JP7002263B2 - 配線基板装置 - Google Patents

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Description

本発明は、配線基板装置に関する。
配線基板に半導体素子等の部品を接続するための端子には様々なタイプのものがある。なかでも、はんだバンプは、リフローによって溶融させることで簡単に配線基板に半導体素子を実装することができるため広く普及している。
しかしながら、このようにリフローではんだバンプを溶融させると、隣接するはんだバンプ同士が接触し、これらのはんだバンプ同士が電気的にショートしてしまうおそれがある。しかも、溶融したはんだバンプが潰れて配線基板と半導体素子との間隔が狭まり、場合によっては配線基板に半導体素子が接触してしまうおそれがある。
特開平11-103160号公報
一側面によれば、本発明は、配線基板と部品との間隔を維持しながら、隣接する端子同士が電気的にショートするのを抑制することが可能な配線基板装置を提供することを目的とする。
一側面によれば、配線基板と、前記配線基板の上に立設され、下端と上端との間にくびれ部が設けられた複数の端子と、前記端子よりも融点が低く、かつ前記端子の表面を覆うはんだとを有し、前記端子は、前記上端を含む上側板と、前記下端を含む下側板と、前記上側板と前記下側板とを接続する柱状部とを備え、前記柱状部の幅が一定の幅を有し、前記下側板は、前記配線基板に対向する下面を有し、前記上側板は上面を有し、前記はんだは、前記下側板の前記下面、前記上側板の前記上面及び前記端子の側面の全体を覆う配線基板装置が提供される。
一側面によれば、溶融したはんだが端子のくびれ部に溜まるため、溶融したはんだが基板横方向に広がるのを防止でき、隣接する端子同士がはんだを介して電気的にショートするのを抑制できる。
図1は、検討に使用した配線基板の全体断面図である。 図2(a)、(b)は、検討に使用した配線基板装置の製造途中の拡大断面図(その1)である。 図3(a)、(b)は、検討に使用した配線基板装置の製造途中の拡大断面図(その2)である。 図4は、検討に使用した配線基板装置の問題について説明するための拡大断面図(その1)である。 図5は、検討に使用した配線基板装置の問題について説明するための拡大断面図(その2)である。 図6は、検討に使用した配線基板装置の問題について説明するための拡大断面図(その3)である。 図7は、第1実施形態に係る端子の上面図であり、図7(b)は図7(a)のI-I線に沿う断面図である。 図8は、表面にはんだが設けられた第1実施形態に係る端子の断面図である。 図9(a)は、第1実施形態に係る端子の製造方法について示す断面図であり、図9(b)は、図9(a)のII-II線に沿う一部断面側面図である。 図10(a)、(b)は、第1実施形態に係る配線基板装置の製造途中の拡大断面図(その1)である。 図11(a)、(b)は、第1実施形態に係る配線基板装置の製造途中の拡大断面図(その2)である。 図12は、第1実施形態に係る配線基板装置の全体断面図である。 図13は、第1実施形態で奏される効果について説明するための拡大断面図(その1)である。 図14は、第1実施形態で奏される効果について説明するための拡大断面図(その2)である。 図15(a)は第2実施形態に係る端子の上面図であり、図15(b)はその端子の側面図である。 図16(a)は、第2実施形態に係る端子にはんだを設けた場合の上面図であり、図16(b)は図16(a)のIII-III線に沿う断面図である。 図17(a)は、第2実施形態に係る端子の製造方法について示す断面図であり、図17(b)は、図17(a)のIV-IV線に沿う一部断面側面図である。 図18は、第2実施形態に係る配線基板装置の一部断面側面図である。 図19(a)は、第3実施形態に係る端子の上面図であり、図19(b)は、図19(a)のV-V線に沿う断面図である。 図20は、第3実施形態に係る端子にはんだを設けた場合の断面図である。 図21(a)は、第3実施形態に係る端子の製造方法について示す断面図であり、図21(b)は、図21(a)のVI-VI線に沿う一部断面側面図である。 図22は、第3実施形態に係る配線基板装置の拡大断面図である。 図23は、第3実施形態で奏される効果について説明するための断面図(その1)である。 図24は、第3実施形態で奏される効果について説明するための断面図(その2)である。 図25は、第4実施形態に係る配線基板装置の拡大断面図である。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。
