JP7331636B2 - semiconductor package - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換装置を用いた半導体パッケージに関する。 The present invention relates to a semiconductor package using a thermoelectric conversion device.
半導体パッケージにおいて、発熱する半導体装置の温度調整を行うために熱電変換装置が用いられる。従来は平面形状が四角い熱電変換装置が用いられていた(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art In a semiconductor package, a thermoelectric conversion device is used to adjust the temperature of a heat-generating semiconductor device. Conventionally, a thermoelectric converter having a square planar shape has been used (see Patent Document 1, for example).
円形同軸型の半導体パッケージでは円形のベース板が用いられる。四角形の熱電変換装置は、リード端子などの他の部品との接触を避けるためにベース板の中央部に配置できず、小型化してベース板の端に寄せて配置される。熱電変換装置が小型になることで温度制御能力が低下する。このため、十分に放熱できずに半導体装置の熱暴走が発生する場合があった。 A circular base plate is used in a circular coaxial semiconductor package. A quadrangular thermoelectric converter cannot be placed in the center of the base plate in order to avoid contact with other parts such as lead terminals, and is miniaturized and placed closer to the edge of the base plate. As the thermoelectric conversion device becomes smaller, the temperature control capability decreases. As a result, the heat cannot be sufficiently radiated, and thermal runaway of the semiconductor device may occur.
また、熱電変換装置はベース板及び半導体装置とはんだにより接合される。このはんだ接合部において、熱膨張係数差による応力が四角形の熱電変換装置の最外周の角部に集中する。このため、熱電変換装置のペルチェ素子にクラックが発生する場合があった。 Also, the thermoelectric conversion device is soldered to the base plate and the semiconductor device. In this solder joint, the stress due to the difference in thermal expansion coefficients concentrates on the outermost corners of the rectangular thermoelectric converter. Therefore, cracks may occur in the Peltier element of the thermoelectric conversion device.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は温度制御能力を向上させることができクラックが発生し難い半導体パッケージを得るものである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor package which can improve temperature controllability and is less likely to crack.
本発明に係る第1の半導体パッケージは、平面形状が円形のベース板と、前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、前記熱電変換装置は、前記下基板の上面と前記上基板の下面にそれぞれ設けられ、前記P型半導体と前記N型半導体を接続する複数の電極を有し、前記電極は、前記N型半導体と接合される第1の部分と、前記P型半導体と接合される第2の部分と、前記第1の部分と前記第2の部分の間に配置され両者を接続する接続部分とを有し、前記接続部分は台形であることを特徴とする。
本発明に係る第2の半導体パッケージは、平面形状が円形のベース板と、前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、前記N型半導体と前記P型半導体の平面形状が台形であることを特徴とする。
本発明に係る第3の半導体パッケージは、平面形状が円形のベース板と、前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、前記N型半導体と前記P型半導体の断面形状が台形であることを特徴とする。
本発明に係る第4の半導体パッケージは、平面形状が円形のベース板と、前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、前記熱電素子の第1の端子が前記下基板の外周部に配置され、前記熱電素子の第2の端子が前記下基板の中央部に配置され、記ベース板の中央部と前記下基板の中央部を貫通して前記第2の端子に接続されたリード端子を更に備えることを特徴とすることを特徴とする。
本発明に係る第5の半導体パッケージは、平面形状が円形のベース板と、前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、前記熱電素子の第1の端子が前記下基板の中央部を貫通して前記下基板の下面に引き出され、前記熱電素子の第2の端子が前記上基板の中央部を貫通して前記上基板の上面に引き出されていることを特徴とすることを特徴とする。
A first semiconductor package according to the present invention includes a base plate having a circular planar shape, a lower substrate provided on the base plate, an upper substrate arranged to face the lower substrate, and the lower substrate. and a thermoelectric device provided between the thermoelectric device and the upper substrate and having thermoelectric elements in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately connected in series, and the planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical. The thermoelectric conversion device has a plurality of electrodes provided respectively on the upper surface of the lower substrate and the lower surface of the upper substrate and connecting the P-type semiconductor and the N-type semiconductor. a first portion bonded to a semiconductor; a second portion bonded to the P-type semiconductor; and a connection portion disposed between the first portion and the second portion to connect the two. and the connecting portion is trapezoidal .
