CN101248527B - 带有安装在电路载体上的负载连接元件的功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带外壳的功率半导体模块，所述外壳用于容纳至少一个基本呈平面状的电路载体，其中，所述电路载体的表面具有至少一个金属化部分，所述电路载体上安装有至少一个与其电气相连的功率半导体，其中，所述电路载体的金属化表面的金属化部分上安装有基本直的刚性整体式负载连接元件，所述负载连接元件的其中一端固定地与所述电路载体机械地及电气地相连，并基本垂直地朝外壳内腔突出，其中，将用于建立电接触的分立接线端子元件插在所述负载连接元件的自由端上。

Description

带有安装在电路载体上的负载连接元件的功率半导体模块
技术领域
本发明涉及一种功率半导体模块。此外，本发明还涉及一种功率半导体模块外壳。
背景技术
功率半导体模块需要伸出在外部的负载电流端子作为外部接口，来实现模块的电接触。其中，有可能会出现与功率大小相关的大截面外部端子，因而需要负载电流端子具有较高的耐用性。此外还要求负载电流端子具有各种接线轮廓，以便必要时可在负载电流端子上连接不同的电缆或母线系统。这些负载电流端子在模块内部与一个不大坚固的电路载体机械地及电气地相连，这个电路载体插在一个外壳(通常为塑料外壳)中，并配有多个元部件(特别是功率半导体)。其中，优选使用热导率较高和热膨胀系数较大的陶瓷电路载体DCB衬底(direct copper bonded，直接铜接合)来承载功率半导体，这种电路载体由上面覆有很薄的一层纯铜的陶瓷绝缘物(氧化铝或氮化铝)构成。尽管在耐用性方面存在缺点，但铜层的高热导率、高热容和高热膨胀性以及DCB衬底与硅相近的热膨胀系数使得DCB衬底在功率电子学中具有无可取代的地位。如果直接在电路载体上安装所谓的裸半导体芯片，一般情况下就通过接合工艺用细铝线或细银线在半导体芯片与电路载体之间建立电气连接。电路载体与外部负载电流端子之间的电气连接也用相同的连接技术而实现。在此情况下，虽然可在铝接合线(23*10-6)和DCB(7*10-7)具有不同线性热膨胀系数的基础上在负载电流端子与电路载体之间实现一定程度的机械退耦，但在进行热寿命试验时，原则上还是存在限制，因为接合线会脱落。但这可以避免电路载体上受到较大的导体连接力的作用，从而确保电路载体与负载电流端子之间的持久连接。
DE 19719703中公开了一种将向外突出的外部负载电流端子喷射入模块外壳的方法，其中，专门设置在负载连接线上的凸缘可提供附加的固定作用，因为在喷射过程之后，塑料外壳会在冷却过程中发生收缩，从而至少无法持久地实现负载端子的稳定固定。在此情况下，电路载体与喷射成形负载端子之间的连接通过接合工艺而实现。
DE 19914741中也公开了相同类型的负载连接元件，这种负载连接元件与外壳的内壁相连，并在其下端上配有接合面。此处也用接合线来建立负载连接元件与电路载体之间的连接。上述两种连接方法都需要在外壳内采用接合工艺。为此需在外壳内设置用于容纳接合工具的空间，这会对小型模块的模块尺寸产生不利影响，因为设定模块尺寸时必须将这一空间考虑在内。如前文所述，电路载体上涂有铜层，为能实现接合，需在接合处设置与所用接合线相应的铝、镍、铜或金接合面(Pad)，其中，电路载体上的铜具有普遍适用性。某些情况下必须为电路载体配备接合面。负载连接元件自身一般情况下全部用铜或黄铜制成，但同样需要配备接合面。此外，通常还需为各元部件之间的DCB电路连接和电路与负载连接元件之间的连接使用与电流负荷相对应的直径不一的接合线。为此需实施额外的处理步骤，以致产生成本劣势。
