JP2015002244A - 電子部品を有する電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を増大させることなく、パッケージ部品などの電子部品と基板のうち少なくとも電子部品と対向する最表面との熱膨張係数を近づける。
【解決手段】
基板１０の一面１１のうちパッケージ部品２０と対応する部分にダミービア１６を備える。このような構成では、導体材料１６ｂを有するダミービア１６の熱膨張係数α１２がパッケージ部品２０の熱膨張係数α２よりも大きく、熱膨張係数α１１、α１２、α２がα１２＞α２≧α１２の関係を満たす。このため、熱膨張係数α１２を有するダミービア１６をパッケージ部品２０の下方位置に配置することで、基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１がパッケージ部品２０の熱膨張係数α２に近づくようにできる。ダミービア１６については、ビア１４などと同時に形成できるため、製造工程を増大させることもない。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品を基板の一面側に搭載することで構成した電子装置に関し、特に電子部品として樹脂封止したパッケージ部品を有する電子装置に適用すると好適である。

従来、特許文献１において、はんだ接合部を介して電子部品と基板とを電気的および機械的に接合した部品実装基板において、電子部品と基板との熱膨張差による応力を緩和する構造が開示されている。具体的には、基板のうち電子部品の下方に位置する部分に凹部を設け、この凹部内に電子部品の熱膨張係数と基板の熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有する埋込材料を配置した構造とし、埋込材料としてフィラーを含む樹脂材料を用いている。

特許第４３４０５７８号公報

しかしながら、基板に凹部を形成したり、フィラーを含む樹脂材料で構成される埋込材料を凹部内に配置しなければならず、製造工程の増大に繋がって製造コスト高を招くことになる。また、上記した埋込材料を用いた場合、電子部品の熱膨張係数と基板の熱膨張係数の中間の熱膨張係数であることから、埋込材料が配置された部分において基板の熱膨張係数を電子部品側に近づけることはできるものの、十分に近づけることは困難である。

本発明は上記点に鑑みて、製造工程を増大させることなく、かつ、パッケージ部品などの電子部品と基板のうち少なくとも電子部品と対向する最表面との熱膨張係数をより近づけることが可能な電子部品を有する電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１ないし６に記載の発明では、一面（１１）および一面の反対面となる他面（１２）とを有する基板（１０）と、基板の一面側に実装され、一面に対向する下面を有した電子部品（２０、３０）と、を備えた電子装置であって、基板には配線パターン（１５）が形成されていると共に、該基板の一面には配線パターンに電気的に接続される導体材料（１４ｂ）を有するビア（１４）が形成され、ビアを通じて電子部品が配線パターンに電気的に接続されており、基板の一面のうち、電子部品と対向する位置に、ビアから電気的に分離された導体材料（１６ｂ）を有するダミービア（１６）が形成されていることを特徴としている。

このように、基板の一面のうち電子部品と対向する部分にダミービアを設けている。このような構成とすれば、導体材料を有するダミービアの熱膨張係数α１２が電子部品の熱膨張係数α２よりも大きいことから、基板の一面のうち電子部品と対向する部分の熱膨張係数α１を電子部品の熱膨張係数α２に近づけられる。

したがって、電子装置を使用する際における基板や電子部品の熱膨張・収縮（冷熱変化）時に、これらの熱膨張係数差に起因して発生する応力により、電子部品と基板の導体との間の接続不良に発生することを抑制できる。そして、基板にダミービアを形成することで上記効果が得られるが、ダミービアについてはビアやスルーホールを形成する工程の際に同時に形成できる。したがって、製造工程を増大させなくても、電子部品と基板のうち電子部品と対向する最表面の熱膨張係数α１、α２をより近づけることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる電子装置の断面図である。 図１の電子装置に備えられるパッケージ部品２０の接続構造の一例を示した断面図である。 本発明の第２実施形態の電子装置に備えられるパッケージ部品２０の接続構造の一例を示した断面図である。 第２実施形態の他の例として説明するパッケージ部品２０の接続構造の一例を示した断面図である。 本発明の第３実施形態の電子装置に備えられるパッケージ部品２０の近傍を基板１０の一面１１に対する法線方向から見たときの上面図である。 図５に示すパッケージ部品２０の接続構造の一例を示した断面図である。 本発明の第４実施形態の電子装置に備えられるパッケージ部品２０の接続構造の一例を示した断面図である。 本発明の第５実施形態にかかる電子装置としてのモールドパッケージの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる電子装置について説明する。ここでは、電子部品としてパッケージ部品を有する電子装置を例に挙げて、図１および図２を参照して説明する。この電子装置は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用される。

