JP6157584B2 - 電力用半導体装置組み込み機器の製造方法および電力用半導体装置 - Google Patents

電力用半導体装置組み込み機器の製造方法および電力用半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、電力用半導体装置組み込み機器の製造方法および電力用半導体装置に関する。
半導体装置のうちでも電力用半導体装置は、鉄道車両、ハイブリッドカー、電気自動車等の車両、家電機器、産業用機械等において、比較的大きな電力を制御、整流するために利用されている。従って、電力用半導体装置に使用される半導体素子は１００Ａ／ｃｍ２を超える高い電流密度で通電することが求められる。そのため、近年はシリコン（Ｓｉ）に代わる半導体材料としてワイドバンドギャップ半導体材料である炭化珪素（ＳｉＣ）が注目されており、ＳｉＣからなる半導体素子はシリコンと較べて高い電流密度での動作が可能である。
一方、半導体装置には、複数の端子が筐体から突き出るように配置されている（例えば特許文献１参照。）。そして、ある半導体装置を使用する機器には、その半導体装置の端子に対応する接続部が、端子の配列に応じて配置されているので、容易に半導体装置を機器に組み込むことができる。
米国特許公開公報US2009/0194884A1（段落００４１〜００４６、Fig.13） 特開２０１３−４２８９号公報（段落００３２〜００４２、図３〜図４）
しかし、高電流密度で動作させる電力用半導体装置では、端子の断面積を大きくする必要があり、一般的な半導体素子の端子よりも剛性が高くなる。そのため、端子や接続部に配置誤差や傾きがあったりすると、接続がスムーズに行えず、電気接続に不良が生じたり、被接続機器あるいは電力用半導体装置に損傷が生じたりする可能性があり、アセンブリ尤度が低かった。また、電力用半導体装置と被接続機器との線膨張係数に差がある場合、使用中あるいは起動・停止の際の温度変化により、端子や接点に繰り返し応力が生じ、接点の接触抵抗が上昇し、信頼性を低下させる可能性もあった。
一方、上述した配置誤差に追従させるため、脚部に屈曲形状をなす屈曲部を形成したプレスフィット端子が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、このような構造では、プレスフィットの挿入時に、弾性部（プレスフィット部）よりも、屈曲部が先に座屈変形する。そのため、プレスフィット挿入時には、屈曲部よりも弾性部に近い部分に設けた被押圧面を支持する必要があり、スルーホールへのプレスフィット端子の挿入が難しいという課題があった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、容易に被接続機器への組み込みが可能で、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることを目的としている。
本発明の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法は、筐体と、前記筐体内に設置され、電力用半導体素子を含む電気回路が形成された回路基板と、前記筐体内で前記電気回路と電気接続される内部端子部と、被接続機器と電気接続するためのプレスフィット部と、前記内部端子部に連なる一端が前記筐体内で固定され、他端で前記プレスフィット部を前記筐体から引き離すように支持する胴体部とを有する複数のプレスフィット端子と、を備え、前記複数のプレスフィット端子のそれぞれは、板材で形成され、前記胴体部の一端は筐体内部で固定されており、前記胴体部の前記筐体から露出した部分に、前記板材の幅方向に分岐した部分を備えた前記プレスフィット部と前記筐体から露出した部分の根元部分とを結ぶ中心線の部分を残すように、前記中心線に垂直な方向における前記板材の幅方向の両側から窪んだ括れ部が形成され、前記括れ部が塑性変形をするように前記筐体から露出する前記括れ部よりも幅の広い前記胴体部が前記筐体内に埋め込まれて固定されている電力用半導体装置を第１治具に設置する第１設置工程と、複数のスルーホールを備える被接続機器を第２治具に設置する第２設置工程と、前記複数のプレスフィット端子のプレスフィット部と前記複数のスルーホールの位置を合わせる仮装着工程と、前記括れ部を塑性変形させ、前記複数のプレスフィット部と前記複数のスルーホールの位置ずれを吸収し、前記プレスフィット部を前記スルーホールへ挿入し、前記被接続機器と接続するプレス工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の電力用半導体装置は、筐体と、前記筐体内に設置され、電力用半導体素子を含む電気回路が形成された回路基板と、前記筐体内で前記電気回路と電気接続される内部端子部と、被接続機器と電気接続するためのプレスフィット部と、前記内部端子部に連なる一端が前記筐体内で固定され、他端で前記プレスフィット部を前記筐体から引き離すように支持する胴体部とを有する複数のプレスフィット端子と、を備え、前記複数のプレスフィット端子のそれぞれは、板材で形成され、前記胴体部のうち、前記筐体から露出した部分に、前記板材の幅方向に分岐した部分を備えた前記プレスフィット部と前記筐体から露出した部分の根元部分とを結ぶ中心線の部分を残すように、前記中心線に垂直な方向における前記板材の幅方向の両側から窪んだ括れ部が前記中心線に沿った異なる位置に複数形成されており、前記複数形成された括れ部のうち、前記プレスフィット部に近い方の括れ部の幅よりも、遠い方の括れ部の幅の方が広いことを特徴とする。
また、本発明の電力用半導体装置は、筐体と、前記筐体内に設置され、電力用半導体素子を含む電気回路が形成された回路基板と、前記筐体内で前記電気回路と電気接続される内部端子部と、被接続機器と電気接続するための外部端子部と、前記内部端子部に連なる一端が前記筐体内で固定され、他端で前記外部端子部を前記筐体から引き離すように支持する胴体部とを有する複数の端子と、を備え、前記複数の端子のそれぞれは、前記胴体部のうち、前記筐体から露出した部分に、前記外部端子部と前記筐体から露出した部分の根元部分とを結ぶ中心線の部分を残すように、前記中心線に垂直な方向における両側から窪んだ括れ部が前記中心線に沿った異なる位置に複数形成され、前記複数形成された括れ部のうち、前記外部端子部に近い方の括れ部の幅よりも、遠い方の括れ部の幅の方が広いことを特徴とする。
