CN108352433A - 发光元件搭载用基板和发光装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的发光元件搭载用基板具备：包含陶瓷的基体；位于该基体上且主要成分为铜的金属层；和位于该金属层上、具有白色系的色调且包含含有钛和氧的化合物的玻璃层。

Description

发光元件搭载用基板和发光装置
技术领域
本公开涉及发光元件搭载用基板和发光装置。
背景技术
发光二极管(LED：Light Emitting Diode)作为耗电少的发光元件而备受关注。而且，在这样的LED的搭载中，使用绝缘性基板，在该基板上设置有将成为电路(布线)的金属层。
在这样的构成中，LED输出时的热会影响到LED的性能、可靠性，因此，作为基板材质，如果是低输出的LED则使用树脂，在中输出以上的LED中则使用陶瓷。
而且，在于上述构成的基板的金属层上具备发光元件的发光装置中，出于提高发光效率和保护金属层等目的，用白色系的色调的树脂(以下记作白色树脂。)覆盖基板和位于基板上的金属层(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-129801号公报
发明内容
本公开的发光元件搭载用基板具备：包含陶瓷的基体；位于该基体上且主要成分为铜的金属层；和位于该金属层上、具有白色系的色调且含有包含钛和氧的化合物的玻璃层。
附图说明
图1是示出具备本公开的发光元件搭载用基板的发光装置的一例的剖视图。
具体实施方式
在近年的高亮度化中，对金属层传导了大量的热量。而且，金属层的热传导率高，则也对白色树脂传导了大量的热量。当如此对白色树脂传导大量的热量时，金属层与白色树脂的密接性容易降低。而且，如果白色树脂从金属层剥离，则发光效率下降，并且不能保护金属层，不能长期发挥LED所具有的高发光效率。
本公开的发光元件搭载用基板能够长期发挥高亮度和高发光效率。以下，参照附图对本公开的发光元件搭载用基板进行详细说明。
图1是示出具备本公开的发光元件搭载用基板的发光装置的一例的剖视图。
如图1所示，本公开的发光元件搭载用基板4具备：包含陶瓷的基体1；位于基体1上、且主要成分为铜的金属层2；以及，位于基体1和金属层2上的玻璃层3。
在此，金属层2的主要成分是指：在构成金属层2的全部成分的合计100质量％中，含有50质量％以上的成分。这样，金属层2的主要成分为铜，因此电阻率低、放热性高。需要说明的是，金属层2除了含有铜以外，也可以含有锆、钛、钼、锡等。
另外，本公开的发光装置10是在上述构成的发光元件搭载用基板4的金属层2a上搭载有发光元件5而成的。需要说明的是，图1中，示出了发光元件5通过键合线6电连接于与金属层2a并设的金属层2b的例子。另外，图1中示出了用密封材料7覆盖发光元件搭载用基板4的包含发光元件5在内的、搭载有发光元件5一侧的面的例子。该密封材料7可以是含有用于波长转换的荧光物质等的材料。
而且，本公开的发光元件搭载用基板4的玻璃层3存在于基体1和金属层2的至少一部分、且具有白色系的色调。另外，玻璃层3含有包含钛和氧的化合物。如此，通过使玻璃层3含有包含钛和氧的化合物，从而本公开的发光元件搭载用基板4的玻璃层3在可见光区具有高反射率。
在此，可在可见光区中具有高反射率的原因在于：包含钛和氧的化合物(例如，TiO2)的折射率高，从而能够高效率地反射可见光。需要说明的是，含有钛和氧的化合物可以为如下形态，即，按照以包含钛和氧的化合物为核、且覆盖有其它化合物的方式而形成的形态。这样的化合物的大小可以是直径为0.2μm以上且2.0μm以下。
