JP2010245302A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の金属接合部のクラック耐性の向上を図る手段を提供する。
【解決手段】半導体装置100であって、半導体素子10と絶縁基板40との金属接合構造を備え、半導体素子10が搭載される絶縁基板40の第1面に、第1面導電層30を有する。この第1面導電層30は、半導体素子10の平面方向中央領域に対応する領域において、周辺領域と異なる特性の中央導電性領域32が形成され、例えば、周辺領域より機械強度の高い材料を含む。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置100であって、半導体素子10と絶縁基板40との金属接合構造を備え、半導体素子10が搭載される絶縁基板40の第1面に、第1面導電層30を有する。この第1面導電層30は、半導体素子10の平面方向中央領域に対応する領域において、周辺領域と異なる特性の中央導電性領域32が形成され、例えば、周辺領域より機械強度の高い材料を含む。
【選択図】図1
Description
半導体装置の半導体素子と基板との接合に関する。
パワーエレクトロニクス分野では、サイリスタ、MOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)等のパワー半導体素子を基板に接合した構成を備えるパワー半導体モジュールが用いられることが多い。
図6は、このようなパワー半導体モジュールを備える半導体装置の断面構造を示している。IGBT等の半導体素子101では、大電流を流す素子などに用いられ動作に伴う発熱量が多い。よって、このような半導体素子101を用いた半導体装置では、図示するように、半導体素子101を搭載基板の搭載面と反対側に冷却器(放熱部材)70が設けられている。
ここで、半導体素子101を搭載する絶縁基板140の搭載面(第1面)には、導電層130が形成され、この導電層130は、はんだ接合部120によって半導体素子101と接続されている。また、絶縁基板140の第2面側にも同様の導電層150が形成されており、はんだ接合部160によって、冷却器70が接合されている。このような接合構造により、パワー半導体素子10で生ずる熱は、絶縁基板40を介して冷却器70に伝導されて放熱される。
しかし、半導体素子10、例えばIGBTではその出力電流密度の上昇が求められる方向にあり、電流密度の上昇に伴って発熱量は増加傾向にある。このため半導体装置における熱対策、冷却効率の向上の必要性が一層高まっている。
上記冷却効率の観点から、半導体装置の絶縁基板140として、熱伝導率の高い窒化アルミニウム(AlN)系セラミック基板が優れていることが特許文献1などに開示されている。
上記のような半導体装置の信頼性を評価する試験として、冷熱サイクル試験とパワーサイクル試験が用いられることが多い。冷熱サイクル試験は、高温(例えば100℃以上)/低温(例えば−40℃)の2つの恒温槽を準備し、評価対象装置をこの2槽間に交互に行き来させる試験である。この冷熱サイクル試験では、評価対象装置には、均一かつ異なる温度による温度サイクルストレスが印加されることとなる。上記高熱伝導性のAlN系セラミック基板を、パワー半導体素子の搭載基板に採用し、配線層に、導電性及び熱伝導性が高く、かつ強度に優れているが、重いCuを用いると、AlN基板の機械強度が高くないため割れ生ずることがある。特許文献1では、AlN系セラミック基板に形成する配線層材料として、Cuよりも軟らかく、軽量な高純度Alを用いることによって、冷熱サイクルストレスによるAlN基板の割れを抑制している。
一方、パワーサイクル試験は、半導体素子への断続通電によって評価半導体装置に温度サイクルストレスを与える試験であり、評価対象装置には、温度分布のある状態で温度サイクルストレスが印加される。このようなパワーサイクル試験に対する劣化としては、絶縁基板に半導体素子を接合するはんだ接合部120の接合中央部でのクラック発生が特許文献2等において指摘されている。半導体素子10の動作時において、その中央部の温度上昇が特に著しく、対応する接合中央部で発生するクラックにより、はんだ接合部120の熱抵抗が上昇して、モジュールの冷却特性を低下させてしまう可能性がある。
特許文献2では、図7に示すように、はんだ接合部120の中央部122において、周辺部124のはんだ材料よりも低融点のはんだ材料を用い、中央はんだ接合部での応力緩和を図っている。