DE 3643288中对多种负载连接工艺进行了说明。DE 3643288所说明的其中一个对象是一种插在电路载体上的接线柱，这种接线柱在外壳边缘上通过一个横臂和两个螺旋连接与一个承载体相连。承载体的对外连接通过分立的旋接式导体元件而实现。DE 3643288还对一种板簧元件进行了说明，这种板簧元件的其中一侧旋接在分立式或内置式承载体(嵌在外壳中)上，另一侧弹性抵靠在电路载体上，从而建立起电接触。布置在外壳内的承载体的其他对外连接通过同样旋接在承载体上的分立式导体元件而实现。这些连接工艺所需使用的元部件数量以及须重复进行的旋接工作必然会对制备成本产生不利影响。根据DE 3643288中所公开的另一种板簧元件实施方式，板簧元件的其中一侧存在一个可以嵌入外壳盖的圆柱形突出部。当外壳盖处于安装完毕状态时，电路载体上会受到一个压紧力的作用。其中的缺点在于，只有通过关闭外壳盖才能实现接触。此外，外壳盖的安装也会带来操作上的问题。这种解决方案的另一缺点是，电路载体上必须存在较大的面积，采用这种布置方式的板簧需要占用较大的外壳内腔。这一点在安装其他分立元部件时可能会引起空间不足的问题，从而带来不利之处。基于板簧的解决方案在尺寸错误和冲击负荷及振动负荷有所增大的情况下的应用可能会存在问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种功率半导体模块，通过这种功率半导体模块可实现一种简单、持久、低成本和灵活的负载连接技术。本发明的另一目的是避免从外部作用在端子上的力和力矩被传递到电路载体的端子上。
在开篇所述类型的功率半导体模块中，本发明的目的通过下述方案而达成，在电路载体的金属化表面的金属化部分上安装基本直的刚性整体式负载连接元件，这些负载连接元件牢固地与电路载体机械地及电气地相连，并基本垂直地朝外壳内腔突出，其中，将用于建立电接触的分立接线端子元件安置在负载连接元件的自由端上。
负载连接元件简单且有利地直接安装在电路载体的金属化部分(通常为铜)上，并在此处牢固地、刚性地与电路载体机械地及电气地相连。负载连接元件基本为直的，并基本垂直于电路载体地朝外壳内腔突出。这些负载连接元件为整体式元件，这样就无需使用多个连接元件来建立与外壳外部的待供电端子之间的连接。电路载体可非常有利地在完成装配以及电气连接后，再以完整单元的形式装入外壳内。负载连接元件与电路载体之间的如上文所述的牢固的电气及机械连接排除了接合技术作为其连接技术。因此，也无需在外壳内设置用于容纳接合工具的空间，从而可有利地使整个外壳更为紧凑。此外还可省去接合工艺中为连接电路载体和负载连接元件而须重复实施的单个处理步骤。在很多应用情况中，甚至可完全放弃采用接合工艺，因而也无需使用全部的接合工具。在此情况下，电路载体上也无需再涂覆由铝、镍、铜或金构成的专用接合面，负载电流元件可直接安装在电路载体表面的金属化部分(通常为铜)上。除此之外，在某些应用情况中，还可放弃在接合处设置防氧化保护层(例如软胶)。电路载体被装入外壳之前，可对整个模块进行功能测试。电路载体被装入外壳后，就无需在电路载体上实施进一步的处理工作。
根据一种优选实施方式，负载连接元件为柱形或管状元件，可具有不同的基面形状。举例而言，可采用圆形、椭圆形或多角形以及其他形状的基面。具有上述基面形状的负载电流元件可以是实心柱体或任意壁厚的管状的空心柱体。此外还可使用基面形状为各种轮廓(例如U形断面、T形断面)的杆状负载电流元件。通过这种方式可特别有利地按具体要求专门为负载电流元件确定尺寸。这种具体要求可以是像刚度、寿命、电路载体上的接触面这样的机械要求，可以是像载流能力或电导率这样的电气要求，但也可以是像经济加工能力这样的制造相关要求。在导线中流过的是高频电流的情况下，管状负载连接元件由于著名的集肤效应以及由于电流朝导线表面偏移而特别适用。
