TW201323473A - 環氧樹脂組成物及由其製成的預浸材和印刷電路積層板 - Google Patents

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Abstract

一種環氧樹脂組成物,係包括:(a)環氧樹脂;(b)硬化劑;以及(c)聚苯乙烯作為添加劑。

Description

環氧樹脂組成物及由其製成的預浸材和印刷電路積層板
本發明係有關一種環氧樹脂組成物,尤其是一種環氧樹脂組成物及由其製成的預浸材和印刷電路積層板(亦即,銅箔披覆之積層板(Copper Clad Laminate,簡稱CCL))。本發明的預浸材在外觀上無氣泡的產生,同時本發明由熱壓多層預浸材而成的印刷電路積層板具有低的介電常數(Dielectric Constant,Dk)與低的散逸因子(Dissipation Factor,Df),且耐熱性佳。
印刷電路積層板主要是由樹脂、補強材和銅箔三者所組成。其中之樹脂常用的有:環氧樹脂、酚醛樹脂、聚胺甲醛、矽酮及鐵氟龍等,而補強材則常用的有:玻璃纖維布、絕緣紙,甚至帆布、亞麻布等。一般係藉由在玻璃織物等的補強材中含浸樹脂清漆,並固化至半硬化狀態(B-stage)而獲得預浸材。然後將上述之預浸材以一定的層數予以層合,並在層合後之預浸材的至少一側的最外層來層合金屬箔而製成積層板,然後對此積層板進行加熱加壓而獲得金屬披覆之積層板,而後在由此獲得之金屬披覆積層板上,以鑽頭等開通出通孔用的孔,並在此孔中施以鍍金以形成通孔等,再蝕刻金屬披覆積層板表面的金屬箔以形成一定的電路圖案,如此即可獲得印刷電路板(PCB)。
近來,隨著電子通訊裝置持續朝高速傳輸發展,於印刷電路板中使用高頻元件的需求亦日益提昇。在高頻電路中,傳輸的速度係取決於絕緣材料之介電常數與散逸因子。使用高介電常數之絕緣材料,會造成傳輸速度下降、訊號干擾等問題,而散逸因子代表電場在絕緣材料中能量的損失,數值越大表示損失越大,所損失的能係轉變為熱量。因此,發展能降低印刷電路板用絕緣材料之介電常數與散逸因子的材料,已成為基板業者致力研發的課題。關於習知技術中對於印刷電路積層板的電氣性能提升,請參考台灣專利公告第442535號或台灣專利公告第444043號等專利,此二項專利係於樹脂組成物中添加如鐵氟龍(Polytetrafluoroethylene)、聚苯醚(Polyphenylene Oxide)、環氧基化合物-苯乙烯共聚合物或官能化對位聚苯乙烯(Syndiotactic Polystyrene)共聚合物等材料,以降低所製積層板的介電常數與散逸因子。
聚苯乙烯具有主鏈為飽和碳鏈,側基為共軛苯環的結構式,而側基為共軛苯環的無規排列決定了聚苯乙烯的物理化學性質,如剛度大,玻璃轉移溫度高,性脆等。聚苯乙烯的玻璃轉移溫度依據分子量的大小可以達80至105℃,通常聚苯乙烯的分子量為5至30萬以上,所以在室溫下是透明而堅硬的。一般而言,聚苯乙烯材質具有優異的電氣性能,特別是高頻特性佳。不過若將聚苯乙烯應用於印刷電路板的製作上,則其仍有加工性不佳的缺點需克服,例如聚苯乙烯材料的耐熱性仍嫌不足,且易與習知環氧樹脂成分產生相分離,以及材料本身的易燃性。
此外,由於高頻應用技術的不斷發展,線路密度不斷地提高,因此所製預浸材的品質及特性更趨重要。當預浸材殘留有未及時趕出的氣泡,而在對數層預浸材進行壓合時,其中殘留的氣泡會使得預浸材未能被充分沾膠,而導致由預浸材所製成之積層板中會產生空洞(Void),而當在高溫、高濕、高電壓的環境下操作由此積層板製得之印刷電路板時,則會因氣泡所產生的空洞而提供了漏電通道,銅離子會沿著玻纖束從陽極到陰極緩慢的遷移,進而出現漏電行為者,特稱為陽極性玻纖束之漏電(Conductive Anodic Filament,CAF),而此現象一旦產生,就會造成電子元件短路。此外,在製程上,由於預浸材中有氣泡的產生,而於印刷電路板製作的後製程中,將會導致產品的耐熱性不佳,且甚至造成爆板發生。習知技術對於預浸材外觀氣泡的改善,則利用製程控制調整來加以克服。
