DE3022489A1

DE3022489A1 - Loetbarer varistor

Info

Publication number: DE3022489A1
Application number: DE19803022489
Authority: DE
Inventors: John Edward May; Steven Randall Zohler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-06-18
Filing date: 1980-06-14
Publication date: 1981-01-29
Also published as: GB2052856B; GB2052856A; MX147843A; JPS5612703A; JPS6211761B2; DE3022489C2

Description

Lötbarar Varistor

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Metalloxidvaristoren und insbesondere auf Varistoren mit einem darauf angeordneten Schutzüberzug/ der den Betrieb der Varistoren verbessert, insbesondere wenn dieser bei der Fertigung ge Lötet wird.

Es wurde gefunden, daß d.is Anlöten elektrisch leitfähiger Drahtleiter an den Elektroden häufig einen nachteiligen Einfluß auf den Streustrom von Varistoren hat. Dieser Effekt ist bisher offenbar nicht erkannt worden oder auf jeden Fall nicht als ein Grund für den hohen Streustrom in Varistoren identlfi-, ziert worden, auf die die Erfindung gerich'et ist. Im Hinblick auf die relativ niedrige Temperatur, bei d<;r das Löten ausge-

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führt wird, d.h. wenige hundert Grad Celsius, im Vergleich zu der Sintertomperatur von Varistoren, d.h. über tausend Grad Celsius, ist es wenigstens etwas überraschend, daß die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften eines Metalloxidvaristors während des Lötens auftritt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Metalloxidvaristor zu schaffen, der Meinen kleinen Streu- bzw. Verluststrom auch dann beibehält, wenn Leiterdrähte durch Löten daran befestigt werden.

Gemäß einem Auisführungsbeispiel der Erfindung wird bei einem Varistorkörper mit ersten und zweiten im Abstand angeordneten Elektroden auf dem Körper der Varistorscheibe zwischen den Elektroden eine Schicht aus Silikon-Polyimid überdeckend angeordnet. Eine elektrische Verbindung mit den Elektroden wird durch das Anlöten elektrischer Leiterdrähte herbeigeführt, wobei dieses Löton ohne Verschlechterung der Varistoreigenschaften die Verwendung eines FließmiLtels beinhalten kann.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung überdeckt die Schutzschicht im wesentlichen die gesamte elektrodenlose Oberfläche des Varistorkörpers und auch einen kleinen Teil des Riindes der Elektroden.

Es können eine oder mehrere Schichten aus Schutzmaterial verwendet werden, und die Erfindung kann auf Varistoren mit El -ktroden auf gegenüberliegenden Hauptflächen eines Varistorkörpers, wobei die; Schutzschicht auf den Umfang des Körpers aufgebracht wird, oder auf Varistoren mit zwei oder mehreren beabstandeten Elektroden auf einer einzigen Oberfläche des Varistorkörpers angewendet werden, wobei dann die Schutzschicht auf die Oberfläche des Körpers zwischen den Elektroden aufgebracht wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgerden Beschreibung und der Zeichnung von Ausfüh-

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rungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Ansicht von einem Metalloxidvaristor mit einem die Lötfähigkeit verbessernden Überzug gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist ein Fließbild und zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Varistors gem.iß der Erfindung.

Figur 3 ist eine Ansicht von einem Varistor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4 ist eine Ansicht von einem Varistor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 5 ist eine Ansicht von einem Varistor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Figur 1 ist ein Metalloxidvaristor 10 mit e'nem Körperabschnitt 12 gezeigt, der vorzugsweise ein gesinterter Körper ist, der sich im wesentlichen aus einem Metalloxid wie Zinkoxid und zahlreichen gewählten Zusatzstoffen zusammensetzt. Verfahren zur Fertigung des Körpers 12 sind allgemein bekannt und werden deshalb hier nicht ausführlich erläutert. Beispielsweise wird der Körper 12 dadurch gebildet, daß die Hauptbestandteile und Zusatzstoffe gemischt und dann calziniert, gemahlen und zu einer "grünen" Varistorscheibe gepreßt werden, und die Scheibe bzw. das Pellet wird bei einer hohen Temperatur gesintert, um einen Körper mit den gewünschten Varistoreigenschaften zu erzeugen. Der Varistor 10 enthält ferner erste und zweite Elektroden 14 und 16, die auf die gegenüberliegenden Hauptflächen des Körpers 12 aufgebracht sind. Beispielsweise können die Elektroden 14 und 16 Silberelektroden sein, die auf die Oberflächen des Varistorcörpers 12 durch Seidensiebdrucktechniken oder ähnliches aufgebracht werden und bei einer relativ hohen Temperatur wie beispielsweise 800 C gebrannt werden, um einen elektrischen Kontakt auf dem Varistor-

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körper zu bilden.

