JP2705387B2 - 集積回路チップパッケージの製造方法 - Google Patents

集積回路チップパッケージの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は集積回路(IC)チッ
プパッケージの製造方法、特にフリップチップ相互接続
によるマルチチップモジュールの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】電子回路の高密度化の手段としてプリン
ト配線板(PCB)が長年にわたり使われてきた。PC
Bには多数のICデバイス(LSI、VLSI等を含
む)が他の回路素子とともに取り付けられ、それらIC
デバイスと回路素子との間の相互配線および外部回路と
の間の接続がそのPCB上のプリント配線やコネクタ等
によって形成される。それらICデバイスの各々は、通
常1つのICチップを個別的に気密封止したシングルチ
ップパッケージ構造を備えている。従って、電子回路の
密度を高めるにはPCB上の配線の密度を高めてできる
だけ多くのシングルチップICデバイスをそのPCB上
に搭載できるようにする必要がある。しかし、個々のI
Cデバイスは一定の大きさをもちまたPCB配線の幅に
も下限があるので高密度化にも限界がある。従って、P
CBベースの装置は小型化が難しい。また、PCBベー
スの装置では個々のICデバイスで発生する熱の放散が
困難である。さらに、装置内の信号経路の短縮化が困難
であるため、その装置で処理可能な信号のビットレート
の上限が低い。
【0003】これらの問題を解決する手段として、多層
配線を施したセラミック基板とこの基板の表面に取り付
けられそれら配線にそれぞれ電気的に接続された複数の
ICチップとを備えるマルチチップICパッケージが提
案された。この種のセラミック基板ベースのマルチチッ
プICパッケージでは、小型化、信頼性の改善、信号経
路の短縮化は達成できるものの、熱放散の問題がセラミ
ック基板の不十分な熱伝導度のために十分に解消できな
いだけでなく、ICチップとセラミック基板との熱膨張
係数の差に起因するICチップの破壊が起こる。
【0004】そこで、このセラミック基板の代りにシリ
コン基板を用いる提案がなされている。シリコンによる
配線基板を用いれば、基板の熱伝導度は十分に高いので
熱放散は容易になる。また、上記熱膨張係数の差の問題
が解消できるだけでなく、ICチップ製造のためにこれ
まで蓄積されてきた技術、すなわちリソグラフィー技
術、層間配線技術等をシリコン回路基板加工にそのまま
利用できるので利点が多い。さらに、マルチチップ化の
ためにシリコン回路基板に取り付けるべきICチップの
各々は拡散工程の後の検査工程を経てきているので、マ
ルチチップモジュールに組み上げた後の最終製品の信頼
性はそれだけ高くなる。また、回路基板に取り付けるべ
きICチップはMOSICチップとバイポーラICチッ
プとの組み合わせ、MOSICチップと化合物半導体I
Cチップとの組み合わせなど、柔軟に選択できる(以上
述べてきた従来技術の概括的記述については、IEEE
Transactions on Componen
ts、Hybrids、and Manufactur
ing Technology誌 Vol.12、N
o.2(June 1989) P.170−179記
載のJohnK.Hagge著の論文“Ultra−R
eliable PackagingforSilic
on−on−Silicon WSI”参照)。
【0005】上記熱放散をより効率的にするために通常
採られる手法は、シリコン回路基板のICチップ搭載面
からみて裏側の面にヒートシンクなどの部材を接着樹脂
などで密着させる手法である。この手法を採った場合
は、複数のICチップで発生した熱をシリコン回路基板
を経てヒートシンクに導くこととなり、熱放散効果が十
分でない。特にICチップとシリコン回路基板との間に
空隙を残した構造のマルチチップモジュールでは、熱放
散の効果が不十分になりやすい。
【0006】シリコン回路基板に複数のICチップをフ
リップチップ相互接続などによりフェースダウン形式で
取り付け、それらチップの裏側にヒートシンク部材を密
着配置したマルチチップモジュールの構成は熱放散に最
も適している。しかし、熱放散効果を確保するには、フ
