KR20100133491A - 인쇄 회로판을 히트 싱크에 부착하기 위한 열전도성 마운팅 소자 - Google Patents
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Abstract
발열 전기 컴포넌트(10)를 위한 열 소산을 위한 구성은, 인쇄 회로판(20)의 열전도층(23)에 열 접촉하는, 인쇄 회로판(20) 상에 배열된 발열 전기 컴포넌트(10)를 포함한다. 열전도성 마운팅 소자(40)는 솔더링에 의해 열전도층(23)에 부착되고, 히트 싱크(30) 내의 리세스(31)에 체결되도록 적응된 연결부(43)를 갖고, 그에 의해, 인쇄 회로판(20)이 히트 싱크(30)에 부착되는 것을 가능하게 하며, 여기에서 발열 전기 컴포넌트(10)로부터 열전도층(23) 및 마운팅 소자(40)를 경유하여 히트 싱크(30)로 열 경로가 제공된다. 열전도성 마운팅 소자를 이용하는 것에 의해, 종래 기술의 구성에서 요구되던 다층 PCB가 아니라, 단일의 열전도층을 구비하는 PCB로 열 소산이 달성된다. PCB를 히트 싱크에 부착하기 위해 나사 및/또는 접착제가 이용되지 않으므로, PCB는 쉽게 제거될 수 있고, 열팽창 계수의 차이에 의해 유발되는 휨의 문제가 극복된다.
Description
본 발명은 발열 전기 컴포넌트를 위한 열 소산을 위한 구성에 관한 것으로서, 히트 싱크; 히트 싱크 상에 배열가능하고, 히트 싱크의 반대쪽을 향하는 면에 열전도층을 구비하는 유전체 기판을 포함하는 인쇄 회로판; 인쇄 회로판 상에 배열되고, 열전도층과 열 접촉하는 발열 전기 컴포넌트를 포함하는 장치에 관한 것이다.
회로판 상에 발열 전기 컴포넌트를 배열할 때, 소정 유형의 히트 싱크를 이용하여, 발생된 열을 소산시키는 것이 바람직할 수 있다. 발열 컴포넌트의 일례는 LED(light emitting diode)이다.
LED는 백열등이나 형광등과 같은 전통적인 조명에 비교할 때, 효율성과 긴 수명과 같은 이유들로 인해 광범위한 조명 응용에 대해 매력적이다. 그럼에도 불구하고, 많은 응용들에서, LED에 의해 발생되는 열은 효율성을 감소시키고, LED 장치의 장기적인 신뢰도에 영향을 준다. 결과적으로, 적절한 동작과 연장된 수명을 위해, LED의 열 관리는 결정적이다.
전형적으로, LED는 불량한 열전도체인 투명 수지로 캡슐화된다. 따라서, 생성되는 열의 대부분은 LED 칩의 배면을 통해 전도된다. 그러므로, 낮은 접합부 온도(junction temperature)를 유지하고 LED의 양호한 성능을 유지하기 위해, LED 장치들은 전형적으로 히트 싱크를 구비한다. 도 1은 LED(1)가 인쇄 회로판(PCB)(2)에 마운팅된 전형적인 종래 기술의 구성을 도시하고 있다. PCB(2)는 유전체 기판(8)의 양면에 적층된 구리 시트(3, 4)를 포함한다. 전형적으로, 적합한 회로를 제공하기 위해, 상측의 구리 시트(3)(즉, LED를 향하는 구리 시트)로부터 에칭된 전기 회로 트레이스가 존재한다. PCB(2)의 양면에 배치된 구리 시트(3, 4)는 또한 열전도층(3, 4)의 역할도 한다. 이러한 열전도층(3, 4)은 일련의 열 비아(thermal via)(5)에 의해 연결된다. LED(1)는 PCB(2)에 솔더링되고, LED(1)의 PN 접합부는 PCB의 전기 회로 트레이스에 전기 접속된다. 또한, 솔더링은 PN 접합부와 상측 시트(3)의 상측 열전도층(3) 간에 열 접촉을 제공한다. 인쇄 회로판(2)은 전형적으로 나사(7)를 이용하여 히트 싱크(6)에 마운팅된다. 또한, 구성은 히트 싱크(6)와 히트 싱크를 향하는 열전도층(4) 간의 열 접촉을 향상시키기 위해 열 페이스트를 구비할 수 있다. 이러한 구성을 통해, LED 접합부에서 발생되는 열은 인쇄 회로판(2)의 열전도층(3, 4)을 통해 히트 싱크(6)로, 그리고 주변 환경으로 전도된다.
