JP4376493B2 - プリント回路ボード - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント回路ボードに関する。
【0002】
【従来の技術】
米国特許明細書第5990776号は、種々の内部プリント回路ボード層上に配置されている平面コイルおよびトランス巻線を有する多層プリント回路ボードを記載している。平面巻線を使用することによって、表面上に取り付けられたコイルおよびトランスのような誘導性回路素子がもはや必要でないため、薄いプリント回路ボードを形成することができる。米国特許明細書第5990776号は、さらに、前記プリント回路ボードを通過する低磁性コアを記載し、これは、前記平面コイルおよびトランス巻線の磁束を運ぶ。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、すべてが薄い厚さを有するとともに費用効果的に製造することができる容量性および誘導性構成要素を具えるプリント回路ボードを提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、少なくとも1つの誘電体層を具え、前記誘電体層の2つの側面において、キャパシタ電極を第1領域において互いに反対に配置し、前記第1領域の隣の少なくとも1つの第2領域において、2個の反対に配置された平面巻線を配置した多層プリント回路ボードによって達成される。
【0005】
好適には成層によって製造されたこのプリント回路ボードにおいて、増強された誘電率を有し、キャパシタ誘電体として好適な材料で形成された誘電体層を、平面巻線が誘導性回路素子、LC回路素子(L:インダクタンス機能、C:キャパシタンス機能)、または、LCT回路素子(L:インダクタンス機能;C:キャパシタンス機能;T:トランス機能)に関して生じる領域まで延長することができる。誘電体層は、前記プリント回路ボード全体を横切って延在してもよい。容量性回路素子は、誘導性回路素子を実現するために追加で使用される前記第2領域においても現れる。結果として、誘導性回路素子の巻線を誘電体層の側面において直接配置して、追加の層がこれらの巻線に関して必要なくなるため、プリント回路ボードの必要な層の数は減少する。誘導性および容量性回路素子の前記第2領域における集積は、前記プリント回路ボードの幅の減少も与える。製造プロセスは簡単になり、前記プリント回路ボードの製造中のエラー源は取り除かれる。さらに、本発明は、前記プリント回路ボードの改善されたEMI特性(電磁妨害)を与える。また、絶縁層および他の誘電体層を設けることもでき、第2領域は、回路必要条件に応じて複数の平面巻線を有してもよい。複数の第2領域を設けることもできる。
【0006】
本発明の実施形態は、前記第2領域の平面巻線に関する実施形態のいくつかの変形例を有する。例えば、これらは、これらを前記誘電体層が整合するキャパシタ電極としても使用する場合、LC素子として働く。変形例の他の可能性は、巻線方向の変化である。
【0007】
本発明の一実施形態は、前記第2領域の平面巻線の機能を、LCT素子と、第3平面巻線と、必要なら、トランス巻線を形成する他の第3平面巻線とに拡張する特有の特徴を有する。本発明の実施形態は、前記プリント回路ボードのEMI特性を改善する磁性コア部分を有する。抵抗素子と、半導体構成要素と、CMCキャパシタとを、追加で、前記プリント回路ボードの内部に配置することができる。1つの層は、前記層のサブ領域が(例えば、スロットまたは穴によって)少なくとも部分的に互いに分離したような構造を有する低磁性材料の層によって、低磁性コア部分を遮蔽または形成するような種々の機能を行うことができる。
【0008】
本発明の一実施形態は、独立した新規なアイデアとみなすこともできる、磁性構成要素の形成と、抵抗性構成要素の形成とに関する磁性材料の層の使用を有する。
【0009】
