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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung elektrisch leitender Durchkontaktierungen in keramischen Schaltungsträgern, wie z. B. Leiterplatten. Solche Leiterplatten werden üblicherweise als Träger für elektronische und elektrische Elemente eingesetzt, die insbesondere in der Leistungselektronik genutzt werden. Sie können mit dem DCB-(Direct Copper Bonded), AMB-(Active Metal Brazing) oder DAB-Verfahren (Direct Aluminium Bonded) hergestellt werden.
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Solche Leiterplatten bestehen aus einem plattenförmigen keramischem Substrat, das an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit elektrisch leitenden metallischen Schichten versehen ist. Mit den metallischen Schichten können elektrische Leiterbahnen von, zu und zwischen elektronischen oder elektrischen Elementen ausgebildet werden. Hierfür wird ein Oberflächenstrukturierungsverfahren genutzt, mit dem ein lokal definierter Abtrag des metallischen Werkstoffs erreicht werden kann. Ein anderes Verfahren ist das Aufbringen bereits vorstrukturierter (z. B. gestanzter) Metalllagen. Eine weitere Alternative stellt das Sieb- oder Schablonendrucken von Kupferpasten auf die Keramik dar.
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Dabei ist auch die Ausbildung elektrisch leitender Durchkontaktierungen, die auch als Vias bezeichnet werden, erforderlich. Als Halbzeuge werden üblicherweise keramische Substrate, die an den zwei gegenüberliegend angeordneten Oberflächen jeweils mit Metall beschichtet sind, eingesetzt. Die metallischen Schichten sind dabei beispielsweise als dünne Schicht in Form einer Folie ausgebildet und auf den Oberflächen fixiert. Das keramische Substrat ist üblicherweise aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid sowie Mischformen (z. B. Al2O3 mit ZrO2) und die metallischen Schichten sind aus Kupfer, Silber oder Aluminium gebildet.
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Bei der Ausbildung von Durchkontaktierungen werden keramische Substrate eingesetzt, in denen an Positionen an denen Durchkontaktierungen ausgebildet werden sollen, bereits Durchbrechungen im keramischen Substrat ausgebildet worden sind, eingesetzt. Diese Durchbrechungen oder Bohrungen sind dann vom Metall, mit dem die metallischen Schichten gebildet sind, überdeckt. Durch verschiedene Möglichkeiten, können die Durchkontaktierungen dann ausgebildet werden. So ist es aus
DE 199 45 794 C2 bekannt, den Werkstoff einer der beiden metallischen Schichten so zu verformen, dass er in eine Durchbrechung hinein und durch diese hindurch bis zur an der gegenüberliegenden Oberfläche vorhandenen metallischen Schicht so verformt wird, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden metallischen Schichten erreicht und eine elektrisch leitende Durchkontaktierung ausgebildet worden ist.
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Die bekannten technischen Lösungen haben den Nachteil, dass für eine bestimmte Leiterplatte entsprechend der letztendlichen Applikation ein dazu passendes Halbzeug eingesetzt werden muss, bei dem die für die Ausbildung von Durchkontaktierungen erforderlichen Durchbrechungen durch das keramische Substrat bereits ausgebildet worden sind. Es sind also vom Hersteller unterschiedlich konfigurierte Halbzeuge zur Verfügung zu stellen, was die Herstellungskosten und den logistischen Aufwand natürlich erhöht. Außerdem ist bei der Herstellung der Durchkontaktierungen eine erforderliche erhöhte Positioniergenauigkeit nachteilig, da die Verformung oder Entfernung von metallischem Werkstoff einer metallischen Schicht oberhalb einer Durchbrechung im keramischen Substrat, die aber mit dem metallischen Schichtwerkstoff überdeckt ist, erfolgen muss.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine flexiblere und kostengünstigere Herstellung von Leiterplatten für verschiedene jeweilige Anwendungsfälle anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 nutzt, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausbildung elektrisch leitender Durchkontaktierungen in Leiterplatten, die mit einem keramischen plattenförmigen Substrat, das an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit metallischen Schichten beschichtet ist, gebildet sind, wird zur Ausbildung mindestens einer Durchkontaktierung ein erster Laserstrahl auf eine Oberfläche einer Leiterplatte gerichtet. Dadurch wird ausgehend von dieser Oberfläche ein Abtrag des keramischen Werkstoffs des Substrats soweit erreicht, dass die an der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats vorhandene metallische Schicht frei gelegt und durch das Substrat eine Durchbrechung bis zur frei gelegten metallischen Schicht ausgebildet wird.
