JP4876612B2 - Insulated heat transfer structure and power module substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁伝熱構造体及びその製造方法に関し、特に、半導体チップなどの電子部品、電子部品が実装される回路基板などの発熱体とヒートシンク、ヒートブロックなどの放熱体との間に介装される絶縁伝熱構造体及びこれを備えるパワーモジュール用基板に関するものである。 The present invention relates to an insulated heat transfer structure and a method for manufacturing the same, and in particular, between an electronic component such as a semiconductor chip and a heating element such as a circuit board on which the electronic component is mounted and a heat sink such as a heat sink and a heat block. The present invention relates to an insulated heat transfer structure to be mounted and a power module substrate including the same.
従来、図16に示すように、DBA(Al/AlN/Al)、DBC(Cu/AlN/Cu)などからなる絶縁基板101の一方の面にハンダ層102を介して半導体チップなどの電子部品103を実装し、絶縁基板101の他方の面にハンダ層102を介してAlSiC、Cu/Mo/Cuなどからなる放熱板104を接合し、放熱板104に熱伝導グリース層105を介してAl、Cuからなるヒートシンク106を接合したパワーモジュール用基板100が知られている。
Conventionally, as shown in FIG. 16, an
このような構成のパワーモジュール用基板100にあっては、半導体チップなどの電子部品103から発生する熱を放熱板104を介してヒートシンク106に伝達させて放散させることにより、半導体チップなどの電子部品103に作用する熱負荷を軽減させることができるものである。
In the power module substrate 100 having such a configuration, the heat generated from the
ところで、上記のような構成のパワーモジュール用基板100aにあっては、放熱板104とヒートシンク106との間に熱伝導グリース層105を介装させて熱伝導性を高めているが、熱伝導グリース層105では熱抵抗を充分に低減させることができず、半導体チップなどの電子部品103の熱を効率良く伝導させて放散させることができない。
By the way, in the
一方、上記のような問題に対処するため、図17及び図18に示すように、絶縁基板101と放熱板104との間、及び放熱板104とヒートシンク106との間をロウ付け層107を介して接合することにより、熱抵抗を低減させるように構成したパワーモジュール用基板100b、100cが知られている。
On the other hand, in order to deal with the above problems, as shown in FIGS. 17 and 18, a
しかし、絶縁基板101の熱膨張率(7×10−6/K)、放熱板104の熱膨張率(10〜15×10−6/K)、及びヒートシンク106の熱膨張率(Al:23×10−6/K、Cu:15〜16×10−6/K)がそれぞれ異なることから、ロウ付け作業後の冷却過程、実使用時の温度サイクルなどによる熱変形によって、絶縁基板101と放熱板104との間及び、放熱体とヒートシンクとの間に剥離、亀裂などが生じてしまう。
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたもので、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱することができると共に、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and can efficiently conduct heat from the heat-generating body side to the heat-dissipating body side to dissipate heat, and can be subjected to thermal deformation by an action such as a temperature cycle. An object of the present invention is to provide an insulating heat transfer structure and a power module substrate that can exhibit stable performance over a long period of time.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の絶縁伝熱構造体は、絶縁体層と、該絶縁体層の両側に配置され、熱伝導率が150W/mK以上である高熱伝導体層とを備え、前記絶縁体層が、前記高熱伝導体層よりも熱伝導率が低いポリイミドからなる接合層と、前記接合層よりも熱伝導率が高く、熱伝導率が150W/mK以上とされ、かつ前記高熱伝導体層よりも硬度が高い前記高熱伝導体層に突き出されているダイヤモンド粒子からなる絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、前記高熱伝導体層と前記絶縁体層との界面における前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が、前記界面の面積の20%以上60%以下であり、前記高熱伝導体層の一方に、半導体チップを搭載するための回路が形成されていることを特徴とする。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the insulated heat transfer structure of the present invention includes an insulator layer and a high thermal conductor layer that is disposed on both sides of the insulator layer and has a thermal conductivity of 150 W / mK or more. , a bonding layer thermal conductivity than the high thermal conductive layer is made of a low polyimide, the bonding layer thermal conductivity rather higher than the thermal conductivity is a 150 W / mK or more, and from the high thermal conductive layer Insulating heat transfer structure having insulating high heat conductive hard particles made of diamond particles protruding to the high heat conductor layer having high hardness, wherein the insulation at the interface between the high heat conductor layer and the insulator layer The projected area of the conductive high heat conductive hard particles is 20% to 60% of the area of the interface, and a circuit for mounting a semiconductor chip is formed on one of the high heat conductor layers. To do.