그러나, 위에서 설명된 다층 PCB는 저가 응용에서 이용하기에는 비쌀 수 있다. 또한, PCB가 히트 싱크에 나사로 부착될 때, PCB와 히트 싱크 간의 열팽창 계수(CTE)의 차이가 응력을 유발하여, 인쇄 회로판이 휘어져서 LED가 기울어지게 할 수 있다.
상기의 내용을 고려하여, 본 발명의 목적은 위에서 논의된 문제들을 해결하거나 적어도 감소시키는 것이다. 구체적으로, 효율적인 열 소산을 가능하게 하는 비용 효율적인 구성을 제공하는 것이 목적이다.
본 발명의 양태에 따르면, 발열 전기 컴포넌트를 위한 열 소산을 위한 장치로서, 히트 싱크; 히트 싱크 상에 배열가능한 인쇄 회로판 - 인쇄 회로판은 히트 싱크의 반대쪽을 향하는 면에 열전도층을 구비하는 유전체 기판을 포함함 -; 인쇄 회로판 상에 배열된 발열 전기 컴포넌트 - 발열 전기 컴포넌트는 열전도층과 열 접촉함 - 를 포함하고, 열전도성 마운팅 소자가 솔더링에 의해 열전도층에 부착되고, 마운팅 소자는 히트 싱크 내의 리세스에 체결되도록 적응된 연결부를 갖고, 그에 의해, 인쇄 회로판이 히트 싱크에 부착되는 것을 가능하게 하며, 발열 전기 컴포넌트로부터 열전도층 및 마운팅 소자를 경유하여 히트 싱크로 열 경로가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.
열전도성 마운팅 소자를 이용하는 것에 의해, 종래 기술의 구성에서 요구되던 (열 비아를 통해 연결된 양면 상의 열전도층을 갖는) 다층 PCB가 아니라, 단일의 열전도층을 구비하는 PCB로 열 소산이 달성될 수 있다. 전형적으로, 단층 PCB는 다층 PCB보다 낮은 비용에 관련된다. 또한, PCB와 히트 싱크 간에 열 페이스트(thermal paste)가 필요하지 않다. PCB를 히트 싱크에 접착하기 위해 나사 및/또는 접착제가 이용되지 않으므로, PCB는 예를 들어 LED의 고장 시에 쉽게 제거될 수 있다. 또한, 열팽창 계수의 차이에 의해 유발되는 PCB의 휨의 문제가 극복된다. 또한, 단층 PCB는 다층 PCB보다 더 얇아질 수 있으므로(전형적으로, 1.6㎜ 대신에 약 0.4㎜), 단층 PCB를 이용하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명은 열전도성 마운팅 소자, 및 마운팅 소자와 열전도층 사이 및 마운팅 소자와 히트 싱크 사이의 적절하게 설계된 계면을 이용함으로써, 단층 PCB에 의해 발열 전기 컴포넌트로부터 히트 싱크로의 충분한 열 소산이 달성될 수 있다는 이해에 기초한다.
리세스는 히트 싱크의 주변부(periphery)에서 진출(debouching)하는 홈일 수 있고, 히트 싱크 내에 개구가 형성되어, 마운팅 소자가 홈의 밖으로 미끄러져 나올 수 있게 할 수 있다. 이러한 구성에 의해, PCB를 홈에 평행하게 이동시킴으로써 PCB가 히트 싱크로부터 제거(또는 부착)될 수 있다. 또한, 설계는 비용 효율적인 압출성형(extrude)될 수 있으므로, 생산이 편리하다. 또한, 전형적으로, 설계는 홈의 길이방향(longitudinal) 연장으로 인해, 마운팅 소자와 히트 싱크 간의 넓은 접촉 표면, 및 그에 의한 효율적인 열 소산을 가능하게 한다.