A second semiconductor package according to the present invention includes a base plate having a circular planar shape, a lower substrate provided on the base plate, an upper substrate arranged to face the lower substrate, and the lower substrate. and a thermoelectric device provided between the upper substrate and the thermoelectric element in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately connected in series, wherein the planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical. and the N-type semiconductor and the P-type semiconductor are trapezoidal in plan view.
A third semiconductor package according to the present invention includes a base plate having a circular planar shape, a lower substrate provided on the base plate, an upper substrate arranged to face the lower substrate, and the lower substrate. and a thermoelectric device provided between the upper substrate and the thermoelectric element in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately connected in series, wherein the planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical. , wherein the N-type semiconductor and the P-type semiconductor have trapezoidal cross-sectional shapes.
A fourth semiconductor package according to the present invention includes a base plate having a circular planar shape, a lower substrate provided on the base plate, an upper substrate arranged to face the lower substrate, and the lower substrate. and a thermoelectric device provided between the upper substrate and the thermoelectric element in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately connected in series, wherein the planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical. , the first terminal of the thermoelectric element is arranged on the outer peripheral portion of the lower substrate, the second terminal of the thermoelectric element is arranged on the central portion of the lower substrate, and the central portion of the base plate and the lower substrate are separated from each other. It is characterized by further comprising a lead terminal penetrating through the central portion and connected to the second terminal.
A fifth semiconductor package according to the present invention includes a base plate having a circular planar shape, a lower substrate provided on the base plate, an upper substrate arranged to face the lower substrate, and the lower substrate. and a thermoelectric device provided between the upper substrate and the thermoelectric element in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately connected in series, wherein the planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical. , the first terminal of the thermoelectric element penetrates through the central portion of the lower substrate and is led out to the lower surface of the lower substrate, and the second terminal of the thermoelectric element penetrates the central portion of the upper substrate and extends to the upper surface. It is characterized in that it is pulled out to the upper surface of the substrate.
本発明では、円形のベース板の上に円形又は楕円形の熱電変換装置を配置する。これにより、熱電変換装置を小型化せずにベース板に配置することができる。このため、温度制御能力を向上させることができる。また、円形又は楕円形の熱電変換装置は角部が無いので応力集中を緩和し、温度勾配が大きい場合でもクラックが発生し難くなる。 In the present invention, a circular or elliptical thermoelectric conversion device is arranged on a circular base plate. Thereby, the thermoelectric conversion device can be arranged on the base plate without downsizing. Therefore, the temperature control ability can be improved. In addition, since the circular or elliptical thermoelectric conversion device has no corners, stress concentration is alleviated, and cracks are less likely to occur even when the temperature gradient is large.