図1は、その検討に使用した配線基板の全体断面図である。
その配線基板1は、多層配線基板であって、コア基材2の両面に絶縁層6と配線4、7とを交互に複数積層してなる。
このうち、コア基材2は、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板であって、複数の貫通孔2aを備える。貫通孔2aとその開口端には銅めっき膜が形成され、これにより貫通孔2a内に貫通電極3が設けられると共に、貫通2aの周囲のコア基材2上に配線4が設けられる。
また、絶縁層6は、例えばフェノール樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂層である。その絶縁層6には、レーザ加工等により配線4に至るビア6aが形成されており、ビア6aとその周囲の絶縁層6の上には配線7が銅めっきにより形成される。
そして、配線基板1の両主面のうち、上側の主面には第1のソルダレジスト層11が形成される。その第1のソルダレジスト層11には最上層の配線7に重なる第1の開口11aが設けられており、その第1の開口11a内の配線7の表面には第1の拡散防止層12が形成される。
第1の拡散防止層12は、その上に後で形成されるはんだが配線7に拡散するのを防止するのを防ぐための金属層であり、UBM(Under Barrier Metal)とも呼ばれる。この例では第1の拡散防止層12としてニッケル層、パラジウム層、及び金層をこの順に形成する。
一方、配線基板1の両主面のうち、下側の主面には第2のソルダレジスト層13が形成される。その第2のソルダレジスト層13には最下層の配線7に重なる第2の開口13aが設けられており、その第2の開口13a内の配線7の表面には第2の拡散防止層14が形成される。
第1の拡散防止層12と同様に、第2の拡散防止層14は、ニッケル層、パラジウム層、及び金層をこの順に積層した積層膜である。
この例では、以下のようにしてこの配線基板1の上に半導体素子を搭載する。
図2~図3は、この配線基板1を利用した配線基板装置の製造途中の拡大断面図である。
まず、図2(a)に示すように、第1の開口11a内に端子16を立てる。
その端子16は、ニッケルの線材を所定の長さに切断して得られた柱状であって、その表面にはバレルめっきによりはんだ17が形成される。
次に、図2(b)に示すように、はんだ17をリフローして溶融させることにより、はんだ17と第1の拡散防止層12とを介して配線7に端子16を接合する。そのリフローの際、表面張力によってはんだ17は概略球形となる。
ここまでの工程により、この例に係る配線基板装置25の基本構造が完成する。
この後は、配線基板装置25に半導体素子を搭載する工程に移る。
まず、図3(a)に示すように、複数の電極21を備えた半導体素子20を用意し、その電極21と端子16との位置合わせを行う。その電極21は特に限定されないが、この例では銅ポストを電極21として形成する。
そして、図3(b)に示すように、配線基板1に向けて半導体素子20を押圧しながらはんだ17をリフローして溶融させ、はんだ17を介して端子16と電極21とを接続する。
そのリフローにおける加熱温度は、はんだ17の融点よりも高くかつ端子16の融点よりも低い温度に設定される。そのため、このリフローによってはんだ17は溶融するものの、端子16は溶融せずに柱状の形状が維持される。
以上により、この例に係る基本工程を終える
上記した配線基板装置25によれば、はんだ17よりも融点が高いニッケルの端子16を採用するため、図3(b)の工程ではんだ17をリフローしても端子16は溶融しない。これにより、そのリフローの際に半導体素子20を押圧しても端子16が潰れなくなるため、端子16によって第1の配線基板1と半導体素子20との間隔が維持され、第1の配線基板1に半導体素子20が接触するのを防ぐことができる。
しかしながら、この配線基板装置25には以下のような問題が生じることがある。
図4~図6は、その問題について説明するための拡大断面図である。
図4の例では、図2(b)や図3(b)の工程ではんだ17をリフローした際に表面張力によってはんだ17が横方向に広がり、隣接する端子16同士がはんだ17を介して電気的にショートしてしまっている。
このような問題を回避するために、端子16の表面におけるはんだ17の量を減らすことも考えられる。しかし、これでは端子16の下端16aと上端16bにおけるはんだ1の量が不足してしまうため、下端16aと配線7との接合強度や、上端16と電極21との接合強度が不足するおそれがある。