本発明の電力用半導体装置によれば、変位あるいは位置ずれが生じた場合でも、剛性の低い括れ部が外部端子部よりも優先的に変形して応力を抑制できるので、容易に被接続機器への組み込みが可能で、信頼性の高い電力用半導体装置を得ることができる。
本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための平面図と正面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置における端子の状態を説明するための一部を透過させた部分側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置に用いる端子の構成を説明するための正面図と側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置に用いる端子の加工工程を説明するためのフレームの工程ごとの正面図と断面図の組合せ図である。 本発明の実施の形態１の変形例にかかる電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる電力用半導体装置における端子の状態を説明するための一部を透過させた部分側面図、および隣接する端子間の状態を説明するための部分平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電力用半導体装置とプリント基板を取り付ける工程を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置における端子の状態を説明するための一部を透過させた部分側面図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置に用いる端子の構成を説明するための正面図と側面図である。 本発明の実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置にプリント基板を取り付ける際の、端子のスルーホールへの挿入深度ごとの端子の変形状態を示す模式図である。 本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置を説明するための断面図である。
実施の形態１．
図１〜図６は本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのものであり、図１（ａ）と図１（ｂ）はそれぞれ電力用半導体装置の外観を示す平面図と正面図、図２は図１（ａ）のＡ−Ａ線に対応する断面図、図３は電力用半導体装置の機器への組み込み状態を説明するための図１（ａ）のＢ−Ｂ線に対応する断面図、図４は電力用半導体装置中での端子の状態を説明するためにケース部分を透過させた部分側面図、図５は端子の構成を説明するための正面図と側面図、図６は端子の加工工程を説明するための、端子の元となるフレーム（一部）の曲げ工程前の正面図と断面図の組合せ図（ａ）と、曲げ加工後の正面図と側面図の組合せ図（ｂ）である。また、図７は変形例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するための断面図で、描画基準は図３と同様である。以下、詳細に説明する。
はじめに、電力用半導体装置１の外観について説明する。
図１に示すように、電力用半導体装置１は、ベース板４が下面側から露出した状態で全体がパッケージ２（インサートケース２１と蓋２２）により覆われ、パッケージ２（を構成するインサートケース２１）には、放熱用のヒートシンクをベース板４に取り付けるための取り付け穴２ｈが形成されている。一方、電力用半導体装置１の上面部には、外部（被接続機器）との電気接続を確保するために、端子である複数のプレスフィット端子３が、パッケージ２から突出するように配置されている。
つぎに、電力用半導体装置１の内部構造について説明する。
図２に示すように、電力用半導体装置１には、パッケージ２内にセラミック基材５１の回路面（図中上側）側に銅による複数のパターン５２が形成された回路基板５が設置されている。回路基板５の放熱面（図中下側）には、はんだ８によって銅製のベース板４が接合され、回路面のパターン５２のうちのひとつには、半導体材料にシリコンを用いたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）６１とＦｗＤｉ（Free-Wheeling Diode）６２（まとめて電力用半導体素子６）がはんだ８で接合されている。ＩＧＢＴ６１、ＦｗＤｉ６２の上部電極には、直径２００〜４００μｍのアルミニウムのワイヤ７が、複数本ワイヤボンディングされており、他のパターン５２上や、プレスフィット端子３のパッケージ２内の部分に形成されたワイヤボンド部３５に接続されている。なお、インサートケース２１の内部はシリコンゲル２３にて封止され、開放された上部を蓋２２で覆うことでパッケージ化される。
このように構成された電力用半導体装置１では、パッケージ２の上面から突出したプレスフィット端子３は、図１（ａ）に示すように、被接続機器への挿入方向に垂直な面における所定位置に配置されている。さらに、後述する製造法で説明するように、端子の幅方向に沿って直線状に並んだものを配置するような形態となっている。そして、被接続機器への組み込みの際は、図３に示すように、プレスフィット端子３における外部との接点であるプレスフィット部３２を被接続機器（図ではプリント基板９）側の接点であるスルーホール９ｈに挿入する。スルーホール９ｈの内壁は、銅めっきにより、プリント基板９の回路面に形成された複数のパターン９２と電気的に連なる導体で覆われており、挿入されたプレスフィット部３２と接触することで、電力用半導体装置１との電気接続（導通）が確保される。
つぎに、端子として用いるプレスフィット端子３の構成について説明する。
