JP2012079791A - Method for manufacturing optical semiconductor element module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信用の光半導体素子モジュールの製造方法に関し、特に、光半導体素子とレンズの光軸調芯固定におけるレーザ溶接による光軸ずれの抑制に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing an optical semiconductor element module for optical communication, and more particularly to suppression of optical axis misalignment due to laser welding in optical axis alignment fixing of an optical semiconductor element and a lens.
従来、光半導体素子とレンズの光軸調芯固定においては、レンズを保持するレンズホルダを治具により支持し、キャリアに実装された光半導体素子とレンズの光軸を調芯した後、YAGレーザ溶接によりキャリアとレンズホルダを溶接固定していた。この方法では、キャリアとレンズホルダを線膨張率の小さい部材とすることで、長期の温度変化に伴う光半導体素子とレンズの光軸ずれを防止していた。 Conventionally, in the optical axis alignment fixing of the optical semiconductor element and the lens, the lens holder for holding the lens is supported by a jig, the optical semiconductor element mounted on the carrier and the optical axis of the lens are aligned, and then the YAG laser The carrier and the lens holder were fixed by welding. In this method, the optical axis shift between the optical semiconductor element and the lens accompanying a long-term temperature change is prevented by using the carrier and the lens holder as members having a small linear expansion coefficient.
また、例えば特許文献1では、基板上に配置された固定用部材により固定されたレンズホルダと、基板上に配置されたレーザダイオードと、レンズホルダにより保持された第一レンズを備えたレーザダイオードモジュールにおいて、基板と固定用部材との間、及び固定用部材とレンズホルダとの間をYAGレーザ溶接により接合している。この例では、固定用部材の材質として線膨張率が一定値以下のものを用いることにより、光軸ずれが生じないようにし、トラッキングエラーの発生を抑制している。 For example, in Patent Document 1, a laser diode module including a lens holder fixed by a fixing member arranged on a substrate, a laser diode arranged on the substrate, and a first lens held by the lens holder. In FIG. 3, the substrate and the fixing member, and the fixing member and the lens holder are joined by YAG laser welding. In this example, a material having a linear expansion coefficient equal to or less than a certain value is used as the material for the fixing member, so that the optical axis is not shifted and the occurrence of tracking errors is suppressed.
上記のように、従来の光半導体素子モジュールの光軸調芯固定におけるレーザ溶接工程では、光半導体素子とレンズの光軸を調芯した後、光半導体素子が実装されたキャリア(基板)とレンズを保持したレンズホルダを、YAGレーザ溶接により溶接固定していた。 As described above, in the laser welding process in the optical axis alignment fixing of the conventional optical semiconductor element module, after aligning the optical axis of the optical semiconductor element and the lens, the carrier (substrate) and the lens on which the optical semiconductor element is mounted The lens holder that holds was fixed by welding by YAG laser welding.
ところが、近年の光半導体素子モジュールの小型化に伴い、個々の光学部品が小型になり、レーザを照射する箇所(溶接部)が、レンズの中心に対して非対称な位置に制限されるようになってきた。このため、レーザ照射時に溶接部の熱収縮によりレンズホルダに不均一な力が生じ、レンズが光軸調芯位置からずれてしまい、光半導体素子とレンズの光軸ずれが生じるという問題があった。 However, with the recent miniaturization of optical semiconductor element modules, individual optical components have become smaller, and the location (welded part) where the laser is irradiated is limited to an asymmetric position with respect to the center of the lens. I came. For this reason, there is a problem in that a non-uniform force is generated in the lens holder due to thermal contraction of the welded portion during laser irradiation, the lens is displaced from the optical axis alignment position, and the optical axis is shifted between the optical semiconductor element and the lens. .
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、光半導体素子モジュールの光軸調芯固定において、レーザ照射時の溶接部の熱収縮による光半導体素子とレンズの光軸ずれを抑制し、高精度な組立が可能な光半導体素子モジュールの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in the optical axis alignment fixing of the optical semiconductor element module, the optical axis of the optical semiconductor element and the lens due to the thermal contraction of the weld during laser irradiation. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing an optical semiconductor element module capable of suppressing misalignment and enabling highly accurate assembly.
