JP5571045B2 - 積層型半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は複数の半導体素子を積層して構成した積層型半導体装置に関する。

近年、半導体装置の小型化や高密度実装化等を実現するために、１つのパッケージ内に複数の半導体素子を積層して封止したスタック型マルチチップパッケージが実用化されている。スタック型マルチチップパッケージにおいて、複数の半導体素子は回路基板上に接着剤層を介して順に積層される。各半導体素子の電極パッドは、回路基板の電極部とボンディングワイヤを介して電気的に接続される。このような積層体を封止樹脂でパッケージングすることによって、スタック型マルチチップパッケージが構成される。

スタック型マルチチップパッケージにおいて、同形状の半導体素子同士や上段側に下段側より大きい半導体素子を積層する場合、下段側の半導体素子のボンディングワイヤと上段側の半導体素子とが接触するおそれがある。このため、ボンディングワイヤの接触による絶縁不良やショート等の発生を防止することが重要となる。そこで、半導体素子間を接着する接着剤層の厚さを例えば５０〜１５０μｍというように厚くし、下段側の半導体素子のボンディングワイヤを接着剤層内に取り込むことによって、上段側の半導体素子と接触しないようにすることが行われている（例えば特許文献１〜３参照）。

ところで、接着剤層を構成する樹脂材料は、一般的に半導体素子を構成するＳｉウエハに比べて線膨張係数が大きい。このため、スタック型マルチチップパッケージのような積層型半導体装置に熱サイクルが印加された際に、接着剤層と半導体素子との線膨張係数の差に基づく熱応力（引張りの残留応力）が半導体素子に作用し、この熱応力により半導体素子にクラックが生じるおそれがある。特に、上述したようなスペーサ機能を付与した厚い接着剤層を適用した積層型半導体装置では、信頼性を評価するために熱サイクル試験を実施した際に半導体素子の端部表面に応力集中が起こり、この応力集中に起因してクラックが生じやすいという問題がある。

特開２００１−３０８２６２号公報 特開２００２−２２２９１３号公報 特開２００４−０７２００９号公報

本発明の目的は、熱サイクル試験に対する信頼性を向上させた積層型半導体装置を提供することにある。

本発明の態様に係る積層型半導体装置は、回路基材上に接着された第１の半導体素子と、前記第１の半導体素子上に厚さが５０μｍ以上の絶縁性接着剤層を介して接着された第２の半導体素子と、前記第１の半導体素子と前記回路基材の電極部とを電気的に接続する第１のボンディングワイヤであって、前記第１の半導体素子との接続側端部が前記絶縁性接着剤層内に取り込まれている第１のボンディングワイヤと、前記第２の半導体素子と前記回路基材の電極部とを電気的に接続する第２のボンディングワイヤと、前記第１および第２の半導体素子を前記第１および第２のボンディングワイヤと共に封止する封止樹脂とを具備し、前記絶縁性接着剤層は、ガラス転移温度が１３５℃以上で、かつガラス転移温度以下の線膨張係数が１００ｐｐｍ以下であると共に、常温弾性率が５００ＭＰａ以上２ＧＰａ以下である絶縁樹脂層からなることを特徴としている。

本発明の態様に係る積層型半導体装置によれば、熱サイクル試験で印加される温度に対する絶縁性接着剤層の線膨張係数を低減しているため、厚い絶縁性接着剤層を使用した場合においても熱サイクル試験に対する信頼性を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態による積層型半導体装置の構成を示す断面図である。 図１に示す積層型半導体装置の変形例を示す断面図である。 積層型半導体装置における第２の接着剤層の線膨張係数が熱サイクル試験（−５５℃〜１２５℃）時に半導体素子の表面引張応力値に及ぼす影響を測定した結果の一例を示す図である。 積層型半導体装置における第２の接着剤層の厚さと半導体素子の厚さが熱サイクル試験（−５５℃〜１２５℃）時に半導体素子の表面引張応力値に及ぼす影響を測定した結果の一例を示す図である。 比較例の積層型半導体装置の熱サイクル試験における不良発生率（累積不良率）を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

