MEMS器件封裝無鉛錫膏深圳福英達(dá)分享：MEMS 器件低應(yīng)力封裝技術(shù)

2022-02-18

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MEMS器件封裝無鉛超微錫膏深圳福英達(dá)分享：MEMS 器件低應(yīng)力封裝技術(shù)

錫膏_焊錫膏_超微焊料_助焊膏生產(chǎn)商-深圳福英達(dá)是一家集錫膏、錫膠及合金焊粉產(chǎn)、銷、研與服務(wù)于一體的綜合型錫膏供應(yīng)商, 是工信部焊錫粉標(biāo)準(zhǔn)制定主導(dǎo)單位，產(chǎn)品涵蓋超微無鉛印刷錫膏，超微無鉛點(diǎn)膠錫膏，超微無鉛噴印錫膏，超微無鉛針轉(zhuǎn)移錫膏，超微無鉛免洗焊錫膏，超微無鉛水洗錫膏，高溫焊錫膏，中高溫焊錫膏，低溫焊錫膏，7號錫膏、8號錫膏，低溫超微錫膠，中高溫錫膠，各向異性導(dǎo)電膠，金錫錫膏，金錫錫粉，多次回流錫膏，激光錫膏，微間距助焊膠，高溫?zé)o鉛錫膏，低溫錫鉍銀錫膏，低溫高可靠性錫膏，無鉛焊膏錫鉍銀錫膏/膠，SAC305錫膏，低溫高可靠性錫膏&錫膠，無銀&錫銅錫膏，超微焊粉，Low alpha無鉛焊料，Low alpha高鉛焊料，SMT粉，定制焊料。擁有從合金焊粉到應(yīng)用產(chǎn)品的完整產(chǎn)品線,可制造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的電子級封裝材料。

摘要：封裝是微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system, MEMS）研發(fā)過程中的最重要的環(huán)節(jié)之一。封裝決定了MEMS 器件的可靠性以及成本，是MEMS 器件實(shí)用化和商業(yè)化的關(guān)鍵。然而，封裝過程中引入的殘余應(yīng)力會造成MEMS 器件輸出信號的偏移，同時封裝應(yīng)力隨時間逐漸變化，嚴(yán)重影響MEMS 器件的可靠性以及長期穩(wěn)定性。因此，降低封裝應(yīng)力是實(shí)現(xiàn)MEMS 器件高性能和高穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素。簡要分析了芯片級封裝過程中MEMS 器件封裝應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，詳細(xì)介紹了目前國內(nèi)外降低應(yīng)力封裝技術(shù)和方法，并對于MEMS 器件低應(yīng)力封裝技術(shù)作出了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：MEMS；傳感器；低應(yīng)力封裝；可靠性；長期穩(wěn)定性

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical systems，MEMS）是一種將電和機(jī)械集成的微器件或微系統(tǒng)。MEMS 沿用集成電路（integrated circuit，IC）的微米/納米微加工工藝，是集合微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理、控制、通信等功能于一體的完整且復(fù)雜的系統(tǒng)。MEMS 具有體積小、功耗低、性能好，與IC 制作工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、醫(yī)療器械、信息通信、武器裝備以及國防安全等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。封裝技術(shù)決定了MEMS 器件的成本和可靠性，是MEMS 普遍實(shí)用化的基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)商業(yè)化成功的關(guān)鍵因素。一方面，封裝成本制約了MEMS 商業(yè)化發(fā)展。由于MEMS 器件種類多樣，同時大多數(shù)MEMS器件的封裝都是面向特定應(yīng)用，一種制造工藝和封裝工藝很難簡單的移植到其他MEMS 器件開發(fā)中，工業(yè)上MEMS 封裝沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這極大增加了MEMS 器件開發(fā)的技術(shù)難度和成本，一般MEMS僅封裝成本就占總成本的70% 以上。另一方面，MEMS 封裝的可靠性制約MEMS 普遍實(shí)用化。與IC不同，MEMS 一般包含精密可動微結(jié)構(gòu)，MEMS 封裝不僅需要提供必要的電學(xué)和其他物理場的互聯(lián)，還需對MEMS 結(jié)構(gòu)以及電連接等提供支持和保護(hù)，使之免受外部環(huán)境的干擾或破壞。封裝中面臨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝條件的選擇、熱力學(xué)效應(yīng)和多物理場耦合等問題。研究表明，在MEMS 系統(tǒng)中發(fā)生的可靠性問題50%來自電子封裝過程。

