CN102529224A - 金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件 - Google Patents

金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有优异粘接强度的金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件。具体是将包含熔点为500℃以上的高熔点金属的金属部件(1)和树脂部件(2)一体化而成的金属树脂复合结构体(10)，其特征在于，在金属部件(1)和树脂部件(2)之间，设有包含具有熔点不足500℃的低熔点金属的合金层(3)，在合金层(3)和树脂部件(2)的接合面，合金层(3)的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层(3)的接合面所形成的凹凸的凹凸周期为5nm以上、不足1μm。

Description

金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件
技术领域
本发明涉及金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件。
背景技术
作为例如在汽车领域使用的机构零件或电子零件，从轻量化及自严酷的使用环境保护零件的观点出发，有很多零件使用树脂。这种零件虽然通常为金属部件和树脂部件一体化而成的结构，但要求可经受长期使用的高可靠性，特别是在高温高湿环境中的金属部件和树脂部件的粘接强度的维持，即金属部件和树脂部件的高粘接化成为重要课题。
作为这种高粘接化的方法，已知通过镀敷或蚀刻将金属部件表面粗糙化，利用固定效果实现高粘接化的方法。例如在专利文献1中，记载有在铁-镍制引线架的树脂密封部分，将锡-镍合金以落入厚度为10～15μm、表面粗糙度为2～5μm的范围的方式进行镀敷的引线架。另外，在专利文献2中，记载有在引线架主体的整个面上，在包含特定的金属离子的电解液中以超过极限电流密度的电流密度进行电解处理而设置粗糙层，另外，在其上面，在包含特定的金属离子的电解液中以极限电流密度以下的电流密度进行电解处理而设置被覆层。
另外，作为通过蚀刻进行表面粗糙化的高粘接化方法，也已知在包含氯化铁(II)或联氨等水溶性还原剂的水溶液中对铜或铝进行蚀刻处理将表面粗糙化，利用固定效果使树脂部件高强度地粘接的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63-160367号公报
专利文献2：日本特开平9-148508号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在上述专利文献1及2记载的技术中具有如下课题。即，在专利文献1记载的技术中，引线架中的表面粗糙度达数μm左右，因此，有时需要10μm以上厚度的镀敷膜。因此，镀敷时间变长，生产性降低，镀敷液的补充变得频繁，制造成本增加。特别是在专利文献1所记载的引线架包含铁，在对这种铁系材料进行镀敷时，在镀敷之前必须进行金属部件表面的脱脂及除去氧化膜的前处理。即，在不进行这种处理时及这种处理不充分时，或在处理后暴露于大气中时，在镀敷后所形成的镀敷膜对金属部件的粘合性降低，镀敷膜有可能剥离。
另外，在专利文献2记载的技术中，例如金属部件包含多种金属时，因金属的种类不同，用于形成粗糙层及被覆层的最佳前处理液也不同，因此，有可能难以对金属部件表面均匀地进行处理。因此，由于金属部件表面的位置的原因，粘接强度有可能降低。另外，在专利文献2记载的技术中，也与上述专利文献1记载的技术具有同样的课题，由于前处理的有无，处理后的粗糙层及被覆层有可能剥离。
另外，在通过蚀刻进行表面粗糙化的高粘接化方法中，也存在因为金属部件表面通过蚀刻被削除，所以难以提高金属部件表面的尺寸精度这种课题。另外，通过蚀刻也有可能除去镀敷膜。另外，蚀刻液根据金属的种类而不同，因此，在金属部件包含多种金属时，与上述专利文献2记载的技术同样地难以对表面均匀地进行处理，有可能产生粘接强度降低的地方。另外，在蚀刻后所得到的部件的表面变为底子即金属部件本身，因此，也存在不能充分运用可以通过使用金属部件和树脂部件的化学相互作用，来提高粘接性的金属种类的课题。
本发明是为了解决上述课题而设立的，其目的是提供一种具有优异的粘接强度的金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件。
用于解决课题的手段
本发明人等为解决上述课题进行了深入研究，结果发现通过将金属部件表面设定为特定范围的表面粗糙度及凹凸周期，能解决上述课题，完成了本发明。
发明效果
根据本发明，能够提供具有优异粘接强度的金属树脂复合结构体及其制造方法、以及母线、模块壳体及树脂制连接器零件。
附图说明
图1是示意性地表示本实施方式涉及的金属树脂复合结构体的截面的图。
图2是将图1中的A部放大了的图。
图3是说明本实施方式涉及的金属树脂复合结构体中的平均表面粗糙度和凹凸周期的图。
图4是表示金属树脂复合结构体中的平均表面粗糙度及粘接剪切强度的关系的曲线图。
图5(a)是将图2中的B部放大了的图，是说明本实施方式涉及的金属树脂复合结构体中的悬钩(overhang)形状的图，(b)是说明本实施方式涉及的金属树脂复合结构体中的悬钩形状的密度的图。
图6是表示金属树脂复合结构体中的悬钩密度及粘接剪切强度的关系的曲线图。
图7是表示本实施方式涉及的金属树脂复合结构体的制造工序的图；
图8(a)是表示金属树脂复合结构体中的膜厚及悬钩密度的关系的曲线图，(b)是表示金属树脂复合结构体中的膜厚及平均表面粗糙度的关系的曲线图。
图9是示意性地表示本实施方式涉及的母线的结构的图。
图10是示意性地表示本实施方式涉及的模块壳体的结构的图。
图11是示意性地表示本实施方式涉及的IGBT模块的结构的图。
