TWI598969B - 具有基板之積體電路封裝系統及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明通常有關一種積體電路封裝系統,更特別的是,有關一種用於具有基板的積體電路封裝系統之系統。
半導體晶片已變得更進步複雜,且主要是受到使用在小型或可攜式電子裝置(諸如行動電話、智慧型電話、個人媒體系統、超輕便電腦)的較小晶片尺寸,增加處理能力需求的驅駛。
有許多封裝積體電路(IC,Integrated Circuit)晶粒的習知製程。經由範例,許多IC封裝利用已從金屬薄板沖印或蝕刻的金屬導線架以提供對外部裝置的電氣互接。晶粒可經由接合線、焊錫凸塊、或其他適當電氣連接以電氣連接至導線架。
大體上,晶粒與導線架的一些部分為使用一造模材料封裝,以保護在晶粒的作用端上面的精密電氣元件,而留下暴露導線架的選定部分,以有助於電氣連接
至外部裝置。
由於對較小晶片尺寸的需求,封裝技術已有所發展,例如,允許增加引線密度,此可減少在印刷電線板(PCB,Printed Circuit Board)上面安裝一封裝的覆蓋區域。一些封裝技術可藉由提供數列引線連接至導線架的可處置部分以增加引線密度。
不過,此導線架的製程不具有可擴展性。當引線密度需求進一步增加時,從引線密度的觀點,想要使用更大可擴展性的封裝技術。
而且,想要採用額外方式以進一步減少封裝尺寸。同時,想要維持足夠結構完整性且有助於封裝與PCB的表面安裝。同時想要制定符合這些目的而設計的一封裝製程。目前的封裝解決方案可符合這些目的之中的一些部分,但可能無法符合這些目的之中的大部分、或所有部分。
因此,依然需要增加密度與結構完整性。鑒於不斷增加商業競爭壓力、連同增長消費者期待及減少市場上有意義產品差異性的機會,重要的是發現這些問題的答案。此外,減少成本、改善效率與效能、與符合競爭壓力的需求對於發現這些問題答案的重要需求方面增添甚至更大的迫切性。
這些問題的解決方案已長期尋找,但先前的發展並未示明或建議任何解決方案,因此,熟諳此技者長期以來缺乏這些問題的解決方案。
本發明提供一種製造積體電路封裝系統之方法,包括:提供積體電路晶粒;封裝該積體電路晶粒在封裝體;施加互作用層在該封裝體上;形成基板在該互作用層上,該基板有上端絕緣層與上端傳導層;形成3D穿孔,該3D穿孔通過該封裝體、該互作用層、與該上端絕緣層,用以暴露在該3D穿孔中的該上端傳導層;及沉積上端焊錫凸塊在該上端傳導層上面的3D穿孔中。
本發明提供一積體電路封裝系統,包括:基板,該基板具有上端絕緣層與上端傳導層;互作用層,該互作用層在基板上;積體電路晶粒,該積體電路晶粒在基板上;封裝體,該封裝體在該互作用層與該積體電路晶粒上;及上端焊錫凸塊,該上端焊錫凸塊在該上端傳導層上,該上端焊錫凸塊在3D穿孔,該3D穿孔為通過該封裝體、該互作用層、與該上端絕緣層形成,用以暴露在該3D穿孔中的該上端傳導層。
除了或取代這些前面描述,本發明的特定具體實施例具有其他步驟或元件。這些步驟或元件可在熟諳此技者閱讀下列詳細描述,連同參考附圖變得更明白。
100‧‧‧積體電路封裝系統
102‧‧‧翹曲平衡層
104‧‧‧上端焊錫凸塊
106‧‧‧3D穿孔
108‧‧‧封裝體
210‧‧‧基板
212‧‧‧底端絕緣層
214‧‧‧底端傳導層
216‧‧‧中間絕緣層
218‧‧‧上端傳導層
220‧‧‧上端絕緣層
222‧‧‧積體電路晶粒
224‧‧‧底端連接器
226‧‧‧互作用層
228‧‧‧接觸焊墊
230‧‧‧側壁
532‧‧‧背磨膠帶貼膜
700‧‧‧方法
702、704、706、708、710、712‧‧‧步驟
第1圖為本發明之一具體實施例的積體電路封裝系統的上視圖。
第2圖為沿著第1圖所示虛線2--2的積體電路封裝系
統的截面圖。
第3圖為在製造中封裝階段的封裝體的上視圖。