本発明に係る光半導体素子モジュールの製造方法は、キャリアに実装された光半導体素子と、この光半導体素子と所定距離をおいて配置されたレンズと、レンズを保持しキャリアに溶接固定されたレンズホルダを備えた光半導体素子モジュールの製造方法であって、
レンズホルダ固定治具によりレンズホルダを保持しレンズホルダの動きを制限した状態で光半導体素子とレンズの光軸を調芯した後、レンズの中心に対して非対称な二点のレーザ溶接部に同時にレーザを照射し、レンズホルダとキャリアを溶接固定するレーザ溶接工程を含み、レンズホルダ固定治具は、レンズの中心軸に垂直な平面上においてレンズの中心に対して非対称な二点のレンズホルダ接触部でレンズホルダと接触し、二点のレーザ溶接部とレンズの中心を結んだ角度θ1(θ1<180°)に対して、二点のレンズホルダ接触部とレンズの中心を結んだ角度θ2(θ2<180°)の方が大きく、且つθ2の広がりの領域内にθ1があるものである。
An optical semiconductor element module manufacturing method according to the present invention includes an optical semiconductor element mounted on a carrier, a lens arranged at a predetermined distance from the optical semiconductor element, and a lens that holds the lens and is fixed to the carrier by welding. A method for producing an optical semiconductor element module having a holder,
After aligning the optical axis of the optical semiconductor element and the lens while holding the lens holder with the lens holder fixing jig and restricting the movement of the lens holder, it is simultaneously applied to two laser welding parts that are asymmetric with respect to the center of the lens. A laser welding process is performed in which a laser is irradiated and the lens holder and the carrier are welded and fixed. The lens holder fixing jig is in contact with two lens holders that are asymmetric with respect to the center of the lens on a plane perpendicular to the center axis of the lens. The angle θ2 (which connects the two lens holder contact portions and the center of the lens) with respect to the angle θ1 (θ1 <180 °) between the laser welding portion and the center of the lens. θ2 <180 °) is larger, and θ1 is in a region where θ2 spreads.
本発明に係る光半導体素子モジュールの製造方法によれば、光半導体素子とレンズの光軸を調芯した後、レンズの中心に対して非対称な二点のレーザ溶接部に同時にレーザを照射し、レンズホルダとキャリアを溶接固定するレーザ溶接工程において、レンズホルダ固定治具によりレンズホルダを保持しレンズホルダの動きを制限した状態でレーザ照射を行うようにしたので、レーザ照射時のレーザ溶接部の熱収縮による光半導体素子とレンズの光軸ずれを抑制することができ、光半導体素子モジュールの高精度な組立が可能である。 According to the method for manufacturing an optical semiconductor element module according to the present invention, after aligning the optical axis of the optical semiconductor element and the lens, simultaneously irradiate the laser welding portion at two points asymmetric with respect to the center of the lens, In the laser welding process of welding and fixing the lens holder and the carrier, the lens holder is held by the lens holder fixing jig and the laser irradiation is performed with the movement of the lens holder being restricted. An optical axis shift between the optical semiconductor element and the lens due to heat shrinkage can be suppressed, and the optical semiconductor element module can be assembled with high accuracy.
実施の形態1.
以下に、本発明の実施の形態1に係る光半導体素子モジュールの製造方法について、図面に基づいて説明する。図1は、本実施の形態1に係る光半導体素子モジュールの構成を示す概略図であり、(a)は正面図、(b)は上面図、(c)は側面図である。なお、図1(a)、(c)において、レンズホルダ4は断面を示している。
Embodiment 1 FIG.