図１は本発明の一実施形態によるスタック型マルチチップ構造の積層型半導体装置の構成を示す断面図である。同図に示す積層型半導体装置１は、素子搭載用の回路基材２を有している。素子搭載用の回路基材２は半導体素子を搭載することが可能で、かつ回路を有するものであればよい。このような回路基材２としては、絶縁基板や半導体基板等の表面や内部に回路を形成した回路基板、あるいはリードフレームのような素子搭載部と回路部とを一体化した基材等を用いることができる。

図１に示す積層型半導体装置１は、素子搭載用回路基材として回路基板２を有している。回路基板２を構成する基板には、樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等の絶縁基板、あるいは半導体基板等、各種の材料からなる基板を適用することができる。樹脂基板を適用した回路基板としては、一般的な多層銅張積層板（多層プリント配線板）等が挙げられる。回路基板２の下面側には、半田バンプ等の外部接続端子３が設けられている。

回路基板２の素子搭載面となる上面側には、外部接続端子３と例えば内層配線（図示せず）を介して電気的に接続された電極部４が設けられている。電極部４はワイヤボンディング部となるものである。このような回路基板２の素子搭載面（上面）には、第１の半導体素子５が第１の接着剤層６を介して接着されている。第１の接着剤層６には一般的なダイアタッチ材（ダイアタッチフィルム等）が用いられる。第１の半導体素子５の上面側に設けられた第１の電極パッド５ａは、第１のボンディングワイヤ７を介して回路基板２の電極部４と電気的に接続されている。

第１の半導体素子５上には、第２の半導体素子８が第２の接着剤層９を介して接着されている。第２の半導体素子８は、例えば第１の半導体素子５と同形またはそれより大形の形状を有している。第２の接着剤層９は第２の半導体素子８の接着時の加熱温度（接着時温度）で軟化または溶融し、その内部に第１のボンディングワイヤ７の一部（電極パッド５ａとの接続側端部）を取り込みつつ、第１の半導体素子５と第２の半導体素子８とを接着するものである。従って、第２の接着剤層９には第１のボンディングワイヤ７の絶縁を確保する上で絶縁性接着剤が用いられる。

第１のボンディングワイヤ７の電極パッド５ａとの接続側端部は、絶縁性接着剤層からなる第２の接着剤層９内に取り込まれることで、第２の半導体素子８との接触が防止されている。すなわち、第１のボンディングワイヤ７は絶縁性接着剤層９の厚さに基づいて第２の半導体素子８の下面から離間しており、これにより第１のボンディングワイヤ７と第２の半導体素子８との接触による絶縁不良やショート等の発生を防止している。このように、第２の接着剤層はスペーサとしての機能を併せ持つものであり、このような機能を得る上で厚さが５０μｍ以上の絶縁樹脂層が適用されている。

第２の接着剤層９を構成する絶縁樹脂層の厚さが５０μｍ以下であると、第１のボンディングワイヤ７が第２の半導体素子８に接触しやすくなり、絶縁不良やショート等の発生率が高くなる。ワイヤ径等にもよるが、第２の接着剤層９の厚さは７０μｍ以上とすることがさらに好ましい。ボンディングワイヤ７の径が２５μｍの場合の具体例としては、厚さが７５μｍや８５μｍの絶縁性接着剤層９が挙げられる。なお、第２の接着剤層９を厚くしすぎると積層型半導体装置１の薄型化が阻害されるため、第２の接着剤層９の厚さは１５０μｍ以下とすることが好ましい。

接着時に第１のボンディングワイヤ７の一部を良好に取り込む上で、第２の接着剤層９は接着時温度における粘度（接着時粘度）が１ｋＰａ・ｓ以上１００ｋＰａ・ｓ未満であることが好ましい。第２の接着剤層９の接着時粘度が１ｋＰａ・ｓ未満であると軟らかすぎて、接着剤が素子端面からはみ出すおそれがある。一方、第２の接着剤層９の接着時粘度が１００ｋＰａ・ｓ以上であると、第１のボンディングワイヤ７に変形や接続不良等を生じさせるおそれがある。第２の接着剤層９の接着時粘度は１〜５０ｋＰａ・ｓの範囲であることがより好ましく、さらには１〜２０ｋＰａ・ｓの範囲であることが望ましい。