Die soweit beschriebenen Schritte zur Bildung eines Varistors gemäß der Erfindung weichen nicht wesentlich vom Stand der Technik ab. Die folgenden Schritte sind jedoch für die Erfindung wesentlich. Der bekannte Varistor mit daran befestigten Elektroden wurde durch Löten oder ähnliches mit zwei Metallleitern verbunden. Typischerweise wurde beim Löten ein Fließmittel verwendet, um die Lötbarkeit zu verbessern. Bisher wurde die Verwendung eines Fließmittels beim Löten nicht mit irgendeinem nachteiligen Effekt auf die Varistoreigenschaften in Verbindung gebracht. Nun wurde gefunden, daß der Streu- bzw. Verluststrom von Metalloxidvaristoren während des Lötvorganges zunimmt. Diese Vergrößerung scheint an der Wirkung des Lötverfahrens auf die Oberfläche des Varistors zwischen den Elektroden zu liegen. Die Wirkung wird durch die Reinigung der Oberfläche, die üb]icherweise nach dem Löten durchgeführt wird, nicht beseitigt. Es wird nicht nur der anfängliche Streu- bzw. Verluststrom der Vorrichtung durch das Lötverfahren erhöht, sondeirn es wird auch die Tendenz der Vorrichtung, sich nach einem längeren Anlegen der Arbeitsspannung zu verschlechtern, durch die nachteiligen Wirkungen des Lötens erhöht.

Gemäß der Erfindung wird eine lötbeständige Schutzschicht 18 auf den Umfang des Varistorkörpers 12 aufgebracht, nachdem die Elektroden 14 und 16 angebracht und bevor die elektrischen Leiter 20 und 22 an den Elektroden angelötet werden. Es ist kein bestimmtet Verfahren erforderlich zum Aufbringen der Schutzschicht 18, und für den Fachmann bieten sich viele zufriedenstellende Verfahren an. Auch wenn andere Materialien für zufriedenstellende Ergebnisse sorgen können, wird erfindungsgemäß die Verwendung von Silikon-Polyimid-Copolymer für die Schutzschicht 18 bevorzugt. Dieses Material kann auf einfache Weise in einer ungehärteten, flüssigen Form aufgebracht werden, indem Cie Varistorscheibe mit den daran befestigten Elektroden an einem Drehgestell angebracht wird und das Silikon-

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Polyimid durch eine kleine Bürste oder eine Tropfeinrichtung aufgebracht wird. Die Schutzschicht wird dann gehärtet, indem sie auf eine Temperatur von 125°C oder mehr, aber vorzugsweise auf etwa 15O⁰C^fUr eine Stunde oder mehr erhitzt wird. Vorzugsweise kann in ähnlicher Weise ein zweiter überzug aus Polyimid aufgebracht und ähnlich ausgehärtet werden. Nachdem die Schutzschicht ausgehärtet ist, werden die Leiter 20 und 22 an den Elektroden 14 und 16 durch Lötschichten 24 und 26 befestigt, die beispielsweise ein eutektisches Blei-Zinnlötmittel enthalten können, das auch eine kleine Menge an Silber enthalten kann. Diese Lötmittel können einer Temperatur von etwa 225°C für etwa 10 Minuten ausgesetzt werden. Auc^!i wenn eine Anzahl verschiedenartiger Fließmittel verwendet werden kann, wird bevorzugt ein leicht saures Fließmittel verwendet. Ein Beispiel hierfür ist Alpha RMA 302, das von Alpha Metals, Jersey City, New Jersey, vertrieben wird. Nach dem Löten wird der Varistor mit den daran befestigten Leitern gereinigt, beispielsweise in Chloräthylen, indem die gelötete Vorriciitung einmal oder mehrere Male gespült wird. Es sei jedoch betont, daß auch andere Lötverfahren und viele andersartige Viristoren angewendet werden können.

Die vervollständige Vorrichtung wird dann verpackt, indem beispielsweise ein Epoxyd-Außenüberzug (nicht gezeigt) ausgebildet wird, der die gesamte.Vorrichtung einschließlich des Schutzüberzuges 18 umgibt. Es wurde gefunden, da3 zusätzlich zu der Verhinderung der Verschlechterung der Verlasteigenschaft während des Lötens die Polyimid-Schutzschicht auch die Langzeit-Stabilität der Vorrichtung verlängert, die bisher durch die Epoxide nachteilig beeinflußt wurde, die üblicherweise zum Kapseln dieser Vorrichtungen verwendet wurden.