一种特别优选的实施方式是通过不同的连接方法(例如焊接或粘接)将负载连接元件无需支撑地安装在电路载体上。电路载体上原本就须存在焊接连接，其原因(例如)是半导体器件并非裸芯片，且是被安装到带着接线的载体上，或者因为电路载体上需要容纳用于外部布线的电路元部件。在此情况下，负载电流元件可像其他焊接过程一样在同一个工序中被自动焊接到电路载体上。也就是说，无需使用额外的工具或机器。其中，为负载电流元件选定的尺寸和/或基面应使得负载电流元件被安装到电路载体上后，无需其他紧固装置即可稳定、无需支撑地位于电路载体上，在运输过程中，并不会在焊接处发生倾斜或旋转。接触构件可以任何一种已知方法(撒播法(Dispensen)、掩模印刷(Maskendruck)等)进行安装。负载连接元件适合于作为散装材料或用输送带输送的材料(Gurtware)，用现有的芯片装配系统进行自动安装。如果使用的是管状负载连接元件，就可以有利的方式根据负载连接元件的形状布置焊剂，使得在达到焊接温度时，熔融的焊剂在毛细作用力和润湿力的作用下集中在管状负载连接元件的中心，并使焊剂分布在负载连接元件的内侧面和外侧面上。定位精度取决于焊剂在所有方向上的均匀分布，其他定位公差可通过对外壳或电路载体采取结构性措施来加以考虑。
根据本发明的另一有利实施方式，负载连接元件未焊接的自由端突出在外壳之外，用于固定一个用于建立电接触的接线端子元件。为此需在外壳上设置相应的开口，这些开口优选与负载连接元件的自由端形状相同。将这些开口布置在外壳盖上是有利的，因为易于操作。在此情况下，随着外壳盖被安装到功率半导体模块上，可进一步加固负载连接元件，从而避免负载连接元件从电路载体分离。
根据另一实施方式，负载连接元件由一个带有导电金属化表面的陶瓷体构成。(在管状负载连接元件的情况下)外侧面和内侧面优选具有铜制金属化部分。这样就无须使用由铜或黄铜制成的实心负载连接元件。由于电路载体通常也是由陶瓷构成，因此，通过这种方式可避免出现不同膨胀系数所引起的机械应力，从而对功率半导体模块的耐用性产生有利影响。
根据另一实施方案，金属化表面特别在其用于插接接线端子元件的区域内具有较高的耐磨性。事实证明，在这个区域内涂覆一个钯涂层是有利的。这个区域内的高耐磨性在需要多次装卸接线端子元件的情况下特别有利。
根据另一特别有利的实施方案，接线端子元件具有一个空隙(盲孔、孔、穿孔等)，这个空隙的形状和尺寸与相应的负载连接元件的自由端的基面形状和基面尺寸基本相符。接线端子元件通过这个空隙插在突出在外壳之外的负载连接元件的自由端上。其中，为空隙选定的尺寸和形状使得接线端子元件与负载连接元件之间可形成压入配合连接，这个连接可在摩擦力的作用下保持稳定，并可使这两个元件之间实现良好的电接触。这样就可在外壳安装完毕后再将接线端子元件安装在负载连接元件上。无需将接线端子元件和负载连接元件旋接在一起。
根据另一建构方案，接线端予元件在其用于紧固负载连接元件的区域内具有可使上述空隙的内径具有回弹性质的轻微扩展性的构件，其中，因回弹特性而产生在扩展区域内的力可加固接线端子元件和负载连接元件之间的压入配合连接。如果上述空隙涉及的是孔，并且孔的圆周上开有缝隙，就会由于材料结构的原因产生一个较小的可扩展孔开口，这个孔开口可在扩展状态下插在负载连接元件的栓形突出部上。材料结构的回弹特性可改善接线端子元件和负载连接元件之间的连接和接触。在此情况下，无需朝电路载体表面方向施加较大的压力就可将接线端子元件连接在负载连接元件上。上述实施方式只是示范性实施方式，也可采用通过利用上述原理而实现的其他实施方案。
根据一种特别有利的实施方式，外壳和接线端子元件实施为，接线端子元件可以互锁和/或压入配合的方式与外壳相连来吸收来自于外部的力和力矩，从而将这些力传递到外壳上。举例而言，可在外壳和接线端子元件之间建立螺旋连接或粘接连接来实现形状配合连接。根据另一种实施方案，甚至可将接线端子元件注模在外壳盖中。在另一种压入配合连接中，例如可在外壳上安装一些壁，其中，接线端子元件正好嵌入这些壁之间，从而避免接线端子元件在外壳表面所处的平面中发生扭转。其他连接方案包括(例如)槽、缝隙、外壳上的凸缘或外壳中的凹槽，接线端子元件可压合、插入或卡入这些凹槽。此外还可根据具体的安装情况对互锁和压入配合连接方案进行任意组合。借此可有利地将来自于外部的力和力矩传递到外壳上。
