JP2003031731A - セラミックス基板、その製造方法およびセラミックス回路基板 - Google Patents
セラミックス基板、その製造方法およびセラミックス回路基板Info
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Abstract
ックス基板を提供する。 【解決手段】 セラミックス基板の少なくとも一つの側
面に実質的に凸状の段差があることを特徴とするセラミ
ックス基板、セラミックス焼結体をこのセラミックス焼
結体に形成されたブレイク溝に沿って分割することによ
って得られたセラミックス基板であって、このセラミッ
クス基板の少なくとも1つの側面に、前記ブレイク溝に
由来する切欠き部がこの側面の上端部および下端部に形
成されているものであることを特徴とするセラミックス
基板、およびこのセラミックス基板の製造法、ならびに
上記セラミックス基板上に金属回路層が設けられてなる
ものであることを特徴とするセラミックス回路基板。
Description
およびその製造方法ならびにセラミックス回路基板に関
するものである。
路層が設けられた回路基板が広く使用されている。特
に、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、アルミナ
とジルコニアなどの化合物を主成分とするセラミックス
焼結体からなる基板上に、銅、アルミニウム等の金属板
を設けたセラミックス回路基板は、優れた電気絶縁性、
放熱性あるいは機械的強度を有していることから、例え
ばパワートランジスタ等の電子部品を実装したモジュー
ル基板等に用いられている。
る際のコスト抑制および小型基板製造のための一つの方
法として、大型のセラミックス焼結体を得、それを複数
個に分割する方法(所謂「多数個取り」と称される方
法)がある。例えば、グリーンシートと呼ばれるセラミ
ックス成形体にブレイク溝を形成し、これを焼結してセ
ラミックス焼結体を作製し、このブレイク溝に沿って前
記セラミックス焼結体を分割する方法、あるいはセラミ
ックス焼結体を作製し、次いでこのセラミックス焼結体
にブレイク溝を形成し、その後このブレイク溝に沿って
前記セラミックス焼結体を分割する方法によって、多数
個取りが行われている。
めには、セラミックス焼結体の表面に、分割を容易に行
なうためのブレイク溝が形成されている必要がある。従
来から、ブレイク溝としては、ナイフカッター等の冶具
によりライン状に溝を設ける方法(スクライブライン
型)や、レーザー加工法などにより小さな穴を連続的に
設ける方法(スクライブドット型)などがあるが、いず
れの方法においてもブレイク溝はセラミックス基板の片
面のみに成形されるのが一般的であった。
ミックス基板にバリが発生したり、ブレイク不良により
所望の大きさ及び形状のセラミックス基板が得られ難い
等の問題がある。このことからブレイク溝は深い方がセ
ラミックス基板の分割操作が容易となり良好な分割断面
を得ることができると言える。しかし、深いブレイク溝
を形成することは、時間やコストの増大につながり、ま
た分割前のセラミックス成形体の取り扱いが難しくなる
ことがあってハンドリング性の点で満足できるものとは
言えなかった。例えば、セラミックス焼結体にブレイク
溝を形成する際は一般的にレーザー加工あるいはナイフ
カッター加工がなされるが、これらによって深いブレイ
ク溝を形成することは時間やコストの点で不利である。
また、グリーンシートにブレイク溝を形成する場合に
は、ハンドリング性が著しく悪化してシート取扱い中に
シートが変形ないし分断してしまったり、その後の焼結
工程において割れが発生してしまうことが考えられる。
特に厚いセラミックス基板の場合、上記問題は顕著にな
る。
解決するものであって、基板の両面に適度のブレイク溝
を形成することにより、ハンドリング性およびバリの発
生がない優れた分割性に優れたセラミックス基板を提供
するものである。
板は、セラミックス基板の少なくとも一つの側面に実質
的に凸状の段差があること、を特徴とするものである。
クス基板は、セラミックス焼結体をこのセラミックス焼
結体に形成されたブレイク溝に沿って分割することによ
って得られたセラミックス基板であって、このセラミッ
