CN1973589B - 电子电路板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在电子电路板上沉积焊粉的方法，包括以下步骤：使基底的暴露金属表面具有粘性，并在液体中在所得粘性部位沉积焊粉。该方法可以进一步包括以下步骤：加热基底，由此熔化焊粉，并形成焊接电路。

Description

电子电路板的制造方法
相关申请的交叉引用：
本申请是根据35U.S.C.§111(a)提交的申请，其根据35U.S.C.§119(e)(1)要求根据35U.S.C.§111(b)在2004年5月21日提交的临时申请60/572,946和在2004年5月10日提交的日本专利申请2004-139394的提交日权益。
技术领域：
本发明涉及电子电路板的制造方法。更特别地，本发明涉及在电子电路板(特别是印刷线路板)上的精细导电电路电极表面上形成焊层的方法。
背景技术：
近年来，已经开发出在绝缘基底(例如塑料基底、陶瓷基底或塑料涂覆的金属基底)上形成有电路图的印刷线路板。已经广泛采用通过在电路图上焊接电子元件(例如IC元件、半导体芯片、电阻器和电容器)来构造电子电路的方法。
在这种情况下，为了在电路图的规定部位粘合电子元件的引线端子，通常遵循包含下列步骤的程序：预先在基底上的导电电路电极表面上形成焊料薄层，在其上印刷焊膏或熔剂，在其上定位并装载电子元件，然后单独使焊料薄层回熔(reflowing)或使焊料薄层与焊膏一起回熔，由此通过焊接粘合该层。
近来，电子电路板需要满足细距趋势以使电子产品小型化。已经开始在电子电路板上大量安装细距部件，例如，各具有0.3毫米间距的QFP(四方扁平封装)型和CSP(芯片尺寸封装)的LSI，和具有0.15毫米间距的FC(倒装片)。电子电路板因此需要具有与细距相适应的精细焊接电路图。
在印刷线路板上用焊料膜形成焊接电路是通过电镀法、热风整平机(HAL)法、或包括印刷焊粉糊的步骤和将印刷糊回熔的步骤的方法实现的。通过电镀技术制造焊接电路的方法在增加焊层厚度方面出现困难，且HAL法和借助于焊膏印刷的方法在应对细距图形方面遇到困难。
作为不需要对准电路图之类的麻烦操作的形成焊接电路的方法，已经公开了下述方法——其包括使产生粘性的化合物与印刷线路板的导电电路电极的表面反应，由此使表面具有粘性，在由此形成的粘性部位沉积焊粉，然后加热印刷线路板，由此熔化焊料并形成焊接电路(参看，例如，JP-AHEI 7-7244)。
通过JP-A HEI 7-7244公开的方法，可以通过简单操作形成精细焊接电路图并提供高度可靠的电路图。由于该方法进行焊粉在电路板上的干沉积，其引起如下问题——使粉末静电沉积在无关部位上，引起粉末随意移动，干扰电路板的细间距并阻碍粉末充分利用。特别是在所用焊粉具有非常细的尺寸时，显著产生这些问题。
本发明旨在解决这些问题，和在如JP-A HEI 7-7244中所公开的方法(其包括使产生粘性的化合物与印刷线路板的导电电路电极的表面反应，由此使表面具有粘性，在由此形成的粘性部位沉积焊粉，然后加热印刷线路板，由此熔化焊料并形成焊接电路)中的问题，旨在提供能够实现更精细的电路图的电子电路板、带有非常精细电路图并具有高可靠性的电子电路板、安装有电子元件并能够实现高可靠性和高安装密度的电路板的制造方法。
发明内容
本发明人为解决上述问题进行刻苦的研究，并因此完成本发明。
本发明的第一方面提供了在电子电路板上沉积焊粉的方法，包括以下步骤：使基底的暴露金属表面具有粘性，并在液体中在所得粘性部位沉积焊粉。
本发明的第二方面提供了制造电子电路板的方法，包括以下步骤：使基底的暴露金属表面具有粘性，在液体中在所得粘性部位沉积焊粉，加热基底，由此使焊粉熔融，并形成焊接电路。