根据另一有利实施方案，接线端子元件具有可在接线端子元件的外侧母片区之间保证灵活扭转型连接的构件。举例而言，这种构件可以是中间母片区域内的空隙，当外部端子上受到方向向左或向右的扭力作用时，这些空隙可使这个母片区发生轻微的偏转，从而将一部分作用力吸收掉。外部扭力一消失，材料的回弹特性就会使发生偏转的母线段复原。有利的一点是，允许传递到接线端子元件上的最大扭力可通过最大偏转度而确定或与最大偏转度相符。在此情况下，可通过最大偏转度来对最大可传递扭力加以指示。
根据有利方案，外壳和接线端子元件之间还可存在其他可解除的连接。借此可安装不同的接线端子元件，从而达到与用电设备端子的连接技术、连接空间及位置相匹配的目的。
根据一种特别有利的实施方式，接线端子元件在其外部接线侧具有一个紧固装置，这个紧固装置的形式为各种具有不同形状的钻孔和/或轮廓，通过这些钻孔和/或轮廓可用各种连接技术灵活连接常用的外部端子。借此可省去更换接线端子元件的工作，从而实现最大程度的灵活性。举例而言，这种轮廓可以同时是一些扭转90的带一个孔或螺旋连接的连接面。此外还可采用外部连接线插入后可将其压紧的轮廓(压接连接)。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明，其中：
图1为带有负载连接元件的功率半导体模块的截面图；
图2为带有负载连接元件、但不具有外壳盖的功率半导体模块的俯视图；
图3、4为负载连接元件的示范性形状的示意图；
图5为不具有外壳盖、但带有接线端子元件的功率半导体模块的俯视图；
图6为示范性接线端子元件的示意图；
图7为不具有外壳盖的功率半导体模块的俯视图，所述功率半导体模块上插有如图6所示的接线端子元件；以及
图8为具有外壳盖的功率半导体模块的俯视图，所述功率半导体模块上插有如图6所示的接线端子元件。
具体实施方式
相同部件在所有附图中均用相同参考符号表示。
图1以截面图形式、图2以俯视图形式加以显示的功率半导体模块1包括一个壳体2，壳体2通过外壳盖3得到封闭，从而形成一个外壳内腔4。壳体2和外壳盖3可旋接、插接或以任意一种其他方式连接在一起。由壳体2和外壳盖3构成的外壳的内部布置有平面状电路载体5。电路载体5至少在它的其中一个表面6上配有金属化接触面7(优选为铜)，这个金属化接触面具有符合电路技术要求的结构(例如印制导线)。电路载体5既可以是像DCB电路载体这样的陶瓷电路载体，也可以是塑料印刷电路板。电子元部件8与电路载体5机械地及电气地相连。电子元部件8与电路载体5之间的电气连接可通过焊接而建立。如果电子元部件涉及的是可安装在DCB电路载体上的裸芯片，就通过接合技术来建立芯片与电路载体5之间的连接。功率半导体模块伸出在外部的端子(通常为负载端子)通过电路载体5的电路技术结构连接在电路载体5的表面6上的相应位置上。负载连接元件9在这个位置上(优选通过焊接技术)与电路载体5机械地及电气地相连。负载连接元件9优选垂直于电路载体5，并穿过外壳内腔4朝外壳盖3方向突出。
图3显示的是基面形状为六角形的柱形负载连接元件9，图4显示的是圆柱形负载连接元件9。图3和图4所示的两个负载连接元件均为示范性的空心体。实心体和任意一种其他基面形状均适用于此，且可以是合理的(载流量、焊接时的稳定性)。只要负载连接元件9是由陶瓷体构成，而非全部用导电材料制成，负载连接元件9就具有金属化外侧面和/或内侧面11。
图5显示的功率半导体模块1的俯视图，功率半导体模块1上未布置外壳盖3，但安装有多个用于容纳外部端子14的接线端子元件12。接线端子元件12安置在负载连接元件9上，接线端子元件12在简单情况下包括一段几次弯曲的立方形母片。通过弯曲形成一个第一母片区16(在安装完毕的状态下基本垂直于负载连接元件)、一个基本垂直于母片区16的母片区17和一个基本平行于母片区16的母片区18。接线端子元件12在第一母片区16区域内具有一个用于容纳负载连接元件的空隙13，空隙13与负载连接元件9的基面形状相符，并可在负载连接元件9和接线端子元件12之间建立一个可以压入配合方式可靠地实现电接触的连接。