KR100417335B1 - 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를이용한 비아 홀 충전방법 - Google Patents

비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를이용한 비아 홀 충전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 인쇄회로기판의 비아 홀 충전용 동도금액 1ℓ에 중에 포함된 첨가제 조성물에 있어서, 폴리에틸렌 글리콜 0.005g∼0.4g, 폴리비닐릴 피롤리돈 0.001g∼0.1g, 3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.001g∼0.02g 및 옥틸페놀 에톡실레이트 0.03g∼0.5g으로 이루어진 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 전해 동도금액에 특정 산성 첨가제 조성물을 특정량 첨가하여 고전류 밀도의 작업환경 하에서도 비아 홀 개구부에서의 과잉 석출을 막아 공극 발생을 방지함으로써 공극의 발생 없이 짧은 작업시간 내에 비아 홀을 완전히 충전시킬 수 있는 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법을 제공할 수 있다.

Description

비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법{Composition for acidic copper coating additive for filling up via hole, and method for filling up via hole using the same}
본 발명은 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 기존의 전해 동도금액에 특정 산성 첨가제 조성물을 특정량 첨가하여 고전류 밀도의 작업환경 하에서도 비아 홀 개구부에서의 과잉 석출을 막아 공극 발생을 방지함으로써 공극의 발생 없이 짧은 작업시간 내에 비아 홀을 완전히 충전시킬 수 있는 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법에 관한 것이다.
최근 들어, 전자기기의 진보와 더불어 인쇄회로기판의 고밀도화 또는 다층화가 진행됨에 따라 이에 대응하기 위하여 새로운 다층 인쇄회로기판 제조법으로서 빌드업 공법이 도입되었다. 상기 빌드업 방법으로는 다른 도체의 층간 접속법으로서 도금을 통한 비아 홀 내벽의 도전화가 행해지고 있다. 통상 비아 홀 내벽에 절연수지 또는 도전성 페이스트를 충전하고 절연층을 형성시킨 후, 평탄화가 수행되고 있지만, 이 경우 평탄화에는 한계가 있다.
따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위하여 임의의 층간을 전기적으로 접속시키는 전층 이너(inner) 비아 구조의 수지 다층기판 및 미세한 범프를 통한 층간 접속을 이용한 인쇄회로기판이 고안되고 있다. 한편, 도체 패턴이 점차 미세화됨에 따라 비아 홀 내부를 동도금으로 채우는 비아 필링법이 공정 및 접속 신뢰성 측면에서 우수한 방법으로서 관심이 집중되고 있다.
현재 적용되고 있는 비아 필링 기술로는 비아 홀을 공형으로 도전화시킨 후, 절연수지 또는 도전성 페이스트를 사용하여 비아 홀의 내부를 충전시키는 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법을 사용하는 경우 비아 홀 내부에서 공극이 발생되고, 표면이 움푹 패이는 현상이 발생될 뿐만 아니라, 금속 및 절연수지의 열팽창계수 차로 인하여 접속 신뢰성에 악영향을 미치며, 전기전도가 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 배선이 점점 미세화되는 과정에 있어서 비아 홀 내부를 금속 동으로 충전하는 비아 홀 충전방법은 비아-온-비아(또는 스택-비아)가 가능하여 회로 배선을 더욱 고밀도화시킬 수 있을 뿐 아니라 접속 신뢰성 측면에서도 안정적이기 때문에, 이의 적용이 더욱 확대되고 있다.
상기 비아 홀의 충전방법으로는 전기 동도금을 통해 비아 홀을 메우는 방법이 가장 폭넓게 적용되고 있다. 그러나, 종래의 전기동도금 기술을 통해서 전기 동도금용 첨가제 및 욕(bath)의 조성을 이용하여 비아 홀을 충전시키는 경우, 비아 홀 내부에 충전이 이루어지지 않거나 또는 충전이 이루어지더라도 비아 홀 내부에 공극이 발생하는 문제점이 있다. 한편, 이러한 공극을 제거하기 위해서는0.05A/dm2이하의 저전류 밀도로 작업을 수행해야 하는데, 이러한 경우 도금 시간이 3시간 이상 소요되어 생산 현장에서는 적용할 수 없다.
