JP2007251218A - パワーｍｏｓｆｅｔの製造方法およびパワーｍｏｓｆｅｔ - Google Patents

Abstract

【課題】パワーＭＯＳＦＥＴの外部抵抗分を抑制する。
【解決手段】パワーＭＯＳＦＥＴのペレット１０の第１面にはソース用電極パッド２０およびゲート用電極パッド１９を配置し、第２面にはドレイン用電極パッド２１を配置する。ソース用電極パッド２０、ゲート用電極パッド１９、ドレイン用電極パッド２１にはインナリード３７、３６、３５を接続し、各インナリードに対応して各アウタリードを接続する。ソース用電極パッド２０はインナリード３７にソース用接続部２２と電気的かつ機械的に接続し、ソース用接続部２２においてインナリード３７は複数に分岐する。ペレット１０とインナリード３７、３６、３５とを樹脂封止体４４によって封止する。ソース用電極をインナリードに複数個の接続部で接続することで外部抵抗分を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴの製造方法、特に、電気抵抗および熱抵抗の低減技術に関し、例えば、高出力で高発熱のパワーＭＯＳＦＥＴに利用して有効なものに関する。

一般に、パワートランジスタやパワーＩＣ等の高出力で高発熱の半導体装置は、電池駆動装置の電源やスイッチ、自動車電装品、モータ駆動用制御装置等の電子機器や電気機器のあらゆる分野に使用されている。このような高出力で高発熱の半導体装置のうち従来のパワートランジスタを述べてある例として、特許文献１がある。このパワートランジスタは、リードフレームに放熱のためのヘッダが一体的に形成されており、このヘッダの上にペレットが固定されているとともに、このペレットの電極パッドとインナリードとがボンディングワイヤによって電気的に接続されており、ペレット、インナリード群およびヘッダの一部が樹脂封止体によって樹脂封止されている。
特開昭５９−２５２５６号公報

従来のパワートランジスタにおいては、ボンディングワイヤの電気抵抗分およびペレットのアルミニウム配線の電気抵抗分（以下、外部抵抗分という。）と、ペレット内部の抵抗分（以下、内部抵抗分という。）との合計がパワートランジスタ全体のオン抵抗になる。ここで、内部抵抗分が大きい段階においては外部抵抗分が問題になることは殆どなかった。ところが、技術革新が進展し、内部抵抗分が小さく改善されて外部抵抗分の大きさが全体の５０％程度を越える段階になると、外部抵抗分を無視することができない状況になる。

本発明の目的は、外部抵抗分を抑制することができるパワーＭＯＳＦＥＴおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

前記した課題を解決するための手段のうち代表的なものは、次の通りである。

すなわち、一対の面を有し、一方の面である第１面に配置されたソース電極およびゲート電極と、他方の面である第２面に配置されたドレイン電極とを有するパワーＭＯＳＦＥＴが設けられた半導体ペレットと、
前記ソース電極、前記ゲート電極および前記ドレイン電極に対してそれぞれ接続されたインナリードと、
前記各インナリードに対応して接続されたアウタリードと、
前記半導体ペレットとインナリードとを封止する封止体とを有し、
前記ソース電極は前記インナリードの接続部と電気的かつ機械的に接続され、
前記接続部において、前記インナリードは複数に分岐した形状を有する、
パワーＭＯＳＦＥＴ。

前記したパワーＭＯＳＦＥＴによれば、外部抵抗分を抑制することができる。

図１は本発明の一実施形態であるパワーＭＯＳＦＥＴを示しており、（ａ）は一部切断平面図、（ｂ）は正面断面図である。図２以降は本発明の一実施形態であるパワーＭＯＳＦＥＴの製造方法を説明するための各説明図である。