本发明的第三方面提供了根据第一或第二方面的方法，其中在液体中沉积焊粉的步骤是通过将印刷线路板浸在分散有焊粉的液体中而进行的。
本发明的第四方面提供了根据第一至第三任一方面的方法，其中用于焊粉沉积的液体是水。
本发明的第五方面提供了根据第一至第四任一方面的方法，其中用于焊粉沉积的液体中包含防锈剂。
本发明的第六方面提供了根据第一至第五任一方面的方法，其中焊粉具有被赋予了防氧化被覆的表面。
本发明的第七方面提供了根据第一至第六任一方面的方法，其中在液体中在基底上沉积焊粉的过程中对基底施加振动。
本发明的第八方面提供了根据第七方面的方法，其中所述振动是低频振动。
本发明的第九方面提供了根据第一至第八任一方面的方法，其中在液体中沉积焊粉的过程中，液体中的焊粉具有0.5至50表观体积％的浓度。
本发明的第十方面提供了根据第六至第九任一方面的方法，其中焊粉的被覆是用苯并噻唑衍生物、以含有4至10个碳原子的烷基为侧链的胺、硫脲、硅烷偶联剂、铅、锡、金、无机酸盐或有机酸盐实现的。
本发明的第十一方面提供了根据第十方面的方法，其中所述有机酸盐是选自由月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸组成的组的至少一种。
本发明的第十二方面提供了通过根据第一至第十一任一方面的电子电路板制造方法制成的电子电路板。
本发明的第十三方面提供了安装电子元件的方法，包括在根据第十二方面的电子电路板上装载电子元件的步骤和将焊粉回熔由此粘合电子元件的步骤。
本发明的第十四方面提供了电子电路板，其上安装了通过根据第十三方面的安装电子元件的方法制成的电子元件。
通过本发明的制造电子电路板的方法，可以用简单操作形成精细焊接电路图。该方法特别产生了即使在非常精细的电路图中也减少由相邻电路图之间的焊料金属引起的短路的效果，并显著提高电子电路板的可靠性。此外，通过本发明的制造电子电路板的方法，可以实现其上装有电子元件的电路板的小型化和高可靠性的提高，并提供具有突出特性的电子器件。
本发明的最佳实施方案
构成本发明对象的印刷线路板包括塑料基底、塑料膜基底、玻璃布基底、纸基环氧树脂基底、含有叠置在陶瓷基底上的金属片的基底、在用塑料或陶瓷涂覆金属基体制成的绝缘基底上具有用导电物质(例如金属)形成的电路图的单面印刷线路板、双面印刷线路板、多层印刷线路板和柔性印刷线路板。
本发明采用下述方法：其包括使产生粘性的化合物与印刷线路板的导电电路电极的表面反应，由此使表面具有粘性，在由此形成的粘性部位沉积焊粉，然后加热印刷线路板，由此熔化焊料，并形成焊接电路。
作为用于形成电路的导电材料，在多数情况下使用铜。本发明不必将导电物质限于铜，而是可以采用能够通过产生粘性的物质(下文将具体描述)在其表面上产生粘性的任何导电物质。作为这种物质的具体例子，可以是含有Ni、Sn、Ni-Al、焊料合金等等的物质。
作为本发明中优选使用的产生粘性的化合物，可以列举萘并三唑衍生物、苯并三唑衍生物、咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、巯基苯并噻唑衍生物和苯并噻唑硫基脂肪酸。尽管这些产生粘性的化合物特别在铜上表现出强作用，但它们能够使其它导电物质具有粘性。
苯并三唑衍生物由通式(1)表示。
Figure A20058001872500081
在本发明中，通式(1)中的R1至R4独立地表示氢原子、含有1至16个、优选5至16个碳原子的烷基、烷氧基、F、Br、Cl、I、氰基、氨基或OH基。
这些化合物，作为通式(1)所示的苯并三唑衍生物，其粘性在强度上通常随着R1至R4碳原子数的提高而相应地提高。
这些萘并三唑衍生物由通式(2)表示。
在本发明中，通式(2)中的R5至R10独立地表示氢原子、含有1至16个、优选5至16个碳原子的烷基、烷氧基、F、Br、Cl、I、氰基、氨基或OH基。
