JP2015103950A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶素子に発生したガスが付着することを抑え、水晶素子の発振周波数の変動を低減することができる水晶デバイスを提供する。【解決手段】 水晶デバイスは、矩形状の基板１１０ａと、基板１１０ａの上面に設けられた矩形状の枠体１１０ｂと、枠体１１０ｂで囲まれる領域であって基板１１０ａの上面に設けられた電極パッド１１１に実装された水晶素子１２０と、枠体１１０ｂ上に設けられた第一接合部材１５０と、枠体１１０ｂ上に設けられ、第一接合部材１５０よりも融点が高い第二接合部材１６０と、第一接合部材１５０と第二接合部材１６０とを介して、枠体１１０ｂ上に接合された蓋体１３０と、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイスに関するものである。

水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。例えば、基板の上面に設けられた電極パッドに実装された水晶素子と、基板の上面に接合部材を介して接合され、水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備えた水晶振動子が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。このような水晶振動子で用いられている接合部材は、ガラスが用いられ、熱を印加することで、蓋体の下面と基板の上面とを接合することができる。

特開２００９−１４１２３４号公報

上述した水晶デバイスは、枠体と蓋体とが接合部材を介して接合されているため、導電性接着剤から発生したガスが、基板と枠体によって形成された凹部から外に排出されずにいるため、水晶素子に付着してしまう。水晶素子にガスが付着することで、水晶素子の厚みすべり振動が阻害され、水晶素子の発振周波数が変動してしまう虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、導電性接着剤から発生したガスを凹部の外に排出し、水晶素子に発生したガスが付着することを抑え、水晶素子の発振周波数の変動を低減することができる水晶デバイスを提供する。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板の上面に設けられた矩形状の枠体と、枠体で囲まれる領域であって基板の上面に設けられた電極パッドに実装された水晶素子と、枠体上に設けられた第一接合部材と、枠体上に設けられ、第一接合部材よりも融点が高い第二接合部材と、第一接合部材と第二接合部材とを介して、枠体上に接合された蓋体と、を備えている。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、枠体上に設けられた第一接合部材と、枠体上に設けられ、第一接合部材よりも融点が高い第二接合部材と、第一接合部材と第二接合部材とを介して、枠体上に接合された蓋体と、を有している。このような構成にすることによって、第一接合部材がまず溶融した後に、第二接合部材が溶融することで、蓋体と枠体とが接合されることになるので、導電性接着剤から発生したガスが、第二接合部材が設けられている箇所から外に排出され、その後、第二接合部材が溶融接合されるので、発生したガスが水晶素子に付着することを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子にガスが付着することを抑制し、水晶素子の厚みすべり振動が阻害されないため、水晶素子の発振周波数が変動することを低減することが可能となる。

本実施形態における水晶デバイスを示す分解斜視図である。 （ａ）図１に示された水晶デバイスのＡ−Ａにおける断面図であり、（ｂ）図１に示された水晶デバイスのＢ−Ｂにおける断面図である。 本実施形態における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図である。 本実施形態の第一変形例における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図である。 本実施形態の第二変形例における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図である。 本実施形態の第三変形例における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図である。

本実施形態における水晶デバイスは、図１〜図３に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に接合された水晶素子１２０と、パッケージ１１０の上面に接合された蓋体１３０とを含んでいる。パッケージ１１０には、基板１１０ａの上面と枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた凹部Ｋが形成されている。このような水晶デバイスは、電子機器等で使用する基準信号を出力するのに用いられる。

基板１１０ａは、矩形状であり、上面で実装された水晶素子１２０を実装するための実装部材として用いるものである。基板１１０ａの上面には、水晶素子１２０を接合するための電極パッド１１１が設けられている。

基板１１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０ａは、絶縁層を一層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０ａの表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン及びビア導体が設けられている。

枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面に配置され、基板１１０ａの上面に凹部Ｋを形成するためのものである。枠体１１０ｂは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜３．０ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．７〜１．５ｍｍである場合を例にして、凹部Ｋの大きさを説明する。凹部Ｋの長辺の長さは、０．７〜２．０．ｍｍであり、短辺の長さは、０．５〜１．５ｍｍとなっている。また、凹部Ｋの上下方向の長さは、０．２〜０．５ｍｍとなっている。

また、基板１１０ａの下面の四隅には、外部端子Ｇが設けられている。外部端子Ｇの内の二つの端子は、基板１１０ａの上面に設けられた電極パッド１１１と電気的に接続されている。また、電極パッド１１１と電気的に接続されている外部端子Ｇは、基板１１０ａの下面の対角に位置するように設けられている。外部端子Ｇは、マザーボード上に実装する際に、半田を介して接合するためのものである。

