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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Bauelement zum Tragen zumindest einer elektrischen Schaltung und zum Speichern elektrischer Energie und auf ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines derartigen elektronischen Bauelements.
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Energiespeicherung gewinnt durch die fortschreitende Ausstattung mit Mobilgeräten, die Entwicklung der EMobility und die Anwendung von energieautarken Systemen immer mehr an Bedeutung. Gleichzeitig rückt Baugrößen- und Kostenreduzierung zunehmend in den Blickpunkt. Energieautarke Systeme, beispielsweise als Signalgeber bestehend aus Sensor- und Aktorelementen, Elektroniken, Energiespeicher und kabellose Kommunikation werden oft in Baugrößen ähnlich der von SD- oder Chipkarten diskutiert. Die Speicherung der Energie erfolgt dabei zumeist auf chemischer Basis in Form von Primärzellen bzw. Batterien oder Sekundärzellen bzw. Akkumulatoren und wird als elektrische Energie an entsprechende Bauelemente abgegeben. Die Umwandlung der Energieformen durch das galvanische System erfolgt dabei basierend auf einer Redoxreaktion.
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Das Patent
US 7,624,499 B2 beschreibt die Einbringung einer geformten und gehausten Batterie in ein flexibles Substrat durch Montage der abgeschlossenen Batterie zwischen isolierende Schichten und Kontaktierung der Batterieanschlusskontakte.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein elektronisches Bauelement zum Tragen zumindest einer elektrischen Schaltung und zum Speichern elektrischer Energie und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements zum Tragen zumindest einer elektrischen Schaltung und zum Speichern elektrischer Energie gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein elektronisches Bauelement kann durch eine Verwendung geeigneter Materialien zur Herstellung einer galvanischen Zelle – z. B. in Form einer Dünnschichtbatterie – und die Anwendung einer speziellen Aufbau- und Verbindungstechnik sowohl zum Speichern elektrischer Energie als auch zum Tragen zumindest einer elektrischen Schaltung verwendet werden.
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Es wird ein optimiertes Verfahren vorgeschlagen, das die Realisierung einer Dünnschichtbatterie durch Verwendung kommerziell erwerblicher Materialien der Lithium-Ionen-Technologie, insbesondere Elektroden-Tapes, Separatoren und Elektrolyte, vereinfachen und vergünstigen kann. Einhergehend damit wird eine optimierte Bauform der galvanischen Zelle bzw. Dünnschichtbatterie vorgeschlagen.
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Das hierin vorgeschlagene Konzept beschreibt eine vorteilhafte Realisierung eines elektronischen Bauelements bzw. einer Dünnschichtbatterie durch eine direkte Verwendung von Materialien, insbesondere von Elektroden-Folien, Separatoren und Elektrolyten, wie sie in der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie Verwendung finden, bei gleichzeitiger Vereinfachung der Baugeometrie, indem u. A. auf eine aufwendig gefertigte Kavität verzichtet werden kann. Ein gemäß diesem Konzept gestaltetes elektronisches Bauelement kann als Träger von elektrischen Schaltungen und weiteren Bauelementen und gleichzeitig zur Speicherung von elektrischer Energie als chemische Energie gebunden in chemischen Redoxreaktionen eingesetzt werden.
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Wesentlicher Bestandteil des hier vorgeschlagenen Ansatzes ist der Konzeptvorteil, die zur Funktionalität der Dünnschichtbatterie erforderlichen Elektroden inklusive u. U. aufgebrachter Aktivmaterialien sowie den Separator losgelöst vom Bauelement in einem eigenständigen Prozessschritt extern herzustellen und zu optimieren. Dies umfasst insbesondere die Möglichkeit, kommerziell erwerbliche Materialien der Lithium-Ionen-Technologie, beispielsweise folienartige Elektroden, sogenannte Elektroden-Folien, Separatoren und darauf abgestimmte Elektrolyte in der Dünnschichtzelle zu verwenden und somit das Know-How als Schlüssel innovativer Batterietechnik beim Hersteller von Batteriematerialien und nicht beim Leiterplattenhersteller zu positionieren. Eine Vereinfachung und Vergünstigung des Bauteils ergeben sich durch ein optimiertes Design, z. B. indem auf das Einbringen pastenartiger Elektrodenmaterialien in Kavitäten verzichtet werden kann. Weiterhin können Prozessschritte optimiert werden, beispielsweise durch das Aufbringen planparalleler Schichten, die Schaffung von Raum für fluidische und elektrische Durchkontakte durch versetzte Strukturen und ggf. die Verwendung optimierter Materialien wie folienartige Verbundmaterialien und folienartige Elektroden mit batterietypischen Beschichtungen.
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Eine gemäß dem hier vorgestellten Konzept gefertigte Dünnschichtzelle zeichnet sich durch eine die Kompaktheit eines Gesamtsystems fördernde geringe Baugröße, eine hohe Packungs- oder Funktionsdichte bei gleichzeitiger Bereitstellung hoher Kapazitäten aus.