特許文献1のように、半導体素子101を搭載する絶縁基板140として、熱伝導性の高いAlN系セラミック基板を採用することは好ましい。しかし、上述のように、この絶縁基板140の表面に形成する導電層にはAlのような軽量で軟らかい導電性材料を用いる必要がある。例えば、Alは、導電性、熱伝導性が高く、その点で、配線層及び熱電層としても優れているが、強度が低いため、温度サイクルストレスに晒される間に、変形を生じやすい。配線層の変形は、はんだ接合部におけるクラック発生を助長させる可能性がある。
上記特許文献2では、パワーサイクルストレスが印加されると、接合の中央部122の低融点はんだが、その融点に近い温度ストレスにさらされ、再溶融・軟化が起き、変質・劣化が進行する可能性もある。また、ストレス印加を経て、中央部122の低融点はんだと、周辺部124の高融点はんだとが混合し、製造当初の接合材の構造から変化する。よって、長期的にはこのような構造変化による接合部の特性変化が避けられない。
本発明は、半導体装置の金属接合部におけるクラック耐性の向上を図る。
本発明は、半導体素子と、該半導体素子を搭載する絶縁基板と、を備える半導体装置であって、絶縁基板の第1面には、前記半導体素子と接続するための導電層が形成され、前記半導体素子は、金属接合部によって前記絶縁基板の前記第1面に接合され、前記第1面の前記導電層は、前記半導体素子の平面方向中央領域に対応する領域において、周辺領域と異なる特性の中央導電性領域が形成されている。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記第1面の前記導電層の前記中央導電性領域は、該導電層の中央周辺領域よりも機械強度の高い中央導電性材料を含む。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記第1面の前記導電層の前記中央導電性領域は、該中央周辺領域よりも線膨張係数が小さい中央導電性材料を含む。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記中央導電性領域は、150W/(m・K)より大きい熱伝導性を示す中央導電性材料を含むことを特徴とする半導体装置。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記中央導電性領域では、中央ほど前記中央導電性材料の濃度が高い。
本発明の他の態様では、上記半導体素子は、パワー半導体素子である。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記絶縁基板の前記第1面と反対側の第2面には、金属接合部によって放熱部材が接合され、前記絶縁基板の前記第2面には、第2面側導電層が形成されている。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記第2面導電層は、前記半導体素子の平面方向中央領域に対応する領域において、周辺領域と異なる特性の第2面側中央導電性領域が形成されている。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記絶縁基板は、AlN基板であり、前記絶縁基板の少なくとも第1面に形成された前記導電層は、Alを含む導電層である。
本発明の他の態様では、上記半導体装置において、前記中央導電性領域の前記中央導電性材料は、カーボンナノチューブ、Al合金、Cu、Mo、Wのいずれかを含む。
上記のように、本発明では、金属接合部によって半導体素子が接合される絶縁基板の半導体素子対向面に形成する導電層において、平面方向の中央領域に、周辺領域の導電性材料と異なる特性の導電性材料を用いる。したがって、例えば、導電層の中央周辺部には、絶縁基板との整合性を重視し、中央領域には温度ストレスへの耐久性の高い材料を用い、総合的に半導体装置の耐久性、信頼性を向上させることができる。
中央導電領域に周囲よりも機械強度の高い材料を用いれば、半導体素子の発熱の影響を強く受ける中央領域での熱変形を防止できる。
中央導電領域に周囲よりも線膨張係数の低い材料を用いれば半導体素子の発熱時における半導体素子との熱伸縮の不整合を抑制することができる。
また中央導電領域において十分な熱伝導性を備える材料を用いることで導電層での温度分布の発生を抑制できる。
