JP5245594B2 - 発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図1及び図2は本実施の形態に係る発光装置1であり、リードフレームをベースとしたパッケージを備えたタイプを例示している。パッケージ20の凹部22に、発光素子10がフェースアップ実装されている。また、パッケージ20には、導電部材として一対のリード電極(第1リード電極30、第2リード電極32)が貫通している。リード電極30、32の一端部は、凹部22内に露出して内部導電部(リード端子)301、321を構成している。また、リード電極30、32の他端部は、パッケージ20を貫通して外部導電部(外部端子)302、322を構成している。発光素子10に形成された一対の電極(図示せず)と、一対のリード端子(第1リード端子301、第2リード端子322)とは、それぞれ導電ワイヤ40によって電気的に接続されている。
図5〜図8は、金属膜(図示せず)の表面をコーティング膜72で被覆する例を示している。これらの例では、金属膜の変色を防止する効果だけでなく、金属膜のマイグレーションの発生を抑制できる効果も期待できる。よって、金属膜がマイグレーションを起こしやすい金属材料(例えばAgやAg合金等)から形成されている場合でも、短絡による発光装置1の故障を低減できると期待される。
図8では、外部端子302、322の表面の一部がコーティング膜72により被覆されている、すなわち、外部端子302、322の表面の残りの部分はコーティング膜72で被覆されていない。しかしながら、外部端子302、322の表面全体をコーティング膜72で覆うこともできる。このとき、コーティング膜72の膜厚は、発光装置を実装するのに問題のない厚さである5μm以下、より好ましくは3μm以下に設定するのが良い。
さらに、図8と同様に、コーティング膜72が、パッケージ20の外面28と外部端子302、322の表面とに渡って連続的に被覆されているのが好ましい。これにより、外気が、境界29から、パッケージ20とリード電極30、32との界面に侵入することを防止できる。
なお、図8の発光装置1と同様に、図9の発光装置1も、外部端子302、322の表面全体をコーティング膜72で覆うこともできる。このとき、コーティング膜72の膜厚は、発光装置を実装するのに問題のない厚さである5μm以下、より好ましくは3μm以下に設定するのが良い。
(1.パッケージ20の成形)
図10に示すように、金属箔を切り抜き加工して作製したリードフレーム34に複数のパッケージ20を形成する。リードフレーム34には、第1リード端子301及び第2リード端子322の組みが複数形成されている。パッケージ20は、一組のリード端子301、321を内包するように形成される。樹脂から成るパッケージ20では、リードフレーム34をパッケージ20用の金型に挟持し、モールド成形等の樹脂成形法によってパッケージ20を成形する。
次に、第2リード端子321に発光素子10をダイボンディングする。ダイボンディングには、例えば、Au−Snなどのハンダ材料、又はシリコーン、変性シリコーン接着剤等の適切なダイボンド材が使用される。図1のように第2リード端子321上にブリード防止壁24を備えていると、粘度の低いダイボンド材が第2リード端子321全体に広がるのを防止できる。
ダイボンディングされた発光素子10とリード端子301、321とを、導電ワイヤ40でワイヤボンディングする。図1に例示した発光素子10は、発光面側に一対の電極が形成されており、各電極とリード端子301、321の各々とを導電ワイヤ40で接続する。ワイヤボンディングの方法としては、ボールボンディングやウェッジボンディングが利用できる。ボールボンディングの場合には、図1〜図4のように、発光素子10の電極12に第1ボンド50を接合し、リード端子301、321に第2ボンド60を接合するのが一般的である。
