JP2009190080A - 銅銀系ろう材および電子部品用パッケージの蓋用クラッド材 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品用パッケージのセラミックス製ケースを封止する蓋などに使用されるＦｅ−Ｎｉ系金属材や銅系金属材に対して良好な接合性を備えた銅銀系ろう材および電子部品用パッケージの蓋用クラッド材を提供する。
【解決手段】本発明のろう材は、Ｃｕ−Ｐ合金で形成されたＣｕ−Ｐ合金層３の片面又は両面にＣｕ−Ａｇ合金で形成されたＣｕ−Ａｇ層３が積層された積層構造を備える。前記Ｃｕ−Ｐ合金はＰ：２．０〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、前記Ｃｕ−Ａｇ合金はＡｇ：４０〜９０％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、積層方向における平均組成がＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物からなる。ろう材は、積層構造に限らず、前記平均組成の単一材としてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、純銅や銅合金、さらにはＦｅ−Ｎｉ系金属材をろう付けするのに適したろう材に関する。

半導体素子、圧電振動子などの種々の電子部品を収納するパッケージは、特開２０００−３９７３号公報（特許文献１）や特開２０００−１６４７４６号公報（特許文献２）に記載されているように、電子部品を収納するための凹部が上面に開口するように形成されたセラミックス製のケースと、前記凹部を密閉すべく前記ケースの開口部を封止するようにケースの開口部の外周壁端面にろう付けされた蓋とを備えている。

前記ケースは、アルミナや窒化アルミニウムなどのセラミックスを主材として形成され、一方、前記蓋は、セラミックスとできるだけ熱膨張差が生じないように熱膨張率の低いＦｅ−Ｎｉ系金属材によって形成されている。前記ケースの開口部の外周端面に前記蓋をろう付けする際のろう材としては、特許文献２に記載されているように４００℃程度以下の軟ろう（はんだ材）が使用される場合もあるが、軟ろう材によるろう付けでは接合強度が低いため、信頼性、耐久性に難がある。このため、自動車や航空機などに搭載される、高信頼性、高耐久性が求められる電子機器に使用される電子部品用パッケージでは、特許文献１に記載されているように、ろう付けに使用するろう材としては、融点の高い硬ろうとして主に銀ろうが用いられる。

一方、特開平７−８８６８３号公報（特許文献３）や特開平１０−１９３１６８号公報（特許文献４）には、銀ろうに比してＡｇの使用量を押さえた、純銅や銅合金などの銅系金属材を接合するための硬ろうとして、Ｃｕ−５〜８％Ｐ−１．５〜２０％Ａｇ合金、Ｃｕ−５〜７％Ｐ−６〜１５％Ａｇ合金（「％」は「質量％」を意味する。）が記載されている。また、特許文献４には前記Ｃｕ−Ｐ−Ａｇ合金ろう材を銅系金属で形成された芯材に被覆したブレージングシートも記載されている。また、特開２００３−１３６２７８号公報（特許文献５）には、加工性の良好なＣｕ−２．０〜３．２％Ｐ合金が銅系金属材用ろう材として記載されている。
特開２０００−３９７３号公報 特開２０００−１６４７４６号公報 特開平７−８８６８３号公報 特開平１０−１９３１６８号公報 特開２００３−１３６２７８号公報

近年、貴金属が高騰しており、またより一層のコストの低減が求められている。このため、発明者は、銅系金属材のみならず、電子部品用パッケージのケースとその蓋とのろう付けにおいても、高価で、ろう付けによる接合強度も過剰な銀ろうに代えて比較的安価な前記Ｃｕ−Ｐ−Ａｇ合金ろう材を適用することができないかを検討した。