為了降低預浸材中殘留的氣泡,同時又能兼顧積層板低的介電特性與良好的耐熱性,則成為本發明的研究課題。
據此,本發明之目的係在提供一種環氧樹脂組成物,而由該環氧樹脂組成物所製成之印刷電路積層板具有低的介電常數(Dk)與低的散逸因子(Df),且具有良好的耐熱性。
本發明之另一目的係在提供一種預浸材,其係在溶劑中,溶解或分散上述環氧樹脂組成物而製得環氧樹脂組成物清漆,然後在玻璃織物等的補強材中含浸上述環氧樹脂組成物清漆,進行焙烤而製得。本發明之預浸材在外觀上並無氣泡的產生,且無相分離現象。
本發明之又一目的係在提供一種印刷電路積層板,其係利用下列方法而製得,該方法包括:將一定層數之上述預浸材予以層合,並在該預浸材之至少一側的最外層上,層合金屬箔而形成金屬披覆積層板,並對此金屬披覆積層板進行加壓加熱成形,如此即可獲得印刷電路積層板。
為了達到上述目的,本發明提供一種環氧樹脂組成物,包括:(a)環氧樹脂,其一分子內含有兩個或兩個以上環氧基基團;(b)硬化劑;以及(c)聚苯乙烯作為添加劑。
本發明之環氧樹脂組成物可進一步包括硬化促進劑、分散劑、阻燃劑、增韌劑以及無機填充劑中之一者或多者。
本發明係於環氧樹脂組成物中,額外地添加1至14重量份之聚苯乙烯(以100重量份之環氧樹脂為基準),對於由該環氧樹脂組成物所製成之預浸材中氣泡的大幅降低,以及對於由該預浸材所製成之印刷電路積層板的電氣特性(例如介電常數與散逸因子)的改善皆有顯著效果。
為使本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更加明瞭,下文將特舉較佳實施例,作詳細說明如下。
本發明之環氧樹脂組成物包括:(a) 100重量份之環氧樹脂,該環氧樹脂一分子內含有兩個或兩個以上環氧基基團;(b)硬化劑;(c)1至14重量份之聚苯乙烯;(d) 0.05至0.15重量份之硬化促進劑(e) 60至120重量份之視需要添加的無機填充劑;以及(f) 50至150重量份之溶劑,而以上(c)、(d)、(e)以及(f)各成分皆係以100重量份之環氧樹脂為基準,而其中該環氧樹脂之環氧當量對該硬化劑之反應活性氫當量比為1:0.8至1:1.2。此外,本發明之環氧樹脂組成物可進一步添加氰酸酯樹脂,以100重量份之環氧樹脂為基準,該氰酸酯樹脂的含量為10至30重量份。
本發明環氧樹脂組成物中之成分(a)環氧樹脂,其包括雙酚A型酚醛環氧樹脂;雙酚F型酚醛環氧樹脂;溴化環氧樹脂,例如為溴化雙酚A型酚醛環氧樹脂;以及含磷環氧樹脂,例如為將9,10-二氫-9-氧雜-10-膦菲-10-氧化物(DOPO)引入鄰甲酚醛環氧樹脂(o-Cresol Novolac Epoxy Resin,簡稱CNE)樹脂結構中而形成之含磷環氧樹脂,亦即含磷(DOPO)之鄰甲酚醛型環氧樹脂。上述樹脂可單獨使用或可同時組合二種以上者共同使用。
本發明環氧樹脂組成物中之成分(b)硬化劑的用量係依所使用之環氧樹脂的環氧當量及所需之硬化反應時間而定,本發明環氧樹脂之環氧當量對硬化劑之反應活性氫當量比為1:0.8至1:1.2,本發明之硬化劑包括胺類,例如為二氰二胺(Dicyandiamide,簡稱DICY)、二胺基二苯基碸(Diamino Diphenyl Sulfone,簡稱DDS)、開環或未開環之苯并噁嗪(Benzoxazine)等;酚醛類,例如為酚醛樹脂;以及酸酐類,例如為苯乙烯-馬來酸酐共聚物(Styrene Maleic Anhydride Copolymer,簡稱SMA)等。上述硬化劑可單獨使用或可同時組合二種以上者共同使用。
