JP5577585B2 - Substrate holding member, bonding apparatus, and bonding method - Google Patents
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Description
本発明は、基板保持部材および接合装置に関する。 The present invention relates to a substrate holding member and a bonding apparatus.
半導体装置の実効的な実装密度を向上させる技術のひとつとして、複数のダイを積層して形成される積層型半導体装置がある。積層型半導体装置の製造においては、相互に位置合わせされたダイまたはウエハを接合した後、圧力を加えて接合を安定化させる。特許文献1には、基板保持部材に保持させた基板を熱間で加圧する加圧装置が記載される。
ウエハは脆い材料なので加圧した場合に応力分布が生じることは好ましくない。そこで、加圧装置は、加圧部または基板保持部材の表面を高度に平坦にして、ウエハにかかる圧力を均一にしている。しかしながら、加圧された基板の外周縁部には依然として高い圧力がかかる場合があった。また、その反動で、高い圧力がかかる領域に隣接して、圧力が低下する領域が生じるので、基板全面を漏れなく接合するには、よりも高い圧力をかけることが求められる場合があった。 Since a wafer is a brittle material, it is not preferable that stress distribution occurs when it is pressurized. Therefore, the pressurizing device makes the surface of the pressurizing unit or the substrate holding member highly flat to make the pressure applied to the wafer uniform. However, high pressure may still be applied to the outer peripheral edge of the pressurized substrate. In addition, the reaction causes a region where the pressure decreases adjacent to a region where high pressure is applied. Therefore, in order to join the entire substrate without leakage, it may be required to apply higher pressure.
上記課題を解決すべく、本発明の第1の態様として、基板に接して当該基板を保持する保持面を有する板状部材と、保持面において基板を保持する保持領域の外周に沿って配され、保持面から突出する受圧部材とを備える基板保持部材が提供される。 In order to solve the above-mentioned problem, as a first aspect of the present invention, a plate-like member having a holding surface for holding the substrate in contact with the substrate and an outer periphery of the holding region for holding the substrate on the holding surface are arranged. A substrate holding member provided with a pressure receiving member protruding from the holding surface is provided.
また、本発明の第2の態様として、一対の上記基板保持部材と、一対の基板保持部材に各々保持されて一対の基板保持部材の間に挟まれた一対の基板に、板状部材を介して圧力を加える加圧部とを備え、当該一対の基板を圧着させる接合装置が提供される。 Further, as a second aspect of the present invention, a pair of substrate holding members and a pair of substrates respectively held between the pair of substrate holding members and sandwiched between the pair of substrate holding members via a plate-like member. And a pressurizing unit that applies pressure, and a bonding apparatus that crimps the pair of substrates is provided.
更に、本発明の第3の態様として、基板と、当該基板の厚さと等しい厚さを有して当該基板の周囲に配された受圧部材とに接して当該基板を加圧する加圧面を備えた接合装置が提供される。 Furthermore, as a third aspect of the present invention, there is provided a pressing surface that pressurizes the substrate in contact with a substrate and a pressure receiving member that has a thickness equal to the thickness of the substrate and is arranged around the substrate. A joining device is provided.
