ES2306131T3 - Sumidero de calor de un material compuesto de diamante y cobre que contiene boro. - Google Patents
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Abstract
Componente que sirve de sumidero de calor de un material compuesto, formado por entre el 40 y el 90% en vol. de granos de diamante y entre el 7 y el 59% en vol. de cobre o un cristal mixto rico en cobre con Cu > 80% en at., entre el 0,01 y el 20% en vol. de boro o una fase rica en boro con B > 50% en at. y, a elección, por uno o varios de los componentes de la estructura del grupo compuesto de boro y carbono, fase rica en plata, carbono amorfo, situándose el contenido del compuesto de boro y carbono entre el 0,001 y el 5% en vol., de la fase rica en plata entre el 0,01 y el 10% en vol. y del carbono amorfo entre el 0,01 y el 5% en vol.
Description
Sumidero de calor de un material compuesto de
diamante y cobre que contiene boro.
La invención se refiere a un componente en forma
de un sumidero de calor de un material compuesto con entre el 40 y
el 90% en vol. de granos de diamante y entre el 7 y el 59% en vol.
de cobre o un cristal mixto rico en cobre con Cu > 80% en at. y a
un procedimiento para la fabricación del mismo.
Los sumideros de calor se aplican ampliamente en
la fabricación de componentes electrónicos. Además del sumidero de
calor, el componente semiconductor y una envoltura mecánicamente
estable son las partes integrantes fundamentales de un paquete
electrónico. Para hacer referencia al sumidero de calor se usan
también frecuentemente las denominaciones substrato, disipador de
calor o placa portadora. El componente semiconductor está hecho, por
ejemplo, de silicio monocristalino o arseniuro de galio. Está
conectado con el sumidero de calor, usándose como técnica de
ensamblaje normalmente un procedimiento de soldadura indirecta. El
sumidero de calor tiene la función de disipar el calor que se
genera en el servicio del componente semiconductor. Los componentes
semiconductores con una generación de calor especialmente elevada
son, por ejemplo, LDMOS (semiconductor metal-óxido lateralmente
difuso), diodos láser, CPU (unidad central e procesamiento), MPU
(unidad de microprocesador) o HFAD (dispositivo de amplificación de
alta frecuencia).
Las realizaciones geométricas del sumidero de
calor se adaptan de forma específica a la aplicación y son muy
variadas. Unas formas sencillas son plaquitas planas. No obstante,
también se usan substratos de configuraciones complejas, con
escotaduras y escalones. El sumidero de calor propiamente dicho está
conectado, a su vez, con una envoltura mecánicamente estable.
Los coeficientes de dilatación térmica de los
materiales semiconductores usados son bajos en comparación con otros
materiales y se indican en la bibliografía con un valor de 2,1 x
10^{-6}K^{-1} a 4,1 x 10^{-6}K^{-1} para silicio y con 5,6 x
10^{-6}K^{-1} a 5,8 x 10^{-6}K^{-1} para arseniuro de
galio.
También otros materiales semiconductores, que
aún no se usan ampliamente a escala industrial, por ejemplo, Ge, InP
o carburo de silicio presentan coeficientes de dilatación bajos
similares. Para la envoltura se usan habitualmente materiales
cerámicos, compuestos de materiales o también plásticos.
Ejemplos para materiales cerámicos son
Al_{2}O_{3} con un coeficiente de dilatación de 6,5 x
10^{-6}K^{-1} o nitruro de aluminio con un coeficiente de
dilatación de 4,5 x 10^{-6}K^{-1}.
Si hay diferencias entre el comportamiento de
dilatación de los componentes afectados, se forman tensiones en el
conjunto que pueden conducir a deformaciones, desprendimientos o a
la rotura de los componentes. Las tensiones se pueden formar ya
durante la fabricación del paquete, concretamente durante la fase de
enfriamiento de la temperatura de soldadura a temperatura ambiente.
No obstante, también en el servicio del paquete se producen
fluctuaciones de temperatura, que varían, por ejemplo, entre -50ºC y
200ºC y que pueden conducir a tensiones termomecánicas en el
paquete.
