KR101187029B1 - 고방열 저온소성 세라믹 기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 전자회로 및 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 외부 전달하여 냉각을 도와주는 고방열 저온소성 세라믹 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 기판으로 이루어진 열전도층에 다량의 개기공(open pore)을 보유한 고방열 세라믹 절연층을 적층시켜 저온소성에 의해 복합층 구조를 갖도록 함으로써, 열전도성 향상을 위한 금속기판과 고방열 세라믹 절연층의 적층 부가에 의해 방열효과와 전기절연성을 동시에 향상시킨 전자부품용 방열 저온소성 세라믹 기판에 관한 것이다.

Description

고방열 저온소성 세라믹 기판{HIGH HEAT DISSIPATION LOW TEMPERATURE CO-FIRED CERAMICS}

본 발명은 각종 전자회로 및 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 외부 전달하여 냉각을 도와주는 고방열 저온소성 세라믹 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 기판으로 이루어진 열전도층에 다량의 개기공(open pore)을 보유한 고방열 세라믹 절연층을 적층시켜 저온소성에 의해 복합층 구조를 갖도록 함으로써, 열전도성 향상을 위한 금속기판과 고방열 세라믹 절연층의 적층 부가에 의해 방열효과와 전기절연성을 동시에 향상시킨 전자부품용 방열 저온소성 세라믹 기판에 관한 것이다.

일반적으로 반도체, PCB, 디스플레이 장치 등의 각종 전자부품은 소재 자체의 특성과 각 부품의 연결부위에서 발생하는 전기적 저항으로 인하여 기기 작동시에 발열을 수반하게 된다.

이렇게 발생되는 열은 작동부품의 온도를 증가시킴으로써 전자기기의 내구연한을 단축시키는 원인으로 작용하며, 특히 중앙처리장치(CPU), 메모리(memory), 플라즈마 디스플레이 모니터 또는 액정 디스플레이 모니터의 회로나 램프 등의 각종 전자회로 소자는 일정 온도 이상에서 오작동을 일으키거나 해당 부품의 최대 성능을 발휘하기 어려운 경향이 있다.

그리고, 최근의 전자부품 소형화 및 집적화는 단위 면적에 포함되는 회로 수의 증가로 인하여 더욱 심각한 발열을 초래하고 있으며, 따라서 이러한 전자부품의 냉각이 매우 중요한 문제로 대두되었다.

냉각을 위한 방법으로는 현재 미국특허 제6409475호, 미국특허 제6935130에서 개시된 냉각팬을 이용한 능동형 냉각방식이 가장 높은 냉각성능을 나타내기는 하나, 이 경우 냉각팬에서 발생하는 소음, 냉각장치의 운전을 위한 전력 사용 등이 문제시되며, 또한 추가적인 전기회로 및 부품공간을 구성해야 하므로 최근 전자제품의 발전추세인 제품의 경박단소화를 어렵게 하는 등의 문제점을 가지고 있다.

이를 개선하기 위하여 여러 가지 수단이 제시된 바 있으며, 특히 방열판(heat sink) 또는 전자기기의 외피(casing)를 이용하여 외기로 열을 방출하는 수동형 냉각방식이 중요한 수단으로 쓰이고 있다.

이 경우에는 전자회로의 냉각이 단순히 방열판 또는 외피를 통한 외기로의 복사 또는 대류에 의한 열전도에 의하여 이루어지기 때문에, 장치를 운전하는데 있어 특별히 외부 전력을 필요로 하지 않으며, 무소음 운전이 가능하고, 또한 냉각팬을 사용하는 경우에 비해 장치의 설계에 있어서도 더욱 많은 자유도를 부여할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같이 방열판이나 기기 외피에 의한 열전도에 의하여 냉각을 실시할 경우 전자기기에서 발생하는 열을 효과적으로 방열판 또는 외피로 전달해주는 것이 중요한 문제가 된다.

