JP3627158B2 - 低プロファイル・ボール・グリッド・アレイ半導体パッケージおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は一般に半導体パッケージに関し、更に特定すれば、ボール・グリッド・アレイ半導体パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
ボール・グリッド・アレイ(BGA)半導体パッケージは電子産業界において周知である。通常、BGAパッケージは、プリント回路基板のような基板から成り、その基板は基板の上面にマウントされた多数のボンドパッドを有する半導体ダイを有する。ワイヤボンドはボンドパッドをプリント回路基板の上面上の一連の金属トレースに電気的に接続する。この一連の金属トレースは、このプリント基板の外側周辺を囲むように位置する一連のビアを介して、プリント回路基板の裏面の第2の一連の金属トレースに接続される。この第2の一連の金属トレースは、導電はんだボールが取り付けられる接点パッドでそれぞれ終端する。この導電はんだボールはアレイ状に配列され、約1.5ミリメータのピッチを有する。通常、この半導体ダイとワイヤボンドはモールディング・コンパウンドで封止される。
【0003】
製造コストを減少させるために、電子産業界では周辺格子型(perimeter)BGAパッケージの使用が増加している。周辺格子型BGAパッケージでは、導電はんだボールがビアと半導体ダイとの間のプリント回路基板の裏面にアレイ状に配列される。通常、最も内側の(inner−most)導電はんだボールは、半導体ダイの外縁の真下か非常に近接している。
【0004】
BGAパッケージのユーザ、特にコンピュータ、通信およびパーソナル電子アプリケーションにおいては、小型化、軽量化および薄型化(1.5mm未満)を要求する。BGAパッケージのその他においてサポートすべきことは可搬性である。また、ユーザは同一パッケージ・フットプリント領域でより多くのピン数を支持できるように導電はんだボール間のピッチ距離の縮小を要求する。さらに、ユーザはパッケージの導線経路の改良を要求する。さらに、さまざまな動作状態でのBGA パッケージの需要が増加しており、ユーザは一層の信頼性の向上を要求する。
【0005】
現行のBGAパッケージは、約2.4ミリメータ(mm)の高プロファイル、リフロー時においてボールおよびボールパッドサイズによって決まる高さにはんだボールがつぶれること、直径に対する高さの比が低いはんだ接続の高歪みレベルによる温度サイクル中のはんだ接続部の疲れ破損率等の数々の不利益を有する。
【0006】
【解決すべき課題】
従って、低プロファイル(1.5mm未満)であって、はんだリフローつぶれを可能な限り減少させた、温度サイクル中はんだ接続部不良率を減少させた、費用対効果の優れた周辺格子型はんだボールアレイに対する電子産業界の需要に応ずべきBGAパッケージに対する要求が存在する。
【0007】
【実施例】
図1は従来技術の周辺格子型BGAパッケージ10の断面図を示す。BGAパッケージ10は基板11の上面上に形成された上部導電トレース12を有する。基板11は通常、ビスマレイミド−トリアジン(BT:bismaleimide−triazin)樹脂またはFR−4基板のような有機性エポキシグラス樹脂をベースとした材料から形成される。底部導電トレース13は基板11の下面に形成され、ビア、即ちメッキされたスルーホール14と通して上部導電トレース12に電気的に接続される。ビア14は基板11の上面から下面まで延在する。ビア14は銅のような導電材からなる。上部導電トレース12はボンド・ポスト、即ちパッド21で終端する。底部導電トレース13はボール、即ち終端パッド16で終端する。上部導電トレース12、底部導電トレース13、ボールパッド16およびボンド・ポスト21は、銅または金めっきされた銅のような電気的導電材からなる。上部導電トレース12、底部導電トレース13およびビア14は図面が過密にならないように全てを示していない。
【0008】
BGAパッケージ10は、さらに基板11の上面上のダイ付着パッド23に付着された集積回路、即ち半導体ダイ18からなる。半導体ダイ18はエポキシを用いてダイ付着パッド23に付着される。半導体ダイ18は、上面上に形成された複数ボンディング、即ちボンディングパッド22を有する。複数のボンディングパッド22のそれぞれは、ワイヤボンド19で上部導電トレース12に電気的に接続される。通常、半導体ダイ18、ワイヤボンド19および基板11の一部は封入容器24によって覆われる。