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Ein elektronisches Bauelement zum Tragen zumindest einer elektrischen Schaltung und zum Speichern elektrischer Energie weist die folgenden Merkmale auf:
eine erste plattenförmige, insbesondere folienartige, Elektrode und eine zweite plattenförmige, insbesondere folienartige, Elektrode;
ein Oxidationsmittel sowie ein Reduktionsmittel; und
eine erste Trägerschicht und eine zweite Trägerschicht, wobei die erste Trägerschicht, die erste plattenförmige Elektrode, die zweite plattenförmige Elektrode und die zweite Trägerschicht einen Stapel bildend planparallel übereinander angeordnet sind, und wobei eine erste Hauptseite der ersten Elektrode mit dem Oxidationsmittel oder dem Reduktionsmittel beschichtet ist und/oder eine erste Hauptseite der zweiten Elektrode mit dem Oxidationsmittel beschichtet ist, wenn die erste Elektrode mit dem Reduktionsmittel beschichtet ist oder mit dem Reduktionsmittel beschichtet ist, wenn die erste Elektrode mit dem Oxidationsmittel beschichtet ist, wobei die erste Hauptseite der ersten Elektrode der ersten Hauptseite der zweiten Elektrode zugewandt ist.
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Das elektronische Bauelement kann eine sehr kompakte Bauform aufweisen und vor allem in Mikrosystemen Anwendung finden. Insbesondere kann es sich bei dem elektronischen Bauelement um einen elektrochemischen Speicher handeln, der im fertigen Zustand eine starre z. B. rechteckige Plattenform aufweist, um zum Tragen einer oder mehrerer elektrischen Schaltungen geeignet zu sein. Das elektronische Bauelement kann dabei die Funktionen einer Batterie, eines Akkumulators oder eines Kondensators erfüllen. Die erste und die zweite Trägerschicht können eine Ober- und eine Unterseite des stapelförmig aufgebauten elektronischen Bauelements bilden. Dabei kann die erste Trägerschicht die Oberseite und die zweite Trägerschicht die Unterseite oder umgekehrt die erste Trägerschicht die Unterseite und die zweite Trägerschicht die Oberseite des stapelförmigen Bauelements bilden. Das elektronische Bauelement kann oberhalb bzw. unterhalb der ersten Trägerschicht und/oder oberhalb bzw. unterhalb der zweiten Trägerschicht eine beliebige Mehrzahl weiterer Trägerschichten aufweisen. Die erste und die zweite Trägerschicht können aus einem robusten und/oder nicht verformbaren Kunststoffmaterial bestehen und plattenförmig ausgebildet sein. Die Substratplatten können dabei groß genug ausgeformt sein, um die zwischen ihnen liegenden restlichen Elemente des elektronischen Bauelements geeignet zu schützen und um ausreichend fest zum Aufnehmen der zumindest einen elektrischen Schaltung zu sein. Die zwei Trägerschichten können jeweils eine Rechteckform aufweisen. Die erste und die zweite plattenförmige Elektrode können als Folie, also mit geringer Stärke und flexibel, ausgebildet sein. Die zwei plattenförmigen Elektroden können jeweils eine Rechteckform aufweisen. Für eine Funktionsfähigkeit des elektronischen Bauelements als galvanische Zelle oder als Redox-Flow-Zelle können das Oxidationsmittel und das Reduktionsmittel eine chemische Reaktion zur Erzeugung bzw. Speicherung elektrischer Energie in dem elektronischen Bauelement gewährleisten. Mittels der Beschichtung der einen plattenförmigen Elektrode mit dem Oxidationsmittel kann die Elektrode zum Aufnehmen von Elektronen eines Elektrolyts ausgelegt werden. Entsprechend kann die andere plattenförmige Elektrode mittels der Beschichtung mit dem Reduktionsmittel zum Abgeben von Elektronen eines Elektrolyts ausgelegt werden. Die erste Trägerschicht, die erste plattenförmige Elektrode, die Separatorschicht, die zweite plattenförmige Elektrode und die zweite Trägerschicht können in der genannten Reihenfolge den Stapel bildend planparallel so übereinander angeordnet sein, dass der Stapel eine z. B. rechteckige Plattenform aufweist, indem die Trägerschichten, die plattenförmigen Elektroden sowie die Separatorschicht jeweils eine Rechteckform ausbilden und sämtlich Kanten bzw. Ecken der Rechtecke deckungsgleich angeordnet sind. Insbesondere können die Trägerschichten, die plattenförmigen Elektroden sowie die Separatorschicht jeweils eine durchgängig gleiche Dicke aufweisen, also frei von Ausnehmungen und Kavitäten sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das elektronische Bauelement eine Separatorschicht aufweisen, die zum räumlichen und elektrischen Trennen der ersten plattenförmigen Elektrode von der zweiten plattenförmigen Elektrode zwischen der ersten plattenförmigen Elektrode und der zweiten plattenförmigen Elektrode angeordnet ist. Die Separatorschicht kann eine poröse Struktur aufweisen, die vorteilhafterweise für eine Funktionsfähigkeit des elektronischen Bauelements als galvanische Zelle oder als Redox-Flow-Zelle für einen Durchtritt von Ionen eines Elektrolyts zwischen der ersten und der zweiten Elektrode geeignet ist.
