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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem sich beim Hindurchleiten eines Stromes erwärmenden elektrischen Bauteil und einer Leiterplatte, wobei zumindest zwei bauteilseitige Kontakte elektrisch leitend und mechanisch fest mit zugeordneten leiterplattenseitigen Kontakten verbunden sind:
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2010 033 093 A1 beschreibt ein optoelektronisches Leuchtmodul mit einer Leiterplatte, die eine Öffnung aufweist, in der ein optoelektronisches Bauteil sitzt. Das optoelektronische Bauteil liegt mit seiner Rückseite an einem Kühlkörper an. Die Leiterplatte besitzt Befestigungszungen, die aus leitendem Werkstoff bestehen und die eine quer zur Erstreckungsebene der Leiterplatte gerichtete Kraft auf das optoelektronische Bauteil ausüben, um es gegen den Kühlkörper zu pressen. Gleichzeitig dienen die Zungen aber auch der Stromübertragung.
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Die
DE 10 2007 001 191 B4 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Bauteil, das sich beim Stromdurchfluss erwärmt. Kontakte des Bauteils sind mit Kontakten einer Platine über Drähte verbunden.
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Eine Kontaktierung eines Bauteils mit einem Träger über aneinander abreibende Kontakte beschreibt die
DE 10 2007 039 727 A1 .
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung, die zwei miteinander elektrisch und mechanisch verbundene Bestandteile aufweist, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen oder bei der sich die Bestandteile nacheinander aufwärmen, gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei auch die Unteransprüche jeweils eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.
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Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass zumindest ein leiterplattenseitiger Kontakt am freien Ende einer Zunge angeordnet ist, wobei die Zunge materialeinheitlich von der Leiterplatte ausgebildet ist, wobei unter einer Leiterplatte ein nicht leitender, beliebig geformter Körper verstanden ist, der zumindest zwei Kontakte aufweist. Die Leiterplatte kann insbesondere ein Flachkörper mit aufgebrachten Leiterbahnen sein. Die Zunge kann beispielsweise aus der Leiterplatte freigeschnitten sein. Dies kann durch einen U-förmigen Schnitt erfolgen. Dabei entsteht ein Spalt zwischen Zunge und dem die Zunge umgebenen Bereich der Leiterplatte. Die Zunge, die auch seitlich von einer Leiterplatte frei abragen kann oder frei in ein Fenster der Leiterplatte hineinragen kann, besitzt eine elastische Verformbarkeit in Richtung auf den anderen Kontakt. Bei einer flachen Leiterplatte liegt die Verformungsrichtung in der Erstreckungsebene der Leiterplatte. Der am freien Ende der Zunge angeordnete leiterplattenseitige Kontakt ist mit einem bauteilseitigen Kontakt fest verbunden, so dass die Kontaktverbindung zwischen den beiden Kontakten zu einer elektrisch leitenden Verbindung und zu einer mechanisch fesselnden Verbindung führt. Das Bauteil besitzt bevorzugt einen Keramikträger, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der um etwa einen Faktor 10 verschieden ist von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leiterplattenmaterials. Die Keramik kann beispielsweise Al2O3 sein. Das Leiterplattenmaterial kann FR4 sein. Die Verbindung der Leiterplatte mit dem Bauteil kann über zwei Kontakte erfolgen, die räumlich voneinander beabstandet sind. Bei einer Erwärmung der Vorrichtung und insbesondere des Bauteils kann sich die mindestens eine Zunge in der Erstreckungsebene der Leiterplatte verformen. Wird die Zunge von einem freigefrästen oder anderweitig freigeschnittenen Spalt umgeben, so ist die Spaltweite ausreichend groß, dass sich die Zunge im zulässigen Temperaturbereich frei