JPWO2007091349A1 - 積層型フェライト部品、及び積層型フェライト部品の製造方法 - Google Patents

積層型フェライト部品、及び積層型フェライト部品の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明の積層型フェライト部品は、コイル導体2が内蔵されたフェライト素体1を有する積層型フェライト部品において、コイル導体2が、Agを主成分とする導電性ペーストが焼結されてなると共に、フェライト素体1が、Mg−Cu−Zn系フェライト材料を主成分とし、Bi2O3を0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%含有している。また、酸素濃度が10体積%以下、好ましくは5体積%以下の焼成雰囲気で焼成する。これによりMg−Zn−Cu系フェライト材料を使用してもAgとの共焼結が可能な程度に低温焼成して得られる積層型フェライト部品を実現する。

Description

本発明は積層型フェライト部品、及び積層型フェライト部品の製造方法に関し、より詳しくはMg−Cu−Zn系フェライト材料を使用した積層型フェライト部品、及びその製造方法に関する。
積層型フェライト部品は、小型軽量で磁気特性が良好であり、信頼性にも優れていることから、各種電子機器に広く使用されている。
この種の積層型フェライト部品は、通常、フェライト材料からなる磁性体グリーンシートと導電性材料からなるコイルパターンとを交互に積層してなる積層体に焼成処理を施し、これにより磁性体グリーンシートとコイルパターンとを共焼結させてコイル導体の内蔵されたフェライト素体を作製し、その後フェライト素体の外表面に外部電極を形成することにより製造される。
また、導電性材料としては、比較的安価で低抵抗率を有するAgやAg合金等のAgを主成分とする材料が広く使用されている。
一方、フェライト材料としては、近年、環境面やコスト面を考慮し、Mg−Zn−Cu系フェライト材料が注目され、盛んに研究・開発されている。
例えば、特許文献1では、Feが45〜52.5モル%、MgOが10〜50モル%、ZnOが5〜35モル%、CuOが1〜15モル%の主成分組成からなり、2〜70ppmのホウ素(B)を含有したフェライト材料が提案されている。
この特許文献1によれば、Mg−Zn−Cu系フェライトにおいて、2〜70ppmのホウ素(B)を含有させることにより、造粒性の優れた安価なフェライト材料を得ることができる。
特開平10−324564号公報
しかしながら、特許文献1のMg−Zn−Cu系フェライト材料は、その焼成温度が1200℃と高く、このため磁性体グリーンシートとコイルパターンとを共焼結させることができず、積層型フェライト部品の素材としては適さないという問題点があった。
すなわち、前記フェライト材料の焼成温度が1200℃であるのに対し、Agの融点は960℃と低いため、磁性体グリーンシートとコイルパターンとを共焼結させようとすると、融点の低いAgが磁性体グリーンシート側に拡散し、このため所望の磁気特性を有する積層型フェライト部品を得ることができなかった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、Mg−Zn−Cu系フェライト材料を使用してもAgとの共焼結が可能な程度に低温焼成して得られる積層型フェライト部品、及び該積層型フェライト部品の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は上記目的を達成するために鋭意研究したところ、Mg−Zn−Cu系フェライト材料にBiを0.10〜0.50重量%含有することにより、Agの融点よりも低い900℃以下の低温でフェライト材料を焼結させることができ、これにより導電性材料としてAgを使用した場合であっても、共焼結が可能な積層型フェライト部品を得ることができるという知見を得た。
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る積層型フェライト部品は、コイル導体が内蔵されたフェライト素体を有する積層型フェライト部品において、前記コイル導体が、Agを主成分とする導電性ペーストが焼結されてなると共に、前記フェライト素体が、Mg−Cu−Zn系フェライト材料を主成分とし、Biを0.10〜0.50重量%含有していることを特徴としている。