另外，通过使玻璃层3含有包含钛和氧的化合物，从而玻璃层3与主要成分为铜的金属层2的热膨胀系数之差变小，因此发光元件5输出时产生的热量传递时的剥离得到抑制。因此，本公开的发光元件搭载用基板4由于优异的反射率、和玻璃层3的剥离抑制，而可以长期发挥高亮度和高发光效率。
在此，玻璃层3中所含的化合物可以通过用X射线衍射装置(XRD)对玻璃层3进行测定、将得到的结果与JCPDS卡片对照来进行确认。
或者，也可以使用扫描型电子显微镜(SEM)所附带的能量色散型X射线分析装置(EDS)来确认玻璃层3中所含的化合物。首先，将发光元件搭载用基板4切断，通过截面剖光机(CP)进行研磨。然后，将研磨后的截面作为观察面，用SEM以1000倍以上且10000倍以下倍率进行观察。然后，通过SEM所附带的EDS对被视觉辨认为粒子的位置照射X射线。然后，如果确认该位置存在Ti和O，则可以视为存在含有钛和氧的化合物。
或者，使用电子束微量分析仪(EPMA)，在被视觉辨认为粒子的位置的元素分布(日文：マツピング)中，若存在Ti的区域与存在O的区域重叠，则可以视为存在含有钛和氧的化合物。
另外，关于本公开的发光元件搭载用基板4，玻璃层3中的化合物的面积占有率可以为24面积％以上且60面积％以下。在满足这样的构成时，玻璃层3变得更白，可以进一步提高可见光区域中的反射率。另外，可以在光元件5输出时产生的热量传递时，进一步抑制玻璃层3的剥离。
而且，玻璃层3中的化合物的面积占有率例如可以通过以下的方法算出。首先，用SEM以3000倍观察上述观察面并拍摄照片。然后，对于所拍摄的照片，用图像分析软件进行选择而使得玻璃层3内的测定区域达到220μm2，然后将钛和氧的化合物的位置着色而进行2值化。然后，算出测定区域中的着色位置的比率，从而求出化合物的面积占有率。然后，在任选的5个位置进行该操作，将得到的测定值的平均作为玻璃层3中的化合物的面积占有率。
另外，关于本公开的发光元件搭载用基板4，玻璃层3的表面3a的算术平均粗糙度Ra可以为0.18μm以上且0.3μm以下。在满足这样的构成时，玻璃层3的表面3a的可见光反射效率提高，因此可见光区的反射率进一步提高。
在此，玻璃层3的表面3a的算术平均粗糙度Ra可以使用接触型或非接触型粗糙度测定仪基于JIS B 0601-2001对玻璃层3的表面3a进行测定，进而算出。需要说明的是，玻璃层3的表面3a的测定在任选的5个位置进行，将得到的测定值的平均作为玻璃层3的表面3a的算术平均粗糙度Ra。
另外，本公开的发光元件搭载用基板4的玻璃层3可以含有铜或锌，在玻璃层3中，金属层侧区域的铜和锌的合计含量多于表面侧区域。在为这样的构成时，将玻璃层3的表面3a的可见光的反射效率维持得较高、且金属层2与玻璃层3的密接强度提高，因此可以进一步抑制玻璃层3的剥离。
需要说明的是，玻璃层3的表面侧区域是指：在将发光元件搭载用基板4沿着厚度方向切断而成的截面的玻璃层3中，将玻璃层3的从金属层2到表面3a的距离即厚度3等分后，其中的包含表面3a的玻璃层3的厚度的1/3的区域。另外，玻璃层3的金属层侧区域是指：包含金属层2与玻璃层的界面的、玻璃层3的厚度的1/3的区域。另外，玻璃层3中，将表面侧区域和金属层侧区域之间所夹的区域称为中间区域。
另外，关于本公开的发光元件搭载用基板4，在玻璃层3中，铜和锌的合计含量可以从表面侧区域向金属层侧区域逐渐增加。在为这样的构成时，金属层2与玻璃层3的密接强度进一步提高，因此，可以更进一步抑制玻璃层3的剥离。需要说明的是，逐渐增加是指：在铜和锌的合计含量中，满足金属层侧区域＞中间区域＞表面侧区域的关系的情形。
另外，如果玻璃层3的金属层侧区域的铜和锌的合计含量为3质量％以上，则金属层2与玻璃层3的密接强度更进一步提高。
