CN111180408A - 半导体功率模块和用于制造半导体功率模块的方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体功率模块,所述半导体功率模块包括导电的载体板、功率半导体芯片和接触销,该功率半导体芯片布置在所述载体板上并且与所述载体板电连接,该接触销与所述载体板电连接并且构成所述半导体功率模块的外接触部,其中,该接触销布置在钎焊部上方,所述钎焊部构造用于将所述接触销直接地或间接地机械固定在所述载体板上,并且该钎焊部构造用于将所述接触销与所述载体板电连接,其中,所述接触销通过另一连接件与所述载体板电连接,其中,所述另一连接件具有相对于所述载体板机械柔性的部分。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体功率模块和一种用于制造半导体功率模块的方法。
背景技术
半导体功率模块可以具有接触销,该接触销构造成半导体功率模块的外接触部,并且该接触销例如可以借助压配合与其他电子构件(例如电路板)电连接。可以借助钎焊部(Lotstelle)来将这种接触销固定在半导体功率模块中。在此应确定,与压配合的情况相比,钎焊连接通常具有(显著)更高的错误率。为了满足对半导体功率模块的可靠性的日益增长的需求,因此需要提供从接触销至半导体功率模块的改善的连接(即具有低电气故障率的连接)。
本发明所基于的任务通过独立权利要求的特征解决。在从属权利要求中说明本发明的有利构型和扩展方案。
发明内容
具体示例涉及一种半导体功率模块,该半导体功率模块包括导电的载体板功率半导体芯片和接触销,该功率半导体芯片布置在载体板上并且与该载体板电连接,该接触销与载体板电连接并且构成半导体功率模块的外接触部,其中,接触销布置在如下钎焊部上方:该钎焊部构造用于将接触销直接或间接地机械固定在载体板上并且将接触销与载体板电连接,其中,接触销通过另一连接件与载体板电连接,其中,所述另一连接件具有相对于载体板机械柔性的部分。
具体示例涉及一种用于制造半导体功率模块的方法,所述方法包括:提供导电的载体板;将功率半导体芯片布置在该载体板上并且将功率半导体芯片与载体板电连接;在载体板上构造第一钎焊部;将接触销如此布置在第一钎焊部上方,使得接触销直接地或间接地机械固定在载体板上,并且使得接触销借助第一钎焊部与载体板电连接;构造另一连接件,借助该另一连接件,接触销与载体板电连接,其中,该另一连接件具有相对于载板机械柔性的部分。
附图说明
所附的附图示出示例并且用于结合说明书来阐释本发明的基本特征。附图的元素不一定必须按比例缩放。相同的附图标记可以表示相应的、相似的或相同的部分。
图1A和图1B示出半导体功率模块的示例的示意性侧视图,图1A示出接触销间接地机械安置在载体板上,图1B示出当接触销由于机械负荷而从载体板上脱离时,如何通过另一连接件保持载体板与接触销的电接触;
图2示出半导体功率模块的示意性侧视图,其中,接触销直接地机械固定在载体板上;
图3A和图3B示出套筒,该套筒具有固定在其上的另一连接件,其中,图3A示出示意性侧视图,图3B示出俯视图;
图4A和图4B示出套筒,该套筒具有与其一体的另一连接件,其中,图4A示出示意性侧视图,图4B示出俯视图;
图5A至图5D示出接触销的不同示例,该接触销直接地机械固定在半导体功率模块的载体板上;
图6示出用于制造半导体功率模块的方法的流程图。
具体实施方式
下面所描述的半导体功率模块例如可以设计用于处理例如10A、100A或1000A的高电流,并且设计用于处理例如100V、400V、800V或1200V的高电压。所述半导体功率模块例如能够作为变流器运行。
下面所描述的半导体功率模块可以具有各种类型的半导体芯片——例如功率半导体芯片、功率双极型晶体管或功率二极管,所述功率半导体芯片例如是功率MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBTs(绝缘栅双极晶体管)、JFETs(结型场效应管)。半导体功率模块还可以具有逻辑芯片——例如用于控制功率半导体芯片的控制电路或微处理器。半导体芯片例如可以由诸如Si、SiC、SiGe、GaAs或GaN的半导体材料制成。
