TW201830412A - 具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物 - Google Patents

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Abstract

本發明有關一種具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,包含:(A)100重量份之環氧樹脂;(B)10-30重量份之DOPO改質硬化劑;(C) 1-10重量份之苯并噁嗪樹脂;(D)60-90重量份之活性酯化合物;(E)20-50重量份之阻燃劑;以及(F)0.5-10重量份之硬化促進劑。本發明採用活性酯作為環氧樹脂的硬化劑,使硬化產物可達到低介電常數(Dk)、低介電損耗(Df)、高耐熱性、低吸水性、難燃性及不含鹵素等電路基板特性。本發明的無鹵素環氧樹脂組成物可製作成半硬化膠片或樹脂膜,並應用於製作金屬積層板及印刷電路板。

Description

具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物
本發明有關一種無鹵素環氧樹脂組成物,特別有關一種具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物。
隨著電子產品資訊處理的高速化和多功能化,應用頻率不斷提高,3-6 GHz將成為主流,除了保持對層壓板材料的耐熱性有更高的要求外,對其介電常數和介質損耗值要求會越來越低。
現有的傳統環氧玻璃纖維布層壓板(FR-4)很難滿足電子產品的高頻及高速發展的使用需求,同時基板材料不再是扮演傳統意義下的機械支撐角色,而將與電子元件一起成為印製電路板(PCB)和終端廠商設計者提升產品性能的一個重要途徑。由於高介電常數(Dk)會使信號傳遞速率變慢,高介質損耗值(Df)會使信號部分轉化為熱能損耗在基板材料中,因而降低介電常數及介質損耗值已成為基板業者關注的焦點。傳統的環氧玻璃纖維布層壓板材料多採用雙氰胺作為硬化劑,這種硬化劑由於具有三級反應胺,具有良好的操作性,但是由於其碳-氮鍵較弱,在高溫下容易裂解,導致硬化物的耐熱分解溫度較低,無法符合不含鉛技術的耐熱要求。在此背景下,隨著幾年前不含鉛技術的大範圍實施,產業界開始採用酚醛樹脂作為環氧樹脂的硬化劑,酚醛樹脂具有高密度的苯環耐熱結構,所以環氧硬化後的體系的耐熱性非常優異,但是同時出現硬化產物的介電性能被惡化的趨勢。
有報導提出合成一系列含有苯環、萘環或聯苯結構的活性酯硬化劑作為環氧樹脂的硬化劑,如IAAN、IABN、TriABN和TAAN,得到的硬化產物和傳統的酚醛樹脂相比,可以明顯的降低其介電常數和介質損耗值。
雖然上述報導的技術提出使用活性酯作為環氧樹脂的硬化劑可以改善硬化產物的耐濕性,降低吸水率,降低硬化產物的介電常數和介質損耗值,但是其缺點是很難在耐熱性和介電性能之間取得一個很好的平衡,使硬化產物同時具有高的玻璃轉化溫度和低的介質損耗值,且使其介電性能隨頻率的變化比較穩定,吸水率更低。
本發明之一目的,在於提供一種無鹵素環氧樹脂組成物,採用活性酯作為環氧樹脂的硬化劑,使硬化產物可達到高玻璃轉化溫度、低介電特性、高耐熱性、難燃性及不含鹵素等電路基板特性。
為了達成上述之目的,一種具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,包含:(A)100重量份之環氧樹脂;(B)10-30重量份之DOPO改質硬化劑;(C) 1-10重量份之苯并噁嗪樹脂;(D)60-90重量份之活性酯化合物;(E)20-50重量份之阻燃劑;以及(F)0.5-10重量份之硬化促進劑。