図1は、接合装置100全体の構造を模式的に示す図である。接合装置100は、基盤110と、基盤110の上に搭載された下部組立体120および計測部140と、下部組立体120の上に更に搭載された上部組立体130とを有する。また、接合装置100には、それぞれが基板220を保持した一対の基板ホルダ210と、基板ホルダ210に基板220と共に保持された受圧部材230とが装填される。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating the entire structure of the
下部組立体120は、支柱122、下部フレーム124、ロードセル126および圧力伝達部128を有する。支柱122は、基盤110に下端を支持され、基盤110から垂直に起立する。
The
下部フレーム124は、支柱122の上端に両側端を支持される。下部フレーム124の略中央にはロードセル126が搭載され、更に、その上に圧力伝達部128が搭載される。これにより、ロードセル126は、圧力伝達部128に鉛直に加わった圧力の大きさを検出する。
The
また、下部フレーム124は、互いに対向する内側端面の上端近傍にベアリング123を備える。ベアリング123は、側方から圧力伝達部128に接して、下部フレーム124に対する圧力伝達部128の位置を安定させつつ、圧力伝達部128の円滑な昇降を許す。
Further, the
圧力伝達部128は、上面近傍にヒータユニット121を埋設される。ヒータユニット121は、圧力伝達部128の上面に搭載された基板ホルダ210を介して基板220を加熱する。なお、ヒータユニット121は、独立した部材として、圧力伝達部128の上に搭載され、更に、基板ホルダ210が積層して搭載される場合もある。
The
上部組立体130は、支柱132、上部フレーム134、シリンダ136および圧力伝達部138を有する。シリンダ136および支柱132は、下部フレーム124の上端面に支持され、それぞれ垂直に起立する。
The upper assembly 130 includes a
上部フレーム134は、ベアリング133を介して、支柱132により側方から位置決めされる。これにより、シリンダ136に作動流体が供給または排出された場合に、上部フレーム134は鉛直に円滑に昇降する。
The
また、上部フレーム134は、下端をシリンダ136に支持されて、下部フレーム124よりも上方に延在する。上部フレーム134の略中央には圧力伝達部138が懸架される。更に、圧力伝達部138の下面近傍にヒータユニット131が埋設される。
The
なお、ヒータユニット121、131としては、セラミックヒータ、カートリッジヒータ等を使用できる。また、圧力伝達部128、138の内部に流路を設け、加熱した媒体を流通させて加熱する構造としてもよい。更に、ヒータユニット121、131に温度センサを設けて加熱温度を管理してもよい。
As the
基板ホルダ210の各々は、静電吸着等により基板220および受圧部材230を保持して、基板220と一体的に取り扱うことができる。これにより、多くの場合は脆い基板220の取り扱いを容易且つ安全にする。基板220としては、Siウエハ、化合物半導体基板、ガラス基板を例示できるが、これらに限定されるわけではない。
Each of the
接合装置100においては、下部組立体120の圧力伝達部128の上面に一方の基板ホルダ210が保持される。また、上部組立体130の圧力伝達部138の下上面に他方の基板ホルダ210が保持される。圧力伝達部128、138による基板ホルダ210の保持は、静電吸着、負圧吸着等による。一対の基板ホルダ210は、それぞれ基板220および受圧部材230を保持する。
In the
計測部140は、例えばレーザ干渉計等の精密な測定機器を有し、接合装置100において接合される基板220の状態を計測する。ここでいう状態とは、接合される基板220の間隔、傾き、表面性状等を意味する。計測部140による計測結果に応じて、例えば、シリンダ136へ供給され、また、シリンダ136から排出される作動流体が制御される。また、基板220の極端に大きな傾き等が検出された場合に接合装置100を停止させる安全装置の一部としても使用される。
The
図2は、接合装置100の動作を示す図であり、図1に対照して描かれる。シリンダ136から作動流体が排出された場合、上部フレーム134は、シリンダ136に引きつけられて降下する。これにより、圧力伝達部138および基板ホルダ210も降下して、基板220に上方から圧力を加える。これにより、一対の基板220が、受圧部材230と共に圧接される。
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the
また、上記の動作と並行してヒータユニット121、131が動作する。これにより、基板ホルダ210を介して基板220が加熱される。こうして、一対の基板220は恒久的に接合される。
In addition, the
なお、基板220に加わる圧力はロードセル126により検出される。これにより、所要の圧力を正確に加えて基板220を接合できる。また、計測部140により、基板220の間隔、傾き等を監視しつつ接合できるので、接合により形成される積層型半導体装置の歩留りを向上させることができる。
