TWI521010B - 半固化片及其應用 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種半固化片(prepreg)及使用該半固化片所提供之積層板(laminate),尤其係關於一種可供製備具有均質介電常數(Dk)之積層板的半固化片。
印刷電路板(printed circuit board,PCB)為電子裝置之電路基板,其搭載其他電子元件並將該等元件電性連通,以提供安穩的電路工作環境。常見之印刷電路板基板為銅箔披覆之積層板(copper clad laminate,CCL),其主要是由樹脂、補強材與銅箔所組成。常見之樹脂如環氧樹脂、酚醛樹脂、聚胺甲醛、矽酮及鐵氟龍等;常用之補強材則如玻璃纖維布、玻璃纖維蓆、絕緣紙、亞麻布等。
一般而言,PCB可藉由如下方法製得。將一如玻璃織物之補強材含浸於一樹脂(如環氧樹脂)中,並將經含浸樹脂之玻璃織物固化至半硬化狀態,以獲得一半固化片。將預定層數之半固化片層疊並於該層疊半固化片之至少一外側層疊一金屬箔以提供一層疊物,接著對該層疊物進行一熱壓操作,而得到一金屬披覆積層板。蝕刻該金屬披覆積層板表面的金屬箔以形成特定之電路圖案(circuit pattern)。而後,在該金屬披覆積層板上鑿出複數個孔洞,並在此等孔洞中鍍覆導電材料以形成通孔(via
holes),完成PCB之製備。
隨著積體電路(integrated circuit,IC)製造技術的持續改進,IC的效能與流通量(throughput)亦不斷提升,為了讓這些座落於PCB板上的高效能IC元件能夠完全發揮其效能,這些IC元件之間必須能以高速、高流量的方式傳遞信號,換言之,PCB板材上的連接線路(signal traces),其電氣性質必須能夠般配高效能IC元件,方能滿足高資料傳輸率的需求。
然而,經常發生的問題是:平行線路之間的信號組在傳輸時,會產生信號延遲或偏移等信號不同步的問題,稱之「信號歪斜(signal skew)」。舉例言之,當PCB上的二個IC元件之間的一對連接線路同時在傳輸一組同步信號時,由於信號的傳輸會受到連接線路本身的物理性質影響,因此在連接線路彼此的物理性質不相同時,二軌信號傳輸時間即會有所差異,造成經過二條不同連接線路的一組同步信號彼此間產生了延遲落差,此將影響信號接收端之IC元件的運作。
上述PCB連接線路間之物理性質上的差異係因受周圍的PCB板材料影響所致。具體言之,由於PCB板材料是由「樹脂組合物」與「補強材」構成,而「樹脂組合物」與「補強材」因係不同的材料,故具有不同的介電常數,在此情況下,較接近「樹脂組合物」之線路的物理性質受樹脂組合物影響較大,較接近「補強材」之線路的物理性質則受補強材影響較大,因此造成二者物理性質上的差異,進而導致信號歪斜問題。
第1圖是習知PCB板的剖面示意圖,以該圖為例,PCB板中存在一對平行線路111與114,線路111與距離其最近的
玻璃纖維束112(補強材)之間隔距離為106,而線路114與距離其最近的玻璃纖維束116之間隔距離為108,因為間隔距離108小於106(即,線路114與玻璃纖維束116的距離小於線路111與玻璃纖維束112的距離),因此線路114之介電性質受到玻璃纖維束的影響將大於線路111,使得線路111與114之介電性質產生差異,導致信號歪斜問題。對於歪斜問題,先前技術均著眼於改變線路設計,試圖盡可能的使各線路均處在條件大致相當的位置,以減少信號歪斜的情況;然而,線路設計之改變仍有其限制且成本高昂,故實際上仍難以達到令人滿意的境地。
鑑於此,本發明提供一種半固化片,該半固化片所製得之積層板整體之介電性質相當均勻,在PCB應用上能有效解決信號歪斜問題,而不須更改既有線路設計。
本發明之一目的在於提供一種半固化片,其係藉由將一補強材含浸一樹脂組合物,並進行乾燥而製得,其中,該樹脂組合物具有一第一介電常數且包含一熱固性樹脂成分、一硬化劑及一填料,該補強材具有一第二介電常數(Dk),以及該第一介電常數與該第二介電常數之比值為0.8至1.05。