本發明之一態樣,環氧樹脂係選自:雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、雙酚S型環氧樹脂、苯酚酚醛型環氧樹脂、甲酚酚醛型環氧樹脂、雙酚A酚醛型環氧樹脂、雙酚F酚醛型環氧樹脂、二苯乙烯型環氧樹脂、含三嗪骨架之環氧樹脂、含芴骨架之環氧樹脂、三酚酚甲烷型環氧樹脂、聯苯型環氧樹脂、亞二甲苯基型環氧樹脂、聯苯芳烷基型環氧樹脂、萘型環氧樹脂、二環戊二烯型環氧樹脂、脂環式環氧樹脂、多官能酚類及稠環芳香族類之二縮水甘油醚化合物、分子內具有3個或4個環氧基的三官能及四官能環氧樹脂,及含磷環氧樹脂所組成的群組之一者,較佳為二環戊二烯型環氧樹脂,其係具有可有效提高玻璃轉化溫度Tg(~175º)、降低吸水率低、及提升尺寸穩定性等功能。
本發明的DOPO改質硬化劑係選自:9,10-二氫-9-氧雜-10-磷菲-10-氧化物(9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide(DOPO))及其衍生物或樹脂所組成的群組之一者,舉例來說DOPO樹脂可為DOPO-HQ、DOPO-NQ、DOPO-PN、DOPO-BPN、及DOPO鍵結之環氧樹脂等,其中DOPO-PN為DOPO-phenolic novolac、DOPO-BPN可為DOPO-BPAN(DOPO-bisphenol A novolac)、DOPO-BPFN(DOPO-bisphenol F novolac)、DOPO-BPSN(DOPO-bisphenol S novolac)等雙酚酚醛化合物,DOPO改質硬化劑於本樹脂組合物內主要係做為與環氧樹脂結合的硬化劑使用,該硬化劑除了可提供良好的熱穩定性和低介電性外,其亦有幫助阻燃之功能。
本發明的苯并噁嗪樹脂係選自:雙酚F(BPF)型苯並噁嗪、雙酚S(BPS)型苯並噁嗪、二氨基二苯甲烷(DDM)型苯並噁嗪、二氨基二苯醚(ODA)型苯並噁嗪及聚醯亞胺化苯並噁嗪(polybenzoxazine with polyimide)所組成的群組之一者,較佳為ODA型苯並噁嗪,其可以降低硬化物介電常數Dk(1至10GHz,平均大约4.0)、介電耗損因子Df(1至10GHz,平均大约0.0065)、提升耐熱性、及降低吸水率。本發明的無鹵素環氧樹脂組成物採用了ODA型苯并噁嗪樹脂,該苯并噁嗪樹脂含ODA型結構,除了擁有傳統苯并噁嗪高玻璃轉化溫度(Tg)、吸水率低、尺寸穩定性高、低熱膨脹係數、耐熱阻燃佳等優點外,還具有優異的介電性能,在環氧樹脂中混入該苯并噁嗪樹脂不僅可以降低硬化物介電常數、介電損耗值、及吸水率,並可保持黏合力不下降;該苯并噁嗪與non-dopo類之含磷阻燃劑的搭配還可以幫助增加阻燃效果,能減少硬化產物阻燃性達到UL 94V-0所需磷含量,進一步降低吸水率。
本發明之活性酯化合物係選自:包含至少一個具有高反應性的酯基,該酯基可參與環氧樹脂的硬化反應,而該反應由於不會生成極性基團從而提供優異的低介電常數、低介電耗損因子、高耐熱性、及低吸水率。該活性脂化合物具備以下結構:活性酯硬化系統是將活性酯作為環氧樹脂硬化劑的一種功能,可與環氧樹酯發生反應,形成不含二級醇羥基的網狀交聯結構,相對於一般環氧樹酯系統在開環反應產生二級醇羥基的網狀結構,會有較低的介電性質及低吸水率性質。另,從習知技術如日本專利特開2002-012650、2003-082063及2003-252958等可得知,有苯環、萘環或聯苯結構的活性酯化合物作為環氧樹脂的硬化劑時, 該環氧樹脂組成物可得到的硬化物與傳統酚醛相比會有較低的介電常數和介電損耗值。
用於本發明的活性酯化合物可以是具有活性酯基的活性酯化合物,但在本發明中,較佳在其分子中具有至少兩個活性酯基的化合物。活性酯化合物可以由羧酸化合物與羥基化合物及/或硫醇化合物反應而得到,較佳的,活性酯化合物可以通過由羧酸化合物與自由酚化合物和萘酚化合物中的其中一種或一種以上的化合物反應而得到,特別較佳的,則是活性酯化合物與羧酸化合物及萘酚化合物兩者反應而得到的芳香族化合物,其係具有酚性羥基並且在分子中具有至少兩個活性酯基的芳香族化合物。活性酯化合物可以是直鏈的或多支鏈的。如活性酯化合物在其分子中具有至少兩個羧酸的化合物且該分子中具有至少兩個羧酸的化合物含有脂族鏈時,其可提高自身與環氧樹脂的相容性,而當其具有芳環時,可以提高耐熱性。
