CN114353676B - 一种贴装芯片高度自动测量装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种贴装芯片高度自动测量装置,包括放置待测PCB板的基座、悬于待测PCB板上方的激光测距仪、激光测距仪在工字滑轨作用在X方向和Y方向运动进行位置的调整、悬于激光测距仪上方的CCD相机、PLC控制器和上位机,基座上共计设置三个以上基座Mark点,待测PCB板放置于基座Mark点围成的区域内;激光测距仪电连接上位机,CCD相机电连接上位机;PLC控制器电连接上位机。本发明还公开了一种贴装芯片高度自动测量方法。优点,本发明,芯片贴装完成后的芯片高度自动测试采用的方法及记录装置,来提升测试效率,为散热冷板设计提供准确的数据;该设备还可以作为PCB翘曲度检测设备,冷板加工后的高度一致性检测。
Description
技术领域
本发明涉及芯片焊接后的高度测量,具体为一种贴装芯片高度自动测量装置及其测试方法。
背景技术
目前很多标准模块在PCB上贴装好芯片后,需要采用整块散热冷板贴合PCB上的待散热芯片进行散热。冷板需要在待散热芯片位置加工出大小和高度能准确贴合到芯片外壳的凸台。PCB上贴装的芯片包括电源、集成电路等,这些芯片均有其独特的封装外形,高低大小不一,只有良好的贴合才能有效进行芯片散热,从而保证芯片长期可靠工作。
现在市场上没有自动化设备来采集芯片贴装后的高度,只能通过人工逐点测试的方式获取高度数据,效率低下,且人工记录易发生错误,导致传递给散热冷板加工厂家的数据错误,生产出的冷板配装错误,甚至导致冷板报废,产生较大的经济损失;或者散热贴合不好,热阻大,导致芯片无法正常工作。
发明内容
本发明提出一种贴装芯片高度自动测量装置,采取的技术方案如下:
一种贴装芯片高度自动测量装置,包括放置待测PCB板的基座、悬于待测PCB板上方的激光测距仪、激光测距仪在工字滑轨作用在X方向和Y方向运动进行位置的调整、悬于激光测距仪上方的CCD相机、PLC控制器和上位机;
基座由两根直板构成,两根直板放置于水平面上,两根直板上共计设置三个以上基座Mark点,待测PCB板放置于基座Mark点围成的区域内;激光测距仪电连接上位机,激光测距仪的测量头竖直朝下指向基座;CCD相机电连接上位机,CCD相机的测量头竖直朝下指向基座,且CCD相机的测量头的辐射范围覆盖基座的整个区域;PLC控制器电连接上位机。
对本发明技术方案的优选,工字滑轨由三条滑轨构成“工”字型,每条滑轨上均设置伺服电机,三台伺服电机均电连接PLC控制器且分别受PLC控制器的控制;设定工字滑轨内两条平行的滑轨为Y向滑轨,另一条为X向滑轨,激光测距仪悬于X向滑轨上。
对本发明技术方案的优选,两根直板的长度方向对应于工字滑轨内的Y向滑轨,且两根直板之间的垂直距离可调。
对本发明技术方案的优选,激光测距仪与基座之间的垂直距离不超过25cm,且激光测距仪与基座之间的垂直距离不小于15cm;CCD相机与基座之间的垂直距离不大于50cm。
对本发明技术方案的优选,测量装置还包括装置架,装置架由多根角钢焊接构成的矩形框架,基座处于矩形框架的底端,CCD相机悬于矩形框架的顶端。
本发明还提出一种贴装芯片高度自动测量方法,包括如下步骤:
S1、测量装置的初始化,上位机内存储基座上所有基座Mark点的在初始位置的X轴Y轴坐标信息;
S2、上位机读入待测PCB板的PCB数据文件和热仿真云图数据;PCB数据文件中包含板内Mark点和每个贴装器件的中心位置相对板卡坐标原点的XY轴坐标,以及每个芯片的物理尺寸和位号等信息;
S3、待测PCB板上待测芯片选择:有下面两种选择方法:
其一、自动选择方法:当待测PCB板上芯片热仿真温度数据超过设置的温度门限时,获取该芯片的位号,再从PCB数据文件中索引出该芯片的中心坐标作为被测点(X,Y);
其二、手动选择方法:当待测PCB板上芯片热仿真温度数据未超过设置的温度门限时,手动选择某些待散热芯片,再从PCB数据文件中索引出该芯片的中心坐标作为被测点(X,Y);
