JP3033221B2 - 電子回路装置 - Google Patents
電子回路装置Info
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- JP3033221B2 JP3033221B2 JP3062869A JP6286991A JP3033221B2 JP 3033221 B2 JP3033221 B2 JP 3033221B2 JP 3062869 A JP3062869 A JP 3062869A JP 6286991 A JP6286991 A JP 6286991A JP 3033221 B2 JP3033221 B2 JP 3033221B2
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- electronic circuit
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、LSIなどを実装した
多層基板を封止した電子回路装置に関する。
多層基板を封止した電子回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電子回路装置を封止する目的は、 1)多層配線基板上のLSI、配線等を外部雰囲気と遮
断し、腐食、異物混入等を防ぐこと、 2)気密封止を行ない、内部を熱伝導性の良い不活性ガ
スで置換し、LSIからの発熱を外部へ伝達し、チップ
の冷却を図ることにある。
断し、腐食、異物混入等を防ぐこと、 2)気密封止を行ない、内部を熱伝導性の良い不活性ガ
スで置換し、LSIからの発熱を外部へ伝達し、チップ
の冷却を図ることにある。
【0003】また、封止寿命としては、その電子回路装
置を使用した製品寿命以上が必要である。図2にLSI
を搭載した従来の封止構造の電子回路装置断面図を示
す。
置を使用した製品寿命以上が必要である。図2にLSI
を搭載した従来の封止構造の電子回路装置断面図を示
す。
【0004】1は、セラミックス基板で、W,Moなど
の導体で配線層が形成されている多層基板である。4は
LSIチップでワイヤボンド、テープキャリア、CCB
などの方法でセラミックス基板1の配線と接続されてい
る。3はセラミックス基板1にはんだ、ろう接続された
入出力ピンである。5は封止用の金属性キャップで、通
常42Alloy(Fe−Ni42%合金),コバール
などの材料が用いられている。このキャップ5はセラミ
ックス基板1の表面の周囲に施されたメタライズ2の上
に、AuSn、銀ろうなどによりろう付けされている。
また、同様な封止構造としては、NIKKEI ELECTRONICS 1
984.3.26 第178頁から184頁において論じられて
いる。
の導体で配線層が形成されている多層基板である。4は
LSIチップでワイヤボンド、テープキャリア、CCB
などの方法でセラミックス基板1の配線と接続されてい
る。3はセラミックス基板1にはんだ、ろう接続された
入出力ピンである。5は封止用の金属性キャップで、通
常42Alloy(Fe−Ni42%合金),コバール
などの材料が用いられている。このキャップ5はセラミ
ックス基板1の表面の周囲に施されたメタライズ2の上
に、AuSn、銀ろうなどによりろう付けされている。
また、同様な封止構造としては、NIKKEI ELECTRONICS 1
984.3.26 第178頁から184頁において論じられて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には以下
のような問題点がある。封止部の接続寿命は、 (1)LSIの消費電力、セラミックス基板上へのLS
I搭載数で決まる発熱量と、セラミックス基板、キャッ
プ材、ろう材の各熱膨張係数αとセラミックス基板の大
