CN101479940A - 热稳定性好的高功率半导体组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热稳定性好的高功率半导体组件，其包括一电路，用以提供该高功率半导体中栅极的栅极驱动电压，此栅极驱动电压具有一负温度系数，可在高功率半导体组件温度递增时提供一渐减的栅极驱动电压，使高功率半导体组件的净源极－漏极温度系数小于或等于零。在一实施例中，栅极驱动电路包括具有负正向电压温度系数的二极管，其连接在高功率半导体组件的栅极和源极之间；在另一实施例中，将栅极电压与高功率半导体组件所组成的集成电路中的高功率半导体组件合并。

Description

热稳定性好的高功率半导体组件

发明背景

技术领域

本发明涉及一种高功率半导体组件及电路的结构和性能，特别涉及一种如沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的热稳定性好的高功率半导体组件的电路设计、装置结构及制造方法。

背景技术

随着高速化金属氧化物半导体(MOS)栅极器件的出现，如何维持高功率半导体组件的热稳定性已成为一特别的技术问题。尤其，当高功率半导体如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)应用在功率切换(power-switch)时，通常都处于高电流、高电压的环境下执行，此执行环境会造成大量的功率消耗，并使温度快速上升；就算正确地控制操作，高功率半导体同样会产生热失控现象(thermal runaway phenomenon)最终使装置和系统执行失败。

有急迫的需要去解决此种技术问题，因为如金属氧化物半导体场效应晶体管这些高功率半导体广泛应用在多种电路系统中，特别是运用在高功率且高频率的切换操作作业上。当金属氧化物半导体场效应晶体管应用在低压降稳压器(low dropout voltage regulator，LDO)时，高功率的金属氧化物半导体场效应晶体管在饱和区域中操作，此时源极到漏极的电压(Vds)及源极到漏极的电流(Ids)具有高同步率。在此操作环境下，金属氧化物半导体场效应晶体管的功率消耗将造成温度上升，若设计不正确，更会发生热失控的情况，而高功率金属氧化物半导体场效应晶体管更会因过热而失败。

图1为高功率场效晶体管中典型的漏极电流对应栅极-源极电压(Vgs)的曲线图，而源极-漏极电压(Vds)固定不变。在图1中，一开始无法感知漏极电流(Ids)，直到输入的栅极-源极电压超过晶体管的阈值电压。当高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的操作温度上升时，晶体管的阈值电压Vt将会由于负温度系数(negative temperature coefficient，TC)的缘故而下降，由于温度上升，以Vgs-Vt定义的栅极过度驱动电压(gate overdrive voltage)也会上升，此栅极过度驱动电压更会使操作温度上升；此时，由于操作温度上升，又因为上升温度的载体移动率(the mobility of the carrier)下降，使晶体管的漏极电流有减少的趋势。一方面而言，较高的温度会使阈值电压减弱，使电流升高，但另一方面，较高的温度会使载体移动率下降而造成电流变小，而不幸的是这两种冲突矛盾无法互相抵消。图2所示为在约摄氏25度室温和摄氏125度时，将Ids对Vgs的曲线图迭加后的阈值电压Vt变化，其中在两曲线的左侧区域为负温度系数，而右侧区域则为正温度系数。

如图2所示，阈值的降低可从源极-漏极电流(Ids)曲线的膝部向左变化看出。载体移动率下降使源极-漏极电流斜率减小，而两曲线的交叉点定义为Ids0。若金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流大于Ids0，则漏极电流的温度系数(TC)为负值，而在金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流小于Ids0时，漏极电流的温度系数(TC)为正值。当金属氧化物半导体场效应晶体管的操作电流和电压使温度上升时会造成热失控的现象，且较高的温度也会造成电流上升，更会使晶体管的温度增加，此问题在高功率沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(trench power MOSFET)上甚至更严重，因为其具有高传导率。

有为数众多的途径可解决这个问题，C.Blake在2005年11月出版的高功率电子科技的第40到44页文章「评估高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的可靠性」中介绍了低传导率的平面式金属氧化物半导体场效应晶体管(planar MOSFET)；此外，另一种相关技术利用将晶体管的源极镇流(ballasting)，更可帮助解决效果降低的问题，然而这两种途径都会使金属氧化物半导体场效应晶体管的接地电阻值增加。结果，必须制造出更大或更耗成本的晶体管才能克服热稳定性的问题。

因此，本发明即针对上述现有技术的缺点，提出一种热稳定性佳的高功率半导体组件，从而有效克服上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种热稳定性好的高功率半导体组件，其包含一提供负温度系数栅极驱动信号的电路。此栅极驱动信号的负温度系数可接着补偿高功率半导体组件阈值电压的负温度系数，进而提供一净温度系数Ids，从而获得热稳定性高的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件。

