Technisches Gebiet:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit zwei Halbleiterelementen in Form von mit Elektroden verse¬ henen, randseitig isolierten bzw. passivierten, für sich ge¬ häuselosen Tabletten in einem gemeinsamen Gehäuse, von denen mindestens eines steuerbar ist und die elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei zwei Hauptanschlüsse ungleichnamiger Hauptelektroden und mindestens ein Steuer¬ anschluß, dabei ein Hauptanschluß zwischen beiden Halbleiter¬ elementen, - bei Reihenschaltung zusätzlich ein Mittelab¬ griff, - nach einer einzigen Seite aus dem Gehäuse heraus- geführt sind.

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Zugrundeliegender Stand der Technik:

Bei bekannten derartigen Anordnungen, die wahlweise steuer bare oder nichtsteuerbare Halbleiterbauelemente oder beide Arten gemischt in verschiedenen Schaltungsvarianten enthal ten, ist es bereits bekannt, einen elektrischen Mittelab¬ griff zwischen zwei Halbleiterelementen eines Moduls räum¬ lich am Ende der in einer Reihe aus dem Gehäuse herausge¬ führten Anschlüsse anzuordnen ( "Power Semiconductors" v. März 1974 von der Firma AEI Semiconductors (Publication 111 S. 48/49). Diese Anordnung hat den Vorteil, daß, z.B. bei. Verwendung von zwei Modulen mit jeweils zwei Halbleiter¬ elementen in Reihenschaltung zum Aufbau einer Vollweg-Gleic richterbrücke, die Mittelabgriffe für den Anschluß der Wechselstromanschlüsse leicht zugänglich sind. Über den inneren Aufbau eines Moduls ist der vorgenannten Literatur¬ stelle nichst zu entnehmen; jedoch kann davon ausgegangen werden, daß die einzelnen Halbleiterlemente isoliert neben¬ einander auf einer Grundplatte angeordnet sind.

Bei einer solchen bekannten Anordnung von zwei Halbleiter¬ elementen nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse, wobei jedes Halbleiterelement auf einer gemeinsamen, über eine elektrisch isolierende Keramikscheibe auf einer Kupfer- Grundplatte fest aufgebrachten Kontaktschicht befestigt und leitend verbuden ist, werden für den Aufbau eines Modul aus zwei Halbleiterlementen zwei Keramikscheiben als isolie rende Zwischenscheiben und vier Metallscheiben für den An- schluß'der Hauptelektroden benötigt (DE-Gm 75 12 573). Die bekannte Halbleiteranordnung mit zwei HAlbleiterlementen nebeneinander auf einer Kupfer-Grundplatte ist allerdings insofern vorteilhaft, als sie bis zu Stromstärken von schätzungsweise 200 A eine weitgehend problemlose Abfüh¬ rung der Verlustwärme leistet.

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Dieser Vorteil ist jedoch nicht sehr bedeutend, weil die wie erwähnt großvolumig bauende bekannte Anordnung zu hohen Ge¬ häusekosten führt. Bei modernen Halbleiterbauelementen be¬ tragen die Kosten einer "nackten" Tablette nur etwa ein Drittel derGehäusekosten.

Offenbarung der Erfindung:

Der Erfindung liegt, ausgehend von der eingangs genannten Halbleiteranordnung die Aufgabe zugrunde, eine kleinvolumige Anordnung für Stromstärken bis zu etwa 150 Ampere zu schaf¬ fen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Tabletten auf einem für die mechanische Montage der Halbleiteranordnung eingerichteten, thermisch ieitfähigen Bodenteil turmartig übereinander gestapelt sind, und daß auf, zwischen und unter beiden Tabletten elektrisch und thermisch leitfähige Metall¬ ronden für die Ankupplung des Mittelabgriffs und der Haupt¬ anschlüsse vorgesehen sind.

