TWI591787B - Lead frame with aluminum alloy - Google Patents
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Description
本發明係有關於AA6XXX鋁合金在用於一電路之電氣元件或者半導體元件的熱連接及/或電連接方面的應用、一種用於一電路之電氣元件或者半導體元件的熱連接及/或電連接的衝壓件、一種製造衝壓件的方法以及一種應用該等衝壓件來製造電路或半導體元件的方法。
採用所謂之Leadframe(引線框)或者金屬製成之衝壓格柵來為電路中之電氣元件或者為半導體元件建立電連接。例如,在汽車中使用金屬衝壓格柵來在儘可能小的空間上將一電路之元件連接在一起,而不必增設電纜連接。此等衝壓格柵通常用銅合金製成且除用於在各元件間導電外,還對電氣元件進行散熱。衝壓格柵之厚度例如為0.2mm至2mm。此等衝壓格柵亦經常應用於電力電子設備中,用於在電流強度較大時將電阻降至最低。
半導體元件在其殼體中同樣具有電氣元件之由所謂引線框提供的熱連接及/或電連接。相應地將厚度為最
大0.3mm、較佳最大0.2mm的引線框與相應之半導體元件連接並封裝於一殼體中。為此,必須首先將一半導體晶片與此引線框導熱連接及/或導電連接。該過程稱作“Die-Bonding”(晶片接合)。藉由直徑為15μm至100μm之接合線,透過“Wire-Bonding”(引線接合)來將引線框與半導體晶片電連接,採用該引線接合時,通常採用超音波焊接來將接合線焊接在半導體晶片上及引線框上。隨後,例如透過轉注成型法對半導體元件之殼體進行鑄造並將其熱固化。常見之半導體元件例如為積體電路(所謂之IC),其可透過屬於引線框之外部觸點與其他電氣元件電連接。
在“晶片接合”、“引線接合”及“成型”以及在殼體之固化(即所謂之“後成型固化”)過程中,將引線框加熱至150℃以上至最大380℃的溫度。
衝壓格柵及引線框通常用銅或銅合金製成。習知銅合金例如可指銅合金CuNi2.5SiZn,其在抗拉強度、屈服點、導電性、導熱性、熱膨脹及合金硬度方面符合批量生產半導體元件所要求的特性。
所用銅合金之缺點在於,貴金屬銅的原料價格非常高。此外由於銅合金的強度極高,衝壓工具之磨損程度較高,此點同樣提高了生產成本。因此,以往就曾考慮過將鋁用作上述用途之備用材料。美國專利US 5,066,368披露過由型號AA3XXX及AA6XXX之鋁合金構成之引線框的應用。根據該項美國專利,較佳採用型號AA3003之鋁合金。
國際專利申請案WO 92/04729揭露,透過引線框
的一塗層來增強半導體元件之鑄造殼體在引線框上的附著度,該項國際專利申請案亦將型號AA3003之鋁合金作為引線框之首選材料。
但此等較佳之鋁合金型號AA3003以及用型號AA5000之鋁合金所進行的測試皆因在例如製成半導體元件後機械特性相差過大而歸於失敗。舉例而言,由於在晶片接合、引線接合或成型及後成型固化中的熱處理,而在AA3000及AA5000材料中出現軟化現象。此外,迄今為止之鎂含量較高的5000鋁合金的導電性不足。
有鑒於此,本發明之目的在於,針對一電路之電氣元件或者半導體元件的熱連接及/或電連接提出一種鋁合金,用於克服迄今為止在先前技術中所存在之難題。
根據本發明的第一原理,本發明用以達成上述目的之解決方案為,該鋁合金具有型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之組成。
模擬退火係對為一電路之電氣半導體元件或者為若干半導體元件建立電連接的處理步驟進行模擬,在模擬退火中發現,該等模擬退火可用來引起上述鋁合金型號之熱固化,從而提供類似於銅合金的機械特性、熱特性及電氣特性。在狀態T6下,即在熱老化後,特別是上述鋁合金之屈服點的值非常接近迄今為止較佳使用之銅合金的屈服點值,因此,使用上述特殊鋁合金型號便能為一電路之