本發明環氧樹脂組成物中之成分(c)聚苯乙烯,其重量平均分子量範圍為1×105至2×105。本發明所用之適量聚苯乙烯對於由環氧樹脂組成物所製成之預浸材中氣泡的降低有顯著效果,並同時可使由該預浸材所製成之印刷電路積層板具有低的介電常數與低的散逸因子。
本發明環氧樹脂組成物中之成分(d)硬化促進劑係包括2-甲基咪唑(2-Methyl-Imidazole,2MI)、2-乙基-4-甲基咪唑(2-Ethyl-4-Methyl-Imidazole,2E4MI)以及2-苯基咪唑(2-Phenyl-Imidazole,2PI)等咪唑系化合物。上述硬化促進劑可單獨使用或可同時組合二種以上者共同使用。該些硬化促進劑可加速預浸材之硬化時間。
本發明環氧樹脂組成物中的成分(e)無機填充劑係包括二氧化矽、滑石、三氧化二鋁、氫氧化鋁、高嶺土、白嶺土以及雲母等材料。上述無機填充劑可單獨使用或可同時組合二種以上者共同使用。該些無機填充劑可賦予環氧樹脂可加工性、阻燃性、耐熱性或耐濕性等特性。
本發明環氧樹脂組成物中之成分(f)溶劑係包括丙酮(Acetone)、甲乙酮(MEK)、丙二醇甲醚(PM)、環己酮、丙二醇甲醚醋酸酯(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate,PMA)以及二甲基甲醯胺(Dimethyl Formamide,DMF)。上述溶劑可單獨使用或可同時組合二種以上者共同使用。
本發明環氧樹脂組成物可進一步包括氰酸酯樹脂(Cyanate Ester Resin)以及聚苯醚樹脂(Polyphenylene Ether Resin),以增加環氧樹脂組成物的耐熱性和力學性能。
本發明環氧樹脂組成物可進一步包括分散劑,以100重量份之環氧樹脂為基準,該分散劑的含量為0.05至1重量份,而該分散劑包括矽烷偶合劑,其為低分子化合物,與矽原子一端相連的是能水解的氯或各種烷氧基,水解後能與無機物相連,而另一端有各種能與有機物相作用的官能團,如環氧基、氨基、乙烯基、巰基等。矽烷偶合劑例如為廠牌道康寧Z-6040之矽烷偶合劑,該矽烷偶合劑可增加環氧樹脂與無機填充劑之間的界面強度(interfacial strength)。
本發明環氧樹脂組成物可進一步包括增韌劑,例如為端羧基聚丁二烯丙烯腈液體橡膠(CTBN)。
本發明環氧樹脂組成物可進一步包括阻燃劑,例如為聚甲基膦酸1,3-伸苯基酯。
本發明環氧樹脂組成物係藉由將上述成分(a)環氧樹脂、(b)硬化劑、(c)聚苯乙烯、(d)硬化促進劑、(e)視需要添加之無機填充劑、以及視需要添加之氰酸酯樹脂以攪拌器(mixer)均勻混合調製而得。然後,藉由將上述所調製之環氧樹脂組成物溶解或分散於適當之成分(f)溶劑中,並調整環氧樹脂漿料的黏度,而製成環氧樹脂組成物清漆。
接著,在用於形成預浸材的補強材中含浸上述所製成的清漆,並在乾燥機中以150至180℃加熱2至10分鐘進行乾燥及反應,藉此製作出半硬化狀態的預浸材。其中,所使用之補強材例如為玻璃織物、玻璃紙、玻璃氈等的玻璃纖維布,除此之外亦可以使用牛皮紙、短絨棉紙、天然纖維布、有機纖維布等。
將依此得到之預浸材以一定的層數層合而形成積層板,更在該積層板至少一側的最外層層合一張銅箔,並將其加壓加熱成形,藉此而得到銅箔披覆之積層板。
接著,可藉由蝕刻等減成法,使銅箔披覆之積層板表面的銅箔僅殘留形成電路圖案的部分,並去除其他的部分以形成電路圖案,如此就可獲得具有電路的印刷電路板。
下文所提供之實施例僅在闡述本發明之技術手段而已,並非用以限制本發明之技術範疇。
實施例一至三及比較例一至三係以環氧樹脂重量為100份,其他各成分都以相對100重量份之環氧樹脂的重量份數表示。此外,以下實施例和比較例中之相同成分皆使用相同廠牌的產品。
實施例一
