleitermodul konfiguriert ist. Das externe Kontaktelement 100 besteht aus einem Verbundblechstreifen, der so ausgebildet ist, dass das externe Kontaktelement 100 einen ersten Kontaktabschnitt 110, einen zweiten Kontaktabschnitt 120 und einen Federabschnitt 130 aufweist.
  • Der erste Kontaktabschnitt 110 ist so konfiguriert, dass er durch eine erste Lötstelle mit dem Leistungshalbleitermodul verbunden werden kann. Der zweite Kontaktabschnitt 120 ist von dem ersten Kontaktabschnitt 110 in einer Dickenrichtung z von der Ebene p1 (im Folgenden als „erste Ebene“ bezeichnet) des ersten Kontaktabschnitts 110 beabstandet. Der zweite Kontaktabschnitt 120 ist so konfiguriert, dass er mit einer externen Vorrichtung verbunden werden kann.
  • Der Federabschnitt 130 verbindet den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt 110, 120 miteinander und ist ferner so konfiguriert, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung z (d.h. eine Bewegung des Halbleitermoduls und der externen Vorrichtung relativ zueinander) kompensiert.
  • Der Verbundblechstreifen weist ein erstes Blech 140 aus einem ersten Metall oder einer ersten Metalllegierung und ein zweites Blech 150 aus einem anderen, zweiten Metall oder einer zweiten Metalllegierung auf. Ferner ist das zweite Blech 150 von zumindest einem wesentlichen Teil des ersten Kontaktabschnitts 110 weggelassen. Das zweite Blech 150 kann insbesondere von der Gesamtheit des ersten Kontaktabschnitts 110 weggelassen werden.
  • Wie in 1 gezeigt, kann der erste Kontaktabschnitt 110 eine erste Seite 111 aufweisen, die so konfiguriert ist, dass sie dem Halbleitermodul zugewandt ist, und eine gegenüberliegende zweite Seite 112, die so konfiguriert ist, dass sie von dem Halbleitermodul weg weist. Das zweite Blech 150 kann zumindest von einem wesentlichen Teil oder sogar von der gesamten zweiten Seite 112 weggelassen werden.
  • Das Vorhandensein des zweiten Blechs 150 in dem ersten Kontaktabschnitt 110 könnte die Bildung der ersten Lötstelle negativ beeinflussen. Zum Beispiel kann die erste Lötstelle eine geringere mechanische Festigkeit aufweisen als ohne das zweite Blech 150 im ersten Kontaktabschnitt 110. Dies kann insbesondere bei einem externen Kontaktelement 100 der Fall sein, bei dem das erste Blech 140 aus Cu oder einer Cu-Legierung besteht und das zweite Blech 150 aus Al oder einer Al-Legierung besteht. Das Weglassen des zweiten Blechs 150 im ersten Kontaktabschnitt 110 kann die Lebensdauer der ersten Lötstelle etwa um den Faktor zwei erhöhen. Derselbe Effekt kann natürlich auch am zweiten Kontaktabschnitt 120 beobachtet werden. Daher kann es in dem Fall, dass der zweite Kontaktabschnitt 120 so konfiguriert ist, dass er durch eine zweite Lötstelle mit der externen Vorrichtung verbunden wird, wünschenswert sein, das zweite Blech 150 auch am zweiten Kontaktabschnitt 120 wegzulassen.
  • Gemäß einem Beispiel wird das zweite Blech 150 auch von zumindest einem wesentlichen Teil des zweiten Kontaktabschnitts 120 oder sogar von dem gesamten zweiten Kontaktabschnitt 120 weggelassen. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der zweite Kontaktabschnitt 120 dazu ausgebildet ist, über eine zweite Lötstelle mit der externen Vorrichtung verbunden zu werden. Wenn jedoch der zweite Kontaktabschnitt 120 so konfiguriert ist, dass er mit der externen Vorrichtung z.B. durch eine Niete oder eine Schraube verbunden wird, ist es nicht unbedingt wünschenswert, das zweite Blech 150 aus dem zweiten Kontaktabschnitt 120 wegzulassen.
  • Der zweite Kontaktabschnitt 120 kann in einer zweiten Ebene p2 angeordnet sein, die oberhalb der ersten Ebene p1 angeordnet sein kann. Gemäß einem Beispiel sind die erste Ebene p1 und die zweite Ebene p2 parallel zueinander. Gemäß einem anderen Beispiel ist die zweite Ebene p2 gegenüber der ersten Ebene p1 geneigt (dies kann zum Beispiel bei einer externen Vorrichtung mit einer geneigten Kontaktfläche der Fall sein). Die erste Ebene p1 und/oder die zweite Ebene p2 können senkrecht zur Dickenrichtung z des externen Kontaktelements 100 angeordnet sein.
