KR20130007300A - 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트 및 이를 포함하는 제조된 적층 세라믹 전자부품 - Google Patents

적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트 및 이를 포함하는 제조된 적층 세라믹 전자부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부 스트레스를 감소시켜 크랙의 발생을 억제할 수 있는 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트 및 이를 이용하여 제조된 적층 세라믹 전자부품에 관한 것이다. 도전성 금속 분말 100 중량부; 및 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트를 이용하면 적층 세라믹 전자부품의 내부 스트레스를 감소시켜 적층 세라믹 전자부품에서 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

Description

적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트 및 이를 포함하는 제조된 적층 세라믹 전자부품{Conductive paste for internal electrode in multilayered ceramic capacitor and multilayered ceramic capacitor including the same}
본 발명은 도전성 페이스트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내부 스트레스를 감소시켜 크랙의 발생을 억제할 수 있는 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트 및 이를 이용하여 제조된 적층 세라믹 전자부품에 관한 것이다.
최근에는 전자제품의 소형화 고용량화 다기능화 경향에 따라 적층 세라믹 전자부품에 대한 요구가 증대되고 있다.
특히 적층 세라믹 캐패시터의 경우 유전체층이 내부전극에 비하여 매우 두껍게 형성되는 경우에는 내부전극의 연결성이 크랙의 발생에 크게 영향을 주지 않는다.
그러나 고용량 적층 세라믹 캐패시터가 개발되고 박층화가 진행됨에 따라 초고용량 적층 세라믹 캐패시터에서는 유전체층이 내부전극에 비하여 1~2 배 정도의 두께를 가진다.
세라믹 그린시트 상에 내부전극을 인쇄하여 형성하는 경우, 인쇄된 페이스트의 레벨링 차이에 의한 전극막의 요철은 소성 후에 전극 연결성의 산포로 나타나게 되는데, 레벨링성이 우수할수록 전극 연결성(커버리지, coverage)이 높게 나타난다.
그러나 내부전극막이 인쇄된 시트를 수백 층 겹쳐 쌓아 올려 소성 또는 실장하는 경우 열충격에 의하여 내부 스트레스가 발생되고, 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있다.
본 발명은 내부 스트레스를 감소시켜 크랙의 발생을 억제할 수 있는 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트 및 이를 포함하는 적층 세라믹 전자부품을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시형태인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트는 도전성 금속 분말 100 중량부; 및 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부;를 포함할 수 있다.
상기 유기 바인더는 폴리비닐부티랄일 수 있다.
상기 폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량은 170000 이하일 수 있다.
3.0 중량부 이하의 셀룰로오스계 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 셀룰로오스계 수지는 에틸셀룰로오스일 수 있다.
상기 도전성 금속 분말은 은, 납, 백금, 니켈 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 도전성 금속 분말의 입자의 크기는 50 내지 400nm 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태인 적층 세라믹 전자부품은 세라믹 본체; 및 상기 세라믹 본체의 내부에 형성되고, 도전성 금속 분말 100 중량부 및 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부을 포함하는 내부전극용 도전성 페이스트를 이용하여 제조된 내부전극;을 포함할 수 있다.
상기 유기 바인더는 폴리비닐부티랄일 수 있다.
상기 폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량은 170000 이하일 수 있다.
상기 내부전극용 도전성 페이스트는 3.0 중량부 이하의 셀룰로오스계 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 셀룰로오스계 수지는 에틸셀룰로오스일 수 있다.
상기 도전성 금속 분말은 은, 납, 백금, 니켈 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 도전성 금속 분말의 입자의 크기는 50 내지 400nm 일 수 있다.
본 발명에 의한 도전성 페이스트를 이용하면 적층 세라믹 전자부품의 내부 스트레스를 감소시켜 적층 세라믹 전자부품에서 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 캐패시터를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 도 2의 B 부분의 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명의 일 실시형태인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트는 도전성 금속 분말 100 중량부 및 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부을 포함할 수 있다.
도전성 금속 분말은 은, 납, 백금, 니켈 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있으며, 도전성 금속 분말의 입자 크기는 50 내지 400nm 일 수 있다.
