JP5442118B2 - 実装構造体とその製造方法ならびに実装構造体のリペア方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基体などに実装された電子部品を樹脂組成物でコーティングして、防水・防湿性能を高めた実装構造体に関するものである。
電子部品に対する信頼性向上のため、環境中の水分や塵埃等による電子部品への影響を解消する目的、さらには振動や衝撃から電子部品を保護する目的で、電子部品とこれを搭載した回路基板を樹脂でコーティングすることが行われている。
この種のコーティング用樹脂としては、優れた耐熱性、絶縁性、可撓性、耐摩耗性、密着性を有することが求められ、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、シリコン樹脂などが単独、または複合系で用いられている。上記樹脂は、溶液状で均一に塗布し、溶剤を含む場合は揮発させた後に、接合構造物上で硬化させることで、求めるコーティング樹脂を得ている。
近年、自動車の特にエンジンルーム付近の電子制御部分に搭載される回路基板は、150℃程度の高温に耐えることが要求され、回路基板の防水性確保には、耐熱性・ガスバリア性などからエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコン系樹脂などの樹脂が用いられており、特にコスト面からウレタン樹脂が注目されている。
従来のウレタン樹脂として、主剤としてポリエステルポリオールまたはポリブタジエンを用いて湿熱環境下でマイグレーションを防いでいるものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2009−67818号公報
しかしながら、基体である回路基板にウレタン樹脂をコーティングする際に、電子部品の半田付け性を確保するために使用されているフラックスが回路基板上に残っていると、このフラックスに含まれる活性剤成分のアミンや有機酸などにより樹脂が硬化阻害を起こし、樹脂の膜の硬化度が低下して膜強度が発現できない。
また、回路基板が150℃程度の高温に晒される使用環境では、回路基板上に残ったフラックスには割れが生じ、その影響がコーティング被膜まで及ぶためコーティング樹脂が剥離してしまう。
そのため、防水・防湿コーティングする場合には、回路基板に残ったフラックスを、水または温水や、アルコール系溶剤、界面活性剤などを含んだフラックス洗浄剤によって洗浄しているのが現状である。
また、製造工程中や市場において発生した不良品の電子部品をリペアする際には、回路基板からコーティング樹脂を剥がす必要があるが、密着性が高いウレタン樹脂を容易に剥離することができず、作業の簡便化、生産性向上に課題がある。
本発明は、電子部品の良好な防水・防湿性能を得ることができ、しかも電子部品のリペア性が良好な実装構造体を提供することを目的とする。
本発明の実装構造体は、回路基板に電子部品をフラックスを使用して接合金属で実装した実装構造体であって、イソシアネートを10〜50重量%含み前記回路基板と前記電子部品および前記接合金属を覆うコーティング樹脂と、水酸基をもつ化合物を含み前記接合金属の表面に残存したフラックスと、前記フラックスと前記コーティング樹脂の界面に形成された前記コーティング樹脂と前記フラックスの反応物とを有し、かつ前記電子部品の上面および側面にも前記フラックスが配置されていることを特徴とする。
また、本発明の実装構造体の製造方法は、回路基板に電子部品をフラックスを使用して接合金属で実装し、イソシアネートを10〜50重量%含むコーティング樹脂によって、前記回路基板と前記電子部品および前記接合金属を覆い、水酸基をもつ化合物を含み前記接合金の表面と前記電子部品の上面および側面に配置されている前記フラックスと、前記コーティング樹脂との界面に、前記コーティング樹脂と前記フラックスの反応物を生成することを特徴とする。
また、本発明の実装構造体のリペア方法は、回路基板に電子部品をフラックスを使用して接合金属で実装し、前記回路基板と前記電子部品および前記接合金属をイソシアネートを10〜50重量%含むコーティング樹脂で覆い、水酸基をもつ化合物を含み前記接合金属の表面と前記電子部品の上面および側面に配置されている前記フラックスと、前記コーティング樹脂との界面に、前記コーティング樹脂と前記フラックスの反応物が形成されている実装構造体の前記電子部品を交換するに際し、前記反応物を前記フラックスのガラス転移点温度以上の温度にして軟化させて前記電子部品の周囲の前記コーティング樹脂を剥離し、前記電子部品を前記回路基板より取り外して交換することを特徴とする。