일반적으로 전자회로와 방열판 또는 외피 사이를 단순하게 빈 공간으로 남겨둘 경우에는 공기의 높은 단열능력으로 인하여(열전도도 26.2 W/mK, 27 ℃) 효과적인 열의 확산이 이루어지지 않게 되며, 이에 효과적인 열전도를 위해서는 전자회로와 방열판 또는 외피 사이의 공기층을 최대한 배제하는 것이 필요하다.

그리고, 방열판 또는 외피는 제품을 보호할 수 있으면서 외관상 보기가 좋아야 하고 동시에 열을 효과적으로 확산시킬 수 있어야 하므로 주로 금속계 소재를 사용하여 제작된다.

따라서, 공기층으로 인한 단열효과를 제거하기 위하여 전자회로와 방열판 또는 외피를 접촉 설계할 경우에는 전자회로에 부가되는 전류가 누전되어 전자기기의 오작동이 유발될 수 있으며, 상대적으로 누설되는 전류의 양이 적어 장치의 일반적인 작동이 가능한 경우라 하더라도 전력의 사용효율이 급격히 떨어지게 되고, 사용자의 감전 위험이 발생한다.

이를 개선하기 위하여 상기의 전자회로와 방열판 또는 기기 외피 사이에 충진제 또는 방열패드를 사용하는 방법이 고안되었다.

예를 들어, 미국특허 제4842911호에서는 연질의 실리콘 수지를 전자회로와 방열판 사이에 사용하는 방법이 개시되어 있으며, 이때 실리콘 수지는 전자회로에서 발생하는 열을 방열판 또는 기구 외피에 전달하여 열을 대기중으로 확산시킴으로써 전자회로의 냉각을 유도하는 역할을 하게 된다.

또한, 미국특허 제5679457호에서는 사용되는 실리콘 수지의 열전도 효율을 향상시킴으로써 냉각효율을 극대화하기 위하여 알루미나(alumina), 그라파이트(graphite), 보론 나이트라이드(boron nitride), 및 티타늄 나이트라이드(titanium nitride) 등 열전도 특성이 우수한 고체 분말을 포함시키는 방법이 개시되어 있다.

상기 방열패드는 전자회로와 방열판 또는 기구 외피에 밀착되는 것이 중요한데, 전자회로와 방열패드 사이에 빈 공간이 발생할 경우 이 부위에서 열전달이 효과적으로 이루어지지 않아 부분적으로 온도가 상승하고, 결국 전자회로의 오작동 유발 및 내구성을 저하시키는 원인으로 작용하게 된다.

특히, 실리콘계의 연질 수지를 사용할 경우에는 낮은 모듈러스로 인하여 전자기구에의 밀착성이 용이하게 확보될 뿐만 아니라 수지 자체의 점착성으로 인하여 기구 조립과정도 간단히 이루어지는 장점이 있다.

이러한 장점을 극대화시키기 위하여, 미국특허 제5950066호에는 액상의 실리콘 수지를 사용하는 방법이 개시되어 있고, 미국특허 제6946190호에는 그리스(grease) 등을 사용하는 방법이 개시되어 있다.

하지만, 위와 같은 액상 제품의 경우에는 밀착성은 매우 용이하게 확보되는 장점은 있으나, 취급이 곤란하여 작업성이 떨어지고, 이를 보완하기 위한 기구설계가 복잡하게 되어 전체 장비의 제조원가를 상승시키는 등 다른 문제점을 유발하게 된다.

또한, 액상화시키지 않으면서 충분한 열전도 효율을 달성할 수 있는 밀착성을 확보하기 위해서는 최대한 연질 수지를 사용해야 하는데, 이 경우에는 실리콘 수지의 기계적 물성이 지나치게 낮아지므로 작업 도중 방열패드가 쉽게 파손되는 등 문제점이 있게 된다.

이를 보완하기 위하여 연질 실리콘 수지와 유리섬유 또는 금속포일 등을 적층하는 방법이 미국특허 제 4574879 호, 제 4602678 호 및 제 4810563 호에 개시된 바 있다.

이와 같이 방열패드와 전자회로 및 방열판 사이의 밀착성 확보가 이루어지는 경우에는 방열패드 자체의 열전도 효율을 향상시킴으로써 냉각효과를 극대화시킬 수 있다.