ェースダウン形式でシリコン回路基板に取り付けた複数
のICチップの上記裏面が同一平面上にあって、ICチ
ップの各々の上記裏面とヒートシンク部材との密着が保
たれなければならない。すなわち、複数のICチップの
各々が厚み方向に一様の間隔を保ってシリコン回路基板
に固定される必要がある。上記厚み方向間隔のばらつき
やICチップの傾きなどによりこの条件が満たされない
場合は、ヒートシンク部材とICチップの間に空隙が残
り、両者間の熱伝導に支障が生じ、熱放散が損なわれ
る。
【0007】複数のICチップを一様な厚み方向間隔を
保ってシリコン回路基板に固定するために従来採られた
手法は、ICチップ側、回路基板側、または両方に設け
たフリップチップ相互接続のための金属バンプを利用し
ている(1988年6月13日発行の特開昭63−14
1356号公報参照)。従来の製造方法によると、図4
(a),(b)の工程断面図に示すように、ICチップ
2の表面にSiO2 、SiNなどの無機系絶縁膜14の
膜厚よりも大きい高さのCuあるいはAuから成る金属
バンプ3を形成する。一方、シリコン回路基板1の表面
を覆うSiO2 、SiNなどの無機系絶縁膜14の上記
ICチップ2のバンプ3と対応する位置にそれぞれ設け
た穴にSn、Pb、Inなどからなる半田用金属4Aを
配置し、上記バンプ3と上記穴とが目合わせされた状態
でその半田4Aを溶融するとともに接着樹脂7を介して
ICチップ2をシリコン回路基板1に取り付ける。その
際、ICチップ2とシリコン回路基板1との間の間隔を
実質的に規定するものは上記金属バンプ3であり、半田
4Aはこのバンプ3の高さのばらつきを吸収することに
よってICチップ−シリコン回路基板間の間隔の微調整
に寄与する。しかし、上記絶縁膜14は2μm以上厚く
形成することは極めて難しく、従ってバンプ高さのばら
つきを吸収するための半田4Aの逃げ部となる空隙16
がほとんど得られないのが実状であり、たとえ得られた
としても空気が密閉された状態は好ましいものではな
い。
【0008】半田による固定方法の代りに、光硬化性樹
脂の光照射による収縮作用を用いてICチップとシリコ
ン回路基板との間の電気的接続を行う提案がなされてい
る(1989年、International Ele
ctronic Manufacturing Tec
hnologyシンポジウム論文集P.47以下記載の
R.Haradaほか著の論文「Aplication
s of New Assembly Method
“Micro Bump Bonding Metho
d”」参照)。この手法による場合も、ICチップとシ
リコン回路基板との間の間隔を規定するものはICチッ
プおよびシリコン回路基板の各々に設けたAuからなる
金属バンプの高さの和であり、それら金属バンプが目合
わせされた状態で電気的接触を保つように上記光硬化性
樹脂が使われている。上述の構成から明らかなとおり、
この従来技術の製造方法では、接着用の樹脂が光の照射
を受けて硬化した後はチップと基板間の間隔を微調整で
きない。
【発明が解決しようとする課題】先に挙げた特開昭63
−141356号公報記載の従来技術は、ICチップと
シリコン回路基板間の間隔を回路基板表面の絶縁膜の穴
に配置した半田で微調整できる点において他の従来技術
よりも改善が進んでいる。しかし、その微調整はICチ
ップ側の金属バンプがシリコン回路基板側の穴にはめ合
わされる際に、その穴の中の半田の液面と穴の側面と上
記金属バンプの基底部とで中空筒状の空隙を形成する。
この空隙に閉じ込められた空気はマルチチップモジュー
ルの組立完成後の温度上昇などによって膨張し、上記空
間を形成する上記部材に歪みを与え、極端な場合はこれ
ら部材の一部を破壊する。さらに、この従来技術では半
田の溶融によるICチップの接続、固定は一工程で行わ
れ、一旦固定された後は一部ICチップに欠陥が発見さ
れてもその欠陥チップだけを選択的に良品と交換するこ
とは困難である。
【0009】従って、この発明の目的は、複数のICチ
ップをフリップチップ相互接続により一つのシリコン回
路基板に取り付けたマルチチップモジュールであって、
上記ICチップの各々とシリコン回路基板との厚み方向
の間隔の調整を上記空隙の形成を伴うことなく達成でき
るマルチチップモジュールの製造方法を提供することで
