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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Halbleiter, insbesondere einen Leistungshalbleiter mit einem Verbindungselement. Das Verbindungselement weist ein thermisch leitfähiges, insbesondere flach ausgebildetes Substrat auf. Das Substrat, insbesondere ein Kupferelement, ist mit dem Halbleiter insbesondere durch Löten verbunden. Das Substrat weist eine Koppelfläche zum mittelbaren thermischen Ankoppeln mit einer Wärmesenke, Insbesondere einem Kühlkörper auf. Mittels des Verbindungselements kann so Wärme aus dem Halbleiter abgeführt werden.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Halbleitern mit einem Verbindungselement, welches beispielsweise durch eine flache Kupferplatte gebildet ist, wird das Substrat mittels Laminieren mit einem Isolierelement, beispielsweise einem Keramikkörper, thermisch verbunden. Der Keramikkörper wird mittels eines Wärmeleitmediums, beispielsweise einer Wärmeleitpaste mit dem Kühlkörper, beispielsweise einem Aluminium-Kühlkörper, thermisch verbunden. So sind vom Halbleiter ausgehend zueinander verschiedene Wärmeübergangswiderstände für eine vom Halbleiter an den Kühlkörper abzuführende Wärme gebildet.
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Aus der
US 4,823,863 ist eine Anordnung zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiter mit einer Wärmesenke bekannt, wobei zum Verkleinern eines Wärmeübergangswiderstandes Öl in Kavitäten einer porösen Schicht gefüllt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist die Koppelfläche mit einer bevorzugt durch thermisches Spritzen erzeugten Keramikschicht verbunden. Die Keramikschicht weist an einer zur Koppelfläche gegenüberliegenden Seite eine Kühlfläche zum thermischen Verbinden mit einer Wärmesenke auf. Die Keramikschicht weist mittels des Spritzens erzeugte Poren auf, wobei die Poren mit einem thermisch leitfähigen Medium gefüllt sind.
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Dadurch kann vorteilhaft ein Wärmeübergangswiderstand vom Keramikmaterial, insbesondere der Keramikschicht, in die Wärmesenke verringert werden. Die Wärmesenke ist beispielsweise durch einen Kühlkörper oder einen Teil eines Gehäuses gebildet.
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Bevorzugt ist das thermisch leitfähige Medium, im Folgenden auch wärmeleitfähiges Medium genannt, ein Phasenwechselmaterial. Das Phasenwechselmaterial ist ausgebildet, seinen Aggregatszustand insbesondere in einem Temperaturbetriebsintervall des Halbleiters, beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 80 Grad. Celsius, von fest nach flüssig reversibel zu ändern. So kann vorteilhaft die vom Halbleiter erzeugte Wärme genutzt werden, um während einer bestehenden Ankopplung kleine Risse oder Kavitäten im wärmeleitfähigen Medium wieder aufzuschmelzen und so zu schließen. Vorteilhaft ist so ein selbstheilendes wärmeleitfähiges Medium gebildet, was einen Wärmeübergangswiderstand von dem Kühlkörper zur Keramikschicht, weiter bevorzugt von der Keramikschicht zum Substrat verringert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Phasenwechselmaterial wenigstens ein Alkan, bevorzugt wenigstens zwei oder mehrere zueinander verschiedene Alkane, insbesondere wenigstens ein Paraffin auf. Zusätzlich zu dem wenigstens einen Alkan kann das Phasenwechselmaterial wenigstens ein Alken aufweisen. Beispielsweise weist das Phasenwechelmaterial insbesondere anorganische Partikel, insbesondere Keramikpartikel auf.
