JP2009135392A - ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール - Google Patents

ヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュール Download PDF

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Abstract

【課題】反りの発生や熱サイクル負荷時の回路層と絶縁基板の界面及び金属層と絶縁基板の界面での剥離を防止することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供する。
【解決手段】絶縁基板12の一方の面に回路層13が形成されるとともに他方の面に金属層14が形成されたパワーモジュール基板11と、金属層14側に接合され、パワーモジュール基板11を冷却するヒートシンク17とを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板10であって、金属層14とヒートシンク17との間には、ヒートシンク17及び金属層14と接合する前の状態において純度99%以上のアルミニウムからなる緩衝層15が形成されており、緩衝層15の厚さtが、0.5mm≦t≦7mmとされていることを特徴とする。
【選択図】図1

Description

この発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールに関するものである。
この種のヒートシンク付パワーモジュール用基板として、例えば特許文献1及び特許文献2に示されるように、絶縁基板の一方の面にアルミニウムからなる回路層が形成されるとともに絶縁基板の他方の面にアルミニウムからなる金属層が形成され、この金属層の表面にヒートシンクが接合されたものが広く提案されている。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板は、前記回路層に半導体チップ等の電子部品がはんだ接合されることでヒートシンク付パワーモジュールとして使用される。
特許第3171234号公報 特開平10−065075号公報
ところで、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板において、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層及びヒートシンクの天板部の合計厚さが薄い場合、曲げ剛性が低くなって反りが生じることがあった。また、金属層が薄い場合には、ヒートシンク付パワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷された際に、絶縁基板とヒートシンクとの熱膨張係数の関係から金属層と絶縁基板との界面に大きなせん断力が生じ、金属層と絶縁基板との界面で剥離が生じるおそれがあった。
一方、金属層を厚くした場合には、パワーモジュール用基板において絶縁基板の一方の面に位置する回路層と他方の面に位置する金属層の厚さの釣り合いがとれなくなる。この状態のパワーモジュール用基板に熱サイクルが負荷されると、絶縁基板と回路層及び金属層の熱膨張係数の関係から回路層と絶縁基板の界面及び金属層と絶縁基板の界面にせん断力が生じることになるが、金属層が回路層よりも厚いので前記せん断力が回路層と絶縁基板の界面により強く作用することになり、回路層と絶縁基板との界面で剥離が生じるおそれがあった。
特に、最近では、パワーモジュールの小型化・薄肉化が進められるとともに、その使用環境も厳しくなってきており、前述のせん断力が必要以上に大きくなる傾向にあり、さらに電子部品の発熱量も上昇する傾向にある。このため、従来よりも過酷な使用環境においても高い信頼性を有するヒートシンク付パワーモジュール用基板が求められていた。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、反りの発生や熱サイクル負荷時の回路層と絶縁基板の界面及び金属層と絶縁基板の界面での剥離を防止することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することを目的とする。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のヒートシンク付パワーモジュール用基板は、絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、前記ヒートシンク及び前記金属層と接合する前の状態において純度99%以上のアルミニウムからなる緩衝層が形成されており、該緩衝層の厚さtが、0.5mm≦t≦7mmとされていることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュール用基板においては、厚さtが0.5mm≦t≦7mmとされた緩衝層が、金属層とヒートシンクとの間に設けられているので、絶縁基板の他方の面側に位置する金属層、緩衝層及びヒートシンクの天板部の合計厚さを確保して反りを抑制することができる。
また、この緩衝層が、接合する前の状態において純度99%以上のアルミニウムで構成されているので、緩衝層の変形抵抗が小さく、この緩衝層によって歪みを吸収することができる。
さらに、金属層の厚さを回路層と釣り合いがとれるように構成できるとともに、金属層と接合される緩衝層の変形抵抗が小さく金属層が強く拘束されなくなるので、熱サイクル負荷時に絶縁基板と回路層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができ、回路層と絶縁基板の界面での剥離の発生を防止することができる。