絶縁基板の第2面側にも導電層を備え、またこの導電層の中央導電領域にも、その周辺領域と異なり、例えば第1導電層の中央導電領域と同様の材料を用いることで、半導体装置の耐久性を一層向上することができる。
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態)について図面を参照して説明する。
[実施形態1]
図1は、本発明の実施形態1に係る半導体装置の概略断面及び上面構成を示す。半導体装置100は、半導体素子10と、この半導体素子10を搭載するための絶縁基板40を有する。半導体素子10と絶縁基板40とは、第1金属接合部20によって接合され、絶縁基板40の半導体素子との接合面(第1面)には、半導体素子10と電気的に接続される第1面導電層30が形成されている。
図1は、本発明の実施形態1に係る半導体装置の概略断面及び上面構成を示す。半導体装置100は、半導体素子10と、この半導体素子10を搭載するための絶縁基板40を有する。半導体素子10と絶縁基板40とは、第1金属接合部20によって接合され、絶縁基板40の半導体素子との接合面(第1面)には、半導体素子10と電気的に接続される第1面導電層30が形成されている。
また、第1面導電層30には、その半導体素子10の平面方向中央領域に対応する領域において、後に詳しく説明するように、中央周辺領域と異なる特性の中央導電性領域32が形成されている。
絶縁基板40には、熱伝導性の高い例えばAlNセラミック材料等を用いることができる。上記第1面導電層30には、AlNと同様に熱伝導性が高く、かつAlN基板に組み合わせた場合に、AlN基板の損傷を抑制することの可能な軟らかい、例えば純度の高いAl(99.99%)等を用いることができる。
本実施形態において、この第1面導電層30の中央導電性領域32には、例えば周辺領域に上記高純度Alを用いた場合、Alと異なる特性の導電材料を用いる。
上記中央導電性領域32としては、周辺領域よりも機械強度の高い材料を用いることがができる。採用する材料の機械強度は50MPaより大きな材料が好ましい(高純度Alは29MPa)。中央導電性領域32の材料として具体的には、Al合金、Cu、Mo、W、カーボンナノチューブ(CNT)材料などが採用可能である。半導体素子10の平面方向中央領域は、半導体素子10の動作時に最も温度差の大きい温度サイクルに晒される。したがって、上記のようにAlN基板の保護機能の高い高純度Alを第1面導電層30の全域に採用した場合には、半導体素子の中央領域に対応した中央領域で熱応力による変形を生じやすい。本実施形態のように中央導電性領域32として、周辺領域よりも機械強度の高い材料を用いることで、この領域での熱変形を確実に抑制することができ、この領域における金属接合のクラック発生を防止できる。
中央導電性領域32の材料として、第1面導電層30の中央周辺領域よりも線膨張係数が小さいことを重視して材料を採用しても良い。線膨張係数が中央周辺領域の材料よりも小さければ、中央領域において半導体素子10との熱伸縮の不整合を抑制することができる。この線膨張係数としては、20ppp/Kより小さいことで高い効果が得られ、Cu、Mo、W、CNT材料等が上げられる。なお、7ppp/K未満であればさらに好ましい。
半導体素子10には多くの場合、シリコン等の半導体基板や絶縁基板が採用されており、これらは金属材料と比較して線膨張係数が低い。例えば、高純度Alの線膨張係数23.3ppp/Kに対し、Siは3〜4ppp/Kである。したがって、半導体素子10の特に中央領域での温度上昇が大きい場合にも、第1面導電層30の中央導電性領域32に線膨張係数の小さい材料を用いることで半導体素子10との熱伸縮の差を緩和することができる。
中央導電性領域32の材料として、熱伝導率が150W/(m・K)より大きい材料を採用することが好ましい。第1面導電層30の周辺領域に用いる材料の熱伝導性よりも必ず高い必要はないが、高い熱伝導性の材料を採用することにより、半導体素子10と絶縁基板40との接合部において温度分布が発生することをより確実に防止できる。具体的材料としては、CNT、Cu、Ag、Mo、Wなどを採用することができる。なお、200W/m・K以上の熱伝導性があればより好適である。