図11に示すように、発光素子10を実装したリードフレーム34を、パッケージ20ごと電気めっき用のめっき液80に浸漬する。めっき液80中に配置した対向電極82と、リードフレーム34との間に電源装置84から電圧を印加して電気めっきを行う。全てのリード電極30、32がリードフレーム34を介して電気的に接続されているので、リードフレーム34と対向電極82との間に電圧を印加すれば、リード電極30、32とを等電位できる。さらに、リード電極30、32のリード端子301、321にワイヤボンドされた導電ワイヤ40や、導電ワイヤ40が接続された発光素子10の電極12も、リード端子301、321と等電位になる。よって、1つのパッケージ20に備えられた発光素子10の電極12、リード電極30、32及び前記導電ワイヤ40等の部材(以後、これらの部材を総称して「通電部材」と称する)に、同時に電気めっきを施すことができる。1つのパッケージ20に複数の発光素子10を備えている場合も、全ての導電ワイヤ40及び全ての発光素子10の電極12に、同時に電気めっきを施すことができる。また、リードフレーム34で接続された全てのリード電極30、32を等電位にできるので、リードフレーム34で接続された複数のパッケージ20に備えられた通電部材を、全て同時に電気めっきを施すことができる。
なお、図10のように複数のパッケージ20がリードフレーム34によって連結されているので、図11のようにリードフレーム34の端部を支持して、複数のパッケージ20を同時にめっき液80に浸漬できる。
通電部材に金属膜70をめっきする工程は、(1)通電部材の表面を酸・アルカリにより活性化処理する過程、(2)目的とする金属膜70の組成に適合しためっき液80を調製する過程、(3)通電部材及び対向電極82をめっき液80に浸漬する過程、(4)通電部材と対向電極82とを電源を介して電気的に接続し、通電部材が陰極に、対向電極82が陽極になるように電圧を印加する過程、を含む。
(Ag金属膜) Ag膜めっき液80を建浴し、電気めっきを行う。
(Ag−Au金属膜) 共析比率(質量比)が[Ag:Au=99.9〜60:0.1〜40]となるようにAg−Au合金膜用めっき液80を建浴し、電気めっきを行う。
(Ag−In金属膜) 共析比率(質量比)が[Ag:In=99.9〜95:0.1〜5]となるようにAg−In合金膜用めっき液80を建浴し、電気めっきを行う。
(Ag−Pd金属膜) 共析比率(質量比)が[Ag:Pd=99.9〜89:0.1〜11]となるようにAg−Pd合金膜用めっき液80を建浴し、電気めっきを行う。
(Ag−Pt金属膜) 共析比率(質量比)が[Ag:Pt=99.9〜89:0.1〜11]となるようにAg−Pt合金膜用めっき液80を建浴し、電気めっきを行う。
電気めっきにより金属膜70を形成した後、パッケージ20の凹部22を封止樹脂90によって封止する。封止部材90は、ポッティング、印刷、トランスファーモールド等の公知の技術によって凹部22に充填した後に硬化させる。封止部材90には、光拡散材や蛍光物質などを含有させることができる。
図11のX−Xに沿ってリードフレーム34を切断して、個々の発光装置1に分離する(カット過程)。パッケージ20より外側に突出した外部端子302、322を、図2のようにパッケージ20の外形に沿って折り曲げる(フォーミング過程)。こうして本発明の発光装置1が得られる。
(発光素子10)
発光素子10は、半導体発光素子が利用でき、いわゆる発光ダイオード、レーザーダイオードと呼ばれる素子などが好適である。たとえば、基板上に、InN、AlN、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlN等の窒化物半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体等、種々の半導体によって、活性層を含む半導体層の積層構造が形成されたものが挙げられる。基板としては、C面、A面、R面のいずれかを主面とするサファイア(A12O3)やスピネル(MgA12O4)のような絶縁性基板、またSiC(6H、4H、3C)、シリコン、ZnS、ZnO、GaAs、ダイヤモンド;LiNbO3、NdGaO3等の酸化物基板、窒化物半導体基板(GaN、AlN等)等が挙げられる。半導体の構造としては、MIS接合、PIN接合、PN接合等のホモ構造、ヘテロ結合あるいはダブルヘテロ結合のものが挙げられる。また、半導体活性層を量子効果が生ずる薄膜に形成させた単一量子井戸構造、多重量子井戸構造としてもよい。活性層には、Si、Ge等のドナー不純物及び/又はZn、Mg等のアクセプター不純物がドープされる場合もある。得られる発光素子の発光波長は、半導体の材料、混晶比、活性層のInGaNのIn含有量、活性層にドープする不純物の種類を変化させる等によって、紫外領域から赤外領域まで変化させることができる。
発光素子10の形状は特に限定されず、たとえば、円形、楕円形、多角形又はこれに近い形状のものを利用することができる。