【0009】
導電はんだボール26はボールパッド16にそれぞれ付着される。導電はんだボール26は、リフロープロセスの間ボールパッド16にメタルルジカル(metallurugically)濡れとなる。最も内部の導電はんだボール26は通常、半導体ダイ18の下または隣接している。導電はんだボール26はピッチ27離れた空間を有し、通常そのピッチは約1.0ないし1.8mmである。次に導電はんだボール26はアッセンブリの次の段、即ちプリント回路基板28に標準のはんだリフロープロセスを用いて接続される。導電はんだボール26ははんだ接続部25を形成するために接点パッド29に接続される。実装プロセスの後、はんだ接続部25ははんだの量と濡れ領域によって決まる球状を平らにする。基板11の下面の導電はんだボール26の数と配置は、入出力(I/O)、電力および接地接続を含む回路要求に依存する。
【0010】
BGAパッケージ10は数多くの不都合な点を有する。BGAパッケージ10は通常、約2.4mmの高さ17の高プロファイルを有する。また、BGAパッケージ10がアプリケーション・ボードに搭載され、温度サイクルに晒されると、半導体ダイ18の外縁の下または極めて近接した導電はんだボール26に、半導体ダイ18は直接重大なストレスを及ぼす。このストレスははんだ接続部をゆがめ、最後にはんだ接続部不良を引き起こす。BGAパッケージ10が周辺格子型で示されているが、パッケージ基板の下面を交差する導電はんだボールを有するBGAパッケージや、パッケージダイの直接下に導電はんだボールを有するBGAパッケージも、少なくともBGAパッケージ10と同様の不利益を有する。
【0011】
図2は本発明による周辺格子型BGAパッケージ、即ち構造30の実施例の断面図を示す。BGAパッケージ30は基板31および基板31に付着する支持、即ちベース基板32を包含する基板構造から成る。基板31は幅34を有する開口部、即ちアパーチャ33を有し、その開口部33は下方空隙面として支持基板32に空隙を形成する。開口部33は基板31の上面から底面まで延在し、基板31内の実質的に中心に位置することが好ましい。幅34は半導体ダイ18のサイズとダイボンディング許容差に依存して選択される。通常、幅34は半導体ダイ18より約1ないし2mm大きい。支持基板32の幅は幅34より大きく、基板31の幅より小さい。支持基板32は好適にはエポキシを用いて基板31に付着される。支持基板32の高さは、リフロー前は導電はんだボール26の高さより低いが、図1に示すはんだ接続部25のような非制約リフローされたはんだ接続部より高い。
【0012】
基板31と支持基板32から成る2つの基板構造を用いることによって、一例としてBGAパッケージ30の全高51は、0.9ないし1.4mm、即ち42ないし58%程度減少する。支持基板32と開口部33は半導体ダイ18にダウンセットを提供し、全パッケージ高へのダイ厚みの影響を最少化する。
【0013】
半導体ダイ18は、例えば住友(Sumitomo Inc.)から入手可能な住友1033Bのようなダイ付着エポキシを用いてダイ付着パッド36に付着される。ダイ付着パッド36は金属、ベアPCBまたはセラミックである。ボンディングパッド22は導電はんだボール26に導電接続構造で電気的に接続される。好適実施例では、導電接続構造は、基板31の上面上に形成された複数の上部導電トレース、即ちライン37を含む。この導電接続構造はさらに、基板31の底面に形成された複数の底部導電トレース、即ちライン38を含む。上部導電トレース37はビア、即ちめっきされたスルーホール39を介して底部導電トレース38に接続される。ビア39は基板31の上面から底面まで延在する。通常、ビア39の1つのビアは上部導電トレース37を底部導電トレース38の1つに結合する。各上部導電トレース37はボンドポスト、即ちパッド41で一方の端を終端する。各底部導電トレース38は導電ボールパッド、即ち接点42で一方の端を終端する。上部および底部導電トレースの1セットのみを示す。複数の導電はんだボール、即ち接点26はそれぞれ導電ボールパッド42に結合される。
【0014】