將100重量份之溴化環氧樹脂(環氧當量(EEW):320,長春樹脂公司,型號CCP 550)、2.2重量份之二氰二胺(DICY,勤裕化學公司)、6重量份之聚苯乙烯(德國BASF公司)以及0.05重量份之2-甲基咪唑於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,再加入80重量份之二甲基甲醯胺(DMF)。接著,將上述的材料於室溫下攪拌120分鐘後,形成環氧樹脂組成物清漆。
實施例二
將100重量份之溴化環氧樹脂(環氧當量(EEW):320,長春樹脂公司,型號CCP 550)、15重量份之苯乙烯-馬來酸酐共聚物(分子量為11,000,苯乙烯對馬來酸酐的重量比為4:1,Sartomer EF40)、15重量份之氰酸酯樹脂(瑞士LONZA公司)、6重量份之聚苯乙烯、0.14重量份之2-甲基咪唑、40重量份之滑石以及40重量份之氫氧化鋁,於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,再加入80重量份之二甲基甲醯胺。接著,將上述的材料於室溫下攪拌120分鐘後,形成環氧樹脂組成物清漆。
實施例三
將100重量份之含磷(DOPO)鄰甲酚醛環氧樹脂(環氧當量(EEW):360,長春樹脂公司,型號CCP 330)、2.3重量份之二氰二胺、6重量份之聚苯乙烯、0.03重量份之2-甲基咪唑、40重量份之滑石以及40重量份之氫氧化鋁,於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,再加入80重量份之二甲基甲醯胺。接著,將上述的材料於室溫下攪拌120分鐘後,形成環氧樹脂組成物清漆。
比較例一
將100重量份之溴化環氧樹脂(環氧當量(EEW):320,長春樹脂公司,型號CCP 550)、2.2重量份之二氰二胺以及0.05重量份之2-甲基咪唑於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,再加入80重量份之二甲基甲醯胺。接著,將上述的材料於室溫下攪拌120分鐘後,形成環氧樹脂組成物清漆。
比較例二
將100重量份之溴化環氧樹脂(環氧當量(EEW):320,長春樹脂公司,型號CCP 550)、15重量份之苯乙烯-馬來酸酐共聚物、15重量份之氰酸酯樹脂、0.12重量份之2-甲基咪唑、40重量份之滑石以及40重量份之氫氧化鋁,於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,再加入80重量份之二甲基甲醯胺。接著,將上述的材料於室溫下攪拌120分鐘後,形成環氧樹脂組成物清漆。
比較例三
將100重量份之溴化環氧樹脂(環氧當量(EEW):320,長春樹脂公司,型號CCP 550)、2.2重量份之二氰二胺、15重量份之聚苯乙烯、0.04重量份之2-甲基咪唑、40重量份之滑石以及40重量份之氫氧化鋁,於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,再加入80重量份之二甲基甲醯胺。接著,將上述的材料於室溫下攪拌120分鐘後,形成環氧樹脂組成物清漆。
利用滾筒塗佈機,將實施例一至三以及比較例一至三所製得之環氧樹脂組成物清漆塗佈在7628(R/C:43%)玻璃纖維布上,接著,將其置於乾燥機中,並在180℃下加熱乾燥2至10分鐘,藉此製作出半硬化狀態的預浸材。然後將八片預浸材予以層合,並在其兩側的最外層各層合一張1oz之銅箔。接著,將其加壓加熱進行壓合,藉此得到銅箔披覆之積層板,其中加壓加熱的條件,係以2.0℃/分鐘之升溫速度,達到180℃,並在180℃、全壓15kg/cm2(初壓8kg/cm2)下加壓加熱60分鐘,而製得銅箔披覆之印刷電路積層板。