De ello resultan los requisitos del material
para el sumidero de calor. Por un lado, debe presentar una
conductividad térmica lo más elevada posible, para mantener el
aumento de temperatura del componente semiconductor lo más bajo
posible durante el servicio. Por otro lado, es necesario que el
coeficiente de dilatación térmica esté adaptado lo mejor posible
tanto al del componente semiconductor como también al de la
envoltura. Los materiales metálicos monofásicos no cumplen en un
grado suficiente el perfil de propiedades requerido, puesto que los
materiales con una elevada conductividad térmica presentan también
un elevado coeficiente de dilatación térmica.
Para cumplir el perfil de requisitos se usan,
por lo tanto, materiales compuestos o conjuntos de materiales para
la fabricación del substrato.
Materiales compuestos o conjuntos de materiales
habituales como tungsteno/cobre y molibdeno/cobre, como están
descritos, por ejemplo, en los documentos EP 0 100 232, US 4 950 554
y US 5 493 153, presentan una conductividad térmica a temperatura
ambiente de 170 a 250 W/(m\cdotK) con un coeficiente de dilatación
térmica de 6,5 x 10^{-6}K^{-1} a 9,0 x 10^{-6}K^{-1}, lo
cual ya no es suficiente para muchas aplicaciones.
A medida que los requisitos de la conductividad
térmica de sumideros de calor se volvían más estrictos, también
empezaron a ser interesantes el diamante o materiales compuestos o
conjuntos de materiales que contienen diamante. La conductividad
térmica de diamante está situada, por ejemplo en 1.400 a 2.400
W/(m\cdotK), dependiendo la calidad especialmente del contenido de
átomos de nitrógeno y boro en lugares de rejilla.
En el documento EP 0 521 405 está descrito un
sumidero de calor que en el lado orientado hacia el chip
semiconductor presenta una capa de diamante policristalino. Las
capas de diamante realizadas mediante CVD presenta una conductividad
térmica de 1000 a 1500 W/(m\cdotK). No obstante, por la falta de
una deformabilidad plástica de la capa de diamante, pueden llegar a
producirse fisuras en la capa de diamante ya durante el enfriamiento
de la temperatura de recubrimiento.
El documento US 5 273 790 describe un material
compuesto de diamante con una conductividad térmica > 1.700
W/(m\cdotK), en el que partículas de diamante sueltas, conformadas
se transforman en un cuerpo formado estable mediante la
precipitación de diamante posterior de la fase gaseosa. El material
compuesto de diamante así fabricado es demasiado caro para la
aplicación comercial en piezas fabricadas en masa.
En el documento WO 99/12866 está descrito un
procedimiento para la fabricación de un material compuesto de
diamante y carburo de silicio. La fabricación se realiza mediante la
infiltración de silicio o una aleación de silicio en un esqueleto de
diamante. Debido al elevado punto de fusión de silicio y la elevada
temperatura de infiltración que va unida a éste, el diamante se hace
reaccionar parcialmente en carbono o posteriormente en carburo de
silicio. Debido a la elevada fragilidad, la procesabilidad mecánica
de este material es sumamente problemática y costosa.
El documento US4902652 describe un procedimiento
para la fabricación de un material de diamante sinterizado. En este
procedimiento se precipita mediante procedimientos físicos de
recubrimiento un elemento del grupo de los elementos de transición
de los grupos 4a, 5a y 6a, boro y silicio sobre polvo de diamante. A
continuación, los granos de diamante recubiertos se unen entre sí
mediante un procedimiento de sinterización en fase sólida bajo alta
presión. Un inconveniente es que el producto obtenido presenta una
elevada porosidad. Además, el procedimiento de fabricación es muy
costoso.
El documento US5045972 describe un material
compuesto, en el que además de granos de diamante con un tamaño de 1
a 50 \mum se presenta una matriz metálica, hecha de aluminio,
magnesio, cobre, plata o las aleaciones de éstos. Un inconveniente
es que la matriz metálica sólo está unida de forma deficiente a los
granos de diamante, de modo que debido a ello la conductividad
térmica y la integridad mecánica no quedan garantizadas en grado
suficiente.