第4圖為沿著第3圖所示虛線4--4的封裝體的截面圖。
第5圖為在製造的翹曲控制階段中的第4圖所示結構。
第6圖為在製造的穿孔形成階段中的第5圖所示結構。
第7圖為本發明之一進一步具體實施例的製造積體電路封裝系統之方法的流程圖。
下列具體實施例將詳細描述,使熟諳此技者可製造及利用本發明。應明白,其他具體實施例可基於本發明變得更明白,且可達成系統、製程或機械的變更,不致悖離本發明的範躊。
在下列描述中,給予許多特殊細節以提供對本發明的徹底瞭解。不過,應明白,本發明可在沒有這些特殊細節實施。為了要避免本發明模糊,未詳細揭示一些熟知的電路、系統結構與製程步驟。
顯示系統之具體實施例的圖式為半圖式且未依比例繪製,特別系,一些尺寸是為了清楚呈現放大顯示。同樣地,雖然為了方便描述,但圖式中的示圖通常顯示相同方向,但圖式的描述對於大部分的圖式可隨意變化。通常,本發明能以任何方向加以實施。
在多重具體實施例揭示及描述有共同特徵的情況,為了清楚與容易說明、描述與理解,彼此類似與同樣的特徵通常採用相同的元件符號表示。相同特徵採用
相同元件符號描述。
為了說明之目的,在此使用的術語「水平」定義為一平面平行於積體電路的一作用面的平面,不管其方向。術語「垂直」視為一方向垂直於如前所定義的水平面。諸如「上方」、「下方」、「底端」、「上端」、「側端」(如在「側壁」)、「較高」、「較低」、「上部」、「上面」、與「下部」等術語的定義係與水平有關聯,如圖所示。
術語「在上面」意指元件間存在接觸。術語「直接在上面」意指在一元件與另一元件間存在直接實體接觸,其間沒有***的元件。
在此使用的術語「製程」包括在形成描述結構所需的材料或光阻沉積、成形、曝光、顯影、蝕刻、清洗、及/或去除材料或光阻。
請即參考第1圖,其顯示本發明之一具體實施例的一積體電路封裝系統(100)的上視圖。上視圖顯示一翹曲平衡層(102)、一在3D(三維空間)穿孔(106)的上端焊錫凸塊(104)、及一封裝體(108)的一部分。該翹曲平衡層(102)的功能如同一加固構件,可藉由提供防止機械翹曲以避免積體電路封裝的翹曲。該翹曲平衡層(102)可藉由機械式防翹曲以提供超薄積體電路封裝的結構完整性。
該翹曲平衡層(102)可包括一防翹曲材料,該防翹曲材料有一選定熱膨脹係數(CTE,Coefficient of Thermal Expansion),可在組裝、測試、或操作積體電路封裝系統過程中,平衡由於熱應力所導致在積體電路(IC)封
裝上施加的翹曲力。例如,該翹曲平衡層(102)可包括一翹曲平衡材料,包括因瓦合金(Invar Alloy)、一金屬材料、與一金屬合金。該翹曲平衡層(102)為積體電路封裝系統(100)的一選擇性元件。
該3D穿孔(106)通過至少翹曲平衡層(102)與封裝體(108)。該上端焊錫凸塊(104)明顯在3D穿孔(106),且為一傳導結構,諸如一焊錫球。該3D穿孔(106)亦可在該上端焊錫凸塊(104)周圍暴露封裝體(108)的一部分。該封裝體(108)(諸如一封裝)可保護元件不受外部環境的影響。
為了說明之目的,上視圖顯示在積體電路封裝系統(100)的中央區域周圍的3D穿孔(106)中的單排上端焊錫凸塊(104),但應明白,可有上端焊錫凸塊(104)與3D穿孔(106)的不同結構。例如,可為採用網格方式的兩、三、或多列排列,或為交錯列。
已發現,該翹曲平衡層(102)提供改善積體電路封裝系統(100)的可靠度,因為翹曲平衡層(102)可避免由於差異性熱膨脹力與不同材料層間的力矩所引起積體電路封裝系統(100)的翹曲。
請即參考第2圖,其顯示沿著第1圖所示虛線2--2的積體電路封裝系統(100)的截面圖。積體電路封裝系統(100)顯示具有在3D穿孔(106)中的上端焊錫凸塊(104)、一基板(210)、一積體電路晶粒(222)、底端連接器(224)、封裝體(108)、一互作用層(226)、與翹曲平衡層
