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Die
Erfindung betrifft eine unebene Oberfläche, auf die eine
Materialschicht reproduzierbar aufgetragen werden soll, und eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen der Materialschicht.
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Kontrolliert
aufgebrachte Schichten werden insbesondere bei Leistungshalbleitermodulen
verwendet. Leistungshalbleitermodule mit und ohne Bodenplatte müssen
die in den Modulen entstehende Verlustleistung an ein anderes Medium,
vorzugsweise einen Kühlkörper, abführen.
Anderenfalls könnte die maximale Sperrschichttemperatur
der in dem Modul vorhandenen Bauelemente überschritten
werden.
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Üblicherweise
wird das Leistungshalbleitermodul mit einer Wärmeleitpaste
an den Kühlkörper thermisch angebunden. Sowohl
Unebenheiten der Bodenplatte des Moduls als auch Oberflächenrauhigkeiten
des Kühlkörpers werden mit Hilfe der Wärmeleitpaste
ausgeglichen. Bisher wird die Wärmeleitpaste mit einem
Pinsel oder einer Rolle auf das Modul oder auf dem Kühlkörper
vor der Montage aufgetragen.
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Alternativ
zu einer Wärmeleitpaste kann auch eine Wärmeleitfolie
zur thermischen Anbindung zwischen Leistungshalbleitermodul und
Kühlkörper eingesetzt werden. Die Wärmeleitfolie
wird vor der Montage zwischen den Kühlkörper und
das Modul eingelegt. Ein Nachteil bei Wärmeleitfolien ist
hierbei die geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber
Wärmeleitpasten. Der Auftrag einer auch Huckel und Unebenheiten
ausgleichenden Schicht Wärmeleitpaste mit einem Pinsel
oder einer Rolle ist jedoch nicht reproduzierbar.
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In
der
DE 103 20 186
A1 wird auf Siebdruckverfahren zum homogenen Auftrag von
Wärmeleitpasten hingewiesen. Eine dabei eingesetzte Schablone
zum homogenen Schichtauftrag ist in
1 gezeigt.
Die Schablone
10 weist gleichmäßig angeordnete quadratische
oder rechteckige Öffnungen auf, die durch Stege
11 voneinander
beabstandet sind. Die Länge
12 bzw. Breite
13 der
gleichartigen Öffnungen beträgt bei einem Einsatz
der Schablone bei Leistungshalbleiterbauelementen üblicherweise
zwischen 4,5 und 6,5 mm. Die Stegbreite
11 beträgt üblicherweise
1 bis 1,5 mm.
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Die
Oberfläche einer Bodenplatte eines aufgespannten bzw. montierten
Leistungshalbleitermoduls ist beispielhaft in 2 als
dreidimensionaler Graph abgebildet. Die Länge 21 des
Ausschnittes der in dieser Abbildung nicht dargestellten Bodenplatte beträgt
10 cm, die Breite 22 beträgt 14 cm, wobei das Höhenprofil 25 der
Bodenplatte auf einer Skala 29 von –17,7 bis 14,7 μm
aufgetragen ist. Deutlich zu erkennen ist, dass das Höhenprofil 25 einen
tiefsten Punkt 27 und ein Maximum 26 mit einer
Höhendifferenz von ca. 32 μm aufweist. Der Zweck
der auf der Oberfläche 25 der Bodenplatte 2 aufzubringenden Wärmeleitpaste 40 ist
es nun, einen möglichst geringen thermischen Übergangswiderstand
zwischen der Bodenplatte 2 und einem (nicht gezeigten)
Kühlkörper herzustellen.
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Ein
homogener Schichtauftrag mit der in 1 gezeigten
Schablone löst diese Aufgabe allerdings nur teilweise,
da unterschiedliche Abstände zwischen der Bodenplatte und
dem Kühlkörper durch eine Wärmeleitpaste
konstanter Dicke nicht ausgeglichen werden. Im Fall der 2 kann
es bei einem homogenen Schichtauftrag mittels der in 1 gezeigten
Siebdruckschablone 10 mit einer Dicke, die kleiner ist
als der Abstand zwischen Maximum 26 und Minimum 27 dazu
kommen, dass sich am Minimum 27 der Bodenplattenoberfläche 25 eine
Luftblase zwischen der Bodenplatte und dem (nicht gezeigten) Kühlkörper
bildet. Eine homogene Dicke der Wärmeleitpaste 40,
die größer ist als der Abstand zwischen dem Maximum 26 und
Minimum 27 führt hingegen zu einem übermäßigen
Schichtauftrag auf anderen Bereichen der Bodenplattenoberfläche 25.