Below, the manufacturing method of the optical semiconductor element module which concerns on Embodiment 1 of this invention is demonstrated based on drawing. 1A and 1B are schematic views showing the configuration of the optical semiconductor element module according to the first embodiment, where FIG. 1A is a front view, FIG. 1B is a top view, and FIG. 1C is a side view. In FIGS. 1A and 1C, the
光半導体素子モジュールの光半導体素子1は、その発光点Aから近赤外光を出力する発光半導体素子であり、キャリア2に実装されている。レンズ3は、光半導体素子1と所定距離をおいて配置され、光半導体素子1の発光点Aから出力される近赤外光を集光する。レンズ3を保持するレンズホルダ4は、キャリア2に溶接固定されている。なお、レンズ3はレンズホルダ4内に圧入されており、互いの位置関係は変化しない。また、光半導体素子1の発光点Aの形状は特に限定されるものではない。
The optical semiconductor element 1 of the optical semiconductor element module is a light emitting semiconductor element that outputs near infrared light from the light emitting point A, and is mounted on the
YAGレーザ溶接部5(以下、YAG溶接部5と略す)は、光半導体素子モジュールの光軸調芯固定において、YAGレーザが照射される部分であり、レンズホルダ4の底面4aが接触しているキャリア2のレンズ取付け面2a上に有る。図1(b)に示すように、二点のYAG溶接部5は、レンズホルダ4の底面4aの外周を二分した時、一方の円弧上に偏って存在しており、レンズ3の中心に対して非対称な位置となっている。なお、図1(a)及び図1(c)では、光半導体素子1の発光点Aとレンズ3の中心軸Bがずれているが、実際には両者が一致するように調整(光軸調芯)した後、レンズホルダ4とキャリア2をYAG溶接部5にて溶接固定する。
The YAG laser welded portion 5 (hereinafter abbreviated as YAG welded portion 5) is a portion irradiated with a YAG laser in the optical axis alignment fixing of the optical semiconductor element module, and the
キャリア2の材料としては、光半導体素子1の材料(例えばInPやInGaAs)と線膨張係数の近い、コバール(FeにNi、Coを配合した合金)やCuW等が用いられる。また、レンズホルダ4の材料としては、YAGレーザの波長1.06μmに対して吸収率が良い、すなわち溶接性の良いSUSやSF20T等が用いられる。金属材料同士のレーザ溶接には、一般にCO2レーザとYAGレーザが用いられる。レーザの種類としてはその他、第2高調波のYAGレーザ(波長532nm)や半導体レーザもあるが、ミクロンオーダの組立が必要な光学部品に対しては、低出力のYAGレーザが適している。
As the material of the
次に、本実施の形態1に係る光半導体素子モジュールの製造方法について、図2を用いて説明する。図2は、本実施の形態1に係る光半導体素子モジュールの光軸調芯固定方法を説明する図であり、(a)は上面図、(b)は側面図である。なお、図2(b)において、レンズホルダ4は断面を示している。また、図2中、図1と同一、相当部分には同一符号を付している。
Next, a method for manufacturing the optical semiconductor element module according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 2A and 2B are views for explaining an optical axis alignment fixing method of the optical semiconductor element module according to the first embodiment, where FIG. 2A is a top view and FIG. 2B is a side view. In addition, in FIG.2 (b), the
図2において、キャリア2とレンズホルダ4は、それぞれ別の固定部材(図示せず)により保持されている。これらの固定部材は、位置決め手段を兼ねている場合もある。まず、レンズホルダ固定治具6によりレンズホルダ4を保持し、レンズホルダ4の動きを制限した状態で、光半導体素子1の発光点Aとレンズ3の中心軸Bが一致するように、光半導体素子1とレンズ3の位置を調整する。光半導体素子1とレンズ3両者の位置の調整は、光半導体素子1を基準としてレンズ3を移動させてもよいし、レンズ3を基準として光半導体素子1を移動させてもよい。
In FIG. 2, the
光半導体素子1とレンズ3の光軸を調芯した後、レンズ3の中心に対して非対称な二点のYAG溶接部5に同時にレーザを照射し、レンズホルダ4とキャリア2を溶接固定する(レーザ溶接工程)。二点のYAG溶接部5がレンズ3の中心に対して非対称な場合、レーザ照射時のYAG溶接部5の熱収縮によってレンズホルダ4に不均一な力が生じ、レンズ3が光軸調芯位置からずれてしまい、光半導体素子1とレンズ3の光軸ずれが生じることがある。このような光軸ずれを抑制するために、レンズホルダ固定治具6によりレンズホルダ4を保持し、レンズホルダ4の動きを制限した状態でレーザ照射を行う。
