JP2004311538A - Semiconductor device - Google Patents
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- H01L2924/13055—Insulated gate bipolar transistor [IGBT]
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高耐圧・大電流の半導体モジュールの電気特性向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
絶縁基板上に接合されたパワー半導体チップを有する半導体モジュールとしては、例えば特許文献1〜4に開示されたものがある。
【0003】
【特許文献1】
特開平7―94673号公報(図3)
【特許文献2】
特開2000―26251号公報(図1)
【特許文献3】
特開平8―8395号公報(図1)
【特許文献4】
特開平5―160339号公報(図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
モジュール内部の配線インダクタンスとIGBTチップの出力容量との関係により、任意の条件で、高周波振動と呼ばれる共振現象が発生することがある。この高周波振動と呼ばれる電磁ノイズは、情報通信機器の動作障害を引き起こす可能性がある。従って、出来る限り、配線インダクタンスを低減することが求められる。この観点から見た場合、上記特許文献1〜4に開示されている構造では十分とは言えない。
【0005】
そこで、本発明は、上記問題点を低減するための、より好ましい構造を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ゲート配線パターンと第1主電極とが形成された第1主表面及び前記第1主表面に対向し且つ第2主電極が形成された第2主表面を有するパワー半導体チップを樹脂ケース内に組込んでモジュール化して成る半導体装置であって、前記パワー半導体チップは、前記ゲート配線パターンのみを被覆する様に前記第1主表面上に形成された絶縁層と、前記第1主電極及び前記絶縁層を共に被覆する様に前記第1主表面上に形成されたメタル層とを更に有しており、外部接続主回路端子の他端が前記樹脂ケースに支持されており、しかも、前記外部接続主回路端子の一端面は、全面的に、前記メタル層の上面に直接的に面接合されていることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係る半導体モジュールに用いられるベース板1を示す上面図であり、図2は、樹脂ケース(符号100は同ケースの外枠を示す)の裏面からベース板1を眺めた際の、第1外部接続主回路端子(以下、単に第1主回路端子と称す)5B1,5B2及び第2外部接続主回路端子(以下、単に第2主回路端子と称す)5Aの位置関係を模式的に示す裏面図である。両図1,2に示す通り、第1主回路端子5B1,5B2は、パワー半導体チップ3A,3Bの第1主表面上に形成されている第1主電極(エミッタ電極、アノード電極:図示せず)に、直接に接続している。この点は、本実施の形態の中核部であるため、図2のA部の拡大図である図3に基づいて後述する。又、第2主回路端子5Aは、絶縁メタライズ基板2Aの上面上に形成されている電極パターン2APに、直接に接続している。尚、IGBTチップ3Aの裏面(第2主表面)上に形成されているコレクタ電極(図示せず)及びフリーホイールダイオード3Bの裏面(第2主表面)上に形成されているカソード電極(第2主電極:図示せず)は、共に電極パターン2APと半田付けされている。
【0008】
ベース板1は、例えばCu又はAlSiC又はCu−Moの材料より成る金属板であり、その表面にはNiメッキが施されており、しかも、絶縁メタライズ基板2Aがその上に搭載される上側表面には、位置決め用として、レジストが塗布されている。
【0009】
絶縁メタライズ基板2Aは、例えば0.635mm厚みのAlN基板から成り、AlN基板の両面には、厚み0.1〜0.35mm程度の銅板が、活性金属法又はダイレクトボンディング法で以って接合されている。そして、当該銅板の表面はNiメッキされている。Niメッキ面の内で、上側表面が、その上に半導体チップ3A,3Bが搭載される電極パターン2APに該当する。しかも、電極パターン2AP上には、各チップの位置決め用のレジストが塗布されている。これに対して、Niメッキ面の下側表面は、ベース板1の上側表面に半田付けされている。
