JP2007134369A - 積層基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品が埋設された積層基板においてそりが発生することのない製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】硬化後の熱硬化性樹脂で構成され、上面に設けられたランドと電子部品の電極とが接続固定材により接続固定された第１の基板と、この第１の基板の上面に配置され、熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなるシートと、このシートの上面に配置され、硬化後の熱硬化性樹脂で構成された第２の基板とを加熱圧着して一体化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パソコン、移動体通信機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の各種電子機器に用いられる電子部品が埋設された積層基板の製造方法に関するものである。

以下、従来の電子部品が埋設された積層基板について説明する。従来の電子部品が埋設された積層基板は、図６に示すような構成であった。図６において、３０は金属ベース部材からなる基板であり、この基板３０の上方には熱可塑性樹脂で形成された基板３１ａ〜３１ｅが積層されていた。

そして、この基板３１ｃ、３１ｄ内に電子部品３２を埋設すべく孔３３が設けられていた。３４は、基板３１ａ〜３１ｅに設けられたパターンであり、３５は基板３１ａ〜３１ｅに設けられたビアホール３６内に充填された導電ペーストである。また、３７は電子部品３２の両端に設けられた電極であり、導電ペースト３５と導通するようになっていた。

ここで、導電ペースト３５は錫粒と銀粒の混合物である。また、電極３７と導電ペースト３５が充填されたビアホール３６を精密に合わせるため、孔３３と電子部品３２とのクリアランスは電子部品３２の全周にわたって２０μｍとしており、略電子部品３２の外形寸法と略同一寸法になっていた。

以上のように構成された積層基板を、温度２５０℃〜３５０℃、圧力１〜１０ＭＰａ、時間１０〜２０分で加熱圧着して積層基板を形成していた。即ち、この加熱圧着により、錫が溶融して銀と一体化するとともに、電子部品３２の電極３７と接続されて、電子部品３２が電気的・機械的に固定されていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

また上記構成の内、金属ベース部材に替えて熱硬化性樹脂基板をベース部材として採用し、その上方に織布あるいは不織布に加熱流動性のある熱硬化性樹脂を含浸させたシートを積層して同様の構成とする発明も提唱されている。

この発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。
特開２００３−８６９４９号公報 特開２００５−１５８７７０号公報

しかしながら、前記従来の構成の金属ベース部材を用いた技術においては、金属ベース板に比較して、その上方に積層される熱可塑性樹脂基板の加熱圧着時の硬化収縮量が極端に大きいので、このことが主原因となって加熱圧着後の積層基板に上方向（上側から見て凹形状）のそりが発生するという課題を有していた。

また同様に、従来の構成の熱硬化性樹脂基板を用いた技術においては、ベース部材である熱硬化性樹脂基板に比較して、その上方に積層される熱硬化性樹脂シートの加熱圧着時の硬化収縮量が極端に大きいので、このことが主原因となって加熱圧着後の積層基板に上方向（上側から見て凹形状）のそりが発生するという課題を有していた。

ここでベース部材である熱硬化性樹脂基板には上面に予め電子部品が加熱リフロー等の手段により接続固定されており、この時の加熱温度は熱硬化性樹脂基板を硬化処理時の温度よりもはるかに高温である。そのため通常の熱硬化性樹脂基板よりも硬化反応が促進されており、加熱圧着時の硬化収縮量が通常の熱硬化性樹脂基板よりも小さく、上記のそり発生をより助長するという課題を有していた。

またベース部材である熱硬化性樹脂基板は電子部品を接続固定するためにある程度の厚みを持たせなければならない。そのために、たとえ小さなそり量であってもその剛性を考慮するとこのそり量を打ち消すためには大きな力が必要となり、通常用いられる金属パターンによる設計的補強や完成品をローラーに通してそりの逆方向に力を加える等の周知の方法では改善できないという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、そりが発生することのない電子部品が埋設された積層基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の発明は、硬化後の熱硬化性樹脂で構成され、上面に設けられたランドと電子部品の電極とが接続固定材により接続固定された第１の基板と、この第１の基板の上面に配置され、熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなるシートと、このシートの上面に配置され、硬化後の熱硬化性樹脂で構成された第２の基板とを加熱圧着して一体化することを特徴とする積層基板の製造方法としたものである。