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Ferner kann eine der ersten Hauptseite gegenüberliegende zweite Hauptseite der ersten Elektrode mittels eines Haftmittels an der ersten Trägerschicht befestigt sein und/oder eine der ersten Hauptseite gegenüberliegende zweite Hauptseite der zweiten Elektrode mittels des Haftmittels an der zweiten Trägerschicht befestigt sein. Mit dieser Ausführungsform kann auf einfache und schnelle Weise eine korrekte und somit energieeffiziente Platzierung der Elektroden in dem Stapel gewährleistet werden.
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Auch kann das elektronische Bauelement ferner zumindest eine einen Duroplasten aufweisende Verbindungsschicht aufweisen. Die mindestens eine Verbindungsschicht kann zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und insbesondere zwischen der ersten Elektrode und der Separatorschicht planparallel zu dem Stapel angeordnet und ausgebildet sein, um die den Stapel bildenden Elemente fest miteinander zu verbinden. Mit dem Einsatz der mindestens einen Verbindungsschicht können alle Zellkomponenten des Stapels in einem einzigen Verfahrensschritt mit wenig Zeitaufwand zu einer einstückigen Komponente verbunden werden. Ferner mit Unterstützung des duroplastischen Materialzusatzes ohne Weiteres eine starre und damit hochrobuste Endbeschaffenheit des fertiggestellten elektronischen Bauelements realisiert werden, mit der sich das elektronische Bauelement insbesondere zum Tragen auch empfindlicher elektrischer und elektronischer Komponenten im Sinne einer Leiterplatte eignen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verbindungsschicht eine Öffnung zur Bildung eines Kanals zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, insbesondere zwischen der ersten Elektrode und der Separatorschicht, aufweisen. So kann auf einfache Weise eine Möglichkeit geschaffen werden, einen in den Stapel eingebrachten Elektrolyten mit beiden Elektroden zu kontaktieren und so die Funktionalität einer galvanischen Zelle in die stapelförmige Anordnung einzubringen.
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Ferner kann das elektronische Bauelement eine weitere den Duroplasten aufweisende Verbindungsschicht umfassen. Die weitere Verbindungsschicht kann benachbart zu der Verbindungsschicht angeordnet sein und eine weitere Öffnung aufweisen. Mit dieser Ausführungsform kann eine vorteilhafte Verdickung und damit Erhöhung einer Stabilität des Zellverbundes realisiert werden.
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Insbesondere kann das elektronische Bauelement zumindest eine Einfüllöffnung aufweisen. Die Einfüllöffnung kann sich von einer von dem Stapel abgewandten Außenseite der ersten Trägerschicht zu der zweiten Elektrode erstrecken kann. Alternativ oder zusätzlich kann sich die Einfüllöffnung von einer von dem Stapel abgewandten Außenseite der zweiten Trägerschicht zu der ersten Elektrode erstrecken. Die Einfüllöffnung kann ausgebildet sein, um ein Einfüllen eines fluidischen Elektrolyten in den Stapel, insbesondere in den Kanal zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, insbesondere zwischen der ersten Elektrode und der Separatorschicht, zu ermöglichen. Der Elektrolyt kann in flüssiger oder gelartiger Form zum Einfüllen durch die Einfüllöffnung vorliegen. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass der Elektrolyt erst am Ende oder nach einem Ende eines Fertigungsprozesses zur Herstellung des elektronischen Bauelements diesem zuzuführen ist. So kann der Fertigungsprozess schneller, kostengünstiger und risikoärmer bewerkstelligt werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform können sich die erste Elektrode und die zweite Elektrode in ihren Abmessungen unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich können die erste Elektrode und die zweite Elektrode lateral versetzt zueinander angeordnet sein. In beiden Fällen kann sich so ein lateraler Überstand der ersten Elektrode gegenüber der zweiten Elektrode oder der zweiten Elektrode gegenüber der ersten Elektrode bilden. Dabei kann die Einfüllöffnung in einem Abschnitt des Stapels positioniert sein, der sich im Bereich des lateralen Überstandes befindet. Diese Ausführungsform kann das Einfüllen des Elektrolyten in den Zellstapel erleichtern, da hier der Elektrolyt auf kürzestem Wege der durch die Öffnung in der Verbindungsschicht gebildeten Kavität bzw. dem Kanal zwischen den Elektroden zugeführt werden kann.
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Zusätzlich kann das elektronische Bauelement in dem Abschnitt des Stapels, der sich im Bereich des Überstandes befindet, ferner einen elektrischen Durchkontakt zum elektrischen Kontaktieren der der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode aufweisen. Der elektrische Durchkontakt kann ausgebildet sein, um sich von der Außenseite der ersten Trägerschicht zu der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode zu erstrecken. So kann die zweite Elektrode ohne Weiteres ohne das Risiko eines Kurzschlusses kontaktiert werden.