また、Biの含有量を0.25〜0.50重量%とすることにより、良好な磁気特性を確保しつつ、より一層の焼結性向上を図ることができる。
すなわち、本発明の積層型フェライト部品は、前記Biの含有量が、0.25〜0.50重量%であることを特徴としている。
また、本発明に係る積層型フェライト部品の製造方法は、Biが0.10〜0.50重量%含有されたMg−Cu−Zn系フェライト材料を使用して磁性体グリーンシートを作製し、Agを主成分とする導電性ペーストを使用して前記磁性体グリーンシートの表面にコイルパターンを形成し、前記コイルパターンの形成された磁性体グリーンシートを積層して積層体を形成し、酸素濃度が10体積%以下の焼成雰囲気で前記積層体に焼成処理を施してコイル導体が内蔵されたフェライト素体を作製し、その後、前記コイル導体の端部と電気的に接続可能となるように前記フェライト素体の外表面に外部電極を形成することを特徴としている。
さらに、本発明に係る積層型フェライト部品の製造方法は、前記酸素濃度が5体積%以下であることを特徴としている。
本発明の積層型フェライト部品によれば、コイル導体が、Agを主成分とする導電性ペーストが焼結されてなると共に、フェライト素体が、Mg−Cu−Zn系フェライト材料を主成分とし、Biが0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%含有しているので、900℃以下での低温焼成が可能となり、Agを主成分とする導電性材料を使用した場合であってもフェライト素体とコイル導体とが共焼結されてなる積層型フェライト部品を得ることができる。
また、本発明の積層型フェライト部品の製造方法によれば、Biが0.10〜0.50重量%含有されたMg−Cu−Zn系フェライト材料を使用して磁性体グリーンシートを作製し、Agを主成分とする導電性ペーストを使用して前記磁性体グリーンシートの表面にコイルパターンを形成し、前記コイルパターンの形成された磁性体グリーンシートを積層して積層体を形成し、酸素濃度が10体積%以下、好ましくは5体積%以下の焼成雰囲気で前記積層体に焼成処理を施してコイル導体が内蔵されたフェライト素体を作製し、その後、前記コイル導体の端部と電気的に接続可能となるように前記フェライト素体の外表面に外部電極を形成するので、Agを主成分として形成されたコイルパターンと磁性体グリーンシートとが共焼結されてコイル導体が内蔵されたセラミック素体が形成されることとなり、良好な磁気特性を確保しつつ、低温焼成可能な積層型フェライト部品を製造することができる。
本発明に係る積層フェライト部品の一実施の形態を示す斜視図である。 図1の断面図である。 Biの含有量とインダクタンスとの関係を示す図である。 焼成温度と相対密度との関係を示す図である。 酸素濃度と相対密度との関係を示す図である。
符号の説明
1 フェライト素体
3 コイル導体
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
図1は本発明に係る積層型フェライト部品の実施の形態を示す斜視図であり、図2は積層型フェライト部品の断面図である。
図1及び図2において、本積層型フェライト部品は、フェライト素体1と、フェライト素体1に内蔵されたコイル導体2と、フェライト素体1の両端部に形成された外部導体3a、3bとから構成されている。
また、コイル導体2は、所定のコイルパターンを有するように形成された平面状の内部導体4(4a〜4g)が、ビアホール5を介して電気的に直列に接続され、コイル状に巻回されている。そして、本積層型フェライト部品は、内部導体4aの引き出し部6が一方の外部電極3bと電気的に接続されると共に、内部導体4gの引き出し部7は他方の外部電極3aと電気的に接続されている。
そして、上記フェライト素体1は、Mg−Zn−Cuフェライト系材料を主成分とし、Biが0.10〜0.50重量%含有されている。
すなわち、Mg−Zn−Cuフェライト系材料は、環境面やコスト面から従来のNi−Zn−Cuフェライト系材料の代替品として有望視されているが、特許文献1からも明らかなように、従来のMg−Zn−Cuフェライト系材料は焼成温度が1200℃と高い。一方、コイル導体2は、通常、Agを主成分とする導電性ペーストの焼結体で形成されることが多いが、Agの融点は960℃と低い。したがって、コイル導体2とフェライト素体1とを共焼結して形成しようとすると、Agがフェライト素体1側に拡散してしまい、磁気特性を損なうおそれがある。