電氣元件或者為半導體元件建立熱連接及/或電連接。所有三種鋁合金型號在熱老化之狀態T6下皆具極佳之導電性。實驗還表明,與型號EN AW 6063之鋁合金相比,型號EN AW 6016之鋁合金在抗拉強度及屈服點方面達到更高值。其在狀態T6下之硬度亦高於型號EN AW 6063之合金。
較佳將該鋁合金用作用於該等電氣元件或半導體元件之電連接及/或熱連接的衝壓件、衝壓引線框或衝壓格柵。基於型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金的可固化性,便能首先在一較軟且易於變形的狀態下(如狀態T4下)製造該等衝壓件,以便順利且磨損程度較低地在衝壓工具上實施衝壓及變形。採用上述合金的情況下,可透過熱處理來使得強度值及屈服點值與後續之製備電路或製造半導體元件的處理步驟相匹配。為此,亦可利用包含熱處理之處理步驟。
根據另一設計方案,應用由該等鋁合金構成的一鋁帶、一鋁膜或一金屬片來在該狀態T4下製造該等衝壓件。透過以下方式實現狀態T4:在冷軋完畢後對製成之鋁合金帶、鋁合金膜層或鋁合金金屬片進行溶解退火及淬火,從而使得儘可能多的合金成分遺留在鋁基質的固溶體中並提供一極易變形的材料。實施衝壓時,除磨損程度較低外還能實現高變形度。
根據本發明的第二原理,本發明用以達成上述目的之解決方案為一種用於一電路之電氣元件或者半導體元件的電連接及/或熱連接的衝壓件,其中該衝壓件至少部分
地由型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金構成。
如前所述,上述鋁合金特別是在熱老化後之狀態T6下具有為一電路之電氣元件或者為半導體元件建立電連接及/或熱連接所必要的機械特性、電氣特性及熱特性。該鋁合金在熱負荷直至製成電路或半導體元件的過程中不會發生軟化。此外與由銅合金構成之衝壓件相比,用該等鋁合金能夠更廉價地製成衝壓件,因為待衝壓之鋁帶在狀態T4下易於變形且衝壓工具的磨損程度較低。
若用一厚度為20μm至200μm的鋁合金膜層或一厚度為200μm至2mm的鋁合金帶製造該等衝壓件,則能在不同的電氣特性及/或熱特性方面提供某些引線框及衝壓格柵,其具有特別適用於半導體元件及電路的尺寸。就功率較大且電流較大的電路而言,較佳用厚度為200μm至2mm的鋁合金帶製造該等衝壓件。但就引線框而言,較佳亦可採用例如為80μm至300μm或250μm的中間大小,其具有用來製造該等引線框的帶材或膜層的較佳範圍。
根據該衝壓件的一種設計方案,該衝壓件之鋁合金在該電路或該半導體元件製造完畢後至少局部地處於一熱固化狀態以及/或者處於狀態T6。基於型號EN AW 6063或EN AW 6016之較佳鋁合金的熱固化特性,應用於該等半導體元件或電路所必要的該等機械特性、電氣特性及熱特性實現了作為引線框或者電氣元件之電連接的應用。
較佳至少局部地對該等衝壓件進行表面處理,特
別是塗佈。表面處理例如指陽極處理、鍍層或電鍍。陽極處理例如可顯著增強鋁的抗氧化性。其他塗層、一銅塗層及金塗層實現了特殊製造技術(如超音波引線接合)的應用。
較佳地,該衝壓件為一半導體元件的一引線框或者為一電路的一衝壓格柵。通常在連續模中用一帶狀基本材料(如鋁帶)高速地製造引線框。而衝壓格柵亦可作為單個部件製成。引線框與衝壓格柵的區別之一是厚度較小;另一區別在於,通常在半導體元件製造完畢後透過一最後之衝壓步驟將引線框的載架分離,而衝壓格柵通常在一印刷電路板中完全成為電路的組成部分。因此,衝壓件的兩個特點在降低基本材料之原料價格的同時實現了製造工藝的高度自動化。