在此，玻璃层3中的铜和锌的合计的含量可以通过以下方法算出。首先，将发光元件搭载用基板4沿着厚度方向切断，通过CP进行研磨。然后，将研磨后的截面作为观察面，用SEM以1000倍以上且10000倍以下倍率进行观察。然后，通过SEM所附带的EDS对玻璃层3的表面侧区域、中间区域、金属层侧区域的各区域照射X射线，并测定铜和锌的含量。然后，关于铜和锌的合计含量是否为金属层侧区域多于表面侧区域、以及是否逐渐增加，可以对表面侧区域、中间区域、金属层侧区域中的铜和锌的合计的含量进行确认。
另外，关于本公开的发光元件搭载用基板4，玻璃层3可以含有氧化锆。在为这样的构成时，氧化锆的折射率高，含有钛和氧的化合物与氧化锆的折射率不同，因此反射率进一步提高。
而且，构成本公开的发光元件搭载用基板4的基体1包含陶瓷，作为陶瓷，可以使用氧化铝质陶瓷、氧化锆质陶瓷、氧化铝和氧化锆的复合陶瓷、氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷、碳化硅质陶瓷或富铝红柱石质陶瓷等。需要说明的是，如果基体1由氧化铝质陶瓷构成，则成为加工性比较容易且机械强度优异的基体。另外，如果基体1由氮化铝质陶瓷构成，则成为放热性更优异的基体。
在此，例如氧化铝质陶瓷是指以氧化铝为主要成分的陶瓷，是在构成陶瓷的全部成分100质量％中含有70质量％以上的氧化铝的陶瓷。而且，构成本公开的发光元件搭载用基板4的基体1的材质可以通过以下方法来确认。首先，用XRD进行测定，将得到的结果与JCPDS卡片进行对照，由此来确认氧化铝的存在。然后，用ICP(Inductively CoupledPlasma)发光分光分析装置(ICP)或荧光X射线分析装置(XRF)进行铝(Al)的定量分析。而且，如果由使用ICP或XRF测得的Al的含量换算为氧化铝(Al2O3)后的含量为70质量％以上，则为氧化铝质陶瓷。需要说明的是，关于其他陶瓷也同样。
另外，基体1可以形成有贯通孔。如果基体1形成有贯通孔、且在该贯通孔中形成有包含导电性物质的贯通电极，则能够与外部电源连接。另外，如果在该贯通孔中形成包含高热传导性物质的散热通道，则可以提高基体1的放热特性。
然后，作为玻璃层3，可以是以R2O-B2O3-SiO2系(R：碱金属元素)、SiO2-Bi2O3-B2O3系、R2O-SiO2-B2O3-Bi2O3系中的任一种为主要成分的玻璃层。需要说明的是，它们的软化点为700℃以上且780℃以下。
以下，对本公开的发光元件搭载用基板4的制造方法的一例进行说明。首先，作为基体1，通过公知的成形方法和烧成方法准备例如氮化铝质陶瓷、氧化铝质陶瓷。需要说明的是，在制作氧化铝质陶瓷时，为了提高基体1的反射率，可以含有氧化钡(BaO)、氧化锆(ZrO2)。
需要说明的是，在基体1形成贯通孔的情况下，只要在形成成形体时与外部形状一起而形成孔即可。或者，只要对仅加工了外部形状的成形体通过冲压、喷磨或激光来形成孔即可。或者，只要通过喷磨或激光使烧结体中形成孔即可。需要说明的是，基体1的厚度为例如0.15mm以上且1.5mm以下。
然后，金属层2可以通过如下方式形成：使用公知的以铜为主要成分的金属糊剂，在基体1上丝网印刷布线和电极的图案后，在氮气气氛中烧成，由此形成。需要说明的是，金属层2的厚度例如为10μm以上且18μm以下。在此，为了将金属层2的厚度设为期望的厚度，只要反复进行印刷、干燥和热处理即可，或者只要在将印刷和干燥为止的工序进行数次后再一并进行热处理即可。
然后，为了形成玻璃层3而准备玻璃糊剂。首先，准备以R2O-B2O3-SiO2系(R：碱金属元素)、SiO2-Bi2O3-B2O3系、R2O-SiO2-B2O3-Bi2O3系中的任一种为主要成分的玻璃粉末。需要说明的是，作为玻璃粉末的平均粒径，例如为2μm以上且4μm以下。
另外，准备平均粒径为0.1μm以上且2.0μm以下的氧化钛粉末。然后，按照相对于玻璃粉末100质量份达到15质量份以上且25质量份以下的方式称量氧化钛粉末。