きさ等から決まる。すなわち、LSIの発熱によりセラ
ミックス基板の温度がT1からT2に上昇すると、セラミ
ックス基板の熱膨張によりもとの長さlに比べて図3に
示すようにΔl(Δl=Δα・ΔT・l)だけ膨張す
る。その結果、金属性キャップ5の42Alloyより
軟らかい材質のろう材6及びキャップ5の主にコーナ部
7に大きな応力、ひずみを発生させる。そして、LSI
のON/OFF動作により、この発生する応力、ひずみ
は繰り返され、熱疲労寿命によりやがては、封止部に亀
裂が入り、その機能は失われる。すなわち、図2におけ
るセラミックス基板が大きくなるほど、封止部への発生
応力、ひずみも大きくなり封止部の長寿命保証が出来な
くなるのである。
のような問題点がある。封止部の接続寿命は、 (1)LSIの消費電力、セラミックス基板上へのLS
I搭載数で決まる発熱量と、セラミックス基板、キャッ
プ材、ろう材の各熱膨張係数αとセラミックス基板の大
きさ等から決まる。すなわち、LSIの発熱によりセラ
ミックス基板の温度がT1からT2に上昇すると、セラミ
ックス基板の熱膨張によりもとの長さlに比べて図3に
示すようにΔl(Δl=Δα・ΔT・l)だけ膨張す
る。その結果、金属性キャップ5の42Alloyより
軟らかい材質のろう材6及びキャップ5の主にコーナ部
7に大きな応力、ひずみを発生させる。そして、LSI
のON/OFF動作により、この発生する応力、ひずみ
は繰り返され、熱疲労寿命によりやがては、封止部に亀
裂が入り、その機能は失われる。すなわち、図2におけ
るセラミックス基板が大きくなるほど、封止部への発生
応力、ひずみも大きくなり封止部の長寿命保証が出来な
くなるのである。
【0006】(2)キャップとセラミックス基板をはん
だ材で接続する際にフラックス(表面活性材)等を使用
するため、はんだ接続部断面形状が平型の場合にはフラ
ックスがはんだ外に逃げずらく、且つ一旦取り込まれる
と図4に示すようにはんだ内にボイド8が発生し易くな
り、このボイドが封止部の熱疲労寿命を低減させる。
だ材で接続する際にフラックス(表面活性材)等を使用
するため、はんだ接続部断面形状が平型の場合にはフラ
ックスがはんだ外に逃げずらく、且つ一旦取り込まれる
と図4に示すようにはんだ内にボイド8が発生し易くな
り、このボイドが封止部の熱疲労寿命を低減させる。
【0007】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点をなくし、多層基板を封止した電子回路装置の封止寿
命を十分に得られる装置を提供することにある。
点をなくし、多層基板を封止した電子回路装置の封止寿
命を十分に得られる装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、封止体を天板と側板に分けた。
に、封止体を天板と側板に分けた。
【0009】また、封止体のはんだ接続部における端部
断面形状を凸型または円型とした。
断面形状を凸型または円型とした。
【0010】また、側板のはんだ接続部にメタライズを
施し、天板と側板、側板と多層配線基板間におけるはん
だ接続部において、天板、側板及び多層配線基板のいず
れかの四角より多層配線基板の辺長に対して約15%以
上のところに支柱を設け、一定のはんだ接続高さにし
た。
施し、天板と側板、側板と多層配線基板間におけるはん
だ接続部において、天板、側板及び多層配線基板のいず
れかの四角より多層配線基板の辺長に対して約15%以
上のところに支柱を設け、一定のはんだ接続高さにし
た。
【0011】
【作用】封止体を天板側と側板側に分けることにより、
封止体に複数のはんだ接続部を設けることが出来るの
で、セラミックス基板の熱膨張により発生した応力、ひ
ずみの集中を複数のはんだ接続部でそれぞれ分散させる
ことが出来る。