下面所描述的半导体功率模块具有接触销并且在一些情况下还具有套筒。接触销和套筒例如可以由诸如Al、Au、Ag、Cu或Fe的金属或诸如CuSn的金属合金构成。接触销可以具有任意合适的几何形状和尺寸,并且接触销例如可以具有几毫米(例如5mm、10mm或15mm)或几厘米(例如1cm、2cm、5cm或10cm)的长度,并且具有一毫米或几毫米(例如2mm、3mm、4mm或5mm或更大)的直径。下面所描述的半导体功率模块可以具有钎焊连接和/或烧结连接。钎焊材料例如可以包括Sn、Ag或Cu或由这些构成。烧结材料同样可以包括这些金属中的一种或多种或由这些金属构成。可以将烧结材料以金属粉末的形式施加到半导体功率模块的载体板的表面上。
图1A示出半导体功率模块100,该半导体功率模块具有导电的载体板101(即带有导电区域的结构化载体板)、功率半导体芯片102和接触销103,功率半导体芯片布置在载体板101上并且与载体板电连接,该接触销与载体板电连接并且构成半导体功率模块100的外接触部。接触销103布置在第一钎焊部104上方,该第一钎焊部构造用于将接触销103间接地机械固定在载体板101上并且将接触销与载体板101电连接。接触销103还通过另一连接件105与载体板101电连接,其中,该另一连接件105具有相对于载体板101机械柔性的部分106。所述机械柔性的部分构造用于使另外的连接件105与作用在另一连接件105上的机械负荷去耦合。机械柔性的部分106可以关于一个轴线、两个轴线甚至三个轴线是柔性的。机械柔性的部分106可以具有相对低的弹性模量和弹性系数(尤其相对低的抗弯强度)。机械柔性的部分106的弹性模量例如可以相应于结合线或结合带(英语:ribbon)的典型弹性模量。
该另一连接件可以在第一端105_1上借助第一接触部107与载体衬底101连接。第一接触部107可以是第二钎焊部或熔焊接触部(例如超声焊接)或烧结接触部。另一连接件可以在第二端105_2上借助第二接触部(未示出)与接触销101连接。第二接触部可以是钎焊部或熔焊接触部(例如超声焊接)或烧结接触部。根据一种示例,另一连接件105可以具有导电线或导电带或者由导电线或导电带构成(例如结合线)。在这种情况下,柔性部分106可以在另一连接件的(几乎)整个长度上延伸。载体衬底101上的第一钎焊部104与第一接触部107之间的距离可以处于几毫米到几厘米的尺寸范围内,所述距离例如可以是约2mm、5mm、10mm、15mm、2cm或更大。
载体板101可以是适用于半导体功率模块100的任何衬底,并且该载体板例如可以是DCB(直接键合铜),DAB(直接键合铝)或AMB(活性金属钎焊)型的衬底。功率半导体芯片102可以借助第三钎焊部108与载体板101电连接并且机械连接。接触销103例如可以借助构造在载体板101上的印制导线与功率半导体芯片102电连接。接触销103例如可以是至栅极(或者至功率半导体芯片102的诸如发射极的功率电极)的外接触部。接触销103还可以是半导体功率模块100中的传感器(例如温度传感器)的外接触部。半导体功率模块100可以具有多个接触销103。
根据一种示例,第一钎焊部104和/或第三钎焊部108也可以涉及另一类型的接触部(例如烧结接触部或熔焊接触部)。
半导体功率模块100可以包括壳体(未示出),通过该壳体对功率半导体芯片102以及(必要时)载体板101的整个上侧进行封装。该壳体例如可以是预制的塑料壳体,该壳体被***、旋紧或粘接到承载体板101上。接触销的上端可以从壳体伸出。为此,壳体可以具有孔眼,接触销103延伸穿过该孔眼。接触销103的上端还可以构造用于形成(例如与外部(控制)电路板)的压配合,这种接触销有时在英语中称作柔性销“compliant pin”。这种压配合是所谓的冷焊。
在半导体功率模块100中,接触销103间接地固定在载体板101上。即接触销103通过中间连接件安置在第一钎焊部104上。根据一种示例,这种中间连接件可以是套筒109,接触销103***该套筒中。接触销103与套筒109之间可以形成压配合。套筒109例如可以由金属或金属合金构成。套筒109的底部直接安置在钎焊部104上并且通过该钎焊部与载体板101机械和电学地连接。根据一种示例,套筒109不具有底部,而是在两端具有开口。在这种情况下,套筒109的下边缘可以安置在第一钎焊部104上。该边缘例如可以具有加宽的轴环。根据一种示例,可以在将套筒109安置在第一钎焊部104上之后,将接触销103***到套筒109中。根据另一示例,可以将套筒109与已***的接触销103一起安置在第一钎焊部104上。
