CN103430242B - 金属糊剂组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供对于烧成后的布线基板而言能够获得低体积电阻率的烧成物的金属糊剂组合物。更详细而言,提供包含金属、脂肪族聚碳酸酯以及有机溶剂的金属糊剂组合物。
Description
技术领域
本发明涉及金属糊剂组合物。
背景技术
近年来,布线基板通过使用金属糊剂组合物在绝缘基板上制作布线图案并利用高温进行烧成来制造。
作为前述金属糊剂组合物,进行了各种研究,例如,提出了在金属中配混乙基纤维素而成的金属糊剂组合物(参照专利文献1);在金属中配混丙烯酸系树脂而成的金属糊剂(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平08-148028号公报
专利文献2:日本特开平05-238858号公报。
发明内容
发明要解决的课题
前述现有技术文献中记载的金属糊剂组合物存在烧成后的烧成物(布线)的体积电阻率高这样的问题。
本发明的目的在于提供对于烧成后的布线基板而言能够获得低体积电阻率的烧成物的金属糊剂组合物。
解决问题的技术方案
本发明涉及如下所示的金属糊剂组合物。
即,涉及:
项1. 金属糊剂组合物,其包含金属、脂肪族聚碳酸酯以及有机溶剂;
项2. 根据项1所述的金属糊剂组合物,其中,脂肪族聚碳酸酯是使环氧化物与二氧化碳聚合而成的脂肪族聚碳酸酯;
项3. 根据项1或2所述的金属糊剂组合物,其中,脂肪族聚碳酸酯为选自聚碳酸亚乙酯和聚碳酸亚丙酯中的至少1种;
项4. 根据项1~3中任一项所述的金属糊剂组合物,其中,脂肪族聚碳酸酯的用量相对于金属100质量份为0.001~10质量份;
项5. 根据项1~4中任一项所述的金属糊剂组合物,其中,金属为选自金、银、铂以及它们的合金中的至少1种;
项6. 根据项1~5中任一项所述的金属糊剂组合物,其中,有机溶剂为选自α-松油醇、N-甲基-2-吡咯烷酮以及碳酸亚丙酯中的至少1种;
项7. 根据1~6中任一项所述的金属糊剂组合物,其中,有机溶剂的用量相对于金属100质量份为0.001~50质量份。
发明效果
根据本发明,可以提供对于烧成后的布线基板而言能够获得低体积电阻率的烧成物的金属糊剂组合物。
具体实施方式
本发明所述的金属糊剂组合物为包含金属、脂肪族聚碳酸酯以及有机溶剂的金属糊剂组合物。
能够用于本发明所述的金属糊剂组合物的金属没有特别限定,例如可列举出金、银、铜、镍、铂、钯、铅、钛、钡、硼以及它们的合金等。这些金属之中,尤其是从耐热性优异、并且在空气中不易被氧化、在烧成所得金属糊剂组合物时能够在氧存在下进行烧成,因此前述脂肪族聚碳酸酯均匀地分解而获得体积电阻率低的烧成物的观点出发,适合使用金、银、铂以及它们的合金。需要说明的是,这些金属可以各自单独使用,也可以组合2种以上来使用。
前述金属的形状没有特别限定,从使金属在金属糊剂组合物中均匀存在的观点出发,优选为粉末状。
前述金属为粉末状时,其中值粒径优选为0.01~200μm,更优选为0.05~100μm。
需要说明的是,本发明中的金属的中值粒径是通过激光分析散射法测定的值,例如可以通过LASER DIFFRACTION PARTICLE SIZE ANALYZER(株式会社岛津制作所制、商品名:SALD-200)等进行测定。