  • Der Verbundblechstreifen kann z. B. einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen (in der yz-Ebene von 1 gesehen). Der erste und der zweite Kontaktabschnitt 110, 120 können eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form haben (in der xy-Ebene von 1 gesehen). Die ersten und zweiten Kontaktabschnitte 110, 120 können ähnliche Formen und ähnliche Oberflächenbereiche haben oder sie können unterschiedliche Formen und/oder unterschiedliche Oberflächenbereiche haben.
  • Der erste Kontaktabschnitt 110 und/oder der zweite Kontaktabschnitt 120 können z.B. eine Länge entlang der x-Achse von 1 im Bereich von 2mm bis 15mm, oder 3mm bis 10mm, oder 4mm bis 8mm, oder etwa 7mm haben. Der Federabschnitt 120 kann z.B. eine Länge entlang der z-Achse von 1 im Bereich von 3mm bis 20mm, oder 4mm bis 15mm, oder 5mm bis 10mm, oder etwa 9mm haben. Die gesamte Ausdehnung des externen Kontaktelements 100 entlang der z-Achse kann im Wesentlichen durch die Länge des Federteils 130 gegeben sein. Der Verbundblechstreifen kann z.B. eine Breite entlang der y-Achse von 1 im Bereich von 2mm bis 15mm, oder 4mm bis 10mm haben. Das erste Blech 140 kann z. B. eine Dicke t im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm oder 0,2 mm bis 0,4 mm oder etwa 0,3 mm haben. Die Dicke des zweiten Blechs 150 kann ebenfalls in diesem Bereich liegen. Das erste und das zweite Blech 140, 150 müssen jedoch nicht unbedingt eine identische Dicke aufweisen.
  • Der Federabschnitt 130 kann einen oder mehrere Bögen 131 aufweisen, zum Beispiel drei Bögen 131, wie in 1 gezeigt. Die Anzahl, die Größe und die genaue Form der Bögen 131 können von der gewünschten Federrate des Federteils 130 abhängen. Die Bögen 131 können eine Ausdehnung entlang der x-Achse haben, die der Ausdehnung entlang der x-Achse der Kontaktabschnitte 110, 120 entspricht. Der erste Bogen 140 und auch der zweite Bogen 150 können sich über den gesamten Federabschnitt 130 erstrecken.
  • Der Federabschnitt 130 kann im Wesentlichen eine Druckfeder oder eine Zugfeder bilden, abhängig von der Bewegung des Halbleitermoduls und der externen Vorrichtung relativ zueinander.
  • Das externe Kontaktelement 100 kann so geformt sein, dass bei Betrachtung von rechts in 1 nur das erste Blech 140 sichtbar ist und bei Betrachtung von links in 1 nur das zweite Blech 150 sichtbar ist (mit Ausnahme des Teils des ersten Blechs 140, der im ersten Kontaktabschnitt 110 freiliegt). Gemäß diesem Beispiel kann das externe Kontaktelement 100 die Form einer flachen Feder haben, aber nicht die Form einer Schraubenfeder oder Spiralfeder.
  • Das erste Blech 140 kann z.B. Cu oder eine Cu-Legierung aufweisen oder daraus bestehen. Das zweite Blech 150 kann z.B. Al oder eine Al-Legierung aufweisen oder daraus bestehen. Gemäß einem anderen Beispiel können das erste und/oder das zweite Blech 140, 150 andere geeignete Metalle aufweisen, z.B. ausgewählt aus der Gruppe, die Au, Ag, Fe und Ti umfasst. Das erste Blech 140 kann aus einem lötbaren Metall oder einer lötbaren Metalllegierung bestehen.
  • 2 zeigt ein weiteres externes Kontaktelement 200, das ähnlich oder identisch mit dem in 1 gezeigten externen Kontaktelement 100 sein kann, mit der Ausnahme, dass das zweite Blech 150 bei beiden Kontaktabschnitten 110, 120 weggelassen ist. Der zweite Kontaktabschnitt 120 des externen Kontaktelements 200 kann so konfiguriert sein, dass er durch eine zweite Lötstelle mit einer externen Vorrichtung gekoppelt werden kann.