導電トレース37・38、ボンドポスト41および導電ボールパッド42が、当業者に周知の従来工程技術を用いて基板31上に形成される。導電トレース37・38、ボンドポスト41および導電ボールパッド42は好適には、銅、ニッケルと金の組み合わせでメッキされた銅からなる。ビア39は、基板の厚みに応じてドリルまたはレーザプロセスを用いて形成される。その後ビア39の側壁が銅の層で好適に覆われる。ワイヤボンド、即ち導電ワイヤ44はボンドパッド22の1つをボンドポスト41の1つに電気的に接続する。BGAパッケージ30は、当業者に周知の技術を用いて形成されたトランスファー・プラスティック・モールド容器43で示される。
【0015】
好適実施例では、ビア39は開口部33と導電はんだボール26の最も内側の部分との間である。導電はんだボール26が、該パッケージの全てのフットプリントを増加させることなく半導体ダイ18から離れて位置するので、本実施例が好適である。導電はんだボール26を半導体ダイ18から離れて配置することにより、BGAパッケージ30がアプリケーションボードに搭載され温度サイクルに晒されたとき、はんだ接続部に加わるストレスが少なくなる。また、多ピンのデバイス(>200ピン)では、ビア39が開口部33と導電はんだボール26の最も内側との間にあると、ピッチ49が減少するので導電はんだボールの行数が減少する。最も内側の導電はんだボールへのトレースはより少ない行を介して通過するので、トレース経路が容易になる。
【0016】
図2はさらにアプリケーションの一部、即ちプリント回路(PC)基板46に接続するBGAパッケージ30の一部を示す。PC基板46は、導電はんだボール26がはんだ接続部48を形成するために付着された接点パッド47を有する。通常、赤外線リフロー(IR)または気相リフロープロセスがBGAパッケージ30をPC基板46に接続するために使用される。
【0017】
BGAパッケージ30がPC基板46に搭載されると、支持基板32がPC基板46に極めて接近しており、スタンドオフとして機能するので、実装工程中導電はんだボール26のつぶれを制限する。このつぶれが制限されると、はんだ接続部は標準のBGAパッケージよりも高くなる。アスペクト比が大きくなるとはんだ接続ひずみが低下するので、はんだ接続部の信頼性が向上することが判明した。導電はんだボール26間のピッチ49の減少とそれによる信頼性を減少させることなくはんだボール26の大きさを減少して製造することを可能とするので、BGAパッケージ10に対して利点となる。さらに、製造者はBGAパッケージ30のフットプリントを増加させることなく導電はんだボール26の数を増加させることができる。支持基板32もBGAパッケージ10と比較してBGAパッケージ30の薄いプロファイルを提供する。基板31と支持基板32は有機エポキシ−グラス樹脂からなるときは、BGAパッケージ30は約1.0ないし1.5mmの高さ51を有する。これはBGAパッケージ10の高さ17より明らかに低い。
【0018】
他の実施例では、支持基板32は、シリコンの熱膨張係数(TCE:thermal coefficient of expansion)に近い熱膨張係数を有する窒化アルミニウムのようなストレス減少材からなる。また、窒化アルミニウムはパッケージの熱的性能を改善する高熱伝導性を有する。支持基板32がストレス減少材からなるときは、BGAパッケージ30が最大温度に晒されたときに半導体ダイ18に加わるストレスを減少させる。これは、BGAパッケージ30の信頼性を大幅に強化する。ストレス減少材の合成物が選択されると、その熱膨張係数は実質的に半導体ダイ18が構成される材料の熱膨張係数となる。
【0019】
図3は本発明による周辺格子型BGAパッケージ、即ち構造60の他の実施例の一部の断面図を示す。BGAパッケージ60は基板61と支持、即ち基板62から成る。支持基板62は、支持基板62の下面に形成された熱拡散相63と共に示される。又は、熱拡散層63は支持基板62内に形成することもできる(図4の熱拡散層97に示すように)。熱拡散層63は好適には、例えば銅のような熱導伝材から成り、当業者に周知の技術を用いて形成される。拡散層63は半導体ダイ18のよって生成された熱を除去する手段を提供する。熱拡散層63は図2に示すように容易に設計に組み込むことができる。支持基板62はさらにダイ付着パッド64を含む。半導体ダイ18は、好適にはダイ付着エポキシを用いてダイ付着パッド64に付着する。
【0020】
