KR101289302B1 - 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치 - Google Patents

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 발색제로서 운모, Fe3O4 및 TiO2를 포함하는 혼합물을 첨가함으로써, 레이저 마킹시 레이저에 의한 반도체 내부 칩의 손상 및 유, 수분에 의한 마킹 면의 훼손을 방지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다.

Description

반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치{EPOXY RESIN COMPOSITION FOR SEALING SEMICONDUCTOR AND SEMICONDUCTOR DEVICE SEALED USING THE SAME}
본 발명은 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 발색제로서 운모, Fe3O4 및 TiO2를 포함하는 혼합물을 첨가함으로써, 레이저 마킹시 레이저에 의한 반도체 내부 칩의 손상 및 유, 수분에 의한 마킹 면의 훼손을 방지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물 및 이를 이용하여 봉지된 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 봉지재는 반도체 소자를 밀봉시켜 반도체 회로를 외부의 충격 및 오염물질로부터 보호하는 역할을 하는 재료로서, 반도체의 생산성 및 신뢰성에 중대한 영향을 미치는바 반도체 제조공정에 있어 큰 비중을 차지하고 있다. 현재 반도체 봉지방법으로는 에폭시 몰딩 컴파운드(Epoxy Molding Compound, EMC)를 이용한 이송성형법이 주류를 이루고 있으며, EMC는 다른 재료에 비해 가격이 저렴하고 생산성이 월등하다는 장점을 지닌다.
EMC 등으로 밀봉된 반도체 소자에는 제조회사, 제품명, 제조번호, 로트번호, 로고 또는 사용자의 요구에 따른 각종 문자 및 그림 등의 정보를 성형된 수지 봉지재 표면에 기록하는 마킹(Marking) 공정이 행하여 진다. 이러한 마킹 방법의 하나로 수지 조성물로 봉지된 반도체 소자의 표면에 자외선 경화성 잉크 등을 사용하여 마킹하는 잉크 마킹(Ink Marking)이 있다.
그러나, 잉크 마킹은 잉크 성분의 환경 유해 문제와 잉크 번짐 등 공정상 어려움이 존재하며, 마킹 후 잉크를 건조, 경화시키는 공정을 거쳐야 하므로 반도체 제조에 장시간이 소요되는 문제가 있다.
이러한 잉크 마킹의 문제점을 해결하기 위해, 레이저 빔(CO2 레이저, Nd:YAG 레이저 등)을 사용하여 반도체 소자의 봉지재 표면을 마킹하는 레이저 마킹(Laser Marking)이 도입되었다. 이 방법은 처리 속도가 빠르고, 마킹이 반영구적이며, 비용이 저렴하다는 등의 장점이 있다. 레이저 마킹은 레이저가 수지 조성물의 표면에 조사될 때 빛을 받은 부분의 온도가 급격히 상승하고, 가열된 부분의 구성 성분 중에서 수지(유기물) 등 열에 약한 성분이 분해되어 일정 깊이로 파이게 되고 원래의 봉지재 표면과는 다른 새로운 표면이 드러나게 되는 현상을 이용한다. 이때 레이저 마킹으로 인해 새로 드러나게 된 표면(예컨대, 남아 있는 백색의 실리카)은 마킹되지 않은 주변 표면과는 다른 특성을 보여 마킹을 인식할 수 있게 된다.
그러나, 최근 반도체 장치의 두께 감소로 반도체 내부의 칩(Chip)과 상판 표면 간의 거리가 100㎛ 내외로 가까워지면서, 반도체 봉지 후 레이저 마킹시 레이저에 의한 분해로 칩이 손상되는 문제가 발생하게 되었다. 또한 카드류 패키지에 레이저 마킹을 할 경우 마킹에 의하여 파인 면으로 유, 수분이 침투하여 표시되었던 활자가 지워지는 문제도 존재한다.
