WO2008003308A1 - Verfahren zur befestigung von elektronischen bauelementen auf einem träger durch drucksinterung und schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren zur befestigung von elektronischen bauelementen auf einem träger durch drucksinterung und schaltungsanordnung Download PDF

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Andreas Waag
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Technische Universität Carolo-Wilhelmina
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Definitions

  • the invention relates to a method for mounting electronic components on a support by pressure sintering.
  • the invention further relates to a circuit arrangement having at least one electrical component and a carrier, which are connected to one another by pressure sintering and electrically contacted with each other.
  • the pressure sintered connection of electronic components on a substrate are known per se, for example from DE 10 2004 019 567 B3. There, it is proposed to apply a paste-like metal-containing layer to a carrier film, to dry it and then to transfer it from the carrier film to the contact surface of an electronic component.
  • a metal-containing contact layer components are positioned on a circuit board as a substrate. Subsequently, a pressure sintering takes place by pressure and temperature exposure of the board and component to the sintered connection.
  • the metal-containing pasty layer is applied directly to the contact surface of the component or the substrate to be connected and the pressure sintering is carried out after solvent has been expelled from the composite of the component, pasty layer and substrate.
  • EP 0 242 626 B1 proposes first of all drying the metal-containing pasty layer and only then applying the component to the substrate.
  • DE 10 2004 019 567 B3 moreover teaches first applying the metal-containing pasty layer to a carrier film and drying it by applying a different adhesive force between pasty layer and component and pasty layer and carrier film from the carrier film to the contact surface of the electronic component transferred to.
  • a film as a carrier substrate for the pressure sintering process is suitable without being deformed by the pressurization and the influence of heat.
  • a pressure sintering composite can be created with considerable adhesion between film, sintered composite layer and electronic component. This is achieved by coating the film with a noble metal alloy.
  • a noble metal-coated film withstands the effects of pressure sintering and ensures a high-quality sintered composite with a metal-containing contact layer on contact surfaces of the electronic components.
  • the film is preferably coated with a titanium-platinum-gold alloy.
  • the metal-containing contact layer on the contact surfaces of the electronic components is preferably made of a silver-containing alloy or of silver.
  • a further film is coated with a noble metal alloy and a first film adjacent to contact surfaces on the underside of the at least one electronic component and a second film adjacent to contact surfaces on the top of the at least one electronic component is positioned and this composite two films with intermediate electronic components for pressure sintering pressure and temperaturbeetzschlagt.
  • One of the films can be used as a carrier and the other film as a substitute for bonding connections for contacting a plurality of electronic components with each other. It is also advantageous if the noble metal alloy is applied in a structured manner to at least one of the films. Accordingly, the metal-containing contact layer can be applied structured on the electronic component. This ensures that electrical connections are made at selected contact points in the pressure sintering process.
  • the film preferably has a thickness in the range of 20 to 200 ⁇ m.
  • films have been found that contain polyimide.
  • Particularly suitable is the film polyimide film Apical 100 NP with a thickness of 25 microns, 200 NP with a thickness of 50 microns, 300 NP with the thickness of 75 microns and 500 NP with a thickness of 125 microns.
  • the coefficient of thermal expansion is in the range of 15 to 16 ppm / dC.
  • the tensile modulus should be greater than 3.4 and preferably in the range of 3.6 to 4.4.
  • the tensile modulus is preferably 4.0 to 4.2.
  • Possible further suitable films are the 3M surface protection film 76911 "Ultra Clear” with a thickness of 0.05 mm from 3M Germany, Neuss or the PFA film transparent type 100 Ip with a thickness of 0.0127 mm from Angst and Pfister, Mörfelden ,
  • the tensile strength should be at least 260 MPa and should be in the range of 360 to 330 MPa.
  • the carrier is a noble metal-coated film and that at least one electronic component with the film by means of pressure sintered interconnected and electrically contacted, that the noble metal alloy of the film is a sintered composite with a contact metal layer of the at least one electronic component forms and the sintered composite is integrally connected to the film and the electronic component.
  • Figure 1 Schematic representation of the process flow for mounting electronic components on a film by pressure sintering.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method for fastening electronic components 3 to a film 1 by pressure sintering.
  • a first step a the film 1 is coated with a noble metal alloy 2, which essentially contains titanium, platinum and gold.
