JP2006114606A - プリント配線板用基材、プリント配線板及びプリント配線板用基材の製造方法 - Google Patents

プリント配線板用基材、プリント配線板及びプリント配線板用基材の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 熱伝導方向に異方性を有する炭素繊維シート等を用いたプリント配線板用基材において、熱伝導方向が二次元的広がりを有するように構成することで高い放熱性能を実現するとともに、軽量化や薄型化が可能なプリント配線板を提供する。
【解決手段】 熱伝導方向に異方性を有する第1の炭素繊維シート3に、第1の炭素繊維シート3と熱伝導の方向が異なるように第2の炭素繊維シート4を重ね合わせ、これらを連通する熱拡散用穴5を穿孔し、熱拡散用穴5の内壁に第1の金属めっき6を施した後に熱伝導性樹脂7を充填する構成とすることで、第1又は第2の炭素繊維シートのいずれか一方において一定方向に伝導してきた熱が、熱拡散用穴5で他方の炭素繊維シートへ伝導し、他方の炭素繊維シートにおいて異なる方向へ伝導することにより、二次元方向に広がりを有する熱拡散が行われる。
【選択図】 図1

Description

本発明はプリント配線板用基材、プリント配線板及びプリント配線板用基材の製造方法に関するものであり、特に放熱特性の優れたプリント配線板用基材に関するものである。
従来のプリント配線板における基材には、放熱のため主としてアルミ等の金属が使用されてきた。一方、軽量化や薄型化のためアルミ等の金属より熱伝導性に優れた炭素繊維金属や炭素繊維シート等を使用した高放熱プリント配線板用基材が提案されている。ここで炭素繊維金属や炭素繊維シート等は熱伝導方向に異方性を有し、繊維方向だけに熱が伝導しやすいという特徴を有する。このため前記高放熱プリント配線板用基材では、熱伝導方向が直交するように複数の炭素繊維金属や炭素繊維シート等を重ね合わせ、熱伝導方向に二次元的な広がりを持たせることで優れた放熱特性を得ていた(例えば特許文献1参照)。
特開平11−40902号公報(第2頁、第1図)
熱伝導方向に異方性を有する炭素繊維金属や炭素繊維シート等を用いたプリント配線板用基材では、繊維方向だけに熱が伝導する。このためこれを使用したプリント配線板では、電子部品から発生する熱が特定方向だけに伝導されて基板全体には拡散されないため、放熱性能が低下する。また繊維方向が直交するように複数の炭素繊維金属や炭素繊維シート等を重ね合わせた場合でも、上下の炭素繊維金属や炭素繊維シート間では熱伝導性が低いため、放熱性能が低下するという課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、炭素繊維金属や炭素繊維シート等を用いたプリント配線板用基材において、熱伝導方向が二次元的な広がりを有するように構成することで高い放熱性能を実現するとともに、軽量化や薄型化が可能なプリント配線板を得ることを目的とする。
この発明に係るプリント配線板用基材は、熱伝導方向に異方性を有する第1の基材と、前記第1の基材とは異なる熱伝導方向となるように前記第1の基材に重ね合わせた、熱伝導方向に異方性を有する第2の基材と、前記第1の基材と第2の基材とを連通する熱伝導穴と、前記熱伝導穴の内壁に設けた熱伝導層とを備えたものである。
この発明によれば、炭素繊維金属や炭素繊維シート等を用いたプリント配線板用基材において、炭素繊維金属や炭素繊維シートの熱伝導方向が異なるように重ね合わせ、熱拡散用の熱伝導穴を設けて当該熱伝導穴の内部に熱伝導層を備えるため、重ね合わせた炭素繊維金属や炭素繊維シート間に熱伝導が生じて、電子部品から発生する熱を基材の全体に拡散できる。
以下この発明を、その実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお実施の形態1では、この発明に係るプリント配線板用基材を用いたプリント配線板を例にとり説明する。
実施の形態1.