Ein vergrößerter thermischer Übergangswiderstand
zwischen der Boden platte 2 und dem oberhalb der Bodenplatte 2 angeordneten
Kühlkörper in diesen Bereichen ist die Folge.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Aufbringen einer Materialschicht auf einer
unebenen Oberfläche bereitzustellen, wobei die Materialschicht eine
ebene Oberfläche auf der unebenen zu beschichtenden Oberfläche
ausbildet und die Schichtdicke so groß wie notwendig und
so klein wie möglich ist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Schablone gelöst, die über
mehrere Öffnungen mit unterschiedlichen Querschnittsflächen
verfügt. Die Anordnung der Öffnungen auf der Schablone
und die Querschnittsflächen der Öffnungen werden
derart aus der zu bedeckenden Oberfläche hergeleitet, dass
die Schicht auf der unebenen Oberfläche eine vorgegebene Schichtdicke
zwischen Modulbodenplatte und Kühlkörper nach
dem Anschrauben des Moduls nicht unterschreitet.
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Das
Höhenprofil der zu bedeckenden Oberfläche wird
messtechnisch erfasst und in unterschiedliche Flächenabschnitte
mit im Wesentlichen konstanter Schichtdicke eingeteilt. Die Querschnittsfläche
jeder Öffnung ist proportional zu jeweils einem Flächenabschnitt
von im Wesentlichen konstanter Schichtdicke sowie dem Kehrwert der
Schablonendicke. Die erfindungsgemäße Schablone
erfährt also eine individuelle Anpassung an das Höhenprofil
der zu bedeckenden Oberfläche.
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Neben
einem homogenen Schichtauftrag ist es mit der erfindungsgemäßen
Schablone möglich, unterschiedliche Mengen an Wärmeleitpaste
an unterschiedlichen Stellen auf der zu bedeckenden unebenen Oberfläche 25 der
Bodenplatte 2 wiederholbar zu platzieren. Ein Kontakt zwischen
Modul und Kühlkörper mit minimiertem thermischen Übergangswiderstand
wird erreicht und Stellen, an denen sich Lufteinschlüsse
bilden können, werden mit Wärmeleitpaste aufgefüllt.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem möglichst
dünnem Auftrag der Wärmeleitpaste zwischen Bodenplatte 2 und
Kühlkörper. Da die Wärmeleitfähigkeit
von Folien und Pasten schlecht ist gegenüber der von Kupfer
und Aluminium, wird eine minimierte Schichtdicke der Wärmeleitpaste
zwischen Bodenplatte und Kühlkörper angestrebt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schichtauftrag
wird die Wärmeleitpaste in geeigneter Menge lediglich an
denjenigen Stellen dicker aufgetragen, wo diese benötigt
wird. Ein fehlender bzw. übermäßiger
Schichtauftrag zwischen Bodenplatte und Kühlkörper
wird vermieden.
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Öffnungsquerschnitte
in der Schablone mit einfachen geometrischen Formen, beispielsweise Kreise
oder Langlöcher, sind vorteilhaft, da der Berechnungsaufwand
für die Auslegung der Querschnittsflächen und
der Herstellungsaufwand (Fräsen, Schneiden etc.) gegenüber
einer beliebigen Querschnittsform geringer ausfallen. Auch andere Formen
für die Öffnungen der Schablone sind möglich.
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Um
einen über die abzudeckende Oberfläche 25 vollständigen
Schichtauftrag einer Wärmeleitpaste 40 zu gewährleisten,
kann die bei der Berechnung der Öffnungsquerschnittsflächen
herangezogene Schablonendicke größer gewählt
werden als diejenige der nachfolgend hergestellten Schablone. Alternativ
kann auch die hergestellte Schablonendicke größer
gewählt werden als die zur Berechnung der Öffnungsquerschnittsflächen
herangezogene Schablonendicke. Üblich sind Sicherheitszugaben
bei der Schablonendicke von ca. 1/5 der Ausgangsschablonendicke.