After the optical axes of the optical semiconductor element 1 and the
レンズホルダ固定治具6には、レンズホルダ4の動きを制限するための当て面7が設けられている。この当て面7と円筒状のレンズホルダ4の周面は、レンズ3の中心に対して非対称な二箇所のレンズホルダ接触部8で接触している。これは、レンズ3の中心軸に垂直な平面上で見ると、図2(a)に示すように、レンズ3の中心に対して非対称な二点のレンズホルダ接触部8でレンズホルダ4と接触していると言える。さらに、二点のYAG溶接部5とレンズ3の中心を結んだ角度θ1(θ1<180°)に対して、二点のレンズホルダ接触部8とレンズ3の中心を結んだ角度θ2(θ2<180°)の方が大きく、且つθ2の広がりの領域内にθ1がある。これにより、レーザ照射時にYAG溶接部5が熱収縮した場合でも、レンズホルダ4はレンズホルダ接触部8で保持されているため、レンズ3が光軸調芯位置からずれることを抑制できる。
The lens
また、側面から見ると、図2(b)に示すように、YAG溶接部5はレンズホルダ4の底面4aと接するキャリア2のレンズ取付け面2a上にあり、レンズホルダ固定治具6はレンズホルダ4の周面の上方を保持している。これにより、レンズホルダ固定治具6は、YAGレーザ溶接の際にレーザ照射の妨げにならない。なお、レンズホルダ固定治具6の形状及び寸法については、後に図4を用いて説明する。
2B, the YAG welded
次に、レンズホルダ固定治具6によるレンズホルダ4の固定方法について、図3を用いて説明する。図3(a)は、レンズホルダ4が金属材料からなり、レンズホルダ固定治具6が非磁性体材料からなる場合を示している。レンズホルダ固定治具6は、マグネット10により磁化させた支持棒9を有し、この支持棒9の磁力によりレンズホルダ4の周面の一部を吸着して固定するとともに、当て面7のレンズホルダ接触部8においてレンズホルダ4を保持している。
Next, a method of fixing the
また、図3(b)は、レンズホルダ4が金属材料からなり、レンズホルダ固定治具6が磁性体材料からなる場合を示している。レンズホルダ固定治具6はマグネット10により磁化され、その磁力によりレンズホルダ4の周面の一部を吸着して固定するとともに、当て面7のレンズホルダ接触部8においてレンズホルダ4を保持している。ただし、レンズホルダ固定治具6によるレンズホルダ4の固定方法はこれに限定されるものではなく、他の方法を用いてもよい。
FIG. 3B shows a case where the
次に、レンズホルダ固定治具6の形状及び寸法について、図4を用いて説明する。図4(a)は、光半導体素子、キャリア、レンズ及びYAG溶接部の位置関係を示す図であり、レンズホルダ固定治具は図示していない。また、図4(b)は、図4(a)中、C−D線における断面を矢印方向から見た正面図である。なお、図4中、図2と同一、相当部分には同一符号を付している。
Next, the shape and dimensions of the lens
図4(a)に示すように、光半導体素子1の発光点Aからキャリア2の光半導体素子搭載面2bまでの距離をL1、キャリア2の光半導体素子搭載面2bからYAG溶接部5までの距離をL2、レンズホルダ4の直径をd1とすると、二点のYAG溶接部5とレンズ3の中心を結んだ時の角度θ1は、下記の数式1より求められる(数式1、数式3において、θはθ1を示している)。なお、レンズホルダ固定治具6の当て面7の角度は、θ1よりも大きい角度に設定される。
As shown in FIG. 4A, the distance from the light emitting point A of the optical semiconductor element 1 to the optical semiconductor
また、図4(b)に示すように、レンズホルダ固定治具6の当て面7の高さをh1とすると、h1は下記の数式2より求められる。数式2において、h2はレンズホルダ4の高さ、d2はYAGレーザのビーム直径、ΨはYAGレーザ照射角度、L3はレンズホルダ固定治具6の側面6aからYAG溶接部5までの距離である。なお、L3は下記の数式3より求められる。数式3において、L4はレンズホルダ固定治具6の幅である。例えばL1を0.4mm、L2を0.4mm、d1を2mm、h2を1.2mm、L4を2mm、Ψを45°とすると、下記の数式2及び数式3よりh1は0.52mm以下となる。
Further, as shown in FIG. 4B, when the height of the
以上のように、本実施の形態1に係る光半導体素子モジュールの製造方法によれば、光半導体素子1とレンズ3の光軸を調芯した後、レンズ3の中心に対して非対称な二点のYAG溶接部5に同時にレーザを照射し、レンズホルダ4とキャリア2を溶接固定するレーザ溶接工程において、レンズホルダ固定治具6によりレンズホルダ4を保持し、レンズホルダ4の動きを制限した状態でレーザ照射を行うようにしたので、レーザ照射時のYAG溶接部5の熱収縮による光半導体素子1とレンズ3の光軸ずれを抑制することができ、光半導体素子モジュールの高精度な組立が可能である。
As described above, according to the method for manufacturing the optical semiconductor element module according to the first embodiment, after the optical axes of the optical semiconductor element 1 and the
実施の形態2.