  • a metal-containing contact layer 4 is applied in a manner known per se, for example in the form of a silver-containing alloy or as silver powder on contact surfaces of the at least one component 3 to be fastened.
  • a silver powder can be slurried with organic solvents and applied to a bonding surface previously produced by means of a template.
  • the application of the metal-containing contact layer 4 can be applied, for example, with an airbrush gun or by means of screen printing. Then we removed the template and dried the pasty metal-containing contact layer 4 at about 150 0 C. What remains is a layer of powder consisting of loose silver grains.
  • a third step c) the at least one electronic component 3 is then positioned on the at least one film 1 such that the at least one contact surface coated with the metal-containing contact layer 4 rests on the noble metal alloy 2 of the film 1.
  • a final step d the arrangement of electronic component 3 and foil 1 with interposed noble metal alloy 2 and metal-containing contact layer 4 in a press at a pressure of at least 30 MPa and a temperature in the range of 150 to 250 0 C materially connected.
  • a sintered composite is created between metal-containing contact layer 4 and noble metal alloy 2.
  • the noble metal layer 4 does not detach from the film 1.
  • the film 1 stops due to the pressure and the temperature at the pressure sintering was and does not curl. This should be, inter alia, a result of the coating of the film 1 with the noble metal alloy 2.
  • the electronic components 3 may be very thin, for example have a thickness in the range of 30 microns.
  • the upper side of the electronic components 3 it is also possible to connect the upper side of the electronic components 3 to the method by coating a further film with a noble metal alloy 2 and placing it on a contact surface on the upper side of the component 3.
  • the contact surface on the upper side of the component 3 is in turn provided with a metal-containing contact layer 4, for example with silver powder.
  • This entire composite of two films with lying between at least one electronic component 3 is then subjected to pressure sintering.
  • the pressure sintering composite between film 1 and component 3 has the advantage that no liquid phase is required, as for example in soldering processes, and that no voids and impurities due to flux occur.
  • the resulting circuit has an absolutely lead-free contact connection with a high electrical conductivity.
  • the sintered composite is stable up to about 900 0 C.
  • the circuit arrangement has a high reliability and service life.

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Abstract

Ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen (3) auf einem Träger durch Drucksinterung hat die Schritte: a) Beschichten mindestens einer Folie (1) als Träger mit einer Edelmetalllegierung (2); b) Aufbringen einer metallhaltigen Kontaktschicht (4) auf Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden elektronischen Bauelementes (3); c) Positionieren des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) auf der mindestens einen Folie (1) so, dass die mindestens eine Kontaktoberfläche auf der Edelmetalllegierung (2) der mindestens einen Folie (1) aufliegt; und d) Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einer Folie (1) und mindestens einem elektronischen Bauelement (3) mit Druck und Temperatur zur Drucksinterung.

Description

Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Träger durch Drucksinterung und Schaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Träger durch Drucksinterung.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektrischen Bauelement und einem Träger, die durch Drucksinterung miteinander verbunden und elektrisch miteinander kontaktiert sind.
Die Drucksinterverbindung elektronischer Bauelemente auf einem Substrat sind an sich beispielsweise aus der DE 10 2004 019 567 B3 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, eine pastöse metallhaltige Schicht auf eine Trägerfolie aufzubringen, zu trocknen und anschließend von der Trägerfolie auf die Kontaktoberfläche eines elektronischen Bauelementes zu Überträgen. Die nunmehr mit einer metallhaltigen Kontaktschicht versehenden Bauelemente werden auf einer Platine als Substrat positioniert. Anschließend erfolgt eine Drucksinterung durch Druck- und Temperaturbeaufschlagung aus Platine und Bauelement zur Sinterverbindung.
In der DE 34 14 065 C2 wird die metallhaltige pastöse Schicht direkt auf die zu verbindende Kontaktfläche des Bauelementes oder des Substrats aufgebracht und die Drucksinterung durchgeführt, nachdem Lösungsmittel aus dem Verbund aus Bauelement, pastöser Schicht und Substrat ausgetrieben wurde.