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Mittels des Verhältnisses von zueinander verschiedenen Alkanen, wobei die zueinander verschiedenen Alkane jeweils zueinander verschieden lange Kohlenstoffketten aufweisen, weiter bevorzugt mittels eines gezielten Zusatzes wenigstens eines Alkens kann ein Schmelzpunkt des Phasenmaterials vorteilhaft gezielt eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Medium Siliziumdioxid. Vorteilhaft weist Siliziumdioxid, insbesondere Glas, einen Schmelzpunkt auf, welcher höher ist als ein Temperaturbetriebsbereich des Halbleiters. Weiter vorteilhaft wird so während einer Montage des Halbleiters mit dem Kühlkörper keine Möglichkeit einer Verschmutzung sensibler Bereiche mittels des Materials, insbesondere Phasenwechselmaterials, gegeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Medium ein Silikat, welches in den Poren gebildet, insbesondere auskristallisiert ist. Mittels des Silikats können die Poren vorteilhaft in einem niedrigen Temperaturbereich durch Auskristallisieren des Silikats in den Poren verfüllt werden, ohne den Halbleiter zusammen mit dem Substrat, oder das Substrat mit der Keramikschicht ohne den Halbleiter, in einem Heizofen zu erwärmen. Das Silikat ist beispielsweise ein Salz oder ein Ester der Kieselsäure, und kann beispielsweise aus einer insbesondere alkalischen Lösung in den Poren gefällt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Medium ein Klebestoff, insbesondere ein Dispersionsklebstoff. Der Klebstoff kann vorteilhaft mittels eines Vakuums in die Poren gesaugt werden, oder mittels Überdruck in die Poren gepresst werden. Nach einem Abdampfen eines Lösungsmittels des Klebstoffs kann das keramisch beschichtete Substrat mittels des Klebers mit der Wärmesenke verbunden werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Leistungsendstufe mit einer Wärmesenke, insbesondere Kühlkörper, und einem Halbleiter gemäß der vorbeschriebenen Art.
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Bevorzugt ist die Wärmesenke mit der Kühlfläche der Keramikschicht mindestens mittelbar wärmeleitfähig verbunden. Dadurch kann Wärme von der Keramikschicht in den Kühlkörper abgeführt werden.
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Die Leistungsendstufe kann beispielsweise eine Leistungsendstufe eines elektronisch kommutierten Elektromotors sein. Der elektronisch kommutierte Elektromotor kann beispielsweise ein Elektromotor einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs sein.
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In einer anderen Ausführungsform weist ein Kraftfahrzeug mit einem Elektroantrieb die Leistungsendstufe auf, wobei die Leistungsendstufe ausgebildet ist, den Elektroantrieb, insbesondere einen Elektromotor des Elektroantriebs, zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu bestromen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum thermischen Verbinden eines Halbleiters mit einer Wärmesenke, insbesondere einem Kühlkörper. Bei dem Verfahren zum thermischen Verbinden des Halbleiters mit der Wärmesenke wird der Halbleiter, insbesondere ein Leistungshalbleiter mit einem wärmeleitfähigen, insbesondere flach ausgebildeten Substrat bevorzugt mittels Löten und/oder Kleben verbunden.
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Weiter bevorzugt wird eine Koppelfläche des Substrats mit einer Kermamikschicht durch thermisches Spritzen, insbesondere Plasmaspritzen beschichtet. Weiter bevorzugt werden nach dem Aufspritzen der Keramikschicht in der Keramikschicht verbleibende Poren mit einem bevorzugt wärmeleitfähigen Medium verfüllt. Das Medium ist beispielsweise ein Phase-Change-Material, welches ausgebildet ist, seinen Aggregatszustand von fest nach flüssig bevorzugt im Betriebstemperaturbereich des Halbleiters, beispielsweise zwischen 50 und 80 Grad Celsius zu wechseln. Dadurch kann vorteilhaft eine Selbstheilung von Mikrorissen in dem Medium während eines Betriebes des Halbleiters erfolgen. Weiter vorteilhaft kann eine Latenzwärme in dem Medium gespeichert werden, welche erst später nach einem Abschalten des Halbleiters an eine Wärmesenke weitergeleitet werden kann. Weiter vorteilhaft kann so eine gute thermische Anbindung des Keramikmaterials an eine Oberfläche der Wärmesenke, insbesondere des Kühlkörpers erzielt werden.