도전성 금속은 전기전도성이 우수한 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 은, 납, 백금, 니켈, 구리 등을 사용할 수 있으며, 또한 이들을 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
입자의 크기가 50nm 미만인 경우에는 소결 과정에서 수축을 제어하기 어려우며, 400nm 초과하는 경우에는 내부전극을 박막의 형상으로 형성하기 어려울 수 있다.
유기 바인더는 도전성 금속 입자와 도전성 금속 입자를 결합시키는 매개체일 수 있다. 유기 바인더에 의하여 도전성 금속 입자가 서로 결합되어 있기 때문에 도전성 페이스트는 점성을 가질 수 있다.
유기 바인더는 도전성 금속 입자와 도전성 금속 입자와 결합할 수 있는 고분자 물질이면 어느 것이든 상관없으며, 이에 제한되는 것은 아니나, 폴리비닐부티랄일 수 있다.
폴리비닐부티랄(polyvynil butyral)은 사슬과 가교로 이루어진 구조로, 분산 스트레스에 의한 변형으로 사슬이 끊어지는 특성을 가지므로 탄성 회복이 어려워 평탄한 인쇄면 확보가 어렵지만, 접착력이 강하다는 장점이 있다.
폴리비닐부티랄이 0.6 중량부 미만인 경우에는 도전성 페이스트가 인쇄되어 형성된 내부전극의 레벨링 및 소성된 내부전극의 전극 연결성(커버리지, coverage)이 우수한데, 이때에는 소성 또는 실장 과정에서의 열충격에 의하여 내부 스트레스에 의한 크랙이 발생할 수 있다.
폴리비닐부티랄이 2.4 중량부를 초과하는 경우에는 전극 연결성(커버리지)가 지나치게 감소하여 용량 등 전기적 특성이 저하될 수 있다.
폴리비닐부티랄이 0.6 내지 2.4 중량부인 경우에는 페이스트의 분산성을 저하시키지 않으면서도 적층 세라믹 캐패시터의 전기적 특성, 내전압 특성을 구현할 수 있고, 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
도전성 금속 분말 100 중량부 및 폴리비닐부티랄 0.6 내지 2.4 중량부를 첨가한 페이스트를 이용하여 인쇄된 내부전극은 국부적으로 레벨링 특성이 저하된다.
국부적 레벨링 특성의 저하로 인하여 소성 후 전극 연결성에 편차가 발생하고, 이러한 편차에 의하여 내부 스트레스는 완화된다.
이로써 소성 또는 실장 과정에서 유발되는 열충격에 의하여 크랙이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
상기 폴리비닐부티랄의 분산 후의 분자량은 170000 이하일 수 있다.
폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량이 170000 초과인 경우에는 인쇄성 및 전기적 특성이 저하될 수 있다.
폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량이 170000 초과인 경우에는 여전히 폴리비닐부티랄의 고유 특성인 강한 접착력을 그대로 유지하고 있기 때문인 것으로 유추할 수 있다.
폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량이 170000 이하인 경우에는 폴리비닐부티랄의 분자가 더 많이 끊어지게 되어 폴리비닐부티랄의 고유 특성인 강한 접착력이 다소 완화된다는 점에 기인하는 것이라고 유추할 수 있다.
도전성 페이스트의 특성에 영향을 미치는 것은 분산되기 이전의 폴리비닐부티랄의 분자량이 아니라 분산 후의 폴리비닐부티랄의 분자량이다.
분산 과정은 3롤, 볼 밀링 방법을 이용하여 이루어질 수 있다. 볼 밀링 과정에서 투입되는 볼의 크기나 개수, 시간 등의 인자에 의하여 볼 밀링 후의 폴리비닐부티랄의 분자량을 제어할 수 있다. 볼 밀링 시간이 길수록 폴리비닐부티랄의 분산 후의 분자량은 감소할 수 있다.
상기 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트에는 셀룰로오스계 수지를 첨가할 수 있다.
셀룰로오스계 수지에 도전성 금속 분말이 분산되어 존재할 수 있다.