この構成によると、コーティング用樹脂は主剤と硬化剤を混合後、回路基板および回路基板上の電子部品とその接合部に塗布を行う。塗布直後のコーティング用樹脂中の主剤のポリオールと硬化剤のイソシアネートは反応が完了しておらず、末端に未反応のイソシアネート基を含む。イソシアネート基は半田フラックス中の水酸基と反応するため、フラックスの成分を取り込んだ状態で硬化が完了するため、フラックスの洗浄が不要となるため、作業量を低減することができ、生産性向上、コスト低減が可能となる。
さらに、回路基板上の電子部品に不具合が発生した場合、前記電子部品およびその周囲をフラックスのガラス転移点以上の温度に加温することで、前記電子部品の周囲あるいは前記電子部品の側面の前記フラックスと接触している箇所の前記コーティング樹脂がフラックス成分の軟化に伴って硬度が低下するため、周囲の電子部品を損なうことなく容易に剥離が可能になるため、リペアに伴う作業量を低減することができる。
本発明の実施の形態1の実装構造体の拡大断面図 同実施の形態の製造工程図 同実施の形態の実装構造体のコーティング剥離の説明図 本発明の実施の形態2の実装構造体の拡大断面図
以下、本発明の実装構造体の製造方法とリペア方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1の実装構造体を示す。
この実装構造体は、回路基板1の配線パターン1aに電子部品2が、接合金属としての半田3によって実装されている。更に、回路基板1と電子部品2および半田3は、塗布したコーティング樹脂5によって覆って目的の防水・防湿性能を実現している。半田3の表面に付着しているフラックス4は、電子部品2を配線パターン1aに良好に半田付けするために使用された残存物である。
さらに、フラックス4とコーティング樹脂5の界面には、フラックス4とコーティング樹脂5の反応物8が形成されている。なお、反応物8は電子部品の側面だけでなく、この実施の形態1では電子部品2の上面にも形成されている。
電子部品2としては、チップサイズのパッケージ(CSP:Chip size package)もしくはボールグリッドアレイ(BGA:Ball grid array)のパッケージを有する半導体部品である場合に有用である。これらの半導体部品は、一つの基体に複数個実装されることが多い。また、これらの半導体部品は高価でもある。よって、リペア操作を容易に行える必要があるからである。また、これらの電子部品の通電時に水によるショートを防ぐ必要があるからである。
なお、回路基板1の種類は特に限定されないが、例えばガラス繊維や耐熱性樹脂で構成された基体などが用いられる。通常は、エポキシ樹脂等を含浸させたガラス布に銅箔の配線をプリントした回路基板が用いられる。
この実装構造体は、図2の工程で製造できる。
図2(a)では、電子部品2の実装位置の配線パターン1aにクリーム半田6をディスペンサなどで供給する。クリーム半田6は、フラックス4に半田3の粒子を練り込んだものである。
そして、クリーム半田6の上に電子部品2をセットしてリフロー炉を通過させると、図2(b)に示すように、クリーム半田6の中の半田3によって電子部品2が配線パターン1aに半田3で接合され、その表面にフラックス4が付着する。また、電子部品2の上面2aにも、溶融フラックスの一部が表面張力の作用によって広がって付着している。
半田3の表面のコーティング樹脂5による一般的なコーティング処理に際しては、半田3の表面ならびに電子部品2の上面2aに付着した残存のフラックス4は、洗浄工程によって完全除去してから、コーティング樹脂5の塗布工程を実行しているが、この実施の形態1では、図2(c)に示すように、フラックス4の上にコーティング樹脂5を塗布して、回路基板1と電子部品2および半田3を覆う工程を実施して、従来のフラックス洗浄工程を必要としない。
フラックス洗浄工程を実施せずに目的の防水・防湿性能を実現ために作用している前記反応物8は、フラックス4ならびにコーティング樹脂5として、次の成分のものを使用している。