對上述實施例及比較例所製得的銅箔披覆之印刷電路積層板的吸水性、耐浸焊性(solder floating)、抗撕強度(peeling strength)、玻璃轉移溫度(glass transition temperature,Tg)、熱分解溫度、難燃性、外觀、介電常數以及散逸因子進行量測,而實施例一至三以及比較例一至三之環氧樹脂組成物及其評價結果則如表一所示。
性質測試: [吸水性測試]
進行壓力鍋蒸煮試驗(PCT)試驗,將積層板置於壓力容器中,在121℃、飽和濕度(100%R.H.)及2氣壓的環境下1小時,測試積層板的耐高濕能力。
[耐浸焊性測試]
將乾燥過的積層板在288℃的錫焊浴中浸泡一定時間後,觀察缺陷是否出現,例如以積層板的分層或脹泡來確定。
[抗撕强度測試]
抗撕強度是指銅箔對基材的附著力而言,通常以每分鐘2英吋(25.4mm)速度將銅箔自板面上垂直撕起,以其所需力量的大小來表達附著力的強弱。MIL-P-55110E規定1 oz銅箔的基板其及格標準是4 lb/in。
[玻璃移轉溫度測試]
利用動態機械分析儀(DMA)量測玻璃移轉溫度(Tg)。玻璃移轉溫度的測試規範為電子電路互聯與封裝學會(The Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits,IPC)之IPC-TM-650.2.4.25C及24C號檢測方法。
[熱分解溫度測試]
利用熱重分析儀(TGA)量測與初期質量相比,當質量減少5%時的溫度,即為熱分解溫度。
[阻燃性測試]
利用UL 94 V:垂直燃燒測試方法,將積層板以垂直位置固定,以本生燈燃燒,比較其自燃熄滅與助燃特性,將其結果報告分為UL 94V-0(最佳)至UL 94V-2耐燃等級。
[外觀檢測]
對3 m2之預浸材樣品進行抽樣檢測,以50倍光學放大鏡檢視預浸材樣品的外觀,特別檢視預浸材樣品的表面是否存在氣泡以及是否有結晶析出物,而本發明所稱之氣泡係指直徑大於100 um以上者,而直徑大於100 um以上的氣泡將使預浸材呈現空洞現象,又,結晶析出物係指呈現白色不規則影像且具有最大直徑大於50 um以上者,其有別於平均粒徑小於50um之填充料結構,如第一圖係實施例二之預浸材的50倍光學放大照片圖,第二圖係比較例二之預浸材的50倍光學放大照片圖,而第三圖係比較例三之預浸材的50倍光學放大照片圖。
電氣性能量測: [介電常數和散逸因子量測]
根據ASTM D150規範,在工作頻率1 GHz下,計算介電常數(Dk)和散逸因子(Df)。
由表一可知,本發明實施例一顯示於環氧樹脂組成物中,添加少量之聚苯乙烯,可使由該環氧樹脂組成物所製成之預浸材在外觀上無氣泡產生,且無相分離。同時,以該預浸材熱壓而成的印刷電路積層板的介電常數可達4.3,而散逸因子可達0.017。請參見第一圖,本發明實施例二顯示於添加有苯乙烯-馬來酸酐共聚物、氰酸酯樹脂和無機填充劑之環氧樹脂組成物中,添加少量之聚苯乙烯同樣地由該環氧樹脂組成物所製成之預浸材在外觀上無直徑大於100 um氣泡產生,且無相分離,第一圖中顯示有少量微小氣泡但不影響孔洞形成,部分白色不透光結構為填充料或填充料之凝團粒徑小者,非結晶析出物。同時,以該預浸材熱壓而成的印刷電路積層板的介電常數更可達3.9,而散逸因子可達0.009。實施例三顯示於含磷無鹵環氧樹脂組成物中,添加少量之聚苯乙烯同樣地由該含磷無鹵環氧樹脂組成物所製成之預浸材在外觀上並無氣泡產生,且無相分離。同時,由該預浸材熱壓而成的印刷電路積層板的介電常數可達4.4,而散逸因子可達0.012。