封止体に複数のはんだ接続部を設けることが出来るの
で、セラミックス基板の熱膨張により発生した応力、ひ
ずみの集中を複数のはんだ接続部でそれぞれ分散させる
ことが出来る。
【0012】封止体のはんだ接続部における端部断面形
状を凸型または円型にすることにより、はんだ接続部に
発生するひずみを平型の場合より小さくすることが出来
る。更にまた、はんだ接続時において、はんだ接続部の
内部に発生したボイドを外部に排出することが出来る。
状を凸型または円型にすることにより、はんだ接続部に
発生するひずみを平型の場合より小さくすることが出来
る。更にまた、はんだ接続時において、はんだ接続部の
内部に発生したボイドを外部に排出することが出来る。
【0013】はんだ接続部に通常以上の高さを設けるこ
とにより、側板の支点位置をはんだ接続部の内部に移動
させることが出来、はんだ接続部での局部的な応力、ひ
ずみの発生を防ぐことが出来る。
とにより、側板の支点位置をはんだ接続部の内部に移動
させることが出来、はんだ接続部での局部的な応力、ひ
ずみの発生を防ぐことが出来る。
【0014】また、はんだ接続部の高さを得るための支
柱を最大ひずみが発生する四角から避けることによっ
て、はんだ接続部の接続寿命を大幅に伸ばすことが出来
る。
柱を最大ひずみが発生する四角から避けることによっ
て、はんだ接続部の接続寿命を大幅に伸ばすことが出来
る。
【0015】
【実施例】図1は本発明の一実施例に係る電子回路装置
の断面図である。図1において、1はセラミックス基
板、3は入出力ピン、4はLSI、9は封止用天板、1
0は封止用側板、6は天板9と側板10及び側板10と
セラミックス基板1を接続するためのはんだろう材、2
ははんだろう材接続を行なうためのメタライズ、12は
はんだ接続高さを維持するための柱である。なお、柱1
2の接続位置は、セラミックス基板1の四角を除いたと
ころであればどこでも良い。また、図13から図21ま
では、はんだ接続高さを維持するための支柱を除いた場
合の封止用天板9、側板10、セラミックス基板1、は
んだ6、メタライズ2の各部分より構成した封止部の一
断面形状を表した実施例である。図13は、側板10に
おけるはんだ接続部断面形状が上部が凸、下部が円型、
図14は、側板10におけるはんだ接続部断面形状が上
部が円型、下部が凸、図15は、側板10におけるはん
だ接続部断面形状が上部が円型、下部が円型、図16
は、側板10におけるはんだ接続部断面形状が上部が
凸、下部が平型、図17は、側板10におけるはんだ接
続部断面形状が上部が円型、下部が平型、図18は、側
板10におけるはんだ接続部断面形状が上部が平型、下
部が凸、図19は、側板10におけるはんだ接続部断面
形状が上部が平型、下部が円型、図20は、側板10に
おけるはんだ接続部断面形状が上部が円型、下部が円型
であり、また、図20は円型断面のうちはんだ接続部と
なる一部分にメタライズ2を施した場合、図21は、円
型断面の側面全体にメタライズ2を施し、はんだ6で側
板10全体を覆ったような接続例である。
の断面図である。図1において、1はセラミックス基
板、3は入出力ピン、4はLSI、9は封止用天板、1
0は封止用側板、6は天板9と側板10及び側板10と
セラミックス基板1を接続するためのはんだろう材、2
ははんだろう材接続を行なうためのメタライズ、12は
はんだ接続高さを維持するための柱である。なお、柱1
2の接続位置は、セラミックス基板1の四角を除いたと
ころであればどこでも良い。また、図13から図21ま
では、はんだ接続高さを維持するための支柱を除いた場
合の封止用天板9、側板10、セラミックス基板1、は
んだ6、メタライズ2の各部分より構成した封止部の一
断面形状を表した実施例である。図13は、側板10に
おけるはんだ接続部断面形状が上部が凸、下部が円型、