Tampoco el uso de un polvo de diamante más fino,
por ejemplo con un tamaño de grano < 3 \mum, como está
descrito en el documento US5008737, mejora la adherencia entre
diamante y metal y conduce a un claro empeoramiento de la
conductividad térmica debido a la mayor superficie de separación
entre diamante y metal. El documento US 5 783 316 describe un
procedimiento en el que se recubren granos de diamante con W, Zr,
Re, Cr o titanio, se compactan a continuación los granos recubiertos
y se infiltran finalmente, por ejemplo, Cu, Ag o masas fundidas de
Cu-Ag en el cuerpo poroso. Los elevados costes de
recubrimiento limitan el campo de aplicación de los materiales
compuestos fabricados de esta manera.
El documento EP0859408 describe un material para
sumideros de calor, cuya matriz está formada por granos de diamante
y carburos metálicos, habiéndose rellenado los espacios intermedios
de la matriz con un metal. Con carburos metálicos se designan los
carburos de los metales de los grupos 4a a 6a del sistema periódico.
En el documento EP 0 859 408 se hace especial referencia a TiC, ZrC
y HfC. Como metales de relleno especialmente ventajoso se indican
Ag, Cu, Au y Al. Los metales de transición de los grupos 4a a 6a son
todos fuertes formadores de carburos. Por ello, las capas de
carburos que se forman son relativamente gruesas. En combinación con
la reducida conductividad térmica de estos carburos (10 a 65
W/(m\cdotK), esto reduce fuertemente el efecto de la fase de
diamante de aumentar la conductividad térmica.
Si se infiltra una aleación que contiene un
fuerte formador de carburos en un esqueleto de diamante, tiene lugar
una formación de carburos excesiva en las zonas cercanas a los
bordes, por lo que el material de infiltración empobrece en
formadores de carburos y en el interior ya no existe una unión
suficiente del metal al diamante. Esto conduce, por un lado, a
faltas de homogeneidad del material y, por otro lado, se influye
también negativamente en el proceso de infiltración por la reducción
de la porosidad abierta.
Si bien un aumento de la concentración de
elementos formadores de carburos puede reducir el empobrecimiento y
mejorar, por lo tanto, la unión en el interior, conlleva al mismo
tiempo también el peligro de que restos del formador de carburos
permanezcan por razones cinéticas en solución sólida empeorándose
por ello fuertemente la conductividad térmica de la fase
metálica.
El documento EP 0 898 310 describe un sumidero
de calor que está formado por granos de diamante, un metal o una
aleación de metal de una conductividad térmica elevada del grupo Cu,
Ag, Au, Al, Mg y Zn y un carburo metálico de los metales de los
grupos 4a, 5a y Cr, cubriendo los carburos metálico al menos en un
25% la superficie de los granos de diamante. También aquí tienen un
efecto negativo la mala conductividad térmica de los carburos de los
grupos 4a, 5a del sistema periódico y Cr, la elevada afinidad de
estos elementos con carbono y la solubilidad en parte no
despreciable en Cu, Ag, Au, Al y Mg.
En los últimos años ha aumentado fuertemente la
velocidad del procedimiento y el grado de integración de los
componentes semiconductores, lo cual ha conducido también a un
aumento de la generación de calor en el paquete. Una gestión óptima
del calor representa por lo tanto siempre un criterio fundamental.
La conductividad térmica de los materiales arriba descritos ya no
basta para una multiplicidad de aplicaciones o su fabricación es
demasiado costosa para una aplicación amplia. La disponibilidad de
sumideros de calor mejorados y económicos representa una condición
previa para seguir optimizando componentes semiconductores. El
objetivo de la presente invención es, por lo tanto, proporcionar un
material compuesto para un componente previsto como sumidero de
calor, que presente una elevada conductividad térmica y un bajo
coeficiente de dilatación, ofreciendo propiedades de procesamiento
que permitan una fabricación económica. Este objetivo se consigue
mediante un componente según la reivindicación 1.
