DE102017220417A1 - Elektronisches Modul - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit verringerter elektromagnetischer Störabstrahlung. Dieses umfasst eine mehrlagige Leiterplatte (10) mit einer elektrisch leitenden Außenlage (11) und zumindest einer elektrisch leitenden Innenlage (12), ein elektronisches Bauelement (20), eine Wärmesenke (30) und eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40). Das elektronische Bauelement (20) ist auf der Außenlage (11) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden. Die Wärmesenke (30) ist an die mehrlagige Leiterplatte (10) über eine elektrische Isolationsschicht (35) thermisch angebunden. Über die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) kann im Betrieb des elektronischen Bauelements (20) erzeugte Wärme an die Wärmesenke (30) abgeführt werden. Die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) weist keine elektrische Verbindung zu der Außenlage (11) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit einer mehrlagigen Leiterplatte, einem elektronischen Bauelement und einer Wärmesenke.
  • Bei elektronischen Modulen besteht das Problem, die im Betrieb eines elektronischen Bauelements anfallende Wärme durch die Leiterplatte hindurch an eine Wärmesenke abgeben zu können. Die Wärmesenke besteht zwecks guter Wärmeabfuhr in der Regel aus einem Metall. Zur Wärmeleitung werden in der Leiterplatte, die einen thermischen Widerstand darstellt, thermische Durchkontaktierungen (engl. : Vias) vorgesehen, die sich unterhalb des zu kühlenden elektronischen Bauelements von diesem in Richtung der Wärmesenke erstrecken. Thermische Durchkontaktierungen sind durch die Leiterplatte hindurchgehende und mit wärmeleitendem Material, in der Regel Kupfer, ausgefüllte Bohrungen. Die thermischen Durchkontaktierungen tragen in der Regel nicht zur Signalführung bei, sondern dienen ausschließlich der Wärmeleitung. Um eine elektrische Isolation zwischen der Wärmesenke und der Leiterplatte sicherzustellen, ist zwischen der Wärmesenke und der Leiterplatte eine elektrische Isolationsschicht vorgesehen. Zur Erzielung eines möglichst geringen Wärmewiderstands wird diese elektrische Isolationsschicht sehr dünn ausgeführt.
  • Die elektrische Isolationsschicht stellt eine (parasitäre) kleine elektrische Kapazität dar, deren Größe von der Dicke, Größe der Fläche und dem verwendeten Material abhängt. Über diese parasitäre Kapazität kann höher-frequente elektromagnetische Strahlung auf die Wärmesenke (z.B. ein metallisches Gehäuse, in dem das elektronische Modul angeordnet ist) übertragen und von dort abgestrahlt werden. Die Höhe bzw. Intensität der elektromagnetischen Strahlung ist abhängig von der Qualität bzw. Zuverlässigkeit der Erdung des metallischen Gehäuses, z.B. in einem Fahrzeug.
  • Es wäre wünschenswert, die Erzeugung elektromagnetischer Abstrahlung bereits aufgrund der Konstruktion des elektronischen Moduls unterdrücken oder verringern zu können, unabhängig von der Qualität der späteren elektrischen Anbindung des elektronischen Moduls in einem metallischen Gehäuse und/oder dem Verbau des elektronischen Moduls bei einem Kunden.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Modul anzugeben, das funktionell und/oder baulich derart verbessert ist, dass die Gefahr elektromagnetischer Störabstrahlung verringert oder eliminiert ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektronisches Modul gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektronisches Modul vorgeschlagen, das eine mehrlagige Leiterplatte, ein elektronisches Bauelement, eine Wärmesenke und eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen umfasst. Die mehrlagige Leiterplatte umfasst eine elektrisch leitende Außenlage und zumindest eine elektrisch leitende Innenlage. Das elektronische Bauelement ist auf der Außenlage angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden. Die Wärmesenke ist an die mehrlagige Leiterplatte über eine elektrische Isolationsschicht thermisch angebunden. Über die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen kann die im Betrieb des elektronischen Bauelements erzeugte Wärme an die Wärmesenke abgeführt werden. Dabei weist die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen keine elektrische Verbindung zu der Außenlage auf.
  • Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Modul erfolgt an einer Oberseite der mehrlagigen Leiterplatte eine elektrische Trennung zwischen der elektrisch leitenden Außenlage, auf der das elektronische Bauelement angeordnet ist, und den thermischen Durchkontaktierungen. Hierdurch kann elektromagnetische Störabstrahlung über die Wärmesenke oder ein metallisches Gehäuse, mit dem das elektronische Modul verbunden ist, verringert oder vermieden werden.
  • Es ist zweckmäßig, wenn die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen eine erste Gruppe an Durchkontaktierungen umfasst, welche in einer Schnittansicht außerhalb einer Fläche der Außenlage angeordnet ist. Insbesondere kann die Anzahl an Durchkontaktierungen der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen bis zu einer Grenzfläche einer Isolationsschicht reichen, auf der die Außenlage angeordnet ist. Mit anderen Worten wird die Außenlage der mehrlagigen Leiterplatte nicht über die gesamte Fläche der Leiterplatte ausgebildet, sondern spart zumindest den Bereich der Leiterplatte, in dem die erste Gruppe an Durchkontaktierungen vorgesehen ist, aus. Die derart „strukturierte“ Außenlage kann im Rahmen der Herstellung der Leiterplatte durch ein subtraktives oder ein additives Verfahren erfolgen.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung umfasst die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen eine zweite Gruppe an Durchkontaktierungen, welche in einer Schnittansicht unterhalb der Außenlage angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Außenlage im Bereich der thermischen Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen eine Aussparung aufweist. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt zwischen der Außenlage und den Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen vermieden. Die Aussparung der Außenlage kann im Rahmen der Herstellung der Leiterplatte durch ein additives oder subtraktives Verfahren erzeugt werden.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, wenn die freien Enden der Anzahl an Durchkontaktierungen der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen und/oder die Anzahl an Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen auf oder unterhalb der Grenzfläche der Isolationsschicht, auf der die Außenlage angeordnet ist, mit einem Isolationsmaterial, insbesondere einem Lötstopplack, bedeckt sind. Hierdurch ist sichergestellt, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Außenlage und den thermischen Durchkontaktierungen besteht, wenn die Außenlage über die Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen hinweg führt, also in diesem Bereich keine Aussparung aufweist. Durch die Vermeidung eines elektrischen Kontakts zwischen der Außenlage und den Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen elektromagnetische Störstrahlung reduziert oder vermieden werden.
  • Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen elektrisch mit der zumindest einen Innenlage und/oder einer weiteren Außenlage verbunden ist, welche jeweils ein Bezugspotential aufweisen. Dadurch, dass die thermischen Durchkontaktierungen, welche ausschließlich der Wärmeübertragung dienen, mit einem Bezugspotential (z.B. einem Massepotential) verbunden sind, können höher-frequente Störstrahlungen aufgrund eines kapazitiven Übergangs der Außenlage zur ersten Innenlage stark gedämpft werden. Ferner ist eine gute Wärmeverteilung über die Breite der Leiterplatte sichergestellt.
  • Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen elektrisch zumindest mit der Innenlage verbunden ist, welche der Außenlage als nächstes benachbart ist. Hierdurch ist eine gute Wärmeverteilung über die Breite der Leiterplatte mittels der elektrisch und damit thermisch miteinander verbundenen thermischen Durchkontaktierungen gewährleistet. Insbesondere kann dadurch die Verteilung der Wärme bereits unmittelbar unterhalb des elektronischen Bauelements bewirkt werden, wobei am Wärmetransfer jedoch nicht die Außenlage, sondern als erstes diejenige Innenlage beteiligt ist, welche der Außenlage als nächstes benachbart ist.
