CN113980272B - 马来酰亚胺树脂组合物及其应用 - Google Patents

马来酰亚胺树脂组合物及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了马来酰亚胺树脂组合物及其应用，属于高分子材料技术领域。该组合物按重量份数计包含：10质量份至40质量份的如
Figure DDA0003366888320000011
所示结构的马来酰亚胺树脂、30质量份至70质量份的如
Figure DDA0003366888320000012
和
Figure DDA0003366888320000013
所示结构的马来酰亚胺树脂中一种或两种混合物以及10质量份至40质量份的交联剂，n为1～5的整数，R1为具有1～20个碳原子的有机基团，R2至R5各自独立地为氢原子或含有1～4个碳原子的烃基，m为1～6的整数。本发明利用含有刚性苯环结构的三官能交联剂将不同结构的马来酰亚胺树脂复配，在优化配比下马来酰亚胺树脂组合物的韧性、电性能和耐热性达到性能均衡，用于半固化片、覆铜层压板或印刷电路板等电子产品组件。

Description

马来酰亚胺树脂组合物及其应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及马来酰亚胺树脂组合物及其应用。
背景技术
随着电子电路薄型化、细线化、高密度化、多层化以及封装线路多引脚化的发展，传统的环氧树脂材料已经难以满足印制电路板行业发展的需求。马来酰亚胺树脂双键距短、交联密度高和固化物结构致密，具有高玻璃化转变温度、介电常数和介质损耗低、耐湿热优良等特性，在覆铜板材料领域展现了巨大的应用前景。然而，马来酰亚胺树脂因其交联密度高、分子链刚性大，使其呈现出较大的脆性，表现为抗冲击差、断裂伸长率小和断裂韧性低等缺陷，是阻碍其应用和发展的关键。常用的增韧方法主要有：二元胺扩链增韧、烯丙基化合物共聚增韧、环氧树脂增韧、氰酸酯增韧、橡胶弹性体增韧和热塑性树脂共混增韧，其中烯丙基化合物改性马来酰亚胺是目前增韧途径中最为成熟和成功的一种。
专利文献CN103665864A公开了一种改性马来酰亚胺树脂预聚物及其应用，以烯丙基化合物改性马来酰亚胺树脂得到预聚物，再加入阻燃剂、促进剂和无机填料制备胶液，以该胶液制备的覆铜基板玻璃化温度达到260℃，具有良好的耐热性和韧性，但是传统结构的烯丙基化合物使得覆铜板的介电常数和介电损耗提高，破坏了马来酰亚胺树脂原有的电性能。专利文献CN112679357A公开了一种改性烯丙基化合物、改性双马来酰亚胺预聚物及其应用，改性烯丙基化合物具有环戊二烯结构，且含苯环或被极性较低的直链烷基取代的苯环，以该改性烯丙基化合物来改性双马来酰亚胺时，制备的改性树脂具有特殊的结构，能提高双马来酰亚胺树脂的溶解性，降低固化物吸水率、介电常数和介电损耗值，但是降低了固化物的交联密度，牺牲了马来酰亚胺树脂的耐热性。
综上可知，目前的改性技术会影响马来酰亚胺树脂的耐热性或者介电性能，在增韧改性马来酰亚胺的同时，如何兼具优异的耐热性和低介电性能一直是本技术领域难以攻克的难题。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，不降低马来酰亚胺树脂原有优异性能的前提下对其进行增韧改性，本发明提供一种马来酰亚胺树脂组合物，按照重量份数计包含以下组分：
(A)10质量份至40质量份的具有式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂：
Figure SMS_1
(B)30质量份至70质量份的具有式(Ⅱ)和式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂中的一种或两种混合物：
Figure SMS_2
(C)10质量份至40质量份的交联剂；
在式(Ⅰ)、(Ⅱ)和(Ⅲ)中，n为1～5的整数；R1为具有1～20个碳原子的有机基团，或进一步含有一个或多个氧原子、氮原子或磷原子；R2至R5各自独立地为氢原子或含有1～4个碳原子的烃基，m为1～6的整数。
本发明还提供上述马来酰亚胺树脂组合物在制备电子产品组件中的应用，所述电子产品组件包括半固化片、覆铜层压板或印刷电路板。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明利用含有刚性苯环结构的三官能交联剂将具有式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂与式(Ⅱ)和式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂中的一种或两种混合物进行复配，在特定配比下马来酰亚胺树脂固化物的韧性、电性能和耐热性达到性能的均衡，其中：