따라서, 비아 홀 개구부에서 과잉 석출에 의한 공극의 발생을 억제시키기 위하여 펄스 리버스(pulse reverse) 방법에 의하여 개구부에서의 석출과 용해를 반복하여 비아 홀 바닥으로부터 먼저 석출시켜 충전시킬 수 있으나, 이러한 경우 도금시 석출과 용해를 반복하기 때문에 양극으로서 동을 사용할 경우, 블랙 필름의 용해에 의한 전해욕의 오염 또는 양극 활성화 등의 문제점이 있고, 또한 완전히 충전시키기 위해서는 장시간이 소요되는 등의 문제점이 있다.
따라서, 고전류 밀도로 작업시에도 공극의 발생 없이 비아 홀이 완전히 충전될 뿐만 아니라, 비아 홀 충전 시간을 단축시킬 수 있는 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 및 충전방법이 시급히 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명에서는 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 종래 산성 동도금 첨가제 및 전해용액을 토대로 통상적인 첨가제의 기본 구성 성분인 억제제(suppressor), 레벨러(leveller) 및 브라이트너(brightener)가 비아 홀의 개구부 및 비아 홀 내부의 충전에 있어서 각각 다른 역할을 하고 있다는 점에 착안하여 광범위한 연구를 거듭한 결과, 고전류 밀도로의 작업 수행시에도 비아 홀 개구부에서의 과잉 석출을 막아 공극 발생을 방지할 수 있는 첨가제의 특정 성분조성 및 이의 특정 사용량을 발견하였으며, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 고전류 밀도로의 작업 수행시에도 비아 홀 개구부에서의 과잉 석출을 막을 수 있는 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공극의 발생 없이 짧은 작업시간 내에 비아 홀을 완전히 충전시킬 수 있는 비아 홀 충전방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동도금 첨가제 조성물은 인쇄회로기판의 비아 홀 충전용 동도금액 1ℓ에 중에 포함된 첨가제 조성물에 있어서, 폴리에틸렌 글리콜 0.005g∼0.4g, 폴리비닐릴 피롤리돈 0.001g∼0.1g, 3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.001g∼0.02g 및 옥틸페놀 에톡실레이트 0.03g∼0.5g으로 이루어진다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 상기 산성 동도금 첨가제 조성물을 포함하는 동도금 전해액에 피도금물을 침지시켜 1.0∼4.0A/dm2의 고전류 밀도의 작업환경 및 20∼30℃의 온도 조건하에서 전해시켜 도금한다.
이하, 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
빌드업 인쇄회로기판 또는 웨이퍼의 미세 배선에 있어서, 비아 홀 또는 홈 내부에 동도금을 적용하여 충전시키는 전해 도금방법이 널리 사용되고 있다. 이와 같은 전해 도금방법은 인쇄회로기판의 실장밀도 향상을 위한 랜드(land) 형성 또는 웨이퍼 미세 배선의 접속신뢰성 확보 등을 목적으로 수행된다.
일반적으로 전해 동도금은 다음과 같이 수행된다. 인쇄회로기판 또는 웨이퍼의 절연 부위에도 전해동을 도금하고자 하는 경우에는 절연 부위에 무전해 동도금 또는 스퍼터링법으로 얇은 동층을 형성시킴으로써, 본래 도전성이 없는 부분에 있어서도 도전성의 확보가 가능해진다. 그 다음, 상기 도전처리된 피도금물을 전해 동도금 욕(bath) 중에서 음극(cathode)으로써 전해동을 석출시켜 동도금을 완료한다.
상기 전해 동도금액으로는 황산동계 및 피로인산동계 등을 포함하는 통상적인 동도금액이 사용될 수 있다. 일반적으로, 상기 도금액에는 균일한 물성 및 외관이 우수한 동도금층을 얻기 위하여 억제제(suppressor), 브라이트너(brightner) 및 레벨러(leveler)와 같은 여러가지 첨가제가 더욱 배합된다. 즉, 기본적인 동도금액에 적합한 첨가제를 배합하여 석출 결정입자를 제어할 뿐만 아니라 균일한 석출속도를 조절하여 목적하는 특성을 얻는다.