本發明之另一目的係提供一種積層板,包含一合成層及一金屬層,該合成層係由如前述之半固化片所提供。
為讓本發明之上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂,下文係以部分具體實施態樣進行詳細說明。
111、114‧‧‧線路
112、116‧‧‧玻璃纖維束
106、108‧‧‧線路與玻璃纖維束之間隔距離
第1圖是習知PCB板的剖面示意圖。
第2圖是顯示實施例及比較例之相角偏移量測結果之圖表。
以下將具體地描述根據本發明之部分具體實施態樣;惟,在不背離本發明之精神下,本發明尚可以多種不同形式之態樣來實踐,不應將本發明保護範圍解釋為限於說明書所陳述者。此外,除非文中有另外說明,於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。且除非文中有另外說明,於本說明書中描述溶液、混合物或組合物中所含之成分時,係以該成分所含之固形物計算,即,未納入溶劑之重量。
本發明半固化片之一技術特點在於,所含樹脂組合物具有一第一介電常數,所含補強材具有一第二介電常數,而第一介電常數與第二介電常數之比值為0.8至1.05。本發明半固化片可用於製備積層板,所製積層板之介電性質整體均勻一致,因此在PCB應用上,在板材各個位置的線路所受到板材物理性質的影響大致相同,各線路間信號傳遞速度的均一性大幅提升。故本發明可在無庸變更電路設計之情況下,有效解決信號歪斜的問題,應用範圍更為廣泛。
特定言之,本發明係藉由將一補強材含浸一樹脂組合物,並進行乾燥而製得半固化片,其中樹脂組合物具有一第一介電常數且包含一熱固性樹脂成分、一硬化劑及一填料,補強材具有一第二介電常數,且其中第一介電常數與第二介電常數之比值為0.8至1.05,較佳為0.9至1.05,尤佳為0.95至1。原則上,
第一介電常數與第二介電常數之數值越接近,則消除信號歪斜之效果越顯著。
根據本發明,樹脂組合物之介電常數(第一介電常數)與補強材之介電常數(第二介電常數)之高低並無特殊限制,可視應用端之需求作選擇。下表1例示數種常見之熱固性樹脂、硬化劑、填料及補強材之介電常數(dielectric constant,Dk)與散逸因子(dissipation factor,Df)。在本發明之一種實施方式中,可先依需求選用補強材,而後確定補強材的介電常數值,再依此選用適當的熱固性樹脂及硬化劑,並搭配適當用量的填料,以使樹脂組合物之第一介電常數與補強材之第二介電常數之比值符合指定範圍(0.8至1.05)。舉例言之,如欲製備具高介電常數之積層板,可選擇具高介電常數之補強材(如E級玻璃),並設計樹脂組合物的配方,調整樹脂組成物的介電常數值(第一介電常數),使其與補強材料的介電常數值(第二介電常數)相同或接近,例如可於具低介電常數之熱固性樹脂中搭配合適的硬化劑,並添加具高介電常數的填料,來提高樹脂組合物整體的介電常數值;反之,如欲製備具低介電常數之積層板,則可選擇具有低介電常數值之補強材與樹脂組合物搭配使用。於本發明之部分實施態樣中,係於具低介電常數之熱固性樹脂成分與硬化劑的配方中,添加具高介電常數的填料,來提高樹脂組合物整體的介電常數值,以提供具高介電常數之積層板。
表1
根據本發明,補強材之材質及結構並無特殊限制,可採用任何習知補強材料。舉例而言,補強材可係由選自以下群組之纖維所構成之紙、布或氈:紙纖維、玻璃纖維、石英纖維、有機高分子纖維、碳纖維、及前述之組合。所述有機高分子纖維例如是高模量聚丙烯(high-modulus polypropylene,HMPP)纖維、聚醯胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)、或其組合。於本發明之部分實施態樣中,補強材係由E級玻璃纖維或NE級玻璃纖維所構成。