【0010】
パワー半導体チップ(IGBTチップ)3Aは、シリコン基板内に複数のIGBTセグメントを有しており、しかも、エミッタ電極(第1主電極)と隣り合うエミッタ電極を分割する様に配設されるゲート配線パターン3AG(図3)とが形成された第1主表面3AS1(図3)、及び、第1主表面3AS1に対向し且つコレクタ電極(第2主電極)が形成された第2主表面3AS2(図3)を有する。又、既述した通り、パワー半導体チップ(ダイオードチップ)3Bは、アノード電極が形成された第1主表面と、カソード電極が形成された第2主表面とを有する。
【0011】
又、樹脂ケースは、ベース板1に、ネジ又はシリコンゴムで固着されている。これにより、絶縁メタライズ基板2A、パワー半導体チップ3A,3B及びIGBTチップ用ドライバ基板2Cは、樹脂ケース及びベース板1で形成される内部空間内に、囲まれる態様で以って組込まれている。そして、ケース開口部(図示せず)より、パワー半導体チップ3A,3Bの全面を保護し得る高さまで、シリコンゲル(図示せず)が注入され且つベーキングされている。
【0012】
図3は、IGBTチップ用の第1主回路端子5B1とIGBTチップ3Aとの接合状態を示す図であり、この内、(B)は上面図、(A)は線I−Iに関する縦断面図、(C)は線II−IIに関する縦断面図である。
【0013】
図3に示す様に、IGBTチップ3Aは、▲1▼第1主表面3AS1上の活性領域3AR内に形成された各ゲート配線パターン3AGのみを、ゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部を除いて、全て被覆・絶縁する様に、第1主表面3AS1上に形成された絶縁層17と、▲2▼ゲートパッド領域GPRを除いて、活性領域3AR内の全ての第1主電極(図示せず)及び絶縁層17の上面を共に被覆する様に、第1主表面3AS1上に形成されたメタル層(例えばアルミニウム膜)10とを、有している。尚、露出したゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部は、図示しない端子に、ボンディングされたワイヤー18によって接続される。
【0014】
又、IGBTチップ用第1主回路端子5B1の他端は、図示しないけれども、樹脂ケースに支持されており、当該他端からIGBTチップ3Aの直上にまで延在形成されて成る一端部5BEは、活性領域3AR内に含まれる寸法の、しかも、平滑(フラット)な一端面(底面)5BESを有している。
【0015】
そして、第1主回路端子5B1の一端面5BESの全面は、圧接又は接着剤との固着により、メタル層10の上面に直接的に面接合される。これにより、メタル層10を介して、且つ、各ゲート配線パターン3AGとの短絡状態を生じさせることなく、第1主回路端子5B1とIGBTチップ3Aの第1主電極(エミッタ電極)との電気的接触ないしは導通が実現される。この場合、互いにフラットな面同士で両部5BES,10が面接触することで両部間の配線が確保されているので、図1の領域2Bにおいて第1主回路端子とのワイヤボンディングを行っていた従来の場合と較べて飛躍的に配線インダクタンスを低下させることが出来るし、しかも、特許文献1の様な凹凸形状を設けて凸部との局所的接触を行う場合と比較しても、より接触面積を増大させてより一層の配線インダクタンスの低下を実現させることが出来る点で、本実施の形態の構造は有益である。
【0016】
しかも、本実施の形態によれば、第1主回路端子5B1とIGBTチップ3Aとの接触面積増大化により、通電時の放熱特性の向上化も見込まれる。更に、一端部5BEは簡易な形状をしているので、第1主回路端子5B1の製造コストの低減化をも期待出来る。そして、第1主回路端子5B1と各ゲート配線パターン3AGとの短絡状態を生じさせることが無い点で、モジュールの信頼性を高めることが出来る。又、本実施の形態は、装置の小型化にも寄与し得る。
【0017】
尚、絶縁層17及びその上のメタル層10を、少なくとも第1主回路端子5B1の一端面5BESとの当接エリア(一端面5BESの面積分)にのみ設けることとしても良い。
【0018】
(実施の形態2)
本実施の形態は実施の形態1の改良に関しており、その特徴点は、実施の形態1における第1主回路端子5B1にゲート接続端子11(図4)を設けて、ゲートパッド領域GPRにおけるワイヤー18のボンディングを不要とすることで、更に一層の配線インダクタンスの低減化を図る点にある。そこで、以下では、相違点についてのみ図面に基づき記載することとし、共通部材の説明については実施の形態1の記載を援用する。