(102)。
基板(210)可充當一重新佈線層(RDL,Redistribution Layer),且從底端至上端有一底端絕緣層(212)、一底端傳導層(214)、一中間絕緣層(216)、一上端傳導層(218)、與一上端絕緣層(220)。該底端傳導層(214)與該上端傳導層(218)嵌入在周圍的絕緣層,且從基板(210)的上端與底端暴露在不同點上。該底端傳導層(214)與該上端傳導層(218)可利用諸如銅、鈦、鎢、或其組合的傳導金屬製成。底端絕緣層(212)、中間絕緣層(216)、與上端絕緣層(220)可利用諸如一介電質的電絕緣材料製成。
基板(210)顯示有五層,但應明白,此只是範例且基板(210)可有不同層數。例如,基板(210)可有6、7、8、或更多的層,即為交互介電層與傳導層。
積體電路晶粒(222)連接至該上端傳導層(218)且可在上端絕緣層(220)上面。例如,積體電路晶粒(222)的作用端可在底端上面,且連接至該上端傳導層(218)。積體電路晶粒(222)可例如利用晶粒接著粘合劑接合在該上端絕緣層(220)。該互作用層(226)顯示直接在積體電路晶粒(222)周圍側面的該上端絕緣層(220)的上端表面。該互作用層(226)可為一薄、透明層,且可具有約0.1-10微米厚度。
互作用層(226)的功能如同一阻障層,可選擇性阻斷在互作用層上施加的特定類型能量。例如,互作用層(226)可能對一特定波長或能源振幅有特別靈敏。該互
作用層(226)可衰減導向該互作用層(226)的表面的輻射能量。該互作用層(226)可在電磁輻射的特定頻率範圍上反應或崩潰。例如,該互作用層(226)亦稱為一互動層。
封裝體(108)為直接在互作用層(226)上面。封裝體(108)封裝積體電路晶粒(222)。封裝體(108)、翹曲平衡層(102)、互作用層(226)、與上端絕緣層(220)有3D穿孔(106),該3D穿孔通過上述各層以從上端絕緣層(220)暴露該上端傳導層(218)的接觸焊墊(228)。該接觸焊墊(228)可利用諸如鈦、鎢、銅、或其組合的材料製成。
3D穿孔(106)定義為在一積體電路封裝的多層中的一孔口,其中3D穿孔(106)有一側壁(230),由於一多重步驟程式用來形成3D穿孔(106),所以該側壁有至少兩不同斜率區段。在此範例,由具有陡斜率的側壁(230)圍起的一孔口為通過翹曲平衡層(102),且大部分路程為通過封裝體(108)。該斜率可透過封裝體(108)的最後部分加以改變,且再次透過互作用層(226)與上端絕緣層(220)加以改變。側壁(230)可有一步階式多重斜率形狀;因此,3D穿孔(106)的側壁(230)的不同區段斜率會變化。
3D穿孔(106)顯示在特定點上有各種不同斜率,但應明白,此只是範例且3D穿孔(106)的側部可改變在不同點上的斜率。例如,相較於在此範例所示,該協率可改變較接近互作用層(226)。
該上端焊錫凸塊(104)是在3D穿孔(106),直接接觸該上端傳導層(218)的接觸焊墊(228),且具有3D穿
孔(106)的側壁(230)之一部分。該上端焊錫凸塊(104)遵循該3D穿孔(106)底端的步階式多斜率形狀,且因此該上端焊錫凸塊(104)在上端焊錫凸塊(104)的底端部分上面亦有一步階式多斜率形狀。該上端焊錫凸塊(104)的上端可低於該翹曲平衡層(102)的上端表面。
底端連接器(224)透過底端絕緣層(212)連接至底端傳導層(214)。底端連接器(224)為傳導結構,諸如焊錫球、傳導柱、凸塊、或導柱。
請即參考第3圖,其顯示在製造的封裝階段中的封裝體(108)的上視圖。在此示圖,封裝體(108)明顯為方形結構,但應明白,可為其他形狀。例如,封裝體(108)可為一矩形、五角形、或其他形狀。