연결부는 리세스 내부의 2개의 대향면들에 접촉하도록 적응될 수 있고, 그에 의해 마운팅 소자와 히트 싱크 간의 접촉 표면이 최대화될 수 있어서, 효율적인 열 소산을 가능하게 한다.
연결부는 체결시에 압축되도록 적응될 수 있고, 이에 의해 연결부는 스프링 작용(spring action)을 통해 리세스와 체결될 수 있다. 따라서, PCB를 히트 싱크 위에 배치하고 단순히 마운팅 소자를 홈 내로 누르는 것에 의해, PCB가 히트 싱크에 부착될 수 있다. 이는 또한, 연결부의 리세스로의 마찰 체결(frictional engagement)을 촉진할 수 있다.
리세스는 네크(neck)를 가질 수 있어서, 예를 들어, 연결부와 리세스 간의 향상된 마찰 체결에 의해 리세스가 연결부를 제자리에 유지할 수 있게 된다.
리세스는 연결부의 대응하는 접합부에 체결하도록 적응된 접합부를 갖고, 그에 의해 리세스에 대한 연결부의 신뢰성있는 부착을 가능하게 한다.
인쇄 회로판은 개구를 구비하고, 마운팅 소자는 그 개구를 통해 연장된다. 이는 단일 마운팅 소자를 이용하는, 히트 싱크에 대한 PCB의 신뢰성있는 부착을 가능하게 한다.
실시예에 따르면, 마운팅 소자는 양호한 열 전도성을 갖는 구리로 만들어지며, 효율적인 열 소산을 가능하게 한다. 그러나, 마운팅 소자는 예를 들어 카본 또는 알루미늄 합금과 같이 높은 열 전도성을 갖는 소정의 다른 재료로도 만들어질 수 있다.
다른 목적, 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명과, 첨부된 종속 청구항들과 도면들로부터 명백해질 것이다.
상기한 것과, 그 이외의 본 발명의 목적, 특징 및 이점들은, 동일한 참조 번호들이 유사한 구성요소를 위해 사용되는 첨부 도면들을 참조하여, 아래의 본 발명의 바람직한 실시예들의 예시적이고 비제한적인 상세한 설명을 통해 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술의 구성의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 투시도이다.
도 3은 본 발명의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 1은 종래 기술의 구성의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 투시도이다.
도 3은 본 발명의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예의 단면도이다.
도 2는 발광 다이오드(LED)(10)가 인쇄 회로판(PCB)(20) 상에 마운팅되는 구성을 도시한 것이다. PCB(20)는 히트 싱크(30) 내의 리세스(31)에 체결되도록 적응된 마운팅 소자(40)를 구비한다. 이는 PCB(20)가 히트 싱크(30)에 마운팅될 수 있게 한다.
전형적으로, LED(10)는 투명 수지 내에 LED 본체(11) 및 렌즈(12)를 포함한다. PCB(20)는 유전체 기판(22) 상에 적층된 구리 시트(23)를 포함한다. 전형적으로, 적합한 회로를 제공하기 위해 구리 시트(23)로부터 에칭된 전기 회로 트레이스들이 존재하는데, 유전체 기판(22)은 전기 회로 트레이스와 히트 싱크(30) 간에 전기적 절연을 제공한다. 또한, 구리 시트(23)는 PCB(20)의 상단에 배열되는 (즉, 히트 싱크 반대쪽을 향하는) 열전도층을 형성한다. 열전도층에 의해 덮이는 PCB의 영역은, LED와 마운팅 소자 간에 효율적인 열 접촉이 제공되는 한, 응용에 따라 달라질 수 있다. 여기에서의 열전도층이 구리 시트에 의해 형성되긴 하지만, 또한 높은 열전도성을 갖는 소정의 대안적인 재료로 이루어질 수도 있다. 열전도층의 전형적인 두께는 35 또는 70 마이크론이다.