【0019】
図4は、ゲート接続端子11付きのIGBTチップ用第1主回路端子5B1とIGBTチップ3Aとの接合状態を示す図である。この内、(B)は上面図であり、(A)は線I−Iに関する縦断面図、(C)は線III−IIIに関して紙面に垂直な面で分断したときの縦断面図である。又、図5は、図4の(C)のB部におけるゲート接続端子11の内部構造を拡大して示す縦断面図である。更に、図6は、第1主回路端子5B1の中間部ないしは延在部5BIにおける中空構造を示す図であり、図4(C)中の線IV−IVに関して紙面に垂直な面で分断したときの横断面図に該当する。尚、図6の環状絶縁体19の存在は任意である。
【0020】
図4〜図6に示す通り、ゲート配線パターン3AGの一部、即ち、各パターン3AGに繋がっているゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部の上面は、絶縁層17で被覆されずに、外部に露出している。この点は、実施の形態1と同じである。そして、第1主回路端子5B1の樹脂ケース側の他端(図示せず)と一端面5BESないしは一端部5BEとを繋いでいる中間部(延在部)5BIの一部(一端部5BE寄側の接合部分5BJPから、L字型の縦断面形状を有するゲート接続端子11が、ゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部の上面直上に向けて延在している。このゲート接続端子11の本体部は筒状の絶縁物15であり、筒状絶縁物15の先端部15Eにおける開口には、円柱状のメタル12が挿入されている。そして、このメタル12の一端面(ゲート電極接続面)12S1は、ゲートパッド領域GPRにおける、ゲート配線パターン3AGの露出上面部3AGESに直接的に、例えば圧接によって、面接合(面接触)されている。
【0021】
しかも、ゲート接続端子11の筒状絶縁物15の内部空間内には、メタル12に押圧(弾性力)を印加するためのスプリング13、及び、メタル12の押圧を受ける他端面12S2に接合された一端を有する電線16が、内蔵されている。加えて、従来のモジュールにおいては図1のドライバ基板2C内に配設されていたゲート抵抗14が、筒状絶縁物15の内部空間内における電線16の延在途中に、配設されている。
【0022】
しかも、第1主回路端子5B1の内で、少なくとも、その他端から接合部分5BJPまでの中間部5BIは、筒状金属体である。そして、電線16は、筒状絶縁物15の空間内を延在して接合部分5BJPに至り、更に、第1主回路端子5B1の筒状金属体内に入り込んだ上で、第1主回路端子5B1の他端に向けて当該筒状金属体内を延在している。この場合、絶縁体19を介在させても良い。
【0023】
以上の構成により、次の効果が得られる。
【0024】
ゲートパッド領域GPRのゲート取出し電極部と外部端子との導通を、第1主回路端子5B1の内でゲート取出し電極部側に近い位置の箇所から延在させたゲート接続端子11とゲート取出し電極部との直接的な面接触によって実現している。このため、ゲートパッド領域GPRにおけるワイヤボンディングが不要となるので、実施の形態1で得られた、エッミタ電極側の導通箇所における配線インダクタンスの更なる低減化に加えて、ゲート電極側における配線インダクタンスをも一層低減化させることが出来る結果、高周波振動を飛躍的に抑止することが可能となる。勿論、実施の形態1と同様に、部品点数の削減化(図1のワイヤボンディング領域2Bの削除)及びケースの小型化をも図ることが出来る。
【0025】
加えて、ゲート抵抗14が筒状絶縁物15内の電線16の延在途中に配設されているので、図1のゲート抵抗用絶縁メタライズ基板2Cを削除することが可能となり、この削除により、部品点数の更なる低減化及びケースの小型化促進を実現することが出来る。しかも、ゲート抵抗14はゲートパッド領域GPRの直上近傍に設けられているので、ゲートドライバ基板側で生じる配線インダクタンスを低減化させることも可能となり、この点でモジュール全体の配線インダクタンスの低減化にも寄与し得る。又、従来のワイヤボンド配線構造の様にパワー半導体チップの配置が規制されることがないので、絶縁メタライズ基板上でのパワー半導体チップの配置の自由度が高まる(その結果、放熱効率の良い配置の選択が可能となる)と言う利点も、得られる。
【0026】
(実施の形態3)