咪唑衍生物由通式(3)表示。
Figure A20058001872500083
在本发明中，通式(3)中的R11和R12独立地表示氢、含有1至16个、优选5至16个碳原子的烷基、烷氧基、F、Br、Cl、I、氰基、氨基或OH基。
苯并咪唑衍生物由通式(4)表示。
Figure A20058001872500091
在本发明中，通式(4)中的R13至R17独立地表示氢原子、含有1至16个、优选5至16个碳原子的烷基、烷氧基、F、Br、Cl、I、氰基、氨基或OH基。
通式(3)和通式(4)所示的咪唑衍生物和苯并咪唑衍生物的粘性在强度上同样通常随着R11至R17碳原子数的提高而相应地提高。
巯基苯并噻唑衍生物表示为通式(5)。
在本发明中，通式(5)中的R18至R21独立地表示氢原子、含有1至16个、优选5至16个碳原子的烷基、烷氧基、F、Br、Cl、I、氰基、氨基或OH基。
苯并噻唑硫基脂肪酸衍生物表示为通式(6)。
Figure A20058001872500101
在本发明中，通式(6)中的R22至R26独立地表示氢原子、含有1至16个、优选5至16个碳原子的烷基、烷氧基、F、Br、Cl、I、氰基、氨基或OH基。
在通式(6)所示的苯并噻唑硫基脂肪酸衍生物中，R22至R26优选具有碳原子数1或2。
在本发明中，为了使印刷线路板上的导电电路电极的表面具有粘性，将至少一种上述产生粘性的化合物溶于水或酸性水中，并在使用之前，调节至略酸性状态，优选调节至pH3至4。作为用于调节pH值的物质的具体例子，当导电物质是金属时，可以列举无机酸，例如盐酸、硫酸、硝酸和磷酸。作为有机酸的具体例子，可以列举甲酸、乙酸、丙酸、苹果酸、草酸、丙二酸、丁二酸和酒石酸。尽管对产生粘性的化合物的浓度没有硬性限制，但适当地调节以适应使用状况，优选使用占整个溶液的0.05质量％至20质量％的浓度。如果浓度没有达到该范围的下限，这种不足的不利之处在于阻碍完全令人满意地形成粘性膜。
略高于室温的处理温度在粘性膜的形成速度和形成量方面相当有利。尽管对其没有限制，而是如同产生粘性的化合物的浓度和相关金属的类型那样可以改变，但30℃至60℃的大致范围通常是合适的。对浸渍时间没有限制，但从操作效率的角度看，优选如通过调节其它条件那样使其落在5秒至5分钟的大致范围内。
顺便提及，在这种情况下，在溶液中作为离子以100至1000ppm的量存在的铜(单价或二价)的有利之处在于在形成速度和形成量方面提高了粘性膜的成形效率。
当以下述状态预先制备印刷线路板时——使得不需要焊接的导电电路部位被抗蚀剂覆盖且仅暴露出电路图的导电电路的电极部位(在基底上的暴露出的金属表面)，宜使用产生粘性的化合物溶液处理印刷线路板。
此时，通过将印刷线路板浸在如上所述所用的产生粘性的化合物溶液中或用该溶液涂覆线路板，可以使导电电路的表面具有粘性。
本发明的特征在于，在液体中在具有粘性的电子线路板上进行焊粉沉积。通过在液体中进行焊粉沉积，可以防止焊粉静电沉积在缺乏粘性的部位并防止焊粉静电絮凝，并且能够形成细距电路板和使用细碎的焊粉。
本发明优选通过将印刷线路板浸在分散有焊粉的溶液中以实现液体中的焊粉沉积。在焊粉沉积过程中，宜对其中分散有焊粉的溶液施加优选0.1Hz至数kHz的振动，特别优选低频振动。在液体中沉积焊粉的过程中，溶液中的焊粉浓度优选为0.5至10表观体积％，更优选3至8表观体积％。
本发明优选使用水作为用于沉积焊粉的液体。还优选在液体中添加防锈剂，以防止固体粉末被液体中溶解的氧氧化。
本发明优选用防止焊粉氧化的物质涂覆焊粉表面。焊粉的涂覆剂包括苯并噻唑衍生物、以含有4至10个碳原子的烷基为侧链的胺、硫脲、硅烷偶联剂、铅、锡、金、无机酸盐和有机酸盐。优选地，使用选自由上述涂覆剂组成的组的至少一种进行涂覆。作为有机酸盐，优选使用选自由月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸组成的组的至少一种。