Zur Reduzierung der durch den Trockenvorgang und des Ausgasens relativ langen Prozesszeit wird in der EP 0 242 626 B1 vorgeschlagen, zunächst die metallhaltige pastöse Schicht zu trocknen und erst dann das Bauelement auf das Substrat aufzubringen. Die DE 10 2004 019 567 B3 lehrt darüber hinaus, die metallhaltige pastöse Schicht zunächst auf eine Trägerfolie aufzubringen und zu trocknen und durch Druckbeaufschlagung unter Ausnutzung einer unterschiedlichen Haftkraft zwischen pastöser Schicht und Bauelement und pastöser Schicht und Trägerfolie von der Trägerfolie auf die Kontaktfläche des elektronischen Bauelements zu übertragen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen auf einem Träger durch Drucksinterung zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst durch die Schritte:
- Beschichten mindestens einer Folie als Träger mit einer
Edelmetalllegierung,
Aufbringen einer metallhaltigen Kontaktschicht auf
Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden elektronischen Bauelementes, - Positionieren des mindestens einen elektronischen Bauelementes auf der mindestens einen Folie so, dass die mindestens eine
Kontaktoberfläche auf der Edelmetalllegierung der mindestens einen
Folie aufliegt, und
Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einer Folie und mindestens einem elektronischen Bauelement mit Druck und
Temperatur zur Drucksinterung.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Nutzung einer Folie als Trägersubstrat für den Drucksinterprozess geeignet ist, ohne dass diese sich durch die Druckbeaufschlagung und den Hitzeeinfluss verformt. Dabei kann ein Drucksinterverbund mit erheblicher Haftkraft zwischen Folie, Sinterverbundschicht und elektronischem Bauelement geschaffen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Folie mit einer Edelmetalllegierung beschichtet wird. Eine solche edelmetallbeschichtete Folie hält den Einflüssen der Drucksinterung stand und gewährleistet einen hochwertigen Sinterverbund mit einer metallhaltigen Kontaktschicht auf Kontaktoberflächen der elektronischen Bauelemente.
Die Nutzung einer Folie und die elektrische Kontaktierung mit der Folie und der elektronischen Bauelemente mittels Drucksinterverfahren hat den Vorteil, dass eine flexible Schaltungsanordnung geschaffen wird, die einfach und preiswert herstellbar ist.
Die Folie wird vorzugsweise mit einer Titan-Platin-Gold-Legierung beschichtet. Hierdurch werden eine gute Haftung des Drucksinterverbunds an der Folie und ein guter Drucksinterverbund mit der metallhaltigen Kontaktschicht auf den Kontaktoberflächen des elektronischen Bauelementes gewährleistet.
Die metallhaltige Kontaktschicht auf den Kontaktoberflächen der elektronischen Bauelemente besteht vorzugsweise aus einer silberhaltigen Legierung oder aus Silber.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine weitere Folie mit einer Edelmetalllegierung beschichtet wird und eine erste Folie angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Unterseite des mindestens einen elektronischen Bauelements und eine zweite Folie angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Oberseite des mindestens eine elektronischen Bauelements positioniert wird und dieser Verbund aus zwei Folien mit zwischen liegenden elektronischen Bauelementen zur Drucksinterung druck- und temperaturbeaufschlagt wird.
Eine der Folien kann dabei als Träger und die andere Folie als Ersatz von Bond-Verbindungen zur Kontaktierung mehrerer elektronischer Bauelemente untereinander genutzt werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Edelmetalllegierung strukturiert auf mindestens eine der Folien aufgebracht wird. Entsprechend kann auch die metallhaltige Kontaktschicht strukturiert auf das elektronische Bauelement aufgetragen werden. Damit wird erreicht, dass elektrische Verbindungen an ausgewählten Kontaktstellen im Drucksinterverfahren hergestellt werden.
Die Folie hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 μm. Als für den Drucksinterprozess geeignete Folien haben sich Folien herausgestellt, die Polyimid enthalten. Insbesondere geeignet sind Folien, die an sich zur Verwendung in Flachbildschirmen vorgesehen sind. Derartige Folien werden beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Apical® von der Firma Kaneka in Japan hergestellt. Besonders geeignet ist die Folie Polyimid Film Apical 100 NP mit einer Dicke von 25 μm, 200 NP mit einer Dicke von 50 μm, 300 NP mit der Dicke von 75 μm und 500 NP mit einer Dicke von 125 μm. Der Koeffizient der thermischen Expansion liegt im Bereich von 15 bis 16ppm/dC. Das Zugmodul sollte größer als 3,4 sein und vorzugsweise im Bereich von 3,6 bis 4,4 liegen. Bevorzugt beträgt das Zugmodul 4,0 bis 4,2.