図5は、本発明の実施の形態2に係る光半導体素子モジュールの光軸調芯固定方法を説明する図であり、(a)は上面図、(b)は側面図である。なお、図5(a)の上面図において、点線は実際には見えていない部分を示している。また、図5(b)において、レンズホルダ4は断面を示している。また、図5中、図2と同一、相当部分には同一符号を付している。
5A and 5B are diagrams for explaining an optical axis alignment fixing method for an optical semiconductor element module according to
本実施の形態2においても、上記実施の形態1と同様に、光半導体素子1とレンズ3の光軸を調芯した後、レンズ3の中心に対して非対称な二点のYAG溶接部5に同時にレーザを照射し、レンズホルダ4とキャリア2を溶接固定する。このレーザ照射時のYAG溶接部5の熱収縮による光軸ずれを抑制するために、レンズホルダ固定治具61によりレンズホルダ4を保持し、レンズホルダ4の動きを制限した状態でレーザ照射を行う。
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, after the optical axes of the optical semiconductor element 1 and the
本実施の形態2におけるレンズホルダ固定治具61によるレンズホルダ4の固定方法について、図5を用いて説明する。図5(a)に示すように、レンズホルダ固定治具61には、レンズホルダ4の動きを制限するための当て面7が設けられている。この当て面7と円筒状のレンズホルダ4の周面は、レンズ3の中心に対して非対称な2箇所のレンズホルダ接触部8で接触している。YAG溶接部5とレンズホルダ接触部8の位置関係は、上記実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
A method of fixing the
上記実施の形態1では、レンズホルダ固定治具6はマグネット10の磁力によりレンズホルダ4を吸着して固定しているが(図3参照)、本実施の形態2では、図5(b)に示すように、レンズホルダ固定治具61はレンズホルダ4を真空吸着する吸着面11を有し、この吸着面11によりレンズホルダ4の一部(図5では上面)を吸着して固定するとともに、レンズホルダ接触部8においてレンズホルダ4を保持している。
In the first embodiment, the lens
また、図6は、本実施の形態2において用いられるレンズホルダ固定治具の他の構成例を示しており、(a)は上面図、(b)は側面図である。なお、図6(a)の上面図において、点線は実際には見えていない部分を示している。また、図6(b)において、レンズホルダ4は断面を示している。また、図6中、図2と同一、相当部分には同一符号を付している。
6 shows another configuration example of the lens holder fixing jig used in the second embodiment, where (a) is a top view and (b) is a side view. In the top view of FIG. 6A, the dotted line indicates a portion that is not actually seen. Moreover, in FIG.6 (b), the
図6(a)に示すように、レンズホルダ固定治具62には、レンズホルダ4の動きを制限するための当てピン12が設けられている。当てピン12の形状は、図6では円筒状であるが、特に限定するものではない。この当てピン12と円筒状のレンズホルダ4の周面は、レンズ3の中心に対して非対称な2箇所のレンズホルダ接触部8で接触している。YAG溶接部5とレンズホルダ接触部8の位置関係は、上記実施の形態1と同様である。
As shown in FIG. 6A, the lens
また、図6(b)に示すように、レンズホルダ固定治具62は、レンズホルダ4を真空吸着する吸着面11を有し、この吸着面11によりレンズホルダ4の上面を吸着して固定するとともに、レンズホルダ接触部8においてレンズホルダ4を保持している。
As shown in FIG. 6B, the lens
本実施の形態2に係る光半導体素子モジュールの製造方法によれば、上記実施の形態1と同様の効果に加え、レンズホルダ4の上面をレンズホルダ固定治具61、62に設けられた吸着面11により真空吸着して固定するようにしたので、キャリア2に対するレンズホルダ4の傾きを抑制することができ、さらに高精度な組立が可能である。
According to the method for manufacturing an optical semiconductor element module according to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the upper surface of the
なお、上記実施の形態1及び実施の形態2では、光半導体素子1として発光半導体素子を用いた例について説明したが、本発明に係る光半導体素子モジュールは、受光半導体素子を用いたものであってもよい。その場合は、外部からの近赤外光を集光し、受光半導体素子の受光点へ入射させるレンズが用いられる。 In the first embodiment and the second embodiment, the example in which the light emitting semiconductor element is used as the optical semiconductor element 1 has been described. However, the optical semiconductor element module according to the present invention uses a light receiving semiconductor element. May be. In this case, a lens that collects near-infrared light from the outside and makes it incident on the light receiving point of the light receiving semiconductor element is used.
