JP2019204830A - 半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の歩留まりが高い半導体発光装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置１０は、発光素子３０と、発光素子３０が載置されている基板２０と、発光素子３０を覆うように基板２０の表面に導電性の接合材によって接合されている透光性部材４０と、を有し、基板２０は、透光性部材４０と接合している第１の部位Ｐ１と発光素子３０が載置されている第２の部位Ｐ２との間に、基板２０の表面から突出した突出部ＰＲを有し、基板２０及び透光性部材４０によって発光素子３０を収容しかつ、密閉された収容空間ＨＳが形成され、収容空間ＨＳは、真空であるか又は不活性ガスによって充填されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光装置、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子を有する半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法に関する。

例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の半導体発光素子は、空気中に含まれる水分等から保護する必要がある。このため、発光素子を透光性の樹脂で封止したり、発光素子の周囲を不活性ガスで満たしたり、発光素子の周囲を真空にしたりすることが行われている。

このような半導体発光装置としては、上面に開口する凹部が設けられる基板と、前記凹部に収容され、前記開口の外へ向けて紫外光を発する発光素子と、前記開口を覆うように前記上面に設けられる窓部材と、前記上面と前記窓部材の間を埋める封止部と、を備える発光モジュールが特許文献１に開示されている。

特開２０１６−２１３２１３号公報

特許文献１の発光モジュールの封止部は、金錫（ＡｕＳｎ）や銀錫（ＡｇＳｎ）などの低融点の金属材料で構成される。

従って、封止部の金属材料を溶融させて窓部材と基板とを接合する際に、金属材料が基板に流出すると短絡等の恐れがある。また、封止部の金属材料が流出すると、窓部材と基板との間に隙間が生じうるため、凹部に封入されている不活性ガスが漏れたり、凹部の真空状態が保たれなくなったりする恐れがある。このような不具合は、半導体発光装置の製造時の歩留まりを悪化させる要因となっている。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、製造時の歩留まりが高い半導体発光装置を提供することを目的としている。

上述した目的を達成するため、本発明の半導体発光装置は、発光素子と、前記発光素子が載置されている基板と、前記発光素子を覆うように前記基板の表面に導電性の接合材によって接合されている透光性部材と、を有し、前記基板は、前記透光性部材と接合している第１の部位と前記発光素子が載置されている第２の部位との間に、前記基板の前記表面から突出した突出部を有し、前記基板及び前記透光性部材によって前記発光素子を収容しかつ、密閉された収容空間が形成され、前記収容空間は、真空であるか又は不活性ガスによって充填されていることを特徴とする。

半導体発光装置の製造方法は、表面から突出している突出部を有する基板を形成する工程と、導電性の接合材を前記基板上に塗布する工程と、発光素子を前記基板の前記表面に実装する工程と、真空であるか又は不活性ガス雰囲気下において、透光性部材を前記接合材と接し、かつ前記発光素子を覆うように前記基板上に載置する工程と、加熱により前記接合材を溶融させて前記透光性部材を前記基板に固定する工程と、を有することを特徴とする。

実施例１に係る半導体発光装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った半導体発光装置の断面図である。 実施例１に係る半導体発光装置の製造工程の一部を示す説明図である。 実施例１に係る半導体発光装置の製造工程の一部を示す説明図である。 実施例１に係る半導体発光装置の製造工程の一部を示す説明図である。 実施例２に係る半導体発光装置の平面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿った半導体発光装置の断面図である。 実施例３に係る半導体発光装置の断面図である。 実施例４に係る半導体発光装置の断面図である。 実施例５に係る半導体発光装置の断面図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本実施例に係る半導体発光装置１０の平面を示している。図１に示すように、基板としての実装基板２０は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミクスからなるものである。

実装基板２０上には、発光素子３０が載置されている。発光素子３０は、半導体発光装置１０の用途に応じて、所定の波長範囲の光を発する半導体素子である。発光素子３０が発する光は、特に限定されず、例えば殺菌や滅菌に用いられる発光波長約２００〜３５０ｎｍの深紫外光、波長３５０ｎｍ以上の紫外〜可視光などが含まれる。本実施形態の発光装置は、発光素子３０が発する光自体を発光装置の出射光として利用するものの他、例えば蛍光体が発光素子３０からの光を受けて発する光も利用するものも含まれる。