另一连接件105的第二端105_2可以固定在套筒109上——例如固定在套筒109的上端或下端上的平行于载体板101定向的表面上。然而也能够实现,第二端105_2固定在套筒109的垂直表面上。根据另一示例也可以实现,第二端105_2不固定在套筒109上,而是固定在接触销103上(套筒109上方)。
对于(例如通过振动、冲击或热应力)作用在半导体功率模块100上的机械负荷而言,诸如第一钎焊部104的钎焊部可能是薄弱点。与例如通过压配合实现的情况相比,所述钎焊部尤其可能具有更高的错误率。第一钎焊部104中的裂缝可能导致:接触销103与载体板101之间的通过第一钎焊部104的电接触变差或者甚至完全失效。然而即使在这种情况下,接触销103与载体板101之间的电接触也通过另一连接件105而确保。
图1B示出这种情况,接触销103通过机械负荷从第一钎焊部104完全断开。接触销103可以在上端进一步由(未示出的)壳体或由(未示出的)控制电路板固定在给定的位置范围内,然而通过钎焊部104与载体板的电连接中断。但是,另一连接件105具有机械柔性的部分106,该机械柔性的部分使另一连接件105与载体板101机械地去耦合。因此,另一连接件105未通过机械负荷而被切断,所以该另一连接件能够继续确保载体板101与接触销103之间的电接触。另一连接件105尤其可以构造用于完全代替通过钎焊部104的电连接,从而在半导体模块100的运行中,不会看出与完好的第一钎焊部104的任何差别。此外,另一连接件还可以用于如此限制接触销103的现在不再固定的端部在载体板101上方的位置,使得不会建立与载体板101上的其他导体的不期望接触。
图2示出半导体功率模块200,除了在下文中示出的区别之外,该功率模块200可以与图1的半导体功率模块100相同。
半导体功率模块200与半导体功率模块100的不同之处主要在于,接触销203直接地、而非间接地机械固定在载体板101上。这意味着,接触销203的下端直接安置在钎焊部104上,并且在接触销203与第一钎焊部104之间没有布置诸如套筒109的中间连接件。
为此目的,接触销203可以具有引脚210,引脚210是接触销203的整体组成部分。引脚210可以具有比其余接触销203更大的直径,该引脚例如具有如下直径:该直径足以将接触销通过第一钎焊部104稳定地固定在载体板上。引脚210可以具有扁平的上侧。另一连接件105的第二端105_2例如可以固定在引脚210的所述扁平的上侧上。类似于接触销103,接触销203可以构造用于通过压配合实现(eingehen)与外部电路板的连接。
图3A和图3B示出根据一种示例的半导体模块100的另一连接件105和套筒309的详细视图。图3A示出侧视图,图3B示出俯视图。
套筒309可以与套筒109类似或者甚至相同。套筒309具有中心部分310并且在套筒的下侧和上侧上分别具有加宽的边缘311、312,该中心部分具有相对小的直径。下加宽边缘311可以用于将套筒309稳定地固定在第一钎焊部104上,并且因此能够使套筒309或***到套筒309中的接触销103可靠地站立在载体板101上。上加宽边缘312可以使接触销103更容易***到套筒309中。
如图3A所示,另一连接件105例如可以安置在下加宽边缘311上,但是该另一连接件例如也可以安置在上加宽边缘312上。加宽的边缘311、312可以使连接工具(例如结合工具)的工作变得简单,该连接工具用于将另一连接件105安置在套筒309上。
图4A和图4B示出根据另一示例的半导体模块100的另一连接件105和套筒409的详细视图。图4A示出侧视图,图4B示出俯视图。
套筒409可以类似于套筒109或套筒309并且与它们的不同之处主要在于:另一连接件105是套筒109的整体组成部分。换句话说,另一连接件105构成套管409的引脚,该引脚从套筒409侧向地伸出,并且该引脚通过第一接触部107(该接触部可以是钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部)与载体板连接。然而,另一连接件105的中心件不与载体板机械地连接。另一连接件105例如可以是由导电材料构成的邻接于下加宽边缘311的条带。