图12是示意性地表示本实施方式涉及的树脂制连接器零件的结构的图。
图13(a)及(b)都是附图代用照片，(a)是拍摄实施例1中的实施了镍镀敷的金属树脂复合结构体的截面的扫描型电子显微镜照片，(b)是将(a)中的树脂部件和合金层的界面附近放大了的扫描型电子显微镜照片。
图14是表示图13(a)所示的照片的纵向元素浓度分布的曲线图。
图15(a)是说明剪切强度试验方法的图，(b)是表示制造例2中的金属部件和树脂部件的剪切强度试验结果的曲线图。
图16(a)及(b)都是附图代用照片，(a)是拍摄制造例2中的实施了镍镀敷的金属树脂复合结构体的截面的扫描型电子显微镜照片，(b)是拍摄加热后的金属树脂复合结构体的截面的扫描型电子显微镜照片。
图17是拍摄制造例3中的金属树脂复合结构体的截面的扫描型电子显微镜拍摄的附图代用照片。
图18是表示图17所示的照片的纵向元素浓度分布的曲线图。
图19是拍摄制造例4中的金属树脂复合结构体的截面的扫描型电子显微镜拍摄的附图代用照片。
符号说明
1  金属部件
2  树脂部件
3  合金层
10 金属树脂复合结构体
20 母线
21 金属引线导电体
23 间隙
24 树脂
30  树脂制连接器零件
31  金属引线导电体
32  空气空间
33  模块内部空间
34  树脂
40  模块壳体
41  金属引线导电体
42  基底基板(散热板)
43  树脂
44  焊锡
45  陶瓷布线基板
45a 金属图案
46  盖
47  硅凝胶
48  IGBT芯片
50  IGBT模块
具体实施方式
下面，详细说明用于实施本发明的方式(下面，适当称为“本实施方式”)，本实施方式不限定于下面的内容，在不脱离其要旨的范围内能够任意变更来实施。
[1.金属树脂复合结构体]
图1为示意性地表示本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10的截面的图。即，本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10是包含熔点为500℃以上的高熔点金属的金属部件1和树脂部件2一体化而成，在金属部件1和树脂部件2之间，设有包含具有不足500℃的熔点的低熔点金属而成的合金层3。而且，合金层3的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层3的接合面所形成的凹凸的凹凸周期为5nm以上、不足1μm。
[1-1.金属部件1]
本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中的金属部件1所包含的金属为其熔点为500℃以上的金属(在本发明中将这种金属称为“高熔点金属”)。虽然金属部件1中所包含的高熔点金属的量没有特别限制，但优选金属部件1中所包含的金属全部为高熔点金属。
作为高熔点金属，虽然能够使用其熔点为500℃以上的任意金属，但其中，优选使用铝、铜、镍及铁。另外，高熔点金属可以单独使用一种，也可以以任意比率及组合使用两种以上。
[1-2.树脂部件2]
本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中的树脂部件2设于后述的合金层3表面。构成树脂部件2的树脂(即聚合物树脂)没有特别限制，能够使用例如热固性树脂、热塑性树脂等。更具体地说，可举出：环氧树脂、密胺树脂、脲树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸类树脂等通用塑料，聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等工程塑料，聚苯硫醚、液晶聚合物、聚醚醚酮等超级工程塑料等。其中，作为构成树脂部件2的树脂，优选上述树脂，通过使用上述树脂，能够形成树脂部件2和合金层3的粘接可靠性特别高的金属树脂复合结构体。另外，构成树脂部件2的树脂可以单独使用一种，也可以以任意比率及组合使用两种以上。
其中，使用热塑性树脂作为树脂部件2的情况下，例如在形成树脂部件2时能够进行注塑成型。但是，在这种情况下，在模具的温度低的情况下，与热固性树脂相比粘度变高，树脂不能侵入在金属部件1的表面存在的微细凹部，有时粘接强度降低。因此，在这种情况下，通过例如将模具温度设定为160℃以上，注塑压力设定为90MPa以上，能够不会导致粘接强度降低地形成树脂部件2。
[1-3.合金层3]
本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中的合金层3设于金属部件1和树脂部件2之间，包含具有不足500℃的熔点的金属(在本发明中，将这种金属称为“低熔点金属”)而成。虽然作为合金层3中所包含的低熔点金属没有特别限制，但从对人体影响特别小、与构成金属部件1的高熔点金属特别容易合金化这种观点出发，优选锌、锡、铟、铋。另外，低熔点金属可以单独包含一种，也可以以任意比率及组合包含两种以上。
在本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中，金属部件1中所包含的高熔点金属的熔点为500℃以上，另一方面，金属部件3中所包含的低熔点金属的熔点不足500℃。其理由为在将金属树脂复合结构体10作为例如汽车用零件使用时，金属树脂复合结构体10暴露于最高大约300℃左右的环境下。即，当在300℃左右的温度下金属部件1遭到破坏(即熔融)时，金属树脂复合结构体10的可靠性(即树脂部件2的粘接性)受损。因此，即使在这种环境下，为了确保高的可靠性，也将熔点为500℃以上的金属作为高熔点金属部件使用。另外，在上述的情况中，在低熔点金属的熔点比300℃还低的情况下，虽然也考虑到合金层3遭到破坏，但在制造本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10时(后述)，金属部件1中所包含的高熔点金属和金属部件3中所包含的低熔点金属进行合金化，合金层3整体的熔点大幅度地上升。因此，即使将金属树脂复合结构体10暴露在上述那样的环境下，也可以忽略低熔点金属的熔融，不对金属树脂复合结构体10的可靠性造成影响。