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Außerdem wird mit mindestens einem der nachfolgenden Verfahrensschritte (i) bis (iv) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer Oberfläche der Leiterplatte und der dieser am Substrat gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet.
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Zur optischen Kontrolle einer fertigen Durchkontaktierung kann mit dem erfindungsgemäßen Bohrprozess der komplette Schichtstapel des Substrats durch den Laserstrahl durchbrochen werden. Alternativ kann das Metall ein- oder beidseitig bereits durch Strukturierungsmaßnahmen nach dem Stand der Technik durchgeführt werden, so dass vom Laserstrahl nur der verbleibende Stapel durchbohrt wird. Nach der Prozessierung der Durchkontaktierung ist die durchkontaktierte Stelle von beiden Seiten optisch zugänglich. Das Vorhandensein des elektrisch leitfähigen Materials der Durchkontaktierung, insbesondere die Qualität der Verbindung, kann entsprechend überprüft werden.
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Beim Verfahrensschritt (i) erfolgt eine plastische Verformung der mittels Laserstrahlung frei gelegten metallischen Schicht bis eine elektrisch leitende Verbindung bis zur an der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats vorhandenen metallischen Schicht erreicht worden ist.
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Beim Verfahrensschritt (ii) erfolgt ein thermisches Auf-, Anschmelzen oder Verdampfen von metallischem Werkstoff der frei gelegten metallischen Schicht, so dass eine Beschichtung der aus keramischem Werkstoff gebildeten Innenwand, in der durch den Werkstoffabtrag ausgebildeten Durchbrechung durch das plattenförmige Substrat, mit metallischem Werkstoff der frei gelegten metallischen Schicht erreicht wird. Dies kann bevorzugt mit der Energie des ersten Laserstrahls erreicht werden, der besonders bevorzugt vertikal von unten auf den keramischen Werkstoff des Substrats gerichtet wird, so dass die Beschichtung der Innenwand oder die Füllung der im Substrat ausgebildeten Durchbrechung durch Gravitationskräfte unterstützt wird, wenn der metallische Werkstoff der frei gelegten Schicht in die fließfähige zähe oder flüssige Phase überführt worden ist.
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Wird metallischer Werkstoff verdampft, kann er infolge von Kondensation an der Innenwand einer jeweiligen Durchbrechung eine elektrisch leitende Beschichtung bilden.
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Beim Verfahrensschritt (iii) erfolgt das Einbringen eines elektrisch leitenden Werkstoffs in die im Substrat mittels der Laserstrahlung ausgebildete Durchbrechung. Dies kann bevorzugt ein Lot sein. Ein Lot kann vorteilhaft durch wirkende Kapillarkräfte beim Eintauchen oder Auflegen der Leiterplatte in oder auf ein Bad aus flüssigem Lot in die Durchbrechung des Substrats eingebracht werden. Das Lot kann dabei die Innenwand der jeweiligen im Substrat ausgebildeten Durchbrechung benetzen.
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Das Lot kann auch als vorgefertigtes Halbzeug (sog. Preform) eingebracht werden oder in Pastenform appliziert werden.
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Anstelle eines Lotes kann aber auch ein anderer elektrisch leitender Werkstoff, beispielsweise ein elektrisch leitendes Polymer, insbesondere eine elektrisch leitende Partikel enthaltende Paste in die jeweilige Durchbrechung eingebracht und ggf. anschließend eine thermische Behandlung oder eine Aushärtung durchgeführt werden. Solche Pasten sind beispielsweise Sinter-, Dickschichtpasten oder elektrisch leitfähige Klebstoffe.