プレスフィット端子３の一端には、図４に示すように、例えば、上述したプリント基板９に挿入してスルーホール９ｈと導通させる接点となるプレスフィット部３２が形成され、他端には、電力用半導体装置１内のパターン５２あるいは電力用半導体素子６等の回路部材とのワイヤボンドを行うためのワイヤボンド部３５が形成されている。そして、プレスフィット部３２と、ワイヤボンド部３５とをつなぐ胴体部３３とを有し、胴体部３３のうち、ワイヤボンド部３５側の部分（インサート部３３ｕ）とワイヤボンド部３５が電力用半導体装置１のパッケージ２内に埋め込まれ、胴体部３３の残りの部分（露出部３３ｅ）がプレスフィット部３２をパッケージ２から引き離すように支持している。プレスフィット部３２および露出部３３ｅの表面には、電気接点に一般的に用いられるニッケル下地スズめっきが施され、ワイヤボンド部３５にはアルミワイヤボンディングが可能なように、光沢ニッケルめっきが施される。
プレスフィット端子３の寸法としては、図５に示すように胴体部３３の幅Ｗｍが３ｍｍ、板厚ｔは１ｍｍとなっており、プレスフィット部３２の最大幅Ｗｐは２．１ｍｍとなっている。プレスフィット部３２はスルーホール９ｈ内壁との接触を確保するため、バネ性を有するように、ニードルアイ形状となっている。つまり、端子圧入方向の先端となる先細状の先端から圧入方向および板厚方向に垂直な方向（＝幅方向）に分岐して張出した一対の分岐部の間に開口が形成された両持ち梁構造となっており、分岐部のそれぞれの幅Ｗｂは０．７ｍｍとなっている。
また、プレスフィット部３２の断面形状は、スルーホール９ｈ内壁の形状（円筒形）に追随し、接触面積が大きくなるよう、４隅の角にＲ加工（Ｒ０．３）が施されている。なお、プリント基板９のスルーホール９ｈの仕様は、メッキ厚２５〜５０μｍで、仕上り径が内径２．０ｍｍとなっており、プレスフィット部３２の最大幅Ｗｐ（２．１ｍｍ）よりもやや小さくなっている。
ここで、プレスフィット端子３の胴体部３３のパッケージ２から露出した部分（露出部３３ｅ、あるいは露出部３３ｅとプレスフィット部３２との境界部分）には、幅方向の両側から窪んだ括れ部３６が形成されている。括れ部３６を形成するための両側からのくぼみ形状は、左右対称で、開口長（図中高さ）Ｈｃおよび深さは同じである。本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１に用いたプレスフィット端子３の括れ部３６は、開口長Ｈｃ１ｍｍ、深さ１．２ｍｍとなっており、先端は局所的な応力集中を防ぐため、Ｒ０．５の加工が施されている。これにより、括れ部３６の（残肉）幅Ｗｃは、分岐部の幅Ｗｂ（０．７ｍｍ）よりも狭い、０．６ｍｍ（Ｗｍ−１．２ｍｍ×２）となっている。
ここで、上述したプレスフィット端子３を有する電力用半導体装置１の製造フローについて説明する。
プレスフィット端子３は、厚さ１ｍｍの金属板材から製作され、複数の順送型を用いたプレス加工により図６（ａ）に示すように、プレスフィット端子３の元となる端子ユニット３Ｐがタイバー３８で連結されたフレーム３０から形成される。フレーム３０は、各端子ユニット３Ｐが連結された状態で、プレスフィット部３２および露出部３３ｅに対応する領域Ａ３２には、厚さ数μｍ程度の下層ニッケルめっきおよび上層スズめっきが施され、ワイヤボンド部３５に対応する領域Ａ３５には光沢ニッケルメッキが施される。その後、図６（ｂ）に示すように、ワイヤボンドパッド（ワイヤボンド部３５）を形成するためにタイバー３８で連結（一体化）されたままの状態で、ＬＢ部分で折り曲げ加工される。
その後、所定数の端子ユニット３Ｐがタイバー３８で連結された状態でフレーム３０がインサート型に挿入され、射出成形により、プレスフィット部３２およびワイヤボンド部３５が露出するようにフレーム３０が埋め込まれたインサートケース２１が成形される。なお、このとき、各端子ユニット３Ｐがタイバー３８で連結（一体化）されていることで、インサート型への挿入が容易となる。そして、射出成形後に、タイバー３８を分離し、プレスフィット端子３が所定位置に配列されたインサートケース２１が完成する。
そして、電力用半導体素子６などがはんだ付けされたベース板４とインサートケース２１を接着剤にて接着し、電力用半導体素子６やパターン５２等の回路部材とプレスフィット端子３のワイヤボンド部３５をワイヤボンディングにより接続する。最後に、シリコンゲル２３にて回路面を封止し、蓋２２を接着してパッケージ化することで、電力用半導体装置１が完成する。
つぎに、動作について説明する。
図３で説明したように、電力用半導体装置１はプレスフィット端子３に対応した接点が設けられたプリント基板９のような機器に取り付けられて使用される。ここで、電力用半導体装置１とプリント基板９は使用中に温度変化や振動などの苛酷な環境にさらされる。使用中の温度変化により、電力用半導体装置１はこれらの環境にさらされた際に、プリント基板９の線膨張係数（約１３ｐｐｍ／Ｋ）と電力用半導体装置の線膨張係数（パッケージ２の線膨張係数：約５ｐｐｍ／Ｋ）の違いにより、電力用半導体装置１のプレスフィット端子３の配列とプリント基板９の接点の配列間に繰り返し変位が生じる。
このとき、従来の、例えば、特許文献１に記載の電力用半導体装置のような場合、端子に用いた銅円筒は、電流密度に応じて径を太くする必要がある。太くなるにつれて、剛性が高くなるので、変位が生じると、プリント基板９の接点あるいは、電力用半導体装置１に繰り返し負荷がかかる。そのため、より大きな電力用半導体装置への適用や、より過酷な環境にて適用することが困難となっていた。
しかしながら、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、プレスフィット端子３のプレスフィット部３２とインサート部３３ｕをつなぐ胴体部３３のうち、パッケージ２から露出する部分（露出部３３ｅ）に、プレスフィット部３２の分岐部の幅Ｗｂよりも狭い幅Ｗｃを有する括れ部３６を形成した。そのため、このような繰り返し変位が生じても、括れ部３６が優先的に変形して、プレスフィット部３２が、括れ部３６を中心として端子の幅方向に左右に移動するので、接点あるいは、電力用半導体装置１にかかる負荷を抑制することができる。すなわち、信頼性の高い電力用半導体装置１を提供することが可能となる。