虽然金属部件3中所包含的低熔点金属的含量没有特别限制，但通常为5原子％以上，优选为10原子％以上，另外，优选为90原子％以下。在含量过少的情况下，可能制造时的热处理时间变得过长、或与树脂部件2的化学相互作用降低、粘合性降低。另外，在含量过多的情况下，可能金属树脂复合结构体10的耐热性及耐腐蚀性降低、高温高湿环境下的可靠性降低。
虽然合金层3的厚度也没有特别限制，但优选为0.1μm以上，另外，通常为20μm以下，优选为10μm以下。在合金层3过薄的情况下，树脂部件2的粘接可能不充分，在过厚的情况下，制造时的热处理时间可能变得过长。
另外，在本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中，在与树脂部件2和合金层3的接合面平行的方向上将合金层3分为两部分时，与树脂部件2的接合面侧中所包含的低熔点金属量比与金属部件1的接合面侧所包含的低熔点金属量多，与金属部件1的接合面侧所包含的所述低熔点金属的浓度连续变化。这种现象表现为在制造金属树脂复合结构体10时，虽然金属部件1中所包含的高熔点金属在合金层3中扩散，但与金属部件1的距离越远，其扩散的程度就越低。而且，通过合金层3具有这种构成，能够确保树脂部件2的更确实的粘接性。
图2为将图1的A部放大了的图，示意性地表示树脂部件2和合金层3的接合面附近的图。如图2所示，树脂部件2和合金层3的接合面中的合金层3的形状为粗糙的(即具有凹凸)形状。具体而言，在树脂部件2和合金层3的接合面中，合金层3的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层3的接合面所形成的凹凸的凹凸周期为5nm以上、不足1μm。
在此，一边参照图3一边对本发明中的“平均表面粗糙度”及“凹凸周期”进行说明。图3为说明本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中的平均表面粗糙度和凹凸周期的图。如图3所示，所谓“平均表面粗糙度”是指将金属部件1的表面作为基准面，求相邻的上凸部(nH)的峰值高度和下凸部的峰值高度(nL)的高低差，将其平均值作为平均表面粗糙度来定义。此时，在高低差为2nm(纳米)以下的情况，不计数。即，本发明的平均表面粗糙度用下述式(1)定义。其中，在下述式(1)中x为任意的整数。另外，各峰值的高度能够使用扫描型电子显微镜(SEM)拍摄金属树脂复合结构体10的截面，对所得到的照片使用图像解析软件进行测定。
[数1]
Figure BDA0000114048650000081
另一方面，关于“凹凸周期”，是将从上述的上凸部到相邻的上凸部的距离的平均定义为凹凸周期。根据本发明人等的研究，可知平均表面粗糙度和凹凸周期具有很强的相关性，通常，凹凸周期为平均表面粗糙度的1/2～2倍的范围。
因此，对于基于上述的定义而测定的平均表面粗糙度及凹凸周期，如上所述，合金层3的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层3的接合面所形成的凹凸的凹凸周期为5nm以上、不足1μm。在平均表面粗糙度比5nm还短的情况下，构成树脂部件3的树脂不易浸入合金层3的表面存在的凹凸的内部，粘接强度可能降低。因此，通过将平均表面粗糙度及凹凸周期设定在上述范围内，可得到机械固定效果并获得可靠性高的(即粘接强度高)金属树脂复合结构体。
在此，根据本发明人等的研究，得到表示图4所示的平均表面粗糙度和粘接剪切强度的关系的曲线图。如图4所示，可知在平均表面粗糙度不足5nm的区域中，合金层3中存在的凹部过小，树脂浸入不充分，悬钩形状的悬钩的程度小，因此，固定效果的牵引作用变弱，粘接强度变得不充分。另外，在平均表面粗糙度为1μm以上的情况下，虽然能够形成凹凸，但难以得到悬钩形状，因此不能得到充分的固定效果，强度变得不足。根据该结果，在本实施方式中，将平均表面粗糙度设定为5nm以上、不足1μm。
因此，如上所述，在平均表面粗糙度不足5nm的情况下，悬钩的程度变小，因此，树脂部件2的牵引作用变小，粘接强度可能降低。另外，如上所述，在平均表面粗糙度为1μm以上的情况下，虽然能够形成凹凸，但作为凹凸的形状难以得到优选的悬钩形状，其结果难以得到固定效果，因此，粘接强度依然可能降低。
下面，一边参照图5一边对上述的“悬钩形状”进行说明。图5(a)为将图2中的B部放大了的图，为说明本实施方式涉及的金属树脂结构复合体10中的悬钩形状的图，(b)为说明本实施方式涉及的金属树脂结构复合体10中的悬钩形状的密度的图。
如图5(a)所示，所谓“悬钩形状”是指在金属部件1的表面建立垂线时，相对于上部的突出部a，在下部存在凹部b的结构。而且，经过突出部a的垂线及经过凹部b的垂线的长度的差(用图5(a)中的箭头所示的横向的宽度)越长、树脂部件2牵引越容易，因此粘接强度更加增强。
另外，所谓“悬钩密度”表示具有在与金属部件1和合金层3的接合面平行的方向上每1μm存在的悬钩形状的上凸部的数量。顺便说一下，例如图5(b)所示的合金层3的横向的长度为1μm，则悬钩密度为5个/1μm。
如上所述，作为在本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10的树脂部件2和合金层3的接合面中所形成的凹凸的形状，优选悬钩形状。因此，在本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中，上述凹凸中至少一部分的形状具有悬钩形状，这种悬钩形状优选在与接合面平行的方向上每1μm形成一个以上。通过具有这种构成，固定效果变大，能够更加确实地提高粘接强度。