The pressure applied to the
図3は、基板220および受圧部材230を保持する基板ホルダ210の形状を示す斜視図である。基板ホルダ210は、全体として円板状をなす。基板ホルダ210は、基板220と、後述する受圧部材230とを保持する保持面212と、保持面212の径方向外側に向かって延在するフランジ部214とを有する。
FIG. 3 is a perspective view showing the shape of the
保持面212は平坦に仕上げられている。また、図示されていないが、保持面212においては、基板ホルダ210の内部に、基板220および受圧部材230を静電吸着する場合に電圧を印加する電極が埋設されている。
The
フランジ部214は、保持面212と同じ厚さを有し、挿通穴216、基準標識217、バーコード218等を有する。挿通穴216は、基板220を接合した後で基板ホルダ210を取り外す場合に工具を挿通する。基準標識217は、位置決めの基準となる記号を記した透明基板が埋め込まれる。記号は、基板ホルダ210の位置合わせ、基板ホルダ210に対する基板220の相対位置の計測等の場合に参照される。バーコード218は、基板ホルダ210の個体を識別する場合に読み取られる。
The
これら挿通穴216、基準標識217、バーコード218等は、接合装置100の仕様に応じて取捨選択される。また、更に他の部材がフランジ部214に設けられる場合もある。更に、フランジ部214自体も、基板220を搭載した状態で基板ホルダ210を搬送する場合に把持する手がかりとして使用される場合がある。
The
このように、フランジ部214は、単なる基板220の保持の他に、様々な機能を与えて利用される。なお、保持面212およびフランジ部214は、例えば絶縁性のセラミックス材等により、全体として一体的に成形される。
As described above, the
受圧部材230は、薄い環状の形態を有する。受圧部材230の内側の形状は、接合する基板220の外形に倣った形状を有する。このため、基板ホルダ210の保持面212上に、基板220と共に受圧部材230を載せた場合、基板ホルダ210および受圧部材230の間の間隙は小さい。
The
また、受圧部材230の外形は、基板ホルダ210の保持面212と略等しい大きさと形状を有する。なお、この実施形態では、基板220のオリエンテーションフラットに沿った部分に限って、受圧部材230の形状は直線状になるが、受圧部材230の外形は、基板220の外形に倣った形状に限定されるわけではない。更に、受圧部材230は、対応する基板220と同じ厚さを有するが、この点については後述する。
In addition, the outer shape of the
図4は、図3に示した部材を積層して接合装置100に装入した状態を示す断面図である。基板220および受圧部材230は、それぞれ基板ホルダ210に保持され、更に、基板220および受圧部材230が相互に対向するように、一対の基板ホルダ210が対向して積層される。
4 is a cross-sectional view showing a state in which the members shown in FIG. The
受圧部材230の各々は、それぞれが包囲する基板220と同じ厚さを有する。換言すれば、受圧部材230は、基板ホルダ210の保持面212から、基板220の厚さと同じ高さまで突出している。
Each of the
基板220は保持面212の中央に保持される。受圧部材230は、基板220の外側直近に、基板220と共に保持面212に保持される。一対の基板ホルダ210は、互いに積層されたそれぞれ一対の基板220および受圧部材230を挟む。接合装置100の圧力伝達部128、138は、これら基板220、受圧部材230および基板ホルダ210を更に挟んで、後述するように加圧する。
The
ここで、基板ホルダ210は、保持面212の外側にフランジ部214を有する。このため、フランジ部214は、受圧部材230の外側まで延在する。なお、圧力伝達部128、138は、基板ホルダ210の外径よりも更に大きな径を有する。このため、接合装置100が動作した場合、基板ホルダ210の背面は、全面にわたって加圧される。
Here, the
図5は、図4の一部を拡大して示す図である。即ち、図5は、図4における受圧部材230近傍を拡大して示す図である。接合装置100の圧力伝達部128、138は、基板220および受圧部材230を挟んだ基板ホルダ210を加圧しているものとする。
FIG. 5 is an enlarged view showing a part of FIG. That is, FIG. 5 is an enlarged view showing the vicinity of the
図示のように、下側の圧力伝達部128は、基板220および受圧部材230を保持した基板ホルダ210の背面に当接している。また、上側の圧力伝達部138は、基板220および受圧部材230を下面に保持した基板ホルダ210の背面に当接している。一対の基板ホルダ210の間には、積層された一対の基板220が挟まれている。圧力伝達部128、138は相互に接近する方向に圧力を加えており、基板ホルダ210の各部には応力P0が生じている。