셀룰로오스계 수지는 페이스트 분산 공정에서 페이스트의 유동성 및 상안정성을 부여하는 분산 보조제의 역할을 한다.
또한 적층 세라믹 캐패시터를 제조하기 위해 페이스트를 세라믹 그린시트에 인쇄하는 공정에서는 셀룰로오스계 수지의 점탄성 거동에 의하여 페이스트 인쇄면을 평탄하게 하는 역할을 한다.
또한 페이스트가 인쇄된 복수의 그린시트를 적층하는 적층 공정에서는 유전체층과 내부전극층 간의 접착력을 부여하는 접착제 역할을 한다.
상기 셀룰로오스계 수지로는 이에 제한되는 것은 아니나 에틸셀룰로오스일 수 있다.
에틸셀룰로오스(Ethyl Cellulose)는 의자형 구조를 가지는 수지로 분산 스트레스에 의한 변형이 발생하였을 때 탄성에 의한 회복이 빠른 특성을 가진다. 따라서 페이스트를 인쇄하여 박막을 형성하였을 때 인쇄면이 평탄하게 형성될 수 있다. 즉 레벨링 특성이 우수할 수 있다.
내부전극 페이스트 조성물 제조에 사용되는 인쇄용 수지인 에틸셀룰로오스는 점탄성 특성으로 인하여 평탄한 인쇄가 가능하다는 장점이 있다.
반면 폴리비닐부티랄은 평탄한 인쇄면 확보가 어렵지만 대신 접착력이 강하다는 장점이 있다.
따라서 에틸셀룰로오스만을 사용하면 평탄한 인쇄면 확보는 가능하나 접착력이 약하다는 문제가 있고, 폴리비닐부티랄만을 사용하는 경우 접착력은 강하나 평탄한 인쇄면 확보가 어렵다는 문제가 있다.
에틸 셀룰로오스와 폴리비닐부티랄은 구조적 차이가 있어 잘 섞이지 않는다.
인쇄 후 레벨링 특성이 우수한 에틸셀룰로오스에 이와 상용성이 좋지 않은 폴리비닐부티랄을 첨가함으로써 인쇄된 내부전극의 레벨링성을 국부적으로 저하시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태인 적층 세라믹 전자부품은 세라믹 본체; 및 상기 세라믹 본체의 내부에 형성되고, 도전성 금속 분말 100 중량부 및 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부을 포함하는 내부전극용 도전성 페이스트를 이용하여 제조된 내부전극;을 포함할 수 있다.
적층 세라믹 전자부품은 세라믹층을 적층하여 제조된 전자부품을 말하며, 전자 제품의 소형화, 고용량화 등의 경향에 따라 수요가 증대되고 있다. 이러한 적층 세라믹 전자부품에는 적층 세라믹 캐패시터, 칩 인덕터, 칩 비즈 등이 있다. 본 실시형태에서는 적층 세라믹 캐패시터를 예로 들어 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 적층 세라믹 캐패시터를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A'을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 도 2의 B 부분의 확대도이다((a)는 비교예, (b)는 본 발명의 일 실시형태).
도 1 내지 도 2을 참조하면, 적층 세라믹 캐패시터는 세라믹 본체(10), 외부전극(20,21), 내부전극(30,31)을 포함한다.
세라믹 본체(10)는 유전체 시트를 적층하여 형성될 수 있으며, 유전체 재료로는 이에 제한되는 것은 아니나 티탄산바륨을 사용할 수 있다.
외부전극은 외부에서 인가되는 전압을 내부전극에 전달하는 역할을 하며, 도전성 금속을 주성분으로 하고 유리 성분 등을 포함할 수 있다. 이에 제한되는 아니나, 도전성 금속은 구리일 수 있다.
내부전극(30,31)은 도전성 금속 분말 100 중량부, 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부을 포함하는 내부전극용 도전성 페이스트를 이용하여 제조될 수 있다.
내부전극용 도전성 페이스트에 관한 사항은 앞에서 설명한 바와 동일하다.
