CN103197226A - 评价引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法。该方法包括步骤：选取筛选合格的样品随机分为若干组；测试并计算一组样品内部的相对湿度及键合丝的键合强度平均值；利用恒定温度应力、温度循环和恒定湿热三组加速应力进行加速寿命试验，进行恒定湿热试验的样品应先开盖；每间隔一定时间检测样品的敏感参数；确定产品的敏感参数及其寿命分布类型，拟合得到分布参数；计算样品的平均寿命；根据不同应力条件下样品平均寿命计算加速模型的模型参数和加速因子；外推出样品实际贮存条件下的寿命。本发明方法的试验应力选择合理，监测参数全面，能准确地判别敏感参数，它主要应用于半导体模拟集成电路可靠性评估领域。

Description

评价引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路贮存寿命评估方法，特别涉及一种利用加速寿命试验来快速评价引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法，它主要应用于半导体模拟集成电路可靠性评估领域。

背景技术

气密性封装模拟集成电路在航空、航天等对电子元器件可靠性要求高的领域有着广泛的应用，气密性封装模拟集成电路的寿命在很大程度上决定了它所应用的上级电子系统的寿命。而在实际应用中，气密性封装模拟集成电路在任务周期的多数时间是处于非工作的贮存状态的。因此，有必要对气密性封装模拟集成电路的贮存寿命进行评估。

传统对气密性封装模拟集成电路的贮存寿命评估方法主要采用传统的加速寿命方法，即采用温度、湿度或者温度循环等应力作为加速条件，直接对待评估电路样品进行加速寿命试验，确定变化速率最快的电参数为器件的敏感参数，后结合相关加速退化物理模型和统计分析的方法推算出器件在正常条件下的贮存寿命，如文献1：王群勇，陈冬梅，阳辉等的中国发明专利“元器件长寿命评测方法”201010238799.X。利用此类传统方法来对引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命进行评价，具有很大的局限性和以下问题：

1）此类方法直接对元器件进行加速试验，默认器件所处环境的应力条件即为引起器件失效的实际应力条件，而气密性封装电路由于封装的密闭特性而使其内部元件与外部气氛环境完全隔绝，因此，影响电路贮存寿命的水汽等因素主要来源于封装内部，而非外部环境，因此此类方法无法正确评估水汽对电路寿命的影响；2）此类方法的加速寿命试验仅对器件的电参数进行监测，从中确定器件的敏感参数来评价电路的寿命，但对于引线键合气密性封装模拟集成电路来说，其键合丝的键合强度等机械参数的退化也是影响电路贮存寿命的主要因素之一，因此，此类方法无法准确评估整个电路真实的贮存寿命；3）此类传统评价方法中，以变化速率最快作为确定器件敏感参数的唯一标准，而没有考虑该器件参数允许的容差范围，可能出现器件某一参数虽然变化速率最快，但由于该参数允许的容差范围较大，经过一定的贮存时间后，该参数经过退化仍然在容许的范围内，而另外某一参数虽然变化较慢，但允许的容差范围较小，经过贮存已经超过允许的容差范围，这时如果按照传统的标准确定器件敏感参数就会出现错误评价，因此，此类方法不能准确地评价电路的贮存寿命。

发明内容

为克服传统加速寿命试验在评估气密性封装模拟集成电路贮存寿命时存在的试验应力选择不合理、监测参数不全面、敏感参数判别方法不准确的问题，本发明提出了一种价引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命的方法，该方法可在较短时间内，更加准确全面地评价引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命。

本发明的评价引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法，包括如下步骤：

（1）在筛选合格的采用引线键合气密性封装的模拟集成电路中抽取≥600只的电路样品，给每只电路样品编号，依据产品详细规范对每只电路样品进行全参数测试，记录被测电路样品的全部电参数值，随机分为≥13组；

（2）取其中一组电路样品，测试电路样品封装内部的水汽含量，计算出电路样品封装内部的相对湿度，再计算出此组电路样品封装内部相对湿度的平均值，以此封装内部相对湿度平均值作为实际贮存条件下气密性封装模拟集成电路封装内部相对湿度值；

（3）将完成步骤（2）之后的电路样品开盖，测试电路样品内部连接芯片的键合丝键合强度，计算出键合丝键合强度的平均值，以此作为实际贮存条件下气密性封装模拟集成电路键合丝的键合强度值；

（4）随机选取一组电路样品，分别在不同的温度下进行恒定温度高温贮存加速试验、不同的温度与湿度组合下进行恒定湿热加速试验、不同的温度循环条件下进行温度循环加速试验，其中，进行恒定湿热加速试验的电路样品应先开盖，通过摸底试验，确定合适的较高加速应力条件和电路的敏感参数；