ここで、この緩衝層が、前記ヒートシンク及び前記金属層と接合する前の状態において純度99.99%以上のアルミニウムからなるように構成されているので、緩衝層の変形抵抗がさらに小さく、この緩衝層によって歪みを効率的に吸収することにより熱サイクル負荷時に絶縁基板と金属層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができ、金属層と絶縁基板の界面での剥離の発生を効果的に防止することができる。
さらに、前記緩衝層に、ビッカース硬度40以下の軟化層を設け、該軟化層の厚さが0.1mm以上となるように構成することが好ましい。
この場合、緩衝層にビッカース硬度40以下の軟化層が設けられているので、この軟化層によって歪みを確実に吸収することにより熱サイクル負荷時に絶縁基板と金属層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができる。また、熱サイクル負荷時において、金属層が拘束されることがなくなり、絶縁基板と回路層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができ、回路層と絶縁基板の界面での剥離の発生を確実に防止することができる。
また、前記金属層と前記緩衝層とをろう材によって接合することが好ましい。
この場合、回路層及び金属層となる金属板を絶縁基板にろう付けする際もしくはヒートシンクとパワーモジュール用基板とをろう付けする際に、緩衝層を接合することが可能となり、このヒートシンク付パワーモジュール用基板を簡単に、かつ、低コストで製造することができる。さらに、金属層と緩衝層との間に接合界面が形成されることで、金属層と緩衝層とが明確に分離され、パワーモジュール用基板における回路層と金属層との厚さの釣り合いをとることが可能となり、熱サイクル負荷時に絶縁基板と回路層の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができる。
さらに、前記回路層の厚さAと前記金属層の厚さBとの比A/Bを、0.4≦A/B≦1の範囲内となるように設定することが好ましい。
この場合、回路層の厚さと金属層の厚さとが比較的釣り合うことにより、熱サイクル負荷時のせん断力の発生を確実に抑制することができる。
本発明のヒートシンク付パワーモジュールは、前述のヒートシンク付パワーモジュール用基板と、該ヒートシンク付パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴としている。
この構成のヒートシンク付パワーモジュールによれば、反り変形がなく、かつ、熱サイクル負荷時においても金属層と絶縁基板の界面及び回路層と絶縁基板の界面での剥離がないので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
本発明によれば、反りの発生や熱サイクル負荷時の回路層と絶縁基板の界面及び金属層と絶縁基板の界面での剥離を防止することができるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを提供することが可能となる。
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1から図3に本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板及びヒートシンク付パワーモジュールを示す。
このヒートシンク付パワーモジュール1は、回路層13が配設されたパワーモジュール用基板11と、回路層13の表面にはんだ層3を介して接合された半導体チップ2と、ヒートシンク17とを備えている。ここで、はんだ層3は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材とされている。なお、本実施形態では、回路層13とはんだ層3との間にNiメッキ層(図示なし)が設けられている。
パワーモジュール用基板11は、絶縁基板12と、この絶縁基板12の一方の面(図1において上面)に配設された回路層13と、絶縁基板12の他方の面(図1において下面)に配設された金属層14とを備えている。
絶縁基板12は、回路層13と金属層14との間の電気的接続を防止するものであって、例えばAlN(窒化アルミ)、Si(窒化珪素)等の絶縁性の高いセラミックスで構成され、本実施形態では、AlN(窒化アルミ)で構成されている。また、絶縁基板12の厚さCは、0.2mm≦C≦1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、C=0.635mmに設定されている。
回路層13は、絶縁基板12の一方の面に導電性を有する金属板23がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、回路層13は、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)からなる金属板23が絶縁基板12にろう付けされることにより形成されている。ここで、本実施形態においてはAl−Si系(Al−7.5%Si)のろう材箔26を用いてろう付けしており、ろう材のSiが金属板23に拡散することで回路層13にはSiの濃度分布が生じている。
また、回路層13の厚さAは、0.3mm≦A≦0.8mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、A=0.6mmに設定されている。