形成活性酯化合物的羧酸化合物的具體例子,可以包含苯甲酸、乙酸、琥珀酸、馬來酸、衣康酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸、對苯二甲酸、均苯四酸等。 其中,如以耐熱性的觀點來看,較佳的是琥珀酸、馬來酸、衣康酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸、對苯二甲酸、鄰苯二甲酸、間苯二甲酸,更佳的是間苯二甲酸和對苯二甲酸。
形成活性酯化合物的羥基化合物的具體實例,可以包含氫醌、間苯二酚、雙酚A、雙酚F、雙酚S,酚酞,甲基化雙酚A,甲基化雙酚F,甲基化雙酚S,苯酚,鄰甲酚間甲酚,對甲酚,鄰苯二酚,α-萘酚,β-萘酚,1,5-二羥基萘,1,6-二羥基萘,2,6-二羥基萘,二羥基二苯甲酮,三羥基二苯甲酮,四羥基二苯甲酮,氟甘氨酸,苯三醇,二環戊二烯基二苯酚,及苯酚酚醛清漆等。其中,從提高活性酯化合物的耐熱性來看,較佳的是1,5-二羥基萘,1,6-二羥基萘,2,6-二羥基萘,二羥基二苯甲酮,三羥基二苯甲酮,四羥基二苯甲酮,二環戊二烯基二苯酚和苯酚酚醛清漆,更佳的是二羥基二苯甲酮,三羥基二苯甲酮,四羥基二苯甲酮,二環戊二烯基二苯酚和苯酚酚醛清漆,特別較佳的則是二環戊二烯基二苯酚和苯酚酚醛清漆。該二環戊二烯結構由於是剛性結構,因此在具有提高耐熱性的效果的同時,亦具有抑制線膨脹係數在較低的效果,並且有使成型後的基板不易產生翹曲的優點。
本案之活性酯化合物另外還包含胺類結構,可以增加活性酯化合物與環氧樹脂及其它硬化劑的相容性,該胺類結構可與含胺基的單體反應交聯而得,特別較佳的是二胺單體,包含:對苯二胺(p-phenylene diamine;簡稱PPDA)、4,4′-氧聯二苯胺(4,4′-oxydianiline;簡稱4,4′-ODA)、3,4′-氧聯二苯胺(3,4′-Oxydianiline簡稱3,4′-ODA)、2,2-雙(4-[4-氨基苯氧基]苯基)丙烷(2,2-Bis(4-[4-aminophenoxy]phenyl)propane;簡稱BAPP)、2,2-雙(4-[3-氨基苯氧基]苯基)碸(2,2-Bis(4-[3-aminophenoxy]phenyl)sulfone;簡稱m-BAPS)、1,3-雙(4-氨基苯氧基)苯(1,3-Bis(4-aminophenoxy)benzene;簡稱TPE-R)等單體,特別較佳的則是4,4'-oxydianiline - 4,4'-氧化二苯胺(簡稱4,4'-ODA,結構如下式)
該活性酯化合物,可以是1分子中具有1個以上酯基的樹脂,也可以由市售品經合成改質後取得。例如可以由DIC株式會社製造的「EXB-9460」、「EXB-9470」、「EXB-9480 」、「EXB-9420」等合成改質而成。
活性酯化合物的製造方法沒有特別限定。它可以通過已知的方法經合成後製得。例如,它可以通過羧酸化合物和羥基化合物之間的經縮合的反應獲得。
採用活性酯作為環氧樹脂的硬化劑,活性酯硬化劑分子中有兩個或多個具有較高活性的酯基,可以同環氧樹脂進行硬化反應,且活性酯在和環氧樹脂反應時可形成不含仲醇羥基的網狀結構及不易生成極性基團,所以硬化後的環氧樹脂具有較低的吸水率、較低的介電損耗和優異的耐熱性。
本發明的活性酯化合物之一例子,如下式1(圖1):式1
X為苯環或萘環,l、m、k=0或1,n=0.25-2。式1中的(二環戊二烯,DCPD)可以萘酚、苯酚、聯苯酚、雙酚A、雙酚F或雙酚S等結構取代,主要是可搭配組成物中環氧樹脂的結構,以增加兩者之間的相溶性。