innerhalb des Spalts bewegen kann. Die Spaltweite beträgt etwa 0,5 bis 1 mm. Dies reicht aus, wenn zwischen den Kontakten eine Strecke von 10 bis 20 mm liegt, wobei bevorzugt beide Kontakte jeweils von Zungen getragen werden. Die mindestens eine Zunge kann von einem Materialstreifen mit rechteckigen Grundriss ausgebildet sein. Die Zunge kann aber auch eine Einschnürung aufweisen, die zu einem scharnierähnlichen Verhalten führt. Die Einschnürung kann beispielsweise zwischen der Wurzel der Zunge und dem freien Ende der Zunge angeordnet sein. Im Bereich des freien Endes der Zunge kann die Zunge eine Bohrung aufweisen, durch welche eine Leitpaste oder ein Lot von der Frontseite der Platine zur Rückseite der Platine hindurchtreten kann, so dass auf der Frontseite angeordnete Leiterbahnen mit dem bauteilseitigen Kontakt, welches an der Rückseite der Platine anliegen kann, verbunden werden kann. Das Bauteil ist insbesondere Träger von ein oder mehreren lichtemittierenden Bauelementen, beispielsweise LEDs. Die Vorrichtung ist somit insbesondere ein LED-Modul. Eine lichtemittierende Zone des Bauteils kann zwischen zwei Kontakten angeordnet sein. Bevorzugt sind alle elektro-/mechanischen Verbindungspunkte zwischen Bauteil und Leiterplatte jeweils am Ende einer Zunge angeordnet. Das Bauteil kann ebenso wie die Leiterplatte ein flacher Körper sein. Während die Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt ist, ist das Bauteil bevorzugt ein Keramikkörper. Die Leiterplatte kann ein Fenster aufweisen, das zwischen zwei Kontakten und insbesondere zwischen zwei Zungen angeordnet ist. Das Bauteil kann einen Sockel aufweisen, der in ein Fenster der Leiterplatte hineinragt. Die Breitseitenfläche des Sockels kann die lichtemittierende Fläche ausbilden. Die lichtemittierende Fläche und die bauteilseitigen Kontakte werden bevorzugt von derselben Breitseite des flachen Bauteils ausgebildet. Die Breitseitenfläche des Bauteils kann dann flächig an der Breitseitenfläche der Leiterplatte anliegen. Es kann sich dabei um eine Breitseitenfläche der Leiterplatte handeln, die Leiterbahnen aufweist. Es kann sich aber auch um eine Breitseitenfläche der Leiterplatte handeln, die der Breitseitenfläche der Leiterplatte gegenüberliegt, die die Leiterbahnen aufweist. Die Leiterplatte kann einen Steckverbinder aufweisen, in den ein Stecker, der mit einem Kabel verbunden ist, eingesteckt werden kann. Die Kontakte des Steckverbinders sind über Leiterbahnen mit den leiterplattenseitigen Kontakten verbunden, die mechanisch fest mit den bauteilseitigen Kontakten verbunden sind. Über diese Kontaktverbindung ist nicht nur eine Stromzuleitung von der Leiterplatte zum Bauteil gewährleistet. Die Kontakte bilden auch die mechanischen Fesselungsmittel, mit denen das Bauteil an der Leiterplatte befestigt ist. Die Verbindung zwischen Leiterplatte und dem elektrischen Bauteil, also insbesondere dem LED-Träger, erfolgt vorzugsweise durch Löten. Es handelt sich dabei um eine elektrische und mechanische Verbindung von Leiterplatte und LED-Träger. Eine Verbindung der Kontakte der Leiterplatte und des elektrischen Bauteils ist aber auch durch Leitkleber oder andere Mittel ohne Weiteres denkbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
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1 die Draufsicht auf eine Leiterplatte 1 vor deren Kontaktierung mit einem Bauteil beziehungsweise Zuordnung eines Steckverbinders,
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2 vergrößert den Ausschnitt II in 1,
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3 den Schnitt gemäß der Linie III-III in 2,
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4 eine Explosionsdarstellung der Elemente der Vorrichtung, nämlich eine Platine 1, ein Bauteil 10 und einen Steckverbinder 16,