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Ein Herstellungsverfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements zum Tragen zumindest einer elektrischen Schaltung und zum Speichern elektrischer Energie weist die folgenden Schritte auf:
Bereitstellen einer ersten Trägerschicht und einer zweiten Trägerschicht, einer ersten plattenförmigen Elektrode mit einer Beschichtung aus einem Oxidationsmittel einem Reduktionsmittel und einer zweiten plattenförmigen Elektrode mit einer Beschichtung aus dem Oxidationsmittel oder dem Reduktionsmittel; ; und
Planparalleles Anordnen zum Bilden eines Stapels aus der ersten Trägerschicht, der ersten plattenförmigen Elektrode, der zweiten plattenförmigen Elektrode und der zweiten Trägerschicht.
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Das Herstellungsverfahren kann zum Herstellen eines elektronischen Bauelements gemäß einer der vorangegangenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Das Herstellungsverfahren eignet sich zur Anwendung in einer ganz oder teilweise automatisierten Fertigungsstraße zur effizienten Produktion einer Vielzahl der erfindungsgemäßen elektronischen Bauelemente.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1–3 Beispiele chemischer Energiespeicher in kleinen Baugrößen;
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4 einen Querschnitt durch eine einlagige Leiterplatte gemäß dem Stand der Technik;
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5 einen Querschnitt durch eine mehrlagige Leiterplatte gemäß dem Stand der Technik;
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6 eine perspektivische Darstellung eines Aufbaus eines elektronischen Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 eine perspektivische Darstellung des elektronischen Bauelements aus 6 nach der Fertigstellung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 einen Querschnitt durch das elektronische Bauelement aus 6 vor einem Einfüllen eines Elektrolyts, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 einen Querschnitt durch das elektronische Bauelement aus 6 nach einem Einfüllen eines Elektrolyts, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 einen Querschnitt durch das elektronische Bauelement aus 6 mit einem Durchkontakt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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11 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelements, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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In den nachfolgenden Figuren werden das erfinderische Zelldesign und ein entsprechender AVT-Prozess für den hierin vorgeschlagenen Schaltungsträger mit chemischem Energiespeicher anschaulich erläutert.
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1 bis 3 zeigen Beispiele chemischer Energiespeicher in kleinen Baugrößen, die heutzutage in vielen Geräten insbesondere der Comsumer- Elektronik eingesetzt werden.
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1 zeigt eine beispielhafte Echtzeituhrplatine gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine beispielhafte Steuereinheit gemäß dem Stand der Technik.
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In der Consumer-Elektronik, z. B. bei Mobilgeräten, sind gegenwärtig Akkumulatoren der Lithium-Ionen-Technologie u. A. aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Langlebigkeit am weitesten verbreitet. In modernen Smartphones nehmen diese – inklusive Kontaktleiste zur Kontaktierung des Akkus – in der Regel über 30 % des Gesamtvolumens des Gerätes ein. Bei kleinen Systembaugrößen finden oft – wie in den 1 und 2 gezeigt – Knopfzellen in Primär- oder Sekundärausführung Anwendung, deren Dimensionen kapazitätsabhängig üblicherweise zwischen 5 und 20 mm Durchmesser und 2 und 5,4 mm Dicke variieren.
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3 zeigt eine beispielhafte Dünnschichtbatterie gemäß dem Stand der Technik.
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Zur weiteren Verringerung der Baugröße der chemischen Energiespeicher, vor allem für Anwendungen in Mikrosystemen, gibt es Aktivitäten zur Realisierung von Dünnschichtbatterien. Die Batterieschichten – Elektroden, Separator, Elektrolyt – haben dabei typische Dicken von wenigen Hundert Mikrometern und können u. A. direkt auf MEMS- oder Elektronik-Chips aufgebracht werden.
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4 zeigt anhand einer Querschnittdarstellung einen beispielhaften schematischen Aufbau einer zweilagigen Leiterplatte 400 mit zwei Metalllagen gemäß dem Stand der Technik als Schaltungsträger. Schaltungsträger in Form der Leiterplatte bzw. dem PCB 400 (PCB = Printed Circuit Board) kommen häufig als Substrat für die Aufbau- und Verbindungstechnik von Sensor- und Aktorsystemen sowie Elektroniken zum Einsatz. Wie die Darstellung in 4 zeigt, ist ein aus einem Duroplasten gebildeter Leiterplattenkern 402 zumindest teilweise mit einem Lötstopplack bzw. Isolationslack 404 beschichtet. An vom Isolationslack 404 freien Stellen bilden Metalllagen auf dem Kern 402 Anschlusspads 406 an der Leiterplattenober- und -unterseite sowie elektrische Durchkontakte 408 des Schaltungsträgers 400. Die Durchkontakte 408 können randmetallisiert oder verfüllt sein.