この発明によれば、一方の高熱伝導体層と他方の高熱伝導体層とが絶縁性高熱伝導硬質粒子によって連通されているので、絶縁体層の絶縁性高熱伝導硬質粒子を介して一方の高熱伝導体層からの熱が、他方の高熱伝導体層に伝導され、他方の高熱伝導体層で放散される。ここで、高熱伝導体層と絶縁体層との界面における絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が界面の面積の20%以上60%以下であることで、絶縁性高熱伝導硬質粒子が高熱伝導体層内に十分に突き出され、絶縁性高熱伝導硬質粒子と高熱伝導体層とが良好に接触していることとなる。これにより、十分な熱伝導率が得られると共に、絶縁性高熱伝導硬質粒子の密度が高過ぎることで接合層と絶縁性高熱伝導硬質粒子との間に空隙が生じて絶縁耐圧が低下することを回避する。したがって、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができる。
なお、本発明において、投影面積とは高熱伝導体層と絶縁体層との界面で切断した面のうち、絶縁性高熱伝導硬質粒子の占める面積を示している。ここで、投影面積の測定方法は、絶縁伝熱構造体の高熱伝導体層を塩化第二鉄などを用いたエッチングにより除去した後、表面をSEM(走査型電子顕微鏡)や光学顕微鏡などにより撮影し、撮影した画像の面積に対する絶縁性高熱伝導硬質粒子の占める面積を画像処理などによって求めることによって行っている。
ここで、回路上に半導体チップを搭載すると、この半導体チップで発生した熱を、半導体チップが搭載された一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層に伝導する。
According to the present invention, since one high heat conductor layer and the other high heat conductor layer are communicated with each other by the insulating high heat conductive hard particles, the one high heat conductor layer is connected via the insulating high heat conductive hard particles of the insulator layer. Heat from the conductor layer is conducted to the other high thermal conductor layer and dissipated in the other high thermal conductor layer. Here, the projected area of the insulating high heat conductive hard particles at the interface between the high heat conductive layer and the insulator layer is 20% or more and 60% or less of the area of the interface, so that the insulating high heat conductive hard particles are the high heat conductor. The insulating high heat conduction hard particles and the high heat conductor layer are in good contact with each other and sufficiently protrude into the layer. As a result, sufficient thermal conductivity can be obtained, and when the density of the insulating high heat conductive hard particles is too high, voids are generated between the bonding layer and the insulating high heat conductive hard particles, and the withstand voltage is reduced. To avoid. Therefore, stable performance can be exhibited over a long period of time even when subjected to thermal deformation by an action such as a temperature cycle.
In the present invention, the projected area indicates the area occupied by the insulating high heat conductive hard particles in the surface cut at the interface between the high heat conductive layer and the insulator layer. Here, the projected area is measured by removing the high heat conductor layer of the insulating heat transfer structure by etching using ferric chloride and then photographing the surface with a scanning electron microscope (SEM) or an optical microscope. The area occupied by the insulating high thermal conductive hard particles with respect to the area of the photographed image is obtained by image processing or the like.
Here, when a semiconductor chip is mounted on the circuit, heat generated in the semiconductor chip is conducted from one high thermal conductor layer on which the semiconductor chip is mounted to the other high thermal conductor layer.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子のうち、70質量%以上が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子を含有することで、ダイヤモンド粒子の(100)面または(111)面が高熱伝導体層と対向するように配置されやすくなる。これにより、ダイヤモンド粒子が高熱伝導体層に対して十分に突き出させることができる。したがって、一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層への熱伝導がより効率よく行われる。また、低熱膨張係数でかつ熱伝導率の高いダイヤモンドを用いることで、絶縁体層と一方の高熱伝導体層とを合わせた熱膨張係数を小さくでき、かつ絶縁体層の両側に配置された高熱伝導体層間で良好に熱を伝達することができる。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, it is preferable that 70% by mass or more of the insulating high heat conductive hard particles is constituted by diamond particles having a truncated octahedral shape.
According to this invention, the insulating high heat conductive hard particles contain the diamond particles having a truncated octahedral shape so that the (100) face or the (111) face of the diamond particles faces the high heat conductor layer. It becomes easy to arrange. Thereby, diamond particles can be sufficiently protruded from the high thermal conductor layer. Therefore, heat conduction from one high thermal conductor layer to the other high thermal conductor layer is performed more efficiently. In addition, by using diamond having a low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity, the thermal expansion coefficient of the insulator layer and one high thermal conductor layer can be reduced, and the high heat disposed on both sides of the insulator layer can be reduced. Heat can be transferred well between conductor layers.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径が、50μm以上500μm以下であることが好ましい。
この発明によれば、絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径を50μm以上とすることで、高熱伝導体層間の耐電圧特性の劣化を防止して高熱伝導体層間の絶縁性を維持することができる。また、絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径を500μm以下とすることで、絶縁性高熱伝導硬質粒子のコストを低減し、絶縁伝熱構造体の製造コストが増大することを防止すると共に、接合層が厚くなることで全体の熱膨張率が増大し、高熱伝導体層の上面にハンダ層を介して半導体チップなどを搭載したときにハンダ層にクラックが発生することを抑制する。
なお、絶縁性高熱伝導硬質粒子の粒径は、100μm以上300μm以下であることがより好ましい。このようにすることで、より高熱伝導体層間の耐電圧特性の劣化を防止すると共に、絶縁伝熱構造体の製造コストの増大を防止することやハンダ層にクラックが発生することができる。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, the insulating high heat conductive hard particles preferably have a particle size of 50 μm or more and 500 μm or less.
According to the present invention, by setting the particle diameter of the insulating high heat conductive hard particles to 50 μm or more, it is possible to prevent the deterioration of the withstand voltage characteristics between the high heat conductor layers and maintain the insulation between the high heat conductor layers. . Further, by making the particle size of the insulating high heat conductive hard particles 500 μm or less, the cost of the insulating high heat conductive hard particles is reduced, and the manufacturing cost of the insulating heat transfer structure is prevented from increasing, and the bonding layer By increasing the thickness, the overall thermal expansion coefficient increases, and cracks are prevented from occurring in the solder layer when a semiconductor chip or the like is mounted on the upper surface of the high thermal conductor layer via the solder layer.