S4、待测芯片相对坐标数据提取:
当,待测芯片的物理尺寸未超过设置的门限值,该芯片的中心坐标作为被测点(X,Y),传递给PLC控制器;
当,待测芯片的物理尺寸超过设置的门限值,根据芯片实际散热接触面大小计算出相对中心位置的4个角坐标作为被测点;选取待测PCB板上自带的多个板卡Mark点中的任意一个作为参考(Xref,Yref),通过坐标平移法计算出所有被测点相对该参考点的坐标值(delX,delY),传递给PLC控制器;
delX = X–Xref;
delY = Y-Yref;
S5、调整基座并测试基座高度:
基座水平放置,将基座的调整到适合待测PCB板放置的位置,CCD相机捕获图片传给上位机,上位机计算出基座上所有基座Mark点的坐标数据(Xa,Ya),将坐标数据传递给PLC控制器;通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪逐个移动到所有基座Mark点的正上方分别测出高度数据再传递给上位机,上位机判读这些数据间的最大差值,如果小于预置的高度门限值,则认为轨道平整度没问题,否则需要检查调整基座;
S6、基座调平后,待测PCB板放置在基座上;
S7、CCD相机扫描待测PCB板上的所有板卡Mark点,激光测距仪测量待测PCB板上所有板卡Mark点高度:
CCD相机捕获图片传给上位机,上位机计算出待测PCB板上的所有板卡Mark点坐标,将坐标数据传给PLC控制器,通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪逐个移动到所有板卡Mark点的正上方分别测出高度数据再传递给上位机,上位机通过判读这些数据间的差值来判断待测PCB板的翘曲度;
S8、激光测距仪测量待测PCB板上指定芯片的指定被测点高度:
通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪逐个移动到待测芯片的指定被测点捕获高度数据h,并传递给上位机,上位机通过指定被测点的高度数据h与待测PCB板上所有板卡Mark点高度均值之间的差,得到被测芯片的实际贴装后高度。
本发明方法中, S3中待测PCB板上待测芯片选择,待测PCB板上的待散热芯片可以根据整板热仿真云图进行自动选择,也可以手动选取。
本发明的芯片高度测量的目的是为了散热,具体的为,在冷板上制作出对应的凸台接触这个芯片来对芯片进行散热。在本测量方法中,若是这个芯片它本身在热仿的情况下,这个温度就不超门线,即当待测PCB板上芯片热仿真温度数据未超过设置的温度门限时;这样理论上其实是不需要太关心这个芯片的最终高度;这种情况下,就可以手动选择芯片,进行高度测量。
对本发明测量方法的进一步优选,S1的具体方法如下:测量装置组装好,CCD相机拍摄基座初始图像,并将基座初始图像送入上位机,上位机内存储基座初始图像内的所有基座Mark点的X轴Y轴坐标信息。
对本发明测量方法的进一步优选,在S1和S6的步骤内,激光测距仪运动到边缘位置。在S1的测量装置的初始化,激光测距仪运动工字滑轨的某个边上,为了不影响CCD相机扫描基座上的所有基座Mark点;在S6的待测PCB板安置在基座的上,激光测距仪运动工字滑轨的某个边上,为了不影响CCD相机扫描待测PCB板上的所有板卡Mark点。
对本发明测量方法的进一步优选,上位机9内装有数据库和二维码识别软件,在待测PCB板7上都印有二维码;二维码识别后启动高度数据测量。
本发明中提及的CCD相机、激光测距仪、工字滑轨均为已知技术,均为市售件,本领域技术人员已知。
本发明中提及的待测PCB板,为本领域技术人员已知。待测PCB板在需进行测量前,待测PCB板上点有至少多个板卡Mark点,同时也在待测PCB板上印上二维码。
本发明测量方法获得的数据,如果为新设计板卡,上位机将计算出的高度数据传递给生产厂家应用;若为重复加工板卡,上位机数据分析软件将当前测得数据与已有数据进行比对,如果数据精度控制在门限内,则不需要修改散热冷板的结构设计,否则需要通知厂家基于新测量数据进行凸台加工生产。