図１では第２の接着剤層９の厚さに基づいて第１のボンディングワイヤ７と第２の半導体素子８との接触を抑制している。これに加えて、図２に示すように第２の半導体素子８の接着時温度で軟化または溶融する第１の層９ａと、第２の半導体素子８の接着時温度に対して層形状が維持される第２の層９ｂとを積層した第２の接着剤層９を適用してもよい。第１の層９ａは第１の半導体素子５側に形成され、第２の半導体素子８の接着層として機能する。第２の層９ｂは第２の半導体素子８側に形成され、第１のボンディングワイヤ７と第２の半導体素子８との接触を防止する絶縁層として機能する。

このように、第２の半導体素子８の接着時温度に対して層形状が維持される第２の層（絶縁層）９ｂを第２の半導体素子８側に形成することによって、第１のボンディングワイヤ７と第２の半導体素子８との接触による絶縁不良やショートの発生をより確実に防止することが可能となる。また、第１の半導体素子５と第２の半導体素子８との接着自体は、第１の層９ａで良好に実現することができる。このような２層構造の接着剤層９は、例えば接着時粘度が異なる接着剤樹脂シートを積層したり、あるいは接着剤樹脂組成物を順に塗布して形成することができる。

２層構造を有する接着剤層９において、第２の層９ｂは接着時粘度が１００ｋＰａ・ｓ以上であることが好ましい。第２の層９ｂの接着時粘度が１００ｋＰａ・ｓ未満であると、第１のボンディングワイヤ７の接触防止機能を十分に発揮させることができないおそれがある。第２の層９ｂの接着時粘度は２００ｋＰａ・ｓ以上であることがより好ましい。ただし、粘度があまり高すぎると接合層としての機能が損なわれるため、第２の層（絶縁層）９ｂの接着時粘度は１０００ｋＰａ・ｓ未満であることが好ましい。第１の層（接着層）の接着時粘度は、上述したように１ｋＰａ・ｓ以上１００ｋＰａ・ｓ未満であることが好ましい。

さらに、第１の半導体素子５と第２の半導体素子８との間の距離は、第１の半導体素子５の接続に使用されていない電極パッド、すなわちノンコネクションパッド上に金属材料や樹脂材料等からなるスタッドパンプを形成して維持するようにしてもよい。このような構成によっても、第１のボンディングワイヤ７と第２の半導体素子８との接触を有効に防止することができる。スタッドパンプの高さは、第１のボンディングワイヤ７の高さより高くなるように設定する。第２の半導体素子８はスタッドパンプがスペーサとして機能することで、それより下には下降しないため、第１のボンディングワイヤ７との接触が防止される。スタッドパンプは１箇所のみに設置してもよいが、第１の半導体素子５の重心を通る３箇所以上に設置することが好ましい。

第２の接着剤層９を介して第１の半導体素子５上に接着された第２の半導体素子８は、その上面側に設けられた第２の電極パッド８ａが第２のボンディングワイヤ１０を介して回路基板２の電極部４と電気的に接続されている。回路基板２上に積層、配置された第１および第２の半導体素子５、８は、例えばエポキシ樹脂のような封止樹脂１１で封止されており、これらによってスタック型マルチチップパッケージ構造の積層型半導体装置１が構成されている。なお、図１や図２では２個の半導体素子５、８を積層した構造について説明したが、半導体素子の積層数はこれに限られるものではなく、３個もしくはそれ以上であってもよいことは言うまでもない。

上述した第２の接着剤層９（２層構造の場合には各層９ａ、９ｂ）は、ガラス転移温度が１３５℃以上で、かつガラス転移温度以下の温度範囲における線膨張係数が１００ｐｐｍ以下の絶縁樹脂層からなるものである。すなわち、絶縁性接着剤層９を構成する絶縁樹脂のような高分子材料は、一般的に低温ではガラス状であり、ガラス転移温度（ガラス転移点Ｔg）を超えるとゴム状（さらには液状）になると共に、線膨張係数が急激に増大する。従って、第２の接着剤層９を構成する絶縁樹脂層のガラス転移温度が熱サイクル試験で印加される温度以下であると、熱サイクル試験時に接着剤層９の線膨張係数が急激に増加することで、半導体素子５、８との線膨張係数の差がさらに増大する。