図１に示すように、本実施形態の電子装置は、基板１０、第１の樹脂２１で封止されたパッケージ部品２０、電子部品３０などを有した構成とされている。

基板１０は、パッケージ部品２０および電子部品３０が実装されると共に第２の樹脂４０にて覆われる一面１１と、その反対面となる他面１２とを有する板状部材をなすものである。本実施形態では、基板１０は、例えば上面形状が矩形状の板状部材とされている。具体的には、基板１０は、ベースとなる絶縁材料部分をエポキシ樹脂等の樹脂で構成したプリント基板や、セラミックで構成したセラミック基板などによって構成されている。基板１０をプリント基板で構成する場合には、基板１０の一面１１と他面１２にのみランドや配線パターン等を構成する導体層が形成された単層基板、一面１１と他面１２に形成されたランドや配線パターン等を構成する導体層に挟み込まれるように更に配線パターンを構成する導体層が備えられる多層基板のいずも適用可能である。

基板１０の一面１１には、パッケージ部品２０および電子部品３０と接続するためのＣｕ等の金属よりなるランドを構成する導体１３が設けられている。そして、パッケージ部品２０および電子部品３０は、はんだや導電性接着剤等の接合部材５０を介して導体１３と電気的および機械的に接合されている。

基板１０が単層基板とされる場合、例えば図２に示す構造とされる。この図に示すように、基板１０の一面１１には、パッケージ部品２０が実装される導体１３と対応する位置にビア１４が形成されている。ビア１４は、基板１０の一面１１側に形成された凹部１４ａ内に導体材料１４ｂを配置することで形成されており、このビア１４を介して、導体１３が他面１２に形成された配線パターン等を構成する導体１５と電気的に接続されている。これにより、基板１０の他面１２に形成された導体１５とパッケージ部品２０とが電気的に接続され、他面１２においてパッケージ部品２０と外部との電気的接続を図ることが可能になっている。このような構成において、基板１０の一面１１におけるパッケージ部品２０の下方位置にもビア１４と同じ構造のダミービア１６を備えてある。ビア１４およびダミービア１６は、基板１０の一面１１側から空けられた凹部１６ａ内にＣｕ等の導体材料１６ｂを配置することにより構成されているが、ビア１４とダミービア１４とは電気的に分離されている。

このように、基板１０のうちパッケージ部品２０の下方位置にも、ビア１４と同じ構造のダミービア１６を備えるようにしている。このようなダミービア１６を備えることにより、基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１をパッケージ部品２０の熱膨張係数α２に近づけられるようにしている。なお、これら基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１およびパッケージ部品２０の熱膨張係数α２の詳細については、後で説明する。

パッケージ部品２０は、電子部品の一種であり、各構成要素２２〜２５が第１の樹脂２１でモールドされたＱＦＰ（Quad Flat Package）やＳＯＰ（Small Outline Package）等により構成されている。第１の樹脂２１としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等の樹脂モールドに用いられる材料が用いられている。

具体的には、図１に示されるように、パッケージ部品２０は、アイランド２２上に半導体素子２３が搭載、固定され、半導体素子２３とリード２４とをボンディングワイヤ２５により接続してなる。半導体素子２３としては、マイコンや制御素子もしくはＩＧＢＴ（（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のパワー素子等を用いている。これらの構成要素２２〜２５が第１の樹脂２１で封止されており、第１の樹脂２１がパッケージ本体を区画、形成している。

ここで、第１の樹脂２１は、基板１０の一面１１に対向する下面２１ａ、下面２１ａとは反対側の上面２１ｂ、および、これら上下面２１ａ、２１ｂの間を連結する側面２１ｃを有する板状とされている。典型的には、第１の樹脂２１は、基板１０の一面１１に対する法線方向から見た上面形状が矩形形状で構成されるが、他の多角形などであっても構わない。このようなパッケージ部品２０は、例えば、金型を用いたトランスファーモールド法やコンプレッションモールド法により形成される。

本実施形態の場合、パッケージ部品２０は、基板１０の一面１１上において、下面２１ｂが基板１０の一面１１から離間するようにして搭載されている。

また、パッケージ部品２０において、リード２４の一部がアウターリードとして第１の樹脂２１の側面２１ｃより突出している。そして、このリード２４のアウターリードは、曲げられて基板１０の一面１１側に延びており、接合部材５０を介して基板１０の一面１１上の導体１３に接合されている。

