TWI618095B - 導電性糊料、印刷線路板及電子裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供耐電遷移性,焊料耐熱性,及對基板的密著性優異的燒結型導電性糊料。
本發明的導電性糊料係含有(A)銀粉、(B)玻璃粉、(C)有機黏合劑、及(D)含銅、錫、及錳的粉末。本發明的導電性糊料理想係相對前述(A)銀粉100質量部,含有前述(D)粉末0.1至5.0質量部。
Description
本發明係關於可用於形成例如印刷線路板的導體圖案的燒結型導電性糊料。
已知有在有機黏合劑及溶劑所成的載體中分散金屬粒子的導電性糊料。導電性糊料係使用於印刷線路板的導體圖案的形成,及電子零件的電極的形成等。這種導電性糊料係可大體區別為樹脂硬化型及燒製型。樹脂硬化型的導電性糊料係藉由樹脂的硬化而使金屬粒子互相接觸,以確保導電性的導電性糊料。燒製型的導電性糊料係由燒製而使金屬粒子互相燒結而確保導電性的導電性糊料。
就導電性糊料所含的金屬粒子而言,使用例如銅粉末及銀粉。銅粉末有導電性優異且比銀粉較便宜的優點。但,銅粉末在大氣環境中容易氧化,因而有例如在基板上形成導體圖案後,需要在導體圖案的表面以保護材覆蓋的缺點。另一方面,銀粉有在大氣中安定,可在大氣環境下燒製而形成導體圖案的優點,但有容易發生電遷移的缺點。
做為防止電遷移的技術而言,在專利文獻1中,說明一種以銀粉為主導電材料的導電性塗料,其特徵為:對銀粉100
質量部含有錳及/或錳合金的粉末1至100質量部。在專利文獻2中,說明一種樹脂導電性糊料,其特徵為:含有由黏合劑,Ag粉末,及選自由Ti、Ni、In、Sn、Sb所組成之群組的至少1種金屬或金屬化合物。
但是,專利文獻1,2所述的導電性糊料對基板的密著性及焊料耐熱性不足,用於在基板上形成導體圖案在實用性有問題。
於是,做為提高導電性糊料的焊料耐熱性的技術,而在專利文獻3有說明以一種銀粉覆蓋的導電性糊料,該銀粉係以含有抑制銀的燒結的第1金屬成分,及促進銀的燒結的第2金屬成分的材料覆蓋為特徵。
但是,專利文獻3所述的導電性糊料的焊料耐熱性雖有提高若干程度,但銀的燒結性受抑制,將導電性糊料燒製所得的導體圖案的導電性有降低的問題。又,在銀粉表面需要有覆蓋金屬材料的製程,所以有製造製程變得複雜的問題。
[專利文獻1]日本特開昭55-149356號公報
[專利文獻2]日本特開2003-115216號公報
[專利文獻3]日本特開2006-196421號公報
本發明之目的係提供能得有優異的耐電遷移性,焊
料耐熱性,及對基板的密著性的燒結型導電性糊料。
本發明者等,對能充分滿足耐電遷移性,焊料耐熱性,及對基板的密著性燒結型導電性糊料精心研究。其結果發現:將除含有銀粉、玻璃粉(glass frit)、及有機黏合劑之外,添加含銅、錫、及錳的粉末者為有效,而完成本發明。
本發明如下。
(1)一種導電性糊料,係含有以下的(A)至(D)成分為特徴。
(A)銀粉
(B)玻璃粉
(C)有機黏合劑
(D)含銅、錫、及錳的粉末
(2)如上述(1)所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係含銅、錫、及錳的金屬的混合粉末。
(3)如上述(1)所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係含銅、錫、及錳的合金粉末。
(4)如上述(1)所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係含銅、錫、及錳的化合物粉末。
(5)如上述(1)至(4)任一項所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係銅、錫、及錳中至少含任一種以上的氧化物或氫氧化物。
