JP3457266B2 - 素子実装基板および素子実装基板の製造方法 - Google Patents
素子実装基板および素子実装基板の製造方法Info
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Description
の半導体素子を同一の基板上に、半田バンプを用いてハ
イブリッド集積するための素子実装基板および素子実装
方法に関する。
はレーザダイオード(LD)やフォトダイオード(P
D)等の光素子といった半導体素子を直接ハイブリッド
集積することで高機能化を図ったモジュールが多く作製
されるようになった。さらに、モジュールにギガビット
級の高速動作が要求されるにつれて、素子実装基板とこ
れら素子との接続には、高周波電気信号を伝送するのに
適した接続形態が必要となっている。特に高速動作を要
求する場合には、ハイブリッド集積に伴う寄生インピー
ダンスの影響をできるだけ排除する必要がある。そのた
め、素子実装基板と素子との接続においては、その接続
長を飛躍的に短くできる半田バンプを用いたフリップチ
ップ実装が用いられている、図7(a)〜(c)および
図8(d)、(e)に示す上面図と断面図は、従来技術
による半田バンプを有する素子実装基板の作製工程と、
それを用いた素子実装方法を示したものである。
面を酸化処理してシリコン酸化膜2が形成してある。こ
のシリコン酸化膜2は、基板1と電気配線3間の絶縁層
として必要不可欠なものである。まず、このシリコン酸
化膜2上に、電気配線3をパタン形成する(図7
(a))。
り形成したガラス膜4で覆い、その一部にエッチングに
よりコンタクトホール5を開ける(図7(b))。
よりも広い領域を覆うように、電極6で覆う(図7
(c))。この電極6は、チタン(下層)/白金(上
層)の順で積層して構成される。チタン層は、電気配線
3およびガラス膜4との密着性が良く、密着層として機
能し、また、白金層は、半田リフローの際に溶融した半
田が電気配線3側へ拡散するのを抑制する特性を有し、
拡散抑制層として機能する。また、溶融半田に対する特
性として、ガラス膜4は溶融半田を弾き(すなわち、半
田濡れ性に劣り)、電極6は半田濡れ性を有する(すな
わち、半田濡れ性に優れる)。
域を覆うように半田膜7を積層して、素子実装基板を製
造していた(図8(d))。
装するには、例えば特開平10−133046号「光素
子実装基板およびハイブリッド光集積回路」や、特願平
11−1424号「ハイブリッド集積素子およびその製
造方法」に記載された方法を用いることで、本素子実装
基板上に半田バンプ8を形成し、この半田バンプ8を介
して素子9を実装することができる(図8(e))。
4上に積層された半田は、ガラス膜4により弾かれて、
半田濡れ性を有する電極6上に集まる。また、電極6を
構成する上層の白金層により、溶融した半田は電気配線
3側に拡散できないために、溶融半田は電極6上で半田
バンプ8となって盛り上がる。こうして盛り上がった半
田バンプ8が素子側電極10と接触することで、電極6
と素子側電極10とが電気的に接続され、高速動作が可
能なモジュールを作製していた。
の半田バンプが形成可能な素子実装基板においては、電
気配線3の表面を溶融半田を弾くガラス膜4等で覆い、
その後、このガラス膜4にコンタクトホール5を開けて
から、電極6を形成する必要があった。したがって、製
造工程数が多く、素子実装基板の製造に多大な時間を要
し、その結果、製造コストの高騰を招いていた。
配線の表面が露出していても、簡易な構成で半田バンプ
の形成が可能となり、製造工程を短縮し、製造コストを
低減できる素子実装基板を提供することにある。
に、本発明の素子実装基板は、溶融半田を弾く表面を有
する基板と、前記表面上に形成した電気配線と、前記電
気配線の一部を覆い、半田濡れ性を有する電極と、前記
電気配線とは直接接触することなく、前記電極の全部ま
たは一部、および前記表面の一部を覆う半田膜とを有す
ることを特徴とする(第1の発明)。
を弾く表面を有する基板と、前記表面上に形成した電気
配線と、前記電気配線の一部を覆い、半田濡れ性を有す
る電極と、前記電気配線とは直接接触することなく、前