Silikon-Polyimid-Copolymere sind in verschiedenen Zusammensetzungen verfügbar. Erfindungsgemäß wird vorgezogen, ein 30/70-Verhältnis von Polyimid zu organischem Material mit 50% Feststoffen zu verwenden. Das Aushärten eines derartigen Polyimids

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wird bei einer Temperatur zwischen etwa 125 und 40O⁰C, vorzugsweise unter etva 200°C, durchgeführt.

Figur 2 zeigt in einem Blockdiagramm die Schritte zur Ausführung der Erfindung. Die Erfindung kann zwar vorteilhaft ausgeführt werden bei vielen Varistor-Typen, sie ist jedoch besonders brauchbar in Verbindung mit Hochspannungs-Hochstrom-Varistoren. Es wird ein Varistorkörper gebildet, der vor den erfindungsgemäßen Schritten gesintert worden ist und der, falls erwünscht, vorher mit einem passivierenden überzug überzogen worden ist, wie er beispielsweise in der US-PS 3 857 174 beschrieben ist. Die Elektroden werden an dem Körper angebracht, indem beispielsweise eine Silberpaste in dem Bereich, wo die Elektroden gebildet werden sollen, durch Seidensiebtechnik angebracht wird, und der so ausgebildete Varistorkörper wird erhitzt, um die Silberelektroden zu bilden. Diese Ausbildung der Elektroden ist üblich. Der Schutzüberzug gemäß der Erfindung wird aufgebracht, nachdem die Elektroden ausgebildet worden sind. Er überdeckt denjenigen Teil des Varistorkörpers, der nicht von den Elektroden überdeckt ist, und vorzugsweise einen kleinen Teil der Elektroden selbst. Da die Verschlechterung der Verlusteigenschaft der Varistoren während des Lötens offenbar eine Oberflächenerscheiiiung und nicht eine Masseerscheinung ist, ist es lediglich notwendig, daß eine zusammenhängende Grenze zwischen der oberen Elektrode 14 und der unteren Elektrode 16 durch den Schutzüberzug I8 gebildet wird. Der Schutzüberzug 18 braucht nicht vollständig den Umfang der Vorrichtung einschließlich der Überlappung der oberen und unteren Elektroden zu überdecken. Es wird jedoch vorgezogen, daß der Schutzüberzug den Umfang des Varistorkörpers vollständig umschließt und die obere und untere Elektrode leicht überlappt, um so den gesamten nicht mit Elektroden versehenen Abschnitt des Varistors vor den Wirkungen des Lötvorganges einschließlich der Wirkungen der beim Löten verwendeten Fließnittel zu schützen. Die Schutzschicht 18 kann in ein oder zwei oder mehreren Malen aufgebracht weeder*, wobei es vorgezogen wird, jede Schicht vor dem Aufbringen einer nachfol-

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genden Schicht auszuhärten. Nach dem Aushärten der letzten Schicht wird die Vorrichtung dann durch die übliche Montage vervollständigt, die Leiter 20 und 22 können durch Löten einschließlich der Verwendung eines Fließmittels daran befestigt werden und es folgt dann die Reinigung, wie es für den Fachmann bekannt ist. Das Löten kann auch dadurch e-folgen, daß der gesamte Varistor einschließlich des mit der Schutzschicht 18 überdeckten Abschnittes in ein Lötbad eingetaucht wird, vorausgesetzt,daß die Temperatur nicht etwa 400°C überschreitet. Nachdem die Leiter 20 und 22 befestigt sind, kann die Vorrichtung verpackt werden, indem sie beispielsweise Ln einem Epoxyd oder ähnlichem gekapselt wird.

Die folgende Tabelle zeigt die Verbesserunq beim Streu- bzw. Verluststrom, der nach dem Löten für einen Varistor mit dem Schutzüberzug gemäß der Erfindung und ohne den Schutzüberzug gemessen ist:

Verluststrom

^a1 ^a2 ^a3 ^V1

Varistor ohne Schutz- 200 4 10 40 7 50

Überzug

Varistor mit Schutz- 3,0 25 54 56 900

Überzug

Der Verluststrom wird bei einer Spannung Vw₂ gemessen; a. , a„ und a, werden zwischen 0,1 und 1, 1 und K) bzw. 10 und 100 mA gemessen; V- ist die Spannung über dem Varistör bei einem Strom von 1 mA.