ある。
【0010】この発明のもう一つの目的は、複数のIC
チップをフリップチップ相互接続により一つのシリコン
回路基板に取り付けたマルチチップモジュールであっ
て、上記ICチップの各々を仮止め状態にしてそのモジ
ュールの電気的諸特性の検査を行い、欠陥の発見された
チップのみを交換した後本止め状態にできるマルチチッ
プモジュールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】この発明は、各々が一つ
の表面に複数個の所定の不純物拡散領域を備えるととも
にその一つの表面にそれぞれ形成されそれら不純物拡散
領域と選択的に電気的にそれぞれ接続された複数個の金
属バンプを備えた複数個のICチップを、所定の配線パ
ターンを表面の少なくとも一部に含む1枚の平らなシリ
コン回路基板にフリップチップ相互接続により前記金属
バンプを介して電気的に接続してマルチチップモジュー
ルを形成する集積回路チップパッケージの製造方法にお
いて、前記ICチップの前記一つの表面に有機系絶縁材
料からなる第1の厚さの第1の平坦な膜を形成する工程
と、この膜の予め定められた位置で前記一つの表面に達
する複数の穴を形成しそれら穴を通じて前記金属バンプ
を形成する工程と、前記シリコン回路基板の表面に有機
系絶縁材料からなる第2の厚さの第2の平坦な膜を形成
する工程と、前記第1の膜の穴の壁面に不連続な部分を
設ける工程と、前記ICチップの前記金属バンプと相対
する位置において前記シリコン回路基板の表面に達する
複数の穴を設ける工程と、これら複数の穴の各々に半田
用金属を充填する工程と、前記第1および第2の膜の少
なくとも一方に熱硬化性の有機系絶縁材料からなる接着
樹脂を塗布する工程と、前記金属バンプが前記シリコン
回路基板の前記穴に目合わせされた状態で前記シリコン
回路基板を加熱して前記半田用金属を溶融させるととも
に前記接着樹脂を硬化させる工程とを含む集積回路チッ
プパッケージの製造方法にある。
【0011】また、この発明は、前記第1および第2の
膜を形成する前記有機系絶縁膜がいずれも熱硬化工程を
経たポリイミドであり、前記塗布工程における前記接着
樹脂が熱硬化工程を経る前のポリイミドである集積回路
チップパッケージの製造方法にある。
【0012】また、この発明は、前記第1の膜が前記第
2の膜よりも薄いことを特徴とする集積回路チップパッ
ケージの製造方法にある。
【0013】また、この発明は、前記半田用金属を前記
穴に充填する工程が融点の比較的高い金属を充填する第
1の工程と、融点の比較的低い金属を充填する第2の工
程とからなる集積回路チップパッケージの製造方法にあ
る。
【0014】また、この発明は、前記第1および第2の
膜の厚さの和を金属バンプの高さよりも大きくした集積
回路チップパッケージの製造方法にある。
【0015】また、この発明は、前記複数のICチップ
の前記一つの面の裏側の面にその面と密着する熱伝導体
の面を有するヒートシンク部材を配置する工程をさらに
備える集積回路チップパッケージの製造方法にある。
【0016】また、この発明は、前記ヒートシンク部材
の前記配置工程に先立って前記裏側の面にサーマルグリ
ースを塗布する工程をさらに備える集積回路チップパッ
ケージの製造方法にある。
【0017】さらに、この発明は、前記半田用金属を溶
融する工程が前記比較的低い融点の金属を溶融する予備
加熱工程と前記比較的高い融点の金属をも溶融する本加
熱工程とからなり、前記予備加熱工程の終了した段階で
前記マルチチップモジュールの電気的接続関係を検査で
きることを特徴とする集積回路チップパッケージの製造
方法にある。
【0018】
【実施例】以下に述べる実施例は高速データ処理用エン
ジニアリングワークステーション(EWS)向けに設計
された3個のマイクロプロセッサを備えたマルチチップ
モジュールを対象としている。しかし、この発明の製造
方法が一般のマルチチップモジュールの製造に適用でき
ることは当業者には明らかであろう。
【0019】本発明の方法により製造されたICマルチ
チップモジュールの縦断面図を示す図1を参照すると、
このモジュールは、1枚のシリコン回路基板1と、この
基板1の表面にフェースダウン形式で取り付けた3個の
ICチップ2と、これらICチップ2の裏面にサーマル