電極パッド１１１は、水晶素子１２０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対で設けられており、基板１１０ａの一辺に沿うように隣接して設けられている。電極パッド１１１は、基板１１０ａに設けられた配線パターン及びビア導体を介して、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子Ｇと電気的に接続されている。

ここで、パッケージ１１０の作製方法について説明する。基板１１０ａ及び枠体１１０ｂがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド１１１又は外部端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

水晶素子１２０は、図２に示されているように、導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１上に接合されている。水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

水晶素子１２０は、図１及び図２に示されているように、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２及び引き出し電極１２３を被着させた構造を有している。励振用電極１２２は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極１２３は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の短辺に向かって延出されており、水晶素板１２１の長辺又は短辺に沿った形状で設けられている。

本実施形態においては、電極パッド１１１と接続されている水晶素子１２０の一端を基板１１０ａの上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０ａの上面と間を空けた自由端とした片持ち支持構造にて水晶素子１２０が基板１１０ａ上に固定されている。ここで、水晶素子１２０の動作について説明する。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が引き出し電極１２３から励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、水晶素板１２１が所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。

ここで、水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周領域と比べて水晶素板１２１の中央領域が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の両主面にフォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極１２２及び引き出し電極１２３を形成することにより作製される。

水晶素子１２０の基板１１０への接合方法について説明する。まず、導電性接着剤１４０は、例えばディスペンサによって電極パッド１１１上に塗布される。水晶素子１２０は、導電性接着剤１４０上に搬送され、導電性接着剤１４０上に載置される。そして導電性接着剤１４０は、加熱硬化させることによって、硬化収縮される。水晶素子１２０は、一対の電極パッド１１１に接合される。

導電性接着剤１４０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなり、一体的に形成されている。このような蓋体１３０は、真空状態にある収容空間Ｋ又は窒素ガスなどが充填された収容空間Ｋを気密的に封止するためのものである。

第一接合部材１５０は、枠体１１０ｂの上面にかけて設けられている。第一接合部材１５０は、後述する第二接合部材１６０よりも融点が低くなるように設けられ、その融点が３００℃〜４００℃で溶融するガラスである例えばバナジウムを含有した低融点ガラス又は酸化鉛系ガラスから構成されている。ガラスは、バインダーと溶剤とが加えられペースト状であり、溶融された後固化されることで他の部材と接着する。第一接合部材１５０は、例えば、ガラスフリットペーストをスクリーン印刷法で蓋体１３０の下面又は枠体１１０ｂの上面に沿って塗布され乾燥することで設けられる。また、この酸化鉛系ガラスの組成は、酸化鉛、フッ化鉛、二酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化第二鉄、酸化銅及び酸化カルシウムとから構成されている。

第二接合部材１６０は、枠体１１０ｂの上面の四隅の内の少なくともいずれか１つに設けられている。このようにすることにより、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材１６０が設けられている箇所から外に排出され易くなり、その後、溶融接合されるので、発生したガスが水晶素子１２０に付着することを低減することができる。第二接合部材１６０は、例えば、ガラスの場合には、５００℃〜８００℃で溶融するガラスである例えばバナジウムを含有した低融点ガラス又は酸化鉛系ガラスから構成されている。第二接合部材１６０は、バインダーと溶剤とが加えられペースト状であり、溶融された後固化されることで他の部材と接着する。また、第二接合部材１６０は、第一接合部材１５０が設けられた後に、蓋体１３０の下面又は枠体１１０ｂの上面の第一接合部材１５０が空いた箇所に塗布され乾燥することで設けられる。

蓋体１３０の接合方法について説明する。蓋体１３０は、所定雰囲気で、枠体１１０ｂの上面に設けられた第一接合部材１５０及び第二接合部材１６０上に載置する。次に、第一接合部材１５０の融点よりも高く、第二接合部材１６０の融点よりも低くなるように熱を印加することで、第一接合部材１５０が溶融接合される。最後に、真空雰囲気下にて第二接合部材１６０の融点よりも高くなるように熱を印加することで、第一接合部材１５０を再溶融させ接合させると共に第二接合部材１６０を溶融接合し、蓋体１３０と枠体１１０ｂとが接合されることになる。よって、熱を印加した際に、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第一接合部材１５０の溶融温度以上になっても、未溶融の第二接合部材１６０が設けられている箇所より真空雰囲気下の状態で凹部Ｋの外へ排出されるため、凹部Ｋ内の気密性を向上させることができる。

