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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Schaltungsträgers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2015 200 989 A1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich durch einen sandwichartigen Aufbau des Schaltungsträgers aus, wobei in einer als Durchgangsöffnung ausgebildeten Aufnahme einer Zwischenschicht ein elektronisches Bauelement angeordnet ist. Weiterhin ist die das elektronische Bauelement umgebende Aufnahme durch zusätzliche Aussparungen derart erweitert, dass Depots zur Aufnahme von Lot ausgebildet werden, wobei das Lot der elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauelements mit wenigstens einer elektrisch leitenden Schicht dient. Auch umfasst der sandwichartige Aufbau des Schaltungsträgers beidseitig der Zwischenschicht jeweils eine aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schicht sowie eine elektrisch leitende Schicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zum Ausbilden eines Schaltungsträgers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Haftung und Verbindung der einzelnen, sandwichartig übereinander gestapelten Schichten des Schaltungsträgers verbessert sowie ein besseres Ausfüllen von Spalten, Lücken usw., insbesondere im Bereich des elektronischen Bauelements ermöglicht wird.
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Die Erfindung schlägt hierzu vor, während des Prozessschritts des Verbindens der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers und des Ausbildens der elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauelements auf die Schichten des Schaltungsträgers einen mechanischen Druck auszuüben, der senkrecht zu den Ebenen der miteinander zu verbindenden Schichten verläuft. Damit wird insbesondere bei Verwendung von sogenannten Prepregs, welche eine mit Harz, insbesondere einem Harz getränkte Gewebestruktur aufweisen, ein Verdrängen des Harzes aus dem Gewebe (unter Berücksichtigung geeigneter Prozessparameter hinsichtlich des mechanischen Drucks sowie der Temperatur) ermöglicht, wobei das Material (Harz) der Prepregs einerseits die einzelnen Schichten des Schaltungsträgers in Art eines Laminierprozesses miteinander fest verbindet, und andererseits aus dem Prepreg verdrängtes Harz kleinste Lücken, Spalte usw. im Schaltungsträger ausfüllt. Wesentlich erscheint darüber hinaus, dass es das erfindungsgemäße Verfahren, im Gegensatz zum eingangs genannten Verfahren, nicht erfordert, dass im Bereich der Zwischenschicht zusätzliche Freiräume oder Ähnliches zur Ausbildung von Lotdepots ausgebildet werden. Vielmehr kann eine der elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauelements dienende Verbindungsschicht beispielsweise in Form eines elektrischen Leitklebers, eines zwischen dem elektronischen Bauelement und der Zwischenschicht angeordneten Lots oder Ähnlichem als Fügewerkstoff erfolgen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ausbilden eines Schaltungsträgers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verbindungsschicht für das elektronische Bauelement auf dem Grund der als Vertiefung in der Zwischenschicht ausgebildeten Aufnahme aufgebracht wird. Eine derartige Ausgestaltung des Verfahrens hat insbesondere den Vorteil, dass das Anordnen der Verbindungsschicht in einem vorgelagerten Fertigungsschritt erfolgen kann, wobei die Zwischenschicht gleichzeitig mit ihrem Grund die benötigte (ebene) Auflage bzw. den Untergrund für die Verbindungsschicht ausbildet. Bei der Verbindungsschicht kann es sich, wie bereits erläutert, beispielsweise um ein Lot, um einen leitfähigen Kleber oder um einen sonstigen geeigneten Fügewerkstoff handeln, der insbesondere unter Einwirkung von Wärme aktiviert bzw. verflüssigt wird. Der Fügewerkstoff kann auch bereits Bestandteil der miteinander zu verbindenden Fügepartner sein oder auf zumindest einem der Fügepartner aufgebracht sein, so dass ein Diffusionslöten ermöglicht wird. Auch ist es denkbar, beispielsweise durch zusätzliche Partikel in der Verbindungsschicht die Verbindungsschicht während des Ausbildens der elektrischen Verbindung zu dem elektronischen Bauelement insbesondere zu versintern, um damit ggf. bevorzugte elektrische bzw. mechanische Eigenschaften der Verbindung zu erzielen.
