KR101125865B1 - 솔더 페이스트, 이를 사용하여 형성된 솔더링 접합부, 및 상기 솔더링 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판 - Google Patents

Abstract

주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu)를 함유하는 제1 분말; 비스무스(Bi)를 함유하는 제2 분말; 및 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트, 이를 사용하여 형성된 솔더링 접합부, 및 상기 솔더링 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판이 제공된다.

Description

솔더 페이스트, 이를 사용하여 형성된 솔더링 접합부, 및 상기 솔더링 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판{Solder paste, soldered joint formed using the same, and printed circuit board having the soldered joint}

솔더 페이스트, 이를 사용하여 형성된 솔더링 접합부, 및 상기 솔더링 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판이 개시된다.

솔더링(soldering)은 450℃ 이하의 융점을 가지는 솔더(solder)를 이용하여 접합하고자 하는 피접합 재료를 접합시키는 기술로서, 모재는 녹이지 않고 솔더만 녹여 접합시키는 기술이다.

종래에 이러한 솔더링에 사용되던 솔더 합금은 납(Pb)과 주석(Sn)의 합금이었다. 이 Pb-Sn 합금의 솔더는 대부분 Pb-63%Sn의 공정(eutectic) 조성이고, 융점은 183℃로서 전자부품을 열적으로 손상시키지 않는 적당한 온도로 되어 있을 뿐만 아니라, BGA(Ball Grid Array)의 전극이나 인쇄 회로 기판의 랜드에 대한 젖음성이 우수하기 때문에 솔더링 불량도 적다는 우수한 특징이 있다.

그러나, 이러한 Pb-Sn 솔더 합금은 이 솔더 합금이 사용된 전자기기가 폐기될 경우 솔더 속의 납성분으로 인해 환경오염의 원인이 되어, 납 성분에 대한 규제 가 강화됨에 따라 더 이상 사용되기 어렵게 되었다.

따라서, 최근에는 Pb를 전혀 함유하지 않는 무연 솔더를 사용하고 있다. 이러한 무연 솔더의 가장 대표적인 것은 Sn을 주성분으로 한 Sn-Ag계, Sn-Cu계, Sn-Bi계, Sn-Zn계 및 상기한 계열의 합금에 다시 Ag, Cu, Zn, In, Ni, Cr, Fe, Co, Ge, P 및 Ga 등을 적절히 첨가한 것이다.

Sn-Ag계에 Cu를 첨가한 무연 솔더 중 Sn-3Ag-0.5Cu는 납땜성(solderability), 접합강도 및 내열피로성 등의 특성이 우수하기 때문에, 현재에는 많은 전자기기의 솔더링(soldering)에 사용되고 있고, 또한 BGA의 범프 및 볼을 형성하기 위한 솔더 합금으로도 사용되고 있다.

상기 Sn-3Ag-0.5Cu 조성의 무연솔더는 217~219℃의 높은 융점을 가지고, 그 결과, 높은 융점을 갖는 솔더는 높은 온도에서 솔더링이 진행되어야 하므로, 전자부품의 열손상을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면,

주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu)를 함유하는 제1 분말; 비스무스를 함유하는 제2 분말; 및 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다.

상기 제1 분말은 0.1 wt% 내지 4.9 wt%의 은, 0.1 wt% 내지 0.9 wt%의 구리, 및 잔부의(a balance of) 주석을 함유할 수 있다.

상기 제2 분말은 비스무스 분말 또는 40 wt% 내지 70 wt%의 비스무스 및 잔부의 주석을 함유하는 Sn-Bi 합금 분말일 수 있다.

상기 제1 분말 대 제2 분말의 중량비는 70:30 내지 98:2일 수 있다.

상기 솔더 페이스트는 0.1 wt% 내지 4.9 wt%의 은, 0.1 wt% 내지 0.9 wt%의 구리, 2.5 wt% 내지 20 wt%의 비스무스 및 잔부의(a balance of) 주석을 함유할 수 있다.

상기 제1 분말 및 제2 분말 대 플럭스의 중량비는 80:20 내지 95:5일 수 있다.

상기 제1 분말의 평균 입경은 15 내지 45 ㎛이고, 상기 제2 분말의 평균 입경이 15 내지 45 ㎛일 수 있다.

상기 솔더 페이스트의 용융 온도는 150 ℃ 내지 205 ℃일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

상기 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부를 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

상기 솔더 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판을 제공한다.

