DE1639357A1 - Zusammengesetzte Bodenplatte fuer die Huelle eines Halbleiters - Google Patents
Zusammengesetzte Bodenplatte fuer die Huelle eines HalbleitersInfo
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Description
Zusammengesetzte Bodenplatte für die Hülle eines Halbleiters,
Die Hrfindung "betrifft eine zusammengesetzte Bodenplatte
und deren Herstellung insbesondere zum Unterbringen von Halbleiter-·
elementen in einer Abschirmkappe. ä
Halbleitervorrichtungen hoher Leistung, wie Transistoren mit Stromworten von einigen Ampere, werden gevöhnlioh in geschlossenen
Iletallhüllen untergebracht. Der VerschluBB wird meistens duroh KaItsohwoisaen
einer Kappe an einer Bodenplatte erzielt, die den Kristall trägt und durch die die isolierten, als Anschlussklemmen dienenden Leiter
geführt worden» Die Isolierung dieser Leiter wird im allgemeinen duroh eine eingeschmolzene Glasperle erzielt und das abgedichtete Ganze
des Leiters, der Glasperle und des direkt umgebenden Metalles wird eine Olao-Ketall Durchführung genannt· Der Voraohlusa der IKiIla duroh Kalt«
aohwoioiien gewährleistet jodoah keine vollständige Abdichtung und um
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eine gute Stabilität zu erhalten, aoll die Kaltsohweissmethode durch
ein eine vollkommene Abdichtung gewährleistendes Verfahren eraetzt
werden.
Die Kappe könnte durch eine niedrig-schmelzende Weichlot-legierung
an der Bodenplatte festgelötet werden, aber die industrielle Durchführung dieses Verfahrens bringt zahlreiche Schwierigkeiten mit
sich und ergibt keine vollkommene Sicherheit»
Die Bodenplatte von Hochlei tungs-IIalbleitorvorriohtungen
besteht gewHhnlioh aus Kupfer, das auf Grund seiner guten thermischen
Leitfähigkeit gewählt wird, so dass eine gute Wärmeabfuhr der zu kühlenden
Vorrichtung erhalten wird. Da sich ein elektrisches Sohwoissverfahren
bei der Kupferbodenplatte nicht gut durchführen lä'ast, sind Versuche
gemacht, die Struktur der ursprünglich zum Ealtschweissen entworfenen
Bodenplatten derart zu ändern, dass eine Abdichtung durch elektrisches
SohweiBsen ermöglicht wird, welches Verfahren sich am besten für die
Industrie eignet·
Es ist bekannt, die ganz aus Kupfer bestehende Bodenplatte durch eine zusammengesetzte Bodenplatte zu ersetzen, die aus einer auf
einer Platte aus Perrometall angebrachten Kupferplatte besteht, auf der
der Kristall befestigt wird und die für die Wärmeabfuhr dient, während die Plattine elektrisch an der Kappe festgeeohweisst werden kann*
Die zwei Teile der Bodenplatte lassen sich auf verschiedene Weise zusammenfügen. Die beiden Teile können in der gleichen Ebene liegen
und eine gleiohe Dicke haben} sie können z.B. duroh ein· Kupfereoheibe
und eine Stahlumrahraung gebildet werden, aber diese Zusammensetzung
gewährleistet keine gute Abdichtung, insbesondere längs der Verbindungslinie
der zwei zusammengefügten Elemente. In einer anderen bekannten
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Vorrichtung wird die Kupferplatte flach an oinor Plattine des anderen
Ilctalloo festgelötet, oo dass sie letztere teilweise "bedeckt. Es können
jedoch Schwierigkeiten bei dem erforderlichen Sondervorgang zum Anbringen
von Glas-Metall Durchführungen in der Bodenplatte auftreten. Dies Bchlioast eine zusätzliche Gefahr von Fehlern und Undichtigkeiten ein,
da diese Glaa-Kotall Durchführungen durch Einschmelzen einer Glasperle
zwischen einem in der Bodenplatte lötbaren Metallrohr und einem alB
Klemme für die Vorrichtung dienenden Stift an einer gesonderten Stelle hergestellt worden nüssen. Die Herstellungskosten werden auf diese Heise %
auocerden erheblich erhöht.