  • Die 3A bis 3C zeigen weitere externe Kontaktelemente 300, 300' und 300'', die ähnlich oder identisch mit den externen Kontaktelementen 100 und 200 sein können, mit Ausnahme der im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
  • Insbesondere weisen die externen Kontaktelemente 300, 300' und 300" nicht zwei Bleche 140, 150 auf, sondern bestehen aus einem einzigen Blechstreifen, der so in Form gebogen ist, dass er die Kontaktabschnitte 110, 120 und den Federabschnitt 130 aufweist. Die externen Kontaktelemente 300, 300' und 300" können z.B. eines oder mehrere der Metalle oder Metalllegierungen aufweisen oder daraus bestehen, die in Bezug auf das erste Blech 140 offenbart wurden. Die externen Kontaktelemente 300, 300' und 300'' können die gleichen Abmessungen und Formen aufweisen, wie sie für das externe Kontaktelement 100 offenbart wurden. Der Blechstreifen der externen Kontaktelemente 300, 300' und 300'' kann die gleiche Dicke aufweisen, wie sie für das erste Blech 140 offenbart ist.
  • Da der Federabschnitt 130 der externen Kontaktelemente 300, 300' und 300'' nicht das zweite Blech 150 aufweist, kann seine Federrate geringer sein als die Federrate der externen Kontaktelemente 100 und 200. Zur Erhöhung der Federrate kann jedoch ein dickerer Blechstreifen oder ein breiterer Blechstreifen (Ausdehnung in der y-Achse) verwendet werden.
  • Der erste Kontaktabschnitt 110 der externen Kontaktelemente 300, 300' und 300'' weist mindestens zwei Abstandshalter 310 auf, die durch eine Einkerbung 320 getrennt sind. Die Abstandshalter 310 und die Einkerbung 320 sind so gestaltet, dass eine Dicke der ersten Lötstelle (Kopplung des externen Kontaktelements mit einem Halbleitermodul) in der Einkerbung 320 durch die Höhe der Abstandshalter 310 definiert ist (die Höhe der Abstandshalter 310 wird entlang der z-Achse gemessen) .
  • Beispielsweise können die Abstandshalter 310 so konfiguriert sein, dass eine Dicke der ersten Lötstelle direkt unter jedem Abstandshalter 310 Null oder zumindest nahe Null ist (z.B. weniger als 20% oder sogar weniger als 10% der Dicke der ersten Lötstelle in den Einkerbungen 320). Eine Aufstandsfläche der Abstandshalter 310 kann beispielsweise so klein sein, dass flüssiges Lötmaterial leicht unter den Abstandshaltern 310 herausgedrückt wird und die Einkerbungen 320 füllt.
  • Die Höhe der Abstandshalter 310 kann beispielsweise im Bereich von 20 % bis 80 % der Dicke des Blechstreifens (d. h. der Dicke der externen Kontaktelemente 300, 300', 300'') liegen, insbesondere im Bereich von 30 % bis 60 %, oder etwa 40 % der Dicke des Blechstreifens.
  • Die Abstandshalter 310 können Teil des Blechstreifens der externen Kontaktelemente 300, 300', 300'' sein. Die Abstandshalter 310 bzw. die Einkerbungen 320 können zum Beispiel durch Stanzen, Biegen, Ätzen oder Schneiden des Blechstreifens hergestellt werden. Die Dicke des Blechstreifens an einer Stelle, die einen Abstandshalter 310 aufweist, kann der Dicke des Blechstreifens im Federteil 130 entsprechen. Die Dicke des Blechstreifens kann an einer Stelle, die eine Einkerbung 320 aufweist, verringert sein.
  • Gemäß einem Beispiel werden die Abstandshalter 310 und die Einkerbungen 320 in demselben Fertigungsschritt hergestellt, in dem die externen Kontaktelemente 300, 300' oder 300'' in Form gebogen werden. Gemäß einem anderen Beispiel werden die Abstandshalter 310 und Einkerbungen 320 vor oder nach dem Formen der Kontaktteile 110, 120 und des Federteils 130 hergestellt.
  • Obwohl die Dicke der externen Kontaktelemente 300, 300' und 300'' in den Einkerbungen 320 reduziert ist, muss ihre mechanische Stabilität durch diese reduzierte Dicke nicht negativ beeinflusst werden, da die erste Lötstelle die externen Kontaktelemente im ersten Kontaktabschnitt 110 mechanisch verstärken kann.