MEMS 封裝過程會引入額外的應(yīng)力，嚴(yán)重影響MEMS 器件的穩(wěn)定性和可靠性。封裝應(yīng)力是由于MEMS 器件材料與封裝材料之間熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）不匹配而產(chǎn)生。MEMS 芯片級封裝主要用于實(shí)現(xiàn)芯片電學(xué)連通，同時保護(hù)芯片免受外界環(huán)境的影響。MEMS 芯片級封裝一般包括芯片粘貼、引線鍵合、封蓋和氣密焊接等關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝，典型的MEMS 芯片級封裝截面示意圖如圖1 所示。

圖1 典型MEMS芯片級封裝截面示意圖

Fig.1 Schematic diagram of a typical MEMSchip scale package

研究表明，芯片粘接工藝是芯片級封裝中最主要的應(yīng)力來源，MEMS 芯片襯底材料、粘接材料和封裝基板之間的材料性能不匹配，特別是MEMS 器件襯底硅與封裝基板之間材料CTE 失配從而產(chǎn)生較大的封裝應(yīng)力。封裝應(yīng)力會直接造成芯片的翹曲和變形，進(jìn)而影響MEMS 器件的性能。對于一些應(yīng)力敏感的MEMS 器件如壓阻傳感器、壓力傳感器來說，封裝過程產(chǎn)生應(yīng)力直接作用于器件本身，直接影響其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于諧振器件或者慣性器件，如MEMS 諧振器、加速度計(jì)和陀螺儀等而言，由于封裝應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)幾何形變和等效剛度變化會改變器件的諧振頻率 和品質(zhì)因子（quality factor,Q），從而造成傳感器的輸出信號如刻度因子和零偏等產(chǎn)生漂移。當(dāng)器件上的應(yīng)力過大時，會導(dǎo)致MEMS 器件在界面區(qū)域產(chǎn)生裂紋、分層甚至失效，從而破壞MEMS 器件的互連，引起失效或引發(fā)長期的可靠性問題。

控制和減少封裝應(yīng)力對于提高對于應(yīng)力敏感的MEMS 器件如壓力傳感器、諧振器以及慣性器件的性能可靠性和長期穩(wěn)定性具有重要的意義。因此，本文主要聚焦于芯片粘接工藝，分析了芯片粘接工藝中封裝應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，同時從封裝材料、封裝工藝以及封裝結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)介紹了目前芯片粘接工藝中降低封裝應(yīng)力和提高應(yīng)力敏感MEMS 器件性能和穩(wěn)定性的方法，并對于MEMS 器件低應(yīng)力封裝技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 芯片粘接工藝中應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

芯片粘接工藝是通過粘接材料將芯片連接到封裝基板上的工藝過程。該工藝一般分為施膠、貼片和固化3 個步驟，首先將MEMS 芯片通過粘接材料固定于封裝基板，之后加熱整體結(jié)構(gòu)至固化溫度，最后冷卻至室溫即完成芯片粘接。從固化溫度冷卻到室溫的過程中，由于MEMS 襯底、粘接材料層和封裝基板之間的材料性能不匹配而產(chǎn)生了的殘余熱應(yīng)力，導(dǎo)致MEMS 封裝結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。在芯片粘接過程中，MEMS 芯片、粘接材料和封裝基板典型3 層結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 芯片粘接過程中典型的3層結(jié)構(gòu)

Fig.2 Typical three-layer structure in die attachment process

根據(jù)Suhir 理論，從純彎曲過程中彎曲力矩與彎曲曲率的關(guān)系出發(fā)，采用數(shù)值分析的方法推導(dǎo)出了芯片粘接過程中封裝應(yīng)力的解。在此3 層結(jié)構(gòu)中，每層材料的厚度和力學(xué)性能決定了整體的翹曲或撓度w( x) 如下式表示：

芯片粘接過程中的剪切應(yīng)力τ₀( x），可以精確地表示為：

芯片粘接過程中的剝離應(yīng)力σ₀( x)，可以精確地表示為：

其中，E_i 為第i 層材料的楊氏模量；G_i 為第i 層材料的剪切模量；v_i 為第i 層材料的泊松比；α_i 為第i 層材料的熱膨脹系數(shù)；t_i 為第i 層材料的厚度；t 為多層結(jié)構(gòu)總的厚度；Δα = α₃ - α₁，為芯片與封裝基板材料熱膨脹系數(shù)的差值；ΔT = T_o - T_ref，為工作溫度T_o 與固化溫度T_ref 的差值；

由式（1）、（2）和（3）可知，封裝熱應(yīng)力與冷卻過程中固化溫度與工作溫度差值以及芯片與封裝基板材料CTE 的差值成正比，同時封裝應(yīng)力與各層材料的彈性模量、泊松比以及厚度相關(guān)。