LED(10)는 솔더링에 의해 PCB(20)에 부착되며, LED(10)의 PN 접합부는 LED에 전력을 공급하기 위해 PCB(20)의 회로 트레이스에 전기 접속된다. 또한, 별개의 솔더 포인트(13)가 PN 접합부와, 열전도층(23)을 이루는 구리 시트의 부분 사이의 열 접촉을 제공한다.
여기에서, 마운팅 소자(40)는 PCB(20) 내의 개구(24)에 배치된다. 이는, 예를 들어 PCB(20)의 중앙 부근에 마운팅 소자가 배치될 수 있으므로, 단일의 마운팅 소자(40)를 이용하여 히트 싱크(30)에 대한 PCB의 안정적인 부착을 가능하게 한다. 또한, 단일의 마운팅 소자를 이용하는 것은 치수결정에 대한 스태틱(static over dimensioning)을 방지함으로써, 그렇지 않았다면 히트 싱크(30)에 마운팅할 때 PCB(20)에서 발생할 수 있는 응력을 감소시킨다.
마운팅 소자(40)는 전형적으로 구리, 또는 카본이나 알루미늄 합금과 같이 높은 열전도도를 갖는 소정의 다른 재료로 만들어진다. 본 실시예에서, 마운팅 소자(40)는 본질적으로 열전도층(23)에 평행한 부착 표면(41)을 구비하며, 여기에서 열전도층(23)과 마운팅 소자(40) 간의 효율적인 열 전달이 달성될 수 있다. 열 전달을 더 촉진하기 위해, 마운팅 소자(40)는 솔더 포인트(44)에 의해 도시된 솔더링에 의해 열도전성층(23)에 부착된다. 전형적으로, 실장 소자는 LED와 동시에 PCB에 솔더링된다. 전형적으로, 이것은 PCB(20)가 히트 싱크(30) 상에 배열되기 전에 행해진다.
마운팅 소자(40)는 여기에서 PCB(20)로부터 수직하게 연장하는 연결부(43)를 갖는다. 도 2에 도시된 실시예에서, 연결부는 단면에서 보이는 바와 같이 본질적으로 U-형상이다. U-형상 설계는 리세스(31)의 내부의 2개의 대향면과의 접촉을 가능하게 하며, 그에 의해 마운팅 소자(40)와 히트 싱크(30) 간에 큰 접촉 면적과, 양호한 열 전달을 제공한다. 전형적으로, U-형상 설계는 고유의 유연성을 허용하여, 연결부(43)가 리세스(31)의 내부에 접촉하게 하며, 그에 의해 열 전달을 촉진한다. 또한, 이것은 연결부(43)와 리세스(31) 간의 마찰 체결(frictional engagement)을 촉진하며, 부착시에 PCB(20)를 히트 싱크(30)에 고정한다.
전형적으로, 히트 싱크(30)는 알루미늄과 같은 금속으로 만들어진다. 히트 싱크는 PCB를 향하는 표면(히트 싱크의 상측 표면이라고도 칭해짐) 내에, 여기에서는 홈(31)의 형태인 리세스(31)를 구비한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 홈(31)은 히트 싱크(30)의 상측 표면 내의 직선을 따라 연장하며, 그것의 연장부 전체에서 균일한 단면을 갖는다. 마운팅 소자(40)의 연결부(43)가 그것을 통과하여 홈(31)의 안 및/또는 밖으로 미끄러질 수 있도록 하는 개구가 히트 싱크 내에 형성되도록, 홈(31)은 히트 싱크(30)의 적어도 한 에지에 도달하는 것이 유리하다. 여기에서, 단면은 본질적으로 마운팅 소자(40)의 U-형상 연결부(43)에 일치하도록 직사각형이다. 본 실시예에서, 홈(31)은 히트 싱크(30)의 중심에 있다.