Mögliche weitere geeignete Folien sind die 3M Oberflächenschutzfolie 76911 „Ultra Clear" mit einer Dicke von 0,05 mm der Firma 3M Deutschland, Neuss oder die PFA Folie transparent Typ 100 Ip mit einer Dicke von 0,0127 mm der Firma Angst und Pfister, Mörfelden.
Die Zugfestigkeit sollte mindestens 260 MPa betragen und im Bereich von 360 bis 330 MPa liegen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Träger eine edelmetallbeschichtete Folie ist und dass mindestens ein elektronisches Bauelement mit der Folie mittels Drucksinterverbindung derart miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert ist, dass die Edelmetalllegierung der Folie eine Sinterverbund mit einer Kontaktmetallschicht des mindestens einen elektronischen Bauelementes bildet und der Sinterverbund integral mit der Folie und dem elektronischen Bauelement verbunden ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 - Schematische Darstellung des Verfahrensablaufs zur Befestigung elektronischer Bauelemente auf eine Folie durch Drucksinterung.
Die Figur 1 lässt eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 auf einer Folie 1 durch Drucksinterung erkennen.
In einem ersten Schritt a) wird die Folie 1 mit einer Edelmetalllegierung 2, die im Wesentlichen Titan, Platin und Gold enthält, beschichtet.
In einem zweiten Schritt b) wird eine metallhaltige Kontaktschicht 4 in an sich bekannter Weise beispielsweise in Form einer silberhaltigen Legierung oder als Silberpulver auf Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden Bauelementes 3 aufgebracht. Hierzu kann beispielsweise ein Silberpulver mit organischen Lösungsmitteln aufgeschlämmt und auf eine vorher mit Hilfe einer Schablone erzeugte Verbindungsfläche aufgetragen werden. Das Auftragen der metallhaltigen Kontaktschicht 4 kann beispielsweise mit einer Airbrush-Pistole oder mit Hilfe von Siebdruckverfahren aufgetragen werden. Anschließend wir die Schablone entfernt und die pastöse metallhaltige Kontaktschicht 4 bei etwa 150 0C getrocknet. Zurück bleibt eine Pulverschicht, die aus lose aufeinander liegenden Silberkörnern besteht.
In einem dritten Schritt c) wird dann das mindestens eine elektronische Bauelement 3 auf der mindestens einer Folie 1 so positioniert, dass die mindestens eine mit der metallhaltigen Kontaktschicht 4 beschichtete Kontaktoberfläche auf der Edelmetalllegierung 2 der Folie 1 aufliegt.
In einem letzten Schritt d) wird die Anordnung aus elektronischem Bauelement 3 und Folie 1 mit zwischen liegender Edelmetalllegierung 2 und metallhaltiger Kontaktschicht 4 in einer Presse bei einem Druck von mindestens 30 MPa und einer Temperatur im Bereich von 150 bis 250 0C stoffschlüssig verbunden. Hierdurch wird ein Sinterverbund zwischen metallhaltiger Kontaktschicht 4 und Edelmetalllegierung 2 geschaffen.
Bei der Drucksinterung löst sich im Unterschied zur Übertragung einer metallhaltigen pastösen Kontaktschicht 4 mit einer Transferfolie auf das Bauelement 3, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, die Edelmetallschicht 4 nicht von der Folie 1. Zudem hält die Folie 1 aufgrund des Drucks und der Temperatur bei der Drucksinterung stand und wellt sich nicht. Dies dürfte unter anderem ein Resultat der Beschichtung der Folie 1 mit der Edelmetalllegierung 2 sein.