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5 zeigt anhand einer weiteren Querschnittdarstellung einen beispielhaften schematischen Aufbau einer mehrlagigen Leiterplatte 500 gemäß dem Stand der Technik als Schaltungsträger. Die Leiterplatte 500 weist eine Mehrzahl von übereinander angeordneten duroplastischen Lagen 402 mit Metalllagen auf, die mittels zwischen ihnen angeordneten vorimprägnierten Fasern, sogenannten Prepregs, 502 laminiert sind. Die duroplastischen Lagen bzw. Epoxidharzlagen 402 sind von Glasfasern durchzogen – z. B. in Form von Epoxidharz-getränkten Glasfasermatten – und dienen vor allem der Leiterplatten-Stabilität und als Träger der Leiterbahnen bzw. der Durchkontakte 408. Die auf den Epoxidharzlagen 402 angeordneten Metalllagen dienen zur Erstellung von Umverdrahtungen und Anschlusspads 406 sowie der Durchkontakte bzw. Hohlvias 408, die randmetallisiert oder verfüllt bzw. metallisch vollgefüllt vorliegen können. Bei den zum Verpressen der Lagen 402 verwendeten Prepregs 502 handelt es sich um eine ungehärtete duroplastische Kunststoffmatrix, die beim Verpressen aushärtet.
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Bezogen auf die Darstellung in den 4 und 5 betragen Standarddicken für die Epoxidharzkerne 402 50 bis 710 µm. Typische Prepregdicken liegen bei 50 bis 180 µm. Die laterale Größe der Leiterplatten 400, 500 wird zumeist über das Schaltungs- und Bestückbild an der Oberfläche festgelegt, ohne dass – außer für die Durchkontakte 408 – innerhalb der Leiterplatte 400, 500 eine hohe Integrationsdichte notwendig ist.
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6 zeigt anhand einer perspektivischen Darstellung schematisch einen Aufbau eines elektronischen Bauelements 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 6 zeigt gut den stapelförmigen Aufbau des elektronischen Bauelements 600, indem die einzelnen Komponenten bzw. Lagen des Bauelements 600, die im fertigen Zustand des Bauelements 600 direkt aufeinander liegen, hier auseinandergezogen dargestellt sind. Das elektronische Bauelement 600 dient als Schaltungsträger und liegt in Form einer Dünnschichtbatterie bzw. eines Dünnschichtakkumulators vor. Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das elektronische Bauelement 600 eine erste Trägerschicht 602, eine zweite Trägerschicht 604, eine erste plattenförmige Elektrode 606, eine zweite plattenförmige Elektrode 608, eine Separatorschicht 610 sowie vier einen Duroplasten aufweisenden Verbindungsschichten 612. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann das elektronische Bauelement 600 auch lediglich eine Verbindungsschicht 612 oder mehr als vier Verbindungsschichten 612 aufweisen.
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Wie die Darstellung in 6 zeigt, bilden die Trägerschichten 602, 604 die Außenseiten des elektronischen Bauelements 600 bzw. bildet bei dem in der Darstellung gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Trägerschicht 602 eine Oberseite und die zweite Trägerschicht 604 eine Unterseite des Bauelements 600. Die erste plattenförmige Elektrode 606 und die zweite plattenförmige Elektrode 608 sind als Elektroden-Tapes bzw. Folienelektroden ausgeführt, zeichnen sich also durch eine sehr geringe Dicke bzw. Stärke aus. Sowohl die erste Elektrode 606 als auch die zweite Elektrode 608 verfügen über einen Kontakt bzw. ein Anschlusspad 614 zum Anschließen weiterer Komponenten.
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Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Dünnschichtzelle 600 erfüllt die erste Elektrode 606 die Funktion der Kathode und ist an einer den Verbindungsschichten 612 zugewandten ersten Hauptseite 616 mit einem Reduktionsmittel beschichtet. Die zweite Elektrode 608 erfüllt entsprechend die Funktion der Anode und ist an ihrer ebenfalls den Verbindungsschichten 612 zugewandten ersten Hauptseite 618 mit einem Oxidationsmittel beschichtet. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Funktionen und entsprechenden Beschichtungen umgekehrt auf die Elektroden 606, 608 verteilt.
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Mittels eines hier ebenfalls schichtförmig vorliegenden Haftmittels 620 ist die erste Elektrode 606 mit einer der ersten Hauptseite 616 gegenüber liegenden zweiten Hauptseite 622 an einer dem Zellstapel zugewandten Innenseite der ersten Trägerschicht 602 fixiert und die zweite Elektrode 608 mit einer der ersten Hauptseite 618 gegenüber liegenden zweiten Hauptseite 624 an einer dem Zellstapel zugewandten Innenseite der zweiten Trägerschicht 604 fixiert. Die Separatorschicht bzw. der Separator 610 ist benachbart zu der zweiten Elektrode 608 in dem Zellstapel angeordnet und ausgebildet, um die Elektroden 606, 608 mit ihren Aktivmaterialien räumlich und elektrisch voneinander zu trennen. Für die Ermöglichung eines Ionentransports eines Elektrolyten weist die Separatorschicht 610 zur Darstellung von Kavitäten zwischen den Aktivmaterialien eine poröse Struktur auf. So ist der Separator 610 beispielsweise aus einem mikroporösen Kunststoff oder einem Vlies aus Glasfaser oder Polyethylen entsprechend Lithium-Ionen-Technologie gebildet.