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Um eine mediendichte Anordnung des elektronischen Bauelements innerhalb des Schaltungsträgers zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass die elektrisch leitenden Schichten auf der den elektrisch isolierenden Schichten abgewandten Seite der Zwischenschicht angeordnet werden, und dass die elektrisch isolierenden Schichten eine das elektronische Bauelement und die Zwischenschicht umgebende Umhüllung ausbilden. Eine derartige Umhüllung wird bei der Verwendung der angesprochenen Prepregs dadurch erzielt, dass die Zwischenschicht bei der Fertigung innerhalb eines Nutzens angeordnet ist, wobei der Nutzen eine Vielzahl von Zwischenschichten für jeweils einen Schaltungsträger aufweist, und wobei zwischen den einzelnen Zwischenschichten des Nutzens seitliche Spalte ausgebildet sind, die beim Verpressen bzw. Laminieren mit dem Prepregs von dem (verflüssigten) und verdrängten Harz der Prepregs ausgefüllt werden und dadurch die Seitenflächen des Schaltungsträgers mediendicht versiegeln.
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Zur elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauelements von der der Zwischenschicht abgewandten Seite stehen grundsätzlich mehrere Verfahren zur Verfügung. Bei einem ersten Verfahren, das es ermöglicht, die elektrischen Kontaktierungen zum elektronischen Bauelement nach dem Fügen bzw. Verpressen des Schaltungsträgers auszubilden, ist es vorgesehen, dass die elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements in einem separaten Prozessschritt erfolgt, der nach dem Prozessschritt des Verbindens der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers erfolgt. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass zum Ausbilden der elektrischen Kontaktierungen die elektrisch leitende und die elektrisch isolierende Schicht auf der der Vertiefung der Aufnahme gegenüberliegenden Seite des elektronischen Bauelements bereichsweise freigelegt werden und die freigelegten Bereiche durch ein elektrisch leitfähiges Medium, insbesondere ein Lot oder einen Leitkleber, ausgefüllt werden. Alternativ ist auch das Ausfüllen der freigelegten Bereiche durch einen galvanischen Prozess möglich, bei dem Kupfer die freigelegten Bereiche beschichtet bzw. ausfüllt. Dadurch wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem elektronischen Bauelement und der elektrisch leitenden Schicht durch die elektrisch isolierende Schicht hindurch ermöglicht.
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Alternativ ist es jedoch auch denkbar, die elektrische Kontaktierung des Bauelements auf der der Aufnahme abgewandten Seite des Bauelements gleichzeitig mit dem Prozessschritt des Verbindens der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers auszubilden. Hierzu ist es vorgesehen, dass zumindest in der elektrisch isolierenden Schicht, die zwischen dem Bauelement und der elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist, Öffnungen ausgebildet werden, die von elektrisch leitendem Material ausgefüllt werden. Dieses elektrisch leitende Material wird beispielsweise durch selektives Beschichten im Bereich der Öffnungen auf das Bauelement aufgebracht und füllt beim Verpressen der einzelnen Schichten die Öffnungen in der elektrisch leitenden Schicht aus und kontaktiert dabei das Bauelement elektrisch mit der oberhalb der elektrisch isolierenden Schicht angeordneten elektrisch leitenden Schicht.
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Darüber hinaus kann es alternativ bzw. zusätzlich (je nach verwendetem elektronischen Bauelement) erforderlich sein, das elektronische Bauelement von der Seite der Vertiefung in der Zwischenschicht an mehreren Stellen her elektrisch zu kontaktieren. Hierzu ist es in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass vom Grund der Vertiefung der Zwischenschicht Durchgangsöffnungen ausgehen, die während des Prozessschritts des Verbindens der Schichten des Schaltungsträgers von dem Material der elektrisch isolierenden Schicht (Harz) ausgefüllt werden. Dadurch wird eine an mehreren Kontaktstellen des Bauelements ausgebildete elektrische Kontaktierung zwischen dem elektronischen Bauelement und der elektrisch leitenden Zwischenschicht ermöglicht.