이에, 레이저 마킹에 있어서, 레이저에 의한 반도체 내부 칩의 손상 및 유, 수분에 의한 마킹 면의 훼손을 방지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 대한 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 레이저 마킹시 레이저에 의한 반도체 내부 칩의 손상 및 유, 수분에 의한 마킹 면의 훼손을 근본적으로 방지할 수 있는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 발색제 성분으로서 운모, Fe3O4 및 TiO2를 포함하는 혼합물이 첨가된 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면으로, 상기 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 장치를 제공한다.
본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물은 레이저 마킹시 레이저에 의해 분해되지 않고 (백색으로) 변색되어 마킹이 되는 바, 반도체 내부 소자(칩)의 손상 및 유, 수분에 의한 마킹 면의 훼손을 근본적으로 방지할 수 있다. 또한, 본 조성물은 환경 친화성 및 작업 편리성이 뛰어나고, 기술 발전에 따라 경박단소화 되어 가는 반도체에 적합하게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 상세히 설명한다.
발색제
본 발명의 조성물에 첨가되는 발색제는 운모(mica), 사산화삼철(Fe3O4) 및 이산화티타늄(TiO2)을 포함하는 혼합물이다. 본 발명에서는 상기 특정 혼합물의 발색제를 조성물에 첨가함으로써, 레이저 마킹시 봉지재가 분해되지 않고 변색(예컨대, 백색으로)만으로 효율적인 마킹이 이루어지도록 하였다.
발색제의 바람직한 평균 입경은 1 ~ 50㎛, 보다 바람직하게는 5 ~ 10㎛이다. 또한, 발색제 입자의 적어도 80% 이상이 1 ~ 15㎛ 범위의 입경을 갖는 것이 적절하다. 발색제의 평균 입경이 1㎛ 미만이면 발색제의 비표면적이 증가하여, EMC의 유동성이 짧아지는 문제가 발생하여 성형성에 문제를 발생 시킬 수 있으며. 발색제의 평균 입경이 50㎛를 초과하면 분산과 착색력이 떨어져 외관을 손상시키거나 마킹의 선명도(콘트라스트)가 저하될 수 있다.
바람직한 일 구체예에서, 발색제는 운모 20 ~ 50 중량%, Fe3O4 40 ~ 80 중량% 및 TiO2 1 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 운모 25 ~ 35 중량%, Fe3O4 60 ~ 70 중량% 및 TiO2 5 ~ 15 중량%를 포함하는 것이다. 운모의 함량 및 Fe3O4의 함량이 상기 범위를 지나치게 벗어나면 선명도가 저하될 수 있으며, TiO2의 함량이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮을 경우 백색도가 저하되고, 상기 범위를 벗어나 지나치게 높을 경우 마킹 활자의 번짐 문제가 생길 수 있다.
발색제 성분 : 충진제 성분 (후술)의 바람직한 중량비는 1 : 5 ~ 1 : 100, 보다 바람직하게는 1 : 7 ~ 1 : 25이다. 발색제에 대한 충진제의 상대적 중량비가 5 미만이면 흡습량이 증가하고 접착력이 저하되어 리플로우 솔더링 과정 후 밀착성이 떨어질 수 있으며, 유동성이 감소하여 성형성에 문제가 생길 수 있다. 발색제에 대한 충진제의 상대적 중량비가 100을 초과하면 레이저에 의한 봉지재 분해가 발생하거나 마킹의 선명도가 떨어질 수 있다.
발색제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 1 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 4 ~ 10 중량%이다. 그 함량이 1 중량% 미만이면 레이저에 의한 봉지재 분해가 발생하거나 마킹의 선명도가 저하될 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 강도, 유동성, 밀착성 등 반도체 봉지재의 기본적인 요구 물성이 저하될 수 있다.
본 발명의 수지 조성물에는 상기한 발색제 성분 이외에 반도체 봉지용 수지 조성물에 통상적으로 사용되는, 예컨대 하기의 성분들이 더 포함되거나/될 수 있다.
에폭시 수지
본 발명의 조성물에는 에폭시 수지가 포함되는데, 이는 본 발명 조성물의 주제로서, 다른 반도체 봉지재료에 비해 가격이 저렴하고 생산성이 월등하다는 장점이 있다.