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In bevorzugter Form kann die elektrisch leitende Verbindung der Durchkontaktierung mit dem gleichen Material, das auch beim Fügen der Bauelemente auf das Substrat eingesetzt wird, und im gleichen Prozessschritt hergestellt werden.
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Beim Verfahrensschritt (iv) wird eine Umwandlung des keramischen Werkstoffs des mindestens einen Substrats mittels der Energie des ersten Laserstrahls erreicht. Dies sollte zumindest im Bereich der Innenwand der jeweils mit dem ersten Laserstrahl im Substrat ausgebildeten Durchbrechung erreicht werden. Dabei kann als Substratwerkstoff bevorzugt Aluminiumnitrit (AlN) eingesetzt werden, der sich in Aluminium umwandeln lässt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist bis hierher so beschrieben, dass es an einer Leiterplatte, die mit lediglich einem plattenförmigen Substrat und zwei metallischen Schichten gebildet ist, durchgeführt werden soll und kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, mehrlagige Leiterplatten, die mit mehreren plattenförmigen Substraten, die wiederum an zwei gegenüberliegenden Oberflächen oder nur an einer Oberfläche mit einer metallischen Schicht versehen sind, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bearbeiten.
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In jedem Fall kann ein erster und ggf. ein zweiter Laserstrahl von einer Oberfläche der jeweiligen Leiterplatte aber auch den zwei gegenüberliegend angeordneten äußeren Oberflächen auf die Leiterplatte gerichtet werden, um die Durchbrechung(en) für eine oder mehrere Durchkontaktierung(en) durch Werkstoffabtrag ausbilden zu können.
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Es soll nochmals zum Ausdruck gebracht werden, dass mindestens einer der erläuterten Verfahrensschritte (i) bis (iv) durchgeführt wird.
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Die plastische Verformung im Verfahrensschritt (i) kann durch Einführen eines Dornes in eine vorab ausgebildete Durchbrechung ausgehend von der Oberfläche, an der noch eine geschlossene metallische Schicht, die von der gegenüberliegenden Oberfläche mit der Ausbildung der Durchbrechung durch das Substrat frei gelegt worden ist, erreicht werden. Ebenso kann die Wirkung von hydraulisch oder pneumatisch erreichten Druckunterschieden zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats erreicht werden. Die plastische Verformung kann so weit geführt werden, so dass die noch geschlossene Metallschicht durchbrochen wird. Die geschlossene Metallschicht kann vorab durch Laserstrahlen oder sonstige bereits beschriebene Prozessschritte definiert geöffnet sein, um eine definierte plastische Verformung zu erreichen. Dazu kann eine kleinformatige Durchbrechung in der Metallschicht ausgebildet werden.
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Es kann bevorzugt ein Substrat eingesetzt werden, bei dem an einer Oberfläche eine metallische Schicht vorhanden ist, in der lokal definiert mindestens eine Durchbrechung, Aussparung oder ein Bereich, in dem die metallische Schicht eine reduzierte Schichtdicke, an jeweils einer Position, die für die Ausbildung mindestens einer Durchkontaktierung vorgesehen ist, ausgebildet ist. Solche Halbzeuge können sehr einfach hergestellt werden und entsprechen dem Stand der Technik. Es muss lediglich eine entsprechend ausgebildete metallische Schicht an der entsprechenden Oberfläche eines keramischen Substrats, an dem noch keine Anpassungen vorgenommen oder gar lokal definiert Durchbrechungen für die Ausbildung von Durchkontaktierungen entsprechend dem letztendlichen Anwendungsfall ausgebildet worden sind, fixiert werden.