BGAパッケージ60はさらに、支持基板62の上面上に形成された導電トレース、即ち線66を含む。各導電トレース66はボンドポスト67でその一端を終端させ、他端を接点、即ち結合パッド68で終端する。導電接続構造はさらに基板61の下面に形成された導電トレース71を含む。導電トレースの1セットのみ示す。各導電トレース71は接点、即ち結合パッド72でその一端を終端し、導電ボールパッド、即ち接点73で他端が終端する。接点パッド72は接点パッド68に付着され、接点パッド68は支持基板62を基板61に結合する。接点パッド72は、例えばはんだを用いて接点パッド68に付着される。または、接点パッド72は導電接着剤を用いて高温で接点パッド68を積層される。
【0021】
導電はんだボール26は導電ボールパッド73にそれぞれ付着される。BGAパッケージ60の導電接続構造は、ある場合にはビアの必要性がないため、費用対効果が優れる。例えば、I/O密度、ライン/スペース幅および全パッケージボディサイズが適切なリード数の少ない素子などの場合である。ピン数の多い素子では、BGAパッケージ60の導電接続構造がビアと結合し、そのビアは半導体ダイ18と導電はんだボール26の最も内側(インナ)の行との間、基板61の外部(アウタ)周辺に沿うか、またはインナとアウタの両方、および基板61の上部に沿った導電トレースのいずれかに配置する。
【0022】
ワイヤボンド、即ち導電ワイヤ76は半導体ダイ18上のボンディングパッド22をボンドポスト67に電気的に接続する。BGAパッケージ60は複数のワイヤボンドを含むが、1つのみを示す。ワイヤボンド76は好適な低いループ高のボンドで示される。ワイヤボンド76は約0.125mmの高さ77を有し、標準のワイヤボンドループ高の約半分である。パッケージの厚みを減少させることができるので、低いループ高のワイヤボンドが好適である。低いループ高のワイヤボンドは、市販のワイヤボンディング装置を用いて形成される。BGAパッケージ60は、好適には基板61の熱膨張係数に全体にわたって実質的に等しい熱膨張係数を有する積層金属からなる蓋容器78を示す。蓋容器78は好適にはエポキシを用いて基板61に付着される。
【0023】
図4は本発明による周辺格子型BGAパッケージ、即ち構造90の他の実施例の断面図の一部を示す。BGAパッケージ90は基板91と支持、即ちベース構造92からなる。支持基板92は、支持基板92内に形成された熱拡散層97を示す。熱拡散層97は銅のような熱導電材から成り、業界に周知の方法を用いて形成される。支持基板92はさらに、支持基板92の上面上に形成された接地平面層98を示す。接地平面層98は好適には銅層からなる。
【0024】
BGAパッケージ90はさらに基板91の上面上に形成された上部導電トレース99を含む導電接続構造から成る。各上部導電トレース99は、基板91に内部端近くのボンドポスト101で終端する。上部導電トレース99はビア、即ちめっきされたスルーホール104を介して下部導電トレース103に電気的に接続される。各下部導電トレース103は導電ボールパッド106で終端する。上部および下部導電トレースの1セットのみを示す。本実施例では、ビア104は基板91の外部端近くに示される。図2のビア39の位置が好適であるが、ビア104の位置をオプションとして示す。上部導電トレース99、下部導電トレース103およびビア104が上述のとおり形成される。
【0025】
導電接続構造は基板91の下面に形成された追加の下部トレース107をさらに含む。各追加の下部トレース107の一方の端は導電ボールパッド108を有し、他方の端は接点、即ち結合パッド109を有する。接点パッド109は接地平面層98に結合される。接点パッド109は例えばはんだを用いて接地平面層98に結合される。または、接点パッド109は導電接着剤を用いて高温で接地平面層98に積層される。
【0026】
選択実施例では、支持基板92は、アプリケーションの要求に応じて接地平面層98の替わりにまたは加えて導電トレースを含む。これらの選択導電トレースは、既に述べたように追加の下部トレース107に結合する。導電はんだボール26は、既に述べたように導電ボールパッド106又は108にそれぞれ付着される。
【0027】
半導体ダイ18は、好適にはダイ付着エポキシを用いて接地平面層98に付着される。ワイヤボンド112と113はボンドパッド22を導電接続構造に電気的に接続する。即ち、ワイヤボンド112は、ボンドポスト101を上部導電トレース99の一方に結合する。ワイヤボンド113は接地平面層98に結合される。BGAパッケージ90は液体封入剤、即ちグローブ・トップ(glob−top)容器111で示され、この容器は半導体ダイ18、ワイヤボンド112・113および少なくとも基板91の一部を覆う。グローブ・トップ容器は業界において周知の技術を用いて形成される。