接着剤層９と半導体素子５、８との線膨張係数の差が増大すると、それに基づいて半導体素子５、８に作用する熱応力（引張応力）も増大する。引張応力は半導体素子５の端部表面に応力集中するため、この応力集中で半導体素子５にクラックや割れが生じやすくなる。半導体装置の熱サイクル試験は一般的に−５５℃〜１２５℃の温度範囲で実施される。従って、接着剤層９を構成する絶縁樹脂層のガラス転移温度を、半導体素子５、８に引張応力を生じさせる熱サイクル試験時の高温側温度（１２５℃）に熱的マージン（＋１０℃）を加えた温度（１３５℃）もしくはそれより高く設定することで、熱サイクル試験時に接着剤層９と半導体素子５、８との線膨張係数の差が増大することを抑制できる。

さらに、熱サイクル試験時に半導体素子５、８に作用する引張応力は、接着剤層９を構成する絶縁樹脂層のガラス転移温度以下の線膨張係数の具体的な値に影響される。すなわち、絶縁樹脂層のガラス転移温度が１３５℃以上であっても、ガラス転移温度以下の線膨張係数の値自体が大きいと半導体素子５、８に作用する引張応力が増大し、これにより半導体素子５、８にクラック等が生じやすくなる。そこで、接着剤層９はガラス転移温度以下の線膨張係数が１００ｐｐｍ以下の絶縁樹脂層で構成する。図３に絶縁樹脂層のガラス転移温度以下の線膨張係数と熱サイクル試験（−５５℃〜１２５℃）時に半導体素子（Ｓｉチップ）に作用する引張応力との関係の一例を示す。

図３から明らかなように、絶縁樹脂層の線膨張係数が増加するにつれて半導体素子に作用する引張応力が増大することが分かる。一般的に半導体素子に作用する引張応力が３００ＭＰａを超えるとクラックが生じやすくなる。言い換えると、接着剤層９を構成する絶縁樹脂層の線膨張係数が１００ｐｐｍ以下であれば、熱サイクル試験時に半導体素子５、８に生じるクラックを抑制することが可能となる。半導体素子５、８に作用する引張応力はその厚さによっても変化し、半導体素子５、８の厚さが薄いほど引張応力が増大する。さらに、例えば厚さが７０μｍ以下の半導体素子５、８を適用する場合、接着剤層９を構成する絶縁樹脂層の線膨張係数は７０ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。

図４に半導体素子の厚さと接着剤層の厚さが熱サイクル試験（−５５℃〜１２５℃）時に半導体素子（Ｓｉチップ）の表面引張応力値に及ぼす影響を測定した結果を示す。図４から明らかなように、接着剤層（絶縁樹脂層）９の厚さが厚いほど半導体素子５、８の表面引張応力値が増大し、さらに半導体素子５、８の厚さが薄いほど表面引張応力値が増大する。従って、厚さが７０μｍ以下と薄い半導体素子５、８で積層型半導体装置１を構成する場合には、絶縁樹脂層の線膨張係数は７０ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。

上述したように、第２の接着剤層９をガラス転移温度が１３５℃以上で、かつガラス転移温度以下の線膨張係数が１００ｐｐｍ以下、さらには７０ｐｐｍ以下の絶縁樹脂層で構成することによって、熱サイクル試験時における接着剤層９と半導体素子５、８との線膨張係数の差が小さくなるため、半導体素子５、８に作用する熱応力（引張応力）を低減することが可能となる。これによって、熱サイクル試験時に半導体素子５、８に生じるクラックや割れ等を抑制することができる。すなわち、積層型半導体装置１の熱サイクル試験に対する信頼性を高めることが可能となる。このような熱サイクルに対する信頼性の向上効果は、特に厚さが７０μｍ以下の半導体素子５、８を適用した場合に有効である。