Da die Folie 1 in der Regel keine große Oberflächenrauhigkeit aufweist, können die elektronischen Bauelemente 3 sehr dünn sein, beispielsweise eine Dicke im Bereich von 30 μm haben.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist es auch möglich, die Oberseite der elektronischen Bauelemente 3 mit dem Verfahren zu verbinden, indem eine weitere Folie mit einer Edelmetalllegierung 2 beschichtet und auf eine Kontaktoberfläche auf der Oberseite des Bauelements 3 aufgelegt ist. Die Kontaktoberfläche auf der Oberseite des Bauelementes 3 ist wiederum mit einer metallhaltigen Kontaktschicht 4, beispielsweise mit Silberpulver versehen. Dieser gesamte Verbund aus zwei Folien mit zwischen liegendem mindestens einem elektronischen Bauelement 3 wird dann einer Drucksinterung unterzogen.
Der Drucksinterverbund zwischen Folie 1 und Bauelement 3 hat den Vorteil, dass keine flüssige Phase wie beispielsweise bei Lötprozessen erforderlich ist und keine Lunkerbildungen und Verunreinigungen durch Flussmittel auftreten. Die resultierende Schaltungsanordnung hat eine absolut bleifreie Kontaktverbindung mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Trotz der niedrigen Verbindungstemperatur im Bereich von 150 bis 250 0C ist der Sinterverbund bis etwa 9000C stabil.
Insgesamt ergibt sich für die Schaltungsanordnung eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Befestigung von elektronischen Bauelementen (3) auf einem Träger durch Drucksinterung, durch:
- Beschichten mindestens einer Folie (1 ) als Träger mit einer Edelmetalllegierung (2);
- Aufbringen einer metallhaltigen Kontaktschicht (4) auf Kontaktoberflächen des mindestens einen zu befestigenden elektronischen Bauelementes (3), und
- Positionieren des mindestens einen elektrischen Bauelementes (3) auf der mindestens einen Folie (1) so, dass die mindestens eine Kontaktoberfläche auf der Edelmetalllegierung (2) der mindestens einen Folie (1 ) aufliegt, gekennzeichnet durch
- Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einer Folie (1 ) und mindestens einem elektronischen Bauelement (3) mit Druck und Temperatur zur Drucksinterung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Beschichten der Folie (1) mit einer Titan-Platin-Gold-Legierung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Kontaktschicht (4) aus einer silberhaltigen Legierung oder aus Silber gebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- Beschichten einer weiteren Folie (1) mit einer Edelmetalllegierung (2) , - Positionieren einer Folie (1) angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Unterseite des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) und Positionieren der weiteren Folie (1 ) angrenzend an Kontaktoberflächen auf der Oberseite des mindestens einen elektrischen Bauelementes (3), und
- Beaufschlagen der Anordnung aus mindestens einem elektrischen Bauelement (3) und den Folien (1) auf der Ober- und Unterseite des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) mit Druck und Temperatur zur Drucksinterung.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch strukturiertes Aufbringen der Edelmetalllegierung (2) auf mindestens eine der Folien (1) und/oder der metallhaltigen Kontaktschicht (4) auf das elektronische Bauelement.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 μm hat.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) eine an sich für Flachbildschirme vorgesehene Folie (1) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) aus Polyimid gebildet ist.
9. Schaltungsanordnung mit mindestens einem elektronischem
Bauelement (3) und einem Träger, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger eine edelmetallbeschichtete Folie (1) ist und dass mindestens ein elektronisches Bauelement (3) mit der Folie (1) mittels
Drucksinterverbindung derart miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert sind, dass die Edelmetalllegierung (2) der Folie (1 ) einen Sinterverbund mit einer Kontaktmetallschicht des mindestens einen elektronischen Bauelementes (3) bildet und der Sinterverbund integral mit der Folie (1 ) und dem elektrischen Bauelement (3) verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetalllegierung (2) eine Titan-Platin-Gold-Legierung ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmetallschicht aus einer Silberlegierung oder Silber besteht.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektronischen
Bauelementen durch eine erste Folie (1 ) auf der Unterseite der elektronischen Bauelemente (3) und eine zweite Folie (1 ) auf der Oberseite der elektronischen Bauelemente (3) mittels Drucksinterverbindungen miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert sind.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1 ) eine Dicke im Bereich von 20 bis 200 μm hat.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) aus Polyimid gebildet ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1 ) eine an sich für Flachbildschirme vorgesehene Folie (1) ist.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauelemente (3) Halbleiterbauelemente, integrierte Schaltungen auf
Halbleitersubstraten und/oder RFID- Transponder sind.
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