Mögliche Absolutwerte bei den Sicherheitszugaben zu der
Ausgangsschablonendicke liegen im Bereich von 20 μm.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten
Beispiele näher erläutert. In den Figuren bezeichnen,
sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile mit
gleicher Bedeutung. Es ist:
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1 eine
Draufsicht auf eine herkömmliche Schablone mit gleichartigen
und gleichmäßig verteilten Öffnungen,
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2 ein
räumliche Darstellung einer Oberflächenstruktur
einer Bodenplatte eines Leistungshalbleiterbauelementes,
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3a ein
Höhenprofil einer Oberfläche einer Bodenplatte
eines Leistungshalbleiterbauelementes,
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3b ein
Höhenprofil einer Oberfläche einer Bodenplatte
eines Leistungshalbleiterbauelementes mit überlagertem
Raster,
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3c ein
Höhenprofil einer Oberfläche einer Bodenplatte
eines Leistungshalbleiterbauelementes mit zusammengefassten Bereichen,
die im Wesentlichen gleiche Höhenwerte aufweisen,
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3d ein
Höhenprofil der Bodenplatte aus 3a bis 3c mit
Bereichen von im Wesentlichen gleichen Höhenwerten der 3c und
Schichtdickenangaben aus einer Maßstabsverschiebung der Höhenangaben,
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4 ein
schematische Darstellung einer Schablone zur Berechnung der Querschnittsfläche einer Öffnung,
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5 eine
Darstellung von zusammengefassten Bereichen von im Wesentlichen
gleicher Schichtdicke mit Öffnungsdurchmesserwerten in
einer ersten Ausführung,
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6 eine
Darstellung von zusammengefassten Bereichen von im Wesentlichen
gleicher Schichtdicke mit Öffnungsdurchmesserwerten in
einer zweiten Ausführung,
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7 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schablone,
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8 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schablone
in einer zweiten Ausführung.
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In
den 3a bis 3d ist
die Erfassung des Oberflächenprofils des Leistungshalbleitermoduls
mit einem geeigneten Messverfahren und der Umsetzung dieser Daten
in eine Schablone mit unterschiedlichen Öffnungsquerschnittsflächen
dargestellt. Das Oberflächenprofil 25 einer Bodenplatte 2 eines
Leistungshalbleitermoduls ist in 3a dargestellt.
Das Höhenprofil 29 zeigt Bereiche von Maxima 26 und
Minima 27. Ein Bereich mittlerer Höhe 28 befindet
sich in der Mitte des Höhenprofils 25. Dem Höhenprofil überlagert
ist die äußere Kontur der zu fertigenden Schablone 1 mit
einer Länge 21 und Breite 22. Der beispielhafte
Höhenmaßstab 29 weist Höhenunterschiede
von bis zu 50 μm auf. Das Höhenprofil wird in 3a gemessen,
indem das Leistungshalbleitermodul auf eine Glasplatte aufgespannt
wird, um die Unebenheit der Bodenplatte 2 im angeschraubten
Zustand (zum Kühlkörper) zu messen. Danach wird
die Glasplatte mit der Bodenplatte 2 unter ein Messgerät
gelegt und ausgerichtet. Üblicherweise wird als Instrument
zur Aufnahme des Höhenprofils 29 ein Weißlichtinterferometer
eingesetzt. Das Weißlichtinterferometer misst das Höhenprofil 29 der Bodenplatte 2 abschnittsweise
aus, wodurch sich der in 3a gestellte
Scan-Plott ergibt.
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In 3b ist
das Höhenprofil 29 der Bodenplatte 2 aus 3a zu
sehen, wobei ein Raster 3 dem Höhenprofil 25 überlagert
wurde. Das Rastermaß als Multiplikation der Länge 31 mit
der Breite 32 einer Rastereinheit 33 beträgt
beispielsweise 5 × 5 mm. Das Rastermaß richtet
sich an den Abmessungen der Bodenplatte 2 aus, wobei die
Länge und Breite der Bodenplatte 2 der Länge 21 und
Breite 22 der Schablone 1 entsprechen können.