一方、図5は、製造誤差によって複数の電極21の各々の高さがばらついている場合の拡大断面図である。
この場合は、高さが低い電極21にはんだ17が接触しておらず、その電極21とこれに対応する端子16とが電気的に接続されていない。
また、図6は、熱膨張等によって半導体素子20に反りが生じている場合の拡大断面図である。
この場合は、半導体素子20の反りによって一部の電極21が端子16から離れてしまい、その端子16と電極21とをはんだ17で接続することができない。
以下に、このような問題を回避できる各実施形態について説明する。
(第1実施形態)
まず、本実施形態で使用する端子について説明する。
図7(a)はその端子の上面図であり、図7(b)は図7(a)のI-I線に沿う断面図である。
図7(a)に示すように、端子30は上面視で円形である。
また、図7(b)に示すように、端子30は下端30aと上端30bとを有しており、これらの間には下端30aと上端30bの各々よりも幅が狭いくびれ部30cが設けられる。
この例では、断面視で幅W1が最も狭い幅狭部30dをくびれ部30cに設ける。そして、下端30aから幅狭部30dに向かって端子30の断面形状をテーパ状に細くし、かつ幅狭部30dから上端30bに向かって端子30の断面形状をテーパ状に広くする。
端子30の寸法は特に限定されない。例えば、端子30の高さHは10μm~1000μm程度であり、下端30aと上端30bのそれぞれの幅W2は10μm~500μm程度である。また、前述の幅狭部30dにおける幅W1は5μm~495μm程度、より好ましくは300μm程度である。
更に、端子30の材料も特に限定されず、ニッケル、銅、金、及びアルミニウムのいずれかの金属で端子30を形成し得る。
本実施形態では、その端子30の表面に以下のようにはんだを設ける。
図8は、表面にはんだ31が設けられた端子30の断面図である。
はんだ31は、例えばバレルめっきにより端子30の全面に5μm~100μm程度の厚さに形成される。
また、はんだ31の材料は、端子30よりも融点が低い材料であれば特に限定されない。そのような材料としては、例えば錫又は鉛がある。
次に、この端子30の製造方法について説明する。
図9(a)は、端子30の製造方法について示す断面図である。また、図9(b)は、図9(a)のII-II線に沿う一部断面側面図である。
図9(a)、(b)に示すように、この例では線状のニッケルの線材30xの上下に治具33を配する。その治具33には、前述のくびれ部30c(図7(b)参照)に対応した傾斜面33aが形成されており、治具33で線材30xを回転させながら何度も挟むことにより線材30xがテーパ状に加工される。
なお、転造加工法等を用いて線材30xをテーパ状に加工してもよい。
そして、このようにテーパ状に加工した後に線材30xを所定の長さに切断し、前述のようにくびれ部30cを備えた端子30を得る。
次に、この端子30を備えた配線基板装置について、その製造方法を追いながら説明する。
図10~図11は、本実施形態に係る配線基板装置の製造途中の拡大断面図である。なお、図10~図11において、図1~図3で説明したのと同じ要素にはこれらの図におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
本実施形態では、図1の配線基板1に以下のように端子30を立設する。
まず、図10(a)に示すように、第1のソルダレジスト層11の第1の開口11a内に、下端30aを下にして端子30を立てる。
次に、図10(b)に示すように、はんだ31をリフローして溶融させ、はんだ31と第1の拡散防止層12とを介して配線7に端子30を接続する。このリフローにおける加熱温度は、はんだ31の融点よりも高くかつ端子30の融点よりも低い100℃~400℃程度の温度に設定される。
そのリフローの際、本実施形態では溶融したはんだ31が表面張力によってくびれ部30cに溜まるため、はんだ31が基板横方向に広がるのを防止することができ、隣接する端子30同士がはんだ31によって電気的にショートする危険性を減らすことができる。
なお、上記のようにリフローの加熱温度は端子30の融点よりも低いため、このリフローによって端子30は溶融しない。
ここまでの工程により、本実施形態に係る配線基板装置35が完成する。
その配線基板装置35においては、端子30の周囲の配線7の上に第1のソルダレジスト層11が形成されており、その第1のソルダレジスト層11から突出するように端子30が設けられる。