透光性部材４０は、発光素子３０を覆うように実装基板２０の表面に接合されている。透光性部材４０は、石英ガラス、ＵＶ透過ガラス等のガラスを用いることができる。尚、発光素子３０が発する光が紫外光である場合、透光性部材４０自体の劣化を防止するためにガラスを用いるとよい。

図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示している。図２に示すように、実装基板２０は、板状に形成され、表面２１から窪んで形成されている凹部を有している。

透光性部材４０と接合している第１の部位Ｐ１は、凹部の外側に位置している。発光素子３０が載置されている第２の部位Ｐ２は、凹部の内側に位置している。実装基板２０は、第１の部位Ｐ１と第２の部位Ｐ２との間に、実装基板２０の表面２１から突出した突出部ＰＲを有している。より具体的には、実装基板２０は、凹部の内側の表面２１ａから突出した突出部ＰＲを有している。

突出部ＰＲは、実装基板２０の表面２１の垂直方向に対して離れる方向に延びて形成されている。突出部ＰＲは、第１の部位Ｐ１よりも表面２１の垂直方向に対して離れて突出して形成されている。従って、突出部ＰＲは、発光素子３０の周囲を囲む壁として形成されている。

第１の部位Ｐ１は、表面２１の垂直方向に対して突出部ＰＲよりも近い位置に位置する。第１の部位Ｐ１は、突出部ＰＲに対して略垂直、かつ表面２１と平行に形成されているフランジ部ＦＬを有する。フランジ部ＦＬは、突出部ＰＲの全周に亘って形成されている。

第１の部位Ｐ１には、接合材としての接合金属層ＭＬ及び接合金属層ＭＬとの濡れ性を高めるための基板側接合補助部ＢＡが設けられている。

基板側接合補助部ＢＡは、フランジ部ＦＬからフランジ部ＦＬと角度を成す突出部ＰＲに亘って設けられている。基板側接合補助部ＢＡとしては、例えば、Ｗ/Ｎｉ/Ａｕ又は、Ａｇ/Ｎｉ/Ａｕ等の合金を用いることができる。

接合金属層ＭＬは、基板側接合補助部ＢＡ上に設けられている。接合金属層ＭＬは、金錫（Ａｕ/Ｓｎ）等の合金を用いることができる。すなわち、接合金属層ＭＬは、フランジ部ＦＬからフランジ部ＦＬと角度を成す突出部ＰＲに亘って設けられている。

透光性部材４０は、実装基板２０の表面２１と平行に形成されている平板部４１と、平板部４１から第１の部位Ｐ１に向かって突出して形成されている柱部と、を有している。透光性部材４０は、接合金属層ＭＬと接している接合部Ｊを含んでいる。

接合部Ｊは、実装基板２０のフランジ部ＦＬと対向する柱部の端面に形成され、かつ実装基板２０のフランジ部ＦＬと平行に形成されている第１の接合部Ｊ１を有している。接合部Ｊは、第１の接合部Ｊ１から続いて形成され、かつ突出部ＰＲの壁と平行かつ突出部ＰＲと対向する位置、すなわち柱部の内壁に形成されている第２の接合部Ｊ２を有している。

第１の接合部Ｊ１から第２の接合部Ｊ２に亘って、接合金属層ＭＬとの濡れ性を高めるための部材側接合補助部ＥＡが設けられている。部材側接合補助部ＥＡとしては、例えば、Ｃｒ/Ｎｉ/Ａｕ又は、Ｃｒ/Ｐｔ/Ａｕ等の合金を用いることができる。