グリース12を挟んで取り付けた放熱フィン13とを備
える。回路基板1の周辺部には接続パッド8を形成し、
このモジュールを搭載するPCB9の上の接続パッド1
0との間のTAB(Tape Automated B
onding)用のリード線11による電気的接続に備
えている。
【0020】図2(a)から(c)を併せ参照すると、
ICチップ2の各々は所要の拡散ほか加工工程を経たマ
イクロプロセッサチップの完成品であり、10mm角の
大きさを有しその表面に第1の厚さの有機系絶縁材料の
膜5を形成し、その膜5をフォトレジスト膜によるパタ
ーニングを含む選択的エッチングにかけて、所望の位置
でチップ2の表面に達する穴を形成する。それら穴の各
々に厚さ0.1乃至0.3μmのチタン(Ti)または
クロム(Cr)等の金属の層3bを蒸着により形成し、
さらにそれら金属層の上に金(Au)や銅(Cu)など
の金属の層3aを形成し金属バンプ3とする。金属バン
プ3はめっき法により形成し、高さが5から20μm、
基底サイズが5から30μm角の金(Au)バンプであ
る。上記工程において、膜5は熱硬化処理前の液状のポ
リイミドをICチップ2の表面にスピンコート法で塗布
したのち400乃至450℃まで加熱して硬化させて形
成する。膜5の厚さ、すなわち上記第1の厚さは5μm
に選んである。このICチップ2の構造を図3(a)の
チップ表面の平面図およびそのA−A断面図である同図
(b)に示す。すなわち膜5の穴壁に不連続部分を設
け、空気の逃げ道を形成している。
【0021】一方、図2を引続き参照するとシリコン回
路基板1の表面には、まず二酸化シリコン(SiO2
のみ又は二酸化シリコンと窒化シリコン(SiN)とか
らなる無機絶縁膜14が酸化工程または蒸着工程により
0.5乃至2.0μmの厚さに形成され、その表面に所
望の形状の銅(Cu)、金(Au)またはアルミニウム
(Al)の基板配線層15が形成される。さらに、3層
乃至5層の多層配線層6a(図2では簡略化のために2
つの配線層が示してある)を内包する第2の厚さの有機
系絶縁材料の膜6が上記配線層15および膜14を覆っ
て形成される。この有機系絶縁材料の膜6は、上記IC
チップ2の膜5と同様にスピンコート法で形成したポリ
イミド層を層間絶縁膜とし、銅(Cu)、アルミニウム
(Al)等を配線層とした各層の厚さ15乃至20μm
の積層体を加熱工程にかけてポリイミドを熱硬化させて
形成する。ここで用いたシリコン回路基板1の大きさ
は、50mm角で厚さは0.5mmのものを使用した。
【0022】次に、絶縁膜6の所定の位置、すなわち上
記ICチップの金属バンプ3と対応する位置で上記基板
配線層15に達する一辺30乃至100μmの方形の穴
を上記膜5の穴と同様の工程により形成し、この穴に半
田用金属4を充填する。この半田用金属4は基板配線層
15の表面に直接にめっき法で形成したニッケル(N
i)の薄い下地層4cと、その層4cを覆って充填され
た比較的融点の高い金・シリコン(Au・Si)合金ま
たは鉛・錫合金(95%Pb/5%Sn)の高融点層4
bと、さらにその層4bを覆って充填された融点の低い
インジウム(In)、共晶半田等の低融点層4aとから
なる。
【0023】ICチップ2およびシリコン回路基板1に
上述の加工を施したのち、熱硬化前の液状のポリイミド
を膜5および6の片方または両方に薄く均一に塗布し、
金属バンプ3と半田用金属4とを目合わせしてこれらI
Cチップ2をシリコン回路基板1に押しつけ、その状態
で半田金属の層4aの融点を少し上まわる温度(半田金
属の層4bの融点よりも低い)まで加熱する。その段階
で、測定器の複数のテスト用プローブ(図示していな
い)を複数の接続パッド8にそれぞれ接続させ、各チッ
プ2と回路基板1との間の電気的接続関係をチェックす
る。このチェックの結果、あるICチップ2と回路基板
1との接続関係が所定の状態にないことが検出された場
合は、そのICチップ2を良品と置換することができ
る。上記チェックの結果がICチップ2の全てが所定の
接続関係にあることを示す場合は、ICチップ2の回路
基板1への圧着を維持しつつ半田金属の層4bの融点を
越える温度まで加熱を進めて上記薄いポリイミド層であ
る接着樹脂7を熱硬化させるとともに金属バンプ3と半
田用金属4(図2(c)に示したとおり半田金属層4a