하지만, 고분자 물질의 열전도 효율은 일반적으로 상온에서 5 W/mK 이하로 고분자 물질만을 방열패드로 사용했을 경우에는 금속 또는 무기물 등에 비해 매우 낮은 수준의 냉각효과를 얻게 된다.

최근 전자회로의 고집적화로 인한 방출열 증가의 효과적인 대응을 위해서 그리고 플라즈마 디스플레이 패널 또는 액정 디스플레이 패널 등에서 발산되는 높은 열을 냉각하기 위해서는 열전도 효율을 더욱 개선해야 한다.

또한, 방열패드는 우수한 냉각효과 외에도 높은 전기절연 특성을 보유해야 하는데, 그 이유는 금속 소재로 이루어져 있는 방열판 또는 제품 외피로 전류의 누설이 일어날 경우 전력의 낭비는 물론 기기의 오작동 및 내구성 저하, 안전사고의 위험을 초래할 수 있기 때문이다.

그러나, 종래의 방열패드는 최근 개발된 각종 전자제품에서 목적 달성을 위한 열전도성 및 전기절연 특성을 동시에 만족시키지 못하고 있으며, 특히 사용이 급증 추세에 있는 반도체 집적회로, 디스플레이 패널의 발광소자나 램프 등에 적용하기 위해서는 열전도성과 전기절연 특성을 보다 강화시킨 새로운 방열세라믹기판의 개발이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,

금속기판으로 이루어진 열전도층과, 다량의 개기공(open pore)을 보유한 저온소성세라믹 기판으로 이루어진 고방열 세라믹 절연층을 적층시켜 열전도층과 고방열 세라믹 절연층의 복합층 구조로 구성함으로써, 열전도성 향상과 함께 고방열 세라믹 절연층의 적층 부가에 의해 열전도성과 전기절연성을 동시에 향상시킨 전자부품용 방열 저온소성세라믹 기판를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고방열 저온소성 세라믹 기판은,

전자부품용 기판에 있어서, 열전도성 금속 기판으로 구성되어 발열부위에 부착되는 열전도층과; 상기 열전도층에 비산화물 세라믹 분말과 400℃ 이하에서 액상이 형성되도록 산화비스무스를 50중량% 이상 함유하는 저온소성용 글래스로 이루어지고, 비산화물 세라믹 분말의 개기공 구조에 의해 표면적을 증가시킨 고방열 세라믹 절연층;이 적층된 복합층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 열전도성 금속은 알루미늄, 철, 구리 로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 비산화물 세라믹 분말은 실리콘카바이드, 실리콘나이트라이드, 탄화붕소, 알루미늄나이트라이드 로 이루어진 군으로부터 선택된 금속산화물이이고, 상기 비산화물 세라믹 분말은 직경이 1 ㎛에서 40 ㎛ 범위 내로 이루어진다.

또한, 상기 글래스는 고방열 세라믹 절연층의 전체중량 100 중량부에 대하여 5 ~ 30 중량부로 함유한다.

본 발명의 고방열 저온소성 세라믹 기판은,

금속기판으로 이루어진 열전도층에 비산화물 분말과 글래스로 이루어진 고방열 세라믹 절연층을 적층시켜 열전도층과 고방열 세라믹 절연층의 복합층 구조로 구성함으로써, 열전도성 향상을 위한 금속기판의 첨가와 함께 고방열 세라믹 절연층의 적층 부가에 의해 열전도성과 전기절연성을 동시에 향상되는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 기판은 냉각을 요하는 각종 전자부품을 대상으로 널리 사용될 수 있으며, 특히 우수한 냉각효율 및 절연 특성으로 인하여 높은 전기절연 특성이 요구되면서 발열량이 큰 전자부품, 예를 들어 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)나 메모리 등의 반도체 집적회로, 또는 플라즈마 디스플레이 패널의 발광소자나 액정 디스플레이 패널의 램프 등 디스플레이 장치의 발광원을 냉각하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고방열 저온소성 세라믹 기판의 일 실시예를 도시한 단면도.