Mit dem' turmartigen Aufbau der Halbleiterelemente und der zugehörigen Teile werden gegenüber den bekannten Anordnungen von zwei Halbleiterbauelementen nebeneinander auf einer ge¬ meinsamen Grundplatte nur eine isolierende Scheibe, vorzugs- weise eine Keramikscheibe, und nur drei Metallronden, vor¬ zugsweise Molybdän-Ronden, benötigt. Weiterhin erlaubt keine der eingangs beschriebenen Anordnungen die vorteilhafte Mög¬ lichkeit, die Halbleiteranordnung ohne isolierende Scheibe herzustellen und damit den Bodenteil als einen Hauptanschluß zu benutzen.

Die Einsparung einer KEramikscheibe und einer Molybdänronde bei der erfindungsgemäßen Lösung egegenüber den bekannten Anordnungen vereinfacht bei stoffschlüssigen Übergängen zwischen der Keramikplatte und dem Bodenteil und den Molyb-

dänronden und den Halbleiterkörpern bzw. der Keramikscheibe die entsprechende Lötung. Wenn jedoch der Bedarf besteht, den Bodenteil gegenüber den Hableitern elektrisch zu isolie ren, so wird vorzugsweise eine einzige elektrisch isolieren thermisch leitende Scheibe zwis.chenBodenteil und unterer Metallronde eingesetzt.

Es ist auch eine Druckkontaktierung möglich. Das Stapeln un Druckkontaktieren von Halbleiterbauelementen ist als solch bekannt (DE-Gm 77 11 450 sowie BBC-Druckschrift "Thyristor CS 550" von 1973 (Best. Nr. D GHS 30382 D) ) . In den bekann¬ ten Fällen werden jedoch fertige Scheibenzellen, d.h. mit . einem Gehäuse versehene Halbleiterbauelemente, gestapelt un druckkontaktiert.

Vorzugsweise ist die untere Tablette in ihren Erstreckungen in der Scheibenebene größer als die obere Tablette bemessen. Ohne diese Maßnahme würde sich bei gleicher Last eine höher Erwärmung der oberen Tablette ergeben. Macht man die untere Tablette etwas größer, so ist der durch sie zum Bodenteil h gegebene Wärmewiderstand für die obere Tablette kleiner. Da mit ist einmal ein größerer Stoßstrom möglich, zum anderen verschiebt sich die obere Temperaturgrenze für die höchst¬ zulässige, periodische Spitzensperrspannung in Vorwärtsrich tung (Blockierspannung) nach oben. Die damit etwas erhöhten Kosten für die untere Tablette können wegen der durch den turmartigen Aufbau erreichten Einsparungen an Gehäusekosten in Kauf genommen werden. Insgesamt ergibt sich eine Kosten¬ ersparnis von etwa 33 % für den Turmaufbau.

Die elektrisch isolierende Scheibe bzw. die Keramikscheibe ist in ihren Erstreckungen in der Scheibenebene zweckmäßig größer als die untere Tablette bemessen. Mit dieser Maßnahm ergibt sich vorteilhaft ein großer Kriechweg und eine ent- sprechende Isolierung gegen Spannungsüberschläge.

Vorzugsweise dienen ^« Kreisflächen als Grundflächen für die isolierende Scheibe, die Metallronden und die Tabletten, und es wird ein konischer Gesamtaufbau von isolierender Scheibe, Metallronden und Tabletten angestrebt. Hieraus ergeben sich zwei Vorteile:

Einmal wird wegen der Kreisflächen ein kleineres Gesamtvo¬ lumen erreicht, zum anderen vereinfacht sich die bereits an¬ gesprochende Lötung im Lötofen, d.h., die konisch Gesamtan- orndung kann einfach kopfüber in eine entsprechende konische Lötform im Lötofen eingebracht werden.

Die Tabletten sind wie bei den eingangs erwähnten bekannten Anordnungen zweckmäßig in Gießharz eingebettet. Dabei dient erfindungsgemäß ein Kunststoffrohr als verlorene Form für das Gießharz, d.h. das Kunststoffrohr von vorzugsweise ebenfalls kreisförmigem Querschnitt umgibt den Turmaufbau von Scheibe, Metallronden und Tabletten und das Gießharz als Gehäusemantel. Zweckmäßig besitzt der Bodenteil eine Ausnehmung bzw. eine Vertiefung für die Aufnahme des unteren Randes des Kunststoff- rohres bzw. Gehäusemantels. Hierdurch ergibt sich einerseits vorteilhaft eine gute mechanische Fixierung, . andererseits vorteilhaft eine Verbesserung der Isolierung, weil auch der Raum in der Ausnehmung unterhalb der Keramikscheibe mit Gie߬ harz ausgefüllt ist.