As shown in the drawing, the lower
上記の応力P0は、基板ホルダ210を介して、基板220および受圧部材230に圧力として作用する。しかしながら、基板ホルダ210は、基板220および受圧部材230よりも径が大きいので、受圧部材230外側のフランジ部214においては、基板ホルダ210の間が空いている。この間隙は、接合された基板220から基板ホルダ210を取り外す場合の手がかりとなる。
The stress P 0 acts as a pressure on the
圧力伝達部128、138は、基板ホルダ210の背面全体に圧力を加えている。保持面212においては、基板220および受圧部材230からの反力を受けて、基板ホルダ210は厚さ方向に圧縮変形する。これに対して、間に間隙を有するフランジ部214では、加えられた圧力P0が、基板ホルダ210を曲げ変形させる。このため、図中で点線Aで囲った領域では、圧縮変形する保持面212と曲げ変形するフランジ部214との境界において、基板ホルダ210に応力分布が生じる。
The
図6は、接合装置100において加圧された部材の縁部に生じる圧力分布を示すグラフである。ここでは、半径100mmの基板220加圧した場合に生じる圧力分布を示す。グラフの横軸は、円板の中心からの距離を表す。
FIG. 6 is a graph showing a pressure distribution generated at an edge portion of a member pressed in the
図示のように、基板220の周縁部直近では、外縁に向かって上昇する大きな応力が生じていることが判る。また、外縁における応力集中と引き換えに、外縁に続く半径90mm以上の領域においては応力が減少している。
As shown in the drawing, it can be seen that a large stress rising toward the outer edge is generated in the vicinity of the peripheral edge of the
このような応力分布が生じた場合、大きな応力が生じる外縁部においては、基板220に割れ等が生じる場合がある。従って、外縁部における基板220の割れを避けるには、接合装置100が加える圧力を低くすればよい。
When such a stress distribution occurs, a crack or the like may occur in the
しかしながら、応力が小さくなる外縁に続く90mm以上の領域では、基板220に加わる圧力が低下する。このため、基板220が十分に接合されない場合がある。従って、接合不良を回避するには、接合装置100が加える圧力を高くしなければならない。
However, in the region of 90 mm or more following the outer edge where the stress is reduced, the pressure applied to the
なお、半径90mmから内側の領域では、基板220に生じる圧力は概ね均一になり、大きな応力分布は生じない。このように、基板220の接合不良は、基板220の外縁部と、それに続く領域に発生し易い。
Note that, in the region inside the radius of 90 mm, the pressure generated on the
このように、フランジ部214を有する基板ホルダ210を用いた場合、接合装置100で加圧した場合に、基板220の周縁部では特異な応力分布が生じる。このため、基板220の損傷を避けつつ接合不良を回避して歩留りを向上させるには、加圧する場合の圧力の設定が難しくなる。
As described above, when the
しかしながら、再び図5を参照すると、基板220の外側には受圧部材230が配される。従って、基板ホルダ210の曲げ変形に起因する応力分布は、受圧部材230に作用する。これにより、基板220には均一な圧力が作用するので、部分的な接合不良を配慮することなく、適切な圧力を設定して接合することができる。
However, referring to FIG. 5 again, the
このように、受圧部材230を併用した基板ホルダ210は、加圧された場合に生じる応力分布が基板220に作用することを防止して、基板220全体を良好に接合させることができる。このような、受圧部材230は、基板ホルダ210と共に繰り返し使用することができる。
As described above, the
なお、図中に点線Bで囲った、基板220および受圧部材230の間には、不可避に間隙が生じる。この間隙の中でも、一対の基板ホルダ210の間に間隙が生じることは避けられない。しかしながら、基板220および受圧部材230の間の間隙は狭いので、基板ホルダ210の曲げ変形が生じた場合も変形量は小さい。従って、曲げ変形の反力として生じる応力分布も僅かなので無視できる。
In addition, a gap is inevitably generated between the