そこで、本実施の形態では、Biが焼成温度を低下させる作用を有することから、Biをフェライト素体1中に0.10〜0.50重量%含有させ、これにより大気雰囲気であってもフェライト素体1の低温焼成を可能とし、磁気特性を低下させることなくコイル導体2とフェライト素体1とを共焼結させている。
ここで、Biの含有量を0.10〜0.50重量%としたのは、含有量が0.10重量%未満になると十分な低温焼成作用を発揮することができないため焼結性を向上させることができず、また所望の磁気特性を得ることができないからであり、一方、含有量が0.50重量%を超えると異常粒成長した結晶粒子が生成し、このため積層型フェライト部品に適用した場合、内部応力が増大して品質のバラツキや劣化を招くおそれがあるからである。
そして、より一層良好な磁気特性を確保しつつ、かつ、より一層の焼結性向上を図るためには、Biの含有量は0.25〜0.50重量%とするのが好ましい。
このように本実施の形態では、Mg−Zn−Cuフェライト系材料を主成分とし、かつBiが0.10〜0.50重量%含有されているので、大気雰囲気であっても900℃以下の低温焼成が可能となり、したがって導電性材料としてAgを使用した場合であっても、フェライト素体1とコイル導体2とを共焼結させて得ることが可能となる。
また、酸素濃度が10体積%以下、好ましくは5体積%以下の低酸素雰囲気で焼成処理を行うことにより、磁気特性を損なうことなく、より一層の低温焼成が可能となり、焼結性の向上を図ることができる。
次に、上記積層フェライト部品の製造方法を詳述する。
まず、フェライト素原料として Fe、CuO、ZnO及びMgOを用意し、組成範囲が、Fe:40〜51モル%、CuO:5〜30モル%、ZnO:0.5〜35モル%、MgO:5〜50モル%となるようにこれらフェライト素原料を秤量し、さらにBiの含有量が0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%となるように秤量する。そしてこれら秤量物を部分安定化ジルコニア(Partially Stabilized Zirconia;以下、「PSZ」という。)ボール等の粉砕媒体及び溶媒と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で湿式で十分に混合処理を行い、得られた混合物を乾燥させた後、600〜900℃の温度で約2時間仮焼処理を施し、これにより仮焼物を作製する。尚、フェライト素原料の組成範囲を上記範囲としたのは、積層型フェライト部品の磁気特性は組成依存性が非常に強く、上記組成範囲を外れると磁気特性が劣化し、積層型フェライト部品として適さなくなるからである。
次いで、この仮焼物を再度ボールミル内で湿式で粉砕処理を行い、その後バインダ樹脂や可塑剤を添加し、再度湿式粉砕してフェライトスラリーを作製する。そしてこの後、ドクターブレード法により成形加工を施し、所定寸法に切断し、所定厚みの磁性体グリーンシートを作製し、その後、所定位置にビアホールを形成する。
次に、以下の方法で導電性ペーストを作製する。
すなわち、まず、有機バインダと溶剤との配合比率が、例えば1:9となるように調製して有機ビヒクルを作製する。ここで、有機バインダとしてはエチルセルロース樹脂やアルキッド樹脂、或いはこれら両者の混合物を使用することができ、溶剤としては、ジヒドロターピネオールやオイゲノール、或いはこれら両者の混合物を使用することができる。次いで、該有機ビヒクルに平均粒径が0.5〜2.5μm、好ましくは1.5〜1.8μmのAg粒子をAg粒子と有機ビヒクルの比が重量比で、例えば4:1となるように混ぜて3本ロールミルで混練し、これにより導電性ペーストを作製する。尚、導電性ペースト中には脂肪族系多価カルボン酸等の添加剤を必要に応じて含有させるのも好ましい。
そして、この導電性ペーストを使用し、磁性体グリーンシートにスクリーン印刷を施して所定のコイルパターンを形成する。
