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Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich demgemäß auf das Testen von Platinen, insbesondere Multilayer- beziehungsweise Vielschichtplatinen.
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Moderne elektrische und elektronische Geräte umfassen eine Vielzahl von Bauteilen, die miteinander elektrisch verbunden werden müssen. Die Vielzahl von zwischen elektronischen Komponenten auf der Platine benötigten Leitungen moderner Schaltkreise erfordert dabei oftmals, dass die Platine in mehreren Schichten aufgebaut wird, so dass mehrere Lagen an übereinander verlaufenden und sich gegebenenfalls ohne Beeinflussung kreuzende elektrische Verbindungen zu verbinden sind.
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Die einzelnen Lagen der Platine (das heißt vorliegend Kupfer- beziehungsweise Leiterlagen) werden dabei typisch auf einem Glasfasergewebe oder dergleichen vorgesehen, welche so exakt zueinander ausgerichtet werden, dass auch Durchgangslöcher (Vias) etc. zur Kontaktierung unterschiedlicher Lagen exakt übereinander liegen, und es wird dann, beispielsweise durch Laminieren unter Verwendung von Epoxidharzen ein Viellagenverband, das heißt eine Vielschicht- beziehungsweise Multilayerplatine gebildet. Dies ist per se in der Technik gut bekannt. Wenn beim Laminieren, das typisch unter Wärme und Druck geschieht, die Epoxidharzvernetzung unvollständig bleibt oder andere Fehler auftreten, kann die dauerhafte korrekte Funktion der Leiterplatte beeinträchtigt sein.
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Die fertige Platine kann dann mit Bauteilen bestückt und die Bauteile können aufgelötet werden. Dazu ist neben Verfahren wie dem Reflowlöten auch bekannt, dass eine Erwärmung der Platine zum Beispiel mit Ultraschallwellen erfolgt, um die Erwärmung der Bauteile selbst zu verringern. Dabei kann innerhalb der Materialien beziehungsweise den verschiedenen Schichten Reibung entstehen und dadurch Wärme erzeugt werden. Frequenzen der Ultraschallwellen können zum Beispiel zwischen 20–60 kHz liegen. Die
JP 2005-294396 sei erwähnt.
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Es ist wünschenswert, bei der Herstellung elektrischer Baugruppen eine möglichst weitgehende Fehlerfreiheit zu erzielen. Dabei sind Fehler möglichst einfach und früh festzustellen. Deswegen ist bereits vorgeschlagen worden, Proben von Leiterplatten einer Serie zu zersägen und danach diese Stichproben mechanisch oder mikroskopisch zu untersuchen.
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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht.
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Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken ein Verfahren zum Testen von Leiterplatten, bei welchem eine Leiterplatte nach Beaufschlagung mit Ultraschallleistung auf Defekte getestet wird. Hierbei ist vorgesehen, dass die Ultraschallleistung in einem Stellen ungenügenden Schichtenverbundes (lokal) überhitzenden Maß eingekoppelt und bevorzugt anschließend die Leiterplatte auf lokale Überhitzung automatisch untersucht wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass vorliegend die Begriffe „Vielschichtplatine” und „Multilayerplatine” unterschiedslos verwendet werden; weiter sei darauf hingewiesen, dass auch die Begriffe „Platine” und „Leiterplatte” identisch verwendet werden. Als Lagen werden vorliegend allgemein die metallischen, das heißt typisch Cu-Lagen der Leiterplatte bezeichnet, die dann zum Beispiel mit Glasfasermatten unter Verwendung von Epoxidharz verbunden werden.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung kann somit darin gesehen werden, dass die Ultraschallleistung in einem so großen Maß eingekoppelt wird, dass Defekte größer werden und dann detektierbar sind. Dabei wird ausgenutzt, dass durch eine in der Intensität entsprechend gewählte Ultraschallleistung gewährleistet werden kann, dass eine Vielschichtplatine genau dann zerstört beziehungsweise genau dann erkennbar verschlechtert wird, wenn sie schon anfänglich defekt ist. Ausgenützt wird dabei, dass eingekoppelter Ultraschall zu einer sehr hohen inneren Reibung führen kann, wenn Verbindungen in der Vielschichtplatine instabil sind. Dies kann in kurzer Zeit lokal zu sehr hohen Temperaturen führen, die zu einer Materialschädigung durch Überhitzung führen. Es wird also im Falle eines schlechten Materialverbundes lokal an dieser Stelle das schlecht verbundene Material mit Ultraschall geschädigt. Leiterplatten mit einer guten Verbindung der Schichten untereinander sind hingegen derart starken inneren Reibungen nicht ausgesetzt, so dass auch keine lokale Schädigung von korrekt gefertigten Leiterplatten zu befürchten ist. Dabei wird es gegebenenfalls an den defekten Stellen zu Überhitzungen kommen, und zwar bevorzugt und typisch nur dort. Da die Überhitzung gezielt an den defekten Stellen auftritt, ist zur lokalen Überhitzung der defekten Stellen typisch bereits eine geringe Ultraschallleistung ausreichend.