Zweckmäßig ist der Bodenteil in an sich bekannter Weise als Schraubsockel ausgebildet (BBC-Druckschrift "Thyristor CS 16" von 1972 (Best. Nr. G HS 1474 a D) ) . Diese Ausbildung zeich¬ net sich durch eine vorteilhafte mechanische Anshlußmöglich- keit aus.

Alternativ dazu kann der Bodenteil als Anschlußteller mit Befestigungsbohrungen ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestal¬ tung ist die Lage der Halbleiteranordnung bei Montage mittels durch die Anschlußbohrungen geführter Schrauben und somit auch

die Lage der elektrischen Anschlösse auf der anderen Seite genau fixiert, wogegen bei Verwendung eines einfachen < ^• Schraubsockels die endgültige Lage der Anschlüsse beim Ein¬ drehen des Gewindes nicht fixiert ist. Man kann jedoch auch den Schraubsockel mit Markierungen oder einem Anschlag für die Begrenzung der Drehbewegung versehen.

Bei Einsatz von steuerbaren HAlbleiterlementen weisen die jeweils oberhalb der Tabletten befindlichen Metallronden Durchbrechungen für die mit den Steuerelektroden kontaktier ten, isoliert durchgeführten Steueranschlüsse auf.

Alternativ zu dieser Lösung für steuerbare Halbleiterbauele mente kann auch die obere Tablette exentrisch zur bezüglich der Scheibenebene senkrechten geometrischen Mittelachse der unteren Tablette aufgesetzt sein. In diesem Fall befindet sich in dem Bereich der unteren Tablettte, der nicht durch die obere Tablette abgedeckt ist, die Steuerzone mit Steuer elektrode und -anschluß des unteren Halbleiterelementes. Außerdem kann vorteilhafterweise die jeweils auf einer Tabl te liegende Metallronde als Kreisabschnitt ausgebildet sein Auc"h so bleiben die Steuerzonen beider Tabletten frei zu¬ gänglich.

Kurze Beschreibung der Erfindung:

Es zeigen:

Fig. 1 eine Halbleiteranordnung mit zwei Halbleiterele- menten, die gegenüber- einem Bodenteil durch eine

Keramikscheibe elektrisch isoliert sind;

Fig. 2 das elektrische Schaltbild der Anordnung nach Fig. 1 bei Reihenschaltung der Halbleiterele- mente;

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Fig. 3 das elektrische Schaltbild der Anordnung nach

Fig. 1 bei Parallelschaltung der Halbleiterele¬ mente;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Anschlußtafel für die,-:

Halbleiteranordnung nach Fig. 1 mit zwei Varianten von deren Bodenteil;

Fig. 5 eine Blockierspannungs-Temperatur-Kennlinie für ein Halbleiterelement nach Fig. 1;

Fig. 6 einen Aufbau mit zwei Halbleiteranordnungen nach Fig. 1 nebeneinander auf einer Anschlußtafel;

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild zur Anordnung nach

Fig. 6;

Fig. 8 ein Beispiel für eine druckkontaktierte Anordnung;

Fig. 9a Varianten für die Zuführung von Steueranschlüssen bis 11b und jeweils eine Draufsicht auf die entsprechende Metallronde.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung: Gemäß Fig. -1 sind eine untere und eine obere Silizium-Tablet¬ te 10 bzw. 11 durch eine Metallronde 12, vorzugsweise aus Molybdän, elektrisch miteinander verbunden, d.h., daß ihre nicht dargestellten Metallisierungen bzw. die entsprechenden ungleichnamigen Hauptelektroden elektrisch miteinander ver- bunden sind. Die obere Hauptelektrode der oberen Tablette 11 und die untere Hauptelektrode der unteren Tablette 10 sind jeweils ebenfals mit einer Metallronde 13 bzw. 14, vorzugs¬ weise ais Molybdän, kontaktiert. Die unterste Metallronde 14 ist über eine Lotschicht 15 mit einer isolierenden Scheibe 16 vorzugsweise einer bereichsweise oberflächlich metallisierten

