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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen elektrischen, insb. leistungselektrischen, Komponenten, speziell eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronikvorrichtung, wie z. B. einen Inverter, einen Konverter oder einen Spannungswandler eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
- Es gibt viele verschiedenen Lösungen, elektrische bzw. leistungselektrische Komponenten miteinander körperlich und elektrisch bzw. niederohmig zu verbinden.
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Die Druckschrift 10 2016 208 291 A1" beschreibt eine Federklammer zum Fixieren von Kontaktpartnern. Die Federklammer weist einen Sockelabschnitt mit einer Führungsnase zum formschlüssigen Verbinden mit einem ersten Kontaktpartner, einen Rastabschnitt mit einem Rasthaken zum Einrasten in einen zweiten Kontaktpartner sowie einen Biegeabschnitt zwischen dem Sockelabschnitt und dem Rastabschnitt auf. Dabei ist der Biegeabschnitt zwischen einem entspannten Zustand und einem gespannten Zustand biegbar ausgeführt.
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Die Druckschrift „
DE 102 15 985 A1 ‟beschreibt ein Hochstrom-Kontaktelement zur Befestigung an einer Leiterplatte auf. Das Element weist einen metallischen Kontaktkörper und ein mit dem Kontaktkörper verbindbares Schraubelement auf. Der Kontaktkörper weist an einer ersten Seitenfläche ein Gewinde zur Befestigung eines Hochstrom-Kabels mittels des Schraubelements auf. Ferner weist der Kontaktkörper an einer zweiten Seitenfläche eine leitende Lötzone auf.
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Die Druckschrift „
US 2017/0 297 130 A1 ‟beschreibt ein elektrisches Anschlusselement zum Kontaktieren einer auf einem flächigen Träger befindlichen leitfähigen Struktur mittels eines thermisch-stoffschlüssigen Verbindungsmaterials.
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Auf einer von der leitfähigen Struktur abgewandten Seite des Elements sind Mittel zum Fixieren eines Leiters angeordnet. Das Element ist als ein Lötfuß ausgebildet.
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Die Druckschrift „
CN 208 690 543 U ‟beschreibt einen Leiterplattenverbinder mit zwei Anschlüssen, die jeweils einen Crimp-Abschnitt, einen Verbindungsabschnitt und einen Schweißabschnitt aufweisen.
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Die Druckschrift „
DE 10 2014 208 226 A1 ‟beschreibt ein Kontaktelement für elektrische Verbindung, das einen ersten Kontaktbereich aus einem ersten Kupfermaterial zur elektrischen Verbindung zu einer ersten Schaltungskomponente, einen zweiten Kontaktbereich aus einem zweiten Kupfermaterial zur elektrischen Verbindung zu einer zweiten Schaltungskomponente aufweist. Der erste und der zweite Kontaktbereich weisen unterschiedliche Materialhärten auf und sind über eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden.
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Dabei gibt es verschiedene Anforderung für derartige Verbindungen, unter anderem Erhöhung der Stabilität der Verbindungen, Reduzierung von Kosten und Aufwand bei der Herstellung der Verbindungen.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellten, mit der körperliche und elektrische bzw. niederohmige Verbindungen zwischen elektrischen bzw. leistungselektrischen Komponenten einfach und kostengünstig hergestellt werden können, welche dennoch ausreichend stabil sind.
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Beschreibung der Erfindung:
- Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein elektrisches Kontaktelement zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen einer ersten und einer zweiten elektrischen, insb. leistungselektrischen, Komponente, speziell eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt.
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Das Kontaktelement weist mindestens einen Positionierungsabschnitt auf, der eingerichtet ist, durch Einführen in einer entsprechend ausgeführten Ausnehmung der ersten Komponente das Kontaktelement gegenüber der ersten Komponente zu positionieren. Der Positionierungsabschnitt weist eine Oberfläche zum Auftragen bzw. Anordnen von einem Lötmittel auf.