  • Die Einkerbung 320 kann jede geeignete Form haben, z.B. eine im Wesentlichen rechteckige Form, wie in der xz-Ebene gesehen und in 3A und 3C gezeigt, oder eine abgerundete Form, wie in 3B gezeigt. Gemäß einem Beispiel erstrecken sich die Abstandshalter 310 und/oder die Einkerbungen 320 über die gesamte Breite (entlang der y-Achse) des Kontaktabschnitts 110. Nach einem anderen Beispiel erstrecken sich die Abstandshalter 310 und/oder die Einkerbungen 320 nur teilweise über die Breite. In diesem Fall können die Abstandshalter 310 und die Einkerbungen 320 in dem ersten Kontaktabschnitt 110 beispielsweise in einer Art Schachbrettmuster angeordnet sein.
  • Die Einkerbungen 320 können einen beliebigen geeigneten Anteil der Oberfläche des ersten Kontaktabschnitts 110 ausmachen, beispielsweise etwa 20 % oder mehr, oder 40 % oder mehr, oder 60 % oder mehr, oder sogar 80 % oder mehr. Der Rest der Oberfläche kann von den Abstandshaltern 310 gebildet werden.
  • Gemäß einem Beispiel weist auch der zweite Kontaktabschnitt 120 die Abstandshalter 310 und Einkerbungen 320 auf. Gemäß einem Beispiel können auch die externen Kontaktelemente 100 und 200 die Abstandshalter 310 und Einkerbungen 320 aufweisen, wie sie in Bezug auf die externen Kontaktelemente 300, 300' und 300'' beschrieben sind. In diesem Fall können die Abstandshalter 310 und Einkerbungen 320 insbesondere Teil des ersten Blechs 140 sein.
  • 4 zeigt eine Detailansicht eines Teils eines Halbleitermoduls 400, das das externe Kontaktelement 300'' und einen Träger 410 aufweist. Gemäß einem Beispiel kann das Halbleitermodul 400 anstelle oder zusätzlich zu dem externen Kontaktelement 300'' eines oder mehrere der externen Kontaktelemente 100, 200, 300 und 300' aufweisen.
  • Das externe Kontaktelement 300'' ist so auf dem Träger 410 angeordnet, dass die Abstandshalter 310 und die Einkerbung 320 dem Träger 410 zugewandt sind. Die erste Lötstelle 420 ist auf dem ersten Kontaktabschnitt 110 angeordnet und koppelt das externe Kontaktelement 300'' elektrisch und mechanisch mit dem Träger 410.
  • Der Träger 410 kann jede geeignete Art von Träger sein, z.B. ein Träger des Typs Direct Copper Bond (DCB), Direct Aluminium Bond (DAB), Active Metal Brazing (AMB), Printed Circuit Board (PCB), etc. Das Halbleitermodul 400 weist einen oder mehrere Halbleiterchips auf, die auf dem Träger 410 angeordnet und mit diesem elektrisch verbunden sind. Die Halbleiterchips können auf der gleichen Seite des Trägers 410 wie das externe Kontaktelement 300'' und/oder auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein.
  • Das Halbleitermodul 400 kann ein Leistungshalbleitermodul sein, das für den Betrieb mit einer hohen Spannung und/oder einem hohen Strom konfiguriert ist. In diesem Fall kann das externe Kontaktelement 300'' als ein externer Leistungskontakt des Halbleitermoduls 400 konfiguriert sein. Das Halbleitermodul 400 kann jede geeignete Art von Schaltung aufweisen und kann beispielsweise einen Konverter, einen Inverter, eine Halbbrückenschaltung, usw. aufweisen.
  • Die 5A bis 5C zeigen weitere externe Kontaktelemente 500, 500' und 500'', die ähnlich oder identisch mit den externen Kontaktelementen 100 bis 300'' sein können, mit Ausnahme der im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
  • Insbesondere weist der Federabschnitt 130 der externen Kontaktelemente 500, 500' und 500'' zwei seitlich nebeneinander angeordnete Druck- oder Zugfedern 132 auf. Die beiden Druck- oder Zugfedern 132 können beispielsweise auf beiden Seiten einer Mittelachse c der externen Kontaktelemente 500, 500' und 500'' angeordnet sein.