本發明的無鹵素環氧樹脂組成物以活性酯化合物為硬化劑,充分發揮了活性酯與環氧樹脂反應不生成極性基團,從而介電性能優異耐濕熱性能好的優勢。
本發明之樹脂組成物無選用馬來酸酐改質硬化劑係因為加了馬來酸酐脂樹脂組成物會導致基板變得易脆(強度變低),且耐熱性也會變差,而本發明所使用之活性酯化合物可有效改善樹脂組成物整體的耐熱性及提供優異的低介電耗損因數(Df)。
本發明的阻燃劑例如non-dopo阻燃劑,係含有磷及/或乙烯基之化合物,阻燃劑選自具有以下結構式的阻燃劑所組成的群組之一者,其係具有阻燃功能;
式一其中R為選自:所組成的群組之一者;
式二其中X為選自:所組成的群組之一者;
Y為選自:所組成的群組之一者,n為0-500的整數;
式三其中X為選自:所組成的群組之一者; A為選自:所組成的群組之一者;
當n為0時,Y為:
當n為1-500的整數時,Y為選自:所組成的群組之一者,m≧0;
Z為選自:所組成的群組之一者,m≧0。
本發明無鹵素環氧樹脂組成物已有選用DOPO改質硬化劑,其缺點在於DOPO結構內之P-O-C鍵結容易水解為P-OH,會使材料介電常數及低介電損失上升,故除選用Non-dopo類型阻燃劑系以避免提升材料之Dk/Df,亦藉由添加上述活性酯硬化劑以避免提升材料之吸水率。
本發明除了Non-dopo類型阻燃劑外,尚可選擇性再添加下列至少一種特定之阻燃性化合物。所選用的阻燃性化合物可為磷酸鹽化合物或含氮磷酸鹽化合物,但並不以此為限,例如:間苯二酚雙二甲苯基磷酸鹽(resorcinol dixylenylphosphate,RDXP(如PX-200))、聚磷酸三聚氰胺(melamine polyphosphate)、三(2-羧乙基)膦(tri(2-carboxyethyl)phosphine,TCEP)、三甲基磷酸鹽(trimethyl phosphate,TMP)、三(異丙基氯)磷酸鹽、二甲基-甲基磷酸鹽(dimethyl methyl phosphonate,DMMP)、雙酚聯苯磷酸鹽(bisphenol diphenyl phosphate)、聚磷酸銨(ammonium polyphosphate)、對苯二酚-雙-(聯苯基磷酸鹽)(hydroquinone bis-(diphenyl phosphate))、雙酚A-雙-(聯苯基磷酸鹽)(bisphenol A bis-(diphenylphosphate))中之一者或多者。
本發明的硬化促進劑係選自:咪唑(imidazole)、三氟化硼胺複合物、2-乙基-4-甲基咪唑(2-ethyl-4-methylimidazole(2E4MI))、2-甲基咪唑(2-methylimidazole(2MI))、2-苯基咪唑(2-phenyl-1H-imidazole(2PZ))、氯化乙基三苯基鏻(ethyltriphenyl phosphonium chloride)、三苯基膦(triphenylphosphine(TPP))與4-二甲基胺基吡啶(4-dimethylaminopyridine(DMAP))、低分子量之端溴基液體丁二烯橡膠 BTPB(terminal bromine-based liquid butadiene rubber) 中之一者或多者。