根据本发明人等的研究，发现图6所示的悬钩密度和粘接剪切强度的关系。如图6所示，悬钩密度变得越大，粘接剪切强度就变得越大，在树脂部件2内产生断裂的所谓树脂内断裂的情况下，粘接剪切强度表现出饱和的倾向。因此，将使用镍作为高熔点金属，使用环氧树脂作为树脂的情况作为例子，考虑到在14MPa以上环氧树脂的树脂内断裂率为80％以上，将粘接剪切强度为14MPa以上的悬钩密度1个/μm作为本实施方式涉及的金属树脂复合结构体中的优选的最低值。
[1-4、作用效果]
本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10，金属部件1和树脂部件2介由平均表面粗糙度及凹凸周期在特定范围内的合金层3进行粘接。通过设置这种合金层3，即使在金属部件1包含多种金属的情况下，也能够不依靠所包含的金属种类而提高与树脂部件2的粘接力。这种效果主要是在金属部件3中所包含的合金和树脂部件2的结合中，通过由化学相互作用变得容易湿润，能够提高粘接强度。该强度比物理吸附固定还坚固。
另外，通过在合金层3的表面以达到特定的平均表面粗糙度及凹凸周期的方式设置凹凸，具有由金属部件3中所包含的合金和树脂部件2的接触面积增加带来的粘接效果，另外，不管金属部件1是什么材质而与树脂部件2的初始粘接强度都具有超过呈现树脂内断裂的强度，利用机械固定效果，能够大幅提高合金层3和金属部件2的粘接强度。因此，金属树脂复合结构体10即使在用于施加强的外力那样的部位的场合，或在高温高湿环境等严酷环境使用的场合，树脂部件2也不会从金属部件1剥离，成为能够确保高的可靠性的金属树脂复合结构体。另外，由上述固定效果形成的粘接与化学相互作用形成的粘接部不同，粘接强度不会由于水分的侵入受到影响，能够保证高的可靠性。
[2.金属树脂复合结构体的制造方法]
下面，对本实施方式涉及的金属树脂复合结构体的制造方法(以下，称为最佳“本实施方式的制造方法”)进行说明。本实施方式涉及的制造方法为包含熔点为500℃以上的高熔点金属的金属部件1和树脂部件2一体化而成的金属树脂复合结构体10的制造方法，其包含：薄膜形成工序，在所述金属部件1的表面形成包含具有不足500℃的熔点的低熔点金属且厚度为30nm以上5μm以下的薄膜；合金层形成工序，在非氧化气氛或还原气氛下，在不使所述薄膜熔融的加热条件下，对形成有所述薄膜的金属部件1进行热处理，形成高熔点金属和所述低熔点金属相互扩散了的合金层3；树脂形成工序，在该合金层3的表面形成树脂部件2。下面，一边参照图7一边说明本实施方式涉及的制造方法。
图7为表示本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10的制造工序的图。如图7(a)所示，包含例如镍、铜、铝、铁等高熔点金属的金属部件1通常为暴露于大气中的状态，因此，成为在其表面形成有氧化膜的状态。所以，从更加确实地使树脂部件2粘接的观点出发，优选除去所形成的氧化膜。在除去所形成的氧化膜时，不一定需要除去全部的氧化膜。另外，除氧化膜之外，优选也除去例如油脂等污垢。即，在形成后述的薄膜之前，优选进行清洁金属部件1的表面的清洁工序。作为清洁工序的具体方法没有特别限制，能够通过例如蚀刻等进行。在图7(b)中表示除去在金属部件1的表面所形成的氧化膜的一部分(在图示中大约一半)后的金属部件1。
然后，相对于除去图7(b)所示的氧化膜等的一部分后的金属部件1，在其表面形成包含例如锌、锡、铟、铋等低熔点金属的薄膜(薄膜形成工序)。表示形成后的状态的图为图7(c)。在形成薄膜时，以将其厚度设定为30nm以上5μm以下的方式进行薄膜形成工序。虽然形成薄膜时的具体方法没有特别限制，但优选通过镀敷、物理蒸镀或化学蒸镀中的至少一种方法进行。另外，薄膜形成时的具体条件也能够任意设定。
在此，根据本发明人等的研究，得到图8所示的曲线图。图8为表示对在镍表面形成有由锌构成的薄膜的图，在400℃进行10分钟热处理后所得到的合金层3中的膜厚、悬钩密度(图8(a))、及平均表面粗糙度(图8(b))的关系的曲线图。各自的曲线为通过最小平方法求得的近似曲线。
在合金层3的膜厚比30nm薄的情况下，可知平均表面粗糙度变得比5nm小，粘接强度降低，另外，在合金层3的膜厚比5μm厚的情况下，悬钩密度变为不足1个/μm，相对于拉伸方向的力的固定效果变小，粘接强度依然降低。因此，可知最好将在本实施方式涉及的制造方法中形成的薄膜的厚度设定为30nm以上5μm以下。因此，在本实施方式涉及的制造方法中，以作为在金属树脂复合结构体10中特别优选使用的低熔点金属的锌为例子，将形成的合金层3的膜厚设定为30nm以上5μm以下。
另外，如上述[1-3、合金层3]中所述，合金层3的优选厚度为0.1μm以上20μm以下。其理由关系到形成的膜厚。即，在本实施方式涉及的制造方法中，形成厚度30nm的薄膜，在进一步进行合金化形成5nm以上的凹凸的情况下，合金层3的厚度变得最薄。即，此时，合金层3的膜厚的优选最低值为约0.1μm。另一方面，进行维持薄膜厚为5μm，平均表面粗糙度为5nm以上1μm以下的凹凸的这种加热处理(即合金化处理)，而且，若考虑现实的加热时间，则作为合金层3的厚度即使最大也优选20μm左右。因此，作为合金层3的厚度的优选范围，如上所述为0.1μm以上20μm以下。
另外，即使在低熔点金属为锡、铟或铋的情况下，扩散引起的凹凸的形成成为由部位造成的扩散速度之差为主要原因，因此，即使材质变化，成膜时的膜厚及合金化时的适当合金层厚度也没有大的差别，与锌的情况程度相同。
而且，对于在表面形成有包含低熔点金属的合金层3的薄膜的金属部件1，在非氧化气氛或还原气氛下，在不使所述薄膜熔融的加热条件下，对形成有所述薄膜的所述金属部件进行热处理，形成所述高熔点金属和所述低熔点金属相互扩散了的合金层(合金层形成工序)。在此，所谓“非氧化气氛或还原气氛”表示薄膜及金属部件1所包含的金属不会被氧化的气氛，即，例如氮气气氛或氩气气氛、氢气气氛、一氧化碳气氛等。