Keramikscheibe, mechanisch und thermisch verbunden. Die Keramikscheibe 16 ist ihrerseits über eine weitere Lotschi 17, vorzugsweise auf der Basis von Blei und Silber mit ein Sch ezlpunkt bei etwa 320° C, mit einem Bodenteil 18 mecha nisch und thermisch verbunden. Der geschnitten gezeichnete Bodenteil 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Schraub sockel ausgebildet und besitzt eine Ausnehmung bzw. Vertie fung 19 für die Aufnahme des unteren Randes eines Kunststo rohres 20, das als verlorene Form für die Aufnahme von Epo xidharz sowie als Gehäusemantel dient.

An die untere Metallronde 14 ist ein erster äußerer Haupt¬ anschluß 22 angelötet, an die obere Metallronde 13 ein zweiter Hauptanschluß 23 und an die mittlere Metallronde ^" 1 ein Anschluß 24, der bei Reihenschaltung der Halbleiterele te 10 und 11 als Mittelabgriff dient. Bei Parallelschaltun wird die obere Tablette 11 umgedreht. Für die obere Tablet te 11 ist weiterhin ein Steueranschluß 25 strichliniert an gedeutet. Ausführungen mit steuerbaren Halbleiterelementen werden nachfolgend noch näher beschrieben.

Aus Fig. 1 ist weiterhin ersichtlich, daß der Gesamtaufbau der Anordnung aus Tabletten 10 und 11, Metallronden 12 bis 14 und Keramikscheibe 16 im wesentlichen konisch mit Ver- jüngung zur Anschlußseite hin verläuft. Die Anschlußseite ist in der Darstellung die obere Seite. Die Halbleiteran- ordnung kann jedoch lageunabhäng eingesetzt werden.

Die Keramikscheibe 16 ragt etwas über, d.h., sie ist in ihren Erstreckungen in der Scheibenebene, bei kreisrunder

Gestaltung in ihrem Durchmesser, größer als die darüberlie gende Metallronde 14 sowie die untere Silizium-Tablette 10. Sie ist weiterhin auch größer als ein mittlerer Sockelteil 26 des unteren Bodenteils 18. Bei dieser Gestaltung befin¬ det sich auch unter den überragenden Bereichen der Keramik

scheibe 16 Epoxidharz 21. Wie bereits beschrieben, ergibt sich damit ein großer Kriechweg, und die Halbleiteranord- nung läßt sich dabei bis zu Spannungen von e__a 3000 V isolieren.

Die Fig. 2 zeigt das Schaltbild der in Fig. 1 realisierten Reihenschaltung der beiden Silizium-Tabletten 10 und 11 mit ihren Anschlüssen. Bei einer Parallelschaltung gemäß Fig. 3 mit umgedrehter oberer Tablette 11 muß die untere -Metall- ronde 14 mit der oberen Metallronde 13 verbunden werden.

Der äußere Anschluß 23 bildet dann den Anschluß zu den einen gleichnamigen Hauptelektroden, der äußere Anschluß 24, der mit der mittleren Metalronde 14 verbunden ist, bildet dann den äußeren Hauptanschluß für die beiden anderen gleichnami- gen Hauptelektroden. Es versteht sich, daß die dargestellte Polung der Einzelelemente 10 und 11 bei beiden Anordnungen jeweils umgekehrt sein kann.

In gleicher Weise ist auch eine Antiparallelschaltung zweier Thyristoren möglich, die dann als Modul zum Aufbau von Umkehr- Stromrichtern benutzt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Montageplatte 27, auf der ein Schraubsockel 18 montiert ist. Der schraubsockel 18 mit der nicht gezeigten Halbleiteranordnung wird entsprechend einer Markierung 28 oder einem Anschlag eingeschraubt. Alternativ zum Schraub¬ sockel 18 kann ein Anschlußblech 29 mit Bohrungen 30 als Bodenteil vorgesehen sein. Wie eingangs bereits beschrieben, ist in diesem Fall die Lage der Anschlüsse 22 bis 25 durch die den Bohrungen 30 entsprechenden Durchgangsbohrungen oder Gewindebohrungen in der Montageplatte 27 festgelegt.