部材側接合補助部ＥＡは、接合金属層ＭＬと接している。このように、透光性部材４０は、接合金属層ＭＬによって第１の部位Ｐ１において密着して保持されている。

実装基板２０の表面２１に対して垂直な方向における突出部ＰＲの端面と、透光性部材４０の平板部４１の表面２１と対向する面と、の間には、間隙ＧＰが設けられている。これにより、発光素子３０から発せられた照射光が間隙ＧＰからも外部に向けて発せられることになり、光取出し効率を向上させることが可能となる。

実装基板２０及び透光性部材４０によって、発光素子３０を収容しかつ、密閉された収容空間ＨＳが形成されている。収容空間ＨＳは、発光素子３０を湿気や外的衝撃から守るため真空であるか又は、不活性ガスによって充填されている。すなわち、収容空間ＨＳは、その内部と外部とが通気不能に密閉されている。尚、真空は、大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間内の状態を意味する。また、不活性ガスとしては、例えば窒素や、アルゴン等の希ガスが挙げられる。

実装基板２０の一方の表面２１のうち凹部の内側の表面２１ａ及び実装基板２０の他方の表面２１ｂには、Ｃｕ等の導体を当該表面にメッキ等することで形成された電極２３が設けられている。

電極２３は、ｐ接続電極層２３ａ及びｎ接続電極層２３ｂを含んでいる。ｐ接続電極層２３ａとｎ接続電極層２３ｂとは、実装基板２０の表面上において互いに離間して形成されることによって、絶縁されている。また、電極２３は、外部（例えば電源回路や駆動回路）に接続されている。

発光素子３０は、壁の内側の実装基板２０の表面２１、すなわち、凹部の内側の表面２１ａ上に載置されている。発光素子３０は、ボンディングワイヤＢＷを介して電極２３との電気的に接続されている。具体的には、発光素子３０の２つの電極のうちの一方がｐ接続電極層２３ａにボンディングワイヤＢＷを介して接続され、他方がｎ接続電極層２３ｂにボンディングワイヤＢＷを介して接続されている。

尚、本実施例の半導体発光装置１０の発光素子３０と実装基板２０との電気的な接続はこれには限られず例えば、発光素子３０を電極２３と直接的に接続するフリップチップ実装であってもよい。

また、発光素子３０が可視光を発する場合、例えば、突出部ＰＲの凹部の内側は、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナなどの光反射材料の粉末や粒子を含むようにしてもよい。

以上で説明した、半導体発光装置１０を製造する方法を説明する。図３Ａは、半導体発光装置１０の実装基板２０を製造する工程を示している。図３Ａに示すように、粉状の窒化アルミを型に入れて焼成することにより、表面２１から突出して形成されている突出部ＰＲを有する実装基板２０基板を形成する。当該実装基板２０に、電極２３及び基板側接合補助部ＢＡを設け、導電性の接合金属層ＭＬを実装基板２０の基板側接合補助部ＢＡ上に塗布する。

図３Ｂは、半導体発光装置１０の発光素子３０を実装基板２０に実装する工程を示している。図３Ｂに示すように、発光素子３０は、実装基板２０の表面２１に設けられている電極２３にボンディングワイヤＢＷを介して電気的に接続することにより実装される。

図３Ｃは、半導体発光装置１０の透光性部材４０を実装基板２０に固定する工程を示している。図３Ｃに示すように、真空であるか又は不活性ガス雰囲気下において、透光性部材４０を接合金属層ＭＬと接し、かつ発光素子３０を覆うように実装基板２０上に載置する。真空であるか又は不活性ガス雰囲気を維持したまま、加熱により接合金属層ＭＬを溶融させて透光性部材４０を実装基板２０に固定する。

以上のように、本実施例に係る半導体発光装置１０によれば、突出部ＰＲが第１の部位Ｐ１よりも表面２１の垂直方向に対して離れた位置にあるため、溶融した接合金属層ＭＬが突出部ＰＲを超えて収容空間ＨＳの内部に流出することを防ぐことができる。このため、溶融した接合金属層ＭＬが収容空間内ＨＳ内の電極２３等に流れ込むことによるショートを防ぐことができる。