本実施形態において、本発明に係るパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、トランジスタという。）１は、ＭＯＳＦＥＴが作り込まれ小形の平板形状に形成された半導体ペレット（以下、ペレットという。）１０と、ＭＯＳＦＥＴを電気的に外部に引き出すための３本のインナリード３５、３６、３７と、放熱性能を高めるためのヘッダ４１と、ペレット１０、インナリード群およびヘッダ４１の一部を樹脂封止する樹脂封止体４４とを備えている。ペレット１０の回路要素が作り込まれた側の主面（以下、上面とする。）には各インナリード３５、３６、３７がバンプから形成された接続部２５、２６、２７によって電気的かつ機械的に接続されている。また、ペレット１０の反対側の主面である下面にはヘッダ４１が結合されている。そして、このトランジスタ１は以下に述べるような製造方法によって製造されている。

以下、本発明の一実施形態であるトランジスタの製造方法を説明する。この説明により、前記トランジスタ１についての構成の詳細が明らかにされる。

このトランジスタの製造方法においては、図２に示されているペレット１０、図３に示されている多連リードフレーム３０および図４に示されているヘッダが、ペレット準備工程、リードフレーム準備工程およびヘッダ準備工程においてそれぞれ準備される。

図２に示されているペレット１０は、半導体装置の製造工程における所謂前工程においてウエハ状態にてパワーＭＯＳＦＥＴ回路を適宜作り込まれた後に、小さい正方形の薄板形状に分断（ダイシング）されることにより、製作されたものである。このペレット１０はサブストレート１１を備えており、サブストレート１１の上にはポリシリコンによってゲート１２が下敷きシリコン酸化膜１３を介して形成されている。サブストレート１１におけるゲート１２の外側に対応するサブストレート１１の内部には半導体拡散層部としてのソース１４が形成されており、サブストレート１１の下部にはドレイン１５が形成されている。

サブストレート１１の上にはＣＶＤ酸化膜等からなる絶縁膜１６がゲート１２およびソース１４を被覆するように形成されており、この絶縁膜１６におけるゲート１２に対向する位置にはゲート用コンタクトホール１７が１個、ゲート１２に貫通するように開設されている。また、絶縁膜１６におけるソース１４に対向する領域にはソース用コンタクトホール１８が３個、ゲート用コンタクトホール１７の片脇において直交する方向に並べられてソース１４にそれぞれ貫通するように開設されている。

さらに、ゲート用コンタクトホール１７の内部にはゲート用電極パッド１９が形成され、各ソース用コンタクトホール１８の内部にはソース用電極パッド２０がそれぞれ形成されている。これら電極パッド１９、２０は、アルミニウム材料（アルミニウムまたはその合金）がスパッタリング蒸着等の適当な手段により絶縁膜１６の上に被着された後に、写真食刻法によってパターンニングされて形成されたものである。つまり、絶縁膜１６の上に被着されたアルミニウム材料は各コンタクトホール１７、１８の内部にそれぞれ充填されるため、この充填部によってそれぞれ形成された電極パッド１９、２０はゲート１２およびソース１４とにそれぞれ電気的に接続された状態になっている。他方、サブストレート１１の下面にはドレイン１５用の電極パッド２１がアルミニウム材料を被着されている。

ゲート用電極パッド１９および３個のソース用電極パッド２０の上には、リンシリケートガラスやポリイミド系樹脂等の絶縁材料からなる保護膜２４が被着されており、保護膜２４のゲート用電極パッド１９およびソース用電極パッド２０にそれぞれ対向する位置にはゲート用バンプ２２および各ソース用バンプ２３がそれぞれ突設されている。これらバンプ２２、２３は、チタン（Ｔｉ）等からなる第１下地層２２ａ、２３ａと、パラジウム（Ｐｄ）等からなる第２下地層２２ｂ、２３ｂと、はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ）からなる本体２２ｃ、２３ｃとから構成されている。

図３に示されている多連リードフレーム３０は、鉄−ニッケル合金や燐青銅或いはヘッダと同じ材質の銅合金等の導電性が良好な材料からなる薄板が用いられて、打抜きプレス加工またはエッチング加工等の適当な手段により一体成形されている。この多連リードフレーム３０の表面には錫（Ｓｎ）、金（Ａｕ）、はんだ（Ｓｎ−Ｐｂ）等を用いためっき処理が、ペレット１０に突設されたバンプ２２、２３による電気的かつ機械的接続作用が適正に実施されるように被着されている（図示せず）。この多連リードフレーム３０には複数の単位リードフレーム３１が一方向に１列に並設されている。但し、一単位のみが図示されている。