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5 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, bei der das Bauteil an der Rückseite der Leiterplatte 1 befestigt ist und ein Steckverbinder 16 in einer Öffnung der Leiterplatte 1 eingesteckt ist,
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6 den Schnitt gemäß der Linie VI-VI in 5,
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7 vergrößert den Ausschnitt VII in 6 und
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8 eine Darstellung ähnlich der 2 betreffend eine Zunge 4 mit einem von einer Rechteckform abweichenden Grundriss.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung ist ein LED-Modul, welches ein Bauteil 10 aufweist, welches ein Flachkörper ist, der einen rechteckigen Grundriss mit einer Kantenlänge von etwa 15 mm besitzt. In der Flächenmitte befindet sich eine lichtemittierende Zone 12, die von einer Vielzahl dort auf einer Kreisfläche angeordneten LED-Bauelementen gebildet ist. Über nicht dargestellte Leiterbahnen sind die LED-Bauelemente mit Kontakten 14 verbunden. Diese bauteilseitigen Kontakte 14 entspringen derselben Breitseite 11 des Bauteils 10, der auch ein Sockel 13 entspringt, der auf seiner Oberseite die lichtemittierende Fläche 12 ausbildet. Die Kontakte 14 liegen – bezogen auf die lichtemittierende Fläche 12 – diagonal gegenüber und liegen in zwei sich gegenüberliegenden Eckbereichen der Breitseite 11.
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Das Material des Bauteils 10, also des LED-Trägers, ist Keramik (Al2O3).
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Die Vorrichtung besitzt darüber hinaus ein zweites Bauteil, welches hier mit Leiterplatte 1 bezeichnet ist und welches ebenso, wie das erste Bauteil 1 aus einem nicht leitenden Werkstoff besteht und Kontakte aufweist. Im Ausführungsbeispiel besitzt die Vorrichtung eine Leiterplatte 1, die ein flacher, ringförmiger Körper ist und die aus einem Kunststoff, insbesondere FR4 bestehen kann. Die Leiterplatte 1 besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der etwa um einen Faktor 10 verschieden ist von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauteils 10.
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Die Leiterplatte 1 besitzt eine Frontseite 2 und eine dieser gegenüber liegende Rückseite 3. Es sind zwei Bohrungen 7 in der Leiterplatte 1 vorgesehen, die von einer Leiterbahn 8 umgeben sind. Die Leiterbahn 8 verbindet darüber hinaus die Bohrungen 7 mit einem Steckverbinder 16, der in eine Öffnung 15 der Leiterplatte 1 eingesteckt werden kann.
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Durch Einbringen eines Lots oder einer Leitpaste in die Öffnung 7 wird die Leiterbahn 8 elektrisch leitend mit den Kontakten 14 des Bauteils 10 verbunden. Hierzu wird die Breitseite 11 des Bauteils 10 in eine flächige Anlage an die Rückseite 3 der Leiterplatte 1 gebracht, so dass der Sockel 13 durch ein der Umrisskontur des Sockels angepasstes Fenster 6 der Leiterplatte ragen kann. Es reicht aber aus, wenn der Sockel 13 lediglich in das Fenster 6 hineinragt.
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Die Kontakte 14 liegen dann unterhalb der bezogen auf das Fenster 6 sich diagonal gegenüberliegenden Bohrungen 7. Durch Einbringen eines Lots oder einer Leitpaste werden die Kontakte 14 mit Kontakten 9 verbunden, die sich beim Einbringen der Leitpaste oder des Lots in die Bohrung 7 ausbilden.
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Die Verbindung zwischen den Kontakten 9 der Leiterplatte und den Kontakten 14 des Bauteiles liefert nicht nur eine elektrische Leitverbindung zum Bestromen der LEDs des Bauteils 10. Die Kontaktverbindung bildet auch eine mechanische Fesselung des Bauteils 10 an die Leiterplatte 1. Bevorzugt wird das Bauteil 10 ausschließlich durch die Kontaktverbindung 9, 14 mechanisch an die Leiterplatte 1 gefesselt.