Die Abmessungen einer Bodenplatte des in 3 zu
sehenden Höhenprofils betragen üblicherweise 107 × 37
mm. Die Höhenprofilskala 29 weist Höhenunterschiede zwischen
dem tiefsten und höchsten Punkt der Bodenplatte 2 von
60 μm (–30 bis +30 μm) auf. Die Skala
für die gemessenen Höhenunterschiede im Höhenprofil 29 kann
zwischen –100 und 100 μm liegen.
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3c zeigt
das Raster 3 der 3b, wobei Bereiche
mit im Wesentlichen gleichen Höhenwerten zusammengefasst
sind. Die Zusammenfassung der Rasterelemente 33 zu Bereichen
von annähernd höhengleichen Werten geschieht über
eine Ungleichung. Demnach sind in den Bereichen 36 Höhenwerte
zusammengefasst, die von dem Wert 28 um +/–5 μm
abweichen, also –5 μm < Höhenwert < +5 μm.
Im Wesentlichen höhengleiche Bereiche werden, abhängig
von den Rastermaßen 31, 32 beispielsweise
mit Höhenunterschieden zwischen 5 und 10 μm zusammengefasst.
Man erkennt, dass höhengleiche zusammengefasste Bereiche
unterschiedliche Formen im Rahmen der Rastergeometrie 3 annehmen können.
Neben Bereichen mit Rasterelementgröße 33 sind
größere quadratische Bereiche 35 zu sehen. Auch
rechteckige Bereiche 36 können vorkommen. Auffallend
ist, dass die Struktur der zusammengefassten Bereiche mit den im
Wesentlichen gleichen Höhenwerten symmetrisch ausfällt.
Diese Symmetrie ist ausschließlich auf das individuelle
Höhenprofil 29 der Bodenplatte 2 zurückzuführen.
Es kann daher selbstverständlich auch unsymmetrisch ausfallen.
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3d zeigt
die zusammengefassten Bereiche von den wesentlichen gleichen Höhenwerten
der 3c, wobei die Höhen des Höhenprofils 29 in
den zusammengefassten Bereichen 33, 35, 36 in Schichtdickenwerte 44 überführt
sind. Die Überführung der Höhenwerte
des Höhenprofils 29 in die Schichtdickenwerte 39, 41, 42 erfolgt
durch eine einfache Verschiebung des Maßstabs 29 in
den Schichtdickenmaßstab 44. Hierzu wird der im
Maßstab 29 mittig vorhandene Nullpunkt nach außen
(in 3d nach rechts) verschoben und das Vorzeichen
des Maßstabs 29 invertiert. Aus der Höhenprofilskala 29 von –30 μm
bis +30 μm wird die Schichtdickenskala 44 von
60 μm bis 0 μm. Die gemittelte Schichtdicke 39 für
den zusammengefassten Höhenprofilbereich 36 bezieht
sich ausschließlich auf ein Rechteck der Länge 37 und
Breite 38.
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Der Übergang
von den Schichtdicken
39,
41,
42 in die
zur Herstellung der Schablone notwendigen Öffnungsquerschnittsflächen
ist schematisch in
4 gezeigt. Das Raster
3 gibt
hierbei die kleinsten zusammengefassten Bereiche von im Wesentlichen gleicher
Schichtdicke mit den Abmaßen
31,
32 vor. Die
in
3d angegebenen Schichtdicken der zusammengefassten
Bereiche
48 werden in Öffnungsquerschnittsflächen
47 überführt.
Hierzu wird das Volumen der Länge
32, Breite
31 und
Schichtdicke
44 des zusammengefassten Bereiches
33 gleichgesetzt mit
dem Volumen aus der Öffnungsquerschnittsfläche
47 und
der Schablonendicke
9. Im einfachen Fall eines Öffnungsquerschnittes
in Form eines Kreises ergibt sich, dass der Durchmesser (
6D)
der kreisförmigen Öffnung (
48) der Schablone
definiert ist über die Gleichung
- ÖD:
- Durchmesser der Öffnung
in mm
- SL:
- Länge (32)
der aufzutragenden Schicht in mm
- SB:
- Breite (31)
der aufzutragenden Schicht in mm
- SD:
- Dicke (44)
der aufzutragenden Schicht in μm
- PD:
- Plattendicke (9)
in μm.