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Wie bereits mehrfach erwähnt, findet als elektrisch isolierende Schicht vorzugsweise ein (vorgefertigtes) Prepreg Verwendung. Ein derartiges, mit einem Harz getränktes Gewebe hat den Vorteil, dass es sich unter dem Einfluss von Wärme und mechanischem Druck beginnt zu verflüssigen, wobei das Harz aus dem Gewebe teilweise verdrängt wird und in Zwischenräume eindringt und diese elektrisch isolierend ausfüllt. Weiterhin verbindet das Harz nach dem Erstarren bzw. Abkühlen die einzelnen Schichten des Schaltungsträgers miteinander.
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Insbesondere bei der Verwendung der angesprochenen Prepregs hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Druck bis zu etwa 30bar beträgt.
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Ebenso ist es bei der Verwendung der Prepregs einerseits zum Verdrängen des Harzes, und andererseits zum Ausbilden der elektrischen Verbindung zum elektronischen Bauelement über die Verbindungsschicht und/oder ggf. vorhandenen Leitkleber und/oder Lot von Vorteil, wenn die Temperatur während des Prozessschritts zum Verbinden der einzelnen Schichten zwischen 150°C und 280°C beträgt. Hierbei ist selbstverständlich neben der Temperatur auch der geeignete Druck sowie die geeignete Zeitdauer wesentlich, da beispielsweise eine thermische Vorschädigung oder Beschädigung des elektronischen Bauelements vermieden werden muss.
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Um zu verhindern, dass beim Fügen des Schaltungsträgers insbesondere im Bereich der Zwischenschicht Luftsauerstoff gerät, der ggf. dort eingeschlossen wird und über die Lebensdauer des Schaltungsträgers zur Funktionsbeeinträchtigungen führen kann, kann es weiterhin vorgesehen sein, dass der Prozessschritt des Verbindens der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Beispielhaft, und nicht einschränkend, kann als Schutzgas Stickstoff oder Ähnliches verwendet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 bis 4 unterschiedliche, zeitlich aufeinander folgende Verfahrensschritte zum Ausbilden eines ersten Schaltungsträgers, bei dem die Oberseite eines elektronischen Bauelements nach dem Fügen der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers nachträglich elektrisch kontaktiert wird, jeweils in vereinfachten Längsschnitten,
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5 und 6 einen Schaltungsträger vor und nach dem Verbinden seiner einzelnen Schichten, bei dem die Kontaktierung der Oberseite des elektronischen Bauelements während des Verbindens der Schichten erfolgt, ebenfalls in vereinfachten Längsschnitten und
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7 und 8 einen weiteren Schaltungsträger, bei dem die Unterseite des elektronischen Bauelements beim Fügen der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers elektrisch kontaktiert werden, in vereinfachten Längsschnitten.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In den 1 bis 4 sind verschiedene Fertigungsschritte zum Ausbilden eines ersten Schaltungsträgers 10 dargestellt. Der Schaltungsträger 10 weist eine beispielhaft der elektrischen Kontaktierung eines elektronischen Bauelements 11 dienende Zwischenschicht 12 auf. Die Zwischenschicht 12, die insbesondere in Form eines aus Kupfer bestehenden Trägerelements 13 ausgebildet sein kann, weist hierzu eine über einen Teilbereich der Höhe der Zwischenschicht 12 reichende, in Form einer Vertiefung 14 ausgebildete Aufnahme 15 für das Bauelement 11 auf. Die Aufnahme 15 ist derart an die Geometrie des elektronischen Bauelements 11 angepasst, dass die Tiefe t der Vertiefung 14 (etwas) größer ist als die Höhe h des elektronischen Bauelements 11, um das Anordnen noch wenigstens einer Verbindungsschicht 18 zu ermöglichen, wobei nach dem Fertigungsprozess die Höhe des Bauelements 11 und der wenigstens einen Fügeschicht 18 der Tiefe t der Vertiefung 14 entspricht. Weiterhin ist das elektronische Bauelement 11 vorzugsweise unter Ausbildung eines (geringen) randseitig ausgebildeten Spalts 16 in der Vertiefung 14 angeordnet. Bei dem elektronischen Bauelement 11 handelt es sich beispielhaft, und nicht einschränkend, um einen Transistor oder eine Diode, wobei das Bauelement 11 an seiner Oberseite auf der der Aufnahme 15 abgewandten Seite der Zwischenschicht 12 elektrisch kontaktiert ist. Auch ist die Zwischenschicht 12 mit dem elektronischen Bauelement 11 im Bereich des Grunds 17 der Vertiefung 14 elektrisch leitend verbunden. Hierzu ist es vorgesehen, dass im Bereich des Grunds 17 eine elektrisch leitende Verbindungsschicht 18, beispielsweise in Form einer Lotpaste (die ggf. metallische Partikel zur Versinterung enthalten kann), eines Leitklebers oder Ähnliches angeordnet ist.
