(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に回路層が配設されるとともに前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、この金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
前記金属層は、Ａｌの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下とされたアルミニウム板が前記セラミックス基板に接合されて構成されており、
前記ヒートシンクは、引張強さが２５０ＭＰａ以上、かつ、ヤング率が１３０ＧＰａ以下の銅又は銅合金で構成されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記ヒートシンクの他方の面側に積層配置された冷却器と、を備えていることを特徴とする冷却器付パワーモジュール用基板。
【請求項３】
請求項１に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えたことを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、セラミックス基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が配設されるとともに前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、銅又は銅合金からなるヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の中でも電力供給のためのパワー素子は、発熱量が比較的高いため、これを搭載する基板としては、例えば、特許文献１〜４に示すように、セラミックス基板の一方の面に回路層となるアルミニウムの金属板が接合され、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウムの金属板が接合されたパワーモジュール用基板が広く用いられている。
これらのパワーモジュール用基板においては、金属層の他方の面側にはんだ層を介して銅製の放熱板（ヒートシンク）が接合される。そして、この放熱板（ヒートシンク）が冷却器にネジ等によって固定される。
【０００３】
上述のパワーモジュールにおいては、その使用時に熱サイクルが負荷されることになる。ここで、パワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された場合には、金属層と放熱板（ヒートシンク）との間に介在するはんだ層に歪みが蓄積し、はんだ層にクラックが生じることになる。
そこで、従来は、アルミニウムの含有量が９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで金属層を構成することにより、上述の歪みを金属層の変形によって吸収し、はんだ層におけるクラックの発生防止を図っている。
ここで、４Ｎアルミニウムからなる金属層と銅からなる放熱板（ヒートシンク）との間に介在されるはんだ層内部の歪み分布を計算した結果、金属層の広い範囲に歪みが分布しており、歪みが広く分散され、歪み量のピーク値が低くなることが確認される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１５２９６９号公報
【特許文献２】特開２００４−１５３０７５号公報
【特許文献３】特開２００４−２００３６９号公報
【特許文献４】特開２００４−２０７６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のように、金属層を４Ｎアルミニウム等の比較的変形抵抗の小さなアルミニウムで構成した場合、はんだ層の広い範囲でクラックが生じ、金属層とヒートシンクとの接合が不十分になって、冷熱サイクル負荷後に熱抵抗が上昇してしまうおそれがあった。これは、熱サイクルを負荷した際に金属層が必要以上に変形し、ヒートシンクとの間に介在するはんだ層に対してさらに歪みが負荷されてしまい、せっかく歪みを広く分散したにもかかわらず歪み量を十分に低減することができなくなったためと推測される。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、半導体素子等の電子部品からの発熱量が大きくなっているため、熱サイクルの温度差が大きく、はんだ層の広い範囲でクラックが生じやすい傾向にある。
【０００６】
また、銅のヒートシンクは、接合時において反るように塑性変形することがある。すると、冷却器とヒートシンクとを密着するように積層配置することができなくなり、積層方向の熱抵抗が上昇し、効率的に冷却ができないといった問題があった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、アルミニウムからなる金属層と銅からなるヒートシンクとの間に介在されるはんだ層におけるクラックの発生及び進展を抑制でき、かつ、ヒートシンクの反りを低減することにより、金属層とヒートシンクとが十分に接合され、冷熱サイクル負荷後における金属層とヒートシンクとの間の熱抵抗の上昇を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究を行った結果、金属層を純度が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下（いわゆる２Ｎアルミニウム）を用いることによって、４Ｎアルミニウムを用いた場合と比較して金属層の変形を抑制可能であるとの知見を得た。また、２Ｎアルミニウムからなる金属層と銅からなるヒートシンクとの間に介在されるはんだ層内部の歪み分布を確認した結果、金属層の周縁部において歪み量が高く、金属層の内側領域での歪み量が低くなるとの知見を得た。
【０００９】
本発明は、かかる知見に基いてなされたものであって、本発明に係るヒートシンク付パワーモジュール用基板は、セラミックス基板の一方の面に回路層が配設されるとともに前記セラミックス基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が配設されたパワーモジュール用基板と、この金属層の他方の面側にはんだ層を介して接合されたヒートシンクと、を備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層は、Ａｌの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下とされたアルミニウム板が前記セラミックス基板に接合されて構成されており、前記ヒートシンクは、引張強さが２５０ＭＰａ以上、かつ、ヤング率が１３０ＧＰａ以下の銅又は銅合金で構成されていることを特徴としている。