この後は、この配線基板装置35が備える端子30に半導体素子等の部品を搭載する工程に移る。
まず、図11(a)に示すように、複数の電極21を備えた半導体素子20を用意し、その電極21と端子30との位置合わせを行う。半導体素子20の種類は特に限定されず、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサを半導体素子20として採用し得る。
また、図3(a)の例と同様に、電極21は銅ポスト等の金属ポストである。
次に、図11(b)に示すように、配線基板1に向けて半導体素子20を押圧しながらはんだ31をリフローして溶融させ、はんだ31を介して端子30と電極21とを接続する。
そのリフローにおける加熱温度は、はんだ31の融点よりも高くかつ端子30の融点よりも低い100℃~400℃程度の温度に設定される。そのため、このリフローでは端子30は溶融せず、配線基板1に向けて半導体素子20を押圧しても端子30によって配線基板1と半導体素子20との間隔を維持することができ、配線基板1に半導体素子20が接触するのを防ぐことができる。
しかも、溶融したはんだ31が端子30のくびれ部30cに溜まることではんだ31が基板横方向に広がらず、隣接する端子30同士がはんだ31によって電気的にショートする可能性を低減できる。
特に、この例のように第1のソルダレジスト層11の上面11xよりも上に幅狭部30dが位置することで、幅狭部30dが第1のソルダレジスト層11に隠れないようにすることができる。その結果、くびれ部30cに多くのはんだ31を溜めることができ、はんだ31が基板横方向に広がるのを効果的に抑制することが可能となる。
更に、幅狭部30dが露出することで、隣接する端子30間で最も距離が離れた幅狭部30d間にはんだ31を溜めることができるため、はんだ31が横方向に広がることを抑制することができる。
以上により、本実施形態における基本工程を終える。
図12は、半導体素子20を含む全体断面図である。
この例では、上記のようにして配線基板1に半導体素子20を搭載した後、配線基板1と半導体素子20との間にアンダーフィル樹脂38を充填する。更に、第2のソルダレジスト層13の第2の開口13aから露出している配線7に外部接続端子39としてはんだバンプを形成する。
なお、アンダーフィル樹脂38や外部接続端子39が不要な場合にはこれらを省いてもよい。これについては後述の各実施形態でも同様である。
以上説明した本実施形態によれば、はんだ31よりも融点が高い端子30を配線基板1と半導体素子20との間に配する。これにより、はんだ31をリフローしても配線基板1と半導体素子20との間隔を維持することができ、配線基板1と半導体素子20とが接触する可能性を低減できる。
特に、図12のようにアンダーフィル樹脂38を用いる場合には、このように配線基板1と半導体素子20との間隔が維持されることにより、これらの間にアンダーフィル樹脂38を充填し易くなる。
更に、図11(b)に示したように、端子30にくびれ部30cを設けることによりはんだ31が基板横方向に広がるのが防止され、隣接する端子30同士がはんだ31を介して接続される可能性を低減できる。
しかも、はんだ31が基板横方向に広がるのを防止する目的ではんだ31の量を減らす必要もないため、端子30の下端30aと上端30bの各々に十分な量のはんだ31が行き渡る。その結果、端子30と配線基板1との接続強度や、端子30と半導体素子20との接続強度をはんだ31で十分に確保することができ、配線基板1と半導体素子20との接続信頼性を維持することもできる。
また、本実施形態では以下のような効果も得ることができる。
図13及び図14は、本実施形態で奏される効果について説明するための拡大断面図である。
図13は、製造誤差によって複数の電極21の各々の高さがばらついている場合の断面図である。
この場合に図11(b)の工程で半導体素子20を押圧すると、機械的に弱いくびれ部30cが潰れるため、各電極21の高さのばらつきを端子30で吸収することができる。そのため、図5の例とは異なり、複数の端子30のうちで電極21に接続されないものが発生するのを抑制することができ、配線基板装置の歩留まりが低下するのを抑えることができる。
図14は、熱膨張等によって半導体素子20に反りが生じている場合の断面図である。