本发明的另一目的在于提供一种负温度系数栅极驱动信号，其利用二极管和电阻组成的简单电路来实施，此简单电路为栅极电压驱动器，可轻松集成到高功率半导体组件中，且可制成集成电路的一部分。利用增加最小的制造成本且在相当大程度上不需增加栅极电压驱动器尺寸，更不需改变封装组件的形成因素，即可将栅极电压驱动器的执行程序最简化。

特别地，本发明的另一目的在于提供一种稳定性好的高功率半导体组件，其连接一电路，此电路提供一高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件中栅极的负温度系数栅极驱动信号(negative temperature coefficient)，其平行耦合在源极与栅极之间。该电路可以利用两个互联的具有负向电压温度系数的二极管来实现。用电阻将所述二极管连接在源极和栅极之间，随着温度的增加，栅极驱动电压减少，从而补偿了阈值电压的减少。利用本发明提供的新增电路，将负温度系数Ids应用于半导体功率器件上，就得到了热稳定性良好的MOSFET器件。

本发明的又一目的在于利用一静电放电电路(ESD circuit)提供双重的静电放电防护功能，并同时提供栅极驱动电压的负温度系数。

本发明的一个简单实施例公开一种高功率半导体组件，其包含一电路，可提供一栅极信号，此栅极信号具有栅极驱动电压的负温度系数，在温度增加时降低栅极驱动电压，因此高功率半导体组件具有一小于或等于零的净温度系数。在一实施例中，栅极电压驱动器包含一二极管，其设置在高功率半导体组件的栅极与源极之间，具有一负向电压温度系数。在另一实施例中，栅极电压与高功率半导体组件所组成的集成电路中的高功率半导体组件合并。

本发明更公开一种补偿高功率半导体组件中阈值的负系数的方法，将该提供负温度系数栅极驱动信号的电路与栅极连接，使净源极-漏极电流(Ids)温度系数小于或等于零，且当温度上升时，栅极驱动电压的下降幅度等于或大于阈值电压的下降。

以下由具体实施例详加说明，使本领域的技术人员更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的效果。

附图说明

图1为一高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极电流对栅极-源极电压的曲线图；

图2为一高功率金属氧化物半导体场效应晶体管在约摄氏25度室温和摄氏125度时，将Ids对Vgs的曲线图迭加后的阈值电压Vt变化的曲线图；

图3为应用栅极过度驱动电压来提供零温度系数或负温度系数从而获得热稳定性好的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的功能模块图；

图4为在图3中应用栅极过度驱动电压来提供零温度系数或负温度系数从而获得热稳定性好的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的电路图；

图5为配置一静电放电防护电路(electrostatic protection device，ESD)在栅极电压驱动电压中，来提供一零温度系数或一负温度系数，从而获得热稳定性好的高功率金属氧化物半导体场效应晶体管的电路图；

图6A～6C为图4电路中热稳定性好的平面式金属氧化物半导体场效应晶体管及沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管的俯视图及剖视图；

图7A～7C为图5电路中热稳定性好的平面式金属氧化物半导体场效应晶体管及沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管的俯视图及剖视图。

具体实施方式

高功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)阈值电压的负温度系数(negative temperature coefficient，TC)是高功率金属氧化物半导体场效应晶体管热稳定性好的原因。如前所述，由于阈值电压Vt在温度增加时下降，因此阈值电压的负温度系数可产生栅极过度驱动电压(gate overdrive voltage)Vgs-Vt的正温度系数。与先前技术不同的是，本发明提供一种新式途径，不直接分配阈值电压的负温度系数来克服热稳定性的问题。本发明直接分配的是栅极过度驱动电压Vgs-Vt的温度系数，来取代先前技术中将阈值电压的负温度系数减少或消除的做法。金属氧化物半导体场效应晶体管组件利用本发明中一种新的电路结构来补偿阈值电压的负温度系数，维持栅极过度驱动电压Vgs-Vt的温度系数为负值或零，来达到良好热稳定性的目的。一旦栅极过度驱动电压具有零温度系数或负温度系数，则高功率金属氧化物半导体场效应晶体管在任何操作电流下都可具有热稳定性。