クス基板の少なくとも1つの側面に、前記ブレイク溝に
由来する切欠き部がこの側面の上端部および下端部に形
成されているものであること、を特徴とするものであ
る。
板は、上記のセラミックス基板上に、金属板が設けられ
てなるものであること、を特徴とするものである。
造方法は、シート状のセラミックス成形体にブレイク溝
を形成した後、これを焼結してセラミックス焼結体を作
製し、このブレイク溝に沿って前記セラミックス焼結体
を分割してセラミックス基板を製造する方法であって、
前記ブレイク溝を前記セラミック成形体の上面および下
面に形成すること、を特徴とするものである。
製造方法は、シート状のセラミックス成形体を焼結して
セラミックス焼結体を作製し、次いでこのセラミックス
焼結体の焼結前または焼結後にブレイク溝を形成し、そ
の後このブレイク溝に沿って前記セラミックス焼結体を
分割してセラミックス基板を製造する方法であって、前
記ブレイク溝を前記セラミックス焼結体の上面および下
面に形成すること、を特徴とするものである。
は、セラミックス焼結体をこのセラミックス焼結体に形
成されたブレイク溝に沿って分割することによって得ら
れたセラミックス基板であって、このセラミックス基板
の少なくとも1つの側面に、前記ブレイク溝に由来する
切欠き部がこの側面の上端部および下端部に形成されて
いるものであること、を特徴とするものである。
の切欠き部が設けられている側面は、多数個取りの際の
分割によって形成されたものである。よって、セラミッ
クス基板の1つの側面のみが分割によって形成された場
合にはその1つの側面のみに、セラミックス基板の2側
面が分割によって形成された場合にはその2側面に、セ
ラミックス基板の3側面あるいは4側面が分割によって
形成された場合にはその3側面あるいは4側面に、切欠
き部を有するセラミックス基板が得られることになる。
ながら詳細に説明する。図1は、本発明によるセラミッ
クス基板の一例を示す断面図である。図1に示されるセ
ラミックス基板1の側面2には、分割のために形成され
たブレイク溝に由来する切欠き部イおよび切欠き部ロが
形成されている。本発明のセラミックス基板1は上端
部、下端部に切欠き部イおよび切欠き部ロがあることか
ら、少なくとも一つの側面においてその断面には実質的
に凸状の段差ができる。
おいて、横幅をA1、セラミックス基板の断面方向への
長さをB1とし、側面2の上端部に形成された切欠き部
ロにおいて、横幅をA2、セラミックス基板の断面方向
への長さをB2とする。
ブレイク溝が基板に対し直角に形成された場合、横幅A
2はブレイク溝のほぼ半分の大きさとなり、切欠き部ロ
のセラミックス基板の断面方向への長さB2は、ブレイ
ク溝の深さにほぼ相当する。この切欠き部は、分割のた
めに形成されたブレイク溝に由来しており、この切欠き
部の表面はブレイク溝の溝内壁面の片側の表面に対応す
るものであることから、上記の通りに、横幅A2はブレ
イク溝のほぼ半分の大きさであり、切欠き部ロのセラミ
ックス基板の断面方向への長さB2はブレイク溝の深さ
にほぼ相当することになる。同様に切欠き部イでも、横
幅A1はブレイク溝のほぼ半分の大きさであり、切欠き
部イのセラミックス基板の断面方向への長さB1は、ブ
レイク溝の深さにほぼ相当している。また、切欠き部ロ
および切欠き部イの形状は、ブレイク溝の形状にほぼ相
当している。
切欠き部がブレイク溝に由来するか否かは、切欠き部の
表面粗さ(Ra)と、切欠き部でない側面部の表面粗さ
(Ra)が異なっていることから判別可能である。例え
ば、切欠き部は焼結前または焼結後に設けるものである
のに対し、切欠き部でない側面部は分割した破断面の形
状がそのまま残るか、あるいは側面を研磨することにな
るので切欠き部の表面粗さ(Ra)とは異なったものと
なる。
Tで示めされている。セラミックス基板の厚さTはセラ
ミックス基板の具体的用途や目的によって異なるが、本
発明においては、比較的厚さが厚いセラミックス基板、
特にTが0.6〜2.0mmである場合に効果的であ
る。
と薄い場合は、片面のみにブレイク溝を設ける形態であ
っても十分に分割が容易である。一方、厚さが2.0m
mを超えるとセラミックス基板の強度が大きいことから
両面にブレイク溝を設けたとしても分割し難く、ブレイ