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Die Zwischenschicht 12 sowie das elektronische Bauelement 11 sind beidseitig von jeweils einer elektrisch isolierenden Schicht 21, 22 überdeckt. Bei der elektrisch isolierenden Schicht 21, 22 handelt es sich um ein vorgefertigtes Prepreg, d.h. um ein mit Harz getränktes Gewebe, das in Form einer (dünnen) Platte ausgebildet ist. Die elektrisch isolierenden Schichten 21, 22 sind wiederum auf der der Zwischenschicht 12 abgewandten Seite mit jeweils einer elektrisch leitenden Schicht 23, 24, insbesondere in Form einer (dünnen) Kupferschicht, überdeckt.
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Zum Ausbilden des Schaltungsträgers 10 bzw. zum Verbinden der sandwichartig angeordneten Schichten des Schaltungsträgers 10 mit dem in der Aussparung 15 angeordneten elektronischen Bauelement 11 werden die in der 1 gezeigten einzelnen Bestandteile entsprechend der 2 parallel übereinander gestapelt bzw. in Anlagekontakt zueinander gebracht. Anschließend erfolgt durch Aufbringen eines mechanischen Drucks p, der beispielsweise bis zu 30bar betragen kann, ein Verpressen der einzelnen Schichten des Schaltungsträgers 10. Hierbei erfolgt die Einleitung des Drucks p, im Ausführungsbeispiel auf die elektrisch leitende Schicht 23, senkrecht zur Ebene der Zwischenschicht 12 bzw. der Schichten 21 bis 24. Weiterhin erfolgt das Verpressen der Zwischenschicht 12 mit den Schichten 21 bis 24 während eines einzigen Prozessschritts unter Einwirkung von Wärme, wobei die Temperatur beispielhaft zwischen 150°C und 280°C betragen kann. Der Druck p bewirkt zusammen mit der Temperatur während des Verpressens, dass das Harz aus den elektrisch leitenden Schichten 21, 22 teilweise verdrängt wird und in dem Bereich der durch die Spalte in dem Nutzen für die Zwischenschichten 12 ausgebildeten Seitenflächen 26, 27 der Zwischenschicht 12 eindringt, ebenso wie in die zwischen dem elektronischen Bauelement 11 und der Vertiefung 14 der Zwischenschicht 12 ausgebildete Lücken. Gleichzeitig erfolgt die elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements 11 über die Verbindungsschicht 18 ebenfalls während des Prozessschritts. Anhand der 2 bis 4 ist erkennbar, dass die beiden elektrisch isolierenden Schichten 21, 22 nach dem Verpressen insgesamt eine das elektronische Bauelement 11 allseitig umgebende Umhüllung 25 ausbilden.