Zur Verbesserung der lia'rmeabfuhr nuss unter Berücksichtigung
der naxinal zulässigen Dicke der Bodenplatte die Kupferplatte dioker als
■lie Plattino gewählt werden, oo daos daa Verhältnis aväschen den Dioken-',icrten
iadgliohat gross ist. Boi den bekannten Bodenplatten wird die den
Ilriatall tragende Hipferplatte mittels einer Senkung der Plattine gehaltort,
so das3 letztere verhältnistaässig diele sein nuss, wobei die
Formgebung der Plattino einen hohen Kostenaufwand erfordert und kompliziert
ist. " j
Die Erfindung ermöglicht, die vorerwähnten Nachteile zu verringern.
Die Bodenplatte von Halbleitervorrichtungen nach der Erfindung, die au3 einer Plattine eines gut elektrisch oclnreissbaren IletallB
und einer Platte eino3 gut värmeleitfähigen Metalles zun Abstutzen des
lialblcitcrkriatalles besteht, welche Platte elektrisch und thermisch
mit der Plattine verbunden ist und diese teilweise bedoc'.ct, wobei das
Ganzo der Tlattinc und der Platte mindestens zwei elektrisch isolierte,
vollkommen abgelichtete Loitordurchführungen aufcoiat, vrird dadurch
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gekennzeichnet, dass In dor Plattino öffnungen vorgesehen sind, die ala
rohrförmig, aus der Eb«n« der Plattine herausragende Kanäle ausgebildet
sind, in denen die elektrisch isolierton und abgedichteten Leiterdurohführungen
untergebracht sind, wobei die Platte zum Abstützen des Halbleiterkriatalles Löoher auf/eist und die Lage der Platte auf der
Plat'tine durch die die rohrförmigen Kanäle aufnehmenden Öffnungen der
Platte bo3timmt wird.
Da die Plattine eine geringe Dicke aufweist, kann die Dicke der den Kristall tragenden Platte eines gut thermisch leitenden Iletallee
vorhältnismässig gross sein, so dass in boaug auf den Wärmewidoratand"
das Ganze sehr gute Eigenschaften aufweint.
Die rohrförmigen, aus der Pläohe hcrauaragenden Kanäle, welohe
die Uände der Offnungen in der Plattine bilden, bilden ein Ganzes mit
der Plattine. Es ist somit nioht notwendig, diese rohrförmigen Teile
durch eine Lötverbindung zu befestigen, woduroh die bei Jeder Lötverbindung
eintretende Gefahr von Undichtigkeiten vermieden wird. Die Heroteilung Iac at sich weiterhin dadurch vereinfachen, dass die rohrförmigen
Kanäle gleichzeitig mit dom Stanzen der Plattine hergestellt werden
können, so dass diese Arbeit in einem einzigen mechanischen Vorgang geleistet worden kann. Die versenkte Stelle in der Plattine zum Ilaltern
der.Platte 1st nioht mehr notwendig, so dass die Dioke der Plattine
sehr gering soin kann, wodurch eine erhebliche Ilaterialersparung erzielt
wird.
Die Erfindung botrifft weitorhin ein Verfahren zur Herstellung
der vorerwähnten Bodenplatten aus den verschiedenen Bestandteilen, wobei die Plattine und die Platte susainmengelötet und gleichseitig die
leitenden Durchführungen durch die Perlon aus Isoliermaterial in der
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Plattino eingoachmolzon worden. Dio verochiodenon Licnont© werdon auf
oinor geeigneten Stütze angeordnet und während oinee einzigen Hrhitzungsvorgangoa
des Ganzen niteinander verbunden.