에폭시 수지로는 비스페놀A형, 지환형, 선형 지방족, (오르쏘)크레졸 노볼락형, 나프톨 노볼락형, 비페닐형, 다관능형, 나프탈렌형 및 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 1 분자 중에 에폭시기를 2개 이상 함유하는 에폭시 수지를 사용한다. 구체적으로, 에폭시 당량이 150 ~ 280, 연화점이 50 ~ 120℃인 것을 사용할 수 있다.
에폭시 수지는 내습 신뢰성을 고려하여 이온성 불순물, 예컨대 나트륨 이온, 염소 이온 등이 적게 포함된 것이 바람직하다.
에폭시 수지의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 5 ~ 10 중량%이다. 그 함량이 2 중량% 미만이면 접착성, 전기절연성, 흐름성 및 성형성이 저하될 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 반도체의 신뢰성이 불량해지고, 충진제(후술)의 상대적 함량 감소로 강도가 저하될 수 있다.
경화제
본 발명의 조성물에는 경화제가 포함되는데, 이는 상기 에폭시 수지 성분과 반응하고 조성물의 경화를 진행시키는 성분이다.
경화제로는 반도체 봉지형 경화제로서 내습성, 내열성, 보존성 등의 물성이 우수한 페놀 수지계 경화제를 사용하는 것이 바람직하다. 일 구체예에서, 페놀 수지계 경화제는 페놀 노볼락 수지, 크레졸 노볼락 수지, 페놀 알킬 수지, 비스페놀A로부터 합성된 각종 노볼락 수지 및 디하이드로 비페닐로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나 이상의 다가 페놀 화합물로서, 분자구조 내에 상기 에폭시 수지 성분 (A)와 반응하고 경화를 진행시키는 페놀성 하이드록시기를 2개 이상 함유하는 것이다.
경화제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 2 ~ 20 중량%, 보다 바람직하게는 3 ~ 6 중량%이다. 그 함량이 2 중량% 미만이면 경화성 및 성형성에 문제가 생길 수 있으며, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 흡습량 증가로 신뢰성이 저하되고, 상대적으로 강도가 낮아질 수 있다.
경화촉진제
본 발명의 조성물에는 경화촉진제가 포함될 수 있으며, 이는 에폭시 수지와 (페놀계) 경화제의 경화반응을 촉진시키는 성분이다.
경화촉진제로는 2-메틸이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸 등의 이미다졸 화합물; 트리에틸아민, 트리부틸아민, 벤질디메틸아민 등의 아민 화합물; 2-(디메틸아미노메틸)페놀, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비사이클로(5,4,0)운덱-7-엔 등의 삼급 아민 화합물; 및 페닐포스핀, 디페닐포스핀, 트리페닐포스핀, 트리부틸포스핀, 트리(p-메틸페닐)포스핀 등의 유기 포스핀 화합물을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
경화촉진제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 0.05 ~ 5 중량%, 보다 바람직하게는 0.05 ~ 0.5 중량%이다. 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 경화성이 저하될 수 있으며, 그 함량이 5 중량%를 초과하면 과경화로 인해 흐름성이 저하될 수 있다.
충진제
본 발명의 조성물에는 충진제가 포함될 수 있으며, 이는 봉지재의 강도를 향상시키고 흡습량을 낮추기 위한 성분이다.
충진제로는 실리카, 실리카 나이트라이드, 알루미나, 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드 등의 무기 충진제를 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 충진제의 형태 또한 특별히 제한되지 않으며, 각상 및 구상 형태의 충진제를 모두 사용할 수 있다. 일 구체예로, (고순도의) 실리카 충진제, 예컨대 천연 실리카, 합성 실리카, 용융 실리카 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 구상 실리카 입자를 사용하며, 이 경우 구상 실리카 입자는 조성물 총 체적에 대하여 65 ~ 85 체적%의 함량으로 포함되는 것이 적절하다.