記電極と同一のパタンで形成した半田膜とを有すること
を特徴とする(第2の発明)。
いて、半田膜をリフローすると、基板の溶融半田を弾く
表面によって半田は弾かれ、半田濡れ性を有する電極上
に集まる。すなわち、半田リフロー時、基板の表面およ
び電気配線への半田の拡散を抑制する。このように、溶
融半田を弾く基板の表面そのものが、従来必要としてい
たガラス膜の機能を有するので、従来の素子実装基板よ
りも簡易な構成で、素子の電極と良好に接続可能な半田
バンプを形成できる素子実装基板を提供できる。また、
電気配線上のガラス膜形成工程と該ガラス膜へのコンタ
クトホール形成工程とを無くすことができ、大幅な製造
工程の短縮と製造コストの低減を図ることができる。
同一のパタン化工程でパタン化するので、第1の発明よ
りさらに製造工程の短縮と製造コストの低減を図ること
ができる。
は、溶融半田を弾く表面を有する基板の前記表面上に電
気配線を形成する工程と、前記電気配線の一部を覆い、
半田濡れ性を有する電極を形成する工程と、前記電気配
線とは直接接触することなく、前記電極の全部または一
部、および前記表面の一部を覆う半田膜を形成する工程
とを有することを特徴とする(第3の発明)。また、本
発明の素子実装基板の製造方法は、溶融半田を弾く表面
を有する基板の前記表面上に電気配線を形成する工程
と、前記電気配線の一部を覆い、半田濡れ性を有する電
極を形成する工程と、前記電気配線とは直接接触するこ
となく、前記電極と同一のパタンで形成した半田膜を形
成する工程とを有することを特徴とする(第4の発
明)。また、本発明の素子実装基板の製造方法は、第3
の発明において、前記電極の平面形状を円形にパターン
化することを特徴とする。さらに、本発明の素子実装基
板の製造方法は、第4の発明において、前記電極のう
ち、前記電気配線上に密着している部分の平面形状を円
形にパターン化することを特徴とする。
半田バンプの形状を安定化させることができ、素子側電
極との接続が良好に行われ、また、基板と素子の接続後
の半田バンプにかかる内部応力を一様に分散した強固な
接続が可能となる。
の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する
図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その
繰り返しの説明は省略する。
実施の形態1の素子実装基板の作製工程と、それを用い
た素子実装方法を示すものである。なお、本実施の形態
1の素子実装基板の構成は、図1(c)に示される。
酸化処理してシリコン酸化(SiO 2)膜2を形成した
ものである。このシリコン酸化膜2は、シリコン基板1
と電気配線3との絶縁層として必要不可欠であるととも
に、溶融半田を弾く(すなわち、半田濡れ性に劣る)特
性を有している。すなわち、本実施の形態1では、シリ
コン酸化膜2が基板1の溶融半田を弾く表面である。
3をパタン化形成する(図1(a))。電気配線3の形
成方法は、蒸着、スパッタ、めっき等を用いることがで
きる。電気配線3の材質は、金、銅、あるいはアルミ等
である。
半田バンプ(図1(d)の8)を介して接続される位置
において、電気配線3の一部を覆うようにして、半田濡
れ性を有する(半田濡れ性に優れる)電極6をパタン化
形成する(図1(b))。この電極6は、チタン(下
層)/ニッケル(上層)の多層膜で構成され、チタン層
は、電気配線3およびシリコン酸化膜2との密着性が良
く、密着層として機能し、また、ニッケル層は、半田リ
フローの際に溶融した半田が電気配線3側へ拡散するの
を抑制する特性を有し、拡散抑制層として機能する。半
田が電気配線3側へ拡散すると、半田バンプ(図1
(d)の8)がうまく形成できない。なお、チタン層の
代わりにクロム層を、ニッケル層の代わりに白金層等を
用いることができ、上層、下層の材料の組み合わせはど
れでもよい。電極6の下層、上層の形成方法は、蒸着、
スパッタ、めっき等を用いることができる。また、電極
6の下層、上層は同一のマスクを用いて同一の工程によ
りパタン化する。また、下層の厚さは例えば500Å、