  • Die externen Kontaktelemente 500, 500' und 500'' können eine größere Federrate aufweisen als die externen Kontaktelemente 100 bis 300'', beispielsweise etwa die doppelte Federrate. Das in 5A gezeigte externe Kontaktelement 500 kann das erste und zweite Blech 140, 150 aufweisen. Die in 5B bzw. 5C gezeigten externen Kontaktelemente 500' und 500'' mögen nur einen einzigen Blechstreifen aufweisen, ähnlich wie die externen Kontaktelemente 300 bis 300''. Darüber hinaus weist das externe Kontaktelement 500'' auch die in den 3A bis 3C beschriebenen Abstandshalter 310 und Einkerbungen 320 auf.
  • Wie in 5A gezeigt, ist das zweite Blech 150 von dem ersten Kontaktabschnitt 110 des externen Kontaktelements 500 weggelassen. Die zweite Blech 150 kann im zweiten Kontaktabschnitt 120 weggelassen werden oder auch nicht. Der erste Kontaktabschnitt 110 kann beide Enden 510 des Verbundblechstreifens aufweisen, der das externe Kontaktelement 500 bildet. Die Enden 510 können nach oben (vom ersten Kontaktabschnitt 110 weg) gebogen sein, z. B. um eine glatte Oberfläche im ersten Kontaktabschnitt 110 zu schaffen.
  • Gemäß einem Beispiel weist der zweite Kontaktabschnitt 120 der externen Kontaktelemente 500, 500' und 500"' ein Durchgangsloch 520 auf, das zur Aufnahme einer Niete oder einer Schraube ausgebildet ist. Die Mittelachse c kann durch das Durchgangsloch 520 verlaufen. Die beiden Druck- oder Zugfedern 132 können voneinander beabstandet sein, so dass eine Niet- oder Schraubvorrichtung die Niete bzw. die Schraube leicht in das Durchgangsloch 520 einsetzen und den zweiten Kontaktabschnitt 120 mit einer externen Vorrichtung verbinden kann.
  • 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Halbleitermoduls 600, das eine Vielzahl von externen Kontaktelementen 500, einen Träger 610, eine Vielzahl von Halbleiterchips 620 und eine Vielzahl von Steuerkontaktelementen 630 aufweist. Das Halbleitermodul 600 kann ein Leistungshalbleitermodul sein und die Halbleiterchips 620 können Leistungshalbleiterchips sein. Anstelle oder zusätzlich zu den externen Kontaktelementen 500 kann das Halbleitermodul 600 auch jedes der externen Kontaktelemente 100 bis 300'', 500' und 500'' aufweisen.
  • Gemäß einem Beispiel sind die externen Kontaktelemente 500, die Halbleiterchips 620 und die Steuerkontaktelemente 630 alle auf der gleichen Seite des Trägers 610 angeordnet und mit diesem elektrisch gekoppelt.
  • Die externen Kontaktelemente 500 können externe Leistungskontakte des Halbleitermoduls 600 sein, z.B. ein Kontakt für eine positive Spannung, ein Kontakt für eine negative Spannung und ein Phasenkontakt. Die Steuerkontaktelemente 630 können so konfiguriert sein, dass sie ein externes Steuersignal an das Leistungshalbleitermodul 600 übertragen oder ein Steuersignal oder ein Abtastsignal vom Halbleitermodul 600 nach außen übertragen. Gemäß einem Beispiel sind die Steuerkontaktelemente 630 Stifte, insbesondere Einpressstifte oder Lötstifte.
  • Gemäß einem Beispiel weist das Halbleitermodul 600 ferner eine Verkapselung 640 auf, die den Träger 610 und die Halbleiterchips 620 verkapselt. Die externen Kontaktelemente 500 und die Steuerkontaktelemente 630 können aus der Verkapselung 640 herausragen. Die Verkapselung 640 kann zum Beispiel einen Kunststoffrahmen und/oder einen Formkörper aufweisen.
  • Gemäß einem Beispiel sind die externen Kontaktelemente 500 und die Steuerkontaktelemente 630 auf einer ersten Seite des Halbleitermoduls 600 angeordnet und eine gegenüberliegende zweite Seite ist so konfiguriert, dass sie mit einem Kühlkörper gekoppelt werden kann.
  • Die 7A und 7B zeigen einen Akt des Herstellens eines Verbundblechs 700 gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines externen Kontaktelements. 7A zeigt eine Schnittansicht und 7B zeigt eine Draufsicht entlang des Pfeils A in 7A.