ク不良を起こし易い。厚さが2.0mmを超える場合
は、多数個取りを行わない方が好ましい。
方向への長さがB2と、切欠き部イのセラミックス基板
の断面方向への長さがB1との総和は、セラミックス基
板の厚さTの1/2以下であることが好ましく、また1
/4以上であることが好ましい[(1/4)T≦(B1
+B2)≦(1/2)T]。B1とB2との総和がTの
1/2を超える場合には、ハンドリング性が悪くこのセ
ラミックス基板を安定して分割することが困難になる。
また、B1とB2との総和がTの1/4を未満の場合
は、分割に大きな力が必要となり、また分割の際にバリ
が発生したり、所望の大きさおよび形状のセラミックス
基板が得られ難い等の問題が生じる。
の長さB2とB1とは同一であっても異なっていても良
い。
幅A2とA1とは同一であっても異なっていても良い。
方法によって異なるが、本発明では、それぞれ0.01
〜0.3mmの範囲内が好ましい。横幅A2と横幅A1
は、セラミックス焼結体にブレイク溝をナイフカッター
で形成するときは、0.01〜0.05mm程度であ
り、レーザー加工により形成するときは通常0.1〜
0.5mm程度が好ましい。グリーンシート(セラミッ
クス成形体)にブレイク溝を形成するときは焼結後の成
形体の収縮を考慮して、0.05〜0.1mm程度であ
ることが好ましい。
その側面の少なくとも一部分において所定の切欠き部が
形成されていれば良い。従って、切欠き部イおよび切欠
き部ロがセラミックス基板の側面の端部から端部まで連
続して一様に設けられているもののみに限定されない。
例えばレーザー照射を基板の両面に対して断続的に行
い、多数のスポット状(ドット状)のレーザー加工孔が
連続するように形成した後、分割することによって形成
された側面形状のセラミックス基板も、本発明は包含す
るものである。
から一般的に用いられている各種のセラミックス基板材
料から形成することができる。例えば、好ましくは窒化
アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナと
ジルコニアの化合物の少なくとも1種を主成分とする基
板材料から形成することができる。このうち、熱伝導性
の観点からは窒化アルミニウムを主体とする基板材料か
ら形成されたものが好ましく、強度等の観点からは窒化
珪素を主体とする基板材料から形成されたものが好まし
い。このようなセラミックス基板材料は、必要に応じ、
焼結助剤として各種の希土類化合物、好ましくは例えば
イットリウム、イッテルビウム、エルビウム、セリウム
の酸化物等を含有することができる。本発明において特
に好ましい希土類化合物の種類およびその添加量は、セ
ラミックス基板材料の種類、セラミックス回路基板の要
求性能等に応じて決定することができる。例えば、窒化
アルミニウムを主成分とし、特に熱伝導性が高いセラミ
ックス基板を得る場合には、焼結助剤として酸化イット
リウムを2〜5質量%使用することが好ましい。例え
ば、窒化珪素を主成分とし、特に機械的特性が高いセラ
ミックス基板を得る場合には、焼結助剤として酸化イッ
トリウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウムの少な
くとも1種以上を合計で2〜17質量%使用することが
好ましい。
土類化合物であっても所定の特性が得られるものである
が、複数の焼結助剤を組合せたものを排除するものでな
いことは言うまでもない。また、必要に応じ、Ti,H
f,Zr,W,Mo,Crの金属元素や化合物等の黒色
化材を添加してもよい。
の混合は常法に従って行うことができる。本発明では、
例えばボールミル等を使用して前記のセラミックス原料
粉末と焼結助剤等との混合を行うことができる。混合に
際しては、必要に応じて、各種の補助材料を配合するこ
とができる。本発明では、この種のセラミックス基板の
製造において従来から使用されてきた補助材料、例えば
バインダーとして作用する各種の炭素質物質、を配合す
ることができる。そのような炭素質物質の好ましい具体
例としては、アクリル樹脂等の有機物バインダーを挙げ
ることができる。
末および必要に応じて配合された補助材料の混合物は、
その後、例えば汎用の金型プレス法やドクターブレード