本実施の形態も実施の形態1の改良に関しており、その特徴点を示す図面として、図7の断面図を提示する。図7に示される特徴点とは、実施の形態1におけるIGBTチップ3Aのワイヤー18に代えて、ゲートパッド領域GPRの上方からゲートパッド領域GPRに直接電気的に接触可能なゲート端子(金属体)5B3を追加配備する点にある。
【0027】
これにより、本実施の形態は、実施の形態1では必要であった部材、即ち、▲1▼ゲートパッド領域GPRと図1のドライバ基板2C上の電極とを繋げるワイヤー18と、▲2▼樹脂ケースの外部取出し端子にワイヤー接続された外部取出し電極部(図示せず)を有しているドライバ基板2Cとを、共に不用とするものである。
【0028】
ここでは、ゲート端子5B3の他端(図示せず)は、樹脂ケースの外部取出し端子(図示せず)に直接的に接合されて支持されており、同端子5B3の一端5B3Eにおける底面ないしは端面5B3ESは、ゲートパッド領域GPRの直上方において、上下動可能に配備されている。その上で、例えば、図7に例示されている通り、ゲートパッド領域GPR上に設けられたゲートパッド用メタル層10Aと、ゲート端子端面5B3ESとを、半田付けにより、互いに電気的且つ機械的に結合させる。あるいは、メタル層10Aを設けないで、ゲート端子端面5B3ESをゲートパッド領域GPRに直接的に(面)圧接することで、両部材5B3,GPR間の電気的且つ機械的な接触を実現しても良い。
【0029】
その他の点は、実施の形態1と同一である。
【0030】
以上の通り、その他端が樹脂ケースの外部取出し端子に支持されたゲート端子5B3の一端面5B3ESは、全面的に、ゲート配線パターンの露出部GPRに、直接的に又はメタル層10Aを介して、面接合されている。従って、本実施の形態によれば、ゲート端子5B3をゲートパッド領域GPRからその鉛直上方に向けて外部側取出し端子にまで取出しているので、電力用絶縁基板2Aに隣接配置されていたゲートドライブ基板自体を不用とすることが出来(当然の事ながら、そのためのワイヤーボンディングも不用となる)、実施の形態1に係る金属ベース板1よりも平面方向における寸法を小型化した金属ベース板1Aを提供出来ると言う利点が得られる。
【0031】
(付記)
以上、本発明の実施の形態を詳細に開示し記述したが、以上の記述は本発明の適用可能な局面を例示したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、記述した局面に対する様々な修正や変形例を、この発明の範囲から逸脱することの無い範囲内で考えることが可能である。
【0032】
【発明の効果】
本発明によれば、外部接続主回路端子の一端面は、全面的に、メタル層の上面に直接的に面接合されているので、外部接続主回路端子の一端面に凹凸構造を設ける場合よりも、より一層、配線インダクタンスを低減して高周波振動の発生抑止に寄与し得ると言う効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る半導体モジュールに用いられるベース板を示す上面図である。
【図2】樹脂ケースの裏面からベース板を眺めた際の、第1外部接続主回路端子及び第2外部接続主回路端子の位置関係を模式的に示す裏面図である。
【図3】IGBTチップ用第1主回路端子とIGBTチップとの接合状態を示す図である。
【図4】ゲート接続端子付きのIGBTチップ用第1主回路端子とIGBTチップとの接合状態を示す図である。
【図5】ゲート接続端子の構造を拡大して示す縦断面図である。
【図6】第1主回路端子の中間部における中空構造を示す横断面図である。
【図7】実施の形態3に係る、金属ベース板上のIGBTチップとゲート端子との接触関係を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
1 ベース基板、2A 絶縁メタライズ基板、3A IGBTチップ、5B1 IGBTチップ用第1外部接続主回路端子、5A 第2外部接続主回路端子、10 メタル層、12 メタル、14 ゲート抵抗、15 筒状絶縁物、16 電線、17 絶縁層、5B3 ゲート端子。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to improving the electrical characteristics of a high withstand voltage and high current semiconductor module.