충진제의 입경은 금형에의 충전성을 고려하여 150㎛ 이하인 것이 바람직하다.
충진제의 바람직한 함량은 조성물 총 중량에 대하여 70 ~ 95 중량%, 보다 바람직하게는 75 ~ 90 중량%이다. 그 함량이 70 중량% 미만이면 흡습량 증가 및 강도가 저하되어, 리플로우 솔더링 과정 후 밀착성이 떨어질 수 있으며, 그 함량이 95 중량%를 초과하면 점도 증가 및 유동성 저하로 성형성이 불량해질 수 있다.
본 발명의 조성물은 그 목적을 벗어나지 않는 범위에서 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물에 일반적으로 사용되는 첨가제를 추가적으로 포함할 수 있다.
예컨대, 조성물에 난연성을 부여하기 위해 난연제를 첨가할 수 있다. 난연제로는 금속 수산화물, 인 및 질소 함유 유기화합물(예컨대, 레조르시놀디포스페이트(Resorcinoldiphosphate), 포스페이트(Phosphate), 페녹시포스파젠(Phenoxyphosphazene), 멜라민 시아누레이트(Melamine Cyanurate) 및 페놀 멜라민 수지(Phenolic Melamine Resin)) 등을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 일 구체예에서, 금속 수산화물로는 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 보론, 알루미늄 및 갈륨 중에서 선택된 금속의 수산화물을 사용할 수 있다.
또한, 수지계와 무기 충진제 간에 결합력을 부여하는 (실란) 커플링제, 카본블랙, 벵갈라 등의 착색제, 하이드로탈사이트계의 이온포착제, 장쇄지방산, 장쇄지방산의 금속염, 파라핀 왁스, 카르나우바 왁스 등의 이형제, 개질제 및 변성 실리콘 수지, 변성 폴리부타디엔 등의 저응력화제 중 선택되는 하나 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.
첨가제는 조성물 총 중량에 대하여 0.1 ~ 10 중량% 포함되는 것이 적절하다.
상기한 바와 같은 각 성분으로부터 본 발명의 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 당 분야의 일반적인 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 바람직하게는, 반바리 믹서, 니더, 롤, 단축 또는 이축의 압출기 및 코니더 등을 이용한 공지된 용융 혼련방법을 사용하여 제조한다. 예컨대, 각 성분들을 균일하게 섞은 후, 용융 혼합기(Heat kneader)를 이용하여 100℃ ~ 130℃의 온도에서 용융 혼합하고, 상온으로 냉각시킨 다음, 분말상태로 분쇄한 후, 블렌딩하는 일반적인 과정을 거쳐 본 발명의 조성물을 수득할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 바와 같은 본 발명의 조성물을 이용하여 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 장치가 제공된다. 구체적으로, 본 발명의 조성물을 적용할 수 있는 반도체 장치란 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘덴서 등을 반도체 칩이나 기판 위에 집적하고 배선하여 만들어지는 전자회로(집적회로)를 의미한다. 본 발명의 조성물을 이용하여 반도체 장치를 봉지, 제조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 트랜스퍼 몰드, 컴프레션 몰드, 인젝션 몰드 등의 성형방법으로 반도체 소자를 봉지하여 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 3
하기 표 1과 같은 성분 및 함량의 원료 물질을 함께 믹싱한 후, 용융 혼합, 냉각, 분쇄, 블렌딩 공정을 거쳐 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
각 성분으로 사용한 구체적인 물질은 다음과 같다.