本発明における通電部材には、発光素子10の電極、半導体素子(例えばツェナーダイオード、受光素子など)の電極、リード電極30、32等が含まれ、発光装置には少なくともいずれかの部材が備えられる。本実施の形態では、発光素子10の電極12と、第1リード電極30及び第2リード電極32とを備えている。
第1リード電極30、第2リード電極32は、鉄、リン青銅、銅合金等の電気良導体を用いて構成することができる。また、発光素子10からの光の反射率を向上させるため、発光素子10を実装する前に、リード電極30、32の表面に銀、アルミニウム、銅や金等の金属めっきを施すこともできる。また、リード電極30、32の表面の反射率を向上させるため、平滑にすることが好ましい。
導電ワイヤ40は、適切なワイヤボンディングが可能であればどのような金属材料から形成することもできるが、ワイヤボンディングの結合力が高く、信頼性の高い発光装置1を得るには、Au、Cu、Al、W及びステンレスから成る群から選択された1種を含む金属材料から形成するのが好ましい。特に、Au又はAu合金は、発光素子30の電極12とのオーミック性が良好で、機械的接続性(ボンディング性)が良好で、そして、電気伝導性及び熱伝導性が良好な金属材料であるので、導電ワイヤ40に好適である。
パッケージ20は、発光素子10等を保護することができるものであれば、どのような材料によって形成されていてもよい。なかでも、セラミックや乳白色の樹脂等、絶縁性及び遮光性を有する材料であることが好ましい。樹脂材料としては、芳香族ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化樹脂が利用でき、公知の方法(例えば、熱可塑性樹脂は射出成形、熱硬化性樹脂はトランスファー成形など)によって成形できる。
また、パッケージ20は、リードフレームをベースにしたタイプ(例えば、図1及び図2のような表面実装タイプや、砲弾タイプ等が挙げられる)の他に、電極が配線されているセラミック基板や、ガラスエポキシ基板タイプのものが使用できる。
コーティング膜72には、無機コーティングや有機コーティングを利用できる。無機コーティングとしては、SiO2やAl2O3、ZnO、珪酸ガラス、ガラスなどの透過率の高い材料が好ましい。有機コーティングとしては、アクリル樹脂、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、パラキシリレン樹脂などで、光吸収の少ない、耐熱、耐光性の高い樹脂が好ましい。コーティング膜は、塗布、蒸着、ディッピング、噴霧などにより所望の位置に被覆することができる。
本実施の形態の変形例を図12に示す。この発光装置1は、実装面側から導通可能な発光素子10を使用することにより、発光素子10と第2リード端子321とを導電性のダイボンド材(Agペースト等)で導通し、代わりに発光素子10に接続される導電ワイヤ40の本数を1本にしている点で、実施の形態1と異なる。
図13に示す発光装置1は、実施の形態1と同様に、リードフレームをベースとしたパッケージを備えたタイプである。実施の形態1とは、発光素子10の配置と、導電ワイヤ40の配線と、第1リード電極30及び第2リード電極32の形状とが異なる。さらに、本実施の形態では、発光素子10を実装するために、リード電極とは別の実装部36を備えている。
図13のようなステッチワイヤ配線は、図1のような配線(本明細書では「三角ループ配線」と称する)に比べて、1素子当たりの導電ワイヤ長が短いので材料コストが低く、また1素子当たりのワイヤボンディング回数(ステッチボンド68も含む)も少ないので製造時間を短縮することができる。
(1.パッケージ20の成形)
測定用試料のパッケージとして、リードフレームタイプと、基板タイプとを作製した。リードフレームタイプのパッケージの場合、銅合金のリードフレームを用い、「リード端子の被覆材料」にAgと記載された試料についてはリードフレームの表面にAg膜を成膜した。パッケージ材料には、熱可塑性樹脂(ポリフタルアミド)を用い、射出成形により成形する。
基板タイプの場合は、電極の配線が形成されているAl2O3のセラミック基板、又はガラスエポキシ基板を用いる。
各パッケージに、シリコーン樹脂接着剤、変性シリコーン樹脂接着剤、エポキシ樹脂接着剤などを用いた樹脂接合、または、Au―Snなどの半田材料を用いた金属接合により、発光素子10をダイボンドする。
直径25μmの金線ワイヤを用いて、発光素子10とリード端子301、321を通電させる。