이하에서는 본 발명을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고방열 저온소성 세라믹 기판의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명은 각종 전자회로 및 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 외부 전달하여 냉각을 도와주는 고방열 저온소성 세라믹 기판에 관한 것으로서, 열전도성 금속기판으로 이루어진 열전도층에 다량의 기공을 함유한 고방열 세라믹 절연층을 적층시켜 열전도층과 고방열 세라믹 절연층의 복합층 구조로 구성함으로써, 열전도성 향상을 위한 금속기판과 함께 고방열 세라믹 절연층의 적층 부가에 의해 방열효과와 전기절연성을 동시에 향상시킨 것이다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고방열 저온소성 세라믹 기판은 열전도층(1)과 고방열 세라믹 절연층(2)의 가장 기본적인 구성으로 되어 있으며, 열전도층(1)과 고방열 세라믹 절연층(2)을 상하로 적층시킨 이중 복합층 구조로 되어 있다.

여기서, 열전도층(1)은 알루미늄과 같이 열전도성이 우수한 고열전도성 금속기판으로 이루어지고, 고방열 세라믹 절연층(2)은 실리콘 카바이드에 저온 글래스를 결합제로 첨가해 소성한 고방열 저온소성세라믹으로 이루어진다.

상기 고방열 세라믹 절연층(2)의 고방열 저온소성세라믹는 실리콘 카바이드, 보론 나이트라이드 같은 비금속산화물과; 이 비금속산화물이 600℃이하에서 소성이 가능하도록 400℃이하에서 액상을 형상하는 산화비스무스를 50%이상 함유하는 저온소성용 글래스를 5%이상 30%이하를 함유하는 저융점 글래스로 구성된다.

바람직하게는, 상기 열전도층(1)은 열전도성 금속기판으로 열전도성이 좋은 알루미늄, 구리, 스테인레스강 등이 사용 가능하다.

고분자 물질의 열전도 효율은 일반적으로 상온에서 5 W/mK 이하로 고분자 물질만을 방열패드로 사용했을 경우에는 금속 또는 무기물 등에 비해 매우 낮은 수준의 냉각효과를 얻게 된다. 여기에 알루미나나 실리콘 카바이드 같은 첨가제를 넣은 방열패드의 열전도 효율은 일반적으로 상온에서 10 W/mK 이하로 금속 또는 무기물 등에 비해 상대적으로 낮은 수준의 냉각효과를 얻게 된다. 열전도층(1)에 사용가능한 금속으로는 열전도도가 50 W/m K 이상인 것으로, 구체적으로 예를 들면 알루미늄(237 W/m K), 철(80.2 W/m K), 구리(401 W/m K), 니켈(90.7 W/m K), 은(429 W/m K) 등 열의 양도체인 금속의 사용이 가능하며, 그라파이트(graphite, 129 W/m K)와 같이 열전도 특성이 뛰어난 비금속계 분말의 사용도 가능하다.

위에 보인 바와 같이 금속 재료는 유기 고분자 또는 무기계 소재 등에 비하여 뛰어난 열전도성을 보유하고 있으며, 따라서 금속기판이 포함된 열전도층은 냉각효율을 높은 수준으로 올려주는 역할을 하게 된다.

한편, 상기 열전도층(1)만으로는 전자회로 또는 디스플레이용 램프의 방열 성능을 충분히 발휘하지 못하는데, 이는 열을 방출하기 위해서는 공기와의 대류현상에 의해 열이 전달되어야 하지만, 금속은 기공이 없는 관계로 표면적이 적어 열을 방출하는 표면적이 부족해서 열이 공기중으로 방출이 느려지고 이로 인해 전체적인 열전달, 즉 방열은 효율이 감소하게 된다.

그러므로, 본 발명에서는 열전도층(1)과 함께 별도 고방열 세라믹 절연층(2)을 적층시켜 열전도성 및 전기절연성과 고방열 특성을 동시에 만족하는 고방열 저온동시소성세라믹스를 구성하였다.