然后，准备有机载体。需要说明的是，有机载体是指：在有机溶剂中溶解了有机粘结剂的载体，例如，就有机粘结剂和有机溶剂的质量比率而言，相对于有机粘结剂1，有机溶剂为2～6。而且，作为有机粘结剂，例如可以使用选自聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸甲酯等丙烯酸类；硝基纤维素、乙基纤维素、乙酸纤维素、丁基纤维素等纤维素类；聚甲醛等聚醚类；聚丁二烯、聚异戊二烯等聚乙烯基类中的1种，或者可以将2种以上混合使用。
另外，作为有机溶剂，例如可以使用选自卡必醇、卡必醇乙酸酯、萜品醇、间甲酚、二甲基咪唑、二甲基咪唑啉酮、二甲基甲酰胺、双丙酮醇、三乙二醇、对二甲苯、乳酸乙酯、异佛尔酮中的1种，或者可以将2种以上混合使用。
然后，称量期望的量的玻璃粉末、氧化钛粉末、有机载体并混合，从而制作玻璃糊剂。作为此时的配合量，例如相对于玻璃糊剂100质量份，可以将玻璃粉末和氧化钛粉末的混合粉末的量设为60质量份以上且80质量份以下，余量设为有机载体。
需要说明的是，为了使玻璃层3含有氧化锆，只要准备平均粒径为0.1μm以上且2μm以下的氧化锆粉末、进行称量使得相对于玻璃粉末100质量份而达到0.1质量份以上且5质量份以下、再添加到上述玻璃糊剂中即可。
然后，将得到的玻璃糊剂按照覆盖基体1、金属层2的期望区域的方式进行印刷，在80℃以上且140℃以下的温度下进行干燥、脱脂。
另外，为了使玻璃层3含有铜或锌，且在玻璃层3中，使金属层侧区域的铜和锌的合计含量多于表面侧区域，可以如下地制作玻璃糊剂，并按照覆盖期望区域的方式进行印刷。首先，在制作上述玻璃糊剂时，添加铜粉末、锌粉末，制作铜和锌的合计含量相异的3种玻璃糊剂。具体而言，制作在玻璃层3中，成为金属层侧区域的第1玻璃糊剂、成为中间区域的第2玻璃糊剂、成为表面侧区域的第3玻璃糊剂。在此，关于第1玻璃糊剂，按照铜和锌的合计含量多于第3玻璃糊剂的方式进行制作。然后，按照覆盖基体1、金属层2中的期望区域的方式印刷第1玻璃糊剂，在第1玻璃糊剂上印刷第2玻璃糊剂，在第2玻璃糊剂上印刷第3玻璃糊剂即可。
另外，如果按照铜和锌的合计含量满足第1玻璃糊剂＞第2玻璃糊剂＞第3玻璃糊剂的关系的方式来制作各玻璃糊剂，则在玻璃层3中，铜和锌的合计含量从表面侧区域向金属层侧区域逐渐增加。
然后，将所印刷的玻璃糊剂在氮气气氛下在800℃以上且950℃以下的最高温度下保持2分钟以上且15分钟以下而进行热处理。在此，热处理的最高温度越高、此外热处理的时间越长，则越能够析出更多的钛和氧的化合物，但在最高温度为950℃以上、最高温度的保持时间为15分钟以上的情况下，脱脂时未脱除干净的碳破裂，在玻璃层3的内部形成针孔，会妨碍白色化。
需要说明的是，玻璃层3的厚度为例如10μm以上且20μm以下。而且，通过经历以上工序，可以得到本公开的发光元件搭载用基板4。
另外，作为玻璃层3的表面的算术平均粗糙度Ra的调整方法，只要使用平面磨床对玻璃层3的表面进行磨削即可。
另外，对于未被玻璃层3覆盖的金属层2的表面，可以局部地进行镀敷处理。如此通过进行镀敷处理，从而发光元件5、键合线6等的密接处理变得容易进行，可以抑制氧化所致的金属层2的腐蚀。需要说明的是，作为镀敷的种类，只要为公知的镀敷即可，可列举例如：镀金、镀银、镀镍-金、或镀镍-钯-金等。
此外，在本公开的发光元件搭载用基板4的制作中，如果使用形成有分割槽的基体1并通过上述方法形成金属层2和玻璃层3，然后进行分割，则能够高效率地制作多个发光元件搭载用基板4。需要说明的是，本公开的发光元件搭载用基板4的制造方法不受上述制造方法限定。