実施の形態に係る半導体パッケージについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。 A semiconductor package according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same or corresponding components, and repetition of description may be omitted.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る半導体パッケージを示す斜視図である。この半導体パッケージは円形同軸型である。平面形状が円形のベース板1の外周部を複数のリード端子2が貫通している。熱電変換装置3がベース板1の上に設けられている。熱電変換装置3の上に被冷却物又は被加熱物である半導体装置4が設けられている。半導体装置4は例えば発光素子5を有する光半導体装置である。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor package according to Embodiment 1. FIG. This semiconductor package is of the circular coaxial type. A plurality of
図2は、実施の形態1に係る半導体パッケージを示す平面図である。複数のリード端子2がベース板1の外周部を貫通するパッケージでは、ベース板1の中央部に円形の空きスペースが存在する。円形又は楕円形の熱電変換装置3が、リード端子2が存在するベース板1の外周部を避けて、ベース板1の中央部の空きスペースに配置されている。
FIG. 2 is a plan view showing the semiconductor package according to Embodiment 1. FIG. In a package in which a plurality of
図3は、熱電変換装置を示す断面図である。熱電変換装置3は、下基板6と、下基板6に対向して配置された上基板7と、下基板6と上基板7との間に設けられた熱電素子8とを有する。下基板6と上基板7はセラミクス基板である。下基板6はベース板1の上に設けられ、両者ははんだにより接合される。上基板7の上に半導体装置4が設けられ、両者ははんだにより接合される。下基板6の上面と上基板7の下面にそれぞれ金からなる複数の電極9が設けられている。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a thermoelectric conversion device. The
熱電素子8は、交互に直列に接続されたN型半導体8aとP型半導体8bを有するペルチェ素子である。電極9によりP型半導体8bとN型半導体8aが接続されている。熱電素子8は電気を熱に変えて温度を制御する。従って、熱電素子8に直流電力を供給することにより、下基板6と上基板7の一方を放熱面、他方を冷却面として作用させることができる。電流の向きを変えることで熱伝導の方向を変えることができる。電流の大きさを変えることで熱量の大きさを変えることができる。なお、ゼーベック効果により上基板7と下基板6の温度差に比例した大きさの電位が熱電素子8で発生する。この発電電力を熱電素子8の両端から取り出すことで発電装置を構成することもできる。
The
図4は、実施の形態1に係る半導体パッケージの下基板を示す上面図である。図5は、実施の形態1に係る半導体パッケージの上基板を示す下面図である。複数の電極9が同心円状に配置されている。各電極9にN型半導体8aとP型半導体8bが接続されている。熱電素子8のプラス端子10とマイナス端子11の両方が下基板6の上面の外周部に配置されている。プラス端子10とマイナス端子11は、熱電変換装置3の電極9を下基板6の外周部に引き出して、上方から金ワイヤ12を打てる構造に構成されている。従って、下基板6の外周部にプラス端子10とマイナス端子11を設けるためのスペースを確保する必要がある。
4 is a top view showing the lower substrate of the semiconductor package according to the first embodiment. FIG. 5 is a bottom view showing the upper substrate of the semiconductor package according to the first embodiment. FIG. A plurality of
図6は、実施の形態1に係る熱電素子の電極を示す平面図である。電極9は、N型半導体8aと接合される第1の部分9aと、P型半導体8bと接合される第2の部分9bと、第1の部分9aと第2の部分9bの間に配置され両者を接続する接続部分9cとを有する。第1の部分9aと第2の部分9bは四角形であるが、接続部分9cは台形である。
6 is a plan view showing electrodes of the thermoelectric element according to Embodiment 1. FIG. The
図7は、実施の形態1に係る接続部分を示す平面図である。接続部分9cの下辺と斜辺の間の角度が75°である。接続部分9cの上辺と斜辺の間の角度が90°+15°である。これらの角度は必要に応じて調整可能である。接続部分9cは通常は四角形であるが、本実施の形態では台形にしている。これにより、下基板6及び上基板7の形状に合わせて複数の電極9を円形又は楕円形に密集して配置することができる。従って、熱電変換装置3の温度制御能力を確保することができる。
7 is a plan view showing a connecting portion according to Embodiment 1. FIG. The angle between the lower side and the oblique side of the connecting
続いて、本実施の形態の効果について比較例と比較して説明する。図8は、比較例に係る半導体パッケージを示す平面図である。比較例では、平面形状が四角い熱電変換装置3が用いられている。四角形の熱電変換装置3は、リード端子2との接触を避けるために円形のベース板1の中央部に配置できず、小型化してベース板1の端に寄せて配置される。熱電変換装置3が小型になることで温度制御能力が低下する。また、熱電変換装置3とベース板1及び半導体装置4とのはんだ接合部において、熱膨張係数差による応力が四角形の熱電変換装置3の最外周の角部に集中する。このため、熱電変換装置3のペルチェ素子にクラックが発生する場合がある。
Next, the effect of this embodiment will be described in comparison with a comparative example. FIG. 8 is a plan view showing a semiconductor package according to a comparative example. In the comparative example, a
これに対して、本実施の形態では、平面形状が円形のベース板1の上に円形又は楕円形の熱電変換装置3を配置する。これにより、熱電変換装置3を小型化せずにベース板1の中央部の空きスペースに配置することができる。このため、温度制御能力を向上させることができる。また、円形又は楕円形の熱電変換装置3は、応力が集中する角部が無いため、温度勾配が大きい場合でもクラックが発生し難い。
On the other hand, in the present embodiment, a circular or elliptical
図9は、実施の形態1に係る熱電変換素子の変形例1を示す平面図である。N型半導体8aとP型半導体8bの平面形状が台形である。これにより、複数のN型半導体8aとP型半導体8bを下基板6及び上基板7の形状に合わせて効率的に配置できるため、熱電変換装置3の温度制御能力を確保することができる。なお、台形のN型半導体8aとP型半導体8bに接合できるように電極9の形状を設計する必要がある。
9 is a plan view showing Modification 1 of the thermoelectric conversion element according to Embodiment 1. FIG. The planar shapes of the N-
図10は、実施の形態1に係る熱電変換素子の変形例2を示す平面図である。N型半導体8aとP型半導体8bの断面形状が台形である。これにより熱電素子8に印加される上下方向の応力を分散することができるため、熱電素子8のクラック、剥離又は変形を抑制することができる。なお、変形例1のようにN型半導体8aとP型半導体8bの平面形状が台形でも応力を分散することができる。また、N型半導体8a、P型半導体8b及び電極9はそれぞれ複数設けられているが、応力の集中を防ぐために、各部材のサイズと形状の規格を統一する必要がある。また、N型半導体8aとP型半導体8bを均等に配置することでも応力の集中を防ぐことができる。
10 is a plan
実施の形態2.