請即參考第4圖,其顯示沿著第3圖所示虛線4--4的封裝體(108)的截面圖。積體電路晶粒(222)明顯是在基板(210)上,且嵌入封裝體(108),且底端連接器(224)接合在基板(210)的底端。
基板(210)及其各種不同層可依序建立在已嵌入積體電路晶粒(222)的封裝體(108)上面。或者,基板(210)可先形成,並接合積體電路晶粒(222),接著使用封裝體(108)加以封裝。在形成基板層(210)或接合積體電路晶粒(222)以前,可施加該互作用層(226)。
在連接基板(210)至積體電路晶粒(222)之後,底端連接器可透過在底端絕緣層(212)的開口形成或沉積在底端傳導層(214)。
請即參考第5圖,其顯示在製造的翹曲控制階段中的第4圖所示結構。在此示圖,翹曲平衡層(102)明顯直接施加在積體電路晶粒(222)的上端表面。
在形成或沉積底端連接器(224)之後,一背磨膠帶貼膜(532)可選擇性施加在底端連接器(224)與底端絕緣層(212),有助於將元件保持在定位。接著是由濕蝕刻、化學機械拋光/平坦化(CMP,Chemical Mechanical Polishing/Planarization)、或乾蝕刻執行的一背磨步驟,使封裝薄化至想要的厚度,並平坦化該封裝體(108)與該積體電路晶粒(222)。
在平坦化後,翹曲平衡層(102)可施加在積體電路晶粒(222)與封裝體(108)的上端表面。翹曲平衡層(102)可為疊加、沉積、或者形成在積體電路晶粒(222)與封裝體(108)上面。然後去移背磨膠帶貼膜(532)(若存在)。
請即參考第6圖,其顯示在製造的穿孔形成階段中的第5圖所示結構。翹曲平衡層(102)、封裝體(108)、互作用層(226)、與上端絕緣層(220)的部分已去除形成3D穿孔(106)。
3D穿孔(106)能以一些不同方式形成。許多類型雷射能以特別順序用來切除或雷射鑽3D穿孔(106)。例如,一紫外線(UV)雷射與一紅外線(IR)雷射可組合用來形成3D穿孔(106)。
如一更特殊的範例,首先,IR雷射可用來去除或切除翹曲平衡層(102)與封裝體(108)的大部分垂直
部分,以在封裝體(108)中形成一凹部。例如,多數可為>=封裝體(108)的垂直高度的99%。接著,UV雷射可用來藉由去移或切除剩餘材料形成一孔口以完成3D穿孔(106),包括剩餘的封裝體(108)、互作用層(226)、與上端絕緣層(220),以暴露該接觸焊墊(228)。
如另一範例,UV雷射可用來切除在翹曲平衡層(102)的孔口,然後IR雷射用來切除封裝體(108)的大部分垂直部分。其他製程部分將保持相同。因為IR雷射無法很有效去除透明或半透明材料,所以如果翹曲平衡層(102)是透明,相較于IR雷射,UV雷射在完全去除翹曲平衡層(102)會更有效,IR雷射可能留下太多的殘留物。
由於IR與UV雷射的切除速度差異,使得3D穿孔(106)的側壁(230)的斜率會隨著所施加的雷射類型而變化。較高速雷射切除典型可對側壁(230)提供一較陡斜率,且較低速雷射切除典型對側壁(230)提供較淺的斜率。經由不同材料的切除率亦可影響側壁(230)的斜率。例如,在接近封裝體(108)底端的側壁(230)的斜率變化可標示所要使用雷射從IR雷射切換成UV雷射的點,且第二斜率變化可標示封裝體(108)結束且其他層開始的點。IR與UV雷射的切除速度差異可能導致3D穿孔(106)的側壁(230)的步階式多重斜率形狀。
除了IR與UV雷射以外,有許多不同類型雷射,並可使用具有經由封裝體(108)與上端絕緣層(220)適當切除特徵的任何雷射。例如,使用的雷射類型可包括
IR、UV、GREEN、或更明確系,釔鋁石榴石(YAG)、摻釹釔鋁石榴石(ND-YAG)或二氧化碳(CO2)。