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Die erfindungsgemäß anzustrebende Überhitzung der Stellen ungenügenden Schichtenverbandes kann preiswert und in sehr kurzer Zeit bewirkt werden; es sind nur Ultraschall-Einkoppelungsdauern von wenigen Sekunden bei herkömmlicher Platinengröße wie Europakartenformat oder dergleichen erforderlich; dass im Übrigen Vielschichtplatinen praktisch beliebiger Geometrie untersucht werden können, vorausgesetzt, dass sich die Ultraschallleistung überhaupt bei einer gegebenen Form einkoppeln lässt, was aber durch geeignete Halterungen usw. gewährleistet werden kann, sei erwähnt.
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Das Verfahren ist besonders bevorzugt bei epoxidharzverbundenen Schichten in den Vielschichtplatinen, insbesondere dann, wenn epoxidharzvernetzte Glasfasermatten untersucht werden sollen. Es ist aber auch in anderen Fällen anwendbar, etwa für flexible beziehungsweise flexstarre, das heißt teilflexible Leiterplatten. In derartigen flexiblen oder teilflexiblen Leiterplatten werden in der Regel Folien verwendet, die gewalzt und/oder gepresst sind und zum Beispiel aus Polyamid, PET oder PETP bestehen. Auch wenn innerhalb der Folie keine Vernetzungsprobleme zu befürchten sind, können flexible Leiterplatten gleichwohl einen schlechten Verbund zwischen Kupferlagen und Kunststofffolien aufweisen, der erfindungsgemäß nachweisbar ist.
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Es ist aufgrund der hohen Untersuchungsgeschwindigkeit und der Tatsache, dass einwandfreie Platinen durch den Test nicht zerstört oder beeinträchtigt werden, möglich, praktisch jede Einzelplatine einer Fertigungsserie zu testen. Dies trägt signifikant zu einer insgesamt hohen Fertigungsqualität bei und erlaubt insbesondere, was besonders bevorzugt ist, einen Test einer gesamten Serie von Platinen vor der Bestückung. Damit wird nicht nur eine höhere Sicherheit der gefertigten Platinen durch den erfindungsgemäßen Test gewährleistet, sondern es können auch noch die Fertigungskosten gesenkt werden, weil sichergestellt ist, dass ausschließlich Vielschichtplatinen mit einwandfreiem Schichtenverbund bestückt werden.
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Es ist möglich, die Ultraschalleinkoppelung nur zu Testzwecken zu nutzen.
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Prinzipiell ist es aber auch möglich, bei einwandfreien Platinen die mit der Ultraschallleistungseinkoppelung einhergehende (insgesamt vergleichsweise geringe) Erwärmung zu nutzen, um eine Verlötung vorzubereiten. Es ist dann lediglich erforderlich, zunächst die für den Test erforderliche, Stellen ungenügenden Schichtenverbundes überhitzende Ultraschallleistung einzukoppeln, auf lokale Überhitzung zu untersuchen und hernach die getesteten Vielschichtplatinen, in denen keine Defekte erkannt wurden, unter gegebenenfalls weiterer Erwärmung weiter zu verarbeiten, etwa durch Reflowlöten und/oder Wellenlöten und/oder Löten mit Ultraschallleistung. Es können so Fertigungsstraßen aufgebaut werden, in denen jede Vielschichtplatine vor Bestückung und/oder während des Lötprozesses automatisch auf einwandfreien Schichtenverbund untersucht wird. Eine solche Prüfung von einhundert Prozent aller Platten einer Fertigungsserie ist in hohem Maße bevorzugt.