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Das Kontaktelement weist ferner einen sich an dem Positionierungsabschnitt anschließenden Abstandhalterabschnitt auf, der auf einer von dem Positionierungsabschnitt abgewandten Stirnseite eine Kontaktfläche zur Herstellung einer körperlichen und elektrische bzw. niederohmigen Verbindung zu der zweiten Komponente aufweist. Der Abstandhalterabschnitt weist an einer dem Positionierungsabschnitt zugewandten Bodenseite mindestens eine Vertiefung auf, die den Positionierungsabschnitt zumindest teilweise umlaufend ausgebildet ist und eingerichtet ist, in einem Lötvorgang des Kontaktelements mit der ersten Komponente das überschüssige Lötmittel aufzunehmen.
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Der Positionierungsabschnitt ist bspw. steg-, dom-, zylinder- oder zapfförmig ausgebildet und weist ein bestimmtes Ausmaß bzw. eine bestimmte Querschnittsform auf. Ferner weist der Positionierungsabschnitt eine Oberfläche, wie z. B. eine Seitenfläche, auf, die eine entsprechende Oberflächenstruktur bzw. eine entsprechende Oberflächenrauheit aufweist, so dass auf oder an die Oberfläche ein Lötmittel, wie z. B. eine Lotpaste oder ein Lotformteil (Lot-Preform) bspw. in Form von einer Hülse, angeordnet und vorfixiert werden kann.
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Die Ausnehmung der ersten Komponente weist eine dem Positionierungsabschnitt angepasste Form bzw. ein dem Positionierungsabschnitt angepasstes Ausmaß auf, sodass der Positionierungsabschnitt samt dem Lötmittel in die Ausnehmung eingeführt und in dieser festgehalten werden kann. Dadurch ermöglichen der Positionierungsabschnitt und die Ausnehmung zusammen eine genaue bewegungsfeste Positionierung des Kontaktelements gegenüber der ersten Komponente. In einem Lötvorgang nach der Positionierung verformt sich das Lötmittel durch Lotschmelzen, fließt in Zwischenräume zwischen dem Positionierungsabschnitt und der Ausnehmung und verbindet dabei das Kontaktelement mit der ersten Komponente körperlich und niederohmig.
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Der Abstandhalterabschnitt des Kontaktelements ist mit dem Positionierungsabschnitt körperlich fest und elektrisch bzw. niederohmig verbunden.
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Die Kontaktfläche auf der von dem Positionierungsabschnitt abgewandten Stirnseite des Abstandhalterabschnitts ist planar ausgeführt und ermöglicht somit eine flächig ausgedehnte körperliche und elektrische bzw. niederohmige Verbindung, bspw. eine Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindung, von dem Kontaktelement zu der zweiten Komponente.
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Die Vertiefung an der dem Positionierungsabschnitt zugewandten Bodenseite des Abstandhalterabschnitts, die den Positionierungsabschnitt zumindest teilweise umlaufend ausgebildet ist, kann in einem Lötvorgang des Kontaktelements mit der ersten Komponente das überschüssige Lötmittel von dem Positionierungsabschnitt aufnehmen und kann somit verhindern, dass das Kontaktelement beim Lötvorgang auf der ersten Komponente „verschwimmt“. Dadurch ermöglicht die Vertiefung eine stabile körperliche und elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und der ersten Komponente.
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Das Kontaktelement kann dabei aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Standardprodukt in einer großen Menge und in einem einfachen Fertigungsverfahren, wie z. B. Fließpressen, Strangpressen oder Stanzen, kostengünstig hergestellt werden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, körperliche und elektrische bzw. niederohmige Verbindungen zwischen elektrischen bzw. leistungselektrischen Komponenten einfach und kostengünstig herzustellen, die zudem ausreichend stabil sind.
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Darüber hinaus ermöglicht das oben beschriebene Kontaktelement eine elektrische Verbindung, die (weit) weg von der Ebene der ersten Komponente, insb. in einer Senkrechtrichtung zu der Ebene der ersten Komponente. Dadurch erhöht das Kontaktelement die Flexibilität in der Gestaltung der ersten Komponente bzw. der beiden Komponenten. Ferner können auf aufwendige und kostenintensive Sinterverfahren verzichtet werden, da die körperliche und elektrische Verbindung von dem Kontaktelement zu der ersten Komponente durch Löten hergestellt werden kann.
