JP2008183590A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外部接続端子110を有する半導体装置100であって、外部接続端子は、Biと、Ag及び/又はCuと、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Snを含む不純物と、からなる合金であり、前記合金中のBiの組成比(x)は、25質量%≦x≦75質量%であり、Ag及び/又はCuの組成比(y)は、0質量%≦y≦7質量%であり、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の組成比(z)は、0質量%≦z≦0.5質量%であり、残部はSnを含む不純物であり、前記合金中に含まれる気孔の径は、平均値で50nm以上3.5μm以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
これらの要求に応えるため、半導体装置の形状をLSI(Large Scale Integrated Circuit)のチップ形状に極力近づけることにより小型化を図った、いわゆるCSP(Chip Size Package)構造の半導体装置が提案されている。
このような小型化したウエハレベルCSP構造の半導体装置の場合、熱衝撃が加えられると、半導体装置が実装される実装基板と半導体装置との熱膨張係数の差により、実装基板と半導体装置との接合部にストレスが発生するため、接合部の接続信頼性が非常に大きな問題となっていた。
即ち、本発明の目的は、半導体装置と実装基板との接続信頼性に優れる半導体装置を提供することにある。
請求項2に記載の半導体装置は、前記組成比(y)が、0.05質量%≦y≦7質量%であることを特徴とする。
請求項3に記載の半導体装置は、前記組成比(y)が、0.05質量%≦y≦7質量%であり、前記組成比(z)が、0.01質量%≦z≦0.5質量%であることを特徴とする。
請求項4に記載の半導体装置は、Agの組成比が0.05質量%≦y≦5質量%からなる関係を有し、Cuの組成比が0.05質量%≦y≦2質量%からなる関係を有することを特徴とする。
図1は、本発明の半導体装置100の断面図である。
図1に示した半導体装置100は、基板102上に公知のウエハプロセスにより電気回路が形成され、半導体素子(不図示)が形成されている。この電気回路と電気的に接続されている電極パッド(不図示)と、電気的に接続されている配線106が形成され、配線106の一部を露出するように基板102上に絶縁性樹脂層104が形成されている。絶縁性樹脂層104から露出した配線106と電気的に接続され、配線106と外部接続端子110との界面108に対して、基板102と反対側に突出するように、外部接続端子110が形成されている。
図2は、本発明の半導体装置100を基板102に実装した断面図であり、図2において、図1の構成部分については同一の符号で示す。
半導体装置100の外部接続端子110が、実装基板120上に形成された電極パッド122と電気的に接続されることにより形成された接合部124を介して、実装基板120の反対側に実装される。
以下に、外部接続端子110、配線106、絶縁性封止層104、基板102について、詳述する。
図1に記載の半導体装置100は、外部接続端子110を有する。
本発明における外部接続端子110は、Biと、Ag及び/又はCuと、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Snを含む不純物と、からなる合金であり、前記合金のBiの組成比(x)は、25質量%≦x≦75質量%であり、Ag及び/又はCuの組成比(y)は、0質量%≦y≦7質量%であり、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiの組成比(z)は、0質量%≦x≦0.5質量%であり、残部はSnを含む不純物であり、前記合金中に含まれる気孔の径は、平均値で50nm以上3.5μm以下であることを特徴とする。
以下に、外部接続端子110を構成する気孔、及び合金について詳述する。
本発明における気孔について、図3を用いて説明する。本発明における気孔116とは、半導体装置100の外部接続端子110中に存在する空隙を表す。