如图4A所示,另一连接件105可以弧形地跨越载体板101上方。弧形例如可以在载体板上方伸出几毫米,或者也可以在平行于载体板的平面中向侧面弯曲(例如约2mm、5mm、10mm、15mm或更大)。然而也能够实现,另一连接件105不具有这种弧形,而是基本上平坦地(平行于载体板101)延伸。然而即使在这种情况下,另一连接件105也能够仅在其第一端105_1上安置在载体板101上,并且在第一端105_1与第二端105_2之间具有未安置在接触部(即钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部)上的部分,该部分因此构成该另一连接件105相对于载体板101机械柔性的部分。然而,与另一连接件105的平行于载体板101的延伸相比,弧形延伸可以具有提供附加空路(Leerweg)的优点,这种附加空路导致另一连接件105在机械负荷下仅在超过该空路之后才发生断裂。空路例如可以具有约2mm、5mm、10mm、15mm、20mm或更大的长度。
图5A至5D分别示出根据半导体功率模块200的示例的接触销503或503'的详细视图以及另一连接件的详细视图。除了下面描述的区别之外,接触销503和503'可以与接触销203类似或者甚至相同。
根据图5A的示例,接触销503具有两个或更多的引脚510,所述引脚直接安置在第一钎焊部104上。同样可能的是如下构型:图1中的套筒具有根据图5A的两个或更多的引脚。引脚510可以是接触销503的整体组成部分。如图5A所示,接触销503例如可以具有两个相对置的引脚510。另一连接件105例如可以固定在引脚510中的一个的平坦上侧上。
根据图5B的示例,接触销503'具有两个或更多的引脚510。然而,与图5A的示例不同,另一连接件105不安置在接触销503'上,而是构成接触销的整体部分,这类似于图4A中所示的套筒409的示例。引脚510中的至少一个的例如可以如此确定尺寸,使得可以借助第一端将引脚固定在第一钎焊部104上,并且可以借助第二端将引脚固定在第一接触部107上。
如图5C的示例所示,接触销503'的另一连接件105不一定必须在载体板101上方跨越弧形,而是也可以(基本上)平行于载体板101延伸。
图5D示出接触销503'的另一可能实施方式的沿着图5C中的线A-A的截面图。在图5D中所示的实施方式中,接触销503′具有多于一个另外的连接件105——尤其从接触销503'径向引出的4个另外的连接件105。这种构型可以具有以下优点:可以将接触销503'特别稳定地固定在载体板101上。另一优点可以是,在机械负荷特别强时(该机械负荷不仅切断第一钎焊部104,而且切断一个或多个另外的连接件105),总是仍存在至少另一连接件105能够保持完好无损。图5D的实施方式中还可以实现,另外的连接件在载体板101上方跨越弧形——如图5B中所示。第一钎焊部104和第一接触部107中的一个或多个例如可以是熔焊连接或烧结连接。
同样可以实现,例如在图5A的接触销503中使用图5D所示的具有例如四个径向布置的另外的连接件105的构型,在此,另外的连接件105不是接触销503的整体组成部分。还可以实现,在诸如套筒309或套筒409的套筒中使用如图5D中所示的构型。
图6示出用于制造诸如半导体功率模块100和200的半导体功率模块的方法600的流程图。
方法600包括:在601中提供导电的载体板;在602中将功率半导体芯片布置在载体板上并且将功率半导体芯片与载体板电连接;在603中在载体板上构造第一钎焊部;在604中将接触销如此布置在第一钎焊部上方,使得接触销直接或间接地机械固定在载体板上,并且使得接触销借助第一钎焊部与载体板电连接;在605中构造另一连接件,借助该另一连接件,接触销与载体板电连接,其中,所述另一连接件具有相对于载体板机械柔性的部分。