皆知,「熱固性樹脂」係指在受熱後能夠形成網狀結構而逐漸固化的高分子。於本發明中,樹脂組合物中之熱固性樹
脂成分可由單一種熱固性樹脂來提供、或可透過混合多種熱固性樹脂來提供。舉例言之,樹脂組合物中之熱固性樹脂成分可透過使用選自以下群組之熱固性樹脂來提供:環氧樹脂、苯并噁嗪樹脂、聚苯醚樹脂、及前述之組合。於本發明之部分實施態樣中,該熱固性樹脂成分係環氧樹脂或聚苯醚樹脂。
樹脂組合物中之硬化劑可促進或調節樹脂組合物分子間的架橋作用,從而獲致一網絡結構。硬化劑之種類並無特殊限制,可為任何可提供所欲硬化效果之硬化劑。舉例言之,但不以此為限,樹脂組合物中可採用選自以下群組之習知硬化劑:酚醛樹脂(phenolic novolac,PN)、苯乙烯-馬來酸酐共聚合物(styrene maleic anhydride copolymer,SMA)、氰酸酯(cyanate ester,CE)、雙馬來亞醯胺(bismaleimide,BMI)、4,4'-二胺基二苯基碸(4,4'-diaminodiphenyl sulfone,DDS)、苯并(benzoxazine)及其開環聚合物、三(triazine)、雙氰胺(dicyandiamide,Dicy)、及前述之組合。於本發明之部分實施態樣中,係使用PN、SMA、CE、BMI或其組合作為硬化劑。
樹脂組合物中之填料除具有調整樹脂組合物整體之物化性質外,尤其具有調配樹脂組合物整體之介電常數的功效。在樹脂組合物符合本發明所指定之介電常數比值條件(0.8至1.05)之前提下,填料之種類並無特殊限制,只要可提供所欲物化性質改良即可。於本發明之部分實施態樣中,係採用具高介電常數的粉體填料,製備具高介電常數之積層板。所述具高介電常數的填料例如是具高介電常數的陶瓷粉體,具體實例包含具有鈣鈦礦(perovskite)或類鈣鈦礦之晶格結構的陶瓷粉體,例如但不限於
二氧化鈦(TiO2)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、前述二或多者之共燒結物、及前述之任意組合。所述燒結物如鈦酸鍶鈣(SrCaTiO3)、鈦酸鍶鋇(SrBaTiO3)等。另外,陶瓷粉體可進一步經例如矽(Si)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)、稀土元素等元素摻雜,如本領域技藝人士所熟知的NPO陶瓷粉體即為一例。於所例舉之陶瓷粉體中,以二氧化鈦(TiO2)成本較為低廉,而鈦酸鍶在介電常數調整上則提供最為顯著的效果。於本發明之部分實施態樣中,係使用鈦酸鍶作為填料。
根據本發明,在不影響硬化效果及符合所旨定之介電常數比值條件之前提下,樹脂組合物中之熱固性樹脂成分、硬化劑及填料之用量並無特殊限制,可視實際需要進行調整。一般而言,以100重量份該熱固性樹脂成分計,硬化劑之含量係30重量份至70重量份,填料之含量係30重量份至180重量份。於本說明書後附實施例中,在熱固性樹脂成分係環氧樹脂之情況中,當補強材係由E級玻璃纖維所構成,填料之含量以100重量份熱固性樹脂成分計係80重量份至160重量份,當補強材係由NE級玻璃纖維所構成,則填料之含量以100重量份熱固性樹脂成分計係30重量份至100重量份;以及在熱固性樹脂成分係聚苯醚樹脂之情況中,當補強材係由E級玻璃纖維所構成,填料之含量以100重量份熱固性樹脂成分計係100重量份至180重量份,當補強材係由NE級玻璃纖維所構成,則填料之含量以100重量份熱固性樹脂成分計係50重量份至120重量份。
視需要地,樹脂組合物中可進一步包含其他添加
劑。所述其他添加劑之具體實例如硬化促進劑、分散劑、增韌劑、阻燃劑、脫模劑、矽烷偶合劑、或前述之組合,但不以此為限。舉例言之,可添加選自以下群組之硬化促進劑,以提供改良之硬化效果:過氧化苯甲醯(benzoyl peroxide,BPO)、咪唑(imidazole,MI)、2-甲基咪唑(2-methylimidazole,2MI)、2-乙基-4-甲基咪唑(2-ethyl-4-methylimidazole,2E4MI)、2-苯基咪唑(2-phenylimidazole,2PI)、以及前述之組合。至於添加劑之用量,則乃本領域具有通常知識者於觀得本說明書之揭露內容後,可依其通常知識視需要調整,並無特殊限制。