  • Der Erfindung liegt zusammenfassend die Überlegung zugrunde, dass zwei elektrisch isolierte Lagen einer Leiterplatte zueinander eine elektrische Kapazität darstellen. Hochfrequente Schwingungen können deshalb kapazitiv von einer elektrisch isolierten Lage auf eine andere elektrisch leitende Lage übertragen werden. Bekannte Lösungen versuchen, den kapazitiven Wert der elektrischen Isolationsschicht sehr klein zu halten, um die kapazitive Übertragung auf die Wärmesenke zu verringern. Dies führt jedoch meist zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs von der elektrischen Isolationsschicht zu der Wärmesenke. Die kapazitive Übertragung von hochfrequenten Schwingungen zwischen der Außenlage zu der Innenlage kann stark gedämpft werden, indem mindestens eine der Lagen, die mit den thermischen Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind, mit Bezugspotential, z.B. Masse, verbunden werden. Dadurch wird die Übertragung der hochfrequenten Schwingung zum Gehäuse quasi kurzgeschlossen. In der vorgeschlagenen Anordnung kann der Wärmeübergang von der elektrischen Isolationsschicht zu der Wärmesenke daher optimiert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Moduls; und
    • 2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 mit II gekennzeichneten Bereichs.
  • 1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein erfindungsgemäßes elektronische Modul 1. Das elektronische Modul 1 umfasst eine mehrlagige Leiterplatte 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Leiterplatte 10 als vierlagige Leiterplatte ausgeführt, d.h. die Leiterplatte 10 umfasst vier elektrisch leitende Schichten (Lagen) . Die Anzahl der Lagen kann auch größer als vier sein.
  • Die Leiterplatte 10 umfasst einen Leiterplattenkern 13, wobei beidseitig des Leiterplattenkerns 13 jeweils elektrisch leitende Lagen vorgesehen sind. Die Leiterplatte 10 umfasst von oben nach unten eine (strukturierte) Außenlage 11, eine Isolationsschicht 11S der Außenlage 11, eine (strukturierte) Innenlage 12 (erste oder zu der Außenlage 11 als nächstes benachbarte Innenlage), eine Isolationsschicht 12S der Außenlage 12, den Leiterplattenkern 13, eine Isolationsschicht 14S, eine (strukturierte) Innenlage 14, eine Isolationsschicht 15S einer Außenlage 15, die (strukturierte) Außenlage 15. Die Herstellung einer derartigen, mehrlagigen Leiterplatte ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine eingehende Beschreibung des Herstellungsvorgangs verzichtet wird.
  • Auf einer Fläche der Außenlage 11 der Leiterplatte 10 ist ein elektronisches Bauelement 20, z.B. ein Leistungshalbleiterschaltmodul oder -element, angeordnet. Das elektronische Bauelement 20 ist beispielsweise durch Verlöten mit der Außenlage 11 elektrisch verbunden. Die Außenlage 11 ist in der Regel Bestandteil eines elektrischen Schaltkreises des elektronischen Moduls 1. Die Außenlage 11 nimmt eine kleinere Fläche als die Fläche der darunter liegenden Isolationsschicht 11S ein. Dies kann durch z.B. ein subtraktives oder ein additives Verfahren zum Aufbringen der Außenlage 11 auf die Isolationsschicht erfolgen. Die entsprechenden Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet wird.
  • Die Leiterplatte 10 ist mit der anderen (weiteren) Außenlage 15 über eine elektrische Isolationsschicht 35 mit einer Wärmesenke 30 verbunden. Die Wärmesenke 30 stellt beispielsweise eine Kühlfläche oder ein Gehäusebauteil, welches die Funktion einer Wärmesenke übernimmt, dar und ist aus einem gut Wärmeleitenden Material, z.B. Metall gebildet. Die elektrische Isolationsschicht 35, auch als TIM (Thermal Insulating Member) bezeichnet, ist so dünn ausgeführt, dass ein ausreichend guter Wärmeübergang von der Leiterplatte 10 an die Wärmesenke 30 gegeben ist.
  • Die im Betrieb des elektronischen Bauelements 20 erzeugte Wärme wird über eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen 40 an die Wärmesenke 30 abgeführt. Das Vorsehen der Anzahl und/oder die Anordnung an thermischen Durchkontaktierungen 40 berücksichtigt den Umstand, dass insbesondere der Leiterplattenkern 13 einen vergleichsweise hohen thermischen Widerstand aufweist, der die Wärmeabfuhr in Richtung der Außenlage 15 und an die Wärmesenke 30 in störender Weise behindert.