본 발명에 따르면, 솔더 페이스트의 용융 온도를 낮추어 솔더링 작업을 기존에 비하여 저온에서 실시할 수 있어 인쇄 회로 기판 상에 접합되는 전자 부품에 대한 열 손상을 최소화 할 수 있고, 동시에 강도와 신뢰성도 개선시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu)를 함유하는 제1 분말; 비스무스(Bi)를 함유하는 제2 분말; 및 플럭스를 포함하는 솔더 페이스트를 제공한다.

상기 솔더 페이스트에 따르면, 솔더링 합금으로서 종래에 1종의 합금을 사용하는 것과 달리, 주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu)를 함유하는 제1 분말 및 비스무스(Bi)를 함유하는 제2 분말의 2종을 사용함으로써, 이를 포함한 솔더 페이스트의 전체 용융 온도를 낮출 수 있고, 그 결과 솔더링 작업 온도 자체를 낮게 제어할 수 있어 접합 대상이 되는 인쇄 회로 기판 상의 전자 부품에 대한 열 손상을 최소화 할 수 있다. 또한, 동일한 조성의 단일 합금에 비하여 2종의 합금으로 분리한 경우에, 용융 온도 저하도 크게 하는 동시에 강도와 신뢰성도 개선시킬 수 있다.

상기 제1 분말은 은, 구리, 및 주석을 함유하는 Sn-Ag-Cu 합금 분말이다.

이때, 상기 제1 분말 중의 은의 함량은 예를 들면, 0.1 wt% 내지 4.9 wt%, 0.3 wt% 내지 4.0 wt%, 1.0 wt% 내지 3.0 wt%이다. 은의 함량이 상기 조건을 만족하는 경우, 상기 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부의 열충격 내성 및 낙하 내성이 현저하게 향상될 수 있다.

상기 구리의 함량은 예를 들면, 0.1 wt% 내지 0.9 wt%, 0.2 wt% 내지 0.8 wt%, 0.3 wt% 내지 0.7 wt%이다. 구리의 함량이 상기 조건을 만족하는 경우, 상기 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부의 내식성이 향상되고, 용융 온도 저하에 의한 솔더 페이스트의 리플로우성이 개선될 수 있다.

한편, 납이 환경오염 및 인체에 치명적인 악영향을 미친다는 이유로 사용이 제한된 결과, 개발된 무연솔더는 퍼짐성, 내식성 등의 솔더링 접합성을 만족하면서 종래의 유연솔더(Sn37Pb)의 융점 183℃를 만족할 수 없기 때문에 대부분의 무연솔더는 Sn에 Cu, Ag, Zn, Bi, In 등 저융점 금속을 소량 첨가하여 융점강하를 구현하고 있으나, 이에 따른 융점강하(저융점화)된 무연솔더의 개발은 더 이상의 진전되지 않고 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트는 제1 분말 이외에, 비스무스를 함유하는 제2 분말을 더 포함하여, 무연솔더의 효과적인 융점강하를 도모할 수 있게 된다.

비스무스를 Sn-Ag-Cu 합금 분말에 직접 함유시키는 경우(Sn-Ag-Cu-Bi 합금 분말)에도 비스무스 자체가 융점이 상대적으로 낮기 때문에 어느 정도 융점 강하 효과를 볼 수 있다. 하지만, 이에 비해서, 최종 용융된 합금에서 동일한 비스무스의 함량을 갖도록 별개의 비스무스 또는 비스무스 합금을 혼합시키는 경우가 보다 큰 융점 강하를 나타내고, 또한, 솔더링된 접합부의 강도 및 신뢰성을 개선할 수 있다.

그 이유는, Sn-Ag-Cu-Bi 합금 분말 보다 본 발명의 일 실시예와 같이 Sn-Ag-Cu 합금인 제1 분말과 비스무스를 함유하는 제2 분말을 별개로 혼합시키는 경우가 비스무스의 용융 온도를 근간으로 낮은 온도에서 용융 온도를 형성하여 주변의 분말을 더 빠른 속도로 용융하게 하며 또한 확산성을 빠르게 하는 방법으로 전체적인 합금 혼합물의 용융 온도를 낮출 수 있기 때문이다.

또 다른 이유로, 일반적으로 고체 물질의 표면 원자들은 내부 원자들에 비해 자유 에너지에 큰 기여를 하는데, Sn-Ag-Cu-Bi 합금 분말의 경우보다 비스무스를 함유하는 제2 분말을 별도로 첨가하는 경우가 비스무스 원자가 표면에 많이 존재하게 되어 합금 분말의 열역학적 성질, 즉 용융 온도를 크게 변화시킬 수 있다는 것이다.