本発明のこれらおよび他の態様は、以下に記載する実施形態の参照とともに明らかになる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1における断面図において示す成層された多層プリント回路ボード1は、3つの絶縁層2a、2bおよび2cを有する。外側絶縁層2aおよび2bと内側絶縁層2cとの間に、プリント回路ボード1の幅全体に渡って広がる誘電体層3aおよび3bを配置する。本願の意味における誘電体層は、キャパシタにおける誘電体としての用途に好適な高い誘電率を有する層であることを意味する。プリント回路ボード1の第1領域において、複数のキャパシタ電極4a、4b、5a、5b、6a、6b、7aおよび7bを配置する。互いに対面する電極対4a/4b、5a/5b、6a/6bおよび7a/7bを、4つのキャパシタ4、5、6および7を形成するために使用する。電極対4a/4bおよび6a/6bを、誘電体層3aにおいて並べて配置する。電極対5a/5bおよび7a/7bを、誘電体層3bにおいて並べて配置する。プリント回路ボード1の上側および下側は、例としていくつかを示すSMD構成要素8を有する回路構造を収容する。キャパシタ4、5、6および7と構成要素8を有する回路構造との間の電気的接続を、導電性材料によって内部をクラッドされた貫通孔、すなわち、ビア9a、9b、9cおよび9d、本実施形態においては、電極4bおよび5bに接続されているビア9aと、電極4aおよび5aに接続されているビア9bと、電極6aおよび7aに接続されているビア9cと、電極6bおよび7bに接続されているビア9dとして設ける。キャパシタ4ないし7を、例えば、電源回路のコントローラ回路と集積し、または、EMIを減少するフィルタキャパシタとして使用する。
【0011】
コイル10を、プリント回路ボード1における前記第1領域の右そばにおいて位置する第2領域において収容する。コイル10は、直列に配置された平面巻線10a、10b、10cおよび10dを具え、これらを図2に示し、これらは、3つのらせん状巻線を有し、個々のビア(図示せず)によって、接点10aaを接点10baに電気的に接続し、接点10bbを接点10cbに電気的に接続し、接点10caを接点10daに電気的に接続する。巻線10aおよび10bを誘電体層3aにおいて配置する。巻線10cおよび10dを誘電体層3bにおいて配置する。誘電体層3aおよび3bは、したがって、平面巻線10aおよび10b間、10cおよび10b間に延在する。このようにして、例えば、変換器(電圧変換器)においてフィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)の一部として、または、電源スイッチのない共振または擬似共振コンバータ(例えば、ブーストコンバータ、ダウンコンバータ)において使用することができる並列共振回路を開発する。
【0012】
図3は、プリント回路ボード1の回路素子に関するキャリアとしても同時に使用される誘電性材料によって形成された1層3aのみを設けた1層実施形態におけるプリント回路ボード1を示す。巻線10aおよび10bと他の構成要素8とに対面する前記プリント回路ボードの各々上側または下側において配置された、キャパシタ電極対4aおよび4bとキャパシタ電極対6aおよび6bとを示す。平面巻線10aおよび10bの平面図を、図4において示し、前記巻線を一方向に配置し、巻線電流を電流が流れるときに反時計方向に流すことができるようにする。
【0013】
図5に示す実施形態の例において、プリント回路ボード1は、3つの層を有し、誘電体層3aの上側は絶縁層2aを収容し、誘電体層3aの下側は絶縁層2bを収容する。キャパシタ電極対4aおよび4bと、キャパシタ電極対6aおよび6bと、平面巻線10aおよび10bとを、外側絶縁層2aおよび2bと内側誘電体層3aとの間の図1に示すプリント回路ボード1の内側において配置する。構成要素8を、前記上側および下側と、したがって、絶縁層2aおよび2bとにおいて配置する。
【0014】
図6は、図1に示すプリント回路ボード1を、コイル10のインダクタンスを増すのに使用される追加の磁性コア11とともに示す。コア11を、例えば、Eコアまたはポットコアとして配置する。エアギャップを設け、インダクタンスおよび磁束密度を調節してもよい。
【0015】
図7は、LC素子12をコイル10の代わりに設けたプリント回路ボード1の変形例を示す。LC素子12は、平面巻線12a、12b、12cおよび12dを有し、これらの平面巻線の各々は、図8における一方向巻線と図9における反対方向の巻線として実施形態において示す3つのらせん状巻線を有する。図8において、すべての電流は反時計方向に流れ、図9において、電流は、巻線12aおよび12cを通って反時計方向に流れ、巻線12bおよび12dを通って時計方向に流れる。巻線12a、12b、12cおよび12dは、接点12aa、12ba、12caおよび12daを有する。個々のビア(図示せず)によって、接点12aaを接点12caに電気的に接続し、接点12baを接点12daに電気的に接続する。巻線12a、12b、12cおよび12dをプリント回路ボード1の他の回路構造に接続することを、好適には再びビアを経て、接点12aa、12ba、12caおよび12daにおいて行う。