根據本發明的另一原理,本發明用以達成上述目的之解決方案為一種製造用於一電路之元件或者半導體元件的電連接及/或熱連接的衝壓件的方法,包括以下步驟:-製備由如請求項1之鋁合金所構成的一帶材、一膜層或一金屬片,-如此地對該帶材、該膜層或該金屬片進行溶解退火及淬火,使得該帶材、該膜層或該金屬片處於該狀態T4,-對該帶材、該膜層或該金屬片進行衝壓,從而為一電路之元件建立電連接及/或熱連接。
如前所述,該等衝壓件在狀態T4下可受益於該鋁合金材料之極佳變形特性,如此便能利用高精度衝壓工藝及變形工藝來製備引線框及衝壓格柵。
較佳在該帶材、該膜層或該金屬片之衝壓完畢後,在該狀態T4下在進一步加工前實施一自然老化及/或一熱老化。透過此種自然老化及/或熱老化例如能夠實現該帶材、該膜層或該金屬片的,或者用該帶材、該膜層或該金屬片所製成之衝壓件的某種非常特殊的狀態,從而高速地製造電路或半導體元件。例如可利用其他固化狀態(如狀態T5)來自狀態T4出發實現與加工相關之特定的抗拉強度值或屈服點值,採用此等抗拉強度值或屈服點值後,便能在最後階段在下一熱處理完畢後之狀態T6下再達到最大強度。
根據該方法的另一設計方案,用具有以下處理步驟的一方法來製造該帶材、該膜層或該金屬片:-較佳用直接冷卻法(direct chill)不連續鑄造一鋼坯,-將該軋製鋼坯均勻化,-對該軋製鋼坯進行熱軋,以及-以採用或不採用中間退火的方式將該熱軋帶材冷軋成最終厚度,其中將該帶材紮製成0.2mm至2mm的最終厚度,將該膜層紮製成20μm至200μm的最終厚度。
作為不連續鑄造的替代方案,根據另一設計方案,亦可透過連續鑄造一鑄造帶來製造該帶材,以及,透過熱軋或冷軋將該鑄造帶冷軋成最終厚度為20μm至200μm的膜層或者冷軋成最終厚度為0.2mm至2mm的帶材。
該包含相應處理步驟的不連續鑄造一軋製鋼坯,以及該連續鑄造一鑄造帶及其他用於製造一膜層或一
帶材的處理步驟,利用此二處理步驟便能用本發明之鋁合金材料低成本地製造滿足以下要求的衝壓件:為一電路之元件或者為半導體元件建立電連接或熱連接。
最後,根據本發明的第四原理,本發明用以達成上述目的之解決方案為應用本發明之衝壓件來製造一電路或一半導體元件。該等衝壓件,特別是衝壓格柵或引線框,因其鋁合金而具有必要的機械特性、電氣特性及熱特性。此外由於引線框或衝壓格柵的原料成本較低,從而降低了相應電路或半導體元件的製造成本。
較佳地,在製造一電路或一半導體元件期間,局部地對該等衝壓件實施至少一表面處理,如鍍層、陽極處理、電鍍或塗佈。透過上述表面處理便能視相應目的而對衝壓件的特定區域進行調整。舉例而言,塗佈可超音波接合之表面後,便能應用超音波線材或引線接合器來使得半導體晶片與引線框發生電接觸。亦可透過塗佈一軟焊料或一防腐蝕層來滿足其他需求。同時,亦可透過塗佈一隔離材料實施表面處理,或者實施一用於進一步防腐蝕的處理。
進一步較佳地,該方法設計為:在該等衝壓件被加工成一電路或一半導體元件前、期間或之後,對該等衝壓件實施熱處理步驟,以固化該鋁合金。型號EN AW 6063及EN AW 6016之鋁合金的特徵在於,可提供不同的回火狀態、不同的強度及硬度。因此,可根據製造方法的特性來設置鋁合金的固化程度。
下面結合附圖所示實施例對本發明進行詳細說
明。
1‧‧‧引線框
2‧‧‧晶片焊盤
3‧‧‧連接接點
4‧‧‧接觸位置
5‧‧‧衝壓格柵
A,B,C,D,E‧‧‧處理步驟
圖1為一引線框的一典型配置的第一實施例;圖2為一電路的一形式為衝壓格柵之衝壓件的另一實施例;及圖3為製造電路或半導體元件之處理步驟的示意圖。
首先,圖1為一引線框1的俯視圖,該引線框可用來製造半導體元件,特別是積體電路。用於所謂之IC(積體電路)之引線框1的該典型結構具有不同區域,其必然具有不同特性。舉例而言,連接接點3在製成後位於該半導體元件之殼體或封裝的外部,其用於使得該半導體元件與一電路之接點發生電接觸。該等連接接點應具一定機械強度,以便透過自動裝配機而被自動加工。