另外，所谓“不使薄膜熔融的加热条件”也包含例如在薄膜所包含的低熔点金属的熔点以下的温度下的加热等。另一方面，如上所述，通过热处理，低熔点金属和金属部件1所包含的高熔点金属合金化，合金层3整体的熔点上升。因此，在用缓慢的速度升温时，在温度达到低熔点金属的熔点时，低熔点金属全部合金化，有时低熔点金属也已经不熔融。因此，所谓“不使薄膜熔融的加热条件”是指通常为“在低熔点金属的熔点以下的温度下的加热”，只要薄膜不熔融，也能够用低熔点金属的熔点以上的温度进行加热。而且，通过进行这种热处理，能够形成金属部件1中所包含的高熔点金属和薄膜中所包含的低熔点金属相互扩散了的合金层3(参照图7(d))。
举出具体例进一步说明上述加热条件。例如在使用锌作为低熔点金属的情况下，能够用400℃以下的温度进行加热。另外，作为低熔点金属，例如在使用锡的情况下，能够进行在200～230℃的温度加热规定的时间后，再在250～350℃的温度进行加热的两个阶段的加热处理。另外，在作为低熔点金属使用例如铟的情况下，能够进行在130～150℃的温度加热规定的时间后，再在200～250℃的温度进行加热的两个阶段的加热处理。而且，例如在使用铋作为低熔点金属的情况下，能够在260℃以下的温度进行加热处理，另外，根据需要也能够进行在用350℃以下的温度加热的两个阶段的加热处理。
另外，最初存在于金属部件1的表面的氧化膜等，通过上述热处理或成为合金层3的一部分(即，成为低熔点金属氧化形成的膜)，或排出体系外，有时也残存一部分。因此，为了更加确实地粘接树脂部件2，优选在树脂部件2形成之前，将这种氧化物等完全除去。另外，有时也残存没有合金化的低熔点金属，因此，优选将这种残存的低熔点金属也一并除去。即，在上述合金层形成工序之后、后述的树脂形成工序之前，优选进行将残存的低熔点金属及其氧化物除去的低熔点金属除去工序。
通过进行上述热处理，能够在金属部件1的表面形成合金层3。而且，通过在所形成的合金层3的表面形成树脂部件2，能够制造图7(e)所示的金属树脂复合结构体10(树脂形成工序)。作为树脂部件2的具体形成方法没有特别限制，在树脂部件2为例如热固性树脂时，优选通过传递模塑成型或浇注成型来形成，另外，在树脂部件2为例如热塑性树脂时，优选通过注塑成型来形成。
这样，根据本实施方式涉及的制造方法，能够不依靠薄膜的密合程度而牢固地粘接树脂部件2，因此，不管有无清洁处理工序，都能够制造高成品率的金属树脂复合结构体。另外，即使包含多种金属元素的金属部件1，也能够同样使用本实施方式涉及的制造方法，而且，无论什么样的金属部件1都可形成具有高粘接强度的树脂部件2。换言之，可粘接树脂部件2的金属部件1的种类扩大。另外，在包含低熔点金属的薄膜的形成中能够利用高电流密度的高速镀敷方法，在短时间内即可成膜，能够谋求制造时间的缩短化。另外，能够减少薄膜形成时的处理液的补充次数，也降低了处理成本。
根据本发明人等的研究，可知在对金属部件1的表面以高电流密度高速镀敷薄膜时，金属部件1的表面中的薄膜的析出起点在纳米级是整个面并不均匀，而是以局部分散的状态析出。另外，金属部件1和低熔点金属的密合程度由于析出时期不同存在显著差异，因此，若用不使薄膜熔融的条件实施热处理，通过相互扩散形成合金层3的地方并不是全部一样而是局部进行，其结果发现在合金化后了的表面形成纳米级的凹凸。
金属部件1中所包含的高熔点金属以从扩散流入口向镀敷了的薄膜内扩展的方式形成合金层3，另一方面，薄膜中包含的低熔点金属以从扩散流入口向金属部件1侧扩展并在该区域堆积的方式使合金层3成长。此时，远离扩散流入口的位置形成凹陷。另外，若低熔点金属及高熔点金属的扩散速度不同，则在扩散速度快的金属元素侧产生柯肯达尔洞，其一部分露出表面时则形成开口部，在内侧形成凹陷的悬钩形状。
具有这种形状的凹凸为成膜及扩散处理的工艺所特有的形状，其特征在于，不存在合金层3和金属部件1的界面，为晶粒及组成一起自金属部件1连续的组织。因此，表面的合金层3与金属部件1一体化，因此该层不会剥离。另外，合金层3和树脂部件2利用表面微细的具有悬钩形状的凹凸面及强固的固定效果而结合，因此，在该界面上它们也不会剥离。
这样，即使金属部件1中所包含的高熔点金属的种类不同，相互扩散现象也一样，因此，即使在金属部件1中所包含的高熔点金属与镍或铜、铝、铁等不同的情况下，用同样的处理工艺也能够提供可与树脂部件2的高粘接化的制造方法。另外，形成的薄膜的厚度为数十～数百nm左右的厚度，能够形成需要的凹凸，因此，具有成膜用的镀敷时间短、并且镀敷液的消耗也少、表面的处理费用便宜经济的优点。
[3、金属树脂复合结构体的用途]
本实施方式涉及的金属树脂复合结构体能够在例如电子装置领域、汽车零件等广泛领域使用。下面，作为使用本实施方式涉及的金属树脂复合结构体的装置，举出三个实施方式，一边参照附图一边进行具体说明。但是，以下所述的金属树脂复合结构体的具体例只不过是例示，在不损害本发明要旨的范围内能够任意变更而实施。
[3-1、母线]
如图9所示，本实施方式涉及的母线为至少两个金属引线导电体21、21被绝缘性的树脂24密封的母线。而且，在金属引线导电体21、21和树脂24之间，形成有包含选自锌、锡、铟及铋的一种以上的金属和金属引线导电体中所包含的金属的合金层(在图9中没有图示)。另外，在合金层和树脂24的接合面中，合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层的接合面上所形成的凹凸中至少一部分的形状具有悬钩形状，所述悬钩形状在与接合面平行的方向上每1μm形成一个以上。另外，对于合金层的说明，因与在上述金属树脂复合结构体10中说明的合金层一样，故省略其说明，在以下的记载中，仅说明母线20的整体构成。