一方、プレスフィット接続は、図５で説明したように、プリント基板９のスルーホール９ｈの径よりもやや幅広のプレスフィット端子３を圧入し、プレスフィット部３２とスルーホール９ｈ間に機械的な接触力を発生させ、両者を電気的に接続する技術である。そのため、スルーホール９ｈとプレスフィット端子３間に相対位置ずれがある場合、プレスフィット部３２を形成する分岐部のうち、挿入開始時に片方だけがスルーホール９ｈの内壁に当たって塑性変形が生じ、バネ性が損なわれて接触力が働き難くなる。そのため、被接続機器の接点であるプリント基板９のスルーホール９ｈの配置は高い位置精度が要求される。
しかしながら、本実施の形態１にかかる電力用半導体装置１では、スルーホール９ｈとプレスフィット端子３の相対位置ずれが大きくなった場合でも、括れ部３６が変形して、相対位置ずれを吸収するため、プレスフィット部３２に過度な塑性変形が生ずることを抑制することができる。その結果、プリント基板９への電力用半導体装置１の組み込みが容易となる。
なお、上述した効果は、挿入方向に垂直な方向の応力に対して、プレスフィット部３２の剛性よりも、括れ部３６の剛性の方が小さい場合に得ることができる。具体的には、プレスフィット部３２の代表幅である分岐部の片側の幅Ｗｂよりも、括れ部３６の幅Ｗｃが小さい場合に得ることができる。つまり、括れ部３６の幅Ｗｃがプレスフィット部３２を構成する分岐部の片側の幅Ｗｂよりも広い場合、プリント基板９とプレスフィット部３２との間に位置ずれが生じると、括れ部３６が塑性変形する前に、プレスフィット部３２が大きく塑性変形する。そのため、プレスフィット部３２でのバネ性が損なわれて、接点が所定の電気特性を確保することができなくなるからである。
実施の形態１における変形例．
なお、本実施の形態では、端子として、上述した効果が顕著に顕れるプレスフィット端子３を用いた場合について説明したが、これに限ることはない。例えば、図７に示すようなはんだ用接点３２Ｖがはんだ付け用の平板状に形成されたピン端子３Ｖを用いた場合でも、はんだ用接点３２Ｖの剛性よりも、括れ部３６の剛性の方が小さい形態を実現すればよい。
つまり、ピン端子３Ｖのパッケージ２から露出した部分のうち、はんだ用接点３２Ｖに至るまでの部分（露出部３３ｅ、あるいは露出部３３ｅ（胴体部３３）とはんだ用接点３２Ｖとの境界部分）に、はんだ用接点３２Ｖの代表幅（ここでは単純な平板部分の幅）よりも狭い幅Ｗｃを有する括れ部３６を設ける。これにより、次のような効果を発揮する。
はんだ付け用のピン端子３Ｖの場合、電力用半導体装置１を使用した際の温度変化により、電力用半導体装置１とプリント基板９の線膨張係数差によりはんだ付け部にクラックが発生する場合があるが、窪み部３６が線膨張係数差による応力を吸収するため、接点部分や電力用半導体装置１内部にかかる応力が低減され、信頼性が高くなる。また、ピン端子３Ｖは、はんだこてによりプリント基板９にはんだ付けされる場合があるが、その際、はんだこてからの入熱に対して、電力用半導体装置１側に熱が逃げるため、入熱時間を長くしなければならない。この課題に対して、括れ部３６が熱の逃げを防止するため、入熱時間を短くすることが可能となる。
プレスフィット端子３、ピン端子３Ｖのように、板材で形成できる端子の場合、括れ部３６は、打ち抜き加工にて成形可能であり、端子の元となる打ち抜きパターン（本実施の形態ではフレーム３０）を成形する際に同時に加工が可能である。そのため、括れ部３６を形成するためのコストアップはほとんど生じない。
なお、端子の材料は銅系の材料でも特に電気抵抗率が無酸素銅に近いほうが良い。また、プレスフィット端子３のように適切な反発力が必要な場合は、高い剛性を持つバネ性の高い材料であることが好ましい。これらの特性を満たす材料として銅―亜鉛系合金（導電率８０％、弾性率１４０ＧＰａ）が存在する。
また、本実施の形態においてはシリコンゲル２３で封止されたインサートケースタイプの電力用半導体装置１を例に説明したが、全体がモールド樹脂にて覆われたトランスファモールド型の電力用半導体装置においても同様の効果を発揮することができる。
なお、端子（プレスフィット端子３）およびスルーホール９ｈの寸法は上記のものと異なっていてもよく、端子と被接続機器側の接点の接続方法が他の形態であってもよい。ただし、少なくとも端子の代表幅（本実施の形態では、プレスフィット部３２の分岐部の片側の幅Ｗｂやピン端子３Ｖの幅）よりも括れ部３６の幅Ｗｃの方が狭くなるようにすればよい。
また、パッケージ２内に配置される側の端部は、必ずしもワイヤボンド部３５である必要はなく、プレスフィット形状やピン端子形状であってもよい。この場合も、露出部３３ｅのように、パッケージ２に支持されていない部分に、上述した括れ部３６を形成することで、同様の効果を発揮する。
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電力用半導体装置１によれば、筐体（パッケージ２）と、筐体（パッケージ２）内に設置され、電力用半導体素子６を含む電気回路が形成された回路基板５と、筐体（パッケージ２）内で電気回路と電気接続される内部端子部（ワイヤボンド部３５）と、被接続機器（例えば、プリント基板９）と電気接続するための外部端子部（プレスフィット部３２、またははんだ用接点３２Ｖ）と、内部端子部（ワイヤボンド部３５）に連なる一端（インサート部３３ｕ）が筐体（パッケージ２）内で固定され、他端（露出部３３ｅ）で外部端子部（プレスフィット部３２、またははんだ用接点３２Ｖ）を筐体（パッケージ２）から引き離すように支持する胴体部３３とを有する複数の端子（プレスフィット端子３、またはピン端子３Ｖ）と、を備え、複数の端子（プレスフィット端子３、またはピン端子３Ｖ）のそれぞれは、胴体部３３のうち、筐体から露出した部分（露出部３３ｅ）に、外部端子部（プレスフィット部３２、またははんだ用接点３２Ｖ）の剛性よりも低い剛性を有する括れ部３６が形成されているように構成したので、温度変化による変位や配置誤差等が生じても、括れ部３６が優先的に変形して、プレスフィット部３２、またははんだ用接点３２Ｖが、括れ部３６を中心として端子の幅方向に左右に移動するので、接点あるいは、電力用半導体装置１にかかる負荷を抑制することができる。すなわち、信頼性の高い電力用半導体装置１を提供することが可能となる。