比較例一、二顯示若環氧樹脂組成物中不添加聚苯乙烯,則由該環氧樹脂組成物所製成之預浸材在外觀上易有氣泡的產生。第二圖顯示比較例二之預浸材的部份區域遍佈直徑大於100um之氣泡,而該些直徑大於100um的氣泡會使預浸材產生空洞。比較例三顯示為了改善預浸材中氣泡的產生以及降低印刷電路積層板的介電常數和散逸因子,聚苯乙烯並非可無限制地添加,若聚苯乙烯添加量大於14重量份(以100重量份之環氧樹脂為基準),則由該環氧樹脂組成物所製成之預浸材的表面雖無氣泡產生,但聚苯乙烯因與環氧樹脂不互溶而呈現相分離,並產生結晶析出物(如第三圖中之白點區域呈不規則結構且最大直徑大於50um,即聚苯乙烯析出成份),嚴重影響成品外觀,且影響印刷電路板製作的後製程。
由上述可知,由本發明含有適量之聚苯乙烯的環氧樹脂組成物所製成之預浸材在外觀上並無氣泡的產生,且無相分離現象,因此,由該預浸材熱壓而成之積層板所製得之印刷電路板上發生的陽極性玻纖束漏電現象可大幅降低,並同時可使該印刷電路板具有低的介電常數與低的散逸因子,且其耐熱性佳。
對所有熟習此技藝者而言,本發明明顯地可以作出多種修改及變化而不脫離本發明的精神和範圍。因此,本發明包括該些修改及變化,且其皆被包括在下附之申請專利範圍及其均等者中。
第一圖係實施例二之預浸材的50倍光學放大照片圖。
第二圖係比較例二之預浸材的50倍光學放大照片圖。
第三圖係比較例三之預浸材的50倍光學放大照片圖。

Claims (12)

  1. 一種環氧樹脂組成物,包括:(a) 環氧樹脂,該環氧樹脂一分子內含有兩個或兩個以上環氧基基團;(b) 硬化劑;以及(c) 聚苯乙烯,以100重量份之該環氧樹脂為基準,聚苯乙烯的含量為1至14重量份。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之環氧樹脂組成物,其中,該環氧樹脂包括雙酚A型酚醛環氧樹脂、雙酚F型酚醛環氧樹脂、溴化環氧樹脂、含磷環氧樹脂以及以上之混合物。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之環氧樹脂組成物,其中,該環氧樹脂之環氧當量對該硬化劑之反應活性氫當量比為1:0.8至1:1.2。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之環氧樹脂組成物,其中,該硬化劑包括胺類、酚醛類、酸酐類及以上之混合物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之環氧樹脂組成物,其中,該硬化劑可選自二氰二胺或苯乙烯-馬來酸酐共聚物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之環氧樹脂組成物,更包括一硬化促進劑,以100重量份之環氧樹脂為基準,該硬化促進劑的含量為0.05至0.15重量份。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之環氧樹脂組成物,其中,該硬化促進劑係咪唑系化合物。
  8. 如申請專利範圍第1或6項所述之環氧樹脂組成物,更包括一無機填充劑,以100重量份之環氧樹脂為基準,該無機填充劑的含量為60至120重量份。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之環氧樹脂組成物,其中,該無機填充劑係選自二氧化矽、滑石、三氧化二鋁、氫氧化鋁、高嶺土、白嶺土以及雲母所成組群之材料。
  10. 如申請專利範圍第1、6或8項所述之環氧樹脂組成物,更包括氰酸酯樹脂,以100重量份之該環氧樹脂為基準,該氰酸酯樹脂的含量為10至30重量份。
  11. 一種預浸材,係在一補強材中含浸如申請專利範圍第1、6、8或10項所述之環氧樹脂組成物,並進行乾燥而製得。
  12. 一種印刷電路積層板,係藉由將如申請專利範圍第11項所述之預浸材以一定的層數層合而形成一積層板,並在該積層板至少其中一側的最外層層合一金屬箔而製得。
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