（5）随机选择≥11组的电路样品，在步骤（4）确定的合适的较高加速应力条件下分别进行恒定高温、恒定湿热和温度循环加速贮存试验，每间隔500～1000小时，检测电路样品的漏率，对漏率合格的电路样品测试，记录贮存后电路样品的敏感电参数值，在敏感电参数合格的电路样品中，抽取1～2只电路样品，测试其键合丝的键合强度值；

（6）试验结束后，利用寿命分布图示法对试验数据进行分析，分别确定电路样品敏感电参数和键合丝键合强度退化的寿命分布类型，采用极大似然法对寿命分布函数的参数进行拟合，分别得到它们的寿命分布函数；

（7）根据步骤（6）得到的寿命分布函数，分别计算电路样品的敏感电参数和键合丝键合强度退化的平均寿命；

（8）根据不同应力等级条件下电路样品的电参数和键合丝键合强度退化的平均寿命，分别计算确定加速模型的模型参数，并以此计算电路样品的加速因子；

（9）根据步骤（7）和步骤（8）的结果，推算出电路样品在实际贮存条件下的贮存寿命。

所述步骤（1）中的电路样品，严格按照产品详细规范，从同一批合格产品中抽取。

所述步骤（3）中，实际贮存条件下气密性封装模拟集成电路键合丝的键合强度值，是采用一组电路样品中所有键合丝键合强度的平均值。

所述步骤（4）中，电路样品的敏感电参数为电参数的退化速率与其规范值端点极差值的比值最大的电参数。

所述步骤（4）和（5）中，分别采用恒定高温应力加速寿命试验、恒定湿热加速寿命试验和温度循环加速寿命试验三类加速寿命试验，对引线键合气密性封装模拟集成电路的敏感电参数和贮存寿命进行评估，并采用敏感电参数及键合丝的键合强度退化寿命，来综合评价引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命。

所述步骤（4）和（5）中，进行恒定湿热加速寿命试验时，电路样品应先去除封盖。

所述步骤（5）中，采用恒定湿热加速试验，来评估封装内部水汽对引线键合气密性封装模拟集成电路寿命的影响。

所述步骤（5）中，每次敏感电参数测试前，先检测电路样品的漏率，漏率不合格的电路样品直接从试验中剔除，仅对漏率合格电路样品进行敏感电参数测试并记录。

所述步骤（6）中，判定引线键合气密性封装模拟集成电路的敏感电参数及键合丝键合强度失效的判据为：参数超过规范值范围或者参数变化的20%，取两者中严格度高的条件，参数变化先达到哪个条件，即选择该条件作为此参数的失效判据。

所述步骤（9）中，引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命为，推算出的敏感电参数退化寿命和键合丝键合强度退化寿命中的较小值。

有益效果：

与传统的加速贮存寿命评价方法相比，本发明的评价引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法具有以下特点：

1）本发明方法采用恒定温度应力、温度循环应力和潮热应力三类加速应力，对引线键合气密性封装模拟集成电路进行分组加速寿命试验，采用敏感电参数和键合丝的键合强度的退化情况，来综合评价电路的贮存寿命，解决了传统方法往往只采用单一类型的应力、仅对器件敏感电参数退化引起的失效进行评价的局限性，更加准确全面地评价引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命；

2）本发明方法在具体实施方案中选取一定数量的电路样品测试其内部水汽含量，并以此计算出封装内部的实际相对湿度值，消除了传统加速寿命试验方法利用器件外部试验环境相对湿度值作为实际贮存湿度应力时存在的巨大误差；在进行恒定湿热试验时，去除电路的封盖，让潮热应力直接作用于器件内部，解决了潮热试验无法对气密性封装电路有效加速的问题；在每次试验后，均对器件的漏率进行检测，及时地剔除漏率不合格的样品，解决了传统方法无法保证气密性封装器件内部水汽条件不变的缺点；

3）本发明方法在确定电路样品的电性能敏感参数时，规定电参数的退化速率与其规范值端点极差值的比值之最大值，确定为敏感电参数，解决了传统方法仅考虑电参数变化速率而未考虑电参数允许的容差范围给敏感电参数选择带来的不合理性。

附图说明

图1为本发明实施例的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法的流程图；

图2为Arrhenius加速模型参数拟合示意图；

图3为逆幂律湿度加速模型参数拟合示意图；

图4为Coffin-Manson加速模型参数拟合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法的流程图。如图1所示，依据本发明实施例的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法的步骤包括：