コーティング樹脂5は、主剤および硬化剤を含む。
コーティング樹脂5の硬化剤の樹脂は、加熱により硬化するタイプであることが好ましいが、空気中の湿気により硬化するタイプであってもよい。硬化剤の樹脂の硬化温度は、特に制限されないが、回路基板上の半田3への悪影響を回避するという観点から、硬化性樹脂は150℃より低い温度で硬化可能であることが望ましい。すなわち、樹脂組成物を硬化させる際には、150℃以下の温度を硬化温度として選択することが望ましい。
コーティング樹脂5の主剤は、ポリオール成分として、2以上の水酸基を有するポリブタジエンやポリイソプレン、あるいはそれらの二重結合部分に水素を添加したポリオレフィンを使用することができる。このようなポリオールを使用すれは、得られるポリウレタンが良好なエラストマー(ゴム弾性体)となり、回路基板や電気・電子部品に密着して耐熱性を保持しながら良好な絶縁性を発揮することが可能となる。2以上の水酸基を有する上記ポリオールの分子量(数平均)は、700〜8,000の範囲であることが好ましく、1,000〜5,000の範囲がより好ましく、1500〜4000の範囲がさらに好ましい。
そしてコーティング樹脂5の硬化剤には、イソシアネート基をもつ化合物として、トルイレン2,4−ジイソシアネート(TDI)、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、キシリレンジイソシアネート(XDI)などの芳香族系イソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート(HMDI)などの脂肪族系イソシアネート、イソホロンジイソシアネート(IPDI)などの脂環式イソシアネートなど公知の化合物を主成分として構成することができる。これらは単独あるいは2種以上の混合物として使用してもよい。これらの中でも、ジフェニルメタンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートが好ましい。これらは、安価で、液状のため取り扱いが容易であり、低揮発性で安全性が高いからである。
コーティング樹脂5には、必要に応じて様々な添加剤を添加してもよい。添加剤には、硬化用触媒、整泡剤、乳化剤、リン化合物やハロゲン化合物等の難燃剤、酸化防止剤、老化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤、タルク、クレー、炭酸カルシウム、シリカ粉、アルミナ、カーボンブラック、酸化チタン、酸化鉄等の充填材、染料、顔料の添加剤を適宜含有してもよい。
コーティング樹脂の硬化剤のイソシアネートの量が少な過ぎると、フラックス4との反応が充分進行しないため、フラックス4と膜の界面の密着性が下がる。よって、防水・防湿性を確保できるほどの膜厚が得られない。また、イソシアネートの量が多すぎると、樹脂組成物における架橋密度が上がりすぎて電子部品と基体への密着性が下がり、防水・防湿性を確保するというコーティング剤としての機能が低下する。フラックス4と反応させて安定化し、コーティング剤の防水・絶縁機能を確保する効果をバランスよく得るためには、イソシアネートの量を、主剤に対して10〜50重量%とすることが有効である。
フラックス4には、水酸基をもつ化合物が含まれれば他の成分は特に制限されない。
例えばフラックスの主成分としては、ロジン、合成樹脂などの樹脂系、有機酸、有機ハロゲン化合物、アミン・アミド類などの有機系など、従来公知のものを用いることができる。また、リン酸、リン酸アンモニウム塩、有機カルボン酸(例えばステアリン酸、アジピン酸、サリチル酸など)、乳酸、グルタミン酸、脂肪酸アマイド、尿素、エチレンジアミン、脂肪族アミンなどの活性剤、フタル酸エステル(例えばジブチルフタレート、ジオクチルフタレートなど)、カルボン酸のエステル(例えばジブチルアジペート、ジオクチルマレートなど)、リン酸エステル(例えばトリオクチルホスフェート、トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェートなど)のような可塑剤、エチレングリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、脂肪族アルコールなどの溶剤、硬化ヒマシ油などのワックス類、微細シリカ粉末などの粘度調整剤、ヒンダードフェノール類やヒンダードアミン類などの酸化防止剤、シリコン系の消泡剤などを含むことができる。