その結果、前記Ｃｕ−Ｐ−Ａｇ合金ろう材を前記電子部品用パッケージの蓋のろう付けに用いると、接合性が劣化し、十分な接合強度が得られないことがわかった。本発明者がその原因を追及したところ、ろう材中のＰと蓋を形成するＦｅ−Ｎｉ系合金のＦｅやＮｉが反応して脆い金属間化合物が形成され、これが接合性を低下させることがわかった。同様に、Ｐ量を低減した前記特許文献５に記載のＣｕ−Ｐ合金ろう材についても良好な接合性が得られなかった。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、銅系金属材のみならず、電子部品用パッケージのセラミックス製ケースを封止する蓋などに使用されるＦｅ−Ｎｉ系金属材に対しても良好な接合性を備えた銅銀系ろう材および電子部品用パッケージの蓋用クラッド材を提供することを目的とする。

本発明者は、上記のＣｕ−Ｐ−Ａｇ合金ろう材が接合性を劣化させる原因に基づいて、接合性を劣化させない合金成分範囲を調査したところ、１５．０％以上のＡｇの存在下で、Ｐ含有量を所定範囲内に押さえることにより接合性が向上し、実用レベルの接合強度が得られることを知見した。また、そのような組成のろう材は冷間加工性に劣るものの、特定組成のＣｕ−Ｐ合金層とＣｕ−Ａｇ合金層とを積層させることにより、加工性を損なうことなく、ろう付けにより良好な接合性が得られることを知見した。本発明はかかる知見に基づき完成されたものである。

すなわち、本発明のろう材は、質量％（以下、単に「％」と表記する。）でＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成を有する銅銀系ろう材である。

前記銅銀系ろう材によると、Ｐ、Ａｇが所定量に調整されているので、ろう付け対象が銅系金属材は勿論のこと、Ｆｅ−Ｎｉ系金属材の場合でも、Ｆｅ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｐ系あるいはＦｅ−Ｎｉ−Ｐ系の金属間化合物が生成し難く、生成してもごく微量に止まり、優れた接合強度を得ることができる。勿論、Ａｇの使用量が銀ろうに比して少ないので、材料コストを低減することができ、経済的である。このため、本発明の銅銀系ろう材を用いて、電子部品用パッケージの封止用蓋をそのケースにろう付けすることにより、低コストで、優れた信頼性および耐久性を備えた電子部品用パッケージを提供することができる。

本発明の銅銀系ろう材としては、前記組成の単一材としてもよいが、Ｃｕ−Ｐ合金で形成されたＣｕ−Ｐ合金層の片面又は両面にＣｕ−Ａｇ合金で形成されたＣｕ−Ａｇ層が積層された積層構造のろう材とすることが好ましい。この場合、前記Ｃｕ−Ｐ合金はＰ：２．０〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成とし、前記Ｃｕ−Ａｇ合金はＡｇ：４０〜９０％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、クラッドろう材の積層方向における平均組成がＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成とするのがよい。

前記銅銀系ろう材（単一材）の組成の銅銀系合金は脆い材質であり、加工性に劣るため、ろう材の形態を使用要求の高い薄板状に加工することは困難であるが、上記積層構造のろう材とすることにより、各層を形成する合金の冷間加工性を活かすことができ、製造が容易になる。また、ろう材としても加工性に優れたものとなるため、種々の形態に容易に加工することができる。このため、生産性に優れた易加工性のろう材を提供することができる。

前記積層構造の銅銀系ろう材において、前記Ｃｕ−Ｐ合金はＰ：２．５〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物から組成のものを用い、また前記Ｃｕ−Ａｇ合金は質量％でＡｇ：６０〜８０％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成のものを用いることが好ましい。また、その全体の厚さは２０〜１５０μm とすることが好ましい。

また、本発明の電子部品用パッケージの蓋用クラッド材は、芯材の片面にろう材層が接合されたクラッド材であって、前記芯材は３０〜３００℃における熱膨張率が４．０×１０^-6／℃から５．５×１０^-6／℃のＦｅ−Ｎｉ系合金で形成され、前記ろう材層は、Ｃｕ−Ｐ合金で形成されたＣｕ−Ｐ合金層の片面又は両面にＣｕ−Ａｇ合金で形成されたＣｕ−Ａｇ層が積層され、前記Ｃｕ−Ａｇ層が前記芯材に接合された積層構造を備える。前記Ｃｕ−Ｐ合金がＰ：２．０〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、前記Ｃｕ−Ａｇ合金が質量％でＡｇ：４０〜９０％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、積層方向における平均組成が質量％でＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物とされる。前記ろう材層の全体厚さは２０〜１５０μm とすることが好ましい。