本発明における気孔116の径とは、外部接続端子110の切断面を走査型電子顕微鏡等で撮影し、写真中の気孔116の外接円を描いたときの直径(以下、適宜、「円相当径」と称する)を表す。また、気孔116の径の平均値とは、前記のように撮影する箇所(40μm×60μmの領域126)を任意に5箇所選択し、外部接続端子110の任意に選択した5箇所について、映し出されたすべての気孔116の円相当径の合計を気孔116の個数で除した値を表す。
気孔116の形状が円形である場合、ストレスが加わる方向によらずストレスを緩和することができる点で好ましい。気孔116の形状が矩形、長方形、楕円形等の異形状である場合、気孔116の方向が無秩序に分散していることにより、ストレスが加わる方向によらずストレスを緩和することができる点で好ましい。
本発明における外部接続端子110中には、気孔116の断面形状が円形状と異形状とが混在していてもよい。
本発明における外部接続端子110は、Biと、Ag及び/又はCuと、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Snを含む不純物と、からなる合金であり、前記合金中のBiの組成比(x)は、25質量%≦x≦75質量%であり、Ag及び/又はCuの組成比(y)は、0質量%≦y≦7質量%であり、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の組成比(z)は、0質量%≦z≦0.5質量%であり、残部はSnを含む不純物である。
特に好ましい態様としては、前記合金中のBiの組成比(x)が、Ag及び/又はCuの組成比(y)が、35質量%≦x≦70質量%、0.05質量%≦y≦7質量%、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiの組成比(z)が、0.01質量%≦z≦0.5質量%であり、残部はSnを含む不純物からなる関係を有する。つまり、外部接続端子110の耐酸化性を向上させる観点から、Sn、及びBiに加え、Ag及び/又はCuを必須成分とし、さらに、Ge、Cr、Mo、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種を必須成分とした組成が特に好ましい態様として挙げられる。また、Ge、Cr、Mo、Al、及びTiからなる群の中でも、Geが最も好ましい態様として挙げられる。組成比としては、0.03質量%≦z≦0.3質量%であることが最も好ましい態様として挙げられる。また、本発明における合金は、Snを含む不純物を含むが、Snを含む不純物中のSn濃度が高い方が特に好ましい態様として挙げられる。
この領域118は、外部接続端子110の15%の高さで表される領域であることが好ましく、外部接続端子110の10%の高さで表される領域であることがより好ましい。本発明の半導体装置を実装基板に実装した後、熱衝撃、機械的衝撃などから被るストレスは、前記外部接続端子110の界面近傍に集中する。Ag及び/又はCuが前記界面付近の濃度が傾斜分布すると、界面の金属間化合物及び合金の強度が更に増加するため耐ストレス性を向上させることができる。
つまり、図2において、本発明の半導体装置100を実装基板120に実装した後、半導体装置100と実装基板120との接合部124には、接合部124の強度を維持するため、実装基板120上に形成された端子にBiが含有していない場合、半導体装置100の外部接続端子110にBiを所定量より多く含有させることが必要になる。従って、このような状況においては、本発明における外部接続端子110の合金組成として、Biの含有量が、前記外部接続端子110の全質量に対して45質量%以上90質量%以下である。好ましい態様としては、Biの含有量が、65質量%以上85質量%以下であることが挙げられる。
本発明の半導体装置に用いられる配線106としては、公知の銅を使用している。
本発明で例示している半導体装置は、絶縁性封止層104を有する。これは、半導体チップの電極パッドから再配線された配線の腐食抑制、あるいはデバイス回路面の遮光などを目的に設けている。
絶縁性封止層104の材質としては、絶縁性、密着性(必要に応じて遮光性)を有していれば特に限定されることはないが、例えば、ポリイミド、熱硬化性エポキシ樹脂、ビスマレイイミド等が挙げられる。これらの中でも、厚み形成能力・コスト等の観点から、熱硬化性エポキシ樹脂であることが好ましい。
絶縁性封止層104の膜厚としては、耐湿信頼性・遮光性などの観点から60μm〜100μmであることが好ましい。