另外,在损害本申请发明的效果的范围内,出于调整体积电阻率的目的,可以向本发明所述的金属糊剂组合物中添加莫来石(3Al2O3・2SiO2~2Al2O3・SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸锆酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)、堇青石(2MgO・2Al2O3・5SiO2)、硼硅酸盐钡、硅酸铁、金红石(TiO2)、尖晶石(Al2O3・MgO)、硅线石(Al2O・SiO4)、氧化镁(MgO)、锆石(ZrO2・SiO2)、块滑石(MgO・SiO2)、镁橄榄石(2MgO・SiO2)、铁素体(M2+O・Fe2O3、M=Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Cd等)、玻璃陶瓷材料等金属氧化物。
作为能够用于本发明所述的金属糊剂组合物的脂肪族聚碳酸酯,没有特别限定,例如可列举出使环氧化物与二氧化碳进行聚合反应而成的脂肪族聚碳酸酯。
作为前述环氧化物,只要是与二氧化碳进行聚合反应而形成主链具有包含脂肪族的结构的脂肪族聚碳酸酯的环氧化物就没有特别限定,例如可列举出环氧乙烷、环氧丙烷、1-环氧丁烷、2-环氧丁烷、环氧异丁烷、1-环氧戊烷、2-环氧戊烷、1-环氧己烷、1-环氧辛烷、1-环氧癸烷、环氧环戊烷、环氧环己烷、氧化苯乙烯、乙烯基环氧环己烷、3-苯基环氧丙烷、3,3,3-三氟环氧丙烷、3-萘基环氧丙烷、3-苯氧基环氧丙烷、3-萘氧基环氧丙烷、环氧丁烯、3-乙烯氧基环氧丙烷以及3-三甲基甲硅烷氧基环氧丙烷等。在这些环氧化物之中,尤其是从具有与二氧化碳的高聚合反应性的观点出发,适合使用环氧乙烷和环氧丙烷。需要说明的是,这些环氧化物可以分别单独使用,也可以组合2种以上使用。
前述脂肪族聚碳酸酯的数均分子量优选为5,000~1,000,000,更优选为10,000~500,000。脂肪族聚碳酸酯的数均分子量低于5,000时,所得金属糊剂组合物的粘度低,在制作布线基板时,可能会发生浸渗(にじみ)。另外,脂肪族聚碳酸酯的数均分子量超过1,000,000时,脂肪族聚碳酸酯在前述溶剂中的溶解性降低,因此处理性可能变差。需要说明的是,数均分子量是通过后述方法测定的值。
作为前述脂肪族聚碳酸酯的用量,相对于前述金属100质量份,优选为0.001~10质量份,更优选为0.01~10质量份,进一步优选为0.1~10质量份。脂肪族聚碳酸酯的用量低于0.001质量份时,所得金属糊剂组合物的粘度低,在制作布线基板时,可能会发生浸渗。另外,脂肪族聚碳酸酯的用量超过10质量份时,在烧成所得金属糊剂组合物时,可能会因过剩的脂肪族聚碳酸酯的分解而导致生成的气体(二氧化碳等)变多,从而变得难以获得致密的烧成物。
作为前述脂肪族聚碳酸酯的制造方法,例如可列举出使前述环氧化物与二氧化碳在金属催化剂的存在下进行聚合反应的方法等。
作为前述金属催化剂,例如可列举出铝催化剂、锌催化剂等。这些之中,优选使用锌催化剂,因为其在环氧化物与二氧化碳的聚合反应中具有高聚合活性,在锌催化剂之中,优选使用有机锌催化剂。
作为前述有机锌催化剂,例如可列举出乙酸锌、二乙基锌、二丁基锌等有机锌催化剂;通过使伯胺、2元的苯酚、2元的芳香族羧酸、芳香族羟基酸、脂肪族二羧酸、脂肪族单羧酸等化合物与锌化合物进行反应而得到的有机锌催化剂等。这些有机锌催化剂之中,优选为使锌化合物与脂肪族二羧酸以及脂肪族单羧酸反应而得到的有机锌催化剂,因为其具有更高的聚合活性。
本说明书中,作为有机锌催化剂的实施方式的一例,针对使锌化合物与脂肪族二羧酸以及脂肪族单羧酸进行反应而得到的有机锌催化剂进行详细说明。
作为前述锌化合物的具体例,可列举出氧化锌、氢氧化锌、硝酸锌、碳酸锌等无机锌化合物;乙酸锌、二乙基锌、二丁基锌等有机锌化合物等。这些锌化合物之中,从能够获得具有高催化活性的有机锌催化剂的观点出发,适合使用氧化锌和氢氧化锌。需要说明的是,这些锌化合物可以分别单独使用,也可以组合2种以上使用。