上記表1は、絶縁基板として採用されうるセラミック材料の特性を示している。この表から明らかなように、上記AlNは、他のAl2O3や、SiNと比較して熱伝導率が一桁大きく、本実施形態のように放熱のための基板として非常に適していることが理解できる。その一方で、曲げ強度が300MPaと低いため、上記のようにこのAlNを用いた絶縁基板40の導電層の多くの領域としては、AlN基板に損傷を与えにくい高純度Alのような柔らかく軽く、かつ熱伝導性の高い材料を用いることが必要であることが解る。
上記表2は、上記中央導電性領域32及び周辺領域の材料として採用可能な材料の特性を示している。表2に例示されるように、Cu、Mo、W、CNTなどは、機械強度が高純度Alより高く、線膨張係数はAlより低い。また熱伝導度は、いずれも150W/(m・K)を超えている。中央導電性領域32の材料は、中央周辺領域の材料よりも、機械強度が高く、かつ線膨張係数が小さい材料であればより好ましいが、Cuなどのように、線膨張係数が比較的大きくても十分な機械強度があることで、中央領域での熱変形を防ぐことができる。また、Cuは熱伝導性が高いことからこの中央領域での温度上昇を抑制する機能も発揮することができる。
上記表3は、中央導電性領域32の材料として上記Cu、Mo、W、CNTを採用し、パワーサイクル試験を施した半導体装置100の第1面導電層30に関する評価の一例を示す。表3から理解できるように、Cu、Mo、W、CNTのいずれも中央導電性領域32の材料として採用可能である。なお、表3において、評価は、Aであれば採用可能であり、かつ、Aが多いほど劣化程度が少ないことを表している。高純度Alを中央導電領域の材料とした場合には、既に説明したように熱変形などが生じるため評価はCである。
次に、絶縁基板40の第2面側について説明する。本実施形態では、図1に示すように、絶縁基板40の第2面側にも第2面導電層50を形成している。この第2面導電層50の材料としては、第1面導電層30と同じ材料、少なくともその中央周辺領域に用いる材料(例えば高純度Al)を採用する。第2面側にも導電層50を形成し、かつ、第1面側と共通の材料を用いることにより、絶縁基板40の第1面と第2面とで熱応力バランスをとり、絶縁基板40の変形、損傷を防止することを可能としている。
また、図1(a)、(b)に示すように、中央導電性領域32は、第1面側導電層30の一部の領域であり、大半の部分(中央周辺領域)には、上記のように例えば高純度Alなどを採用することができる。つまり、基板を挟んで、Al/AlN/Al構造とすることができる。よって、熱伝導性を重視したAlN基板を絶縁基板40として採用した場合、このAlNの割れを防止することのできる導電材料を採用することができる。その一方で、温度サイクルへの耐久性が求められる中央導電性領域32については、機械強度等の高い材料を選択的に採用することができる。したがって、絶縁基板40の保護と、絶縁基板40と半導体素子10との接合部のクラック耐性の向上とを両立させることができる。
本実施形態において、半導体素子10としては、シリコン基板に形成されたIGBTや、FWD等のいわゆるパワー半導体素子を採用することができる。パワー半導体素子は上述のように発熱量が多く、放熱部材を採用することが好ましい。
図2は、このような放熱部材による冷却機構を備える半導体装置の概略構成例を示している。なお、図1と共通する構成には同一符号を付して説明を省略する。図2において、半導体素子10が第1面に搭載された絶縁基板40の第2面側(素子搭載面と反対側)には、上記第2導電層50が形成されており、この第2面側に、第2金属接合部60によって、放熱部材70が接合されている。放熱部材は、図2の例では、内部空間に循環水等満たされた水冷式冷却器である。放熱部材70は、この図示するような水冷式冷却器に限られるわけではなく、絶縁基板40に接合された板状の放熱板や、放熱フィンを用い、空冷式を採用していても良い。
ここで、第1及び第2金属接合部20,60としては、部材間の電気的又は熱的接続の両方又は少なくとも一方を取ることができる接合用金属が採用され、いわゆる、はんだ材料やロウ材料などを用いることができる。一例として、鉛フリーはんだ材料の一種である、Sn系はんだ、例えばSnCu合金等を用いることができる。
本実施形態では、以上のような冷却機構を採用することで、半導体素子10で生じた熱が、第1金属接合部20、第1面導電層30を介して絶縁基板40に伝達され、さらに、第2面導電層50、第2金属接合部60を介して放熱部材70に伝達され、冷却されることとなる。