図14は、側板10におけるはんだ接続部断面形状が上
部が円型、下部が凸、図15は、側板10におけるはん
だ接続部断面形状が上部が円型、下部が円型、図16
は、側板10におけるはんだ接続部断面形状が上部が
凸、下部が平型、図17は、側板10におけるはんだ接
続部断面形状が上部が円型、下部が平型、図18は、側
板10におけるはんだ接続部断面形状が上部が平型、下
部が凸、図19は、側板10におけるはんだ接続部断面
形状が上部が平型、下部が円型、図20は、側板10に
おけるはんだ接続部断面形状が上部が円型、下部が円型
であり、また、図20は円型断面のうちはんだ接続部と
なる一部分にメタライズ2を施した場合、図21は、円
型断面の側面全体にメタライズ2を施し、はんだ6で側
板10全体を覆ったような接続例である。
【0016】以上述べた装置の動作説明について説明す
る。まず、LSI4の動作による発熱がセラミックス基
板1に伝達され、セラミックス基板1に熱膨張が発生す
る。この際に発生した応力、ひずみは、はんだ6、側板
10、天板9へ加わるが、はんだ接続部をセラミックス
基板1−側板10、側板10−天板9の2ヵ所に分割し
てあるので、各はんだ接続部に発生する応力、ひずみを
各はんだ接続部に分散させることが出来る。また、セラ
ミックス基板1−側板10、側板10−天板9間を接続
するはんだ6で、一定の接続高さを設けることによって
各々のはんだ6の内部で発生する応力、ひずみを低減す
ることが出来る。つまり、側板10とセラミックス基板
1及び天板9と側板10におけるはんだ接続高さ(隙
間)がないと、図6に示すようにセラミックス基板1の
熱膨張に対し、側板10の底部11が支点となるため、
はんだ6に対して局部的に大きな応力、ひずみを発生さ
せる。そこで、図5に示すように側板10のはんだ接続
部にメタライズ2を施し、接続用はんだ6で一定の接続
高さhを維持することによって、セラミックス基板1の
熱膨張に対する、側板10の支点位置をはんだ内部まで
移動させ局部的な応力、ひずみの発生を防ぐことが出来
る。なお、天板9と側板10のはんだ接続部に対しても
接続高さhを設けることにより同様の作用が働く。ま
た、通常の状態では、はんだ接続高さは天板9、側板1
0の自重により、数μm程度になるので、スペーサー、
支柱12等の支持体をはんだ接続内部に設けることによ
って、一定の接続高さhを取る必要がある。hを求める
には、はんだ内のせん断ひずみをγ、セラミックス基板
1の変位をΔlとすると近似的にγ=Δl/hの関係式
が成立ち、γとはんだ破断寿命の関係は実験結果より図
7の様に示され、γ=1%付近に破断寿命の変曲点が存
在することが分かっている。よって、Δl/h=γ≦1
%を満足するようなhを求めれば良い。また、セラミッ
クス基板1のコーナから支持体の取付け位置までの距離
をmとし、mとセラミックス基板1の辺長に対する比率
をPとした場合、Pとはんだ破断寿命の関係は、実験的
に図8の様に示され、P=15%付近にはんだ破断寿命
の変曲点があり、支持体取付け位置mは、セラミックス
基板1の辺長をlとするとm≧0.15・lの関係にな
ければならない。
る。まず、LSI4の動作による発熱がセラミックス基
板1に伝達され、セラミックス基板1に熱膨張が発生す
る。この際に発生した応力、ひずみは、はんだ6、側板
10、天板9へ加わるが、はんだ接続部をセラミックス
基板1−側板10、側板10−天板9の2ヵ所に分割し
てあるので、各はんだ接続部に発生する応力、ひずみを
各はんだ接続部に分散させることが出来る。また、セラ
ミックス基板1−側板10、側板10−天板9間を接続
するはんだ6で、一定の接続高さを設けることによって
各々のはんだ6の内部で発生する応力、ひずみを低減す
ることが出来る。つまり、側板10とセラミックス基板