母线20具备的金属引线导电体21、21进行电信号的输入输出，能够使用与上述金属部件1一样的材质。另外，金属引线导电体21、21也可以预先镀敷。另外，作为母线20具备的树脂24能够使用环氧树脂等热固性树脂。特别是在金属引线导电体21、21表面所形成的合金层中，通过将平均表面粗糙度设定为50nm以上，即使在作为树脂24使用聚苯硫醚(PPS)等热塑性树脂的情况下，也能够维持特别高的粘接强度。
在像母线那样接近金属引线导电体的情况(例如，在图9所示的母线20中，为了减少电感成分，将金属引线导电体21、21之间的间隙23设定为0.3mm)下，当金属引线导电体从所密封的树脂剥离时，有时由于由施加于金属引线导电体间的电压产生的高电场的影响，在剥离空间产生部分放电。而且，由于长时间的重复放电而促进树脂进一步碳化，有时成为引起母线绝缘破坏的原因。因此，为了制造确保了绝缘耐压可靠性的母线，提高金属引线导电体和树脂的密合性，抑制来自金属引线导电体的树脂的剥离极其重要。本实施方式涉及的母线20为金属引线导电体和树脂的粘接强度优异的母线，因此，不会产生这样的问题，能够形成绝缘耐压可靠性高的母线。
这种母线的制造方法没有特别限制，能够通过例如以下的方法进行制造。作为金属引线导电体21、21，能够使用用镍镀敷了的铜。而且，在所镀敷了的镍上以500nm的厚度镀敷锌，在氢气气氛(还原气氛)下，在350℃进行5分钟的加热处理，由此能够形成700nm厚度的镍-锌合金层。另外，合金层的平均表面粗糙度为20nm左右，另外，在其表面能够形成悬钩密度为6个/μm以上的凹凸。
另外，作为金属引线导电体21、21也能够使用用锌镀敷了的铝等。通过使用这种材料，在其表面能够形成5～数百nm平均表面粗糙度的凹凸。
[3-2、模块壳体]
如图10所示，本实施方式涉及的模块壳体40为在包含金属的散热板42上形成有树脂43的侧壁，在侧壁内密封有金属引线导电体41的模块壳体。而且，在作为散热板的基底基板42和树脂43之间，及/或金属引线导电体41和树脂43之间，形成有包含选自锌、锡、铋及铟的一种以上的金属和基底基板42中所包含的金属或金属引线导电体41中所包含的金属的合金层(在图10中没有图示)。另外，在合金层和树脂43的接合面中，合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层的接合面上所形成的凹凸中至少一部分的形状具有悬钩形状，悬钩形状在与接合面平行的方向上每1μm形成一个以上。另外，对于合金层的说明，因与在上述金属树脂复合结构体10中说明的合金层一样，故省略其说明，在以下的记载中，仅说明模块壳体40的整体构成。
在模块壳体40中，作为金属引线导电体41，能够使用例如由镍镀敷了的铜等。另外，作为树脂43和基底基板42的接合面中的基底基板42的材料，能够使用例如由镍镀敷了的铜。另外，作为树脂43，从良好的生产率这种观点出发，能够使用例如聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等。而且，在金属引线导电体41和树脂43之间、以及基底基板42和树脂43之间设有上述合金层。
图11为表示使用图10所示的模块壳体40的IGBT模块50的截面结构的图，用与图10相同的符号表示的部件与在图10中表示的部件相同，因此，省略其说明。IGBT模块50是在基底基板42上，介由焊锡44搭载有在表面形成有金属图案45a的陶瓷布线基板45。而且，在陶瓷布线基板45的上面，进一步介由焊锡44搭载有IGBT芯片48。
IGBT芯片48上的电极和各金属引线导电体41、41、41用铝线41a电连接。另外，IGBT芯片48上的电极和各金属引线导电体41、41、41的接合能够通过例如超声波接合进行。而且，模块壳体40内部用硅凝胶47填充以密封这些部件，形成上部空间，用由树脂构成的盖46气密性地密封。
这样，通过使用本实施方式涉及的模块壳体制造IGBT模块，即使在使用时的热应力及湿度环境下，也不会发生树脂43与金属引线导电体41、41、41或基底基板42的界面上的剥落，能够长期地保持模块内部的气密性，防止水分的浸入。因此，能够提供能够使电子回路长期稳定地工作的、具有高可靠性的IGBT模块。
[3-3、树脂制连接器零件]
如图12所示，本实施方式涉及的树脂性连接器零件30为在树脂34内密封有金属引线导电体31的零件。而且，在金属引线导电体31和树脂34之间，形成有包含选自锌、锡、铋及铟的一种以上的金属和金属引线导电体31中所包含的金属的合金层(在图12中没有图示)。另外，在合金层和树脂的接合面中，合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在合金层的接合面上所形成的凹凸中至少一部分的形状具有悬钩形状，悬钩形状在与接合面平行的方向上每1μm形成一个以上。另外，对于合金层的说明，因与在上述金属树脂复合结构体10中说明的合金层一样，故省略其说明，在以下的记载中，仅说明树脂制连接器零件30的整体构成。
金属引线导电体31能够由与例如上述金属引线导电体21、金属引线导电体41一样的材料构成。另外，即使树脂34，也能够由与上述树脂24、树脂43一样的材料构成。
在树脂制连接器零件30中，设有金属引线导电体31，以电连接空气空间32和模块内部空间33。这样通过在树脂34内设置金属引线导电体31，水分等就不会浸入与电气设备等连接的一侧的模块内部空间33，能够与电气设备等连接。因此，根据具有这种结构的树脂制连接器零件30，即使在高温高湿环境下施加外力，金属引线导电体31也不从树脂34剥离，因此，能够提供气密可靠性优异的树脂制连接器零件30。
实施例
下面，举出实施例更详细地说明本实施方式，但本实施方式不限定于以下的实施例，在不脱离其要旨的范围内能够任意变更并实施。
(制造例1)
选择镍作为金属部件1中所包含的高熔点金属，选择锌作为金属部件3中所包含的低熔点金属，选择环氧树脂作为树脂部件2，制造金属树脂复合结构体。
首先，对镍表面用3A/dm2的电流密度实施500nm厚的锌镀敷，在镍表面形成由锌构成的薄膜。而且，将形成由锌构成的薄膜的镍在含有氢气的还原气氛下，在400℃进行5分钟的加热处理，形成包含锌-镍合金的合金层3。