【0028】
ワイヤボンドが支持基板上のボンドポストのみに結合される実施例では、容器は半導体ダイ、ワイヤボンドおよび少なくとも支持基板の一部のみを覆う。これによりパッケージの全高をさらに低くできる。
【0029】
図5は本発明による周辺格子型BGAパッケージ、即ち構造120の他の実施例の断面図の一部を示す。BGAパッケージ120はダイ付着構造を除いて図2ないし4に示すBGAパッケージに類似である。BGAパッケージ120は、ワイヤボンディングが不要なダイレクト・チップ付着(DCA:direct chip attachment)を用いる。BGAパッケージ120は基板121および支持部、即ち基板122から成る。
【0030】
BGAパッケージ120は、さらに支持基板122の上面上に形成された導電トレース、即ちライン124を含む導電接続構造から成る。各導電トレース124はボンドポスト、即ちダイ接点パッド126で一方の端を終端し、他方の端を接点パッド127で終端する。導電接続構造は基板121の下面に形成されたで導電トレース128をさらに含む。導電トレースの1セットのみを示す。各導電トレース128の一方の端は接点パッド129で終端し、他の端は導電ボールパッド131で終端する。接点パッド129ははんだを用いて接点パッド127に付着される。または、接点パッド129は導電接着剤を用いて高温で接点パッド129に接続するように積層される。導電接続構造は、それぞれ半導体ダイ133上のボンドパッド134の1つに結合されたダイはんだボール136をさらに含む。ダイはんだボール136は導電はんだボール26より高温でフローできる材料からなり、周知のプロセスを用いてボンドパッド134とダイ接点パッド126を結合する。BGAパッケージ120は封止剤138をさらに含み、この封止剤は半導体ダイ133および基板121の裏面を覆わないことが好ましい。これより約0.7ないし1.0mmの高さ141を提供する。BGAパッケージ120はビアを用いない。ビア(インナ、アウタ、インナおよびアウタ)は、多ピンの応用例の利用と結び付きやすい。
【0031】
図2ないし5に示す実施例は、本開示発明の精神において数々の低プロファイルBGAパッケージを生産するために結合することができることをさらに留意すべきである。
【0032】
ここに電子産業界が要求する高信頼性、小型化、軽量化、薄型および費用有効性のある低プロファイルBGAパッケージが提供されたことが評価されるべきである。本発明によるBGAパッケージは、温度サイクルの間の緊張許容度を改善するために、はんだ接続部における緊張を減少させ、はんだ接続部の配置を制御する機能を有する費用対効果の良い薄型パッケージを提供する。
【0033】
特に、本BGAパッケージは低プロファイルと、BGAパッケージがアプリケーションボードに搭載されたときに導電はんだボールのつぶれを制御できる構造を提供する支持基板を含む。つぶれの量を制御できると、はんだ接続部は標準のBGAパッケージより高くなる。アスペクト比が大きくなればはんだ接続部に緊張が低くなるので、より高いはんだ接続部はより信頼性が向上することがわかった。また、半導体ダイと導電はんだボールとの間にビアを配置することによって、BGAパッケージの製造者は、半導体導電チップから遠く離れて導電はんだボールを配置することができ、それによってはんだ接続部のストレスを減少させることができる。さらに、本BGAパッケージは、パッケージへの導線経路(routing)を改善した数々の導電接続構造をサポートする。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術の周辺格子型BGAパッケージの断面図を示す。
【図2】本発明による周辺格子型BGAパッケージの実施例の断面図を示す。
【図3】本発明による周辺格子型BGAパッケージの他の実施例の断面図を示す。
【図4】本発明による周辺格子型BGAパッケージのさらに他の実施例の断面図を示す。
【図5】本発明による周辺格子型BGAパッケージのさらに他の実施例の断面図の一部を示す。
【符号の説明】
11.31.基板
12.37.上部導電トレース
13.38.底部導電トレース