単位リードフレーム３１は位置決め孔３２ａが開設されている外枠３２を一対備えており、両外枠は所定の間隔で平行になるように配されて一連にそれぞれ延設されている。隣合う単位リードフレーム３１、３１間には一対のセクション枠３３が両外枠３２、３２の間に互いに平行に配されて一体的に架設されており、これら外枠、セクション枠によって形成される略長方形の枠体（フレーム）内に単位リードフレーム３１が構成されている。

各単位リードフレーム（以下、リードフレームということがある。）３１において、両セクション枠の間にはダム部材３４が略中央部において直交されて一体的に架設されている。ダム部材３４には３本のインナリード３５、３６、３７が長さ方向に等間隔に配されて、一方向に直角にそれぞれ突設されている。中央のインナリード（以下、第１インナリードという。）３５の先端部には、ドレイン用接続部片３５ａが厚さ方向にＬ字形状に屈曲されて形成されている。一方の片脇のインナリード（以下、第２インナリードという。）３６の先端部には、ゲート用接続部片３６ａが同一平面内でく字形状に形成されている。他方の片脇のインナリード（以下、第３インナリードという。）３７の先端部には、ソース用接続部片３７ａが同一平面内でヨ字形状に形成されている。

ダム部材３４には３本のアウタリード３８、３９、４０が３本のインナリード３５、３６、３７に対向する各位置に配されて、それらインナリードと直線状に連続するようにそれぞれ突設されている。そして、隣合うアウタリード同士および両セクション枠３３、３３との間には、後述する樹脂封止体の成形に際してレジンの流れを堰き止めるためのダム３４ａがそれぞれ形成されている。

図４に示されているヘッダ４１は銅材料（銅または銅合金）等の導電性および熱伝導性の良好な材料が用いられて、ペレット１０よりも大きな長方形の板形状に形成されている。ヘッダ４１にはこのトランジスタをプリント配線基板等に取り付けるための取付孔４２が、一方の短辺付近において中央部に配されて厚さ方向に貫通するように開設されている。

以上のようにして予め準備されたペレット１０とヘッダ４１とは、ペレットボンディング工程において、ヘッダ４１の一方の主面（以下、上面とする。）にペレット１０のドレイン用電極パッド２１側の主面がペレットボンディング層としてのはんだ付け層４３によりボンディングされる。はんだ付け層４３を形成するはんだ材料としては、ペレット１０のバンプ２２、２３に使用されたはんだ材料の融点以上の融点を有するはんだ材料が使用される。また、はんだ付け層４３の形成方法としては、ヘッダ４１の上面に載置されたはんだ箔（図示せず）にペレット１０を押接させた状態で加熱させる方法を、使用することができる。

次に、インナリードボンディング工程において図５に示されているように、ペレット１０のヘッダ４１と反対側の主面にインナリード群がボンディングされる。この際、多連リードフレーム３０はインナリードボンディング装置（図示せず）を一方向に歩進送りされる。そして、歩進送りされる多連リードフレーム３０の途中に配設されているインナリードボンディングステージにおいて、ペレット３０は単位リードフレーム３１に下方から対向されるとともに、各バンプ２２および２３が各インナリード３６および３７の接続部片３６ａ、３７ａにそれぞれ整合されてボンディング工具により熱圧着されることにより、多連リードフレーム３０に組み付けられる。

すなわち、各バンプ２２、２３が各インナリード３６、３７に加熱下で押接されると、バンプ本体２２ｃ、２３ｃのはんだが溶融して各インナリード３６および３７に溶着する。そして、はんだが固化した後に、ペレット１０のゲート用電極パッド１９および各ソース用電極パッド２０と第２インナリード３６および第３インナリード３７との間には、ゲート用接続部２５およびソース用接続部２６がそれぞれ形成される。ゲート用接続部２５によってゲート用電極パッド１９と第２インナリード３６とが電気的かつ機械的に接続され、ソース用接続部２６によってソース用電極パッド２０と第３インナリード３７とが電気的かつ機械的に接続された状態になるとともに、これらの機械的接続によってペレット１０がリードフレーム３１に機械的に接続された状態すなわち固定的に組み付けられた状態になる。