本发明的处理方法不仅可以有效地用于上述焊料预涂电路板，还可用于形成BGA连接用的焊块。其自然包含在本发明的电子电路板中。
作为本发明电子电路制造方法中使用的焊粉的金属组成，可以列举Sn-Pb-基、Sn-Pb-Ag-基、Sn-Pb-Bi-基、Sn-Pb-Ag-基和Sn-Cd-基合金。从近来从工业废物中排除Pb的通行观点看，不含Pb的Sn-In-基、Sn-Bi-基、In-Ag-基、In-Bi-基、Sn-Zn-基、Sn-Ag-基、Sn-Cu-基、Sn-Sb-基、Sn-Au-基、Sn-Bi-Ag-Cu-基、Sn-Ge-基、Sn-Bi-Cu-基、Sn-Cu-Ag-基、Sn-Ag-Zn-基、Sn-Cu-Ag-基、Sn-Bi-Sb-基、Sn-Bi-Sb-Zn-基、Sn-Bi-Cu-Zn-基、Sn-Ag-Sb-基、Sn-Ag-Sb-Zn-基、Sn-Ag-Cu-Zn-基和Sn-Zn-Bi-基合金证实是有利的。
作为上述金属组成的具体例子，可以列举由63质量％Sn和37质量％Pb(下文表示为“63Sn-37Pb”)作为中心、62Sn-36Pb-2Ag、62.6Sn-37Pb-0.4Ag、60Sn-40Pb、50Sn-50Pb、30Sn-70Pb、25Sn-75Pb、10Sn-88Pb-2Ag、46Sn-8Bi-46Pb、57Sn-3Bi-40Pb、42Sn-42Pb-14Bi-2Ag、45Sn-40Pb-15Bi、50Sn-32Pb-18Cd、48Sn-52In、43Sn-57Bi、97In-3Ag、58Sn-42In、95In-5Bi、60Sn-40Bi、91Sn-9Zn、96.5Sn-3.5Ag、99.3Sn-0.7Cu、95Sn-5Sb、20Sn-80Au、90Sn-10Ag、90Sn-7.5Bi-2Ag-0.5Cu、97Sn-3Cu、99Sn-1Ge、92Sn-7.5Bi-0.5Cu、97Sn-2Cu-0.8Sb-0.2Ag、95.5Sn-3.5Ag-1Zn、95.5Sn-4Cu-0.5Ag、52Sn-45Bi-3Sb、51Sn-45Bi-3Sb-1Zn、85Sn-10Bi-5Sb、84Sn-10Bi-5Sb-1Zn、88.2Sn-10Bi-0.8Cu-1Zn、89Sn-4Ag-7Sb、88Sn-4Ag-7Sb-1Zn、98Sn-1Ag-1Sb、97Sn-1Ag-1Sb-1Zn、91.2Sn-2Ag-0.8Cu-6Zn、89Sn-8Zn-3Bi、86Sn-8Zn-6Bi和89.1Sn-2Ag-0.9Cu-8Zn构成的共晶焊料。本发明中使用的焊粉可以是两种或多种组成不同的焊粉的混合物。
当使用选自无Pb焊料的(在上列其它焊粉中，特别优选选自含Sn和Zn、或Sn、Zn和Bi的焊料)的合金组合物制造本发明的电子电路板时，可以延长其上安装的部件的使用寿命和实现部件的多样化，因为其可以将回熔温度降至与Sn-Pb基焊料相同的程度。
对于焊粉的粒径，日本工业标准(JIS)规定，通过筛分机得出的粉末直径必须在53至22微米、45至22微米和38至22微米等等的范围内。为了测定本发明的焊粉的平均粒径，通常使用如JIS所规定的借助于使用标准筛和天平的方法。或者通过用显微镜进行的图像分析或用煤焦油计数器进行的电区(electrozone)法进行测定。在“Manual of PowderTechnology”(Particle Technology Society编，第2版，第19-20页)中描述了煤焦油计数器的操作原理。这种计数器如下测定给定粉末的粉末直径分布：使其中分散有粉末的溶液通过隔膜中形成的细孔，并测量孔的相对侧上的电阻变化。能够以令人满意的再现性测定各种粒子的比率。