作为前述脂肪族二羧酸的具体例,可列举出丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、癸二酸等。这些脂肪族二羧酸之中,尤其是从能够获得具有高活性的有机锌催化剂的观点出发,适合使用戊二酸和己二酸。需要说明的是,这些脂肪族二羧酸可以分别单独使用,也可以组合2种以上使用。
前述脂肪族二羧酸的使用比例通常相对于前述锌化合物1摩尔优选为0.1~1.5摩尔,更优选为0.5~1.0摩尔。脂肪族二羧酸的使用比例低于0.1摩尔时,脂肪族二羧酸与锌化合物的反应有可能变得难以进行。另外,脂肪族二羧酸的使用比例超过1.5摩尔时,可能对于要得到的有机锌催化剂的活性而言,没有与用量相应的效果,从而经济上不利。
作为前述脂肪族单羧酸的具体例,可列举出甲酸、乙酸、丙酸等。这些脂肪族单羧酸之中,从能够获得具有高活性的有机锌催化剂的观点出发,适合使用甲酸和乙酸。需要说明的是,这些脂肪族单羧酸可以分别单独使用,也可以组合2种以上使用。
前述脂肪族单羧酸的使用比例相对于脂肪族二羧酸1摩尔优选为0.0001~0.1摩尔,更优选为0.001~0.05摩尔。脂肪族单羧酸的使用比例低于0.0001摩尔时,由于所得有机锌催化剂在末端具有包含羧酸基的结构,因此可能形成活性低的有机锌催化剂。另外,脂肪族单羧酸的使用比例超过0.1摩尔时,可能对于要得到的有机锌催化剂的活性而言,没有与用量相应的效果,从而经济上不利。
作为使前述锌化合物与脂肪族二羧酸以及脂肪族单羧酸进行反应的方法,没有特别限定,可以使他们同时反应,也可以使锌化合物先与脂肪族二羧酸或脂肪族单羧酸中的任一者反应,然后使其反应产物再与另一者接着反应。
另外,在使前述锌化合物与脂肪族二羧酸以及脂肪族单羧酸反应时,从顺利地进行反应的观点出发,可以使用金属催化剂制备用溶剂。作为前述金属催化剂制备用溶剂,只要不阻碍反应就没有特别限定,例如可列举出苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃系溶剂;二乙醚、四氢呋喃、二噁烷等醚系溶剂;碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯等碳酸酯系溶剂;乙腈、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、六甲基磷酰三胺等。这些金属催化剂制备用溶剂之中,从金属催化剂制备用溶剂容易循环使用的观点出发,适合使用苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃系溶剂。另外,从顺利地进行反应的观点出发,金属催化剂制备用溶剂的用量相对于锌化合物100质量份优选为500~10000质量份。
对使前述锌化合物与脂肪族二羧酸以及脂肪族单羧酸反应时的反应温度没有特别限定,优选为20~110℃,更优选为50~100℃。另外,反应时间因反应温度而异,无法一概而论,通常优选为1~20小时。
这样操作而得到的有机锌催化剂可以在前述反应结束后利用过滤等常规方法进行分离、或者不进行分离而直接以包含在该反应液中的形式用于使环氧化物与二氧化碳反应的聚合反应中。
需要说明的是,例如,对于前述有机锌催化剂的使用而言,在不进行分离而以包含在前述反应液中的状态使用时,优选的是,预先充分地去除有可能对环氧化物与二氧化碳的反应造成不良影响的水分。
用于聚合反应的前述金属催化剂的用量相对于环氧化物100质量份优选为0.001~20质量份,更优选为0.01~10质量份。金属催化剂的用量低于0.001质量份时,聚合反应可能变得难以进行。另外,金属催化剂的用量超过20质量份时,可能没有与用量相应的效果,从而经济上不利。