次に、本実施形態に係る半導体装置の導電層の製造方法について図3を参照して説明する。まず、図3(a)に示すように、AlNセラミック材料を焼成して板状の絶縁基板40を形成する。次に、AlNからなる絶縁基板40に第1面及び第2面導電層30,50を形成するためのロウ材42として、例えばAg系のロウ材(Ag−27Cu4.5Ti等)を絶縁基板40の表面にそれぞれ形成する。
さらに、第1面導電層30として中央周辺領域には高純度Al材料、中央導電領域には、この周辺領域の材料と異なる特性の材料(機械強度が高い又は線膨張係数が低い材料のいずれか又は両方)として、例えばCu、CNTなどを積層する。第2面導電層50としては、例えば上記高純度Alを全面に積層する。導電層を積層後、次に、700℃程度の熱処理を施し、ロウ材42を介して第1面導電層30、第2面導電層50を絶縁基板40の表面に密着させる。
第1面導電層30、第2面導電層50の形成後、これらの表面には、例えば厚さ5μmのニッケルメッキ44を施し(c)、図2に示すように、第1金属接合部20、第2金属接合部60との接合性を向上させる。
[実施形態2]
次に、図4を参照して、実施形態2に係る半導体装置の他の導電層の構成及びその製造方法について説明する。実施形態1では、第1面導電層30の中央導電性領域32の全域において均一濃度にて、周辺領域と異なる特性の材料を用いているが、実施形態2では、図4(a)に示すように第1面導電層30の中央導電性領域32において、周辺領域と異なる特性の材料の濃度が中央ほど高くなるよう濃度勾配が設けられている。
次に、図4を参照して、実施形態2に係る半導体装置の他の導電層の構成及びその製造方法について説明する。実施形態1では、第1面導電層30の中央導電性領域32の全域において均一濃度にて、周辺領域と異なる特性の材料を用いているが、実施形態2では、図4(a)に示すように第1面導電層30の中央導電性領域32において、周辺領域と異なる特性の材料の濃度が中央ほど高くなるよう濃度勾配が設けられている。
中央導電性領域32に能動勾配をもって用いられる材料としては、実施形態1と同様であり、機械強度が周辺領域材料より高い、又は線膨張係数が低いという少なくとも一方の条件を満たすことが好ましい。熱伝導性は150W/m・K以上であることが好ましい。例えば、上述したようなCu、Mo、W、CNTなどが採用可能である。
一例として、本実施形態では、Cu、Mo、WとAlとの混合金属材料を採用した。まず、図4(b)に示すように、濃度勾配領域のためのCu、Mo、Wの多孔体34を形成する。溶融した金属材料中にガスを吹き込む又はTiH2等の発泡剤を投入して発泡させて、凝固させることで形成することができる。このガス吹き込み又は発泡の際に、作業温度、気圧、ガス流量等を制御することで、多孔体の孔部の分布を制御し、孔部が周辺に行くほど多くなるようにする。
次に、図4(c)に示すように、得られた多孔体34を型80内に配し、高純度Alを含浸させることで、第1面導電層30を形成する。さらに、得られた第1面導電層30と、高純度Alを用いた第2面導電層50とを、それぞれロウ材42によって絶縁基板40の第1面、第2面にロウ付けする(図4(d))。最後に、図4(e)に示すように、表面にNiメッキ(約5μmの厚さ)を施して、図示しないはんだ材料などによる第1金属接合部20、第2金属接合部50との接合性を向上させる。
また、周辺領域の材料と異なる特性の材料として、CNTを用いる場合には、溶融させた高純度Alに、CNTを混合することで形成する。CNTの分布は、Alの冷却速度、攪拌速度などによって制御することができ、導電層30の中央導電性領域32に相当する領域に選択的にこのCNTを中央ほど高濃度で形成する。
本実施形態2のように、第1面導電層30の中央導電性領域32において中央部ほど周囲領域と特性の異なる材料の濃度を高めることにより、中央導電性領域32と周辺領域と境界での特性変化が円滑であり、境界領域での応力緩和を図ることができる。また、中央導電性領域32における耐熱性を高め、熱変形等を防止することが可能である。
[実施形態3]
図5は、本発明の実施形態3に係る半導体装置の概略断面構造を示している。本実施形態3では、上記実施形態において、第1面導電層30において、その中央導電性領域32に周辺領域と機械強度などの特性の異なる材料を用いたが、第2面導電層50においても、中央導電性領域52においてその周囲領域と特性の異なる材料を用いている。絶縁基板40の第2面側においても、第1面側よりは影響が小さいが、中央領域はその周辺と比較して半導体素子10の発熱の影響を受ける。