接线端子元件12由导电材料构成或其表面至少通过导电材料金属化。就最简单的情况而言或当负载连接元件9为圆柱形负载连接元件时，空隙13可以是通孔或盲孔。母片区18具有一个用于固定外部端子14的紧固装置19。在本实施例中，紧固装置19为一个带有嵌入式内螺纹的钻孔，通过这个钻孔可将外部端子14旋接上。紧固装置19也可具有其他类型的轮廓。外壳和接线端子元件12上设置有多个用于固定接线端子元件12的紧固构件15，这些紧固构件可以吸收从外部端子14上传递过来的力和力矩。图5所示的紧固构件15是一个布置在第一母片区16上的接线端子元件12和壳体2之间的螺旋连接。其他紧固构件在图7和图8中有所图示。
在图6所示的另一实施方式中，接线端子元件12同样可分为母片区16、17、18。在这个实施方案中，接线端子元件12的第一母片区16的空隙13中嵌有一个空心圆柱形插座20，通过这个插座可确保与负载连接元件9(在本实施例中为圆形负载连接元件)之间的最佳接触。插座20在其圆柱形壁的至少一侧上具有一个缝隙21。这个缝隙21可确保插座20的圆孔具有回弹性质的轻微扩展性，在安装完毕状态下，这种回弹效应可改善插座20施加在负载连接元件9上的压紧力。此处的母片区18同样具有一个用于固定外部端子14的紧固装置19，紧固装置19由螺钉22和带有内螺纹的钻孔构成，在这个实施例中，紧固装置19具有一个形式为四边形板24的扩展部分，这个四角形板可以压入配合的方式压紧外部端子14。母片区17上设置有两个长孔形空隙28。当外部端子上受到扭力作用时，这个母片区会在双向箭头29所示的方向上发生偏转。
图7显示的是带有外壳的功率半导体模块1的俯视图。上文借助图6加以详细说明的接线端子元件12插在负载连接元件9上。为能提供对接线端子元件12的支持和固定，每个接线端子元件均配有一个为其量身定做的配合结构25和复数个壁26(布置在壳体2上)，配合结构25和壁26是上述紧固构件15的一种细化方案。配合结构25是壳体2的材料加固部分，在母片区17和18区域内为接线端子元件12提供了一个定位面和/或支承面。配合结构25此外还具有一个盲孔27，盲孔27可将旋紧后的螺钉22装埋，同时将外部端子14(此处未显示)所施加的压力和拉力吸收掉。盲孔27也可具有内螺纹，这个内螺纹同时用于固定外部端子14和接线端子元件。壁26通常涉及的是在注塑过程中在一个工序中形成在外壳上的垂直的平面状突出部，这些壁所采取的布置方式以及彼此间所间隔的距离使得每两个壁26之间正好可插入接线端子元件的母片区17和18。壁26借此可使接线端子元件12克服来自于外部端子14的侧压力保持位置不变。此外，壁26还可防止板24发生扭转，并承担起相邻接线端子元件12之间的绝缘任务。
图8在图6和图7的基础上显示了一个带有接线端子元件和外壳盖的功率半导体模块的俯视图，在这个实施例中，负载连接元件9的长度确定为：当外壳盖3安装完毕时，产生一个突出部10，负载连接元件9通过这个突出部突出在外壳盖3之外。附图所示的三个负载连接元件9的突出部10均穿过安装在壳体上的外壳盖3。为此，外壳盖3具有多个形状与负载连接元件9的基面轮廓相符的穿孔，将外壳盖3安装到功率半导体模块上后，这些穿孔可为负载连接元件9提供附加的固定作用，从而避免负载连接元件9在外壳组装完毕后发生断裂。为能提供对接线端子元件12的支持和固定，每个接线端子元件12均配有一个布置在外壳盖3上的如上文所述的专用紧固构件15，紧固构件15实施为形成在外壳上的配合结构25和壁26，配合结构25和壁26在母片区17和18区域内为接线端子元件12提供了一个定位面和支承面。

Claims (12)