  • Die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen 40 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu Zwecken der Illustration in zwei Gruppen unterteilt. In einer praktischen Realisierung ist es ausreichend, wenn nur eine der Gruppen (d.h. entweder die erste Gruppe oder die zweite Gruppe) an Durchkontaktierungen 40 vorgesehen ist. Beispielhaft zwei erste Gruppen 41, 42 von Durchkontaktierungen 40 sind in der in 1 gezeigten Schnittansicht außerhalb der Fläche der Außenlage 11 angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung weisen die Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41, 42 keine elektrische Verbindung zu der Außenlage 11 auf.
  • Die Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41 unterscheiden sich von den Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 42 dadurch, dass die Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41 bis an eine Grenzfläche 11G der Isolationsschicht 11S reichen, auf welcher die Außenlage 11 angeordnet ist. Da die Außenlage 11 die freien Enden der Durchkontaktierungen 40 nicht überstreift und daher keinen elektrischen Kontakt zu den an die Grenzfläche 11G der Isolationsschicht 11S ragenden Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41 aufweist, müssen keine gesonderten Isolationsmaßnahmen getroffen werden.
  • Demgegenüber sind die freien Enden der Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 42 nicht bis an die Grenzfläche 11G der Isolationsschicht 11S geführt. Vielmehr sind diese unterhalb (alternativ: auf) der Grenzfläche 11G mit einem Isolationsmaterial 44, z.B. einem Lötstopplack, bedeckt. Dieses Vorgehen ist auch bei den Durchkontaktierungen 40 der zweiten Gruppe 43 an Durchkontaktierungen vorgesehen, welche in der Schnittansicht gemäß 1 unterhalb der Außenlage 11 angeordnet ist.
  • Dieser Sachverhalt ist vergrößert in 2 dargestellt, wobei 2 den in 1 mit II gekennzeichneten Bereich illustriert. Aus dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass die Durchkontaktierungen 40 der zweiten Gruppe 43 nicht bis an die Grenzfläche 11G ragen, sondern ein zwischen der Grenzfläche 11G und den freien Enden der Durchkontaktierungen 40 gebildeter Bereich durch das Isolationsmaterial 44 gefüllt ist.
  • Die Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41, 42 und/oder die Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe 43 sind elektrisch zumindest mit der Innenlage 12 verbunden, welche der Außenlage 11 als nächstes benachbart ist. Optional sind die Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41, 42 und/oder die Durchkontaktierungen der zweiten Gruppe 43 elektrisch auch mit der Innenlage 14 und/oder der Außenlage 15 verbunden. Die Innenlage 12, sowie optional die Innenlage 14 und/oder die Außenlage 15, weisen ein Bezugspotential auf.
  • Durch die elektrische Verbindung zumindest einer Innenlage 12, 14 der Leiterplatte 10 und der der Wärmesenke 30 benachbarten Außenlage 15 kann eine Wärmeverteilung in Breitenrichtung (d.h. in Blattebene von links nach rechts) erfolgen.
  • Für den Fachmann ist klar, dass unter der Bezeichnung „die Innenlage 12 und/oder die Innenlage 14 und/oder die Außenlage 15 weisen ein Bezugspotential auf“ nicht so zu verstehen ist, dass die Innenlagen 12 und/oder 14 ausschließlich mit einem Bezugspotential beaufschlagt sind. Vielmehr sind entsprechende Leiterzugstrukturen der jeweiligen Innenlage 12 und/oder 14 mit einem Bezugspotential, z.B. Massepotential, verbunden, wobei diese Leiterzugstrukturen dann eine elektrische Verbindung zu den thermischen Durchkontaktierungen 40 aufweisen. Andere Teile der Leiterzugstrukturen können zur Signalleitung mit anderen Spannungspotentialen beaufschlagt sein.
  • Bei dem vorgeschlagenen elektronischen Modul weist die Außenlage 11, welche eine große Befestigungsfläche (Lötfläche) für das elektronische Bauelement 20 umfasst, keine direkte elektrische und thermische Verbindung zu thermischen Durchkontaktierungen in Richtung der Wärmesenke 30 auf. Ein Wärmeübergang wird über die dünne Isolationsschicht 11S der Außenlage 11 realisiert. Die der Außenlage 11 als nächstes benachbarte Innenlage 12 ist direkt mit einem Bezugspotential verbunden. Die mit dieser Innenlage 12 elektrisch und damit thermisch verbundenen thermischen Durchkontaktierungen 40 übertragen dann die Wärme von der Innenlage 12 in Richtung der Wärmesenke 30, wobei ein Wärmeübergang in bekannter Weise von der elektrischen Isolationsschicht 35 an die Wärmesenke 30 erfolgt.