【0016】
互いに対面する巻線12aおよび12bと、12cおよび12dとは、これらの誘導効果を有するだけでなく、キャパシタ電極の機能も有し、層3a、3bは、それぞれ誘電体として作用する。
【0017】
例えば、パワーコンバータにおけるEMIを減少するための、集積されたプッシュプルキャパシタンスを有する同相リアクタンスコイルの使用、または、図6における実施形態において示すが、比較的より高い効果があるキャパシタンスを有する配列共振回路における使用を、図7および8において示す実施形態の用途として使用することができる。直列共振回路における使用も可能である。用途は、例えば、共振または擬似共振電源コンバータ用のバンドパスフィルタまたは発振回路、または、直列キャパシタのDCデカップリングキャパシタである。
【0018】
図7および9に示す実施形態において、以下の用途が考えられる。例えば、パワーコンバータのEMIを減少するための、集積されたキャパシタンスを有するプッシュプルフィルタと、(例えば、アップコンバータおよびダウンコンバータ用の)フィルタキャパシタとの組み合わせにおけるコンバータリアクタンスコイルと、図6に示す実施形態におけるようなものであるが、比較的より高い効果があるキャパシタンスを有する、並列共振スイッチング回路と、共振または擬似共振コンバータの発振回路のようなパワースイッチング回路に対する用途である。
【0019】
図10および11に示すプリント回路ボード1の配置において、図8に示し、4つの巻線を各々有する2つの他の平面巻線13aおよび13bを設ける。互いに対面する巻線13aおよび13bを、他の絶縁層14の上側および下側において配置し、直列に接続し、接点13aおよび13bをビア(図示せず)によって電気的に接続する。巻線13aおよび13bは、巻線12a、12b、12cおよび12dとともに形成されたLCT素子のトランス構成要素に関する2次巻線として動作し、1次巻線としての機能を、前記回路に応じて巻線対12a−12cおよび/または12b−12dによって行う。巻線12a、12b、12c、12d、13aおよび13bの中心領域を、磁性コア11の領域が通り、巻線12a、12b、12c、12d、13aおよび13bを通過する磁束を導くのに使用される線上に配置する.巻線12aないし12dは、図5におけるような同じ方向において通り、図6におけるような反対方向において通る前記巻線も、もちろん可能である。
【0020】
図10および11に示すプリント回路ボード1の実施形態を、好適には共振または擬似共振コンバータにおいて使用してもよいが、直列共振回路、並列共振回路、および、直列および並列共振を有する共振回路を実現することもできる。他の用途は、プッシュプルフィルタまたは同相フィルタであり、これらにおいて、前記フィルタの減衰特性を、前記トランスの2次側に接続されたインピーダンスによって調節することができる。巻線13aおよび13bを経て、高周波同相信号または高周波プッシュプル信号の検出または供給を行うこともでき、この信号伝送を、電源電圧を運ぶラインを経て行う。
【0021】
図12に示すプリント回路ボードの実施形態において、プリント回路ボード1によって供給した磁性コア11の代わりに、2つの平面磁性コア部分15aおよび15bを設ける。磁性コア材料として、商用フェライトプレート、プラスチック関連フェライト(フェロプラスト、フェライトポリマ混合物)およびNiFe金属コーティング(μメタル、パーマロイ、ヴィトロバック)を使用することができる。2つのコア部分15aおよび15bを、ボンド16aおよび16bによって、巻線12aないし12d、13aおよび13bと対面する前記プリント回路ボードの上側または下側において配置する。コア部分15aおよび15bによって覆われた表面を選択し、磁束が巻線12aないし12d、13aおよび13bのまわりに、それぞれの用途に十分な方法で導かれるようにする。図13は、平面巻線12a、12b、12c、12d、13aaおよび13bの配置を示す。コア11を使用するときのようにプリント回路ボード1を通過する穴を回避することによって、電源スイッチによる問題を低減することができる。さらに特に、1次側と2次側との間の許容しうるクリーページ経路を相当減らすことができる。
【0022】