図1は実施の形態1におけるプリント配線板1の断面図であり、本発明に係るプリント配線板用基材2は、第1の基材である第1の炭素繊維シート3を、第2の基材である第2の炭素繊維シート4に重ね合わせて構成される。プリント配線板用基材2には熱伝導穴である熱拡散用穴5が形成され、熱拡散用穴5の内壁には熱伝導層である第1の金属めっき6が設けられる。第1の金属めっき6に囲まれた熱拡散用穴5の内部には、熱伝導性樹脂7が充填される。また、プリント配線板用基材2の表面には第2の金属めっき61がなされ、さらに第2の金属めっき61の上からプリント配線板用基材2を絶縁樹脂8で挟むことで、プリント配線板1が構成される。一方、プリント配線板1には表裏を貫通するスルーホール9、パッド10、プリント配線板1の表面から第2の金属めっき61まで達するサーマルビア11が設けられ、電子部品12が発生する熱をプリント配線板用基材2に伝導する。また裏面には配線パターン13が設けられる。
次にプリント配線板1の製造方法を説明する。図2は実施の形態1におけるプリント配線板1の製造工程を示す断面図である。まず図2の(a)に示すように、第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4を、それぞれの繊維方向が直交するように配置し、プリプレグ等(図示せず)の接着材により接着する。図3は第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4を重ね合わせる様子を示す斜視図である。図3において第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4の実線方向に繊維が存在するものとすれば、それぞれの繊維方向が互いに直交するように重ね合わせられる。ここで直交するように重ね合わせるのは、第1及び第2の炭素繊維シート3、4は、それぞれ繊維方向だけに熱が伝導しやすいという特徴を有するからである。なお、実施の形態1で用いる第1の炭素繊維シート3および第2の炭素繊維シート4は、例えば株式会社先端材料製SZ500や、三菱化学株式会社製ダイアリード(登録商標)等であり、炭素繊維方向の熱伝導率が450〜600W/mK、比重が2〜2.2のものを用いる。
次に、図2の(b)に示すように、重ね合わせた第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4にスルーホール穴9aと熱拡散用穴5をドリル加工等により設ける。このとき、熱拡散用穴5は、重ね合わせた第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4の全体に複数個かつ均等に設ける。図4は実施の形態1におけるプリント配線板用基材2の上面図であり、熱拡散用穴5を設ける様子を示す図である。図4に示すように、熱拡散用穴5はプリント配線板用基材2の全面に均等に設けるものとする。また、熱拡散用穴5の穴径はどのような値であってもよいが、内部に第1の金属めっき6を施すことや、熱伝導性樹脂7を充填することを勘案すると、概ね0.2ミリメートルから1.0ミリメートル程度の値が望ましい。これに対してスルーホール穴9aは熱拡散用穴5と重ならない位置であれば、どこに設けてもよいが、個数や大きさ等は、作成するプリント基板1の種類や用途によって異なる。
次に、図2の(c)に示すように、スルーホール穴9aと熱拡散用穴5の内壁と、炭素繊維シート3および4の表面に第1の金属めっき6を施す。さらに、図2の(d)に示すように第1の金属めっき6を施した熱拡散用穴5の内部に、熱伝導性樹脂7をスクリーン印刷等の手法により充填する。そして図2の(e)に示すように、第1及び第2の炭素繊維シート3および4の表面、ならびにスルーホール穴9aの内壁に、第2の金属めっき61を施す。なお図2の(c)および図2の(e)において、めっきする金属は例えば銅などの熱伝導性に優れたものを用いる。
次に、図2の(f)に示すようにプリント配線板用基材2を表裏から絶縁樹脂8で挟み、絶縁樹脂8の表裏面に銅箔14を重ねて加熱圧着する。このとき、炭素繊維シート3、4の表裏面だけでなく、スルーホール穴9aの内部にも絶縁樹脂8が形成される。次に図2の(g)に示すように、表裏導通のためのスルーホール9を形成する穴9bとサーマルビア11を形成する穴11aをドリル加工やレーザ加工等により設ける。ここで穴9bは基材を貫通するように穿穴し、一方、穴11aは表面の銅箔14から第2の金属めっき61に到達するまで穿穴する。次に、図2の(h)に示すように、穴9bと穴11aの内壁及び表裏面の銅箔14に、第3の金属めっき62を施す。最後に、図2の(i)に示すように第3の金属めっき62と銅箔14をエッチングすることにより、パッド10、配線パターン13、サーマルビア11及びスルーホール9を形成する。