また、接合金属層ＭＬが収容空間ＨＳに流出することを防ぐことにより、十分な接合金属層ＭＬの量を確保することが可能となる。このため、透光性部材４０と実装基板２０とを密着させることができ、収容空間ＨＳ内を真空であるか又は不活性ガスが満たされている状態を維持することが可能となる。従って、半導体発光装置１０の製造時の歩留まりを高めることが可能となる。

実施例２に係る半導体発光装置１０を説明する。実施例２に係る半導体発光装置１０は、実装基板２０の構造が実施例１に係る半導体発光装置１０と異なる。その他の構成については、実施例１に係る半導体発光装置１０と同一である。

図４は、実施例２に係る半導体発光装置１０の平面を示している。図４に示すように、透光性部材４０は、発光素子３０及び突出部ＰＲを覆うように実装基板２０の表面に接合されている。

図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った半導体発光装置１０の断面図である。図５に示すように、実装基板２０は、板状に形成されている。実装基板２０は、表面２１から角柱状に突出し、かつ頂部ＴＰが平坦な形状である突出部ＰＲを有する。従って、実装基板２０は、図４のＢ−Ｂ線に沿った断面が凸状に形成されている。尚、突出部ＰＲは、角柱状以外でもよく、例えば錐台状に突出していてもよい。

突出部ＰＲの頂部ＴＰには、ｐ型電極２３ａ及びｎ型電極２３ｂを含む電極２３が設けられている。発光素子３０は、頂部ＴＰ上に載置され、ボンディングワイヤＢＷを介して電極２３と電気的に接続されている。すなわち、第２の部位Ｐ２は、突出部ＰＲの頂部ＴＰに位置している。

以上のように、本実施例に係る半導体発光装置１０によれば、間隙ＧＰを実装基板２０の頂部ＴＰから透光性部材４０の平板部が表面２１と対向する面まで設けることが可能となる。従って、発光素子３０から表面２１と平行な方向に出射される光も照射光として用いることが可能となる。このため、実施例１の半導体発光装置１０と同様に半導体発光装置１０の製造時における歩留まりを高めることができ、かつ半導体発光装置１０の光取出し効率を高めることが可能となる。

実施例３に係る半導体発光装置１０について説明する。実施例３に係る半導体発光装置１０は、実装基板２０の第１の部位Ｐ１が実施例１に係る半導体発光装置１０とは異なる。その他の構成については、実施例１に係る半導体発光装置１０と同一である。

図６は、実施例３に係る半導体発光装置１０の断面を示している。図６に示すように、第１の部位Ｐ１は、突出部ＰＲに対して鋭角に形成されているフランジ部ＦＬを含んでいる。具体的には、フランジ部ＦＬは端部から突出部ＰＲに近づくにつれて表面２１に対して垂直な方向が短くなるように傾斜して形成されている。

基板側接合補助部ＢＡは、フランジ部ＦＬからフランジ部ＦＬと角度を成す突出部ＰＲに亘って設けられている。接合金属層ＭＬは、基板側接合補助部ＢＡ上に設けられている。すなわち、接合金属層ＭＬは、フランジ部ＦＬからフランジ部ＦＬと角度を成す突出部ＰＲに亘って設けられている。

ところで、透光性部材４０は、製造時において実装基板２０と接合する際にコレット荷重を受ける。このため、透光性部材４０は、コレット荷重によってＢ−Ｂ線に沿った断面が略Ｍ字状に湾曲し得る。この際、透光性部材４０の柱部は、突出部ＰＲの外側に向かって変形する恐れがある。この柱部の変形は、接合部Ｊと接合金属層ＭＬとの間に隙間を生じさせるおそれがある。接合部Ｊと接合金属層ＭＬとの間に隙間が生じると、収容空間ＨＳ内が真空であるか又は不活性ガスが満たされている状態を維持することができなくなる。

本実施例に係る半導体発光装置１０の実装基板２０のように、フランジ部ＦＬが突出部ＰＲに対して成す角度を鋭角に形成することによって、透光性部材４０の柱部が突出部ＰＲの外側方向に変形することを抑制することが可能となる。その結果、接合部Ｊと接合金属層ＭＬとの間に隙間が生じることを防止することができる。尚、より透光性部材４０の接合部Ｊの変形を抑えるために、柱部の端面は、フランジ部ＦＬと平行に形成するとよい。