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Die zwischen der ersten Elektrode 606 und dem Separator 610 in dem Zellstapel der Dünnschichtbatterie 600 angeordneten vier Verbindungsschichten 612 weisen je eine Öffnung 626 zur Bildung eines Kanals zum Führen eines Elektrolyten zwischen der ersten Elektrode 606 und der zweiten Elektrode 608 auf.
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Wie die Darstellung in 6 zeigt, sind sämtliche Komponenten 602, 604, 606, 608, 610, 612, 620 des Zellstapels des hier gezeigten Ausführungsbeispiels des elektronischen Bauelements 600 in dünnen Schichten bzw. Platten ausgeführt. Sämtliche Schichten bzw. Platten weisen eine Rechteckform auf, wobei hier die Elektroden 606, 608 und die Separatorschicht 610 gegenüber den übrigen Komponenten geringere Abmessungen sowohl in der Länge als auch in der Breite aufweisen. Auch die Öffnungen 626 der duroplastischen Verbindungsschichten 612 sind rechteckig ausgeformt und entsprechen in ihren Abmessungen in etwa denen der Elektroden 606, 608 sowie des Separators 610. Die Öffnungen 626 sind so in den Verbindungsschichten 612 platziert, dass sie bei Fertigstellung des elektronischen Bauelements 600 einen Kanal zwischen den Elektroden 606, 608 bilden. Gemäß Ausführungsformen des elektronischen Bauelements 600 können die Öffnungen 626 unterschiedliche geometrische Formen oder Positionen in der jeweiligen Verbindungsschicht 612 oder unterschiedliche Größen aufweisen, um dem Kanal eine spezifizierte Form zu verleihen.
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Die Darstellung in 6 zeigt deutlich, dass alle Komponenten 602, 604, 606, 608, 610, 612, 620 des PCB-Dünnschichtbatterie-Stacks 600 planparallel zueinander angeordnet sind. Die Planparallelität bezieht sich dabei auf eine mittels eines Doppelpfeils in der Darstellung gekennzeichnete Haupterstreckungsebene 628 entlang von Hauptseiten der Komponenten 602, 604, 606, 608, 610, 612, 620. Bei den Hauptseiten handelt es sich um sich gegenüberliegende Seiten der Zellkomponenten 602, 604, 606, 608, 610, 612, 620 mit einer größeren Ausdehnung als die restlichen Seiten.
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Wie bereits erläutert, umfasst das hierin vorgeschlagene Zellkonzept und die daraus folgende Geometrie mindestens die erste und zweite schichtweise angeordnete Substratebene 602, 604, zwischen denen sich die mindestens zwei schichtweise angeordneten Elektrodenfolien 606, 608 befinden. (z. B. Kupfer und Aluminium). Die Elektrodenfolien können z. B. aus Kupfer bzw. Aluminium gebildet sein und sind mit einem batterietypischen Elektrodenverbund für die Anode 608 bzw. die Kathode 606 versehen, der u. A. als Folie, abgeschiedene, aufgewachsene, gedruckte oder aufgerakelte Schicht vollflächig, porös, oder schwammartig ausgeführt sein kann. Mindestens eine der Materialkomponenten je Elektrode 606, 608 kann dabei sowohl als Oxidationsmittel als auch als Reduktionsmittel fungieren und somit Ionen bzw. Elektronen sowohl aufnehmen als auch abgeben. Beispielsweise handelt es sich bei der positiven Elektrode 608 um Aluminium mit einem lithiumhaltigen Übergangsmetalloxid, z. B. Lithiumcobaltoxid, als Beschichtung. Die negative Elektrode 606 besteht beispielsweise aus Kupfer, das mit einer Graphitbeschichtung versehen ist.
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Aluminium und Kupfer fungieren dabei als Elektronenableiter bzw. Elektronensammler. Die schichtweise angeordneten Elektronen leitenden Elektroden 606, 608 inklusive der aufgebrachten Aktivmaterialien bedecken die Innenflächen der Trägerschichten 602, 604 zumindest teilweise und sind in der in 6 gezeigten Ausführungsform rückseitig 622, 624 mit den Klebeschichten 620, z. B. einem Epoxy-Kleber, fixiert. Die Fixierung ist auf jeden Fall derart realisiert, dass die Aktivmaterialien sich schichtweise gegenüberliegen.
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Gemäß Ausführungsformen sind die Leiterplatten bzw. Trägerschichten 602, 604 aus einem glasfaserverstärkten Epoxid-Kunststoff gefertigt. Zur Isolierung der chemischen Zelle 600 nach außen können weitere Metallisierungslagen parallel oder weitestgehend senkrecht zu den Elektroden 606, 608 derart eingebracht werden, dass sie die Zelle 600 zur umgebenden Atmosphäre nahezu vollständig abschließen bzw. abdichten, vor allem gegen Feuchte.