In addition, the particle diameter of the insulating high heat conductive hard particles is more preferably 100 μm or more and 300 μm or less. By doing in this way, while preventing the withstand voltage characteristic deterioration between higher heat conductor layers, the manufacturing cost of an insulated heat-transfer structure can be prevented, and a crack can occur in a solder layer.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層が、Al、Cu、AgまたはAuによって形成されていることが好ましい。
この発明によれば、Al、Cu、AgまたはAuの熱伝導率が高いことから、発熱体の熱が良好に伝達されることになる。また、Alは、歪み量に対する変形応力が小さく、熱サイクルによる熱硬化が少ないことから、信頼性が向上する。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, the high thermal conductor layer is preferably formed of Al, Cu, Ag, or Au.
According to the present invention, since the thermal conductivity of Al, Cu, Ag, or Au is high, the heat of the heating element is transferred well. In addition, Al has a small deformation stress with respect to the strain amount and is less hardened by a thermal cycle, so that reliability is improved.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記高熱伝導体層の一方に、半導体チップを搭載するための回路が形成されていることが好ましい。
この発明によれば、回路上に半導体チップを搭載して、この半導体チップで発生した熱を、半導体チップが搭載された一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層に伝導する。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, it is preferable that a circuit for mounting a semiconductor chip is formed on one of the high thermal conductor layers.
According to the present invention, a semiconductor chip is mounted on a circuit, and heat generated in the semiconductor chip is conducted from one high thermal conductor layer on which the semiconductor chip is mounted to the other high thermal conductor layer.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの1つの厚みが、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの他の少なくとも1つの厚みと異なることが好ましい。
この発明によれば、高熱伝導体層の1つに半導体チップを搭載して、他の高熱伝導体層とこの半導体チップの電極をワイヤなどで接続し、電子回路として使用することができる。
In addition, the insulated heat transfer structure of the present invention has a thickness of one of the high heat conductor layers formed by dividing the at least one of the high heat conductor layers formed by dividing . It is preferable that the thickness is different.
According to the present invention, a semiconductor chip is mounted on one of the high thermal conductor layers, and the other high thermal conductor layer and the electrode of the semiconductor chip are connected by the wire or the like, and can be used as an electronic circuit.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記分割して形成された高熱伝導体層のうちの1つの厚みが、他の前記高熱伝導体層のうちの少なくとも1つの厚みと異なることが好ましい。
この発明によれば、分割形成された高熱伝導体層の厚みを適宜変更することで、過渡熱を抑制することができる。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, it is preferable that the thickness of one of the high heat conductor layers formed by division is different from the thickness of at least one of the other high heat conductor layers. .
According to this invention, transient heat can be suppressed by appropriately changing the thickness of the separately formed high thermal conductor layer.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記回路が形成された高熱伝導体層の表面が、ニッケルメッキ層によって被覆されていることが好ましい。
この発明によれば、ニッケルメッキ層によってハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, the surface of the high thermal conductor layer on which the circuit is formed is preferably covered with a nickel plating layer.
According to the present invention, since the nickel plating layer provides good bondability with solder, high heat dissipation can be maintained. Therefore, the product life is improved.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、他方の前記高熱伝導体層が、放熱体であることが好ましい。
この発明によれば、放熱体によって効率よく放熱することができる。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, the other high thermal conductor layer is preferably a heat radiating body.
According to the present invention, heat can be efficiently radiated by the heat radiating body.
また、本発明の絶縁伝熱構造体は、前記一方の高熱伝導体層の少なくとも一部に、他の電子回路と接続される端子構造が形成されていることが好ましい。
この発明によれば、端子構造を介して他の電子回路などと接続される。
In the insulated heat transfer structure of the present invention, it is preferable that a terminal structure connected to another electronic circuit is formed on at least a part of the one high thermal conductor layer.
According to this invention, it connects with another electronic circuit etc. via a terminal structure.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、上記記載の絶縁伝熱構造体の前記回路が形成された一方の高熱伝導体層の上面に半導体チップが設けられたことを特徴とする。
この発明によれば、半導体チップの生じる熱が絶縁伝熱構造体を介して放熱され、使用時に熱サイクルが生じたとしても、高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離や亀裂が生じない。
The power module substrate of the present invention is characterized in that a semiconductor chip is provided on the upper surface of one high thermal conductor layer on which the circuit of the above-described insulated heat transfer structure is formed .
According to this invention, even if heat generated by the semiconductor chip is dissipated through the insulating heat transfer structure and a thermal cycle occurs during use, peeling or cracking occurs between the high thermal conductor layer and the insulator layer. Absent.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、他方の前記高熱伝導体層の下面に放熱板が接合されていることが好ましい。
この発明によれば、上述と同様に、高熱伝導体層と絶縁体層との間に剥離や亀裂が生じない。また、半導体チップの生じる熱が伝導されたときに、より効率よく放熱することができる。
Moreover, the power module substrate of the present invention, it is preferable that the heat radiating plate is bonded to the lower surface of the high thermal conductive layer of the other hand.
According to the present invention, as described above, no peeling or cracking occurs between the high thermal conductor layer and the insulator layer. Further, when heat generated by the semiconductor chip is conducted, heat can be radiated more efficiently.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、当該パワーモジュール用基板の下面にヒートシンクが設けられていることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
In the power module substrate of the present invention, it is preferable that a heat sink is provided on the lower surface of the power module substrate .
According to this invention, since the contact between the insulated heat transfer structure and the heat sink is improved by urging the insulated heat transfer structure against the heat sink, heat generated in the semiconductor chip can be more efficiently transferred. Can do.