電気めっき工程は、前処理(水洗)、ストライクめっき(水洗)、本めっき(水洗)、水洗、及び乾燥の順に行う。
前処理では、リード電極30、32等の通電部材の露出面の表面付着汚染物(汚れ、油、汗・指紋、有機物、金属粉等)、表面付着腐食生成物(酸化物、硫化物、不動態皮膜等)、表面吸着物(吸着有機化合物、吸着水分、吸着ガス成分等)を除去して、露出面を活性化する。前処理液にはシアン化カリウム水溶液を使用し、処理液中にリードフレーム34を浸漬する。処理中は前処理液を攪拌装置で攪拌する。処理後に、リードフレーム34を純水の流水で洗浄する。
ストライクめっきは、Agストライクめっき液を建浴し電気めっきを行う。通電中は、めっき液を攪拌装置で攪拌する。めっき後は、リードフレーム34を純水の流水で、洗浄する。
所望の金属膜又は所望の共析比率の合金膜が得られるように調製されためっき液を使用して本めっきを行う。通電中はめっき液を攪拌装置で攪拌し、膜厚0.1〜10.0μmの金属膜70を形成する。めっき後に、リードフレーム34を純水の流水で洗浄する。
めっき完了後のリードフレーム34を純水の流水で洗浄する。その後、エアーブロアーで水滴を除去して乾燥する。
パッケージに封止部材の熱硬化性樹脂を滴下する。熱硬化性樹脂には、シリコーン樹脂100重量部に対して、YAG蛍光体30重量部、光拡散剤として、酸化ケイ素を5重量部含むものを使用し、150℃5時間硬化させる。
リードフレームより、パッケージを切り離して、発光装置を得る。
本実施例では、測定用の試料を作成する際に変更する作成条件を、(1)「リード端子の被覆材料」、(2)「導電ワイヤの材料」(3)「金属膜の材料」、(4)「発光素子の搭載数」、(5)「ワイヤの本数」、(6)「導電ワイヤの配線形態」、(7)「表面処理」、及び(8)「パッケージの種類」の8項目とした。これらの作成条件の内容について簡単に説明する。
(2)「導電ワイヤの材料」とは、導電ワイヤ40に使用された材料を示している。
(3)「金属膜の材料」とは、本発明の金属膜70を形成している金属材料を示している。なお、表1には、本実施例で使用した「金属膜の材料」の組成比と、各材料の波長450nmの光に対する反射率を示している。
(4)「発光素子の搭載数」とは、1つの発光装置1に搭載された発光素子10の個数である。「発光素子の搭載数」が多いほど、発光装置1の出力も高くなる。
(5)「ワイヤの本数」とは、1つの発光素子10に接続される導電ワイヤ40の本数である。「ワイヤの本数」が1本の発光装置1とは、図12のような発光装置1であり、「ワイヤの本数」が2本の発光装置1とは、図1又は図13のような発光装置1である。
(6)「導電ワイヤの配線形態」とは、発光素子10に接続された導電ワイヤ40の配線形態である。本実施例では、図1のような三角ループ配線、又は図13のようなステッチワイヤ配線のいずれかを使用している。
(7)「表面処理」とは、金属膜70の表面を、例えばコーティング剤等によって処理することである。
(8)「パッケージタイプ」とは、リードフレームタイプと基板タイプのいずれであるかを示している。
各測定用試料の出力は、測定用試料に400mA通電し、積分球により発光装置の光束を測定して得る。
発光装置の作製条件と、金属膜70による被覆の効果との関係を表2にまとめる。実施例1及び3の「リード端子の被覆材料」に(Ag)と記載されているのは、発光素子10の実装前にはリード端子301、321を被覆していないが、その後にAgから成る金属膜70を被覆したことにより、得られた発光装置1のリード端子301、321はAg膜により被覆されていることを意味している。また、比較例4の導電ワイヤは、Au芯材をAg膜で被覆した複合ワイヤを使用しており、「金属膜の材料」に(Ag)と記載されているのは、複合ワイヤがAg膜で被覆されていることを意味している。
金属膜70の材質による効果を表3にまとめる。
表に記載した作成条件以外では、リード端子の被覆材料:Ag、導電ワイヤの材料:Au、発光素子の搭載数:6個、ワイヤの本数:2本/1素子、導電ワイヤの配線形態:三角ループ配線、表面処理:なし、パッケージの種類:リードフレームタイプ、となっている。
図1のような発光素子1個あたりに2本の導電ワイヤ40を接続する形態と、図12のような発光素子1個あたりに1本の導電ワイヤ40を接続する形態とについて、金属膜70の効果を表4にまとめる。
表中の「出力変化率」とは、「金属膜あり」の発光装置1の出力P2を、「金属膜なし」の発光装置1の出力P1で除したものである。