El componente según la invención presenta una
excelente fuerza de adherencia entre los granos de diamante y la
fase rica en cobre. En función del contenido de boro y de los
parámetros de fabricación, en las superficies de separación entre
los granos de diamante y la fase rica en cobre pueden determinarse
mediante procedimientos de medición de alta resolución
enriquecimientos de boro en el área de las capas atómicas hasta la
realización de un compuesto de boro y carbono. El grosor del
compuesto de boro y carbono está situado preferiblemente en el
intervalo de 1 nm (según un contenido volumétrico del compuesto de
boro y carbono de aproximadamente un 0,001%) hasta 10 \mum,
preferiblemente hasta 0,05 \mum. Para conseguir una unión
suficiente, también basta un recubrimiento incompleto de los granos
de diamante.
En el compuesto de boro y carbono también pueden
estar incorporados átomos de otros elementos.
Los compuestos de boro y carbono presentan una
conductividad térmica suficientemente elevada (por ejemplo, B_{4}C
aprox. 40 W/(m\cdotK)).
Puesto que boro es un formador de carburos
relativamente débil, en un proceso de infiltración no se produce
rápidamente un empobrecimiento del elemento formador de carburos en
la masa fundida de cobre, por lo que se puede conseguir una gran
homogeneidad del material. Además, las capas de carburos que se van
formando son comparativamente muy finas, lo cual tiene también un
efecto favorable en la conductividad térmica. Puesto que en el
estado sólido la solubilidad de boro en cobre es muy reducida (varía
según la velocidad de enfriamiento entre 0,005 y 0,3% en at.), la
conductividad térmica de la matriz de cobre sólo empeora poco. El
boro se presenta de forma precipitada en la matriz de cobre,
pudiendo situarse la parte de cobre entre el 0,01 y el 20% en vol.
En función de otros elementos de aleación en el cobre también pueden
precipitarse compuestos ricos en cobre con un contenido de boro >
50% en at. Otros componentes de la estructura, como por ejemplo
carbono amorfo, no empeoran las propiedades en un grado inadmisible,
mientras su contenido no sobrepase un 10% en vol. y mientras la
conductividad térmica de estos componentes de la estructura sea
mayor de 50 W/(m\cdotK)). Lo decisivo es siempre que la matriz de
cobre quede lo más libre posible de átomos extraños o que las partes
disueltas perjudiquen lo menos posible la conductividad térmica,
como es el caso de Cu-Ag o
Cu-Zn.
Gracias a los componentes de la estructura que
contienen cobre, que son muy dúctiles, la procesabilidad mecánica
está asegurada en un grado suficiente. Para una preparación
económica es, además, ventajoso que gracias a la elevada
conductividad térmica de los componentes de la estructura que
contienen cobre puede reducirse el contenido de diamante, por
ejemplo en comparación con materiales de diamante y SiC. Mediante la
variación del contenido de diamante, cobre y boro es posible
fabricar sumideros de calor hechos a medida en cuanto a la
conductividad térmica y la dilatación térmica para cumplir los
requisitos más diversos. Unos contenidos especialmente ventajosos de
carburo de boro y cobre o fase rica en cobre están situados entre el
0,005 y el 1% en vol. o entre el 15 y el 40% en vol. Unos ensayos
han mostrado que pueden procesarse polvos de diamante con un amplio
espectro de tamaños de grano. Además de diamantes naturales también
pueden procesarse diamantes sintéticos más económicos. Por lo tanto,
puede recurrirse al tipo respectivamente más económico. Para las
aplicaciones que no son críticas en cuanto a los costes y en las que
deben cumplirse requisitos extremadamente exigentes de la
conductividad térmica, es favorable usar una fracción de diamante
con un tamaño medio de grano en un intervalo de 500 a 300 \mum,
preferiblemente de 100 a 200 \mum. Si se usan polvos con una
distribución bimodal del tamaño de grano pueden conseguirse elevadas
densidades de relleno de los granos de diamante. Es ventajoso si el
primer máximo de distribución está situado entre 20 y 40 \mum y el
segundo máximo de distribución entre 130 y 250 \mum.
Para el uso de los componentes como sumideros de
calor para componentes electrónicos, éstos son recubiertos
ventajosamente con Ni, Cu, Au o Ag o una aleación de estos metales y
posteriormente se unen por soldadura a un marco cerámico, por
ejemplo de Al_{2}O_{3} o AlN.
