CN103715188A - 具有改进的白色外观的led发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有改进的白色外观的LED发射器和照明器件。照明器件包括基板或衬底，例如，印刷电路板衬底。照明器件包括设置在衬底上的多个发光二极管（LED）管芯。LED管芯彼此间隔开。每个LED管芯都涂有共形涂覆在LED管芯周围的相应磷涂层。至少部分地由于单独的磷涂层，LED管芯和照明器件可在关闭状态下呈现基本白色的外观。照明器件还可包括设置在衬底上方的封装结构。封装结构可以是将发光管芯封装在其内的散射体罩。扩散凝胶填充封装结构和LED管芯之间的空间。

Description

具有改进的白色外观的LED发射器
技术领域
本公开总的来说涉及发光器件，更具体地，涉及具有改进的白色外观的发光二极管（LED）照明器件。
背景技术
LED是在施加电压时发光的半导体光子器件。LED由于诸如器件尺寸小、寿命长、高效的能耗以及良好的耐用性和可靠性的良好特性而变得越来越流行。近年来，LED已用于各种应用中，包括指示器、光传感器、交通灯、宽带数据传输、LCD显示器的背光单元和其他合适的照明装置。例如，LED经常用于替代诸如通用灯中使用的传统白炽灯泡的照明装置。
LED照明器件的一个性能标准涉及其外观颜色。例如，期望LED照明器件即使在其关闭时也能保持基本白色的外观，因为这更合适于人眼并且与传统的非LED灯更类似。然而，现有的LED照明器件在关闭时经常呈现非白色外观。例如，传统的LED灯泡在关闭时仍会呈现淡黄色的外观。
因此，虽然现有的LED照明器件通常适合于它们的预期用途，但是它们不能在各个方面完全令人满意。将继续寻找关闭时仍能够产生基本白色外观的LED照明器件。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种照明装置，包括：衬底；多个发光管芯，设置在衬底上并且彼此间隔开，发光管芯均涂有相应单独的磷涂层；以及封装结构，设置在衬底上方并将发光管芯封装在其内；其中，照明装置在关闭状态下具有基本白色的外观。
优选地，该照明装置进一步包括：设置在封装结构和发光管芯之间的凝胶。
优选地，扩散凝胶是透明的并且包含散射体颗粒。
优选地，发光管芯均包括发光二极管（LED）。
优选地，发光管芯均被配置为发出蓝光。
优选地，封装结构包括被配置为散射光的散射体罩。
优选地，磷涂层共形地涂覆在每个发光管芯的周围。
优选地，每个对应发光管芯的磷涂层都与相邻发光管芯的磷涂层分离一距离。
优选地，该距离是LED管芯的横向尺寸的函数。
根据本发明的另一方面，提供了一种光子照明模块，包括：基板；一个或多个发光二极管（LED），位于基板上；局部磷膜，以使一个或多个LED在不能有效发光时呈现基本白色外观的方式涂覆在一个或多个LED的每一个周围；以及散射体罩，位于基板上方并将一个或多个LED容纳在其内。
优选地，该光子照明模块进一步包括位于一个或多个LED管芯上并容纳在散射体罩内的扩散透明材料。
优选地，一个或多个LED均被配置为发出蓝光；以及磷膜包含黄磷颗粒。
优选地，一个或多个LED包括彼此间隔开的多个LED。
优选地，每个LED的磷膜都不与其他LED的其他磷膜物理接触。
优选地，相邻定位的LED之间的间隔与LED的尺寸有关。
优选地，磷膜共形地涂覆在一个或多个LED的每一个周围。
根据本发明的又一方面，提供了一种制造照明装置的方法，包括：提供衬底；在衬底上放置多个发光二极管（LED）管芯，LED管芯均涂覆有对应的磷膜，其中，每个LED管芯的磷膜都与其他LED管芯的磷膜物理间隔开，并且根据相邻LED管芯之间的优化分离距离在衬底上放置LED管芯；在衬底上方和涂覆有磷膜的LED上施加扩散透明凝胶；以及在衬底上方安装散射体罩，散射体罩将扩散透明凝胶和涂覆有磷膜的LED管芯容纳在其内。
优选地，每个LED管芯的磷膜都共形地涂覆在该LED管芯周围。