於製備本發明半固化片時,可將樹脂組合物之熱固性樹脂成分、硬化劑及填料以攪拌器均勻混合,並溶解或分散於溶劑中製成清漆狀,而後將補強材含浸於經溶劑溶解及/或分散之樹脂組合物中,而於補強材表面附著樹脂組合物,之後將該表面附有樹脂組合物之補強材加熱乾燥(B-階段),由此獲得半固化片。其中,具體乾燥條件並無特殊限制,本領域具通常知識者基於本說明書之揭露內容當可視需要進行調整設定,於本發明之部分實施態樣中,係將該表面附有樹脂組合物之補強材在175℃下加熱乾燥2至15分鐘。所述溶劑可為任何可溶解或分散樹脂組合物之各成分、但不與該等成分反應的惰性溶劑。舉例言之,可用以溶解及/或分散樹脂組合物各成分之溶劑包括但不限於:甲乙酮(methyl ethyl ketone,MEK)、環己酮(cyclohexanone)、N,N-二甲基甲醯胺(N,N-dimethyl formamide,DMF)、丙二醇甲醚(propylene glycol monomethyl ether,PM)、丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate,PMA)、環己酮、丙
酮、甲苯、γ-丁內酯、丁酮、二甲苯、甲基異丁基酮、N,N-二甲基乙醯胺(N,N-dimethyl acetamide,DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(N-methyl-pyrolidone,NMP)、以及前述之組合。溶劑之用量並無特殊限制,只要能使樹脂組合物各成分均勻混合即可。於本發明之部分實施態樣中,係使用MEK及環己酮之混合物作為溶劑,且以100重量份之熱固性樹脂成分計,其用量為40重量份至160重量份。
本發明半固化片,可用於製造積層板。因此,本發明另提供一種積層板,其係包含一合成層及一金屬層,該合成層係由上述半固化片所提供。其中,可層疊複數層之上述半固化片,且於層疊該半固化片所構成的合成層之至少一外側表面層疊一金屬箔(如銅箔)以提供一層疊物,並對該層疊物進行一熱壓操作而得到該積層板。此外,可經由進一步圖案化該積層板之外側金屬箔,而製得印刷電路板。
茲以下列具體實施態樣進一步例示說明本發明,其中,所採用之量測儀器及方法分別如下:[介電常數量測]:根據ASTM D150規範,在工作頻率1吉赫茲(GHz)下,計算介電常數(Dk)。
[信號延遲時間暨信號延遲時間標準偏差量測]:連接時域反射儀二端之連接接頭測得一參考點,隨後將時域反射儀二端之連接接頭分別連接至各個待測線路,量測各待測線路對此參考點的延遲時間,即為信號延遲時間(time delay),將各信號延遲時間利用數學計算標準偏差量,得到信號延遲時間標準偏差(time delay Stddev)。
[相角偏移量量測]:使用4埠網路分析儀測試差動線的S參數,取其S21、S43的相角並計算其差異量,即為相角偏移量。
[半固化片之製備]
<實施例1>
以表2所示之比例,將作為熱固性樹脂成分之環氧樹脂(購自Momentive公司;型號:EPON-1134)、作為硬化劑之酚醛樹脂(購自長興化工公司;型號:CCP8110)、作為填料之鈦酸鍶(SrTiO3)(購自秀波電子公司)、作為硬化促進劑之2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MI)(購自四國化成公司)、及分散劑(購自道康寧公司;型號:Z-6040)於室溫下使用攪拌器混合60分鐘,隨後再加入溶劑甲乙酮(MEK)(購自川慶化學公司)及環己酮(購自信昌公司)。將所得混合物於室溫下攪拌120分鐘後,製得樹脂組合物1。量測樹脂組合物1之介電常數值(第一介電常數)並將結果紀錄於表2。
