TWI593140B - 用於承載發光裝置之結構及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於一半導體發光裝置之載體。
包含發光二極體(LED)、諧振腔發光二極體(RCLED)、垂直腔雷射二極體(VCSEL)及邊緣發射雷射的半導體發光裝置係當前可用之最有效的光源。在製造可跨可見光譜而操作之高亮度發光裝置中,當前受關注的材料系統包含III-V族半導體,尤其鎵、鋁、銦及氮之二元、三元及四元合金,亦稱為III族氮化物材料。通常,藉由利用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)、分子束磊晶法(MBE)或其他磊晶技術在一藍寶石基板、碳化矽基板、III族氮化物基板或其他適當基板上磊晶地生長具有不同組合物及摻雜物濃度的一半導體層堆疊而製造III族氮化物發光裝置。該堆疊通常包含用例如Si摻雜之形成於該基板上的一個或多個n型層、形成於該(或該等)n型層上之一作用區域中的一個或多個發光層,及例如用Mg摻雜之形成於該作用區域上的一個或多個p型層。電接觸件係形成於該等n型區域及p型區域上。
圖1繪示一LED,其更詳細地描述於US 7,352,011中,US 7,352,011以引用之方式併入本文中。一LED 10係安裝於一支撐結構12上,該支撐結構12可為「具有金屬墊/引線的一陶瓷子基板」。一透鏡22係模製於LED 10上。透鏡22可如下形成:將呈透鏡22之形狀的一模具定位於LED 10上。該模具可內襯有一不黏膜。用一適當透明可熱固化的液體透鏡材料(諸如聚矽氧或環氧樹脂)填充該模具。在該支撐結構12之週邊與該模具之間建立一真空密封,且該等兩個零件係抵靠彼此而按壓,使得每一LED晶粒10係插入該液體透鏡材料中且該透鏡材料係在壓縮之下。接著將該模具加熱至約攝氏150度(或其他適當溫度)達一段時間以使該透鏡材料硬化。該支撐結構12接著從該模具分離。
如圖1中所繪示,支撐結構12必須明顯大於LED 10,以支撐模製之透鏡22。此一大型支撐結構可略微增加裝置之成本。
本發明之一目的係提供一種用於一光源的載體。
在本發明之實施例中,一半導體發光裝置係安裝於一支撐基板上。該支撐基板係安置於一載體中之一開口中。在一些實施例中,該支撐基板係一陶瓷磚,且該載體係具有足夠大以支撐模製於該載體上或附接至該載體之一透鏡的一橫向廣度之一低成本材料。
在本發明之實施例中,一發光裝置(諸如一LED)係安裝於一支撐基板(諸如一陶瓷磚)上。該陶瓷磚可為機械支撐該LED所必需的最小尺寸,以提供該LED至另一結構之電連接,且提供一熱路徑以使熱從該LED擴散。該陶瓷磚係定位於一載體內且可附接至該載體。該載體可為一低成本、可模製之材料,其足夠穩健以保護LED及陶瓷磚使其等免受衝擊。該載體材料可經選擇以耐受將該陶瓷磚附接至該載體及在該LED上形成或附接一透鏡或其他結構所必需之條件。例如,可藉由焊接、線接合、微焊接、微熔接、一順應式接合結構(諸如一系列金屬凸磚、由超音波或熱超音波接合而形成之金-金互連)、例如用銀系環氧樹脂接合、機械夾箝(諸如彈力夾箝)或表面安裝而將該陶瓷磚附接至該載體。該支撐基板可透過頂面或側面或透過形成於或附接於支撐基板及載體上的一透鏡而機械附接至該載體,留下該支撐基板之底部可用於電接觸及/或熱接觸另一結構,諸如一使用者供應之PC板。包含該LED、支撐基板及載體的該裝置可附接至另一結構,諸如一PC板。適當載體之實例包含可衝壓且可彎曲為一期望形狀的金屬片,及塑膠,諸如聚鄰苯二甲醯胺(PPA)。可使用多個材料,諸如附接至PPA的金屬片、任意其他適當類型之塑膠或聚合物,或一介電絕緣體。