优选地，优化分离距离是一个LED管芯的横向尺寸的函数。
优选地，以使LED管芯在关闭时呈现基本白色外观的方式执行多个LED管芯的放置。
附图说明
当参照附图阅读时，根据以下详细描述更好地理解本发明的内容。需要强调的是，根据行业标准惯例，无需按比例或根据精确的几何尺寸绘制各个部件。事实上，为了清楚地讨论，可以任意增大或减小各个部件的尺寸。
图1和图2是根据本发明各个方面的将半导体光子器件用作光源的照明装置的实例的示意性局部侧视截面图。
图3是根据本发明各个方面的照明装置的实例的示意性局部俯视图。
图4是示出根据本发明各个方面的将半导体光子器件用作光源的照明装置的制造方法的流程图。
图5是根据本发明各个方面的包括图1至图3的光子照明装置的照明模块的示意图。
具体实施方式
应该理解，以下公开提供了用于实现各个实施例的不同特征的许多不同的实施例或实例。以下描述部件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不用于限制。例如，以下描述中第一部件形成在第二部件上方或第二部件上包括第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，并且还可包括在第一部件和第二部件之间形成附加部件使得第一部件和第二部件可不直接接触的实施例。此外，为了方便使用术语“顶部”“底部”“在…下方”“在…上方”等，但不旨在将实施例的范围限制为任何特定方向。为了简化和清楚，还可按不同比例任意绘制各个部件。此外，本发明可在各个实例中重复使用参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，但其自身并不表明所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
半导体器件可用于制造光子器件，诸如发光二极管（LED）器件。当开启时，LED可发出诸如可见光谱中不同颜色的光的辐射以及具有紫外或红外波长的辐射。与传统光源（例如，白炽灯泡）相比，将LED用作光源的照明器件提供了许多优点，诸如较小的尺寸、较低的能耗、较长的寿命、各种可用的颜色以及较好的耐用性和可靠性。这些优点以及使LED更便宜且更耐用的LED制造技术的进步使得基于LED的照明器件近年来更加流行。
然而，现有基于LED的照明器件可能面临特定的缺点。一种缺点与关闭状态下不令人满意的外观颜色有关。更详细地，LED可依赖于磷材料来将其光输出从一种颜色转换为另一种颜色。例如，磷材料可用于将LED发射器产生的蓝光转换为更白的光。然而，应用磷的传统技术可能导致LED照明器件即使关闭时仍具有非白色外观，而这是不期望的。
根据本发明的各个方面，以下描述在其关闭状态下具有明显改进的白色外观的LED照明器件。参照图1，示出了根据本发明一些实施例的照明器件40（或照明模块）的一部分的示意性局部侧视截面图。照明器件40包括衬底50。在一些实施例中，衬底50包括金属芯印刷电路板（MCPCB）。MCPCB包括可由铝（或其合金）制成的金属基底。MCPCB还包括设置在金属基底上的导热但电绝缘的介电层。MCPCB还可包括设置在介电层上的由铜制成的薄金属层。在其他实施例中，衬底50可包括其他合适的材料，例如陶瓷或硅。衬底50可包含有源电路并且还可用于建立互连。
照明器件40包括位于衬底50上的多个半导体光子管芯60。半导体光子管芯用作照明器件40的光源。在以下描述的实施例中，半导体光子管芯60是LED管芯，并且在下面的段落中可被称为LED管芯60。在本文所讨论的实施例中，LED管芯60彼此物理间隔开。