2 低應(yīng)力芯片粘接

基于封裝應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，為了降低MEMS 封裝過程中的封裝應(yīng)力，目前研究主要從封裝材料、封裝工藝以及封裝結(jié)構(gòu)等方面做出優(yōu)化，將針對上述3個方面介紹和分析低應(yīng)力芯片粘接方法。

2.1 封裝材料優(yōu)化

在芯片粘接工藝中MEMS 芯片材料、粘接材料和基板材料之間物理性能的差異是封裝應(yīng)力的來源。因此，封裝材料的選擇和優(yōu)化有利于降低封裝應(yīng)力。

2.1.1 粘接材料

常用的芯片粘接材料主要包括環(huán)氧樹脂、共晶焊料和摻金屬玻璃粘接劑等。環(huán)氧樹脂應(yīng)用于芯片的低溫粘接，由于環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱和導(dǎo)電性較差，通常在環(huán)氧樹脂中加入金屬粉末（如金和銀等）用于提高環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性；而共晶焊料和摻金屬玻璃粘接劑主要應(yīng)用于芯片的高溫粘接，適用于大功率器件，其粘接質(zhì)量較好，但成本較高。表1 為部分粘接材料的物理性質(zhì)，從中可以看出環(huán)氧樹脂的固化溫度低于摻銀玻璃粘接劑以及共晶焊料，采用環(huán)氧樹脂粘接材料所引起的封裝應(yīng)力更小。

表1 部分粘接材料物理性質(zhì)

Table 1 Physical properties of some adhesive materials

Walwadka 等研究了芯片粘接工藝中粘接材料的楊氏模量和CTE 對于封裝應(yīng)力引起的芯片形變的影響。結(jié)果表明，粘接材料的CTE 對于封裝應(yīng)力影響不大，粘接材料的彈性模量越小，應(yīng)力越小。降低粘接材料的固化溫度和楊氏模量能明顯降低MEMS器件封裝應(yīng)力?；诖耍琄?niger 等提出了一種基于丙烯酸酯的低溫固化、低楊氏模量以及具有高粘結(jié)強(qiáng)度的低應(yīng)力粘接材料。該新型粘接材料楊氏模量低至0.1GPa，同時固化溫度為降至100℃ ，有效降低了MEMS 封裝應(yīng)力。目前，德國的Henkel、美國的ZYMET 和EPOXY 等公司已經(jīng)開發(fā)出了用于MEMS低應(yīng)力封裝的環(huán)氧樹脂，低楊氏模量粘接材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，降低粘接材料彈性模量只適用于環(huán)氧樹脂型粘接材料，低楊氏模量的環(huán)氧樹脂中并未摻入金屬粉末，因此其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能很差，不適用于高可靠性封裝應(yīng)用。

錫銀銅SAC錫膏   錫銀銅 SACS錫膏     錫鉍銀SnBiAg錫膏     錫鉍銀銻SnBiAgSb錫膏  錫鉍銀SnBiAgX錫膏  錫鉍SnBi錫膏     BiX 錫膏  金錫AuSn錫膏     錫銻SnSb錫膏     含鉛 SnPb錫膏      各向異性導(dǎo)電錫膠    微間距助焊膠

2.1.2 基板材料

封裝基板材料與MEMS 芯片材料之間的CTE 差值是封裝應(yīng)力的最主要來源，減小基板與芯片之間的CTE 的差值能有效減小封裝應(yīng)力。常用MEMS 芯片材料的物理性質(zhì)如表2 所示，表3 為常用的封裝基板材料物理性質(zhì)參數(shù)。

表2 常用MEMS 芯片材料物理性質(zhì)

Table 2 Physical properties of commonly usedMEMS chip materials

表3 常用封裝基板材料物理性質(zhì)

Table 3 Physical properties of commonly usedsubstrate materials

孫志國等探究了FR-4（印刷電路板）基板和Al₂O₃陶瓷基板在芯片粘接固化過程中MEMS 硅芯片表面的應(yīng)力，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明采用與硅CTE 差值較小的陶瓷基板能顯著降低封裝應(yīng)力。合理選擇與MEMS 芯片材料CTE 相近的封裝材料能有效降低封裝應(yīng)力，然而，在實(shí)際MEMS 器件研發(fā)中，很難使得封裝基板材料和MEMS 芯片材料CTE 完美匹配，封裝應(yīng)力不可避免。此外，低熱膨脹系數(shù)的封裝基板材料價格昂貴，不利于低成本MEMS 器件的商業(yè)化應(yīng)用。