本発明の半導体装置100は基板102を有する。
基板の材質としては、シリコン等が挙げられる。
基板の板厚としては、半導体装置の小型化等に対応するため、400μm以下であることが好ましい。
本発明の半導体基板の製造方法の一例を図5に従って以下に記載する。
本発明の半導体装置100は、基板102上に公知ウエハプロセスが実施され、基板102の表面にはマトリックス状に配列された半導体チップ(不図示)を形成する。ここでいう半導体チップとは、一つの半導体装置に対応して形成される基板上の電気回路のことである。
前記電気回路と電気的に接続された電極パッド(不図示)を形成した後、ポリイミド等の樹脂材料からなる絶縁層(不図示)をスピンコート等にて基板102表面上に塗布する。塗布したポリイミドのうち、不要な箇所のポリイミドは公知のフォトリソグラフィ技術等により除去する。これらの工程により、電極パッド(不図示)に対応する領域及び半導体チップ(不図示)の境界線に沿う領域を除く基板102の表面上にポリイミド等からなる絶縁層(不図示)が形成される。
この表面に、例えば、イオンスパッタ法により、チタンタングステン(TiW)等からなるバリアメタル(不図示)を形成する。その後、バリアメタル上に銅(Cu)のメッキを形成し、電極パッド(不図示)から絶縁性封止層104の上面に至る配線106を形成する。
ここで、本発明の半導体デバイスにおいて、好適に用いることができるフラックスとしては、例えば、樹脂系、有機酸系のフラックスが挙げられる。これらの中でも、本発明で好適に用いることができるフラックス112としては、いずれにおいてもハロゲンフリーのフラックスが挙げられ、更にリフロー処理温度の兼ね合いから以下を満たすフラックスが好ましい。
フラックス溶剤の沸点は、140℃以上300℃以下に設定し、活性を示し始める温度が80℃以上160℃以下であることが好ましい。より好ましい態様としては、溶剤の沸点を180℃以上285℃以下に設定し、活性を示し始める温度が100℃以上140℃以下であることが挙げられる。
リフロー処理の条件については、図6中、Temp1は110℃〜180℃、Temp2は160℃〜220℃、Temp3は170℃〜240℃、time−aは60秒〜120秒、time−bは25秒〜50秒であり、Temp03>Temp2>Temp1の関係を有する。特に好ましい態様としては、前記フラックス、及び前記リフロー条件を組み合わせることが挙げられる。この組み合わせにより、半導体装置の外部接続端子中に形成される気孔の径が前記の範囲内に制御することができ、尚且つ、実装基板に実装したときにも、実装前の外部接続端子に形成された気孔の径は維持される。従って、半導体装置と実装基板との接合部が優れた基板接続寿命比を示すことができる。
また、フラックス112に代えて、上述した外部接続端子100の合金組成と同じ組成の半田ペースト112を用いてもよい。
もっともの好ましい態様としては、半田ペースト112を印刷しリフロー処理した後、半田ペースト上に前記フラックスを印刷する態様が挙げられる。
実装基板120上に、公知の方法で電気回路を形成し、この電気回路と電気的に接続されている電極パッド122上に、半田ペースト128を塗布する。半田ペーストの組成としては、例えば、Sn(100−x−y)AgxCuy(組成比を示すx、yは、それぞれ、0.05質量%≦x≦5質量%、0質量%≦y≦2質量%)が挙げられる。その後、半田ペースト128上に、前記のように製造した本発明の半導体装置100を、外部接続端子110が半田ペースト128上に載るように配置し、リフロー処理を行い、外部接続端子110と電極パッド122とが電気的に接続され、半導体装置100の実装基板120への実装が完了する。
実施例1では、半導体装置の外部接続端子の合金組成がSnBi(Bi:58質量%、Sn:42質量%)であり、外部接続端子中に気孔を有する半導体装置を製造した。なお、気孔の径は平均値で1.5μmであった。
(半導体装置の作製)
図5に沿って説明する。基板102上に公知のウエハプロセスを実施し、配線がマトリックス状に配列された半導体チップを形成した後、半導体チップ上にポリイミドからなる絶縁性樹脂をスピンコートにより塗布し、乾燥させ、5μmの絶縁層(不図示)を形成した。次いで、電極パッドを露出させるため、電極パッド以外の領域をマスクで覆い、露光後に現像処理して電極パッドを露出させた。次いで、イオンスパッタ法によりチタンなどからなるシード層を形成する。次いで、半導体チップの電極パッドをエリア状に再配置するためにフォトリソ技術を用いて銅配線及び銅の電極パッドを形成する。次いで、銅の電極パッド直上に電解メッキにより銅を析出させる。次いで、シード層をエッチングして銅再配線が完成する。次いで、全体を樹脂で封止したのち樹脂を研削し絶縁封止層104から一部が露出した、径が250μmの配線(以下、適宜、「銅ポスト」と称する)106を形成した。