法等によってシート状に成形される。
方法によって製造することができる。好ましくは、例え
ばシート状のセラミックス成形体(グリーンシート)に
ブレイク溝を形成した後、これを焼結してセラミックス
焼結体を作製し、このブレイク溝に沿って前記セラミッ
クス焼結体を分割してセラミックス基板を製造する方法
であって、前記ブレイク溝を前記セラミック成形体の上
面および下面に形成することによって製造することがで
きる。
焼結してセラミックス焼結体を作製し、次いでこのセラ
ミックス焼結体にブレイク溝を形成し、その後このブレ
イク溝に沿って前記セラミックス焼結体を分割してセラ
ミックス基板を製造する方法であって、前記ブレイク溝
を前記セラミックス焼結体の上面および下面に形成する
ことによって製造することができる。前記ブレイク溝の
形状は任意である。例えば断面が実質的にV字型または
U字型を例示することができる。
工程に付された後、焼結される。脱脂工程は、例えば3
00〜800℃×0.5〜5時間が好ましい。脱脂工程
の温度や処理時間はセラミックス基板のサイズおよび種
類等に応じて適宜選択することができる。焼結温度は、
好ましくは1600〜1950℃の範囲内である。焼結
時間は、好ましくは0.5〜10時間の範囲内である。
焼結温度および焼結時間は、成形体の形状、大きさ、成
形体の密度、焼成体の強度、硬度、具体的用途や、焼結
温度及び焼結時間との関連性を考慮したうえで、上記範
囲内で最も適切な条件を具体的に定めることができる。
結体は、所定の大きさおよび形状に分割することができ
る。セラミックス焼結体の分割は、グリーンシートの段
階でブレイク溝が成形されたものである場合にはそのブ
レイク溝に沿って応力を印加することによって行うこと
ができる。ブレイク溝が未だ形成されていない場合は、
例えばレーザー加工等によってセラミックス焼結体に線
状ないし点状にブレイク溝を形成し、これに沿って応力
を印加することによって分割することができる。このよ
うにして、本発明によるセラミックス基板を製造するこ
とができる。
片面または両面の少なくとも一部に金属板を設けること
ができる。この金属板は、基板上に所望の電気回路が形
成されるようにパターン化されたものであっても良い。
このような電気回路が形成されるように金属板が設けら
れてなるセラミックス基板は、本発明の特に好ましい一
具体例である。ここで、セラミックス焼結体の分割と金
属板の設置(金属板の形成ないし積層)は、どちらを先
に行っても良い。即ち、金属板を設置した後に分割する
こともできるし、分割した後に金属板を設置することも
できる。また、金属板の設置を複数回に分け、一部の回
路を形成した後に分割しその後残りの回路を設置するよ
うにすることもできる。
場合、基板の断面方向への長さが短い切欠き部の方へ金
属回路板を設けるのが好ましい。即ち、B2<B1の場
合、基板の断面方向の長さが短い切欠き部(ロ)の方へ
金属回路板を設けるのが好ましい。
たものを使用することができる。本発明では、銅、アル
ミニウム、銀、金、ニッケル、クロム、亜鉛、鉛、錫、
白金、および上記いずれかの金属化合物から形成された
金属を使用することができる。上記の中でも、特に銅、
アルミニウムの少なくとも1種を主成分とする金属から
形成された金属板を使用することが好ましい。
性金属法および直接接合法によって行うことができる。
また、金属板を接合させる形態以外にも、ペーストを用
いた厚膜法やスパッタ等を用いた薄膜法によって回路を
形成することも可能である。
およびセラミック回路基板は、優れた機械的強度および
形状安定性を備えておりかつ製造時のハンドリング性も
良好であることから、数々の用途に適したものである。
特にパワートランジスタ等の電子部品を実装したモジュ
ール基板に適したものである。
とし、焼結助剤として酸化イットリウムを4質量%添加
したものをセラミックス原料として用い、これを焼結し
て表1に示されるセラミックス焼結体を作製した。この
セラミックス焼結体の両面に、表1に示されるようにブ
レイク溝を形成した。このブレイク溝に沿って上記セラ
ミックス分割して多個取りを行った。分割後のセラミッ
クス基板の大きさは10mm×20mmに、多個取り個
数は16個(4×4個)に統一した。