また、本発明のパワーモジュール用基板は、前記絶縁伝熱構造体を前記ヒートシンクに対して付勢させる付勢部材を備えることが好ましい。
この発明によれば、絶縁伝熱構造体をヒートシンクに対して付勢することで、絶縁伝熱構造体とヒートシンクとの接触が良好となるので、半導体チップに生じる熱をより効率よく伝達させることができる。
Moreover, it is preferable that the board | substrate for power modules of this invention is provided with the urging member which urges | biases the said insulated heat-transfer structure with respect to the said heat sink.
According to this invention, since the contact between the insulated heat transfer structure and the heat sink is improved by urging the insulated heat transfer structure against the heat sink, heat generated in the semiconductor chip can be more efficiently transferred. Can do.
この発明にかかる絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板によれば、高熱伝導体層と絶縁体層との界面における絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が、界面の面積の20%以上60%以下であることで、絶縁性高熱伝導硬質粒子が高熱伝導体層内に十分に突き出されると共に絶縁性高熱伝導硬質粒子と高熱伝導体層とが十分に接触していることとなる。これにより、一方の高熱伝導体層から他方の高熱伝導体層への熱の伝導が効率よく行われる。 According to the insulated heat transfer structure and the power module substrate according to the present invention, the projected area of the insulating high heat conductive hard particles at the interface between the high heat conductor layer and the insulator layer is 20% or more and 60% of the interface area. By being the following, the insulating high heat conductive hard particles are sufficiently protruded into the high heat conductive layer, and the insulating high heat conductive hard particles are sufficiently in contact with the high heat conductive layer. Thereby, conduction of heat from one high thermal conductor layer to the other high thermal conductor layer is efficiently performed.
以下、本発明にかかる絶縁伝熱構造体の第1の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態による絶縁伝熱構造体1は、図1に示すように、絶縁体層2と、絶縁体層2の両側に配置される高熱伝導体層3、4とを備えている。
なお、本明細書において、絶縁伝熱構造体1を構成する絶縁体層2及び高熱伝導体層3、4の積層方向のうち高熱伝導体層3側(図1に示す上側)を上方とし、高熱伝導体層4側(図1に示す下側)を下方とする。
Hereinafter, a first embodiment of an insulated heat transfer structure according to the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the insulated heat transfer structure 1 according to the present embodiment includes an
In the present specification, the high
絶縁体層2は、高熱伝導体層3、4間を一体に接続する絶縁性及び耐熱性を有する接合層5と、接合層5に混入または貼着される絶縁性、高熱伝導性及び硬質性を有するダイヤモンド粒子(絶縁性高熱伝導硬質粒子)6とによって構成され、ダイヤモンド粒子6の高熱伝導体層3、4側に位置している部分が、高熱伝導体層3、4内に突き出されている。
The insulating
接合層5は、厚さ70μmのポリイミド製の両面粘着テープによって構成されており、絶縁抵抗が1010Ω・cm以上、融点が450〜600℃(連続使用温度250℃以上に耐えることが可能な温度(ハンダの融点温度以上))となっている。なお、接合層5の厚さは、ダイヤモンド粒子6の粒径や所望する絶縁耐圧の値によって適宜変更してもよい。
The
ダイヤモンド粒子6は、絶縁抵抗が接合層5と同様に1010Ω・cm以上、熱伝導率がAl2O3より高い150W/mK以上であると共に硬度が高熱伝導体層3、4の硬さの10倍以上(高熱伝導体層3、4をHv50〜100の純金属で構成した場合にはHv500〜1000の硬さ)である。また、ダイヤモンド粒子6は、その粒径が100μm以上300μm以下であると共に平均粒径が200μmとなっており、図2に示す切頭八面体形状を有している。
The
このダイヤモンド粒子6は、絶縁体層2の両側に高熱伝導体層3、4を配置し、高熱伝導体層3、4を熱間圧着したときに、高熱伝導体層3、4側に位置している部分が高熱伝導体層3、4内に突き出される。このとき、ダイヤモンド粒子6が切頭八面体形状を有することで、その(100)面(図2に示す面A)または(111)面(図2に示す面B)が高熱伝導体層3、4と対向するように配置される。また、高熱伝導体層3、4と絶縁体層2との界面におけるダイヤモンド粒子6の投影面積が、界面の面積の20%以上60%以下となっており、ダイヤモンド粒子6と高熱伝導体層3、4との接触面積が、界面の面積の30%以上90%以下となっている。
ここで、本明細書において、投影面積とは高熱伝導体層3、4と絶縁体層2との界面で切断した面のうち、ダイヤモンド粒子6の占める面積を示している。また、投影面積の測定方法は、絶縁伝熱構造体1の高熱伝導体層3、4を塩化第二鉄などを用いたエッチングにより除去した後、表面をSEMや光学顕微鏡などにより撮影し、撮影した画像の面積に対するダイヤモンド粒子6の占める面積を画像処理などによって求めることによって行っている。
The
Here, in this specification, the projected area indicates the area occupied by the
高熱伝導体層3、4は、それぞれ電気伝導性を有するAlの薄板によって構成されている。この高熱伝導体層3、4は、熱伝導率が50W/mK以上、好ましくは150W/mK以上の金属を材料として薄板状などに形成されている。また、高熱伝導体層3、4は、絶縁体層2の両側に位置した状態でプレスなどによって加圧することにより、絶縁体層2の両側に積層された状態で配置される。この高熱伝導体層3、4は、ダイヤモンド粒子6よりも軟らかい材料によって形成されており、絶縁体層2と対向する面にダイヤモンド粒子6の一部が突き出されている。
The high thermal conductor layers 3 and 4 are each made of an Al thin plate having electrical conductivity. The high thermal conductor layers 3 and 4 are formed in a thin plate or the like using a metal having a thermal conductivity of 50 W / mK or more, preferably 150 W / mK or more. Further, the high thermal conductor layers 3 and 4 are arranged in a state of being laminated on both sides of the
次に、上述した構成の絶縁伝熱構造体1の製造方法について説明する。まず、図3に示すように、ポリイミド製の両面粘着テープからなる接合層5の両面に所定量のダイヤモンドのダイヤモンド粒子6を貼着して絶縁体層2を構成する。
次に、絶縁体層2の両側にAl(99.99%)製の薄板からなる高熱伝導体層3、4を配置し、この状態でプレスなどにより矢印方向から両高熱伝導体層3、4を、例えば180℃に加熱した熱間圧延することで、両高熱伝導体層3、4の間に接合層5を介在させた状態で一体に接合する。
このとき、ダイヤモンド粒子6が切頭八面体形状を有しているため、この切頭八面体のダイヤモンドの平面である(100)面または(111)面が高熱伝導体層3、4と対向するようになる。そして、この状態で高熱伝導体層3、4内に突き出させる。