마운팅 소자(40)와 히트 싱크(30) 간의 열 전달은, 예를 들어 홈(31)의 방향으로 더 긴 연장부를 갖는 마운팅 소자(40)를 제공하는 것에 의해, 그들 간의 접촉 표면을 증가시킴으로써 향상될 수 있다.
위에 설명된 구성에 의해, PCB(20)를 히트 싱크(30) 위에 배열하고, 단순히 마운팅 소자(40)를 홈(31) 내로 누르는 것에 의해, PCB(20)가 히트 싱크(30)에 부착될 수 있다.
마운팅 소자(40)의 연결부(43)는 그것의 U-형상 설계로 인해, 홈(31) 내로 도입될 때 약간 압축될 것이다. 따라서, U-형상 연결부(43)의 고유의 유연성은 연결부(43)를 히트 싱크(30)에 접촉시켜, 양호한 열 접촉을 제공하고, 연결부(43)가 홈(31)과 마찰 체결할 때 PCB(20)를 히트 싱크(30)에 고정한다. 또한, 홈(31)은 연결부(43)의 대응 접합부(abutment)(42)에 체결하도록 적응된 접합부(34)를 가져서, 예를 들어 도 2에 도시된 실시예에 의해 예시된 것과 같이 체결을 확실하게 하여, "스냅 핏(snap fit)"을 제공할 수 있다. PCB를 홈에 평행하게 이동시켜, 연결부(43)가 홈(31) 밖으로 미끄러져 나오게 함으로써, PCB(20)가 히트 싱크로부터 제거될 수 있다.
또한, 히트 싱크(30)는 PCB가 히트 싱크(30)로부터 스스로 과도하게 리프트되는 것을 방지하기 위해, 에지들을 따라 돌출부(35)를 구비할 수 있다. 이러한 돌출부들은 전형적으로 홈(31)에 평행한 히트 싱크(30)의 면들 상에 배열된다.
동작 시에, LED(10)의 PN 접합부에서 발생된 열은 솔더 포인트를 통해 열전도층(23)에 전도되고, 마운팅 소자(40)를 통해 히트 싱크(30)로, 그리고 주변 환경으로 더 전달된다. 전형적인 LED 온도는 여기에서 약 130℃이고, 히트 싱크는 전형적으로 80℃까지의 온도를 가질 수 있다.
다른 실시예에 따르면, PCB(20)를 히트 싱크(30)에 부착하기 위해 복수의 마운팅 장치(40)가 이용될 수 있다. 그러한 실시예의 예시가 도 3에 도시되어 있다. 여기에서, PCB(20)는 PCB(20)의 양측에 배열된 2개의 마운팅 소자(40)에 의해 히트 싱크(30)에 부착된다. 또한, 본 실시예는 마운팅 소자와 리세스의 접합부(34, 42)의 대안적인 설계의 예도 도시하고 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 홈은 네크(neck)를 구비하거나, 또는 히트 싱크의 상측 표면을 향해 테이퍼(taper)된다. 따라서, 연결부가 거기에 도입될 때, U-형상 연결부는 압축될 것이고, 스프링 힘은 마운팅 소자를 히트 싱크에 접촉시키고, 홈에 마찰 체결시킨다.
본 발명은 주로 몇몇 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 지식을 가진 자라면 쉽게 알 수 있을 바와 같이, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 범위 내에서, 여기에 개시된 것들과는 다른 실시예들이 동등하게 가능하다.
예를 들어, 여기에서는 마운팅 소자가 U-형상 연결부로 기술되었지만, 그것은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 연결부는 앵커(anchor)-형상 단면 또는 속이 빈 직사각형(hollow rectangular) 단면을 가질 수 있다. 또한, 연결부는 도 4 및 도 5에 예시된 것과 같이 속이 차 있을(solid) 수 있다. 또한, 도 5는 홈의 방향으로 연장하는 길이방향의 리지(ridge)를 제공하는 것에 의해 마운팅 소자와 리세스 간의 접촉 표면이 어떻게 확대될 수 있는지를 도시한다. 이것은 향상된 열 전달을 가능하게 하며, 예를 들어, 다수의 LED가 제한된 표면 상에 마운팅될 때 유리할 수 있다. 길이방향의 리지는 또한 마운팅 소자(40)의 연결부(43)를 홈에 고정할 수 있다.