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Durch den Positionierungsabschnitt kann eine exakte Positionierung des Kontaktelements gegenüber der ersten Komponente ohne zusätzliche Werkzeuge in einem anschließenden Lötvorgang sichergestellt werden.
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Das Lötmittel kann als Lotformteil in einfacher Weise auf die dafür vorgesehene Oberfläche des Positionierungsabschnitts aufgebracht und befestigt werden.
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Das Ausmaß des Kontaktelements, insb. die Höhe des Abstandhalterabschnitts, kann je nach Bedarf beliebig variieren.
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Bspw. sind der Positionierungsabschnitt und der Abstandhalterabschnitt miteinander einstückig ausgebildet.
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Bspw. weist der Positionierungsabschnitt einen Vorsprung und/oder eine Aussparung auf, die sich quer zur Erstreckungsrichtung des Positionierungsabschnitts erstreckend geformt sind und eingerichtet sind, ein ungewünschtes relatives Bewegen, insb. ein ungewünschtes relatives Drehen, des in die Ausnehmung eingeführten Positionierungsabschnitts gegenüber der Ausnehmung bzw. quer zur Erstreckungsrichtung des Positionierungsabschnitts zu verhindern. Damit wird verhindert, dass das Kontaktelement während der Montage bzw. in einem Lötvorgang unkontrolliert gegenüber der ersten Komponente bewegt bzw. „verschwimmt“.
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Bspw. weist das Kontaktelement ferner einen weiteren Positionierungsabschnitt auf, der eingerichtet ist, durch Einführen in einer weiteren entsprechend ausgeführten Ausnehmung der ersten Komponente das Kontaktelement gegenüber der ersten Komponente zu positionieren. Mit dem zweiten Positionierungsabschnitt wird insb. ein ungewünschtes relatives Drehen des Kontaktelements gegenüber der ersten Komponente verhindert. Der weitere Positionierungsabschnitt weist eine weitere Oberfläche zum Auftragen des Lötmittels auf. Die Vertiefung ist bspw. ferner den weiteren Positionierungsabschnitt zumindest teilweise umlaufend ausgebildet. Die Vertiefung ist somit auch eingerichtet, in dem Lötvorgang des Kontaktelements mit der ersten Komponente auch das überschüssige Lötmittel von dem weiteren Positionierungsabschnitt aufzunehmen.
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Insb. erstrecken sich die beiden Positionsabschnitte von dem Abstandhalterabschnitt abgehend und in der gleichen Erstreckungsrichtung zueinander parallel. Dabei ist der weitere Positionsabschnitt insb. wie der (erste) Positionsabschnitt mit dem Abstandhalterabschnitt und somit auch mit dem (ersten) Positionsabschnitt einstückig ausgebildet.
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Bspw. ist das Kontaktelement aus einem Metall oder Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kupfer oder einer Kupferlegierung oder einer elektrisch leitenden Keramik einstückig ausgebildet.
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Bspw. weist der Abstandhalterabschnitt an der Bodenseite zumindest zwei Erhebungsbereiche auf, welche die Vertiefung zumindest teilweise umlaufend ausgebildet sind. Dabei bilden die Erhebungsbereiche eine Grenze zu der Vertiefung aus, sodass das Lötmittel nicht unkontrolliert aus der Vertiefung überlaufen und zu den elektrischen Bauteilen auf der ersten Komponente fließen kann. Darüber hinaus gleichen die Erhebungsbereiche fertigungsbedingte Unebenheiten bei der ersten Komponente und fertigungsbedingte Abweichungen zwischen dem Kontaktelement und der ersten Komponente aus.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikvorrichtung wie z. B. ein Inverter, ein Konverter oder ein Spannungswandler eines elektrischen Antriebs eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt.
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Die Leistungselektronikvorrichtung weist mindestens eine erste elektrische Komponente mit einer ersten Ausnehmung, mindestens eine zweite elektrische Komponente sowie mindestens ein zuvor beschriebenes Kontaktelement auf. Das Kontaktelement ist auf der ersten Komponente angeordnet, wobei der mindestens eine Positionierungsabschnitt in der ersten Ausnehmung eingeführt ist. Dabei ist die Oberfläche des Positionierungsabschnitts direkt mit der ersten Komponente bzw. an einer Lötverbindungfläche (bspw. einer Leiterbahn) der ersten Komponente gelötet. Durch diese direkte Lötverbindung ist das Kontaktelement mit der ersten Komponente körperlich und elektrisch bzw. niederohmig verbunden. Das Kontaktelement ist ferner über die Kontaktfläche des Abstandhalterabschnitts mit der zweiten Komponente direkt, flächig, körperlich und somit auch elektrisch bzw. niederohmig verbunden.