とくに、端子（プレスフィット端子３）は、それぞれ長尺状の板材で形成されるとともに、外部端子部（プレスフィット部３２）が板材の幅方向に分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造に形成され、括れ部３６の幅Ｗｃが、外部端子部（プレスフィット部３２）の分岐した部分のそれぞれの幅Ｗｂよりも狭いように構成したので、括れ部３６が変形して、相対位置ずれを吸収するため、プレスフィット部３２に過度な塑性変形が生ずることを抑制することができる。その結果、接点での電気接続が良好で、プリント基板９への電力用半導体装置１の組み込みが容易となる。
実施の形態２．
本実施の形態２にかかる電力用半導体装置は、実施の形態１で説明した電力用半導体装置に対して、端子の括れ部の一部をケース内に埋め込むようにするとともに、括れ部分から上を捻るようにしたものである。図８は本実施の形態２にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図８（ａ）は、端子の状態を説明するためにケース部分を透過させた部分側面図、図８（ｂ）は、隣接する端子間の状態を説明するためのもので、図８（ａ）の視点Ｃから見たときの部分平面図である。その他の電力用半導体装置としての基本的な構成については、実施の形態１の電力用半導体装置と同じであるので説明を省略する。
図８に示すように、端子であるプレスフィット端子３には、実施の形態１と同様の括れ部３６が形成されているが、本実施の形態２では、括れ部３６の一部がパッケージ２内に埋め込まれたインサート部３３ｕにかかっている。そして、括れ部３６（厳密には括れの中心付近）を境としてプレスフィット部３２側を幅方向および厚み方向の中心を軸として４５度捻り（回転させ）、インサート部３３ｕに対して、つまり配列方向に対して傾けるようにしたものである。
なお、この構造は、実施の形態１で説明したインサートケース２１の射出成形後に、インサートケース２１から露出している部分に曲げ加工を行うことで実現できる。例えば、各端子ユニット３Ｐに捩り方向の加工が施されているフレーム３０を射出成形に用いることは、金型構成上困難であるからである。
つぎに、このような構成にした理由について説明する。
プレスフィット端子３のような板材の端子は、厚み方向の寸法（例えば図５のｔ）よりも幅方向の寸法（同Ｗｍ）の方が大きい。そのため、プレスフィット端子３を配列し、隣接するプレスフィット端子３の間隔を保ったまま、ピッチを狭めようとすれば、各プレスフィット端子３を極端に言えば板厚方向に並べればよい。
しかし、実際には、例えば、ワイヤボンディングにおけるワークスペースを確保するために、各プレスフィット端子３は、板材の厚み方向で重ならないよう、面に平行な方向に並べられる。また、上述したフレーム３０内に各端子ユニット３Ｐが連結された状態でインサート成形が行われるため、必然的に各プレスフィット端子３は、幅方向に沿って一列に並ぶことになる。
そこで、本実施の形態２では、インサート成形後に、パッケージ２から露出した部分を、配列方向に対して面を傾けるようにしたのである。本構造とすることで、図８（ｂ）に示すように、パッケージ２から露出した部分での隣り合うプレスフィット端子３の間隔Ｄｐを所定以上に保ちながら、配列ピッチを縮めることができる。その際、インサート部３３ｕの間隔Ｄｕは短くなるが、パッケージ２は絶縁材料であるので、露出部分に要求される空間距離よりも短い空間距離でよい。その際、括れ部３６の一部がパッケージ２内に埋め込まれるようにしたので、捩りが加わらずに端子の幅方向と配列方向が一致し、かつパッケージ２から露出する部分は、プレスフィット端子３自体の幅Ｗｍよりも狭い幅を有する部分（間隔＝Ｄｃ）のみとなる。つまり、パッケージ２から露出した部分で確保される空間距離は、ＤｃあるいはＤｐのうちの短い方となる。
そのため、狭ピッチを保ちつつ、プレスフィット端子３間の空間距離を大きくすることができ、小型で高耐圧な電力用半導体装置を提供することが可能となる。また、括れ部３６を介して曲げ加工することで、インサートケース２１の樹脂部に過度な応力が生じることを抑制する効果がある。なお、傾きについては、４５度に限ることはなく、例えば、０度より大きい９０度以下の角度で適宜設定すればよいが、Ｄｐ≧Ｄｃとなる角度が好ましい。
以上のように本実施の形態２にかかる電力用半導体装置１によれば、端子（プレスフィット端子３、またはピン端子３Ｖ）はそれぞれ長尺状の板材で形成されるとともに、胴体部３３の筐体（パッケージ２）内で固定された部分（インサート部３３ｕ）における板材の幅方向に沿って配置され、筐体（パッケージ２）から露出した部分（露出部３３ｅ）のうち、括れ部３６より先（プレスフィット部３２、またははんだ用接点３２Ｖ側）の部分が、幅方向に対して傾いているように構成したので、狭ピッチを保ちつつ、端子（プレスフィット端子３、またはピン端子３Ｖ）間の空間距離を大きくすることができ、小型で高耐圧な電力用半導体装置を提供することが可能となる。
とくに、端子（プレスフィット端子３、またはピン端子３Ｖ）のそれぞれは、括れ部３６の一部が筐体（パッケージ２）内に埋め込まれているように構成したので、絶縁材で囲まれていない部分の空間距離をしっかりと確保することができる。
なお、実施の形態１、２においては、スイッチング素子（トランジスタ：ＩＧＢＴ６１）や整流素子（ダイオード：ＦｗＤｉ６２）として機能する電力用半導体素子６に、シリコンを半導体材料として用いた例について説明した。しかし、シリコンよりもバンドギャップが大きい、いわゆるワイドギャップ半導体を形成できる炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた時の方が、以下に述べるように本発明による効果をより一層発揮することができる。
すなわち、炭化ケイ素や窒化ガリウム系材料といったワイドバンドギャップ半導体材料を用いた電力用半導体素子を使用することで、電力用半導体装置１全体の温度が更に高温となり、プリント基板９のような被接続機器との変位が大きくなるため、括れ部３６による応力緩和効果は顕著となる。