この構成により、第１の基板、第２の基板、シートの加熱圧着時の硬化収縮量を比較すると、シートの収縮量が第１の基板および第２の基板よりも極端に大きいため、第１の基板とシート間ではシートが配置された側、すなわち上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力が発生するが、第２の基板とシート間では同じくシートが配置された側、すなわち下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力が発生し、この２つの内部応力が相殺し加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、第２の基板は加熱圧着工程前に単独で加熱する熱処理工程を有する請求項１に記載の積層基板の製造方法としたものであり、この構成により、第２の基板の硬化反応を促進させることで加熱圧着時の硬化収縮量を低減することができるので、第１の基板とシート間で発生する上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力を相殺するための下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力を確保することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

本発明の請求項３に記載の発明は、第２の基板は少なくとも１層以上の配線層を有する基板である請求項２に記載の積層基板の製造方法としたものであり、この構成により、加熱処理時の熱収縮が極めて小さい配線層が第２の基板の加熱圧着時の硬化収縮を妨げるので、第１の基板とシート間で発生する上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力を相殺するための下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力を確保することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

本発明の請求項４に記載の発明は、第２の基板の配線層を回路形成した後に熱処理を行う請求項３に記載の積層基板の製造方法としたものであり、この構成により、事前に硬化処理を施した第２の基板の配線層を回路形成した後に再度熱処理を行うことで、第２の基板の硬化処理時に発生した熱硬化性樹脂と配線層の間の残留応力を開放することができる。この残留応力を持ったままで後の加熱圧着を行うと、加熱圧着時にこの残留応力が開放され積層基板にそり、ねじれが発生する。しかもこのそり、ねじれの方向性もしくは形状は回路形成の図柄によって異なるものであるので層構成、板厚その他の要因で吸収することは不可能である。また、回路形成後に熱処理を行うとしたのは、回路形成によって配線層が除去された部分の熱硬化性樹脂の残留応力が熱処理によって開放されるためである。したがって第２の基板の配線層を回路形成した後に熱処理を行うことで、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。

本発明の請求項５に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱温度が、第２の基板の硬化処理時の加熱温度以上の温度である請求項２に記載の積層基板の製造方法としたものであり、この構成により、第２の基板の硬化反応を事前の硬化処理よりもさらに促進させることで加熱圧着時の硬化収縮量を低減することができるので、第１の基板とシート間で発生する上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力を相殺するための下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力を確保することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

本発明の請求項６に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱温度が、第２の基板を構成する熱硬化性樹脂のガラス転移温度以上の温度であるという構成を有しており、熱硬化性樹脂の硬化を促進させる作用を有することで加熱圧着時の硬化収縮量を低減することができるので、第１の基板とシート間で発生する上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力を相殺するための下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力を確保することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

本発明の請求項７に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、第２の基板の平面状態を保持した状態で施されるという構成を有しており、第２の基板単体でのそり量を低減することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。

本発明の請求項８に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、複数枚の第２の基板同士を重ね合わせて処理するという構成を有しており、この構成により、複数枚の第２の基板同士を重ね合わせることで平面状態を保持することが可能となり、第２の基板単体でのそり量を低減することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。また同時に多くの基板を処理することが可能となり、コストダウンとしての作用を有する。

本発明の請求項９に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、第２の基板を金属板で挟持した状態で施されるという構成を有しており、第２の基板単体でのそり量を低減することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。また同時に第２の基板にあるパターン同士の密着を避け、基板の平坦性を向上する作用を有する。

本発明の請求項１０に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、第２の基板をステンレス板で挟持した状態で施されるという構成を有しており、第２の基板単体でのそり量を低減することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。また同時に第２の基板にあるパターン同士の密着を避け、基板の平坦性を向上する作用を有する。

本発明の請求項１１に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、酸素を含まない気体中で施されるという構成を有しており、第２の基板にある金属箔の酸化を防ぎ、金属箔の変色を防止する作用を有する。また同時に積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。

本発明の請求項１２に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、不活性ガス中で施されるという構成を有しており、第２の基板にある金属箔の酸化を防ぎ、金属箔の変色を防止する作用を有する。また同時に積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。

本発明の請求項１３に記載の発明は、第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、窒素ガス中で施されるという構成を有しており、第２の基板にある金属箔の酸化および金属箔の変色の防止を安価で実現するという作用を有する。また同時に積層基板のそりを低減することができるという作用を有する。