フカッター法」はセラミックス成形体にナイフカッター
等の冶具でスクライブラインを設けたものであり、「レ
ーザー法」はセラミックス焼結体にレーザー加工により
スクライブドットを設ける方法である。また、本実施例
においてはナイフカッターにより形成されたスクライブ
溝の断面はU字型、レーザー加工により形成されたスク
ライブ溝の断面はV字型とした。
意し、上記と同じ条件にて分割したときの結果から、ブ
レイク不良率(100枚のセラミックス焼結体のうちブ
レイク不良が発生したセラミックス基板の数の割合)を
判定した。結果は、表1に示される通りであった。
分とし、焼結助剤として酸化イットリウムを3質量%添
加したものをセラミックス原料として用い、これを焼結
して表1に示されるセラミックス焼結体を作製した。こ
のセラミックス焼結体の両面に、表1に示されるように
ブレイク溝を形成した。実施例1と同様に多個取りおよ
び分割し、同様にブレイク不良率を判定した。結果は、
表1に示される通りであった。
焼結助剤として酸化イットリウムを4質量%、酸化エル
ビウムを3質量%、酸化チタンを1質量%添加したもの
をセラミックス原料として用い、これを焼結して表1に
示されるセラミックス焼結体を作製した。このセラミッ
クス焼結体の両面に、表1に示されるようにブレイク溝
を形成した。実施例1と同様に多個取りおよび分割し、
同様にブレイク不良率を判定した。結果は、表1に示さ
れる通りであった。
分とし、焼結助剤として酸化イットリウムを5質量%添
加したものをセラミックス原料として用い、これを焼結
して表1に示されるセラミックス焼結体を作製した。こ
のセラミックス焼結体の両面に、表1に示されるように
両面にブレイク溝を形成した。実施例1と同様に多個取
りおよび分割し、同様にブレイク不良率を判定した。結
果は、表1に示される通りであった。
みにブレイク溝を形成したこと以外は、実施例1と同様
にして多個取りおよび分割し、同様にブレイク不良率お
よび三点曲げ強度を判定した。結果は、表1に示される
通りであった。
は、ブレイク不良率が低減したものである。これに対
し、比較例1のセラミックス基板はブレイク不良率が高
いことが確認された。
分とし、焼結助剤として酸化イットリウムを3質量%添
加したものをセラミックス原料として用い、これを焼結
して表2に示されるセラミックス焼結体を作製した。こ
のセラミックス焼結体の両面に、表2に示されるように
ブレイク溝を形成した。実施例1と同様に多個取りおよ
び分割し、ブレイク不良率およびハンドリング性を判定
した。ここで、ハンドリング性の評価は、脱脂または焼
結工程において割れや欠けが発生したサンプルの割合
(%)を求めることによって評価した(全サンプル数は
100)。結果は、表2に示される通りであった。
面方向への長さB1、B2が大きくなる程、ブレイク不
良率が低下することが分かる。しかし、B1、B2が大
きくなる程、脱脂および焼結時の割れ率が高くなり、ハ
ンドリング性が低下することが判明した。これはB1、
B2を大きくすることにより成形体または焼結体のブレ
イク溝形成部の強度が低下したためであり、焼結時のセ
ラミックス成形体の収縮や、脱脂または焼結工程でのセ
ラミックス成形体の搬送中にセラミックス成形体が破損
したものと考えられる。
および比較例1のセラミックス基板の片面(即ち、切欠
き部ロ(A2、B2)側)に、金属回路板(この金属回
路板は、横2mm×縦10mm×厚さ0.3mmの2枚
の銅板からなっている)を設けて、表3に示されるセラ
ミックス回路基板を製造した。セラミックス基板の金属
回路板を設けていない面(即ち、切欠き部ロ(A1、B
1)側)には、反り防止のために横8mm×縦10mm
×厚さ0.3mmの銅板を接合した。
価した。TCT特性は、−40℃×30分→25℃×1
0分→125℃×10分→25℃×10分を1サイクル
として、100サイクル後のセラミックス基板のクラッ
クの有無を確認することによって評価した。結果は、表
3に示される通りであった。
比較例1と同サイズとし、ブレイク溝を設けないで製造
する基板を用意した。
wt%Ag-27wt%Cu-3wt%Tiろう材を用いて800〜880℃
で熱処理を行うことにより接合したものである。また、
直接接合法は銅板をセラミックス基板に接触させ106