以上のようにして、図4に示すように、絶縁体層2の両側に高熱伝導体層3、4を積層した状態で配置した絶縁伝熱構造体1が製造される。
また、ダイヤモンド粒子6の表面をCuメッキまたはNiメッキで被覆し、ダイヤモンド粒子6と高熱伝導体層3、4との接合性を高めてもよい。
Next, a method for manufacturing the insulated heat transfer structure 1 having the above-described configuration will be described. First, as shown in FIG. 3, a predetermined amount of
Next, the high thermal conductor layers 3 and 4 made of a thin plate made of Al (99.99%) are arranged on both sides of the
At this time, since the
As described above, as shown in FIG. 4, the insulating heat transfer structure 1 is manufactured in which the high heat conductor layers 3 and 4 are laminated on both sides of the
Further, the surface of the
そして、上述のように構成した絶縁伝熱構造体1の一方の高熱伝導体層3を発熱体側として使用し、他方の高熱伝導体層4を放熱体側として使用することにより、一方の高熱伝導体層3側の熱が絶縁体層2のダイヤモンド粒子6を介して他方の高熱伝導体層4側に伝導されて放散されることになる。
And one high
このように構成された絶縁伝熱構造体1によれば、高熱伝導体層3、4と絶縁体層2との界面におけるダイヤモンド粒子6の投影面積が、界面の面積の20%以上60%以下であることで、ダイヤモンド粒子6が高熱伝導体層3、4内に十分に突き出してダイヤモンド粒子6と高熱伝導体層3、4とが十分に接触していることとなる。これにより、高熱伝導体層3、4間の熱の伝導が効率よく行われる。
ここで、ダイヤモンド粒子6が切頭八面体形状を有することで、平面となっている(100)面または(111)面が、突き出す際に高熱伝導体層3、4と対向しやすくなる。これにより、ダイヤモンド粒子6が高熱伝導体層3、4に対して十分に突き出しやすくなる。
According to the insulating heat transfer structure 1 configured as described above, the projected area of the
Here, when the
次に、第2の実施形態について図5を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第1の実施形態と同様であり、上述の第1の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図5においては、図1と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第2の実施形態におけるパワーモジュール用基板10は、絶縁体層2の上面側に一方の高熱伝導体層3a、3bであるAlなどからなる回路層が分割して配置され、絶縁体層2の下面側に他方の高熱伝導体層4であるAlなどからなる薄板が配置されている。そして、これらを加熱、加圧することにより両高熱伝導体層3a、3b、4を絶縁体層2の接合層5を介して一体的に接合し、絶縁体層2のダイヤモンド粒子6の一部を両高熱伝導体層3a、3b、4内に突き出させた構成とされている。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here has the same basic configuration as the first embodiment described above, and is obtained by adding another element to the first embodiment described above. Therefore, in FIG. 5, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板10によれば、上述した第1の実施形態と同様に、高熱伝導体層3a、3b、4間の熱の伝導が効率よく行われる。
According to the
次に、第3の実施形態について図6を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図6においては、図5と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第3の実施形態におけるパワーモジュール用基板15は、高熱伝導体層3a、3b及び高熱伝導体層4の表面がニッケルメッキ層(以下、Niメッキ層と省略する)16で被覆されている。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here has the same basic configuration as the second embodiment described above, and is obtained by adding another element to the second embodiment described above. Therefore, in FIG. 6, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板15においても、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層3a、3b及び高熱伝導体層4の表面をNiメッキ層16で被覆することによって、ハンダを用いて他の部材と接合したときに、ハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
The
次に、第4の実施形態について図7を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図7においては、図5と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第4の実施形態におけるパワーモジュール用基板20は、一方の高熱伝導体層3a、3bとして互いに厚さの異なるCu製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層4としてAlなどからなる薄板が配置されている。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here has the same basic configuration as the second embodiment described above, and is obtained by adding another element to the second embodiment described above. Therefore, in FIG. 7, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板20によれば、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、分割形成された高熱伝導体層3a、3bの厚みを適宜変更することで、過渡熱を効率よく抑制することができる。
According to the
次に、第5の実施形態について図8を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第4の実施形態と同様であり、上述の第4の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図8においては、図7と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第4の実施形態におけるパワーモジュール用基板25は、上述した第3の実施形態と同様に、高熱伝導体層3a、3b及び高熱伝導体層4の表面がNiメッキ層16で被覆されている。
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described fourth embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described fourth embodiment. Therefore, in FIG. 8, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板25においても、上述した第4の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層3a、3b及び高熱伝導体層4の表面をNiメッキ層16で被覆することによって、上述した第3の実施形態と同様に、ハンダとの良好な接合性が得られるので、高い放熱性を維持することができる。したがって、製品寿命が向上する。
The