本発明の請求項１４に記載の発明は、加熱圧着工程で用いる第１の基板に対して、加熱圧着工程と同等の加熱処理を単体で行った時の硬化収縮量をΔＬ１とし、加熱圧着工程で用いる第２の基板に対して、加熱圧着工程と同等の加熱処理を単体で行った時の硬化収縮量をΔＬ２とした場合に、ΔＬ２＜ΔＬ１の関係を満足するという構成を有しており、この構成により、第２の基板の硬化収縮量を低減することで、第１の基板とシート間で発生する上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力を相殺するための下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力を確保することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

本発明のプリント配線板の製造方法によれば、第２の基板の硬化収縮量を少なくすることにより、第１の基板とシート間で発生する上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする内部応力を相殺するための下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする内部応力を確保することができ、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法を示す断面図である。

まず、図１において、第１の基板１は熱硬化性の樹脂基板であり、多層に形成されている。そして、この層内にはインナービア８で各層の上面と下面が接続されている。また、各層毎に金属パターン９が敷設され、各電子回路を形成している。

この金属パターン９は、電気導電性を有する物質、例えばＣｕ（銅）箔や各種の導電性樹脂組成物からなっており、本実施の形態においてはＣｕ箔を用いている。インナービア８は、例えば金属粒子と熱硬化性樹脂とを混合した導電性樹脂組成物でなる熱硬化性の電気導電性物質で充填され、その金属粒子としては、Ａｕ、ＡｇあるいはＣｕなどを用いることができる。金属粒子としてのＡｕ、ＡｇあるいはＣｕは、電気導電性および熱伝導性が高いために好ましく、中でもＣｕは電気導電性が高くマイグレーションも少なく、また低コストであるためより好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂あるいはシアネート樹脂を用いることができるが、中でもエポキシ樹脂は耐熱性が高いためにより好ましい。

そして第１の基板１の上面には金属パターン９が形成されていて、第１の基板１の上面に載置された集積回路２（電子部品の一例として用いた）や抵抗３（電子部品の一例として用いた）と半田４（接続固定材の一例として用いた）で接続されている。

なお、この半田４は例えば、錫・銀・銅系の鉛フリー半田を用いることが可能であるが、その他の半田材料であっても使用可能である。ただし、近年の環境問題から鉛フリー半田を用いることが望ましい。

上記の電子部品が接続された第１の基板１の上にシート５を積層する。シート５は熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなり、集積回路２や抵抗３が挿入される箇所には孔１０が設けられている。この孔１０はドリルやレーザーによって加工され、形状や個数は任意である。シート５の枚数は載置された部品の高さによって変更することが容易にできる。そして、シート５の上面には孔の形成されていないシート６が配置されている。シート６は熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなる。

なお、シート５、６で使用される絶縁樹脂は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とを含む混合物からなっている。無機フィラーには、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ₂およびＢａＴｉＯ₃などを用いることができる。

熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂あるいはシアネート樹脂が好ましいが、中でもエポキシ樹脂は耐熱性が高いためにより好ましい。

そして、シート６の上面に第２の基板７を積層する。第２の基板７は熱硬化性の樹脂基板であり、熱硬化処理を行った後、図２で述べるような熱処理を施したものである。図２については次段落にて説明する。また、この層内は第１の基板１と同様の構成によってインナービアで上面と下面が接続されていてもよい。また、各層毎に金属パターン９が敷設され、各電子回路を形成している。本実施の形態においては第２の基板７には２層基板を用いているが、多層基板にしてもかまわない。

図２は、本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の熱処理工程を示す断面図である。次の加熱圧着工程の前に第２の基板７を予め加熱する熱処理工程を示すものであり、第２の基板７としては外層の回路形成後のものを用いた。金属板１１は、第２の基板７をはさむようにして順々に重ねていく。重ねる枚数は任意に設定できる。金属板１１は本実施の形態１ではＳＵＳ板を用いているが、その他の金属材料であってもかまわない。そのようにして重ねられた金属板１１と第２の基板７を不活性ガス１２の雰囲気に水平に保持し、加熱をする。不活性ガス１２は本実施の形態１ではＮ₂ガスを用いているが、その他のＨｅ，Ａｒ等の不活性ガスでもかまわない。