步骤（1），在被评估筛选合格的采用引线键合气密性封装模拟集成电路中，抽取≥600只数量的电路样品，给每只电路样品编号，依据产品详细规范的条件，对所有电路样品进行全参数测试，记录被测电路样品的全部电参数值，后随机分为≥13组。

步骤（2），取其中一组测试封装内部的水汽含量，并计算封装内部的相对湿度，后计算出该组电路样品封装内部的相对湿度平均值。

步骤（3），将完成步骤（2）之后的电路样品开盖，测试芯片所有键合丝的键合强度，后计算出全部键合丝键合强度的平均值。

步骤（4），随机选取一组电路样品，分别在不同的温度下进行恒定温度高温贮存试验、不同的温度与湿度组合下进行恒定湿热加速试验、不同的温度循环条件下进行温度循环加速试验，其中，进行恒定湿热加速试验的电路样品应先开盖，通过摸底试验确定合适的较高加速应力条件和电路的敏感参数。

步骤（5），随机≥11组的电路样品在步骤（4）确定的合适较高应力条件下分别进行高温、湿热和温度循环加速贮存试验，每间隔500～1000小时检测试验电路的漏率、对漏率合格的电路测试并记录贮存后电路样品的敏感电参数值，后在敏感电参数合格的电路样品中抽取1～2只电路样品测试键合丝的键合强度值，漏率或者电参数不合格电路样品从试验中剔除。

步骤（6），试验结束后，利用寿命分布图示法对试验数据进行分析，分别确定电路样品敏感电参数和键合丝键合强度退化的寿命分布类型，采用极大似然法对寿命分布函数的参数进行拟合，分别得到它们各自的寿命分布函数。

步骤（7），根据步骤（6）得到的寿命分布函数，分别计算电路样品敏感电参数和键合丝键合强度退化的平均寿命。

步骤（8），根据不同应力等级条件下的电路样品电参数和键合丝键合强度退化的平均寿命，分别计算确定加速模型的模型参数，并以此计算电路样品的加速因子。

步骤（9），根据步骤（7）和步骤（8）的结果，推算出电路样品实际贮存条件下的贮存寿命。

本实施例的步骤（1）中，严格按照产品详细规范，从同一生产批和检验批的合格产品中抽取电路样品，为确保评估的准确性，抽取的电路样品总量应等于或者大于600只，分组等于或大于12组，各分组试验样品量大于30只。依据产品详细规范对电路样品进行电参数测试时，测试环境应该受控，测试间的环境温度应控制在25±3℃，湿度应控制在45%RH～80%RH。

本实施例的步骤（2）中，对测试气密性封装模拟集成电路内部水汽含量的设备要求如下：能够测试的最小内腔体积为0.01cc，测试精度为250ppm，水汽测试误差不超过10%，测试设备所处环境温度范围：15～26℃，湿度范围：20%RH-80%RH；测得封装内部的水汽含量后，利用式（1）和式（2）计算封装内部的相对湿度。式中，T为电路的温度，

为测试出的水汽含量体积比，P为腔体内部的压强。

${\mathrm{lge}}_w=\frac{10.286T-2148.4909}{T-35.85}---\left(2\right)$

本实施例的步骤（3）中，开启电路样品的封盖时，应注意从盖板边缘处开启，禁止开盖时所用工具碰触到电路样品内部的半导体芯片及键合丝，采用一组电路样品中所有键合丝键合强度的平均值作为实际贮存条件下引线键合气密性封装模拟集成电路键合丝的键合强度值。

本实施例的步骤（4）中，在所述摸底试验时，首先确保所施加的温度应力不超过半导体芯片的极限结温，特别需要注意的是进行恒定湿热加速寿命试验时，电路样品应先去除封盖。摸底试验后，结合半导体集成电路失效分析技术，确定加速试验应力水平。确定加速应力水平的原则是：在不改变器件失效机理的前提下，取尽可能高的应力水平。在确定电路样品的敏感电参数时，确定电参数的退化速率与其规范值端点极差值的比值最大的参数为敏感电参数。在本步骤中，气密性封装模拟集成电路敏感电参数如下：运算放大器的敏感电参数为失调电压、偏置电流、电源电流、增益等；ADC和DAC的敏感电参数为线性误差、微分误差、建立时间、转换时间等；中视频放大器的敏感电参数可能为静态电流、最高工作电压、电压增益、噪声系数等；RF放大器的敏感电参数为工作电流，耐压、输入/输出电压驻波系数等；驱动器的敏感电参数为输出高电平和输出低电平、输出电流、静态电流等；LDO及线性电源的敏感电参数为输入电压范围、基准电压、输入输出压差、静态电流等；DC/DC单片开关电源及控制器的敏感电参数为电源电流、基准电压、输入失调电压、输入偏置电流、输出低电平、输出高电平等。