【００１０】
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板によれば、金属層は、Ａｌの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下とされたアルミニウム板が前記セラミックス基板に接合された構成とされているので、熱サイクル負荷後に金属層の変形が抑制され、はんだ層におけるクラックの発生を抑制できる。一方、Ａｌの含有量が９９．０質量％未満では、Ａｌの塑性変形が不十分で、十分な応力緩衝効果が得られず、セラミックスやはんだ層にクラックが発生する理由から冷熱サイクル後の熱抵抗が上昇してしまう。また、９９．８５質量％を超えると熱サイクル負荷後に金属層の変形からはんだ層でクラックが発生し、接合率が低下し、熱抵抗が上昇してしまう。これらの理由よりＡｌの含有量は９９．０質量％以上９９．８５質量％以下の範囲とした。
また、引張強さが２５０ＭＰａ以上の銅又は銅合金で構成されたヒートシンクを備えているので、ヒートシンクが弾性変形し易く、かつ、塑性変形がしにくくなる。すなわち、ヒートシンクの弾性変形領域が広くなるのである。よって、ヒートシンクが弾性変形することにより、はんだ層に生じる歪み量を低減することができ、金属層の周縁部において発生したクラックが金属層の内側領域にまで進展することを抑制できる。
また、ヒートシンクが反るように塑性変形することが抑制されることになり、ヒートシンクを冷却器に密着するように積層配置することができる。
一方、２５０ＭＰａ未満の銅又は銅合金で構成するとヒートシンクに反りが発生し、初期の熱抵抗が上昇してしまう。これらの理由よりヒートシンクは引張強さが２５０ＭＰａ以上の銅又は銅合金で構成することとした。
以上のことから、金属層とヒートシンクとが十分に接合され、冷熱サイクル負荷後における金属層とヒートシンクとの間の熱抵抗の上昇を抑制することが可能となる。
なお、金属層を構成するアルミニウム板においては、Ａｌの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下とされており、主な不純物としてはＦｅ，Ｃｕ，Ｓｉが挙げられる。また、ヒートシンクとしては、板状の放熱板、内部に冷媒が流通する冷却器、フィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなど、熱の放散によって温度を下げることを目的とした金属部品が含まれる。
【００１１】
本発明に係る冷却器付パワーモジュール用基板は、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、前記ヒートシンクの他方の面側に積層配置された冷却器と、を備えていることを特徴としている。
この構成の冷却器付パワーモジュール用基板によれば、熱伝導性に優れた銅製のヒートシンクを備えているので、パワーモジュール用基板からの熱を効率的に拡げて放散させることができる。また、金属層と冷却器との間に介在するはんだ層においてクラックの発生及び進展が抑制されるので、パワーモジュール用基板側の熱を確実に冷却器へと伝導させることができる。
【００１２】
本発明に係るパワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、このヒートシンク付パワーモジュール用基板上に搭載される電子部品と、を備えていることを特徴としている。
この構成のパワーモジュールによれば、金属層と冷却器との間に形成されたはんだ層におけるクラックの発生及び進展を抑制できるので、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アルミニウムからなる金属層と銅からなるヒートシンクとの間に介在されるはんだ層におけるクラックの発生及び進展を抑制でき、かつ、ヒートシンクの反りを低減することにより、金属層とヒートシンクとが十分に接合され、冷熱サイクル負荷後における金属層とヒートシンクとの間の熱抵抗の上昇を抑制することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を備えた冷却器付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュールの概略説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びパワーモジュールを示す。
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設されたパワーモジュール用基板１０と金属層１３の他方の面（図１において下面）にはんだ層１７を介して接合された放熱板１８とを有するヒートシンク付パワーモジュール用基板２０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）にチップ用はんだ層２を介して接合された半導体チップ３と、放熱板１８の他方の面側に配設された冷却器４０と、を備えている。なお、本実施形態では、ヒートシンクとして放熱板を用いた。
ここで、チップ用はんだ層２は、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層１２とチップ用はんだ層２との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００１６】
パワーモジュール用基板１０は、図１及び図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
【００１７】
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。なお、本実施形態では、図１及び図２に示すように、セラミック基板１１の幅は、回路層１２及び金属層１３の幅より広く設定されている。
【００１８】
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に、導電性を有する金属板２２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層１２は、アルミニウムの含有量が９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２２がセラミックス基板１１に接合されることにより形成されている。