* 에폭시 수지(비페닐 에폭시 수지): Nippon Steel Chemical社 YX-4000K (에폭시 당량 190, 녹는점 약 105℃를 갖는 결정성 수지)
* 경화제 1(페놀 노볼락): Kolon社 KPH-F2000 (OH 당량 약 106, 연화점 약 67℃를 갖는 수지)
* 경화제 2(멀티펑션 타입): Meiwa Kasei社 MEH-75003S (OH 당량 약 103, 연화점 약 86℃를 갖는 수지)
* 경화촉진제(트리페닐포스핀): Hokko Chemical社 TPP
* 충진제: 용융 실리카(Fused silica, 구상, 평균입경 9㎛, 최대 입경 55㎛)
* 발색제 1(운모, Fe3O4 및 TiO2 혼합물): MERCK社 Lazerflair 830 (mica 38 ~ 48 중량% + Fe3O4 47 ~ 53 중량% + TiO2 5 ~ 9 중량%, 평균 입경 30㎛, 입자의 80%가 10 ~ 60㎛의 입경을 지님)
* 발색제 2(운모 및 Fe3O4 혼합물): MERCK社 Lazerflair 835 (mica 23 ~ 35 중량% + Fe3O4 65 ~ 77 중량%, 평균 입경 8㎛, 입자의 80%가 15㎛ 이하의 입경을 지님)
* 발색제 3(TiO2): DU PONT社 TI-PURE R-706 (TiO2, 평균 입경 8㎛)
* 커플링제 1(아미노실란): ShinEtsu社 KBM-573 (N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란, 분자량 255.4)
* 커플링제 2(메르캅토실란): ShinEtsu社 KBM-803 (3-메르캅토프로필트리메톡시실란, 분자량 196.4)
* 이형제 1(폴리에틸렌왁스): Clariant 社 Licowax PED 522
* 이형제 2(카르나우바왁스): KAHL&CO. CAR-WAX
상기 실시예 및 비교예에 따른 에폭시 수지 조성물에 대해 아래 방법으로 명도 및 분해도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
* 명도 평가
각 실시예와 비교예에 의해 제조된 에폭시 수지 조성물을 QFN Mold를 사용하여 시편 제작 후 레이저 마킹하여 마킹 면의 명도를 측정하였다. 이때 레이저 마킹의 조건은 다음과 같았다.
- 레이저 마킹 조건:
Fiber 레이저 마커: ㈜ 한빛 레이저, HBL10-298
Wavelength: 1060 ~ 1070nm
Pulse repetition rate: 30kHz
레이저 빔 출력: 30%
* 분해도 평가
각 실시예와 비교예에 의해 제조된 에폭시 수지 조성물의 명도 평가 후 마킹 면이 레이저에 의해 분해된 깊이를 측정하였다.
[표 1]
Figure 112011040808062-pat00001

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예의 경우 레이저 마킹시 레이저에 의해 봉지재가 분해되지 않으면서도 비교예와 동등 내지 우수한 명도(선명도)를 나타내었다. 반면, 비교예 1의 경우 상대적으로 명도가 낮게 평가되었고, 비교예 2의 경우 봉지재가 분해되어 상당한 깊이로 파였으며, 비교예 3의 경우 흑색 착색력의 부재로 EMC 외관이 백색으로 제조되어 마킹 활자의 구분 자체에 어려움이 발생하였고 마킹 면 또한 약 -19㎛ 깊이로 분해되었다.

Claims (10)

  1. 발색제 성분으로서 운모(mica), Fe3O4 및 TiO2를 포함하는 혼합물이 첨가된 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 발색제 성분의 평균 입경이 1 ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 발색제 성분의 80% 이상이 1 ~ 15㎛의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 발색제 성분이 운모 20 ~ 50 중량%, Fe3O4 40 ~ 70 중량% 및 TiO2 1 ~ 20 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 페놀 수지계인 경화제 성분을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 경화촉진제 성분을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  7. 제1항에 있어서, 구상 실리카 입자인 충진제 성분을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 충진제 성분이 조성물 총 체적에 대하여 65 ~ 85 체적% 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  9. 제1항에 있어서, 조성물 총 중량에 대하여
    에폭시 수지 2 ~ 20 중량%;
    경화제 2 ~ 20 중량%;
    경화촉진제 0.05 ~ 5 중량%;
    충진제 70 ~ 90 중량%;
    발색제 1 ~ 20 중량%; 및
    첨가제 0.1 ~ 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 봉지용 에폭시 수지 조성물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 이용하여 봉지된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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