図1のような三角ループ配線と、図12のようなステッチワイヤ配線とについて、金属膜70の効果を表5にまとめる。
金属膜70の表面にコーティング膜を形成した試料(実施例15及び16)と、金属膜70に銀合金(Ag−Au合金)を使用した試料(実施例6)との耐久性を試験した。比較のために、比較例1(金属膜なし)及び実施例2(Ag膜あり)も試験を行った。試験方法は、85℃で、400mA通電して1000時間点灯した。出力は、積分球により発光装置の光束を測定し、点灯直後(点灯時間0時間)の光束を100%とした。1000時間の点灯試験を行った後の出力低下の程度を比較した。実施例15の無機コーティングにはSiO2膜を使用し、有機珪素化合物を滴下加熱して金属膜70の表面に形成した。実施例16の有機コーティングにはエポキシ樹脂を使用し、滴下加熱して金属膜表面に樹脂膜を形成させた。
3種類のパッケージタイプ(リードフレーム、セラミック基板、及びガラスエポキシ基板)を使用した場合の金属膜70の効果を表7にまとめる。
表に記載した作成条件以外では、リード端子の被覆材料:Ag、導電ワイヤの材料:Au、発光素子の搭載数:6個、ワイヤの本数:2本/1素子、導電ワイヤの配線形態:三角ループ配線、表面処理:なし、となっている。
Claims (19)
- 発光素子の電極と導電部材とを電気的に接続する第1の導電ワイヤを有する発光装置であって、
前記発光素子の電極及び前記導電部材と前記第1の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第1の導電ワイヤの表面が金属膜で被覆されており、
前記発光素子の発光ピーク波長において、前記第1の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高いことを特徴とする発光装置。 - 前記発光装置が、別の発光素子と、当該別の発光素子と前記導電部材とを接続する第2の導電ワイヤと、をさらに含み、
前記別の発光素子の電極及び前記導電部材と前記第2の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第2の導電ワイヤの表面が金属膜で被覆されており、
前記別の発光素子の発光ピーク波長において、前記第2の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高いことを特徴とする請求項1に記載の発光装置。 - 前記発光素子の電極と前記別の発光素子の電極とを接続する第3の導電ワイヤをさらに含み、
前記発光素子の電極及び前記別の発光素子の電極と前記第3の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第3の導電ワイヤの表面が金属膜で被覆されており、
前記発光素子及び前記別の発光素子の発光ピーク波長において、前記第3の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高いことを特徴とする請求項2に記載の発光装置。 - 前記発光装置が、ツェナーダイオードと、当該ツェナーダイオードと前記導電部材とを接続する第4の導電ワイヤと、をさらに含み、
前記ツェナーダイオードの電極及び前記導電部材と前記第4の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第4の導電ワイヤの表面が金属膜で被覆されており、
前記発光素子の発光ピーク波長において、前記第4の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高いことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記金属膜は、前記接合部分において、前記電極の表面又は前記導電部材の表面と、前記導電ワイヤの表面と、に渡って連続的に被覆していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記導電ワイヤの少なくとも一方の端部はボール状になっており、
前記ボール状の端部は、つぶれた形状を有している請求項1乃至5のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記導電ワイヤの少なくとも一方の端面が前記金属膜で被覆されている請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記金属膜が、Ag合金を含む金属材料又はAgを有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記発光素子の発光ピーク波長が400nm〜530nmであり、
