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总结16
参考文献17
摘要
本文主要阐述了大功率LED封装结构和散热封装材料技术的发展历程,重点对几种陶瓷封装基板进行了研究,研究了陶瓷基板基板工作时温度、光效和电流的关系,并与铝基覆铜板作为封装基板时进行了比较。
LED已经在照明及平板显示背光市场有着广泛的应用,LED的产业链比较。
另外,还介绍了LED封装研究现状、生产技术、封装工艺、封装结构类型以及封装的作用,还有一些个人的总结。
关键词:
LED;
封装;
散热材料;
芯片
引言
LED封装的主要任务是将外引线连接到LED芯片的电极上,同时保护好LED芯片,并且起到提高光取出效率的作用。
在LED产业链中,LED封装是连接产业与市场的纽带。
LED封装涉及到光、热、电等领域的知识,是一个综合复杂的课题,其中,LED芯片、散热设计、封装材料等一直是影响LED封装质量的主要因素。
1962年,美国通用电气司研制出第一批发光二极管,但它们发光效率很低,直到1991年,美国HP公司和日本东芝公司成功研制出新型LED芯片,大功率白光LED的出现,使得LED光源逐渐代替传统光源,它具有长寿命、体积小、重量轻、全固态等特性,不同光色的固体光源组成的照明系统可通过矩阵、网络等实现照明亮度和光色的细微控制,现已广泛用在电子电器、自动化仪表、交通运输工具中的指示灯、告示牌、警戒灯等以及空间宇航器的合作标志器、空间宇航过程中的照明系统、军事上高速摄像机和照相机中测量系统等。
一.LED封装的研究现状
近几年,在全球节能减排的倡导和各国政府相关政策支持下,LED照明得到快速的发展。
与传统光源相比具有寿命长、体积小、节能、高效、响应速度快、抗震、无污染等优点,被认为是可以进入普通照明领域的“绿色照明光源”,LED大规模应用于普通照明是一个必然的趋势。
作为LED产业链中承上启下的LED封装,在整个产业链中起着关键的作用。
对于封装而言,其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能多的提取芯片发出的光,同时降低封装热阻,提高可靠性。
在封装过程中,封装材料和封装方式占主要影响因素。
随着LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不断发展,对封装的要求也越来越高,一方面LED封装在兼顾发光角度、光色均匀性等方面时必须满足具有足够高的取光效率和光通量;
另一方面,封装必须满足芯片的散热要求。
因此,芯片、荧光粉、基板、热界面材料和等封装材料以及相应的封装方式亟待发展创新,以提高LED的散热能力和出光效率。
在封装过程中,封装材料性能的好坏是决定LED长期可靠性的关键。
高性能封装材料的合理选择和使用,能够有效地提高LED的散热效果,大大延长LED的使用寿命。
封装材料主要包括芯片、荧光粉、基板、热界面材料。
1.芯片结构
随着LED器件性能的不断发展和应用范围的不断拓宽,尤其是单颗大功率LED的开发,芯片结构也在不断地改进。
目前LED芯片的封装结构主要有4种,即:
正装结构、倒装结构、垂直结构和三维垂直结构。
目前普通的LED芯片采用蓝宝石衬底的正装结构,该结构简单,制作工艺比较成熟。
但由于蓝宝石导热性能较差,芯片产生的热量很难传递到热沉上,在功率化LED应用中受到了限制。
倒装芯片封装是目前的发展方向之一,与正装结构相比,热量不必经过芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,进而通过金属底座散发到外界环境中。
垂直结构的蓝光芯片是在正装的基础上产生的,这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热能力较好的硅衬底或金属等衬底上,再将蓝宝石衬底激光剥离。
这种结构的芯片解决了散热瓶颈问题,但工艺复杂,特别是衬底转换这个过程实现难度大,生产合格率也较低。