また、ワイドバンドギャップ半導体材料の電力用半導体素子を搭載した電力用半導体装置においては、端子も高温になるため、端子と被接続機器との接点がはんだ接合の場合は、はんだ接合信頼性が低下することがあった。また、電力用半導体装置の高電流密度化によって、端子に流す電流も大電流となっており、接点部分での発熱量も増大し、はんだ接合信頼性が低下することがあった。その場合、プレスフィット端子３のようなはんだ接合を必要としない端子を採用することで、はんだの融点よりも高い温度において電力用半導体素子を動作させることが可能となった。
また、プレスフィット部３２は、はんだ付（例えば、ピン端子３Ｖのはんだ用接点３２Ｖ）と比べて、電極の接続面積が小さいため、プレスフィット部３２とスルーホール９ｈ間の熱抵抗が大きくなる。そのため端子にプレスフィット端子３を用いれば、電力用半導体装置１からプリント基板９への熱伝導を抑えることができ、電力用半導体素子６の熱が被接続機器（プリント基板９）側に伝わりにくくなる。つまり、電力用半導体装置１の温度が高温になっても、被接続機器の温度が上昇しにくくなり、被接続機器の信頼性が高くなる。
実施の形態３．
本実施の形態３では、上述した実施の形態１および２で説明した電力用半導体装置とプリント基板とを接続する方法（機器の取付方法）について説明する。そして、接続する際に括れ部の構造に起因するプレスフィット端子の動作について説明する。図９（ａ）と（ｂ）は本実施の形態３にかかる機器の取付方法を説明するためのもので、それぞれ電力用半導体装置とプリント基板との取付方法における工程ごとの状態を示す断面図であり、切断位置は図２と同様である。
なお、本実施の形態３にかかる機器の取付方法は、実施の形態１および２で説明したプレスフィット端子３を用いた電力用半導体装置１の特徴を活かす取付方法である。つまり、プレスフィット端子３の、胴体部３３が、幅方向の中心に材料が残るように、長さ方向の同じ位置で、幅方向の両端から括れ部３６が形成されていることを前提としている。そのため、他の構成については、実施の形態１あるいは２で説明したのと同様であるので説明を省略する。なお、電力用半導体装置自体については、実施の形態１で説明した図１〜図６で示す形態のものを示しているが、実施の形態２で説明した図８で示す形態のものも適用可能であることは言うまでもない。
図９（ａ）に示すように、プリント基板９を電力用半導体装置１に取り付ける場合、外部端子であるプレスフィット端子３が上を向くように、電力用半導体装置１を図示しないプレス機の下型に設置された下治具２０１の所定位置に搭載する。その際、例えば、下治具２０１に設けたピン２０１ｐと取付穴２ｈ等によって電力用半導体装置１を位置決めする。そして、プレスフィット端子３（の配列）とスルーホール９ｈ（の配列）の位置を合わせて、プレスフィット端子３の上面に、プリント基板９を仮装着する。
次に、図示しないプレス機の上型に設置された上治具２０２を、下治具２０１に向かって移動させる。このとき、上治具２０２には、図９（ｂ）に示すように、スルーホール９ｈに対応する部分に空隙２０２ｈが設けられている。そのため、プレスフィット端子３の先端がスルーホール９ｈを通り過ぎ、プリント基板９から突き出た状態になっても、上治具２０２の押圧面に触れることがないので、プリント基板９を必要な位置まで押し下げる（プレスする）ことができる。これにより、各プレスフィット端子３のプレスフィット部３２をスルーホール９ｈの所定位置まで挿入することができ、電力用半導体装置１とプリント基板９との取り付けが完了する。
このような取付方法において、括れが、胴体部の片側からのみ形成されていると、括れがある方向にしか屈曲できず、端子とスルーホールの位置ずれ方向によっては、追従させることが困難となる。さらに、中心軸の材料が存在しない状態にまで片側からの括れを形成すると、上下方向（挿入方向）に力をかけただけで、括れのある方向に傾いてしまう。その場合、例えば、特許文献２に記載のプレスフィット端子のように、プレスフィット部自体を個々に支持しなければ、スルーホールに対する挿入が困難となる。また、電力用半導体装置は端子数が多く、さらに、端子配置もさまざまであり、複数の端子を支持あるいは押圧するような治具を作製することは極めて困難である。また、例えば、特許文献２に開示された屈曲部のような構造では、細長い電流経路が形成され、電気抵抗が大きくなるため、大電流通電には適さない。
しかしながら、本実施の形態にかかる取付方法では、プレスフィット端子３の、胴体部３３が、幅方向の中心に材料が残るように、幅方向の両端から括れ部３６が形成されていることを前提条件としている。そのため、スルーホール９ｈへの挿入時に、プレスフィット端子３に上下方向の力がかかっただけでは、括れ部３６が座屈変形することは無く、電流経路が細くなる部分も限られている。一方、括れ部３６は、挿入方向に垂直な方向である幅方向に対しては、左右どちらに対しても容易に変形させることができるので、位置ずれに対しての追随性が確保される。これにより、電力用半導体装置１を生産性良く、正常にプリント基板９に取り付けることが可能となる。
なお、上記前提条件については、実施の形態１および２のプレスフィット端子３の特徴をもとに、胴体部３３が、幅方向の中心に材料が残るように、長さ方向の同じ位置、幅方向の両端から括れ部３６が形成されていること、とした。しかし、上述した効果を得られる条件としては、長さ方向における同じ位置で、長さ方向に垂直な方向の両側から、中心を残すように括れていれば、事足りる。さらに厳密に言えば、プレスフィット部３２と露出部３３ｅの根元とを結ぶ中心線（胴体部３３の中心軸）、つまり、挿入方向の中心軸の両側に残肉があるように括れが形成されていればよい。その際、例えば、必ずしも左右対称である必要はない、また、例えば、厚み方向における両側から括れるような形態でもよい。
さらに、本実施の形態３では、上記取付方法に適した端子形状の変形例について説明する。図１０〜図１２は、本実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置の構成を説明するためのもので、図１０は電力用半導体装置におけるプレスフィット端子の状態を説明するための一部を透過させた部分側面図、図１１はプレスフィット端子の構成を説明するための正面図と側面図、図１２は電力用半導体装置にプリント基板を取り付ける際の、端子のスルーホールへの挿入深度ごとの端子の変形状態を示す模式図である。