前記導電ワイヤが、Au、Cu、Al、W及びステンレスである群から選択された1種を含む金属材料を有する請求項1乃至8のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記金属膜の表面が、さらにコーティング膜により被覆されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記コーティング膜が、さらに、前記発光素子を被覆していることを特徴とする請求項10に記載の発光装置。
- 前記発光装置は、凹部を有するパッケージをさらに有し、
前記導電部材は、前記凹部内で露出された内部導電部、および、前記内部導電部から前記パッケージを貫通して外部に延在された外部導電部、を含み、
前記コーティング膜が、前記凹部の内面と前記内部導電部の表面とに渡って連続的に被覆していることを特徴とする請求項10又は11に記載の発光装置。 - 前記コーティング膜が、前記パッケージの外面と前記外部導電部の表面とに渡って連続的に被覆していることを特徴とする請求項12に記載の発光装置。
- 前記発光装置が、前記発光素子を封止する封止樹脂をさらに含み、
前記封止樹脂の表面が、コーティング膜により被覆されていることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記コーティング膜は、無機コーティング又は有機コーティングから成ることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載の発光装置。
- 発光素子の電極と導電部材とを電気的に接続する第1の導電ワイヤを有する発光装置の製造方法であって、
前記発光素子の電極と前記導電部材とを前記第1の導電ワイヤで接続するワイヤボンディング工程と、
前記発光素子の電極及び前記導電部材と前記第1の導電ワイヤと接合部分並びに第1の導電ワイヤの表面を電気めっき法により金属膜で被覆する電気めっき工程と、を備え、
前記発光素子の発光ピーク波長において、前記第1の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高い、発光装置の製造方法。 - 前記発光装置が別の発光素子をさらに含み、
前記ワイヤボンディング工程は、前記別の発光素子の電極と前記導電部材とを第2の導電ワイヤで接続することを含み、
前記電気めっき工程は、前記別の発光素子の電極及び前記導電部材と前記第2の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第2の導電ワイヤの表面を金属膜で被覆することを含み、
前記別の発光素子の発光ピーク波長において、前記第1の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高い、請求項16に記載の製造方法。 - 前記ワイヤボンディング工程は、前記発光素子の電極と前記別の発光素子の電極とを第3の導電ワイヤで接続することを含み、
前記電気めっき工程は、前記発光素子の電極及び前記別の発光素子の電極と前記第3の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第3の導電ワイヤの表面を金属膜で被覆することを含み、
前記発光素子及び前記別の発光素子の発光ピーク波長において、前記第3の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高い、請求項17に記載の製造方法。 - 前記発光装置がツェナーダイオードをさらに含み、
前記ワイヤボンディング工程は、前記ツェナーダイオードの電極と前記導電部材とを前記導電ワイヤで接続することを含み、
前記電気めっき工程は、前記ツェナーダイオードの電極及び前記導電部材と前記第4の導電ワイヤとの接合部分並びに前記第4の導電ワイヤの表面を金属膜で被覆することを含み、
前記発光素子の発光ピーク波長において、前記第4の導電ワイヤの反射率よりも、前記金属膜の反射率が高い、請求項16乃至18のいずれか1項に記載の製造方法。
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