以上のように、本実施例に係る半導体発光装置１０によれば、収容空間ＨＳ内を真空であるか又は不活性ガスが満たされている状態を維持することが可能となる。従って、製造時における半導体発光装置１０の歩留まりを高めることが可能となる。

実施例４に係る半導体発光装置１０について説明する。実施例４に係る半導体発光装置１０は、透光性部材４０が実施例１に係る半導体発光装置１０とは異なる。その他の構成については、実施例１に係る半導体発光装置１０と同一である。

上述の実施例に係る半導体発光装置１０では、透光性部材４０の接合部Ｊは、第１の接合部Ｊ１及び第２の接合部Ｊ２を含んでいた。しかし、接合部Ｊは、第１の接合部Ｊ１のみで構成されてもよい。

図７は、実施例４に係る半導体発光装置１０の断面を示している。図７に示すように、透光性部材４０は、接合金属層ＭＬと接している接合部Ｊを含んでいる。接合部Ｊは、実装基板２０のフランジ部ＦＬと平行に形成されている。具体的には、フランジ部ＦＬと平行な方向であって、突出部ＰＲから離れる方向に向かって延設された延長部４４を有している。延長部４４は、透光性部材４０の全周に亘って形成されている。

部材側接合補助部ＥＡは、柱部の端面から延長部４４のフランジ部ＦＬと対向する面に亘って設けられている。すなわち、部材側接合補助部ＥＡは、フランジ部ＦＬと平行に設けられている。

以上のように、本実施例に係る半導体発光装置１０によれば、実施例１に係る半導体発光装置１０と同様に、溶融した接合金属層ＭＬが突出部ＰＲを超えて収容空間ＨＳの内部に流出することを防ぐことができる。従って、本実施例に係る半導体発光装置１０は、収容空間ＨＳ内の真空状態又は不活性ガスが満たされている状態を維持するために十分な接合金属層ＭＬを確保することが可能になる。すなわち、本実施例に係る半導体発光装置１０は、収容空間ＨＳ内を真空であるか又は不活性ガスが満たされている状態を維持することが可能となる。従って、製造時における半導体発光装置１０の歩留まりを高めることが可能となる。

実施例５に係る半導体発光装置１０について説明する。実施例５に係る半導体発光装置１０は、透光性部材４０が実施例１に係る半導体発光装置１０とは異なる。その他の構成については、実施例１に係る半導体発光装置１０と同一である。

上述の実施例に係る半導体発光装置１０では、透光性部材４０は、柱部を含んでいた。しかし、透光性部材４０は、平板部４１のみで構成されてもよい。

図８は、実施例５に係る半導体発光装置１０の断面を示している。図８に示すように、透光性部材４０の平板部４１は、実装基板２０の表面２１と対向する面が窪んで形成されている凹部４３を有している。

凹部４３は、突出部ＰＲの形状に応じた形状を有している。本実施例においては、突出部ＰＲは、平面視が矩形となるように形成されている。従って、凹部４３も、平面視が矩形となるように形成されている。

また、凹部４３は、透光性部材４０が実装基板２０に接合される際に突出部ＰＲと嵌合可能な位置に形成されている。尚、実装基板２０の表面２１に対して垂直な方向の凹部４３の長さは、実装基板２０の壁、すなわち突出部ＰＲを収容可能な長さを有する。従って、凹部４３は、実装基板２０の壁と嵌合し、かつ当該壁を収容可能である。

接合部Ｊは、実装基板２０のフランジ部ＦＬと対向する平板部４１に形成され、かつ実装基板２０のフランジ部ＦＬと平行に形成されている第１の接合部Ｊ１を有している。接合部Ｊは、第１の接合部Ｊ１から続いて形成され、かつ突出部ＰＲと平行かつ突出部ＰＲと対向する位置、すなわち凹部４３の内壁に形成されている第２の接合部Ｊ２を有している。