LED管芯60均包括两个相反掺杂的半导体层。换言之，这些相反掺杂的半导体层具有不同的导电类型。例如，这些半导体层中的一层包含掺杂有n型掺杂物的材料，而两个半导体层中的另一层包含掺杂有p型掺杂物的材料。在一些实施例中，相反掺杂的半导体层均包含“III-V”族（或组）化合物。更详细地，III-V族化合物包含来自周期表“III”族的一种元素和来自周期表“V”族的另一种元素。例如，III族元素可包括硼、铝、镓、铟和钛，并且V族元素可包括氮、磷、砷、锑和铋。在特定实施例中，相反掺杂的半导体层分别包括p掺杂氮化镓（GaN）材料和n掺杂氮化镓材料。p型掺杂物可包括镁（Mg），并且n型掺杂物可包括碳（C）或硅（Si）。
LED管芯60还分别包括诸如设置在相反掺杂层之间的多量子阱（MQW）层的发光层。MQW层包括交替（或周期性）的有源材料层，诸如氮化镓和氮化铟镓（InGaN）。例如，MQW层可包括多个氮化镓层和多个氮化铟镓层，其中，以交替或周期性的方式形成氮化镓层和氮化铟镓层。在一些实施例中，MQW层包括十个氮化镓层和十个氮化铟镓层，其中氮化铟镓层形成在氮化镓层上，并且另一个氮化镓层形成在氮化铟镓层上，以此类推。发光效率取决于交替层的层数和厚度。在特定可选的实施例中，除MQW层之外，还可代替使用合适的发光层。
每个LED管芯还可以分别包括预应变层（pre-strained layer）和电子阻挡层。预应变层可被掺杂，并且可用于释放应力并减小MQW层中的量子束缚斯塔克效应（QCSE），其是根据量子阱的光吸收光谱来描述外电场的效应。电子阻挡层可包括掺杂氮化铝镓（AlGaN）材料，其中，掺杂物可包括镁。电子阻挡层帮助限制MQW层内的电子-空穴载流子再结合，这可以改进MQW层的量子效率并且减少不期望波长的辐射。
掺杂层和MQW层均可通过本领域公知的一种或多种外延生长工艺形成。例如，可通过诸如金属有机汽相外延（MOVPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化学汽相沉积（MOCVD）、氢化汽相外延（HVPE）、液相外延（LPE）的工艺或其他合适的工艺形成这些层。可在合适的沉积处理室以及在几百摄氏度到一千摄氏度以上的高温下执行这些工艺。
在完成外延生长工艺之后，通过在掺杂层之间设置MQW层来制造LED。当向LED60的掺杂层施加电压（或电荷）时，MQW层发出诸如光的辐射。由MQW层发出的光的颜色与辐射的波长相对应。辐射可以是诸如蓝光的可见光或诸如紫外（UV）光的不可见光。可以通过改变构成MQW层的材料的成分和结构来调整光的波长（并因此调整光的颜色）。例如，本文中的LED管芯60可以是蓝色LED发射器，换言之，它们被配置为发出蓝光。LED管芯60还可包括允许LED管芯60电连接至外部器件的电极或接触件。
如图1所示，每个LED管芯60还涂覆有磷膜（或磷涂层）70。在各个实施例中，磷膜70共形地涂覆在每个LED管芯60的各个表面周围。磷膜70可包括磷光材料和/或荧光材料。磷膜70用于改变由LED管芯60发出的光的颜色。在一些实施例中，磷膜70包含黄磷颗粒并且能将由LED管芯60发出的蓝光转换成不同波长的光。通过改变磷膜70的材料成分，可以得到期望的光输出颜色（例如，类似白色的颜色）。磷膜70可以以浓缩粘性流体介质（例如，液态胶）涂覆在LED管芯60的表面上。随着粘性液体凝固或固化，磷材料成为LED封装件的一部分。
每个LED管芯60的磷膜70与其他LED管芯60的磷膜70物理分离并间隔开，例如与涂覆在相邻LED管芯60周围的磷膜70物理分离并间隔开。因此，可以说磷膜70以局部方式涂覆在每一个LED管芯60上。在一些实施例中，块状磷膜可统一涂覆在多个LED管芯周围，然后可分离涂覆磷的LED管芯并且将它们放置在衬底50上以确保磷膜70彼此不接触。在其他实施例中，磷膜70可单独涂覆在每个LED管芯60上以确保磷膜70之间的物理分离。
根据本发明的每个LED管芯60涂覆相应的局部磷膜70的事实是有利的，例如LED管芯60在关闭状态时产生白色外观。更详细地，对于许多传统LED照明器件，块状磷材料（或成团磷）涂覆在多个LED管芯周围。即使当LED管芯不能有效发光（即，处于关闭状态）时，块状磷材料的磷颗粒的颜色可以影响整体的外观颜色。例如，如果块状磷主要包含黄磷颗粒，则传统LED管芯的整体外观颜色在关闭状态下会呈现淡黄色。换言之，传统的LED管芯在不开启时看起来呈淡黄色。这是不期望的，因为照明器件的淡黄色关闭状态外观不能从美学上令人眼满意。