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Bevorzugt wird das beschichtete Substrat mit der zum Verbinden mit der Wärmesenke, insbesondere dem Kühlkörper, vorgesehenen Kühlfläche, beispielsweise in einer Vakuumkammer, von einem Vakuum umgeben, so dass die Poren evakuiert werden.
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Weiter bevorzugt wird dann auf die Keramikschicht das Medium aufgetragen und das Medium derart erwärmt, dass das Medium schmilzt.
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Weiter bevorzugt wird das beschichtete Substrat einem höheren Druck ausgesetzt als das Vakuum, so dass das Medium in die evakuierten Poren gesaugt wird.
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Weiter bevorzugt erstarrt das Medium nach einem Abkühlen, bevorzugt auf Raumtemperatur, in den Poren der Keramikschicht.
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Die Keramikschicht ist bevorzugt durch thermisches Spritzen, insbesondere mittels Plasmaspritzen erzeugt. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten für ein thermisches Spritzen sind ein APS-Plasmaspritzen (APS = Atmospherical-Plasma-Spray), HVOF-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF = High-Velocity-Oxy-Fuel), HVFSF-Suspensions-Flammspritzen (HVFSF = High-Velocity-Fuel-Suspensed-Flamespray) oder Kaltgasspritzen.
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Die Keramikschicht weist beispielsweise Di-Aluminiumtrioxid (Al2O3) oder Di-Chromtrioxid (Cr2O3) auf.
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Beispielsweise umfasst die Keramikschicht zwischen 1,5 und 6 Gewichts-Prozent Titandioxid, wobei der restliche Anteil zu 100 Gewichts-Prozent Di-Aluminiumtrioxid ist.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Keramikschicht zwischen 15 und 35, bevorzugt 32 Gewichts-Prozent Magnesiumoxid, wobei der restliche Anteil zu 100 Gewichts-Prozent Aluminiumtrioxid ist. Das vorgenannte Komponentenpaar bildet bevorzugt ein Spinell in der Keramikschicht.
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Bevorzugt weist das Medium ein Alkan auf, weiter bevorzugt ein Alken. Bevorzugt weist das Medium einen Schmelzpunkt im Betriebsbereich des Halbleiters auf. Vorteilhaft wird so ein bereits mit dem Substrat verbundener Halbleiter nicht wärmegeschädigt.
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Bevorzugt ist die Keramikschicht aus wenigstens zwei zueinander verschiedenen Teilschichten gebildet, wobei die Poren aufeinanderfolgender Teilschichten mit zueinander verschiedenen Materialien gefüllt sind. Beispielsweise ist eine an das Substrat grenzende erste Teilschicht mit einem festen Material gefüllt, und die Poren einer an die erste Teilschicht grenzenden zweiten Teilschicht mit einem Phasenwechselmedium gefüllt. Dadurch kann vorteilhaft eine Gesamtschichtdicke der Keramikschicht dünner sein als eine Keramikschicht mit homogen gefüllten Poren, da die erste Schicht eine gute elektrische Isolation erzeugt und die zweite Schicht mittels des Phasenwechselmediums eine gute thermische Anbindungen die Wärmesenke bewirken kann.
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1 zeigt drei Objekte, wobei ein erstes Objekt durch ein mit einer Keramikschicht beschichtetes Substrat ist, ein zweites Objekt weist zusätzlich eine Wärmesenke in Form eines Kühlkörpers auf, wobei Poren in der Keramikschicht mit einem festen wärmeleitfähigen Medium gefüllt sind und die Keramikschicht mit einer Wärmesenke verbunden ist, und ein drittes Objekt, bei dem die Poren mit einem insbesondere zäh-pastösen wärmeleitenden Medium gefüllt sind.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Leistungshalbleiter 1, welcher mit einem Substrat 3, insbesondere einem flach ausgebildeten Kupfersubstrat, wärmeleitend verbunden ist. Das Substrat weist beispielsweise eine Dicke von wenigstens einem halben Millimeter, vorzugsweise 3 bis 5 Millimeter auf.