該所謂之“晶片焊盤”2(Chip-Pad)用於固定該半導體晶片。引線框1由型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金製成。該引線框之厚度較佳為0.08mm至0.25mm或者最大0.3mm。該晶片焊盤之區域,特別是該引線框之透過引線接合法受到接觸之接觸位置4,可被選擇性塗佈。例如可在引線接合時實施特別的金塗佈,以便實施超音波引線接合法。
此外,亦可為晶片焊盤2設置一導熱程度較高之塗層,以便將晶片與晶片焊盤黏接在一起。製造引線框1
時,透過一連續模以高速實施一衝壓工藝,從而產生引線框之圖1所示幾何形狀。本發明發現,特別是型號EN AW 6060、EN AW 6063及EN AW 6016之鋁合金在狀態T4下非常適於實施相應之衝壓工藝。該等鋁合金之特徵在於良好的變形性、成型性及可衝壓性。
圖2為一衝壓格柵5的一實施例之局部圖,該衝壓格柵同樣可用型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金製成。衝壓格柵5具有遠大於引線框1的結構且用於接觸一電路(如汽車的ABS控制裝置或ESP控制裝置)的電氣元件。衝壓格柵5亦用來對汽車中之照明元件進行電連接。此外,衝壓格柵亦可用來為定位於該等衝壓格柵5上且與其接觸之電氣元件建立熱連接及/或電連接。
通常透過焊接法或者使用傳導性且可固化之黏著劑進行接觸。引線框1及衝壓格柵5除進行電連接外,亦用於對該電路之元件進行散熱,即用於為一電路之元件或者在該半導體元件中建立熱連接。
根據本發明,用型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金,來以引線框或衝壓格柵的形式,為一電路之電氣元件或者半導體元件建立圖1及2所示之熱連接及/或電連接。
型號EN AW 6060之鋁合金具有以下合金成分(單位為wt%):0.30%Si0.6% 0.10%Fe0.30%,
Cu最大0.10%,Mn最大0.10%,0.35%Mg0.6%,Cr最大0.05%,Zn最大0.15%,Ti最大0.10%,剩餘Al及無法避免之雜質各為最大0.05wt%,總和為最大0.15wt%。
型號EN AW 6063之鋁合金具有以下合金成分(單位為wt%):0.20%Si0.6% Fe最大0.35%,Cu最大0.10%,Mn最大0.10%,0.45%Mg0.9%,Cr最大0.10%,Zn最大0.10%,Ti最大0.10%,剩餘Al及無法避免之雜質各為最大0.05wt%,總和為最大0.15wt%。
型號EN AW 6016之鋁合金具有以下合金成分(單位為wt%):1.0%Si1.5%,Fe最大0.50%,
Cu最大0.20%,Mn最大0.20%,0.25%Mg0.6%,Cr最大0.10%,Zn最大0.20%,Ti最大0.15%,剩餘Al及無法避免之雜質各為最大0.05wt%,總和為最大0.15wt%。
所有三種鋁合金EN AW 6060、EN AW 6063及EN AW 6016之特徵在於,中等至較低的Mg含量,較低的銅含量與錳含量上限,以及中等鐵含量。該等鋁合金之在熱老化狀態下在導熱性及導電性方面的特性,以及應用為一電路之元件或者半導體元件的電連接及/或熱連接時所需的機械特性,歸因於上述合金組分之組合。
迄今為止尚未對鋁合金型號EN AW 6060之在熱老化狀態下的導電性/導熱性進行過量測,但有理由相信,基於該合金組成會獲得與下文將列出之關於型號EN AW 6063及EN AW 6016之鋁合金的值,類似的值。
所有列出之量測皆依照相應之EN標準實施。