(1)与氰酸酯增韧、橡胶弹性体增韧和热塑性树脂共混增韧相比，式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂具有一定韧性，而且保留了马来酰亚胺树脂原有的耐热性，不会显著降低其固化物的玻璃化温度和增大固化物的热膨胀系数；
(2)与烯丙基化合物共聚增韧、二元胺扩链增韧和环氧树脂增韧相比，式(Ⅰ)所示结构的树脂增韧方式不会破坏马来酰亚胺树脂原有的介电性能。
(3)式(Ⅱ)和式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂具有高的玻璃化温度、高弯曲模量、低弯翘率、低介电性能和低膨胀系数的特点。一般而言，式(Ⅱ)所示结构的马来酰亚胺树脂具有更低的介电损耗角正切，式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂具有更高的玻璃化温度和更低的热膨胀系数。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种马来酰亚胺树脂组合物，其中包含以下组分：
(A)具有下述式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂：
Figure SMS_3
式(Ⅰ)中，n为1～5的整数；
(B)具有下述式(Ⅱ)和式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂中的一种或两种混合物：
Figure SMS_4
式(Ⅱ)中，R1为具有1～20个碳原子的有机基团，进一步含有一个或多个氧原子、氮原子或磷原子；
Figure SMS_5
式(Ⅲ)中，R2至R5各自独立地为氢原子或含有1～4个碳原子的烃基，m为1～6的整数；
(C)交联剂。
式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂保持了马来酰亚胺树脂的优点，同时兼顾韧性，与式(Ⅱ)所示结构的马来酰亚胺树脂配合使用能产生协同效应。
式(Ⅱ)所示结构的马来酰亚胺树脂包括但不限于N,N’-间苯撑双马来酰亚胺、N,N'-(1,4- 亚苯基)双马来酰亚胺、N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺、2,2’-双[4-(4-马来酰亚胺基苯氧基)苯基]丙烷、双(3-乙基-5-甲基-4-马来酰亚胺基苯)甲烷、N,N-(4-甲基-1,3-亚苯基)双马来酰亚胺、4,4'-双马来酰亚胺基二苯醚、4,4'-双马来酰亚胺基二苯砜、4,4'-双马来酰亚胺基二苯酮、2,2’-双[4-(4-马来酰亚胺基苯氧基)苯基]丙烷、1,3-双(3-马来酰亚胺基苯氧基)苯、1,3-双(4-马来酰亚胺基苯氧基)苯、N,N’-(亚甲基-双四氢苯基)双马来酰亚胺、N,N’-异氟尔酮双马来酰亚胺、N,N’-p,p’-二苯基二甲基甲硅烷基马来酰亚胺、2,7-二(4- 马来酰亚胺)苯醚基萘、N,N’-4,4’-(1,1’-二苯基-环己烷)双马来酰亚胺、N,N’-3,5-(1,2,4- 三唑)双马来酰亚胺、N,N’-吡啶-2,6-二基双马来酰亚胺中的一种或多种。
式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂是一种至少具有三个马来酰亚胺官能团的寡聚物，交联密度高，可以有效提高固化物的玻璃化转变温度，降低固化物的热膨胀系数。
上述交联剂可选自三烯丙基异氰脲酸酯、三聚氰酸三烯丙酯中的一种或两种混合物。三烯丙基异氰脲酸酯和三聚氰酸三烯丙酯为含苯环的三官能交联剂，具有高耐热性、低介电常数和低介电损耗等优良特性，在组合物中能提高反应速率和交联程度，降低热膨胀系数。
当式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂的含量为10质量份至40质量份，式(Ⅱ)与式(Ⅲ)结构的马来酰亚胺的含量之和为30质量份至70质量份，交联剂的含量为10质量份至30质量份时，固化物的韧性、耐热性和电性能三项性质达到较佳地均衡。
在本发明的马来酰亚胺树脂组合物中，可视需要包含其他成分，例如溶剂、固化剂、引发剂、阻燃剂、填料及其组合物。
作为上述马来酰亚胺树脂组合物所用的固化剂，可选自2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷、1,1-双(叔己基过氧化)-3,3,5-三甲基环己烷、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸叔丁酯、叔丁基过氧化特戊酸酯、过氧化甲乙酮、过氧化环己酮、过氧化二碳酸二异丙酯或过氧化碳酸二环己酯中的一种或多种，兼顾反应效率与固化物特性的观点而言，按照马来酰亚胺树脂组合物100质量份计，固化剂的添加量为0.05质量份至5质量份，更优选为0.2质量份至3质量份，若固化剂过少，则固化程度不足，固化物耐热性差；若固化剂过多，反应过快，操作窗口窄。