この場合は、図11(b)の工程で半導体素子20を押圧することによりくびれ部30cにおいて端子30が屈曲し、端子30の上端30bが半導体素子20の反りに倣うようになる。これにより、図6の例とは異なり、複数の端子30の各々を電極21に接続することが可能となる。
(第2実施形態)
本実施形態では、くびれ部30cに溜められるはんだ31の量を第1実施形態よりも多くする。
図15(a)は本実施形態に係る端子30の上面図であり、図15(b)はこの端子30の側面図である。
なお、図15(a)、(b)において、第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図15(a)、(b)に示すように、本実施形態では、端子30の側面に、下端30aから上端30bに延びる複数の溝30gを形成する。
図16(a)は、この端子30にはんだ31を設けた場合の上面図であり、図16(b)は図16(a)のIII-III線に沿う断面図である。
第1実施形態と同様に、そのはんだ31はバレルめっきにより端子30の表面に形成される。
特に、図16(a)に示すように、本実施形態では溝30gによって端子30の側面の表面積が増えるため、溝30gがない場合と比較して多くのはんだ31を端子30に設けることができる。
次に、この端子30の製造方法について説明する。
図17(a)は、本実施形態に係る端子30の製造方法について示す断面図である。また、図17(b)は、図17(a)のIV-IV線に沿う一部断面側面図である。
図17(a)、(b)に示すように、本実施形態においても一対の治具33でニッケルの線材30xを回転させながら何度も挟むことによりくびれ部30c(図15(b)参照)を形成する。
なお、転造加工法等を用いて線材30xをテーパ状に加工してもよい。
また、図17(b)に示すように、その治具33には溝30g(図15(a)参照)に対応した凹凸33bが設けられており、その凹凸33bを線材30xに転写することにより上記の溝30gを形成することができる。
図18は、この端子30を備えた本実施形態に係る配線基板装置35の一部断面側面図である。
なお、図18において第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
その配線基板装置35は、第1実施形態の図10(a)~図11(b)と同じ工程を行うことにより作製され、配線基板1と半導体素子20とが端子30で接続された構造を有する。
本実施形態では、溝30gを形成したことで端子30の表面に多くのはんだ31を設けることができるため、端子30の下端30aや上端30bではんだ31が不足し難くなる。その結果、端子30と配線基板1との接続強度や、端子30と半導体素子20との接続強度をはんだ31で十分に確保することが可能となる。
(第3実施形態)
本実施形態では、くびれ部30cの形状を第1実施形態とは異なる形状にする。
図19(a)は本実施形態に係る端子30の上面図であり、図19(b)は図19(a)のV-V線に沿う断面図である。
なお、図19(a)、(b)において、第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図19(a)、(b)に示すように、本実施形態に係る端子30は、上端30bを含む上側板30eと、下端30aを含む下側板30fと、上側板30eと下側板30fとを接続する柱状部30hとを備える。
このうち、柱状部30hは、前述のくびれ部30cとなる部位であり、下端30aと上端30bとの間において一定の幅W3を有する。
なお、その幅W3は例えば5μm~495μm程度であり、柱状部30hの高さhは例えば5μm~800μm程度である。また、下端30aと上端30bのそれぞれの幅W2は、第1実施形態と同様に10μm~500μm程度である。そして、端子30の高さHは10μm~1000μm程度である。
図20は、この端子30にはんだ31を設けた場合の断面図である。
第1実施形態や第2実施形態と同様に、はんだ31はバレルめっきにより端子30の表面に形成される。
次に、この端子30の製造方法について説明する。
図21(a)は、本実施形態に係る端子30の製造方法について示す断面図である。また、図21(b)は、図21(a)のVI-VI線に沿う一部断面側面図である。
図21(a)、(b)に示すように、本実施形態においても一対の治具33でニッケルの線材30xを回転させながら何度も挟むことによりくびれ部30c(図19(b)参照)を形成する。
なお、転造加工法等を用いて線材30xにくびれ部30cを形成してもよい。