次に、コイルパターンの形成された磁性体グリーンシートを積層した後、その上下をコイルパターンの形成されていない磁性体グリーンシートで挟持し、圧着し、これによりブロック体を作製し、所定寸法に切断してフェライト積層体を得る。
次いで、このフェライト積層体を温度400〜500℃に加熱して脱バインダ処理を施した後、温度860〜900℃の低温で大気雰囲気、好ましくは酸素濃度が10体積%以下、さらに好ましくは酸素濃度が5体積%以下の低酸素濃度雰囲気で焼成処理を行い、フェライト素体1を作製する。すなわち、大気雰囲気で焼成する場合は焼成温度を880〜900℃、酸素濃度が10体積%以下、さらに好ましくは酸素濃度が5体積%以下の低酸素濃度雰囲気で焼成する場合は焼成温度を860〜870℃の低温に設定して焼成処理を行う。
次に、フェライト素体1の両端部に前記導電性ペーストを塗布・焼き付けて外部導体3a、3bを形成し、これにより積層フェライト部品が作製される。
このように本実施の形態では、Biを0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%含有した積層体を、900℃以下の低温で焼成してフェライト素体を作製しているので、Agを主成分とする導電性材料を使用した場合であっても、磁性体グリーンシートとコイルパターンとを共焼結させることができ、したがってMg−Zn−Cu系フェライト材料を使用した場合であってもNi−Zn−Cu系フェライト材料と比べて遜色のない良好な磁気特性を有する積層型フェライト部品を得ることができる。
また、酸素濃度を10体積%以下、さらに好ましくは5体積%以下の低酸素濃度雰囲気で焼成する場合は、焼成温度を860〜870℃まで低下させても共焼結させることができ、磁気特性及び焼結性をより一層向上させることが可能な積層型フェライト部品を得ることができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、フェライト素原料としてMgOを使用しているが、MgOと共に、又はMgOに代えてMg(OH)、MgCOを使用することもできる。
また、上記実施の形態では、コイル導体2の巻回方向(コイルの軸方向)がチップの実装面に対して垂直であるが(縦巻き)、実装面に対し平行であってもよい(横巻き)。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。
まず、フェライト素原料としてFe、ZnO、Mg(OH)を用意した。そして、Feが49モル%、ZnOを29モル%、CuOを8モル%、Mg(OH)が14モル%となるようにこれらフェライト素原料を秤量し、さらに、Biの含有量が0〜0.75重量%となるようにBiを秤量し、これら秤量物をPSZボール及び純水と共にボールミルに投入し、該ボールミル内で48時間、湿式混合を行い、混合物を得た。次いで、この混合物を乾燥し、粉砕した後、750℃の温度で2時間仮焼し、仮焼物を得た。
次に、この仮焼物を再びPSZボール及び純水と共にボールミルに投入し、該ボールミルで16時間湿式で粉砕処理を行った。そしてこの後、この粉砕物にアクリル樹脂(有機バインダ)を所定量添加し、フェライトスラリーを得た。
次いで、ドクターブレード法を使用して前記フェライトスラリーに成形加工を施し、磁性体グリーンシートを作製し、その後レーザ加工機を使用して前記磁性体グリーンシートの所定位置にビアホールを形成した。
次いで、スクリーン印刷法を使用して磁性体グリーンシートの上面に導電性ペーストを印刷し、内部導体となるべき所定形状のコイルパターンを形成した。
ここで、導電性ペーストは、平均粒径が1.7μmのAg粉末を有機ビヒクル中に分散させ(Ag粉末:有機ビヒクル=4:1)、3本ロールミルで十分に混練し、Agペーストを作製した。尚、有機ビヒクルとしては、エチルセルロース樹脂とジヒドロターピネオールとの比が重量比で1:9となるようにエチルセルロース樹脂をジヒドロターピネオールに溶解させ、かつ脂肪族系多価カルボン酸を適当量添加したものを使用した。
次いで、コイルパターンの形成された磁性体グリーンシートを所定枚数積層し、さらに、その上下両面にコイルパターンの形成されていない磁性体グリーンシートを積層し、これを9.8×10Pa(1000kgf/cm)の加圧力で圧着してブロック体を形成し、このブロック体を所定寸法に切断してフェライト積層体を得た。尚、コイルターン数は4.5であった。