因此，如图3所示，一栅极驱动电路110连接一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管组件100(N channel MOSFET device)，此栅极驱动电路110引入金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极驱动器上的负温度系数，用以补偿阈值电压的负温度系数。栅极驱动电路110是可与金属氧化物半导体场效应晶体管组件100共同封装或集成在一起的简单电路，且栅极驱动电路110会产生一栅极驱动信号，其用以补偿金属氧化物半导体场效应晶体管组件100中阈值电压的负温度系数。实质上，本发明公开了一种高功率半导体组件具有一负阈值电压温度系数(negative threshold-voltage temperaturecoefficient)，该半导体可与提供栅极驱动电压的负温度系数的电路集成在一起，以补偿负温度系数阈值电压，使高功率半导体组件具有一小于或等于零的净源极-漏极电流(Ids)温度系数，因此高功率半导体组件的热稳定性好。

图4所示为具有负温度系数的栅极驱动电路110的实际应用的电路图，栅极驱动电路110连接在输入电压105和金属氧化物半导体场效应晶体管组件100之间，包括有一分支电路，此分支电路包含阻值为R1的第一电阻120，该第一电阻与第一二极管130及第二二极管140串联，其中分支电路平行连接在金属氧化物半导体场效应晶体管组件100的源极和栅极端之间；输入电压105利用电阻值为R2的第二电阻150连接到栅极和分支电路。连接在图4所示的栅极电压驱动器110上的栅极-源极电压可表示为：

$\mathrm{Vgs}=\mathrm{Vin}\frac{R1}{R1+R2}+2\mathrm{Vd}\frac{R2}{R1+R2}---\left(1\right)$

其中Vd为二极管正向电压。

栅极过度驱动电压可表示为：

$\mathrm{Vgs}-\mathrm{Vt}=\mathrm{Vin}\frac{R1}{R1+R2}+2\mathrm{Vd}\frac{R2}{R1+R2}-\mathrm{Vt}---\left(2\right)$

栅极过度驱动电压的温度系数为：

$\frac{d(\mathrm{Vgs}-\mathrm{Vt})}{\mathrm{dT}}=2\left[\frac{R2}{R1+R2}\right]\left(\frac{\mathrm{dVd}}{\mathrm{dT}}\right)-\frac{\mathrm{dVt}}{\mathrm{dT}}---\left(3\right)$

众所周知正向电压(Vd)的温度系数约为-2mV/℃，选择正确的R1、R2及二极管数量，栅极过度驱动电压的温度系数可调整到零，甚至是负值，而因电阻而减小的栅极过度驱动电压也可用在金属氧化物半导体场效应晶体管中较窄的栅极氧化层上。图4中所示电路的栅极电压驱动器可轻易地与高功率半导体合并成集成电路的一部分，稍后将在图6中说明。

图3中的栅极驱动电路110更可应用于图5中，除了在图4中有的二极管130、140及电阻120、150之外，图5的栅极驱动电路110更包括二极管160、170以提供静电放电防护电路(ESD)。将连接安排成图5所示的电路后，可提供静电放电的防护，因此可达到制作一具有静电放电防护且热稳定性好的金属氧化物半导体场效应晶体管的目的。

如图6A～6C所示的高功率半导体组件示意图，例如将一金属氧化物半导体场效应晶体管组件与图4中的栅极电压驱动电路集成在一起的示意图。此金属氧化物半导体场效应晶体管组件可为如图6B中剖视图所示的平面式(planar)组件，或是如图6C中剖视图所示的沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(trench MOSFET)。在图6A的俯视图中，与此高功率半导体组件集成的也是栅极电压驱动电路，该形成在多晶硅层上的栅极电压驱动电路具有第一二极管130、第二二极管140、第一电阻120及第二电阻150，其中，如图4中所示的栅极电压驱动电路110平行耦合在栅极和源极端之间。设有栅极电压驱动电路110的多晶硅层可设置在场氧化层115的最上层，与此同时或在栅极形成之后，形成金属氧化物半导体场效应晶体管栅极。接下来，多晶硅层被图案化，并进行期望浓度的掺杂，从而形成区域120、150、130-P、130-N、140-P、140-N，接着沉积绝缘层175；接着，开设穿过绝缘层175的接触洞，与此同时，刻蚀源极触点。最后，顶表面金属层180被沉积并且被图案化来形成二极管和电阻之间的连接，以及源极衬垫180-S与栅极衬垫180-G之间的连接。栅极衬垫180-G与电阻150连接，并转接至栅极总线180-R。