  • Wie in 7A und 7B gezeigt, werden das erste Blech 140 und das zweite Blech 150 durch Druckbeaufschlagung, z.B. mit Hilfe von Walzen 710, miteinander verbunden, um das Verbundblech 700 zu bilden. Das erste Blatt 140 ist in der Draufsicht breiter als das zweite Blatt 150, so dass zumindest ein erster Rand 720 nicht von dem zweiten Blatt 150 überdeckt wird. Gemäß einem Beispiel kann das Verbundblech 700 auch so gestaltet sein, dass ein zweiter Rand 730, der dem ersten Rand 720 gegenüberliegt, ebenfalls nicht durch das zweite Blatt 150 abgedeckt ist. Gemäß einem weiteren Beispiel weist das Verbundblech 700 keinen freiliegenden zweiten Rand 730 auf.
  • Das Verbundblech 700 kann durch Schneiden entlang der Schnittlinien 740 in Verbundblechstreifen zerlegt werden. Der freiliegende erste Rand 720 kann verwendet werden, um den ersten Kontaktabschnitt 110 zu bilden. Der zweite Rand 730 kann verwendet werden, um den zweiten Kontaktabschnitt 120 zu bilden (wobei das zweite Blatt 150 im zweiten Kontaktabschnitt 120 weggelassen wird).
  • Die Herstellung eines externen Kontaktelements wie der externen Kontaktelemente 100 bis 500 kann ferner das Biegen oder Stanzen eines Verbundblechstreifens aufweisen, um die Form des externen Kontaktelements herzustellen. Dies kann vor dem Schneiden entlang der Schnittlinien 740 oder nach dem Schneiden erfolgen. Darüber hinaus kann der Herstellungsprozess die Herstellung der Abstandshalter 310, der Einkerbungen 320 und/oder des Durchgangslochs 520 aufweisen. Dies kann z. B. auch durch Stanzen erfolgen.
  • BEISPIELE
  • Im Folgenden werden externe Kontaktelemente sowie Halbleitermodule, die ein externes Kontaktelement aufweisen, anhand konkreter Beispiele näher beschrieben.
  • Beispiel 1 ist ein externes Kontaktelement für ein Leistungshalbleitermodul, wobei das externe Kontaktelement aus einem Verbundblechstreifen besteht, wobei der Verbundblechstreifen derart ausgebildet ist, dass das externe Kontaktelement Folgendes aufweist: einen ersten Kontaktabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Leistungshalbleitermodul durch eine erste Lötstelle verbunden werden kann, einen zweiten Kontaktabschnitt, der von dem ersten Kontaktabschnitt in einer Dickenrichtung von der Ebene des ersten Kontaktabschnitts beabstandet ist, wobei der zweite Kontaktabschnitt so konfiguriert ist, dass er mit einer externen Vorrichtung verbunden werden kann, und einen Federabschnitt, der den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt miteinander verbindet und so konfiguriert ist, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung kompensiert, wobei der Verbundblechstreifen ein erstes Blech aufweist, das ein erstes Metall oder eine erste Metalllegierung umfasst, und ein zweites Blech, das ein anderes, zweites Metall oder eine andere, zweite Metalllegierung umfasst, und wobei das zweite Blech von zumindest einem wesentlichen Teil des ersten Kontaktabschnitts weggelassen ist.
  • Beispiel 2 ist das externe Kontaktelement nach Beispiel 1, wobei das erste Metall oder die erste Metalllegierung Cu ist oder aufweist und wobei das zweite Metall oder die zweite Metalllegierung Al ist oder aufweist.
  • Beispiel 3 ist das externe Kontaktelement nach Beispiel 1 oder 2, wobei der erste Kontaktabschnitt mindestens zwei Abstandshalter aufweist, die durch eine Einkerbung getrennt sind, so dass eine Dicke der ersten Lötstelle in der Einkerbung durch die Höhe der Abstandshalter definiert ist.
  • Beispiel 4 ist das externe Kontaktelement eines der vorhergehenden Beispiele, wobei der Federabschnitt eine Druck- oder Zugfeder aufweist, die mindestens einen Bogen bildet.
  • Beispiel 5 ist das externe Kontaktelement nach einem der vorangegangenen Beispiele, wobei der Federabschnitt zwei seitlich nebeneinander angeordnete Druck- oder Zugfedern aufweist.
  • Beispiel 6 ist das externe Kontaktelement nach Beispiel 5, wobei der zweite Kontaktabschnitt eine Durchgangsbohrung aufweist, so dass der zweite Kontaktabschnitt durch eine Niete oder eine Schraube mit der externen Vorrichtung verbunden werden kann.