次に、プリント配線板1における熱伝導について図を用いて説明する。図1において、電子部品12から発生する熱は、サーマルビア11またはパッド10と絶縁樹脂8を介して、第2の金属めっき61が施されたプリント配線板用基材2に伝わり、プリント配線板用基材2の全体に拡散される。図5の(a)はプリント配線板1の一部を拡大して熱伝導の様子を示した断側面図であり、図5の(b)のA−A断面に相当する。一方、図5の(b)はプリント配線板1の一部を拡大して熱伝導の様子を示した断平面図であり、図5の(a)のB−B断面に相当する。
図5の(a)に示すように、電子部品12から発生した熱は、例えばサーマルビア11を経由して実線の矢印51のように第1の炭素繊維シート3へ伝導する。そして第1の炭素繊維シート3において図5の(b)における矢印52、55のように横方向へ伝導する。そこで、矢印52方向に伝導した熱は、熱拡散用穴5の1つである熱拡散用穴5aに達する。熱拡散用穴5aは内壁に第1の金属めっき6が施され、さらに熱拡散用穴5aの内部には熱伝導樹脂7が充填されているが、第1の金属めっき6及び熱伝導樹脂7は、第1の炭素繊維シート3と異なり熱伝導方向に異方性はない。従って伝導してきた熱は、第1の金属めっき6及び熱伝導樹脂7によって第1の炭素繊維シート3の下側にある第2の炭素繊維シート4に伝導される。
第2の炭素繊維シート4に伝導した熱は、第2の炭素繊維シート4の繊維方向が第1の炭素繊維シート3の繊維方向と直交するため、図5の(b)の破線の矢印53のように、矢印52とは直交する縦方向へ伝導する。そして別の熱拡散用穴5の一つである熱拡散用穴5bに達すると、熱拡散用穴5bの内部に設けた第1の金属めっき6及び熱伝導樹脂7を介して、再び上側の第1の炭素繊維シート3に伝導される。さらに、第1の炭素繊維シート3において実線の矢印54のように再び横方向へ伝導してゆく。このように、プリント配線板用基材2を伝導する熱は、熱拡散用穴5において上下の炭素繊維シート3及び4の間を互いに伝導し合うことによって、二次元的に広がりながらプリント配線板用基材2の全体へ拡散してゆく。
実施の形態1で用いる炭素繊維シート3および4の繊維方向の熱伝導率は、例えば前掲のものを使用した場合は450〜600W/mKであり、アルミニウムの230W/mKや銅の390W/mK等よりも良い。一方で、繊維に対して垂直方向の熱伝導率は例えば株式会社先端材料製SZ500で40W/mKと低い特性を有している。
以上のように、実施の形態1では、炭素繊維シート3及び4に熱拡散用穴5を設け、熱拡散用穴5の内壁および前記炭素繊維シート3及び4の表裏面に第1の金属めっき6を施しているため、上下の炭素繊維シート3、4間の熱伝導が促進され、熱がプリント配線板用基材2全体に拡散される。また、実施の形態1では、熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填したうえに第2の金属めっき61を施しているため、プリント配線板1上の任意の位置に、レーザ加工によるサーマルビア11を設けることが可能となり、電子部品12の部品配置に対して何らの制約なく、放熱性を向上することができる。
なお、実施の形態1では、熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填しているので、第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4との間の熱伝導を、より促進することができる。また、実施の形態1では、熱拡散用穴5を第1の基材と第2の基材の全面に均等に設けているので、電子部品12が搭載される場所にかかわらず、熱をプリント配線板用基材2に拡散することができる。さらに、実施の形態1では、第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4とを繊維方向が直交するよう重ね合わせているので、電子部品12が発生する熱を効率よくプリント配線板用基材2の全体へ拡散することができる。
なお、上記実施の形態1においては第1及び第2の基材として炭素繊維シートを用いるものとして説明したが、必ずしも炭素繊維シートでなくてもよい。例えば炭素繊維シートの代わりに、炭素繊維金属を用いるものとしてもよい。また、炭素繊維シートや炭素繊維金属に限らず、熱伝導方向に異方性を持つ材料で作られていれば、どのような材料であってもよい。
また、上記実施の形態1においては熱拡散用穴5をプリント配線板用基材2に格子状に配設するものとして説明したが、これは必ずしも格子状でなくてもよい。例えば図6の(a)に示すような斜め格子状や、図6の(b)に示すような同心円状であってもよい。
また、上記実施の形態1においては、熱拡散用穴5の形状は円形として説明したが、熱拡散用穴5は必ずしも円形穴である必要はない。熱が伝導すれば任意の形状でよく、楕円形や四角形であってもよい。
また、上記実施の形態1においては、熱拡散用穴5をプリント配線板用基材2に均一に設けるものとして説明したが、これは必ずしも均一でなくてもよい。例えば発熱量の大きい部品の下に多くの熱拡散用穴5を設け、当該部品の熱の拡散を促進するものとしてもよい。
実施の形態2.