第１の接合部Ｊ１から第２の接合部Ｊ２に亘って、接合金属層ＭＬとの濡れ性を高めるための部材側接合補助部ＥＡが設けられている。

すなわち、接合部Ｊは、接合金属層ＭＬを介して実装基板２０の第１の部位Ｐ１に接合される。言い換えれば、平板部４１は、接合金属層ＭＬを介して実装基板２０の第１の部位Ｐ１と接している。

以上のように、本実施例に係る半導体発光装置１０によれば、実施例１に係る半導体発光装置１０と同様に、溶融した接合金属層ＭＬが突出部ＰＲを超えて収容空間ＨＳの内部に流出することを防ぐことができる。このため、溶融した接合金属層ＭＬが収容空間内ＨＳ内の電極２３等に流れ込むことによるショートを防ぐことができる。

また、透光性部材４０と実装基板２０とを密着させることができ、収容空間ＨＳ内を真空であるか又は不活性ガスが満たされている状態を維持することが可能となる。従って、半導体発光装置１０の製造時の歩留まりを高めることが可能となる。

１０ 半導体発光装置
２０ 実装基板
３０ 発光素子
４０ 透光性部材
４１ 平板部
４３ 凹部
４４ 延長部
ＦＬ フランジ部
ＨＳ 収容空間
Ｊ 接合部
Ｊ１ 第１の接合部
Ｊ２ 第２の接合部
Ｐ１ 第１の部位
Ｐ２ 第２の部位

Claims (9)

1. 発光素子と、
   前記発光素子が載置されている基板と、
   前記発光素子を覆うように前記基板の表面に導電性の接合材によって接合されている透光性部材と、を有し、
   前記基板は、前記透光性部材と接合している第１の部位と前記発光素子が載置されている第２の部位との間に、前記基板の前記表面から突出した突出部を有し、
   前記基板及び前記透光性部材によって前記発光素子を収容しかつ、密閉された収容空間が形成され、
   前記収容空間は、真空であるか又は不活性ガスによって充填されていることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記突出部は、前記発光素子の周囲を囲む壁として形成され、
   前記発光素子は、前記壁の内側の前記基板の前記表面上に載置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記突出部は、角柱状又は錐台状に突出し、かつ頂部が平坦な形状を有し、
   前記発光素子は、前記頂部上に載置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記基板の前記表面に対して垂直な方向における前記突出部の端面と、前記透光性部材が前記基板の前記表面と対向する面と、の間に間隙が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記第１の部位は、前記突出部に対して垂直又は鋭角に形成され、かつ前記突出部の全周に亘って形成されているフランジ部を含み、
   前記接合材は、前記フランジ部から前記フランジ部と角度を成す前記突出部に亘って設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体発光装置。
6. 前記透光性部材は、前記接合材と接している接合部を含み、
   前記接合部は、前記フランジ部と平行な方向であって、前記突出部から離れる方向に向かって延設された延長部を有していることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光装置。
7. 前記透光性部材は、前記接合材と接している接合部を含み、
   前記接合部は、前記基板の前記フランジ部と平行に形成されている第１の接合部と、前記第１の接合部から続いて形成され、かつ前記突出部の前記壁と平行かつ前記突出部と対向する位置に形成されている第２の接合部と、を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体発光装置。
8. 前記透光性部材は、前記基板の前記表面と平行に形成されている平板部を有し、
   前記平板部は、前記表面と対向する面が窪んで形成されている凹部を有し、かつ前記基板の前記第１の部位と接し、
   前記凹部は、前記壁を収容することを特徴とする請求項１，２，５，６のいずれかに記載の半導体発光装置。
9. 表面から突出している突出部を有する基板を形成する工程と、
   導電性の接合材を前記基板上に塗布する工程と、
   発光素子を前記基板の前記表面に実装する工程と、
   真空であるか又は不活性ガス雰囲気下において、透光性部材を前記接合材と接し、かつ前記発光素子を覆うように前記基板上に載置する工程と、
   加熱により前記接合材を溶融させて前記透光性部材を前記基板に固定する工程と、
   を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。

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