本实施例的步骤（5）中，分别采用恒定高温应力加速寿命试验、恒定湿热加速寿命试验和温度循环加速寿命试验三类加速寿命试验，对引线键合气密性封装模拟集成电路的敏感电参数和贮存寿命进行评估，并采用敏感电参数及键合丝的键合强度退化寿命，来综合评价引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命。三类加速寿命试验的分组如下：恒定高温加速贮存试验至少做三个分组，各个温度应力的温差应大于或等于10℃；恒定湿热加速贮存试验至少做5个分组，即保证一个温度对应三个以上的湿度应力和一个湿度对应三个以上的温度应力，对应的相对湿度差应大于或者等于10%RH，温度差应大于等于10℃；温度循环加速贮存试验至少应做3个分组，各分组之间的温差梯度（即ΔT之差）应大于10℃。此外，加速试验的环境应该受控，试验箱所处环境温度应为25±10℃，湿度20%RH～85%RH。试验中，电路样品从试验箱中取出测试，到再次投入试验的时间应小于或者等于24小时，每次敏感电参数测试前，先检测电路样品的漏率，漏率不合格的电路样品直接从试验中剔除，仅对漏率合格电路样品进行敏感电参数测试并记录。用于测试键合拉力的样品通常只抽1～2只电路。

本实施例中的步骤（6）中，判定引线键合气密性封装模拟集成电路的敏感电参数及键合丝键合强度失效的判据为：参数超过规范值范围或者参数变化的20%，取两者中严格度高的条件，即参数变化先达到哪个条件，即选择该条件作为此参数的失效判据。利用此失效判据得到电路样品的寿命数据后，采用Matlab、Origin等数学分析工具，分析电路样品的寿命分布，并分别拟合出敏感电参数及键合丝键合强度退化寿命函数的分布参数，可能的寿命分布为指数分布、威布尔分布、对数正态分布等。

本实施例的步骤（8）中，计算加速模型参数采用图示法。对于恒定高温加速贮存试验，采用Arrhenius加速模型，如式（3）所示。首先将模型方程两端取对数，后可以利用三个或以上的数据点将线性化的方程图示化，如图2所示，图2的横坐标为绝对温度的倒数，纵坐标为温度相关平均寿命的对数，图中直线的斜率即为E_a/k，k为波尔兹曼常数，图2中直线的斜率乘以波尔兹曼常数k便得到Arrhenius加速模型参数E_a。

本实施例的步骤（8）中，对于恒定湿热加速贮存试验，采用逆幂律湿度加速模型，如式（4）所示。固定一个相对湿度值以温度为变量，固定一个温度值以湿度为变量，在方程两端取对数，分别得到平均寿命对数与温度关系的线性化方程及平均寿命对数与相对湿度关系的线性化方程，如附图3所示，图3（左）中直线的斜率为E_a/k，图3（右）中直线的斜率为b/RH，图3（左）中的直线斜率乘以波尔兹曼常数k，得到逆幂律湿度加速模型参数激活能E_a，图3（右）中的直线斜率乘以相对湿度值RH，得到逆幂律湿度加速模型参数湿度相关常数b。

本实施例的步骤（8）中，对于温度循环，采用Coffin-Manson加速模型，如式（5）所示。此模型可采用与上述温度和湿度加速模型类似的方式线性化，得到疲劳失效周期数N_f与温度差ΔT之间的线性化方程图示化，如图4所示，图中直线的斜率是Coffin-Manson指数-q值。

$\mathrm{MTTF}=R_0*\exp (-E_a/\mathrm{kT})---\left(3\right)$

$\mathrm{MTTF}=A_0*\exp (b/\mathrm{RH})*\exp (E_a/\mathrm{kT})---\left(4\right)$

$N_f=C_0*{\left(\mathrm{\ΔT}\right)}^{-q}---\left(5\right)$

本实施例的步骤（9）中，推算引线键合气密性封装模拟集成电路在实际贮存条件下的寿命时，分别选择最高加速应力条件下的平均寿命乘以对应的加速因子得到，如(6)式所示：

MTTF_use=MTTF_stress×AF        （6）

其中，由方程(3)～(5)推出的加速因子AF分别如式（7）～（9）所示。

$\mathrm{AF}=\exp \left[(E_a/k)(1/T_{\mathrm{low}}-1/T_{\mathrm{high}})\right]---\left(7\right)$