Para la fabricación pueden usarse los
procedimientos más diversos. Por ejemplo, es posible compactar polvo
de diamante con una aleación de cobre y boro a una temperatura
elevada y bajo presión. Esto puede realizarse, por ejemplo, en
prensas para el prensado en caliente o el prensado isostático a
temperatura elevada. En principio también es posible incorporar el
cobre y el boro por separado. En este caso, la formación de la
aleación se produce durante el proceso de prensado en caliente.
También puede partirse de polvo de diamante recubierto con B_{4}C
o con boro. Ha resultado ser especialmente ventajosa la
infiltración. Se fabrica un precursor que puede contener además de
polvo de diamante también un aglutinante. Son especialmente
ventajosos los aglutinantes que se pirolizan en gran parte bajo la
acción de una temperatura elevada. Unos contenidos ventajosos de
aglutinante están situados entre el 1 y el 20% en peso. El polvo de
diamante y el aglutinante se mezclan en mezcladores o molinos
convencionales. A continuación, se procede a la conformación,
pudiendo realizarse la misma mediante vertido en un molde o de forma
apoyada por presión, por ejemplo mediante prensado o moldeo por
transferencia de polvo de metal. A continuación, el precursor se
calienta a una temperatura a la que aglutinante se piroliza al menos
parcialmente. No obstante, la pirólisis del aglutinante también
puede producirse durante el calentamiento en el proceso de
infiltración. El proceso de infiltración puede realizarse sin
presión o de forma apoyada por presión. Esto último puede hacerse
por fundición a presión o squeeze-casting, colada a
presión o en una instalación de sinterización HIP. Como material de
infiltración se usa ventajosamente una lámina de una aleación de
cobre y boro con un contenido de boro entre situado entre el 1 y el
4% en peso. También aquí es posible que la formación de la aleación
tenga lugar in situ durante el proceso de infiltración. Para
la elección de la composición debe tenerse en cuenta que la
temperatura de liquidus de la aleación en cuestión no sea
mayor de 1200ºC, ventajosamente no mayor de 1050ºC, puesto que sino
se descomponen partes demasiado grandes de diamante. Son
especialmente adecuados para la infiltración las láminas con una
composición eutéctica o casi eutéctica, comprendiendo las
composiciones casi eutécticas aleaciones cuya temperatura de
liquidus < 1050ºC.
liquidus < 1050ºC.
Además del uso especialmente ventajoso de los
componentes para la disipación de calor en componentes
semiconductores, el material compuesto según la invención también
puede usarse como sumidero de calor en otras áreas de aplicación,
como por ejemplo en el área de la navegación aérea y espacial o en
la construcción de motores.
A continuación, la invención se explicará más
detalladamente con ayuda de unos ejemplos de fabricación.
En un crisol de óxido de aluminio se introdujo
polvo de diamante del tamaño de 90 a 104 \mum (Mesh
140-170) y se compactó mediante vibración. En el
diamante a granel se colocó un trozo cilíndrico de una aleación casi
eutéctica de Cu y un 2,5% en peso de boro. El crisol llenado con
diamante y con la aleación se coloca en un espacio cilíndrico
calentable por inducción en el interior de un recipiente a presión.
Después de haberse alcanzado un vacío primario, la carga se calentó
a 1080ºC y se mantenía a la temperatura final durante 15 minutos. A
continuación, se ajustó una presión de gas de 50 bar en el
recipiente a presión y se apagó la calefacción. El material
compuesto de Cu, B y diamante que resultó de este procedimiento
tenía una conductividad térmica de 540 W/(m\cdotK) acompañada de
un coeficiente de dilatación térmica de 6,6 x 10^{-6}K^{-1}.
Como se menciona en el ejemplo 1, se infiltró
una aleación casi eutéctica de Cu - un 2,5% en peso de B en un polvo
de diamante del tamaño de 180 a 215 \mum (Mesh
70-80), aunque en este caso sólo con una presión de
gas de 5 bar. El material compuesto de Cu, B y diamante que resultó
de este procedimiento tenía una conductividad térmica de 620
W/(m\cdotK) acompañada de un coeficiente de dilatación térmica de
6,9 x 10^{-6}K^{-1}.