상기 비스무스를 함유하는 제2 분말은 비스무스 분말 또는 비스무스 및 주석을 함유하는 Sn-Bi 합금 분말일 수 있다. 이때, 상기 Sn-Bi 합금 분말은 예를 들면, 40 wt% 내지 70 wt%, 45 wt% 내지 65 wt%, 50 wt% 내지 60 wt%의 비스무스를 함유하고, 잔부의 주석을 포함할 수 있다.

상기 비스무스의 함량이 이러한 조건을 만족하는 경우, 합금 분말의 융점을 크게 저하시키고, 접합 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 제1 분말 대 제2 분말의 중량비는, 예를 들면 90:10 내지 98:2, 95.5:4.5 내지 93.5:6.5, 93.5:6.5 내지 91.5:8.5이다. 상기 중량비가 이러한 범위를 만족하는 경우가, 솔더의 녹는점이 낮아지며, 녹는 속도 또한 빠르게 나타나고 있으므로 솔더링의 결합되는 속도가 빨라져서 제품 생산성이 높아지며 또한 솔 더링 온도가 낮아지는 특징을 가지므로 에너지 절감 효과가 있다.

상기 플럭스는 솔더링하고자 하는 모재(母材) 표면의 오염물이나 산화막과 반응하여 이를 제거하고, 금속 산화물과 반응하는 동안 형성된 금속염을 제거하며, 모재 표면이나 솔더 표면에 공기 차단막을 형성하여 산화를 방지하고, 솔더링이 진행되는 동안 가해지는 열이 골고루 퍼지도록 하고, 솔더와 모재면 사이의 표면장력을 줄여서 솔더링성(solderability)을 좋게 하는 역할 등을 한다.

이러한 플럭스로는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더 페이스트에 적합한 것이라면 특별히 제안 없이 사용 가능하다. 구체적인 예로는, 로진(rosin, 송진)을 주성분으로 한 로진계 플럭스, 로진계 플럭스 외에, 유기산 또는 아민, 아민 할로겐 염을 활성제로 첨가한 수용성 플럭스를 사용하기도 한다. 로진계 플럭스는 극성이 작은 세정용매(예컨대, 대체 프레온, 디에틸렌 글리콜 헥실 에테르와 같은 탄화 수소계)를 사용하여 세정을 하며, 수용성 플럭스는 알콜류나 물과 같이 극성이 큰 용매를 세정 용매로 사용한다.

상기 제1 분말 및 제2 분말 대 플럭스의 중량비는 예를 들면, 70:30 내지 98:2, 80:20 내지 95:5, 85:15 내지 91.5:9.5, 88:12 내지 91:9, 89:11 내지 90:10이다.

상기 중량비가 이러한 범위를 만족하는 경우가, 중량비가 70:30 보다 작은 경우에 비해서 플럭스 함유량이 많아지므로 해서 솔더링성이 향상되고, 98:2보다 큰 경우에 비해서 기판 표면의 플럭스 잔사가 적게 나타나므로 표면이 깨끗한 장점을 가질 수 있다.

상기 솔더 페이스트는 최종적으로 0.1 wt% 내지 4.9 wt%의 은, 0.1 wt% 내지 0.9 wt%의 구리, 2.5 wt% 내지 20 wt%의 비스무스 및 잔부의(a balance of) 주석을 함유하는 조성을 가지는데, 이는 솔더 페이스트를 완전히 용융한 후의 조성에 해당된다.

이때, 상기 솔더 페이스트 중의 은의 함량은 예를 들면, 0.1 wt% 내지 4.9 wt%, 1.0 wt% 내지 4.0 wt%, 2.5 wt% 내지 3.5 wt%이다. 은의 함량이 상기 조건을 만족하는 경우, 상기 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부의 열충격 내성 및 낙하 내성이 현저하게 향상될 수 있다.

상기 구리의 함량은 예를 들면, 0.1 wt% 내지 0.9 wt%, 0.2 wt% 내지 0.7 wt%, 0.3 wt% 내지 0.) wt%이다. 구리의 함량이 상기 조건을 만족하는 경우, 상기 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부의 내식성이 향상되고, 용융 온도 저하에 의한 솔더 페이스트의 리플로우성이 개선될 수 있다.

상기 비스무스의 함량은 예를 들면, 2.5 wt% 내지 20 wt%, 5 wt% 내지 17 wt%, 9.0 wt% 내지 15 wt%이다. 비스무스의 함량이 상기 조건을 만족하는 경우, 솔더페이스트의 용융 온도를 낮추고, 작업 속도를 향상시키고, 설비 에너지를 절감할 수 있으며, 제품의 신뢰성을 높일 수 있다.