(6)如上述(1)至(5)任一項所述的導電性糊料,其中,相對前述(A)銀粉100質量部,含有前述(D)粉末0.1至5.0質量部。
(7)如上述(1)至(6)任一項所述的導電性糊料,其中,將銅的含有量設為1時的錫的含有量,以質量比係在0.01至0.3。
(8)如上述(1)至(7)任一項所述的導電性糊料,其中,將銅的含有量設為1時的錳的含有量,以質量比係在0.01至2.5。
(9)如上述(1)至(8)任一項所述的導電性糊料,其中,前述(A)銀粉的平均粒徑在0.1μm至100μm。
(10)如上述(1)至(9)任一項所述的導電性糊料,再含有(E)氧化鈷。
(11)如上述(1)至(10)任一項所述的導電性糊料,再含有(F)氧化鉍。
(12)如上述(1)至(11)任一項所述的導電性糊料,其黏度在50至700Pa‧s。
(13)一種印刷線路板,係將如上述(1)至(12)任一項所述的導電性糊料在基板上塗佈後,將該基板在500至900℃燒製所得。
(14)一種電子裝置,該裝置係將在上述(13)所述的印刷線路板上將電子零件以焊料焊接所得。
依照本發明,則可提供耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性優異的燒結型導電性糊料。
第1圖係用於說明導電性糊料的耐電遷移的評估方法的圖。
以下,詳細說明本發明的實施方式。
本發明的實施方式的導電性糊料的特徵是含有:(A)銀粉,(B)玻璃粉,(C)有機黏合劑,及(D)含銅、錫、及錳的粉末。
本發明的導電性糊料係含有(A)銀粉做為導電性粒子。在本發明中的銀粉而言,可使用含銀或銀的合金所成的粉末。銀粉粒子的形狀沒有特別的限定,例如,可使用球狀、粒狀、片狀、或鱗片狀的銀粉粒子。
在本發明中使用的銀粉的平均粒徑係以0.1μm至100μm為理想,更理想是0.1μm至20μm,最理想是0.1μm至10μm。這裡所說的平均粒徑係以雷射繞射散射式粒度分佈測定法所得的體積基準中位數徑(d50)之意。
要使導電性糊料呈現高導電性,則以使導電性糊料所含的銀粉的粒徑增大為理想。但,銀粉的粒徑過大時,導電性糊料對基板的塗佈性及作業性會受損。因此,在對導電性糊料的基板的塗佈性及作業性不受損的範圍內,使用粒徑大的銀粉為理想。考慮這些因素,則在本發明中所使用的銀粉的平均粒徑係在上述的範圍內為理想。
銀粉的製造方法係沒有特別的限定,例如,可由還
原法、粉末碎法、電解法、霧化法(atomization)、熱處理法,或這些的組合而製造。片狀的銀粉係例如,可由將球狀或粒狀的銀粒子以球磨機等壓碎而製造。
本發明的導電性糊料係含有(B)玻璃粉。由於導電性糊料含有玻璃粉,燒製導電性糊料所得的導體圖案的對基板的密著性會提高。在本發明中使用的玻璃粉係沒有特別的限定,理想是可使用軟化點300℃以上,更理想是軟化點400至1000℃,再更理想是軟化點400至700℃的玻璃粉。玻璃粉的軟化點係可用熱重量測定裝置(例如,BRUKER AXS公司製,TG-DTA2000SA測定。
做為玻璃粉之例,具體而言,可舉硼矽酸鉍系、硼矽酸鹼金屬系、硼矽酸鹼土類金屬系、硼矽酸鋅系、硼矽酸鉛系、硼酸鉛系、矽酸鉛系、硼酸鉍系、硼酸鋅系等的玻璃粉。玻璃粉係由對環境的考量之點以不含鉛為理想,做為其例,可舉硼矽酸鉍系、硼矽酸鹼金屬系等的玻璃粉。
玻璃粉的平均粒徑理想是0.1至20μm,更理想是0.2至10μm,最理想是0.5至5μm。這裡所說的平均粒徑係雷射繞射散射式粒度分佈測定法所得的體積基準中位數徑(d50)之意。
在本發明的導電性糊料中,(B)玻璃粉的含有量係對(A)銀粉10O質量部理想是0.01至20質量部,更理想是0.1至10質量部。玻璃粉的含有量比這個範圍少時,將導電性糊料燒製所得的導體圖案對基板的密著性會降低。相反地,玻璃粉的含有量比這個範圍多時,將導電性糊料燒製所得的導體圖案的導電性會降低。