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Der Halbleiter ist beispielsweise durch einen Transistor, insbesondere einen IGBT (IGBT = Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) gebildet.
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Das Substrat 3 ist mit einer Koppelfläche 4 mit einer Keramikschicht 5 verbunden. Die Keramikschicht 5 ist auf das Substrat 3 mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels Plasmaspritzen aufgebracht. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten für ein thermisches Spritzen sind ein atmosphärisches Plasmaspritzen (APS = Atmospherical-Plasma-Spray), Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF = High-Velocity-Oxy-Fuel), Suspensions-Flammspritzen (HVFSF = High-Velocity-Fuel-Suspensed-Flamespray) oder Kaltgasspritzen.
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Die Keramikschicht weist beispielsweise Di-Aluminiumtrioxid (Al2O3) oder Di-Chromtrioxid (Cr2O3) auf.
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Beispielsweise umfasst die Keramikschicht zwischen 1,5 und 6 Gewichts-Prozent Titandioxid, wobei der restliche Anteil zu 100 Gewichts-Prozent Aluminiumtrioxid ist.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst die Keramikschicht zwischen 15 und 35, oder beispielsweise 32 Gewichts-Prozent Magnesiumoxid, wobei der restliche Anteil zu 100 Gewichts-Prozent Aluminiumtrioxid ist.
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Die Keramikschicht weist Poren 7 auf, welche beim thermischen Spritzen entstanden sind. Die Poren 7 weisen beispielsweise ein Porenvolumen auf, welches zwischen 5 und 10% eines Volumens der Keramikschicht 5 beträgt.
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Der Leistungshalbleiter 1, das Substrat 3 und die Keramikschicht 5 mit den Poren 7 bilden zusammen ein Objekt 20.
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Dargestellt ist auch ein Objekt 22, umfassend den Leistungshalbleiter 1, welcher mit dem Substrat 3 verbunden ist. Auf das Substrat 3 ist eine Keramikschicht 5 mittels thermischen Spritzens aufgespritzt. Die in 1 in dem Objekt 20 dargestellten Poren 7 sind bei dem Objekt 22 mit einem festen Medium 10 gefüllt. Das feste Medium 10 ist beispielsweise Siliziumdioxid, oder ein Silikat, insbesondere ein Ester oder ein. Salz der Kieselsäure.
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Das Objekt 22 weist auch eine Wärmesenke 14, insbesondere einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper 14 ist mittels eines Wärmeleitmediums 12, beispielsweise einem Klebstoff, wobei der Klebstoff wärmeleitfähig ist, mit der Keramikschicht 5 verbunden. Das Wärmeleitmedium 12 ist beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet.
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Dargestellt ist auch ein Objekt 24. Das Objekt 24 weist den Leistungshalbleiter 1 auf, welcher mit dem Substrat 3 verbunden ist. Auf das Substrat 3 ist die Keramikschicht 5 mittels thermischen Spritzens aufgebracht. Die in 1 im Objekt 20 dargestellten Poren 7 sind bei dem Objekt 24 mit dem Wärmeleitmedium 12 gefüllt. Das Wärmeleitmedium 12 ist beispielsweise ein insbesondere niederviskoser Klebstoff, ein Paraffin, insbesondere ein Gemisch umfassend Alkane mit zueinander verschieden langen Kohlenstoffketten.
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Die Keramikschicht 5 weist eine Kühlfläche 11 auf, wobei die Kühlfläche 11 an einer Seite gebildet ist, welche zu einer mit der Koppelfläche 4 des Substrats 3 verbundenen Grenzfläche der Keramikschicht 5 gegenüberliegt.