相比较，根据本发明的各方面，磷膜70局部地涂覆在每个LED管芯60周围，而不是整体位于所有LED管芯60周围。这种局部磷涂层的方案减少了磷颗粒（诸如黄磷颗粒）的总量。例如，由于相邻LED管芯60之间的空间没有磷涂层，所以相邻LED管芯60之间没有放置磷颗粒。此外，由于局部的磷涂层，还减少了位于LED管芯60上方的磷颗粒的数量。结果，与传统LED管芯相比，LED管芯60的整体外观颜色不那么黄而是是更白。因此，本发明的照明器件（例如，利用LED管芯60）在其关闭状态下还能够产生基本白色的外观。
应该注意，本文仅仅将黄磷颗粒用作实例来说明有色磷颗粒对LED管芯的颜色外观的影响。如果磷包含红、绿或其他不同颜色的磷颗粒，则可应用相同的概念。
虽然较白的外观是本文示出的照明器件的实施例的优点之一，但是它不是唯一的优点，也不是所有实施例都需要它。其他实施例可提供本文无需讨论的不同的优点。
在一些实施例中，相邻涂覆磷的LED管芯60之间的间隔被配置为使有色磷颗粒的影响最小化而不用牺牲太多的芯片面积。更详细地，分离相邻LED管芯60的距离越大，整体外观颜色越接近白色。然而，相邻LED管芯60之间的更大距离导致更大的芯片面积，这是昂贵、难处理且效率低的。因此，可以进行优化折中以选择实现良好白色外观并且仍维持足够小的芯片封装的管芯分离距离范围。
例如，如图1所示，每个涂覆磷的LED管芯60都可具有水平或横向尺寸80，并且可通过优化距离90测量相邻涂覆磷的LED管芯60之间的优化间隔。因此，涂覆磷的LED管芯60的横向尺寸80和分离这些管芯的优化距离90之间存在关联性。换言之，优化距离90可定义为横向尺寸80的函数，反之亦然。
现在参照图2，示意性侧视截面图示出了照明器件40更详细的图解。照明器件40包括设置在衬底50上的多个LED管芯60。如以上所讨论的，LED管芯60都以局部方式涂覆有磷膜70，使得涂覆在不同LED管芯60周围的磷膜70彼此不物理接触。
照明器件40还包括散射体罩110。散射体罩110为下面的LED管芯60提供保护。换言之，LED管芯60可由散射体罩110和衬底50共同封装。衬底50可以被散射体罩110完全覆盖或者不被其完全覆盖。在一些实施例中，散射体罩110具有弯曲的表面或轮廓。在一些实施例中，弯曲表面可基本上遵循半圆的轮廓，使得由LED管芯60发出的每束光都可以以基本垂直的入射角（例如，与90度相差非常小的角度）到达散射体罩110的表面。散射体罩110的弯曲形状有助于减小由LED管芯60发出的光的全内反射（TIR）。在一些实施例中，为了进一步散射入射光，散射体罩110具有网纹表面。
在一些实施例中，LED管芯60和散射体罩110之间的空间可由光学级基于硅树脂的粘合剂材料120（还称为光学凝胶120）填充。在这些实施例中，扩散颗粒可混合在光学凝胶120之内以进一步扩散LED管芯60发出的光。在其他实施例中，LED管芯60和散射体罩110之间的空间可由空气填充。
衬底50位于热耗散结构200（还称为散热器200）上。散热器200通过衬底50热耦合至LED管芯60。散热器200被配置为促进热量耗散至环境空气。散热器200包含导热材料，诸如金属材料。散热器200的形状和几何尺寸可设计成为常见的灯泡提供支架同时扩散或引导热量远离LED管芯60。为了增强热传导，散热器200可具有从散热器200的主体向外突出的多个鳍210。鳍210可具有露于环境空气的大量表面积以促进热传导。在一些实施例中，导热材料可设置在衬底50和散热器200之间。例如，导热材料可包括热油脂、金属焊盘、焊料等。导热材料进一步增强了从LED管芯60至散热器200的热传导。