14.39.ビア
16.ボールパッド
17.高さ
18.半導体ダイ
19.ワイヤボンド
21.ボンドポスト
22.ボンディングパッド
23.36.ダイ付着パッド
26.導電はんだボール
27.ピッチ
28.プリント回路基板
29.接点パッド
30.60.90.BGAパッケージ
32.支持基板
33.開口部
34.幅
41.ボンドポスト
44.導電ワイヤ
Claims (2)
- プリント回路基板(PCB)に搭載される低プロファイル・ボール・グリッド・アレイ(BGA)半導体パッケージであって、
複数のボンディングパッド(22)を有する半導体ダイ(18)と、
上面、下面、第1幅、前記下面に形成され各々の一端が結合パッド72で終端し導電ボールパッド(73,106,108,131)で他端が終端する複数の導電トレース(71)、および前記上面から前記下面に延在している開口部(33)を有する第1基板(61,91)と、前記開口部(33)は第2幅(34)を有することと、
導電ボールパッド(73,106,108,131)にそれぞれ結合された複数の導電ボール(26)と、
上面および下面を有する支持基板(62,92)と、前記支持基板(62,92)は前記第2幅(34)より大きく前記第1幅より小さい幅を有することと、前記支持基板(62,92)の上面はそれぞれ一端がボンドポスト(67)で終端し他端が結合パッド(68)で終端する導電トレース(66)を有することと、前記結合パッド(72)は前記支持基板(62,92)の上面を前記第1基板(61,91)の下面に結合すべく前記結合パッド(68)に付着されることと、前記半導体ダイ(18)は前記開口部(33)で前記支持基板(62,92)の前記上面に結合されることと、前記低プロファイルBGA半導体パッケージ(60,90)がPCB(46)に搭載されたとき前記支持基板(62,92)は前記PCBに非常に近接することと、前記パッケージ(60,90)が前記PCB(46)に搭載されたとき前記支持基板(62,92)が複数の導電ボール(26)のつぶれを制限するスタンドオフとして機能することと、
各ボンディングパッド(22)を導電ボールパッド(73,106,108)に結合する導電接続構造と、
前記支持基板(62,92)の少なくとも一部を覆う容器(78,111,138)とからなる、低プロファイル・ボール・グリッド・アレイ(BGA)半導体パッケージ。 - 第1面から第2対向面に延在した開口部(33)を有している第1基板(61,91)をベース基板(62,92)に付着させて有する基板構造を、前記ベース基板(62,92)が前記開口部(33)と整合するように前記第2対向面に付着され、同ベース基板(62,92)が低プロファイルを提供し、前記基板構造が複数の第1導電トレースからなる導電接続構造を有し、および前記第1導電トレースが前記第2対向面上の複数のボンドポストと第1導電トレースに電気接続された複数の導電ボールパッド(
73,106,108,131)とにて終端する状態で提供する工程と、
複数のボンドパッド(22)を有する集積回路チップ(18)を前記開口部(33)内で前記ベース基板(62,92)に付着する工程と、
各ボンドパッド(22)を対応するボンドポストに接続する工程と、
前記基板構造の少なくとも一部を密閉する工程と、
複数の導電はんだボール(26)を前記第2対向面上の複数の導電ボールパッド(73,106,108,131)に付着する工程とを備え、前記ベース基板は複数の導電ボール(26)のつぶれを制限するスタンドオフを提供することによって前記基板構造がアプリケーションボードに搭載されたときにおけるはんだ接続部の高さを制御し、前記第1基板(61,91)において前記複数の導電トレース(71)のそれぞれは一端が結合パッド(72)で終端するとともに他端が前記第1基板(61,91)の下面に形成された導電ボールパッド(73,106,108,131)で終端し、前記ベース基板(62,92)の上面はそれぞれ一端がボンドポスト(67)で終端するとともに他端が結合パッド(68)で終端している導電トレース(66)を有し、および、前記結合パッド(72)は前記ベース基板(62,92)の上面を前記第1基板(61,91)の下面に結合すべく前記結合パッド(68)に付着されている、低プロファイル・ボール・グリッド・アレイ半導体パッケージの製造方法。
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