1及び天板9と側板10におけるはんだ接続高さ(隙
間)がないと、図6に示すようにセラミックス基板1の
熱膨張に対し、側板10の底部11が支点となるため、
はんだ6に対して局部的に大きな応力、ひずみを発生さ
せる。そこで、図5に示すように側板10のはんだ接続
部にメタライズ2を施し、接続用はんだ6で一定の接続
高さhを維持することによって、セラミックス基板1の
熱膨張に対する、側板10の支点位置をはんだ内部まで
移動させ局部的な応力、ひずみの発生を防ぐことが出来
る。なお、天板9と側板10のはんだ接続部に対しても
接続高さhを設けることにより同様の作用が働く。ま
た、通常の状態では、はんだ接続高さは天板9、側板1
0の自重により、数μm程度になるので、スペーサー、
支柱12等の支持体をはんだ接続内部に設けることによ
って、一定の接続高さhを取る必要がある。hを求める
には、はんだ内のせん断ひずみをγ、セラミックス基板
1の変位をΔlとすると近似的にγ=Δl/hの関係式
が成立ち、γとはんだ破断寿命の関係は実験結果より図
7の様に示され、γ=1%付近に破断寿命の変曲点が存
在することが分かっている。よって、Δl/h=γ≦1
%を満足するようなhを求めれば良い。また、セラミッ
クス基板1のコーナから支持体の取付け位置までの距離
をmとし、mとセラミックス基板1の辺長に対する比率
をPとした場合、Pとはんだ破断寿命の関係は、実験的
に図8の様に示され、P=15%付近にはんだ破断寿命
の変曲点があり、支持体取付け位置mは、セラミックス
基板1の辺長をlとするとm≧0.15・lの関係にな
ければならない。
【0017】また、側板10のはんだ接続部の上下もし
くは一方の断面形状を凸または円型にすることによっ
て、はんだ内でのボイド発生量及び発生ひずみ量を低減
させることが出来る。これは、図10に示すように、側
板10のはんだ接続部断面形状を凸−平型とし、3次元
熱弾塑性解析を行ない、両接続部はんだ内で発生するひ
ずみをシミュレーションした結果、凸形状の方が平型に
比べ発生する相当ひずみが小さくなるからである。シミ
ュレーションに使用した温度データを図11に示すが、
温度範囲を−25〜150℃として解析した。また図1
1は150℃における両接続箇所のはんだ断面において
発生する相当ひずみについて解析した分布図である。は
んだの熱疲労寿命を検討するパラメータの1つに最大相
当ひずみ値が有り、図12(a)の凸形状では最大相当
ひずみが3.6%、(b)の平型形状では最大相当ひず
みが4.6%となり、接続形状がはんだ内発生ひずみに
与える効果として約22%((4.6−3.6)/4.
6)の低減がなされることが分かった。なお、シミュレ
ーションに使用した各構成材料は、図10において天板
9と多層基板1をセラミックス、側板10を42All
oy、はんだ6をSn−37Pbとして計算した。
くは一方の断面形状を凸または円型にすることによっ
て、はんだ内でのボイド発生量及び発生ひずみ量を低減
させることが出来る。これは、図10に示すように、側
板10のはんだ接続部断面形状を凸−平型とし、3次元
熱弾塑性解析を行ない、両接続部はんだ内で発生するひ
ずみをシミュレーションした結果、凸形状の方が平型に
比べ発生する相当ひずみが小さくなるからである。シミ
ュレーションに使用した温度データを図11に示すが、
温度範囲を−25〜150℃として解析した。また図1
1は150℃における両接続箇所のはんだ断面において
発生する相当ひずみについて解析した分布図である。は
んだの熱疲労寿命を検討するパラメータの1つに最大相
当ひずみ値が有り、図12(a)の凸形状では最大相当
ひずみが3.6%、(b)の平型形状では最大相当ひず
みが4.6%となり、接続形状がはんだ内発生ひずみに
与える効果として約22%((4.6−3.6)/4.