上層の厚さは例えば1000Åである。
く、電極6の全部(本実施の形態1では全部。後述のよ
うに、一部でも可能である)、および溶融半田を弾くシ
リコン酸化膜2の一部を覆って半田膜7を積層して、素
子実装基板100を製造する(図1(c))。半田膜7
は種々の半田が使用可能であるが、本実施の形態1で
は、金−錫半田を用いた。半田膜7の形成方法は、蒸
着、スパッタ、めっき等を用いることができる。
や光素子を実装する方法は、例えば特開平10−133
046号「光素子実装基板およびハイブリッド光集積回
路」や、特願平11−1424号「ハイブリッド集積素
子およびその製造方法」に記載された方法を用いること
で、本素子実装基板100上に半田バンプ8を形成し、
この半田バンプ8を介して素子9を実装することができ
る(図1(d))。
を弾くシリコン酸化膜2上に積層された溶融半田(半田
膜7)は弾かれて、半田濡れ性を有する電極6上に集ま
り、溶融半田は電極6上で半田バンプ8を形成する。な
お、電極6の上層のニッケル層により、溶融半田は電気
配線3側に拡散できない。こうして電極6上で盛り上が
った半田バンプ8が素子側電極10と接触することで、
電極6と素子側電極10とが電気的に接続されて、素子
9が素子実装基板100上にハイブリッド集積される。
板100では、溶融半田を弾く表面であるシリコン酸化
膜2を有する基板1と、基板1上に形成した電気配線3
と、電気配線3の一部を覆い、半田濡れ性を有する電極
6と、電気配線3とは直接接触することなく、電極6の
全部(または一部)、および前記表面であるシリコン酸
化膜2の一部を覆う半田膜7とを有するという簡易な構
成で、素子9の素子側電極10と良好に接続可能な多数
の半田バンプ8を一括して素子実装基板100上に形成
できる。すなわち、本素子実装基板100において、半
田膜7をリフローすると、溶融半田を弾く表面であるシ
リコン酸化膜2に半田は弾かれて半田濡れ性を有する電
極6上に集まる。このように、溶融半田を弾く基板の表
面であるシリコン酸化膜2そのものが、従来必要として
いたガラス膜(図8(e)の4)の機能を兼ね備えるの
で、従来の素子実装基板よりも簡易な構成で、素子9の
素子側電極10と良好に接続可能な半田バンプ8を形成
できる素子実装基板100を提供できる。また、図7
(b)に示した電気配線3上のガラス膜(4)形成工程
と該ガラス膜(4)へのコンタクトホール(5)形成工
程とを無くすことができ、大幅な製造工程の短縮と製造
コストの低減を図ることができる。また、電極6は、上
述のように、半田の拡散を抑制するニッケル層を上層に
有しているので、溶融半田は電気配線3側に拡散するこ
となく、電極6上で半田バンプ8を形成することができ
る。つまり、半田濡れ性を有する電気配線3の表面が露
出していても、電極6のニッケル層のみで溶融半田の電
気配線3側への拡散を抑制できる。また、電極6の配置
位置には制限がないため、図1(b)、(d)に示すよ
うに電気配線3のどのような位置にでも半田バンプ8の
配置が可能である、なお、本実施の形態1における基板
1は、シリコン基板に限定されるものではない。石英ガ
ラス基板やガラスエポキシ基板のような、基板表面その
ものが溶融半田を弾く特性を有する場合には、シリコン
酸化膜2を形成する必要がないので、製造工程のさらな
る簡略化を図ることができる。
成する際、電極6の全部およびシリコン酸化膜2の一部
を覆って形成したが、電極6を必ずしも全部覆わなくて
も良く、電極6の一部およびシリコン酸化膜2の一部を
覆って形成してもよい。この場合も、電極6の半田濡れ
性およびシリコン酸化膜2の溶融半田を弾く特性によっ
て、半田バンプ8を形成可能である。
実施の形態2の素子実装基板の作製工程と、それを用い
た素子実装方法を示すものである。なお、本実施の形態
2の素子実装基板の構成は、図2(b)に示される。
酸化処理してシリコン酸化(SiO 2)膜2を形成した
ものである。このシリコン酸化膜2は、シリコン基板1
と電気配線3との絶縁層として必要不可欠であるととも
に、あとで形成する電極の構成層の金とは密着性に劣
り、また、溶融半田を弾く特性を有している。