图3是根据一些实施例的照明器件40的简化示意性俯视图。为了提供实例，九个涂覆磷的LED管芯60被固定到衬底50上并且排列成三行和三列。在其他实施例中，可使用任何其他数目的LED管芯并且可排列成其他合适的结构。这些LED管芯60和它们对应的磷膜70被散射体罩110包围的扩散透明凝胶120覆盖。
由于LED管芯60均被磷膜70涂覆，所以在图3的俯视图中不能直接看到它们。因此，在图3的顶部左上角附近单独示出一个涂覆磷的LED管芯60以具体示出LED管芯60的轮廓或边界。LED管芯60的边界由虚线示出，以表明由于LED管芯60被磷膜70覆盖而不能被直接看到。类似地，磷膜70也不能在俯视图中直接看到，因为它们被扩散凝胶120覆盖。但是为了说明，本文的磷膜70的轮廓或边界也用虚线示出。
如以上所讨论的，与传统基于LED的照明器件不同，磷膜70局部地涂覆在照明器件40中的每个LED管芯60周围，而不是以成团磷统一涂覆在所有LED管芯周围。因此，本文中的磷膜70与其他磷膜分离，从而减少散射体罩110下方的有色磷颗粒的存在。这样，LED管芯的整体外观颜色与传统LED管芯相比不那么黄了。
图4是根据本发明各个方面的用于将半导体光子器件用作光源的照明装置的制造方法300的流程图。方法300包括步骤310，其中提供衬底。衬底可以是PCB衬底、陶瓷衬底、硅衬底或另一合适的衬底。方法300包括步骤320，其中，在衬底上放置多个LED管芯。LED管芯均涂覆有相应的磷膜。每个LED管芯的磷膜都共形地涂覆在LED管芯周围。每个LED管芯的磷膜都与其他LED管芯的磷膜物理间隔开。在一些实施例中，步骤320包括配置相邻涂覆磷的LED管芯之间的优化分离距离。优化分离距离是一个涂覆磷的LED管芯的横向尺寸的函数。方法300包括步骤330，其中，在衬底上方和涂覆有磷膜的LED上施加扩散透明凝胶。方法300包括步骤340，其中，在衬底上方安装散射体罩。散射体罩为扩散透明凝胶和涂覆有磷膜的LED管芯提供壳体。
可在本文中讨论的框310-340之前、期间或之后执行附加工艺以完成照明装置的制造。为了简化，本文没有讨论这些附加工艺。
图5示出了包括上文讨论的照明器件40的一些实施例的照明模块400的简化示意图。照明模块400具有底座410、连接至底座410的主体420和连接至主体420的灯430。在一些实施例中，灯430是筒灯（或向下发光的照明模块）。
灯430包括以上参照图1至图4讨论的照明器件40。换言之，照明模块400的灯430包括基于LED的光源，其中，LED管芯以局部方式涂覆磷。至少部分地由于上文讨论的优点，灯430的LED封装在其关闭状态下呈现基本白色的外观，而传统LED照明器件在关闭时经常呈黄色。
本发明的一种广范形式涉及一种照明装置。该照明装置包括：衬底；设置在衬底上并且彼此间隔开的多个发光管芯，发光管芯均覆盖有相应的磷涂层；以及设置在衬底上方并将发光管芯封装在其内的封装结构；其中照明装置处于关闭状态时具有基本白色的外观。
在一些实施例中，照明装置进一步包括：设置在封装结构和发光管芯之间的凝胶。
在一些实施例中，扩散凝胶是透明的并且包含扩散颗粒。
在一些实施例中，发光管芯均包括发光二极管（LED）。
在一些实施例中，发光管芯均被配置发出蓝光。
在一些实施例中，封装结构包括被配置为散射光的散射体罩。
在一些实施例中，磷涂层共形地涂覆在每个发光管芯周围。
在一些实施例中，每个相应的发光管芯的磷涂层都通过一距离与相邻发光管芯的磷涂层分离。
在一些实施例中，该距离是LED管芯的横向尺寸的函数。
本发明的另一广泛形式涉及光子照明模块。光子照明模块包括：基板；位于基板上的一个或多个发光二极管（LED）；以使一个或多个LED在不能有效发光时呈现基本白色外观的方式涂覆在一个或多个LED的每一个周围的局部磷膜；以及位于基板上方并将一个或多个LED封装在其内的散射体罩。
在一些实施例中，光子照明模块还包括位于一个或多个LED管芯上方并且容纳在散射体罩内的扩散透明材料。
在一些实施例中，一个或多个LED均被配置为发出蓝光；并且磷膜包含黄磷颗粒。