本発明の銅銀系ろう材によると、所定量に抑えたＡｇの下でＰを１．５〜３．０％に調整するので、ＦｅおよびＮｉとＰとが反応し難くなり、脆い金属間化合物が形成され難くなる。このため、材料コストを低減しながら、銅系金属材やＦｅ−Ｎｉ系金属材に対して優れたろう付け接合性が得られる。また、前記ろう材組成を所定のＣｕ−Ｐ合金で形成されたＣｕ−Ｐ合金層の片面又は両面に所定のＣｕ−Ａｇ合金で形成されたＣｕ−Ａｇ層を積層した積層構造とすることにより、銅系金属材やＦｅ−Ｎｉ系金属材に対して優れた接合性を有しながら、加工性に優れ、しかも製造が容易で、生産性に優れたものとすることができる。

本発明の実施形態にかかる積層構造の銅銀系ろう材を図１を参照して説明する。このろう材１は、中間層を形成するＣｕ−Ｐ合金層２の両面に、表層を形成するＣｕ−Ａｇ合金層３，３が接合された３層構造をなしている。前記Ｃｕ−Ａｇ合金層３、３は前記Ｃｕ−Ｐ層２にそれぞれ圧接され、拡散接合されて、強固に接合されている。

前記Ｃｕ−Ｐ合金層２を形成するＣｕ−Ｐ合金は、Ｐ：２．０〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成を有する。Ｐ量が２．０％未満では、融点が高くなり、ろう付けの際に、表層のＣｕ−Ａｇ合金層と共に相互に拡散溶融して一様な組成のろう材が生成し難くなり、接合性が低下する。一方３．２％を超えると冷間加工性が低下して、圧接による積層化が困難になる。このため、Ｐ量の下限を２．０％、上限を３．２％とする。好ましくは、下限を２．５％、上限を３．０％とするのがよい。

前記Ｃｕ−Ａｇ合金層３を形成するＣｕ−Ａｇ合金は、Ａｇ：４０〜９０％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成を有する。Ａｇ量が４０％未満、９０％超となると融点が高くなり過ぎ、ろう付けの際に前記Ｃｕ−Ｐ合金層との合金化が困難になり、接合性が低下する。このため、Ａｇ量の上限を９０％、下限を４０％とする。好ましくは、下限を５０％、上限を８５％とするのがよい。冷間加工性については上記範囲で十分良好である。

さらに、ろう材１の積層方向における平均組成は、Ｐ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物とされる。この平均組成は、ろう付けの際に前記Ｃｕ−Ａｇ合金層とＣｕ−Ｐ合金層とが反応して一体的に溶融して形成されるろう材の組成であり、ろう付け部の組成となるものである。

平均組成におけるＡｇが１５．０％未満では、融点が上昇してＣｕ−Ｐ層との合金化が困難になり、ろう付け部の接合強度が低下する。一方、Ａｇが３５％を超えると融点は低下するものの、Ａｇ使用量の増大により材料コストが増大し、経済性が低下する。このため、Ａｇ量の下限を１５．０％、上限を３５％する。好ましくは、上限を３０％、下限を１６．０％とするのがよい。

また、Ｐが１．５％未満では、融点が高くなり過ぎ、ろう付けが困難になり、接合性が低下する。一方、Ｐが３．０％を超えると、所定量のＡｇが存在していてもろう材（ろう付け部）中に金属間化合物が生成するようになり、やはり接合性が低下するようになる。