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Die Kühlfläche 11 ist bei dem Objekt 24 mit einer Schicht benetzt, welche aus dem Wärmeleitmedium 12 gebildet ist. Das Objekt 24 weist auch die Wärmesenke 14, insbesondere den Kühlkörper auf, wobei die Wärmesenke 14 mit der Kühlfläche 11 über das Wärmeleitmedium 12 thermisch gekoppelt ist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Füllen der Poren, welche in dem keramischen Material, beispielsweise der in 1 dargestellten Keramikschicht 5 mittels thermischen Spritzens gebildet sind. Dazu wird in einem Schritt 30 das in 1 dargestellte Substrat mit der aufgespritzten Keramikschicht 5, welche die Poren 7 aufweist, in eine Vakuumkammer eingebracht. Anschließend wird in einem Schritt 32 die Vakuumkammer evakuiert, sodass auch die Poren 7 evakuiert sind. In einem Schritt 34 wird das Wärmeleitmedium, beispielsweise das in 1 dargestellte Wärmeleitmedium 12 auf die Kühlfläche 11 in einer Schicht aufgebracht. In einem Schritt 36 wird das Wärmeleitmedium mindestens bis zu seinem Schmelzpunkt hin, vorzugsweise über seinen Schmelzpunkt hinaus erwärmt.
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In einem Schritt 38 wird die Vakuumkammer wieder geöffnet oder mittels eines Ventils mit Gas, insbesondere Umgebungsluft oder mit einem gereinigten Gas, beispielsweise Stickstoff gefüllt. Während eines Ansteigens des Druckes in der Vakuumkammer wird das noch flüssige Wärmeleitmedium in die Poren gedrückt.
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Das Wärmeleitmedium als Paraffin weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt auf, welcher höher liegt als eine Raumtemperatur. Die Raumtemperatur beträgt beispielsweise zwischen 20 und 30 Grad Celsius.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Objekt 26, umfassend den Leistungshalbleiter 1, welcher mit dem Substrat 3 verbunden ist. Auf das Substrat 3 ist eine erste Keramikschicht 6 mittels thermischen Spritzens auf eine Koppelfläche 4 aufgespritzt. Die Keramikschicht 6 des Objekts 26 weist Poren 8 auf, die mit einem festen Medium 10 gefüllt sind. Das feste Medium 10 ist beispielsweise Epoxidharz, Siliziumdioxid, oder ein Silikat, insbesondere ein Ester oder ein Salz der Kieselsäure. Das Objekt 26 weit auch eine zweite Keramikschicht 9 auf, die auf die Keramikschicht 6 mittels thermischen Spritzens aufgespritzt ist, und deren Poren 7 mittels des Wärmeleitmediums 12, beispielsweise eines Phasenwechselmaterials gefüllt sind. Das Objekt 22 weist auch eine Wärmesenke 14, insbesondere einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper 14 ist mittels eines Wärmeleitmediums 12, beispielsweise Paraffin, mit der Keramikschicht 9 verbunden. Die an die Koppelfläche 4 aufgespritzte Keramikschicht, deren Poren 8 mit dem festen Medium gefüllt sind, bewirkt eine gute elektrische Isolierung der Wärmesenke 14 von dem Substrat 3. Die Keramikschicht 9, deren Poren mit dem Phasenwechselmaterial gefüllt sind, bewirkt eine gute thermische Anbindung an die Wärmesenke, da die Poren zusammen mit der Kühlfläche 11 eine große Oberfläche bilden, über die Wärme an die Wärmesenke abgeführt werden kann. Die Keramikschichten 6 und 9 können zusammen dünner sein als die Keramikschicht 5 in 1. Eine Dicke der Keramikschicht ist abhängig von einer zu isolierenden Spannung zwischen dem Kühlkörper und dem Substrat. Die Keramikschicht 5 oder die Keramikschichten 6 und 9 sind beispielsweise ausgebildet, eine Spannung von wenigstens einem halben Kilovolt zu isolieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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