然后，关于本公开的发光装置10，例如，可以通过在本公开的发光元件搭载用基板4的金属层2a上搭载发光元件5而得到。如此制作的本公开的发光装置10能够长期发挥高亮度和高发光效率。
以下具体说明本公开的实施例，但本公开不受以下实施例限定。
实施例1
制作构成相异的试样，进行反射率和热循环试验。首先，作为基体而准备厚度1.0mm的氧化铝质陶瓷。然后，使用以铜为主要成分的金属糊剂，在基体上进行丝网印刷后，在氮气气氛中进行烧成，由此形成厚度14μm的金属层。
然后，准备平均粒径为3μm的R2O-B2O3-SiO2系(R：碱金属元素)的玻璃粉末。另外，准备平均粒径为1μm的氧化钛粉末。然后，按照相对于玻璃粉末100质量份达到表1所示的量的方式称量氧化钛粉末。
然后，准备有机载体，称量期望量的玻璃粉末、氧化钛粉末、有机载体并混合，从而制作玻璃糊剂。作为此时的配合量，使玻璃粉末和氧化钛粉末的合计为70质量份，余量设为有机载体。
然后，将得到的玻璃糊剂按照覆盖基体、金属层的期望区域的方式进行印刷，在120℃的温度下进行干燥、脱脂。
然后，将所印刷的玻璃糊剂在氮气气氛下、在表1所示的最高温度下保持5分钟而进行热处理，由此，得到玻璃层的厚度为16μm、长×宽为17mm×17mm的试样No.1～11。需要说明的是，为了进行热循环试验，分别将各试样制作了多个。
然后，针对各式样，对于用SEM以3000倍观察而得到的照片，使用图像分析软件，按照玻璃层内的测定区域达到220μm2的方式进行选择后，通过使钛和氧的化合物的部位着色而2值化。然后，算出测定区域中的着色部位的比率，从而求出化合物的面积占有率。然后，在任选的5个部位进行该操作，算出所得到的测定值的平均来作为化合物的面积占有率。
另外，对于各试样的玻璃层，用分光测色计(Minolta制CM-3700A)在基准光源D65、波长范围360～740nm、视野10°、照明直径3×5mm的条件下进行测定，由测定结果测定500nm的反射率。
另外，热循环试验通过以下方法进行。首先，准备16个各试样，用冷热冲击试验装置使各试样的环境温度从室温(25℃)降至-40℃并保持30分钟，然后升温并在125℃下保持30分钟后，降至室温，将该循环作为1个循环并反复进行该循环。而且，在2500个循环～4500个循环期间，每100个循环时将各试样各取出1个，在玻璃层的表面上粘贴聚酯膜，将其向上方拉，由此进行剥离试验。然后，通过该剥离试验，调查确认到玻璃层从金属层剥离时的循环数。将结果示于表1。
[表1]
如表1所示，关于试样No.1，未确认到含有钛和氧的化合物的存在，500nm的反射率为40％以下，循环数为2800次。另外，试样No.7和11在热处理后在玻璃层产生针孔，并且金属层发生膨胀，因此未进行热循环试验。
与此相对，试样No.2～6和试样No.8～10的500nm的反射率为40％以上，循环数为3500次以上。
由该结果可知，通过使玻璃层含有包含钛和氧的化合物，从而成为能够长期发挥高亮度和高发光效率的发光元件搭载用基板。
另外，试样No.4～6和试样No.8～10的500nm的反射率为48.8％以上，循环数为4000次，因此可知玻璃层中的化合物的面积占有率为24面积％以上且60面积％以下是优选的。
实施例2
然后，制作玻璃层的表面的算术平均粗糙度Ra相异的试样，进行反射率的测定。需要说明的是，在制作试样时，设为与实施例1的试样No.6相同，对于试样No.13～16，用平面磨床进行使玻璃层的表面的算术平均粗糙度Ra相异的磨削。在此，试样No.12是与实施例1的试样No.6相同的试样。
然后通过与实施例1相同的方法测定反射率。将结果示于表2。
[表2]
如表2所示，试样No.13～15可观察到反射率的提高。由该结果可知，通过使玻璃层的表面的算术平均粗糙度Ra为0.18μm以上且0.3μm以下，反射率提高。