本發明的導電性糊料係含有(C)有機黏合劑。在本發明中的有機黏合劑係在導電性糊料中將銀粉互相連接起來的物質,並且,在導電性糊料的燒製時會燒除的物質。做為有機黏合劑而言,沒有特別的限定,但例如,可用熱硬化性樹脂或熱可塑性樹脂。
做為熱硬化性樹脂而言,例如,可使用環氧樹脂、聚氨甲酸酯樹脂、乙烯酯樹脂、矽氧樹脂、酚樹脂、尿素樹脂、三聚氰胺樹脂、不飽和聚酯樹脂、酞酸二烯丙酯樹脂、聚醯亞胺樹脂等。
做為熱可塑性樹脂而言,例如,可使用乙基纖維素、硝基纖維素等的纖維素系樹脂、丙烯酸樹脂、醇酸樹脂、飽和聚酯樹脂、丁醛樹脂、聚乙烯醇、羥丙基纖維素等。
這些樹脂,係可單獨使用,也可以2種類以上混合使用。
在本發明的導電性糊料中,(C)有機黏合劑的含有量係相對(A)銀粉100質量部,理想是0.5至30質量部,更理想係1.0至10質量部。
導電性糊料中的(C)有機黏合劑的含有量在上述的範圍內時,導電性糊料對基板的塗佈性提高,可高精度地形成微細的圖案。另一方面,(C)有機黏合劑的含有量超過上述的範圍時,導電性糊料中所含的有機黏合劑之量過多,燒製後所得的導體圖案的緻密性有降低的情況。
本發明的導電性糊料係含有(D)含銅、錫、及錳的粉末。此(D)粉末係可以是含銅、錫、及錳的金屬的混合粉末,可以是含銅、
錫、及錳的合金粉末,也可以是含銅、錫、及錳的化合物粉末。
含銅、錫、及錳的金屬的混合粉末就係指銅或銅合金,錫或錫合金及錳或錳合金的混合粉末而言。
含銅、錫、及錳的合金粉末就係指含銅、錫、及錳的合金的粉末而言。
含銅、錫、及錳的化合物粉末就係指含銅的化合物錫的化合物及錳的化合物的粉末而言。
在(D)粉末所含的銅、錫、及錳係各分別,可以為單體金屬,也可以為氧化物。例如,銅係可以為單體金屬(Cu),也可以為氧化物(例如CuO)。錫係可以為單體金屬(Sn),也可以為氧化物(例如SnO)也可以。錳係可以為單體金屬(Mn),也可以為氧化物(例如MnO)。
又,在(D)粉末所含的銅、錫、及錳係在導電性糊料的燒製時變化為氧化物的化合物(例如氫氧化物)也可以。例如,銅係Cu(OH)2也可以。錫係Sn(OH)2也可以。錳係Mn(OH)2也可以。
錳的單體金屬硬度非常高,要得到均勻粒徑的金屬粉末有困難。因此,錳是以氧化物(例如Mn0)或合金的形態為理想。
依照本發明,則錳及錫是添加量極少也可以產生效果。因此,在導電性糊料中要將(D)含銅、錫、及錳的粉末分散均勻,則以使用錳及錫的合金粉末為理想。
導電性糊料含有(D)含銅、錫、及錳的粉末,則導電性糊料的耐電遷移性、焊料耐熱性、及基板的密著性的一切都
會提高。這樣的劃時代性的效果係由本發明者等首先發現的。能得到這樣的理由尚未明瞭,但可得這樣的效果的事實是本發明者等經由實驗確認的。
在本發明的導電性糊料中,(D)含銅、錫、及錳的粉末的含有量相對(A)銀粉100質量部理想是0.1至5.0質量部,更理想是0.2至3.0質量部,再更理想是0.3至1.0質量部。
在導電性糊料中的(D)含銅、錫、及錳的粉末的含有量在上述的範圍內時,導電性糊料的耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性會顯著提高。
在本發明的導電性糊料中,銅(Cu)的元素換算含有量係相對(A)銀粉100質量部理想是0.005至2.85質量部,更理想是0.015至2質量部。
在本發明的導電性糊料中,錫(Sn)的元素換算含有量係相對(A)銀粉100質量部理想是0.0025至2.85質量部,更理想是0.015至1質量部,再更理想是0.02至0.075質量部。
在本發明的導電性糊料中,錳(Mn)的元素換算含有量係相對(A)銀粉100質量部理想是0.0001至0.9質量部,更理想是0.0003至0.7質量部。
本發明的導電性糊料中,銅的含有量設為1時的錫的元素換算的含有量係以質量比0.01至0.3為理想。