パタン化形成する(図2(a))。電気配線3の形成方
法は、蒸着、スパッタ、めっき等を用いることができ
る。電気配線3の材質は、金、銅、あるいはアルミ等で
ある。
田バンプ接続される位置において、電気配線3の一部を
覆うようにして、金(下層)を、次いで、白金(上層)
を順次積層して電極6を形成する。金層は、シリコン酸
化膜2とは密着性に劣り、電気配線3とは密着性が良い
特性を有する。白金層は、半田濡れ性を有し、また、リ
フロー時に溶融した半田が電気配線3側へ拡散するのを
防ぐ特性があり、その厚さは、1000Å以下と非常に
薄くてよい。また、金層の厚さも、1000Å以下であ
る。なお、白金層の代わりにニッケル層を用いることが
できる。電極6の下層、上層の形成方法は、蒸着、スパ
ッタ、めっき等を用いることができる。
のように、電極(金/白金の積層膜)6と半田膜7は、
同一のマスクを用いて同一の工程で連続してパタン化形
成して、素子実装基板100を製造することができる
(図2(b))。半田膜7は種々の半田を使用可能であ
るが、本実施の形態1では、金−錫半田を用いた。半田
膜7の形成方法は、蒸着、スパッタ、めっき等を用いる
ことができる。
や光素子を実装する方法は、例えば特開平10−133
046号「光素子実装基板およびハイブリッド光集積回
路」や、特願平11−1424号「ハイブリッド集積素
子およびその製造方法」に記載された方法を用いること
で、本素子実装基板100上に半田バンプ8を形成し、
この半田バンプ8を介して素子9を実装することができ
る(図2(c))。
は、溶融半田を弾く表面であるシリコン酸化膜2を有す
る基板1と、基板1上に形成した電気配線3と、電気配
線3の一部を覆い、半田濡れ性を有する電極6と、電気
配線3とは直接接触することなく、電極6と同一のパタ
ンで形成した半田膜7とを有するという簡易な構成で、
素子9の素子側電極10と良好に接続可能な多数の半田
バンプ8を一括して素子実装基板100上に形成でき
る。すなわち、本素子実装基板100において、半田リ
フローすると、シリコン酸化膜2表面と密着性に劣る金
は、溶融した半田の表面張力に引っ張られて、その上に
積層した白金層共々、電気配線3上の半田濡れ性を有す
る電極6上に集まる。また、電極6の白金層により溶融
半田は電気配線3側に拡散できないために、溶融半田は
電極6上で半田バンプ8を形成する。こうして盛り上が
った半田バンプ8が素子側電極10と接触することで、
電極6と素子側電極10とが電気的に接続されて、素子
9が素子実装基板100上にハイブリッド集積される。
なお、半田溶融の際に、半田バンプ8内に取り込まれた
(半田バンプ8と混じった)電極6の上層および下層
は、積層時の厚さが、たかだか1000Å以下と非常に
薄いために、半田バンプの接続強度を低下させることは
ない。このように、本実施の形態2では、電極6と半田
膜7の形成を、同一マスクを使用してパタン化でき、電
極6と半田膜7の積層工程も連続して一度で行うことが
できるため、実施の形態1よりもさらなる製造工程の短
縮と製造コストの低減を図ることができる。
バンプ8を用いてより安定な素子固定を行うためには、
電極6の平面形状を円形にするとよい。その理由を以下
に述べる。
溶融半田の表面張力は、半田表面における平均曲率に比
例した内部応力を発生し、溶融半田を移動させる。半田
溶融時において、特に鋭角的な部分が生じると、その近
傍における半田表面の平均曲率が大きくなるため、その
部分の溶融半田は移動し易くなる。最終的には表面張力
と内部圧力とがバランスしたときに、半田バンプ8の形
状が決まる。しかし、実際の溶融半田は、半田濡れ性を
有する電極6上で捕らえられるため、最終的な半田バン
プ8の形状は電極6の平面形状に影響される。
ると、その近傍における半田表面の平均曲率が大きくな
るため、溶融半田は他の部分に移動し易い。その結果、
電極6の平面形状の鋭角部分と接する半田は薄くなり易
いため、基板1との接続で生じる内部応力を集中して受
け易く、強いては破断し易くなってしまう。
円形とした場合の半田バンプ8の形状をシミュレーショ
ンにより示したものである。図3(a)は上面図を、図
3(b)は、図3(a)のDの側から見た側面図をそれ