상기 고방열 세라믹 절연층(2)은 절연성을 저하시키지 않는 다량의 개기공을 함유하는 탄화규소 같은 고열전도성 비산화물 세라믹을 함유하는 저온동시소성 세라믹을 사용하여 구성된다.

고방열 세라믹 절연층(2)에서 세라믹소재의 절연 특성으로 인하여 세라믹소재 단독으로도 충분한 절연효과를 얻을 수 있으나, 개기공 구조에 의한 절연특성이 다소 감소할 수는 있다.

이를 보완하기 위하여 열전도 특성이 상대적으로 우수한 비산화물 세라믹 분말을 필러로 사용하며, 구체적으로 실리콘 카바이드 및 보론 나이트라이드 등 금속산화물을 첨가하는 방법이 알려져 있는데, 본 발명의 고방열 세라믹 절연층에서는 이러한 재료들의 사용이 가능하며, 상기 나열된 비산화물 세라믹 중에 선택된 1종 또는 2종 이상의 사용이 가능하다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서 상기 비산화물 세라믹 분말은 고방열 세라믹 절연층의 전체중량 100 중량부에 대하여 60 ~ 95 중량부로 사용하고, 보다 바람직하게는 80 ~ 95 중량부로 제한하는 것이 좋다.

고방열 세라믹 절연층에서 비산화물 세라믹 분말의 양이 상기 50 중량부 미만이 되면 개기공(open pore)이 감소하여 방열특성이 떨어지는 문제가 있고, 반면 비산화물 세라믹 분말이 상기 95 중량부를 초과하면 분말의 분산이 어려워지고 제품의 강도가 지나치게 감소하는 문제점이 있어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명에 사용되는 비산화물 세라믹 분말로는 직경 1 ㎛에서 40 ㎛ 범위인 것이 적당하며, 보다 바람직하게는 5 ㎛에서 20 ㎛ 범위의 직경인 것이 좋다.

같은 양의 비산화물 세라믹 분말이 사용되는 경우에서 사용되는 분말의 직경은 작은 경우가 유리하나, 비산화물 세라믹 분말의 직경이 상기 5 ㎛ 미만이면 제품의 겉보기 밀도가 내려가고 분진으로 인하여 사용이 어려우며, 20 ㎛ 초과시에는 글래스와의 혼합이 어려워지는 문제점이 있다.

비금속산화물계 분말과 저융점 글래스의 복합체(composite)로 구성되는 고방열 세라믹 절연층의 제조는 기존에 알려진 복합재료(composite material)를 제조하는 여러 가지 방법에 의하여 가능하다.

예를 들어, 비산화물계 분말과 글래스를 정해진 비율대로 볼밀에서 습식 혼합하는 경우, 세라믹 분말은 단순히 강한 전단력을 부가할 수 있는 고속 모터에 의하여도 혼합이 가능하며, 보다 뛰어난 분산효과를 얻기 위하여 분산제의 사용도 가능하다.

또한, 고분자결합제를 이용하여 비산화물금속계 또는 글래스 분말의 마스터 배치(master batch)를 제조한 후에 이를 시트 성형기 등을 이용하여 시트(sheet) 형상으로 제조하는 것도 가능하다. 이렇게 제조된 시트를 금속기판(1) 위 또는 위와 아래에 위치시키고 소성함으로서 금속세라믹 복합체를 만드는 것이 가능하다.

이때 열전도층(1)과 고방열 세라믹 절연층(2)은 600℃ 이하에서 저온소성함으로서 융착하는 것도 가능하다. 소성온도의 결정은 적정 개기공의 함량을 고려하여 결정한다.

또한, 이러한 방법으로 제조된 고방열 세라믹 절연층 기판은 다양한 적층방식이 가능하고, 본 발명은 열전도층 또는 고방열 세라믹 절연층 및 이들의 복합체를 제조하기 위한 특정의 제조방법에 의하여 한정되지 않는다.