熱処理の温度は第２の基板７の熱硬化を促進するために少なくともガラス転移温度（以下Ｔｇとする）である１９０℃を超える温度にて設定する必要がある。特に、予め第２の基板７を熱硬化させた時の温度である２００℃を超える温度にて設定するのがより好ましい。

ただし、温度が２５０℃を超えると、熱硬化性樹脂の劣化により、金属箔との剥離が起こるため、注意が必要である。Ｔｇを超える温度域では温度は高いほうが、そり量の低下につながっている。本実施の形態１では、２２０℃で１時間の処理を行った。

以上の手順によって得られた、第１の基板１、シート５、シート６、第２の基板７を図１に示すようにこの順に積層した後に加熱圧着を施すことで図３の状態が得られる。

図３は、本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の加熱圧着後の積層基板の断面図である。半田４が溶融しない程度に低い温度で加熱圧着されて一体化される。本実施の形態１における加熱圧着条件は以下のような条件で行って良好な結果を得ている。即ち、加熱温度は１８０℃〜２００℃、加圧圧力は１平方センチあたり約４０ｋｇ、加圧時間は約１時間である。また、この加熱圧着は真空室内で行っている。これは孔１０内の空気を十分に抜いて、樹脂を十分に充填する上で重要なことである。

加熱圧着後の積層基板は必要に応じ、貫通孔加工と貫通孔に金属めっきを施すことで第１の基板１と第２の基板７を電気的に接続することも可能である。

その後、必要に応じ周知の方法により、最外層にソルダレジスト形成、部品図印刷、実装ランドの防錆処理等を行って積層基板が完成する。

次に、本実施の形態におけるそり低減の詳細なメカニズムについて説明する。本発明者は検討を繰り返し、以下のような考案を得た。

図４は、本発明のそりの低減のメカニズムを示した図である。第１の基板１の加熱圧着工程前の寸法をＬ１［ｍｍ］、単体で加熱圧着工程相当の熱処理を加えた時の硬化収縮量をΔＬ１［ｍｍ］とし、板厚をｔ１［ｍｍ］とする。また、第２の基板７についても同様に加熱圧着工程前の寸法をＬ２［ｍｍ］、単体で加熱圧着工程相当の熱処理を加えた時の硬化収縮量をΔＬ２［ｍｍ］とし、板厚をｔ２［ｍｍ］とする。シート５、６についても同様に加熱圧着工程前の寸法をＬｐ［ｍｍ］、板厚をｔｐ［ｍｍ］、単体で加熱圧着工程相当の熱処理を加えた時の硬化収縮量をΔＬｐ［ｍｍ］とする。また、第１の基板１とシート５、６の層間で発生する応力をσａ［Ｎ／ｍｍ²］、第２の基板７とシート５、６の層間で発生する応力をσｂ［Ｎ／ｍｍ²］とする。そりは各層での物性の相違によって、加熱圧着後の収縮量が異なるために、σａ、σｂといった、層間で応力を発生させる。各層間での力の差がそりを発生させている。よって、第１の基板１とシート５、６の層間で発生する力をＦ１［Ｎ］とし、第２の基板７とシート５、６の層間で発生する力をＦ２［Ｎ］として、それぞれの式を求めると、
Ｆ１＝σａ×（ｔ１＋ｔｐ）×｛（Ｌ１−ΔＬ１）−（Ｌｐ−ΔＬｐ）｝
Ｆ２＝σｂ×（ｔ２＋ｔｐ）×｛（Ｌ２−ΔＬ２）−（Ｌｐ−ΔＬｐ）｝
となる。Ｆ１−Ｆ２の値の絶対値が小さくなるほどそりは少なくなり、また、大きくなるほどそりは増大する。

上に示した図であるが、本発明の実施の形態では、第１の基板１と第２の基板７の材料としては、両者とも同系の樹脂を用いているため、σａとσｂ、ΔＬ１とΔＬ２の間に大きな差は出てこない。よって、第１の基板１と第２の基板７の板厚の差が大きな影響を与えることがわかる。ここで、第１の基板１は部品を実装するため、最低でも４層以上の積層板である必要がある。本実施の形態では６層基板としている。それに対して、近年の薄型化への要求が大きくなっている背景を踏まえると、部品を実装しない第２の基板７に対してはなるべく薄く作製することが要求されている。本実施の形態では２層基板を用いている。そのため板厚に関してはｔ１＞ｔ２となり、層間で発生する力の関係としてＦ１＞Ｆ２となる。また、異系の樹脂を用いた場合、必ずしも板厚によらない場合が発生するが、その際は、Ｆ１、Ｆ２値を計算することにより、値の低い方に熱処理工程を施すことで同様の効果を得ることができる。