与垂直结构LED芯片相比,三维垂直结构LED芯片的主要优势在于无需打金线,使得其封装的厚度更薄、散热效果更好,并且更容易引入较大的驱动电流。
2.荧光粉
随着人们对LED光品质的要求越来越高,不同颜色、不同体系的LED用荧光粉逐步被开发出来,高光效、高显色指数、长寿命荧光粉开发及其涂覆技术的研究成为关键。
目前主流的白光实现形式是蓝光LED芯片结合黄色YAG荧光粉,但为了得到更好的照明效果,氮化物/氮氧化物红色荧光粉、硅酸盐橙色和绿色荧光粉也得到了广泛的应用。
多色荧光粉的掺入对提高光源显色指数起到重要作用,拓宽了LED光源的应用领域,可以在一些对色彩还原度要求高的场合替代传统的卤素灯或金卤灯。
同时,人们也在不断开发新型的LED用荧光粉,红色和绿色荧光粉的加入,显著提高光源的显色指数。
公开了一种蓝光激发的连续光谱荧光粉的制备方法,该荧光粉采用氧化锌、氧化镧、碳酸钙等原料,调节激活离子Ce3+、Eu3+的含量,可以得到在蓝光激发下发出470~700nm的连续光谱。
同一基质的荧光粉在封装过程中会体现出更多的优势。
半导体纳米晶荧光粉也是近年研究比较热门的一个方向,因其有望改变目前LED对稀土材料的依赖,突破国外专利壁垒。
同时,半导体纳米晶荧光粉具有尺寸小、波长可调、发光光谱宽、自吸收小等特点,在白光LED应用中具有潜在的市场。
3.散热基板
随着LED技术的发展,功率越来越高,LED芯片的热流密度更大,对封装基板材料热阻和膨胀系数的要求也越来越高。
散热基板发展迅速,品种也比较多,目前主要由金属芯印刷电路板、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。
金属芯印刷电路板(MCPCB)是将原有的印刷电路板(PCB)附贴在另外一种热传导效果更好的金属(铝、铜)上,以此来强化散热效果,而这片金属位于印刷电路板内。
这种技术能有效解决大功率器件在结构紧凑的趋势下所带来的散热问题。
MCPCB热导率可达到1~2.2W/(m·
K)。
由于MCPCB的介电层没有太好的热传导率(0.3W/(m·
K)),使其成为与散热器的散热瓶颈。
金属基散热板具有高的热导率,能为器件提供良好的散热能力。
将高分子绝缘层及铜箔电路与环氧树脂黏接方式直接与铝、铜板接合,然后再将LED配置在绝缘基板上,此绝缘基板的热导率就比较高,达1.12W/(m·
陶瓷材料封装基板稳定性好,可能是最有前景的研究方向。
与金属材料封装基板相比,其省去绝缘层的复杂制作工艺。
多层陶瓷金属封装(MLCMP)技术在热处理方面与传统封装方法相比有大幅度的改善。
新型的AlN陶瓷材料,具有导热系数高、介电常数和介电损耗低的特点,被认为是新一代半导体封装的理想材料。
陶瓷覆铜板(DBC)[12]也是一种导热性能优良的陶瓷基板,所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,其热导率可达24~28W/(m·
对于LED封装应用而言,散热基板除具备基本的高导热和布置电路功能外,还要求具有一定的绝缘、耐热、相匹配的膨胀系数。
透明陶瓷材料技术,不仅具备高散热效率、耐热电、膨胀系数匹配等性能外,同时还有望在封装器件的光学性能上有所突破,实现全空间发光LED封装。
4.热界面材料
目前对于散热的研究人们更多的注重芯片、基板、散热器的材料和结构,却往往忽略了热界面材料的影响。
热界面材料是用于两种材料间的填充物,在热量传递过程中起到桥梁的作用。
LED灯具是一个多层结构的组合体,若要快速导出芯片产生的热量,尽量减小材料之间的热阻,提高导热率,热界面材料的导热性能在其中至关重要。
目前用于LED封装的热界面材料有四种方式:
导热胶粘剂、导电银胶、锡膏和锡金合金共晶焊接。
导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等,从而提高其导热能力。
导热胶的优点是价格低廉、具有绝缘性能、工艺简单,但导热性普遍较差,热传导系数在0.7W/(m?