電子部品３０は、チップ抵抗、チップコンデンサ、コイル、発信子（水晶振動子）等の受動部品、あるいは、ベアチップ等により構成されている。また、電子部品３０は、はんだ等の接合部材５０を介して基板１０の一面１１上の導体１３に接合されることで、基板１０と電気的に接続されている。

以上のような構造により、本実施形態にかかるパッケージ部品２０を有する電子装置が構成されている。

このような構成の電子装置において、上記したように、第１の樹脂２１の下方位置にビアホール１６を形成することで、基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１およびパッケージ部品２０の熱膨張係数α２とが近づくようにしている。この詳細について説明する。

基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１は、基本的には基板１０のうち絶縁材料部分の熱膨張係数α１１によって決まるが、ダミービア１６を形成した場合、ダミービア１６の熱膨張係数α１２を合わせた値となる。例えば、基板１０がプリプレグで構成される場合には、絶縁材料部分の熱膨張係数α１１が１０ｐｐｍとなり、ダミービア１６内の導体材料１６ｂがＣｕで構成される場合には、ダミービア１６の熱膨張係数α１２が１７ｐｐｍとなる。熱膨張係数α１は、これら絶縁材料部分の熱膨張係数α１１と導体材料１６ｂの熱膨張係数α１２を合わせた値となり、熱膨張係数α１１と熱膨張係数α１２の間となって、例えば１４ｐｐｍとなる。

一方、パッケージ部品２０の熱膨張係数α２は、基本的には第１の樹脂２１の熱膨張係数α２１と、リード２４のうち第１の樹脂２１からの露出部分（アウターリード）の熱膨張係数α２２を合わせた値となる。熱膨張係数α２に、第１の樹脂２１内の構成要素２２〜２５の影響も若干あるが、殆ど無いと考えても良い。第１の樹脂２１の熱膨張係数α２１は、第１の樹脂２１がエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で構成される場合、例えば１０〜１２ｐｐｍとなる。リード２４の熱膨張係数α２２は、リード２４が銅で構成される場合、例えば１７ｐｐｍとなる。このため、熱膨張係数α２は、第１の樹脂２１の熱膨張係数α２１とリード２４の熱膨張係数α２２を合わせた値となり、熱膨張係数α２１と熱膨張係数α２２の間となって、例えば１４ｐｐｍとなる。このパッケージ部品２０の熱膨張係数α２は、パッケージ部品２０の構成によって一義的に決まる値である。

ここで、ダミービア１６の熱膨張係数α１２は、基板１０のうちの絶縁材料部分の熱膨張係数α１１よりも大きく、かつ、パッケージ部品２０の熱膨張係数α２より大きくなる。また、パッケージ部品２０の熱膨張係数α２は基板１０のうちの絶縁材料部分の熱膨張係数α１１以上になる。したがって、α１２＞α２≧α１１の関係が成り立つ。

このように、基板１０の一面１１のうちパッケージ部品２０と対応する部分にダミービア１６を備えるようにしている。このような構成では、導体材料１６ｂを有するダミービア１６の熱膨張係数α１２がパッケージ部品２０の熱膨張係数α２よりも大きく、熱膨張係数α１１、α１２、α２が上記関係を満たすようになる。このため、熱膨張係数α１２を有するダミービア１６をパッケージ部品２０の下方位置に配置することで、基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１がパッケージ部品２０の熱膨張係数α２に近づくようにできる。したがって、電子装置を使用する際における基板１０やパッケージ部品２０の熱膨張・収縮（冷熱変化）時に、これらの熱膨張係数差に起因して発生する応力により、パッケージ部品２０と基板１０の導体１３との間に接続不良が発生することを抑制できる。そして、基板１０にダミービア１６を形成することで上記効果が得られるが、ダミービア１６についてはビア１４を形成する工程の際に同時に形成できる。したがって、製造工程を増大させなくても、パッケージ部品２０と基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面の熱膨張係数α１、α２をより近づけることが可能となる。