그러나, 종래의 첨가제를 함유한 전해 동도금액을 사용하는 경우에는 전해작업이 진행됨과 동시에, 첨가제인 브라이트너 성분 역시 양극(anode) 전극측에서 분해되는 경향이 있다. 이러한 현상은 특히 불용해성 양극을 사용할 때에 현저하게 나타난다. 따라서, 도금액으로서의 수명이 단축될 뿐만 아니라, 도금액의 조성 상태는 시시각각 변화되어 도금층의 석출상태에 영향을 주기 때문에 균일한 석출을 달성하기 어렵다. 그 결과, 바람직하지 않은 석출상태가 유발되어 작업 수율이 저감되는 요인이 된다.
전형적인 석출상태에 따른 불량은 비아 홀 또는 홈부의 저면부까지 균일하게 전류가 분포되지 않고, 형상효과에 의해 전류집중이 일어날 뿐만 아니라, 표층의동부만 우선하여 동의 석출이 발생됨으로써 균일한 석출상태가 형성될 수 없는 조건하에서 발생된다. 이러한 경우, 비아 홀 또는 홈 내부에 공극이 생기면서 석출이 충분하지 않은 부위가 발생됨으로써 회로로서의 접속신뢰성을 현저하게 저감시키는 결과로 귀결된다.
또한, 동도금액의 조성 상태가 변화될 경우에는 좀 더 확실하게 정밀한 도금을 수행하기 위하여 동도금액의 조성 상태를 계속 관찰하면서 변화된 상태에 따라 적합한 조작을 실시해야 한다. 즉, 빈번한 용액에칭을 수행하지 않으면 안된다. 상기 용액 에칭을 수동으로 수행할 경우에는 번잡한 반면, 기계화시키는 경우에는 설비의 가격상승을 초래하여 제품의 가격 측면에서 경쟁력이 저하된다.
따라서, 본 발명에서는 인쇄회로기판의 도체 패턴의 고밀화 및 미세화 요구에 따라 스택트 비아 등을 형성하기 위하여 비아 홀 내부를 동도금으로 충전시키기 위한 동도금액에 있어서, 기존의 전해 동도금액에 특정 산성 첨가제 조성물을 특정량 첨가하여 고전류 밀도의 작업환경 하에서도 비아 홀 개구부에서의 과잉 석출을 막아 공극 발생을 방지함으로써 공극의 발생 없이 빠른 작업 시간내에 비아 홀을 완전히 충전시킬 수 있는 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법이 제공된다.
본 발명의 블라인드 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물은 인쇄회로기판의 비아 홀 충전용 동도금액 1ℓ에 중에 포함된 첨가제 조성물에 있어서, 폴리에틸렌 글리콜 0.005g∼0.4g, 폴리비닐릴 피롤리돈 0.001g∼0.1g, 3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.001g∼0.02g 및 옥틸페놀 에톡실레이트 0.03g∼0.5g으로 이루어진다.
상기 폴리에틸렌 글리콜은 전해 동도금액에 배합되는 억제제 성분으로서, 상기 폴리에틸렌 글리콜의 사용량은 전해 동도금액 1ℓ중에 0.005g∼0.4g인 것이 바람직하며, 상기 사용량이 0.005g 미만이면 비아홀의 입구가 먼저 막히어 공극이 발생하고, 0.4g을 초과하면 도금의 입자는 조밀해지지만 비아홀의 충전이 이루어지지 않는다.
또한, 상기 폴리비닐릴 피롤리돈은 전해 동도금액에 배합되는 레벨러 성분으로서, 상기 폴리비닐릴 피롤리돈의 사용량은 전해 동도금액 1ℓ중에 0.001g∼0.1g인 것이 바람직하며, 상기 사용량이 0.001g 미만이면 비아홀의 충전이 이루어지지 않고, 0.1g을 초과하면 비아홀의 충전이 이루어지지 않을 뿐만 아니라, 표면의 석출 형상이 계단식으로 되어 고른 표면을 얻을 수 없다.
상기 3-머콥토프로판 설포닉 에시드는 전해 동도금액에 배합되는 브라이트너 성분으로서, 상기 3-머콥토프로판 설포닉 에시드의 사용량은 전해 동도금액 1ℓ중에 0.001g∼0.02g인 것이 바람직하며, 상기 사용량이 0.001g 미만이면 비아홀의 충전이 이루어지지 않고 성장입자가 크고 거칠며, 0.02g을 초과하면 비아홀의 개구부가 먼저 막히어 공극이 발생하여 충전이 이루어지지 않는다.