本發明之無鹵素環氧樹脂組成物進一步可包含無機填料以增加樹脂組成物之熱傳導性、改良其熱膨脹性及機械強度等特性。無機填料較佳係均勻分佈於該樹脂組成物中。無機填料可經由矽烷偶合劑預先進行表面處理。無機填料可為球型、片狀、粒狀、柱狀、板狀、針狀或不規則狀。該無機填料可包含二氧化矽(熔融態、非熔融態、多孔質或中空型)、氧化鋁、氫氧化鋁、氧化鎂、氫氧化鎂、碳酸鈣、氮化鋁、氮化硼、碳化鋁矽、碳化矽、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鋯、硫酸鋇、碳酸鎂、碳酸鋇、雲母、滑石、石墨烯中之一者或多者。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施,且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式,任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點,因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
為了讓本發明之上述目的和其他目的、特徵與優點能更明顯易懂,特舉數個實施例詳細說明如下:分別將實施例1至5(E1至E5)之樹脂組成物列表於表一,比較例1至4(C1至C4)之樹脂組成物列表於表三。
將上述實施例1至5及比較例1至4之樹脂組成物,分批於攪拌槽中混合均勻後置入一含浸槽中,再將玻璃纖維布通過上述含浸槽,使樹脂組成物附著於玻璃纖維布,再進行加熱烘烤成半固化態而得半固化膠片。
將上述分批製得的半固化膠片,取同一批之半固化膠片四張及兩張18 μm銅箔,依銅箔、四片半固化膠片、銅箔之順序進行疊合,再於真空條件下經由220℃壓合2小時形成銅箔基板,其中四片半固化膠片固化形成兩銅箔間之絕緣層。
分別將上述含銅箔基板及銅箔蝕刻後之不含銅基板做物性量測,物性量測項目包含玻璃轉化溫度(Tg)、含銅基板耐熱性(T288)、不含銅基板PCT吸濕後浸錫測試、銅箔與基板間拉力(peeling strength,half ounce copper foil, P/S)、介電常數(Dk越低越佳)、介電損耗(Df越低越佳)、耐燃性(flaming test,UL94,其中等級優劣排列為V-0>V-1>V-2)。
其中實施例1至5之樹脂組成物製作之基板物性量測結果列表於表二中,比較例1至4之樹脂組成物製作之基板物性量測結果列表於表四中。由表二及表四,綜合比較實施例1至5及比較例1至4可發現,依本發明所揭露之樹脂組成物之各組成份含量添加比例,可得物性皆較佳之基板,比較例1至4之基板物性皆較差。其中,實施例1至5(E1至E5)係使用活性酯化合物搭配DOPO改質硬化劑及苯并噁嗪樹脂,結果顯示介電損耗(Df)隨著活性酯化合物添加量減少而降低。如E1所示,添加活性酯化合物及苯并噁嗪樹脂但不含DOPO改質硬化劑之基板得到高的Tg;如E5所示,添加活性酯化合物及DOPO改質硬化劑但不含苯并噁嗪樹脂之基板得到較高銅箔拉力(P/S)及較低的介電常數(Dk)。
比較例1至4(C1至C4)係使用苯乙烯馬來酸酐(EF60)搭配苯并噁嗪樹脂,結果顯示,隨著苯乙烯馬來酸酐(EF60)添加量增加,基板耐熱性皆較差(Tg、T288)。比較實施例1至5及比較例1至4可發現,本發明實施例1至5所使用之活性酯化合物可有效改善樹脂組成物整體的耐熱性及提供優異的低介電耗損因數(Df)。
表一
表二
表三
表四
本發明之無鹵素樹脂組成物,其藉著包含特定之組成份及比例,以使可達到低介電常數、低介電損耗、高耐熱性及高耐燃性;可製作成半固化膠片或樹脂膜,進而達到可應用於銅箔基板及印刷電路板之目的;就產業上的可利用性而言,利用本發明所衍生的產品,當可充分滿足目前市場的需求。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,非用以限定本發明之專利範圍,其他運用本發明之專利精神之等效變化,均應俱屬本發明之專利範圍。
圖1係顯示本發明之一實施例的活性酯化合物的化學式。

Claims (10)

  1. 一種具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,包含: (A)100重量份之環氧樹脂; (B)10-30重量份之DOPO改質硬化劑; (C) 1-10重量份之苯并噁嗪樹脂; (D)60-90重量份之活性酯化合物; (E)20-50重量份之阻燃劑;以及 (F)0.5-10重量份之硬化促進劑。