Es ist ersichtlich, daß nicht nur der Verluststrom des Varistors stark verbessert ist durch den Zusatz einet. Schutzüberzuges gemäß der Erfindung, sondern daß auch die anceren Charakteristiken der Vorrichtung ähnlich verbessert sind.

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Figur 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Varistors gemäß der Erfindung. Auch hierbei sind an dem Varistorkörper 12 erste und zweite Elektroden 14 und 16 an den oberen und unteren Hauptflächen befestigt. Die Bildung des Körpers 12 wie auch die Befestigung der Elektroden daran kann ausgeführt werden, wie es in Verbindung mit Figur 1 erläutert wurde. Ein Schutzüberzug 30 umgibt den Umfang des Körpers 12, überlappt aber nicht die Elektroden 14 und 16. Die Schicht 30 bildet eine Barriere bzw. einen Damm gegen die Verunreinigung während des Lötens auf einer Oberflächenbahn auf dem Körper 12 zwischen den Elektroden 14 und 16. Elektrisch leitfähige Leiter 20 und 22 werden an den Elektroden 14 bzw. 16 durch Lötschichten 24 und 26 befestigt, nachdem die Schutzschicht 30 aufgebracht ist. Sowohl das Aufbringen und Aushärten der Schutzschicht 30 als auch das Löten der Leiter 20 und 22 können in der Weise durchgeführt werden, wie es vorstehend in Verbindung mit Figur 1 beschrieben wurde. Die Schutzschicht 30 kann durch das Aufbringen einer etwas kleineren Menge an Silikon-Polyimid auf den Umfang des Körpers 12 gebildet werden als zur Bildung einer Schicht notwendig ist, die nicht nur den freiliegenden Umfang des Körpers 12 sondern auch einen Teil der Elektroden 14 und überdeckt.

Figur 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem erste und zweite Elektroden auf eine einzige Hauptfläche aufgebracht sind. Der Varistor 34 enthält einen Körper 12 mit daran befestigten ersten und zweiten Elektroden 36 und 38, wie es vorstehend in Verbindung mit den Figuren 1-3 beschrieben wurde. Die Elektroden 36 und 38 sind im Abstand zueinander angeordnet, und eine Schutzschicht 42 ist auf der Oberfläche 40 zwischen den einander benachbarten Rändern der Elektroden ausgebildet. Es werden elektrisch leitende Leiter 44 und 46 an den Elektroden 36 bzw. 38 angelötet, indem das gleiche Verfahren angewendet wird, das vorstehend bereits beschrieben wurde. In ähnlicher Weise kann die Schutzschicht aufgebracht und ausgehärtet werden, wie es vorstehend beschrieben wurde, außer daß

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es selbstverständlich nicht notwendig oder wünschenswert ist, den Körper 12 während des Aufbringens der Schutzschicht 42 zu drehen, die stattdessen bevorzugt unter Verwendung einer Bürste oder anderer Mittel zur Bildung eines Streifens aus dem Material zwischen den zwei Elektroden aufgebracht wird. Auf Wunsch kann der Varistor 34 auch mit einer auf dem Umfang angeordneten Schutzschicht 30 versehen werden, wie es in Verbindung mit Figur 3 beschrieben wurde.

Figur 5 zeigt einen Varistor der in Figur 4 gezeigten Art, außer daß ein Schutzüberzug nicht nur die gesamte freiliegende Oberfläche des Varistorkörpers sondern auch einen kleinen Teil der Elektroden überdeckt. Der Varistor 50 enthält einen Körper 12 mit ersten und zweiten Elektroden 36 und 38, die auf einer einzigen Hauptfläche des Varistors ausgebildet sind. Eine Schicht aus Schutzmaterial 52 umfaßt einen äußeren Umfangsbereich 52A und einen inneren Bereich 52B, der eine Verlängerung des ümfangsbereiches 52A ist und zwischen den Elektroden 36 und 38 liegt. Elektrische Leiter 44 und 46 werden mit den Elektroden 36 und 38 durch Lötschichten 54 bzw. 56 verbunden.