한편, 상기 옥틸페놀 에톡실레이트는 전해 동도금액에 배합되는 계면활성제 성분으로서, 상기 옥틸페놀 에톡실레이트의 사용량은 전해 동도금액 1ℓ중에 0.03g∼0.5g인 것이 바람직하며, 상기 사용량이 0.03g 미만이면 비아홀의 입구가 먼저 막히어 공극이 발생하고 거친 도금입자가 형성되며, 0.5g을 초과하면 도금입자는조밀해지지만 충전이 이루어지지 않는다.
본 발명에 따른 인쇄회로기판의 비아 홀 충전용 동도금액은 전술한 첨가제 조성물 뿐만 아니라, 전체 용액 1ℓ중에 H2SO445∼75g, CuSO4·5H2O 180∼240g, 및 Cl 40∼90(50)㎎을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 산성 동도금액 조성물은 1.0∼4.0A/dm2의 고전류 밀도의 작업환경 및 20∼30℃의 온화한 온도 조건하에서 동도금 전해액에 첨가되어 적용됨으로써 공극을 발생시키지 않고 짧은 작업시간 내에 비아 홀을 완전히 충전시킬 수 있는 비아 홀 충전방법을 제공할 수 있기 때문에, 고밀도화된 인쇄회로기판에 있어서 정밀한 파인 플레이팅을 달성시킬 수 있다.
이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
여기서, 괄호 안의 수치는 최적의 데이타에 따른 함량을 나타낸다.
실시예 1
인쇄회로기판에 75㎛의 지름 및 65㎛의 깊이를 갖는 비아 홀을 가공하여 그 내부를 하기 조성을 갖는 전해 도금액을 포함하는 욕(bath)에서 2.0A/dm2의 전류 밀도하에서 실온(25℃)으로 도금을 수행한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
폴리에틸렌글리콜(PEG) 0.007g/ℓ
옥틸페놀 에톡실레이트 0.05g/ℓ
폴리비닐 피롤리돈 0.002g/ℓ
3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.002g/ℓ
상술한 조성물 및 조건하에서 동도금을 통해 충전된 비아 홀의 내부는 공극의 발생이 없고, 충전이 완전히 이루어졌으며, 도금 층의 석출상태 또한 매우 조밀하였다.
비교예 1
동도금액 무기물의 조성이 하기와 같은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
이와 같이, 첨가제를 첨가하지 않은 기본 동도금액 조성물을 포함하는 욕에서 도금된 비아 홀의 내부는 충전이 완전히 이루어지지 않았으며, 또한 비아 홀의 내부에 공극이 발생되었다.
비교예 2
동도금액의 조성이 하기와 같은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
PEG 0.007g/ℓ
이와 같이, 기본적인 동도금 용액에 첨가제로서 PEG를 첨가한 조성물을 포함하는 욕에서 도금된 비아 홀의 개구부는 완전히 막히지는 않았지만, 도금 피막의 성장이 차후 막히려는 형상으로 형성되었으며, 도금층이 엉성하고 조잡스럽게 형성되었다.
비교예 3
동도금액의 조성이 하기와 같은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
PEG 0.007g/ℓ
폴리비닐 피롤리돈 0.002g/ℓ
이와 같이, 기본적인 동도금 용액에 첨가제로서 PEG 및 폴리비닐 피롤리돈을 첨가한 조성물을 포함하는 욕에서 도금된 비아 홀은 그 개구부의 막힘이 개선되지 않았으며, 비아 홀 내부의 충전도 이루어지지 않았다. 하지만, 도충에 대한 조밀함은 비교적 양호하였다.
비교예 4
동도금액의 조성이 하기와 같은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
PEG 0.007g/ℓ
폴리비닐 피롤리돈 0.002g/ℓ
3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.001g/ℓ
이와 같이, 기본적인 동도금 용액에 첨가제로서 PEG, 폴리비닐 피롤리돈 및3-머콥토프로판 설포닉 에시드를 첨가한 조성물을 포함하는 욕에서 도금된 비아 홀의 내부는 충전이 이루어졌으며, 도금 층의 조직도 상당히 조밀하였지만, 공극이 발생하였다.