  • Beispiel 7 ist das externe Kontaktelement nach Beispiel 5 oder 6, wobei der Verbundblechstreifen so in Form gebogen ist, dass sich beide Enden des Verbundblechstreifens am ersten Kontaktabschnitt befinden.
  • Beispiel 8 ist das externe Kontaktelement eines der vorangegangenen Beispiele, wobei das externe Kontaktelement so geformt ist, dass das zweite Blatt des Verbundblechstreifens nicht in direkten Kontakt mit dem Leistungshalbleitermodul oder der externen Vorrichtung kommt.
  • Beispiel 9 ist das externe Kontaktelement eines der vorangegangenen Beispiele, wobei das externe Kontaktelement eine erste Länge, gemessen entlang der Dickenrichtung, von 5 mm oder mehr aufweist.
  • Beispiel 10 ist das externe Kontaktelement eines der vorangegangenen Beispiele, wobei die erste Blech und die zweite Blech jeweils eine Dicke von 0,1 mm oder mehr aufweisen.
  • Beispiel 11 ist das externe Kontaktelement nach einem der vorangegangenen Beispiele, wobei der erste und der zweite Kontaktabschnitt eine zweite Länge, gemessen senkrecht zur Dickenrichtung, von 3 mm oder mehr aufweisen.
  • Beispiel 12 ist das externe Kontaktelement eines der vorangegangenen Beispiele, wobei der erste und der zweite Kontaktabschnitt jeweils eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form aufweisen.
  • Beispiel 13 ist das externe Kontaktelement nach einem der vorangegangenen Beispiele, wobei der erste und der zweite Kontaktabschnitt senkrecht zur Dickenrichtung des externen Kontaktelements verlaufen.
  • Beispiel 14 ist ein externes Kontaktelement für ein Leistungshalbleitermodul, wobei das externe Kontaktelement aus einem Blech besteht, wobei das Blech so geformt ist, dass das externe Kontaktelement Folgendes aufweist: einen ersten Kontaktabschnitt, der so konfiguriert ist, dass er durch eine erste Lötstelle mit dem Leistungshalbleitermodul gekoppelt werden kann, einen zweiten Kontaktabschnitt, der von dem ersten Kontaktabschnitt in einer Dickenrichtung von der Ebene des ersten Kontaktabschnitts beabstandet ist, wobei der zweite Kontaktabschnitt so konfiguriert ist, dass er mit einer externen Vorrichtung gekoppelt werden kann, und einen Federabschnitt, der den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt miteinander verbindet und so konfiguriert ist, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung kompensiert, wobei das Blech aus einem ersten Metall oder einer ersten Metalllegierung besteht, und wobei der erste Kontaktabschnitt mindestens zwei Abstandshalter aufweist, die durch eine Einkerbung getrennt sind, so dass eine Dicke der ersten Lötstelle in der Einkerbung durch die Höhe der Abstandshalter definiert ist.
  • Beispiel 15 ist das externe Kontaktelement von Beispiel 14, wobei das erste Metall oder die erste Metalllegierung Cu ist oder aufweist.
  • Beispiel 16 ist das externe Kontaktelement nach Beispiel 14 oder 15, wobei die Höhe der Abstandshalter 40% oder mehr der Dicke des externen Kontaktelements beträgt.
  • Beispiel 17 ist das externe Kontaktelement nach einem der Beispiele 14 bis 16, wobei die Abstandshalter 70% oder weniger der Oberfläche des ersten Kontaktteils einnehmen.
  • Beispiel 18 ist ein Leistungshalbleitermodul, aufweisend: mindestens einen Leistungshalbleiterchip, mindestens ein Steuerkontaktelement, das so konfiguriert ist, dass es ein externes Steuersignal an das Leistungshalbleitermodul überträgt, und mindestens ein externes Kontaktelement nach einem der Beispiele 1 bis 17, wobei das mindestens eine externe Kontaktelement ein Leistungskontakt des Leistungshalbleitermoduls ist.
  • Beispiel 19 ist das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 18, wobei das mindestens eine Steuerkontaktelement ein Einpressstift oder ein Lötstift ist.
  • Beispiel 20 ist das Leistungshalbleitermodul nach Beispiel 18 oder 19, wobei das mindestens eine Steuerkontaktelement und das mindestens eine externe Kontaktelement auf einer ersten Seite des Leistungshalbleitermoduls angeordnet sind und wobei eine gegenüberliegende zweite Seite des Leistungshalbleitermoduls so konfiguriert ist, dass sie mit einem Kühlkörper gekoppelt werden kann.