根据方法600的一种示例,将接触销布置在第一钎焊部上方可以包括:将套筒布置在第一钎焊部上方,借助第一钎焊部将套筒与载体板机械地连接和电连接,将接触销如此***到套筒中,使得在接触销与套筒之间形成压配合。根据方法600的一种示例,另一连接件可以具有另外的钎焊部。可以(例如在回流炉中)同时构造第一钎焊部和另外的钎焊部。然而也可以实现,在构造第一钎焊部之后,构造另外的钎焊部。
在下文中,根据示例更详细地阐述半导体功率模块和用于制造半导体功率模块的方法。
示例1是一种半导体功率模块,该半导体功率模块包括:导电的载体板、功率半导体芯片和接触销,该功率半导体芯片布置在载体板上并且与载体板电连接,该接触销与载体板电连接并且构成半导体功率模块的外接触部,其中,接触销布置在钎焊部上方,该钎焊部构造用于将接触销直接地或间接地机械固定在载体板上,并且该钎焊部构造用于将接触销与载体板电连接,其中,接触销通过另一连接件与载体板电连接,其中,另一连接件具有相对于载体板机械柔性的部分。
示例2是根据示例1的半导体功率模块,其中,接触销间接地机械固定在载体板上,半导体功率模块还包括套筒,该套筒通过钎焊部与载体板连接,其中接触销***到套筒中并且与套筒形成压配合。
示例3是根据示例1的半导体功率模块,其中,接触销如此直接地机械固定在载体板上,使得接触销具有直接安置在钎焊部上的引脚。
示例4是根据以上示例中任一项所述的半导体功率模块,其中,所述另一连接件包括导电线或导电带。
示例5是根据以上示例中任一项所述的半导体功率模块,其中,另一连接件在第一端上具有另外的钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部,所述另外的钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部布置在载体板上。
示例6是根据示例2的半导体功率模块,其中,另一连接件的第二端安置在套筒上。
示例7是根据示例2的半导体功率模块,其中,另一连接件构成套筒的如下引脚:该引脚从套筒侧向地伸出,并且该引脚通过另外的钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部与载体板连接。
示例8是根据示例3的半导体功率模块,其中,另一连接件具有引脚的侧向延长部,该侧向延长部通过另外的钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部与载体板连接。
示例9是用于制造半导体功率模块的方法,该方法包括:提供导电的载体板;将功率半导体芯片布置在载体板上,并且将功率半导体芯片与载体板电连接;将第一钎焊部构造在载体板上;将第一钎焊部如此布置在第一钎焊部上方,使得接触销直接地或间接地机械固定在载体板上,并且使得接触销借助第一钎焊部与载体板电连接;构造另一连接件,借助该另一连接件将接触销与载体板电连接,其中,另一连接件具有相对于载体板机械柔性的部分。
示例10是根据示例9的方法,其中,将接触销间接地机械固定在载体板上,该方法还包括:将套筒布置在载体板上方;借助第一钎焊部将套筒与载体板机械连接并且电连接;将接触销如此***到套筒中,使得在套筒与接触销之间形成压配合。
示例11是根据示例9的方法,其中,将接触销如此直接地机械固定在载体板上,使得接触销具有引脚,其中,将该引脚直接地安置在第一钎焊部上。
示例12是根据示例9至11中任一项所述的方法,其中,另一连接件具有另外的钎焊部。
示例13是根据示例12的方法,其中,同时在回流炉中构造第一钎焊部和另外的钎焊部。
示例14是根据示例12的方法,其中,在构造第一钎焊部之后,构造另外的钎焊部。
示例15是根据示例9至11中任一项所述的方法,其中,另一连接件具有熔焊接触部或烧结接触部。
示例16是根据示例9至15中任一项所述的方法,其中,另一连接件包括导电线或导电带。
示例17是根据示例9至16中任一项所述的方法,其中,机械柔性的部分构造用于将另一连接件与作用在该另一连接件上的机械负荷去耦合。
示例18涉及一种设备,该设备具有用于实施根据示例9至17中任一项所述的方法的装置。
尽管在此已经示出和描述了特定的实施方式,但是对于本领域技术人员显而易见的是,在不脱离本发明的保护范围的情况下,多种替代的和/或等效的实施方式可以替代所示的和所描述的特定实施方式。本申请旨在涵盖在此讨论的特定实施方式的所有改型或变型。因此期望的是,本发明旨在仅通过权利要求及其等同内容进行限制。