비교예 5
동도금액 중 첨가제 각각의 사용량이 하기와 같은 것을 제외하고는 상기 비교예 4와 동일하게 실시한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
PEG 0.6g/ℓ
폴리비닐 피롤리돈 0.0005g/ℓ
3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.025㎎/ℓ
이와 같이, 기본적인 동도금 용액 중의 첨가제인 PEG, 폴리비닐 피롤리돈 및 3-머콥토프로판 설포닉 에시드의 사용량을 일반적인 산성 동도금용액에 배합되는 광택제의 농도 범위로 조절하는 경우 공극이 발생하고 비아 홀의 충전도 이루어지지 않았다.
비교예 6
동도금액의 첨가제 조성 중 PEG를 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시한 후, 충전된 비아 홀 단면의 도금된 형상 및 충전 정도를 확인하였다.
조성물:
H2SO445∼75(60)g/ℓ
CuSO4·5H2O 180∼240(220)g/ℓ
Cl 40∼90(50)㎎/ℓ
옥틸페놀 에톡실레이트 0.05g/ℓ
폴리비닐 피롤리돈 0.002g/ℓ
3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.002g/ℓ
이와 같이, 기본적인 동도금 용액에 본 발명의 첨가제 중 PEG를 제외하고 옥틸페놀 에톡실레이트, 폴리비닐 피롤리돈 및 3-머콥토프로판 설포닉 에시드를 첨가한 조성물을 포함하는 욕에서 도금된 비아 홀의 내부는 충전이 이루어지고, 도금 층의 조직도 상당히 조밀하였지만, 개구부가 먼저 막히어 공극이 발생하였다.
따라서, 본 발명에 따른 첨가제는 PEG 또는 옥틸페놀 에톡실레이트 등의 어느 일부 성분을 포함하는 조성물로서가 아니라, 특정 함량을 포함하는 성분 각각의 조합물로서 동도금 용액에 적용되는 경우에만 비아 홀 개구부에서 과잉 석출되어 개구부가 먼저 막히는 현상이 방지되어 공극을 발생시키지 않고 짧은 작업시간 내에 비아 홀 내부를 완전히 충전시킬 수 있음을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 인쇄회로기판의 도체 패턴의 고밀화 및 미세화 요구에 따라 스택트 비아 등을 형성하기 위하여 비아 홀 내부를 동도금으로 충전시키기 위한 동도금액에 있어서, 기존의 전해 동도금액에 특정 산성 첨가제 조성물을 특정량 첨가하여 고전류 밀도의 작업환경 하에서도 비아 홀 개구부에서의 과잉 석출을 막아 공극 발생을 방지함으로써 빠른 작업 시간내에 비아 홀을 완전히 충전시킬 수 있는 산성 동도금 첨가제 조성물 및 이를 이용한 비아 홀 충전방법을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 인쇄회로기판의 비아 홀 충전용 동도금액 1ℓ에 중에 포함된 첨가제 조성물에 있어서, 폴리에틸렌 글리콜 0.005g∼0.4g, 폴리비닐릴 피롤리돈 0.001g∼0.1g, 3-머콥토프로판 설포닉 에시드 0.001g∼0.02g 및 옥틸페놀 에톡실레이트 0.03g∼0.5g으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비아 홀 충전용 산성 동도금 첨가제 조성물.
  2. 제1항에 따른 산성 동도금 첨가제 조성물을 포함하는 동도금 전해액에 피도금물을 침지시켜 1.0∼4.0A/dm2의 고전류 밀도의 작업환경 및 20∼30℃의 온도 조건하에서 전해시켜 도금하는 것을 특징으로 하는 비아 홀 충전방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전해액은 H2SO4,CuSO4·5H2O 및 Cl을 포함하는 것을 특징으로 하는 비아 홀 충전방법.
  4. 인쇄회로기판의 비아 홀 충전용 동도금액에 있어서, 전체 용액 1ℓ중에
    제1항에 따른 첨가제 조성물, H2SO445∼75g, CuSO4·5H2O 180∼240g, 및 Cl 40∼90(50)㎎을 포함하는 것을 특징으로 하는 동도금액 조성물.
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