本发明测量装置以及测量方法,还可以作为散热冷板凸台高度检测设备,散热冷板加工回来后,安放到基座上,控制激光测距仪到凸台位置进行高度测量,并与设计的高度数据进行比对,如果发现精度不达标,可以返给冷板加工厂家进行更改。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
本发明,芯片贴装完成后的芯片高度自动测试采用的方法及记录装置,来提升测试效率,为散热冷板设计提供准确的数据;该设备还可以作为PCB翘曲度检测设备,冷板加工后的高度一致性检测;具体为:1、提高配高数据测量效率,提高焊接后芯片高度测试的准确性,采用数据库方式进行数据管理,降低生产成本。2.可以用于裸PCB和PCBA后的板卡翘曲度自动检查。3.可以用于散热冷板的自动检验。
附图说明
图1为自动测量装置的设备示意图。
图2为工字滑轨的立体结构示意图。
图3为自动测试方法的流程框图。
图4为举例的待测PCB板的示意图。
图5为举例的实施例中待测PCB板放在基座轨道上的示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂,以下结合附图1-图5和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中举例以待测PCB板7上预先点好三个板卡Mark点71为例进行说明。
如图1所示,本实施例一种贴装芯片高度自动测量装置,包括基座、激光测距仪2、CCD相机3、工字滑轨LC控制器4、上位机9和装置架8。
如图1所示,装置架8由多根角钢焊接构成的矩形框架, CCD相机3悬于矩形框架的顶端。本实施例中CCD相机3的安装位置具体为在矩形框架顶部的中心位置处,CCD相机3的位置确定好,后面不会调整。
如图1所示,基座处于矩形框架的底端,基座与矩形框架独立,基座由两根直板1构成,两根直板1放置于水平面上,两根直板1上共计设置四个基座Mark点11,每根直板1上设置两个。待测PCB板7放置于基座Mark点11围成的区域内。
如图1所示,激光测距仪2悬于待测PCB板7的上方,激光测距仪2在工字滑轨作用在X方向和Y方向运动进行位置的调整。工字滑轨装在装置架8上。
如图2所示,工字滑轨由三条滑轨构成“工”字型,每条滑轨上均设置伺服电机10,三台伺服电机10均电连接PLC控制器4且分别受PLC控制器4的控制;设定工字滑轨内两条平行的滑轨为Y向滑轨5,另一条为X向滑轨6,激光测距仪2悬于X向滑轨6上。两根直板1的长度方向对应于工字滑轨内的Y向滑轨5,且两根直板1之间的垂直距离可调,用来适应不同尺寸规格的待测PCB板7。
本实施例中,X向滑轨6和Y向滑轨5为丝杆螺母副,本领域技术人员已知。X向滑轨6和Y向滑轨5均受各自对应的伺服电机驱动,X轴丝杆受Y轴丝杆双电机牵引一定,移动定位精度不小于0.05mm,重定位精度不小于0.03mm;激光测距仪2安装在X轴丝杆中心的配件上,受X轴电机驱动移动;任意一维移动速度不小于250mm/s;三个伺服电机受PLC控制,PLC由上位机控制。
如图2所示,激光测距仪2电连接上位机9,激光测距仪2的测量头竖直朝下指向基座;CCD相机3电连接上位机9,CCD相机3的测量头竖直朝下指向基座,且CCD相机3的测量头的辐射范围覆盖基座的整个区域;PLC控制器4电连接上位机9。
如图2所示,本实施例中,为保证测距精度,激光测距仪2与基座之间的垂直距离不超过25cm,同时在考虑到待测PCB板7放置需求,且激光测距仪2与基座之间的垂直距离不小于15cm;CCD相机3与基座之间的垂直距离不大于50cm,同时基座的长和宽均不小于50cm。
如图1所示,本实施例中,CCD相机3,像素大于1200万的高清探头,用于捕获光学的板卡Mark点71和基座Mark点11。
如图3所示,一种贴装芯片高度自动测量方法,包括如下步骤:
S1、测量装置的初始化,上位机9内存储基座上所有基座Mark点11的在初始位置的X轴Y轴坐标信息;S1的具体方法如下:测量装置组装好,CCD相机3拍摄基座初始图像,并将基座初始图像送入上位机9,上位机9内存储基座初始图像内的所有基座Mark点11的X轴Y轴坐标信息。此步骤中,激光测距仪2运动到边缘位置,及PLC控制器4驱动X向滑轨6运动工字滑轨的某个边上,为了不影响CCD相机扫描基座上的四个基座Mark点11。
S2、上位机9读入待测PCB板7的PCB数据文件和热仿真云图数据;PCB数据文件中包含板内Mark点和每个贴装器件的中心位置相对板卡坐标原点的XY轴坐标,以及每个芯片的物理尺寸和位号等信息;
S3、待测PCB板7上待测芯片选择:有下面两种选择方法:
其一、自动选择方法:当待测PCB板7上芯片热仿真温度数据超过设置的温度门限时,获取该芯片的位号,再从PCB数据文件中索引出该芯片的中心坐标作为被测点X,Y;
其二、手动选择方法:当待测PCB板7上芯片热仿真温度数据未超过设置的温度门限时,手动选择某些待散热芯片,再从PCB数据文件中索引出该芯片的中心坐标作为被测点X,Y;
S4、待测芯片相对坐标数据提取:
当,待测芯片的物理尺寸未超过设置的门限值,该芯片的中心坐标作为被测点X,Y,传递给PLC控制器4;
当,待测芯片的物理尺寸超过设置的门限值,根据芯片实际散热接触面大小计算出相对中心位置的4个角坐标作为被测点;选取待测PCB板7上自带的多个板卡Mark点71中的任意一个作为参考(Xref,Yref),通过坐标平移法计算出所有被测点相对该参考点的坐标值delX,delY,传递给PLC控制器;
delX = X–Xref;
delY = Y-Yref;
S5、调整基座并测试基座高度:
基座水平放置,将基座的调整到适合待测PCB板7放置的位置,CCD相机捕获图片传给上位机9,上位机9计算出基座上所有基座Mark点11的坐标数据Xa,Ya,将坐标数据传递给PLC控制器4;通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪2逐个移动到所有基座Mark点11的正上方分别测出高度数据再传递给上位机9,上位机9判读这些数据间的最大差值,如果小于预置的高度门限值,则认为轨道平整度没问题,否则需要检查调整基座;
S6、基座调平后,待测PCB板7放置在基座上;
S7、CCD相机3扫描待测PCB板7上的三个板卡Mark点71,激光测距仪2测量待测PCB板7上三个板卡Mark点71高度:
CCD相机3捕获图片传给上位机9,上位机9计算出待测PCB板7上的三个板卡Mark点71坐标,将坐标数据传给PLC控制器4,通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪2逐个移动到三个板卡Mark点71的正上方分别测出高度数据再传递给上位机9,上位机9通过判读这些数据间的差值来判断待测PCB板7的翘曲度;
S8、激光测距仪2测量待测PCB板7上指定芯片的指定被测点高度:
通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪2逐个移动到待测芯片的指定被测点捕获高度数据h,并传递给上位机9,上位机9通过指定被测点的高度数据h与待测PCB板7上所有板卡Mark点71高度均值之间的差,得到被测芯片的实际贴装后高度。
本实施例中,上位机9内装有数据库和二维码识别软件,在待测PCB板7上都印有二维码;二维码识别后启动高度数据测量,软件读取相应的PCB文件数据和热仿真云图数据(或者手动选择的数据)计算出相应芯片的被测点坐标,传递给PLC驱动工字滑轨带动测距仪到被测点位置,打开测距仪捕获并记录数据到数据库中。本实施例中设计的PLC控制系统为本领域内的已知控制系统,本领域技术人员已知。
本实施例的测量方法获得的数据,如果为新设计板卡,上位机将计算出的高度数据传递给生产厂家应用;若为重复加工板卡,上位机数据分析软件将当前测得数据与已有数据进行比对,如果数据精度控制在门限内,则不需要修改散热冷板的结构设计,否则需要通知厂家基于新测量数据进行凸台加工生产。