本変形例にかかる電力用半導体装置１に用いるプレスフィット端子３は、図１０に示すように、露出部３３ｅの長さ方向（挿入方向）の異なる位置（２箇所）に括れ部３６−１、３６−２が形成されていることである。各括れ部３６−１と３６−２は、当然ながら、中心軸の両側に残肉があるという上述した条件を満たしている。さらに、図１１に示すように、２つの括れ部３６−１と３６−２を、プレスフィット部３２から遠い方の括れ部３６−２の幅Ｗｃ２の方が、近い方（３６−１）の幅Ｗｃ１より広くなるように形成した。また、長さ方向におけるプレスフィット部３２の中心位置Ｐｐと括れ部３６−１（中心位置Ｐｃ１）との距離Ｌｐｃよりも、括れ部３６−１と括れ部３６−２（中心位置Ｐｃ２）との距離Ｌｃｃの方が長くなるように形成している。
つぎに、本変形例にかかるプレスフィット端子３を用いた電力用半導体装置１とプリント基板９とを上述した取付方法で取り付ける場合の動作について図１２を用いて説明する。なお、図では、複数のプレスフィット端子３のうち、一部のプレスフィット端子３の位置がプリント基板９のスルーホール９ｈに対してずれている場合の、位置ずれが生じているプレスフィット端子３が挿入される際の動作を示している。その際、変形の状態を簡潔に示すため、スルーホール９ｈの位置と、プレスフィット部３２の中心Ｐｐと方向、プレスフィット部３２に近い方の括れ部３６−１（中心位置Ｐｃ１）、および遠い方の括れ部３６−２（中心位置Ｐｃ２）を抽出して示している。
図１２（ａ）に示すように、プレスフィット端子３の中心軸Ｘｐとスルーホール９ｈの中心軸Ｘｈとが、挿入方向に垂直な方向において平行にずれており、この状態でスルーホール９ｈをプレスフィット端子３に向かって降下させる。すると、図１２（ｂ）に示すように、プレスフィット部３２がスルーホール９ｈに誘導され、スルーホール９ｈの軸に向かって傾く。このとき、プレスフィット部３２の中心Ｐｐから離れるほど、トルクが大きくなるので、プレスフィット部３２から最も遠い括れ部３６−２が先に折れ曲がる。
さらに、プリント基板９を降下させると、図１２（ｃ）に示すように、プレスフィット部３２がスルーホール９ｈ内に侵入することで、傾きがスルーホール９ｈの内壁に沿って矯正される。その際、括れ部３６−１の幅Ｗｃ１を括れ部３６−２の幅Ｗｃ−２よりも狭くしているので、括れ部３６−１が容易に変形でき、プレスフィット部３２の向きとスルーホール９ｈの向きを一致させることができる。
以上のように、本実施の形態３の変形例にかかる電力用半導体装置１によれば、長さ方向の異なる位置に２箇所の括れ部３６−１、３６−２を設けたので、位置ずれに対応できるとともに、プレスフィット部３２の傾きをスルーホール９ｈに沿わせることができる。
さらに、プレスフィット部３２に近い方の括れ部３６−１の幅Ｗｃ１を遠い方の括れ部３６−２の幅Ｗｃ２よりも狭くなるようにしたので、挿入後半におけるプレスフィット部３２の傾きを容易に修正することができる。
また、プレスフィット部３２（中心位置Ｐｐ）と括れ部３６−１との距離Ｌｐｃよりも、括れ部３６−１と括れ部３６−２との距離Ｌｃｃの方が長くなるようにしたので、挿入初期において、プレスフィット部３２を容易にスルーホール９ｈに導くように傾けることができる。
実施の形態４．
本実施の形態４にかかる電力用半導体装置は、上述した各実施の形態で説明したプレスフィット端子を備えたものであるが、パッケージとの位置関係が異なるものである。図１３は、本発明の実施の形態４にかかる電力用半導体装置を説明するためのもので、実施の形態２における図２に対応する断面図であるとともに、内蔵するプリント基板部分を透過させた図である。
本実施の形態４にかかる電力用半導体装置は、パワーデバイスの駆動回路や自己保護機能回路を組み込んだ、一般的にインテリジェントパワーモジュールと呼ばれるものである。インテリジェントパワーモジュールは、図１３に示すように、電力用半導体装置１Ｖのパッケージ２Ｖの内部に、駆動回路等が組み込まれた制御基板９Ｉが収められている。つまり、パッケージ２Ｖの上面よりも深い位置に制御基板９Ｉが配置される。
ここで、電力用半導体装置１Ｖのパッケージ２Ｖの内部空間２Ｖｓ内で露出したプレスフィット端子３に対して、制御基板９Ｉを取り付ける方法について説明する。この場合も、実施の形態３の取付方法で説明したように、各プレスフィット端子３の先端に、制御基板９Ｉのスルーホール９ｈを仮挿入した状態にする。そして、電力用半導体装置１Ｖの底面（ベース板側）と制御基板９Ｉの上面間をプレスして各プレスフィット端子３をスルーホール９ｈ内に一度に挿入し、挿入が完了する。
このとき、プレスフィット端子３の露出部分は、電力用半導体装置１Ｖの内部空間２Ｖｓ内に位置しているので、例えば、特許文献２のように、プレスフィット端子の被押圧面を治具で把持して挿入することは不可能である。そのため、胴体部の中心軸に材料が存在しないような箇所（屈曲部）があるプレスフィット端子の場合は、屈曲部が座屈変形し、プレスフィット端子が未挿入の状態となる。さらに、残肉が中心軸の片側に偏っている場合は、変形方向が限られてしまい、一方向の位置ずれにしか対応できない。
しかしながら、上述したように、胴体部３３に、挿入方向の中心軸の両側に残肉があるように括れ３６が形成されているので、胴体部３３が座屈することはない。このことから、本実施の形態４のように、内部空間２Ｖｓ内で取付を行う場合にも、個々のプレスフィット端子３の胴体部３３を支持する必要がなく、スルーホール９ｈに挿入することが可能である。胴体部３３を支持する必要がないため、治具構成を簡略化でき、治具費用を削減できるだけでなく、生産性を向上することができる。つまり、プレスフィット部３２が筐体の内部（内部空間２Ｖｓ）で配列されている場合、上述した条件を満たすプレスフィット端子３による効果がより顕著にあらわれる。
１，１Ｖ：電力用半導体装置、２，２Ｖ：パッケージ（筐体）、
２Ｖｓ：内部空間、３：プレスフィット端子（端子）、
３Ｖ：ピン端子（端子）、４：ベース板、５：回路基板、
６：電力用半導体素子、７：ボンディングワイヤ、８：はんだ、
９：プリント基板（被接合機器）、 ９ｈ：スルーホール（接点）、
９Ｉ：制御基板（被接合機器）、３２：プレスフィット部（外部端子部）、
３２Ｖ：はんだ用接点（外部端子部）、３３：胴体部、３３ｅ：露出部、