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Die Überprüfung auf Überhitzung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Als besonders empfehlenswertes Verfahren sei die Beobachtung im Infraroten genannt. Diese erlaubt insbesondere aufgrund der hohen Empfindlichkeit einen Test mit geringer Leistung und/oder einen sehr schnellen Test. Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, die Aussendung von IR-Strahlen nicht ortsaufgelöst zu detektieren; dies kann die Detektion von Defekten signifikant erleichtern, weil erforderlichenfalls lediglich überprüft werden muss, ob überhaupt in signifikantem Maß Infrarotstrahlung emittiert wird. Besonders bevorzugt ist auch die optische Überprüfung, insbesondere durch Kolorimetrie, d. h. durch Feststellung einer optischen Verfärbung. Per se wäre es zwar möglich, durch geeignete Materialien eine Erwärmung besonders schnell detektierbar zu machen. Die in Platinen wie Epoxidharzplatinen herkömmlicher Bauart verarbeiteten Materialien verfärben sich jedoch ohne weiteres bei hinreichender Beaufschlagung mit Ultraschallleistungen an defekten Stellen derart stark, dass eine Bräunung oder andere auf Fehler hinweisende Verfärbung ohne weiteres, das heißt insbesondere ohne besondere Zusätze in den Platinenmaterialien erkennbar ist. Es reicht demnach, festzustellen, ob bestimmte Bereiche einer Platine dunkler oder anders, beispielsweise braun, gefärbt sind. Derartige Bilderkennungsverfahren sind in der Technik ohne weiteres verfügbar. Dass im Übrigen auch eine Erwärmung mittels Infrarotaufnahme oder Thermografie erfassbar wäre, sei der Vollständigkeit halber erwähnt.
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Die Einkoppelung der Ultraschallleistung kann insbesondere von einer Platinenkante her erfolgen. Dies gilt insbesondere dort, wo keine flexiblen Leiterfolien, sondern hinreichend starres Vielschichtplatinenmaterial untersucht werden soll. Hier kann eine Platine zumindest einseitig mit einem zum Beispiel allgemein U-förmigen Sonotrodenansatz umgriffen werden, und es kann dann gegebenenfalls auch auf der gegenüberliegenden Seite entweder ein zum Beispiel U-förmiger Halter vorgesehen werden, in den die Platine gepresst wird oder es kann auch von der anderen Seite her mittels einer Sonotrode Ultraschall eingekoppelt werden. Bei Flexfolien kann es bevorzugt sein, die Flexfolienränder mit Sonotroden beziehungsweise Fixierungen zu umgreifen und insbesondere beim Umgreifen fest klammerartig zu halten und erforderlichenfalls auch eine Zugkraft aufzubringen, damit sich die Ultraschallwellen durch die Flexfolie ausbreiten können.
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Die Ultraschallleistung, die in einem Stellen ungenügenden Schichtenverbunds überhitzenden Maß eingekoppelt werden soll, kann bevorzugt elastische Dehnungen bewirken, zum Beispiel relative Dehnungen von 2–80 × 10–6 und/oder Eingangsamplituden von zum Beispiel 1–10 μm Auslenkung, insbesondere bei Frequenzen zwischen 10 und 50 kHz, bevorzugt im Bereich zwischen 20 bis 35 kHz, wobei eine resonante Anregung besonders bevorzugt wird. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls Frequenzen von unter 20 kHz ausreichen können und Vorzüge bieten können. Die Begrifflichkeit „Ultraschall” wird demgemäß in der vorliegenden Erfindung nicht im Sinne etwa eines Hörgeräteakustikers oder dergleichen verwendet, bei welchem Ultraschall als Schall jenseits der Hörgrenze verstanden wird, wobei diese altersabhängig zwischen 22 und 13–16 kHz liegt; vielmehr wird gegebenenfalls zu verstehen sein, dass eine hinreichend hochfrequente, gegebenenfalls noch im hörbaren Bereich liegende Schallwelle noch als „Ultraschall” im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Leistung typisch eine schnelle Erwärmung bewirken soll, insbesondere mit Aufheizraten von mindestens 20°C in zwei Minuten, bevorzugt um oder über 40°C pro Minute. Diese hohen Aufwärmraten werden typisch mit entsprechend hohen Leistungseinkoppelungen erreicht, was einhergeht geht mit einer schnellen Überhitzung des Schichtenverbandes. Die Temperaturen können die für Reflowlöten erforderlichen Temperaturen gegebenenfalls überschreiten.