金属層14は、絶縁基板12の他方の面に金属板24がろう付けされることにより形成されている。本実施形態においては、金属層24は、回路層13と同様に、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)からなる金属板24が絶縁基板12にろう付けされることで形成されている。本実施形態においてはAl−Si系(Al−7.5%Si)のろう材箔27を用いてろう付けしており、ろう材のSiが金属板24に拡散することで金属層14にはSiの濃度分布が生じている。
また、金属層14の厚さBは、0.3mm≦B≦1.6mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、B=0.6mmに設定されている。
ここで、回路層13の厚さAと金属層14の厚さBとの比A/Bは、0.4≦A/B≦1の範囲内に設定されており、本実施形態では、前述のようにA/B=1に設定されている。つまり、本実施形態では、絶縁基板12の一方の面に配設された回路層13と、絶縁基板12の他方の面に配設された金属層14とが同じ厚さで構成され、さらに、回路層13と金属層14とがろう付け前の状態において同じ材質(4Nアルミニウム)で形成されているのである。
ヒートシンク17は、前述のパワーモジュール用基板11を冷却するためのものであり、パワーモジュール用基板11と接合される天板部18と、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路19とを備えている。ヒートシンク17のうち少なくとも天板部18は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063で構成されている。また、天板部18の厚さDは、0.5mm≦D≦10mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、D=4.0mmに設定されている。
そして、パワーモジュール用基板11の金属層14とヒートシンク17の天板部18との間には、緩衝層15が設けられている。この緩衝層15は、回路層13及び金属層14となる金属板23、24と同じく、純度が99.99%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)からなる金属厚板25で構成されており、その厚さtが、0.5mm≦t≦7mm、より好ましくは、0.6mm≦t≦5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、t=0.9mmとされている。また、本実施形態では、緩衝層15は金属層14よりも幅広となるように構成されている。
この緩衝層15は、金属層14及び天板部18にそれぞれろう付けにて接合されている。本実施形態においてはAl−Si系のろう材箔28、29を用いてろう付けされており、ろう材のSiが拡散することで、緩衝層15には、Siの濃度分布が生じている。つまり、緩衝層15のうち金属層14との界面近傍及び天板部18との界面近傍はSi濃度が高くなっており、純度が99.99%よりも低くなっているのである。Si濃度が高くなると、その硬度も上昇することになり、緩衝層15においては、図2に示すように、金属層14との界面近傍及び天板部18との界面近傍にそれぞれ硬化層15a,15cが形成され、硬化層15a、15cの間に軟化層15bが形成されているのである。なお、本実施形態では、図2に示すように、硬化層15a,15cのビッカース硬度が50以上とされ、軟化層15bのビッカース硬度が40以下とされている。また、軟化層15bの厚さは、0.4mmとされている。
このようなヒートシンク付パワーモジュール用基板10は、以下のようにして製造される。図3に示すように、AlNからなる絶縁基板12の一方の面に回路層13となる金属板23(4Nアルミニウム)が厚さ0.02mmのろう材箔26を介して積層され、絶縁基板12の他方の面に金属層14となる金属板24(4Nアルミニウム)が厚さ0.02mmのろう材箔27を介して積層される。このようにして形成された積層体をその積層方向に加圧した状態で真空炉内に装入してろう付けを行うことで、パワーモジュール用基板11が製造される。
次に、パワーモジュール用基板11の金属層14の表面に、緩衝層15となる金属厚板25(4Nアルミニウム)が厚さ0.05mmのろう材箔28を介して積層されるとともに、緩衝層15となる金属厚板25とヒートシンク17の天板部18とが厚さ0.05mmのろう材箔29を介して積層される。このように積層した状態で積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行うことで、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板10が製造される。
このような構成とされた本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板10及びヒートシンク付パワーモジュール1においては、パワーモジュール用基板11の金属層14とヒートシンク17の天板部18との間に、厚さtが0.5mm≦t≦7mmに設定され、より具体的には、t=0.9mmとされた緩衝層15が設けられているので、絶縁基板12の他方の面側に位置する金属層14、緩衝層15及びヒートシンク17の天板部18の合計厚さを確保して曲げ剛性の向上を図ることにより、反りを抑制することができる。