このインナリードボンディング作業に際して、第１インナリード３５のドレイン用接続部片３５ａはヘッダ４１の取付孔４２と反対側の短辺付近にはんだ付けされる。このはんだ付け部によってドレイン用接続部２７が形成された状態になり、ドレイン用接続部２７によってペレット１０のドレイン電極パッド２１とヘッダ４１とが電気的に接続された状態になる。

以上のようにして組み立てられたヘッダ付きペレット１０と多連リードフレーム３０との組立体には、樹脂封止体成形工程においてエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂からなる樹脂封止体４４が、図６に示されているトランスファ成形装置５０を使用されて各単位リードフレーム３１について同時成形される。

図６に示されているトランスファ成形装置はシリンダ装置等（図示せず）によって互いに型締めされる一対の上型５１と下型５２とを備えており、上型５１と下型５２との合わせ面には上型キャビティー凹部５３ａと、下型キャビティー凹部５３ｂとが互いに協働してキャビティー５３を形成するように複数組（１組のみが図示されている。）没設されている。また、上型キャビティー凹部５３ａの天井面および下型キャビティー凹部５３ｂの底面上には、樹脂封止体に取付孔を成形するための各取付孔成形用凸部６０ａ、６０ｂが互いに突合するように、かつ、ヘッダ４１の取付孔４２と等しい平面形状にそれぞれ突設されている。

上型５１の合わせ面にはポット５４が開設されており、ポット５４にはシリンダ装置（図示せず）により進退されるプランジャ５５が成形材料としての樹脂（以下、レジンという。）を送給し得るように挿入されている。下型５２の合わせ面にはカル５６がポット５４との対向位置に配されて没設されているとともに、複数条のランナ５７がポット５４にそれぞれ接続するように放射状に配されて没設されている。各ランナ５７の他端部は下側キャビティー凹部５３ｂにそれぞれ接続されており、その接続部分にはゲート５８がレジンをキャビティー５３内に注入し得るように形成されている。また、下型５２の合わせ面には逃げ凹所５９が単位リードフレーム３１の厚みを逃げ得るように、多連リードフレーム３０の外形よりも若干大きめの長方形で、その厚さと略等しい寸法の一定深さに没設されている。

以上のように構成されたトランスファ成形装置による樹脂封止体の成形作業について説明する。
前記構成にかかる組立体は下型５２に没設されている逃げ凹所５９内に、ペレット１０が下型キャビティー凹部５３ｂ内にそれぞれ収容されるように配されてセットされる。続いて、上型５１と下型５２とが型締めされ、ポット５４からプランジャ５５によりレジン６１がランナ５７およびゲート５８を通じて各キャビティー５３に送給されて圧入される。

注入後、レジン６１が熱硬化されて樹脂封止体４４が成形されると、上型５１および下型５２は型開きされるとともに、エジェクタ・ピン（図示せず）により樹脂封止体４４が離型される。

図７は離型後の多連リードフレーム３０と樹脂封止体４４との組立体を示している。この組立体の樹脂封止体４４の内部には、ペレット１０、３本のインナリード３５、３６、３７と共に、ペレット１０の下面に結合されたヘッダ４１の一部も樹脂封止された状態になっている。この状態において、ヘッダ４１はそのペレット取付面とは反対側の端面が樹脂封止体４４の表面から露出した状態になっており、３本のアウタリード３８、３９、４０は樹脂封止体４４の短辺側の一側面から直角に突出した状態になっている。また、樹脂封止体４４のヘッダ取付孔４２と対向する部位には、取付孔４５が凸部６０ａ、６０ｂによって成形されて開設された状態になっている。

以上のようにして樹脂封止体４４を成形された組立体は、リードフレーム切断工程において（図示せず）、外枠３２、セクション枠３３、ダム３４ａを切り落とされる。これにより、図１に示されているトランジスタ１が製造されたことになる。