$\mathrm{AF}=\exp [b*(1/{\left(\mathrm{RH}\right)}_{\mathrm{low}}-1{\left(\mathrm{RH}\right)}_{\mathrm{high}})]*\exp \left[(E_a/k)(1/T_{\mathrm{low}}-1/T_{\mathrm{high}})\right]---\left(8\right)$

$\mathrm{AF}={\left(\frac{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{high}}}{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{low}}}\right)}^{-q}---\left(9\right)$

最后，确定引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命为，推算出的敏感电参数退化寿命和键合丝键合强度退化寿命MTTF中的较小值。

虽然已经参照附图和具体实施例详细地描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，本发明并不限于上述实施方式和实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种更改、替换，本发明的范围如在所附权力要求中限定。

Claims (10)

1.一种评价引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在筛选合格的采用引线键合气密性封装的模拟集成电路中抽取≥600只的电路样品，给每只电路样品编号，依据产品详细规范对每只电路样品进行全参数测试，记录被测电路样品的全部电参数值，随机分为≥13组；

（2）取其中一组电路样品，测试电路样品封装内部的水汽含量，计算出电路样品封装内部的相对湿度，再计算出此组电路样品封装内部相对湿度的平均值，以此封装内部相对湿度平均值作为实际贮存条件下气密性封装模拟集成电路封装内部相对湿度值；

（3）将完成步骤（2）之后的电路样品开盖，测试电路样品内部连接芯片的键合丝键合强度，计算出键合丝键合强度的平均值，以此作为实际贮存条件下气密性封装模拟集成电路键合丝的键合强度值；

（4）随机选取一组电路样品，分别在不同的温度下进行恒定温度高温贮存加速试验、不同的温度与湿度组合下进行恒定湿热加速试验、不同的温度循环条件下进行温度循环加速试验，其中，进行恒定湿热加速试验的电路样品应先开盖，通过摸底试验，确定合适的较高加速应力条件和电路的敏感参数；

（5）随机选择≥11组的电路样品，在步骤（4）确定的合适的较高加速应力条件下分别进行恒定高温、恒定湿热和温度循环加速贮存试验，每间隔500～1000小时，检测电路样品的漏率，对漏率合格的电路样品测试，记录贮存后电路样品的敏感电参数值，在敏感电参数合格的电路样品中，抽取1～2只电路样品，测试其键合丝的键合强度值；

（6）试验结束后，利用寿命分布图示法对试验数据进行分析，分别确定电路样品敏感电参数和键合丝键合强度退化的寿命分布类型，采用极大似然法对寿命分布函数的参数进行拟合，分别得到它们的寿命分布函数；

（7）根据步骤（6）得到的寿命分布函数，分别计算电路样品的敏感电参数和键合丝键合强度退化的平均寿命；

（8）根据不同应力等级条件下电路样品的电参数和键合丝键合强度退化的平均寿命，分别计算确定加速模型的模型参数，并以此计算电路样品的加速因子；

（9）根据步骤（7）和步骤（8）的结果，推算出电路样品在实际贮存条件下的贮存寿命。

2.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（1）中的电路样品，严格按照产品详细规范，从同一批合格产品中抽取。

3.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（3）中，实际贮存条件下气密性封装模拟集成电路键合丝的键合强度值，是采用一组电路样品中所有键合丝键合强度的平均值。

4.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（4）中，电路样品的敏感电参数为电参数的退化速率与其规范值端点极差值的比值最大的电参数。

5.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（4）和（5）中，分别采用恒定高温应力加速寿命试验、恒定湿热加速寿命试验和温度循环加速寿命试验三类加速寿命试验，对引线键合气密性封装模拟集成电路的敏感电参数和贮存寿命进行评估，并采用敏感电参数及键合丝的键合强度退化寿命，来综合评价引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命。

6.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（4）和（5）中，进行恒定湿热加速寿命试验时，电路样品应先去除封盖。

7.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（5）中，采用恒定湿热加速试验，来评估封装内部水汽对引线键合气密性封装模拟集成电路寿命的影响。

8.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（5）中，每次敏感电参数测试前，先检测电路样品的漏率，漏率不合格的电路样品直接从试验中剔除，仅对漏率合格电路样品进行敏感电参数测试并记录。

9.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（6）中，判定引线键合气密性封装模拟集成电路的敏感电参数及键合丝键合强度失效的判据为：参数超过规范值范围或者参数变化的20%，取两者中严格度高的条件，参数变化先达到哪个条件，即选择该条件作为此参数的失效判据。

10.根据权利要求1所述的引线键合气密性封装模拟集成电路贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤（9）中，引线键合气密性封装模拟集成电路的贮存寿命为，推算出的敏感电参数退化寿命和键合丝键合强度退化寿命中的较小值。

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