取一E級玻璃纖維布(下稱『E-glass』)(購自UNITIKA公司)作為補強材,量測其介電常數值(第二介電常數)並計算第一介電常數與第二介電常數之比值,結果紀錄於表2。
然後,利用輥式塗佈機,將樹脂組合物1塗佈在E-glass補強材上,接著,將其置於一乾燥機中,並在175℃下加熱乾燥2至15分鐘,藉此製作出半硬化狀態的半固化片1。
<實施例2>
以與實施例1相同之方式製備樹脂組合物2,並以樹脂組合物2製作半固化片2;惟,改以苯乙烯馬來酸酐共聚物
(SMA)(購自Sartomer公司;型號:EF-40)及氫酸酯樹脂(CE)(購自Lonza公司;型號:BA-230S)作為硬化劑,增加使用增韌劑(購自Momentive公司;型號:EPON 58006),並調整各成分用量,如表2所示。
<實施例3>
以與實施例2相同之方式製備樹脂組合物3,並以樹脂組合物3製作半固化片3;惟,改以聚苯醚(購自Sabic公司;型號:SA-90)作為熱固性樹脂成分,改以馬來醯亞胺樹脂(購自大塚製藥公司;型號:BMI-70)作為硬化劑,並調整各成分用量,如表2所示。
<實施例4>
以與實施例1相同之方式製備樹脂組合物4,並以樹脂組合物4製作半固化片4;惟,改以NE級玻璃纖維布(下稱『NE-glass』)(購自Nittobo公司)作為補強材,並調整各成分用量,如表2所示。
<實施例5>
以與實施例2相同之方式製備樹脂組合物5,並以樹脂組合物5製作半固化片5;惟,改以NE-glass作為補強材,並調整各成分用量,如表2所示。
<實施例6>
以與實施例5相同之方式製備樹脂組合物6,並以樹脂組合物6製作半固化片6,惟調整各成分用量,如表2所示。
<實施例7>
以與實施例3相同之方式製備樹脂組合物7,並以樹
脂組合物7製作半固化片7;惟,改以NE-glass作為補強材,並調整各成分用量,如表2所示。
<比較例1>
以與實施例1相同之方式製備比較樹脂組合物1,並以比較樹脂組合物1製作比較半固化片1;惟,調整各成分用量,使得第一介電常數與第二介電常數之比值不在本發明所指定之範圍,如表2所示。
<比較例2>
以與比較例1相同之方式製備比較樹脂組合物2,並以比較樹脂組合物2製作比較半固化片2;惟,改以NE-glass作為補強材,並調整各成分用量,如表2所示。
<比較例3>
以與實施例7相同之方式製備比較樹脂組合物3,並以比較樹脂組合物3製作比較半固化片3;惟,調整各成分用量使得第一介電常數與第二介電常數之比值不在本發明所指定之範圍,如表2所示。
[積層板之製備]
分別使用半固化片1至7及比較半固化片1至3來製備積層板。分別取四片半固化片並將之層合,並在其二側的最外層各層合一張0.5盎司之銅箔。接著對其進行熱壓,藉此獲得積層板1至7(分別對應半固化片1至7)及比較積層板1至3(分別對應比較半固化片1至3)。其中熱壓條件為:以1.0至3.0℃/分鐘之升溫速度升溫至200℃至220℃,並在該溫度下,以全壓15公斤/平方公分(初壓8公斤/平方公分)之壓力熱壓180分鐘。
測量積層板1至7及比較積層板1至3之信號延遲時間、信號延遲時間標準偏差及相角偏移量,結果如表3及第2圖所示。
如表3及第2圖所示,採用本發明半固化片所製得之積層板1至7具有整體均質的介電常數性質,其信號延遲時間標準偏差及相角偏移量均明顯較比較例小,故可有效解決因信號延遲偏差所導致之信號歪斜(signal skew)問題。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效,並闡述本發明之技術特徵,而非用於限制本發明之保護範疇。任何熟悉本技術者在不違背本發明之技術原理及精神下,可輕易完成之改變或安排,均屬本發明所主張之範圍。因此,本發明之權利保護範圍係如後附申請專利範圍所列。
Claims (15)