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Beim Betrieb des LED-Moduls kann sich das Bauteil 10 beispielsweise um 100°C aufheizen. Aufgrund der Längenausdehnung des Bauteils 10 oder aufgrund unterschiedlicher Wärmeleitkoeffizienten von Werkstoff der Leiterplatte 1 und Werkstoff des Bauteils 10 kommt es zu einer Längenausdehnungsdifferenz.
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Erfindungsgemäß wird diese Längenausdehnungsdifferenz durch eine elastische Verformung von Zungen 4 ausgeglichen.
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Die Bohrungen 7 beziehungsweise die durch Auffüllen der Bohrungen 7 mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildeten Kontakte 9 befinden sich nämlich an freien Enden von Zungen 4, die materialeinheitlich von der Leiterplatte 1 ausgebildet sind. Die Zungen können sich quer zu ihrer Erstreckungsrichtung innerhalb der Erstreckungsebene der Leiterplatte 1 innerhalb des sie umgebenden Spaltes 5 bewegen, um so die Längenausdehnungsdifferenz auszugleichen. Beim Ausführungsbeispiel und bevorzugt allgemein erstrecken sich die Zungen parallel zueinander, jedoch derart versetzt, dass eine durch die beiden Bohrungen 7 beziehungsweise Kontakte 9 gelegte Gerade etwa senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Zungen 4 verläuft. Die laterale Ausweichbewegung der Zungen 4 erfolgt somit dahingehend, dass sich die Kontakte 9 beziehungsweise Bohrungen 7 aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Es handelt sich um eine elastische, reversible Bewegung. Die Länge der Zungen ist um ein Mehrfaches größer, als die Breite der Zungen 4. Die Spaltweite kann im Bereich zwischen 0,5 und 1 mm liegen. Dies reicht aus, da die Ausdehnungsdifferenz etwa im Bereich von 0,1 mm liegt. Die Zungen bilden Federzungen aus und können eine Länge zwischen 5 und 15 mm besitzen. Eine Verkürzung der Zungenlänge und/oder eine Anpassung an ein anderes Platinenmaterial sind durch Optimierung der Fräskontur, mit der die Zunge 4 erzeugt wird, möglich. Beispielsweise kann die Zunge 4 eine Einschnürung aufweisen, wie sie die 8 zeigt.
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Eine erfindungsgemäße Leiterplatte 1 besitzt bevorzugt eine flache Form und erstreckt sich in einer Erstreckungsebene. Mittels eines Fräsers, einer Säge oder anderseitig werden in die Leiterplatte 1 zwei U-förmige Freischnitte eingebracht, so dass ein Spalt 5 entsteht, der eine Zunge 4 an drei Seiten umgibt. Mit einer Schmalseite ist die Zunge 4 materialeinheitlich mit der Leiterplatte 1 verbunden. Zwischen zwei Zungen 4 erstreckt sich ein kreisrundes Fenster 6. Die Zungen 4 sind derart innerhalb der Leiterplatte 1 angeordnet, dass die an ihren freien Enden sitzenden Kontaktpunkte 9 sich – bezogen auf das Fenster 6 – gegenüberliegen. Bevorzugt ist das Fenster 6 kreisrund und die Kontaktpunkte 9 liegen auf einer durch das Zentrum des Fensters 6 verlaufenden Geraden, wobei die Erstreckungsrichtungen der Zungen 4 in etwa senkrecht zu dieser Geraden verlaufen. Bevorzugt besitzen die Zungen 4 eine antiparallele Ausrichtung. Sie können aber auch parallel ausgerichtet sein. Der Außendurchmesser der Leiterplatte 1 ist größer, als die größte Diagonale des Bauteils 10, so dass die Breitseite 11 des Bauteils 10, die flächig an der Breitseite 3 der Leiterplatte 1 anliegt, vollständig von der Leiterplatte 1 überfangen ist.