然后，将热固性树脂的环氧树脂在转移压力2.5MPa、模具温度175℃、成型时间90秒的模式条件下进行传递模塑成型，另外，在175℃进行6小时的热处理，制造本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10。
图13(a)为拍摄所得到的金属树脂复合结构体的截面的扫描型电子显微镜照片，(b)为将(a)中的树脂部件和合金层的界面附近放大了的扫描型电子显微镜照片。
如图13(a)所示，在金属部件1的表面形成有合金层3，在合金层3的表面形成有树脂部件2。另外，如图13(b)所示，在合金层3和树脂部件2的接合面中，在合金层3的表面形成有数十～数百nm的凹凸，其凹凸的一部分具有悬钩形状。而且，可知这种悬钩形状在与树脂部件2和合金层3的接合面平行的方向上每1μm形成一个以上。
另外，构成树脂部件2的环氧树脂浸入到上述凹凸具有的数十nm尺寸的凹部，无缺陷地密合。另外，在合金层3的内部形成有亚微米尺寸的空洞缺陷，在树脂部件2侧附近，即表面附近形成有数nm尺寸的空洞缺陷。
图14为表示图13(a)所示的照片的纵向元素浓度分布的曲线图。在图14所示的曲线图中，横轴表示与树脂部件2表面垂直相对的方向的距该表面的距离，纵轴表示该方向的元素浓度。另外，曲线图中的两根纵向的虚线表示合金层3和各个部件的界面。如图14所示，可知对合金层3中的锌(即，低熔点金属)的量而言，合金层3的树脂部件2侧的量比金属部件1侧的量还多。另外，可知合金层3中的锌的浓度分布连续地变化。即，合金层3由树脂部件2侧的富锌层和金属部件1侧的富镍层的大致两层构成。但是，如图13(a)所示，这两层的界面不能明确识别。
(制造例2)
对实施了0.5mm厚的镍镀敷的铜板(金属部件)，实施50nm、200nm及900nm的锌镀敷。然后，进行与上述制造例1同样的热处理，形成环氧树脂(Cognis社制RM370)作为树脂部件，得到金属树脂复合结构体。对所得到的金属树脂复合结构体进行剪切试验。将剪切试验的方法表示在图15(a)中，将试验结果表示在图15(b)中。对剪切试验而言，如图15(a)所示，对所形成的树脂部件2从侧面进行按压，在图15(b)中表示将树脂部件2剥离时的压力。
另外，在图15(b)中，作为参考，还表示有不进行上述热处理，且不使环氧树脂粘接的情况(未处理)。
在图15(b)所示的曲线图中，对各个镀敷厚度而言，左侧的条形图为刚制造金属树脂复合体之后(劣化处理前)、右侧的条形图为制造后，进行86℃/85％(相对湿度)-168小时的吸湿处理，再进行260℃-60秒×3次的回流处理使其劣化的劣化处理后的强度。
如图15(b)所示，在镀敷厚度50nm的情况下，仅得到劣化处理前的15MPa以上的强度，在不进行热处理的其它情况下，只得到10MPa程度以下的低强度。另外，不进行热处理，在镀敷厚度为200nm、900nm的情况下劣化处理后，环氧树脂剥离，不能进行测定。另一方面，在进行了热处理的情况下，无论什么样的膜厚，即使进行劣化处理后，也表现出15MPa左右的良好的强度。另外，环氧树脂在14MPa～15MPa左右引起树脂内断裂，因此，在进行了热处理的情况下，引起树脂内断裂的剪切强度为15MPa左右。另一方面，在不进行热处理的情况下，在环氧树脂和金属部件的界面附近引起断裂。
图16为拍摄膜厚为200nm时的金属部件1的表面附近的扫描型电子显微镜照片。图16(a)为不进行热处理的情况，(b)为在400℃进行5分钟的热处理的情况。如图16(a)所示，在薄膜和金属部件1之间存在很多缺陷，预想其结果是界面强度变低。另一方面，若进行热处理，则如图16(b)所示，缺陷消失，另外，在表面形成有纳米级的微细凹凸。其结果认为，合金层3和金属部件1牢固地结合，界面强度提高。
如上所述，在使用镍作为高熔点金属的本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中，在与树脂部件2的化学相互作用少的镍表面形成有包含化学相互作用强的锌的牢固的合金层3，且在其表面形成了具有悬钩结构的数nm～数百nm尺寸的凹凸，成为与树脂一体化了的结构。其结果是剪切方向以及拉伸方向的剪切强度格外提高，即使在高湿高温环境下进行劣化处理后，也能够得到金属树脂复合结构体10。
(制造例3)
选择铜作为金属部件1中所包含的高熔点金属，选择锌作为金属部件3中所包含的低熔点金属，选择环氧树脂作为树脂部件2，制造金属树脂复合结构体10。
首先，对铜表面以3A/dm2的电流密度实施900nm厚的镀敷锌，在镍表面上形成由锌构成的薄膜。而且，将形成有由锌构成的薄膜的铜在包含氢气的还原气氛下，在350℃进行5分钟的加热处理，形成包含锌-镍合金的合金层3。
然后，将热固性树脂即环氧树脂在转移压力2.5MPa、模具温度175℃、成型时间90秒的模式条件下进行传递模塑成型，另外，用175℃进行6小时的热处理，制造本实施方式的金属树脂复合结构体10。
将用扫描型电子显微镜拍摄所得到的金属树脂复合结构体10中的合金层3和树脂部件2的截面附近的照片表示于图17中。
如图17所示，形成有铜-锌合金层，在合金层中的树脂部件2侧形成有数百nm的凹凸，凸部具有悬钩形状。其结果，环氧树脂填充到数十百nm尺寸的凹部，无缺陷地密合。
图18为表示图17所示的照片的纵向元素浓度分布的曲线图。在图18所示的曲线图中，横轴表示与树脂部件3表面垂直相对的方向上的距该表面的距离，纵轴表示该方向的元素浓度。另外，曲线图中的两根纵向的虚线表示合金层3和各个部件的界面。如图18所示，可知从图17所示的照片中的树脂部件2的表面到600nm左右的深度，合金层中浸入有环氧树脂。另外，从锌及铜的浓度比来看，在树脂部件侧锌浓度高，从上述表面到200～600nm的区域以铜及锌的浓度比急剧变化，在比600nm还深的金属部件1侧，锌浓度从十数％渐渐减小。