ぞれ示す。半田溶融時の表面張力と内部圧力が釣り合う
ようにシミュレーションした結果である。
と弦が出会う角部分(図3(a)中、Eの部分)で、半
田が薄くなって突起していることがわかる。また、半田
バンプ8の体積が大きくなるにつれ、半田バンプ8が、
電気配線3(図1、図2)に覆い被さるようになる(図
3(b)中、Fの部分)。すなわち、角部分Eを持つ電
極6上の半田は、その角部分Eにおいて応力を集中して
受け易いため、経時変化を起こして破断し易いという問
題が生じる。
たない場合、半田バンプ8の重心が、電気配線3上で覆
い被さった位置にくるため、安定性に欠け、その結果溶
融した半田バンプ8が、僅かな振動でも崩壊し易く、電
極6でせき止められずに、溶融した半田バンプ8が、電
気配線3側に拡散するという問題が生じる。
本実施の形態3では、電極6の平面形状を円形にする。
合の半田バンプ8の形状をシミュレーションにより示し
たものである。図4(a)は上面図を、図4(b)は側
面図をそれぞれ示す。
ると、半田バンプ8の中心軸に対象で表面張力と内部圧
力がバランスするため、電極6の周縁の半田分布はどこ
も一様となる。すなわち、基板1との接続により生じる
内部応力を、一様に分散して接続するため、破断が最も
生じにくい。
半田バンプ8の中心軸上、すなわち、電極6の中心上に
くるため、溶融した半田バンプ8の体積が大きくなって
も最も安定性の良い半田バンプ8の形状を実現する効果
がある。
めには、実施の形態1では、はじめから電極6の形状を
円形にパタン化形成する。以下、図5を用いて、その方
法を説明する。
コン酸化膜2)を有する基板(例えば、シリコン基板)
1上に、電気配線3をパタン化形成する(図5
(a))。
して接続される位置において、電気配線3の一部あるい
は全体を覆うようにして、半田濡れ性を有する電極6
を、円形にパタン化形成する(図5(b))。電極6の
位置が、電気配線3の端部(図5(b)中、Gの位
置)、あるいは途中(図5(b)中、Hの位置)に必要
な場合は、電気配線3の一部を円形に電極6が覆うよう
にパタン化する。また、電極6が孤立した位置(図5
(b)中、Iの位置)に必要な場合は、その電極6全体
を円形に覆うようにパタン化する。最後に、電極配線3
とは直接接触することなく、電極6の全部あるいは一
部、および溶融半田を弾く表面であるシリコン酸化膜2
の一部を覆って半田膜7を積層して、素子実装基板10
0を製造する(図5(c))。(これらの形成方法の詳
細は、実施の形態1を参照。) その後、本素子実装基板100に、LSIや光素子を実
装する方法は、例えば特開平10−133046号「光
素子実装基板およびハイブリッド光集積回路」や、特願
平11−1424号「ハイブリッド集積素子およびその
製造方法」に記載された方法を用いることで、本素子実
装基板100上に半田バンプ8を形成し、この半田バン
プ8を介して素子9を実装することができる(図5
(d))。このとき形成される半田バンプ8は、円形の
電極6上に形成されるため、図4に示すような安定な形
状となって素子固定に優れた素子実装ができる。
した後で、電極6の平面形状が円形になればよい。以
下、図6を用いて、その方法を説明する。
コン酸化膜2)を有する基板(例えば、シリコン基板)
1上に、電気配線3をパタン化形成する(図6
(a))。このとき、素子側電極10と半田バンプ8を
介して接続される位置において、半田リフロー後の電極
6の平面形状が円形になるように、電極配線3の形状を
変える必要がある。すなわち、電極6の位置が、電気配
線3の端部(図6(a)中、Jの位置)にある場合は、
電気配線3の端部の平面形状を半円形にする。また、電
気配線3の途中(図6(a)中、Kの位置)に必要な場
合は、電気配線3の一部の平面形状を円形になるように
パタン化する。さらに、電極6が孤立した位置(図6
(a)中、Lの位置)に必要な場合は、円形にパタン化
する。このように、半田リフロー後の電極6の平面形状
が円形になるように、電気配線3の一部が円形の一部と
なるようにパタン化する。
において、電気配線3の一部あるいは全部を覆うように
して、電極6と半田膜7を連続してパタン化する。(こ