5〜1083℃で熱処理を行い銅と酸素の共晶体を生成
させることにより接合したものである。なお、窒化アル
ミニウム基板に対し、直接接合法を行う場合には表面に
厚さ1μmの酸化アルミニウム膜を形成した後に行った
ものである。
−1のセラミックス基板は、TCT試験において多数個
取りを行わない方法で製造された比較例6−2と同等の
優れた特性を示すことが確認された。また、比較例6−
1はTCT試験後にクラックが発生していることが確認
された。これは分割した際にブレイク溝を設けていない
側の面の端部にバリや微小クラックが発生してしまい部
分的に強度が低下したためであると考えられる。
を主成分とするセラミックス原料として使用し、表4に
示されるように、基板厚さが異なるセラミックス基板を
製造し、基板厚さに違いによるブレイク不良率およびハ
ンドリング性を評価した。結果は、表4に示される通り
である。
な厚さ0.6〜2.0mmのセラミックス基板に有効で
ある。基板厚さが0.6mm未満では両面にブレイク溝
を設ける効果が小さい。一方、基板厚さが2.0mmを
超えるとセラミックス基板のブレイク不良率が増加す
る。これは、セラミックス基板を構成するセラミックス
焼結体の強度が高いために厚い焼結体を分割するのが困
難なためである。言い換えれば、本発明の両面にブレイ
ク溝を設けるセラミックス基板は基板厚さが0.6〜
2.0mmのものに特に効果的であると言える。
でバリ等の発生を抑制でき、分割性に優れたセラミック
ス基板を得ることができる。
Claims (9)
- 【請求項1】セラミックス基板の少なくとも一つの側面
に実質的に凸状の段差があることを特徴とするセラミッ
クス基板。 - 【請求項2】セラミックス焼結体をこのセラミックス焼
結体に形成されたブレイク溝に沿って分割することによ
って得られたセラミックス基板であって、このセラミッ
クス基板の少なくとも1つの側面に、前記ブレイク溝に
由来する切欠き部がこの側面の上端部および下端部に形
成されているものであることを特徴とするセラミックス
基板。 - 【請求項3】前記セラミックス基板の側面の上端部に形
成された切欠き部のセラミックス基板の断面方向への長
さと、下端部に形成された切欠き部のセラミックス基板
の断面方向への長さとが異なることを特徴とする請求項
2記載のセラミックス基板。 - 【請求項4】前記セラミックス基板の側面の上端部に形
成された切欠き部のセラミックス基板の断面方向への長
さと、下端部に形成された切欠き部のセラミックス基板
の断面方向への長さとの総和が、セラミックス基板の厚
さの1/2以下であることを特徴とする請求項2または
請求項3に記載のセラミックス基板。 - 【請求項5】前記セラミックス基板が、厚さ0.6〜
2.0mmのものであることを特徴とする請求項2乃至
4のいずれか1項に記載のセラミックス基板。 - 【請求項6】前記請求項1乃至請求項5のいずれか1項
に記載のセラミックス基板上に、金属板が設けられてな
るものであることを特徴とする、セラミックス回路基
板。 - 【請求項7】シート状のセラミックス成形体にブレイク
溝を形成した後、これを焼結してセラミックス焼結体を
作製し、このブレイク溝に沿って前記セラミックス焼結
体を分割してセラミックス基板を製造する方法であっ
て、前記ブレイク溝を前記セラミック成形体の上面およ
び下面に形成することを特徴とする、セラミックス基板
の製造方法。 - 【請求項8】シート状のセラミックス成形体を焼結して
セラミックス焼結体を作製し、次いでこのセラミックス
焼結体にブレイク溝を形成し、その後このブレイク溝に
沿って前記セラミックス焼結体を分割してセラミックス
基板を製造する方法であって、前記ブレイク溝を前記セ
ラミックス焼結体の上面および下面に形成することを特
徴とする、セラミックス基板の製造方法。 - 【請求項9】前記ブレイク溝が、V字型、U字型のいず
れかの形状のものであることを特徴とする、請求項7ま
たは請求項8に記載のセラミックス基板の製造方法。
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Cited By (3)
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