次に、第6の実施形態について図9を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図9においては、図5と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第6の実施形態におけるパワーモジュール用基板30は、一方の高熱伝導体層3としてCu製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層4としてAl製のヒートブロックが配置されている。そして、高熱伝導体層3である回路層の表面にハンダ層31を介して半導体チップ32が実装されている。
Next, a sixth embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here has the same basic configuration as the second embodiment described above, and is obtained by adding another element to the second embodiment described above. Therefore, in FIG. 9, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板30によれば、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層4をヒートブロックとして構成することで、半導体チップ32で生じた熱を高熱伝導体層4で効率よく放熱することができる。
According to the
次に、第7の実施形態について図10を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第6の実施形態と同様であり、上述の第6の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図10においては、図9と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第7の実施形態におけるパワーモジュール用基板35は、一方の高熱伝導体層3としてCu製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層4としてAl製のヒートシンクが配置されている。
Next, a seventh embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described sixth embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described sixth embodiment. Therefore, in FIG. 10, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板35によれば、上述した第6の実施形態と同様の作用、効果を有する。
According to the
次に、第8の実施形態について図11を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第2の実施形態と同様であり、上述の第2の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図11においては、図5と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第8の実施形態におけるパワーモジュール用基板40は、一方の高熱伝導体層3a、3bの表面をNiメッキ層16で被覆したCu製の回路層が配置され、他方の高熱伝導体層4としてAl製のヒートシンクが配置されている。
Next, an eighth embodiment will be described with reference to FIG. The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the above-described second embodiment, and another element is added to the above-described second embodiment. Therefore, in FIG. 11, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板40においても、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層4としてAl製のヒートシンクを配置することで、効率よく放熱することができる。
The
次に、第9の実施形態について図12を参照しながら説明する。ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第3の実施形態と同様であり、上述の第3の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図12においては、図6と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第9の実施形態におけるパワーモジュール用基板45は、一方の高熱伝導体層3a、3bとして表面をNiメッキ層16で被覆したCu製の回路層及びCu製の端子部材が配置され、他方の高熱伝導体層4として表面がNiメッキ層16で被覆されたAlなどからなる薄板が配置されている。
Next, a ninth embodiment will be described with reference to FIG. The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the above-described third embodiment, and another element is added to the above-described third embodiment. Therefore, in FIG. 12, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板45においても、上述した第2の実施形態と同様の作用、効果を有するが、高熱伝導体層3bを端子構造とすることで、この端子構造を介して他の電子回路などと接続される。
The
次に、第10の実施形態について図13を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第3の実施形態と同様であり、上述の第3の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図13においては、図6と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第10の実施形態におけるパワーモジュール用基板50は、一方の高熱伝導体層3a、3bとして表面をNiメッキ層16で被覆したCu製のヒートブロックが配置され、他方の高熱伝導体層4として表面をNiメッキ層16で被覆したAlなどからなる薄板が配置されている。
高熱伝導体層3aの表面には、ハンダ層31を介して半導体チップ32が実装されており、半導体チップ32の表面と高熱伝導体層3bの表面とをAlワイヤ51で接続されている。また、高熱伝導体層4の下面に放熱板52が接合されている。
Next, a tenth embodiment will be described with reference to FIG. The embodiment described here is similar in basic configuration to the above-described third embodiment, and is obtained by adding another element to the above-described third embodiment. Therefore, in FIG. 13, the same components as those in FIG.
In the
A
このように構成されたパワーモジュール用基板50においても、上述した第3の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ32と高熱伝導体層3bとがAlワイヤ51によって電気的に接続されると共に、半導体チップ32で生じた熱を高熱伝導体層4に効率よく伝導させて放熱板52で効率よく放熱させる。
The
次に、第11の実施形態について図14を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第10の実施形態と同様であり、上述の第10の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図14においては、図13と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第11の実施形態におけるパワーモジュール用基板55は、放熱板52の下面に熱伝導グリース層(図示略)を介在させた状態でネジ56を用いてヒートシンク57が取り付けられている。
Next, an eleventh embodiment will be described with reference to FIG. The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the tenth embodiment described above, and another element is added to the above-described tenth embodiment. Therefore, in FIG. 14, the same components as those in FIG.