도 3의 (a)은 폴리비닐부티랄이 0.6 중량부 미만인 내부전극용 도전성 페이스트를 이용하여 제조된 적층 세라믹 캐패시터에 대한 도 2의 B 부분의 확대도이다. 도 3의 (b)는 본 실시형태에 의한 도 2의 B 부분의 확대도이다.
도 3의 (b)를 참조하면, 내부전극(30,31)의 윗부분에 움푹 들어간 부분, 즉 국부적 레벨링 저하 부분(50)이 있다. 도면에는 내부전극(30,31)의 윗부분에만 국부적 레벨링 저하 부분(50)을 도시하였지만 내부전극(30,31)의 아랫부분에도 형성될 수 있다.
도 3의 (a)에는 국부적 레벨링 저하 부분이 존재하지 않는다.
국부적 레벨링 저하 부분(50)의 존재로 인하여 유전체(40)와 내부전극(30,31) 간의 열팽창의 차이로 인하여 발생되는 내부 스트레스가 완화되며, 이로써 소성 또는 실장 과정에서 유발되는 열충격에 의하여 크랙이 발생되는 것을 억제할 수 있다.
[실시예]
티탄산바륨 분말을 주재료로 하고 바인더, 용제 등을 혼합하여 유전체 슬러리를 제조하고 이를 닥터 블레이드 방법을 통하여 캐리어 필름 상에 10um 두께의 유전체 그린시트를 제조하였다.
100nm 크기의 니켈에 폴리비닐부티랄 등의 수지를 함량에 맞도록 칭량하여 혼합하고, 원하는 수준의 폴리비닐부티랄 분자량을 얻을 수 있도록 3롤-볼밀을 실시하여 도전성 페이스트를 제조하였다.
상기 유전체 그린시트에 상기 도전성 페이스트를 스크린 인쇄방법을 통하여 내부전극을 1.0~1.5um 두께로 인쇄하였다.
상기 내부전극이 인쇄된 유전체 그린시트를 적층, 가압, 절단하여 칩을 제조하고, 230℃에서 60시간 동안 탈바인더를 진행하였고, 이후에 1200℃에서 내부전극이 산화되지 않도록 Ni/Ni0 평형 산소분압보다 낮은 산소 10-11~10-10 분압 하의 환원분위기에서 소성하였다.
표 1에는 폴리비닐부티랄(PVB, polyvinyl butyral)의 함량 및 분산 후 분자량를 변화시키면서 상기 방법에 의하여 제조된 시료에 대한 인쇄성, 전기적 특성, 크랙 발생에 대한 평가 결과를 나타내었다.
인쇄성 평가는 인쇄된 내부전극을 광학현미경으로 관찰하여 번짐의 유무, 해상도 및 레벨링 특성을 평가하였다.
전기적 특성은 설계치 대비 100%의 용량이 구현되는지 여부, 쇼트의 발생 여부 등을 기준으로 평가하였다.
시료 니켈입자 크기
(nm)
니켈함량
(중량부)
PVB 함량
(중량부)
PVB 분산후 분자량 인쇄성 전기적 특성 크랙
1* 100 100 0.3 170000 ×
2 100 100 1.0 170000
3* 100 100 1.0 190000 × ×
4 100 100 2.0 120000
5* 100 100 2.5 110000 × ×
6 200 100 0.6 110000
7 200 100 1.0 70000
8 200 100 2.0 70000
9 200 100 2.4 130000
10* 200 100 2.7 160000 × ×
11* 300 100 0.5 95000 ×
12 300 100 1.0 150000
13 300 100 1.0 160000
14 300 100 2.2 100000
15* 300 100 2.5 180000 × ×
16* 400 100 0.2 165000 ×
17 400 100 1.0 120000
18* 400 100 3.0 200000 × ×
19 400 100 3.0 50000
20 400 100 5.0 75000
*: 비교예
×: 불량, ○: 양호, ◎: 아주 양호
표 1을 참조하면, 시료 1, 11, 및 16은 폴리비닐부티랄의 함량이 각각 0.3, 0.5 및 0.2 중량부로 0.6 중량부 미만인 경우로서 인쇄성과 전기적 특성은 양호하지만 크랙이 발생하였다.