[0002]
[Prior art]
As a semiconductor module having a power semiconductor chip bonded on an insulating substrate, there are, for example, those disclosed in
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-7-94673 (FIG. 3)
[Patent Document 2]
JP 2000-26251 A (FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-8-8395 (FIG. 1)
[Patent Document 4]
JP-A-5-160339 (FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Depending on the relationship between the wiring inductance inside the module and the output capacitance of the IGBT chip, a resonance phenomenon called high-frequency vibration may occur under arbitrary conditions. The electromagnetic noise called high-frequency vibration may cause an operation failure of the information communication device. Therefore, it is required to reduce the wiring inductance as much as possible. From this viewpoint, the structures disclosed in
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a more preferable structure for reducing the above problems.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a power semiconductor chip having a first main surface on which a gate wiring pattern and a first main electrode are formed and a second main surface opposed to the first main surface and having a second main electrode formed thereon. A power semiconductor chip, wherein the power semiconductor chip includes an insulating layer formed on the first main surface so as to cover only the gate wiring pattern; A metal layer formed on the first main surface so as to cover both the electrode and the insulating layer; the other end of the external connection main circuit terminal is supported by the resin case; and One end surface of the external connection main circuit terminal is directly surface-bonded to the upper surface of the metal layer.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a top view showing a
[0008]
The
[0009]
The insulating metallized
[0010]
The power semiconductor chip (IGBT chip) 3A has a plurality of IGBT segments in a silicon substrate, and furthermore, a gate wiring arranged so as to divide an emitter electrode (first main electrode) and an adjacent emitter electrode. A first main surface 3AS1 (FIG. 3) on which the pattern 3AG (FIG. 3) is formed, and a second main surface 3AS2 (FIG. 3) facing the first main surface 3AS1 and on which the collector electrode (second main electrode) is formed. FIG. 3). As described above, the power semiconductor chip (diode chip) 3B has the first main surface on which the anode electrode is formed and the second main surface on which the cathode electrode is formed.
[0011]
The resin case is fixed to the
[0012]
FIGS. 3A and 3B are views showing a bonding state between the first main circuit terminal 5B1 for the IGBT chip and the
[0013]
As shown in FIG. 3, in the
[0014]
The other end of the IGBT chip first main circuit terminal 5B1 is supported by a resin case, not shown, and extends from the other end to a position directly above the
[0015]
Then, the entire surface of the one end surface 5BES of the first main circuit terminal 5B1 is directly surface-bonded to the upper surface of the
[0016]
Moreover, according to the present embodiment, it is expected that the heat radiation characteristics during energization will be improved by increasing the contact area between first main circuit terminal 5B1 and
[0017]
Note that the insulating
[0018]
(Embodiment 2)
This embodiment relates to an improvement of the first embodiment. The feature of this embodiment is that a gate connection terminal 11 (FIG. 4) is provided for the first main circuit terminal 5B1 in the first embodiment, and a
[0019]
FIG. 4 is a diagram showing a bonding state between the IGBT chip first main circuit terminal 5B1 with the
[0020]
As shown in FIGS. 4 to 6, a part of the gate wiring pattern 3AG, that is, the upper surface of the gate extraction electrode portion of the gate pad region GPR connected to each pattern 3AG is not covered with the insulating
[0021]
In addition, in the internal space of the
[0022]
Moreover, in the first main circuit terminal 5B1, at least the intermediate portion 5BI from the other end to the joining portion 5BJP is a cylindrical metal body. Then, the
[0023]
With the above configuration, the following effects can be obtained.