作為一初步問題,儘管在下文之實例中,該發光裝置係一III族氮化物薄膜覆晶LED,但是可使用其他發光裝置,包含由其他材料系統製成之LED或其他半導體裝置,該等其他材料系統諸如III-V族材料、III族氮化物材料、III族磷化物材料、III族砷化物材料、II-VI族材料及IV族材料。
形成一習知III族氮化物LED 10係藉由首先在一生長基板上生長一半導體結構。一n型區域通常首先生長一n型區域,且該一n型區域可包含具有不同組合物及摻雜物濃度的多個層,該多個層包含例如製備層,諸如緩衝層或成核層,其等可為n型或非刻意摻雜;釋放層,此等層經設計以促進稍後釋放該基板或在基板移除之後使該半導體結構變薄;及n型或甚至p型裝置層,此等層為發光區域有效發射光所需的特定光學或電性質而設計。一發光或作用區域係生長於該n型區域上。適當發光區域之實例包含一單一厚或薄發光層,或一多重量子井發光區域,該多重量子井發光區域包含由障壁層分離之多重薄或厚量子井發光層。一p型區域係生長於該發光區域上。如同該n型區域,該p型區域可包含具有不同組合物、厚度及摻雜物濃度的多個層,包含非刻意摻雜的層或n型層。
使用多種技術以獲得至該等n型層之電接達。可蝕刻掉該等p型層及作用層之部分以暴露一n型層以用於金屬化。以此方式,p接觸件及n接觸件係在該晶片之相同側上,且可直接電附接至一適當基座上的接觸墊。可從該裝置之頂面(即,其上形成該等接觸件之表面)或從該裝置之底面(即,在一覆晶裝置中,具有相對於生長方向而翻轉的至少一個反射性接觸件的一裝置)提取光。在一覆晶中,該生長基板可從該半導體結構(一薄膜裝置)移除,或可保留為完成之裝置之一部分。在基板移除之後,可使該半導體結構變薄,且藉由移除該基板而暴露之該n型區域之表面可經紋理化以改良光提取,例如藉由粗糙化或形成一光子晶體結構。在一立式射出LED中,一n接觸件係形成於該半導體結構之一側上,且一p接觸件係形成於該半導體結構之另一側上。至該等p接觸件或n接觸件之一者之電接觸件通常係用一電線或一金屬橋而製造,且另一接觸件係直接接合至該支撐基板上的一接觸墊。儘管下文之實例包含一薄膜覆晶裝置,但是可使用任意適當裝置結構。
該LED可安裝於一支撐基板12上。儘管在下文之實例中,該支撐基板12係一陶瓷磚,但是可使用任意適當支撐基板12。在一些實施例中,該支撐基板係一生長基板,其上生長III族氮化物結構。在此等實施例中,該LED在沒有一額外支撐基板之情況下直接連接至該載體。
可將一個或多個波長轉換材料(諸如磷光體或染料)安置於該LED上。可使用與一個或多個波長轉換材料組合之一LED以產生白光或其他色彩之單色光。由該LED發射之光的全部或僅一部分可由該波長轉換材料轉換。未轉換之光可為光之最終光譜的一部分,然而並非必須如此。常見組合之實例包含一發射藍色的LED與一發射黃色之磷光體組合、一發射藍色的LED與發射綠色及發射紅色的磷光體組合、一發射UV的LED與發射藍色及發射黃色的磷光體組合,及一發射UV的LED與發射藍色、發射綠色及發射紅色的磷光體組合。適當波長轉換層之實例包含膠合或接合至該LED的預成形陶瓷磷光體層,或安置於一透明囊封體中的一粉末磷光體,該透明囊封體為諸如聚矽氧,其係模版印刷、網版印刷、噴塗、蒸鍍、濺鍍、沈降、施配、旋塗或以其他方式定位於該LED上。可使用不同類型之波長轉換層。多個波長轉換材料可經混合且形成於一單一層中,或形成為離散層。
圖14繪示根據本發明之實施例的一裝置。一波長轉換構件14係定位於安裝於一支撐基板12上的一LED上。該支撐基板係定位於一載體16中的一開口中。繪示於圖14中之該載體可由衝壓及彎曲之金屬片形成。