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Die jeweiligen Positionen, an denen Durchbrechungen für Durchkontaktierungen mittels Laserstrahl ausgebildet werden sollen, sind so aber auch optisch detektierbar, so dass eine auf einer optischen Detektion basierende Steuerung und/oder Überprüfung des ersten Laserstrahls, der zur Ausbildung der jeweiligen Durchbrechung(en) eingesetzt wird, möglich wird. Für den Fall, dass eine bereits Durchbrechungen an Positionen, die für Durchkontaktierungen vorgesehen sind, aufweisende Metallschicht an einer Oberfläche und an der gegenüberliegenden Oberfläche eine dort geschlossene Metallschicht vorhanden ist, kann es ausreichen, lediglich einen ersten Laser für den Abtrag des keramischen Werkstoffs des Substrats einzusetzen, der bezüglich seines Absorptions- und Reflexionsverhaltens auf den keramischen Werkstoff optimiert oder günstig ausgewählt ist.
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Als zweiter Laserstrahl zum Durchbrechen der ersten Metallschicht sollte einer ausgewählt werden, der elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich emittiert, die/der vom metallischen Werkstoff des Substrats gut absorbiert wird. Bevorzugt wird das Metall lokal entfernt ohne weitere Bereiche zu erwärmen.
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Als erster Laserstrahl sollte einer ausgewählt werden, der elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich emittiert, die/der vom keramischen Werkstoff des Substrats mit einem höheren Anteil absorbiert wird, als dies beim Metall der Fall ist, aus dem die metallischen Schichten gebildet sind. Die Wellenlänge(n) des zweiten Laserstrahls sollte(n) es ermöglichen, dass ein großer Teil, bevorzugt mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 75% der Laserstrahlung vom Werkstoff der Metallschicht reflektiert wird. Dadurch kann ein unerwünschtes Schmelzen des metallischen Werkstoffs verhindert werden, wenn der erste Laserstrahl den gesamten keramischen Werkstoff aus einer durch das Substrat geführten Durchbrechung abgetragen hat und direkt auf das Metall auftrifft.
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Für einen „selbststoppenden” Bohrprozess an metallischen Schichten aus Kupfer ist beispielsweise ein CO2-Laser geeignet. So kann ohne eine aufwändige Regelung erreicht werden, dass zumindest nahezu ausschließlich ein Abtrag an keramischem Werkstoff erfolgt und zumindest nahezu kein Metall einer Metallschicht entfernt wird.
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Für einen Abtrag von keramischem und metallischem Werkstoff sind (Ultra) Kurzpulslaser gut geeignet.
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Für den Fall, dass ein keramisches Substrat als Halbzeug eingesetzt wird, an dem keinerlei Durchbrechungen an Positionen, die für jeweils eine Durchkontaktierung vorgesehen sind, in einer metallischen Schicht vorhanden sind, die an einem Substrat fixiert und von der Oberfläche aus die Durchbrechung durch das Substrat ausgebildet werden soll, kann ein zweiter Laserstrahl eingesetzt werden, der an der Oberfläche auf die er zuerst auftrifft, lediglich den metallischen Werkstoff der jeweiligen metallischen Schicht im Bereich, in dem die jeweilige Durchbrechung nachfolgend, dann mit einem zweiten Laserstrahl, ausgebildet werden soll, abträgt. Ein solcher zweiter Laserstrahl sollte elektromagnetische Strahlung aufweisen, die vom metallischen Werkstoff der metallischen Schicht mit einem höheren Anteil absorbiert wird, als die elektromagnetische Strahlung des ersten Laserstrahls, der für die Entfernung von keramischem Werkstoff eingesetzt werden sollte.
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Mit dem ersten und oder zweiten Laserstrahl können verschiedene freie Querschnittsgeometrieformen für Durchbrechungen ausgebildet werden. So kann ein zylindrischer Querschnitt und auch ein konischer Querschnittsverlauf entlang der Tiefe einer durch das Substrat ausgebildeten Durchbrechung ausgebildet werden. Der Umfang einer Durchbrechung kann neben kreisförmig, auch in Form eines Langloches, sternförmig oder in anderer Form mehreckig ausgebildet werden, so dass eine Anpassung an die jeweilige Applikation durch eine entsprechende Beeinflussung zumindest des ersten Laserstrahls, mit dem keramischer Werkstoff abgetragen wird, erfolgen kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 in schematischer Form und in sechs Schritten, beginnend von oben nach unten, Möglichkeiten für die Ausbildung elektrisch leitender Durchkontaktierungen durch eine Leiterplatte, die mit einem an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit metallischen Schichten versehenen plattenförmigen Substrat aus keramischem Werkstoff gebildet ist.