[0024]
The
[0025]
In addition, since the
[0026]
(Embodiment 3)
The present embodiment also relates to an improvement of the first embodiment, and a cross-sectional view of FIG. 7 is presented as a drawing showing its features. The feature point shown in FIG. 7 is a gate terminal (metal body) that can be directly in electrical contact with gate pad region GPR from above gate pad region GPR instead of
[0027]
Thus, the present embodiment is characterized in that the members required in the first embodiment, that is, (1) the
[0028]
Here, the other end (not shown) of the gate terminal 5B3 is directly joined to and supported by an external extraction terminal (not shown) of the resin case, and a bottom surface or an end surface 5B3ES at one end 5B3E of the terminal 5B3. Are provided just above the gate pad region GPR so as to be vertically movable. Then, as illustrated in FIG. 7, for example, the gate
[0029]
Other points are the same as the first embodiment.
[0030]
As described above, one end face 5B3ES of the gate terminal 5B3 whose other end is supported by the external extraction terminal of the resin case is entirely on the exposed portion GPR of the gate wiring pattern directly or via the
[0031]
(Note)
As described above, the embodiments of the present invention have been disclosed and described in detail. However, the above description exemplifies applicable aspects of the present invention, and the present invention is not limited thereto. That is, various modifications and variations to the described aspects can be considered without departing from the scope of the present invention.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention, one end face of the external connection main circuit terminal is entirely surface-bonded directly to the upper surface of the metal layer, so that the uneven structure is provided on one end face of the external connection main circuit terminal. In addition, the effect is obtained that the wiring inductance can be further reduced and the generation of high-frequency vibration can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view showing a base plate used for a semiconductor module according to the present embodiment.
FIG. 2 is a rear view schematically showing a positional relationship between a first external connection main circuit terminal and a second external connection main circuit terminal when the base plate is viewed from the back surface of the resin case.
FIG. 3 is a diagram illustrating a bonding state between a first main circuit terminal for an IGBT chip and an IGBT chip;
FIG. 4 is a diagram showing a bonding state between a first main circuit terminal for an IGBT chip with a gate connection terminal and the IGBT chip.
FIG. 5 is an enlarged longitudinal sectional view showing a structure of a gate connection terminal.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a hollow structure in an intermediate portion of the first main circuit terminal.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating a contact relationship between an IGBT chip on a metal base plate and a gate terminal according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記パワー半導体チップは、
前記ゲート配線パターンのみを被覆する様に前記第1主表面上に形成された絶縁層と、
前記第1主電極及び前記絶縁層を共に被覆する様に前記第1主表面上に形成されたメタル層とを更に有しており、
外部接続主回路端子の他端が前記樹脂ケースに支持されており、しかも、
前記外部接続主回路端子の一端面は、全面的に、前記メタル層の上面に直接的に面接合されていることを特徴とする、
半導体装置。A power semiconductor chip having a first main surface on which a gate wiring pattern and a first main electrode are formed and a second main surface facing the first main surface and having a second main electrode formed therein is assembled in a resin case. A semiconductor device that is modularized
The power semiconductor chip,
An insulating layer formed on the first main surface so as to cover only the gate wiring pattern;
A metal layer formed on the first main surface so as to cover both the first main electrode and the insulating layer;
The other end of the external connection main circuit terminal is supported by the resin case, and
One end surface of the external connection main circuit terminal is entirely surface-bonded directly to the upper surface of the metal layer,
Semiconductor device.
前記ゲート配線パターンの一部は前記絶縁層で被覆されずに露出しており、
その他端が前記樹脂ケースに支持されたゲート端子の一端面は、全面的に、前記ゲート配線パターンの前記露出部に接合されていることを特徴とする、
半導体装置。The semiconductor device according to claim 1,
A part of the gate wiring pattern is exposed without being covered with the insulating layer,
One end surface of the gate terminal whose other end is supported by the resin case is entirely joined to the exposed portion of the gate wiring pattern,
Semiconductor device.
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