圖2至圖4繪示根據本發明之實施例的裝置,其中至該LED 10之電接觸係經其上安裝LED 10的陶瓷磚12之底面而建立。圖2繪示安裝於陶瓷磚12上的三個LED 10。LED 10係藉由任意適當互連(諸如焊料或金)而電連接及實體連接至陶瓷磚12之頂部上的接觸件。一波長轉換構件14可安置於LED 10的一頂面上。每一陶瓷磚12係裝配於形成於一載體16中的一狹槽中。陶瓷磚12可在陶瓷磚12之側面焊接至載體16。透鏡22可模製於每一LED 10上。透鏡22覆蓋LED 10、陶瓷磚12及載體16之全部或一部分。或者,一預成形透鏡可在LED 10上附接至載體16。在陶瓷磚12之底部上的電接觸件20允許LED 10電連接至圖2中未展示之另一結構,諸如一使用者之PC板。電接觸件20可藉由例如形成於陶瓷磚12中用導電材料(諸如金屬)填充之孔而電連接至陶瓷磚12上之頂部接觸件。
圖3係圖2之該等裝置之一者在連接至一PC板之後的一俯視圖。圖4係圖3之結構沿著圖3中展示之軸的一橫截面圖。PC板17可為一市售PC板,其包含一熱擴散金屬芯28(諸如Al或Cu)、一絕緣層26(諸如一介電質),及由絕緣層26而彼此電隔離之正電跡線及負電跡線24a及24b。包含LED 10、選用波長轉換元件14、陶瓷磚12、接觸件20及載體16以及透鏡22的結構15可分離地製造,接著附接至PC板17而作為一單一結構。在陶瓷磚12上的n接觸件及p接觸件20a及20b可被焊接或接合至PC板17上的電跡線24a及24b。或者,熱擴散層28可電連接或實體連接至n接觸件或p接觸件20a或20b,且可與電跡線24a或24b搭配使用,或代替電跡線24a或24b而使用。
在圖2至圖4中繪示之裝置中,熱係透過陶瓷磚12之底部上的接觸件20而傳導離開LED 10。在該等正電接觸件與負電接觸件20之間所需之電隔離減小陶瓷磚12之底部上可用於傳導熱的面積,此可減小可傳導離開LED 10的熱之量。
在圖5至圖8中繪示之裝置中,至該LED 10之電接觸係經該陶瓷磚12之頂面而建立,此留下陶瓷磚12之整個底面可用於將熱傳導離開LED 10。該陶瓷磚12可藉由陶瓷磚12與載體16之間之電連接,藉由安置於陶瓷磚12與載體16之間的一黏著劑或膠(諸如聚矽氧、焊料或環氧樹脂),或藉由模製於或附接於陶瓷磚12及載體16上的一透鏡而機械連接至載體16。在一透鏡將陶瓷磚12連接至載體16的情況中,載體及陶瓷磚不需要彼此碰觸。圖5至圖7之裝置係展示為安裝於PC板上。
在圖5至圖8中繪示之裝置中,載體16之兩側16a及16b可例如藉由連接至載體16的一選用絕緣元件16c而彼此電隔離。或者,陶瓷磚12可定位於連接在一起的一片載體之一開口中。接著形成陶瓷磚12與載體16之間之電連接。一透鏡可模製於載體16及陶瓷磚12上,以機械連接載體16與陶瓷磚12,或載體16與陶瓷磚12之間之機械連接可與電連接相同。載體16之該等兩側16a及16b接著係藉由從該片載體衝壓出個別載體,使得該載體之該等兩側被分離而彼此電隔離。
如上文所描述,包含LED 10、陶瓷磚12、選用波長轉換元件14、載體16及透鏡22之結構15可分離地形成。結構15係作為一單一件而由一使用者安裝於PC板17或任意其他適當結構上。
在圖5之裝置中,陶瓷磚12係藉由如圖5中繪示之線接合件30a及30b或藉由微焊接、微熔接或撓性箔而電連接至載體16。線接合件30a可藉由陶瓷磚12之頂面上的一接觸件而電連接至LED 10之該等n接觸件及p接觸件之一者。線接合件30b可藉由陶瓷磚12之頂面上之一接觸件而電連接至LED 10之該等n接觸件及p接觸件之另一者。
載體16之該等側16a及16b(其等係透過至支撐基板12的線接合件30a及30b而電連接至該LED)可經跡線24a及24b例如藉由焊料而實體連接及電連接至PC板17。跡線24a及24b係藉由絕緣層26而彼此電隔離。陶瓷磚12之底面可藉由一導熱材料27(例如,諸如焊料)而直接連接至該PC板之該熱擴散層28。陶瓷磚12及導熱材料27形成一熱路徑,其將熱傳導離開LED 10。因為線接合件30a及30b提供至LED 10的電連接,導熱材料27不需要為導電的。