受圧部材230は、基板ホルダ210に挟まれる基板220と同じ厚さを有していれば、任意の材料により形成し得る。しかしながら、接合装置100において加圧された場合に、保持面212全体で応力分布を均一にすることを目指す場合は、例えば、基板220と等しい弾性係数を有する材料を選択することが好ましい。このような観点からは、基板220の材料そのものにより形成することが有利になる。
The
一方、受圧部材230は、寸法に対して細く薄い形状を有する部材なので、強度が低くなりがちになる。そこで、受圧部材230の強度および耐久性を向上させて取り扱いを容易にすることを考慮すると、弾性係数を基板220の材料に合わせて調整した金属、樹脂等により形成することが好ましい。
On the other hand, since the
また、同じ寸法の大量の基板220を繰り返し接合する場合は、受圧部材230を基板ホルダ230の保持面に保持させたまま、基板220を順次交換する作業手順としてもよい。一方、寸法、形状等が異なる基板220の接合をする場合は、受圧部材230も、基板220の形状および寸法に合わせて交換すべきことはいうまでもない。
In addition, when a large number of
図7は、受圧部材230の他の態様を示す断面図である。なお、図7は、図4に対照して描かれており、図4と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another aspect of the
図示のように、この形態においては、受圧部材230の外径が増して、基板ホルダ210の外径と等しくなっている。これにより、圧力伝達部128、138が基板ホルダ210を加圧した場合に、基板ホルダ210の間に間隙が生じないので、基板ホルダ210の曲げ変形に起因する外縁部の応力集中が生じない。従って、基板ホルダ210の弾性変形による劣化が軽減され、寿命を延ばすことができる。
As shown in the figure, in this embodiment, the outer diameter of the
ただし、基板ホルダ210と同じ外径の受圧部材230を挟んだ場合、一対の基板ホルダ210相互の間に手がかりがなくなる。このため、接合後に基板220から基板ホルダ210を取り外す場合等に、基板ホルダ210を側端面で操作しなければならない。
However, when the
図8は、受圧部材230のまた他の形態を示す断面図である。図8も図4に対照して描かれており、図4と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing still another form of the
図示のように、圧力伝達部128、138の間には、積層された一対の基板220と共に、単一の受圧部材230が挟まれる。受圧部材230の厚さは、一対の基板220の厚さを合わせた厚さに等しい。このような受圧部材230を用いた場合も、基板220毎に配した一対の受圧部材230を用いた場合と同様の効果が得られる。
As shown in the figure, a single
また、受圧部材230が単一なので、接合装置100に基板220を装入する場合に、基板ホルダ210に受圧部材230を保持させる手順をひとつ省くことができる。更に、厚くすることができるので、受圧部材230自体の強度を高くすることができる。
Further, since the
をただし、一対の基板ホルダ210に一対の基板220を挟む場合に、基板220の接合面を側方から観察することができない。このため、基板220の表面を観察することなく、基板220相互を位置合わせする方法を選ばなければならない。
However, when the pair of
図9は、受圧部材230の更に他の形態を示す断面図である。図9も図4に対照して描かれており、図4と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another form of the
受圧部材230は、基材層232および圧電材料層234の複数の層を含む。基材層232は、他の例で説明した受圧部材230と同様に、金属、樹脂、Si基板等により形成される。これに対して、圧電材料層234は、PZT等の圧電材料により形成される。
The
更に、圧電材料層234は可変電圧源236に結合される。可変電圧源236は、印加電圧を設定する制御部238の制御の下に、圧電材料層234に印加する電圧を変化させる。
Further, the piezoelectric material layer 234 is coupled to a
上記のような構造を有する受圧部材230は、圧電材料層234に印加する電圧の増減に応じて厚さを増減させることができる。従って、基板220の厚さのばらつきに起因する基板220および受圧部材230の厚さの差を調整して、基板220および受圧部材230から基板ホルダ210にかかる反力が等しくなるように調整できる。これにより、基板220および受圧部材230の微細な厚さの差により基板220の外縁部近傍に生じる圧力分布を更に低減できる。
The
以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it does not mean that it is essential to carry out in this order. Absent.