Claims (13)

  1. Leistungshalbleitermodul (600), aufweisend: mindestens einen Leistungshalbleiterchip (620), mindestens ein Steuerkontaktelement (630), das zur Übertragung eines externen Steuersignals an das Leistungshalbleitermodul (600) konfiguriert ist, und mindestens ein externes Kontaktelement (500), welches ein Leistungskontakt des Leistungshalbleitermoduls (600) ist, wobei das externe Kontaktelement (500) aus einem Verbundblechstreifen besteht, und wobei der Verbundblechstreifen so ausgebildet ist, dass das externe Kontaktelement (500) Folgendes aufweist: einen ersten Kontaktabschnitt (110), der durch eine erste Lötstelle mit dem Rest des Leistungshalbleitermoduls (600) verbunden ist, einen zweiten Kontaktabschnitt (120), der von dem ersten Kontaktabschnitt (110) in einer Dickenrichtung von der Ebene des ersten Kontaktabschnitts (110) beabstandet ist, wobei der zweite Kontaktabschnitt (120) so konfiguriert ist, dass er mit einer externen Vorrichtung verbunden werden kann, und einen Federabschnitt (130), der den ersten und den zweiten Kontaktabschnitt (110, 120) miteinander verbindet und so gestaltet ist, dass er eine Bewegung entlang der Dickenrichtung kompensiert, wobei der Verbundblechstreifen ein erstes Blech (140) aufweist, das ein erstes Metall oder eine erste Metalllegierung aufweist, und ein zweites Blech (150), das ein anderes, zweites Metall oder eine andere, zweite Metalllegierung aufweist, wobei das zweite Blech (150) von mindestens einem wesentlichen Teil des ersten Kontaktabschnitts (110) weggelassen ist, wobei der Federteil (130) zwei seitlich nebeneinander angeordnete Druck- oder Zugfedern (132) aufweist, und wobei der Verbundblechstreifen so in Form gebogen ist, dass sich beide Enden (510) des Verbundblechstreifens am ersten Kontaktabschnitt (110) befinden.
  2. Leistungshalbleitermodul (600) nach Anspruch 1, wobei das erste Metall oder die erste Metalllegierung Cu ist oder aufweist und wobei das zweite Metall oder die zweite Metalllegierung Al ist oder aufweist.
  3. Leistungshalbleitermodul (600) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Kontaktabschnitt (110) mindestens zwei Abstandshalter (310) aufweist, die durch eine Einkerbung (320) getrennt sind, so dass eine Dicke der ersten Lötstelle in der Einkerbung (320) durch die Höhe der Abstandshalter (310) definiert ist.
  4. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druck- oder Zugfedern (132) jeweils mindestens einen Bogen bilden.
  5. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Kontaktabschnitt (120) eine Durchgangsbohrung (520) aufweist, so dass der zweite Kontaktabschnitt (120) durch eine Niete oder eine Schraube mit der externen Vorrichtung verbunden werden kann.
  6. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das externe Kontaktelement (500) so geformt ist, dass das zweite Blech (150) des Verbundblechstreifens nicht in direkten Kontakt mit dem Rest des Leistungshalbleitermoduls (600) oder der externen Vorrichtung kommt.
  7. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das externe Kontaktelement (500) eine erste Länge, gemessen entlang der Dickenrichtung, von 5 mm oder mehr aufweist.
  8. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Blech (140) und das zweite Blech (150) jeweils eine Dicke von 0,1 mm oder mehr aufweisen.
  9. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Kontaktabschnitt (110, 120) eine zweite Länge, gemessen senkrecht zur Dickenrichtung, von 3 mm oder mehr aufweisen.
  10. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Kontaktabschnitt (110, 120) jeweils eine im Wesentlichen rechteckige oder quadratische Form aufweisen.
  11. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Kontaktabschnitt (110, 120) senkrecht zur Dickenrichtung des externen Kontaktelements (500) verlaufen.
  12. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Steuerkontaktelement (630) ein Einpressstift oder ein Lötstift ist.
  13. Leistungshalbleitermodul (600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Steuerkontaktelement (630) und das mindestens eine externe Kontaktelement (500) auf einer ersten Seite des Leistungshalbleitermoduls (600) angeordnet sind und wobei eine gegenüberliegende zweite Seite des Leistungshalbleitermoduls (600) so konfiguriert ist, dass sie mit einem Kühlkörper gekoppelt werden kann.
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