作为前述聚合反应中根据需要而使用的反应溶剂,没有特别限定,可以使用各种有机溶剂。作为前述有机溶剂,具体而言,例如可列举出戊烷、己烷、辛烷、癸烷、环己烷等脂肪族烃系溶剂;苯、甲苯、二甲苯等芳香族烃系溶剂;氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、1,1-二氯乙烷、1,2-二氯乙烷、氯乙烷、三氯乙烷、1-氯丙烷、2-氯丙烷、1-氯丁烷、2-氯丁烷、1-氯-2-甲基丙烷、氯苯、溴苯等卤代烃系溶剂;碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯等碳酸酯系溶剂等。
从使反应顺利进行的观点出发,前述反应溶剂的用量相对于环氧化物100质量份优选为500~10000质量份。
在前述聚合反应中,作为使环氧化物与二氧化碳在金属催化剂的存在下反应的方法,没有特别限定,例如,可列举出如下方法:向高压釜中投入前述环氧化物、金属催化剂以及根据需要的反应溶剂,混合后,压入二氧化碳使其反应的方法。
对前述聚合反应中能够使用的二氧化碳的使用压力没有特别限定,通常优选为0.1~20MPa,更优选为0.1~10MPa,进一步优选为0.1~5MPa。二氧化碳的使用压力超过20MPa时,可能没有与使用压力相应的效果,从而经济上不利。
对前述聚合反应的聚合反应温度没有特别限定,优选为30~100℃,更优选为40~80℃。聚合反应温度低于30℃时,可能聚合反应需要长时间。另外,聚合反应温度超过100℃时,可能发生副反应、收率降低。聚合反应时间因聚合反应温度而异,无法一概而论,通常优选为2~40小时。
聚合反应结束后,通过过滤等进行滤去,根据需要用溶剂等清洗后,进行干燥,从而能够获得脂肪族聚碳酸酯。
本发明所述的金属糊剂组合物中能够使用的有机溶剂没有特别限定,例如可列举出α-松油醇、N-甲基-2-吡咯烷酮、异丙醇、二乙二醇单丁醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚、甲苯、环己烷、甲乙酮、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯等。这些有机溶剂之中,从沸点适度高、在室温下的蒸发少、在烧成得到的金属糊剂组合物时能够均匀地去除有机溶剂的观点出发,适合使用α-松油醇、N-甲基-2-吡咯烷酮以及碳酸亚丙酯。
作为前述有机溶剂的用量,相对于前述金属100质量份为0.001~50质量份,优选为0.01~50质量份,更优选为0.1~50质量份。有机溶剂的用量低于0.001质量份时,可能所得金属糊剂组合物的流动性变低、金属的分散性降低。有机溶剂的用量超过50质量份时,可能所得金属糊剂组合物的粘度变低,发生布线时液体垂落、印刷时的浸渗等,从而变得难以处理。
作为本发明所述的金属糊剂组合物的制造方法,没有特别限定,可列举出使用现有公知的搅拌方法对金属、脂肪族聚碳酸酯以及有机溶剂的各成分进行搅拌的方法等。
作为前述公知的搅拌方法,例如可列举出使用填充有陶瓷球的磨机等装置,使其旋转、振动从而进行混炼的方法;使用乳钵进行混炼的方法等。
这样操作,能够获得本发明所述的金属糊剂组合物。
另外,从容易处理、获得金属分散性优异的金属糊剂组合物的观点出发,本发明所述的金属糊剂组合物中还可以根据期望包含分散剂、增塑剂等。
作为前述分散剂,例如可列举出甘油、脱水山梨糖醇等多元醇酯;二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇、三丙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇等聚醚多元醇;聚乙烯亚胺等胺;聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸等(甲基)丙烯酸系树脂;异丁烯或苯乙烯与马来酸酐的共聚物及其胺盐等。