図21(b)に示すように、各々の治具33には、柱状のくびれ部30cに対応した半円状の凸部33cが設けられる。その凸部33cの形状を線材30xに転写することにより、上記のような柱状のくびれ部30cを形成することができる。
図22は、この端子30を備えた本実施形態に係る配線基板装置の拡大断面図である。
なお、図22において第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
その配線基板装置は、第1実施形態の図10(a)~図11(b)と同じ工程を行うことにより作製され、配線基板1と半導体素子20とが端子30で接続された構造を有する。
本実施形態では、上記のようにくびれ部30cを柱状にしたため、下端30aと上端30bの各々の側面からくびれ部30cの側面を大きく後退させることができ、隣接する端子30の各々のくびれ部30c同士を大きく離すことができる。そのため、図11(b)の工程ではんだ31をリフローさせても、隣接する端子30同士がはんだ31で接続されるのを効果的に抑制することが可能となる。
また、第1実施形態と同様に、くびれ部30cを柱状にしても以下のような効果が奏される。
図23及び図24は、本実施形態で奏される効果について説明するための断面図である。
図23は、製造誤差によって複数の電極21の各々の高さがばらついている場合の断面図である。
この場合は、くびれ部30cが潰れることにより各電極21の高さのばらつきを端子30で吸収することができ、複数の端子30の各々を電極21に接続することができる。
図24は、熱膨張等によって半導体素子20に反りが生じている場合の断面図である。
この場合は、くびれ部30cが屈曲することにより端子30の上端30bが半導体素子20の反りに倣うようになり、複数の端子30の各々を電極21に接続することが可能となる。
(第4実施形態)
第1~第3実施形態では、端子30を介して配線基板1に接続される部品として半導体素子20を用いたが、本実施形態ではその部品として配線基板を用いる。
図25は、本実施形態に係る配線基板装置の拡大断面図である。
なお、図25において第1実施形態で説明したのと同じ要素には第1実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図25に示すように、この配線基板装置50においては、二つの配線基板1の各々を対向させる。そして、はんだ31をリフローして溶融させることにより、各配線基板1の各々の配線7同士を端子30を介して接続する。
その端子30には前述のようにくびれ部30cが設けられているため、溶融したはんだ31がそのくびれ部30cに溜まり、基板横方向にはんだ31が広がるのを防止できる。その結果、隣接する端子30同士がはんだ31で接続されるのを抑制することができ、配線基板装置50の歩留まりを向上させることができる。
1…配線基板、2…コア基材、2a…貫通孔、3…貫通電極、4、7…配線、6…絶縁層、6a…ビア、11…第1のソルダレジスト層、11a…開口、12…第1の拡散防止層、13…第2のソルダレジスト層、13a…第2の開口、14…第2の拡散防止層、16…端子、16a…下端、16b…上端、17…はんだ、20…半導体素子、21…電極、30…端子、30a…下端、30b…上端、30c…くびれ部、30d…幅狭部、30e…上側板、30f…下側板、30g…溝、30h…柱状部、30x…線材、31…はんだ、33…治具、33a…傾斜面、33b…凹凸、33c…凸部、38…アンダーフィル樹脂、39…外部接続端子。

Claims (3)

  1. 配線基板と、
    前記配線基板の上に立設され、下端と上端との間にくびれ部が設けられた複数の端子と、
    前記端子よりも融点が低く、かつ前記端子の表面を覆うはんだと、
    を有し、
    前記端子は、
    前記上端を含む上側板と、
    前記下端を含む下側板と、
    前記上側板と前記下側板とを接続する柱状部とを備え、
    前記柱状部の幅が一定の幅を有し、
    前記下側板は、前記配線基板に対向する下面を有し、
    前記上側板は上面を有し、
    前記はんだは、前記下側板の前記下面、前記上側板の前記上面及び前記端子の側面の全体を覆うことを特徴とする配線基板装置。
  2. 前記はんだを介して前記端子に接続された部品を更に有することを特徴とする請求項1に記載の配線基板装置。
  3. 前記部品は、半導体素子、又は前記配線基板とは別の配線基板であることを特徴とする請求項に記載の配線基板装置。
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