形成された銅ポスト106上に、銅ポスト106表面の酸化膜を除去して半田と銅とを接合させるため、フラックス112(千住金属工業株式会社製、デルタラックス523H)を、フラックス112の塗布厚が60μmになるように印刷した。その後、φ0.3mm(容積:V1=0.01413mm3)であり、組成がSnBi(Sn:42質量%、Bi:58質量%)である半田ボール114を搭載した。
半田ボール114を搭載した後にリフロー処理(古河電気工業株式会社製:XNIII-725PC(b))を行い、銅ポスト106と半田ボール114が電気的に接続し、外部接続端子110を形成することにより、半導体装置100を作製した。
なお、リフロー処理の条件は、図6のように行った。図6中のTemp1は120±5℃であり、Temp2は160℃であり、Temp3は195℃であり、time−aは84秒であり、time−bは40秒であった。
ガラスとエポキシ樹脂の複合物からなる実装基板(株式会社イースタン製;QSX-33398)に形成された電極パッド(材質:銅)上に、Sn(100−x−y)AgxCuy(x=3質量%、y=0.5質量%)の組成の半田ペーストを、容積(V2)が0.28(V1)倍になるように、メタルマスクを介して印刷した(V1=3.6V2)。その後、前記半導体装置の外部接続端子を該半田ペースト上に搭載し、リフロー処理(古河電気工業株式会社製;XNIII-725PC(b))を行い、半導体装置を実装基板に実装した。なお、リフロー処理の条件は、図6中のTemp1は160±5℃であり、Temp2は220℃であり、Temp3は240℃であり、time−aは84秒であり、time−bは40秒であった。また、半導体装置と実装基板との接合部の組成は、Sn(100−x-y-x)BixAgyCuz(x=48.1質量%、y=0.5質量%、z=0.1質量%)であった。
−外部接続端子の内部構造、及び気孔の径−
図7は半導体装置の外部接続端子における破断面写真を示す。なお、本破断面の処理は、クロスセクションポリッシャ(日本電子株式会社製、型式:SM−09010)により行った。半導体装置の外部接続端子の破断面において、該破断面の40μm×60μmの領域を任意に選択し、走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、型式:S−3600N)により、2000倍にて外部接続端子の破断面写真を撮影した。Bi相132、及びSn相134の検出については、エネルギー分散型X線分析装置(株式会社堀場製作所製、型式:EX-250)により測定した。
外部接続端子110は配線106と外部接続端子110との界面108上に、Sn相134、Bi相132、及び気孔136から構成されていることがわかる。界面には、Cu-Sn化合物層が形成されている。
前記破断面写真に映し出された気孔136の円相当径を計測し、任意の5箇所についてすべて計測した。計測した気孔136の径は、平均値で1.5μmを示した。
−シェア強度−
シェア強度の測定は、シェアツール138によりハンダボールを水平方向に押し、ボールが破断(せん断)された時の荷重値を測定した。該略図を図8に示す。図8中、シェアツール130の高さを10μm、テストスピードを100μm/秒で行った。結果を表1に示す。
実施例1において、気孔の径を大きくするために、溶剤沸点が約280℃のフラックス、WS-9160-M7(クックソンエレクトロニクス株式会社製)を用いた。その時のリフロー条件は、図6中のTemp1が160±5℃であり、Temp2が220℃であり、Temp3は240℃であり、time−aは84秒であり、time−bは40秒であった。それ以外は実施例1と同様にして半導体装置を製造し、該半導体装置を実装基板に実装して、シェア強度を測定した。なお、気孔の径は平均値で8μmを示した。シェア強度の結果を表1に示す。