本發明的導電性糊料中,銅的含有量設為1時的錳的元素換算的含有量係以質量比0.01至2.5為理想。
將銅、錫、及錳的含有量調整在上述的範圍,則導電性糊料的耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性可更提
高。又,導電性糊料係含有銅、錫、及錳時,比只含有其中2成分時,導電性糊料對焊料的潤濕性會提高。
為了黏度調整等,本發明的導電性糊料可以含有溶劑。
溶劑而言,例如,可舉甲醇、乙醇、異丙醇(IPA)等的醇類,乙酸伸乙酯等的有機酸類,甲苯、二甲苯等的芳香族烴類,N-甲基-2-吡咯酮(NMP)等的N-烷基吡咯酮類,N,N-二甲基甲醯胺(DMF)等的醯胺類,甲基乙基酮(MEK)等酮類、松脂醇(TEL),丁基卡必醇(BC)等的環狀碳酸酯類,及水等。
溶劑的含有量沒有特別的限定,但相對(A)銀粉100質量部,理想是1至100質量部,更理想是5至60質量部。
本發明的導電性糊料的黏度係理想是50至700Pa‧s更理想是100至300Pa‧s。導電性糊料的黏度調整在此範圍,則導電性糊料對基板的塗佈性及操作性良好,可將導電性糊料以均勻的厚度在基板上塗佈。
本發明的導電性糊料係可以含有其他添加劑,例如,分散劑、流變性質調整劑、顏料等。
本發明的導電性糊料係可以再含有:無機填充劑(例如,火焰法二氧化矽(fumed silica)、碳酸鈣、滑石等),耦合劑(例如,γ-甘油基丙基三甲基矽烷氧(γ-Glycidoxy propyltrimethoxy silane)等的矽氧烷耦合劑,(亞磷酸雙十三酯)鈦酸四辛酯(tetraoctyl bis(ditridecylphosphite)titanate)等的鈦酸鹽耦合劑等),矽氧烷單體(例如,三聚異氰酸三(3-(三甲氧矽基)丙酯(tris(3-(trimethoxysilyl)propyl)isocyanurate)),塑化劑(例如,羧酸基
末端聚丁二烯-丙烯腈等的共聚物,矽膠(silicone gum),矽膠粉末,矽氧橡膠粉末(silicone resin powder),丙烯酸樹脂粉末等的樹脂粉末),難燃劑,抗氧化劑,消泡劑等。
本發明的導電性糊料係可以含有金屬氧化物。做為金屬氧化物而言,可舉氧化銅、氧化鉍、氧化錳、氧化鈷、氧化鎂、氧化鉭、氧化鈮、氧化鎢等。其中,氧化鈷會提高焊料耐熱性。氧化鉍會促進銀粉的燒結,並提高焊料的潤濕性。
本發明的導電性糊料係將上述的各成分,例如,可使用擂漬機、罐式球磨機、三滾筒機、旋轉式混合機、二軸混合機等而混合製造。
其次,說明使用本發明的導電性糊料在基板上形成導體圖案的方法。
首先,將本發明的導電性糊料在基板上塗佈。塗佈方法是任意的,例如,可使用塗佈(dispense)、噴射塗佈、孔版印刷、絲網印刷、點陣印刷、燙金(stamping)等的公知的方法塗佈。
在基板上塗佈導電性糊料後,將基板置入於電爐等。然後,將在基板上塗佈的導電性糊料在500至1000℃,更理想是在600至1000℃,再更理想是在700至900℃燒製。如此,導電性糊料所含的銀粉互相燒結,並將導電性糊料所含的有機黏合劑等的成分燒除。
如此所得的導體圖案係導電性非常高。又,耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性優異。
本發明的導電性糊料係可用於電子零件的線路的形成及電極的形成,或將電子零件在基板上接合等。例如,可用於
印刷線路板的導體線路的形成,極積層陶瓷電容器的外部電極的形成等。又,本發明的導電性糊料係可用於LED反射器用的氧化鋁基板的導體圖案(線路圖案)的形成。在這些用途上,由於用導電性糊料形成的導體圖案上焊接零件或導線等而可活用本發明的導電性糊料的良好的焊料耐熱性。因此,使用本發明的導電性糊料,則可製造有優異的電特性的印刷線路板及電子製品。