図5は、本発明の実施形態3に係る半導体装置の概略断面構造を示している。本実施形態3では、上記実施形態において、第1面導電層30において、その中央導電性領域32に周辺領域と機械強度などの特性の異なる材料を用いたが、第2面導電層50においても、中央導電性領域52においてその周囲領域と特性の異なる材料を用いている。絶縁基板40の第2面側においても、第1面側よりは影響が小さいが、中央領域はその周辺と比較して半導体素子10の発熱の影響を受ける。
よって、第2面導電層50においても、その中央領域に第1面導電層30の中央導電性領域32と同様の材料を用いた中央導電性領域52を形成することで、熱変形などを防止して接合部のクラック耐性を向上させることができる。
ここで、第2面導電層50の中央導電性領域52は、中央導電性領域32と同じ面積としても良いし、図5に示すように、第1面導電層30よりも大きくしても良い。上述のように絶縁基板40の第2面側では第1面側よりも半導体素子10からの距離が大きいため熱劣化の程度は低いが、熱の拡散により、劣化面積が大きくなる傾向がある。したがって、その劣化の可能性の領域に応じて中央導電性領域52を大きく設定することで、第2面側でもクラック耐性のより確実な向上が可能となる。
10 半導体素子、20 第1金属接合部、30 第1面導電層、32,52 中央導電性領域、34 多孔体、40 絶縁基板、50 第2面導電層、60 第2金属接合部、70 放熱部材、100 半導体装置。
Claims (10)
- 半導体素子と、該半導体素子を搭載する絶縁基板と、を備える半導体装置であって、
絶縁基板の第1面には、前記半導体素子と接続するための導電層が形成され、
前記半導体素子は、金属接合部によって前記絶縁基板の前記第1面に接合され、
前記第1面の前記導電層は、前記半導体素子の平面方向中央領域に対応する領域において、周辺領域と異なる特性の中央導電性領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1面の前記導電層の前記中央導電性領域は、該導電層の中央周辺領域よりも機械強度の高い中央導電性材料を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の半導体装置において、
前記第1面の前記導電層の前記中央導電性領域は、該中央周辺領域よりも線膨張係数が小さい中央導電性材料を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記中央導電性領域は、150W/(m・K)より大きい熱伝導性を示す中央導電性材料を含むことを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記中央導電性領域では、中央ほど前記中央導電性材料の濃度が高いことを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体素子は、パワー半導体素子であることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記絶縁基板の前記第1面と反対側の第2面には、金属接合部によって放熱部材が接合され、
前記絶縁基板の前記第2面には、第2面側導電層が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項7に記載の半導体装置において、
前記第2面導電層は、前記半導体素子の平面方向中央領域に対応する領域において、周辺領域と異なる特性の第2面側中央導電性領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記絶縁基板は、AlN基板であり、
前記絶縁基板の少なくとも第1面に形成された前記導電層は、Alを含む導電層であることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記中央導電性領域の前記中央導電性材料は、カーボンナノチューブ、Al合金、Cu、Ag、Mo、Wのいずれかを含むことを特徴とする半導体装置。
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2009
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