상기 제1 분말의 평균 입경은 예를 들면, 15 내지 45 ㎛, 20 내지 30㎛, 15 내지 38㎛이고, 상기 제2 분말의 평균 입경이 15 내지 45 ㎛, 20 내지 30㎛, 15 내지 38㎛이다.

상기 제1 분말 및 제2 분말의 평균 입경이 이러한 범위를 만족하는 경우, 입 경이 너무 작아져서 제조시에 발생하는 산화 문제를 방지할 수 있고, 점차 기판과 표면 실장 부품이 소형화 되고 배선 피치가 좁아지는 경향에 맞추어 효과적인 솔더링이 가능할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 솔더 페이스트는 하기의 단계로 제조될 수 있다.

먼저 주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu)를 함유하는 제1 분말을 제조하는데, 이때에는 먼저 녹는 재료, 즉 용융 온도가 낮은 순서인 주석(용융온도: 231.93 ℃), 은(용융온도: 961.78 ℃), 구리(용융온도: 1084.62 ℃)의 순서로 투입하여 용융하고, 분말 형태로 제조한다.

이후, 비스무스를 함유하는 제2 분말을 투입하여 상기 제1 분말과 혼합하고, 이후 플럭스를 첨가하여 교반함으로써 솔더 페이스트를 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이 솔더 페이스트 중의 비스무스를 함유하는 제2 분말은 용융 온도가 낮아서 제1 분말의 조성의 융점을 떨어뜨리는 역할을 하며, 플럭스도 동시에 용융 온도을 떨어뜨리고, 그 결과 솔더 페이스트를 이용한 작업온도도 낮게 조절할 수 있는 역할을 한다.

상기 솔더 페이스트의 전체적인 용융 온도는 150 내지 205 ℃가 되고, 솔더 페이스틀 이용한 솔더링 작업 온도는 180 내지 230 ℃가된다.

이때, 상기 용융 온도는 솔더 페이스트 중의 비스무스의 함량에 따라 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 솔더 페이스트 중의 비스무스의 함량이 2.5 내지 8.5 wt%인 경우에는 솔더 페이스트의 용융 온도가 193 내지 205 ℃이고, 비스무스의 함 량이 9 내지 15 wt%인 경우에는 솔더 페이스트의 용융 온도가 160 내지 170 ℃이고, 비스무스의 함량이 15 내지 20 wt%인 경우에는 솔더 페이스트의 용융 온도가 150 내지 160 ℃ 정도로 낮아질 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부 및 상기 솔더 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판이 제공된다.

도 1은 솔더 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판의 일 실시 예를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 여기서, 인쇄 회로 기판(1)과 적층 세라믹 커패시터 등의 전자부품(2)이 솔더 접합부(3)를 통하여 전기적으로 접합되어 있음을 확인할 수 있다.

이때 솔더 접합부는 인쇄 회로 기판(1)상에 솔더 페이스트를 도포한 후, 상기 솔더 페이스트 상에 전자부품을 탑재하고, 그 후, 소정 온도에서 가열처리를 행하면, 상기 제1 분말이 비스무스 분말 또는 제2 분말과 화합하여, 솔더 접합부(3)가 형성된다. 즉, 인쇄 회로 기판(1)과 전자부품(2)은 솔더 접합부(3)를 통하여 접합되고, 전기적으로 접속되며, 이것에 의해 전자장치가 제조된다.

이하에서 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세히 설명하지만 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 3

하기 표 l에 나타내는 조성 및 배합 비율로 Sn-Ag-Cu계 합금 분말과 Bi 분말을 이용하고, Sn-Ag-Cu계 합금 분말과 Bi 분말의 총합 88.5 중량부 및 하기 조성의 플럭스 11.5 중량부를 첨가 및 혼합하여 솔더 페이스트를 제조하였다. 이때, Sn- Ag-Cu계 합금 분말의 평균 입경은 31㎛이고, Bi 분말의 평균 입경은 31㎛이었다.

(플럭스 조성)

변성 로진 30 질량％

중합 로진 20 질량％

아민계 활성제 5 질량％

2 에틸헥실디글리콜 40 질량％

2,3-디브로모 2-부텐-1,4-디올 5 질량％

비교예 1

하기 표 l에 나타내는 조성을 갖는 분말로 Sn-3.0Ag-0.5Cu 만을 사용하고, Bi 분말을 사용하지 않은 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 솔더 페이스트를 제조하였다.