また、この緩衝層15がろう付け前の状態において純度99.99%以上のアルミニウムからなる金属厚板25で構成されているので、緩衝層15の変形抵抗が小さくなり、緩衝層15によって歪みを効率的に吸収することが可能となり、熱サイクル負荷時において絶縁基板12と金属層14の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができる。また、金属層14と接合される緩衝層15の変形抵抗が小さく金属層14が強く拘束されなくなるので、絶縁基板12と回路層13との間に生じるせん断力を小さく抑えることができ、回路層13と絶縁基板12の界面での剥離の発生を防止することができる。
特に、本実施形態では、緩衝層15にビッカース硬度40以下の軟化層15bが厚さ0.1mm以上、本実施形態では0.4mm形成されているので、この軟化層15bが歪みを吸収することによって熱サイクル負荷時において絶縁基板12と金属層14の界面に生じるせん断力を小さく抑えることができる。また、金属層14が拘束されることがないので、熱サイクル負荷時において絶縁基板12と回路層13との間に生じるせん断力を小さく抑えることができ、回路層13と絶縁基板12との間での剥離の発生を確実に防止することができる。
さらに、絶縁基板12の一方の面に配設された回路層13の厚さAと絶縁基板12の他方の面に配設された金属層14の厚さBとの比A/Bが、0.4≦A/B≦1の範囲内に設定されており、本実施形態では、回路層13と金属層14とが同じ厚さで構成され、さらに回路層13と金属層14とがろう付け前の状態において同じ材質(4Nアルミニウム)で形成されているので、パワーモジュール用基板11において絶縁基板12の一方の面側と他方の面側とで釣り合いがとれ、熱サイクル負荷時の回路層13と絶縁基板12の界面に作用するせん断力を小さく抑えることが可能となる。
また、金属層14と緩衝層15とがろう材によってろう付けされているので、ヒートシンク17とパワーモジュール用基板11とを接合するろう付け工程において緩衝層15を設けることができ、耐熱サイクル性に優れたいわゆる高信頼性のヒートシンク付パワーモジュール用基板10を簡単に、かつ、低コストで製造することができる。また、金属層14と緩衝層15との間にろう材のSiが濃化することによって硬化層15aが形成されているので、金属層14と緩衝層15とが本実施形態のように同じ材質(4Nアルミニウム)で構成されている場合であっても、金属層14と緩衝層15とが明確に分離され、パワーモジュール用基板11における回路層13と金属層14との釣り合いをとることができる。
また、本実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板10の回路層13に半導体チップ2がはんだ接合されたヒートシンク付パワーモジュール1においては、反り変形がなく、かつ、金属層14と絶縁基板12の界面及び回路層13と絶縁基板12の界面での剥離がないので、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることができる。
さらに、本実施形態では、緩衝層15が金属層14よりも幅広に構成されているので、緩衝層15と金属層14とを接合する際の位置決めを高精度に行う必要がなく、比較的簡単に、かつ、確実に、このヒートシンク付パワーモジュール用基板10を製造することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、絶縁基板をAlN(窒化アルミニウム)で構成したものとして説明したが、絶縁性を有する材料であればよく、Si、Al等であってもよい。
また、図3に示すように、パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際に緩衝層を同時にろう付けするものとして説明したが、これに限定されることはなく、図4に示すように、絶縁基板と回路層となる金属板及び金属層となる金属板とを接合する際に、緩衝層と金属層とをろう付けしてもよい。また、ヒートシンクと緩衝層とを予め接合しておき、緩衝層を金属層とを接合してもよい。
さらに、平板状に形成された天板部18にパワーモジュール用基板11が接合されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば図5に示すように、天板部118に凹部120が形成され、この凹部120内にパワーモジュール用基板111が収容されていてもよい。この場合、天板部118の厚さDは凹部120の底面の厚さとなる。
回路層及び金属層を、純度99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)やアルミニウム合金であってもよい。
また、緩衝層を、純度99.99%以上のアルミニウム(4Nアルミニウム)で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、純度99%以上のアルミニウム(2Nアルミニウム)であってもよい。
さらに、ヒートシンクをA6063(アルミニウム合金)で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、純アルミニウムで構成されていてもよい。さらに、ヒートシンクとして冷却媒体の流路を有するもので説明したが、ヒートシンクの構造に特に限定はなく、例えば空冷方式のヒートシンクであってもよい。
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
比較例1−4及び本発明例1−5においては、厚さ0.635mmのAlNからなる絶縁基板と、厚さ0.6mmの4Nアルミニウムからなる回路層と、厚さ4mmのA6063からなる天板部を備えたヒートシンクと、を共通に有している。
ここで、比較例1、2は、緩衝層を形成せずに金属層を直接ヒートシンクの天板部にろう付けした。比較例1は、金属層の厚さを回路層と同一の0.6mmとした。比較例2は、金属層の厚さを1.6mmとし、緩衝層を設けた場合と同等程度にまで厚くした。また、比較例3は、緩衝層の厚さを0.3mmとし、比較例4は、緩衝層の厚さを9mmとした。