第２の接着剤層９を構成する絶縁樹脂層は、例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ビスマレイミド樹脂等の熱硬化性樹脂で構成することが好ましい。このような熱硬化性絶縁樹脂を適用するにあたって、主鎖の分子量、重合度、架橋度合、側鎖の置換基の種類や量、樹脂組成物における添加剤（例えば可塑剤）の種類や量、硬化剤や架橋剤の種類や量等によって、接着剤層（絶縁樹脂層）９のガラス転移温度を調整することができる。さらに、絶縁樹脂組成物中におけるシリカ等の無機質充填材の含有量を調整することによって、絶縁樹脂層の線膨張係数を制御することができる。

このように、熱硬化性絶縁樹脂の種類、構造、重合条件、また添加剤の種類や量等に基づいて、ガラス転移温度を１３５℃以上とすると共に、ガラス転移温度以下の線膨張係数を１００ｐｐｍ以下（さらには７０ｐｐｍ以下）に調整した絶縁樹脂層で、半導体素子５、８間の接着剤層９を構成する。２層構造の接着剤層９を適用する場合には、それぞれ上記条件を満足させるものとする。第２の接着剤層９は、例えば半導体ウエハの裏面に接着剤シートを貼り付けたり、接着剤樹脂組成物（塗布用樹脂組成物）を塗布した後、これらを半導体ウエハと共に切断することにより形成される。また、個片状の接着剤シートを第１の半導体素子５と第２の半導体素子８との間に供給して第２の接着剤層９として機能させるようにしてもよい。接着剤層９の供給方法は特に限定されるものではない。

また、第２の接着剤層９は硬化後の弾性率（常温弾性率）が５００ＭＰａ以上２ＧＰａ以下であることが好ましい。硬化後の第２の接着剤層（硬化樹脂層）９の弾性率が５００ＭＰａ未満であると、ワイヤボンディング工程における第２の半導体素子８の撓みが大きくなり、第２の半導体素子８にクラック等が生じやすくなる。硬化後の第２の接着剤層９の弾性率が２ＧＰａを超えると、第２の半導体素子８や積層型半導体装置１の製造性の低下等を招くおそれがある。このような範囲において、接着剤層９の弾性率は熱サイクル試験時における半導体素子５、８の表面引張応力値に影響を及ぼさないことを確認した。

上述した実施形態の積層型半導体装置１は、例えば以下のようにして作製される。まず、回路基板２上に第１の接着剤層６を用いて第１の半導体素子５を接着する。続いて、ワイヤボンディング工程を実施して、第１のボンディングワイヤ７で回路基板２の電極部４と第１の半導体素子５の電極パッド５ａとを電気的に接続する。次に、第１の半導体素子５上に第２の接着剤層９を用いて第２の半導体素子８を接着する。

第２の半導体素子８の接着工程を実施するにあたって、第２の接着剤層９は例えば接着剤シートの貼り付け層や接着剤樹脂組成物の塗布層として、予め第２の半導体素子８に分割する前の半導体ウエハの裏面に形成しておく。これらを半導体ウエハと共に切断（ダイシング）して個片化する。次いで、個片化した第２の半導体素子８を実装ツールで保持し、これを実装ステージ上に載置した第１の半導体素子５に対して位置合せした後に下降させ、第２の接着剤層９を第１の半導体素子５に押し当てる。この際、実装ステージおよび実装ツールの少なくとも一方を用いて第２の接着剤層９を加熱して軟化または溶融させ、さらに加熱して硬化させる。

第２の接着剤層９はその内部に第１のボンディングワイヤ７の一部（第１の半導体素子５との接続側端部）を取り込むことが可能な厚さを有するため、第１のボンディングワイヤ７と第２の半導体素子８との接触を抑制することができる。この後、第２の半導体素子８に対してワイヤボンディング工程を実施して、第２のボンディングワイヤ１０で回路基板２の電極部４と第２の半導体素子８の電極パッド８ａとを電気的に接続し、さらに第１および第２の半導体素子５、８をボンディングワイヤ７、１０等と共に封止樹脂１１で封止することによって、図１や図２に示した積層型半導体装置１が作製される。