  • Eine Reduktion des thermischen Widerstands kann, wie beschrieben, dadurch realisiert werden, dass die Durchkontaktierungen 40 elektrisch nicht nur mit der Innenlage 12, sondern auch mit der weiteren Innenlage 14, und optional der Außenlage 15 verbunden sind, wobei diese dann (bzw. entsprechende Leiterzugstrukturen) mit Bezugspotential verbunden sind.
  • Grundsätzlich kann das elektronische Modul 1 derart ausgestaltet sein, dass lediglich Durchkontaktierungen 40 der ersten Gruppe 41 oder 42 an Durchkontaktierungen vorgesehen sind. Eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr ergibt sich durch das zusätzliche Vorsehen der thermischen Durchkontaktierungen 40 der zweiten Gruppe 43.
  • Dadurch, dass eine elektrische Isolationsschicht an der Seite der Leiterplatte 10, auf der das elektronische Bauelement 20 aufgebracht wird (sog. Bestückseite) erfolgt, kann eine elektromagnetische Störabstrahlung über die Wärmesenke 30 reduziert werden. Insbesondere werden vorhandene höher-frequente Strahlungen bereits stark gedämpft.
  • Die beschriebene Umsetzung verbessert zusätzlich die ESD-Empfindlichkeit. Bei einer Endladung eines ESD-Pulses auf das die Wärmesenke darstellende Metallgehäuse wird die hohe Spitzen-Spannung (Energie) durch die doppelte Barriere (isolierter Übergang vom Metallgehäuse zur Leiterplatte und isolierter Übergang von der Leiterplatte zu dem oder den Bauelementen) stark reduziert und somit eine Gefährdung bzw. Schädigung des oder der Bauelemente vermieden.

Claims (8)

  1. Elektronisches Modul, umfassend - eine mehrlagige Leiterplatte (10) mit einer elektrisch leitenden Außenlage (11) und zumindest einer elektrisch leitenden Innenlage (12); - einem elektronischen Bauelement (20), das auf der Außenlage (11) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist; - eine Wärmesenke (30), an den die mehrlagige Leiterplatte (10) über eine elektrische Isolationsschicht (35) thermisch angebunden ist; - eine Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40), über die im Betrieb des elektronischen Bauelements (20) erzeugte Wärme an die Wärmesenke (30) abgeführt werden kann, wobei die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) keine elektrische Verbindung zu der Außenlage (11) aufweist.
  2. Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) eine erste Gruppe an Durchkontaktierungen (41, 42) umfasst, welche in einer Schnittansicht außerhalb einer Fläche der Außenlage (11) angeordnet ist.
  3. Elektronisches Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Durchkontaktierungen (40) der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen (41, 42) bis zu einer Grenzfläche (11G) einer Isolationsschicht (11S) reicht, auf der die Außenlage (11) angeordnet ist.
  4. Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) eine zweite Gruppe an Durchkontaktierungen (43) umfasst, welche in einer Schnittansicht unterhalb der Außenlage (11) angeordnet ist.
  5. Elektronisches Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenlage (11) im Bereich der thermischen Durchkontaktierungen (40) der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen (43) eine Aussparung aufweist.
  6. Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Anzahl an Durchkontaktierungen (40) der ersten Gruppe an Durchkontaktierungen (41, 42) und/oder die Anzahl an Durchkontaktierungen (40) der zweiten Gruppe an Durchkontaktierungen (43) auf oder unterhalb der Grenzfläche (11G) der Isolationsschicht (11S), auf der die Außenlage (11) angeordnet ist, mit einem Isolationsmaterial (44), insbesondere einem Lötstopplack, bedeckt sind.
  7. Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) elektrisch mit der zumindest einen Innenlage (12) und/oder einer weiteren Außenlage (15) verbunden ist, welche ein Bezugspotential aufweist.
  8. Elektronisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anzahl an thermischen Durchkontaktierungen (40) elektrisch zumindest mit der Innenlage (12) verbunden ist, welche der Außenlage (11) als nächstes benachbart ist.
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