本実施形態における水晶デバイスは、枠体１１０ｂ上に設けられた第一接合部材１５０と、枠体１１０ｂ上に設けられ、第一接合部材１５０よりも融点が高い第二接合部材１６０と、第一接合部材１５０と第二接合部材１６０とを介して、枠体１１０ｂ上に接合された蓋体１３０と、を有している。このような構成にすることによって、第一接合部材１５０がまず溶融することで、蓋体１３０と枠体１１０ｂとが接合されることになるので、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材１６０が設けられている箇所から外に排出されることになる。第二接合部材１６０の融点を超える温度を印加することによって、第二接合部材１６０が溶融接合されるので、凹部Ｋ内を気密封止することができる。このようにすることで、蓋体１３０と枠体１１０ｂとを接合する第一接合部材１５０の溶融温度を超えた状態でも、導電性接着剤１４０から発生したガスを凹部Ｋ内から外部へ多く排出させることができ、導電性接着剤１４０から発生したガスが水晶素子１２０に付着することを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０にガスが付着することを抑制し、水晶素子１２０の厚みすべり振動が阻害されないため、水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することが可能となる。

また、本実施形態における水晶デバイスは、第二接合部材１６０が電極パッド１１１と近接する位置にある枠体１１０ｂ上面に設けられている。このようにすることによって、電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０と第二接合部材１６０との距離が短くなることにより、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材１６０が設けられている箇所から外に排出され易くなり、発生したガスが水晶素子１２０に付着することをさらに低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０にガスが付着することを抑制し、水晶素子１２０の厚みすべり振動が阻害されないため、水晶素子１２０の発振周波数が変動することをさらに低減することが可能となる。

（第一変形例）
以下、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、図４に示されているように、第二接合部材２６０が、電極パッド１１１と近接する位置にある枠体１１０ｂの上面に設けられている点において、本実施形態と異なる。

第二接合部材２６０は、電極パッド１１１と近接する位置にある枠体１１０ｂ上面に設けられるようにしても構わない。このようにすることで、電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０と第二接合部材２６０との距離が短くなることにより、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材２６０が設けられている箇所から外に排出され易くなり、発生したガスが水晶素子１２０に付着することをさらに低減することができる。

本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、第二接合部材２６０が電極パッド１１１と近接する位置にある枠体１１０ｂ上面に設けられている。このようにすることで、電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０と第二接合部材２６０との距離が短くなることにより、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材２６０が設けられている箇所から外に排出され易くなり、発生したガスが水晶素子１２０に付着することをさらに低減することができる。

（第二変形例）
以下、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、図５に示されているように、第一接合部材３５０は、第二接合部材３６０と交互になるように枠体１１０ｂの上面に設けられている点において、本実施形態と異なる。

第一接合部材３５０及び第二接合部材３６０は、図５に示すように、交互になるように枠体１１０ｂの上面に設けられるようにしても構わない。このようにすることで、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材３６０が設けられている箇所から外に排出され易くなり、発生したガスが水晶素子１２０に付着することをさらに低減することができる。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、０．８〜３．０ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．７〜１．５ｍｍである場合を例にして、第一接合部材３５０及び第二接合部材３６０の大きさを説明する。第一接合部材３５０及び第二接合部材３６０の長辺の長さは、０．２〜０．８ｍｍであり、短辺の長さは、０．１〜０．４ｍｍとなっている。また、第一接合部材３５０及び第二接合部材３６０の上下方向の長さは、０．２〜０．５ｍｍとなっている。

本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、第一接合部材３５０と第二接合部材３６０とが枠体１１０ｂの上面の周方向に互い違いとなるように設けられていることによって、導電性接着剤１４０から発生したガスが、第二接合部材３６０が設けられている箇所から外に排出され易くなり、発生したガスが水晶素子１２０に付着することをさらに低減することができる。

（第三変形例）
本実施形態の第二変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、第二実施形態における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、図６に示されているように、水晶素子２２０が音叉型屈曲水晶素子である点で本実施形態と異なる。

水晶素子２２０は、図６に示すように、水晶片２２１と、その水晶片２２１の表面に設けられた励振電極２２４ａ、２２４ｂ、２２５ａ及び２２５ｂと、引き出し用電極２２６ａ及び２２６ｂと、周波数調整用金属膜２２７ａ及び２２７ｂと、水晶基部２２２の下面に設けられた凹部２２８とにより構成されている。水晶片２２１は、図６に示すように、水晶基部２２２と水晶振動部２２３とからなり、水晶振動部２２３が第一水晶振動部２２３ａ及び第二水晶振動部２２３ｂとから成る。水晶基部２２２は、結晶の軸方向として電気軸がＸ軸、機械軸がＹ軸、及び光軸がＺ軸となる直交座標系としたとき、Ｘ軸回りに−５°〜＋５°の範囲内で回転させたＺ′軸の方向が厚み方向となる平面視略四角形の平板である。第一水晶振動部２２３ａ及び第二水晶振動部２２３ｂは、水晶基部２２２の一辺からＹ′軸の方向に平行に延設されている。このような水晶片２２１は、水晶基部２２２と各水晶振動部２２３とが一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィー技術と化学エッチング技術により製造される。