本発明例1−5においては、緩衝層の厚さをそれぞれ0.5mm、0.7mm、1.0mm、5mm、7mmに設定した。
評価としては、熱サイクル(−45℃−125℃)を3000回繰り返した後の回路層と絶縁基板との界面の剥離状況及び金属層と絶縁基板との界面の剥離状況、反りの発生状況、ヒートシンクと絶縁基板との間の熱抵抗を比較した。評価結果を表1に示す。
Figure 2009135392
比較例1では、金属層と絶縁基板の界面に剥離が認められた。これは、金属層によって歪みを十分に吸収することができず、熱サイクル負荷時にヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差により金属層と絶縁基板の界面に大きなせん断力が作用したためと判断される。また、反り変形も認められた。
金属層を1.6mmと厚くした比較例2では、金属層と絶縁基板の界面での剥離は抑えられたものの回路層と絶縁基板の界面での剥離が認められた。これは、回路層と金属層との厚さが大きく異なるため、熱サイクル負荷時に絶縁基板と回路層との界面に大きなせん断力が作用したためと判断される。
また、緩衝層の厚さが0.3mmと薄い比較例3の場合には、金属層と絶縁基板の界面に剥離が認められた。緩衝層によって歪みを十分に吸収することができず、熱サイクル負荷時にヒートシンクと絶縁基板との熱膨張係数の差により金属層と絶縁基板の界面に大きなせん断力が作用したためと判断される。
また、緩衝層の厚さが9mmと厚い比較例4の場合には、熱サイクル後の剥離や反りを抑制することができるもののヒートシンクとパワーモジュール用基板の間の熱抵抗が高くなり、パワーモジュール用基板を効率的に冷却できないことが確認された。
これに対して、本発明例1−5においては、熱サイクル後の界面の剥離や反り変形が抑制されるとともに、熱抵抗も小さく抑えられていることがわかる。
この比較実験の結果、本発明によれば、使用環境が厳しい場合であっても、その信頼性を飛躍的に向上させることが可能なヒートシンク付パワーモジュール用基板を提供することができることが確認された。
本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の金属層、緩衝層及び天板部のビッカース硬度の分布を示すグラフである。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を示す説明図である。 本発明の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板の他の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施形態であるヒートシンク付パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュールの概略説明図である。
符号の説明
1、101 パワーモジュール
2、102 半導体チップ(電子部品)
10、110 ヒートシンク付パワーモジュール用基板
11、111 パワーモジュール用基板
12、112 絶縁基板
13、113 回路層
14、114 金属層
15、115 緩衝層
17、117 ヒートシンク
18、118 天板部
119 凹部

Claims (6)

  1. 絶縁基板の一方の面に回路層が形成されるとともに他方の面に金属層が形成されたパワーモジュール基板と、前記金属層側に接合されて前記パワーモジュール基板を冷却するヒートシンクとを備えたヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記金属層と前記ヒートシンクとの間には、前記ヒートシンク及び前記金属層と接合する前の状態において純度99%以上のアルミニウムからなる緩衝層が形成されており、該緩衝層の厚さtが、0.5mm≦t≦7mmとされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  2. 請求項1に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記緩衝層が、前記ヒートシンク及び前記金属層と接合する前の状態において純度99.99%以上のアルミニウムからなることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  3. 請求項1または請求項2に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記緩衝層には、ビッカース硬度40以下の軟化層が設けられており、該軟化層の厚さが0.1mm以上とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記金属層と前記緩衝層とがろう材によって接合されていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のヒートシンク付パワーモジュール用基板であって、
    前記回路層の厚さAと前記金属層の厚さBとの比A/Bが、0.4≦A/B≦1の範囲内とされていることを特徴とするヒートシンク付パワーモジュール用基板。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のパワーモジュール用基板と、該パワーモジュール用基板の前記回路層上に搭載された電子部品と、を備えることを特徴とするパワーモジュール。
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