Claims (17)
1.一种半导体功率模块,所述半导体功率模块包括:
导电的载体板,
功率半导体芯片,所述功率半导体芯片布置在所述载体板上并且与所述载体板电连接,
接触销,所述接触销与所述载体板电连接并且构成所述半导体功率模块的外接触部,
其中,接触销布置在钎焊部上方,所述钎焊部构造用于将所述接触销直接地或间接地机械固定在所述载体板上,并且所述钎焊部构造用于将所述接触销与所述载体板电连接,
其中,所述接触销通过另一连接件与所述载体板电连接,其中,所述另一连接件具有相对于所述载体板机械柔性的部分。
2.根据权利要求1所述的半导体功率模块,其中,所述接触销间接地机械固定在所述载体板上,所述半导体功率模块还包括:
套筒,所述套筒借助所述钎焊部与所述载体板连接,
其中,所述接触销***到所述套筒中并且与所述套筒形成压配合。
3.根据权利要求1所述的半导体功率模块,其中,所述接触销直接地机械固定在所述载体板上,使得所述接触销具有如下引脚:所述引脚直接安置在所述钎焊部上。
4.根据以上权利要求中任一项所述的半导体功率模块,其中,所述另一连接件具有导电线或导电带。
5.根据以上权利要求中任一项所述的半导体功率模块,其中,所述另一连接件在第一端上具有另一钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部,所述另一钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部布置在所述载体板上。
6.根据权利要求2所述半导体功率模块,其中,所述另一连接件的第二端安置在所述套筒上。
7.根据权利要求2所述的半导体功率模块,其中,所述另一连接件构成所述套筒的引脚,所述引脚侧向地从所述套筒伸出并且通过另一钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部与所述载体板连接。
8.根据权利要求3所述的半导体功率模块,其中,所述另一连接件具有所述引脚的侧向延长部,所述侧向延长部通过另一钎焊部或熔焊接触部或烧结接触部与所述载体板连接。
9.一种用于制造半导体功率模块的方法,所述方法包括:
提供导电的载体板,
将功率半导体芯片布置在所述载体板上,并且将所述功率半导体芯片与所述载体板电连接,
在所述载体板上构造第一钎焊部,
将接触销布置在所述第一钎焊部上方,使得所述接触销直接地或间接地机械固定在所述载体板上,并且使得所述接触销借助所述第一钎焊部与所述载体板电连接,
构造另一连接件,借助所述另一连接件,所述接触销与所述载体板电连接,其中,所述另一连接件具有相对于所述载体板机械柔性的部分。
10.根据权利要求9所述的方法,其中,将所述接触销间接地机械固定在所述载体板上,所述方法还包括:
将套筒布置在所述载体板上方,
借助所述第一钎焊部将所述套筒与所述载体板机械地连接并且电连接,
将所述接触销***到所述套筒中,使得在所述套筒与所述接触销之间形成压配合。
11.根据权利要求9所述的方法,其中,将所述接触销直接地机械固定在所述载体板上,使得所述接触销具有引脚,其中,所述引脚直接安置在所述第一钎焊部上。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法,其中,所述另一连接件具有另一钎焊部。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,在回流炉中同时构造所述第一钎焊部和所述另一钎焊部。
14.根据权利要求12所述的方法,其中,在构造所述第一钎焊部之后,构造所述另一钎焊部。
15.根据权利要求9至11中任一项所述的方法,其中,所述另一连接件具有熔焊接触部或烧结接触部。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法,其中,所述另一连接件包括导电线或导电带。
17.根据权利要求9至16中任一项所述的方法,其中,所述机械柔性的部分构造用于将所述另一连接件与作用在所述另一连接件上的机械负荷去耦合。
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