表4 采用不同封裝基板材料下封裝應(yīng)力

Table 4 Packaging stress under different substrate materials

2.2 封裝工藝優(yōu)化

芯片粘接工藝中，封裝應(yīng)力主要是在固化冷卻過程中產(chǎn)生，優(yōu)化芯片粘貼工藝能減小封裝應(yīng)力。
Frutschy 等提出一種基于熱脈沖技術(shù)局部快速加熱芯片和粘接材料的方法用于降低封裝應(yīng)力。通過控制熱脈沖功率和時間使得芯片和粘接材料快速達(dá)到固化溫度，由于熱傳導(dǎo)時間較短，此時基板的溫度相對較低，在固化降溫時，冷卻過程中基板與芯片結(jié)構(gòu)之間因熱位移失配而產(chǎn)生的應(yīng)力可相應(yīng)減少。圖3為此方法與傳統(tǒng)熱固化工藝下芯片翹曲結(jié)果對比，可以看出，當(dāng)加熱時間小于1 s 時，芯片的整體翹曲與傳統(tǒng)工藝方法相比降低了50%。此方法能有效降低封裝應(yīng)力，但由于工藝步驟復(fù)雜和成本高昂，限制了其廣泛應(yīng)用。

圖3 傳統(tǒng)粘接工藝和不同脈沖加熱時間粘接工藝下芯片翹曲對比

Fig.3 Comparison of chip warpage using traditional dieattachment and pulse laser heating bonding process

Walwadkar 等提出了一種熱循環(huán)固化工藝方法用于降低封裝應(yīng)力。粘接材料為銀玻璃粘接劑。在完成芯片粘接后，采用熱循環(huán)（1～400℃）的方法對整體芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明封裝應(yīng)力在熱循環(huán)過程中明顯下降。銀玻璃膠在熱循環(huán)下產(chǎn)生了應(yīng)力松弛，熱循環(huán)起到了降低封裝應(yīng)力的作用。然而，該方法僅適用于銀玻璃粘接材料。

2.3 封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)是降低MEMS 封裝應(yīng)力中最常用的方法。優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)可以改變封裝應(yīng)力的分布和傳導(dǎo)，進(jìn)而減小應(yīng)力對于MEMS 器件的影響。芯片和封裝材料之間的封裝應(yīng)力主要通過粘接材料來傳遞。圖4 為仿真芯片粘接工藝中改變粘接面積下MEMS 芯片頂面的應(yīng)力變化，可以看出，隨著粘接面積減小，MEMS 芯片所受到的封裝應(yīng)力越小。Li 等通過減少粘接面積的方式直接降低了封裝應(yīng)力對于MEMS 加速度計(jì)性能的影響，該低應(yīng)力封裝方式方法已經(jīng)成功應(yīng)用于摩托羅拉MEMS 器件的批量封裝。

圖4 仿真芯片粘接工藝中改變粘接面積下MEMS芯片頂面的應(yīng)力變化

Fig.4 Simulated stress on the top surface of the chip under different bonding areas in die attachment

加州大學(xué)歐文分校Prikhodko 等研究了采用Au-Sn 共晶合金焊料進(jìn)行芯片粘接時，粘接面積變化下封裝應(yīng)力對于MEMS 陀螺儀形變和性能的影響。實(shí)驗(yàn)對比了整面粘貼和較小粘接面積兩種情況下芯片粘接后陀螺儀器件的結(jié)構(gòu)形變，如圖5 所示。整面粘貼結(jié)構(gòu)下器件梁結(jié)構(gòu)明顯發(fā)生變形，如圖5（a）所示。減小芯片粘接面積后MEMS 器件結(jié)構(gòu)形變?nèi)鐖D5（b）所示，MEMS 陀螺儀的梁結(jié)構(gòu)幾乎沒有形變。說明減小粘接面積能明顯降低MEMS 器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和形變。同時，通過減小陀螺儀粘接面積，諧振式陀螺儀器件的頻率漂移減小至20%，有效提高了MEMS 陀螺儀的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 不同粘接面積下由封裝應(yīng)力導(dǎo)致MEMS器件結(jié)構(gòu)形變

Fig.5 The structural deformation of MEMS devices induced by packaging stress under different bonding areas