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Es wird auch beansprucht eine Vorrichtung zum Testen von Platinen, insbesondere wie zum Ausführen eines Verfahrens wie vorstehend beschrieben, bei welcher eine Ultraschallleistungsquelle zum Einkoppeln einer hinreichend großen (Ultra-)Schallleistung und ein Mittel zur Detektion einer Stelle lokaler Überhitzung vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird im Folgendem nur beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben. In dieser ist dargestellt durch
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1 eine Vorrichtung zum Testen von Vielschichtplatinen;
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2 der prinzipielle Aufbau des in 1 dargestellten mechanischen Resonanzsystems;
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3 eine Seitenansicht der Sonotrodenstirnfläche.
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Nach 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum Platinentesten 1 eine Ultraschallleistungsquelle 2 zum Einkoppeln 3 von Ultraschallleistung in eine Vielschichtleiterplatte 4 in einem Stellen unzureichenden Schichtverbundes überhitzenden Maß und ein Überhitzungsdetektionsmittel 5.
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Die Vorrichtung 1 ist im vorliegenden Beispiel geeignet, Leiterplatten vor der Bestückung bei der Fertigung einer Leiterplattenserie auf Verbundfehler des zur Vielschichtplatinenherstellung verwendeten Verbundmaterials zerstörungsfrei zu testen. Um einen schnellen Wechsel einer zu testenden Leiterplatte 4 zu gewährleisten, ist das Ultraschallsystem 2 mit der Sonotrode 3 auf Schienen 2a hin und her beweglich gelagert und mit einem Aktor, hier einem Druckluftzylinder 6, auf einen Gegenhalter 7 zu beweglich, um zwischen dem hier festen, nicht mit Ultraschallenergie erregten Gegenhalter 7 und der Sonotrode 3, die Vielschichtleiterplatte 4 einspannen zu können.
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Das Ultraschallsystem 2 umfasst, vergleiche 2, einen herkömmlichen Konverter, um auf bekannte Weise erzeugte, hinreichend schnelle Ultraschallimpulse in einer Konverter- und Boostereinheit wie erforderlich wandeln zu können. Dabei ist in 3 bezeichnet mit 2b die Konvertereinheit mit 2c der Booster bzw. die Amplitudentransformationseinheit und mit 2d, die hier mit zwei Schlitzen in herkömmlicher Weise versehener Sonotrode. In 2 rechts dargestellt ist der sich jeweils ergebende gewünschte Amplitudenverlauf der Ultraschallschwingung. Es ist ersichtlich, dass in per se bekannter Weise die mechanische Grenzfläche zwischen Konverter und Amplitudentransformationseinheit jeweils bei λ/4 liegt, weil dort die Amplitude maximal ist. Das gesamte mechanische Resonanzsystem ist dabei so ausgelegt, dass sich das System in Schwingungsresonanz befindet. Als Material kann beispielsweise Titan für die Sonotrode verwendet werden.
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Die Sonotrode 3, die in 3 dargestellt ist, weist einen allgemein U-förmigen Bereich für das Aufnehmen der Leiterplatte 4 auf, wobei die Leiterplatte hier bis zu 4 mm Dicke aufweisen kann; dass andere Dicken einleuchtender Weise möglich sind, sei erwähnt; auf die Möglichkeit, andere Formen als die U-Form für die Ankopplung zu wählen, sei hingewiesen.
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Der Gegenhalter 7 ist so dimensioniert, dass mit dem Druckluftzylinder 6 die Leiterplatte 4 von der Sonotrode 3 hinreichend stark gegen den Gegenhalter gepresst werden kann. Am Gegenhalter 7 selbst kann eine Fixierung durch Klemmen oder dergleichen vorgesehen werden, die insbesondere auch eine Dämpfung an der Halterung erlaubt.