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7 zeigt in einer perspektivischen Darstellung das Ausführungsbeispiel des elektronischen Bauelements 600 aus 6 nach dem Verpressen. Der in der Darstellung gezeigte jetzt einstückige Stack bzw. Stapel der Dünnschichtzelle 600 besteht aus den Substratplatten 602, 604 sowie den in 6 gezeigten zwischen den Substratplatten 602, 604 angeordneten Zell-Komponenten und wurde in einem Laminations- bzw. Verpressschritt eines Verfahrens zum Herstellen des elektronischen Bauelements 600 mittels den Prepreg- bzw. Epoxy-Schichten 612 verklebt. Die Prepreg-Verbindungsschichten 612 werden dabei derart um die Zell-Anordnung gelegt, dass außer dem in der Erläuterung zu 6 erwähnten Kanal keine weiteren Kavitäten entstehen.
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Die fertiggestellte Dünnschichtzelle 600 weist eine gleichmäßige, flache Quaderform auf. Seitlich stehen die zwei Anschlusspads 614 zum Kontaktieren der Dünnschichtzelle 600 mit weiteren Komponenten, z. B. einer weiteren Dünnschichtzelle, vor. In einem weiteren Prozessschritt des Herstellungsverfahrens wurde der Stack durch die erste Trägerschicht 602 mit zwei Einfüllöffnungen 700 zum Einfüllen eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten in die Zelle 600 versehen. Hierauf wird anhand der nachfolgenden 8 und 9 noch ausführlicher eingegangen.
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8 zeigt anhand einer Querschnittdarstellung einen Abschnitt des in 7 perspektivisch gezeigten Ausführungsbeispiels der verpressten Dünnschichtzelle 600. In der Darstellung ist das elektronische Bauelement bzw. die Dünnschichtzelle 600 vor einem Einfüllen eines Elektrolyten durch die Einfüllöffnungen 700, von denen hier eine dargestellt ist, gezeigt.
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Das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel des elektronischen Bauelements 600 weist die Besonderheit auf, dass die erste Elektrode 606 mit geringeren Abmessungen als die zweite Elektrode 608 ausgeführt und nicht mittig, sondern seitlich im Zellstapel angeordnet ist. Somit erstreckt sich die erste Elektrode 606 entlang der Erstreckungsrichtung nur durch einen Teil der Dünnschichtzelle 600. Die Darstellung zeigt auch, dass die Einfüllöffnung 400 in einem Abschnitt des Zellstapels angeordnet ist, in den sich die erste Elektrode 606 nicht erstreckt. Somit wird die erste Elektrode 606 nicht von der Einfüllöffnung 700 berührt. Ferner zeigt die Darstellung in 8 die Beschichtung der ersten Elektrode bzw. Kathode 606 mit einem Reduktionsmittel 800 und die Beschichtung der zweiten Elektrode bzw. Anode 608 mit einem Oxidationsmittel 802.
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Aus 8 ist ersichtlich, dass sich die Einfüllöffnung 700 von oben von einer Außenseite der ersten Trägerschicht 602 durch die erste Trägerschicht 602, die verpresste Verbindungsschicht 612, die Separatorschicht 610 und die Oxidationsmittelschicht 802 bis zu der zweiten Elektrode 608 erstreckt. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel des elektronischen Bauelements 600 erstreckt sich die Einfüllöffnung 700 geradlinig und mit gleichbleibendem Durchmesser quer zu der Erstreckungsrichtung 628 des Zellstapels. Der oben erwähnte durch die Öffnungen in der Verbindungsschicht 612 gebildete Kanal zum Führen eines Elektrolyts ist Teil der Einfüllöffnung 700.
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Gemäß Ausführungsformen des elektronischen Bauelements 600 erstreckt sich die mindestens eine Einfüllöffnung 700 in Form einer Durchgangsöffnung von der Außenfläche des Schaltungsträgers 600 durch mindestens eine Substratebene, d. h. Elektrodenfolie 606 und Elektroden-Aktivmaterial 800, und den Separator 610 bis zur gegenüberliegenden Substratebene. Im Falle der Verwendung einer Kupfer-Ableiterfolie kann diese vorteilhafterweise direkt als Bohr-Stopp im Rahmen eines Laser-Bohrverfahrens verwendet werden. Die Durchführung 700 erlaubt das Einfüllen eines flüssigen oder gelartigen Elektrolyten nach abgeschlossener Fertigung der Leiterplatte 600 und/oder sogar nach weiteren Bestück- und Lötprozessen.
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9 zeigt anhand einer weiteren Querschnittdarstellung den Abschnitt des in 7 perspektivisch gezeigten Ausführungsbeispiels der verpressten Dünnschichtzelle 600 nach einem Prozessschritt des Befüllens des Stacks mit einem Elektrolyten 900.
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Die Darstellung in 9 zeigt, dass als Ergebnis des Prozessschritts des Befüllens die Kavitäten bzw. Hohlräume des Stacks, welche sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zumindest teilweise durch eine räumliche Ausdehnung des porösen Separators 610 ergeben, zumindest teilweise derart mit dem Elektrolyten 900 als Ionen leitendes Material gefüllt sind, dass ein Ionenaustausch zwischen den Elektroden 606, 608 ermöglicht wird, wobei der Ionentransport über den Ionenleiter erfolgt. Nach dem Einfüllen des Elektrolyten 900 wurde die Einfüllöffnung 700 mittels Aufbringen einer Abdeckschicht 902 versiegelt, um ein späteres Auslaufen des Elektrolyten 900 zu verhindern.