本发明中添加阻燃剂的目的在于改善固化物的阻燃效果，可选自溴化苯乙烯、十溴二苯醚、十溴二苯乙烷、乙撑双四溴邻苯二甲酰亚胺、三(2,6-二甲氧基苯)膦、10-(2,5-二羟基苯基)-9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧化物、10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、二乙基次膦酸铝、六苯氧基环三磷腈、多磷酸三聚氰、对苯二酚-双-(二苯基磷酸酯)中的一种或多种；对组合物中的阻燃剂含量没有特别的限定，从提高阻燃效果并且得到高剥离强度看，相对于有机树脂100质量份来计，优选为5质量份至20质量份。
作为本发明所使用的填料，可选自结晶型二氧化硅、熔融型二氧化硅、球型二氧化硅、氧化铝、氢氧化铝、苯胺黑、炭黑、氧化镁、氢氧化镁、碳酸钙、滑石、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化铝硅、碳化硅、碳酸钠、碳酸镁、二氧化钛、氧化锌、氧化锆、钛酸钾、钛酸锶、钛酸钡、陶瓷纤维、钼酸锌、钼酸铵、磷酸钙、勃姆石、中空玻璃微球或聚四氟乙烯粉体中的一种或多种；进一步优选为球型二氧化硅，球型二氧化硅具有流动性佳、膨胀系数低和介电性能优异等特性，而且固化物的钻孔加工性佳；对填料的含量没有特定的限制，从降低膨胀系数并且保持良好的加工性的观点来看，相对于有机树脂100质量份计，优选为50质量份至300质量份。
本发明中马来酰亚胺树脂组合物的制备可适当选用公知方法，例如仅将各组分均匀混合或者将其预聚制备得到。作为优选的制备方法之一，步骤如下：将马来酰亚胺树脂、交联剂、引发剂加热至80～180℃，在搅拌状态下维持10～300min，冷却至室温后再加入阻燃剂、填料，得到马来酰亚胺树脂组合物。视需要在组合物中添加惰性溶剂以利于加工，采用的溶剂可包含但不限于丁酮、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、环己酮、甲苯、二甲苯，各溶剂可单独使用或混合使用。
前述马来酰亚胺树脂组合物可通过不同的加工方式制成各类电子产品组件包括半固化片、覆铜层压板或印刷电路板。
本发明的马来酰亚胺树脂组合物可制成半固化片，制备方法为：将马来酰亚胺树脂组合物制成胶液，然后将增强材料浸渍在胶液中形成层状物，该层状物经过高温加热形成半固化片，制作半固化片的烘烤温度在100℃至175℃之间；增强材料的实例并无特别限制，可为市售用于各种印刷电路板的玻璃纤维布。
本发明的马来酰亚胺树脂组合物可制成覆铜层压板，制备方法为：取至少一张如上述半固化片及覆于上述半固化片一侧或两侧的金属铜箔进行加热加压得到，上述金属铜箔可为标准电解铜箔、反转铜箔、低轮廓铜箔或超低轮廓铜箔，加热加压条件可根据马来酰亚胺树脂组合物的种类或覆铜层压板的厚度而适当调整，例如可将压合温度设为170～260℃，压力设为1.0～6.0MPa；可进一步依照本领域已知的各种电路板制备工艺将覆铜层压板加工形成印刷电路板。
以下实施例制备覆铜层压板选取的原料如下表1所示。
表1
原料 制造厂商 牌号简称
式(Ⅰ)结构的马来酰亚胺树脂 东材科技 BMI-1
N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺 东材科技 BMI-2
双(3-乙基-5-甲基-4-马来酰亚胺基苯)甲烷 东材科技 BMI-3
苯甲烷马来酰亚胺的寡聚合物 东材科技 BMI-4
二烯丙基双酚A 东材科技 DBA
三聚氰酸三烯丙酯 Evonik TAC
三烯丙基异氰脲酸酯 Evonik TAIC
交联剂 沙多玛 TMPAT
球型二氧化硅 电化株式会社 FB-3Y
无卤阻燃剂 科莱恩 OP-935
自由基引发剂 阿科玛 DCP
实施例1
将30质量份TAIC于三口烧瓶中加热至130℃，然后加入20质量份BMI-1、50质量份BMI-2、1质量份DCP，在此温度下搅拌15min，使其混合物均匀，然后升温至160℃，在此温度下反应30min。冷却至室温后再加入适量的N,N-二甲基甲酰胺和丁酮，搅拌均匀后加入 5质量份OP-935和170质量份FB-3Y，制得组合物胶液；用2116玻璃纤维布浸渍在以上胶液，在170℃烤箱中烘干溶剂，制得半固化片；将半固化片叠合在两侧覆1oz厚度的标准铜箔，在压机中真空固化2h，固化温度为240℃，制成覆铜层压板。