與型號EN AW 6063之鋁合金相比,型號EN AW 6016之鋁合金具有矽過量,故其強度高於型號EN AW 6036之鋁合金例如在狀態T6下的強度。
如表1所示,型號EN AW 6063之鋁合金在回火狀態T6下,即在熱老化後,具有一屈服點,其至少處於該較
佳銅合金CuNi2.5SiZn在250MPa下之屈服點的範圍內。此外,該導電性為52%,高於表1所列銅合金,其中%導電率作為導電性之單位,係一退火之純銅之導電性(100%導電率)的百分值,等於58MS/m的導電性。
此處以型號EN AW 6063之鋁合金為例,在該合金之回火狀態中,亦可提供某些中間值,如T5,以便透過該回火狀態來提供針對抗拉強度、屈服點及維氏硬度的比值。如此便能專門根據電路或半導體元件之製造工藝的要求,來對型號EN AW 6063及EN AW 6016之鋁合金的回火狀態進行調整,從而提供最佳工藝條件。
較佳地,將本發明之鋁合金置入狀態T4,該狀態透過一冷軋鋁合金帶之溶解退火及淬火而提供。在該狀態T4下,型號EN AW 6060、EN AW 6063及EN AW 6016之鋁合金具有極佳之變形性,並能精確地對衝壓件實施衝壓。
自表1亦可看出,型號EN AW 6016之鋁合金的抗拉強度值、屈服點值及導電性與銅合金CuNi2.5SiZn在回火狀態R360下所達到的值基本一致。因此,鋁合金EN AW 6016在狀態T6下特別適合用作迄今為止所用銅合金的備選。
型號EN AW 5182或EN AW 3004之比較合金會因製造電路或半導體元件時的熱處理而發生軟化,從而產生軟退火狀態O。從中可看出,型號EN AW 3004之合金的機械強度值及硬度值遠低於參考銅合金uNi2.5SiZn。合金EN AW 5182儘管達到此等強度值。但其導電性極低,故不適
合用作常用銅合金的備選。
圖3係為一電路之元件或者為若干半導體元件建立電連接及/或熱連接的不同處理步驟的示意圖。製造步驟A中,首先用型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之該二本發明之鋁合金中的一個製造一鋁帶或一鋁膜。在製造步驟A中,透過不連續鑄造一軋製鋼坯、將該軋製鋼坯均勻化、將該軋製鋼坯熱軋成一熱軋帶材以及以採用或不採用中間退火的方式將該熱軋帶材冷軋成最終厚度來進行製造,其中該帶材的最終厚度為0.2mm至2mm,或者該膜層的最終厚度為20μm至200μm。較佳採用0.10mm至0.30mm的最終厚度。
作為透過鑄造一軋製鋼坯(較佳用直接冷卻法)來製備帶材的替代方案,亦可利用連續鑄造來製備一鑄造帶,再實施熱軋及採用或不採用中間退火的冷軋,從而製成一最終厚度為0.2mm至2mm的鋁帶或者一最終厚度為20μm至200μm的鋁合金膜層。
在圖3所示實施例中之處理步驟B中,透過對製成之帶材或膜層進行退火再實施淬火來對該帶材或膜層進行熱處理。從而在該鋁合金帶或該鋁合金膜層中設置狀態T4。隨後之處理步驟C中,對該引線框、衝壓格柵或者由膜層或帶材構成之衝壓件進行衝壓。
最後之處理步驟D取決於製造的是衝壓格柵還是引線框。在處理步驟D中,例如可在製造引線框時,在“成型”及“後成型固化”期間透過晶片接合、引線接合及製造半
導體元件之殼體來對引線框進行熱處理,使得該引線框在處理步驟D結束時處於狀態T6並能提供相應之機械特性。
此點亦適用於以下情形:在為一電路之元件建立電連接及/或熱連接時,對製成之衝壓格柵實施(例如)焊接法或擠塑,其中對衝壓格柵5進行熱輸入。
作為替代或補充方案,亦可對該衝壓格柵及該引線框實施(例如為)熱老化或自然老化的一並行處理步驟E,以便在製造步驟D中直接提供必要之機械特性。
此外在處理步驟D中,亦可實施表面處理步驟,以便針對相應之技術用途(如“晶片接合”、“引線接合”或焊接工藝)而對該衝壓格柵或該引線框的特定區域進行準備。