通过包括将电子元件装载在适当位置的步骤和使焊料回熔由此粘合电子元件的步骤的程序，由本发明制成的电子电路板可以有利地用于安装电子元件的方法中。可以如下将电子元件粘合到通过本发明制成的电子电路板上：例如，通过印刷技术在预计要粘合电子元件的基底部位施加焊膏，在该部位装载电子元件，然后加热电子元件由此熔化焊膏中的焊粉，并使熔融焊粉固化。
作为将通过本发明的方法获得的电子电路板与电子元件粘合的方法(安装方法)，可以使用表面安装技术(SMT)。这种安装方法首先通过印刷技术将焊膏施加到电子电路板，例如电路图的必须部位上。然后，将电子元件，例如芯片部件或QFP，装载在焊膏涂层上，并使用回熔热源集体粘合相关部件。作为回熔热源，可以使用热风炉、红外炉、蒸汽冷凝焊接装置和光束焊接装置。
本发明的回熔方法可因焊料合金组合物的类型而改变。在是Sn-Zn基组合物的情况下，例如91Sn-9Zn、89Sn-8Zn-3Bi和86Sn-8Zn-6Bi，回熔操作优选通过预热和回熔的两段法进行。对于该方法的条件，预热温度为130至180℃，优选130至150℃，预热时间为60至120秒，优选60至90秒，回熔温度为210至230℃，且优选210至220℃，且回熔时间为30至60秒，且优选为30至40秒。在其它合金体系中，回熔温度可以为20至50℃且优选20至30℃分别加上所用合金的熔点，其它预热温度、预热时间和回熔时间可以在如上所述的相同范围内。
上述回熔法可以在氮气氛或敞开空气中进行。在氮气中进行回熔操作的情况下，可以将氧浓度设定为低于5表观体积％，优选低于0.5表观体积％，以提高焊料润湿焊接电路、抑制焊料孔出现和使处理稳定化的能力。
然后，将电子电路板冷却以完成表面安装操作。在制造其上粘合了电子元件的产品的方法中，可以在印刷线路板两面上均进行粘合电子元件的操作。本发明的安装电子元件的方法中可用的电子元件包括但不限于LSI、电阻器、电容器、变压器、电感、滤波器、辐射体、振荡器等。
现在，下面参照实施例解释本发明。应该指出，本发明不限于这些实施例。
实施例1：
制造具有50微米的最小电极间距的印刷线路板。作为产生粘性的化合物溶液，使用符合通式(3)(其中R11为氢原子，R12为C11H13的烷基)的基于咪唑的化合物的2质量％水溶液，用乙酸调节至大约4的pH值。将该水溶液加热至40℃，并将用盐酸水溶液预处理的前述印刷线路板浸在加热过的水溶液中，结果是在铜电路表面上形成粘性物质。
然后，在通过使平均粒径为大约20微米的96.5Sn-3.5Ag焊粉以10表观体积％的浓度分散在水中而获得的溶液中，将印刷线路板浸渍30秒。此后，将印刷线路板从溶液中取出，用纯净水轻轻洗涤并干燥。
将印刷线路板置于保持240℃的烘箱中以熔化焊粉，并导致在铜电路的暴露部位上形成厚度约为20微米的96.5Sn-3.5Ag焊料薄层。使用microstruck测定焊粉的平均粒径。制成的焊接电路完全没有异常现象，例如桥接。
作为在电子线路板上安装电子元件的方法，使用粘性熔剂进行表面安装操作。使用聚合松香和歧化松香，并在其中加入氢化蓖麻油作为触变剂，并加入丙二醇单苯醚作为溶剂，由此制备粘性熔剂。通过以100微米的厚度印刷来施用熔剂，并将裸芯片(高大约100微米的Au直立块(standbump))安装在熔剂层上，并用回熔热源将它们一起加热以进行焊接。在回熔法中，预热温度设为150℃，预热时间为60秒，且回熔最高温度为230℃。
当目测由回熔法制成的安装有电子元件的电路板时，发现其是理想安装板，没有表现出缺陷粘合迹象。
实施例2和对比例1：
按照实施例1的程序进行实验，同时在表1所示的条件下形成焊料块。这些实验的结果显示在表1中。
                                         表1