実施の形態1では、熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填し、熱伝導性樹脂7の上に第2の金属めっき61を施す場合について説明したが、必ずしも熱伝導性樹脂7を充填する必要はない。この場合、熱伝導性樹脂7を充填する工程及び第2の金属めっき61を施す工程が不要となって製造が容易となり、プリント配線板1の製造コストを下げることができる。
図7は実施の形態2におけるプリント配線板1を示す断面図であり、実施の形態1における図1と比較すると、図7では熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填せず、絶縁樹脂8で満たす点が異なっている。なお図7において、図1と同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態2では、電子部品12で発生した熱はサーマルビア11により第1の金属めっき6を介して第1の炭素繊維シート3に伝導する。次に、第1の炭素繊維シート3に伝導した熱は、プリント配線板用基材2にあけた熱拡散用穴5の内壁に施された第1の金属めっき6により、下側にある第2の炭素繊維シート4に伝導する。以降の熱伝導は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
次に実施の形態2におけるプリント配線板1の製造方法を説明する。図8は実施の形態2におけるプリント配線板1の製造工程を示す断面図であり、実施の形態1における図2に対応する。実施の形態2では熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填しないため、図8では、図2の(d)に示す熱伝導性樹脂7を充填する工程と、図2の(e)に示す第2の金属めっき61を施す工程を省略できる点が異なる。
まず図8の(a)に示すように、第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4を、それぞれの繊維方向が直交するように配置し、プリプレグ等の接着材により接着する。次に、図8の(b)に示すように、重ね合わせた第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4にスルーホール穴9aと熱拡散用穴5をドリル加工等により設ける。熱拡散用穴5を炭素繊維シートの全体に複数個かつ均等に設ける点は、実施の形態1と同様である。そして図8の(c)に示すように、スルーホール穴9aと熱拡散用穴5の内壁と、炭素繊維シート3および4の表面に第1の金属めっき6を施す。
次に、実施の形態2では、上述のように図2の(d)及び(e)に示す工程を省略し、図8の(d)に示すようにプリント配線板用基材2を表裏から絶縁樹脂8で挟み、絶縁樹脂8の表裏面に銅箔14を重ねて加熱圧着する。このため実施の形態2では、スルーホール穴9aの内部だけでなく、熱拡散用穴5の内部にも絶縁樹脂8が形成される。次に図8の(e)に示すように、スルーホール9を形成する穴9bとサーマルビア11を形成する穴11aをドリル加工やレーザ加工等により設ける。次に、図8の(f)に示すように、穴9bと穴11aの内壁及び表裏面の銅箔14に、第3の金属めっき62を施す。最後に、図8の(g)に示すように第3の金属めっき62と銅箔14をエッチングすることにより、パッド10、配線パターン13、サーマルビア11及びスルーホール9を形成する。
以上説明したように、実施の形態2では、熱拡散用穴5の内壁に施された第1の金属めっき6が、熱伝導性樹脂7の代わりに第1および第2の炭素繊維シート間に熱を伝導する役割を果たす。実施の形態2では、熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填せず、また第2の金属めっき61を施さなくて済むため、熱伝導性樹脂7を充填する工程及び第2の金属めっき61を施す工程を省略でき、製造が容易となって、プリント配線板1の製造コストを下げることができる。
実施の形態3.