如图7A～7C所示的高功率半导体组件示意图，例如将一金属氧化物半导体场效应晶体管组件与图5中的栅极电压驱动电路集成在一起的示意图。此金属氧化物半导体场效应晶体管组件可为图7B剖视图中所示的平面式(planar)组件，或是如图7C剖视图中所示的沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管(trench MOSFET)。在图7A的俯视图中，与此高功率半导体组件集成的也是栅极电压驱动电路，该形成在多晶硅层上的栅极电压驱动电路具有第一二极管130、第二二极管140、第一电阻120及第二电阻150还具有第三二极管160及第四二极管170，其中，如图5中所示的栅极电压驱动电路110平行耦合在栅极和源极端之间。设置有栅极电压驱动电路110的多晶硅层可沉积在场氧化层115的最上层，与此同时或在栅极形成之后，形成金属氧化物半导体场效应晶体管栅极。接下来，多晶硅层被图案化，并进行期望浓度的掺杂，从而形成区域120、150、130-P、130-N、140-P、140-N、160-N、165-P、170-N，接着沉积一绝缘层175；接着，开设穿过绝缘层175的接触洞，与此同时，刻蚀源极触点。最后，沉积一顶表面金属层180，图案化该金属层来形成二极管和电阻之间的连接，以及源极衬垫180-S与栅极衬垫180-G之间的连接。栅极衬垫180-G与电阻150连接，并转接至栅极总线180-R。

综上所述，本发明公开一种电路及一高功率半导体组件，包括用以提供高功率半导体组件中栅极的栅极驱动电压的电路，此栅极驱动电压具有一负温度系数(negative temperature coefficient)，可在高功率半导体组件温度增加时提供一减小的栅极驱动电压，使高功率半导体组件具有一小于或等于零的净温度系数。在本发明一实施例中，该提供栅极驱动电压的电路包含一二极管，其具有一负向电压温度系数，设置于高功率半导体组件的栅极与源极之间；在另一实施例中，该提供一栅极驱动电压的电路与高功率半导体组件所组成的集成电路中的高功率半导体组件合并，成为该集成电路的一部分；在另一实施例中，高功率半导体组件更包括一沟槽扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(trench MOSFET)组件，沟槽扩散金属氧化物半导体场效应晶体管组件中包含提供栅极驱动电压的该电路，其包含平行耦合在栅极与源极端之间的第一二极管、第二二极管、第一电阻及第二电阻，以及第一二极管和第二二极管。其中，第一电阻及第二电阻，以及第一二极管和第二二极管是形成在一多晶硅层上；在另一实施例中，高功率半导体组件中更包括一静电放电电路(ESD circuit)，其包括一组平行耦合在高功率半导体组件中栅极及源极电极之间的背对背二极管(back-to-back diode)，用以保护高功率半导体组件；在另一实施例中，第一二极管与第二二极管硅设置在一多晶硅层上，且多晶硅层沉积在场氧化层的顶部。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故凡依本发明申请范围所述的特征及精神所作的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (26)

1.一种高功率半导体组件，包括：

一电路，其用以提供该高功率半导体中栅极的栅极驱动电压，该栅极驱动电压具有一负温度系数，可在该高功率半导体组件温度增加时提供一减小的栅极驱动电压，使该高功率半导体组件的净温度系数小于或等于零。

2.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，所述提供了栅极驱动电压的电路包括一个二极管，该电路具有负向电压温度系数，该电路连接在所述高功率半导体组件中栅极和源极之间。

3.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，所述提供了栅极驱动电压的电路与作为集成电路一部分的高功率半导体组件集成在一起。

4.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，该高功率半导体组件进一步包括一沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件，该沟槽扩散金属氧化物半导体场效应晶体管组件中包含提供了该栅极驱动电压的集成电路，该电路利用一多晶硅掺杂二极管连接到一源极金属和一栅极衬垫。

5.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，该高功率半导体组件进一步包括一沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件。

6.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，该高功率半导体组件进一步包括一沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件，其具有提供了该栅极驱动电路的集成电路，该集成电路由第一二极管、第二二极管、第一电阻和第二电阻所组成，平行连接在源极金属和栅极衬垫之间，其中该第一二极管、该第二二极管、该第一电阻及该第二电阻形成在一多晶硅层上。

7.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，该高功率半导体组件进一步包括一平面式金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有提供了该栅极驱动电路的集成电路，该集成电路由第一二极管、第二二极管、第一电阻及第二电阻所组成，平行平行连接在源极金属和栅极衬垫之间，其中该第一二极管、该第二二极管、该第一电阻及该第二电阻形成在一多晶硅层上。

8.如权利要求1所述的高功率半导体组件，其特征在于，进一步包括一静电放电电路，其包括一组平行耦合在该高功率半导体组件中栅极和源极之间的背对背二极管，用以保护该高功率半导体组件。