なお、ダミービア１６の配置は任意であるが、パッケージ部品２０の中央を中心とした対称配置とすると、熱膨張係数α１をパッケージ部品２０の中央から見て均等な値にできて好ましい。例えば基板１０をプリプレグによって構成する場合には、ダミービア１６をガラスクロスのピッチ間隔と同じ間隔となるように配置することができる。また、ダミービア１６の個数についても任意である。つまり、基板１０の熱膨張係数α１ができる限り第１の樹脂の熱膨張係数α２に近づくようにダミービア１６の配列や個数を調整すればよい。特に、基板１０とパッケージ部品２０の熱膨張係数α１、α２の差が影響するのは、第１の樹脂２１の上面形状が長方形状とされた場合における第１の樹脂２１の長手方向であるため、当該長手方向に並べてダミービア１６を配置すると好ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してダミービア１６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３に示すように、本実施形態では、ダミービア１６の表面および下面にも導体１３、１５を設け、ダミービア１６に対してパッケージ部品２０側およびその反対側に配置された導体１３、１５によって複数のダミービア１６を連結した構造としている。導体１３、１５はダミービア１６と同じ銅等の金属材料で構成すれば、この連結構造の熱膨張係数α１２’はダミービア１６の熱膨張係数α１２と等しくなるが、これらが異なる金属材料で構成されていても良い。これらを異なる金属材料で構成する場合であっても、連結構造の熱膨張係数α１２’が基板１０のうちの絶縁材料部分の熱膨張係数α１１よりも大きく、かつ、パッケージ部品２０の熱膨張係数α２よりも大きければ良い。

このように、複数のダミービア１６を導体１３、１５によって連結すると、基板１０の絶縁材料部分のうちダミービア１６の間に存在する部分がダミービア１６および導体１３、１５と共に熱膨張・収縮することになる。このため、基板１０の絶縁材料部分のうちダミービア１６の間に存在する部分も実質的にダミービア１６と同じ熱膨張係数となり、より広い範囲において、ダミービア１６および導体１３、１５の連結構造の熱膨張係数α１２’にできる。このようなダミービア１６および導体１３、１５の連結構造の熱膨張係数α１２’により、基板１０のうちパッケージ部品２０と対向する最表面での熱膨張係数α１を規定することもできる。

なお、ここではパッケージ部品２０の下方に位置する複数のダミービア１６の全部を同じ導体１３、１５によって連結するようにしたが、図４に示すように、分断した複数の導体１３、１５によって複数のダミービア１６の複数ずつを連結しても良い。その場合、パッケージ部品２０の下方に配置される各導体１３、１５についても、中央を中心とした対称配置となるようにすれば、熱膨張係数α１をパッケージ部品２０の中央から見て均等な値にできて好ましい。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対してダミービア１６の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５および図６に示すように、本実施形態では、上面形状が長方形状とされた第１の樹脂２１の長手方向に沿ってダミービア１６を線状に形成している。このように、ダミービア１６を線状に形成しても良い。このようにすれば、より広い範囲において、ダミービア１６の熱膨張係数α１２にできる。このような構造のダミービア１６としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、基板１０を多層基板とした場合のダミービア１６の構成例を示すものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態では、基板１０を多層基板にて構成している。具体的には、樹脂等で構成されるコア層１０ａを中心とした両面にビルドアップ層１０ｂが積層され、コア層１０ａとビルドアップ層１０ｂとの間に内層配線等を構成する導体１７が形成されている。パッケージ部品２０のリード２４は、基板１０の一面に形成された導体１３とビア１４を介して導体１７に電気的に接続されている。そして、ダミービア１６は、ビルドアップ層１０ｂおよびコア層１０ａを貫通して基板１０の一面１１から他面１２に他する貫通孔１６ｃ内に導体材料１６ｂを配置した構造、つまりスルーホールと同様の構造とされている。

このように、基板１０を多層基板にて構成する場合には、多層基板を貫通する貫通孔１６ｃ内に導体材料１６ｂを配置することでダミービア１６を構成するようにしても良い。また、この場合にも、図７に示すように、複数のダミービア１６を一面１１に形成した導体１３と他面１２に形成した導体１５によって連結した構造にすることもできる。

なお、ダミービア１６をスルーホールと同様の構造とする場合、ビア１４と同時に形成するのではなく、多層基板において通常形成される図示しないスルーホールと同時に形成すれば良い。これにより、製造工程を増大させなくても、ダミービア１６を形成できる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１〜第４実施形態にかかる電子装置をモールド樹脂で封止したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本実施形態のモールドパッケージは、基板１０、第１の樹脂２１で封止されたパッケージ部品２０、電子部品３０を有していると共に、パッケージ部品２０および電子部品３０を第２の樹脂４０で樹脂封止した構成とされている。

また、第２の樹脂４０は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等より構成されるもので、金型を用いたトランスファーモールド法やコンプレッションモールド法により形成されている。本実施形態の場合、基板１０の一面１１側を第２の樹脂４０で封止しつつ、基板１０の他面１２側を第２の樹脂４０で封止せずに露出させた、いわゆるハーフモールド構造とされている。そして、この第２の樹脂４０により、第１の樹脂２１における上下面２１ｂ、２１ｂおよび側面２１ｃを被覆している。この第２の樹脂４０も、基板１０の一面１１と接する面を下面４０ａ、下面と反対側の上面４０ｂ、および、これら上下面４０ａ、４０ｂの間を連結する側面４０ｃを有する板状とされている。典型的には、第２の樹脂４０は、上面形状が矩形形状で構成されるが、他の多角形などであっても構わない。