  2. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該環氧樹脂係選自由雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、雙酚S型環氧樹脂、苯酚酚醛型環氧樹脂、甲酚酚醛型環氧樹脂、雙酚A酚醛型環氧樹脂、雙酚F酚醛型環氧樹脂、二苯乙烯型環氧樹脂、含三嗪骨架之環氧樹脂、含芴骨架之環氧樹脂、三酚酚甲烷型環氧樹脂、聯苯型環氧樹脂、亞二甲苯基型環氧樹脂、聯苯芳烷基型環氧樹脂、萘型環氧樹脂、二環戊二烯型環氧樹脂、脂環式環氧樹脂、多官能酚類及稠環芳香族類之二縮水甘油醚化合物、分子內具有3個或4個環氧基的三官能及四官能環氧樹脂,及含磷環氧樹脂所組成的群組之一者。
  3. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該活性酯化合物的分子中具有至少兩個活性酯基的化合物。
  4. 如請求項3之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該活性酯化合物如下式1:式1 X為苯環或萘環,l、m、k=0或1,n=0.25-2。
  5. 如請求項4之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該式1中的官能基可以萘酚、苯酚、聯苯酚、雙酚A、雙酚F或雙酚S結構取代。
  6. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該DOPO改質硬化劑係選自由9,10-二氫-9-氧雜-10-磷菲-10-氧化物(9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide(DOPO))及其衍生物所組成的群組之一材料。
  7. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該苯并噁嗪樹脂係選自由雙酚F(BPF)型苯並噁嗪、雙酚S(BPS)型苯並噁嗪、二氨基二苯甲烷(DDM)型苯並噁嗪、二氨基二苯醚(ODA)型苯並噁嗪及聚醯亞胺化苯並噁嗪所組成的群組之一樹脂。
  8. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該阻燃劑係選自具有以下結構式之阻燃劑所組成的群組之一者: 式一 其中R為選自:所組成的群組之一者; 式二其中X為選自:所組成的群組之一者; Y為選自:所組成的群組之一者,n為0-500的整數; 式三其中X為選自:所組成的群組之一者; A為選自:所組成的群組之一者; 當n為0時,Y為:當n為1-500的整數時,Y為選自:所組成的群組之一者,m≧0; Z為選自:所組成的群組之一者,m≧0。
  9. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,更包含阻燃性化合物,其係選自由間苯二酚雙二甲苯基磷酸鹽、聚磷酸三聚氰胺、三-2-羧乙基膦、三甲基磷酸鹽、三-異丙基氯-磷酸鹽、二甲基-甲基磷酸鹽、雙酚聯苯磷酸鹽、聚磷酸銨、對苯二酚-雙-聯苯基磷酸鹽及雙酚A-雙-聯苯基磷酸鹽所組成的群組之一者。
  10. 如請求項1之具有低介電損耗的無鹵素環氧樹脂組成物,其中該硬化促進劑係選自由咪唑、三氟化硼胺複合物、2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、氯化乙基三苯基鏻、三苯基膦及4-二甲基胺基吡啶所組成的群組之一者。
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