フラックス4は、前述のように、回路基板上に電子部品を実装する際、半田3と共に供給され、リフロー後は実装された電子部品の接合部周辺、上面および側面に上述のように配置される。
コーティング樹脂5は、例えば2液型の吐出装置に主剤と硬化剤を別々に規定量比でミキサ部分に導入し、両者を充分に混合する。ミキサ部で混合された時点で反応が開始し、ミキサ部からノズル部分に送り出され、ノズルの先端から回路基板1と電子部品2の上に塗布される。その後、樹脂組成物を硬化させ、コーティングされた実装構造物が得られる。コーティング樹脂5は、主剤と硬化剤を混合した後の粘度が10mPa・s以上10Pa・s以下に調製した。
吐出装置で塗布されたコーティング樹脂5は、回路基板1の上の電子部品2の上面と接触する箇所は、回路基板1の上面と接触する箇所の5〜50%程度の膜厚とすることが好ましい。さらに、回路基板1の上面と接触する箇所は、前記電子部品の側面と接触する箇所の5〜30倍の膜厚とすることが好ましい。
回路基板1の上にコーティング樹脂5の主剤と硬化剤を塗布する際、電子部品2の接合部周辺のフラックス4にイソシアネート基をもつ化合物が接触すると、フラックス4中に含まれる水酸基とイソシアネート基が反応してウレタン結合の反応物8が生成する。水酸基とイソシアネート基との反応は、イソシアネートの種類によっては常温でも生じ、また加熱により反応が促進されるため、反応率が高く未反応の水酸基の残存量が僅かとなる。そしてウレタン結合は吸水性がきわめて小さいので、イソシアネート基と反応したフラックスは樹脂と相溶して安定化し、コーティング膜の密着性が保たれ絶縁性が確保される。
なお、コーティング樹脂5は前記混合後、室温(25℃)にて1時間以内に塗布する。1時間を過ぎて塗布した場合には、良好な反応物8を得ることが出来なかった。コーティング樹脂5を混合後、室温よりも高く加温すると反応が促進されるため、塗布可能時間はさらに短くなる。
複数の電子部品2を回路基板1に半田実装し、樹脂組成物で表面をコーティングした後、一部の電子部品2に不良が発見された場合、その不良を有する電子部品だけを取り外す必要がある。この場合、フラックス4とコーティング樹脂5の界面に反応物8が形成されている実施の形態1の実装構造体の場合には、次のようにリペア作業を従来に比べて簡単に実施できる。
図3はリペア工程のコーティング膜の剥離工程を示している。
この剥離工程では、電子部品2をフラックス4のガラス転移点温度以上に加熱し、電子部品2の周囲あるいは電子部品の側面のフラックス4と接触している箇所のコーティング樹脂5をカット用治具7でカットし、除去する。フラックスと反応したコーティング樹脂5は加熱により軟化するため、容易に取り除くことができ、不良を有する実装構造体を簡単にリペアできる。
具体的には、コーティング樹脂5を取り除く場合の電子部品2の加熱温度は40℃以上200℃以下が望ましく、80℃以上190℃以下がより望ましい。40℃より低い温度ではフラックス4が軟化しないため剥離性が発現しにくい。また190℃以上に加熱するとコーティング樹脂5を除去する前に半田3が融解し、半田フラッシュを引き起こし、接合不良が起こる可能性があるからである。
電子部品2の周りのフラックス4の残存部分にカット用治具7としてのスパチュラなどのを用いて裂け目9を入れ、電子部品2の周囲をカットすることで、軟化したフラックス4と一体となったコーティング樹脂5を、回路基板1の界面部分で引き剥がすことができる。
フラックス4は、半田接合時に電子部品2の周辺、電子部品2の上部および側面に広がるので電子部品2の周囲に裂け目9を入れれば剥離を容易に行うことができる。
コーティング樹脂5を剥離した後、半田3の熔融温度以上である250℃まで加熱すれば電子部品2を回路基板1から容易に取り外すことができる。
実施例と比較例1,2を例に挙げて、さらに詳しく説明する。
《 実施例 》
(i)コーティング用樹脂組成物の調製
コーティング樹脂5には、2液性ウレタン樹脂(サンユレック製 SU−3001(商品名))を用いた。主剤のポリオールと、硬化剤のイソシアネートの混合比は、主剤:硬化剤=100:30の割合で使用した。