1.一种功率半导体模块(1)，包括一个用于容纳至少一个基本呈平面状的电路载体(5)的外壳，其中，所述电路载体(5)的表面(6)的至少一部分被金属化，所述电路载体(5)上安装有至少一个与其电气相连的功率半导体(8)，其中，所述电路载体(5)的所述表面(6)的金属化部分上安装有复数个基本直的刚性整体式负载连接元件(9)，所述负载连接元件的其中一端牢固地与所述电路载体(5)机械地及电气地相连，且所述负载连接元件基本垂直地朝外壳内腔(4)突出，其中，用于建立电接触的分立接线端子元件(12)安装在所述负载连接元件(9)的自由端上，且其中，所述负载连接元件(9)由一个带有导电金属化表面(11)的陶瓷体构成。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述负载连接元件(9)实施为柱状、管状或杆状，且具有不同的基面形状。
3.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述负载连接元件(9)通过其基面无需支撑地焊接或粘接在所述电路载体(5)上。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述负载连接元件(9)的所述自由端突出在所述外壳(2，3)之外，用于固定一个用于建立电接触的接线端子元件(12)。
5.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述负载连接元件(9)具有由钯构成的金属化表面(11)。
6.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述接线端子元件(12)包括一个空隙(13)，其中，所述空隙(13)的形状和尺寸与所要连接的、相应的负载连接元件(9)的自由端的基面形状和基面尺寸基本相符，使得所述接线端子元件(12)的所述空隙(13)安装到所述负载连接元件(9)的自由端上后，在所述接线端子元件(12)和所述负载连接元件(9)之间形成一个压入配合连接。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述接线端子元件(12)在与所述负载连接元件(9)紧固的区域内包括使所述空隙的内径具有回弹性质的轻微扩展性的构件，其中，因回弹特性而产生在扩展区域内的力加固所述接线端子元件和所述负载连接元件之间的压入配合。
8.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述外壳(2，3)和所述接线端子元件(12)实施为，所述接线端子元件(12)以互锁和/或压入配合的方式与所述外壳(2，3)相连来吸收来自于外部的力和力矩，从而将这些力基本传递到所述外壳(2，3)上。
9.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述接线端子元件(12)包括复数个在所述接线端子元件(12)的外侧母片区(16，18)之间保证灵活扭转型连接的构件。
10.根据权利要求6所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述接线端子元件(12)可从所述外壳(2，3)上卸下。
11.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，
所述接线端子元件(12)在其接线侧包括一个紧固装置(19)，所述紧固装置的形式为适当设计的、不同的孔和/或轮廓，通过所述孔和/或轮廓可用各种连接技术灵活连接外部端子。
12.一种用于功率半导体模块(1)的外壳(2，3)，包括一个壳体(2)和一个外壳盖(3)，所述壳体(2)用于容纳至少一个基本呈平面状的、带有复数个负载连接元件(9)的电路载体(5)，所述负载连接元件(9)连接在所述电路载体(5)上，
其特征在于，
所述外壳(2，3)
a)包括复数个穿孔，使得复数个所述负载连接元件(9)的自由端向外突出，以及
b)包括一个安装在所述负载连接元件(9)上的接线端子元件(12)。
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