在圖6之裝置中,陶瓷磚12係藉由陶瓷磚12之該等側上的電連接件32a及32b而電連接至載體16。電連接件32a及32b係電連接至陶瓷磚之頂面上的接觸件,在該頂面上藉由例如陶瓷磚12之頂面及側面上的跡線或穿過陶瓷磚12且用導電材料填充之孔而安裝LED 10。電連接件32a及32b可例如為焊料。陶瓷磚12之每一側與載體16之間之連接可以一單一電連接及實體連接完成,或以分離電連接及實體連接完成。如圖5中,載體16可透過跡線24a及24b而電連接及實體連接至PC板17,且陶瓷磚12可藉由一導熱材料27而直接連接至PC板17之該熱擴散層28。
在圖7之裝置中,陶瓷磚12係透過陶瓷磚12之頂面上的連接件34a及34b而電連接至載體16。連接件34a及34b可例如為焊料,其等將載體16之兩個電隔離部分16a及16b直接連接至陶瓷磚12之頂面上的接觸件。如圖5中,載體16可透過跡線24a及24b而電連接及實體連接至PC板17,且陶瓷磚12可藉由一導熱材料27而直接連接至PC板17之該熱擴散層28。在一些實施例中,連接件34a及34b係形成於一預成形透鏡之底部上,該預成形透鏡係附接於LED 10上且與支撐基板12及載體16之頂面接觸。
在圖8之裝置中,載體16包含外部接觸件38a及38b。外部接觸件38a及38b係藉由例如焊料而電連接至陶瓷磚12上之頂部接觸件。陶瓷磚12可藉由至外部接觸件38a及38b的連接,或藉由例如在陶瓷磚12之側的一分離連接而實體連接至載體16。外部接觸件可藉由例如螺絲、夾具或撓性箔而電連接至一結構,諸如一PC板。陶瓷磚12係藉由導熱材料27而連接至一熱擴散層28,該熱擴散層28可為一PC板或任意其他適當結構之一部分。載體16可藉由例如焊料或任意其他適當連接而實體連接至熱擴散層28。選用填隙片36可安置於熱擴散層28與載體16之間,以將載體16定位於適宜高度處。
在一些實施例中,如圖4至圖8中所繪示,該載體可足夠薄,使得該波長轉換元件14或LED 10之頂面係在比該載體之頂面更高的一高度處,及/或該支撐基板之底面係在比該載體之底面更低的一高度處。在一些實施例中,該載體之底部與該支撐基板之底部之高度之間的差異係經選擇以容納一結構,諸如一PC板。例如,如圖5至圖7中所繪示,一PC板包含一金屬芯28、一絕緣層26及跡線24a及24b。該載體之底部與該支撐基板之底部之高度之間的差異係經選擇使得該支撐基板擱置於該金屬芯上或容易地經連接至該金屬芯,而該載體擱置於該等跡線上或容易地經連接至該等跡線,例如藉由焊料或任意其他適當導電連接。
圖9至圖13繪示形成根據本發明之實施例的裝置。在圖9中,LED 10係生長於一生長基板40上。可在此階段執行LED 10之晶圓級處理,諸如在一覆晶之情況中,蝕刻以形成暴露n型區域之一部分的一台面,並且形成n型接觸件及p型接觸件。展示於圖9中之晶圓可切成個別LED。
在圖10中,LED 10係例如藉由金-金互連之焊接或熱超音波接合而安裝於支撐基板12(諸如陶瓷磚)之一晶圓上。該支撐基板12上之任意必需結構42(諸如通孔或電接觸件)可在將LED 10安裝於支撐基板12上之前或之後形成。
在圖11中,波長轉換元件14係安置於LED 10上。波長轉換元件14可例如為膠合或接合至LED 10之預成形陶瓷磷光體片,或電泳沈積、噴塗、沈降、蒸鍍或濺鍍之粉末磷光體,或可與模版印刷、網版印刷、噴塗、沈降、旋塗或沈積於LED 10上的一透明黏結劑材料混合。若需要,一選用側塗層44可形成於波長轉換元件14及LED 10上,例如,以減小經由波長轉換元件14及LED 10之側面而逃逸的光的量。