図14における配置において、コア部分15aおよび15bは、プリント回路ボード1において成層される。誘電体層3aは、層2aの代わりに絶縁層17を収容し、コア部分15aを載せる。さらに、絶縁層14において、絶縁層2cの代わりに絶縁層18を置き、コア部分15bを載せる。絶縁層17において、他の絶縁層19を置き、絶縁層18において、他の絶縁層20を置き、絶縁層19および20は、ここで、プリント回路ボード1の外側層を表す。この方法において、回路素子、さらに特に個々のSMD構成要素を、プリント回路ボード1の外側において、コア部分15aおよび15b上の領域においても形成することができるようになり、これを構成要素21によって示し、すなわち、追加の空間がこれらの回路部分に関して形成される。誘電体層3aおよび3bの下側および上側におけるキャパシタ電極4a、4b、5a、5b、6a、6b、7aおよび7bの配置を、図1ないし13に示す実施形態にしたがって行う。
【0023】
図15は、図14に示す実施形態の他の態様であり、追加の抵抗性素子をプリント回路ボード1に組み込み、これらの素子を、抵抗性ペーストの使用によって、または、積み重ねられた層(オメガプライ法)によって製造する。例えば、層17において配置された抵抗性素子22a、22bおよび22cを示す。接続ライン23は、素子22aおよび22bを相互接続し、さらに、ビア9aに接続し、キャパシタ電極5bへの電気的接続が確立されるようにする。抵抗性素子22を、接続ライン24によって、ビア9cと、したがってキャパシタ電極7aとに電気的に接続する。
【0024】
図16は、プリント回路ボード1の変形例を示し、このプリント回路ボード1において、図15と同様に、2つの平面磁性コア部分を巻線12a、12b、12c、12d、13aおよび13bの上下に配置し、すなわち、プリント回路ボード1の上側において磁性コア部分25aを、プリント回路ボード1の下側において磁性コア部分25aを配置する。さらに、他の平面低磁性部分26を磁性コア部分25aのそばに、他の平面低磁性部分27を磁性コア部分25bのそばに配置し、これらの低磁性部分は、単にシールドとして作用し、前記プリント回路ボードの上側のより大きい部分と、前記プリント回路ボードの下側のより大きい部分とがシールドされるようにする。この方法において、EMI問題を効果的に減らすことができ、部分25a、25b、26および27を、種々の構成要素をデカップルするスロットまたは穴を(例えばこれらを打ち抜くことによって)設けた低磁性材料の単一層によって形成してもよく、プリント回路ボード1の内側において設けてもよい。さらに、この実施形態の例において、絶縁層20においてか、絶縁層20および21の間に設けられた半導体構成要素28および29を、各々、プリント回路ボード1に組み込む。極度に平坦で、したがって、成層することができる、いわゆるフリップチップタイプの半導体(構成要素28)を、好適には使用する。他の可能性は、(より良好な熱放散を可能にする)ハウジングを必要とせず、電気的接触が機械的接触圧力によって与えられるため、はんだ付けする必要がない、前記上側および下側における電気的接点を有する構成要素(構成要素29)である。望むなら、前記電気的接触を、接触スプリングの使用によって確実にすることができる。抵抗性素子22a、22bおよび22cを、ここでは、前記プリント回路ボードの層14と21の間に配置する。
【0025】
図17は、図4におけるプリント回路ボードにおけるLC構成要素12と同様の構造を有する、すなわち、その平坦コイルを誘電体層3aおよび3bの上下に配置したLC構成要素30を有するプリント回路ボード領域によって左に拡張した図16のプリント回路ボード1を示す。LC構成要素30の巻線31a、31b、31cおよび31dは、巻線12a、12b、12cおよび12dに対応する。LC構成要素30上に伸び、平削りまたは打ち抜きによって確立されたノッチを有するLC構成要素30の近くにある領域34および35とLC構成要素30の中心領域36とにおいて整合する平面磁性コア部分32および33を設け、この領域における磁性コア部分32と33との間の距離を減少するようにし、この例においては前記距離がゼロになるようにし、すなわち、磁性コア部分32および33が領域34において接触するようにし、LC素子30によって発生された磁束がEコアまたはカップコアにおけるのと同様に良好に運ばれるようにする。前記ノッチを磁性コア部分32および33の材料で満たすことは、一方においてスプレーモールディングによって、または、(フェロプラスティングによって可能になる)成層中の熱変形によっても可能である。μメタルを使用する場合、前記ノッチを、前記μメタル層を曲げることによって満たすこともできる。