한편, 열전도층(1)과 고방열 세라믹 절연층(2)이 적층된 구조에서 한쪽 면에 점착층을 부가하는 것이 가능하며, 점착층은 본 발명의 고방열 저온동시소성세라믹스 기판을 보다 손쉽고 신뢰성 있게 발열부위에 접착시켜주는 역할을 하게 된다.

상기 점착층은 도시한 예와 같이 방열기판의 한쪽 면에, 또는 필요한 경우 양쪽 면에 모두 적층시켜 제조 가능하고, 재료로는 공지된 감압성 점착제(pressure sensitive adhesive) 등의 사용이 가능하며, 이는 코팅 등의 방법으로 도포할 수 있다.

열전도층(1)과 고방열 세라믹 절연층(2)이 적층된 구조에서 표면코팅층을 부가하여 사용가능하며, 표면코팅제는 목적에 따라 방열패드의 외관에 광택(gloss)을 부가하거나 또는 제품 표면의 끝적임(tackiness) 등을 제거하기 위하여 사용될 수 있다.

표면코팅제의 소재로는 목적에 따라 아크릴, 폴리우레탄, 폴리에스터, 실리콘 등 표면 도장의 목적으로 사용되는 모든 종류의 고분자 물질 중에 선택하여 사용할 수 있다. 그러나, 표면코팅제가 지나치게 딱딱할 경우 방열기판의 밀착성을 저하시키는 문제점이 발생할 수 있으므로 주의하여야 한다.

접착제로는 핫멜트 접착제, 용제형 접착제, 수분산형 접착제, 무용제형 접착제 등의 사용이 가능하나, 환경문제 및 제품의 생산속도를 빠르게 하기 위해서는 EVA(Ethylene-Vinyl Acetate copolymer), 폴리에스터, 폴리우레탄 등의 핫멜트 접착제 또는 아크릴 등의 무용제형 접착제의 사용이 유리하다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 고방열 저온동시세라믹스기판은 열전도성 금속기판과 비산화물 세라믹 분말을 함유한 다공성 저온동시소성 세라믹스의 절연층을 적층시킨 구조로 구성됨으로써, 열전도성과 전기절연성, 방열특성이 동시에 향상되는 장점을 가진다.

이러한 본 발명의 방열 기판는 냉각을 요하는 각종 전자부품을 대상으로 널리 사용될 수 있으며, 특히 우수한 냉각효율 및 절연 특성으로 인하여 발열량이 크고 동시에 높은 전기절연 특성을 요구하는 전자부품, 예를 들어 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)나 메모리 등의 반도체 집적회로, 또는 플라즈마 디스플레이 패널의 발광소자나 액정 디스플레이 패널의 램프 등 디스플레이 장치의 발광원을 냉각하는데 효과적으로 사용될 수 있다.

1 : 열전도층
2 : 고방열 세라믹 절연층

Claims (5)

1. 전자부품용 기판에 있어서,
   열전도성 금속 기판으로 구성되어 발열부위에 부착되는 열전도층과;
   상기 열전도층에 비산화물 세라믹 분말과 400℃ 이하에서 액상이 형성되도록 산화비스무스를 50중량% 이상 함유하는 저온소성용 글래스로 이루어지고, 비산화물 세라믹 분말의 개기공 구조에 의해 표면적을 증가시킨 고방열 세라믹 절연층;이 적층된 복합층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고방열 저온소성 세라믹 기판.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열전도성 금속은 알루미늄, 철, 구리 로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 고방열 저온소성 세라믹 기판.
3. 제1항에 있어서,
   상기 비산화물 세라믹 분말은 실리콘카바이드, 탄화붕소 로 이루어진 군으로부터 선택된 금속산화물인 것을 특징으로 하는 고방열 저온소성 세라믹 기판.
4. 제1항에 있어서,
   상기 비산화물 세라믹 분말은 직경이 1 ㎛에서 40 ㎛ 범위 내로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고방열 저온소성 세라믹 기판.
5. 제1항에 있어서,
   상기 글래스는 고방열 세라믹 절연층의 전체중량 100 중량부에 대하여 5 ~ 30 중량부로 함유하는 것을 특징으로 하는 고방열 저온소성 세라믹 기판.
   

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