展示於圖10及圖11中之支撐基板12之晶圓接著可切成個別裝置。多個LED可形成於一單一支撐基板上。每一支撐基板12係定位於一載體中的一開口中。該支撐基板可視需要例如藉由安置於支撐基板12之側面上的焊料或黏著劑而直接連接至該載體。多個支撐基板可連接至一單一載體。形成至LED 10的電連接件。儘管圖12中展示之電連接件係線接合件30a及30b,但是可使用任意適當電連接件,諸如參考圖2至圖8而描述之電連接件。
在一些實施例中,支撐基板12係附接至一非黏著性工作表面(諸如鐵氟龍)上的載體16,以防止用於將載體16附接至支撐基板12的諸如聚矽氧之黏著劑附接至該工作表面。在一些實施例中,可在該工作表面中形成與該等支撐基板12對準之凹口,以將支撐基板12之底部定位於比載體16之底部更低的一高度處,如圖5至圖8中所繪示及上文所描述。
在圖13中,透鏡22係模製於LED 10上,或一預成形透鏡係附接於LED 10上。透鏡22可例如藉由美國專利第7,352,011號中描述之過模製(overmold)而形成。在一些實施例中,一過模製透鏡將該載體附接至該支撐基板。透鏡可形成於安置於一單一載體上的多個LED上。透鏡22可為任意適當形狀,且可覆蓋多個LED。在一些實施例中,透鏡22經附接使得一間隙(通常填充有空氣)係安置於該LED與該透鏡之間。在一些實施例中,並非為一透鏡的一結構係模製於或附接於LED 10上,以保護LED 10,或在LED 10、支撐基板12及載體16上不提供任何結構或透鏡。
在一些實施例中,改良一過模製透鏡之黏著性的特徵可包含於載體16上,如圖15中所繪示。例如,載體16之頂面可用特徵48而粗糙化或圖案化。一底切開口46可形成於載體16中。透鏡材料可在模製程序期間填充底切開口46,此可將該模製之透鏡固定至載體16。
本發明之實施例可具有超越其他光源的優點。該支撐基板相對於該載體通常係昂貴的。在本發明之實施例中該支撐基板之尺寸減小,此可減小該裝置之成本。在至該LED之電接觸係經由該支撐基板之頂面而實現的實施例中,該支撐基板之底面可用作一熱路徑,以將熱傳導離開LED,此可改良自該裝置的光輸出。該載體、支撐基板及LED,及透鏡係形成為一單一單元,其可接著由一使用者安裝於例如一PC板上。頂面接觸件諸如線接合件及該透鏡可並不是由使用者形成,而是在可嚴密控制之條件下形成,此可防止對該等接觸件的損害,且可防止因一使用者施覆之透鏡而引起裝置中發射之光的色彩上變動。
已詳細描述本發明,熟習此項技術者將瞭解,鑑於本發明,在未脫離本文所描述之本發明概念之精神下,可對本發明作出修改。因此,本發明之範圍並不意欲限制於所繪示及描述之特定實施例。
10...發光二極體
12...支撐基板/支撐結構/陶瓷磚
14...波長轉換構件/波長轉換元件
15...結構
16...載體
16a...載體之兩個側
16b...載體之兩個側
16c...選用絕緣元件
17...PC板
20...電接觸件
20a...n接觸件
20b...p接觸件
22...透鏡
24a...正電跡線
24b...負電跡線
26...絕緣層
27...導熱材料
28...熱擴散層/熱擴散金屬芯
30a...線接合件
30b...線接合件
32a...電連接件
32b...電連接件
34a...連接件
34b...連接件
36...選用填隙片
38a...外部接觸件
38b...外部接觸件
40...生長基板
42...結構
44...選用側塗層
46...底切開口
48...特徵
圖1繪示安裝於一支撐結構上且用一模製之透鏡覆蓋的一先前技術LED;
圖2繪示安裝於支撐基板上且連接至載體的LED;
圖3係展示於圖2中之該等裝置之一者之一俯視圖;