前記実施形態によれば次の効果が得られる。
（１） 各インナリードをペレットに各接続部によって電気的かつ機械的に接続することにより、ボンディングワイヤによる電気的接続を廃止することができるため、ボンディングワイヤによる電気的接続に比べて外部抵抗分を大幅に低減することができ、パワートランジスタの性能を高めることができる。

（２） また、ボンディングワイヤによる接続を廃止することにより、パワートランジスタのパッケージを小形軽量化することができるため、前記（１）とあいまって、パワートランジスタの性能を高めることができる。

（３） ヘッダがインナリード群とは別体になっているため、インナリードの材質に無関係に放熱性能の良好な材質を用いてヘッダを形成することにより、ヘッダの放熱性能を高めることができ、また、インナリードはヘッダの材質に無関係にインナリード特性に最適の材質を選定することができ、パワートランジスタの品質および信頼性をより一層高めることができる。

（４） ソース用電極パッドおよびソース用インナリードの接続部片を複数個設けることにより、ソースに大電流を流すことができるため、パワートランジスタの性能をより一層高めることができる。

（５） 樹脂封止体をトランスファ成形法によって成形することにより、耐湿性能等の樹脂封止体が備えるべき性能を高めることができるため、パワートランジスタの品質および信頼性を高めることができる。

図８は本発明の他の実施形態であるパワーＭＯＳＦＥＴを示しており、（ａ）は一部切断平面図、（ｂ）は正面断面図である。

本実施形態２が前記実施形態１と異なる点は、樹脂封止体４４Ａがポッティング法によって成形されている点である。すなわち、ポッティング法による樹脂封止体４４Ａはペレット１０、インナリード３５、３６、３７およびヘッダ４１のペレット周りの必要な部分だけを樹脂封止した状態になっている。そして、樹脂封止体４４Ａの成形に際して、各インナリード３６、３７の内側に外力が不慮に加わって変形されるのを防止するために、各インナリード３６、３７は絶縁性接着テープ等からなる接着材４６によってヘッダ４１に接着されている。

本実施形態２によれば、樹脂封止体４４Ａがポッティング法によって成形されるため、樹脂封止体がトランスファ成形法によって成形される場合に比べて、コストを低減することができるとともに、パッケージ全体をより一層小形軽量化することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、バンプはペレット側に配設するに限らず、インナリード側に配設してもよい。また、バンプ本体ははんだによって形成するに限らず、金によって形成し、インナリードに金−錫共晶層によって接続するように構成してもよい。

ペレットとヘッダとは、はんだ付け部によって結合するに限らず、金−錫共晶層や導電性接着材層（銀ペースト層等）によって結合してもよい。但し、ペレットのヘッダへの放熱作用を配慮して、熱伝導性の良好な結合部を形成することが望ましい。

ドレイン用電極パッドは、ペレットの第２主面（下面）側に配設してヘッダに電気的に接続するに限らず、ゲート用電極パッドおよびソース用電極パッドと同じ側に配設してインナリードにバンプによる接続部によって電気的に接続してもよい。

ヘッダはペレットにインナリードボンディングされる前に結合するに限らず、インナリードボンディング後またはインナリードボンディングと同時にペレットに結合してもよい。

ヘッダの形状、大きさ、構造等は、要求される放熱性能、実装形態（例えば、押さえ具や締結ボルトの使用の有無等）、ペレットの性能、大きさ、形状、構造等々の諸条件に対応して選定することが望ましく、必要に応じて、放熱フィンやボルト挿通孔、雌ねじ等々を設けることができる。

また、ヘッダを形成する材料としては銅系材料を使用するに限らず、アルミニウム系等のような熱伝導性の良好な他の金属材料を使用することができる。特に、炭化シリコン（Ｓｉｃ）等のように熱伝導性に優れ、かつ、熱膨張率がペレットの材料であるシリコンのそれと略等しい材料を使用することが望ましい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるパワートランジスタに適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、パワーＩＣ、インシュレイテッド・ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）、トランジスタアレー等の半導体装置全般に適用することができる。特に、高出力で低価格であり、しかも、高い放熱性能が要求される半導体装置に利用して優れた効果が得られる。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次の通りである。