上述した実施形態の具体例として、厚さ６０μｍの半導体素子５、８間を、ガラス転移温度が１５５℃、ガラス転移温度以下の線膨張係数が７０ｐｐｍのエポキシ樹脂系接着剤で接着した積層型半導体装置（実施例）を１００個作製した。接着剤層の厚さは８５μｍとした。このような１００個の積層型半導体装置について、−５５℃×２０ｍｉｎ→常温（２５℃）×２０ｍｉｎ→１２５℃×２０ｍｉｎを１サイクルとする熱サイクル試験を実施したところ、５００サイクル後におけるクラックの発生率は０％であった。一方、ガラス転移温度が１５５℃、ガラス転移温度以下の線膨張係数が１２０ｐｐｍのエポキシ樹脂系接着剤を用いて作製した積層型半導体装置（比較例）は、５００サイクル後におけるクラックの発生率が５５％まで上昇した。なお、図５に比較例の積層型半導体装置の熱サイクル試験（ＴＣＴ）における累積不良率のワイブルチャートを示す。

このように、本発明の実施形態による積層型半導体装置１は、熱サイクル試験に対する信頼性に優れるものである。本発明は半導体素子の接続にワイヤボンディング接続を使用した積層型半導体装置に限らず、フリップチップ接続を使用した積層型半導体装置に適用することも可能である。本発明はフリップチップ接続部の周囲を絶縁する絶縁性接着剤層の厚さを５０μｍ以上と厚くした積層型半導体装置にも適用可能であり、この場合にも半導体素子と絶縁性接着剤層との線膨張係数の差に基づくクラック等の発生を抑制する効果、さらにはそれに基づく積層型半導体装置の信頼性の向上効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、複数の半導体素子間を厚さが５０μｍ以上の絶縁性接着剤層を用いて接着した各種の積層型半導体装置に適用することができる。そのような積層型半導体装置についても、本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１…積層型半導体装置、２…回路基板、４…電極部、５…第１の半導体素子、６…第１の接着剤層、７…第１のボンディングワイヤ、８…第２の半導体素子、９…第２の接着剤層、９ａ…第１の層（接着層）、９ｂ…第２の層（絶縁層）、１０…第２のボンディングワイヤ、１１……封止樹脂。

Claims (5)

1. 回路基材上に接着された第１の半導体素子と、
   前記第１の半導体素子上に厚さが５０μｍ以上の絶縁性接着剤層を介して接着された第２の半導体素子と、
   前記第１の半導体素子と前記回路基材の電極部とを電気的に接続する第１のボンディングワイヤであって、前記第１の半導体素子との接続側端部が前記絶縁性接着剤層内に取り込まれている第１のボンディングワイヤと、
   前記第２の半導体素子と前記回路基材の電極部とを電気的に接続する第２のボンディングワイヤと、
   前記第１および第２の半導体素子を前記第１および第２のボンディングワイヤと共に封止する封止樹脂とを具備し、
   前記絶縁性接着剤層は、ガラス転移温度が１３５℃以上で、かつガラス転移温度以下の線膨張係数が１００ｐｐｍ以下であると共に、常温弾性率が５００ＭＰａ以上２ＧＰａ以下である絶縁樹脂層からなることを特徴とする積層型半導体装置。
2. 請求項１記載の積層型半導体装置において、
   前記第１のボンディングワイヤは前記絶縁性接着剤層の厚さに基づいて前記第２の半導体素子の下面から離間していることを特徴とする積層型半導体装置。
3. 請求項１記載の積層型半導体装置において、
   前記絶縁性接着剤層は、前記第１の半導体素子側に配置され、前記第２の半導体素子の接着時温度で軟化または溶融する第１の層と、前記第２の半導体素子側に配置され、前記第２の半導体素子の接着時温度に対して層形状が維持される第２の層とを有することを特徴とする積層型半導体装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の積層型半導体装置において、
   前記第２の半導体素子は７０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする積層型半導体装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の積層型半導体装置において、
   前記絶縁性接着剤層は前記第２の半導体素子の接着時温度における粘度が１ｋＰａ・ｓ以上１００ｋＰａ・ｓ未満であることを特徴とする積層型半導体装置。

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