Claims (18)
-
\global\parskip0.930000\baselineskip
1. Componente que sirve de sumidero de calor de un material compuesto, formado por entre el 40 y el 90% en vol. de granos de diamante y entre el 7 y el 59% en vol. de cobre o un cristal mixto rico en cobre con Cu > 80% en at., entre el 0,01 y el 20% en vol. de boro o una fase rica en boro con B > 50% en at. y, a elección, por uno o varios de los componentes de la estructura del grupo compuesto de boro y carbono, fase rica en plata, carbono amorfo, situándose el contenido del compuesto de boro y carbono entre el 0,001 y el 5% en vol., de la fase rica en plata entre el 0,01 y el 10% en vol. y del carbono amorfo entre el 0,01 y el 5% en vol. - 2. Componente según la reivindicación 1, caracterizado porque el cristal mixto rico en cobre contiene entre el 0,005 y el 0,3% en at. de boro.
- 3. Componente según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el compuesto de boro y carbono está formado en su mayor parte o exclusivamente mediante la reacción de boro con el carbono del diamante.
- 4. Componente según la reivindicación 3, caracterizado porque el compuesto de boro y carbono se presenta como capa que recubre la superficie de los granos de diamante en al menos un 60%.
- 5. Componente según la reivindicación 4, caracterizado porque el grosor de la capa de boro y carbono es de 1 a 50 nm.
- 6. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cristal mixto de cobre contiene entre el 0,01 y el 5% en at. de plata.
- 7. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tamaño medio de grano de diamante está situado entre 50 y 300 \mum.
- 8. Componente según la reivindicación 7, caracterizado porque el tamaño de grano medio de diamante está situado entre 100 y 200 \mum.
- 9. Componente según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el tamaño del grano de diamante está distribuido de forma bimodal con un primer máximo de distribución situado entre 20 y 40 \mum y un segundo máximo de distribución entre 130 y 250 \mum.
- 10. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material compuesto contiene entre el 0,005 y el 1% en vol. de un compuesto de boro y carbono.
- 11. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material compuesto contiene entre el 15 y el 40% en vol. de cobre o un cristal mixto rico en cobre con Cu > 90% en at.
- 12. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material compuesto contiene entre el 0,2 y el 10% en vol. de boro o una fase rica en boro con B > 90% en at.
- 13. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo está aplicado un recubrimiento metálico, que está formado por Ni, Cu, Au, Ag o una aleación de estos metales.
- 14. Componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un marco cerámico está unido por soldadura al mismo.
- 15. Procedimiento para la fabricación de un componente según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procedimiento comprende al menos las siguientes etapas de procedimiento:
- -
- conformación sin presión o apoyada por presión de un precursor que contiene granos de diamante de un tamaño medio de grano entre 100 y 300 \mum y opcionalmente una aleación de Cu y B y/o aglutinante, situándose la parte de diamante respecto al volumen total del precursor después de la etapa de conformación entre el 40 y el 90%;
- -
- calentamiento sin presión o apoyado por presión del precursor y de una aleación de un material de infiltración que contiene Cu y B a una temperatura por encima de la temperatura de liquidus de la aleación de infiltración que contiene Cu y B, aunque debe ser menor de 1100ºC, produciéndose una infiltración de la aleación de infiltración en el precursor y rellenándose los espacios de los poros del precursor al menos en un 97%.
- 16. Procedimiento para la fabricación de un componente según las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el procedimiento comprende al menos las siguientes etapas de procedimiento:
- -
- mezcla o molienda de un precursor que está formado al menos por granos de diamante y una aleación de infiltración que contiene Cu y B;
\global\parskip1.000000\baselineskip
- -
- llenado de una matriz de una prensa en caliente con el precursor, calentamiento a la temperatura T, con 500ºC < T < 1100ºC, y prensado en caliente del precursor.
- 17. Procedimiento según la reivindicación 15 ó 16, caracterizado porque para la infiltración se usa una aleación de Cu-B eutéctica o casi eutéctica, encontrándose entre las aleaciones casi eutécticas las que tienen una temperatura de liquidus < 1050ºC.
- 18. Uso de un componente según una de las reivindicaciones 1 a 14 como sumidero de calor para componentes semiconductores.
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