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Bspw. ist die erste Komponente als ein Schaltungsträger, wie z. B. eine Leiterplatte, mit einer Leiterbahn ausgebildet.
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Bspw. ist die zweite Komponente als eine Stromsammelschiene, wie z. B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, ausgebildet.
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Bspw. ist die zweite Komponente auf die Kontaktfläche des Abstandhalterabschnitts des Kontaktelements aufgelötet, aufgeschweißt oder aufgeklebt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Kontaktelements sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Leistungselektronikvorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Leistungselektronikvorrichtung anzusehen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in einer ersten schematischen Perspektivdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikvorrichtung mit Kontaktelementen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 2 in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung ein Kontaktelement aus 1; und
- 3 in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung eine Veranschaulichung eines Montageprozesses zur Montage des Kontaktelements auf einer elektrischen Komponente der Leistungselektronikvorrichtung aus 1.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
- 1 zeigt in einer ersten schematischen Perspektivdarstellung einen Abschnitt einer Leistungselektronikvorrichtung LV, die sich noch in einem Endmontageprozess befindet.
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Die Leistungselektronikvorrichtung LV ist in dieser Ausführungsform als ein Inverter für eine elektrische Maschine eines Elektrofahrzeugs ausgebildet.
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Die Leistungselektronikvorrichtung LV weist ein Gehäuse GH und drei Leistungsmodule LM (vergleiche mit 3) auf, die in dem Gehäuse GH angeordnet sind. Die drei Leistungsmodule LM bilden jeweils eine von drei Halbbrücken einer Brückenschaltung der Leistungselektronikvorrichtung LV aus und weisen jeweils einen Schaltungsträger KP1 aus einem Keramiksubstrat als eine erste elektrische Komponente auf, auf dem Kupferschienen als Leiterbahnen LB angeordnet sind (vergleiche mit 3).
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Die Leistungselektronikvorrichtung LV weist ferner drei Stromsammelschienen KP2 (in de Figur lediglich eine davon beispielhaft dargestellt) aus einer Kupferlegierung als zweite elektrische Komponenten auf, die Phasenverbindungen von den jeweiligen Leistungsmodulen LM zu der elektrischen Maschine herstellen.
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Die Leistungselektronikvorrichtung LV weist zudem mehrere Kontaktelemente KE auf, die auf den Schaltungsträgern KP1 der Leistungsmodule LM angeordnet sind und körperliche und elektrische bzw. niederohmige Verbindungen von den Schaltungsträgern KP1 bzw. deren Leiterbahnen LB zu den korrespondierenden Stromsammelschienen KP2 herstellen.
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Die Leistungsmodule LM und die Kontaktelemente KE sind von einer Moldmasse MM umgossen, wobei die Leistungsmodule LM samt den Schaltungsträgern KP1 vollständig und die Kontaktelemente KE teilweise von der Moldmasse MM bedeckt sind. Dadurch ragen freiliegende Endabschnitte der Kontaktelemente KE aus der Moldmasse MM heraus, die auf deren jeweiligen Stirnseiten jeweils eine Kontaktfläche KF aufweisen.
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Die Stromsammelschienen KP2 sind auf Kontaktflächen KF der freiliegenden Enden der Kontaktelemente KE aufgeschweißt und somit mit den jeweiligen Kontaktelementen KE körperlich wie elektrisch direkt verbunden.
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2 zeigt in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung ein Kontaktelement KE aus 1 exemplarisch.
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Das Kontaktelement KE besteht im Wesentlichen aus einer Kupferlegierung und ist in einem Fließpressverfahren einstückig ausgebildet. Das Kontaktelement KE dient einerseits zur Herstellung körperlicher und elektrischer bzw. niederohmiger Verbindung zwischen einer der Stromsammelschienen KP2 mit dem Schaltungsträger KP1 bzw. dessen Leiterbahn LB eines der Leistungsmodule LM.