前記ろう材１の全体の厚さは、通常、３０〜１５０μm 程度に設定される。３０μm 未満ではろう材が不足し、接合性が低下する。一方、１５０μm を超えると、ろう材が過多となるため、溶融したろう材がろう付け部の外側へ流れ出るようになり、ろう材が無駄であるだけでなく、ろう付け部が汚損される。前記クラッドろう材における各層の厚さは、厚さ方向の平均組成が、上記のとおり、Ｐ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕからなるように適宜設定すればよい。通常、芯になる中間のＣｕ−Ｐ合金層を全厚さの６０〜９０％程度に設定すればよい。

上記実施形態のろう材１では、Ｃｕ−Ｐ合金層２の両面にＣｕ−Ａｇ合金層３，３を積層した３層構造のろう材としたが、図２に示すように、Ｃｕ−Ｐ合金層２の片面のみにＣｕ−Ａｇ合金層３を被覆した２層構造のろう材１Ａとしてもよい。この２層ろう材１Ａにおいても、全体の厚さは、３層構造のものと同様、３０〜１５０μm 程度に設定するのがよい。

前記積層構造のろう材１，１Ａは、典型的には以下の工程により製造される。先ず、前記Ｃｕ−Ｐ合金層２の素材となるＣｕ−Ｐ合金シート材の両面（３層構造の場合）あるいは片面（２層構造の場合）に前記Ｃｕ−Ａｇ合金層３の素材となるＣｕ−Ａｇ合金シート材を重ね合わせ、この重ね合わせた重合体を一対のロールに通して圧下率６０〜７０％程度で冷間圧延する。これによって各々のシートが相互に圧接された圧接積層体を得て、５００〜６００℃程度の温度で拡散焼鈍を行う。焼鈍後、必要に応じてさらに仕上圧延を施し、所望の板厚に調整する。仕上圧延後の各層の層厚は、圧延の圧下率をＲ（％）としたとき、ほぼ元の層厚の（１−Ｒ／１００）倍に減厚される。

前記３層構造のクラッドろう材１を用いて電子部品用パッケージのセラミックス製ケースの開口部を封止するように蓋をろう付けするには、まず、前記ろう材１をプレスによる打ち抜き加工等により、前記セラミックス製ケースの開口部およびその外周壁端面を覆う平面形状のろう材片を製作する。このろう材片をケース開口部の外周壁端面と蓋との間に配置して組み立て、これを加熱炉や、抵抗加熱装置、レーザ加熱装置などの局部加熱装置によって前記ろう材片を真空あるいは不活性雰囲気中で加熱溶融し、ケースと蓋とをろう付けする。

２層構造のろう材１Ａの場合、ろう付けの際に、ろう付け対象がＦｅ−Ｎｉ系金属材の場合、Ｃｕ−Ｐ合金層２がＦｅ−Ｎｉ系金属材に接触すると接触部にＦｅ、ＮｉとＰが反応して金属間化合物が生成し、接合性が劣化するので、ろう付け対象側にＣｕ−Ａｇ合金層３が来るようにろう材を配置する。この点、３層構造のろう材１では、ろう材の表裏いずれも配置することができ、配置に制限がないので有利である。

ろう付けを加熱炉で行う場合、ろう材の固相線（６５０℃程度）より高い温度、好ましくは５０℃以上、より好ましくは１００℃以上の温度で数分ないし十数分程度保持するようにすればよい。ろう付け温度の上限は、液相線より低い温度であればよいが、加熱炉として通常の工業炉を用いる場合、許容加熱温度から９５０℃程度が上限となるであろう。