作为前述分散剂的用量,相对于前述金属100质量份,优选为15质量份以下,更优选为10质量份以下。
作为前述增塑剂,例如可列举出聚醚多元醇、邻苯二甲酸酯等。
作为前述增塑剂的用量,相对于前述金属100质量份,优选为15质量份以下,更优选为10质量份以下。
作为本发明的金属糊剂组合物的用途,没有特别限定,例如能够用作用于形成太阳能电池元件的导电层的材料。
形成前述太阳能电池元件的导电层的方法没有特别限定,例如可列举出如下方法等:在由硅等形成的半导体基板的表面或背面分别形成需要的各种层,从而得到层叠体,然后将本发明的金属糊剂涂布在上述层叠体上并使其干燥后,进行烧成的方法。
本发明所述的金属糊剂组合物在烧成时形成体积电阻率低的烧成物的理由尚未明确,但推测是由于以下原因。即,脂肪族聚碳酸酯的热分解性良好,烧成时能够在低温下分解。其结果,金属的凝集受到抑制,金属在烧成物中均匀地分散,因此可以认为会形成体积电阻率低的烧成物。
实施例
以下,通过制造例、实施例和比较例来具体地说明本发明,但本发明不限定于这些实施例。
[评价]
通过以下方法测定由制造例得到的脂肪族聚碳酸酯的数均分子量、使用了由实施例和比较例得到的金属糊剂组合物而成的烧成物的厚度和体积电阻率,并进行评价。
(1)脂肪族聚碳酸酯的数均分子量
制备脂肪族聚碳酸酯浓度为0.5质量%的氯仿溶液,使用高效液相色谱法进行测定。测定后,通过与在相同条件下测定的数均分子量已知的聚苯乙烯进行比较来算出分子量。另外,测定条件如下所示。
机种:HLC-8020
柱:GPC柱(东曹株式会社的商品名、TSK GEL Multipore HXL-M)
柱温:40℃
洗脱液:氯仿
流速:1mL/分钟。
(2)使用了金属糊剂组合物的烧成物的厚度
作为绝缘基板而准备载玻片(宽度:26mm、长度:76mm、厚度:1mm),用丙酮洗涤。其后,使用UV-臭氧处理装置(セン特殊光源株式会社制、商品名:桌上型光表面处理装置PL16-110),进行载玻片的表面处理,作为试验用载玻片。
使用遮蔽胶带(マスキングテープ)在试验用载玻片上形成长方形(10mm×50mm)的图案,使金属糊剂组合物流入。涂布后,去除遮蔽胶带,以25℃干燥240分钟。用同样的方法制作5个涂布物。
使用台式电马弗炉(EYELA公司制、商品名:KDF S90),将所得涂布物在10分钟内从25℃分别升温至150℃、200℃、250℃、300℃、350℃,以前述温度保持30分钟后,自然冷却至25℃,得到烧成物。
针对所得烧成物的厚度,使用膜厚测定装置(株式会社小坂研究所制、商品名:微细形状测定机 surfcorder ET3000i)进行测定。
(3)使用了金属糊剂组合物的烧成物的体积电阻率
另外,针对所得烧成物的体积电阻率,使用电阻率计(三菱化学株式会社制、商品名:Loresta EP MCP-T360)进行测定。需要说明的是,体积电阻率是通过向前述电阻率计中输入前述烧成物的厚度而自动算出的。
[制造例1](有机锌催化剂的制造)
向具备搅拌机、氮气导入管、温度计、回流冷却管的300mL容积的四口烧瓶中投入氧化锌8.1g(100毫摩尔)、戊二酸12.7g(96毫摩尔)、乙酸0.1g(2毫摩尔)以及甲苯130g(150mL)。接着,将反应体系内置换为氮气气氛后,升温至55℃,在该温度下搅拌4小时使其反应。其后,升温至110℃,进而在该温度下搅拌4小时而使其共沸脱水,仅去除水分后,冷却至室温,得到包含有机锌催化剂的反应液。
针对将该反应液的一部分分取出来并过滤而得到的有机锌催化剂,测定IR(サーモニコレージャパン株式会社制、商品名:AVATAR360),其结果,未发现基于羧酸基的峰。
[制造例2](聚碳酸亚丙酯的制造)