In the
このように構成されたパワーモジュール用基板55においても、上述した第10の実施形態と同様の作用、効果を有するが、半導体チップ32で生じた熱を放熱板52及びヒートシンク57で効率よく放熱させる。
The
次に、第12の実施形態について図15を参照しながら説明する。なお、ここで説明する実施形態は、その基本的構成が上述した第10の実施形態と同様であり、上述の第10の実施形態に別の要素を付加したものである。したがって、図15においては、図13と同一構成要素に同一符号を付し、この説明を省略する。
第12の実施形態におけるパワーモジュール用基板60は、上フランジ部61a及び下フランジ部61bを備える付勢部材61を有している。この付勢部材61は、上フランジ部61aを高熱伝導体層3a、3bの外縁部に当接させ、下フランジ部61bをヒートシンク57に当接させて高熱伝導体層4の下面に熱伝導グリース層(図示略)を介在させた状態でネジ62を用いてヒートシンク57に取り付けられている。
Next, a twelfth embodiment will be described with reference to FIG. The basic configuration of the embodiment described here is the same as that of the tenth embodiment described above, and another element is added to the above-described tenth embodiment. Therefore, in FIG. 15, the same components as those in FIG.
The
このように構成されたパワーモジュール用基板60においても、上述した第10の実施形態と同様の作用、効果を有するが、付勢部材61によって高熱伝導体層4とヒートシンク57との接触が良好となり、半導体チップ32で生じた熱をヒートシンクで効率よく放熱させることができる。
The
以下の条件の絶縁伝熱構造体を、実施例により具体的に説明する。
すべて切頭八面体形状を有する粒径250μmのダイヤモンド粒子を用い、絶縁伝熱構造体を製造した。ダイヤモンド粒子は、高熱伝導体層内に突き出ている。ここで、高熱伝導体層と絶縁体層との界面におけるダイヤモンド粒子の投影面積が、高熱伝導体層と絶縁体層との界面の面積の47.9%となっており、ダイヤモンド粒子と高熱伝導体層との接触面積が76.5%となっている。
このように構成された絶縁伝熱構造体を用いて、レーザフラッシュ法(JIS R−1611準拠)により熱伝導率の測定を行った。この結果、絶縁伝熱構造体の熱伝導率が150Wであることを確認した。以上より、ダイヤモンド粒子と高熱伝導体層との接触面積が十分であるため、良好な熱伝導率を有することがよくわかる。
An insulating heat transfer structure under the following conditions will be specifically described with reference to examples.
An insulated heat transfer structure was manufactured using diamond particles having a truncated octahedron shape and having a particle diameter of 250 μm. Diamond particles protrude into the high thermal conductor layer. Here, the projected area of the diamond particles at the interface between the high thermal conductor layer and the insulator layer is 47.9% of the area of the interface between the high thermal conductor layer and the insulator layer. The contact area with the body layer is 76.5%.
Using the insulating heat transfer structure configured as described above, the thermal conductivity was measured by a laser flash method (based on JIS R-1611). As a result, it was confirmed that the thermal conductivity of the insulated heat transfer structure was 150 W. From the above, it can be clearly seen that the contact area between the diamond particles and the high thermal conductor layer is sufficient, and therefore the thermal conductivity is good.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、接合層は、絶縁抵抗が1010Ω・cm以上、融点が450〜600℃であればよく、ポリイミド製の両面粘着テープに限らず、アクリル熱圧着テープやエポキシやポリイミド、PBI(ポリベンズイミダゾール)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PAI(ポリアミドイミド)、各種の熱硬化性樹脂を用いてもよい。
ここで、接合層としてエポキシ樹脂層を用いる場合には、絶縁性高熱伝導硬質粒子の両側に高熱伝導体層を配置した後に、両高熱伝導体層にアンダーフィル法などによって溶融樹脂を充填して硬化させることによって製造する。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the bonding layer may have an insulation resistance of 10 10 Ω · cm or more and a melting point of 450 to 600 ° C., and is not limited to a double-sided adhesive tape made of polyimide, but also an acrylic thermocompression bonding tape, epoxy, polyimide, PBI (polybenz Imidazole), PEEK (polyetheretherketone), PAI (polyamideimide), and various thermosetting resins may be used.
Here, when an epoxy resin layer is used as the bonding layer, after placing the high thermal conductor layers on both sides of the insulating high thermal conductive hard particles, both the high thermal conductor layers are filled with a molten resin by an underfill method or the like. Manufactured by curing.
また、接合層として、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いてもよい。接合層として用いられる材料は、連続使用温度250℃以上に耐え得る温度(はんだの融点温度以上)のガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相が好ましい。例えば、ガラス系としては、PbO−B2O3系、Bi2O3−B2O3系、P2O5系、TeO2系などの低軟化ガラス系が望ましく、分散するセラミック粒子としては、アルミナ、ジルコン、ムライト、チタニアなどの低熱膨張酸化物が望ましい。ここで、ガラス相またはガラス相に結晶相もしくはセラミック粒子が分散した複合相を用いた場合には、例えばガラス粉末もしくはガラスとセラミックスとの混合粉末をペースト化し、これをダイヤモンド粒子と共にAl板上に塗布する。この上にAl板を載置し、加圧した後、300℃で加熱する脱脂処理を行う。さらに、450℃〜600℃でガラスを流動させることによって製造する。 Further, as the bonding layer, a glass phase or a composite phase in which crystal phases or ceramic particles are dispersed in the glass phase may be used. The material used as the bonding layer is preferably a glass phase having a temperature that can withstand a continuous use temperature of 250 ° C. or higher (a melting point temperature of solder) or a composite phase in which crystal phases or ceramic particles are dispersed in the glass phase. For example, the glass system is preferably a low softening glass system such as a PbO—B 2 O 3 system, Bi 2 O 3 —B 2 O 3 system, P 2 O 5 system, TeO 2 system, etc. Low thermal expansion oxides such as alumina, zircon, mullite and titania are desirable. Here, in the case of using a glass phase or a composite phase in which a crystal phase or ceramic particles are dispersed in a glass phase, for example, a glass powder or a mixed powder of glass and ceramics is made into a paste and this is put on an Al plate together with diamond particles. Apply. An Al plate is placed thereon, pressurized, and then degreased by heating at 300 ° C. Furthermore, it manufactures by making glass flow at 450 to 600 degreeC.