図11は、実施の形態2に係る熱電変換装置の下基板を示す上面図である。図12は、実施の形態2に係る熱電変換装置の上基板を示す下面図である。図13は、実施の形態2に係る熱電変換装置を示す断面図である。
11 is a top view showing the lower substrate of the thermoelectric conversion device according to
熱電素子8のプラス端子10が下基板6の外周部に配置され、熱電素子8のマイナス端子11が下基板6の中央部に配置されている。マイナス端子11は下基板6の中央部を貫通して下基板6の下面に引き出され、GND電位であるベース板1に接続されている。これにより、下基板6の上面にマイナス端子11を設けるためのワイヤボンド可能なスペースを確保する必要が無い。また、マイナス端子11に接続されるワイヤが不要となるため、ワイヤ断線のリスクを低減できる。なお、ワイヤの抵抗が無くなるが、熱電素子8の電極9の幅と厚みを調整することで熱暴走時の抵抗を確保することができる。
A
実施の形態3.
図14は、実施の形態3に係る熱電変換装置をベース板に取り付ける様子を示す側面図である。図15は、実施の形態3に係る熱電変換装置をベース板に取り付けた状態を示す平面図である。熱電素子8のマイナス端子11が下基板6の中央部に配置されている。下基板6の中央部に貫通穴13が設けられている。リード端子14がベース板1の中央部と下基板6の中央部を貫通してマイナス端子11に接続される。ベース板1と熱電変換装置3を接合するはんだが熱暴走で再融解した場合でも、下基板6を貫通するリード端子14のアンカー効果により熱電変換装置3の位置ズレを防止することができる。
14 is a side view showing how the thermoelectric conversion device according to
実施の形態4.
図16は、実施の形態4に係る熱電変換装置の下基板を示す平面図である。図17は、実施の形態4に係る熱電変換装置の上基板を示す平面図である。図18は、実施の形態4に係る熱電変換装置を示す断面図である。熱電素子8のマイナス端子11が下基板6の中央部を貫通して下基板6の下面に引き出されている。熱電素子8のプラス端子10が上基板7の中央部を貫通して上基板7の上面に引き出されている。この場合、上基板7の上面の外周部でワイヤボンドを行ってもよい。
Embodiment 4.
16 is a plan view showing the lower substrate of the thermoelectric converter according to Embodiment 4. FIG. 17 is a plan view showing the upper substrate of the thermoelectric converter according to Embodiment 4. FIG. 18 is a cross-sectional view showing a thermoelectric conversion device according to Embodiment 4. FIG. A
図19は、実施の形態4に係る熱電変換装置の変形例を示す断面図である。複数の前記熱電変換装置3が重なって直列に接続されて多重層配線構造が構成されている。これにより温度制御能力が向上するため、制御できる温度領域を広げることができ、対象物を効率的に加熱又は冷却させることができる。
19 is a cross-sectional view showing a modification of the thermoelectric converter according to Embodiment 4. FIG. A plurality of
1 ベース板、2,14 リード端子、3 熱電変換装置、6 下基板、7 上基板、8 熱電素子、8a N型半導体、8b P型半導体、9 電極、9a 第1の部分、9b 第2の部分、9c 接続部分、10 プラス端子(第1の端子)、11 マイナス端子(第2の端子)
1
Claims (9)
前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、
前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、
前記熱電変換装置は、前記下基板の上面と前記上基板の下面にそれぞれ設けられ、前記P型半導体と前記N型半導体を接続する複数の電極を有し、
前記電極は、前記N型半導体と接合される第1の部分と、前記P型半導体と接合される第2の部分と、前記第1の部分と前記第2の部分の間に配置され両者を接続する接続部分とを有し、
前記接続部分は台形であることを特徴とする半導体パッケージ。 a base plate having a circular planar shape;
a lower substrate provided on the base plate; an upper substrate facing the lower substrate; and alternately p-type semiconductors and n-type semiconductors provided between the lower substrate and the upper substrate. A thermoelectric conversion device having a thermoelectric element connected in series,
The planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical,
The thermoelectric conversion device has a plurality of electrodes provided respectively on the upper surface of the lower substrate and the lower surface of the upper substrate and connecting the P-type semiconductor and the N-type semiconductor,
The electrode has a first portion that is bonded to the N-type semiconductor, a second portion that is bonded to the P-type semiconductor, and is disposed between the first portion and the second portion to connect the two. and a connecting portion to be connected,
The semiconductor package , wherein the connecting portion is trapezoidal .