Sclbatveratändlioh werden das Lotmaterial und das Ißoliermäterial
derart gewählt, dasa ihre Behändlungstonpera türen miteinander ü'bereinatirxien,
'
Boi dem Verfahren nach der Erfindung wird die Anzahl von
Wärmebehandlungen 2ur Ileretellung der komplexen Bodenplatten auf oin
Minimum herabgesetzt. Dies hat insbesondere den Vorteil, daas die Plattine
nicht mehrere 1-IaIo in Reihenfolge erhitzt zu werden braucht, in welohom
Falle die Kctallkristallo aich vorgrößaern können. Eb ist bekannt,
daaa die Toinhoit der Ketallkriatalle einen woaontlichen Paktor zum 2r~
aiulen der Abdichtvmg einor Golu/oissnaht bildet, dio in diesem Falle
s'riaohon dor Plattine und der Ilappo beim Voraohliesaen einer Ilttlle der
erwähntem Art gomaoht'Werden coll.
Dio Itfindung wird nachatohend an Hand dor Zoiohnung näher
erläutert. Eo zeilen
die Fig, 1 und 2 einen Sohnitt bz>/. eine Draufsicht einer ™
Bodenplatte eines Sranalotors naoh der Hrfindizng, welcher Schnitt lä'ngo
dor Linio I-I in Fig. 2 gomaoht lot,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der verschiedenen Elemente zum Aufbauen der Bodenplatte naoh der Fig. 1 und 2,
Fig. 4 einen Schnitt cluroh eine Halbleitervorrichtung mit
oinor Bodenplatte naoh den Fig. 1 und 2,
Dio Bodenplatte naoh don Fig. 1 und 2 wird durch eine praktiooh
flache, hior rautenförmige Plattine 1 gebildet, die aus oinor dünnon Platte eines Kotallen boatoht, das elektriooh gut an dom Metall
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einer auf der Bodenplatte zu befestigenden Kappe festgeachweisst werden
kann. Auf der Plattin© 1 wird z.B. mittels Ilartlots eine Platte 2 aus
jut wärraeleitfählgem Metall befestigt. Bei 3 ist eine Lotaohicht zwisohen
der Platte 2 und dor Plattine 1 angedeutet.
Die Plattine 1 wird oit Löchern 4 zur Befestigung dor Vorrichtung"
an einer Stütze voraehon. Die Plattino hat weiterhin zwei kreisförmige
Öffnungen, die duroh Stanzen erhalten werden, uobei rings um
die Öffnungen eine aufroahtatohondo ¥and 7 in. Form eines Rohros gebildet
wird, daa weiter unton Kanal genannt wird. Die Platte 2 wird mit zwei
Lüohorn 10 mit oinoin etwas grdaaeron Jurohraosser ala der Auaaendurch-Eioaaor
der Kanäle 7 vorsehen, ao daao die zwei Löcher 10 fluohtreoht zu
den Öffnungen der ICana'lo 1 in dor Plat tine liegen·
Eine iooliorende, einen Loltor 5 luftdioht umgebende Buchse
ergibt oinon luftdichten Vorachluaa duroh die Verbindung mit den Innenwänden
der Ilanalo 7· Dio richtige Lage dor Platte 2 relativ zu der Platti·
ne 1 wird duroh den Auaoenrand dor Kanäle 1 in den Offnungen 10 genau
bestimmt. Die beim Stanzen gebildeten Abrundungen 11 werden auf ein
Ilindestmase herabgesetzt, so dass der Sjitlraum zwisohen den glatten
Offnungen 10 .und dem Auasendurohmeaoer der Kanalwa'ndo beaohränkt wird.
Uonn eine vorhältniamöasig groase Abrundung 11 unvermeidlich iat, worden
die Bänder dor Offnungen 10 abgesohrägt«
Die Bodenplatte naoh don Fig. 1 und 2 kann mit einom HaIbleitorkriatall
12 (Fig. 4) veraehon werden, in dem die vorachiedenen
Zonen der orwünoohten Leitfiüii^coit zur Bildung z.B. oinos Tranaiature
untergebracht aind. Der Kristall wird boi 16 an der Platt· 2 feotgelöttt
und eine der Zonen wird elektrisch duroh dies· Lötverbindung mit der
Platte und mit der Plattine 1 verbunden.