上記実施形態のクラッドろう材では、蓋のろう付けに際して、前記ろう材片をケース開口部の外周壁端面と蓋との間に配置する必要があるが、予め、低熱膨張率のＦｅ−Ｎｉ系金属材の芯材（蓋本体）に前記クラッドろう材１，１Ａと同様の積層構造のろう材層を備えたクラッド蓋を用いて電子部品用パッケージのケースにろう付けすることにより、ろう材片の配置作業が不要になり、ろう付け作業性が向上する。前記クラッド蓋は、その素材となる蓋用クラッド材からプレス等により所望平面形状に打ち抜き加工等により容易に製作することができる。また、前記蓋の材料としては、３０〜３００℃における熱膨張率が４．０×１０^-6／℃から５．５×１０^-6／℃程度のＦｅ−２０〜５０％Ｎｉ系合金が好適であり、このようなＦｅ−Ｎｉ系合金として、例えば、Ｆｅ−３６〜５０％Ｎｉ合金、Ｆｅ−２０〜３０％Ｎｉ−１〜２０％Ｃｏ合金を挙げることができる。また、蓋の厚さは０．１〜０．５mm程度でよい。

前記蓋用クラッド材は、図３に示すように、芯材４の片面にＣｕ−Ａｇ合金層３、Ｃｕ−Ｐ合金層２が同順で接合され、あるいは前記Ｃｕ−Ｐ合金層２にさらにＣｕ−Ａｇ合金層３が接合されたものである。このような蓋用クラッド材は、芯材４となる芯材シートに積層構造のろう材１あるいは１Ａを圧接し、拡散接合した後、適宜、冷間圧延を施すことにより容易に製作することができる。前記積層構造のろう材を用いることなく、芯材シートにＣｕ−Ａｇ合金シート、Ｃｕ−Ｐ合金シートあるいはさらにＣｕ−Ａｇ合金シートを重ね合わせて圧接し、拡散焼鈍した後、冷間圧延を施して製造してもよい。いずれの場合も、積層構造のろう材と同様、蓋用クラッド材におけるろう材層の厚さが３０〜１５０μm 程度となるように素材のシート厚さや圧接時の圧下率を調整する。

また、上記実施形態のろう材１，１Ａは、単一材ではなく、積層材としたものであるが、ろう付け後のろう材組成であるＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物からなる組成を有する単一材としてもよい。もっとも、かかる組成のろう材は難加工性であるため、薄板状に圧延加工するには、固相線直下の温度で圧延と焼鈍を繰り返しながら減厚する必要がある。この点、上記積層構造のろう材では、冷間圧延によって容易に薄板状に加工することができるので、製造容易であり、生産性に優れる。

以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明の範囲は上記実施形態や以下の実施例により限定的に解釈されるものではない。

厚さが６００μm のＣｕ−２．７％Ｐ合金シートの片面あるいは両面に１００μm以下の種々の厚さのＣｕ−８５％Ａｇ合金シートを重ね合わせて、６０％程度の圧下率で冷間圧延して各シートを圧接した。得られた圧接材を水素雰囲気下で５５０℃、１分間保持して拡散焼鈍した。その後、圧下率７０％程度で仕上げ冷間圧延を行い、最終厚さが１００μm の各種試料のろう材を製作した。このろう材の各層の厚さ比率、厚さ方向の平均組成を表１に示す。また、比較のため、従来のＣｕ−４．８％Ｐ−１４．９％Ａｇ合金を溶製し、均熱処理、熱間圧延を行い、さらに焼鈍後、１０％以下の冷間圧延と５５０℃での軟化焼鈍とを５〜６回繰り返して行い、厚さ１００μm の単一組成のろう材を製作した。

次に、各試料のろう材から採取した約２０ｍｇの分析試料を用いて、１０℃／min の昇温速度で示差熱分析（ＤＴＡ）を行い固相線（融け始め温度）、液相線（融け終わり温度）を測定した。測定結果を表１に併せて示す。なお、各試料のろう材は、いずれも６５０℃付近で１分ないし１分半程度の間に基準物質（Ａｌ₂Ｏ₃）との温度差が急速に降下した後、速やかにほぼ元の温度差に復帰する現象が観察された。この現象から積層構造のろう材でもほぼ同時に全層が合金化することが確認され、温度差の降下発生時点の温度から固相線が決定された。