使用するクリーム半田6には、半田金属とフラックスを含んだものを用い、半田金属はSn−3Ag−0.5Cuの組成のもの、フラックスには高沸点溶剤、ロジン、活性剤、チクソ材などが含有されたものを使用した。
(ii)電子部品の基体への実装
所定の印刷機、マウンターおよびリフロー炉を用いて、エポキシ樹脂を含浸させたガラス布に銅箔をプリントしたFR−5相当タイプの回路基板に、10mm角のCSP(Chip size package)の電子部品を接合した。このCSPは、ランドピッチ(半田バンプの中心間距離)0.5mmで半田バンプ(融点220℃)を備えたもので、金属のリード部分を備えたものである。
(iii)コーティング工程
回路基板1と回路基板1に実装された電子部品2に、上記の所定の樹脂組成物を2液注型の吐出装置から塗布した。
次に、樹脂組成物が付与された回路基板1と電子部品2の接合物を、100℃に設定されたオーブン中に入れ、100℃で5分間加熱して樹脂を硬化させ、コーティングされた接合物を得た。
《 比較例1,比較例2 》
電子部品2を実装した回路基板2に、シリコーン樹脂を膜厚100μmで塗布し硬化に必要な温度と時間で硬化させ、比較例1のサンプルを作成した。
また、同条件で作成した回路基板1を洗浄液で洗浄し、フラックス4を除去した後に上記のウレタン樹脂をコーティングし同様に100℃5分で乾燥させ、比較例2のサンプルを作製した。
《 評 価 》
コーティングの硬化状態を以下の要領で評価した。
まず、実施例および比較例1,比較例2のサンプルについて、綿手袋をはめた指で樹脂表面に触れ、手袋への樹脂の付着の有無を調べることで硬化の進行度を調べた。
結果を下記の表1に示す。
表1において、○印は樹脂の付着が認められなかったことを示す。×印は樹脂の付着が認められたことを示す。
Figure 0005442118
表1が示すように、比較例1では、フラックスが存在する接合部では所定の硬化プロセスを経た後でも綿手袋に樹脂が付着した。確認のために100℃で一昼夜硬化させた後、同じように指触性を確認したが、樹脂の付着が認められた。このことより、フラックス4の存在により硬化阻害がおこり、樹脂の硬化が不充分であることが考えられる。これに対して実施例、および比較例2では綿手袋に樹脂の付着は認められなかった。このことより、フラックスが存在していても硬化が充分進行することが可能である。
さらにコーティング膜のリペア時の剥離性および電子部品のリペア操作の容易性を以下の要領で評価した。
まず、実施例および比較例2のサンプルを、汎用の上下熱風式リワーク機にセットし、樹脂組成物の硬化物でコーティングされた接合体の接合部を180℃に加熱した。接合部が180℃に達したところで、図3に示すように電子部品1の周りのフラックス残存部分4にカット用治具7を用いて裂け目9を入れ、電子部品周囲をカットし、コーティング樹脂5を引き剥がし、コーティング樹脂の残存度を調べた。結果を下記の表2に示す。
Figure 0005442118
表中の数字の分母はカットした樹脂の面積、分子は引き剥がした後コーティング膜が残った面積を示す。さらに半田3の熔融温度以上である250℃まで加熱し、ゴム製で約200g程度のものを持ち上げることができる吸引力を有する吸引ノズル(φ8mm)により、電子部品の回路基板1からの取り外しを試みた。その結果を下記の表2に示す。表2において、○印は電子部品を回路基板から取り外し可能であることを示す。×印は電子部品を回路基板から取り外すことができないことを示す。
実施例、および比較例2において、コーティング膜のリペア時の剥離性を調べたところ、表2のように比較例2では回路基板と樹脂の密着性が高すぎて剥がれにくく、樹脂の残存が多くなっているのに対し、実施例では加熱により樹脂が回路基板界面で剥がれやすくなるため、樹脂の残存がほぼ認められなかった。また、表2が示すように、実施例では、吸引ノズルの弱い吸引力で、電子部品を回路基板から取り外すことができたが、比較例2では、電子部品を回路基板から取り外すことができなかった。このことより、フラックスの上に塗布したコーティング膜を加熱すると、回路基板界面のフラックスが軟化することで剥離を容易にし、電子部品のリペアを簡便に行うことができる。