なお、後述するように、金属板２２とセラミックス基板１１とは、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合されていることから、回路層１２のうちセラミックス基板１１との界面近傍には、Ｓｉが拡散された界面近傍層１２Ａが形成されている。この界面近傍層１２Ａにおいては、アルミニウムの含有量が９９．９９質量％未満となることがある。
【００１９】
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に、金属板２３が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層１３は、アルミニウムの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下のアルミニウム（いわゆる２Ｎアルミニウム）の圧延板からなる金属板２３がセラミックス基板１１に接合されることで形成されている。
なお、後述するように、金属板２３とセラミックス基板１１とは、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合されていることから、金属層１３のうちセラミックス基板１１との界面近傍には、Ｓｉが拡散された界面近傍層１３Ａが形成されている。この界面近傍層１３Ａにおいては、アルミニウムの含有量が９９．０質量％未満となることがある。
【００２０】
放熱板１８は、前述のパワーモジュール用基板１０からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。
ここで、本実施形態では、放熱板１８は、ヤング率が１３０ＧＰａ以下、かつ、引張強さが２５０ＭＰａ以上の銅又は銅合金で構成されている。具体的には、放熱板１８は、Ｃｕ−０．０４質量％Ｎｉ−０．１７質量％Ｃｏ−０．０５質量％Ｐ−０．１質量％Ｓｎ（ＣＤＡ  Ｎｏ．Ｃ１８６２０）で構成され、ヤング率が１２５ＧＰａ、引張強さが２５０ＭＰａ以上とされている。
【００２１】
冷却器４０は、図１に示すように、冷却媒体（例えば冷却水）を流通するための流路４１を備えている。冷却器４０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（アルミニウム合金）で構成されている。
なお、放熱板１８と冷却器４０とは、図１に示すように、グリース層（図示なし）を介して固定ネジ４５によって締結されている。
【００２２】
金属層１３と放熱板１８との間に介在されるはんだ層１７は、主成分であるＳｎと、このＳｎの母相中に固溶する固溶元素と、を含有する固溶硬化型のはんだ材で構成されている。本実施形態では、固溶元素としてＳｂを含有する、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだ材とされている。
なお、本実施形態では、金属層１３とはんだ層１７との間にＮｉメッキ層（図示なし）が設けられている。
【００２３】
以下に、前述の構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板２０の製造方法について、図３を参照して説明する。
【００２４】
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面側に、回路層１２となる金属板２２（４Ｎアルミニウムの圧延板）が、厚さ５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２４を介して積層される。
また、セラミックス基板１１の他方の面側に、金属層１３となる金属板２３（２Ｎアルミニウムの圧延板）が厚さ５〜５０μｍ（本実施形態では１４μｍ）のろう材箔２５を介して積層される。
なお、本実施形態においては、ろう材箔２４、２５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【００２５】
次に、前述のように積層した金属板２２、ろう材箔２４、セラミックス基板１１、ろう材箔２５、金属板２３を、その積層方向に加圧（圧力１〜５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で加熱炉内に装入して加熱する。すると、ろう材箔２４、２５と金属板２２、２３の一部とが溶融し、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面にそれぞれ溶融金属領域が形成される。ここで、加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。そして、加熱後に冷却することによって、金属板２２、２３とセラミックス基板１１との界面に形成された溶融金属領域を凝固させ、セラミックス基板１１と金属板２２及び金属板２３とを接合する。
このとき、ろう材箔２４、２５に含まれる融点降下元素（Ｓｉ）が金属板２２、２３側へと拡散する。
【００２６】
このようにして、回路層１２及び金属層１３となる金属板２２、２３とセラミックス基板１１とが接合され、本実施形態であるパワーモジュール用基板１０が製造される。
また、金属層１３においては、ろう材箔２５に含まれるＳｉが拡散することで界面近傍層１３Ａが形成される。同様に、回路層１２においては、ろう材箔２４に含まれるＳｉが拡散することで界面近傍層１２Ａが形成される。
【００２７】
次に、このパワーモジュール用基板１０の金属層１３の他方の面にＮｉめっき膜を形成した後に、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだ材を用いて放熱板１８をはんだ接合する。これにより、金属層１３と放熱板１８との間にはんだ層１７が形成され、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２０が製造される。
そして、このヒートシンク付パワーモジュール用基板２０の放熱板１８がグリース層（図示なし）を介して固定ネジ４５によって冷却器４０に締結される。これにより、本実施形態である冷却器付パワーモジュール用基板が製出される。
また、回路層１２の一方の面にチップ用はんだ層２を介して半導体チップ３を搭載する。これにより、本実施形態であるパワーモジュール１が製出される。
【００２８】