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Dio Bwei anderen Zonen dos Transistors worden elektrisch mit
den zwei leitenden Durchführungen 5 mittels Verbindungen 13 verbunden»
die duroh Thermokompression, Weichlot, Ultraschall oder auf andere lieiee
hergestellt werden. Eine Kappe 15 wird auf einem kreisförmigen Ring 14
auf der Plattino 1 elektrisch festgeschweißst. Das Metall dieses ßingee
ist derart gewählt, dass eine gute Sohweissverbindung erhalten wird. Die
'üanäle 7 bildon rohrfömige Durchführungen} der Aussendurohnesser soll
etwas kleiner sein als der Durohmosser der Öffnungen in der Platte, wobei M
dor Spielraum zwischen diesen Abmessungen die Genauigkeit der Anordnung
der "latte auf der Flattine wahrond des Zusammenbaus und des Lötvorganges
bestimmt. Der Spielraum kann z.B. der Gröseenordnung von 0,1 mm sein.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besteht die
riatte 2 au3 Kupfer, die Plattine 1 aus Stahl oder einer Eisen-Niokel-ICobalt-legierung
und die Durchführungen worden duroh Glas-IIetall-Verbindungcn
gebildet, wobei das Glas derart gewählt wird, dass ein luftdiohtes
Susannennchnelzen dos Glases und des Iletalles der Plattine erhalten wird.
Die Abtliclitung diosor Sohiroisstelle kann auf υ/ei Weisen erhalten werdeni
der Ausdehnungskoeffizient des Glases kann niedriger sein als der de» Plattinenmetalles, in welchem Falle dio Abdichtung duroh "Kompression"
erhalten wird, oder die Ausdehnungskoeffizienten dee Glases und des Plftitl
nenmetallos können miteinander übereinstimmen, in welchem Falle die Abdichtung
durch Diffusion des Oxyds in das Glas erhalten wird.
üne solche Bodenplatte wird dadurch erhalten, dass die Plattino
un-1 iio Platte unter Suischenfügung einos Formteilos einer Lotlegierunc
auf oiner /;ooigneten Unterlage z.S, aus Graphit angebracht worden, worauf
daß Gänse nun Löten durch einen Ofen geführt wird und gleichzeitig die
iaoliorton Leiter 5 eingeschmolzen werden.
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j. 3 zeigt die Einzelteile der Bodenplatte vor dem Zusammenbau. In diesen Beispiel wird das Lot zur Befestigung der Platte 2 an der
Plattine 1 in Form einer dünnen Paotille eines Legierung 3a angebracht und
und das Isoliermaterial zwischen den leitenden Durchführungen 5 und den
Kanälen 7 wird in dar Form Ton Perlen 6a verwendet* Wenn die Leiter aus
eino'r Eisen-Nickel-Legierung oder einer Eisen-lTickel-Kobalt-Legierung
bestehen, bestehen die Perlen aus Glas, während der Formteil ein· Paatille sehr geringer Dicke einer eutektisohen Kupfer-Silber-Legierung
οein kann. Diese Teile werden auf der Graphitunterlage richtig angeordnet
und das Ganze wird duroh einen Tunnelofen mit einer etwas reduzierenden
Atmosphäre geführt, dessen Temperaturkonnlinie die erwünschte Form aufweist.
Nachstehend wird beispielsweise eine Ausführung des Verfahrene
nach der Erfindung zum Herstellen einer komplexen Bodenplatte nach den Fi^. 1 bis 3| insbesondere fur einen Hoohleitungatransistor beschrieben.