と4bは溶融して単一の半田金属層4dになっている)
との電気的接続関係を完全にする。
【0024】ICチップ2をシリコン回路基板1に圧着
する際は、半田の低融点層4aは溶融状態にあり接着樹
脂7は軟化状態にあるため、複数のICチップ2を同時
に押圧することによってチップ2の裏面側の平坦度を揃
えることができる。この状態で図1のようにチップ裏面
にサーマルグリース12を介して放熱フィン13を載せ
固定する。このように、ICチップ裏面と放熱フィンが
同一水平面上で接着されるため極めて熱放散性が良くな
る。
【0025】上記圧着加熱工程において、金属バンプ3
のまわりに、膜5および6の穴の壁で形成された閉じた
空間が生じないように、膜5の上記穴は金属バンプ3の
軸を中心とした円または方形の周方向に少なくとも膜の
表面近傍で不連続な壁面(図示していない)を有する。
これによって、上記閉じた空間に気泡が残留した場合に
生ずる問題、すなわちマルチチップパッケージ組立て後
の温度変化等によりそのパッケージの構成部品に歪みを
与えるという問題を防止できる。
【0026】本発明を適用できる図1のICマルチチッ
プパッケージにおいて、放熱フィンの代りにそれよりも
冷却効果の優れた放熱ブロック(ステンレス製で内部に
冷却水を流して冷却チャネルを形成している)をサーマ
ルグリースを介して接着することもできる。
【0027】以上述べてきたように、本発明はICチッ
プとシリコン回路基板との間隔の均一性を確保するため
に、ICチップ側および回路基板側に形成した有機系絶
縁膜の厚さで両者間の間隔を規定している。すなわち、
金属バンプの高さをこれら両者の膜の厚さの和よりも小
さく選び、しかも、ICチップ側の金属バンプ対応の有
機系絶縁膜の穴の壁をその金属バンプの軸を中心とする
円または方形の周方向に少なくともその膜の表面近傍で
不連続にしてあるので、金属バンプ周辺の空間が密封さ
れることはない。また回路基板側は有機系絶縁膜を厚く
形成しているため、金属バンプを溶融半田に浸した時の
溶融半田のせり上り量を十分確保できる。このように、
金属バンプ接続用の半田の溶融に伴なう有機系絶縁膜の
閉じられた空隙の形成を回避できるように構成してあ
る。さらに上記半田を比較的低融点の金属と高融点の金
属との二層構造とし、低融点金属層のみを溶融した予備
加熱工程ののち内部の電気的接続関係を検査することも
できる。
【0028】
【発明の効果】従来のこの種のマルチチップモジュール
がICチップとシリコン回路基板との間隔の均一性確保
のためにICチップ側、シリコン回路基板側または両方
に設けた金属バンプを用いているのに対して、本発明で
はICチップ側および回路基板側に形成した有機系絶縁
膜の厚さで両者間の間隔を規定している。すなわち、金
属バンプの高さをこれら両者の膜の厚さの和よりも小さ
く選び、しかも、金属バンプ接続用の半田の溶融に伴う
有機系絶縁膜間の閉じられた空隙の形成を回避できるよ
うに構成してある。さらに上記半田を比較的低融点の金
属と高融点金属との二層構造とし、低融点金属層のみを
溶融した予備加熱工程で前記マルチチップモジュールの
内部の電気的接続関係を検査するように構成することも
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するためのICマルチ
チップパッケージの縦断面図である。
【図2】本発明の製造方法の工程を説明するための図1
の一部拡大図で、同図(a)〜(c)は工程順を示す断
面図である。
【図3】本発明に係るシリコン回路基板に搭載されるI
Cチップを説明する図で、同図(a)は表面の平面図、
同図(b)はそのA−A断面図である。
【図4】従来の製造方法を説明する図で、同図(a),
(b)はそれぞれ工程断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン回路基板 2 ICチップ 3 金属バンプ 3a,3b 金属層 4,4A 半田用金属 4a 低融点層 4b 高融点層 4c 下地層 5,6 有機系絶縁材料膜 6a 多層配線層 7 接着樹脂 8 接続パッド 9 PCB 10 接続パッド 11 リード線 12 サーマルグリース 13 放熱フィン 14 無機系絶縁膜 15 基板配線層 16 空隙