ここで、第２の基板７が加熱圧着工程前に熱処理工程を施す時を考えてみる。

図５は第２の基板７を単体で熱処理工程を施した回数とそのときの硬化収縮量を表したグラフである。１回目の熱処理では第２の基板の硬化収縮量は２００μｍ程度なのに対して、２回目以降では硬化収縮量も１０μｍ前後となり、それ以降何回熱処理を加えても一定の値となることがわかる。このことから、第２の基板７に１回予め熱処理を加えたものでは、上記したＦ２の式において、ΔＬ２が小さくなるので、Ｆ２の値としては大きくなることがわかる。したがってＦ１−Ｆ２の値の絶対値が熱処理を加えることによって、低減することが出来るために、そり量が小さくなる。

以上のように本発明の積層板の製造方法は、電子部品が埋設された積層板をそりが発生することなく製造し得るものであり、パソコン、移動体通信機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の各種電子機器に用いられる積層基板の製造方法として有用である。

本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法を示す断面図 本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の熱処理工程を示す断面図 本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の加熱圧着後の積層基板の断面図 本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法のそり低減のメカニズムを示した図 本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の第２の基板７を単体で熱処理工程を施した回数とそのときの硬化収縮量を表したグラフ 従来の積層基板の組み立てを示す断面図

符号の説明

１ 第１の基板
２ 集積回路
３ 抵抗
４ 半田
５ シート（孔あり）
６ シート（孔なし）
７ 第２の基板
８ インナービア
９ 金属パターン
１０ 孔
１１ 金属板
１２ 不活性ガス

Claims (14)

1. 硬化後の熱硬化性樹脂で構成され、上面に設けられたランドと電子部品の電極とが接続固定材により接続固定された第１の基板と、この第１の基板の上面に配置され、熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなるシートと、このシートの上面に配置され、硬化後の熱硬化性樹脂で構成された第２の基板とを加熱圧着して一体化することを特徴とする積層基板の製造方法。
2. 第２の基板は加熱圧着工程前に単独で加熱する熱処理工程を有する請求項１に記載の積層基板の製造方法。
3. 第２の基板は少なくとも１層以上の配線層を有する基板である請求項２に記載の積層基板の製造方法。
4. 第２の基板の配線層を回路形成した後に熱処理を行う請求項３に記載の積層基板の製造方法。
5. 第２の基板の熱処理工程の加熱温度が、第２の基板の硬化処理時の加熱温度以上の温度である請求項２に記載の積層基板の製造方法。
6. 第２の基板の熱処理工程の加熱温度が、第２の基板を構成する熱硬化性樹脂のガラス転移温度以上の温度である請求項２に記載の積層基板の製造方法。
7. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、第２の基板の平面状態を保持した状態で施される請求項２に記載の積層基板の製造方法。
8. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、複数枚の第２の基板同士を重ね合わせて処理する請求項２に記載の積層基板の製造方法。
9. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、第２の基板を金属板で挟持した状態で施される請求項２に記載の積層基板の製造方法。
10. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、第２の基板をステンレス板で挟持した状態で施される請求項２に記載の積層基板の製造方法。
11. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、酸素を含まない気体中で施される請求項２に記載の積層基板の製造方法。
12. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、不活性ガス中で施される請求項１１に記載の積層基板の製造方法。
13. 第２の基板の熱処理工程の加熱処理が、窒素ガス中で施される請求項１１に記載の積層基板の製造方法。
14. 加熱圧着工程で用いる第１の基板に対して、加熱圧着工程と同等の加熱処理を単体で行った時の硬化収縮量をΔＬ１とし、加熱圧着工程で用いる第２の基板に対して、加熱圧着工程と同等の加熱処理を単体で行った時の硬化収縮量をΔＬ２とした場合に、ΔＬ２＜ΔＬ１の関係を満足する請求項２に記載の積層基板の製造方法。

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