폴리비닐부티랄의 함량이 시료 5는 2.5 중량부이고, 시료 10은 2.7 중량부이고, 시료 15는 2.5 중량부이고, 시료 18은 3.0 중량부인데, 폴리비닐부티랄의 함량이 모두 2.4 중량부를 초과하는 경우로서 인쇄성 및 전기적 특성이 불량하였다.
따라서 폴리비닐부티랄의 함량이 0.6 내지 2.4 중량부인 경우에 인쇄성, 전기적 특성 및 크랙 발생과 관련하여 우수한 효과를 나타냄을 알 수 있다.
폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량이 시료 3은 190000이고, 시료 15는 180000이고, 시료 18은 200000인데, 모두 폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량이 170000 을 초과하는 경우로서 인쇄성 및 전기적 특성이 불량하였다.
이로써 폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량이 170000 이하인 경우에 인쇄성 및 전기적 특성과 관련하여 우수한 효과를 나타냄을 알 수 있다.
표 2에는 에틸셀룰로오스를 추가적으로 더 첨가하는 경우 에틸셀룰로오스의 함량에 따른 크랙의 발생 여부를 평가한 결과를 나타내었다. 평균 입자 사이즈가 300nm 인 니켈 100 중량부에 대하여 폴리비닐부타디엔 및 에틸셀룰로오스를 첨가하여 도전성 페이스트를 제조하고, 제조된 도전성 페이스트로 내부전극을 형성한 적층 세라믹 캐패시터를 제작하고, 이에 대하여 인쇄성, 전기적 특성, 크랙 발생 여부에 관하여 평가한 결과를 나타내었다.
시료 니켈 사이즈
(nm)
니켈 함량
(중량부)
EC 함량
(중량부)
PVB 함량
(중량부)
분산 후 PVB 평균분자량 인쇄성 전기적특성 크랙발생
1 300 100 2.0 2.0 150000 ×
2 300 100 3.0 0.7 110000 ×
3* 300 100 3.1 0.7 120000
4* 300 100 3.3 0.5 100000
* : 비교예
×: 불량, ○: 양호
표 2를 참조하면, 에틸셀룰로오스의 함량이 3.0 인 경우에는 크랙이 발생하지 않았지만, 에틸셀룰로오스의 함량이 3.1 인 경우에는 크랙이 발생하였음을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 확정된다. 따라서 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
10: 세라믹 본체 20, 21: 외부전극
30, 31: 내부전극 40: 유전체층
50: 국부적 레벨링 저하 부분

Claims (14)

  1. 도전성 금속 분말 100 중량부; 및
    유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부;
    를 포함하는 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기 바인더는 폴리비닐부티랄인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량은 170000 이하인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  4. 제1항에 있어서,
    3.0 중량부 이하의 셀룰로오스계 수지를 더 포함하는 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 셀룰로오스계 수지는 에틸셀룰로오스인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 금속 분말은 은, 납, 백금, 니켈 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 금속 분말의 입자의 크기는 50 내지 400nm 인 적층 세라믹 전자부품의 내부전극용 도전성 페이스트.
  8. 세라믹 본체; 및
    상기 세라믹 본체의 내부에 형성되고, 도전성 금속 분말 100 중량부 및 유기 바인더 0.6 내지 2.4 중량부을 포함하는 내부전극용 도전성 페이스트를 이용하여 제조된 내부전극;을 포함하는 적층 세라믹 전자부품.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유기 바인더는 폴리비닐부티랄인 적층 세라믹 전자부품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폴리비닐부티랄의 분산 후 분자량은 170000 이하인 적층 세라믹 전자부품.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 내부전극용 도전성 페이스트는 3.0 중량부 이하의 셀룰로오스계 수지를 더 포함하는 적층 세라믹 전자부품.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 셀룰로오스계 수지는 에틸셀룰로오스인 적층 세라믹 전자부품.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 금속 분말은 은, 납, 백금, 니켈 및 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 적층 세라믹 전자부품.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 도전성 금속 분말의 입자의 크기는 50 내지 400nm 인 적층 세라믹 전자부품.
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