	분말		배합 비율(wt%)		용융 후 조성(질량%)
	Sn-Ag-Cu계 합금 분말 (질량 %)	Bi 분말	Sn-Ag-Cu계 합금 분말	Bi 분말	Sn	Ag	Cu	Bi
실시예 1	Sn-3Ag-0.5Cu	Bi	96.0	4.0	R	2.934	0.489	2.2
실시예 2	Sn-1Ag-0.5Cu	Bi	96.0	4.0	R	0.978	0.489	2.2
실시예 3	Sn-0.3Ag-0.7Cu	Bi	96.0	4.0	R	0.29	0.685	2.2
비교예 1	Sn-3Ag-0.5Cu	-	100	0	R	3.0	0.5	0

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조한 솔더 페이스트에 관해서, 하기의 성능을 조사하였다.

<퍼짐성 평가>

실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조한 솔더 페이스트를 사용하여 하기의 방법으로 퍼짐성을 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

일정량의 솔더 페이스트를 구리판 등에 올려놓고 융점 이상의 온도(통상의 경우 융점+30℃)로 올려놓고 일정 시간 경과 후 하기와 같이 퍼짐 후의 높이와 퍼짐전의 높이 비를 계산하여 솔더 페이스트의 퍼짐성을 평가하였다.

시험방법과 계산식은 다음과 같다.

퍼짐성 계산 :

단, H: 퍼진 후 솔더의 높이(mm),

D: 실험에 사용한 솔더를 구(球)로 만들었을 경우의 직경(mm) (D=1.24V1/3 (V: 구의 부피))

<보이드 평가>

인쇄 회로 기판에 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 솔더 페이스트를 하기의 조건으로 인쇄하여, 부품을 탑재하지 않고 리플로우를 행하였다.

보이드 평가 결과를 전체 솔드 페이스트의 도트 면적 대비 도트 내의 보이드 면적을 백분율로 표기하여 표 2에 나타내었다.

도트수: 36 개

인쇄 형상: 0.5㎜ (도트 직경)

인쇄 피치: 1.0㎜

메탈 마스크 두께: 0.15㎜

이때, 도 2 내지 5에 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 솔더 페이스트를 리플로우하여 형성된 보이드의 형상을 X-레이 사진으로 나타내었다.

	퍼짐성 평가(단위: %)	보이드 평가(단위 %)
실시예 1	85	6
실시예 2	85	5
실시예 3	85	4
비교예 1	80	15

상기 표 2를 살펴본 결과, 비이온성 폴리머, 주석(Sn), 은(Ag), 및 구리(Cu)를 함유하는 제1 분말 및 비스무스(Bi) 분말(제2 분말)을 포함하는 실시예 1 내지 3에 따른 솔더 페이스트가 Sn-Ag-Cu계 단독 합금 분말을 이용한 비교예 1에 따른 솔더 페이스트 보다 퍼짐성이 개선되고, 보이드도 감소되는 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 솔더 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판의 일 실시예를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 2는 실시예 1에 따른 솔더 페이스트를 리플로우하여 형성된 보이드 사진을 나타낸다.

도 3은 실시예 2에 따른 솔더 페이스트를 리플로우하여 형성된 보이드 사진을 나타낸다.

도 4는 실시예 3에 따른 솔더 페이스트를 리플로우하여 형성된 보이드 사진을 나타낸다.

도 5는 비교예 1에 따른 솔더 페이스트를 리플로우하여 형성된 보이드 사진을 나타낸다.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>

1… 인쇄 회로 기판 2… 전자부품

3… 솔더 접합부

Claims (10)

1. Sn-Ag-Cu 합금 분말;

   Bi 분말; 및

   플럭스를 포함하고,

   상기 Sn-Ag-Cu 합금 분말 대 Bi 분말의 중량비는 96:4인 솔더 페이스트.
2. 제1항에 있어서, 상기 Sn-Ag-Cu 합금 분말이 0.1 wt% 내지 4.9 wt%의 은, 0.1 wt% 내지 0.9 wt%의 구리, 및 잔부의(a balance of) 주석을 함유하는 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 Sn-Ag-Cu 합금 분말 및 Bi 분말 대 플럭스의 중량비가 80:20 내지 95:5인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
7. 제1항에 있어서, 상기 Sn-Ag-Cu 분말의 평균 입경이 15 내지 45 ㎛이고, 상기 Bi 분말의 평균 입경이 15 내지 45 ㎛인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
8. 제1항에 있어서, 상기 솔더 페이스트의 용융 온도가 150 ℃ 내지 205 ℃인 것을 특징으로 하는 솔더 페이스트.
9. 제1항, 제2항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 솔더 페이스트를 사용하여 형성된 솔더 접합부.
10. 제9항에 따른 솔더 접합부를 갖는 인쇄 회로 기판.

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