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Dabei zeigt die oberste Darstellung von 1 ein Halbzeug, bei dem es sich um ein plattenförmiges Metall-Keramik-Substrat handelt, das eine Gesamtdicke von ca. 1 mm aufweist. Beide gegenüberliegend angeordneten Oberflächen des Substrats 1, das aus Aluminiumoxid besteht, sind mit einer metallischen geschlossenen Schicht 2.1 und 2.2 aus Kupfer, mit jeweils einer Schichtdicke von 0,3 mm versehen. Das elektrisch isolierende Substrat 1 aus Aluminiumoxid weist eine Schichtdicke von 0,38 mm auf. Die jeweils darauffolgende Darstellung von 1 zeigt den nächsten folgenden Verfahrensschritt. Durchbrechungen 5.1, 5.2 und 5.3 wurden an Stellen der geschlossenen metallischen Schicht 2.1 ausgebildet, die in folgenden Schritten zu Durchkontaktierungen weiterprozessiert werden. Die Durchbrechungen 3 für die späteren Durchbrüche 5.1 und 5.2 durch die metallische Schicht 2.1 können dabei nach dem Stand der Technik ausgebildet werden. Dies ist z. B. mit Ätztechnik möglich.
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Die Durchbrechung 5.3 durch die metallische Schicht 2.1 wird mit einem ersten Laserstrahl oder zweiten Laserstrahl hergestellt. Eine zweite Laserstrahlquelle, die einen zweiten Laserstrahl emittiert ist nicht dargestellt.
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Die Laserstrahlquelle 4.1 emittiert einen energiereichen ersten Laserstrahl 4.2. Dieser tritt durch die Öffnung 3 und trifft auf das Substrat 1. Werkstoff des Substrats 1 wird dabei entfernt so dass die Durchbrechungen 5.1 sowie nachfolgend an anderen Stellen die Durchbrechungen 5.2 und 5.3, die durch die metallische Schicht 2.1 und das Substrat 1 bis zur metallische Schicht 2.2 geführt sind und die metallische Schicht 2.2 frei legt, ausgebildet worden sind.
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Mit einem Hilfswerkzeug, wie den Dorn 7 kann die metallische Schicht 2.2 durch die Durchbrechung 5.2 durch plastische Verformung gedrückt werden, bis der plastisch verformte Teil 6 beispielsweise auf dem gleichen Niveau, wie die Oberfläche der metallischen Schicht 2.1 angelangt ist. Der Dorn 7 wird nach vollzogener Verformung entfernt.
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Anschließend wird z. B. Lotpaste 9.1 und 9.2 so aufgebracht, dass die Lotpaste 9.1 entweder die nach Ausbildung der Durchbrechung 5.2 entstandene Kavität komplett gemäß 9.1 ausfüllt oder Lotpaste 9.2 nur an der Oberfläche aufliegt. Die Dicke und Fläche der Lotpaste wird so dimensioniert dass für den folgenden Schritt ausreichend Material für Verfüllung und Schrumpf zur Verfügung steht. An Stellen mit Lotpaste ohne oder mit darunterliegender Durchkontaktierungen kann ein aktives oder passives elektronisches Bauelement 8, z. B. ein Bipolartransistor (IGBT), platziert werden.
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Im folgenden Temperaturschritt wird die Lotpaste prozessiert. Das Lot 10.1 verbindet das Bauelement 8 mit der metallischen Schicht 2.1. Das Lot 10.2 stellt die elektrische Durchkontaktierung zwischen den metallischen Schichten 2.1 und 2.2 her. Gleiches gilt für das Lot gemäß 10.3 mit dem Unterschied, dass durch z. B. Kapillarkräfte das Lot in die Kavitäten gezogen wird und so die elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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