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Das Kontaktelement KE weist einen Abstandhalterabschnitt AA und zwei Positionierungsabschnitte PA1, PA2 auf.
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Der Abstandhalterabschnitt AA ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist auf einer Stirnseite die zuvor genannte Kontaktfläche KF auf, die planar ausgeführt ist. Auf einer von der Stirnseite abgewandten Bodenseite weist der Abstandhalterabschnitt AA eine Vertiefung VT sowie zwei Erhebungsbereiche EB auf, die sich an beiden Seiten der Vertiefung VT befinden und die Vertiefung VT in der Mitte eingrenzen.
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Die beiden Positionierungsabschnitte PA1, PA2 sind im Wesentlichen zapf- bzw. zylinderförmig ausgebildet und befinden voneinander beabstandet in der Vertiefung VT. Dabei erstrecken sich die beiden Positionierungsabschnitte PA1, PA2 zueinander parallel in einer Erstreckungsrichtung ER weg von der Vertiefung VT bzw. von der Bodenseite des Abstandhalterabschnitts AA und im Wesentlichen senkrecht zu Oberflächen der Vertiefung VT bzw. der beiden Erhebungsbereiche EB.
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Die beiden Positionierungsabschnitte PA1, PA2 weisen jeweils eine zylindermantelflächenförmige Seitenoberfläche OF1, OF2 auf, weisen auf die jeweils ein hülsenförmig vorgeformtes Lotformteil LF als Lötmittel aufgesteckt und befestigt ist.
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3 veranschaulicht in einer weiteren schematischen Perspektivdarstellung den Montageprozess zur Montage der Kontaktelemente KE auf den Schaltungsträger KP1.
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Zur Herstellung körperlicher und elektrischer bzw. niederohmiger Verbindung von einem Kontaktelement KE mit dem Schaltungsträger KP1 eines Leistungsmoduls LM bzw. einer korrespondierenden Leiterbahn LB auf dem Schaltungsträger KP1 wird das Kontaktelement KE bzw. dessen beiden Positionierungsabschnitte PA1, PA2 samt den Lotformteilen LF in korrespondierende Ausnehmungen AN1, AN2 eingesteckt. Dabei sind die Ausnehmungen AN1, AN2 an den jeweiligen korrespondierenden Leiterbahnen LB in Form von Sack- oder Durchgangslöchern vorgeformt. Die beiden Positionierungsabschnitte PA1, PA2 verhindern dabei, dass das Kontaktelement KE sich gegenüber dem Schaltungsträger KP1 bewegt bzw. dreht.
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Anschließend wird das Kontaktelement KE in einem anschließenden Lötvorgang auf dem Schaltungsträger KP1 bzw. auf der Leiterbahn LB gelötet. Beim Lötvorgang schmelzen die Lötformteile LF an den Positionierungsabschnitten PA1, PA2 und füllen Zwischenräume zwischen den Positionierungsabschnitten PA1, PA2 einerseits und den Ausnehmungen AN1, AN2 andererseits. Nach dem Erhärten bilden die verformten Lötformteile LF direkte körperliche und niederohmige Verbindungen von den Positionierungsabschnitten PA1, PA2 zu den Ausnehmungen AN1, AN2 und somit zwischen dem Kontaktelement KE und dem Schaltungsträger KP1 bzw. der Leiterbahn LB auf dem Schaltungsträger KP1. Überschüssiges Lot sowie Bindemittel und somit übrig gebliebenes Material von den beiden Lötformteilen LF fließen beim Lötvorgang in die Vertiefung VT zwischen den beiden Erhebungsbereichen EB und füllen somit den Bereich der Vertiefung VT teilweise. Dadurch verhindert die Vertiefung VT ungewünschtes „Verschwimmen“ des Kontaktelements KE auf der Leiterbahn LB aufgrund des überschüssigen Lots.
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Die Kontaktelemente können auch andere Bauformen oder Ausmaße als die der zuvor beschriebenen aufweisen.