举例:
一、模块的配高数据获取
该模块为标准6U-VPX前插模块,PCB尺寸为:233.35*160*2.8毫米。如图4所示。
该板载待散热的大功率器件为U1~U11,PCB上的Mark点M1~M3,以模块的长为X轴,宽为Y轴,以PCB左下角为原点进行坐标定义,具体参数如下表1所示:
表1
如图5所示, 调整基座滑轨间距为230mm,以基座左下角为原点,宽度为X轴,长度为Y轴,进行坐标定义,CCD捕获基座上4个Mark点位置为 :
K1(20,20),K2(20,480),K3(250,20),K4(250,480)mm,测距仪测得对应高度为200.01,200.02,199.98,199.99mm。再捕获到PCB上的3个Mark点位置为:M1(35,145),M2(35,270),M3(235,145)mm。
器件散热面长或者宽度超过15mm后需要在相应坐标轴上以器件中心点为参考,两边各取一个点为测量点,点的位置处于实际散热面内,一般内缩2mm。
因此得出需要测试点的坐标列表2如下:
表2
最终测得值如下表3所示:
表3
最终实测芯片高度为下表4所示:
表4
贴装后PCB翘曲度检查:
上例中,移动测距仪分别到PCB的3个Mark点测得高度为:M1:197.20,M2:197.14,M3:197.25;基座轨道X轴高度差为0.01mm, Y轴高度差为0.03mm;PCB的X轴高度差为0.06mm,Y轴高度差为0.05mm。综合考虑轨道平整度后得出PCB的X轴高度差为0.05mm,Y轴高度差为0.02mm,小于PCB翘曲评判门限0.2mm,说明该PCB贴装后翘曲度合格。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种贴装芯片高度自动测量装置,包括放置待测PCB板(7)的基座、悬于待测PCB板(7)上方的激光测距仪(2)、激光测距仪(2)在工字滑轨作用在X方向和Y方向运动进行位置的调整、悬于激光测距仪(2)上方的CCD相机(3)、PLC控制器(4)和上位机(9);基座由两根直板(1)构成,两根直板(1)放置于水平面上,两根直板上共计设置三个以上基座Mark点(11),待测PCB板(7)放置于基座Mark点(11)围成的区域内;激光测距仪(2)电连接上位机(9),激光测距仪(2)的测量头竖直朝下指向基座;CCD相机(3)电连接上位机(9),CCD相机(3)的测量头竖直朝下指向基座,且CCD相机(3)的测量头的辐射范围覆盖基座的整个区域;PLC控制器(4)电连接上位机(9);
贴装芯片高度自动测量方法,包括如下步骤:
S1、测量装置的初始化,上位机(9)内存储基座上所有基座Mark点(11)的在初始位置的X轴Y轴坐标信息;
S2、上位机(9)读入待测PCB板(7)的PCB数据文件和热仿真云图数据;PCB数据文件中包含板内Mark点和每个贴装器件的中心位置相对板卡坐标原点的XY轴坐标,以及每个芯片的物理尺寸和位号;
S3、待测PCB板(7)上待测芯片选择:有下面两种选择方法:
其一、自动选择方法:当待测PCB板(7)上芯片热仿真温度数据超过设置的温度门限时,获取该芯片的位号,再从PCB数据文件中索引出该芯片的中心坐标作为被测点(X,Y);
其二、手动选择方法:当待测PCB板(7)上芯片热仿真温度数据未超过设置的温度门限时,手动选择某些待散热芯片,再从PCB数据文件中索引出该芯片的中心坐标作为被测点(X,Y);
S4、待测芯片相对坐标数据提取:
当,待测芯片的物理尺寸未超过设置的门限值,该芯片的中心坐标作为被测点(X,Y),传递给PLC控制器(4);
当,待测芯片的物理尺寸超过设置的门限值,根据芯片实际散热接触面大小计算出相对中心位置的4个角坐标作为被测点;选取待测PCB板(7)上自带的多个板卡Mark点(71)中的任意一个作为参考(Xref,Yref),通过坐标平移法计算出所有被测点相对该参考点的坐标值(delX,delY),传递给PLC控制器;
delX = X–Xref;
delY = Y-Yref;