また、絶縁性高熱伝導硬質粒子として切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子を用いたが、用いたダイヤモンド粒子のうち、その70質量%以上が切頭八面体形状を有するダイヤモンド粒子であればよい。
また、絶縁性高熱伝導硬質粒子として用いられる材料は、絶縁抵抗が接合層と同様に1010Ω・cm以上、熱伝導率が50W/mK以上であると共に硬度が高熱伝導体層よりも高いものであればよく、ダイヤモンドに限らず、SiC、Si3N4、AlN、BNなどを用いてもよい。ここで、上述と同様に、熱伝導率がAl2O3より高い150W/mK以上であることが好ましく、絶縁性高熱伝導硬質粒子の硬度が高熱伝導体層の硬さの10倍以上(例えば、高熱伝導体層3、4をHv50〜100の純金属で構成した場合にはHv500〜1000の硬さ)よりも高いことが好ましい。
Moreover, although diamond particles having a truncated octahedral shape were used as the insulating high heat conductive hard particles, 70% by mass or more of the diamond particles used may be diamond particles having a truncated octahedral shape.
In addition, the material used as the insulating high thermal conductive hard particles has an insulation resistance of 10 10 Ω · cm or higher, a thermal conductivity of 50 W / mK or higher, and a hardness higher than that of the high thermal conductor layer, similar to the bonding layer. Any other material may be used, not limited to diamond, and SiC, Si 3 N 4 , AlN, BN, or the like may be used. Here, similarly to the above, the thermal conductivity is preferably 150 W / mK or higher, which is higher than that of Al 2 O 3 , and the hardness of the insulating high thermal conductive hard particles is 10 times or more the hardness of the high thermal conductor layer (for example, When the high thermal conductor layers 3 and 4 are made of pure metal having a Hv of 50 to 100, the hardness is preferably higher than the hardness of Hv 500 to 1000.
また、高熱伝導体層として用いられる材料は、絶縁性高熱伝導硬質粒子よりも硬度が低く、熱伝導率が50W/mK以上、好ましくは150W/mK以上であればよく、ビッカース硬さがHv50〜100の純金属(Cu、Ag、Auなど)や、それらの合金などを用いることができる。ただし、これらに限定することなく、同様の特性を有する純金属、合金などを用いてもよい。 The material used for the high thermal conductor layer may have a hardness lower than that of the insulating high thermal conductive hard particles, the thermal conductivity is 50 W / mK or more, preferably 150 W / mK or more, and the Vickers hardness is Hv50˜ 100 pure metals (Cu, Ag, Au, etc.) and alloys thereof can be used. However, the present invention is not limited to these, and pure metals and alloys having similar characteristics may be used.
この発明にかかるパワーモジュール用基板によれば、発熱体側の熱を効率よく放熱体側に伝導させて放熱し、温度サイクルなどの作用によって熱変形を受けても、安定した性能を長期にわたって発揮することができ、産業上の利用可能性が認められる。 According to the substrate for a power module according to the present invention, heat on the heating element side is efficiently conducted to the radiator side to dissipate heat, and stable performance is exhibited over a long period of time even when subjected to thermal deformation due to an action such as a temperature cycle. And industrial applicability is recognized.
1 絶縁伝熱構造体
2 絶縁体層
3、4 高熱伝導体層
5 接合層
6 ダイヤモンド粒子(絶縁性高熱伝導硬質粒子)
10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 パワーモジュール用基板
16 Niメッキ層(ニッケルメッキ層)
32 半導体チップ
52 放熱板
57 ヒートシンク
61 付勢部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulation
10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60
32
Claims (13)
前記絶縁体層が、前記高熱伝導体層よりも熱伝導率が低いポリイミドからなる接合層と、前記接合層よりも熱伝導率が高く、熱伝導率が150W/mK以上とされ、かつ前記高熱伝導体層よりも硬度が高い前記高熱伝導体層に突き出されているダイヤモンド粒子からなる絶縁性高熱伝導硬質粒子とを有する絶縁伝熱構造体において、
前記高熱伝導体層と前記絶縁体層との界面における前記絶縁性高熱伝導硬質粒子の投影面積が、前記界面の面積の20%以上60%以下であり、
前記高熱伝導体層の一方に、半導体チップを搭載するための回路が形成されていることを特徴とする絶縁伝熱構造体。 Comprising an insulator layer and a high thermal conductor layer disposed on both sides of the insulator layer and having a thermal conductivity of 150 W / mK or more ,
The insulator layer, wherein the bonding layer thermal conductivity than the high thermal conductivity layer is made of a low polyimide, rather thermal conductivity higher than the bonding layer, the thermal conductivity is a 150 W / mK or more, and wherein Insulating heat transfer structure having insulating high heat conductive hard particles composed of diamond particles protruding from the high heat conductive layer having a higher hardness than the high heat conductive layer,
The projected area of the insulating high thermal conductive hard particles at the interface between the high thermal conductor layer and the insulator layer is 20% or more and 60% or less of the area of the interface,
A circuit for mounting a semiconductor chip is formed on one of the high thermal conductor layers.
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