励振電極２２４ａは、図６に示すように、第一水晶振動部２２３ａの表裏主面に設けられている。また、励振電極２２４ｂは、第一水晶振動部２２３ａの対向する両側面に設けられている。周波数調整用金属膜２２７ａは、第一水晶振動部２２３ａの表主面及び側面の先端部に設けられている。また、引き出し電極２２６ａは、水晶基部２２２の第一水晶振動部２２３ａ側であって、水晶基部２２２の表裏主面に設けられている。

また、励振電極２２５ａは、図６に示すように、第二水晶振動部２２３ｂの表裏主面に設けられている。また、励振電極２２５ｂは、第二水晶振動部２２３ｂの対向する両側面に設けられている。周波数調整用金属膜２２７ｂは、第二水晶振動部２２３ｂの表主面及び両側面の先端部に設けられている。引き出し電極２２６ｂは、水晶基部２２２の第二水晶振動部２２３ｂ側であって、水晶基部２２２の表裏主面に設けられている。

なお、水晶素子２２０は、周波数調整用金属膜２２７ａ及び２２７ｂを構成する金属の量を増減させることにより、その周波数値を所望する値に調整することができる。励振電極２２４ａ及び２２５ｂと、周波数調整用金属膜２２７ａとは、図６に示すように、水晶片２２１表面に設けられた引き出し電極２２６ａにより電気的に接続している。また、励振電極２２４ｂ及び２２５ａと、周波数調整用金属膜２２７ｂとは、水晶片２２１表面に設けられた引き出し電極２２６ｂにより電気的に接続している。

この水晶素子２２０を振動させる場合、引き出し電極２２６ａ及び２２６ｂに交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的にとらえると、第二水晶振動部２２３ｂの励振電極２２５ｂは＋（プラス）電位となり、励振電極２２５ａは−（マイナス）電位となり、＋から−に電界が生じる。一方、このときの第一水晶振動部２２３ａの励振電極は、第二水晶振動部２２３ｂの励振電極に生じた極性とは反対の極性となる。これらの印加された電界により、第一水晶振動部２２３ａ及び第二水晶振動部２２３ｂに伸縮現象が生じ、各水晶振動部２２３に設定した共振周波数の屈曲振動を得る。

尚、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。上記の実施形態では、枠体１１０ｂが基板１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠体１１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。上記実施形態では、基板の上面に枠体が設けられている場合について説明したが、基板に水晶素子を実装した後に、下面に壁部が設けられた蓋体を用いて、水晶素子を気密封止する構造であっても構わない。

また、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部と比べて水晶素板１２１の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を用いても構わない。また、水晶素子１２０のベベル加工方法について説明する。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板１２１とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板１２１とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板１２１とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させる水晶素板１２１が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。

１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・枠体
１１０・・・パッケージ
１１１、２１１・・・電極パッド
１２０、２２０・・・水晶素子
１２１、２２１・・・水晶素板
１２２、２２２・・・励振用電極
１２３、２２３・・・接続用電極
１３０・・・蓋体
１４０・・・導電性接着剤
１５０、２５０、３５０・・・第一接合部材
１６０、２６０、３６０・・・第二接合部材
Ｋ・・・収容空間
Ｇ・・・外部端子

Claims (5)

1. 矩形状の基板と、
   前記基板の上面に設けられた矩形状の枠体と、
   前記枠体で囲まれる領域であって前記基板の上面に設けられた電極パッドに実装された水晶素子と、
   前記枠体上に設けられた第一接合部材と、
   前記枠体上に設けられ、前記第一接合部材よりも融点が高い第二接合部材と、
   前記第一接合部材と前記第二接合部材とを介して、前記枠体上に接合された蓋体と、を備えた水晶デバイス。
2. 請求項１記載の水晶デバイスであって、
   前記第二接合部材が前記枠体の四隅の内の少なくともいずれか一つに設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
3. 請求項１記載の水晶デバイスであって、
   前記第二接合部材が、前記電極パッドと近接する位置にある前記枠体上面に設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
4. 請求項１記載の水晶デバイスであって、
   前記第一接合部材と前記第二接合部材とが前記枠体上面の周方向に互い違いとなるように設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
5. 請求項１乃至請求項４記載の水晶デバイスであって、
   前記水晶素子が、矩形状の水晶基部と、前記水晶基部の側面より同一の方向に延出するように一対で設けられている水晶振動部とを有していることを特徴とする水晶デバイス。

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