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Übliche
Durchmesser ÖD betragen zwischen 2 und 5 mm.
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In
allgemeiner Form ergibt sich die Öffnungsquerschnittsfläche
(QF) über die Gleichung
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Abhängig
von der Schablonendicke 9, die beispielsweise zwischen
75 und 120 μm beträgt, sind für das Schichtdickenprofil 4 der 3d die Öffnungsdurchmesser ÖD
in dem Öffnungs durchmesserprofil 5 in 5 eingetragen.
Die Öffnungsdurchmesser betragen zwischen 2,5 mm (51) und
4,7 mm (52), wobei der Lochdurchmesser für den
Bereich 36 4,2 mm (56) beträgt. Die Bereiche 34 sind
nicht für den Materialschichtauftrag bestimmt. Diese Bereiche an
den Ecken der zu fertigenden Schablone dienen der Abdeckung von
Befestigungsvorrichtungen an dem Leistungshalbleitermodul während
des Auftrags der Wärmeleitpaste.
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Das Öffnungsdurchmesserprofil 6 für
eine zweite Ausführung der Erfindung ist in 6 gezeigt. Die Öffnungsdurchmesser
unterscheiden sich um nahezu den Faktor 2 von denen der 5,
ersichtlich aus dem minimalen Wert 1,26 (61) und dem maximalen
Wert 4,72 (62). Die Bereiche 68 dienen, ähnlich den
Bereichen 34 in 5, dem Schutz von Befestigungsvorrichtungen
am Leistungshalbleiterbauelement vor einem Schichtauftrag.
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Eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Schablone 7 ist
in 7 gezeigt. Man erkennt, dass neben den kreisförmigen Öffnungen 71, 72, 73 zusätzlich
Langlöcher 74 in die Schablone eingebracht sind.
Die Querschnittsflächen 76 der Langlöcher 74 berechnen
sich nach der zweiten oben genannten Formel aus dem Schichtdickenprofil 4 der 3d. Bei
der Berechnung der Querschnittsflächen 75 der Öffnungen 71, 72, 73, 74 der
Schablone 7 ist es günstig, bei der Berechnungsschablonendicke
PD einen zusätzlichen Wert zu der tatsächlichen
späteren Schablonendicke 9 zu addieren. In einer
Ausführung der Erfindung beträgt diese Sicherheitszugabe
20 μm bei einer Schablonendicke von 100 μm. Auch
kann die tatsächliche späteren Schablonendicke 9 gegenüber
der bei der Berechnung verwendeten Schablonendicke PD vergrößert
sein.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Schablone 8 ist in 8 gezeigt. Lochöffnungen 81, 82, 83 und
langlochförmige Öffnungen 84, 85 in
unterschiedlichen Größen sind zu sehen. Die Ecken
der Schablone 88 dienen, wie die Bereiche 78 der
Schablone 7, nicht dem Schichtauftrag auf das Leistungshalbleitermoduls.
In diesen Bereichen befinden sich beispielsweise Anschraublöcher
des Moduls und daher keine Öffnungen in der Schablone 8.
Ein Vergleich der Schablonen 7 und 8 zeigt, dass
abhängig vom Rastermaß 31, 32,
der Schablonendicke 9 und der aufzubringenden Schichtdicke 44 das Öffnungsdurchmesserprofil 8 gegenüber
dem Profil 7 verfeinert ist. Mit der Zahl der Öffnungen
steigt der Berechnungs- und Herstellungsaufwand. Die Schablonen 7, 8 können über CAD-Zeichnungen
der Lochdurchmesserprofile 5, 6 und der Schichtdickenprofile 4 hergestellt
werden.
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Mit
den Schablonen 7, 8 kann auf ein Leistungshalbleiterbauelement,
dessen Höhenprofil 25 zur Auslegung der Schablonen 7, 8 herangezogen wurde,
eine minimierte Wärmeleitpastenschichtdicke aufgebracht
werden. Aufgrund dieser reproduzierbar minimierten Wärmeleitpastenschichtdicke
folgt ein optimierter thermischer Übergangswiderstand zwischen
dem Leistungshalbleitermodul und dem Kühlkörper.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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