K)左右。
导电银浆是在环氧树脂内添加银粉,其硬化温度一般低于200℃,热传导系数为20W/(m*K)左右,具有良好的导热特性,同时粘贴强度也较好,但银浆对光的吸收比较大,导致光效下降。
对于小功率LED芯片发热量少,通过导电银胶作为粘结层完全可以满足散热以及可靠性问题。
导电锡膏的热传导系数约为50W/(m*K),一般用于金属之间焊接,导电性能也很优异。
锡金合金共晶焊接利用金属的共晶点将两种金属焊在一起,适合作为大功率LED芯片的粘结材料。
Kim等通过比较了导热导电银胶、Sn-Ag-Cu钎料和Au-Sn共晶钎料作为热界面材料的散热性能,发现对于SiC衬底片与Si基板的键合,Au/Sn共晶钎料的封装热阻明显低于银胶和Sn-Ag-Cu钎。
目前国内热界面材料远远落后于国外水平,随着LED封装集成度的提高和热流密度的增大,需要更高导热效率的新型热界面材料,以提高LED封装器件间的热量传递能力,如利用石墨烯、碳纳米管、纳米银线作为填料进行复合,同时利用无机官能团对基料进行修饰等制备出低热阻新型复合热界面材料技术。
对于LED封装应用而言,理想的热界面材料除了具备低热阻外,还应有相匹配的膨胀系数和弹性模量,以及较好的机械性能、热变形温度高、成本较低等要求。
二.封装结构
1.封装方式
在LED芯片技术的快速发展下,LED产品的封装形式也从单芯片封装方式发展到多芯片封装方式。
它的封装结构也从Lamp封装到SMD封装再到COB封装和RP封装技术。
1.1引脚式封装(Lamp)
采用引线架作各种封装外型的引脚,是最先研发成功投放市场的LED封装结构,品种数量繁多,技术成熟度较高。
表面贴装封装(SMD)因减小了产品所占空间面积、降低重量、允许通过的工作电流大,尤其适合自动化贴装生产,成为比较先进的一种工艺,从Lamp封装转SMD封装符合整个电子行业发展大趋势。
但是在应用中存在散热、发光均匀性和发光效率下降等问题。
1.2CoB(ChiponBoard)封装
结构是在多芯片封装技术的基础上发展而来,CoB封装是将裸露的芯片直接贴装在电路板上,通过键合引线与电路板键合,然后进行芯片的钝化和保护。
CoB的优点在于:
光线柔和、线路设计简单、高成本效益、节省系统空间等,但存在着芯片整合亮度、色温调和与系统整合的技术问题。
1.3远程荧光封装技术(RP)
是将多颗蓝光LED与荧光粉分开放置,LED发出的蓝光在经过反射器、散射器等混光后均匀的入射到荧光粉层上,最终发出均匀白光的一种LED光源形式。
RP封装技术与其他封装结构相比,RP封装技术性能更为特出:
首先,是荧光粉体远离LED芯片,荧光粉不易受PN结发热的影响,特别是一些硅酸盐类的荧光粉,易受高温高湿的影响,在远离热源后可减少荧光粉热猝灭几率,延长光源的寿命。
其次,荧光粉远离芯片设计的结构有利于光的取出,提高光源发光效率。
再者,此结构发出的光色空间分布均匀,颜色一致性高。
近年来,紫外激发的远程封装技术引起人们的高度关注,相比传统紫外光源,拥有独一无二的优势,包括功耗低、发光响应快、可靠性高、辐射效率高、寿命长、对环境无污染、结构紧凑等诸多优点,成为世界各大公司和研究机构新的研究热点之一。
2.发展趋势
近年来国内外众多科研机构和企业对LED封装技术持续开展研究,优良的封装材料和高效的封装工艺陆续被提出,高可靠性的LED照明新产品相继出现,如:
LED灯丝、软基板封装技术等(如图4)同时具备一定的使用性能要求。
在对新型材料的不断研制下,超导电和超导热材料相继问世,为LED封装技术的进一步发展提供了坚实的基础,如石墨烯。
,中国科学院半导体发明了以石墨烯作为导热层的倒装结构发光二极管,利用石墨烯优越的导电性能,使得部分热量可以经由石墨烯导热层传递到衬底上,增加了器件的导热通道,提高了散热效果。
针对目前LED芯片采用低压直流驱动,需要在电源驱动器中进行降压整流处理,引起能量损耗和可靠性问题。
人们分别提出采用高压的LED芯片和交流的LED芯片进行改善。
2008年9月,台湾工研院以芯片式交流电发光二极管照明技术获得美R&
D100Awards肯定。
ACLED具有低能耗、高效率、使用方便等优异性能,同时也颠覆了传统LED的应用。
三维封装技术,对于LED封装而言是一种全新的概念,它对设计思路和理念、材料特性以及封装技术本身提出更多创新性的要求。
三维打印技术从出现到今天,有了长足的提高,使LED三维封装技术成为一种可能,但目前存在许多需要克服的难题,如材料的复合制备、材料间热应力平衡控制、生产效率等。
因而可以说基于三维打印技术的LED封装技术仍是较为遥远的设想。
从长远来看,LED封装技术需要加快针对三维封装的封装材料、封装结构以及多功能系统化集成的探究,按照集成电路的封装概念,提高LED封装的微型化,采用无键合金线的封装方法,实现高光效光源模组器件的散热能力,解决LED应用中光、热、电三者的矛盾,最终实现智能系统化的LED封装技术,满足日益复杂的LED应用要求。
三.大功率LED封装
大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,一直是近年来的研究热点,特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。
LED封装的功能主要包括:
1.机械保护,以提高可靠性;
2.加强散热,以降低芯片结温,提高LED性能;
3.光学控制,提高出光效率,优化光束分布;
4.供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等。
LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。
经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(LampLED)、贴片式(SMDLED)、功率型LED(PowerLED)等发展阶段。
随着芯片功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。
为了有效地降低封装热阻,提高出光效率,必须采用全新的技术思路来进行封装设计。
1.大功率LED封装关键技术
大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,这些因素彼此既相互独立,又相互影响。
其中,光是LED封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。