Das gegenwärtig zur Bildung des SchutzÜberzuges verwendete Silikon-Polyimid kann modifiziert werden, indem die genaue Zusammensetzung, wie sie beschrieben worden ist, verändert wird. Ferner können andere löt- und fließbeständige Überzüge für die gleichen Vorteile sorgen. Die Einzelheiten des Verfahrens zum Aufbringen des Überzuges auf einen Varistor können mit dem Varistor-Typ und der Kapselung variieren, in die der Varistor schließlich eingeschlossen wird.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen eines Metalloxidvaristors , wobei ein Körper aus Varistormaterial gebildet wird, erste und zweite im Abstand angeordnete Elektroden auf den Körper aufgebracht werden und erste und zweite elektrische Leiter an den Elektroden angelötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Schutzmaterial (18, 30, 42, 52) auf den Körper (12) zwischen den ersten und zweiten Elektroden (14, 16; 36, 38) vor dem Leiten aufgebracht wird.

Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß als Schutzmaterial ein wärme- und korrosionsbeständiges Material verwendet wird.

Verfahren nach Anspruch

dadurch g e -

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kennzeichnet, daß als Schutzmaterial Silikon-Polyimid verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3,dadurci gekennzeichnet, daß die ersten und zveiten Elektroden (36, 38) auf einer einzigen Hauptfl. ehe eines Körpers aus Varistormaterial mit ersten und zweiten Hauptflächen angeordnet werden (Figuren 4,f).

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 , dadurch ge kennzeichnet , daß die ersten und zweiten Elektroden (14,16) auf ersten bzw. zweiten Hauptflächen des Körpers aus Varistormaterial angeordnet werden (Figuren 1,3).

6.. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e kennz eichnet , daß das Silikon-Polyimid ausgehärtet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Silikon-Polyimid auf im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Körpers, der von den ersten und zweiten Elektroden nicht überdeckt ist, und auf den Außenumfang der Elektroden aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß beim Aushärten der Varistor mit der darauf aufgebrachten Schicht aus Silikon-Polyimid auf eine Temperatur von mehr als 125°C erhitzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß über der ersten Schicht und im wesentlichen mit der gleichen Ausdehnung eine zweite Schicht aus Silikon-Polyimid aufgebracht wird.

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-ΒΙΟ. Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schicht zum Aushärten auf eine Temperatur von mehr als 12 5°C erhitzt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor gekapselt wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,dadurch gekennzeichnet, daß der Varistorkörper im wesentlichen aus Zinkoxid und einem oder mehreren Zusatzstoffen hergestellt wird.

13. Metalloxidvaristor mit einem Körper, der im wesentlichen aus Metalloxid und einem oder mehreren Zusatzstoffen besteht, ersten und zweiton im Abstand angeordneten Elektroden auf dem Körper und mit ersten und zweiten elektrischen Leitern, die an den ersten und zweiten Elektroden angelötet sind, dadurch gekennzeichnet , daß eine Schicht aus Schutzmaterial (18, 30, 42, 52) auf der Oberfläche des Körpers (12) zwischen den Elektroden (14,16,-36,38) angeordnet ist.

14. Varistor nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzmaterial eine Schicht aus Silikon-Polyimid aufweist.

15. Varistor nach Anspruch 14, dac'urch gekennzeichnet, daß eine zweite, unabhängig ausgehärtete Schicht aus Silikon-]'olyimid über der ersten Schicht aus Silikon-Polyim. d angeordnet ist.

16. Varistor nach einem der Ansprüche 13 bis 15 , dadurch gekennzeichnet, daß der

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Schutzüberzug im wesentlichen den gesamten Körper, der η Lcht von den Elektroden bedeckt ist, und wenigstens einen Teil von jeder Elektrode überdeckt.

17. Varistor nach einem der Ansprüche 13 bis 16 , dadurch gekennzeichnet, daß der Varistorkörper (12) erste und zweite Hauptflächen aufweist und die ersten und zweiten Elektroden auf den ersten bzw» zweiten Flächen angeordnet sind (Figuren 1,3).

18. Varistor nach einem der Ansprüche 13 bis 16 , dadurch gekennzeichnet, daß der Varistorkörper (12) erste und zweite Hauptflächen aufweist und die ersten und zweiten Elektroden auf einer einzigen Hauptfläche angeordnet sind (Figuren 4,5).

19. Varistor nach Anspruch 18,dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Varistors zwischen den Elektroden und einen Teil der benachbarten Ränder der Elektroden überdeckt.

20. Varistor nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon-Polyimid ein Verhältnis von Polyimid zu organischem Material von etwa 30/70 hat.

21. Varistor nach Anspruch 14,dadurch gekennzeichnet, daß das Silikon-Polyimid etwa 50% Feststoffe aufweist.

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