如上所述，在使用铜作为高熔点金属的本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10中，在合金层3的表面形成有具有悬钩形状的数百nm尺寸的凹凸而成为与树脂一体化了的结构。其结果，剪切方向以及拉伸方向的剪切强度格外提高，即使在高湿高温环境下进行劣化处理后，也能够得到金属树脂复合结构体10。
另外，使用铝作为高熔点金属而制造本实施方式涉及的金属树脂复合结构体10，在进行上述(制造例2)所示的剪切试验时，剪切强度为14MPa以上，另外，即使劣化处理后，也具有剪切处理前的强度的90％以上的剪切强度。因此，可知即使在使用铝作为高熔点金属的情况下，也能够得到高粘接性的金属树脂复合结构体10。
(制造例4)
图19为在镍镀敷面上形成900nm厚的锌镀敷膜，在400℃进行了10分钟的热处理后的金属部件及所形成的合金层界面的、由透射型电子显微镜照片所拍摄的附图代用照片。在图19中，可知在形成有微细凹凸的镍-锌合金层的上部残存有薄的皮膜状的氧化锌。在实施了比较厚的锌镀敷时，图19所示的氧化膜残存，阻碍树脂部件2和合金层3的密合，残存物移动而对电子回路的特性有不良影响。因此可知，在图7所示的制造工序中，特别优选在金属部件1的合金化处理后，追加用酸或碱液洗净部件表面的工序。氧化锌被碱液溶解，镍-锌合金在碱液中不溶解，因此，仅能够容易地除去氧化锌构成的皮膜。
这样，在本实施方式涉及的制造方法中，通过进行清洁工序，使树脂部件和金属部件的密合性更加确实，能够提供制造收率高的金属树脂复合结构体。

Claims (12)

1.金属树脂复合结构体，其是将包含熔点为500℃以上的高熔点金属的金属部件和树脂部件一体化而成，其特征在于，
在所述金属部件和所述树脂部件之间，设有包含具有熔点不足500℃的低熔点金属而成的合金层，
在该合金层和所述树脂部件的接合面中，所述合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，在所述合金层的接合面上所形成的凹凸的凹凸周期为5nm以上、不足1μm。
2.如权利要求1所述的金属树脂复合结构体，其特征在于，
所述高熔点金属为铝、铜、镍或铁。
3.如权利要求1或2所述的金属树脂复合结构体，其特征在于，
所述低熔点金属为锌、锡、铟或铋。
4.如权利要求1～3中任一项所述的金属树脂复合结构体，其特征在于，
将所述合金层在相对所述接合面平行的方向上分成两部分时，在与所述树脂部件的接合面侧所包含的所述低熔点金属量比在与所述金属部件的接合面侧所包含的所述低熔点金属量多，
在与所述金属部件的接合面侧所包含的所述低熔点金属的浓度连续变化。
5.如权利要求1～4中任一项所述的金属树脂复合结构体，其特征在于，
所述凹凸中至少一部分的形状具有悬钩形状，
所述悬钩形状在与所述接合面平行的方向上每1μm形成有一个以上。
6.金属树脂复合结构体的制造方法，其是将包含熔点为500℃以上的高熔点金属的金属部件和树脂部件一体化而成，
其特征在于，包含：
薄膜形成工序，在所述金属部件的表面形成包含具有熔点不足500℃的低熔点金属且厚度为30nm以上5μm以下的薄膜；
合金层形成工序，在非氧化气氛或还原气氛下，在不使所述薄膜熔融的加热条件下，对形成有所述薄膜的所述金属部件进行热处理，形成所述高熔点金属和所述低熔点金属相互扩散了的合金层；以及
树脂形成工序，在该合金层的表面形成树脂部件。
7.如权利要求6所述的金属树脂复合结构体的制造方法，其特征在于，包含：
清洁工序，在进行所述薄膜形成工序之前，清洁所述金属部件表面；以及
低熔点金属除去工序，在所述合金层形成工序后、所述树脂形成工序前，除去残存的所述低熔点金属及所述低融点金属的氧化物。
8.如权利要求6或7所述的金属树脂复合结构体的制造方法，其特征在于，
所述薄膜形成工序通过镀敷、物理蒸镀或化学蒸镀中的至少一种方法进行。
9.如权利要求6～8中任一项所述的金属树脂复合结构体的制造方法，其特征在于，
所述树脂形成工序是通过热固性树脂的传递模塑成型或浇注成型、或热塑性树脂的注塑成型来进行。
10.母线，其通过绝缘性的树脂密封至少两个金属引线导电体而成，其特征在于，
在所述金属引线导电体和所述树脂之间，形成包含选自锌、锡、铟及铋的一种以上的金属和所述金属引线导电体所包含的金属的合金层，
在该合金层和所述树脂部件的接合面中，所述合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，
在所述合金层的接合面上所形成的凹凸中，至少一部分的形状具有悬钩形状，
所述悬钩形状在与所述接合面平行的方向上每1μm形成有一个以上。
11.模块壳体，其在包含金属的散热板上形成有树脂的侧壁，在该侧壁内密封有金属引线导电体，其特征在于，
在所述散热板和所述树脂之间、及/或所述金属引线导电体和所述树脂之间，形成包含选自锌、锡、铟及铋的一种以上的金属和所述散热板所包含的金属、或所述金属引线导电体所包含的金属的合金层，
在该合金层和所述树脂的接合面中，所述合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，
在所述合金层的接合面上所形成的凹凸中，至少一部分的形状具有悬钩形状，
所述悬钩形状在与所述接合面平行的方向上每1μm形成有一个以上。
12.树脂制连接器零件，其在树脂内密封有金属引线导电体，其特征在于，
在所述金属引线导电体和所述树脂之间，形成包含选自锌、锡、铟及铋的一种以上的金属和所述金属引线导电体所包含的金属的合金层，
在该合金层和所述树脂部件的接合面中，所述合金层的平均表面粗糙度为5nm以上、不足1μm，
在所述合金层的接合面上所形成的凹凸中，至少一部分的形状具有悬钩形状，
所述悬钩形状在与所述接合面平行的方向上每1μm形成有一个以上。
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