100 接合装置、110 基盤、120 下部組立体、121、131 ヒータユニット、122、132 支柱、123、133 ベアリング、124 下部フレーム、126 ロードセル、128、138 圧力伝達部、130 上部組立体、134 上部フレーム、136 シリンダ、140 計測部、210 基板ホルダ、212 保持面、214 フランジ部、216 挿通穴、217 基準標識、218 バーコード、220 基板、230 受圧部材、232 基材層、234 圧電材料層、236 可変電圧源、238 制御部
100 Joining device, 110 Base, 120 Lower assembly, 121, 131 Heater unit, 122, 132 Post, 123, 133 Bearing, 124 Lower frame, 126 Load cell, 128, 138 Pressure transmission unit, 130 Upper assembly, 134
Claims (18)
前記板状部材を介して前記基板が加圧されたときに前記基板の周縁部に生じる応力集中を緩和する応力緩和部とを備え、
前記応力緩和部は、前記保持領域の外側かつ前記他の基板の外側に配され、前記保持領域に保持された基板の厚さと等しい突出量を有し、前記基板の加圧時に前記板状部材から加圧力を受ける受圧部材を有する基板保持部材。 A plate-like member having a holding region for holding a substrate bonded to another substrate by pressurization;
A stress relieving part that relieves stress concentration generated in the peripheral part of the substrate when the substrate is pressurized via the plate-like member;
The stress relieving part is disposed outside the holding region and outside the other substrate, and has a protruding amount equal to the thickness of the substrate held in the holding region, and the plate-like member when the substrate is pressed A substrate holding member having a pressure receiving member that receives pressure from the substrate.
前記一対の基板保持部材に各々保持されて前記一対の基板保持部材の間に挟まれた一対の基板に、前記板状部材を介して圧力を加える加圧部とを備え、当該一対の基板を圧着させる接合装置。 A pair of said board | substrate holding members as described in any one of Claims 1-11,
A pressurizing unit that applies pressure to the pair of substrates held between the pair of substrate holding members and sandwiched between the pair of substrate holding members via the plate-like member; Bonding device for crimping.
前記一対の基板の厚さと等しい突出量を有する受圧部材を、加圧面上における前記一対の基板の外側に配置する配置工程と、
前記受圧部材が配置された状態で前記一対の基板を一対の加圧面の間で加圧する加圧工程と
を有する接合方法。 An alignment step of aligning the pair of substrates with each other;
An arrangement step of disposing a pressure receiving member having a protruding amount equal to the thickness of the pair of substrates on the outer side of the pair of substrates on the pressing surface;
Bonding method with <br/> pressurizing pressurizing step and between the pair of the substrates a pair of pressing surface in a state where the pressure receiving member is disposed.
前記板状部材を介して前記基板が加圧されたときに前記基板の周縁部に生じる応力集中を緩和する応力緩和部とを備え、A stress relieving part that relieves stress concentration generated in the peripheral part of the substrate when the substrate is pressurized via the plate-like member;
前記応力緩和部は、前記保持領域の外側に配され、前記保持領域に保持された基板の厚さと前記他の基板の厚さとの和に等しい突出量を有し、前記基板の加圧時に前記板状部材から加圧力を受ける受圧部材を有する基板保持部材。The stress relieving part is disposed outside the holding region, has a protruding amount equal to the sum of the thickness of the substrate held in the holding region and the thickness of the other substrate, and when the substrate is pressed A substrate holding member having a pressure receiving member that receives pressure from a plate member.
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