３３ｕ：インサート部、３５：ワイヤボンド部（内部端子部）、
３６：括れ部、３６−１：プレスフィット部に近い方の括れ部、
３６−２：プレスフィット部から遠い方の括れ部、２０１：下治具、
２０２：上治具、Ｌｃｃ：括れ部間の距離、
Ｌｃｐ：プレスフィット部の中心と近い方の括れ部との距離、
Ｐｐ：プレスフィット部の長方向の中心、
Ｗｂ：プレスフィット部の分岐部のそれぞれの幅、
Ｗｃ：括れ部の幅、 Ｗｃ１：近い方の括れ部の幅、
Ｗｃ２：遠い方の括れ部の幅。

Claims (12)

  1. 筐体と、
    前記筐体内に設置され、電力用半導体素子を含む電気回路が形成された回路基板と、
    前記筐体内で前記電気回路と電気接続される内部端子部と、被接続機器と電気接続するためのプレスフィット部と、前記内部端子部に連なる一端が前記筐体内で固定され、他端で前記プレスフィット部を前記筐体から引き離すように支持する胴体部とを有する複数のプレスフィット端子と、を備え、
    前記複数のプレスフィット端子のそれぞれは、板材で形成され、前記胴体部の一端は筐体内部で固定されており、前記胴体部の前記筐体から露出した部分に、前記板材の幅方向に分岐した部分を備えた前記プレスフィット部と前記筐体から露出した部分の根元部分とを結ぶ中心線の部分を残すように、前記中心線に垂直な方向における前記板材の幅方向の両側から窪んだ括れ部が形成され、前記括れ部が塑性変形をするように前記筐体から露出する前記括れ部よりも幅の広い前記胴体部が前記筐体内に埋め込まれて固定されている電力用半導体装置を第１治具に設置する第１設置工程と、
    複数のスルーホールを備える被接続機器を第２治具に設置する第２設置工程と、
    前記複数のプレスフィット端子のプレスフィット部と前記複数のスルーホールの位置を合わせる仮装着工程と、
    前記括れ部を塑性変形させ、前記複数のプレスフィット部と前記複数のスルーホールの位置ずれを吸収し、前記プレスフィット部を前記スルーホールへ挿入し、前記被接続機器と接続するプレス工程と、
    を含むことを特徴とする電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  2. 前記プレスフィット部の分岐した部分のそれぞれが間隔を隔てて対向する両持梁構造であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  3. 前記括れ部の先端が曲線形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  4. 前記プレスフィット部の分岐した部分の４隅の角の断面形状が曲線形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  5. 前記括れ部の幅が、前記プレスフィット部の分岐した部分のそれぞれの幅よりも狭いことを特徴とする請求項４に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  6. 前記複数のプレスフィット端子のそれぞれには、前記括れ部が前記中心線に沿った異なる位置に複数形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  7. 前記複数形成された括れ部のうち、前記プレスフィット部に近い方の括れ部の幅よりも、遠い方の括れ部の幅の方が広いことを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  8. 前記複数のプレスフィット端子のそれぞれの前記プレスフィット部が、前記筐体の内部で配列されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  9. 前記電力用半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  10. 前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、およびダイヤモンドのうちのいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の電力用半導体装置組み込み機器の製造方法。
  11. 筐体と、
    前記筐体内に設置され、電力用半導体素子を含む電気回路が形成された回路基板と、
    前記筐体内で前記電気回路と電気接続される内部端子部と、被接続機器と電気接続するためのプレスフィット部と、前記内部端子部に連なる一端が前記筐体内で固定され、他端で前記プレスフィット部を前記筐体から引き離すように支持する胴体部とを有する複数のプレスフィット端子と、を備え、
    前記複数のプレスフィット端子のそれぞれは、板材で形成され、前記胴体部のうち、前記筐体から露出した部分に、前記板材の幅方向に分岐した部分を備えた前記プレスフィット部と前記筐体から露出した部分の根元部分とを結ぶ中心線の部分を残すように、前記中心線に垂直な方向における前記板材の幅方向の両側から窪んだ括れ部が前記中心線に沿った異なる位置に複数形成されており、前記複数形成された括れ部のうち、前記プレスフィット部に近い方の括れ部の幅よりも、遠い方の括れ部の幅の方が広いことを特徴とする電力用半導体装置。
  12. 筐体と、
    前記筐体内に設置され、電力用半導体素子を含む電気回路が形成された回路基板と、
    前記筐体内で前記電気回路と電気接続される内部端子部と、被接続機器と電気接続するための外部端子部と、前記内部端子部に連なる一端が前記筐体内で固定され、他端で前記外部端子部を前記筐体から引き離すように支持する胴体部とを有する複数の端子と、を備え、
    前記複数の端子のそれぞれは、前記胴体部のうち、前記筐体から露出した部分に、前記外部端子部と前記筐体から露出した部分の根元部分とを結ぶ中心線の部分を残すように、前記中心線に垂直な方向における両側から窪んだ括れ部が前記中心線に沿った異なる位置に複数形成され、前記複数形成された括れ部のうち、前記外部端子部に近い方の括れ部の幅よりも、遠い方の括れ部の幅の方が広いことを特徴とする電力用半導体装置。
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