【0026】
図1、3、5、6、7、10、12、13、14、15、16および17において、前記プリント回路ボードおよびその構成要素を、明瞭さのため、一定の比率で示していないとみなすべきである。種々の実施形態によるプリント回路ボードの層と、構成要素とを、垂直方向において過度に広く示した。さらに、使用する平面巻線を、異なった方法において電気的に相互接続し、その結果として、いくつかの回路変形例がこの方法において生じる。
【0027】
図18は、成層された多層プリント回路ボードの実施形態の他の可能性を示す。例として示した回路構成要素は、トロイダルコアコイル100と、抵抗性素子101および102と、平面コイル103とを具える。トロイダルコアコイル100の一方の端子を、抵抗性素子101にストリップ導体104によって接続し、トロイダルコアコイル100の他方の端子を、抵抗性素子102にストリップ導体105によって接続する。ストリップ導体105は、平面コイル103との接続も確立し、平面コイル103の他方の端子を、抵抗素子101および102にストリップ導体106によって接続する。コイル103は、平面トロイダルコア107および平面コイル平面コア108を有する。トロイダルコアコイル100の巻線を、トロイダルコア107の上側において置かれた第1ライン区分109と、トロイダルコア107の下側において置かれた第2ライン区分110との形態におけるものとする。平面コイル103の3ターン巻線を111として示す。
【0028】
図18の種々の回路素子を、3つの層、すなわち、第1銅層(104,105,110,111)、第2銅層(106,109)および磁性材料の層(101,107,108)によって形成し、絶縁層を上記の層間に配置するが、明瞭さのために図示しない。したがって、トロイダルコア107と、コア108と、抵抗101および102とを同じ材料、すなわち、導電性磁性材料で形成し、例えば、μメタル、鉄粉コア材料、フェライト、プラスチックで固めたフェライトまたは鉄粉、または、エレクトロスチールを使用する。抵抗101を、曲がりくねったように配置し、この曲がりくねりの形状および長さに応じて、所望の抵抗を設定することができる。フェライトを前記磁性コア材料として選択した場合、きわめて高いオーミック抵抗を実現することができるが、銅の100倍大きい抵抗値を有するミューメタルも、前記磁性コアおよび抵抗用の材料として好適である。磁性材料層を使用し、これらを磁性コアを実現するためだけでなく、抵抗を実現するためにも使用する場合、前記磁性材料のより有効な利用が達成される。
【0029】
図15に示す実施形態の例は、変化に対するオプションの多様性のみを示す。例えば、プリント回路ボードは、複数の磁気抵抗材料の層を明らかに具えてもよく、これらの層は、磁性素子および抵抗性素子を形成する。前記磁性材料を、例えば、磁性コアを有するセンサに使用してもよい。追加の容量性層を前記プリント回路ボードに組み込んでもよく、または、磁気的に使用することができない他の抵抗層を設けてもよい。磁性構成要素を形成するためのみに使用する磁性材料の他の層も可能である。図15に示す実施形態の例に対応する構造を、エポキシ樹脂基板を有する慣例的なプリント回路ボードと、他の基板材料、さらに特にはセラミック(例えばAl3O3)または半導体材料(シリコン)またはフレキシブルプリント回路ボード箔によるプリント回路ボードとの双方において使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるプリント回路ボードの第1の例の断面図である。
【図2】 図1に示すプリント回路ボードにおいて使用する平面コイル巻線の平面図である。
【図3】 プリント回路ボードの1層実施形態の断面図である。
【図4】 図3に示すプリント回路ボードに関する巻線配置の平面図である。
【図5】 プリント回路ボードの3層実施形態の断面図である。
【図6】 コアを有するプリント回路ボードの断面図である。
【図7】 コアおよびLC素子を有するプリント回路ボードの断面図である。
【図8】 図4に示すプリント回路ボードに関する第1の巻線配置の平面図である。
【図9】 図4に示すプリント回路ボードに関する第2の巻線配置の平面図である。
【図10】 LCT素子を有するプリント回路ボードの断面図である。