本発明は、光通信用の光半導体素子モジュールの製造方法、特に光半導体素子とレンズの光軸調芯固定方法として利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a method for manufacturing an optical semiconductor element module for optical communication, particularly as an optical axis alignment fixing method for optical semiconductor elements and lenses.
1 光半導体素子、2 キャリア、2a レンズ取付け面、
2b 光半導体素子搭載面、3 レンズ、4 レンズホルダ、4a 底面、
5 YAGレーザ溶接部、6、61、62 レンズホルダ固定治具、
7 当て面、8 レンズホルダ接触部、9 支持棒、10 マグネット、
11 吸着面、12 当てピン。
1 optical semiconductor element, 2 carrier, 2a lens mounting surface,
2b Optical semiconductor element mounting surface, 3 lens, 4 lens holder, 4a bottom surface,
5 YAG laser weld, 6, 61, 62 Lens holder fixing jig,
7 contact surface, 8 lens holder contact portion, 9 support bar, 10 magnet,
11 adsorption surface, 12 contact pin.
Claims (7)
レンズホルダ固定治具により前記レンズホルダを保持し前記レンズホルダの動きを制限した状態で前記光半導体素子と前記レンズの光軸を調芯した後、前記レンズの中心に対して非対称な二点のレーザ溶接部に同時にレーザを照射し、前記レンズホルダと前記キャリアを溶接固定するレーザ溶接工程を含み、
前記レンズホルダ固定治具は、前記レンズの中心軸に垂直な平面上において前記レンズの中心に対して非対称な二点のレンズホルダ接触部で前記レンズホルダと接触し、前記二点のレーザ溶接部と前記レンズの中心を結んだ角度θ1(θ1<180°)に対して、前記二点のレンズホルダ接触部と前記レンズの中心を結んだ角度θ2(θ2<180°)の方が大きく、且つθ2の広がりの領域内にθ1があることを特徴とする光半導体素子モジュールの製造方法。 An optical semiconductor element module manufacturing method comprising: an optical semiconductor element mounted on a carrier; a lens disposed at a predetermined distance from the optical semiconductor element; and a lens holder that holds the lens and is fixed to the carrier by welding. Because
After aligning the optical axis of the optical semiconductor element and the lens in a state where the lens holder is held by a lens holder fixing jig and the movement of the lens holder is restricted, two points asymmetric with respect to the center of the lens A laser welding process of simultaneously irradiating a laser welding portion with a laser and welding and fixing the lens holder and the carrier;
The lens holder fixing jig is in contact with the lens holder at two lens holder contact portions that are asymmetric with respect to the center of the lens on a plane perpendicular to the center axis of the lens, and the two laser welding portions And the angle θ2 (θ2 <180 °) connecting the two lens holder contact portions and the center of the lens is larger than the angle θ1 (θ1 <180 °) connecting the center of the lens and the center of the lens, and A method of manufacturing an optical semiconductor element module, wherein θ1 is in a region where θ2 spreads.
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