在一些实施例中，一个或多个LED包括多个彼此间隔开的LED。
在一些实施例中，每个LED的磷膜都不与其他LED的其他磷膜物理接触。
在一些实施例中，相邻定位的LED之间的间隔与LED的尺寸有关。
在一些实施例中，磷膜共形地涂覆在一个或多个LED的每一个周围。
本发明的又一种广泛形式涉及制造照明装置的方法。该方法包括：提供衬底；在衬底上放置多个发光二极管（LED），LED管芯均涂覆有相应的磷膜，其中，每个LED管芯的磷膜都与其他LED管芯的磷膜物理间隔开，根据相邻LED管芯之间的优化分离距离在衬底上放置LED管芯；在衬底上方和涂覆有磷膜的LED上施加扩散透明凝胶；以及在衬底上安装散射体罩，散射体罩在其中容纳扩散透明凝胶和涂覆有磷膜的LED管芯。
在一些实施例中，每个LED管芯的磷膜都共形地涂覆在LED管芯周围。
在一些实施例中，优化分离距离是一个LED管芯的横向尺寸的函数。
在一些实施例中，以使LED管芯中关闭时呈现基本白色外观的方式执行放置多个LED管芯。
前面概述了若干实施例的特征，使得本领域那些技术人员可以更好地理解下面的详细描述。本领域那些技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为用于设计或修改用于执行本文介绍的实施例相同目的和/或获得相同优点的其他工艺和结构的基础。本领域那些技术人员还应该意识到，这种等效结构不背离本发明的精神和范围，并且他们可以进行各种改变、替换和变更而不背离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种照明装置，包括：
衬底；
多个发光管芯，设置在所述衬底上并且彼此间隔开，所述发光管芯均涂有相应单独的磷涂层；以及
封装结构，设置在所述衬底上方并将所述发光管芯封装在其内；
其中，所述照明装置在关闭状态下具有基本白色的外观。
2.根据权利要求1所述的照明装置，进一步包括：设置在所述封装结构和所述发光管芯之间的凝胶。
3.根据权利要求2所述的照明装置，其中，所述扩散凝胶是透明的并且包含散射体颗粒。
4.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述发光管芯均包括发光二极管（LED）。
5.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述发光管芯均被配置为发出蓝光。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述封装结构包括被配置为散射光的散射体罩。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其中，所述磷涂层共形地涂覆在每个发光管芯的周围。
8.根据权利要求1所述的照明装置，其中，每个对应发光管芯的磷涂层都与相邻发光管芯的磷涂层分离一距离。
9.一种光子照明模块，包括：
基板；
一个或多个发光二极管（LED），位于所述基板上；
局部磷膜，以使所述一个或多个LED在不能有效发光时呈现基本白色外观的方式涂覆在所述一个或多个LED的每一个周围；以及
散射体罩，位于所述基板上方并将所述一个或多个LED容纳在其内。
10.一种制造照明装置的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上放置多个发光二极管（LED）管芯，所述LED管芯均涂覆有对应的磷膜，其中，每个LED管芯的磷膜都与其他LED管芯的磷膜物理间隔开，并且根据相邻LED管芯之间的优化分离距离在所述衬底上放置所述LED管芯；
在所述衬底上方和涂覆有所述磷膜的LED上施加扩散透明凝胶；以及
在所述衬底上方安装散射体罩，所述散射体罩将所述扩散透明凝胶和涂覆有所述磷膜的LED管芯容纳在其内。
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