【図11】 図7に示すプリント回路ボードに関する巻線配置の平面図である。
【図12】 平面コア部分を有するプリント回路ボードの断面図である。
【図13】 図9に示すプリント回路ボードに関する巻線配置の平面図である。
【図14】 平面コア部分を埋設されたプリント回路ボードの断面図である。
【図15】 追加の抵抗性素子を埋設されたプリント回路ボードの断面図である。
【図16】 追加の半導体素子を埋設されたプリント回路ボードの断面図である。
【図17】 追加のフィルタを有するプリント回路ボードの断面図である。
【図18】 同じ材料の磁性コアおよび抵抗を有する回路レイアウトの一例を示す図である。
【符号の説明】
1 多層プリント回路ボード1
2a、2b、2c、14 絶縁層
3a、3b 誘電体層
4a、4b、5a、5b、6a、6b、7a、7b キャパシタ電極
4、5、6、7 キャパシタ
8 SMD構成要素
9a、9b、9c、9d ビア
10 コイル
10a、10b、10c、10d、12a、12b、12c、12d、13a、13b 平面巻線
10aa、10ab、10ab、10bb、10ca、10cb、10da、10db、12aa、12ab、12ac、12ad 接点
11 磁性コア
12 LC素子
15a、15b 平面磁性コア部分
16a、16b ボンド
Claims (12)
- 少なくとも1つの誘電体層を具え、前記誘電体層の2つの側面において、キャパシタ電極を第1領域において互いに対面させて配置し、前記誘電体層の側面における前記第1領域の隣の少なくとも1つの第2領域において、互いに対面する第1及び第2の平面巻線を配置し、
前記誘電体層は第1及び第2の絶縁層の間に配置され、
前記第2領域において、前記第1及び第2の平面巻線によって発生された磁束を運ぶ低磁性コアが設けられ、且つ
前記低磁性コアは、前記誘電体層を貫通する部分を含まず、前記第1及び第2の絶縁層に配置された平面状低磁性コアからなる、
ことを特徴とするプリント回路ボード。 - 前記第2領域において配置された前記第1及び第2の平面巻線が、誘導性および容量性の双方において働くことを特徴とする請求項1に記載のプリント回路ボード。
- 前記第1及び第2の平面巻線が、一方向の向きを有することを特徴とする請求項1に記載のプリント回路ボード。
- 前記第1及び第2の平面巻線が、反対方向の巻線方向を有することを特徴とする請求項1に記載のプリント回路ボード。
- 前記誘電体層と前記第1又は第2の絶縁層との間に第3の絶縁層が設けられ、前記第1の平面巻線と対面する領域における前記第3の絶縁層の少なくとも一方の側面において、少なくとも1つの第3の平面巻線が、前記第1の平面巻線からDC絶縁して設けられたことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載のプリント回路ボード。
- 低磁性材料を満たされたノッチを更に有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のプリント回路ボード。
- 抵抗性素子が埋設されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載のプリント回路ボード。
- 前記抵抗性素子は、前記第1領域において前記第1及び第2の絶縁層の少なくとも一方に設けられ、且つ前記低磁性コアと同じ材料から形成されていることを特徴とする請求項7に記載のプリント回路ボード。
- 前記第1領域のシールドとして作用する低磁性層が設けられたことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載のプリント回路ボード。
- 前記低磁性層は、前記第1領域において前記第1及び第2の絶縁層の少なくとも一方に設けられ、且つ前記低磁性コアと同じ材料から形成されていることを特徴とする請求項9に記載のプリント回路ボード。
- 半導体部品及び/又はCMCキャパシタのような更なる電子部品が埋設されたことを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載のプリント回路ボード。
- 種々のサブ領域が異なった機能を行うように構成された少なくとも1層の低磁性材料の層を設けたことを特徴とする請求項1乃至11の何れか一項に記載のプリント回路ボード。
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