れらの形成方法の詳細は、実施の形態2を参照。) 半田リフロー後に半田バンプ8の形状を、図4に示す安
定な形状にするには、この連続してパタン化した平面形
状のうち、電気配線3と重なる部分は電気配線3と同じ
形状にパタン化し、それ以外の溶融半田を弾く表面であ
るシリコン酸化膜2上は任意な形状でよい。
や光素子を実装する方法は、例えば特開平10−133
046号「光素子実装基板およびハイブリッド光集積回
路」や、特願平11−1424号「ハイブリッド集積素
子およびその製造方法」に記載された方法を用いること
で、本素子実装基板100上に半田バンプ8を形成し、
この半田バンプ8を介して素子9を実装することができ
る(図6(c))。このとき形成される半田バンプ8
は、半田リフロー後に円形となった電極6上に形成され
るため、図4に示すような安定な形状となって素子固定
に優れた素子実装ができる。
に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能であることは勿論である。
光モジュールのギガビット級の高速動作に必要な半田バ
ンプが形成可能な素子実装基板を簡易な構成で容易に提
供することができる。したがって、素子実装基板の製造
工程の大幅な短縮と製造コストの低減を図ることができ
る。
子実装基板の作製工程と、それを用いた素子実装方法を
示す上面図と断面図である。
子実装基板の作製工程と、それを用いた素子実装方法を
示す上面図と断面図である。
半田バンプの形状をシミュレーションにより示す上面
図、(b)は、(a)のDの側から見た側面図である。
田バンプの形状をシミュレーションにより示す上面図、
(b)は、(a)の側面図である。
を円形にパタン化形成する素子実装基板の作製工程と、
それを用いた素子実装方法を示す上面図と断面図であ
る。
の形状を円形にパタン化形成する素子実装基板の作製工
程と、それを用いた素子実装方法を示す上面図と断面図
である。
を有する素子実装基板の作製工程を示す上面図と断面図
である。
を有する素子実装基板の作製工程と、それを用いた素子
実装方法を示す上面図と断面図である。
ラス膜、5…コンタクトホール、6…電極、7…半田
膜、8…半田バンプ、9…素子、10…素子側電極、1
00…素子実装基板。
Claims (6)
- 【請求項1】溶融半田を弾く表面を有する基板と、前記
表面上に形成した電気配線と、前記電気配線の一部を覆
い、半田濡れ性を有する電極と、前記電気配線とは直接
接触することなく、前記電極の全部または一部、および
前記表面の一部を覆う半田膜とを有することを特徴とす
る素子実装基板。 - 【請求項2】溶融半田を弾く表面を有する基板と、前記
表面上に形成した電気配線と、前記電気配線の一部を覆
い、半田濡れ性を有する電極と、前記電気配線とは直接
接触することなく、前記電極と同一のパタンで形成した
半田膜とを有することを特徴とする素子実装基板。 - 【請求項3】溶融半田を弾く表面を有する基板の前記表
面上に電気配線を形成する工程と、前記電気配線の一部
を覆い、半田濡れ性を有する電極を形成する工程と、前
記電気配線とは直接接触することなく、前記電極の全部
または一部、および前記表面の一部を覆う半田膜を形成
する工程とを有することを特徴とする素子実装基板の製
造方法。 - 【請求項4】溶融半田を弾く表面を有する基板の前記表
面上に電気配線を形成する工程と、前記電気配線の一部
を覆い、半田濡れ性を有する電極を形成する工程と、前
記電気配線とは直接接触することなく、前記電極と同一
のパタンで形成した半田膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする素子実装基板の製造方法。 - 【請求項5】前記電極の平面形状を円形にパターン化す
ることを特徴とする請求項3記載の素子実装基板の製造
方法。 - 【請求項6】前記電極のうち、前記電気配線上に密着し
ている部分の平面形状を円形にパターン化することを特
徴とする請求項4記載の素子実装基板の製造方法。
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