从工艺兼容性及降低生产成本而言,LED封装设计应与芯片设计同时进行,即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。
否则,等芯片制造完成后,可能由于封装的需要对芯片结构进行调整,从而延长了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不可能。
具体而言,大功率LED封装的关键技术包括:
(一)低热阻封装工艺
对于现有的LED光效水平而言,由于输入电能的80%左右转变成为热量,且LED芯片面积小,因此,芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。
主要包括芯片布置、封装材料选择(基板材料、热界面材料)与工艺、热沉设计等。
LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和界面热阻。
散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量,并传导到热沉上,实现与外界的热交换。
常用的散热基板材料包括硅、金属(如铝,铜)、陶瓷(如Al2O3,AlN,SiC)和复合材料等。
如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底,将1mm芯片倒装在CuW衬底上,降低了封装热阻,提高了发光功率和效率;
LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板,并开发了相应的LED封装技术。
该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板,然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。
由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路,不仅结构简单,而且由于材料热导率高,热界面少,大大提高了散热性能,为大功率LED阵列封装提出了解决方案。
德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成,没有使用黏结剂,因此导热性能好、强度高、绝缘性强,其中氮化铝(AlN)的热导率为160W/mk,热膨胀系数为4.0×
10-6/℃(与硅的热膨胀系数3.2×
10-6/℃相当),从而降低了封装热应力。
研究表明,封装界面对热阻影响也很大,如果不能正确处理界面,就难以获得良好的散热效果。
例如,室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙,基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。
改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻,增强散热。
因此,芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)选择十分重要。
LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶,由于热导率较低,一般为0.5-2.5W/mK,致使界面热阻很高。
而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料,可大大降低界面热阻。
(二)高取光率封装结构与工艺
在LED使用过程中,辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:
芯片内部结构缺陷以及材料的吸收;
光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;
以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。
因此,很多光线无法从芯片中出射到外部。
通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶),由于该胶层处于芯片和空气之间,从而有效减少了光子在界面的损失,提高了取光效率。
此外,灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。
因此,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。
为提高LED封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。
目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。
硅胶由于具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率LED封装中得到广泛应用,但成本较高。
研究表明,提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效率,但硅胶性能受环境温度影响较大。
随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率降低,从而影响LED光效和光强分布。
荧光粉的作用在于光色复合,形成白光。
其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等,其中,发光效率和转换效率是关键。
研究表明,随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化,从而引起白光LED色温、色度的变化,较高的温度还会加速荧光粉的老化。
原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。
此外,高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。
由于常用荧光粉尺寸在1um以上,折射率大于或等于1.85,而硅胶折射率一般在1.5左右。
由于两者间折射率的不匹配,以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm),因而在荧光粉颗粒表面存在光散射,降低了出光效率。
通过在硅胶中掺入纳米荧光粉,可使折射率提高到1.8以上,降低光散射,提高LED出光效率(10%-20%),并能有效改善光色质量。