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Nach dem Verbinden der Zwischenschicht 12 mit den Schichten 21 bis 24 sowie dem elektronischen Bauelement 11 wird die Oberseitenkontaktierung des elektronischen Bauelements 11 anschließend in einem separaten Fertigungsschritt erzeugt. Hierzu ist es entsprechend der Darstellung der 3 vorgesehen, dass die elektrisch leitende Schicht 23 sowie die elektrisch isolierende Schicht 21, vorzugsweise durch eine nicht gezeigte Laserstrahleinrichtung, bereichsweise entfernt wird, wobei das bereichsweise Entfernen der Schichten 21, 23 bis in Höhe von (nicht gezeigten) Anschlussbereichen auf der Oberseite des elektronischen Bauelements 11 erfolgt. Dabei entstehen beispielhaft trichterförmige Öffnungen 28 (3), die anschließend beispielsweise durch ein Lot 31 oder durch einen Leitkleber verschlossen werden, um die elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements 11 mit der elektrisch leitenden Schicht 23 auszubilden (4). Zusätzlich kann es entsprechend der Darstellung der 4 vorgesehen sein, dass die elektrisch leitende Schicht 23 ebenfalls Aussparungen 29, Schlitze oder ähnliche Strukturen aufweist, um Bereiche auf der Oberseite des elektronischen Bauelements 11 elektrisch voneinander zu isolieren, wobei die Aussparungen 29 auch gleichzeitig mit den Öffnungen 28 erzeugt werden können.
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In den 5 und 6 ist ein Schaltungsträger 10a dargestellt, der sich von dem Schaltungsträger 10 dadurch unterscheidet, dass die Ausbildung der elektrischen Kontaktierung an der Oberseite des elektronischen Bauelements 11, beispielhaft einer Diode, gleichzeitig mit dem Verbinden der Zwischenschicht 12 mit den Schichten 21a bis 24 erfolgt. Hierzu ist es vorgesehen, dass die elektrisch isolierende Schicht 21a im Bereich der zu kontaktierenden Bereiche des elektronischen Bauelements 11 Durchgangsöffnungen 30 aufweist, und dass im Bereich der Durchgangsöffnungen 30 zwischen der elektrisch isolierenden Schicht 21a und der Oberseite des elektronischen Bauelements 11 eine weitere Verbindungsschicht 18a im Bereich der Durchgangsöffnungen 30 aufgebracht ist, die nach dem Fügen der Zwischenschicht 12 mit den Schichten 21a, 22 bis 24 eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Oberseite des elektronischen Bauelements 11 und der elektrisch leitenden Schicht 23 ausbildet, indem die Verbindungsschicht 18a die Durchgangsöffnungen 30 ausfüllt.
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Zuletzt ist in den 7 und 8 ein weiterer Schaltungsträger 10b dargestellt, bei dem im Gegensatz zu den Schaltungsträgern 10 und 10a nicht die Oberseite des elektronischen Bauelements 11 kontaktiert wird, sondern allein dessen Unterseite über die Zwischenschicht 12b. Bei dem elektronischen Bauelement 11 handelt es sich in diesem Fall beispielhaft, und nicht einschränkend, um ein ASIC, einen Widerstand oder ähnliches. Der Schaltungsträger 10b zeichnet sich durch die Verwendung einer Zwischenschicht 12b aus, die in den Bereichen, an denen keine elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements 11 erfolgen soll, Durchgangsöffnungen 33 aufweist. Die Durchgangsöffnungen 33 gehen vom Grund 17 der Vertiefung 14 der Zwischenschicht 12b aus und reichen bis zu der elektrisch isolierenden Schicht 22b. Weiterhin ist auch die Verbindungsschicht 18b in den Bereichen, in denen keine elektrische Kontaktierung des elektronischen Bauelements 11 erfolgen soll, unterbrochen ausgebildet. Beim Verpressen der einzelnen Bestandteile des Schaltungsträgers 10b erfolgt entsprechend der 8 ein Verdrängen von Harz aus den beiden elektrisch isolierenden Schichten 21b, 22b (Prepregs) einerseits in den Bereich der Vertiefung 14 und andererseits in den Bereich der Durchgangsöffnungen 33.
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Die soweit beschriebenen Schaltungsträger 10, 10a und 10b sowie die soweit beschriebenen Verfahren können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass zusätzliche, in den Figuren nicht dargestellte Schichten vorgesehen sind, um beispielsweise bestimmte elektrische Eigenschaften, beispielsweise elektrische Abschirmeigenschaften, zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015200989 A1 [0002]