圖4係沿著圖3中展示之軸的圖3中展示之裝置減去該透鏡的一橫截面圖;
圖5繪示安裝於一支撐基板上且藉由在該支撐基板之頂面上之線接合件而電連接至一載體的一LED。該載體係展示為安裝於一使用者供應之PC板上;
圖6繪示安裝於一支撐基板上且藉由在該支撐基板之側面上之電連接件而電連接至一載體的一LED。該載體係展示為安裝於一使用者供應之PC板上;
圖7繪示安裝於一支撐基板上且藉由在該支撐基板之頂面上之連接件而連接至一載體的一LED。該載體係展示為安裝於一使用者供應之PC板上;
圖8繪示安裝於一支撐基板上且藉由在該支撐基板之頂面上至該載體上的外部接觸件之連接件而連接至一載體的一LED。該載體係展示為安裝於一使用者供應之PC板上;
圖9繪示生長於一生長基板晶圓上的LED;
圖10繪示安裝於一支撐基板晶圓上的LED;
圖11繪示安置於LED上的波長轉換元件;
圖12繪示安裝於支撐基板上且附接至載體的LED;
圖13繪示模製於LED上的透鏡;
圖14繪示安裝於一支撐基板上且定位於一載體中之一開口中的一LED;及
圖15繪示一載體之一部分,其包含促進一過模製之透鏡之黏著的特徵。
10‧‧‧發光二極體
12‧‧‧支撐基板/支撐結構/陶瓷磚
14‧‧‧波長轉換構件/波長轉換元件
16‧‧‧載體
20‧‧‧電接觸件
22‧‧‧透鏡
Claims (16)
- 一種用於承載一發光裝置之結構,該結構包括:一半導體發光裝置;一支撐基板,其中該半導體發光裝置係安裝於該支撐基板上,其中該支撐基板係陶瓷;及一載體,其具有一開口,其中該支撐基板係安置於該開口中,且該支撐基板係經由該支撐基板之一頂面及該支撐基板之一側面之至少一者而機械連接至該載體;其中該載體之一底面係安置於比該支撐基板之一底面更高的一高度處。
- 如請求項1之結構,其中該支撐基板係藉由形成於該支撐基板及該載體之頂面上的線接合件而電連接至該載體。
- 如請求項1之結構,其中該支撐基板係藉由安置於該支撐基板之一頂面上的電連接件而電連接至該載體。
- 如請求項1之結構,其中該支撐基板係藉由安置於該支撐基板之至少一側面上的電連接件而電連接至該載體。
- 如請求項1之結構,其進一步包括安置於該半導體發光裝置上的一透鏡,其中該透鏡之一底面接觸該載體。
- 如請求項5之結構,其中該透鏡具有比該支撐基板更大的一橫向廣度。
- 如請求項5之結構,其中該透鏡係附接至該載體。
- 如請求項5之結構,其中該透鏡係模製於該半導體發光裝置、支撐基板及載體上。
- 如請求項8之結構,其中該透鏡將該支撐基板機械連接至該載體。
- 如請求項8之結構,其進一步包括在該載體中的一額外開口,其中該額外開口底切該載體之一表面,且其中透鏡材料係在模製期間安置於該額外開口中。
- 如請求項1之結構,其中該支撐基板係經組態以具有從該半導體發光裝置至該支撐基板之一底面的一導熱路徑。
- 如請求項1之結構,其中該開口延伸穿過該載體之一整個厚度。
- 如請求項1之結構,其中:一波長轉換元件係附接至該半導體發光裝置;且該波長轉換元件之一頂面係安置於比該載體之一頂面更高的一高度處。
- 一種用於承載一發光裝置之方法,該方法包括:提供安裝於一支撐基板上的一半導體發光裝置,其中該支撐基板係陶瓷;將該支撐基板定位於一載體中的一開口中;及經由該支撐基板之一頂面及該支撐基板之一側面之至少一者而將該載體機械連接至該支撐基板;其中該載體之一底面係安置於比該支撐基板之一底面更高的一高度處。
- 如請求項14之方法,其中將該載體機械連接至該支撐基板包括將該載體膠合至該支撐基板。
- 如請求項14之方法,其中將該載體機械連接至該支撐基板包括在該載體及支撐基板上模製一透鏡。
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