雷射切除機構可使用至少一UV雷射頭與至少一IR雷射頭構成,使製造能力最大化,並控制基板(210)的良好成品品質,亦可稱為RDL疊加。例如,一UV雷射與兩或多個IR雷射可整合在相同機構。
形成3D穿孔(106)的側壁(230)的翹曲平衡層(102)、封裝體(108)、互作用層(226)、與上端絕緣層(220)的部分可能會有雷射切除的非平坦表面特徵。例如,非平坦表面可包括一淺凹槽、一微凹部、燒痕、或其他去除痕。
在雷射鑽孔或切除後,一清潔程式可施加在3D穿孔(106)的表面,該清潔程式可為諸如利用具有表面活化劑的清潔劑/去離子(DI)水的濕法清洗、電漿清洗、或針對接觸焊墊(228)的蝕刻步驟。若要結束製造第1圖所示積體電路封裝系統(100)需要第1圖所示的上端焊錫凸塊(104)透過一程式形成在3D穿孔(106)的接觸焊墊(228)上面,該程式可為諸如焊膏印刷、或錫球布植。
已發現,由於不同雷射源的組合,具有不同角度多重斜率表面的3D穿孔(106)的側壁(230)提供改善的可靠度,因為側壁(230)的多重斜率表面提供接合上端焊錫凸塊(104)的額外表面區域。額外表面區域可提供上端焊錫凸塊(104)的改善結構完整性,以使另一封裝或元件疊加在積體電路封裝系統(100)上面。
已發現,形成3D穿孔(106)的側壁(230)的翹
曲平衡層(102)、封裝體(108)、互作用層(226)、與上端絕緣層(220)的非平坦表面提供改善的可靠度。例如,側壁(230)的非平坦表面提供增加上端焊錫凸塊(104)的接合表面區域,達成改善結構性硬度。
已發現,用以在基板(210)中形成3D穿孔(106)的多個雷射組合(包括IR雷射與UV雷射)提供改善的可靠度以及增加能力。多個雷射的組合可藉由處理一些挑戰執行此目的。一IR雷射(尤其在低功率)在切除透明與半透明材料(包括透明介電薄膜、一些類型的翹曲平衡層(102)、背側保護膠帶貼膜、或互作用層(226))上面的孔口或穿孔是沒有效率。因此,利用一低功率IR雷射可能導致無法去除互作用層(226)或上端絕緣層(220),由於透明或半透明材料的無效率去除。利用一高功率IR雷射以暴露通過封裝體(108)的接觸焊墊(228)將可避免無法去除材料的問題,但可能導致接觸焊墊(228)與中間絕緣層(216)之間的脫層分開問題。相較于IR雷射,UV雷射在切除透明與非透明材料兩者非常慢,且會導致達成高能力的某些困難度,但不致引起脫層問題。因此,利用高功率IR雷射以在封裝體(108)快速建立孔口,然後利用一UV雷射切除剩餘層(包括透明的互作用層(226))將可導致高能力,沒有脫層問題。
已發現,因為互作用層(226)的功能如同一阻障層,以選擇性阻斷在互作用層(226)的表面上面施加的特別能源形式,所以互作用層(226)提供改善的可靠度。例如,互作用層(226)(可為透明)可提供一方法以確保在IR雷
射到達任何絕緣層以前,將一IR雷射改變成一不同雷射源,可靠形成通過上端絕緣層(220)的3D穿孔(106),不會在接觸焊墊(228)與中間絕緣層(216)之間產生脫層。
已發現,用以形成3D穿孔(106)的多個雷射組合(包括IR雷射與UV雷射)可提供改善的切除準確度,因為雷射源有較窄光束寬度,可用來局部去該互作用層(226)與該上端絕緣層(220)。相較於較寬光束寬度的雷射源,較窄光束寬度的雷射源允許在上端傳導層(218)的預定位置上面採取精密直接執行切除,藉此提供改善的切.除品質。
請即參考第7圖,其顯示本發明之一進一步具體實施例的製造積體電路封裝系統之方法(700)的流程圖。該方法(700)包括下列步驟:在步驟(702),提供一積體電路晶粒;在步驟(704),封裝積體電路晶粒在封裝體;在步驟(706),施加一互作用層在封裝體上面;在步驟(708),形成一基板在互作用層上面,該基板有一上端絕緣層與一上端傳導層;在步驟(710),形成一3D穿孔,該3D穿孔通過封裝體、互作用層、與上端絕緣層用以暴露在3D穿孔中的上端傳導層;及在步驟(712),沉積一上端焊錫凸塊在上端傳導層上面的3D穿孔中。