(実施の形態2)
図4は実施の形態2の実装構造体を示す。
実施の形態1ではリフロー炉を使用して半田接合したため、電子部品2の上面2aにも反応物8が形成された場合であったが、図4のように、電子部品2の上面へのフラックス4の濡れが無くて電子部品2の上面に反応物8が生成されていない状態であっても、フラックス4ならびにコーティング樹脂5として実施の形態1のものを使用して、コーティング樹脂5によって回路基板1と電子部品2と半田3を覆った場合であっても、従来に比べて良好なリペア性を得ることができた。
本発明のコーティング用樹脂組成物は、水分が回路基板に直接に接触する可能性が高い実装分野において好適であり、特に電子部品が基体に表面実装された接合構造物において有用である。本発明は、電子部品が、不良を有する際のリペア操作が行われる実装分野において好適であり、生産性が向上できる。
1 回路基板
2 電子部品
2a 電子部品の上面
3 半田(接合金属)
4 フラックス
5 コーティング樹脂
6 クリーム半田
7 カット用治具
8 反応物
9 裂け目

Claims (9)

  1. 回路基板に電子部品をフラックスを使用して接合金属で実装した実装構造体であって、
    イソシアネートを10〜50重量%含み前記回路基板と前記電子部品および前記接合金属を覆うコーティング樹脂と、
    水酸基をもつ化合物を含み前記接合金属の表面に残存したフラックスと、
    前記フラックスと前記コーティング樹脂の界面に形成された前記コーティング樹脂と前記フラックスの反応物と
    を有し、かつ前記電子部品の上面および側面にも前記フラックスが配置されている
    実装構造体。
  2. 前記電子部品の上面と接触する箇所の前記コーティング樹脂の膜厚は、
    前記回路基板の上面と接触する箇所の前記コーティング樹脂の膜厚の5〜50%の薄さである
    請求項1記載の実装構造体。
  3. 前記回路基板の上面と接触する箇所の前記コーティング樹脂の膜厚は、
    前記電子部品の側面と接触する箇所の前記コーティング樹脂の膜厚の5〜30倍の膜厚である
    請求項1または請求項2記載の実装構造体。
  4. 前記反応物は、
    前記フラックスのガラス転移点温度以上の温度で軟化する材料である
    請求項1記載の実装構造体。
  5. 回路基板に電子部品をフラックスを使用して接合金属で実装し、
    イソシアネートを10〜50重量%含むコーティング樹脂によって、前記回路基板と前記電子部品および前記接合金属を覆い、水酸基をもつ化合物を含み前記接合金属の表面と前記電子部品の上面および側面に配置されている前記フラックスと、前記コーティング樹脂との界面に、前記コーティング樹脂と前記フラックスの反応物を生成する
    実装構造体の製造方法。
  6. 前記コーティング樹脂は、
    主剤と硬化剤を混合した後の粘度が10mPa・s以上10Pa・s以下であって、前記混合後1時間以内に塗布する
    請求項5記載の実装構造体の製造方法。
  7. 前記反応物は、
    前記フラックスのガラス転移点温度以上の温度で軟化する材料である
    請求項5記載の実装構造体の製造方法。
  8. 回路基板に電子部品をフラックスを使用して接合金属で実装し、前記回路基板と前記電子部品および前記接合金属をイソシアネートを10〜50重量%含むコーティング樹脂で覆い、水酸基をもつ化合物を含み前記接合金属の表面と前記電子部品の上面および側面に配置されている前記フラックスと、前記コーティング樹脂との界面に、前記コーティング樹脂と前記フラックスの反応物が形成されている
    実装構造体の前記電子部品を交換するに際し、
    前記反応物を前記フラックスのガラス転移点温度以上の温度にして軟化させて前記電子部品の周囲の前記コーティング樹脂を剥離し、
    前記電子部品を前記回路基板より取り外して交換する
    実装構造体のリペア方法。
  9. 前記電子部品の周囲あるいは前記電子部品の側面の前記フラックスと接触している箇所の前記コーティング樹脂に裂け目を形成して、前記コーティング樹脂を剥離する
    請求項8記載の実装構造体のリペア方法。
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