このように、パッケージ部品２０および電子部品３０を第２の樹脂４０で樹脂封止した構成としても良い。なお、図８では、第１実施形態の構造の電子装置をモールド樹脂４０で樹脂封止した場合について図示したが、第２〜第４実施形態の構造の電子装置についても、同様の構造を適用できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、パッケージ部品２０としてＱＦＰやＳＯＰを例に挙げたが、ＱＦＮ（Quad Flat Non-lead）、ＢＧＡ（Ball Grid array）、ＣＳＰ（Chip size package）などにも、本発明にかかる電子装置に備えられるパッケージ部品２０として適用することが可能である。さらに、受動部品にて構成された電子部品３０についても、パッケージ部品２０と上記各実施形態と同様、その直下にダミービア１６を配置した構造とすることもできる。この場合も、上記各実施形態と同様の効果を得ることができるが、電子部品３０が受動部品とされる場合、基板１０よりも熱膨張係数が小さい場合もあるため、特に、上記各実施形態で説明したパッケージ部品２０に本発明を適用するのが好ましい。

また、上記第５実施形態では、基板１０の一面１１上にパッケージ部品２０および電子部品３０を実装したのち、これらを第２の樹脂４０で樹脂封止する形態が適用されたハーフモールドタイプのものを挙げた。しかしながら、ハーフモールドに限るものではない。また、基板１０、パッケージ部品２０、電子部品３０を有した構成や、パッケージ部品２０および電子部品３０を第２の樹脂４０で封止する構成を例に挙げたが、これらを更にケースなどに収容した構成としても良い。

さらに、上記各実施形態で説明したダミービア１６については、特定電位の部位に接続しないフローティング電位の状態としても良いが、接地電位（ＧＮＤ電位）となる部位に接続すれば、ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility）低減効果を得ることもできる。特に、基板１０内において設けられる接地電位とされる配線（ＧＮＤ配線）ではなく、別の接地電位となる部位、例えば車両におけるボディーに直接接続されることでボディーアースを取るようにすれば、基板１０の接地電位とされる部位と電位的にも分離可能となる。このため、より上記効果が得られるようになる。

１０ 基板
１１ 一面
１２ 他面
１３、１５ 導体
１４ ビア
１６ ダミービア
２０ パッケージ部品
２１ 第１の樹脂
４０ 第２の樹脂

Claims (6)

1. 一面（１１）および前記一面の反対面となる他面（１２）とを有する基板（１０）と、
   前記基板の一面側に実装され、前記一面に対向する下面を有した電子部品（２０、３０）と、を備えた電子装置であって、
   前記基板には配線パターン（１５）が形成されていると共に、該基板の一面には前記配線パターンに電気的に接続される導体材料（１４ｂ）を有するビア（１４）が形成され、前記ビアを通じて前記電子部品が前記配線パターンに電気的に接続されており、
   前記基板の一面のうち、前記電子部品と対向する位置に、前記ビアから電気的に分離された導体材料（１６ｂ）を有するダミービア（１６）が形成されていることを特徴とする電子装置。
2. 前記基板のうち前記電子部品と対向する表面の熱膨張係数α１は、前記基板のうち絶縁材料で構成された絶縁材料部分の熱膨張係数α１１と前記ダミービアの熱膨張係数α１２とを合わせた値であり、
   前記熱膨張係数α１１、α１２と前記電子部品の熱膨張係数α２とが、α１２＞α２≧α１１の関係を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. 前記電子部品は、前記基板の一面に対向する下面（２１ａ）と該下面の反対面となる上面（２１ｂ）および前記下面および上面を連結する側面（２１ｃ）を有し、前記基板の一面の法線方向から見た上面形状が多角形の第１の樹脂（２１）によって封止されたパッケージ部品（２０）であることを特徴とする請求項１または２に記載の電子装置。
4. 前記基板の一面における前記電子部品と対向する位置において、前記ダミービアが複数個配置されており、複数個の前記ダミービアが該ダミービアに対して前記電子部品側もしくは前記電子部品と反対側の少なくとも一方に配置された導体（１３、１５）によって連結されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電子装置。
5. 前記ダミービアは、接地電位とされることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電子装置。
6. 前記ダミービアは、前記ビアと同じ構造とされていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の電子装置。

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