以上のような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板２０及びパワーモジュール１においては、金属層１３が、Ａｌの含有量が９９．０質量％以上９９．８５質量％以下とされた２Ｎアルミニウムからなる金属板２３をセラミックス基板１１に接合することで構成されているので、熱サイクル負荷後に金属層１３が容易に変形せず、はんだ層１７におけるクラックの発生を抑制できる。
【００２９】
また、放熱板１８は、引張強さが２５０ＭＰａ以上の銅又は銅合金で構成されているので、放熱板１８は、弾性変形し易く、かつ、塑性変形し難くなる。すなわち、放熱板１８の弾性変形領域が広くなるのである。よって、放熱板１８の弾性変形によって、はんだ層１７に生じる歪みを低減することができ、金属層１７の周縁部において発生したクラックが金属層１３の内側領域にまで進展することを抑制できる。ここで、放熱板１８は、ヤング率が１３０ＧＰａ以下であるものを選択することがより好ましい。
また、放熱板１８が反るように塑性変形することが抑制されるので、冷却器４０と放熱板１８とを密着させることができ、半導体チップ３の熱を冷却器４０に向けて効率的に放散させることができる。
【００３０】
さらに、本実施形態では、はんだ層１７が、主成分であるＳｎと、このＳｎの母相中に固溶する固溶元素と、を含有する固溶硬化型のはんだ材で構成されており、本実施形態では、固溶元素としてＳｂを含有する、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだ材で構成されているので、はんだ層１７の母相の強度が高くなり、かつ、熱サイクルが負荷された場合であってもはんだ層１７の母相の強度が確保されることになる。よって、金属層１３の周縁部においてはんだ層１７にクラックが生じた場合であっても、このクラックが金属層１３の内側領域にまで進展することを抑制できる。
【００３１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本発明の実施形態としては、ヒートシンクとして放熱板を用いて説明したが、図１に示す構成の冷却器に直接接合する場合、又はヒートシンクとしてフィンが形成された液冷、空冷放熱器、ヒートパイプなどを用いてもよい。
【００３２】
また、回路層となる金属板及び金属層となる金属板と、セラミックス基板と、をろう材箔を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、過渡液相接合（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合したものであってもよい。
さらに、はんだ層を、主成分であるＳｎと、このＳｎの母相中に固溶する固溶元素と、を含有する固溶硬化型のはんだ材、より具体的には、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだ材で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、他のはんだ材で構成されたものであってもよい。
また、回路層をアルミニウムで構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、回路層を銅又は銅合金で構成してもよい。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の効果を確認すべく実施した確認実験の結果について説明する。
表１に示すヒートシンク付パワーモジュール用基板を製造し、接合率、放熱板（ヒートシンク）の反り、冷熱サイクル前後の定常熱抵抗について評価した。
【００３４】
【表１】
0005962147.tif 000002
【００３５】
ここで、回路層及び金属層のサイズは３７ｍｍ×３７ｍｍとし、セラミックス基板のサイズは４０ｍｍ×４０ｍｍとした。
ヒートシンクとして放熱板を用い、その放熱板のサイズは、７０ｍｍ×７０ｍｍ×３ｍｍとして。また、放熱板と金属層との間のはんだ層の厚さを０．４ｍｍとした。なお、はんだ層は、Ｓｎ−５質量％Ｓｂはんだ材を用いた。
【００３６】
また、放熱板の反り量については、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製のサーモレイＰＳ４００を用いて、はんだ付け後の放熱板裏側の形状を計測した。
熱抵抗は、回路層の中央部にヒータチップをはんだ付けするとともに、放熱板を冷却器にボルトで締結し、ヒータチップに１００Ｗの通電を行って、ヒータチップの表面温度を熱電対で計測し、冷却器を流通する冷媒の温度とヒータチップの表面温度との差を１００Ｗで割った値とした。
金属層と放熱板との間の接合率は、超音波探傷装置を用いて、以下の式を用いて接合率を求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち金属層面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
なお、接合率は、冷熱サイクル負荷前と負荷後で測定した。
冷熱サイクルは、冷熱衝撃試験機エスペック社製ＴＳＢ−５１を使用し、液相（フロリナート）で、−４０℃×５分←→１２５℃×５分を２０００サイクル実施した。
【００３７】
評価結果を表２に示す。
【００３８】
【表２】
0005962147.tif 000003
【００３９】
金属層を４Ｎアルミニウムで構成した比較例１においては、冷熱サイクル負荷後に、接合率が低下していることが確認される。はんだ層の広い範囲でクラックが発生したためと推測される。また、熱抵抗の上昇も認められる。
また、金属層をＡ３００３合金で構成した比較例３においては、冷熱サイクル後に熱抵抗が大きく上昇した。
さらに、放熱板の引張強さが２５０ＭＰａ未満とされた比較例２，４においては、放熱板の反りが大きく、冷熱サイクル負荷前の状態でも、熱抵抗が高かった。
これに対して、本発明例１〜８においては、冷熱サイクル負荷後でも接合率が低下せず、熱抵抗の上昇も認められなかった。また、放熱板の反りも十分に低減されていた。
【符号の説明】
【００４０】
１  パワーモジュール
３  半導体チップ（電子部品）
１０  パワーモジュール用基板
１１  セラミックス基板
１３  金属層
１７  はんだ層
１８  放熱板（ヒートシンク）  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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