实施例3
然后，制作玻璃层的铜和锌的含量相异的试样，进行热循环试验和反射率的测定。需要说明的是，在制作试样时，为了达到实施例1的No.6的化合物的面积占有率、并且达到表3所示的铜和锌的含量，在如实施例1那样制作玻璃糊剂时，添加铜粉末、锌粉末，制作铜和锌的含量相异的3种玻璃糊剂。具体而言，制作在玻璃层中，成为金属层侧区域的第1玻璃糊剂、成为中间区域的第2玻璃糊剂、成为表面侧区域的第3玻璃糊剂。然后，按照覆盖基体、金属层的期望区域的方式印刷第1玻璃糊剂，在第1玻璃糊剂上印刷第2玻璃糊剂，在第2玻璃糊剂上印刷第3玻璃糊剂。而且，其它条件与实施例1的试样No.6相同。
然后，通过以下方法算出玻璃层中的铜和锌的含量。首先，将各试样沿着厚度方向切断，通过CP进行研磨。然后，将研磨后的截面作为观察面，用SEM以3000倍的倍率进行观察。然后，通过SEM所附带的EDS对各试样的玻璃层的表面侧区域、中间区域、金属层侧区域的各区域照射X射线，测定铜和锌的含量。
另外，通过与实施例1相同的方法求出化合物的面积占有率。其结果是，在全部试样的玻璃层中，化合物的面积占有率为44面积％。
然后，通过与实施例1相同的方法，测定热循环试验和反射率。将结果示于表3。
[表3]
如表3所示，试样No.17～19、21～26的500nm的反射率为50％以上，循环数为4100次以上。由该结果可知，如果玻璃层中，金属层侧的铜和锌的含量多于表面侧，则能够使玻璃层的表面的可见光的反射效率维持得较高，并且金属层和玻璃层的密接强度进一步提高。
另外，试样No.19、21、22、25、26的试样500nm的反射率为51％以上，循环数为4300次以上。由该结果可知，使玻璃层中，铜和锌的含量从表面侧向金属层侧逐渐增加的方式更为优选。
实施例4
制作使玻璃层中的氧化锆的有无方面相异的试样，进行反射率的测定。需要说明的是，在制作试样时，试样No.27与实施例2的试样No.14相同，关于试样No.28，除了添加了氧化锆粉末2质量份、并减少相应量的玻璃粉末以外，通过与实施例2的试样No.14同样的方法来制作。
然后通过与实施例1相同的方法测定反射率。将结果示于表4。
[表4]
如表4所示，可知通过使玻璃层含有氧化锆，从而反射率提高。
符号说明
1：基体
2：金属层
3：玻璃层
4：发光元件搭载用基板
5：发光元件
6：键合线
7：密封材料
10：发光装置

Claims (7)

1.一种发光元件搭载用基板，其具备：
包含陶瓷的基体；
位于该基体上、且主要成分为铜的金属层；和
位于该金属层上、具有白色系的色调、且含有包含钛和氧的化合物的玻璃层。
2.根据权利要求1所述的发光元件搭载用基板，其中，
所述玻璃层中的所述化合物的面积占有率为24面积％以上且60面积％以下。
3.根据权利要求1或2所述的发光元件搭载用基板，其中，
所述玻璃层的表面的算术平均粗糙度Ra为0.18μm以上且0.3μm以下。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光元件搭载用基板，其中，
所述玻璃层含有铜或锌，在所述玻璃层中，所述金属层侧区域的所述铜和所述锌的合计含量多于表面侧区域。
5.根据权利要求4所述的发光元件搭载用基板，其中，
在所述玻璃层中，所述铜和所述锌的合计含量从所述表面侧区域向所述金属层侧区域逐渐增加。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的发光元件搭载用基板，其中，
所述玻璃层含有氧化锆。
7.一种发光装置，其在权利要求1至6中的任一项所述的发光元件搭载用基板的金属层上具备发光元件。
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