Der im wesentlichen konische Turmaufbau gemäß Fig. 1 erlau eine thermische Entlastung der oberen Silizium-Tablette 11. Die untere Silizium-Tablette 10 wird um 20 bis 50 % größer gemacht als die obere. Dadurch ergibt sich ein kleiner Wär widerstand zum Bodenteil hin. Ohne diese Maßnahme läge gem Fig. 5 die obere Temperaturgrenze für die höchstzulässige, periodische Spitzensperrspannung in Vorwärtsrichtung U-. _RM bei etwa 125° C (strichliniert dargestellt), mit thermi¬ scher Entlastung liegt sie bei etwa 150° C, jeweils bezogen auf Thyristoren. Zur Erhöhung der Festigkeit gegen Sto߬ ströme kann man auch die mittlere Basiszone der Tablette 1 vergrößern, d.h. es wird ein größeres Volumen angeboten. Bei einem Thyristor für 1200 V Spitzensperrspannung, der normalerweise eine Dicke der Basiszone von 180 μm aufweist, erhöht man diese z.B. auf. 250 μm. Es entsteht somit eine größere neutrale Zone bei Beanspruchung sowohl in Sperr¬ ais auch in Blockierrichtung (= Vorwärtsrichtung). Für die Blockierrichtung kann dabei ebenfalls eine obere Tempera¬ turgrenze von 150° C, für Dioden von 180°C, erreicht werden Dabei wird ein etwas größerer Durchlaßspannungsabfall in Kauf genommen; aber dies ist wegen der möglichen wesent¬ lich größeren Stoßströme unbedeutend.

Bei der Kombination einer Diode mit einem Thyristor wird die Tablette für die Diode vorzugsweise oben angeordnet, weil sie eine höhere Temperatur verträgt.

Zur Verbesserung des elektrischen Verhaltens ist weiterhin eine Podestierung bzw. eine entsprechende Distanzierung des unteren pn-Übergangs der unteren Silizium-Tablette 10 in an sich bekannter Weise möglich (DE-OS 24 00 863). Die Tabletten 10 und 11 können weiterhin in an sich bekannter Weise randseitig negativ und/oder positiv abgeschrägt sein, um die Sperrfähigkeit zu erhöhen (AU-PS 244 374, DE-AS 12 81 584). Der Rand ist weiterhin vorzugsweise glaspas- siviert. J-REACT

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Fig. 6 zeigt die Montage zweier Halbleiteranordnungen gemäß Fig. 1 mit Hilfe von Anschlußblechen 29 auf einer gemeinsamer. Montageplatte 27.gemäß Fig. 4. Keramikscheiben fehlen in diesem Fall. Die Montageplatte 27 bildet einen Hauptanschluß für beide Halbleiteranordnungen. Bei Verbindung der Haupt¬ anschlüsse 23 entsteht somit ein vollgesteuerter Vollweg- Gleichrichter mit den beiden WEchselstromanschlüssen 24 und 24* und der in Fig. 7.dargestellten äußeren Anschlußpolari¬ tät. Die Steueranschlüsse sind in der Darstellung nach Fig. 6 , weggelassen. In Fig. 7 ist strichliniert angedeutet, daß die Anordnung auch aus Dioden aufgebaut sein kann bzw. durch Dioden 31 und 32 ergänzt sein kann.