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Der Bereich zwischen Gegenhalter 7 und Sonotrode 3 unterhalb der Leiterplatte 4 ist vorliegend frei sichtbar und wird von einer ersten Kamera 5a und einer zweiten Kamera 5b, die einen Teil des Überhitzungsdetektionsmittels 5 bilden, erfasst; dass gegebenenfalls auch entsprechende Beleuchtungsmittel vorgesehen sein können, sei erwähnt. Die Kameras 5a, 5b sind als Teil eines hier auch ein Prozessrechner umfassendes Überwachungsmittel vorgesehen, mit welchem erfasst wird, ob eine mit den Kameras 5a, 5b beobachtete Leiterplatte 4 nach Beaufschlagung mit Ultraschallleistung Verfärbungen aufweist. Die Kamera 5a beobachtet dabei die Platinenunterseite, während Kamera 5b so angeordnet ist, dass damit die Platinenoberseite beobachtet wird. Die Signale der beiden Kameras werden an den Prozessrechner des Überwachungsmittels zur Bilddatenauswertung gesendet, um anhand der aufgenommenen Bilddaten fehlerindikative Verfärbungen der Platinenober- oder -unterseite nach Ultraschallbeaufschlagung erkennen und signalisieren zu können, um so eine automatisierte Fehlerdetektion zu ermöglichen. Damit ist ein Überhitzungsdetektionsmittel 5 gebildet der ein Aussonderungssignal im Ansprechen auf eine erkannte Leiterplattenverfärbung absetzen kann. Anhand dieses Aussonderungssignals kann eine automatische Aussonderung der Leiterplatte im Fertigungsprozess bewirkt werden oder eine manuelle Entfernung veranlasst werden.
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Die Anordnung wird verwendet wie folgt:
Zunächst wird bei ausgeschalteter Ultraschallleistungsquelle eine Leiterplatte in den Gegenhalter gesetzt; dies kann automatisiert erfolgen. Dann wird durch Beaufschlagung des Druckluftzylinders 6 mit Druckluft das Ultraschallsystem mit der Sonotrode an die Leiterplatte bewegt, so dass die Leiterplatte nunmehr an einer Kante im Gegenhalter 7 und auf der gegenüberliegenden Kante in der U-förmigen Umfassung der Sonotrode 3 umfasst ist. Dann wird die Ultraschallleistungsquelle 2 erregt, wodurch die Leiterplatte 4 mit Ultraschallleistung beaufschlagt wird. Dabei wird die Ultraschallleistung so groß gewählt, dass durch innere Reibung zwischen schlecht verbundenen Teilen der Leiterplatte so viel Wärme generiert wird, dass sich die miteinander verbundenen Bereiche im Übermaß erwärmen und durch die übermäßige Erwärmung verfärben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erwärmung der Leiterplatte von verschiedenen Parametern abhängt, unter anderem von der Ausgestaltung der Leiterplatte, der Ultraschallleistung, die in die Leiterplatte eingekoppelt wird und den durch den Druckluftzylinder bewirkten Anpressdruck. Gleichwohl ist es ohne weiteres möglich, Betriebsparameter zu finden, bei denen nur die defekten Bereiche überhitzt werden, ohne dass ansonsten eine Leiterplattenzerstörung erfolgt.
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Eine lokale Überhitzung aufgrund der Ultraschallleistungseinkoppelung kann dann unter Ausweitung von den Kameras 5a, 5a' des Überhitzungsdetektionsmittels 5 erfasst und dann bestimmt werden. Wird bei und/oder unmittelbar nach Ultraschallleistungseinkoppelung eine Leiterplattenverfärbung detektiert, so kann die Leiterplatte ausgesondert werden. Liegt keine Verfärbung vor, kann die Leiterplatte weiter verarbeitet werden, insbesondere im unmittelbaren Anschluss, wodurch eine Abkühlung vernachlässigbar ist und die zum Löten erforderliche Energie minimiert wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass gegebenenfalls eine Verfärbung beständig ist, was gegebenenfalls auch eine Separierung von Ultraschallleistungseinkopplung und Erkennung defekter Platten ermöglicht falls gewünscht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zu befürchten ist, dass die Leiterplatte andere Defekte, etwa Bruch bei Transport oder späterer Handhabung vor der Bestückung erfahren könnte und eine Sichtkontrolle oder optische Kontrolle deswegen erst unmittelbar vor der Bestückung gewünscht ist. Gegebenenfalls kann im Übrigen auch eine nicht automatische Überhitzungsuntersuchung erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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