Die verschiedenen Einzelteile der Bodenplatte werden geeondert
hergestellt. ELne Plattinö 1 geringer Dicke auo besonders weichem Stahl
wird gestanzt, wobei gleichzeitig die Befestigungslöcher und die Kanäle
für die GlasrrMetall Durchführungen vorgesehen werden. Die Dicke dor
Plattine lot möglichst gering mit Hücksioht auf die Bildung der Kanäle
und das naohherige Feet3chweissen einer Kappe. Die Dicke liegt z.B«
zxfiaohen 0,5 und 1,5 mm, vorzugsweise lot sie 0,3 mm. Die Plattine wird
entfettet, entgast, chemisch poliert und sohliesslioh auf galvanischem
Wege vernickelt. Eine Kupferplatte 2 grosser Dicke einer Bauerstoffreien
Qualiät, z.B. der käuflich erhältliohon Qualität OFIIC H3O7 wird auch in
der erwünschten, der Plattine entsprechenden Form geetantt, so das» insbesondere die Lcoher den Kanälen der Plattine entsprechen. Die Dicke der
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Platte 2 wird raögliohot gross gewählt mit Hüoksioht auf die zwischen
der Plattino und der Kappe 15 der Vorrichtung zur Verfügung stehende
Höhe und auf die beim Sohwoisoen zulSsaige thermische Trägheit. Diese
Dicke liegt z.B. zwiaohen 1,5 und 5 mn und ist yoreugsveise 2,5 oder
3 mn. Die Platte wird entfettet, geatzt und darauf gesintert·
Eine Lotpastille einer eutektiaohen Kupfer-Silber Legierung
wird auch derart destanzt, daoo die zwischen den awei Torerwähnten Teilen
untergebracht werden kann. Die Oberfläche und die Dicke dieser Pastille werden derart gewählt, dass sie zum Löten durchaus notwendige Materialmenge erhalten wird· Zwei Glasperlen werden duroh Pressen und Sinternhergestellt. Vorzugsweise wird eine Glassorte mit einem Ausdehnungakoeffizionten von 90 χ 10 verwendet, der niedriger ist als der des Plattinenetahla« Zwei Stifte eines EisenrKiokeletabs mit einem Durohmeaaer von
etwa 1 mm werdon entfettet, gesandstrahlt und darauf elektrolytisch vorniokelt.
Die so hergestellten Elemente werden auf einer Graphitunterlage mit einer glatten Oberfläche angebracht, auf der die Plattine ruht, f
welohe die Lotpastille trägt, auf der dl· Kupferplatte' liegt, die mittels
der in der Plattin· gestanzten Kanäle an ihrer Stelle gehalten wird« Die
glatte Oberfläche der Unterlage hat awei Locher aur Aufnahme der Stifte
und die Olaaperlen werden auf diese Stifte gefädelt, so daea sie in die
geatansten Kanäle gelangen·
Die Unterlage halt voraugaweia· eine Mehrheit dleaer auaaamengefügten Einzelteile, ao daaa gleichzeitig Mehrere Bodenplatten hergeateilt werden können. Sie Unterlage wird in einen Tunnelofen alt einer
genau beatiaaten Temperaturverteilungakennlinie eingeführt, in dem da·
Gänse auf ein· Temperatur von etwa 10JO0 f erhitat wird. Di· Ofenataoa-
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ρhare soll nioht oxydierend sein, um Oxydation der zu lotenden Oberfläohen zu vermeiden. Die Atmosphäre soll somit leicht reduzierend sein
und z.B. aus Stickstoff mit einem geringen Prozentsatz an Wasserstoff bestehen. Die Einsohmelzung der Olas-Kotall-Durohführung und das Löten
zwisohen der Plattine und der Kupferplatte erfolgen gleichzeitig in dem
"Ofen.· Die Einschmelzung erfolgt unter "Kompression" und die Abdichtung
wird duroh Kompression des Metalles auf das Glas bein Abkühlen erhalten»
Die Einsphmelzung kann auch dadurch erzielt werden, dass gleiche Auedehnungskoeffizienten des Glases und des darauf gelöteten Metalles gewählt werden. Die Abdichtung der Lötstelle wird dann durch die Diffusion
des Metalloxyds in das Glas erzielt. Diese Abart erfordert somit eine Voroxydation der Stift« und der Plattine an den ELnsohmelzstollen dee
Glases, welche Oxydation nicht duroh eine tu stark reduzierende Wirkung
der Atmosphäre in dem Ofen beinfluBst werden soll, in dem das Löten und
Einschmolzen erfolgen.