インナリードをペレットに接続部によって電気的かつ機械的に接続することにより、ボンディングワイヤによる電気的接続に比べて外部抵抗分を大幅に低減することができ、また、パッケージを小形軽量化することができるため、パワーＭＯＳＦＥＴ全体としての性能を高めることができる。

本発明の一実施形態であるパワーＭＯＳＦＥＴを示しており、（ａ）は一部切断平面図、（ｂ）は正面断面図である。 本発明の一実施形態であるパワーＭＯＳＦＥＴの製造方法に使用されるペレットを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図である。 同じく多連リードフレームを示しており、（ａ）は一部省略平面図、（ｂ）は正面断面図である。 ペレットボンディング後のヘッダを示しており、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は一部省略一部切断拡大側面図である。 インナリードボンディング後を示しており、（ａ）は一部省略平面図、（ｂ）は正面断面図である。 樹脂封止体成形工程を示しており、（ａ）は正面断面図、（ｂ）はｂ−ｂ線に沿う断面図である。 樹脂封止体成形後を示しており、（ａ）は一部省略平面図、（ｂ）は正面断面図である。 本発明の他の実施形態であるパワーＭＯＳＦＥＴを示しており、（ａ）は一部切断平面図、（ｂ）は正面断面図である。

符号の説明

１…パワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）、１０…ペレット、１１…サブストレート、１２…ゲート、１３…シリコン酸化膜、１４…ソース、１５…ドレイン、１６…絶縁膜、１７…ゲート用コンタクトホール、１８…ソース用コンタクトホール、１９…ゲート用電極パッド、２０…ソース用電極パッド、２１…ドレイン用電極パッド、２２…ゲート用バンプ、２３…ソース用バンプ、２４…保護膜、２５…ゲート用接続部、２６…ソース用接続部、２７…ドレイン用接続部、３０…多連リードフレーム、３１…単位リードフレーム、３２…外枠、３３…セクション枠、３４…ダム部材、３５、３６、３７…インナリード、３８、３９、４０…アウタリード、４１…ヘッダ、４２…取付孔、４３…はんだ付け層（ペレットボンディング層）、４４…トランスファ成形法による樹脂封止体、４４Ａ…ポッティング法による樹脂封止体、４５…取付孔、４６…接着材、５０…トランスファ成形装置、５１…上型、５２…下型、５３…キャビティー、５４…ポット、５５…プランジャ、５６…カル、５７…ランナ、５８…ゲート、５９…凹所、６０ａ、６０ｂ…凸部、６１…レジン。

Claims (4)

1. 半導体ペレットの回路要素が作り込まれた側の主面に配置されたソース電極およびゲート電極と、前記主面と反対側の主面に配置されたドレイン電極を有する半導体ペレットの前記ソース電極、前記ゲート電極および前記ドレイン電極のそれぞれに複数のインナリードを接続するパワーＭＯＳＦＥＴの製造方法において、
   接続平面積が大きい接続部を介して、前記ソース電極を前記インナリードに電気的かつ機械的に接続する工程を、
   有することを特徴とするパワーＭＯＳＦＥＴの製造方法。
2. 一対の面を有し、一方の面である第１面に配置されたソース電極およびゲート電極と、他方の面である第２面に配置されたドレイン電極とを有するパワーＭＯＳＦＥＴが設けられた半導体ペレットと、
   前記ソース電極、前記ゲート電極および前記ドレイン電極に対してそれぞれ接続されたインナリードと、
   前記各インナリードに対応して接続されたアウタリードと、
   前記半導体ペレットとインナリードとを封止する封止体とを有し、
   前記ソース電極は前記インナリードの接続部と電気的かつ機械的に接続され、
   前記接続部において、前記インナリードは複数に分岐した形状を有する、
   パワーＭＯＳＦＥＴ。
3. 前記分岐は複数に並んで分かれており、一端がそれぞれ接続され、各分岐間の間隔に比べ、前記ソース電極と接続される各分岐部分の幅の方が広い、
   請求項２に記載のパワーＭＯＳＦＥＴ。
4. 前記複数の分岐は、３つである、
   パワーＭＯＳＦＥＴ。

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