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Gemäß Ausführungsformen kann mit mindestens einer weiteren Durchgangsöffnung 700 die Befüllung mit dem Elektrolyten 900, beispielsweise auch unter Vakuum, verbessert werden. Wie in den 8 und 9 gezeigt, ist gemäß Ausführungsbeispielen mindestens eine der beiden Elektrodenfolien, die die Elektrodenfolie 608, lateral zumindest in einem Teilbereich des Stacks weiter ausgedehnt und überragt die andere Elektrodenfolie, hier die Elektrodenfolie 606. In diesem überragenden Bereich sind die mindestens eine Öffnung 700 für das Befüllen mit dem Elektrolyten 900 bzw. gemäß weiteren Ausführungsformen elektrische Durchkontakte für das Kontaktieren der überragenden Elektrode 608 vorgesehen. Hierauf wird anhand 10 noch genauer eingegangen. Die Leiterplattenlagen 602, 604 sind als weitestgehend planparallele Lagen ohne weitergehende vertiefende Strukturierungen ausgeführt. Die folienähnlichen Elektroden 606, 608 liegen weitestgehend plan auf den Leiterplattenlagen 602, 604 auf. Der Bereich zwischen den Leiterplattenlagen 602, 604, der nicht durch die folienartigen Elektroden 606, 608, deren Beschichtungen 800, 802 oder den Separator 610 belegt ist, wird durch das Prepreg- bzw. Epoxidmaterial 612 ausgefüllt, das bei der Herstellung der Zelle 600 in einem thermischen Prozess unter mechanischem Druck derart verpresst wurde, dass es den Stack mechanisch fest miteinander verbindet.
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10 zeigt anhand einer weiteren Querschnittdarstellung einen Abschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Dünnschichtzelle 600. Der Querschnitt zeigt das elektronische Bauelement mit der Durchgangsöffnung bzw. Einfüllöffnung 700 sowie dem weiteren Merkmal eines Durchkontakt-Anschlusses 1000. Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel der Dünnschichtzelle 600 ist der Durchkontakt 1000 wie die Einfüllöffnung 700 in dem Abschnitt des Stapels vorgesehen, der frei von der ersten Elektrode 606 ist. Der elektrische Durchkontakt 1000 erstreckt sich von der Außenseite der ersten Trägerschicht 602 zu der zweiten Elektrode 608 und verläuft ebenfalls geradlinig und mit gleichbleibendem Durchmesser quer zu der Erstreckungsrichtung 628 des Zellstapels. Gemäß Ausführungsformen ist die Dünnschichtzelle 600 mit einer Mehrzahl elektrischer Durchkontakte 1000 ausgestattet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht der elektrische Kontakt 1000 aus der Elektrodenfolie 608 selbst, die ja aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist. Gemäß Ausführungsbeispielen führt der Durchkontakt 1000 ohne weitere Kontakt- oder VerbundsteIlen als durchgängige Metallisierung zu weiteren Elektroden innerhalb des Schaltungsträgers 600, zu den in 4 gezeigten Anschlusspadflächen an den Außenflächen oder zur weiteren Verschaltungen innerhalb des Schaltungsträgers 600. Die weiteren Verschaltungen können dann der Kontaktierung weiterer Zellen, elektronischer Schaltungen, beispielsweise DC/DC-Schaltungen, der Kontaktierung von Sensoren, besonders MEMS-Sensoren, Energie Harvestern und der Kontaktierung nach außen, z. B. von Lötkontakten, dienen.
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11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Herstellungsverfahrens 1100 eines elektronischen Bauelements, beispielsweise eines Ausführungsbeispiels der in den vorangegangen 1 bis 10 gezeigten Dünnschichtzelle. In einem Schritt 1102 werden zumindest eine erste Trägerschicht, eine zweite Trägerschicht, eine mit einem Oxidationsmittel oder Reduktionsmittel beschichtete erste plattenförmige Elektrode, eine mit einem Oxidationsmittel oder Reduktionsmittel beschichtete zweite plattenförmige Elektrode sowie eine Separatorschicht zum räumlichen und elektrischen Trennen der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode und ferner Verbindungsschichten zum Verbinden der Zellkomponenten bereitgestellt. In einem Schritt 1104 werden alle Komponenten stapelförmig planparallel angeordnet. In einem Schritt 1106 erfolgt ein Verpressen der planparallelen Stapelkomponenten zur einstückigen Dünnschichtzelle mittels der Verbindungsschichten. In einem Schritt 1108 werden Einfüllöffnungen von einer Außenseite der Zelle zum Einfüllen eines Elektrolyten in die Zelle vorgesehen. In einem Schritt 1110 wird ein Elektrolyt durch die Einfüllöffnungen eingefüllt und diese anschließend mit einer Abdeckschicht versiegelt.
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Der hierin vorgestellte Ansatz kann vor allem bei energieautarken Systemen im Automotive- oder Consumer-Bereich eingesetzt werden und kann am Erzeugnis durch die Anfertigung eines Schliffes oder durch Öffnen des Schaltungsträgers nachgewiesen werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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