传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。
由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。
而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformalcoating)技术可实现荧光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性,如图3(b)。
但研究表明,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。
有鉴于此,美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺(ScatteredPhotonExtractionmethod,SPE),通过在芯片表面布置一个聚焦透镜,并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置,不仅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%)。
为提高LED的出光效率和可靠性,封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势,通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面,不仅提高了荧光粉的均匀度,而且提高了封装效率。
此外,减少LED出光方向的光学界面数,也是提高出光效率的有效措施。
(三)阵列封装与系统集成技术
经过40多年的发展,LED封装技术和结构先后经历了四个阶段。
目前,高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯,必须提高总的光通量,或者说可以利用的光通量。
而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。
而这些都会增加LED的功率密度,如散热不良,将导致LED芯片的结温升高,从而直接影响LED器件的性能(如发光效率降低、出射光发生红移,寿命降低等)。
多芯片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案,但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接,特别是散热等问题。
由于发光芯片的高密度集成,散热基板上的温度很高,必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。
常用的热沉结构分为被动和主动散热。
被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片,通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。
该方案结构简单,可靠性高,但由于自然对流换热系数较低,只适合于功率密度较低,集成度不高的情况。
对于大功率LED封装,则必须采用主动散热,如翅片+风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。
四、LED的封装步骤及技术要领
1、生产工艺
1.生产:
a)清洗:
采用超声波清洗PCB或LED支架,并烘干。
b)装架:
在led管芯(大圆片)底部电极备上银胶后进行扩张,将扩张后的管芯(大圆片)安置在刺晶台上,在显微镜下用刺晶笔将管芯一个一个安装在PCB或LED支架相应的焊盘上,随后进行烧结使银胶固化。
c)压焊:
用铝丝或金丝焊机将电极连接到LED管芯上,以作电流注入的引线。
LED直接安装在PCB上的,一般采用铝丝焊机。
(制作白光TOP-LED需要金线焊机)d)封装:
通过点胶,用环氧将LED管芯和焊线保护起来。
在PCB板上点胶,对固化后胶体形状有严格要求,这直接关系到背光源成品的出光亮度。
这道工序还将承担点荧光粉(白光LED)的任务。
e)焊接:
如果背光源是采用SMD-LED或其它已封装的LED,则在装配工艺之前,需要将LED焊接到PCB板上。
f)切膜:
用冲床模切背光源所需的各种扩散膜、反光膜等。
g)装配:
根据图纸要求,将背光源的各种材料手工安装正确的位置。
h)测试:
检查背光源光电参数及出光均匀性是否良好。
2.包装:
将成品按要求包装、入库。
2.LED封装工艺流程
a)芯片检验
镜检:
材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整
b)扩片
由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm),不利于后工序的操作。
我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张,是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。
也可以采用手工扩张,但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。
c)点胶
在led支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。
(对于GaAs、SiC导电衬底,具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片,采用银胶。
对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光led芯片,采用绝缘胶来固定芯片。
)
工艺难点在于点胶量的控制,在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。
由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求,银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。
d)备胶
和点胶相反,备胶是用备胶机先把银胶涂在led背面电极上,然后把背部带银胶
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