実施例1において、気孔が発生しないように、リフロー条件を、図6中のTemp1を160±5℃、Temp2を220℃、Temp3を240℃、time−aを84秒、及びtime−bを40秒に変更した。それ以外は実施例1と同様にして半導体装置を製造し、該半導体装置を実装基板に実装して、シェア強度を測定した。シェア強度の結果を表1に示す。
実施例1において、半導体装置と実装基板との接合部の材質を現主流材のSn3.0Ag0.5Cuにし、実施例1と同様にして半導体装置を製造し、該半導体装置を実装基板に実装して、シェア強度を測定した。シェア強度の結果を表1に示す。なお、SnAgCu組成では、フラックスの種類、及びリフロー条件によらず気孔は生成しない。
(半導体装置の作製、半導体装置の実装基板への実装)
実施例1において、半導体装置の外部接続端子の組成、実装基板上の半田ペーストの組成、半導体装置と外部接続端子との接合部の組成、半導体装置の外部接続端子の容積(V1)、及び実装基板上の半田ペーストの容積(V2)を下記表2に示したようにした以外は実施例1と同様に半導体装置を作製し、実装基板上に実装した。
ここで、V2は、リフロー後の容積を表す。また、合金の組成により融点が異なるため、リフロー条件、及びフラックスの種類を適宜変更して半導体装置を作製した。
半導体装置を実装基板に実装したものを、冷熱衝撃試験槽(エスペック株式会社製、TSA-101S-W)に入れ、図9に示す温度サイクル条件にて大気中で放置した。温度サイクルを開始すると同時に、半導体装置と実装基板との接合部の電気抵抗値をリアルタイム測定する。次いで、温度サイクル1サイクル目における高温側、低温側の電気抵抗値を初期抵抗値とし、それと比較して50%増加した時のサイクル数をワイブル確率紙にプロットした。その不良サイクル数をプロットしたグラフ(縦軸;累積不良率、横軸;サイクル数)から、0.1%故障するサイクル数(=基板接続寿命)を読み取り、比較例3の値を1.0として、基板接続寿命比を調査した。結果を下記表2に示す。
実施例10〜実施例17では、半導体基板と実装基板との接合部の組成において、Agの組成比を変更した時の影響を調査した。
実施例1において、半導体装置の外部接続端子の組成、実装基板上の半田ペーストの組成、半導体装置と外部接続端子との接合部の組成、半導体装置の外部接続端子の容積(V1)、及び実装基板上の半田ペーストの容積(V2)を下記表3に示したように変更し、V2/V1=3.6とした以外は実施例1と同様に半導体装置を作製、実装基板上に実装した後、基板接続寿命比を調査した。結果を表3に示す。なお、合金の組成により融点が異なるため、リフロー条件、及びフラックスの種類を適宜変更して半導体装置を作製した。
実施例18〜実施例23では、半導体基板と実装基板との接合部の組成において、Cuの組成比を変更した時の影響を調査した。
実施例1において、半導体装置の外部接続端子の組成、実装基板上の半田ペーストの組成、半導体装置と外部接続端子との接合部の組成を下記表4に示したように変更し、V1/V2=3.6とした以外は実施例1と同様に半導体装置を作製、実装基板上に実装した後、基板接続寿命比を調査した。結果を表4に示す。なお、合金の組成により融点が異なるため、リフロー条件、及びフラックスの種類を適宜変更して半導体装置を作製した。
実施例1において、半導体装置の外部接続端子の組成、実装基板上の半田ペーストの組成、半導体装置と外部接続端子との接合部の組成、を下記表5に示したようにし、V1/V2=3.6とした以外は実施例1と同様に半導体装置を作製、実装基板上に実装した後、基板接続寿命比、及び下記に示す繰り返し曲げ破断サイクル数比を調査した。結果を表5に示す。なお、合金の組成により融点が異なるため、リフロー条件、及びフラックスの種類を適宜変更して半導体装置を作製した。
JEITA規格のET−7409/105に従い、図10に示す方法により、半導体装置を実装した実装基板を支点上に置き、実装基板の裏面側から下記押し込み量を繰り返し負荷することにより、破断した時の繰り返し曲げ破断サイクル数を計測した。試験条件を以下に記載する。
・支店間距離:90mm
・押し込み量:4mm
・押し込み速度:0.5mm/s
・半導体装置の仕様:□6mm/0.5mmピッチ
・実装基板:40mm×110mm×1mm
半導体装置と実装基板との接合部の組成が、SnAgCu(Sn:96.5質量%、Ag:3.0質量%、Cu:0.5質量%)である比較例3の繰り返し曲げ破断サイクル数を1とし、繰り返し曲げ破断サイクル数比を調査した。結果を表5に示す。