実施の形態1では、プリント配線板用基材2を構成するものとして、第1の炭素繊維シート3と第2の炭素繊維シート4を使用し、これらをそれぞれの繊維方向が直交するように重ね合わせるものとして説明したが、必ずしも炭素繊維シートを2枚重ねる必要はない。すなわち炭素繊維シートは1枚であってもよく、この場合、プリント配線板1の薄型化、軽量化が可能となる。
図9は実施の形態3におけるプリント配線板1を示す断面図であり、実施の形態1における図1と比較すると、図9では炭素繊維シートを2枚重ねず、第1の炭素繊維シート3だけしか使用していない点が異なっている。なお図9において、図1と同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態3でも、電子部品12が発熱した熱はサーマルビア11により第2の金属めっき61を介して第1の炭素繊維シート3へ伝導する。実施の形態3では、第1の炭素繊維シート3を1枚しか使用していないため、プリント配線板用基材2では第1の炭素繊維シート3の繊維方向にしか熱が伝導しない。
実施の形態3では、第1の炭素繊維シート3と直交する方向への熱伝導は、第1の金属めっき6及び第2の金属めっき61により行われる。すなわち第1の金属めっき6及び第2の金属めっき61と第1の炭素繊維シート3により二次元方向への広がりを持った熱拡散が実現される。なお、この実施の形態3の場合、第1の金属めっき6及び第2の金属めっき61の厚さを変えることにより、必要な放熱特性を得ることができる。
以上説明したように、実施の形態3では、第2の炭素繊維シート4の代わりに第1の金属めっき6及び第2の金属めっき61が、第1の炭素繊維シート3と直交する方向へ熱を伝導する役割を果たす。実施の形態3では、炭素繊維シートが1枚で済むため、プリント配線板1の薄型化、軽量化が可能となる。
実施の形態4.
実施の形態1ないし3では、プリント配線板用基材2で熱を二次元方向への広がりを持たせて拡散することについて説明したが、さらにプリント配線板用基材2から、プリント配線板1が搭載される筐体へ放熱することもできる。
図10は実施の形態4におけるプリント配線板1を示す断面図であり、実施の形態1における図1と比較すると、図10ではプリント配線板1に設けた複数のサーマルビア11bと、プリント配線板1が搭載される筐体15とが接触する構成である点が異なっている。なお図10において、図1と同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態4でも、電子部品12が発熱した熱はサーマルビア11により第2の金属めっき61を介してプリント配線板用基材2に伝わり、二次元方向へ広がって拡散する。実施の形態4では、熱拡散用穴5の内部に熱伝導性樹脂7を充填し、熱伝導性樹脂7の上に第2の金属めっき61を施して、さらにその上にサーマルビア11bを介して筐体15が接触する構成となっている。このような構成により、プリント配線板用基材2で拡散された熱は、サーマルビア11bを介して筐体15へ伝導して放熱される。
以上説明したように、実施の形態4では、電子部品12が発生した熱がプリント配線板用基材2で拡散されて、サーマルビア11bにより筐体15へ放熱される。実施の形態4では、筐体15と接触する部分の形状に合わせて、サーマルビア11bを任意の位置に配置できるため、絶縁樹脂7を機械加工等により除去することなく、プリント配線板1の熱を筐体15へ放熱することができる。
なお、上記実施の形態4においてはサーマルビア11bにより筐体15へ放熱するものとして説明したが、これは必ずしもサーマルビア11bである必要はなく、例えば放熱用貫通スルーホールであってもよい。図11は、実施の形態4において筐体15と接触するサーマルビア11bの代わりに放熱用貫通スルーホール16を設けた場合の、プリント配線板1を示す断面図である。図11に示すように、筐体15に接触する部分において、プリント配線板用基材2にスルーホール部穴9aを設けない放熱用貫通スルーホール16を形成し、プリント配線板用基材2と放熱用貫通スルーホール16とを接触させる。これによりプリント配線板用基材2により伝導された熱を、放熱用貫通スルーホール16を介して筐体15へ放熱することができる。