实施例2
使用50质量份的BMI-3替换50质量份的BMI-2，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
实施例3
使用50质量份的BMI-4替换50质量份的BMI-2，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
实施例4
使用50质量份的BMI-1、20质量份的BMI-2替换20质量份的BMI-1、50质量份的BMI-2，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
实施例5
使用30质量份的TAC替换30质量份的TAIC，220质量份的FB-3Y替换170质量份的FB-3Y，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
实施例6
使用250质量份的FB-3Y替换170质量份的FB-3Y，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
对比例1
使用70质量份的BMI-2替换20质量份的BMI-1、50质量份的BMI-2，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
对比例2
使用20质量份的DBA替换20质量份的BMI-1、50质量份的BMI-3替换50质量份的BMI-2，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
对比例3
使用30质量份的TMPTA替换30质量份的TAIC，其他与实施例1相同，制备得到覆铜层压板。
表2
Figure SMS_6
Figure SMS_7
表2中的性能测试参照以下测试方法进行：
(1)玻璃化温度(Tg)参照IPC-TM-6502.4.24.4，采用动态力学分析(DMA)仪测试。
(2)热分解温度(Td)参照IPC-TM-6502.4.24.6。
(3)介电常数(Dk)/介质损耗角正切(Df)参照IEC61189-2-721-2015，频率10GHz，Dk/Df值越低，固化物的电性能越佳。
(4)X/Y-CTE参照IPC-TM-6502.4.24.5，X/Y-CTE越低，说明固化物热膨胀尺寸小，固化物的交联程度更高，耐热性更佳。
(5)弯曲强度参考IPC-TM-6502.4.4所述方法测试，弯曲强度能反馈固化物的脆韧性，弯曲强度越高，韧性越佳。
(6)剥离强度参考IPC-TM-6502.4.8所述方法测试。
由表2可知，实施例1和对比例1相比，弯曲强度有所提升，说明式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂能改善固化物的韧性。
实施例2和对比例2相比，固化物的介电损耗角正切值更佳，说明与二烯丙基双酚A相比，式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺在增韧的同时不会牺牲马来酰亚胺树脂的介电性能。
实施例2、实施例5与对比例3相比，固化物的X/Y-CT更低，说明TAIC、TAC与其他结构的交联剂相比较，在提高反应速率的同时不会降低固化物的交联程度，对固化物的耐热性影响小。
综上所述，本发明提供的马来酰亚胺树脂组合物制备的覆铜基板具有高玻璃化温度、低热膨胀系数、低介电常数、低介电损耗以及良好的韧性。

Claims (8)

1.马来酰亚胺树脂组合物，其特征在于，按照重量份数计包含以下组分：
(A)10质量份至40质量份的具有式(Ⅰ)所示结构的马来酰亚胺树脂：
Figure FDA0004174372050000011
(B)30质量份至70质量份的具有式(Ⅱ)和式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂中的一种或两种混合物：
Figure FDA0004174372050000012
(C)10质量份至40质量份的交联剂；
在式(Ⅰ)、(Ⅱ)和(Ⅲ)中，n为1～5的整数；R1为具有1～20个碳原子的有机基团；R2至R5各自独立地为氢原子或含有1～4个碳原子的烃基，m为1～6的整数；
所述交联剂选自三烯丙基异氰脲酸酯、三聚氰酸三烯丙酯中的一种或两种混合物；
还包含选自以下群组的添加剂组分：(D)溶剂、(E)固化剂、(F)引发剂、(G)阻燃剂、(H)填料及其组合物。
2.根据权利要求1所述的马来酰亚胺树脂组合物，其特征在于，式(Ⅱ)中，R1含有一个或多个氧原子、氮原子或磷原子。