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Die Leiterplatte kann eine Materialstärke aufweisen, die wesentlich geringer ist, als die größte Erstreckung in einer Ebene, in der eine die beiden Kontakte verbindende Gerade liegt. Grundsätzlich kann die Leiterplatte aber eine beliebige Materialstärke aufweisen, wobei die Materialstärke sogar größer sein kann, als der Abstand der beiden Kontakte. Gleichwohl werden die Kontakte von den Enden von Zungen ausgebildet, die sich elastisch innerhalb einer Kontaktebene verformen können, in welcher Kontaktebene die beiden Kontakte liegen. Bevorzugt besitzt die ansonsten x-beliebig gestaltbare Leiterplatte eine Breitseitenfläche, die von einer Ebene gebildet ist, und in der die Zungen 4 angeordnet sind, wobei die Zungen 4 derart ausgebildet sind, dass sie sich in der Breitseitenebene aufeinander zu bewegen können. Auch hier reicht es grundsätzlich aus, wenn einer der mindestens zwei Kontakte am freien Ende einer Zunge 4 liegt. Das Bauteil 1 kann ebenfalls eine x-beliebige Volumenkontur aufweisen. Es besitzt bevorzugt eine Breitseitenfläche, in der die beiden Kontakte 14 angeordnet sind, so dass eine Breitseitenfläche des Bauteils 10 an eine Breitseitenfläche der Leiterplatte 1 angrenzt.
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Der Steckverbinder 16 ist lediglich symbolisch dargestellt. Er besitzt Steckkontakte, die mit Kontakten eines Steckers in elektrische Leitverbindung bringbar sind, um das LED-Modul mit Strom zu versorgen.
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Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, nämlich:
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein oder mehrere der leiterplattenseitigen Kontakte 9 jeweils am freien Ende einer sich in Richtung auf den jeweils anderen Kontakt 9 verformbaren, materialeinheitlich von der Leiterplatte 1 ausgebildeten Zungen 4 angeordnet sind.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die ein oder mehreren, jeweils einen Kontakt 9 aufweisenden Zungen 4 aus der Leiterplatte 1 freigeschnitten sind.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zungen 4 von einem U-förmigen Spalt 5 umgeben sind.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil 10 ein Träger ein oder mehrerer lichtemittierender Bauelemente ist.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil 10 eine lichtemittierende Zone 12 aufweist, die zwischen zwei Kontakten 14 angeordnet ist.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die lichtemittierende Zone 12 von einem Sockel 13 ausgebildet ist, der einer Breitseite 11 des Bauteils 10 entspringt, welcher Breitseite 11 auch die Kontakte 14 zugeordnet sind.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass alle elektro-/mechanischen Verbindungspunkte 9, 14 von Leiterplatte 1 und Bauteil 10 jeweils am Ende einer Zunge 4 angeordnet sind.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil 10 ein flacher Körper, insbesondere ein Keramikkörper ist und die Leiterplatte aus Kunststoff besteht und die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Bauteils 10 und des Werkstoffs der Leiterplatte 1 sich um mindestens einen Faktor 10 unterscheiden.
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Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Breitseitenfläche 11 des Bauteils 10 flächig an einer Breitseitenfläche 3 der Leiterplatte 1 anliegt, wobei die Breitseitenfläche 3 insbesondere die Rückseite 3 der Leiterplatte 1 ist.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Frontseite
- 3
- Rückseite
- 4
- Zunge
- 5
- Spalt/Freischnitt
- 6
- Fenster
- 7
- Bohrung
- 8
- Leiterbahn
- 9
- Kontakt
- 10
- Bauteil/LED-Träger
- 11
- Breitseite
- 12
- lichtemittierende Zone/Fläche
- 13
- Sockel
- 14
- Kontakt
- 15
- Öffnung
- 16
- Steckverbinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010033093 A1 [0002]
- DE 102007001191 B4 [0003]
- DE 102007039727 A1 [0004]