以上説明したように、図11に示す構成とすることで、サーマルビア11bを設けていないプリント配線板1においても、絶縁樹脂7を機械加工等により除去することなく、プリント配線板1の熱を少ない熱抵抗で筐体15へ放熱することができる。
この発明の実施の形態1に用いられるプリント配線板の断面図である。 この発明の実施の形態1におけるプリント配線板の製造方法を説明する図である。 この発明の実施の形態1における第1の炭素繊維シートと第2の炭素繊維シートを重ね合わせる様子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1に用いられる熱拡散用穴を設ける様子を示す図である。 この発明の実施の形態1におけるプリント配線板を熱が伝導する様子を説明する図である。 この発明の実施の形態1に用いられるプリント配線板用基材の上面図である。 この発明の実施の形態2に用いられるプリント配線板の断面図である。 この発明の実施の形態2におけるプリント配線板の製造方法を説明する図である。 この発明の実施の形態3に用いられるプリント配線板の断面図である。 この発明の実施の形態4に用いられるプリント配線板の断面図である。 この発明の実施の形態4に用いられるプリント配線板の断面図である。
符号の説明
1 プリント配線板
2 プリント配線板用基材
3 第1の基材である第1の炭素繊維シート
4 第2の基材である第2の炭素繊維シート
5 熱伝導穴である熱拡散用穴
6 熱伝導層である第1の金属めっき
7 熱伝導性樹脂
8 絶縁樹脂

Claims (8)

  1. 熱伝導方向に異方性を有する第1の基材と、前記第1の基材とは異なる熱伝導方向となるように前記第1の基材に重ね合わせた、熱伝導方向に異方性を有する第2の基材と、前記第1の基材と第2の基材とを連通する熱伝導穴と、前記熱伝導穴の内壁に設けた熱伝導層とからなることを特徴とするプリント配線板用基材。
  2. 前記熱伝導層に囲まれた前記熱伝導穴の内部に熱伝導樹脂を備えることを特徴とする、請求項1に記載のプリント配線板用基材。
  3. 熱伝導方向に異方性を有する前記第1または第2の基材は、それぞれ炭素繊維金属または炭素繊維シートであることを特徴とする、請求項1に記載のプリント配線板用基材。
  4. 前記熱伝導穴は前記第1の基材と第2の基材の全面に均等に設けることを特徴とする、請求項1に記載のプリント配線板用基材。
  5. 第1の基材と第2の基材は、それぞれの熱伝導方向が直交するように重ね合わせられることを特徴とする、請求項1に記載のプリント配線板用基材。
  6. 請求項1ないし請求項5のいずれか一に記載のプリント配線板用基材と、前記プリント配線板用基材を挟む絶縁樹脂とを備えたことを特徴とするプリント配線板。
  7. 熱伝導方向に異方性を有する第1の基材に、前記第1の基材とは異なる熱伝導方向となるように、熱伝導方向に異方性を有する第2の基材を重ね合わせるステップと、前記第1の基材及び第2の基材を連通する熱伝導穴を穿孔するステップと、穿孔した前記熱伝導穴の内壁に熱伝導層を設けるステップとを有することを特徴とするプリント配線板用基材の製造方法。
  8. 熱伝導方向に異方性を有する第1の基材に、前記第1の基材と熱伝導方向が直交するように、熱伝導方向に異方性を有する第2の基材を重ね合わせるステップと、前記第1の基材及び第2の基材を連通する熱伝導穴を穿孔するステップと、穿孔した前記熱伝導穴の内壁に熱伝導層を設けるステップと、前記熱伝導層に囲まれた前記熱伝導穴の内部に熱伝導樹脂を備えるステップとを有することを特徴とするプリント配線板用基材の製造方法。
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