次に、このフェライト積層体に450℃の温度で脱バインダ処理を施した後、大気雰囲気とされた焼成炉を最高温度900℃で2時間保持して焼成処理を行い、コイル導体が埋設されたフェライト素体を作製した。尚、温度上昇は、5℃/分の温度勾配で室温から上記最高温度まで上昇させ、温度冷却は、−5℃/分の温度勾配で上記最高温度から室温まで冷却させた。
次いで、このフェライト素体に端面処理を施した後、該フェライト素体の両端面に、別途作製したAgペーストを塗布し、その後700℃の温度で焼付け処理を行って外部導体を形成し、さらにNiめっき、Snめっきを順次施して外部導体の表面にNi被膜及びSn被膜を形成し、これにより試料番号1〜5の積層型フェライト部品を作製した。尚、作製された積層型フェライト部品の外形寸法は、長さ2.0mm、幅1.25mm、厚み0.85mmであった。
次に、試料番号1〜5の積層型フェライト部品について、LCRメータ(ヒューレット・パッカード社製HP4194A)を使用して周波数1MHzにおけるインダクタンスを測定し、Biの含有量とインダクタンスとの関係を調べた。
図3はその測定結果を示しており、横軸がBiの含有量(重量%)、縦軸がインダクタンス(μH)である。尚、試料番号1はBiの含有量が0重量%、試料番号2はBiの含有量が0.10重量%、試料番号3はBiの含有量が0.25重量%、試料番号4はBiの含有量が0.50重量%、試料番号5はBiの含有量が0.75重量%である。
この図3から明らかなように、Biをフェライト素体中に含有させることによりインダクタンスは向上し、Biの含有量が0.10重量%を超えると15μH以上の良好なインダクタンスを得ることができることが分かった。一方、Biの含有量が0.50重量%を超えるとインダクタンスが低下傾向となっている。これはBiの含有量が0.50重量%を超えると、粒径が10μm以上の異常粒成長した結晶粒子が生成し、その結果、フェライト素体とコイル導体との間の内部応力が増大し、その結果インダクタンスの劣化を招くものと思われる。そしてこのような異常粒成長の生じた積層型フェライト部品は品質のバラツキが大きくなり、信頼性を損なうおそれがある。したがって磁気特性を考慮すると、Biの含有量は0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%とする必要があることが確認された。
上記実施例1と同様の方法・手順でBiの含有量が異なるフェライト積層体を作製し、このフェライト積層体に温度450℃で脱バインダ処理を行った後、大気雰囲気とされた焼成炉内の温度を最高温度860℃、880℃、900℃、920℃、及び940℃に各々設定してそれぞれ2時間保持し、焼成処理を行ってフェライト素体を作製した。尚、温度勾配は〔実施例1〕と同様、5℃/分で行った。
そしてその後は〔実施例1〕と同様の方法・手順で試料番号11〜15の積層型フェライト部品を作製した。
次に、この積層型フェライト部品の作製途中で得られた仮焼物について、その格子定数を粉末X線回折装置を使用して測定し、理論密度を算出した。そして、上記フェライト素体の密度をアルキメデス法で測定し、この測定された密度(測定密度)を理論密度で除算して相対密度を求めた。
図4は焼成温度と相対密度との関係を示す図であり、横軸は焼成温度(℃)、縦軸は相対密度(%)である。試料番号11はBiの含有量が0重量%、試料番号12はBiの含有量が0.10重量%、試料番号13はBiの含有量が0.25重量%、試料番号14はBiの含有量が0.50重量%、試料番号15はBiの含有量が0.75重量%である。
この図4から明らかなように、Biの含有量が増加するのに伴い、相対密度が向上することが分かる。すなわち、Biの含有量が0.10重量%では焼成温度が900℃のときでも相対密度は96%以上となって極めて高い焼結性を得ることができ、また、Biの含有量が0.25重量%以上になると、焼成温度が880℃でも相対密度は96%以上となる。ただし、〔実施例1〕でも述べたように、Biの含有量が0.50重量%を超えると、粒径が10μm以上の異常粒成長した結晶粒子が生成し、その結果、磁性体層とコイル導体との間の内部応力が増大し、品質のバラツキが大きくなって信頼性を損なうおそれがある。したがって、大気雰囲気で焼成しても、磁気特性を損なうことなく低温焼成が可能な積層フェライト部品を得るためには、Biの含有量は0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%とする必要のあることが分かった。