在敞开空气中进行焊粉沉积的传统方法(对比例1)中，粉末沉积导致在绝缘部位上残留大量粉末，且回熔操作会产生可看出的“桥接”迹象。
通过在沉积法中加入低频振动，可以导致粉末在电极部位的紧密沉积。
实施例3和对比例2：
制备带有以环形形成的含固体抗蚀剂的电极的电路板，作为形成焊料块的样品，并按照实施例1的程序同时使用如下表所示的其它条件进行处理。结果显示在表2中。
                                      表2
实施例4至6：
按照实施例1的程序同时使用如图3所示的其它条件进行形成焊料块的实验。结果显示在表3中。
                                     表3
Figure G05818725220061212D000131
工业应用性：
在如下制造电子电路板的方法中——通过使基底的金属暴露部位具有粘性，在所得粘性部位上沉积焊粉，然后加热印刷线路板由此熔化焊料，并导致形成焊接电路，本发明成功地取得了以下效果：抑制了由相邻电路图之间的焊接金属引起的短路(即使在非常精细的电路图中)，能够制造具有显著提高的可靠性的电子电路板。因此，本发明能够实现其上装有具有精细电路图并享有高可靠性的电子元件的电路板的小型化和高可靠性，并提供电子电路板、其上装有能够实现高可靠性和高安装密度的电子元件的电路板、和具有优异特性的电子器件。

Claims (19)

1.在电子电路板上沉积焊粉的方法，包括以下步骤：使基底的暴露金属表面具有粘性，并将基底浸在分散有焊粉的液体中，从而在液体中在所得粘性部位沉积焊粉。
2.根据权利要求1的方法，其中用于焊粉沉积的液体是水。
3.根据权利要求1或2的方法，其中用于焊粉沉积的液体中包含防锈剂。
4.根据权利要求1或2的方法，其中焊粉具有被赋予了防氧化被覆的表面。
5.根据权利要求1或2的方法，其中在液体中在基底上沉积焊粉的过程中对基底施加振动。
6.根据权利要求1或2的方法，其中在液体中沉积焊粉的过程中，液体中的焊粉具有0.5至50表观体积％的浓度。
7.根据权利要求4的方法，其中焊粉的被覆是用苯并噻唑衍生物、以含有4至10个碳原子的烷基为侧链的胺、硫脲、硅烷偶联剂、铅、锡、金、无机酸盐或有机酸盐实现的。
8.根据权利要求7的方法，其中所述有机酸盐是选自由月桂酸盐、肉豆蔻酸盐、棕榈酸盐和硬脂酸盐组成的组的至少一种。
9.制造电子电路板的方法，包括以下步骤：使基底的暴露金属表面具有粘性，将基底浸在分散有焊粉的液体中，从而在液体中在所得粘性部位沉积焊粉，加热基底，由此使焊粉熔融，并形成焊接电路。
10.根据权利要求9的方法，其中用于焊粉沉积的液体是水。
11.根据权利要求9或10的方法，其中用于焊粉沉积的液体中包含防锈剂。
12.根据权利要求9或10的方法，其中焊粉具有被赋予了防氧化被覆的表面。
13.根据权利要求9或10的方法，其中在液体中在基底上沉积焊粉的过程中对基底施加振动。
14.根据权利要求9或10的方法，其中在液体中沉积焊粉的过程中，液体中的焊粉具有0.5至50表观体积％的浓度。
15.根据权利要求12的方法，其中焊粉的被覆是用苯并噻唑衍生物、以含有4至10个碳原子的烷基为侧链的胺、硫脲、硅烷偶联剂、铅、锡、金、无机酸盐或有机酸盐实现的。
16.根据权利要求15的方法，其中所述有机酸盐是选自由月桂酸盐、肉豆蔻酸盐、棕榈酸盐和硬脂酸盐组成的组的至少一种。
17.通过根据权利要求9至16任一项的电子电路板制造方法制成的电子电路板。
18.安装电子元件的方法，包括在根据权利要求17的电子电路板上装载电子元件的步骤和将焊粉回熔从而粘合电子元件的步骤。
19.电子电路板，其上安装了通过根据权利要求18的安装电子元件的方法制成的电子元件。
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