预先将具备搅拌机、气体导入管、温度计的1L容积的高压釜的体系内置换为氮气气氛,然后投入包含通过与制造例1相同的方法得到的有机锌催化剂的反应液8.0mL(包含1.0g有机锌催化剂)、己烷131g(200mL)、环氧丙烷46.5g(0.80摩尔)。接着,在搅拌下加入二氧化碳,将反应体系内置换为二氧化碳气氛,填充二氧化碳直至反应体系内达到1.5MPa。其后,升温至60℃,边补充因反应而消耗的二氧化碳,边进行6小时聚合反应。
反应结束后,将高压釜冷却放压,进行过滤后,减压干燥而得到聚碳酸亚丙酯80.8g。
所得聚碳酸亚丙酯具有下述物性,因此能够鉴定。
IR(KBr):1742、1456、1381、1229、1069、787
(单位均为cm-1)
另外,所得聚碳酸亚丙酯的数均分子量为52,000。
[制造例3](聚碳酸亚乙酯的制造)
除了在制造例2中使用环氧乙烷35.2g(0.80摩尔)来代替环氧丙烷46.5g(0.80摩尔)以外,与制造例2同样操作,得到聚碳酸亚乙酯68.4g。
所得聚碳酸亚乙酯具有下述物性,因此能够鉴定。
IR(KBr):1740、1447、1386、1217、1029、785
(单位均为cm-1)
另外,所得聚碳酸亚乙酯的数均分子量为47,500。
[实施例1]
向5mL容积的茄型烧瓶中投入通过与制造例2同样的方法得到的聚碳酸亚丙酯0.12g、N-甲基-2-吡咯烷酮0.88g,使其溶解,得到均匀的溶液1.00g。
向乳钵中量取银颗粒(大研化学工业株式会社制、商品名:S-211、中值粒径:0.311μm)4.0g,边搅拌边缓慢加入前述溶液的全部,得到金属糊剂组合物4.98g。
将所得金属糊剂组合物的厚度的测定结果示于表1,将体积电阻率的测定结果示于表2。
[实施例2]
除了在实施例1中使用通过与制造例3同样的方法得到的聚碳酸亚乙酯0.12g来代替聚碳酸亚丙酯0.12g以外,与实施例1同样操作,得到金属糊剂组合物4.97g。
将所得金属糊剂组合物的厚度的测定结果示于表1,将体积电阻率的测定结果示于表2。
[比较例1]
除了在实施例1中使用乙基纤维素(日新化成株式会社制、商品名:エトセル45)0.12g来代替聚碳酸亚丙酯0.12g以外,与实施例1同样操作,得到金属糊剂组合物4.98g。
将所得金属糊剂组合物的厚度的测定结果示于表1,将体积电阻率的测定结果示于表2。
[比较例2]
除了在实施例1中使用丙烯酸系树脂(アルドリッチ株式会社制、商品名:Polymethyl methacrylate、重均分子量:约120,000)0.12g来代替聚碳酸亚丙酯0.12g以外,与实施例1同样操作,得到金属糊剂组合物4.99g。
将所得金属糊剂组合物的厚度的测定结果示于表1,将体积电阻率的测定结果示于表2。
[表1]
[表2]
由表1可知,使用由实施例和比较例得到的金属糊剂组合物制作的烧成物均能够以同等的厚度进行制作。
由表2可知,由实施例得到的金属糊剂组合物尤其是在200℃以下的低温下进行烧成时,能够获得体积电阻率低的烧成物。
产业上的可利用性
根据本发明,可以提供对于烧成后的布线基板而言能够获得低体积电阻率的烧成物的金属糊剂组合物。
Claims (2)
1.在200℃以下烧成的低温烧成用金属糊剂组合物,其包含金属、脂肪族聚碳酸酯以及有机溶剂,脂肪族聚碳酸酯的用量相对于金属100质量份为0.001~10质量份,
所述脂肪族聚碳酸酯为选自聚碳酸亚乙酯和聚碳酸亚丙酯中的至少1种,
所述有机溶剂为选自α-松油醇、N-甲基-2-吡咯烷酮以及碳酸亚丙酯中的至少1种,
所述有机溶剂的用量相对于金属100质量份为0.001~50质量份。
2.根据权利要求1所述的在200℃以下烧成的低温烧成用金属糊剂组合物,其中,金属为选自金、银、铂以及它们的合金中的至少1种。
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