実施例24において、フラックスの代わりにSn(100−x)Agx(組成比を表すxは、3質量%)の組成を有する半田ペーストを銅ポストに印刷したこと以外は実施例24と同様に半導体装置を作製、実装基板上に実装した後、基板接続寿命比、及び下記に示す繰り返し曲げ破断サイクル数比を調査した。結果を表5に示す。
実施例25において、銅ポスト106上に実施例1で用いたフラックス印刷する前に実施例25と同様の半田ペーストを銅ポストに印刷し、リフロー処理を行ったこと以外は実施例24と同様に半導体装置を作製、実装基板上に実装した後、基板接続寿命比、及び下記に示す繰り返し曲げ破断サイクル数比を調査した。結果を表5に示す。
(半導体装置の作製、実装基板への実装、評価)
実施例24において、半導体装置を作製した後、下記方法により高温高湿保持したものを実装基板に実装した以外は実施例24と同様に基板接続寿命比を調査した。
実施例24と同様にして作製した半導体装置を、85℃85%RH環境の槽に48時間放置した。
実施例28において、半導体装置の外部接続端子の組成、実装基板上の半田ペーストの組成、半導体装置と外部接続端子との接合部の組成を、下記表6のように変更した以外は実施例28と同様に基板接続寿命比を調査した。
102 基板
104 絶縁性封止層
106 配線(銅ポスト)
108 界面
110 外部接続端子
112 フラックス
114 半田ボール
116 気孔
118 外部接続端子の15%の高さで表される領域
120 実装基板
122 電極パッド(端子)
124 接合部
126 40μm×60μmの領域
128 半田ペースト
132 Bi相
134 Sn相
138 シェアツール
200 外部接続端子の高さ
202 外部接続端子の15%の高さ
Claims (7)
- 外部接続端子を有する半導体装置であって、
前記外部接続端子は、Biと、Ag及び/又はCuと、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Snを含む不純物と、からなる合金であり、前記合金中のBiの組成比(x)は、25質量%≦x≦75質量%であり、Ag及び/又はCuの組成比(y)は、0質量%≦y≦7質量%であり、Ge、Cr、Mo、V、Al、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の組成比(z)は、0質量%≦z≦0.5質量%であり、残部はSnを含む不純物であり、前記合金中に含まれる気孔の径は、平均値で50nm以上3.5μm以下であることを特徴とする半導体装置。 - 前記組成比(y)が、0.05質量%≦y≦7質量%であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記組成比(y)が、0.05質量%≦y≦7質量%であり、前記組成比(z)が、0.01質量%≦z≦0.5質量%であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置。
- Agの組成比が0.05質量%≦y≦5質量%からなる関係を有し、Cuの組成比が0.05質量%≦y≦2質量%からなる関係を有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体装置。
- 前記外部接続端子が、前記配線の一部と前記外部接続端子との界面を境界として、前記基板の反対側に前記界面から15%の高さで表される前記外部接続端子の領域に、Ag及び/又はCuの濃度が前記界面付近で高くなるような傾斜分布を有することを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 外部接続端子を有する半導体装置であって、
前記基板とは反対側に突出されている外部接続端子とを有し、
前記外部接続端子の容積をV1とし、半導体装置と電気的に接続することができる端子を備えた実装基板上に形成された端子の容積をV2とした場合、V1≦V2であり、且つ前記外部接続端子中のBiの組成比が、前記外部接続端子の全質量に対し、45質量%以上90質量%以下であることを特徴とする半導体装置。 - 前記外部接続端子中に形成された気孔の径が平均値で50nm以上3.5μm以下であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
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