6)の低減がなされることが分かった。なお、シミュレ
ーションに使用した各構成材料は、図10において天板
9と多層基板1をセラミックス、側板10を42All
oy、はんだ6をSn−37Pbとして計算した。
【0018】また、接続用はんだ内部に発生するボイド
の低減方法としては、図9(a),(b)に示す様に側
板10のはんだ接続部の断面形状を凸12((a)図)
または円型((b)図)にすることによって、はんだ接
続時に発生したボイド8を外部に排出することが出来る
ものである。
の低減方法としては、図9(a),(b)に示す様に側
板10のはんだ接続部の断面形状を凸12((a)図)
または円型((b)図)にすることによって、はんだ接
続時に発生したボイド8を外部に排出することが出来る
ものである。
【0019】以上述べたように、本実施例によれば、キ
ャップ構造の変更、はんだの上下2段接続、はんだ接続
高さの制御を行なうことによって、セラミックス基板の
熱膨張により発生した応力、ひずみを分散させ、また、
はんだ内ボイド発生量を低減でき、熱疲労による封止寿
命を大幅に伸ばすことが出来る。
ャップ構造の変更、はんだの上下2段接続、はんだ接続
高さの制御を行なうことによって、セラミックス基板の
熱膨張により発生した応力、ひずみを分散させ、また、
はんだ内ボイド発生量を低減でき、熱疲労による封止寿
命を大幅に伸ばすことが出来る。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、セラミックス基板の熱
膨張によるはんだ部、封止キャップへの発生応力、ひず
みを分散、減少させることが出来、また、はんだ内ボイ
ド発生量を低減させることにより、はんだ接続部におけ
る封止信頼性を向上させ、封止寿命を大幅に伸ばすこと
が出来る。
膨張によるはんだ部、封止キャップへの発生応力、ひず
みを分散、減少させることが出来、また、はんだ内ボイ
ド発生量を低減させることにより、はんだ接続部におけ
る封止信頼性を向上させ、封止寿命を大幅に伸ばすこと
が出来る。
【図1】本発明を適用した電子回路装置の断面図であ
る。
る。
【図2】従来の電子回路装置の断面図である。
【図3】LSIチップの発熱によりセラミックス基板が
Δlだけ膨張した状態を示す断面図である。
Δlだけ膨張した状態を示す断面図である。
【図4】はんだ接続部に発生したボイドを示す図であ
る。
る。
【図5】はんだ接続高さを設けた電子回路装置の断面図
である。
である。
【図6】封止体に応力、ひずみが発生した場合の変形図
である。
である。
【図7】せん断ひずみとはんだ破断寿命の関係図であ
る。
る。
【図8】支持体取付け位置とはんだ破断寿命の関係図で
ある。
ある。
【図9】ボイドの排出状態を示す図である。
【図10】シミュレーションに使用した電子回路装置の
一部分の断面図である。
一部分の断面図である。
【図11】シミュレーションに使用した温度データ図で
ある。
ある。
【図12】相当ひずみ分布図である。
【図13】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図14】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図15】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図16】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図17】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図18】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図19】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図20】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
【図21】本発明の一実施例に係る封止構造からなる電
子回路装置の断面図である。
子回路装置の断面図である。
1…セラミックス基板、2…メタライズ、4…LSI、
6…はんだ、ろう材、9…天板、10…側板、12…支
柱。
6…はんだ、ろう材、9…天板、10…側板、12…支
柱。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 秀昭 神奈川県秦野市堀山下1番地株式会社 日立製作所 神奈川工場内 (72)発明者 白井 貢 神奈川県秦野市堀山下1番地株式会社 日立製作所 神奈川工場内 (72)発明者 浜村 健一 神奈川県秦野市堀山下1番地株式会社 日立製作所 神奈川工場内 (56)参考文献 特開 昭62−281452(JP,A) 特開 平1−191453(JP,A) 特公 昭48−41754(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/02,23/04
Claims (2)
- 【請求項1】基板と、該基板に搭載する電子回路部品
と、該電子回路部品を上記基板に封止するための封止体
とを有する電子回路装置であり、この封止体が、第1の
はんだ接続部を介して上記基板に接続される枠状の第1
の封止体と、第2のはんだ接続部を介して上記第1の封
止体に蓋をするように該第1の封止体に接続される第2
の封止体とからなる電子回路装置において、上記第1の
封止体の基板側及び第2の封止体側の一方又は両方のは
んだ接続部における端部断面形状を凸型または円型とし
て、第1の封止体を夫々第1のはんだ接続部及び第2の
はんだ接続部を介して上記基板及び第2の封止体とはん
だ接続したことを特徴とする電子回路装置。 - 【請求項2】上記はんだ接続部の高さhは、せん断ひず
みをγ、上記基板の変位をΔlとすると、Δl/h=γ
≦1%を満たし、この高さhを維持するための支持手段
を設けると共に、該支持手段を上記基板上、第1、第2
の封止体のいずれかの四隅より上記基板の辺長に対して
15%以上のところに有することを特徴とする請求項1
記載の電子回路装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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