위에서 설명된 실시예들은 단일의 발열 전기 컴포넌트로 설명되었지만, 본 발명은 PCB 상에 배열된 복수의 발열 전기 컴포넌트에 대해서도 동등하게 적용될 수 있음이 인식된다.
또한, 본 발명은 LED의 냉각에 제한되지 않고, 예를 들어 MOSFET과 같은 다른 발열 전기 컴포넌트들의 열 소산을 위해서도 동등하게 잘 이용될 수 있다.
Claims (9)
- 발열 전기 컴포넌트(10)를 위한 열 소산(heat dissipation)을 위한 장치(arrangement)로서,
히트 싱크(30);
상기 히트 싱크(30) 상에 배열가능한 인쇄 회로판(20) - 상기 인쇄 회로판(20)은 상기 히트 싱크(30)의 반대쪽을 향하는 면에 열전도층(23)을 구비하는 유전체 기판(22)을 포함함 -;
상기 인쇄 회로판(20) 상에 배열된 발열 전기 컴포넌트(10) - 상기 발열 전기 컴포넌트(10)는 상기 열전도층(23)과 열 접촉(thermal contact)함 -
를 포함하고,
열전도성 마운팅 소자(mounting element)(40)가 솔더링에 의해 상기 열전도층(23)에 부착되고, 상기 마운팅 소자(40)는 상기 히트 싱크(30) 내의 리세스(31)에 체결(engage)되도록 되어 있는 연결부(43)를 갖고,
그에 의해, 상기 발열 전기 컴포넌트(10)로부터 상기 열전도층(23) 및 상기 마운팅 소자(40)를 경유하여 상기 히트 싱크(30)로 열 경로가 제공되도록, 상기 인쇄 회로판(20)이 상기 히트 싱크(30)에 부착되는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제1항에 있어서,
상기 발열 전기 컴포넌트(10)는 LED(10)인 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 리세스(31)는 상기 히트 싱크(30)의 주변부(periphery)에서 진출(debouching)하는 홈(31)이고, 상기 히트 싱크(30) 내에 개구가 형성되어, 상기 마운팅 소자가 상기 홈(31)의 안 및/또는 밖으로 미끄러질 수 있게 하는 장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결부(43)는 상기 리세스(31) 내부의 2개의 대향면들에 접촉하도록 되어 있는 장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결부(43)는 상기 리세스(31)와의 체결시에 압축되고, 스프링 작용에 의해 고정되도록 되어 있는 장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 리세스(31)는 상기 연결부(43)의 대응하는 접합부(abutment)(42)에 체결하도록 되어 있는 접합부(34)를 갖는 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인쇄 회로판은 개구(24)를 구비하고, 상기 마운팅 소자(40)는 상기 개구(24)를 통해 연장되는 장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마운팅 소자(40)는 구리로 만들어지는 장치. - 전기 컴포넌트 어셈블리의 방법으로서,
솔더링에 의해, 발열 전기 컴포넌트(10)를 열전도층(23)을 갖는 인쇄 회로판(20)에 마운팅하는 단계;
솔더링에 의해, 열전도성 마운팅 소자(40)를 상기 열전도층(23)에 부착하는 단계;
상기 마운팅 소자(40)의 연결부(43)를 상기 히트 싱크(30) 내의 리세스(31)에 체결함으로써 상기 인쇄 회로판(20)을 히트 싱크(30)에 부착하는 단계;
그에 의해, 상기 발열 전기 컴포넌트(10)로부터 상기 열전도층(23) 및 상기 마운팅 소자(40)를 경유하여 상기 히트 싱크(30)로 열 경로가 제공되도록, 상기 인쇄 회로판(20)을 상기 히트 싱크(30)에 부착하는 단계
를 포함하는 방법.
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