尤佳將該衝壓格柵及引線框用來製備電力電子設備,因為該鋁合金的傳導值大於迄今為止所用之銅合金。其他用途例如為:製備用於汽車或機器控制裝置或類似裝置中之電子設備的衝壓格柵,如此便毋需設置電纜連接。
該衝壓格柵例如可提供一印刷電路板(此處未繪示)的導電通路。亦可部分地為衝壓格柵直接裝配元件並進行針焊,因此,透過焊接法便能固化至合金狀態T6
與其他AA6xxx合金不同,本發明之合金方案EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016在狀態T6下提供極高強度,且其耐腐蝕性及導電性較常用之銅合金有所提高。
1‧‧‧引線框
2‧‧‧晶片焊盤
3‧‧‧連接接點
4‧‧‧接觸位置
Claims (16)
- 一種AA6xxx鋁合金的應用,用於一電路之電氣元件或者半導體元件的電連接,其中,該鋁合金具有型號EN AW 6016之組成。
- 如請求項1之應用,其中,將該鋁合金用作用於該等電氣元件或半導體元件之電連接的衝壓件、衝壓引線框或衝壓格柵。
- 如請求項1或2之應用,其中,應用由該等鋁合金構成的一鋁帶、一鋁膜或一金屬片來在該狀態T4下製造該等衝壓件。
- 一種用於一電路之電氣元件或者半導體元件的電連接的衝壓件,其中,該衝壓件至少部分地由型號EN AW 6016之鋁合金構成。
- 如請求項4之衝壓件,其中,該衝壓件由一厚度為20μm至200μm的鋁合金膜層或一厚度為200μm至2mm的鋁合金帶製成,且可選地具有該狀態T4。
- 如請求項4或5之衝壓件,其中,該衝壓件之鋁合金在該電路或該半導體元件製造完畢後至少局部地具有一熱固化狀態以及/或者局部地處於狀態T6。
- 如請求項4之衝壓件,其中,該衝壓件為一電路的一衝壓格柵。
- 一種製造用於一電路之元件或者半導體元件的電連接及/或熱連接的衝壓件之方法,包括以下步驟:製備由型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金所構成的一帶材、一膜層或一金屬片,如此地對該帶材、該膜層或該金屬片進行溶解退火及淬火,使得該帶材、該膜層或該金屬片處於該狀態T4,對該帶材、該膜層或該金屬片進行衝壓,從而為一電路之元件建立電連接。
- 如請求項8之方法,其中,在該帶材、該膜層或該金屬片之衝壓完畢後,在該狀態T4下在進一步加工前實施一自然老化及/或一熱老化。
- 如請求項8或9之方法,其中,用具有以下處理步驟的一方法來製造該帶材、該膜 層或該金屬片:不連續鑄造一軋製鋼坯,將該軋製鋼坯均勻化,將該軋製鋼坯熱軋成一熱軋帶材,以及以採用或不採用中間退火的方式將該熱軋帶材冷軋成最終厚度,其中將該帶材紮製成0.2mm至2mm的最終厚度,將該膜層紮製成20μm至200μm的最終厚度。
- 如請求項8之方法,其中,作為該不連續鑄造的替代方案係透過連續鑄造來製造一鑄造帶,以及,透過熱軋或冷軋將該鑄造帶冷軋成最終厚度為20μm至200μm的膜層或者冷軋成最終厚度為0.2mm至2mm的帶材。
- 一種製造一電路或一半導體元件的方法,應用的是如請求項4至7之其中一項之衝壓件。
- 如請求項12之方法,其中,局部地對該等衝壓件實施至少一表面處理。
- 如請求項12或13之方法,其中,在該等衝壓件被加工成一電路或一半導體元件前/期間或之後,對該等衝壓件實施熱處理步驟,以固化該鋁合金。
- 一種半導體元件之引線框, 其中,該引線框由型號EN AW 6060、EN AW 6063或EN AW 6016之鋁合金構成。
- 如請求項15之引線框,其中,該引線框具有20μm至200μm之厚度且可選地係在狀態T4下衝壓而成。
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