- 一種半固化片,其係藉由將一補強材含浸一樹脂組合物,並進行乾燥而製得,其中:該樹脂組合物具有一第一介電常數且包含一熱固性樹脂成分、一硬化劑及一填料;該補強材具有一第二介電常數(Dk);以及該第一介電常數與該第二介電常數之比值為0.8至1.05。
- 如請求項1之半固化片,其中該第一介電常數與該第二介電常數之比值為0.9至1.05。
- 如請求項1之半固化片,其中該補強材係由選自以下群組之纖維所構成:紙纖維、玻璃纖維、石英纖維、有機高分子纖維、碳纖維、及前述之組合。
- 如請求項3之半固化片,其中該有機高分子纖維係選自以下群組:高模量聚丙烯(high-modulus polypropylene,HMPP)纖維、聚醯胺纖維、超高分子量聚乙烯纖維(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)、及前述之組合。
- 如請求項3之半固化片,其中該補強材係由E級(E-glass)玻璃纖維、NE級(NE-glass)玻璃纖維、或其組合所構成。
- 如請求項1之半固化片,其中該熱固性樹脂成分係選自以下群組:環氧樹脂、苯并噁嗪樹脂、聚苯醚樹脂、及前述之組合。
- 如請求項6之半固化片,其中該熱固性樹脂成分係環氧樹脂或聚苯醚樹脂。
- 如請求項1之半固化片,其中該硬化劑係選自以下群組:酚醛樹脂(phenolic novolac,PN)、苯乙烯-馬來酸酐共聚合物(styrene maleic anhydride copolymer,SMA)、氰酸酯(cyanate ester,CE)、雙馬來亞醯胺(bismaleimide,BMI)、4,4'-二胺基二苯基碸(4,4'-diaminodiphenyl sulfone,DDS)、苯并 (benzoxazine)及其開環聚合物、三(triazine)、雙氰胺(dicyandiamide,Dicy)、以及前述之組合。
- 如請求項1之半固化片,其中該填料係選自以下群組:二氧化鈦(TiO2)、鈦酸鍶(SrTiO3)、鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、前述二或多者之共燒結物、及前述之組合。
- 如請求項1之半固化片,其中以100重量份該熱固性樹脂成分計,該硬化劑之含量係30重量份至70重量份,該填料之含量係30重量份至180重量份。
- 如請求項1之半固化片,其中該熱固性樹脂成分係環氧樹脂,當該補強材係由E級玻璃纖維所構成之補強材,則該填料之含量以100重量份該熱固性樹脂成分計係80重量份至160重量份,當該補強材係由NE級玻璃纖維所構成之補強材,則該填料之含量以100重量份該熱固性樹脂成分計係30重量份至100重量份。
- 如請求項1之半固化片,其中該熱固性樹脂成分係聚苯醚樹脂,當該補強材係由E級玻璃纖維所構成之補強材,則該填料之含量以100重量份該熱固性樹脂成分計係100重量份至180重量份,當該補強材係由NE級玻璃纖維所構成之補強 材,則該填料之含量以100重量份該熱固性樹脂成分計係50重量份至120重量份。
- 如請求項1至12中任一項所述之半固化片,其中該樹脂組合物更包含選自以下群組之添加劑:硬化促進劑、分散劑、增韌劑、阻燃劑、脫模劑、以及前述之組合。
- 如請求項13所述之半固化片,其中該硬化促進劑係選自以下群組:過氧化苯甲醯(benzoyl peroxide,BPO)、咪唑(imidazole,MI)、2-甲基咪唑(2-methylimidazole,2MI)、2-乙基-4-甲基咪唑(2-ethyl-4-methylimidazole,2E4MI)、2-苯基咪唑(2-phenylimidazole,2PI)、以及前述之組合。
- 一種積層板,包含一合成層及一金屬層,該合成層係由如請求項1至14中任一項所述之半固化片所提供。
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