S5、调整基座并测试基座高度:基座水平放置,将基座的调整到适合待测PCB板(7)放置的位置,CCD相机捕获图片传给上位机(9),上位机(9)计算出基座上所有基座Mark点(11)的坐标数据(Xa,Ya),将坐标数据传递给PLC控制器(4);通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪(2)逐个移动到所有基座Mark点(11)的正上方分别测出高度数据再传递给上位机(9),上位机(9)判读这些数据间的最大差值,如果小于预置的高度门限值,则认为轨道平整度没问题,否则需要检查调整基座;
S6、基座调平后,待测PCB板(7)放置在基座上;
S7、CCD相机(3)扫描待测PCB板(7)上的所有板卡Mark点(71),激光测距仪(2)测量待测PCB板(7)上所有板卡Mark点(71)高度:
CCD相机(3)捕获图片传给上位机(9),上位机(9)计算出待测PCB板(7)上的所有板卡Mark点(71)坐标,将坐标数据传给PLC控制器(4),通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪(2)逐个移动到所有板卡Mark点(71)的正上方分别测出高度数据再传递给上位机(9),上位机(9)通过判读这些数据间的差值来判断待测PCB板(7)的翘曲度;
S8、激光测距仪(2)测量待测PCB板(7)上指定芯片的指定被测点高度:通过PLC控制工字滑轨上的激光测距仪(2)逐个移动到待测芯片的指定被测点捕获高度数据h,并传递给上位机(9),上位机(9)通过指定被测点的高度数据h与待测PCB板(7)上所有板卡Mark点(71)高度均值之间的差,得到被测芯片的实际贴装后高度。
2.根据权利要求1所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:工字滑轨由三条滑轨构成“工”字型,每条滑轨上均设置伺服电机,三台伺服电机均电连接PLC控制器(4)且分别受PLC控制器(4)的控制;设定工字滑轨内两条平行的滑轨为Y向滑轨(5),另一条为X向滑轨(6),激光测距仪(2)悬于X向滑轨(6)上。
3.根据权利要求2所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:两根直板(1)的长度方向对应于工字滑轨内的Y向滑轨(5),且两根直板(1)之间的垂直距离可调。
4.根据权利要求3所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:激光测距仪(2)与基座之间的垂直距离不超过25cm,且激光测距仪(2)与基座之间的垂直距离不小于15cm;CCD相机(3)与基座之间的垂直距离不大于50cm。
5.根据权利要求4所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:测量装置还包括装置架(8),装置架(8)由多根角钢焊接构成的矩形框架,基座处于矩形框架的底端,CCD相机(3)悬于矩形框架的顶端。
6.根据权利要求1所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:S1的具体方法如下:测量装置组装好,CCD相机(3)拍摄基座初始图像,并将基座初始图像送入上位机(9),上位机(9)内存储基座初始图像内的所有基座Mark点(11)的X轴Y轴坐标信息。
7.根据权利要求1或6所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:在S1和S6的步骤内,激光测距仪(2)运动到边缘位置。
8.根据权利要求7所述的一种贴装芯片高度自动测量装置,其特征在于:上位机(9)内装有数据库和二维码识别软件,在待测PCB板(7)上都印有二维码;二维码识别后启动高度数据测量。
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