Fig. 8 zeigt, daß die Halbleiteranordnung in einfacher Weise durch Druck kontaktiert werden kann. Zu diesem Zweck besitzt das Kunststoffrohr 20 oben einen nach innen weisenden Rand 33, unten einen nach außen weisenden Rand 34, der einen nach innen weisenden Ra d 35 des Bodenteils 18 hintergreift. Eine nicht dargestellte Spannvorrichtung (durch Pfeil 36 ange- deutet) übt über ein vom oberen Rand des Kύnststoffrohres 20 eingefaßtes Joch 37 den entsprechenden Kontaktdruck auf die Halbleiteranprdnung aus. Zwischen den beiden Tabletten 10 und 11 können sich in diesem Fall eine Molybdän-Ronde 12' , eine Kupfer-Scheibe 38 und eine Molybdän-Ronde 12' ' befinden. Im Joch 37 und in den Ronden 13 und 12' ' sowie in der Kupfer- Scheibe 38 sind Durchführungen für die Verbindungen zu den nicht dargestellten äußeren Anschlüssen strichliniert ange¬ deutet. Für die Steueranschlüsse wird beispielshaft auf Fig. 9 verwiesen. Der Mittelabgriff 24 kann gesondert iso- liert nach oben herausgeführt werden (Flg. 9a). Die Keramik¬ scheibe 16, die in allen beschriebenen Ausführungsbeispielen aus Aluminiumoxid (A1 _? 0_) oder aus Beylliumoxid (Be_0_) be¬ stehen kann, kann auch bei dem Ausführ ngsbeispiel nach Fig. 8 herausgenommen werden. Bei Herausnahme der Keramik- scheibe 16 bildet der Schraubsockel 18 einen Hauptanschluß.

Die Darstellung gemäß den Fig. 9a und 9b zeigt das Anbring von Steueranschlüssen 25 und 36 an den Halblei-tertabletten 11 und 10. Das Gehäuse mit Bodenteil ist bei dieser Darste lung fortgelassen.Für die bereits erläuterten Teile sind gleiche Bezugszeichen verwendet. Der obere Hauptanschluß 2 ist strichliniert dargestellt, weil auch die Möglichkeit z Druckkontaktierung besteht. Die obere Molybdän-Ronde 13 be sitzt eine Durchführung 37 (Fig. 9b). Durch diese Durchfüh rung 37 ist der an einer entsprechenden Metallisierung 38 einer Steuerzone der oberen Silizium-Tablette 11 angeschlo sene Steueranschluß 25 isoliert durchgeführt. Eine solche Durchführung eines Steueranschlusses ist bei gleichzeitige Druckkontaktierung des benachbarten Hauptanschlusses an si bekannt (DE-AS 16 39 402). Die Steueranschlüsse 26 und 36 können auch in an sich bekannter Weise über Federn mit den entsprechenden Metallisierungen 38, 39 auf den entsprechen den Steuerzonen der Tabletten 10 und 11 druckkontaktiert sein (DE-AS 24 05 930). - Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. ist auch der Steueranschluß 36 für die untere Silizium-Tab te 10 mit einer entsprechenden Metallisierung 39 _' auf einer

Steuerzone in der Silizium-Tablette 10 verlötet. Er ist is liert durch zueinander senkrecht verlaufenden Bohrungen 40 und 41 der Kupferscheibe 38 geführt.

Fig. 10a zeigt, daß die obere Silizium-Tablette 11 auch ex zentrisch bezüglich der Mittelachse 42 der unteren größere Silizium-Tablette 10 aufgesetzt sein kann. Die untere Sili zium-Tablette 10 besitzt eine seitliche, längliche (Fig. 1 Steuerzone 43. Die Molybdän-Ronde 12 braucht in diesem Fal keine isolierte Durchführung zu besitzen.-

Gemäß Fig. 11a sind die Silizium-Tabletten 10, 11 und die Molybdän-Ronden 13, 12, 12' zentrisch zur Mittelachse ge¬ stapelt. Die Molybdän-Ronden 12 und 13 sind als Kreisschei benabschnitte ausgebildet, was in Fi. 11b für die Ronde 13 dargestellt ist. Die Steueranschlüsse 25 und 26 sind zu en sprechenden seitlichen Steuerzongen 44 bzw. 43 mit Metalli sierungen 38 bzw. 39 geführt.

Die Zuführung der Steueranschlüsse 25 und 36 kann in £>e- liebiger Weise variiert werden. Es versteht sich, daß in Abwandlung der Ausführungsbeispiele auch die Kontaktierung eines Zentralgates möglich ist.

Gewerbliche Verwertbarkeit:

Derartige Halbleiteranordnungen können als Module Anwen¬ dung finden zum Aufbau von Stromrichterschaltungen.

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