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 各々が一つの表面に複数個の所定の不純
    物拡散領域を備えるとともにその一つの表面にそれぞれ
    形成されそれら不純物拡散領域と選択的に電気的にそれ
    ぞれ接続された複数個の金属バンプを備えた複数個のI
    Cチップを、所定の配線パターンを表面の少なくとも一
    部に含む一枚の平らなシリコン回路基板にフリップチッ
    プ相互接続により前記金属バンプを介して電気的に接続
    してマルチチップモジュールを形成する集積回路チップ
    パッケージの製造方法において、前記ICチップの前記
    一つの表面に有機系絶縁材料からなる第1の厚さの第1
    の平坦な膜を形成する工程と、この膜の予め定めた位置
    で前記一つの表面に達する複数の穴を形成しそれら穴を
    通じて前記金属バンプを形成する工程と、前記シリコン
    回路基板の表面に有機系絶縁材料からなる第2の厚さの
    第2の平坦な膜を形成する工程と、前記第1の膜の穴の
    壁面に不連続な部分を設ける工程と、前記ICチップの
    前記金属バンプと相対する位置において前記シリコン回
    路基板の表面に達する複数の穴を設ける工程と、これら
    複数の穴の各々に半田用金属を充填する工程と、前記第
    1および第2の膜の少なくとも一方に熱硬化性の有機系
    絶縁材料からなる接着樹脂を塗布する工程と、前記IC
    チップと前記シリコン回路基板とを前記金属バンプが前
    記穴に目合わせされた状態で加熱して前記半田用金属を
    溶融させるとともに前記接着樹脂を硬化させる工程とを
    含むことを特徴とする集積回路チップパッケージの製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前記第1および第2の膜を形成する前記
    有機系絶縁材料がいずれも熱硬化工程を経たポリイミド
    であり、前記塗布工程の接着樹脂が熱硬化工程を経る前
    のポリイミドである請求項1記載の集積回路チップパッ
    ケージの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第1の膜が前記第2の膜よりも薄い
    ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の集積回
    路チップパッケージの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記半田用金属を前記穴に充填する工程
    が融点の比較的高い金属を充填する第1の工程と、融点
    の比較的低い金属を充填する第2の工程とからなる請求
    項1または請求項2記載の集積回路チップパッケージの
    製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第1および第2の膜の厚さの和を金
    属バンプの高さよりも大きくした請求項1または請求項
    2記載の集積回路チップパッケージの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記複数のICチップの一つの面の裏側
    の面にその面と密着する熱伝導体の面を有するヒートシ
    ンク部材を配置する工程をさらに備える請求項1または
    請求項2記載の集積回路チップパッケージの製造方法。
  7. 【請求項7】 前記ヒートシンク部材の前記配置工程に
    先立って前記裏側の面にサーマルグリースを塗布する工
    程をさらに備える請求項6記載の集積回路チップパッケ
    ージの製造方法。
  8. 【請求項8】 請求項4記載の製造方法において、前記
    加熱工程が前記比較的低い融点の金属を溶融する予備加
    熱工程と前記比較的高い融点の金属をも溶融する本加熱
    工程とからなり、前記予備加熱工程の終了した段階で前
    記マルチチップモジュールの電気的接続関係を検査でき
    ることを特徴とする集積回路チップパッケージの製造方
    法。
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