上記実施例1と同様の方法・手順でBiの含有量の異なるフェライト積層体を作製し、このフェライト積層体に450℃の温度で脱バインダ処理を施した後、焼成炉内の酸素濃度を1体積%、5体積%、10体積%、15体積%、21体積%(大気雰囲気)に各々設定し、最高温度860℃でそれぞれ2時間保持して焼成処理を行い、これによりフェライト素体を作製した。
そしてその後は〔実施例1〕と同様の方法・手順で試料番号21〜25の積層型フェライト部品を作製した。尚、温度勾配は〔実施例1〕及び〔実施例2〕と同様、±5℃/分で行った。
次いで、〔実施例2〕と同様の方法・手順で、試料番号21〜25の積層型フェライト部品の相対密度を求めた。
図5は焼成温度と酸素濃度との関係を示す図であり、横軸は酸素濃度(体積%)、縦軸は相対密度(%)である。試料番号21はBiの含有量が0重量%、試料番号22はBiの含有量が0.10重量%、試料番号23はBiの含有量が0.25重量%、試料番号24はBiの含有量が0.50重量%、試料番号25はBiの含有量が0.75重量%である。
この図5から明らかなように、Biをフェライト素体中に含有させ、かつ酸素濃度を10体積%以下とすることにより、積層型フェライト部品の相対密度が顕著に向上することが分かる。すなわち、Biの含有量が0.10重量%では酸素濃度が10体積%のときでも焼成温度が860℃で相対密度は92%以上となって良好な焼結性を得ることができ、さらに酸素濃度が5体積%になると相対密度は96%以上となり、焼結性が向上する。また、Biの含有量が0.25重量%以上になると、焼成温度が860℃のときでも相対密度は94%以上となり、酸素濃度が5体積%になると相対密度は98%以上の極めて良好な焼結性を有する積層型フェライト部品を得ることができる。ただし、〔実施例1〕でも述べたように、Biの含有量が0.50重量%を超えると、粒径が10μm以上の異常粒成長した結晶粒子が生成し、その結果、磁性体層とコイル導体との間の内部応力が増大し、品質のバラツキが大きくなって信頼性を損なうおそれがある。したがって、Biの含有量は0.10〜0.50重量%、好ましくは0.25〜0.50重量%とし、かつ10体積%以下、好ましくは5体積%以下の低酸素濃度雰囲気で焼成することにより、磁気特性を損なうことなく、低温焼成が可能な積層型フェライト部品を得ることのできることが分かった。
尚、上記各実施例では、積層型フェライト部品の外形寸法は、長さ2.0mm、幅1.25mm、厚み0.85mmであったが、長さ0.6mm、幅0.3mm、厚み0.3mm〜長さ3.2mm、幅1.6mm、厚み1.1mmの各種寸法の積層型フェライト部品でも略同様の結果が得られたことを確認した。

Claims (4)

  1. コイル導体が内蔵されたフェライト素体を有する積層型フェライト部品において、
    前記コイル導体が、Agを主成分とする導電性ペーストが焼結されてなると共に、前記フェライト素体が、Mg−Cu−Zn系フェライト材料を主成分とし、Biを0.10〜0.50重量%含有していることを特徴とする積層型フェライト部品。
  2. 前記Biの含有量が、0.25〜0.50重量%であることを特徴とする請求項1記載の積層型フェライト部品。
  3. Biが0.10〜0.50重量%含有されたMg−Cu−Zn系フェライト材料を使用して磁性体グリーンシートを作製し、Agを主成分とする導電性ペーストを使用して前記磁性体グリーンシートの表面にコイルパターンを形成し、前記コイルパターンの形成された磁性体グリーンシートを積層して積層体を形成し、酸素濃度が10体積%以下の焼成雰囲気で前記積層体に焼成処理を施してコイル導体が内蔵されたフェライト素体を作製し、その後、前記コイル導体の端部と電気的に接続可能となるように前記フェライト素体の外表面に外部電極を形成することを特徴とする積層型フェライト部品の製造方法。
  4. 前記酸素濃度は5体積%以下であることを特徴とする請求項3記載の積層型フェライト部品の製造方法。
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