3.根据权利要求1所述的马来酰亚胺树脂组合物，其特征在于，式(Ⅱ)所示结构的马来酰亚胺树脂包括N,N’-间苯撑双马来酰亚胺、N,N'-(1,4-亚苯基)双马来酰亚胺、N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺、2,2’-双[4-(4-马来酰亚胺基苯氧基)苯基]丙烷、双(3-乙基-5-甲基-4-马来酰亚胺基苯)甲烷、N,N-(4-甲基-1,3-亚苯基)双马来酰亚胺、4,4'-双马来酰亚胺基二苯醚、4,4'-双马来酰亚胺基二苯砜、4,4'-双马来酰亚胺基二苯酮、2,2’-双[4-(4-马来酰亚胺基苯氧基)苯基]丙烷、1,3-双(3-马来酰亚胺基苯氧基)苯、1,3-双(4-马来酰亚胺基苯氧基)苯、N,N’-(亚甲基-双四氢苯基)双马来酰亚胺、N,N’-异氟尔酮双马来酰亚胺、N,N’-p,p’-二苯基二甲基甲硅烷基马来酰亚胺、2,7-二(4-马来酰亚胺)苯醚基萘、N,N’-4,4’-(1,1’-二苯基-环己烷)双马来酰亚胺、N,N’-3,5-(1,2,4-三唑)双马来酰亚胺、N,N’-吡啶-2,6-二基双马来酰亚胺中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的马来酰亚胺树脂组合物，其特征在于，式(Ⅲ)所示结构的马来酰亚胺树脂为一种至少具有三个马来酰亚胺官能团的寡聚物。
5.根据权利要求1所述的马来酰亚胺树脂组合物，其特征在于，所述溶剂选自丁酮、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、环己酮、甲苯、二甲苯中的一种或两种混合物；
和/或所述固化剂的添加量按所述马来酰亚胺树脂组合物100质量份计为0.05质量份至5质量份，选自2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷、1,1-双(叔己基过氧化)-3,3,5-三甲基环己烷、过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸叔丁酯、叔丁基过氧化特戊酸酯、过氧化甲乙酮、过氧化环己酮、过氧化二碳酸二异丙酯或过氧化碳酸二环己酯中的一种或两种混合物；
和/或所述阻燃剂的添加量按组分(A)和(B)所述马来酰亚胺树脂之和为100质量份计为5质量份至20质量份，选自溴化苯乙烯、十溴二苯醚、十溴二苯乙烷、乙撑双四溴邻苯二甲酰亚胺、三(2,6-二甲氧基苯)膦、10-(2,5-二羟基苯基)-9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧化物、10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、二乙基次膦酸铝、六苯氧基环三磷腈、多磷酸三聚氰、对苯二酚-双-(二苯基磷酸酯)中的一种或多种；
和/或所述填料的添加量按组分(A)和(B)所述马来酰亚胺树脂之和为100质量份计为50质量份至300质量份，选自结晶型二氧化硅、熔融型二氧化硅、球型二氧化硅、氧化铝、氢氧化铝、苯胺黑、炭黑、氧化镁、氢氧化镁、碳酸钙、滑石、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化铝硅、碳化硅、碳酸钠、碳酸镁、二氧化钛、氧化锌、氧化锆、钛酸钾、钛酸锶、钛酸钡、陶瓷纤维、钼酸锌、钼酸铵、磷酸钙、勃姆石、中空玻璃微球或聚四氟乙烯粉体中的一种或多种。
6.权利要求1至5任一项所述马来酰亚胺树脂组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将马来酰亚胺树脂、交联剂、引发剂加热至80～180℃，在搅拌状态下维持10～300min，冷却至室温后加入阻燃剂、填料，得到马来酰亚胺树脂组合物；
或进一步添加溶剂得到马来酰亚胺树脂组合物胶液，其中所述溶剂选自丁酮、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、环己酮、甲苯、二甲苯中的一种或两种混合物。
7.权利要求1至5任一项所述马来酰亚胺树脂组合物在制备电子产品组件中的应用，所述电子产品组件包括半固化片、覆铜层压板或印刷电路板。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将所述马来酰亚胺树脂组合物制成胶液后，将玻璃纤维布浸渍在上述胶液中形成层状物，该层状物经过100℃至175℃高温加热，得到所述半固化片；
或取至少一张上述半固化片及覆于所述半固化片一侧或两侧的金属铜箔在温度为170～260℃、压力为1.0～6.0MPa的条件下加热加压，得到所述覆铜层压板；
或所述覆铜层压板加工，得到所述印刷电路板。
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