以下,說明本發明的實施例及比較例。
將以下的(A)至(F)成分,依照表1及表2所記載的實施例1至12及表3所記載的比較例1至7的比率混合而調製導電性糊料。在這裡,表1至3所示的各成分的比率是全部以質量部表示。
平均粒徑5μm的球狀銀粉。
平均粒徑5.2μm,軟化點440℃的Bi2O3‧B2O3系玻璃粉。
將乙基纖維素樹脂溶解於丁基卡必醇而使用作為有機黏合劑。乙基纖維素樹脂與丁基卡必醇的混合比是30:70(質量比)。
Cu:Mn:Sn=90.5:7.0:2.5的組成,以氣體微霧化法製造的平均粒徑3μm的球狀合金粉末。
銅:平均粒徑3μm的球狀銅粉末
錫:平均粒徑3μm的球狀錫粉末
錳:平均粒徑3μm的球狀錳粉末
將氧化銅(II)、氧化錫(IV)、及氧化錳(IV)混合的粉末。
平均粒徑3μm的CoO(氧化鈷(II))粉末
平均粒徑3μm的Bi2O3(氧化鉍(III))粉末
將實施例1至12及比較例1至7的導電性糊料以孔版印刷法塗佈在氧化鋁基板上。第1圖(a)係表示在氧化鋁基板上塗佈的導電性糊料的形狀(圖案)。
其次,如在第1圖(b)所示,將氧化鋁基板置入於電爐中而在850℃下燒製60分鐘。如此,在氧化鋁基板上製作離開先端部約1.5mm的2個導體圖案。
將使用實施例1至12及比較例1至7的導電性糊料製作的導體圖案的耐電遷移性,依照以下的步驟測定。
首先,如第1圖(c)所示,滴下超純水而覆蓋2個導體圖案的先端部。
其次,如第1圖(d)所示,在2個導體圖案之間加電壓(40V,0.1A)。
然後,測定2個導體圖案間通過的電流值由0達到短路的時間,反覆這樣的測定5次而算出其平均值。
達到短路時的時間越長,表示導體圖案的耐電遷移性越優異。達到短路的時間在30秒以上時,評估為耐電遷移性優異。
將使用實施例1至12及比較例1至7的導電性糊料製作的導體圖案的焊料耐熱性,依照JIS C 0054「表面實裝零件(SMD)的焊接性,電極的耐焊料熔蝕性及焊料耐熱性試驗方法」所規定的方法測定。
具體而言,將形成導體圖案的基板浸漬於260℃的焊料槽中,由焊料槽將基板拉出後,以目視法觀察基板上殘留的導體圖案。然後,測定導體圖案的面積損失5%的浸漬時間。浸漬時間在20秒以上時,將導體圖案的焊料耐熱性評估為優異。
依照以下的步驟測定使用實施例1至12及比較例1至7的導電性糊料製作的導體圖案的對基板的密著性。
首先,將導電性糊料在氧化鋁基板上使用孔版印刷法以2mm ψ的大小塗佈。
在塗佈於基板上的導電性糊料上,安置32mm×16mm的試驗片後,將此基板置入於電氣爐而在850℃下加熱60分鐘。
使用桌上萬能試驗機(Aikoh Engineering(股)公司製1605HTP)測定對基板的試驗片的抗剪強度(N/mm2)。
測定的抗剪強度(shear strength)在70N/mm2以上時,評估為導體圖案對基板的密著性優異。
由如表1、表2所示的結果可知,燒製實施例1至12的導電性糊料所得的導體圖案係耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性優異。與此相比,由如第3所示的結果可知,燒製比較例1至7的導電性糊料所得的導體圖案係耐電遷移性,焊料耐熱性,及對基板的密著性差。
由比較實施例1與實施例2的結果可知,含有氧化鈷及氧化鉍的導電性糊料係比含有氧化鈷及不含氧化鉍的導電性糊料,在耐遷移性及焊料耐熱性較優異。
由實施例1至12的結果可知,對(A)銀粉100質量部含有(D)含銅、錫、及錳粉末0.1至3.0質量部的導電性糊料係耐電遷移性,焊料耐熱性,及對基板的密著性優異。
由實施例1至12的結果可知,對(A)銀粉100質量部含有銅(Cu)0.0905至2.715質量部的導電性糊料係耐電遷移性、
焊料耐熱性、及對基板的密著性優異。