9.如权利要求6所述的高功率半导体组件，其特征在于，该第一二极管及该第二二极管设置在一多晶硅层上，且该多晶硅层沉积在一场氧化层的顶部。

10.如权利要求7所述的高功率半导体组件，其特征在于，该第一二极管及该第二二极管设置在一多晶硅层上，且该多晶硅层沉积在一场氧化层的顶部。

11.一种制造一高功率半导体组件的方法，包括下列步骤：

将提供了栅极驱动电压的电路连接到具有负温度系数的半导体功率器件的栅极，从而可在该高功率半导体组件温度递增时提供一渐减的栅极驱动电压，使该高功率半导体组件之一净温度系数小于或等于零。

12.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，该连接提供了栅极驱动电压的电路的步骤中，进一步包括将具有负向电压温度系数的二极管连接到高功率半导体组件中栅极和源极之间的步骤。

13.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，该连接提供了栅极驱动电压的电路的步骤中，进一步包括将该电路与该高功率半导体组件所组成的集成电路中的该高功率半导体组件合并。

14.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，进一步包括制造一沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件，该沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件中包含提供了栅极驱动电压的集成电路，该集成电路利用一多晶硅掺杂二极管连接到一源极金属和一栅极衬垫。

15.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，进一步包括制造一沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件。

16.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，进一步包括制造一沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管组件，其具有提供了栅极驱动电路的集成电路，该集成电路由第一二极管、第二二极管、第一电阻及第二电阻所组成，平行连接在源极金属和栅极衬垫之间，其中该第一二极管、该第二二极管、该第一电阻及该第二电阻形成在一多晶硅层上。

17.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，进一步包括制造一平面式金属氧化物半导体场效应晶体管，其具有提供了栅极驱动电路的电路，该电路由第一二极管、第二二极管、第一电阻及第二电阻所组成，平行连接在源极金属和栅极衬垫之间，其中该第一二极管、该第二二极管、该第一电阻及该第二电阻形成在一多晶硅层上。

18.如权利要求11所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，进一步包括将一组背对背二极管平行耦合在该高功率半导体组件中栅极和源极之间，形成一静电放电电路，用以保护该高功率半导体组件。

19.如权利要求16所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，所述形成第一二极管和第二二极管的步骤进一步包含以下步骤：在一多晶硅层上形成第一二极管和第二二极管，并且将该多晶硅层沉积在一场氧化层的顶部。

20.如权利要求17所述的制造一高功率半导体组件的方法，其特征在于，所述形成第一二极管和第二二极管的步骤进一步包含以下步骤：在一多晶硅层上形成第一二极管和第二二极管，并且将该多晶硅层沉积在一场氧化层的顶部。

21.一种补偿高功率半导体组件中阈值的负系数的方法，包括下列步骤：

将提供了负温度系数栅极驱动信号的电路连接到栅极，使净源极-漏极电流的温度系数小于或等于零。

22.如权利要求21所述的补偿高功率半导体组件中阈值的负系数的方法，其特征在于，当该高功率半导体组件的温度增加时，以相等或大于阈值电压的值来减少一栅极驱动电压，以补偿该阈值电压的负系数。

23.一种高功率的金属氧化物半导体场效应晶体管栅极驱动电路，其连接在栅极输入电压和高功率场效晶体管组件的栅极之间，其中：

该金属氧化物半导体场效应晶体管栅极驱动电路提供一栅极驱动电压给该高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件中的栅极，该金属氧化物半导体场效应晶体管栅极驱动电路具有一负温度系数，可在该高功率半导体组件温度递增时提供一渐减的栅极驱动电压，使该高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件的净温度系数小于或等于零。

24.如权利要求23所述的高功率的金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，进一步包括：

一分支电路，其包含与若干二极管串联的第一电阻，其中该分支电路平行连接在该金属氧化物半导体场效应晶体管组件的源极和栅极端之间；以及

一第二电阻，其连接在该场效晶体管的栅极和栅极输入电压之间。

25.如权利要求24所述的高功率的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极驱动电路，其特征在于，进一步包括若干二极管和第一电阻、第二电阻的组合，用以提供该高功率场效晶体管器件中栅极的栅极驱动电压，且该金属氧化物半导体场效应晶体管栅极驱动电路具有一负温度系数，可在该高功率半导体组件温度递增时提供一渐减的栅极驱动电压，使该高功率金属氧化物半导体场效应晶体管组件的一净温度系数小于或等于零。

26.如权利要求24所述的高功率的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极驱动电路，其特征在于，所述的分支电路包括一对连接在该金属氧化物半导体场效应晶体管组件中栅极输入电压和源极之间的背对背二极管，用以提供静电放电防护。

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