Statt des Hartlots in Form einer Pastille zwisohen der Platt«
und der Plattine kann eine Schicht eines Metalles oder einer Legierung
als Hartlot vorher auf der Plattine und der Platte vorgesehen werden, in welchem Falle das Löten und da· Einschmelzen in einem Ofen gleichzeitig durchgeführt werden, wie vorstehend erwähnt,
Die Plattine kann a.B, aus elektrolytisch vernickeltem Stahl
und die Platte au· elektrolytisch und* darauf ohemisoh vernickelte· Kupfer
bestehen» wobei im übrigen daa Verfahren gleioh d«e vorstehend beschriebenen ist. Das Qhemiaoh auf der Platte angebracht« lfiokel dient dabei
als Bartlot· Si ist bekannt, da·β da· oheniaohe T«rniokelverfahren darin
besteht, dass eine Niokel-Phoephor-Legierune mit etwa 8$S Phosphor und
einen Sohaelipunkt Ton etwa 900° 0 niedergeeohlafen wird. Daher
, ,,009886/0640 0R1Q|NAL
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dieser niederschlag ale Hartlot brauohbar. Die thermischen Kennlinien
des Glaaea der Durchführungen und die Löttemperatur sollen selbstverständlich dementsprechend gewählt werden·
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Claims (1)
- PHN. 2433. - 12 -PATENTAKSPRUCHE,1. Bodenplatte fü* die Hülle einer Halbleitervorrichtung mit einer Plattine aus einem gut elektrisch sohweiesbaren Metall und einer Platte aus einem gut värmeleitfähigen Metall zum Abstützen dee Halbleiter« kristallas, welche Platte elektrisch und thermisch mit der Plattine verbunden ist und diese teilweise bodeokt, wobei die Plattine und die Platte mindestens zwei elektrisch isolierte und abgedichtete Leiterdurohführungen aufweisen, daduroh gekennzeichnet, dasβ in der Plattine (1) Offnungen vorgesehen sind, die die Form aus der Fläche der Plattine herausragender rohrförmige Kanäle (7) haben, in denen die elektrisch isolierten und abgedichteten LeiterdurohfCihrungen untergebracht sind und dass die Platt· (2) sum Abstützen des Halbleiterkristallos (12) Locher (10) aufweist, wobei die Lage der Platte (2) auf der Plattine (1) durch die die rohrförmigen Kanäle (7) aufnehmenden Öffnungen (1O) der Platte (2) bestimmt ist.2. Bodenplatte nach Anspruch 1 daduroh gekennzeichnet, dass die Platte und die Plattine duroh Hartlot miteinander verbunden sind.3. Bodenplatte nach Anspruch 1 oder 2 daduroh gekennzeichnet, dass die Plattine aus vernickeltem weichem Stahl und die Platte aus Kupfer bestehen, während die Leitür aus einer ELsen-Niokel-Kobalt-Legierung bestehen und in dem Glas isoliert und eingeschmolzen sind· 4· Bodenplatte nach Anspruch 1,2 oder 3 daduroh gekennzeichnet, daso die Dicke der Plattine zwischen 0,5 und 1 mm liegt und die Dicke der Platte zwischen 1,5 und 4 mm·5. Verfahren zur Herstellung einer Bodenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 daduroh gekennzeichnet, dass die verschiedenen Einzelteile der Bodenplatte auf einer Stütze angebracht werden und daes die009886/0640BAD ORIGINAL■PM. 2438.- 13 -Platte auf der Plattine gleichzeitig mit dem Einschmelzen von Perlen aus Isoliermaterial in den LeiterdurchfiÜirungen in einer einzigen Wärmebehandlung festgelötet wird.6. Verfahren naoh Anspruoh 5 dadurch gekennzeichnet, daB3 die mit rohrförmigen Kanälen vorsehone Plattino durch Stanzen und duroh gleioh zeitige mechanische Formgebung erzielt wird, dass ein Formteil einer Lotlegierung zwisohen dör Platte und der Plattine angebracht wird, daas das angewandte Lot aus einer eutektiachen.Kupfer-Silbor-Legierung besteht, und dass die Platte auf der Plattine festgelötet und die Glas-fletall-Durohführungen gleichseitig eingeschmolzen werden in einem Tunnelofen in einor etwas reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur zwisohen 900° C und 1100° 0.003886/0640 bad original
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