由實施例1至12的結果可知,對(A)銀粉100質量部含有錫(Sn)0.0025至0.075質量部的導電性糊料係耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性優異。
由實施例1至12的結果可知,對(A)銀粉100質量部含有錳(Mn)0.0033至0.21質量部的導電性糊料,在耐電遷移性性、焊料耐熱性、及對基板的密著性優異。
由比較例1的結果可知,不含銅、錫、及錳的導電性糊料係產生耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性差的結果。
由比較例2的結果可知,只含有銅的導電性糊料係產生耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性差的結果。
由比較例3的結果可知,只含有錳的導電性糊料係產生焊料耐熱性及對基板的密著性差的結果。
由比較例4的結果可知,只含有錫的導電性糊料係產生耐電遷移性、焊料耐熱性、及對基板的密著性差的結果。
由比較例5的結果可知,只含有銅及錳的導電性糊料係產生焊料耐熱性及對基板的密著性差的結果。
由比較例6的結果可知,只含有錳及錫的導電性糊料係產生焊料耐熱性及對基板的密著性差的結果。
由比較例7的結果可知,只含有銅及錫的導電性糊料係產生焊料耐熱性及對基板的密著性差的結果。
Claims (13)
- 一種導電性糊料,其含有以下的(A)至(D)成分:(A)銀粉(B)玻璃粉(C)有機黏合劑(D)含銅、錫、及錳的粉末,其中,銅的含有量設為1時的錳的含有量,以質量比係在0.01至2.5。
- 如申請專利範圍第1項所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係含銅、錫、及錳的金屬的混合粉末。
- 如申請專利範圍第1項所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係含銅、錫、及錳的合金粉末。
- 如申請專利範圍第1項所述的導電性糊料,其中,前述(D)粉末係含銅、錫、及錳的化合物粉末。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的導電性糊料,其前述(D)粉末係含有銅、錫、及錳中之任1種以上的氧化物或氫氧化物。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一所述的導電性糊料,其中,相對其前述(A)銀粉100質量部,含有前述(D)粉末0.1至5.0質量部。
- 如申請專利第1項至第4項中任一項所述的導電性糊料,其中,銅的含有量設為1時的錫的含有量,以質量比係在0.01至0.3。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的導電性糊料, 其中,前述(A)銀粉的平均粒徑是0.1μm至100μm。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的導電性糊料,再含有(E)氧化鈷。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的導電性糊料,再含有(F)氧化鉍。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的導電性糊料,其黏度在50至700Pa‧s。
- 一種印刷線路板,係將如申請專利範圍第1項至第11項中任一項所述的導電性糊料塗佈於基板上後,將該基板在500至900℃下燒製而得。
- 一種電子裝置,係在申請專利範圍第12項所述的印刷線路板上焊接電子零件而得。
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