因此,已發現,本發明的積體電路封裝系統(100)提供一具有基板的積體電路封裝系統的重要且至現階段未知、無法取得的解決方案、能力、與功能態樣。生成的方法、製程、裝置、器件、產品、及/或系統為簡單
易懂、經濟有效、不複雜、高度用途廣泛、且有效,可藉由調適的已知技術加以特別與非顯著性實施,且如此容易適於有效率與經濟有效地製造完全與習知製造方法或製程與技術相容的積體電路封裝系統。
本發明的另一重要態樣在於可有效支援及給予降低費用、簡化系統、與提高效能的傳統趨勢。
本發明的這些及其它重要態樣使最新科技發展到至少下一階段。
雖然本發明已連同一特定最佳模式描述,但應瞭解,鑒於前述,熟諳此技者應明白許多替代選擇、修改、與變化。因此,所有此替代選擇、修改、與變化是在文後申請專利範圍的範疇內。在此發表或附圖顯示的所有內容只是說明而不是限制。
100‧‧‧積體電路封裝系統
102‧‧‧翹曲平衡層
104‧‧‧上端焊錫凸塊
106‧‧‧3D穿孔
108‧‧‧封裝體
210‧‧‧基板
212‧‧‧底端絕緣層
214‧‧‧底端傳導層
216‧‧‧中間絕緣層
218‧‧‧上端傳導層
220‧‧‧上端絕緣層
222‧‧‧積體電路晶粒
224‧‧‧底端連接器
226‧‧‧互作用層
228‧‧‧接觸焊墊
230‧‧‧側壁
Claims (10)
- 一種積體電路封裝系統之製造方法,包括:提供積體電路晶粒;封裝該積體電路晶粒在封裝體中;施加互作用層在該封裝體上;形成基板在該互作用層上,該基板具有上端絕緣層與上端傳導層;形成3D穿孔,該3D穿孔通過該封裝體、該互作用層及該上端絕緣層,以暴露在該3D穿孔中的該上端傳導層;以及沉積上端焊錫凸塊在該上端傳導層上的該3D穿孔中。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,復包括施加翹曲平衡層在該封裝體與該積體電路晶粒的上端表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,形成該3D穿孔通過該封裝體、該互作用層及該上端絕緣層以暴露在該3D穿孔中的該上端傳導層包括:以IR雷射在該封裝體中形成凹部;以及以UV雷射形成孔口,該孔口通過該封裝體、該互作用層及該上端絕緣層的剩餘部分,以暴露該上端傳導層。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,復包括接合底端連接器至該基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中,形成該3D 穿孔包括形成具有側壁的該3D穿孔,該側壁具有步階式多重斜率形狀。
- 一種積體電路封裝系統,包括:基板,該基板具有上端絕緣層與上端傳導層;互作用層,該互作用層在該基板上;積體電路晶粒,該積體電路晶粒在該基板上;封裝體,該封裝體在該互作用層與該積體電路晶粒上;以及上端焊錫凸塊,該上端焊錫凸塊在該上端傳導層上,該上端焊錫凸塊在3D穿孔中,該3D穿孔通過該封裝體、該互作用層及該上端絕緣層而形成,以暴露在該3D穿孔中的該上端傳導層。
- 如申請專利範圍第6項所述之系統,復包括翹曲平衡層,該翹曲平衡層在該封裝體與該積體電路晶粒的上端表面上。
- 如申請專利範圍第6項所述之系統,其中,該3D穿孔具有側壁,該側壁具有非平坦表面。
- 如申請專利範圍第6項所述之系統,復包括底端連接器,該底端連接器在該基板上。
- 如申請專利範圍第6項所述之系統,其中,該3D穿孔具有側壁,該側壁具有步階式多重斜率形狀。
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