日本橫河電機(jī)公司Samejima 等提出了一種帶熱應(yīng)力補(bǔ)償基板結(jié)構(gòu)用于補(bǔ)償MEMS 壓力傳感器的封裝應(yīng)力，如圖6 所示，其封裝結(jié)構(gòu)如圖6（a）和（b）所示。該應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)為帶凹腔的基板結(jié)構(gòu)。其工作原理如圖6（c）所示，將硅芯片粘貼在熱應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的基板上時，當(dāng)基板結(jié)構(gòu)受熱膨脹時，熱應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下端受到拉應(yīng)力而使上端凹陷，此結(jié)構(gòu)變化會使芯片下端產(chǎn)生壓應(yīng)力，此壓應(yīng)力會抵消芯片因熱膨脹而產(chǎn)生的拉應(yīng)力；同理，當(dāng)基板受冷收縮時，熱應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下端受到壓應(yīng)力，熱應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)上端突起，在芯片下端產(chǎn)生拉應(yīng)力，會補(bǔ)償芯片因冷收縮而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，從而起到降低應(yīng)力的作用。采用傳統(tǒng)芯片粘接工藝下，由封裝應(yīng)力所導(dǎo)致的壓力傳感器輸出誤差高達(dá)250 με/K，而采用熱應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的壓力傳感器輸出誤差降至6 με/K，該方法有效降低了封裝應(yīng)力對于壓力傳感器輸出誤差的影響。

Marinis 等通過在陶瓷基板上加入柔性金屬中間介質(zhì)層結(jié)構(gòu)用于降低芯片粘接應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。中間層結(jié)構(gòu)可以減少芯片與陶瓷基板之間的熱膨脹失配，起到應(yīng)力隔離的作用。與傳統(tǒng)粘貼方式相比，加入柔性金屬中間層結(jié)構(gòu)下由于應(yīng)力引起的芯片翹曲降低了5 倍左右，大幅度減少了粘接過程引起的應(yīng)力。

Schr?der 等提出了一種雙面引線鍵合法用于MEMS 陀螺儀低應(yīng)力封裝。該方法利用雙面引線鍵合工藝替代了傳統(tǒng)芯片粘接工藝。MEMS 芯片是通過封裝外框引出數(shù)條金屬引線，實(shí)現(xiàn)電學(xué)導(dǎo)通的同時，將MEMS 芯片的上、下端面進(jìn)行固定。該方法通過導(dǎo)線點(diǎn)固定MEMS 芯片，大幅度降低了與基板之間的粘接面積，能起到良好的應(yīng)力隔離作用。采用雙面引線鍵合方式下由應(yīng)力所引起的MEMS 陀螺儀芯片形變明顯減小，說明此方法能有效降低由應(yīng)力引起的芯片翹曲。通過優(yōu)化鍵合線的數(shù)量，該方法能減少M(fèi)EMS 陀螺儀的共振模式，降低了雜模態(tài)對于MEMS 陀螺儀性能的影響。然而，此方法增加了工藝的復(fù)雜性，不利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量制造。

3 結(jié)論

MEMS 封裝涉及機(jī)械、材料、力學(xué)、熱物理及電子信息等多學(xué)科與多領(lǐng)域交叉，粘接過程中材料選擇、工藝和封裝結(jié)構(gòu)的不合理都會導(dǎo)致封裝應(yīng)力的產(chǎn)生。封裝應(yīng)力嚴(yán)重影響對于應(yīng)力敏感器件如MEMS 壓力傳感器、諧振器以及慣性器件的穩(wěn)定性和可靠性。本文同時從封裝材料、封裝工藝以及封裝結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)介紹了目前芯片粘接工藝中降低封裝應(yīng)力的方法，目前降低封裝應(yīng)力的方法仍然存在一些局限性，低應(yīng)力封裝材料只適用于特定的應(yīng)用場合，封裝工藝以及結(jié)構(gòu)普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高等缺點(diǎn)。

隨著MEMS 器件應(yīng)用的不斷發(fā)展，工業(yè)中對于應(yīng)力敏感的MEMS 器件的精度和穩(wěn)定性要求不斷提高。低成本和通用性的低應(yīng)力封裝技術(shù)仍是一個挑戰(zhàn)。未來降低封裝應(yīng)力的手段主要集中于兩個方面，一是新型封裝材料的研發(fā)，應(yīng)致力于開發(fā)通用性好的低應(yīng)力粘接材料以及與MEMS 芯片材料CTE 完美匹配的封裝基板材料，才能從根本上減小封裝應(yīng)力；二是封裝結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，主要集中于應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)和應(yīng)力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的開發(fā)。在此基礎(chǔ)上，需具體考慮不同種類MEMS 傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，同時兼顧封裝方法的成本和復(fù)雜性，才能提出對應(yīng)的降低應(yīng)力的有效方法。

作者：吳忠燁，楊尚書，吳國強(qiáng)

（武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院）

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