次に、Ｆｅ−４２％Ｎｉ合金板（板厚１mm）および銅板（板厚１mm）から長さ４０mm、幅１２．５mmのろう付け試験片１１，１２を採取し、これらの試験片を用いてろう付け試験を以下の要領で行った。図４に示すように、試験片１１，１２の端部が長さ方向に１０mm重なり合うようにして配置し、その間に前記各試料から切り取ったろう材片１０が挟持されるようにして、Ａｒ雰囲気中で８５０℃で１０分間保持し、冷却凝固させた。この場合、２層構造の積層ろう材（試料No. ４）については、Ｃｕ−Ａｇ層がＦｅ−Ｎｉ合金板側となるように配置した。その後、試験片の両端を反対方向に１mm／min の速度で引っ張り、破断した際の最大点荷重を測定した。破断は全てろう付け部に生じた。そして測定荷重を接合面積（１２５mm² ）で除して単位面積当たりの接合力を求めた。計算結果を表１に併せて示す。

表１より、発明例の試料No. １、２および４は、ろう付けの接合強度が実用上合格レベル（少なくとも１mm² 当たり、１５Ｎ以上）にあり、実用上問題のない接合強度が得られている。一方、比較例のNo. ３では、平均組成におけるＡｇ量が１３．３％と過少であるため、１mm² 当たりの接合強度が８．５Ｎに止まり、接合強度の劣化が著しい。また、従来例の試料No. ５は製造が面倒な上、１mm² 当たりの接合強度も９．８Ｎに止まった。

本発明の実施形態に係るクラッドろう材の断面模式図である。 本発明の実施形態に係るクラッドろう材の断面模式図である。 本発明に係る電子部品用パッケージの蓋用クラッド材の断面模式図である。 実施例におけるろう付け接合強度の測定要領図である。

符号の説明

１、１Ａ 実施形態に係る積層構造の銅銀系ろう材
２ Ｃｕ−Ｐ合金層
３ Ｃｕ−Ａｇ合金層
４ 芯材

Claims (6)

1. 組成が質量％でＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物からなる、銅銀系ろう材。
2. Ｃｕ−Ｐ合金で形成されたＣｕ−Ｐ合金層の片面又は両面にＣｕ−Ａｇ合金で形成されたＣｕ−Ａｇ層が積層されたろう材であって、
   前記Ｃｕ−Ｐ合金が質量％でＰ：２．０〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、前記Ｃｕ−Ａｇ合金が質量％でＡｇ：４０〜９０％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、積層方向における平均組成が質量％でＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物とされた、銅銀系ろう材。
3. 前記Ｃｕ−Ｐ合金が質量％でＰ：２．５〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、前記Ｃｕ−Ａｇ合金が質量％でＡｇ：６０〜８０％、残部Ｃｕおよび不純物からなる、請求項２に記載した銅銀系ろう材。
4. 全体厚さが２０〜１５０μm である、請求項２または３に記載した銅銀系ろう材。
5. 芯材の片面にろう材層が接合されたクラッド材であって、
   前記芯材は３０〜３００℃における熱膨張率が４．０×１０^-6／℃から５．５×１０^-6／℃のＦｅ−Ｎｉ系合金で形成され、
   前記ろう材層は、Ｃｕ−Ｐ合金で形成されたＣｕ−Ｐ合金層の片面又は両面にＣｕ−Ａｇ合金で形成されたＣｕ−Ａｇ層が積層され、前記Ｃｕ−Ａｇ層が前記芯材に接合された積層構造を備え、
   前記Ｃｕ−Ｐ合金が質量％でＰ：２．０〜３．２％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、前記Ｃｕ−Ａｇ合金が質量％でＡｇ：４０〜９０％、残部Ｃｕおよび不純物からなり、積層方向における平均組成が質量％でＰ：１．５〜３．０％、Ａｇ：１５．０〜３５％、残部Ｃｕおよび不純物とされた、電子部品用パッケージの蓋用クラッド材。
6. 前記ろう材層の全体厚さが２０〜１５０μm である、請求項５に記載された電子部品用パッケージの蓋用クラッド材。

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