前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、
前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、
前記N型半導体と前記P型半導体の平面形状が台形であることを特徴とする半導体パッケージ。 a base plate having a circular planar shape;
a lower substrate provided on the base plate; an upper substrate facing the lower substrate; and alternately p-type semiconductors and n-type semiconductors provided between the lower substrate and the upper substrate. A thermoelectric conversion device having a thermoelectric element connected in series,
The planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical,
A semiconductor package, wherein the planar shapes of the N-type semiconductor and the P-type semiconductor are trapezoidal.
前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、
前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、
前記N型半導体と前記P型半導体の断面形状が台形であることを特徴とする半導体パッケージ。 a base plate having a circular planar shape;
a lower substrate provided on the base plate; an upper substrate facing the lower substrate; and alternately p-type semiconductors and n-type semiconductors provided between the lower substrate and the upper substrate. A thermoelectric conversion device having a thermoelectric element connected in series,
The planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical,
A semiconductor package, wherein cross-sectional shapes of the N-type semiconductor and the P-type semiconductor are trapezoidal.
前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、
前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、
前記熱電素子の第1の端子が前記下基板の外周部に配置され、前記熱電素子の第2の端子が前記下基板の中央部に配置され、
前記ベース板の中央部と前記下基板の中央部を貫通して前記第2の端子に接続されたリード端子を更に備えることを特徴とする半導体パッケージ。 a base plate having a circular planar shape;
a lower substrate provided on the base plate; an upper substrate facing the lower substrate; and alternately p-type semiconductors and n-type semiconductors provided between the lower substrate and the upper substrate. A thermoelectric conversion device having a thermoelectric element connected in series,
The planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical,
a first terminal of the thermoelectric element is arranged on the outer peripheral portion of the lower substrate, and a second terminal of the thermoelectric element is arranged on the central portion of the lower substrate;
A semiconductor package, further comprising a lead terminal penetrating through the central portion of the base plate and the central portion of the lower substrate and connected to the second terminal.
前記ベース板の上に設けられた下基板と、前記下基板に対向して配置された上基板と、前記下基板と前記上基板との間に設けられP型半導体とN型半導体を交互に直列に接続した熱電素子とを有する熱電変換装置とを備え、
前記熱電変換装置の平面形状は円形又は楕円形であり、
前記熱電素子の第1の端子が前記下基板の中央部を貫通して前記下基板の下面に引き出され、
前記熱電素子の第2の端子が前記上基板の中央部を貫通して前記上基板の上面に引き出されていることを特徴とする半導体パッケージ。 a base plate having a circular planar shape;
a lower substrate provided on the base plate; an upper substrate facing the lower substrate; and alternately p-type semiconductors and n-type semiconductors provided between the lower substrate and the upper substrate. A thermoelectric conversion device having a thermoelectric element connected in series,
The planar shape of the thermoelectric conversion device is circular or elliptical,
a first terminal of the thermoelectric element penetrates the central portion of the lower substrate and is drawn out to the lower surface of the lower substrate;
A semiconductor package, wherein a second terminal of said thermoelectric element penetrates through a central portion of said upper substrate and is led out to the upper surface of said upper substrate.
前記熱電変換装置は前記ベース板の中央部に配置されていることを特徴とする請求項1~8の何れか1項に記載の半導体パッケージ。 9. The semiconductor package according to any one of claims 1 to 8, wherein said thermoelectric conversion device is arranged in a central portion of said base plate.
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